Интегрированные сети ISDN и ATM

Стартовый и завершающие флаги передаются так, что к любым 5 единицам подряд добавляется нуль (чтобы избежать имитации сигнатуры в других, в том числе информационных полях). Принимающая сторона эти нули убирает. FCS вычисляется по методике CRC.

Каждый кадр начинается и завершается одной и той же последовательностью (сигнатура начала/конца кадра). Размер управляющего поля зависит от типа кадра (1 или 2 октета). Информационные элементы присутствуют только в кадрах, содержащих данные 3-го уровня. Формат двухбайтного поля адреса для уровня 2 показан на рис 13.4. Адрес имеет лишь локальное значение и известен только участникам процедуры обмена. Формат байтов адреса показан на рис 13.5.

SAPI =0 — запрос соединения по схеме коммутации каналов;

SAPI =16 — переключение пакетов согласно протоколу X.25;

).

Как видно из рисунка, в системе могут использоваться и идентичные коды TEI, если они относятся к разным видам услуг (уникальными должны быть лишь комбинации SAPI - TEI ).

Форматы полей управления для кадров различных модификаций представлены на рисунках 13.7, 13.8 и 13.9.

N(S) — номер кадра, посылаемого отправителем;

N(R) — номер кадра, получаемого отправителем;

P/F — флаг опроса, если кадр является командой, или флаг окончания, в случае отклика.

S — разряды кода управляющей функции;

X — зарезервировано, должно быть равно нулю.

).

Мультиплексирование на уровне 2 осуществляется за счет использования отдельного адреса для каждого LAP (Link Access Procedure) в системе. Адрес содержит два байта и определяет приемник командного кадра и адрес передатчика кадра-отклика. SAPI применяется для идентификации типа услуг. Если наряду с цифровым телефоном происходит обмен данными, то эти два терминала будут подключены к разным типам сервиса и, вообще говоря, к разным сетям. Для каждого вида услуг фиксируется определенный код SAPI. TEI (Terminal Endpoint Identifier) обычно имеет определенное значение для каждого из терминалов пользователя.

Комбинация SAPI и TEI однозначно описывает LAP и определяет адрес второго уровня. Так как в сети не может быть двух идентичных TEI, коды TEI распределяются следующим образом (таблица A.2.):

TEI с кодом в диапазоне 0-63 не нуждаются в диалоге с сетью в процессе установления связи на уровне 2. Но пользователь должен следить сам, чтобы в системе не было двух TEI с идентичными кодами. Терминалы с TEI в диапазоне 64-126 должны договариваться с сетью о TEI при установлении связи на уровне 2. Широковещательный TEI =127 служит для обращения ко всем терминалам, имеющим тот же код SAPI. Прежде чем предложить услуги уровню 3, уровень 2 должен запустить LAP. Это производится путем обмена пакетами между драйвером терминала уровня 2 и соответствующим сетевым драйвером. Предварительно должен быть активирован интерфейс уровня 1. До установления LAP возможен обмен только ненумерованными кадрами.

Этот процесс включает в себя передачу команды SET Asynchronous Balanced Mode Extended ( ) приведена последовательность обмена кадрами на уровне 2:

Получение каждого информационного кадра (Iframe) должно быть в конце концов подтверждено (прислан пакет RR; см. таблицу 13.1). Число Iframe, которое может быть послано, не дожидаясь подтверждения получения, может лежать в пределах 1-127 (размер окна). В случае телефонии это число равно 1. Если ресурс окна исчерпан, партнер вынужден задержать отправку очередного пакета до подтверждения получения посланного ранее кадра (RR). Для выявления потери кадров используется таймер. Таймер запускается всякий раз при посылке командного кадра и останавливается при получении подтверждения. Этого таймера достаточно, чтобы проконтролировать доставку как команды, так и отклика. Если произошел тайм-аут, нельзя определить, какой из этих двух кадров потерян. Кадр, поврежденный на уровне 1, будет принят с неверной FCS (Frame Check Sequence) и по истечении времени, заданного таймером, будет произведена посылка командного кадра с битом poll=1. Партнер при этом вынужден прислать значение системной переменной, характеризующей ситуацию. По этой переменной можно судить, был ли получен исходный кадр.

Таким образом, можно идентифицировать факт потери информационного кадра (нужна ретрансмиссия) или отклика на него. После трех ретрансмиссий считается, что канал разорван, и предпринимается попытка его восстановить. FCS получается путем деления последовательности бит, начиная с адреса и кончая (но не включая) началом FCS, на образующий полином ), который в исходном состоянии устанавливается в единичное состояние. В конечном результате в регистре оказывается код остатка от деления. Дополнение по модулю 1 этого остатка и есть FCS.

Другой возможной ошибкой является получение I-кадра с неверным номером N(S). Это возможно, когда LAP работает при ширине окна более 1. Если потерян кадр с номером N(s)=k, принимающая сторона не должна посылать подтверждение приема кадра k+1. Отклик при этом имеет тип REJ (см. таблицу 13.1) с N(R)=k+1. Это укажет передающей стороне, что все кадры до k получены, но необходимо возобновить передачу, начиная с кадра k. При выявлении ошибки в N(R) связь прерывается, реинициализируются переменные состояния передающей и принимающей сторон, после чего канал восстанавливается и обмен возобновляется с самого начала.

Сигнал RNR (получатель не готов) применяется для запрета пересылки пакетов партнеру на уровне 2 и может использоваться при реализации приоритетных услуг. Другим пакетом, который специфицирован на уровне 2, является кадр FRMR (Frame Reject). Этот кадр может быть получен объектом второго уровня, но не может быть послан. При получении этого кадра система сбрасывается в исходное состояние. После завершения процедуры обмена разрыв канала производится путем посылки кадров DISC (disconnect) и отклика UA (Unnumbered Acknowledgment), с этого момента обмен кадрами I-типа невозможен. Кадр DM (Disconnect Mode) может выполнять те же функции, что и UA. Он используется в качестве отклика на SABME, если слой 2 не может установить связь, или отклика на DISC, если связь уже разорвана.

Для управления и контроля за выделяемыми идентификаторами TEI предназначен специальный драйвер, который имеет возможность выделять и удалять используемые TEI. Так как работа с TEI должна выполняться вне зависимости от состояния уровня 2, все TEI -сообщения являются ненумерованными ( UI ) и не требуют отклика. Надежность достигается путем многократной пересылки пакетов. Пока терминалу не присвоен TEI (Terminal Endpoint Identifier), используется широковещательный метод обмена. Все терминалы пользователя должны воспринимать любые управляющие кадры. Кадры управления в процессе присвоения TEI терминалу рассылаются широковещательно.

Третий уровень X.25 служит для доставки управляющих сообщений даже в случае отказа сети, именно здесь выполняется реконфигурация маршрута, если это необходимо. Сигнальный пакет 3-го уровня имеет формат (рис 13.12):

Эти пакеты следуют от терминала к коммутатору и наоборот. Первый октет (поле протокольный дискриминатор ) дает D-каналу в будущем возможность поддержки нескольких протоколов. Приведенный код соответствует стандартному управляющему запросу пользователя. Третий октет (поле код запроса — call reference value) используется для идентификации запроса вне зависимости от типа коммуникационного канала, где этот запрос может быть реализован. Четвертый байт характеризует назначение пакета (например, Setup — запрос установления канала). Возможные типы сообщений перечислены в таблице 13.2. Длина сообщения зависит от его типа. Стандарт не регламентирует содержания полей, следующих за полем тип сообщения, и они могут использоваться по усмотрению пользователя для расширения функциональных возможностей системы.

Сигнальная система ISDN позволяет пользователю уже на фазе формирования канала с помощью запроса setup сформулировать требования к каналу, задав значение BC (Bearer Capability), а также .):

Услуги типа speech или 3.1khz audio возможны и через общественную коммутируемую телефонную сеть (PSTN), остальные из числа перечисленных услуг требуют 64-килобитного цифрового канала. Помимо названных услуг, существуют и другие, например видеотелефония, видеоконференции и пр., список этот постоянно расширяется. При реализации 7КГц-телефонии должны быть выполнены следующие требования:

Вызываемый партнер получает setup-сообщение через широковещательное обращение. Все терминалы, соединенные с NT1, могут анализировать setup-сообщение с тем, чтобы определить, соответствуют ли они вызывающей стороне. Соответствие определяется по возможностям канала и по совместимости информационных элементов нижнего уровня. Если терминал соответствует требованиям запроса, он посылает сети сообщение alerting (оповещение). В то же время, если необходимо, терминал должен сформировать локальный сигнал вызова (например, звонок). После получения всей необходимой информации сеть выдает сообщение "call proceeding", которое указывает на то, что начата установка связи с объектом вызова. Когда терминал обнаружил, что на запрос получен отклик, он переадресует connect-сообщение сети. Сеть регистрирует запрос и выдает команду терминалу соединиться с соответствующим B-каналом, послав пакет connect acknowledge, содержащий код B-канала. В любой момент времени к В-каналу может иметь доступ только один терминал. Пользователь может отменить запрос в любое время, послав три сообщения: disconnect, release и release complete.

Существует два механизма обращения к заданному терминалу. Первый использует вспомогательную службу DDI (Direct Dialing-In), которая в случае реализации обычного доступа к ISDN называется MSN (Multiple Subscriber Number). В DDI и MSN номер сети применяется для целей маршрутизации в пределах локальной сети пользователя. Каждому терминалу в сети должен быть присвоен уникальный MSN-номер. Именно этот номер используется для идентификации при setup.процедуре.

Второй механизм адресации к заданному терминалу базируется на субадресации. В этом варианте дополнительная адресная информация передается от источника запроса к адресату. Этот адрес не является частью ISDN -номера, который применяется для целей маршрутизации. Этот адрес может быть применен для обращения к некоторому процессу внутри терминала (не следует забывать, терминалом может быть ЭВМ) или к приложениям. Каждый терминал, подсоединенный к пассивной шине, нуждается в присвоении ему субадреса.

Принципиальное различие между DDI/MSN- и SUB-методами адресации заключается в том, что для DDI/MSN адрес является частью ISDN -номера, в то время как для SUB это не так.

В случае функциональной сигнальной процедуры терминал должен знать все о вспомогательном виде услуг и хранить всю необходимую информацию о них. Функциональный протокол использует информационные элементы facility. В таблице 13.3 приведен перечень дополнительных услуг, предоставляемых ISDN и поддерживаемых функциональным протоколом.

Таблица 13.3. Дополнительные услуги сети ISDN

Реально это лишь ядро списка, разные сети могут предоставлять и многие другие услуги.

При установлении телефонного канала используется сообщение .).

В ISDN используются базовая ( B-канал, 64 Кбит/с) и первичная (1,544/2,048 Мбит/с) скорости передачи информации. Сигнальный D-канал формируется на основе 24-го временного домена (timeslot) в случае 1,544 Мбит/с и 16-го для 2,048 Мбит/с. Различие между базовой и первичной скоростями обмена заключается в следующем.

Для первичной скорости интерфейс многоточечного обмена в локальной сети пользователя не предусматривается; связь устанавливается между сетью и одним из PABX (Public Automatic Branch eXchange) или другим терминалом.

В случае первичной скорости отсутствуют какие-либо средства для деактивации связи с целью экономии энергии. Для пользователя желательно иметь доступ как к базовым, так и первичным каналам.

Для базовой скорости передачи работает сигнальная цифровая система доступа DASS (Digital Access Signaling System). Формат кадра при этом имеет вид (DASS2/DPNSS — Digital Private Network Signaling System):

Этот формат не отличается от общепринятого для уровня 2 ISDN, за исключением числа байт управления (см. рис 13.13 и 13.14), что допускается регламентирующими документами. Использование местной ISDN -АТС открывает дополнительные возможности. Помимо высококачественной локальной связи, появляются коллективные (групповые) номера, что снимает ограничение на число пользователей, подключенных к узлу через обычные аналоговые модемы. Все пользовательские модемы дозваниваются по одному и тому же номеру, а коммутатор выполняет функцию пакетного мультиплексора. Емкость таких АТС легко наращивается, отдельные АТС могут объединяться друг с другом.

Доступ к программам обработки пакетов возможен через B- или D-каналы. В зависимости от вида приложения доступ через D-канал имеет определенные преимущества. D-канал, в отличие от B-канала, принципиально не может быть заблокирован. Возможна работа одновременно с 8-ю терминалами, подключенными к пассивной ISDN -шине. Кроме того, работа с D-каналом оставляет B-канал свободным для задач, которые не могут быть решены через D из-за его малого быстродействия (16 Кбит/с). (А согласно рекомендациям LAPD быстродействие D-канала не может быть увеличено.) К недостаткам использования D-канала можно отнести возможное увеличение задержек из-за низкого быстродействия.

Дальнейшим развитием идеологии ISDN явились сети АТМ (широкополосное ISDN ). При разработке этого стандарта пришлось делать нелегкий выбор между гибкостью передачи голоса, которая требует коротких пакетов, и эффективностью передачи данных, где нужно низкое значение отношения длин заголовка и поля данных. Выбор был сделан в пользу первого варианта, так как тогда АТМ предназначался в основном для транспортировки телефонных переговоров.

13.1. Протоколы сетей ATM

В настоящее время широко внедряются каналы с пропускной способностью 150,52 и 622,08 Мбит/с. Эти каналы, пригодные как для соединения локальных сетей, так и непосредственно для построения скоростных LAN, могут обеспечить любые современные телекоммуникационные услуги, кроме телевидения высокого разрешения. Предусмотрен стандарт и на скорость передачи 2,48832 Гбит/c. Так как время доставки для многих видов сетевых услуг реального времени является крайне важной характеристикой, АТМ находит широкое применение в телефонии, кабельном телевидении и других областях. Следует учитывать, что оцифрованный видеосигнал качества VHS требует 100 Мбит/с при отсутствии сжатия и 1,5-6 Мбит/c — при использовании сжатия. Кадр изображения 1000х1000 пикселей при 24 битах, характеризующих цвет, занимает 3 Мбайта. ATM справится с передачей такого кадра, с учетом накладных расходов (заголовок), за ~0,2 с. Понятно, что при использовании сжатия можно получить заметно большее быстродействие.

Это не значит, что доступны лишь указанные скорости: интерфейсы позволяют мультиплексировать большое число каналов с самыми разными скоростями обмена. Но мультиплексирование на таких частотах представляет собой значительную проблему. Определенные трудности создает то обстоятельство, что в ATM трудно реализовать обмен без установления соединения (аналог UDP в Интернете).

Протокол ATM (Asynchronous Transfer Mode; см. также Назаров А.Н., Симонов М.В. АТМ. Технология высокоскоростных сетей. М.: ЭКО-Трендз, 1998) является широкополосной версией ISDN, работает на скорости 150,52 Мбит/с с пакетом постоянной длины и минимальным заголовком. Слово "асинхронный" в названии означает, что тактовые генераторы передатчика и приемника не синхронизованы, а сами ячейки передаются и мультиплексируются по запросам. При мультиплексировании используется статистическая технология. Асинхронная передача не предполагает упорядочивания ячеек по каналам при пересылке. ATM поддерживает аппаратную и пакетную коммутации (см. также http://book.itep.ru/4/43/atm_435.htm).

Каждый пакет ATM имеет 53 байта (в англоязычной документации пакеты ATM носят название cell (ячейка), этот термин введен, чтобы отличить пакеты ATM от пакетов низкоскоростных каналов), из них 48 байт несут полезную информацию.

Ячейка АТМ в случае транспортировки голосовых данных соответствует 6 мс звучания.

Для выделения пакета из потока используются такие же, как в ISDN, разделительные байты (0x7E). Заголовок пакета содержит лишь 5 байт и предназначен главным образом для того, чтобы определить, принадлежит ли данный пакет определенному виртуальному каналу. Отсутствие контроля ошибок и повторной передачи на физическом уровне приводит к эффекту размножения ошибок. Если происходит ошибка в поле идентификатора виртуального пути или виртуального канала, то коммутатор может отправить ячейку другому получателю. Таким образом, один получатель не получит ячейку, а другой получит то, что ему не предназначалось.

ATM -коммутаторы используют входной порт и значение поля VPI / VCI входящего пакета в качестве индекса в таблице коммутации (crossconnect), из которой они получают номер выходного порта и выходного значения VPI / VCI.

Виртуальный канал в ATM формируется так же, как и в ISDN. Формально эта процедура не является частью ATM -протокола. Сначала здесь формируется сигнальная схема, для этого посылается запрос с VPI =0 и VCI =5. Если процедура завершилась успешно, можно начинать формирование виртуального канала. При создании канала могут использоваться 6 разновидностей сообщений:

Схема обмена сообщениями при установлении (и разрыве) виртуального соединения показана на рис 13.14. Предполагается, что между ЭВМ-инициализатором и ЭВМ-адресатом находится два ATM -переключателя. Каждый из узлов по пути к месту назначения при получении запроса setup откликается, посылая сообщение "call proceeding". Адрес места назначения указывается в сообщении setup. В ATM используется три вида адресов. Первый адрес имеет 20 байт и 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. В ATM не специфицировано никакого алгоритма маршрутизации. Для выбора маршрута (от коммутатора к коммутатору) используется поле VCP. VCI применяется лишь на последнем шаге, когда ячейка посылается от переключателя к ЭВМ. Такой подход упрощает маршрутизацию отдельных ячеек, так как при этом анализируется 12-, а не 28-битовые коды. В каждом коммутаторе (переключателе) формируются специальные таблицы, которые решают проблему переадресации ячеек.

Следует обратить внимание на то, что виртуальный канал (circuit) и виртуальный проход (path) в данном контексте не тождественны. Виртуальный проход (маршрут) может содержать несколько виртуальных каналов. Виртуальные каналы всегда являются полностью дуплексными.

Сети ATM допускают создание мультикастных каналов. Такой канал имеет одного отправителя и много получателей (например, в случае многоканальных телефонных или видеоконференций). Первый канал формируется обычным путем, последующие участники сессии подключаются позднее путем посылки сообщения add party.

За видимую простоту ячеек приходится платить тем, что управляющая информация передается в общем информационном потоке. Высокая скорость передачи данных требует применения аппаратно реализованных маршрутных таблиц на каждом переключателе пакетов. На рис 13.15 представлен формат заголовка пакета ATM. Заголовок обеспечивает два механизма маршрутизации пакетов:

Эти два субполя вместе образуют поле маршрута, которое занимает 24 бита.

Для интерфейса "сеть-сеть" ( .).

Ряд значений VCI и VPI имеют фиксированные значения, приведенные в таблице 13.4.

Некоторые значения поля PT зафиксированы, их значения представлены в таблице 13.5.

OAM — эксплуатация и техническое обслуживание. ATM обеспечивает любые услуги в сети.

В ATM предусмотрено несколько категорий услуг (таблица 13.6).

CBR не предусматривает контроля ошибок, управления трафиком или какой-либо другой обработки. Класс CBR пригоден для работы с мультимедиа реального времени.

Класс VBR содержит в себе два подкласса — обычный и для реального времени (см. таблицу выше). ATM в процессе доставки не вносит никакого разброса ячеек по времени. Случаи потери ячеек игнорируются.

Класс ABR предназначен для работы в условиях мгновенных вариаций трафика. Система гарантирует некоторую пропускную способность, но в течение короткого времени может выдержать и большую нагрузку. Этот класс предусматривает наличие обратной связи между приемником и отправителем, которая позволяет понизить загрузку канала, если это необходимо.

Класс UBR хорошо пригоден для посылки IP-пакетов (нет гарантии доставки и в случае перегрузки неизбежны потери).

ATM использует исключительно модель с установлением соединения (здесь нет аналогий с UDP-протоколом). Это создает определенные трудности для управления трафиком с целью обеспечения требуемого качества обслуживания (QoS). Для решения этой задачи применяется алгоритм GCRA (Generic Rate Algorithm). Работа этого алгоритма проиллюстрирована на рис 13.16.

GCRA имеет два параметра. Один из них характеризует максимально допустимую скорость передачи представлены разные варианты следования ячеек. Если ячейка приходит раньше, чем T-τ, она считается неподтверждаемой и может быть отброшена. Ячейка может быть сохранена, но при этом должен быть установлен бит CLP=1. Применение бита CLP может быть разным для разных категорий услуг (см. рисунок 13.16). Данный механизм управления трафиком сходен с алгоритмом "дырявое ведро".

Можно вычислить число подтверждаемых ячеек N, которые могут быть переданы при пиковом потоке ячеек PCR=1/T. Пусть время ячейки в пути равно $$\delta$$. Тогда $$N = 1 + (L/(T \delta))$$. Если полученное число оказалось нецелым, оно должно быть округлено до ближайшего меньшего целого.

Трудноустранимой проблемой для ATM является предотвращение перегрузки на промежуточных коммутаторах-переключателях. Коммутаторы могут иметь 100 внешних каналов, а загрузка может достигать 350000 ячеек/с. Здесь можно рассматривать две задачи: подавление долговременных перегрузок, когда поток ячеек превосходит имеющиеся возможности их обработки, и кратковременные пиковые загрузки. Эти проблемы решаются различными способами: административный контроль, резервирование ресурсов и управление перегрузкой, привязанное к уровню трафика.

В низкоскоростных сетях с относительно медленно меняющейся или постоянной загрузкой администратор вмешивается лишь при возникновении критической ситуации и предпринимает меры для понижения скорости передачи. Очень часто такой подход не слишком эффективен, так как за время доставки управляющих команд приходят многие тысячи ячеек. Кроме того, многие источники ячеек в ATM работают с фиксированной скоростью передачи (например, видеоконференция). Требование понизить скорость передачи здесь достаточно бессмысленно. По этой причине в АТМ разумнее предотвращать перегрузку. Но для трафика типа CBR, VBR и UBR не существует никакого динамического управления перегрузкой, и административное управление является единственной возможностью. Когда ЭВМ желает установить новый виртуальный канал, она должна охарактеризовать ожидаемый трафик. Сеть анализирует возможность обработки дополнительного трафика с учетом различных маршрутов. Если реализовать дополнительный трафик нельзя, запрос аннулируется. В отсутствии административного контроля несколько широкополосных пользователей могут блокировать работу массы узкополосных клиентов сети, например, читающих свою почту.

Резервирование ресурсов по своей сути близко административному контролю и выполняется на фазе формирования виртуального канала. Резервирование производится вдоль всего маршрута (во всех коммутаторах) в ходе реализации процедуры setup. Параметрами резервирования могут быть: пиковое значение полосы пропускания и/или допустимая средняя загрузка.

Для типов сервиса CBR и VBR отправитель даже в случае перегрузки не может понизить уровень трафика. В случае UBR потери не играют никакой роли. Но сервис ABR допускает регулирование трафика. Более того, такое управление здесь весьма эффективно. Существует несколько механизмов его реализации. Так, предлагалось, чтобы отправитель, желающий послать блок данных, сначала посылал специальную ячейку, резервирующую требуемую полосу пропускания. После получения подтверждения блок данных начинает пересылаться. Преимуществом данного способа следует считать то, что перегрузки вообще не возникает. Но данное решение не используется из-за больших задержек (решение ATM -форума).

Другой способ сопряжен с посылкой коммутаторами специальных ячеек отправителю в случае возникновения условий перегрузки. При получении такой ячейки отправитель должен понизить скорость передачи вдвое. Предложены различные алгоритмы последующего восстановления скорости передачи. Но и эта схема отвергнута форумом ATM из-за того, что сигнальные ячейки могут быть потеряны при перегрузке. Действительно, данный алгоритм не всегда можно признать разумным. Например, в случае, когда коммутатор имеет 10 каналов с трафиком по 50 Мбит/с и один канал с потоком в 100 Кбит/c, глупо требовать понижения трафика в этом канале из-за перегрузки.

Третье предложение использует тот факт, что граница пакета помечается битом в последней ячейке. Коммутатор просматривает входящий поток и ищет конец пакета, после чего выбрасывает все ячейки, относящиеся к следующему пакету. Этот пакет будет переслан позднее, а отбрасывание M ячеек случайным образом может вынудить повторение передачи m пакетов, что значительно хуже. Данный вариант подавления перегрузки был также не принят, так как выброшенный пакет совсем не обязательно послан источником, вызвавшим перегрузку. Но этот способ может быть использован отдельными производителями коммутаторов.

Обсуждались решения, сходные с тем, что используется в протоколе TCP "скользящее окно". Это решение требует слишком большого числа буферов в коммутаторах (как минимум по одному для каждого виртуального канала). После длинных дискуссий был принят за основу совершенно другой метод.

После каждых М информационных ячеек каждый отправитель посылает специальную RM -ячейку (Resource Management). Эта ячейка движется по тому же маршруту, что и информационные, но RM-ячейка обрабатывается всеми коммутаторами вдоль пути. Когда она достигает места назначения, ее содержимое просматривается и корректируется, после чего ячейка посылается назад отправителю. При этом появляются два дополнительных механизма управления перегрузкой. Во-первых, RM-ячейки могут посылаться не только первичным отправителем, но и перегруженными коммутаторами в направлении перегрузившего их отправителя. Во-вторых, перегруженные коммутаторы могут устанавливать средний PTI-бит в информационных ячейках, движущихся от первоисточника к адресату. Но даже выбранный метод подавления перегрузки не идеален, поскольку также уязвим из-за потерь управляющих ячеек.

Управление перегрузкой для услуг типа ABR базируется на том, что каждый отправитель имеет текущую скорость передачи ( ACR — Actual Cell Rate), которая лежит между MCR (Minimum Cell Rate) и PCR (Peak Cell Rate). Когда происходит перегрузка, ACR уменьшается, но не ниже MCR. При исчезновении перегрузки acr увеличивается, но не выше PCR. Каждая RM-ячейка содержит значение загрузки, которую намеривается реализовать отправитель. Это значение называется ER (explicit rate). По пути к месту назначения эта величина может быть уменьшена попутными коммутаторами. Ни один из коммутаторов не может увеличивать ER. Модификация ER может производиться по пути как туда, так и обратно. При получении RM-ячейки отправитель может скорректировать значение ACR, если это необходимо.

С точки зрения построения интерфейса и точек доступа (T, S и R) сеть ATM сходна с ISDN (см. рис 13.1).

Для физического уровня предусмотрены две скорости обмена 155,52 и 622,08 Мбит/с. Эти скорости соответствуют уровням иерархии SDH STM-1 и 4*STM-1.

При номинальной скорости 155.52 Мбит/с пользователю доступна реально скорость обмена 135 Мбит/c, что связано с издержками на заголовки и управление.

Скрамблерный метод не меняет частоту переключения, но его эффективность зависит от передаваемой информации. CMI предпочтительней для 155 Мбит/с. В настоящее время используется две схемы передачи данных применительно к ATM: базирующийся на потоке пакетов (cell stream) и на SDH-структурах. В первом случае мы имеем непрерывный поток 53-октетных пакетов, во втором эти пакеты уложены в STM-1 кадры. Управляющие сообщения располагаются в заголовках секции и пути кадра SDH. AAL ( ATM Adaptation Layer) служит для адаптации различных видов сервиса к требованиям ATM -уровня. Каждый вид услуг требует своего AAL -протокола. Главной целью AAL является обеспечение удобства при создании и исполнении программ прикладного уровня. Для всех AAL определены два субуровня (таблица 13.6.1.):

AAL -протоколы управляются значениями следующих переменных:

В настоящее время определены четыре класса услуг, которые могут требовать или не требовать синхронизации между отправителем и получателем, осуществлять обмен при постоянной или переменной частоте передачи бит, с установлением связи или без. Особенности этих видов услуг для адаптивного уровня систематизированы в таблице 13.7. Каждая из услуг имеет свой AAL -протокол.

Уровень адаптации 1-го уровня ( AAL ) выполняет для верхнего уровня следующие услуги (передача аудио и видео по каналам DS-1 и DS-3; постоянная скорость передачи):

Для решения этих задач AAL первого уровня должен устранять разброс задержек, выявлять ячейки, доставленные не по адресу, и потерянные ячейки, производить сегментацию пакетов и последующее их восстановление, выполнять мониторирование ошибок в управляющей информации протокола AAL - PCI (Protocol Control Information). Характер обмена здесь строго ориентирован на соединение. AAL -1 использует субуровни конвергенции и SAR. Субуровень конвергенции обеспечивает постоянство скорости передачи ячеек. AAL -1 конвергенции не имеет какого-то специфического протокольного заголовка. Этот субуровень разбивает входные сообщения на 46- или 47-байтные блоки и передает их субуровню SAR для пересылки.

Структура протокольной части информационного поля ячейки SAR-PDU представлена на рис 13.17.

CSI позволяет приемнику распознать уровень конвергенции. Подуровень SAR получает значение SN (порядковый номер) для каждого 47-октетного блока данных от подуровня конвергенции. Поле SNP (Sequence Number Protection — контрольная сумма) служит для обнаружения и исправления ошибок в заголовке, в качестве производящего полинома используется R(x) = x3 + x + 1. Один из битов SNP представляет собой бит четности. Если CSI=1, то после поля SNP следует однобайтовое поле указатель, которое используется для определения положения начала следующего сообщения (значения 0-92; старший бит поля указатель зарезервирован на будущее).

Для сжатой аудио- и видеоинформации скорость передачи может варьироваться в широких пределах. Ведь многие схемы предусматривают периодическую отправку полного видеокадра, и при последующей передаче транспортируются лишь отличия последовательных кадров. Уровень адаптации 2-го типа предоставляет вышестоящему уровню возможность синхронизовать передатчик и приемник, осуществлять обмен с изменяющейся скоростью, оповещать об ошибках и потерях ячеек. Структура ячейки AAL 2-го типа показана на рис 13.18 (субуровень SAR). Из-за переменной скорости передачи заполнение ячеек может быть неполным.

Поля SN и IT имеют общую длину 1 байт, поля же LI и CRC вместе занимают 2 байта. Поле данных (PDU) в такой ячейке имеет длину 45 байт.

Уровень адаптации 3/4 типов предназначен для передачи данных как в режиме с установлением соединения, так и без него. Определены два типа обмена: . Длина поля данных (PDU) составляет 44 байта. Заметим, что AAL 3/4 имеет два уровня издержек — 8 байт добавляется для каждого сообщения и 4 избыточных байта приходятся на каждую ячейку, это достаточно много, особенно для коротких сообщений.

При вычислении CRC используется образующий полином .

Тип 3/4 имеет существенную избыточность (4 байта из 48 на каждый SAR-PDU). По этой причине был введен 5-й тип. Этот уровень обеспечивает канал, ориентированный на соединение, с переменной скоростью обмена ( VBR ) в широковещательном режиме при минимальном контроле ошибок (или вовсе без него). IP-дейтограммы передаются через сети ATM через адаптационный уровень 5 (RFC-1577). Уровень AAL 5 иногда называют .

Однобайтовое поле, расположенное между полями UU и длина, зарезервировано для использования в будущем. Так как здесь для переноса информации используется заголовок, работа AAL становится зависимой от нижележащего уровня, что является нарушением эталонной модели. Инкапсулироваться в поля данных AAL 5 могут блоки длиной до 216-1 октетов (65535). Выполнение операций здесь зависит от того, работает ли система в режиме сообщения или потока. На подуровне конвергенции для передачи протокольного блока данных используется 4-байтовая CRC с образующим полиномом G(x) = x32 + x26 + x23 + x22 + x16 + x12 + x11 + x10 + x8 + x7 + x5 + x4 + x2 + x + 1, что обеспечивает высокую надежность корректности доставки.

Верхние уровни управления для ATM базируются на рекомендациях CCITT I450/1 (Q.930/1). В случае использования ATM для Интернета значение MTU по умолчанию равно 9180 (RFC-1626), так как фрагментация IP-дейтограмм крайне нежелательна ( AAL ). Работа протоколов TCP/IP поверх ATM описана в документах RFC показано, как пакеты ATM размещаются в кадрах STM-1 (виртуальный контейнер VC-4).

В STM-1 для передачи ячеек выделяется полоса пропускания

$$I=\frac{9\times 261\times 8}{125\times 10^{-6}}=150,3$$ Мбит/c (9 рядов по 261 байту, передаваемые каждые 125 мкс).

Поток ячеек OAM F5 уровня виртуального канала каких-либо специальных идентификаторов виртуальных путей не использует. В заголовках ячеек потока OAM F5 типа точка-точка в поле типа данных (PT) записывается код 100, а для сегментных потоков виртуальных каналов PT=101. Значения кодов полей тип OAM и тип выполняемой функции приведены в таблице 13.8. Для решения проблем выявления и локализации отказов в сети АТМ используются ячейки AIS (Alarm Indication Signal — аварийный сигнал), RDI/FERF (Remote Defect Indication / Far End Reporting Failure — указатель отказа на удаленном конце), контроля непрерывности (continuity check) и проверки с применением обратной связи (loopback). Для ячеек AIS и RDI поля тип отказа имеет 8 байт (по умолчанию во все октеты записывается 0х6А), а для указателя места отказа выделено 9 байт. Полезная часть поля данных в этих ячейках равна 45 байтам, из них 28 зарезервировано на будущее.

Контроль рабочих характеристик сети АТМ производится без нарушения соединений и без снижения качества обслуживания. Для запуска и остановки процесса измерения служат ячейки типа activation/deactivation.

Субполе неиспользуемые октеты заполняется байтами 0х6А, а субполя блок РМ — кодами 0000. Значения кодов поля идентификатор сообщения приведены в таблице 13.9.

В субполе направление действия заносится код 10 при направлении от А к В и 01 при противоположном направлении. В поле размер записывается код 1000 при длине 1024 ячеек, 0100 — при 512, 0010 — при 256 и 0001 — при 128. Размеры блоков для направлений А —> b и В —> a могут быть и неравными. Мониторинг рабочих параметров может выполняться для А —> b, В —> a или для обоих направлений одновременно.

Пропускная способность сети АТМ (150 Мбит/с) позволяет передавать немногим более 360000 ячеек в секунду, что означает для ATM -переключателя время коммутации менее 2,7 мксек. Реальный переключатель может иметь от 16 до 1024 входных линий, что может означать коммутацию 16-1024 ячеек каждые 2,7 мкс. При быстродействии 622 Мбит/с новая порция ячеек поступает каждые 700 нс. Постоянство длины ячеек упрощает конструкцию ключа. Все АТМ-ключи имеют целью обеспечить коммутацию с минимальной вероятностью потери и исключить возможность изменения порядка следования ячеек.

Приемлемой считается вероятность потери ячейки не более 10 ^-12 . Для большого коммутатора это эквивалентно потере 1-2 ячеек в час.

Уменьшению вероятности потери способствует создание буферов конвейерного типа. Если на вход переключателя приходят две ячейки одновременно, одна из них обслуживается, а вторая ставится в очередь (запоминается в буфере). Выбор ячеек может производиться псевдослучайно или циклически. При этом не должно возникать предпочтений для каких-то каналов. Если в один цикл на вход (каналы 1, 2, 3 и 4) коммутатора пришли четыре ячейки, предназначенные для выходных линий J+2, J, J+2 и J+1 соответственно, то на линии J+2 возникает конфликт. Предположим, что будет обслужена ячейка, поступившая по первой входной линии, а ячейка на входной линии 3 будет поставлена в очередь. В начале следующего цикла на выход попадут три ячейки. Предположим также, что в этот цикл на ходы коммутатора (1 и 3) придут ячейки, адресованные для линий J+3 и J соответственно. Ячейка, адресованная J, будет поставлена в очередь вслед за ячейкой, адресованной .

Концентратор выбирает N ячеек для помещения в очередь (предполагается, что максимальная длина очереди может быть равна N ). Если выходной буфер уже заполнен, ячейка может быть потеряна. При построении АТМ-коммутаторов часто используется схема сети с многокаскадными соединениями.

Было время, когда сети АТМ обладали наивысшим быстродействием, что стимулировало адаптацию этого протокола для локальных сетей. И такая модификация ( LANE ) была разработана. LANE осуществляет взаимодействие соединенных посредством АТМ оконечных станций для сегментов LAN. LANE не оказывает воздействия на работу сети АТМ и не требует никаких специальных модификаций протокола. После внедрения FE и тем более GE область использования техники LANE сместилась в область WAN. LANE работает как система "клиент-сервер", ее основная задача — установление соответствия между адресами МАС и АТМ.