Глава 5. Сетевой и транспортный уровни
5.14. Сети АТМ.

Перспективными технологиями передачи информации в вычислительных сетях являются технологии, обеспечивающие высокие скорости передачи разнородной информации (данных, речевых и видеосигналов) на значительные расстояния. Действительно, передача голосовой и видеоинформации обычно требуется в режиме реального времени, и, следовательно, задержки должны быть только малыми (так, для голосовой связи - около 6 с).

К числу таких технологий прежде всего относится технология АТМ (Asynchronous Transfer Mode).

Технология АТМ кратко формулируется, как быстрая коммутация коротких пакетов фиксированной длины (53 байт), называемых ячейками. По этой причине и саму технологию АТМ иногда называют коммутацией ячеек.

Сети АТМ относят к сетям с установлением соединения. Соединения могут быть постоянными и динамическими. Первые устанавливаются и разрываются администратором сети, их действие продолжительно, для каждого нового обмена данными между абонентами постоянного соединения не нужно тратить время на его установление. Вторые устанавливаются и ликвидируются автоматически для каждого нового сеанса связи.

Каждое соединение получает свой идентификатор, который указывается в заголовке ячеек. При установлении соединения каждому коммутатору на выбранном пути следования данных передается таблица соответствия идентификаторов и портов коммутаторов. Коммутатор, распознав идентификатор, направляет ячейку в нужный порт. Непосредственное указание в заголовке адресов получателя и отправителя не требуется, заголовок короткий - всего 5 байтов.

Высокие скорости в АТМ обеспечиваются рядом технических решений.

Во-первых, большое число каналов с временным мультиплексированием (TDM) можно использовать для параллельной передачи частей одного и того же "объемного" сообщения (статистическое мультиплексирование). При этом цикл синхронизации состоит из отдельных участков, длины участка и ячейки совпадают. Под конкретное сообщение можно выделить N интервалов, совокупность которых называют виртуальным каналом. Скорость передачи можно регулировать, изменяя N. Если сеть АТМ оказывается перегруженной, то во избежание потери информации и в отличие от коммутации каналов возможна буферизация данных для выравнивания загрузки каналов. Регулирование загрузки (управление потоком) осуществляется периодическим включением (обычно через 32 кадра) RM-ячейки в информационный поток. В эту ячейку промежуточные коммутаторы и конечный узел могут вставлять значения управляющих битов, сигнализирующие о перегрузке или недогрузке канала. RM-ячейка от конечного узла передается в обратном направлении источнику сообщения, который может соответственно изменить режим передачи. В частности, применяется режим занятия всех свободных ресурсов при перегрузке. Таким образом, происходит динамическое перераспределение нагрузки.

Во-вторых, отрицательные квитанции при искажениях собственно сообщений (но не заголовков) возможны только от конечного пункта. Это исключает потери времени в промежуточных пунктах на ожидание подтверждений. Такой способ иногда называют коммутацией кадров (в отличие от коммутации пакетов). Контрольный код (четырехбайтный циклический) по информационной части сообщения имеется только в конце последнего пакета сообщения.

В-третьих, упрощена маршрутизация. Собственно установление соединения выполняется аналогично этой процедуре в TCP/IP. Однако далее номер рассчитанного маршрута помещается в заголовок каждого пакета, и для них не нужно заново определять маршрут по таблицам маршрутизаторов при прохождении через сеть. Такая передача называется маршрутизацией от источника. Другими словами, осуществляется передача с установлением соединения (в отличие, например, от IP). При этом клиент направляет серверу запрос в виде специального управляющего кадра. Кадр проходит через промежуточные маршрутизаторы и/или коммутаторы, в которых соединению (каналу) присваивается номер VCI (идентификатор) маршрута. Если передача адресована нескольким узлам, то соответствующий VCI в коммутаторах присваивается нескольким каналам.

В-четвертых, фиксированная длина пакетов (кадров) упрощает алгоритмы управления и буферизации данных, исключает необходимость инкапсуляции или конвертирования пакетов при смене форматов в промежуточных сетях (если они соответствуют формату ячейки АТМ).

Типично использование переключателей (switches). Они объединяются в опорную сеть (обычно на базе ВОЛС) и обеспечивают высокоскоростную коммутацию блоков взаимодействия с различными ЛВС (возможно и отдельных компьютеров), а также связь с территориальной сетью.

Рис. 5.6. Уровни протоколов в технологии АТМ

В АТМ введены три уровня (см. рис. 5.6). Адаптационный уровень (AAL) аналогичен транспортному уровню в ЭМВОС, на нем происходит разделение сообщения на 48-байтные ячейки, преобразование битовых входных потоков в один поток с соблюдением пропорций между числом ячеек для данных, голосовой и видеоинформации, определение вида сервиса. При этом должна поддерживаться скорость передачи данных, необходимая для обеспечения соответствующего сервиса. На следующем уровне, называемом АТМ, к каждой ячейке добавляется пятибайтовый заголовок с маршрутной информацией. Третий уровень - физический (Р - рhysical) - служит для преобразования данных в электрические или оптические сигналы. Средой для АТМ обычно служит среда B-ISDN, реализуемая на ВОЛС, витой паре или коаксиальном кабеле. Типично использование технологии SDH, поясняемой ниже.

В АТМ предусматриваются следующие варианты каналов ОС-1, ОС-3, ОС-12 и ОС-48 со скоростями соответственно 51, 155, 622 и 2400 Мбит/с. К сожалению, в распространенных протоколах, таких, как TCP/IP или Х.25, пакеты имеют переменную длину, что вызывает трудности совмещения программно-аппаратных средств распространенных технологий и ATM, в связи с чем замедляется внедрение АТМ.

Поэтому в настоящее время более распространены промежуточные технологии. Таковой прежде всего является технология ретрансляции кадров (FR), в которой применена коммутация пакетов длиной в 4 Кбита с установлением соединения. Другой промежуточной технологией является SMDS (Switched Multimegabit Data Service). В SMDS используется коммутация пакетов фиксированной длины (53 байт) без установления соединения, скорость составляет 45...155 Мбит/с.

Проблемы совмещения технологий АТМ и существующих сетей решаются организацией ATM Forum и рядом промышленных фирм. Разрабатываются коммутаторы и концентраторы, обеспечивающие совместную работу АТМ магистралей, сетей, работающих по протоколам TCP/IP, и локальных сетей, таких, как Ethernet, Fast Ethernet, FDDI. В частности, разработаны спецификации IP-over-ATM и более современные MPOA (Multi-Protocol-Over-ATM), а также реализующие их средства для передачи IP-дейтаграм и пакетов, сформированных по другим протоколам, через АТМ сети.

При реализации TCP/IP поверх АТМ протоколов необходимо сохранить высокую скорость АТМ сети. Однако этому препятствуют возможные потери при передаче некоторых 53-байтных ячеек, на которые разбивается ТСР-сегмент. Такая потеря вызывает необходимость повторной передачи всех ячеек сегмента, поскольку в АТМ контроль правильности передачи.ведется по отношению ко всему сообщению (в данном случае - сегменту). Существенно сократить число повторно передаваемых ячеек позволяют специальные алгоритмы, примером которых может служить алгоритм TCP Boston.

В этом алгоритме исходная совокупность А из m ячеек трансформируется в множество В из N ячеек с помощью матрицы W размера N*m

B = W *A,

передается только подмножество By, включающее m первых ячеека из В, а на приемном конце исходная совокупность восстанавливается

A = (Wy)^-1*By,

где Wy является квадратной m*m подматрицей преобразующей матрицы W, By = Wy*A, N>m. Матрица W формируется таким образом, чтобы любая ее подматрица Wy из m строк была бы невырожденной, а N выбирается так, чтобы число N-m с запасом превышало бы число потенциально теряемых ячеек в любой группе из передаваемых m ячеек. Тогда сначала передается множество By и, если от приемника получена отрицательная квитанция с указанием, что принято только k ячееек, то передатчик вместо повторной передачи всех m ячеек передает лишь m-k дополнительных ячеек из множества В.

В качестве примеров коммутационного оборудования для совместной работы АТМ и существующих локальных сетей можно назвать коммутатор ES-3810 и концентратор PowerHub фирмы Fore Systems. В ES-3810 предусмотрены 72 порта для подключения сетей Ethernet и Fast Ethernet и один или два порта для АТМ магистрали 155 Мбит/с. PowerHub 7000 имеет следующие характеристики: до 240 портов Ethernet, до 54 портов Fast Ethernet, до 16 колец FDDI, скорость передачи данных по внутренней шине 3,2 Гбит/с.

К числу новых стандартов для высокоскоростных магистралей передачи данных относятся стандарт цифровой синхронной иерархии SDH (Synchronous Digital Hierachy). SDH подразумевает использование ВОЛС в качестве линий передачи данных. Стандарт устанавливает структуру фреймов, на которые разбивается поток передаваемых данных. Эта структура названа транспортным модулем. В частности, в этот модуль могут загружаться ячейки АТМ.

Рассмотрим модуль STM-1. В нем фрейм состоит из девяти строк и 270 колонок, каждая позиция содержит один байт. В фрейме выделены три зоны. Первая зона содержит теги для разделения фреймов, для коммутации и управления потоком в промежуточных узлах (регенераторах оптических сигналов, устанавливаемых при больших длинах сегментов линии). Данные для управления в концевых узлах содержатся во второй зоне. Третья зона включает передаваемую информацию.

Информация конкретного сообщения может занимать ту или иную часть фрейма, называемую контейнером. Чем больше длина контейнера, тем выше информационная скорость. Предусмотрено несколько типов контейнеров со скоростями 1.5, 6, 45 и 140 Мбит/с (по американскому стандарту) или 2, 6, 34 и 140 Мбит/с (по европейскому). Общая скорость передачи для STM-1 равна 155,52 Мбит/с.

Кроме STM-1, в стандарте введены также модули STM-4 и STM-16 со скоростями соответственно 622 и 2488 Мбит/с.

Магистральные сети SDH можно использовать и для передачи информации по технологиям ATM или FR (ATM и FR называют в этом случае наложенными вторичными сетями). Доступ к транспортной сети осуществляется через специальные мультиплексоры.

Примером высокоскоростной сети передачи данных на основе ВОЛС может служить сеть SONET. Другой пример - московская сеть SDH, созданная фирмой МТУ-Информ. В 1997 г. в этой сети использовались кольцо STM-16 и три кольца STM-4, связанные друг с другом потоками STM-1. На периферии сети иммется 25 колец STM-1. В узлах первой очереди использованы 13 мультиплексоров SDM-16 и 59 мультиплексоров SDM-1 семейства SYNCOM, связанных ВОЛС. По каждому кольцу STM-1, STM-4, STM-16 может передаваться соответственно 63, 252 или 1008 потоков Е1, что эквивалентно 1890, 7560 или 30240 телефонным каналам. Высока надежность передачи данных, поскольку для каждого потока данных образуется два канала - основной и дублирующий, по которым одна и та же информация передается параллельно. Подключение к сети - через FR или ATM на расстояниях до 3 км. Сеть развивается, кольца STM-4 преобразуются в STM-16, число колец растет.