Технология АТМ
Основным недостатком синхронной передачи является невозможность перераспределять пропускную способность объединенного канала между подканалами. Если информации в каком-либо подканале нет, то по нему передаются случайные сигналы для поддержания синхронной работы приемной и передающей аппаратуры. Это снижает коэффициент использования пропускной способности канала. Для устранения этого недостатка использует технологию коммутации пакетов. Пакеты других абонентов заполняют свободные участки. Они имеют свои заголовки и поэтому поступают по требуемому адресату. Технология асинхронного режима пере дачи АТМ (Asynchronous Transfer Mode) разработана для сетей с интеграцией служб. Коммутация пакетов осуществляется на основе идентификатора виртуального канала, который присваивается соединению при его установлении. Виртуальное соединение может быть постоянным и коммутируемым. Для ускорения коммутации используется понятие виртуального пути, который объединяет каналы в общий маршрут.
Сеть АТМ имеет классическую структуру крупной территориальной сети конечные станции соединяются индивидуальными каналами с коммутаторами нижнего уровня, которые в свою очередь соединяются с коммутаторами более высоких уровней. Коммутаторы АТМ пользуются 20-байтными адресами конечных узлов для маршрутизации трафика на основе техники виртуальных каналов. Для частных сетей АТМ определен протокол маршрутизации PNNI (Private NN1), с помощью которого коммутаторы могут строить таблицы маршрутизации автоматически. В публичных сетях АТМ таблицы маршрутизации могут строиться администраторами вручную, как и в сетях Х.25, или могут поддерживаться протоколом PNNI.
Коммутация пакетов происходит на основе идентификатора виртуального канала (Virtual Channel identifier, VCI), который назначается соединению при его установлении и уничтожается при разрыве соединения. Адрес конечного узла АТМ, на основе которого прокладывается виртуальный канал, имеет иерархическую структуру, подобную номеру в телефонной сети, что упрощает маршрутизацию.
Идентификатор виртуального пути является старшей частью локального адреса и представляет собой общий префикс для некоторого количества различных виртуальных каналов. Таким образом, агрегирование адресов в технологии ЛТМ применено на двух уровнях па уровне адресов конечных узлов и на уровне номеров виртуальных каналов.
Особенности технологии АТМ находятся в области качественного обслуживания разнородного трафика и объясняются стремлением решить задачу совмещения в одних и тех же каналах связи и в одном и том же коммуникационном оборудовании компьютерного и мультимедийного трафика таким образом, чтобы каждый тип трафика получил требуемый уровень обслуживания и не рассматривался как «второстепенный».
Трафик вычислительных сетей имеет ярко выраженный асинхронный и пульсирующий характер. Компьютер посылает пакеты в сеть в случайные моменты времени, по мере возникновения в этом необходимости. При этом интенсивность посылки пакетов в сеть и их размер могут изменяться в широких пределах
Мультимедийный трафик, передающий, например, голос или изображение, характеризуется низким коэффициентом пульсации, высокой чувствительностью к задержкам передачи данных и низкой чувствительностью к потерям данных.
На возможности совмещения этих двух видов графика большое влияние оказывает размер компьютерных пакетов.
В технологии АТМ, передача любого вида трафика компьютерного, телефонного или видео осуществляется пакетами фиксированной и очень малой длины в 53 байта. Пакеты называют ячейками. Структура ячейки изображена на рис.5.11. Поле данных ячейки занимает 48 байт, а заголовок - 5 байт.
Поле «Тип данных» определяет пользовательская или управляющая информация. Один бит этого поля указывает на наличие перегрузки в сети.
Поле «приоритет потери» указывает на ячейки, которые нарушают требуемое качество обслуживания.
Проверочные символы является результатом кодирования кодом Хемминга, исправляющего в заголовке одиночную ошибку и обнаруживающего двукратную. Если ошибки не обнаруживаются. То первый байт является начало ячейки. Так осуществляется синхронизация по циклам.
|
8 5 |
4 1 |
|
|
|
Управление потоком |
Идентификатор виртуального пути |
1 |
|
|
Идентификатор виртуального пути |
Идентификатор виртуального канала |
2 |
|
|
Идентификатор виртуального канала |
3 |
||
|
Идентификатор виртуального канала |
Тип данных |
Приоритет потери |
4 |
|
Проверочные символы |
5 |
||
|
Данные (48 байт) |
6 |
||
Рис.5.11. Структура ячейки АТМ
Чтобы пакеты содержали адрес узла назначения и в то же время процент служебной информации не превышал размер поля данных пакета, в технологии АТМ применена стандартная для глобальных вычислительных сетей передача ячеек в соответствии с техникой виртуальных каналов с длиной номера канала в 24 бит, что вполне достаточно для обслуживания большого количества виртуальных соединений каждым портом коммутатора сети АТМ.
Размер ячейки АТМ является результатом компромисса между телефонистами и компьютерщиками — первые настаивали на размере поля данных в 32 байта, а вторые — в 64 байта.
Чем меньше пакет, тем легче имитировать услуги каналов с постоянной битовой скоростью, которая характерна для телефонных сетей.
Для пакета, состоящего из 53 байт, при скорости в 155 Мбит/с время передачи кадра на выходной порт составляет менее 3 мкс. Эта задержка не очень существенна для трафика, пакеты которого должны передаваться каждые 125 мкс.
Однако на выбор размера ячейки большее влияние оказала не величина ожидания передачи ячейки, а задержка пакетизации. При размере поля данных в 48 байт одна ячейка АТМ обычно переносит 48 замеров голоса, которые делаются с интервалом в 125 мкс. Поэтому первый замер должен ждать примерно 6 мс, прежде чем ячейка будет отправлена.По этой причине телефонисты боролись за уменьшения размера ячейки, так как 6 мс — это задержка, близкая к пределу, за которым начинаются нарушения качества передачи голоса. При выборе размера ячейки в 32 байта задержка пакетизации составила бы 4 мс, что гарантировало бы более качественную передачу голоса. А стремление компьютерных специалистов увеличить поле данных до 64 байт, обусловлена стремлением повысить полезную скорость передачи данных. Избыточность служебных данных при использовании 48-байтпого поля данных составляет 10 %, а при использовании 32-байтного поля данных она повышается до 16 %.
Для обеспечения возможности передачи любого типа трафика в технологии АТМ выделено 4 основных класса трафика, для которых разработали различные механизмы резервирования и поддержания требуемого качества обслуживания.
Класс трафика (называемый также классом услуг — service class) качественно характеризует требуемые услуги по передаче данных через сеть ATM.
Другим важным параметром трафика является величина его пульсации. Выделено два различных типа трафика в отношении этого параметра - трафик с постоянной битовой скоростью (Constant bit Rate, CBR) и трафик с переменной битовой скоростью (Variable Bit Rate, VBR).
К разным классам были отнесены трафики, использующие для обмена сообщениями протоколы с установлением соединений и без установления соединений.
В результате было определено пять классов трафика, отличающихся следующими качественными характеристиками:
• наличием или отсутствием пульсации трафика
•требованием к синхронизации данных между передающей и принимающей сторонами;
•типом протокола, передающего свои данные через есть АТМ, - с установлением соединения или без установления соединения (только для случая передачи компьютерных данных). Основные характеристики классов трафика АТМ приведены в табл. 5.1.
Табл.5.1.
|
Класс трафика |
Характеристика |
|
А |
Постоянная битовая скорость — Constant Bit Rate, CBR. Требуются временные соотношения между передаваемыми и принимаемыми данными. С установлением соединения. Примеры: голосовой трафик, трафик телевизионного изображения |
|
В |
Переменная битовая скорость — Variable Bit Rate, VBR. Требуются временные соотношения между передаваемыми и принимаемыми данными. С установлением соединения. Примеры: компрессированный голос, компрессированное видеоизображение |
|
С |
Переменная битовая скорость — Variable Bit Rate, VBR. Не требуются временные соотношения между передаваемыми и принимаемыми данными. С установлением соединения. |
|
D |
Переменная битовая скорость — Variable Bit Rate, VBR. Не требуются временные соотношения между передаваемыми и принимаемыми данными. Без установления соединения. |
|
X |
Тип трафика и его параметры определяются пользователем |
В технологии АТМ для каждого класса трафика определен набор количественных параметров, которые нужно задать. Например, для трафика класса А необходимо указать постоянную скорость, с которой приложение будет посылать данные в сеть, а для трафика класса В - максимально возможную скорость, среднюю скорость и максимально возможную пульсацию. Для голосового трафика можно не только указать на важность синхронизации между передатчиком и приемником, но и количественно задать верхние границы задержки и вариации задержки ячеек.
Параметры скорости измеряются в ячейках в секунду, максимальный размер пульсации в ячейках, а временные параметры — в секундах. Максимальный размер пульсации задает количество ячеек, которое приложение может передать с максимальной скоростью, если задана средняя скорость. Доля потерянных ячеек является отношением потерянных ячеек к общему количеству отправленных ячеек по данному виртуальному соединению. Так как виртуальные соединения являются дуплексными, то для каждого направления соединения могут быть заданы разные значения параметров.
В некоторых случаях специфика приложения такова, что ее трафик не может быть отнесен к одному из четырех стандартных классов. Поэтому для этого случая введен еще один класс X, который не имеет никаких дополнительных описаний, а полностью определяется теми количественными параметрами трафика, которые оговариваются в трафик-контракте.
Стек протоколов АТМ и распределение протоколов по конечным узлам и коммутаторам показан на рис 5.11.
Стек протоколов АТМ соответствует нижним уровням семиуровневой модели и включает уровень адаптации АТМ, собственно уровень АТМ и физический уровень. Прямого соответствия между уровнями протоколов технологии АТМ и уровнями модели OSI нет.
Рис 5.11 Распределение протоколов по узлам и коммутаторам сети АТМ
Уровень адаптации (АТМ Adaptation Layer, ААL) представляет собой набор протоколов AAL1-AAL5, которые преобразуют сообщения протоколов верхних уровней сети АТМ и ячейки АТМ нужного формата. Функции этих уровней достаточно условно соответствуют функциям транспортного уровня модели OSI, например функциям протоколов ТСР или UDP. Протоколы AAL при передаче пользовательского трафика работают только в конечных узлах сети, как и транспортные протоколы большинства технологий.
Каждый протокол уровня AAL обрабатывает пользовательский трафик.