ВВЕДЕНИЕ В ЭМУЛЯЦИЮ ЛВС

Технология АТМ, без сомнения, является сейчас одним из основных направлений развития телекоммуникаций. Однако, вопрос совместимости созданных ранее систем с сетями АТМ волнует всех, без исключения, пользователей компьютерных сетей. Для решения этого вопроса была разработана функция эмуляции локальных сетей, и все ведущие производители оборудования АТМ реализуют ее в своих устройствах.

В этой статье рассматривается технология эмуляции локальных вычислительных сетей (ЛВС) и основные характеристики стандарта LAN Emulation 1.0, принятого ATM-Форумом.

Поддержка существующих локальных сетей одно из основных требований, предъявляемых к технологии АТМ. Стандарт LAN Emulation, принятый ATM-Форумом, обеспечивает работу прикладных программ в АТМ-сетях без каких-либо изменений этих программ. Он же определяет взаимодействие между АТМ-сетями и сетями типа Ethernet, FDDI и Token Ring.

Итак эмуляция ЛВС (LAN Emulation - LANE) представляет собой технологию взаимодействия между сетями, основанную на использовании АТМ. Эта технология позволяет устанавливать соединения между периферийными станциями АТМ-сети на уровне контроля доступа к среде. С помощью LANE существующие протоколы локальных сетей (Novell NetWare, Microsoft Windows, DECnet, TCP/IP, MacTCP или AppleTalk) получают возможность функционировать в АТМ-сетях без внесения изменений в прикладные программы.

Драйвер LANE, работающий на периферийной станции, обеспечивает интерфейс, соответствующий стандарту IEEE 802, на уровне контроля доступа к среде и прозрачный для протоколов более высокого уровня, таких как IP или IPX. Кроме того, драйвер LANE преобразует адреса, определенные согласно стандарту 802, в АТМ-адреса. Он устанавливает двухточечное АТМ-соединение ( коммутируемый виртуальный канал (SVC) ) с другими драйверами LANE и осуществляет обмен данными с другими периферийными станциями LANE.

Драйверы LANE также управляют устройствами доступа (маршрутизаторами, концентраторами и коммутаторами локальных сетей), входящими в состав АТМ-сети. Эти устройства выполняют роль вспомогательных элементов для обслуживания периферийных станций, поэтому они должны принимать все пакеты, предназначенные для периферийных станций соответствующего фрагмента сети.

По существу, LANE представляет собой логическую услугу межсетевого АТМ-соединения. Одновременное использование нескольких таких услуг позволяет эмулировать несколько локальных сетей согласно стандарту 802 при помощи одного и того же физического АТМ-соединения между сетями. Таким образом, администраторы локальных сетей получают возможность создавать виртуальные ЛВС (VLAN) - логические объединения пользователей, имеющих общий широковещательный домен.

Преимущества LANE

Достоинства технологии LANE наглядно проявляются в сравнении с работой обычного моста между локальными сетями. Мосты Ethernet требуют минимальных усилий для их конфигурации, не создают препятствий для прикладных программ, а рабочие места, входящие в состав связанных мостами локальных сетей, не нуждаются ни в каких переделках. По сравнению с другими методами объединения сетей, это позволяет значительно сократить расходы на создание и эксплуатацию сети. Но технология мостов не позволяет создавать очень большие сети. По мере расширения сети поток нераспознанных пакетов и широковещательных сообщений нарастает опережающими темпами, поглощая значительную часть самого ценного из ресурсов сети - полосы пропускания, и в конце концов начинает превышать пропускную способность мостов между сегментами сети, кроме того, мосты не поддерживают сети с активной топологией.

Межсетевое соединение АТМ-типа устраняет ограничения, свойственные традиционным мостам между локальными сетями. Как уже говорилось выше, пользователи, часто обменивающиеся сообщениями друг с другом, могут быть объединены в одну виртуальную ЛВС. Существует и другая возможность - объединение пользователей, использующих какой-то определенный тип трафика, например, IP или IPX. Такое построение виртуальных ЛВС обеспечивает более эффективное использование полосы пропускания. Использование технологии LANE позволяет одновременно создавать много виртуальных ЛВС в рамках одной АТМ-сети. Поскольку каждая из этих виртуальных сетей логически изолирована от остальных, широковещательные сообщения из одной сети никогда не попадут в другую. Благодаря этому отпадает необходимость в использовании фильтров на рабочих местах за рамками конкретной виртуальной сети.

Механизм LAN Emulation Configuration Service - LECS дает широкие возможности динамической конфигурации. Это избавляет от необходимости вручную описывать физическое соединение между компьютером-хостом и обслуживаемой им виртуальной сетью (или сетями), этот компьютер может быть размещен в другом здании без нарушения логической структуры сети. Механизм LECS также предоставляет возможности для соблюдения конфиденциальности и эффективного управления полосой пропускания. Администратор сети контролирует состав каждой из виртуальных ЛВС и при необходимости может ограничить доступ к той или иной виртуальной сети.

Поскольку адаптеры АТМ-сети используют существующие типы кадров согласно стандартам 802 и полностью эмулируют поведение локальных сетей в соответствии с этими стандартами, с точки зрения периферийных станций и протоколов более высокого уровня они являются обычными адаптерами типа Ethernet или Token Ring (или тем и другим одновременно). Любой из существующих протоколов, предназначенных для работы в локальных вычислительных сетях типа Ethernet или Token Ring, успешно работает также и в виртуальных сетях ATM LANE без каких-либо изменений.

Стандарт ATM-Форума
LANE версия 1.0

Весной 1995 года рабочая группа по эмуляции локальных вычислительных сетей Технического Форума АТМ представила версию 1.0 спецификации по эмуляции ЛВС на основе АТМ. Эта спецификация определяет сетевой интерфейс пользователя для эмуляции ЛВС (LAN Emulation User-to-Network Interface - LUNI), на основе которого работают действующие протоколы локальных сетей. Интерфейс LUNI определяет взаимодействие периферийной станции с межсетевым АТМ-соединением. Дальнейшие усилия Форума АТМ будут сосредоточены на разработке межсетевого интерфейса эмуляции ЛВС (LAN Emulation Network-to-Network Interface - LENNI).

Принятая Форумом АТМ спецификация 1.0 по эмуляции ЛВС состоит из двух компонентов:

Услуги эмуляции ЛВС могут представлять собой единый централизованный комплекс, если LECS, LES и BUS реализованы на одной периферийной станции или АТМ-коммутаторе. Однако эти услуги могут быть и распределены между различными устройствами. Например несколько серверов могут работать параллельно и обеспечивать резервирование и восстановление системы в случае сбоев. Услуги эмуляции ЛВС могут быть также распределены между несколькими компьютерами-клиентами. Например, сервер конфигурации может быть реализован на одной периферийной станции, которая одновременно является клиентом, а сервер эмуляции и сервер широковещательных и нераспознанных сообщений - на другой, на которой также одновременно работает программа-клиент.

Пример функционирования LANE

Когда АТМ-хост, на котором работает программа клиента (LEC) (например, компьютер под управлением ОС UNIX, персональный компьютер, Macintosh, процессор коммутатора или устройство доступа к локальной вычислительной сети ) подключается к сети, он автоматически определяет местонахождение сервера конфигурации (LECS). Для этой цели используется либо промежуточный интерфейс локального управления (ILMI), либо заранее заданный адрес, либо постоянный виртуальный канал, выделенный специально для конфигурации (Configuration Direct PVC). Сервер конфигурации (LECS) сообщает список виртуальных ЛВС, к которым может принадлежать данная периферийная станция. В простейшем случае, когда данная станция входит только в одну виртуальную ЛВС, имеет место только один запрос и один ответ, после чего периферийная станция отключается от сервера конфигурации и включается в соответствующую виртуальную ЛВС.

В более сложном случае периферийная станция относится к нескольким виртуальным ЛВС, и обмен информацией происходит итерационным образом до тех пор, пока список этих сетей не будет исчерпан. Одновременно сервер конфигурации сообщает адрес сервера эмуляции (LES) для каждой из этих виртуальных сетей. После этого АТМ-хост запускает необходимое число копий программы-клиента (LEC) и подключает каждую из них к одной из виртуальных ЛВС, обращаясь к соответствующим серверам эмуляции.

Затем программа-клиент посылает серверу эмуляции (LES) запрос ARP (Address Request Protocol) с шестнадцатеричным MAC-адресом, состоящим из "FF". В ответ сервер эмуляции сообщает клиенту адрес сервера BUS. После этого программа-клиент имеет всю необходимую информацию об услугах эмуляции ЛВС и может активно участвовать в работе своей виртуальной ЛВС.

Как и в сетях, соответствующих стандарту 802, каждая периферийная станция в локальной АТМ-сети имеет свой уникальный адрес на уровне контроля доступа к среде (МАС). Если станции "А" требуется передать какие-либо данные станции "Б", то сначала она ищет МАС-адрес своего корреспондента. Следующим этапом является определение АТМ-адреса станции "Б". Если станция "А" не может найти соответствующего преобразования из МАС- в АТМ-адрес в своем кэше, то она обращается к серверу эмуляции (LES) и посылает ему запрос на получение адреса (Address Resolution Message - ARM). Поскольку любой хост, подключенный к сети АТМ, должен зарегистрироваться на сервере эмуляции, то этот сервер всегда может непосредственно ответить станции "А" и сообщить требуемый АТМ-адрес станции "Б", хранящийся в его кэше. Эта процедура показана на рис.2, фазы 1 и 2. После того, как станция "А" узнает АТМ-адрес станции "Б", она может использовать для передачи данных любое существующее соединение типа АТМ между ними (например, постоянный или коммутируемый виртуальный канал). Если такого соединения не существует, то станция "А" устанавливает его согласно процедуре, предусмотренной технологией АТМ (см. протокол обмена управляющими сигналами Q.2931). Это взаимодействие показано на рис.2, фаза 3.

К групповому трафику относятся все сообщения, использующие групповые МАС-адреса (т.е. адреса для групповой или широковещательной рассылки или функциональные адреса, в которых поле места назначения в кадре 802.3 содержит одни только шестнадцатеричные "FF"). Групповой и нераспознанный трафик обрабатывается сервером широковещательных и нераспознанных сообщений (BUS).

Наиболее частый пример группового адреса - адрес для широковещательной рассылки. Любое сообщение, отправленное по этому адресу, должно быть передано на все рабочие места данной виртуальной ЛВС. Когда сервер BUS получает запрос на широковещательную рассылку, он отправляет копию этого сообщения каждому участнику виртуальной ЛВС. Возможности группового трафика обеспечивают работу прикладных программ, использующих групповую рассылку сообщений - таких, как программы для заочного обучения или проведения видеоконференций с произвольным числом участников - и соответствующих протоколов (например, NetBIOS, IP и IPX).

Нераспознанный трафик - это любые данные, отправитель которых еще не получил полного АТМ-адреса места назначения. Например, периферийные станции, расположенные в различных сегментах локальной сети, не будут получать запросы на получение АТМ-адреса. Мост будет обрабатывать эти запросы самостоятельно. После того, как он узнает адрес удаленного хоста, он ответит на эти запросы и установит прямое соединение.

Пример работы сервера BUS: связь между периферийными станциями АТМ и Ethernet

На рисунках 3a и 3b показана последовательность действий в том случае, когда периферийной станции "А", входящей в состав АТМ-сети, требуется найти периферийную станцию "Х", входящую в локальную сеть типа Ethernet, и передать ей некоторые данные. Прежде всего, станция "А" отправляет серверу эмуляции (LES) запрос на получение адреса - см. рис.3a, фаза 1. Сервер эмуляции переадресует этот запрос на устройство доступа к ЛВС. Далее возможны два варианта развития событий:

1) устройство доступа к ЛВС, действующее вместо станции "Х", знает ее адрес и в ответ на этот запрос сообщает свой собственный АТМ-адрес (см. рис.3a, фаза 2a), либо

2) устройство доступа к ЛВС не знает адреса станции "Х" и не посылает никакого ответа.

Посылая серверу эмуляции (LES) запрос на получение адреса, станция "А" одновременно посылает данные на сервер широковещательных и нераспознанных сообщений (BUS) - см. рис.3b, фаза 2b, а сервер BUS рассылает это сообщение всем периферийным станциям, входящим в данную виртуальную ЛВС. В частности, устройство доступа к ЛВС Ethernet также получает копию этого сообщения (поскольку оно ранее зарегистрировалось на сервере эмуляции в качестве клиента) и рассылает его всем периферийным станциям своей сети. Станция "Х", получив копию сообщения, отвечает устройству доступа. Таким образом устройство доступа узнает МАС-адрес станции "Х" и в дальнейшем сохраняет его в своем списке.

Если станция "А" не получает ответа на свой первоначальный запрос, она посылает повторный запрос (см. рис. 3b, фаза 2c). На этот раз устройство доступа в сеть Ethernet уже знает МАС-адрес станции "Х" и посылает станции "А" свой собственный АТМ-адрес. После этого станция "А" может посылать данные на устройство доступа, а оно, в свою очередь, пересылает их станции "Х".

Узнав АТМ-адрес вспомогательного устройства-клиента, станция "А" устанавливает соединение с устройством доступа к ЛВС Ethernet, если такое соединение до сих пор не существовало. Затем она начинает передачу данных, а устройство доступа перенаправляет эти данные непосредственно на станцию "Х". Эта процедура показана на рис.3а, фаза 3, и на рис. 3b, фаза 3, соответственно.

Работа существующих протоколов ЛВС в сети АТМ

Большинство сегодняшних локальных сетей построены не на основе прямого взаимодействия между устройствами. Для построения больших сетей обычно используются мосты или маршрутизаторы, позволяющие разделить сеть на более мелкие сегменты, лучше поддающиеся управлению. Это позволяет уменьшить объем трафика в сети. Но мосты и маршрутизаторы используют метод широковещательной рассылки: получив сообщение, адресованное одной из станций, они рассылают его всем станциям, входящим в их сегмент.

Структура АТМ-сетей, напротив, ориентирована на соединения между отдельными станциями. Данные, которые одно из устройств этой сети посылает другому, попадают только на устройство-адресат - и никуда более. Сети АТМ используют два типа соединений: постоянные виртуальные каналы (PVC) и коммутируемые виртуальные каналы (SVC). Постоянные каналы конфигурируются вручную администратором сети, а коммутируемые каналы динамически формируются АТМ-устройствами при помощи соответствующего программного обеспечения.

Еще одно различие между АТМ-сетями и обычными локальными сетями состоит в структуре адресов. АТМ-сети используют 20-байтный адрес в формате OSI Network Service Access Point (NSAP), в то время как существующие ЛВС работают с 48-битным адресом для управления доступом к среде (МАС-адресом).

Распознавание адресов

Технология АТМ LANE позволяет считать все соединения (т.е. PVC и SVC) прозрачными и использует для этой цели процедуру распознавания адресов, позволяющую преобразовывать один тип адреса в другой. Она имеет механизм, позволяющий периферийным станциям устанавливать соответствие между обычным 48-битным МАС-адресом и 20-байтным АТМ-адресом в формате NSAP.

При передаче данных с помощью интерфейса LUNI происходит их преобразование из пакетов в ячейки и обратно. Для этого используется пятый уровень адаптации АТМ (AAL5), включающий функцию SAR - сегментацию (преобразование пакетов в ячейки) и сборку пакетов (преобразование ячеек в пакеты).

Процедура передачи данных от АТМ-хоста к Ethernet-хосту показана на рис. 4. (В этом примере считается, что в качестве протокола сетевого уровня оба они используют IP или IPX.) Программа эмуляции ЛВС на АТМ-хосте получает пакетный блок данных (Packet Data Unit - PDU), используемый в Ethernet и передает его АТМ-адаптеру хоста. Устройство доступа в сеть Ethernet распознает, что эти данные должны быть переданы одному из клиентов этой сети и выполняет сборку пакетов согласно процедуре AAL SAR. После этого программа эмуляции ЛВС формирует пакетный блок данных и посылает его Ethernet-хосту.

Универсальное функционирование АТМ соединений

Для того, чтобы АТМ-сети могли взаимодействовать с локальными сетями, программное обеспечение LANE, одобренное Форумом АТМ, имеет возможность передавать кадры в формате Ethernet или Token Ring. Это позволяет решить две задачи:

1) использовать устройства доступа к локальным вычислительным сетям для соединения этих сетей с АТМ-сетью, и

2) обеспечить поддержку существующих операционных систем и протоколов, разработанных для ЛВС в соответствии со стандартами 802.

Маршрутизаторы обычно связывают локальные вычислительные сети с различными типами протоколов, для функционирования LANE во многих случаях очень важна способность мостов делать то же самое. Когда существующие локальные сети связаны друг с другом мостами, новые станции, подключенные к АТМ-сети, воспринимаются сетью, как часть ранее существовавшей ЛВС. Это означает, что прикладные программы, прежде работавшие на станциях локальной сети, будут по-прежнему нормально работать, несмотря наподключение части станций непосредственно к межсетевому АТМ-соединению. С точки зрения построения локальной сети, технология ATM LANE позволяет рассматривать АТМ-сегмент просто как еще один сегмент обычной ЛВС.

Пример прикладной программы

Электронная почта - приложение, хорошо знакомое многим пользователям. Оно наглядно демонстрирует преимущества технологии LANE. На рис. 5 показана типичная корпоративная сеть, включающая компоненты как АТМ, так и Ethernet. Сервер электронной почты и часть хостов подключены к АТМ-коммутатору. Другие серверы также размещены в АТМ-сети для того, чтобы полнее использовать ее возможности. Ethernet-хосты подключены к сети АТМ через устройство доступа к ЛВС.

Пользователи, которые общаются друг с другом достаточно часто, объединены в отдельную виртуальную ЛВС. Напомним, что технология LANE позволяет создавать одновременно много виртуальных ЛВС в рамках одной физической АТМ-сети. Обычно структура таких ЛВС соответствует структуре подразделений фирмы (например, бухгалтерия, группы проектирования, маркетинга и т.д.). Хотя пользователи какой-либо одной сети, например, бухгалтерской, ежедневно общаются друг с другом, периодически у них возникает необходимость связаться и с другими сотрудниками компании. Если сервер электронной почты входит в состав нескольких или всех виртуальных ЛВС, то он имеет возможность пересылать почту как внутри одной такой сети, так и между пользователями, входящими в разные виртуальные ЛВС. Наконец, возможность объединять пользователей в виртуальные ЛВС по логическому, а не по физическому принципу крайне важна для тех администраторов сетей, которые вынуждены использовать уже имеющееся на фирме оборудование и программное обеспечение. Используя эмуляцию ЛВС и возможности, предоставляемые сервером конфигурации (LECS), администратор сети легко может формировать виртуальные ЛВС независимо от физического местонахождения пользователей. Подключение новых компьютеров к виртуальной ЛВС или их удаление производится динамически.

Технология LANE позволяет также создавать виртуальные ЛВС из компьютеров, входящих в Ethernet-сегмент сети, и даже объединять в рамках одной ЛВС компьютеры, входящие в Ethernet- и АТМ-сегменты. Такое прозрачное соединение между сетью Ethernet и сетью АТМ обеспечивает доступ к серверу электронной почты и обмен данными для всех станций сети, независимо от того, какую из сетевых технологий они используют.

Технология эмуляции ЛВС представляет собой простой и эффективный способ управления АТМ-сетями, обеспечивающий эффективное использование полосы пропускания и позволяющий избежать тех проблем опережающего роста трафика, которые сдерживают развитие существующих вычислительных сетей. На сегодняшний день АТМ является единственной технологией, поддерживающей самые современные прикладные продукты - программы для обработки видеоинформации, совместную работу пользователей, обработку изображений в медицине и другие приложения, требующие интенсивного обмена информацией в реальном времени. Кроме того, по мере развития региональных и глобальных АТМ-сетей технология АТМ значительно упрощает управление этими сетями.