Асинхронный режим передачи данных — ATM

Волжский университет им. В.Н. Татищева

Факультет «Информатика и телекоммуникации»

Реферат

на тему «Асинхронный режим передачи данных — ATM»

Студент: Денисов А.В.

Группа ИС-505

Преподаватель: Куралесова Н.О.

Тольятти 2009

• Введение
• 1. Сети с трансляцией ячеек
• 2. Архитектура ATM
• 2.1 Адресация в сетях ATM
• 2.2 Уровень ATM и виртуальные каналы
• 2.3 Уровень адаптации ATM и качество сервиса
• 3. Спецификация ATM LAN emulation

На согласование разнородных компонентов системные интеграторы и администраторы тратят большую часть своего времени. Поэтому любое средство, сулящее перспективу уменьшения неоднородности сети, привлекает пристальный интерес сетевых специалистов. Технология асинхронного режима передачи (ATM) разработана как единый универсальный транспорт для нового поколения сетей с интеграцией услуг, которые называются широкополосными сетями ISDN. По плану разработчиков единообразие, обеспечиваемое ATM, будет состоять в том, что одна транспортная технология сможет обеспечить несколько перечисленных ниже возможностей:

— передачу в рамках одной транспортной сети компьютерного и мультимедийного трафика, чувствительного к задержкам, причём 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 имеющийся инфраструктуры физических каналов или физических протоколов: T1/E1, T3/E3, SDH STM-m, FDDI;

— взаимодействие с унаследованными протоколами локальных и глобальных сетей: IP, SNA, Ethernet, ISDN.

1. Сети с трансляцией ячеек

Идея сети с трансляцией ячеек проста: данные передаются по сети небольшими пакетами фиксированного размера, называемыми ячейками (cells). В сети Ethernet передача данных осуществляется большими пакетами переменной длины, которые называют кадрами (frames).

В сети с трансляцией ячеек размер каждой из них должен быть достаточно мал, чтобы сократить время ожидания, но достаточно велик, чтобы минимизировать издержки. Время ожидания (latency) — это интервал между тем моментом, когда устройство запросило доступ к среде передачи (кабелю), и тем, когда оно получило этот доступ. Сеть, по которой передается восприимчивый к задержкам трафик (например, звук или видео), должна обеспечивать минимальное время ожидания.

Любое устройство, подключенное к сети ATM (рабочая станция, сервер, маршрутизатор или мост), имеет прямой монопольный доступ к коммутатору. Поскольку каждое из них имеет доступ к собственному порту коммутатора, устройства могут посылать коммутатору ячейки одновременно. Время ожидания становится проблемой в том случае, когда несколько потоков трафика достигают коммутатора в один и тот же момент. Чтобы уменьшить время ожидания в коммутаторе, размер ячейки должен быть достаточно маленьким; тогда время, которое занимает передача ячейки, будет незначительно влиять на ячейки, ожидающие передачи.

Уменьшение размера ячейки сокращает время ожидания, но, с другой стороны, чем меньше ячейка, тем большая ее часть приходится на «издержки» (то есть на служебную информацию, содержащуюся в заголовке ячейки), а соответственно, тем меньшая часть отводится реальным передаваемым данным. Если размер ячейки слишком мал, часть полосы пропускания занимается впустую и передача ячеек происходит длительное время, даже если время ожидания мало.

Когда Американский национальный институт стандартов (American National Standards Institute — ANSI) и организация, которая сейчас называется Международным телекоммуникационным союзом (International Telecommunications Union — ITU), разрабатывали ATM, им было достаточно трудно найти компромисс между временем ожидания и издержками передачи. Эти организации должны были учесть интересы как телефонной отрасли, так и производителей оборудования для сетей передачи данных. Производителям средств телефонии нужен был небольшой размер ячейки, поскольку голос обычно передается маленькими фрагментами и уменьшение времени ожидания гарантировало бы своевременную доставку этих фрагментов. Производители средств передачи данных, наоборот, требовали увеличить размер ячейки, поскольку файлы данных часто бывают большими и более чувствительны к издержкам трафика, нежели ко времени ожидания. В конце концов эти две фракции договорились о размере ячейки, равном 53 байтам, из которых 48 байт отводится данным и 5 байт — заголовку ячейки.

Рисунок 1- Формат ячейки ATM

2. Архитектура ATM

Технология ATM была разработана организациями ANSI и ITU как транспортный механизм для широкополосной сети ISDN (Broadband Integrated Services Digital Network — B-ISDN). B-ISDN — это общедоступная территориально-распределенная сеть (WAN), которая может использоваться для объединения нескольких локальных сетей. Впоследствии ATM Forum — консорциум производителей оборудования для сетей ATM — приспособил и расширил стандарты B-ISDN для использования как в общедоступных, так и в частных сетях.

Как в модели ATM, так и в модели OSI стандарты для физического уровня устанавливают, каким образом биты должны проходить через среду передачи. Точнее говоря, стандарты ATM для физического уровня определяют, как получать биты из среды передачи, преобразовывать их в ячейки и посылать эти ячейки уровню ATM.

Стандарты ATM для физического уровня также описывают, какие кабельные системы должны использоваться в сетях ATM и с какими скоростями может работать ATM при каждом типе кабеля. Изначально ATMForum установил скорость DS3 (45 Мбит/с) и более высокие. Однако реализация ATM со скоростью 45 Мбит/с применяется главным образом провайдерами услуг WAN. Другие же компании чаще всего используют ATM со скоростью 25 или 155 Мбит/с.

Хотя ATM Forum первоначально не принял реализацию ATM со скоростью 25 Мбит/с, отдельные производители стали ее сторонниками, поскольку такое оборудование дешевле в производстве и установке, чем работающее на других скоростях. Только 25-мегабитная ATM может работать на неэкранированной витой паре (UTP) категории 3, а также на UTP более высокой категории и оптоволоконном кабеле. Вследствие того что оборудование для 25-мегабитной ATM относительно недорого, оно предназначено для подключения к сети ATM настольных компьютеров (см. врезку «Более доступный вариант: ATM со скоростью 25 Мбит/с»).

155-мегабитная ATM работает на кабелях UTP категории 5, экранированной витой паре (STP) типа 1, оптоволоконном кабеле и беспроводных инфракрасных лазерных каналах. 622-мегабитная ATM работает только на оптоволоконном кабеле и может использоваться в локальных сетях (хотя оборудование, работающее с такой скоростью, реализовано еще недостаточно широко). А для беспроводной связи лаборатория Olivetti Research Labs создает прототип радиосети ATM, работающей со скоростью 10 Мбит/с.

Для линий со стандартными скоростями введены следующие обозначения (таблица 2):

Таблица 2. Обозначения линий.

2.1 Адресация в сетях ATM

В ATM используется три вида адресов. Первый — имеет 20 байт и имеет структуру OSI-адреса. Первый байт указывает на вид адреса (один из трех). Байты 2 и 3 указывают на принадлежность стране, а байт 4 задает формат последующей части кода адреса, которая содержит 3 байта кода администрации (authority), 2 байта домена, 2 байта области и 6 байтов собственно адреса. Во втором формате байты 2 и 3 выделены для международных организаций, а не стран. Остальная часть адреса имеет тот же формат, что и в варианте 1. Третий формат является старой формой (CCITT E.164) 15-цифровых десятичных телефонных номеров ISDN.

2.2 Уровень ATM и виртуальные каналы

В модели OSI стандарты для канального уровня описывают, каким образом устройства могут совместно использовать среду передачи и гарантировать надежное физическое соединение. Стандарты для уровня ATM регламентируют передачу сигналов, управление трафиком и установление соединений в сети ATM. Функции передачи сигналов и управления трафиком уровня ATM подобны функциям канального уровня модели OSI, а функции установления соединения ближе всего к функциям маршрутизации, которые определены стандартами модели OSI для сетевого уровня.

Стандарты для уровня ATM описывают, как получать ячейку, сгенерированную на физическом уровне, добавлять 5-байтный заголовок и посылать ячейку уровню адаптации ATM. Эти стандарты также определяют, каким образом нужно устанавливать соединение с таким качеством сервиса (QoS), которое запрашивает ATM-устройство или конечная станция.

Стандарты установления соединения для уровня ATM определяют виртуальные каналы и виртуальные пути. Виртуальный канал ATM — это соединение между двумя конечными станциями ATM, которое устанавливается на время их взаимодействия. Виртуальный канал является двунаправленным; это означает, что после установления соединения каждая конечная станция может как посылать пакеты другой станции, так и получать их от нее.

После того как соединение установлено, коммутаторы между конечными станциями получают адресные таблицы, содержащие сведения о том, куда необходимо направлять ячейки. В них используется следующая информация: адрес порта, из которого приходят ячейки, специальные значения в заголовках ячейки, которые называются идентификаторами виртуального канала (virtual circuit identifiers — VCI) и идентификаторами виртуального пути (virtual path identifiers — VPI).

Адресные таблицы также определяют, какие VCI и VPI коммутатор должен включить в заголовки ячеек перед тем как их передать.

Имеются три типа виртуальных каналов:

— постоянные виртуальные каналы (permanent virtual circuits — PVC);

— коммутируемые виртуальные каналы (switched virtual circuits — SVC);

— интеллектуальные постоянные виртуальные каналы (smart permanent virtual circuits — SPVC).

PVC — это постоянное соединение между двумя конечными станциями, которое устанавливается вручную в процессе конфигурирования сети. Пользователь сообщает провайдеру ATM-услуг или сетевому администратору, какие конечные станции должны быть соединены, и он устанавливает PVC между этими конечными станциями.

PVC включает в себя конечные станции, среду передачи и все коммутаторы, расположенные между конечными станциями. После установки PVC для него резервируется определенная часть полосы пропускания, и двум конечным станциям не требуется устанавливать или сбрасывать соединение.

SVC устанавливается по мере необходимости — всякий раз, когда конечная станция пытается передать данные другой конечной станции. Когда отправляющая станция запрашивает соединение, сеть ATM распространяет адресные таблицы и сообщает этой станции, какие VCI и VPI должны быть включены в заголовки ячеек. Через произвольный промежуток времени SVC сбрасывается.

SVC устанавливается динамически, а не вручную. Для него стандарты передачи сигналов уровня ATM определяют, как конечная станция должна устанавливать, поддерживать и сбрасывать соединение. Эти стандарты также регламентируют использование конечной станцией при установлении соединения параметров QoS из уровня адаптации ATM.

Кроме того, стандарты передачи сигналов описывают способ управления трафиком и предотвращения «заторов»: соединение устанавливается только в том случае, если сеть в состоянии поддерживать это соединение. Процесс определения, может ли быть установлено соединение, называется управлением признанием соединения (connection admission control — CAC).

SPVC — это гибрид PVC и SVC. Подобно PVC, SPVC устанавливается вручную на этапе конфигурирования сети. Однако провайдер ATM-услуг или сетевой администратор задает только конечные станции. Для каждой передачи сеть определяет, через какие коммутаторы будут передаваться ячейки.

Большая часть раннего оборудования ATM поддерживала только PVC. Поддержка SVC и SPVC начинает реализовываться только сейчас.

PVC имеют два преимущества над SVC. Сеть, в которой используются SVC, должна тратить время на установление соединений, а PVC устанавливаются предварительно, поэтому могут обеспечить более высокую производительность. Кроме того, PVC обеспечивают лучший контроль над сетью, так как провайдер ATM-услуг или сетевой администратор может выбирать путь, по которому будут передаваться ячейки.

Однако и SVC имеют ряд преимуществ перед PVC. Поскольку SVC устанавливается и сбрасывается легче, чем PVC, то сети, использующие SVC, могут имитировать сети без установления соединений. Эта возможность оказывается полезной в том случае, если вы используете приложение, которое не может работать в сети с установлением соединений. Кроме того, SVC используют полосу пропускания, только когда это необходимо, а PVC должны постоянно ее резервировать на тот случай, если она понадобится. SVC также требуют меньшей административной работы, поскольку устанавливаются автоматически, а не вручную. И наконец, SVC обеспечивают отказоустойчивость: когда выходит из строя коммутатор, находящийся на пути соединения, другие коммутаторы выбирают альтернативный путь.

В некотором смысле SPVC обладает лучшими свойствами этих двух видов виртуальных каналов. Как и в случае с PVC, SPVC позволяет заранее задать конечные станции, поэтому им не приходится тратить время на установление соединения каждый раз, когда одна из них должна передать ячейки. Подобно SVC, SPVC обеспечивает отказоустойчивость. Однако и SPVC имеет свои недостатки: как и PVC, SPVC устанавливается вручную, и для него необходимо резервировать часть полосы пропускания — даже если он не используется.

Стандарты установления соединения для уровня ATM также определяют виртуальные пути (virtual path). В то время как виртуальный канал — это соединение, установленное между двумя конечными станциями на время их взаимодействия, виртуальный путь — это путь между двумя коммутаторами, который существует постоянно, независимо от того, установлено ли соединение. Другими словами, виртуальный путь — это «запомненный» путь, по которому проходит весь трафик от одного коммутатора к другому.

Когда пользователь запрашивает виртуальный канал, коммутаторы определяют, какой виртуальный путь использовать для достижения конечных станций. По одному и тому же виртуальному пути в одно и то же время может передаваться трафик более чем для одного виртуального канала. Например, виртуальный путь с полосой пропускания 120 Мбит/с может быть разделен на четыре одновременных соединения по 30 Мбит/с каждый.

2.3 Уровень адаптации ATM и качество сервиса

Уровень адаптации ATM состоит из четырех протоколов (называемых протоколами AAL), которые форматируют пакеты. Эти протоколы принимают ячейки с уровня ATM, заново формируют из них данные, которые могут быть использованы протоколами, действующими на более высоких уровнях, и посылают эти данные более высокому уровню. Когда протоколы AAL получают данные с более высокого уровня, они разбивают их на ячейки и передают их уровню ATM.

В стандартах B-ISDN определены следующие протоколы AAL: AAL 1, AAL 2, AAL ¾ и AAL 5. Однако ATM Forum разработал только три из них — AAL 1, AAL ¾ и AAL 5.

Каждый протокол AAL упаковывает данные в ячейки своим способом. Все эти протоколы, за исключением AAL 5, добавляют некоторую служебную информацию к 48 байтам данных в ячейке ATM. Эти «издержки» включают в себя специальные команды обработки для каждой ячейки, которые используются для обеспечения различных категорий сервиса.

Уровень адаптации ATM определяет также четыре категории сервиса:

постоянная скорость передачи в битах (constant bit rate — CBR); переменная скорость передачи в битах (variable bit rate — VBR); неопределенная скорость передачи в битах (unspecified bit rate — UBR); доступная скорость передачи в битах (available bit rate — ABR).

Категория CBR используется для восприимчивого к задержкам трафика, такого как аудиои видеоинформация, при котором данные передаются с постоянной скоростью и требуют малого времени ожидания. CBR гарантирует самый высокий уровень качества сервиса, но использует полосу пропускания неэффективно. Чтобы защитить трафик CBR от влияния других передач, CBR всегда резервирует для соединения определенную часть полосы пропускания, даже если в данный момент в канале не происходит никакой передачи. Таким образом, резервирование полосы пропускания является особенно большой проблемой при работе по WAN-каналам, когда абоненту приходится платить за каждый мегабит полосы пропускания независимо от того, используется ли виртуальный канал.

Существуют также два вида VBR, которые используются для различных типов трафика: VBR реального времени (Real-time VBR — RT-VBR) требует жесткой синхронизации между ячейками и поддерживает восприимчивый к задержкам трафик, такой как уплотненная речь и видео. VBR нереального времени (Non-real-time VBR — NRT-VBR) не нуждается в жесткой синхронизации между ячейками и поддерживает допускающий задержки трафик, такой как трансляция кадров (frame relay).

Поскольку VBR не резервирует полосу пропускания, она используется более эффективно, чем в случае с CBR. Однако, в отличие от CBR, VBR не может гарантировать качества сервиса.

UBR применяется для трафика типа TCP/IP, который допускает задержки. Подобно VBR, UBR не резервирует дополнительной полосы пропускания для виртуального канала. В результате один и тот же виртуальный канал может многократно применяться для нескольких передач, таким образом полоса пропускания используется более эффективно. Однако поскольку UBR не гарантирует качества сервиса, в сильно загруженных сетях UBR-трафик теряет большое число ячеек и имеет много повторных передач.

Подобно UBR, ABR используется для передачи трафика, который допускает задержки, и дает возможность многократно использовать виртуальные каналы. Однако если UBR не резервирует полосы пропускания и не предотвращает потерь ячеек, то ABR обеспечивает для соединения допустимые значения ширины полосы пропускания и коэффициента потерь.

CBR, VBR, UBR, и ABR включают в себя различные параметры трафика, например среднюю и пиковую скорости, с которыми конечная станция может передавать данные. Эти категории сервиса также включают в себя следующие параметры качества сервиса (QoS).

— Коэффициент потерь ячеек (Cell loss ratio) определяет, какой процент высокоприоритетных ячеек может быть потерян за время передачи.

— Задержка передачи ячейки (Cell transfer delay) определяет количество времени (или среднее количество времени), требуемое для доставки ячейки адресату.

— Изменение задержки передачи ячейки (Cell delay variation — CDV) — допустимые изменения в распределении группы ячеек между конечными станциями. Высокое значение CDV приводит к прерыванию аудиои видеосигналов.

Перед установлением соединения конечная станция запрашивает одну из четырех категорий сервиса. Затем сеть ATM устанавливает соединение, используя соответствующие параметры трафика и QoS. Например, если конечная станция запросила соединение CBR для передачи видеоинформации, сеть ATM резервирует необходимую ширину полосы пропускания и использует параметры трафика и QoS для обеспечения допустимых значений скорости передачи, коэффициента потерь ячеек, задержки и изменения задержки.

Сеть ATM использует параметры QoS и для защиты трафика, т. е. предотвращения перегрузки сети. Сеть «следит» за тем, чтобы установленные соединения не превышали максимальной ширины полосы пропускания, которая им была предоставлена. Если соединение начинает ее превышать, сеть отказывается передавать ячейки. Кроме того, сеть ATM определяет, какие ячейки можно отбросить в случае ее переполнения: она проверяет параметры QoS данного соединения и отбрасывает ячейки, для которых установлен высокий коэффициент потерь. И наконец, сеть отказывается устанавливать соединения, если не может их поддерживать.

Способность ATM обеспечивать для приложений различные уровни QoS считается одним из достоинств данной технологии. Пользователи могут резервировать только ту полосу пропускания, которая им необходима; при этом сохраняется качество передаваемых аудиои видеосигналов, а сеть предохраняется от переполнения. Однако для того чтобы получать реальную выгоду от качества сервиса в сети ATM, необходимы приложения, рассчитанные на его использование.

ATM обеспечивает несколько классов обслуживания, каждый из которых имеет свою спецификацию QoS (таблица 2).

Таблица 2. Классы трафика.

3. Спецификация ATM LAN emulation

асинхронный сеть интеграция ячейка

Технология ATM позволяет добиться высоких и сверхвысоких скоростей для связи отдельных узлов вычислительной сети, предоставляя каждому виду трафика сервис с заданными параметрами качества. Однако эта технология разрабатывалась сначала как «вещь в себе», не учитывая тот факт, что в существующие технологии сделаны большие вложения, и поэтому никто не станет сразу отказываться от установленного и работающего оборудования, даже если появляется новое, более совершенное. Для территориальных сетей, для которых в первую очередь разрабатывалась технология ATM, это не так страшно, так как сети ATM могут использовать те же оптоволоконные каналы, что и существующие цифровые телефонные и вычислительные сети, а стоимость высокоскоростных оптоволоконных каналов, проложенных на большие расстояния, превышает стоимость коммутаторов сети, так что в этом случае легче пойти на замену коммутаторов новыми. Для локальных сетей дела обстоят по другому, поэтому желательно, чтобы новая технология могла работать в одной сети со старыми, улучшая характеристики сети там, где это нужно, и оставляя сети рабочих групп или отделов в прежнем виде. Сейчас форум ATM разработал первую спецификацию, называемую LAN emulation (то есть эмуляция локальных сетей), которая призвана обеспечить совместимость традиционных протоколов и оборудования локальных сетей с технологией ATM. Эта спецификация обеспечивает совместную работу этих технологий на канальном уровне. При таком подходе коммутаторы ATM работают в качестве высокоскоростных коммутирующих мостов магистрали локальной сети, обеспечивая не только скорость, но и гибкость соединений ATM-коммутаторов между собой, так что эта магистраль не обязательно образуется на внутренней шине одного устройства, а может быть и распределенной.

Спецификация LAN emulation определяет способ преобразования пакетов и адресов MAC-уровня традиционных технологий локальных сетей в пакеты и коммутируемые виртуальные соединения SVC технологии ATM, и обратное преобразование. Всю работу по преобразованию протоколов выполняют специальные компоненты, встраиваемые в обычные концентраторы, коммутаторы и маршрутизаторы, поэтому ни коммутаторы ATM, ни рабочие станции локальных сетей не замечают того, что они работают с чуждыми им технологиями. Такая прозрачность была одной из главных целей разработчиков спецификации LAN emulation. Так как эта спецификация определяет только канальный уровень взаимодействия, то с помощью ATM-коммутаторов и компонент LAN эмуляции можно образовать только виртуальные сегменты, а для их соединения нужно использовать обычные маршрутизаторы.

Рассмотрим основные идеи спецификации на примере сети, изображенной на рисунке.

Рисунок 3.1 — Принципы работы модели LAN emulation

Основными элементами, реализующими спецификацию, являются программные компоненты LEC и LES. LEC (LAN Emulation Client) — это посредник, работающий между ATM-коммутаторами (и ATM-станциями) и станциями локальной сети, а LES (LAN Emulation Server) преобразует MAC-адреса в ATM-адреса. Клиентские части (LEC'и) назначают каждой присоединенной локальной сети ATM-адрес. Клиентские части динамически регистрируют MAC-адрес станции присоединенной локальной сети в сервере LES, который ведет общую таблицу соответствия MAC-адресов станций и ATM-адресов присоединенных локальных сетей. Компоненты LEC и LES могут быть реализованы в любых устройствах — концентраторах, коммутаторах, маршрутизаторах или ATM-рабочих станциях.

Когда элемент LEC хочет послать пакет через сеть ATM станции другой локальной сети, также присоединенной к сети ATM, то он посылает запрос на разрешение адресов MAC-ATM серверу LES. Этот запрос иногда называют протоколом LE ARP (address resolution protocol). Сервер LES отвечает на запрос, указывая ATM-адрес элемента LEC присоединенной сети назначения. Затем LEC исходной сети самостоятельно устанавливает виртуальное SVC-соединение через сеть ATM обычным способом, описанным в спецификации UNI. После установления связи MAC-кадры локальной сети преобразуются в ячейки ATM каждым элементом LEC с помощью стандартных функций сборки-разборки пакетов (функции SAR) стека ATM. В спецификации LAN emulation также определен сервер для эмуляции в сети ATM широковещательных пакетов локальных сетей, а также пакетов с неизвестными адресами, так называемый сервер BUS (Broadcast and Unknown Server).