Интегрированные сети ISDN и ATM

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:

• setup — запрос формирования канала;
• call proceeding — запрос в процессе исполнения;
• connect — запрос принят;
• connect ACK — подтверждение получения запроса;
• release — сообщение о завершении;
• release complete — подтверждение получения сообщения release.

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.

Рис. 13.14. Обмен сообщениями при установлении и разрыве виртуального соединения

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:

• VPI (Virtual Path Identifier — виртуальный идентификатор маршрута) обеспечивает соединение "точка-точка", но маршрут не является фиксированным и задается непосредственно перед началом пересылки с использованием сигнальных сообщений. Слово "виртуальный" означает, что пакеты передаются от узла к узлу в соответствии с VPI ;
• VCI (Virtual Call Identifier — виртуальный идентификатор запроса) — запросы осуществляются в соответствии с виртуальным маршрутом, заданным VPI.

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

Рис. 13.15. Формат заголовка ATM-пакета (сетевой интерфейс пользователя — UNI

Для интерфейса "сеть-сеть" ( NNI ) используется ячейка с несколько иным форматом заголовка. Там весь первый октет выделен для VPI, а поле GFC отсутствует ( таблица 13.3.1.).

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.

• Передача голоса на скоростях 64 Кбит/с. Один ATM -пакет соответствует 6 мс.
• Передача музыки с использованием схемы кодирования MUSICAM.
• Так как для случая изображения передается только переменная часть картинки, atm идеально подходит для решения такого рода задач.
• Задачи управления решаются менее экономно, но тем не менее достаточно эффективно (предусмотрено несколько приоритетов для управления потоками данных).

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 PCR (Peak Cell Rate); T=1/PCR — минимальное расстояние между ячейками), другой — допустимую вариацию значения скорости передачи ( CDVT=L ). Если клиент не собирается посылать более 100 000 ячеек в секунду, то Т = 10 мкс. На рис. 13.16 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 . Тогда . Если полученное число оказалось нецелым, оно должно быть округлено до ближайшего меньшего целого.

Рис. 13.16. Иллюстрация работы алгоритма GCRA