Интегрированные сети ISDN и ATM

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:

• скорость обмена (постоянная или переменная);
• режим соединения (с установлением связи или без);
• синхронизация (требуется или нет синхронизация между отправителем и получателем).

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):

• синхронизацию передатчика и приемника;
• передачу данных с фиксированной скоростью;
• индикацию потери и искажения данных, если эти ошибки не устраняются на уровне адаптации;
• передачу от отправителя получателю информации о структуре передаваемых данных.

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).

Рис. 13.17.

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.

Рис. 13.18.

Уровень адаптации 3/4 типов предназначен для передачи данных как в режиме с установлением соединения, так и без него. Определены два типа обмена: сообщение и поток. В первом случае блок данных передается в одном интерфейсном блоке (IDU). Сервисные блоки данных могут иметь переменную длину. В режиме поток сервисный блок данных передается через интерфейс уровня адаптации в одном или нескольких IDU. В этом режиме может быть реализована услуга "внутренний контейнер". Здесь допускается и прерывание передачи, частично переданный блок теряется. AAL 3/4 допускает организацию нескольких сессий одновременно (например, несколько удаленных login). Структура протокольного блока данных подуровня SAR 3/4 типа представлена на рис. 13.19. 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.

Рис. 13.19.

При вычислении CRC используется образующий полином R(x) = x¹¹ + x⁹ + x⁵ + x⁴ + x + 1. Подуровень конвергенции AAL содержит общую часть подуровня CPCS (Common Path Convergence Sublayer) и служебную часть подуровня SSCS (Service Specific Convergence Sublayer). CPCS обеспечивает негарантированную доставку кадров любой длины в диапазоне 1-65535 байт. Данные пользователя передаются непосредственно на субуровень AAL. Формат протокольного блока данных подуровня конвергенции AAL 3/4-типа показан на рис. 13.20.

Рис. 13.20.