Технология асинхронного способа передачи

Технология ATM

Миллер Алексей Григорьевич,

Научный сотрудник ГП «ТЕРКОМ»

Технология ATM переживает сейчас период активного развития. Будучи в конце 80-х годов предметом обсуждения узкого круга исследователей сегодня эта технология занимает значительное место в телекоммуникационном мире. Оборудование ATM уже поставляется десятками компаний, многие крупные провайдеры уже используют эту технологию на своих магистральных каналах. В ближайшее время, очевидно, можно ожидать широкого распространения ATM на рынке локальных и корпоративных сетей. Причиной такого успеха, безусловно, является универсальность технологии ATM, сочетающей лучшие черты сетей старого образца и предоставляющей надежные средства обеспечения качества обслуживания.

Различные сети передачи данных и ATM

Различные приложения накладывают разные требования по качеству обслуживания к сетям передачи. В основном, эти требования выражаются в терминах пропускной способности (скорости передачи), допустимых задержек и уровня потерь и ошибок. Если многие приложения должны разделять какие-либо ресурсы сети, будь то передающие каналы, накопители или коммутаторы, очень существенным становится вопрос о том, насколько хорошо данная сетевая технология способна отводить и поддерживать ресурсы для каждого конкретного приложения в зависимости от его запросов, причем делать это одновременно для многих приложений. Коммутаторы в сетях, ориентированных на передачу пакетов, не имеют полной информации о состоянии соединения и часто не способны различать пакеты между приложениями. Таким образом, они не могут гарантировать качество обслуживания данному приложению. В сетях, ориентированных на соединение, напротив, коммутаторы поддерживают информацию о состоянии канала. Однако, поскольку они предоставляют фиксированный сервис для всего канала, они не способны предоставлять разные услуги нескольким приложениям, разделяющим один канал.

В 80-е годы активно обсуждалась идея виртуального канала (virtual circuit), которая оказалась идеально подходящей для эффективного использования ресурсов сети, разделяемой приложениями с различными требованиями к трафику. Эти обсуждения впоследствии вылились в серию стандартов, определяющих новую сетевую технологию, получившую название ATM – Asynchronous Transfer Mode  или Асинхронный Режим Доставки. ATM обеспечивает передачу потока пакетов фиксированной длины по виртуальному каналу с заданным качеством обслуживания.

Пакеты ATM называют ячейками (cell). Каждая ячейка состоит из 5-байтного заголовка и пользовательской информации длиной 48 байтов.

Рисунок справа иллюстрирует протокольную модель ATM. В отличие от стнадартных семиуровневых моделей, в ATM принято изображать стек протоколов объемным.
Физический уровень обеспечивает собственно передачу и прием ячеек. Уровень ATM занимается обеспечением параметров обслуживания и коммутацией. Уровень адаптации (ATM Adaptation Layer - AAL) разбивает поток пользовательской информации на ячейки ATM. Различают несколько типов AAL в зависимости от сервиса, предоставляемого верхним уровням: AAL1, AAL2, AAL3-4 и AAL5. Под верхними уровнями понимаются разнообразные пользователи сервиса ATM, например IP, который поставляет AAL5 последовательность пакетов произвольной длины или приложение, передающее на AAL1 голосовую информацию с постоянной скоростью. В срезе «User plane» объединяются функции, необходимые для передачи пользовательской информации. «Control plane» состоит из инструментов, необходимых для установления коммутируемых виртуальных соединений. Наконец, плоскость менеджмента содержит функции управления уровнями и сетью в целом.

Виртуальные пути и каналы

ATM -  технология передачи данных, в основном ориентированная на установление соединения, т.е. весь трафик между источником и получателем следует фиксированным предустановленным путем. Внутри одного физического канала выделяется много виртуальных каналов (virtual channel). Данные, принадлежащие разным потокам, различаются по идентификатору виртуального канала (Virtual Channel Identifier, VCI). Для некоторых целей удобно объединять виртуальные каналы в группы. Такие группы каналов называют виртуальным путем (Virtual Path) и обозначаются идентификатором виртуального пути (Virtual Path Identifier, VPI). Каналы, принадлежащие одной группе, имеют одинаковые  VPI.

Справа приводится рисунок, иллюстрирующий эту схему.

Пусть, например, узлу А необходимо установить три соединения с узлом В (см. рис.) В этом случае удобно проложить виртуальный путь между этими узлами и дать пользователю возможность выбирать VC внутри этого пути. При этом весь трафик из этих VC будет маршрутизироваться сетью одинаково как данные, принадлежащие виртуальному пути. Более того, часто удобно заранее выделить полосу пропускания для данного виртуального пути и впоследствии динамически распределять его ресурсы только среди каналов с данным  VPI. Это позволяет создавать так называемые Частные Виртуальные Сети (Virtual Private  Networks), когда компания арендует несколько виртуальных путей с зарезервированной полосой пропускания и получает возможность динамически регулировать трафик в своих каналах в рамках этой полосы.

Итак, поток данных внутри физического канала идентифицируется парой чисел:  VPI   и VCI. При этом каждая ячейка помимо пользовательской информации должна содержать по крайней мере эти числа. Эта нагрузка, однако, намного меньше, чем пара полных адресов, используемая в пакетно-ориентированных сетях. При передаче ячеек ATM сохраняет их порядок, тем самым исключая необходимость нумерации ячеек для сборки больших пакетов. Основным недостатком такого способа передачи является то, что для передачи даже совсем небольшого объема данных необходимо пройти процедуру установления, а затем освобождения соединения. Кроме этого, в случае сбоя в физической линии или коммутаторе виртуальные соединения полностью выходят из строя и их нужно заново устанавливать. При этом может потеряться значительное количество информации. Пакетно-ориентированные сети справляются с такими ситуациями лучше.

ATM-коммутаторы и типы соединений

Функции ATM-коммутатора

Основные функции обычного ATM-коммутатора чрезвычайно просты: получив ячейку из соединения с данными VPI/VCI просмотреть локальную таблицу соединений, по паре VPI/VCI определить, в какой виртуальный канал отправить ячейку, подставить в заголовок ячейки новые значения и отправить ее в новый интерфейс.

Рисунок иллюстрирует схему работы коммутатора.

Механизм столь прост потому, что для формирования локальных таблиц трансляции VPI/VCI используются внешние инструменты, причем для любого соединения соответствующая строчка в таблице появляется до передачи каких-либо данных, на стадии установки соединения.

Использование  VPI  во многих случаях ускоряет маршрутизацию, т.к. коммутаторы получают возможность принимать решение на основании одного короткого числа -  VPI, а не пары VPI/VCI.

Существует два способа заполнения этих коммутационных таблиц, определяющие следующие базовые типы ATM соединений:

·  Постоянные соединения (Permanent Virtual Connection, PVC) – соединения, устанавливаемые с помощью некого внешнего механизма, обычно системы управления сетью. При этом на всех коммутаторах между источником и получателем эта внешняя система резервирует ресурсы и прописывает VPI/VCI в таблицы маршрутизации. Часто коммутаторы восстанавливают такие соединения после сбоев автоматически. Хотя существует ряд средств для автоматизации установления таких соединений, по определению это в большой степени ручной процесс, вследствие чего использование таких соединений часто затруднительно.

·  Коммутируемые соединения (Switched Virtual Connection, SVC) – для установления этих соединений используется специальный сигнальный протокол, называемый протоколом ATM-Сигнализации. Этот способ  не требует участия оператора и, следовательно, гораздо удобнее в использовании. Протокол ATM-сигнализации на интерфейсе пользователь – сеть будет подробнее обсуждаться ниже.

Поддержка высоких скоростей передачи

Базовыми скоростями передачи в ATM  являются 25, 155, 622 Мбит/сек, а также 2.4 Гбит/сек. Подводя предварительный итог, к основным факторам, обеспечившим поддержку ATM столь высоких скоростей, можно отнести:

·  Фиксированный размер протокольной единицы – 53-байтной ячейки

·  Сервис, ориентированный на установление соединения и, как следствие, простота операций коммутатора

·  Минимальные средства контроля ошибок и потерь

Вопреки существующему мнению, ATM – весьма сложная технология. Тогда как структура ATM-ячейки и принцип коммутации подразумевают наличие мощной аппаратной поддержки, развитие ATM-сетей и их взаимодействие с другими сетями требует разработки чрезвычайно сложных  программных комлексов.