7-3Технология ATМ (Лекции по Сетевым технологиям)

Технология ATM

Гетерогенность — неотъемлемое качество любой крупной вычислительной сети, и на согласование разнородных компонентов системные интеграторы и админи­страторы тратят большую часть своего времени. Поэтому любое средство, сулящее перспективу снижения неоднородности сети, привлекает пристальный интерес сетевых специалистов. Технология асинхронного режима передачи (Asynchronous Transfer Mode, ATM) разработана как единый универсальный транспорт для но­вого поколения сетей с интеграцией услуг, которые называются широкополос­ными сетями ISDN (Broadband-ISDN, B-ISDN).

По планам разработчиков единообразие, обеспечиваемое ATM, будет состоять в том, что одна транспортная технология сможет обеспечить несколько перечис­ленных ниже возможностей.

• Передачу в рамках одной транспортной системы компьютерного и мультиме­дийного (голос, видео) трафика, чувствительного к задержкам, причем для каждого вида трафика качество обслуживания будет соответствовать его по­требностям.

• Иерархию скоростей передачи данных, от десятков мегабит до нескольких гигабит в секунду с гарантированной пропускной способностью для ответствен­ных приложений.

• Общие транспортные протоколы для локальных и глобальных сетей.

• Сохранение имеющейся инфраструктуры физических каналов или физических протоколов: SDH, PDH, FDDI.

• Взаимодействие с унаследованными протоколами локальных и глобальных сетей: IP, SNA, Ethernet, ISDN.

Технология ATM совмещает в себе подходы двух технологий — коммутации па­кетов и коммутации каналов. От первой она взяла на вооружение передачу дан­ных в виде адресуемых пакетов, а от второй — технику виртуальных каналов и использование пакетов небольшого фиксированного размера, в результате чего задержки в сети становятся более предсказуемыми. С помощью техники вирту­альных каналов, предварительного заказа параметров качества обслуживания ка­нала и приоритетного обслуживания виртуальных каналов с разным качеством обслуживания удается добиться передачи в одной сети разных типов трафика без дискриминации.

Хотя сети ISDN также разрабатывались для передачи раз­личных видов трафика в рамках одной сети, голосовой трафик явно был для раз­работчиков более приоритетным. Технология ATM с самого начала разрабатыва­лась как технология, способная обслуживать все виды трафика в соответствии с их требованиями.

Разработку стандартов ATM осуществляет группа организаций под названием ATM Forum под эгидой специального комитета IEEE, а также комитеты ITU-T и ANSI.

Основные принципы технологии ATM

Сеть ATM имеет классическую структуру крупной территориальной сети — ко­нечные станции соединяются индивидуальными каналами с коммутаторами нижнего уровня, которые, в свою очередь, соединяются с коммутаторами более высоких уровней. Коммутаторы ATM пользуются 20-байтными адресами конеч­ных узлов для маршрутизации трафика на основе техники виртуальных каналов. Для частных сетей ATM определен протокол маршрутизации PNNI (Private NNI), с помощью которого коммутаторы могут строить таблицы маршрутизации авто­матически. В публичных сетях ATM таблицы маршрутизации могут строиться администраторами вручную, как и в сетях Х.25, или поддерживаться протоколом PNNI.

Коммутация пакетов происходит на основе идентификатора виртуального кана­ла (Virtual Channel Identifier, VCI), который назначается соединению при его ус­тановлении и уничтожается при разрыве соединения. Адрес конечного узла ATM, на основе которого прокладывается виртуальный канал, имеет иерархическую структуру, подобную номеру в телефонной сети, и использует префиксы, соот­ветствующие кодам стран, городов, сетям поставщиков услуг и т. п., что упроща­ет маршрутизацию запросов на установление соединения, как и в случае агреги­рованных IP-адресов в соответствии с техникой CIDR. В публичных сетях ATM обычно используются адреса в стандарте Е.164, что делает простым взаимодей­ствие этих сетей с телефонными сетями.

Виртуальные соединения могут быть постоянными (Permanent Virtual Circuit, PVC) и коммутируемыми (Switched Virtual Circuit, SVC). Для ускорения ком­мутации в больших сетях используется понятие виртуального пути — Virtual Path, который объединяет виртуальные каналы, имеющие в сети ATM общий маршрут между исходным и конечным узлами или общую часть маршрута между некото­рыми двумя коммутаторами сети. Идентификатор виртуального пути (Virtual Path Identifier, VPI) является старшей частью локального адреса и представляет со­бой общий префикс для некоторого количества различных виртуальных кана­лов. Таким образом, идея агрегирования адресов в технологии ATM применена на двух уровнях — на уровне адресов конечных узлов (работает на стадии уста­новления виртуального канала) и на уровне номеров виртуальных каналов (ра­ботает при передаче данных по имеющемуся виртуальному каналу).

Соединения конечной станции ATM с коммутатором нижнего уровня опреде­ляются стандартом UNI (User Network Interface). Спецификация UNI определя­ет структуру пакета, адресацию станций, обмен управляющей информацией, уровни протокола ATM, способы установления виртуального канала и способы управления трафиком.

Стандарт ATM не вводит свои спецификации на реализацию физического уров­ня. Здесь он основывается на технологии SDH/SONET, принимая ее иерархию скоростей. В соответствии с этим начальная скорость доступа пользователя сети — это скорость STM-1 155 Мбит/с. Магистральное оборудование ATM работает и на более высоких скоростях STM-4 622 Мбит/с и STM-16 2,5 Гбит/с. На скорости 155 Мбит/с можно использовать не только волоконно-оптический кабель, но и неэкранированную витую пару категории 5. На скорости 622 Мбит/с допустим только волоконно-оптический кабель, причем для глобальных сетей это одномодовый кабель, а для локальных — как одномодовый, так и многомодовый (в зависимости от скорости и расстояния). Работа на сверхвысоких скоро­стях существенно удорожает оборудование ATM из-за сложности реализации операций разбиения пакетов на ячейки и сборки ячеек в пакеты в интерфейсных заказных БИС коммутаторов.

Все перечисленные выше характеристики технологии ATM не свидетельству­ют о том, что это некая «особенная» технология, а скорее представляют ее как типичную технологию глобальных сетей, основанную на технике виртуальных каналов. Особенности же технологии ATM лежат в области качественного об­служивания разнородного трафика и объясняются стремлением решить задачу совмещения в одних и тех же каналах связи и в одном и том же коммуникацион­ном оборудовании компьютерного и мультимедийного трафика таким образом, чтобы каждый тип трафика получил требуемый уровень обслуживания.

Трафик вычислительных сетей имеет ярко выраженный асинхронный и пульси­рующий характер. Компьютер посылает пакеты в сеть в случайные моменты вре­мени, по мере возникновения в этом необходимости. При этом интенсивность посылки пакетов в сеть и их размер могут изменяться в широких пределах — на­пример, коэффициент пульсаций трафика (отношения максимальной мгновен­ной интенсивности трафика к его средней интенсивности) протоколов без уста­новления соединений может доходить до 200, а протоколов с установлением соединений — до 20. Чувствительность компьютерного трафика к потерям дан­ных высокая, так как без утраченных данных обойтись нельзя и их необходимо восстановить путем повторной передачи.

Мультимедийный трафик, передающий, например, голос или изображение, ха­рактеризуется низким коэффициентом пульсаций, высокой чувствительностью к задержкам передачи данных (отражающихся на качестве воспроизводимого не­прерывного сигнала) и низкой чувствительностью к потерям данных (из-за инер­ционности физических процессов потерю отдельных замеров голоса или кадров изображения можно компенсировать сглаживанием на основе предыдущих и по­следующих значений).

Подход, реализованный в технологии ATM, состоит в передаче любого вида трафика — компьютерного, телефонного или видео — пакетами фиксированной и очень маленькой длины в 53 байта. Пакеты ATM называют ячейками (cell). Поле данных ячейки занимает 48 байт, а заголовок — 5 байт.

Чтобы пакеты содержали адрес узла назначения и в то же время процент слу­жебной информации не превышал размер поля данных пакета, в технологии ATM применен стандартный для глобальных вычислительных сетей прием — переда­ча ячеек в соответствии с техникой виртуальных каналов с длиной номера вир­туального канала размером в 24 бит, что вполне достаточно для обслуживания большого количества виртуальных соединений каждым портом коммутатора глобальной сети ATM.

Размер ячейки ATM является результатом компромисса между телефонистами и компьютерщиками — первые настаивали на размере поля данных в 32 байта, а вторые — в 64 байта.

Использование в АТМ ячеек небольшого размера ( создают условия для качественного обслуживания) имеют обратную сторону. Платой за качество является высокий уровень нагрузки на АТМ – коммутаторы при работе на высоких скоростях. Объем работы, выполняемый коммутатором, пропорционален количеству обрабатываемых в единицу времени пакетов. Очевидно, что использование ячеек размером в 48 байт приводит к большому росту объема работы для АТМ – коммутаторов, по сравнению с коммутаторами Ethernet, работающими с кадрами в 1500 байт.

Из-за этого обстоятельства АТМ - коммутаторы долго не могли превзойти скорость в 622 мб/с и только сравнительно недавно стали поддерживать скорость 2,5 гб/с.

Выбор для передачи данных любого типа небольшой ячейки фиксированного размера еще не решает задачу совмещения разнородного трафика в одной сети, а только создает предпосылки для ее решения. Для полного решения этой задачи технология ATM привлекает и развивает идеи заказа пропускной способности и качества обслуживания, реализованные в технологии frame relay. Но если сеть frame relay изначально была предназначена для передачи только пульсирующего компьютерного трафика (в связи с этим для сетей frame relay так трудно дается стандартизация передачи голоса), то разработчики технологии ATM проанали­зировали всевозможные образцы трафика, создаваемые различными приложе­ниями, и выделили 4 основных класса трафика, для которых разработали раз­личные механизмы резервирования и поддержания требуемого качества обслу­живания.

Класс трафика (называемый также классом услуг — service class) качественно характеризует требуемые услуги по передаче данных через сеть ATM. Если при­ложение указывает сети, что требуется, например, передача голосового трафика, то из этого становится ясно, что особенно важными для пользователя будут та­кие показатели качества обслуживания, как задержки и вариации задержек яче­ек, существенно влияющие на качество переданной информации — голоса или изображения, а потеря отдельной ячейки с несколькими замерами не так уж важна, так как, например, воспроизводящее голос устройство может аппрокси­мировать недостающие замеры и качество пострадает не слишком. Требования к синхронности передаваемых данных очень важны для многих приложений — не только голоса, но и видеоизображения, и наличие этих требований стало первым критерием для деления трафика на классы.

Другим важным параметром трафика, существенно влияющим на способ его передачи через сеть, является величина пульсаций. Разработчики технологии ATM решили выделить два различных типа трафика в отношении этого параметра — трафик с постоянной битовой скоростью (Constant Bit Rate, CBR) и трафик с переменной битовой скоростью (Variable Bit Rate, VBR).

К разным классам были отнесены трафики, порождаемые приложениями, ис­пользующими для обмена сообщениями протоколы с установлением соединения и без установления соединения. В первом случае данные передаются самим при­ложением достаточно надежно, как это обычно делают протоколы с установле­нием соединения, поэтому от сети ATM высокой надежности передачи не требу­ется. А во втором случае приложение работает без установления соединения и восстановлением потерянных и искаженных данных не занимается, что предъяв­ляет повышенные требования к надежности передачи ячеек сетью ATM.

В результате было определено пять классов трафика, отличающихся следующи­ми качественными характеристиками:

• наличием или отсутствием пульсации трафика, то есть трафики CBR или VBR;

• требованием к синхронизации данных между передающей и принимающей сторонами;

• типом протокола, передающего свои данные через сеть ATM, — с установле­нием соединения или без установления соединения (только для случая пере­дачи компьютерных данных).

Основные характеристики классов трафика ATM приведены в табл. 1.