Технология DTM

Предлагаемые DTM новые функциональные возможности привлекательны как для провайдеров, так и для заказчиков.

В начале 90-х гг. студенты Королевского технологического института в Стокгольме получили от своего преподавателя задание для курсовой работы, если пользоваться отечественной институтской терминологией. Они должны были предложить вариант построения сети, свободный от недостатков и ограничений технологий, используемых в то время. Тема возникла не на пустом месте, спонсорами этого исследования выступили компании Ericsson и Telia. Мне не известно, как преподаватель оценил работу своих студентов, но она послужила основой для проектирования динамического режима передачи (Dynamic synchronous Transfer Mode, DTM) — новой технологии построения магистральных сетей.

Данная технология еще молода, но тем не менее производители телекоммуникационного оборудования присматриваются к ней всерьез. Это подтверждается, в частности, фактом создания DTM Forum, где рассматриваются вопросы ее дальнейшего развития и стандартизации. На рынке уже стало появляться оборудование, позволяющее создавать сети DTM, а многие новые функциональные возможности весьма привлекательны как для провайдеров, так и для их клиентов.

КАНАЛЫ И ПАКЕТЫ

Последние несколько лет проходят под знаком борьбы различных подходов к созданию магистральных сетей связи. Традиционно доминирующее положение занимали канальные технологии, для которых характерно установление соединения между точками обмена информацией и поддержание его в течение всего сеанса. Это подразумевает некоторую процедуру инициализации канала перед сеансом связи: например, набор телефонного номера и организацию разговорного тракта по сети, а также закрепление за установленным соединением некоторой части сетевых ресурсов на постоянной основе, в результате чего они становятся недоступны другим соединениям. Последняя особенность влечет за собой нерациональное использование пропускной способности сети: в частности, если один канал связи испытывает перегрузки, а другой простаивает, то подавляющая часть магистральных технологий не в состоянии обеспечить перераспределение ресурсов сети между этими каналами.

Стоит сказать, что попытки решить указанную проблему предпринимались неоднократно. Предложенная в свое время технология статистического уплотнения предусматривала предварительный анализ загрузки отдельных каналов связи и дальнейшее перераспределение информации между ними. Но эта технология не получила должного развития отчасти из-за ее сложности, а отчасти по причине ее ориентации на сети PDH.

Головокружительный успех Internet, повсеместное применение локальных сетей, резкое увеличение трафика данных и желание сократить издержки при передаче информации на большие расстояния вдохновили разработчиков на создание магистральных сетей на базе пакетных технологий. Одна из них, DPT, была предложена компанией Cisco Systems (см. журнал «Сети» № 12 за 2000 г.). Сейчас основной моделью передачи данных по магистральной сети стала следующая цепочка: оптика — сеть SDH — сеть АТМ — сеть IP. Все стремления разработчиков направлены на реализацию модели передачи пакетов по темному волокну: оптика — сеть IP без промежуточных уровней.

Разумеется, пакетные сети не ограничиваются лишь протоколом IP. Большое распространение получили сети frame relay, ATM, различные варианты Ethernet и др. Некоторые из них, подобно сетям с канальными технологиями, ориентированы на установление соединений, а другие нет. Но всех их объединяет то, что передаваемый модуль информации представляет собой пакет. Каждый пакет содержит заголовок со служебными данными, где указывается отправитель и получатель, объем данных и т. п. Собственно информационная часть пакета, полезная нагрузка, может быть произвольного или фиксированного объема.

Если на магистральных сетях с канальными технологиями, например SDH, промежуточные узлы передают информационные циклы практически без анализа (хотя в них тоже используется механизм заголовков, но они служат в большей степени для контроля целостности и доступа к различным блокам данных), то в каждом узле пакетной сети происходит довольно подробный разбор заголовков. Именно на его основе определяется дальнейший маршрут движения данных. Однако такой механизм требует большего времени на обработку и буферизацию поступающих пакетов.

По своей природе канальные технологии оптимальны для передачи непрерывной информации — изохронных потоков речи и видео, чувствительных к вариации задержки и последовательности поступления. К этим параметрам не так критичны данные, с оглядкой на которые разрабатывались пакетные технологии передачи. Но в настоящее время наличие раздельных сетей становится непозволительной роскошью, поэтому столь высок интерес к технологиям, обеспечивающим совместную передачу разнородной информации с требуемым качеством.

Попытки создать такие технологии предпринимались неоднократно. Наиболее близким аналогом DTM является технология DQDB, описываемая стандартом IEEE 802.6. Она могла доставлять информацию с заданным качеством, поддерживать групповую адресацию и динамично перераспределять пропускную способность сети между сеансами связи. В начале 90-х гг. на основе этой технологии построено множество сетей в Европе и особенно в Америке. Они предназначались для обслуживания трафика в городском масштабе. Хотя, например, в Германии на основе DQDB была создана сеть по всей стране. Высокая сложность данной технологии и на сегодняшний день небольшая скорость передачи в 140 Мбит/с привели к тому, что от нее пришлось отказаться. Стоит отметить, что сервис SMDS можно предоставлять с помощью сетей АТМ, что также негативно отразилось на судьбе DQDB.

ОСНОВЫ DTM

В рамках журнальной статьи довольно сложно, да и не имеет смысла описывать детально технологии DTM, поэтому мы остановимся на ее базовых характеристиках. Согласно определению, которое дали сами разработчики, технология DTM создавалась с целью более рационального использования пропускной способности оптических сетей, поддержки широкополосного трафика в реальном масштабе времени и групповой адресации. Она также обеспечивает перераспределение ресурсов сети между сеансами связи.

Нетрудно заметить, что эти функции перечислялись несколькими строчками выше. Действительно, когда я изучал технологию DTM, меня не оставляло ощущение, что с чем-то подобным мне уже приходилось сталкиваться. Еще одно совпадение: разработчики сравнивают DTM именно с АТМ. Недаром говорят: новое - это хорошо забытое старое. Тем не менее, несмотря на схожесть функциональных возможностей и некоторых базовых элементов, технология DTM шагнула значительно дальше DQDB.

В основе технологии DTM лежит множественный доступ к однонаправленной среде передачи, которая является разновидностью TDM. Кроме понятия «среда передачи» (media) в DTM используются «порт» (port), «узел» (node) и «линия» (link). Последнее с точки зрения лингвистики было бы более правильно перевести как «звено», однако с позиций функционального назначения термин «линия» более адекватен. Действительно, link представляет собой две среды — передачи и приема, которые в отечественной практике часто называют линией связи. Что касается «среды приема», то здесь нет противоречий с упомянутым базовым понятием «среда передачи», ведь для одного узла это будет передача, а для другого — прием. Все указанные термины проиллюстрированы Рисунком 1.

Порт служит для подключения узла к среде передачи и обеспечивает прием/передачу информации. Линия предназначена для соединения портов и сетевых сегментов. Узлы бывают двух разновидностей — доступа и коммутации. Первый поддерживает по крайней мере один порт DTM и порты доступа к сети. Это могут быть Е1/T1, Ethernet, STM и другие виды, используемые в сетях связи. Узел коммутации имеет два и более портов DTM и способен по заданным правилам управлять перемещением информации.

На основе базовых элементов технологии DTM поддерживаются различные типы топологий построения сетей. Это могут быть кольцо, соединение «точка-точка», двойные шина и кольцо, смешанные варианты топологии.

В названии новой технологии неспроста присутствует слово «синхронная», разработчики использовали структуру, похожую на кадровое строение SDH. Кадры формируются точно так же с частотой 8 КГц и разбиваются на временные слоты размером 64 бит. Число слотов зависит от скорости передачи: так, например, при 2 Гбит/с в каждом кадре будет более 3900 слотов, а при скорости 150 Мбит/с — более 290. Интересно отметить, что выбранный размер кадра, равный 125 мкс, и размер слота традиционны для PDH и телефонии. Это позволит легко адаптировать существующие системы с новой транспортной средой.

На Рисунке 2 показано размещение временных слотов в кадре по технологии DTM. Всего имеется два типа слотов — управления и данных. Как видно, кадр начинается со слотов управления, число которых непостоянно и зависит от количества узлов в сети. Но можно считать, что управляющие слоты составляют менее 1% от всего потока. Они служат для передачи сигналов управления между узлами сети. Для передачи данных каждому узлу выделяется пул свободных слотов данных в каждом кадре. Узел, источник передачи, записывает в свой управляющий слот информацию о номерах используемых слотов данных для того, чтобы принимающий узел знал, откуда считывать данные.

Для описания процесса передачи в DTM используется понятие «канал» для обозначения числа временных слотов данных в каждом кадре. Простой подсчет позволяет получить минимальную пропускную способность канала DTM, при занятии одного слота она будет равна 512 Кбит/с. Таким же будет и минимальный шаг наращивания пропускной способности.

Процедура установления канала DTM во многом похожа на такие же операции в других телекоммуникационных технологиях. Передающий узел определяет номера слотов из собственного пула, в которых будут перемещаться данные. Затем с помощью своего управляющего слота он передает эту информацию на приемный узел, а тот в свою очередь с помощью уже своего управляющего слота подтверждает готовность к приему. Стоит отметить, что протоколы DTM работают только на первых трех уровнях, и поэтому функции контроля качества передачи возлагаются на приложения.

Узел сети DTM может организовать одновременно несколько независимых каналов с различной пропускной способностью (рисунок 2). При этом в ходе передачи число временных слотов в каждом канале может быть изменено с уведомлением об этом принимающей стороны.

Описанная модель организации каналов и передачи по ним данных позволяет довольно легко обеспечить многоадресную рассылку информации. В общем случае канал может начинаться на одном передающем узле и заканчиваться на любом числе принимающих узлов. При этом на сети DTM организуется лишь один канал, что существенно экономит пропускную способность.

Технология DTM поддерживает механизм коммутации, что позволяет строить большие распределенные сети и разграничивать потоки данных. Функционально узел коммутации DTM обеспечивает перенос данных из одного временного слота с входящего звена в строго определенный временной слот исходящего (см. Рисунок 3). Коммутация идет по заранее установленному маршруту, что исключает потери времени на обработку каждого кадра в отдельности. Этот простой механизм особенно эффективен на больших скоростях передачи. Синхронный характер сети DTM позволяет при операциях коммутации обойтись без буферизации.

Процедура установления канала через узел коммутации во многом схожа с ранее рассмотренной. Передающий узел А отправляет коммутирующему узлу S запрос на установление соединения с приемным узлом С и определяет временные слоты для передачи данных по звену А-S. В свою очередь узел S посылает запрос на установление канала узлу С и указывает слоты для передачи на звене S-C. После приема подтверждения от С узел S посылает подтверждение в сторону А, а затем занимается простым перемещением данных из заданных входящих слотов в исходящие. Описанный механизм установления маршрута и коммутации данных позволяет создавать распределенные коммутационные системы.

В сети DTM каналы могут иметь три уровня приоритета. Самый высокий приоритет имеют каналы с гарантированной пропускной способностью, число временных слотов которых не меняется в течение всего времени соединения. Более низкий приоритет имеют каналы с пропускной способностью, предоставляемой по запросу. В этом случае некоторое число временных слотов выделяется каналу на постоянной основе, но по запросу при повышении нагрузки их число может быть увеличено за счет свободных слотов в звене. Если свободных слотов на данный момент нет, то запрос игнорируется. Самый низкий приоритет имеет канал без постоянного выделения временных слотов. Данные по такому каналу передаются лишь в случае наличия свободных слотов в звене сети. Трафик, передаваемый по этому каналу, может прерываться другими каналами.

Технология DTM базируется на стеке из восьми протоколов (см. Рисунок 4). Некоторые из них, например DLP, DLSP и DRMP, непосредственно работают на звеньях между узлами сети и обеспечивают передачу временных слотов, определение текущего статуса и поддержку функций управления. Протоколы DXP, DCP и DRP необходимы для выполнения функций маршрутизации и коммутации, а также для управления каналами DTM. Протокол DSYP занимается распределением по всей сети синхронизирующих сигналов. А протокол DCAP выполняет функции шлюза между DTM и различными видами трафика, описываемых протоколами верхних уровней. Есть два вида DCAP: DCAP-0 — для синхронного и изохронного трафика, DCAP-1, — для асинхронного трафика.

Большую роль в технологии DTM играет механизм адресации. С его помощью обеспечивается идентификация узлов доступа и коммутации на сети. Адрес имеет длину 64 бит и записывается в шестнадцатеричном виде парами цифр, разделенных точками. По своему виду запись напоминает МАС-адреса, только на 16 разрядов длиннее:

00.00.00.00.00.00.0В.01

Для удобства написания разрешается отбрасывать стоящие впереди нули, в этом случае адрес примет вид:

В.01

При операции с адресами используется понятие префикса, который выполняет роль, схожую с маской в IP-адресации. Длина префикса, число бит в десятичном виде, записывается через дефис после самого адреса:

01.АА.34.1А.00.32.1В.00-56

Эта запись обозначает диапазон, содержащий 256 адресов от:

01.АА.34.1А.00.32.1В.00 до:

01.АА.34.1А.00.32.1В.FF.

На сетях DTM применяется иерархический принцип организации адресного пространства, и его распределение, предложенное разработчиками, приведено в Таблице 1. При назначении адресов существует несколько правил, в частности для различения адресов узлов доступа и коммутации. Узлы доступа используют все биты адресного поля, а в адресе узла коммутации последние 8 бит должны равняться 0. Например, в диапазоне А.00.00-48 для узлов доступа выделяются адреса от А.00.00-56 до А.7F.FF-56, что позволяет описать до 128 линий сети с 256 узлами в каждой. Узлам коммутации выделяется 128 адресов от А.80.00-56 до A.FF.00-56.

Существует еще три класса так называемых неиерархических адресов: многоадресной рассылки с номерами FF.00.00.00.00.00.00.00-8, прямой рассылки с адресами FE.00.00.00.00.00.00.00-8 и класс локальных адресов в диапазоне 00.00.00.00.00.00.00.00-16.

СЕРВИС СЕТЕЙ DTM

Технология DTM разрабатывалась с целью создания надежной транспортной среды поверх оптики для других телекоммуникационных протоколов. В настоящее время сети DTM могут обеспечивать передачу трафика IP (IPOD), поддерживать эмуляцию локальных сетей (DLE), организовывать линии PDH и взаимодействовать с сетями SDH.

Функция IPOD обеспечивает по каналам DTM передачу трафика IP, который по своей природе не является ориентированным на соединение. Для этого создается логическая структура маршрутизации поверх сети DTM с привлечением так называемых клиентов IPOD и маршрутизатора IPOD. Данная логическая структура только описывает, как пакеты IP будут перемещаться по сети. Путь для такого перемещения устанавливается на основе протокола NHRP. Данный механизм иногда называется маршрутизацией с использованием сервера маршрутов. В этом случае клиенты IPOD освобождаются от необходимости вести таблицы маршрутизации и определяют кратчайший путь по данным, получаемым от маршрутизатора IPOD. Сами пакеты IP передаются по каналам DTM с применением протоколов инкапсуляции LLC/SNAP. С помощью сети DTM передается трафик IP и обеспечивается требуемое качество обслуживания.

Эмуляция локальных сетей поверх DTM (DLE) подразумевает, что узлы выступают в роли мостов между различными сетями Ethernet. На сети может быть несколько сегментов DLE, каждый из которых состоит из одного сервера DLE и нескольких клиентов DLE. Пакеты передаются через сеть DTM на основании адреса назначения в заголовке Ethernet.

В случае широковещательного пакета клиент DLE отправляет его серверу DLE для последующей широковещательной рассылки. Если адрес не локален и записан в таблицу клиента DLE, то организуется канал DTM, и пакет посылается в точку назначения. Когда запрашиваемого адреса в таблице нет, клиент DLE посылает запрос о нем серверу DLE. Как видно, принцип работы DLE тот же, что и обычного моста между сетями Ethernet.

Сеть DTM можно органично применять для организации каналов PDH. Благодаря выбранным размерам кадров и временных слотов, пропускная способность используется максимально эффективно. Например, при организации линий Е3 по сети SDH в кадре STM-1 можно разместить лишь три таких контейнера. В то же время сеть DTM при скорости 155 Мбит/с способна передать уже четыре потока Е3. Что касается взаимодействия с SDH, то возможна как организация сети DTM поверх SDH, так и, наоборот, SDH поверх DTM.

Стоит упомянуть об одном несомненном преимуществе сетей DTM перед SDH и АТМ, поскольку они наиболее близки к DTM по функциональным возможностям. Это гораздо меньший размер заголовка. Как уже упоминалось, в среднем управляющие слоты DTM занимают около 1% пропускной способности линии связи. При использовании SDH в «чистом виде» доля заголовков составляет около 4%. В распространенной схеме «АТМ поверх SDH» заголовки займут более 30% от общего объема трафика.

ПРИМЕНЕНИЕ DTM

В принципе эта технология может пригодиться для создания сетей любого масштаба и различного назначения. Но, по моему мнению, она особенно интересна для операторов сетей городского масштаба и для корпоративного применения. Создание протяженных магистральных сетей на базе DTM не представляется рациональным, так как в этом случае на первый план выходит задача быстрого перемещения больших массивов данных без четкого определения, кому они предназначены. Для таких целей больше подходят сети SDH, поверх которых можно перенести трафик DTM. Это мое собственное отношение к использованию DTM в глобальных сетях, ведь никаких принципиальных ограничений для такого метода в технологии не заложено.

В качестве примера рассмотрим применение технологии DTM для создания корпоративной сети компании, имеющей сеть филиалов. В этом случае городской провайдер сети DTM способен предложить своему клиенту доступ к различным телекоммуникационным сервисам через один интерфейс. На Рисунке 5 изображена возможная схема такой корпоративной сети. Телефонная составляющая корпоративной сети выполнена на базе УАТС, объединенных через линии Е1. Подобное решение обычно для телефонии и позволяет обеспечивать абонентов всеми сервисными функциями.

Объединить локальные сети филиалов и головного офиса можно с помощью сервиса DLE сети DTM. А совместное использование DLE и маршрутизатора с функциями межсетевого экрана позволяет предоставить компании высокоскоростной доступ в Internet.

DTM дает много преимуществ при организации наложенной корпоративной сети. Во-первых, необходима лишь одна транспортная сеть, что позволяет снизить расходы и упростить администрирование. Во-вторых, всем приложениям обеспечивается гарантированное QoS за счет канальной организации сети. В-третьих, пользователь сам контролирует занимаемую пропускную способность, что также ведет к снижению расходов. В-четвертых, сеть DTM не накладывает никаких ограничений на архитектуру корпоративной сети.

СЛОВО ЗА НОРВЕЖЦАМИ

Любопытная тенденция намечается в сфере высоких технологий: сначала финский студент разработал Linux, сейчас мы представили весьма многообещающую разработку шведских студентов. Интересно, что нам ждать от студентов-норвежцев? Но это шутка. На самом деле появление технологии DTM способно оказать серьезное влияние на дальнейшее развитие магистральных сетей и вызвать пересмотр задач, возложенных на них.

Алексей Полунин - обозреватель журнала «Сети». С ним можно связаться по адресу: polunin@networld.ru.