Технологія АТМ

Технологія асинхронного режиму передачі (Asynchronous Transfer Mode, АТМ) розроблена як єдиний універсальний транспорт для нового покоління мереж з інтеграцією послуг, які називаються широкополосними мережами ISDN (Broadband-ISDN, B-ISDN).

Технологія АТМ поєднує в собі підходи двох технологій — комутації пакетів і комутації каналів. Від першої вона взяла на озброєння передачу даних у вигляді адресуємих пакетів, а від другої — використання пакетів невеликого фіксованого розміру, у результаті чого затримки в мережі стають більш передбачуваними. За допомогою технології віртуальних каналів, попереднього замовлення параметрів якості обслуговування каналу і пріоритетного обслуговування віртуальних каналів з різною якістю обслуговування вдається домогтися передачі в одній мережі різних типів трафіка без дискримінації. Хоча мережі ISDN також розроблялися для передачі різних видів трафіка в рамках однієї мережі, голосовий трафік явно був для розробників більш пріоритетним. Технологія АТМ із самого початку розроблялася як технологія, здатна обслуговувати усі види трафіка відповідно до їхніх вимог.

Служби верхніх рівнів мережі B-ISDN повинні бути приблизно такими ж, що й у мережі ISDN — це передача факсів, поширення телевізійного зображення, голосова пошта, електронна пошта, різні інтерактивні служби, наприклад проведення відеоконференцій. Високі швидкості технології АТМ створюють набагато більше можливостей для служб верхнього рівня, що не могли бути реалізовані мережами ISDN — наприклад, для передачі кольорового телевізійного зображення необхідна смуга пропускання в районі 30 Мбіт/с. Технологія ISDN таку швидкість підтримати не може, а для АТМ вона не складає великих проблем.

Розробку стандартів АТМ здійснює група організацій за назвою АТМ Forum під егідою спеціального комітету IEEE, а також комітети ITU-T і ANSI. АТМ — це дуже складна технологія, яка вимагає стандартизації у всіх аспектах, тому, хоча основне ядро стандартів було прийнято в 1993 році, робота зі стандартизації активно продовжується.

Основні принципи технології АТМ

Мережа АТМ має класичну структуру великої територіальної мережі — кінцеві станції з'єднуються індивідуальними каналами з комутаторами нижнього рівня, які у свою чергу з'єднуються з комутаторами більш високих рівнів. Комутатори АТМ користаються 20-байтними адресами кінцевих вузлів для маршрутизації трафіка на основі технології віртуальних каналів. Для приватних мереж АТМ визначений протокол маршрутизації PNNI (Private NNI), за допомогою якого комутатори можуть будувати таблиці маршрутизації автоматично. У публічних мережах АТМ таблиці маршрутизації можуть будуватися адміністраторами вручну, як і в мережах Х.25, чи можуть підтримуватися протоколом PNNI.

Комутація пакетів відбувається на основі ідентифікатора віртуального каналу (Virtual Channel Identifier, VCI), який призначається з'єднанню при його встановленні і знищується при розриві з'єднання. Адреса кінцевого вузла АТМ, на основі якого прокладається віртуальний канал, має ієрархічну структуру, подібну до номера в телефонній мережі, і використовує префікси, що відповідають кодам країн, міст, мережам постачальників послуг і т.п., що спрощує маршрутизацію запитів встановлення з'єднання, як і при використанні агрегованних IP-адрес відповідно до технології CIDR.

Віртуальні з'єднання можуть бути постійними (Pennanent Virtual Circuit, PVC) і такими що комутуються (Switched Virtual Circuit, SVC). Для прискорення комутації у великих мережах використовується поняття віртуального шляху — Virtual Path, що поєднує віртуальні канали, які мають у мережі АТМ загальний маршрут між вихідним і кінцевим вузлами чи загальну частину маршруту між деякими двома комутаторами мережі. Ідентифікатор віртуального шляху (Virtual Path Identifier, VPI) є старшою частиною локальної адреси і являє собою загальний префікс для деякої кількості різних віртуальних каналів. Таким чином, ідея агрегування адрес у технології АТМ застосована на двох рівнях — на рівні адрес кінцевих вузлів (працює на стадії встановлення віртуального каналу) і на рівні номерів віртуальних каналів (працює при передачі даних по наявному віртуальному каналі).

З'єднання кінцевої станції АТМ із комутатором нижнього рівня визначаються стандартом UNI (User Network Interface). Специфікація UNI визначає структуру пакета, адресацію станцій, обмін керуючою інформацією, рівні протоколу АТМ, способи встановлення віртуального каналу і способи керування трафіком. В даний час прийнята версія UNI 4.0, але найбільш розповсюдженою версією є версія UNI 3.1.

Стандарт АТМ не вводить свої специфікації на реалізацію фізичного рівня. Тут він ґрунтується на технології SDH/SONET, приймаючи її ієрархію швидкостей. Відповідно до цього початкова швидкість доступу користувача мережі — це швидкість ОС-3 155 Мбіт/с. Організація АТМ Forum визначила для АТМ не всі ієрархії швидкостей SDH, а тільки швидкості ОС-3 і ОС-12 (622 Мбіт/с). На швидкості 155 Мбіт/с можна використовувати не тільки волоконо-оптичний кабель, але і неекрановану виту пару категорії 5. На швидкості 622 Мбіт/с допустимо тільки волоконо-оптичний кабель, причому як SMF, так і MMF.

Є і інші фізичні інтерфейси до мереж АТМ, відмінні від SDH/ SONET. До них відносяться інтерфейси Т1/Е1 і ТЗ/ЕЗ, розповсюджені в глобальних мережах, і інтерфейси локальних мереж — інтерфейс із кодуванням 4В/5В зі швидкістю 100 Мбіт/с (FDDI) і інтерфейс зі швидкістю 25 Мбіт/с, запропонований компанією IBM і затверджений АТМ Forum. Крім того, для швидкості 155,52 Мбіт/с визначений так званий «cell-based» фізичний рівень, тобто рівень, заснований на ячейках, а не на кадрах SDH/SONET. Цей варіант фізичного рівня не використовує кадри SDH/SONET, а відправляє по каналі зв'язку безпосередньо ячейці формату АТМ, що скорочує накладні витрати на службові дані, але трохи ускладнює задачу синхронізації приймача з передавачем на рівні ячейок.

Усі перераховані вище характеристики технології АТМ не свідчать про те, що це деяка «особлива» технологія, а скоріше представляють її як типову технологію глобальних мереж, засновану на технології віртуальних каналів. Особливості ж технології АТМ лежать в області якісного обслуговування різнорідного трафіка і підрозуміваються прагненням вирішити задачу сполучення в тих самих каналах зв'язку й у тому самому комунікаційному устаткуванні комп'ютерного і мультимедійного трафіка таким чином, щоб кожен тип трафіка одержав необхідний рівень обслуговування і не розглядався як «другорядний».

Трафік обчислювальних мереж має яскраво виражений асинхронний і пульсуючий характер. Комп'ютер посилає пакети в мережу у випадкові моменти часу, у міру виникнення в цьому необхідності. При цьому інтенсивність посилання пакетів у мережу і їхній розмір можуть змінюватися в широких межах — наприклад, коефіцієнт пульсацій трафіка (відношення максимальної миттєвої інтенсивності трафіка до його середньої інтенсивності) протоколів без встановлення з'єднань може доходити до 200, а протоколів із встановленням з'єднань — до 20. Чутливість комп'ютерного трафіка до втрат даних висока, тому що без втрачених даних обійтися не можна і їх необхідно відновити за рахунок повторної передачі.

Мультимедійний трафік, який передає, наприклад, голос чи зображення, характеризується низьким коефіцієнтом пульсацій, високою чутливістю до затримок передачі даних (віддзеркалюваних на якості відтвореного безупинного сигналу) і низькою чутливістю до втрат даних. Складність сполучення комп'ютерного і мультимедійного трафіка з діаметрально протилежними характеристиками добре видна на рис.12.6.

Рис. 12.6. Два типи трафіка: а -комп'ютерний; б -мультимедійний

На можливості сполучення цих двох видів трафіка великий вплив робить розмір комп'ютерних пакетів. Якщо розмір пакета може мінятися в широкому діапазоні (наприклад, від 29 до 4500 байт, як у технології FDDI), то навіть при доданні голосовим пакетам вищого пріоритету обслуговування в комутаторах час очікування комп'ютерного пакета може виявитися неприпустимо високим. Наприклад, пакет у 4500 байт буде передаватися у вихідний порт на швидкості 2 Мбіт/с (максимальна швидкість роботи порту комутатора frame relay) 18 мс. При сполученні трафіка за цей час необхідно через цей же порт передати 144 виміри голосу. Переривати передачу пакета в мережах небажано, тому що при розподіленому характері мережі накладні витрати на оповіщення сусіднього комутатора про переривання пакета, а потім — про поновлення передачі пакета з перерваного місця виявляються занадто великими.

Підхід, реалізований у технології АТМ, складається в передачі будь-якого виду трафіка — комп'ютерного, телефонного чи відео — пакетами фіксованої і дуже маленької довжини в 53 байта. Пакети АТМ називають осередками — cell. Поле даних осередка займає 48 байт, а заголовок—5 байт.

Щоб пакети містили адреси вузла призначення й у той же час відсоток службової інформації не перевищував розмір поля даних пакета, у технології АТМ застосований стандартний для глобальних обчислювальних мереж прийом — передача осередків відповідно до технології віртуальних каналів з довжиною номера віртуального каналу в 24 біт, що цілком достатньо для обслуговування великої кількості віртуальних з'єднань кожним портом комутатора глобальної (може бути всесвітньої) мережі АТМ.

Розмір осередку АТМ є результатом компромісу між телефоністами і комп’ютерщиками — перші наполягали на розмірі поля даних у 32 байта, а в другі в 64 байта.

Чим менший пакет, тим легше імітувати послуги каналів з постійною бітовою швидкістю, яка характерна для телефонних мереж. Ясно, що при відмовленні від жорстко синхронізованих тимчасових слотів для кожного каналу ідеальної синхронності домогтися буде неможливо, однак чим менший розмір пакета, тим легше цього досягти.

Для пакета, що складає з 53 байт, при швидкості в 155 Мбіт/с час передачі кадру на вихідний порт складає менш 3 мкс. Так що ця затримка не дуже істотна для трафіка, пакети якого повинні передаватися кожні 125 мкс. Однак на вибір розміру осередку більший вплив зробила не величина очікування передачі осередку, а затримка пакетизації. Затримка пакетизації — це час, протягом якого перший вимір голосу чекає моменту остаточного формування пакета і відправлення його по мережі. При розмірі поля даних у 48 байт один осередок АТМ звичайно переносить 48 вимірів голосу, які виробляються з інтервалом у 125 мкс. Тому перший вимір повинен чекати приблизно 6 мс, перш ніж осередок буде відправлено по мережі. Саме з цієї причини телефоністи були за зменшення розміру осередку, тому що 6 мс — це затримка, близька до межі, за яким починаються порушення якості передачі голосу. При виборі розміру осередку в 32 байта затримка пакетизації склала б 4 мс, що гарантувало б більш якісну передачу голосу. А прагнення комп'ютерних фахівців збільшити поле даних до 64 байт цілком зрозуміло — при цьому підвищується корисна швидкість передачі даних. Надмірність службових даних при використанні 48-байтного поля даних складає 10 %, а при використанні 32-байтного поля даних вона відразу підвищується до 16%.

Вибір для передачі даних будь-якого типу невеликого осередку фіксованого розміру ще не вирішує задачу сполучення різнорідного трафіка в одній мережі, а тільки створює передумови для її рішення. Для повного рішення цієї задачі технологія АТМ залучає і розвиває ідеї замовлення пропускної здатності і якості обслуговування, реалізовані в технології frame relay. Але якщо мережа frame relay споконвічно була призначена для передачі тільки пульсуючого комп'ютерного трафіка (у зв'язку з цим для мереж frame relay так важко дається стандартизація передачі голосу), то розробники технології АТМ проаналізували всілякі зразки трафіка, створювані різними додатками, і виділили 4 основних класи трафіка, для яких розробили різні механізми резервування і підтримки необхідної якості обслуговування.

Клас трафіка (названий також класом послуг — service class) якісно характеризує необхідні послуги по передачі даних через мережу АТМ. Якщо додаток указує мережі, що потрібна, наприклад, передача голосового трафіка, то з цього стає ясно, що особливо важливими для користувача будуть такі показники якості обслуговування, як затримки і варіації затримок осередків, що істотно впливають на якість переданої інформації — голосу чи зображення, а втрата окремого осередку з декількома вимірами не так вже важлива, тому що, наприклад, пристрій що відтворює голос може апроксимувати відсутні виміри і якість постраждає не дуже. Вимоги до синхронності переданих даних дуже важливі для багатьох додатків — не тільки голосу, але і відеозображення, і наявність цих вимог стало першим критерієм для розподілу трафіка на класи.

Іншим важливим параметром трафіка, що істотно впливає на спосіб його передачі через мережу, є величина його пульсацій. Розробники технології АТМ вирішили виділити два різних типи трафіка у відношенні цього параметра — трафік з постійною бітовою швидкістю (Constant Bit Rate, CBR) і трафік з перемінною бітовою швидкістю (Variable Bit Rate, VBR).

До різних класів були віднесені трафіки, які породженні додатками, що використовують для обміну повідомленнями протоколи з встановленням з'єднань і без встановлення з'єднань. У першому випадку дані передаються самим додатком досить надійно, як це звичайно роблять протоколи з встановленням з'єднання, тому від мережі АТМ високої надійності передачі не вимагається. А в другому випадку додаток працює без встановлення з'єднання і відновленням загублених і перекручених даних не займається, що висуває підвищені вимоги до надійності передачі осередків мережею АТМ.

У результаті було визначено п'ять класів трафіка, що відрізняються наступними якісними характеристиками:

наявністю чи відсутністю пульсації трафіка, тобто трафіки CBR чи VBR;

вимогою до синхронізації даних між передавальною і приймаючою сторонами;

типом протоколу, що передає свої дані через мережу АТМ, — із встановленням з'єднання чи без встановлення з'єднання (тільки для випадку передачі комп'ютерних даних).

Основні характеристики класів трафіка АТМ приведені в табл.12.1.

Таблиця 12.1. Класи графіка АТМ

Протокол АТМ

Протокол АТМ займає в стеці протоколів АТМ приблизно те ж місце, що протокол IP у стеці TCP/IP чи протокол LAP-F у стеці протоколів технології frame relay. Протокол АТМ займається передачею осередків через комутатори при встановленому і набудованому віртуальному з'єднанні, тобто на підставі готових таблиць комутації портів. Протокол АТМ виконує комутацію по номері віртуального з'єднання, що у технології АТМ розбитий на дві частини — ідентифікатор віртуального шляху (Virtual Path Identifier, VPI) і ідентифікатор віртуального каналу (Virtual Channel Identifier, VCI). Крім цієї основної задачі протокол АТМ виконує ряд функцій по контролі за дотриманням трафік-контракта з боку користувача мережі, маркіруванню осередків-порушників, відкиданню осередків-порушників при перевантаженні мережі, а також керуванню потоком осередків для підвищення продуктивності мережі (природно, при дотриманні умов трафік-контракта для усіх віртуальних з'єднань).

Протокол АТМ працює з осередками наступного формату, представленого на рис. 12.7.

Рис. 12.7. Формат ячейки АТМ.

Поле Керування потоком (Generic Flow Control) використовується тільки при взаємодії кінцевого вузла і першого комутатора мережі. В даний час його точні функції не визначені.

Поля Ідентифікатор віртуального шляху (Vitual Path Identifier, VPI) і Ідентифікатор віртуального каналу (Vitual Channel Identifier, VCI) займають відповідно 1 і 2 байти. Ці поля задають номер віртуального з'єднання, розділений на старшу (VPI) і молодшу (VCI) частини.

Поле Ідентифікатор типу даних (Payload Type Identifier, PTI) складається з 3-х біт і задає тип даних, що переносяться осередком, — користувальницькі чи керуючі (наприклад, керуючі встановленням віртуального з'єднання). Крім того, один біт цього поля використовується для вказівки перевантаження в мережі — він називається Explicit Congestion Forward Identifier, EFCI — і відіграє ту ж роль, що біт FECN у технології frame relay, тобто передає інформацію про перевантаження по напрямку потоку даних.

Поле Пріоритет утрати кадру (CeULoss Priority, CLP) відіграє в даній технології ту ж роль, що і поле DE у технології frame relay — у ньому комутатори АТМ відзначають осередки, які порушують угоди про параметри якості обслуговування, щоб видалити їх при перевантаженнях мережі. Таким чином, осередки з CLP=0 є для мережі високопріоритетними, а осередки з CLP=1 — низькопріоритетними.

Поле Керування помилками в заголовку (Header Error Control, НІС) містить контрольну суму, обчислену для заголовка осередку. Контрольна сума обчислюється за допомогою технології коригувальних кодів Хеммінга, тому вона дозволяє не тільки виявляти помилки, але і виправляти всі одиночні помилки, а також деякі подвійні. Поле НІС забезпечує не тільки виявлення і виправлення помилок у заголовку, але і знаходження границі початку кадру в потоці байтів кадрів SDH, що є кращим фізичним рівнем технології АТМ, чи ж у потоці біт фізичного рівня, заснованого на осередках.