Организации по стандартизации ATM
Более доступный вариант: ATM со скоростью 25 Мбит/с
Немногие технологии получили за последние несколько лет такое широкое освещение в компьютерной прессе, как Asynchronous Transfer Mode (ATM). Однако подавляющее большинство публикуемых статей носит проблемный, а не просветительский характер, изобилуя сокращениями типа SVC, PVC, LANE, MPOA и IPNNI, понятными только узкому кругу специалистов в этой области. Цель данной статьи - дать углубленное введение в ATM: пояснить основные концепции, рассмотреть модель ATM и ряд стандартов, базирующихся на этой модели.
Дать лаконичное и точное описание общей картины ATM - задача не из легких. Сама эта тема достаточно объемна и сложна, а кроме того, технология ATM находится в постоянном развитии: мир ATM состоит из изменяющихся стандартов и продуктов, которые не всегда соответствуют этим стандартам. И хотя быстрая разработка стандартов еще больше усложняет общую картину ATM, благодаря им ATM может быстрее стать пригодной для использования, а значит, и общедоступной технологией. Поэтому понимание сегодняшнего состояния технологии ATM дает ключ к пониманию будущих направлений развития сетевых технологий.
ATM - очень гибкая технология; она позволяет передавать по сети различные типы трафика - голос, видео и данные, - обеспечивая при этом достаточную пропускную способность для каждого из них и гарантируя своевременную доставку восприимчивой к задержкам информации. Технология ATM может использоваться как для построения высокоскоростных локальных сетей, так и магистралей, объединяющих традиционные локальные сети. Кроме того, организации по стандартизации ATM уже разработали много стандартов на совместимость ATM, дающих возможность производителям создавать коммутаторы, которые могут взаимодействовать с коммутаторами других производителей, а также с традиционным оборудованием локальной сети.
ОСНОВНЫЕ КОНЦЕПЦИИ ATM
Базовые принципы, лежащие в основе технологии ATM, могут быть выражены в трех утверждениях:
- сети ATM - это сети с трансляцией ячеек (cell-relay);
- сети ATM - это сети с установлением соединения (connection-oriented);
- сети ATM - это коммутируемые сети.
Сети с трансляцией ячеек
Идея сети с трансляцией ячеек проста: данные передаются по сети небольшими пакетами фиксированного размера, называемыми ячейками (cells). В сети Ethernet передача данных осуществляется большими пакетами переменной длины, которые называют кадрами (frames). Ячейки имеют два важных преимущества перед кадрами. Во-первых, поскольку кадры имеют переменную длину, каждый поступающий кадр должен буферизоваться (т.е. сохраняться в памяти), что гарантирует его целостность до начала передачи. Поскольку ячейки всегда имеют одну и ту же длину, они требуют меньшей буферизации. Во-вторых, все ячейки имеют одинаковую длину, поэтому они предсказуемы: их заголовки всегда находятся на одном и том же месте. В результате коммутатор автоматически обнаруживает заголовки ячеек и их обработка происходит быстрее.
В сети с трансляцией ячеек размер каждой из них должен быть достаточно мал, чтобы сократить время ожидания, но достаточно велик, чтобы минимизировать издержки. Время ожидания (latency) - это интервал между тем моментом, когда устройство запросило доступ к среде передачи (кабелю), и тем, когда оно получило этот доступ. Сеть, по которой передается восприимчивый к задержкам трафик (например, звук или видео), должна обеспечивать минимальное время ожидания.
Любое устройство, подключенное к сети ATM (рабочая станция, сервер, маршрутизатор или мост), имеет прямой монопольный доступ к коммутатору. Поскольку каждое из них имеет доступ к собственному порту коммутатора, устройства могут посылать коммутатору ячейки одновременно. Время ожидания становится проблемой в том случае, когда несколько потоков трафика достигают коммутатора в один и тот же момент. Чтобы уменьшить время ожидания в коммутаторе, размер ячейки должен быть достаточно маленьким; тогда время, которое занимает передача ячейки, будет незначительно влиять на ячейки, ожидающие передачи.
Уменьшение размера ячейки сокращает время ожидания, но, с другой стороны, чем меньше ячейка, тем большая ее часть приходится на "издержки" (то есть на служебную информацию, содержащуюся в заголовке ячейки), а соответственно, тем меньшая часть отводится реальным передаваемым данным. Если размер ячейки слишком мал, часть полосы пропускания занимается впустую и передача ячеек происходит длительное время, даже если время ожидания мало.
Когда Американский национальный институт стандартов (American National Standards Institute - ANSI) и организация, которая сейчас называется Международным телекоммуникационным союзом (International Telecommunications Union - ITU), разрабатывали ATM, им было достаточно трудно найти компромисс между временем ожидания и издержками передачи. Эти организации должны были учесть интересы как телефонной отрасли, так и производителей оборудования для сетей передачи данных. Производителям средств телефонии нужен был небольшой размер ячейки, поскольку голос обычно передается маленькими фрагментами и уменьшение времени ожидания гарантировало бы своевременную доставку этих фрагментов. Производители средств передачи данных, наоборот, требовали увеличить размер ячейки, поскольку файлы данных часто бывают большими и более чувствительны к издержкам трафика, нежели ко времени ожидания. В конце концов эти две фракции договорились о размере ячейки, равном 53 байтам, из которых 48 байт отводится данным и 5 байт - заголовку ячейки.
Сети с установлением соединения
Для передачи пакетов по сетям ATM от источника к месту назначения источник должен сначала установить соединение с получателем. Установление соединения перед передачей пакетов очень напоминает то, как осуществляется телефонный звонок: сначала вы набираете номер, телефон абонента звонит, и кто-то снимает трубку - только после этого вы можете начать говорить.
При использовании других технологий передачи данных, таких как Ethernet и Token Ring, соединение между источником и получателем не устанавливается - пакеты с соответствующей адресной информацией просто помещаются в среду передачи, а концентраторы, коммутаторы или маршрутизаторы находят получателя и доставляют ему пакеты.
Сети с установлением соединения имеют один недостаток - устройства не могут просто передавать пакеты, они обязательно должны сначала установить соединение. Однако такие сети имеют и ряд преимуществ. Поскольку коммутаторы могут резервировать для конкретного соединения полосу пропускания, сети с установлением соединения гарантируют данному соединению определенную часть полосы пропускания. Сети без установления соединения, в которых устройства просто передают пакеты по мере их получения, не могут гарантировать полосу пропускания.
Сети с установлением соединения также могут гарантировать определенное качество сервиса (Quality of Service - QoS), т.е. некоторый уровень сервиса, который сеть может обеспечить. QoS включает в себя такие факторы, как допустимое количество потерянных пакетов и допустимое изменение промежутка между ячейками. В результате сети с установлением соединения могут использоваться для передачи различных видов трафика - звука, видео и данных - через одни и те же коммутаторы. Кроме того, сети с установлением соединения могут лучше управлять сетевым трафиком и предотвращать перегрузку сети ("заторы"), поскольку коммутаторы могут просто сбрасывать те соединения, которые они не способны поддерживать.
Коммутируемые сети
В сети ATM все устройства, такие как рабочие станции, серверы, маршрутизаторы и мосты, подсоединены непосредственно к коммутатору. Когда одно устройство запрашивает соединение с другим, коммутаторы, к которым они подключены, устанавливают соединение. При установлении соединения коммутаторы определяют оптимальный маршрут для передачи данных - традиционно эта функция выполняется маршрутизаторами.
Когда соединение установлено, коммутаторы начинают функционировать как мосты, просто пересылая пакеты. Однако такие коммутаторы отличаются от мостов одним важным аспектом: если мосты отправляют пакеты по всем достижимым адресам, то коммутаторы пересылают ячейки только следующему узлу заранее выбранного маршрута.
Коммутация в сети Ethernet может быть сконфигурирована таким образом, что все рабочие станции окажутся подключенными непосредственно к коммутатору. В такой конфигурации коммутация в Ethernet похожа на коммутацию в сети ATM: каждое устройство осуществляет прямой монопольный доступ к порту коммутатора, который не является устройством совместного доступа.
Однако коммутация ATM имеет ряд важных отличий от коммутации Ethernet. Поскольку каждому устройству ATM предоставляется непосредственный монопольный доступ к порту коммутатора, то нет необходимости в сложных схемах арбитража для определения того, какое из этих устройств имеет доступ к коммутатору. В противоположность этому, рабочие станции, соединенные с коммутатором Ethernet, должны участвовать в схемах арбитража даже несмотря на их непосредственный монопольный доступ к порту коммутатора. Сетевые интерфейсные платы Ethernet рассчитаны на использование арбитражного протокола для определения того, имеет ли рабочая станция доступ к устройству.
ATM-коммутация также отличается от коммутации Ethernet тем, что коммутаторы ATM устанавливают соединение между отправителем и получателем, а коммутаторы Ethernet - нет. Кроме того, коммутаторы ATM обычно являются неблокирующими; это означает, что они минимизируют "заторы", передавая ячейки немедленно после их получения. Чтобы получить возможность немедленной пересылки всех поступающих ячеек, неблокирующий коммутатор должен быть оснащен чрезвычайно быстрым механизмом коммутации и иметь достаточно большую пропускную способность выходных портов. Теоретически если у коммутатора есть 10 входных портов на 10 Мбит/с, у него должен также быть один выходной порт на 100 Мбит/с. На практике выходной порт может иметь немного меньшую пропускную способность, не утрачивая при этом способности немедленной пересылки всех поступающих ячеек.
АРХИТЕКТУРА ATM
Такие технологии передачи, как Ethernet и Token Ring, соответствуют семиуровневой модели взаимодействия открытых систем (Open Systems Interconnection - OSI). ATM же имеет собственную модель, разработанную организациями по стандартизации.
Технология ATM была разработана организациями ANSI и ITU как транспортный механизм для широкополосной сети ISDN (Broadband Integrated Services Digital Network - B-ISDN). B-ISDN - это общедоступная территориально-распределенная сеть (WAN), которая может использоваться для объединения нескольких локальных сетей. Впоследствии ATM Forum - консорциум производителей оборудования для сетей ATM - приспособил и расширил стандарты B-ISDN для использования как в общедоступных, так и в частных сетях (см. врезку "Организации по стандартизации ATM").
Модель ATM, в соответствии с определением ANSI, ITU и ATM Forum, состоит из трех уровней:
- физического;
- уровня ATM;
- уровня адаптации ATM.
Эти три уровня примерно соответствуют по функциям физическому, канальному и сетевому уровню модели OSI (рисунок 1). В настоящее время модель ATM не включает в себя никаких дополнительных уровней, т.е. таких, которые соответствуют более высоким уровням модели OSI. Однако самый высокий уровень в модели ATM может связываться непосредственно с физическим, канальным, сетевым или транспортным уровнем модели OSI, а также непосредственно с ATM-совместимым приложением.
(1x1)
Рисунок 1.
В отличие от других протоколов передачи, ATM используетсобственную
модель, а не модель OSI.
Физический уровень
Как в модели ATM, так и в модели OSI стандарты для физического уровня устанавливают, каким образом биты должны проходить через среду передачи. Точнее говоря, стандарты ATM для физического уровня определяют, как получать биты из среды передачи, преобразовывать их в ячейки и посылать эти ячейки уровню ATM.
Стандарты ATM для физического уровня также описывают, какие кабельные системы должны использоваться в сетях ATM и с какими скоростями может работать ATM при каждом типе кабеля. Изначально ATMForum установил скорость DS3 (45 Мбит/с) и более высокие. Однако реализация ATM со скоростью 45 Мбит/с применяется главным образом провайдерами услуг WAN. Другие же компании чаще всего используют ATM со скоростью 25 или 155 Мбит/с.
Хотя ATM Forum первоначально не принял реализацию ATM со скоростью 25 Мбит/с, отдельные производители стали ее сторонниками, поскольку такое оборудование дешевле в производстве и установке, чем работающее на других скоростях. Только 25-мегабитная ATM может работать на неэкранированной витой паре (UTP) категории 3, а также на UTP более высокой категории и оптоволоконном кабеле. Вследствие того что оборудование для 25-мегабитной ATM относительно недорого, оно предназначено для подключения к сети ATM настольных компьютеров (см. врезку "Более доступный вариант: ATM со скоростью 25 Мбит/с").
155-мегабитная ATM работает на кабелях UTP категории 5, экранированной витой паре (STP) типа 1, оптоволоконном кабеле и беспроводных инфракрасных лазерных каналах. 622-мегабитная ATM работает только на оптоволоконном кабеле и может использоваться в локальных сетях (хотя оборудование, работающее с такой скоростью, реализовано еще недостаточно широко). А для беспроводной связи лаборатория Olivetti Research Labs создает прототип радиосети ATM, работающей со скоростью 10 Мбит/с.
Уровень ATM и виртуальные каналы
В модели OSI стандарты для канального уровня описывают, каким образом устройства могут совместно использовать среду передачи и гарантировать надежное физическое соединение. Стандарты для уровня ATM регламентируют передачу сигналов, управление трафиком и установление соединений в сети ATM. Функции передачи сигналов и управления трафиком уровня ATM подобны функциям канального уровня модели OSI, а функции установления соединения ближе всего к функциям маршрутизации, которые определены стандартами модели OSI для сетевого уровня.
Стандарты для уровня ATM описывают, как получать ячейку, сгенерированную на физическом уровне, добавлять 5-байтный заголовок и посылать ячейку уровню адаптации ATM. Эти стандарты также определяют, каким образом нужно устанавливать соединение с таким качеством сервиса (QoS), которое запрашивает ATM-устройство или конечная станция.
Стандарты установления соединения для уровня ATM определяют виртуальные каналы и виртуальные пути. Виртуальный канал ATM - это соединение между двумя конечными станциями ATM, которое устанавливается на время их взаимодействия. Виртуальный канал является двунаправленным; это означает, что после установления соединения каждая конечная станция может как посылать пакеты другой станции, так и получать их от нее.
После того как соединение установлено, коммутаторы между конечными станциями получают адресные таблицы, содержащие сведения о том, куда необходимо направлять ячейки. В них используется следующая информация:
Адресные таблицы также определяют, какие VCI и VPI коммутатор должен включить в заголовки ячеек перед тем как их передать.
Имеются три типа виртуальных каналов:
PVC - это постоянное соединение между двумя конечными станциями, которое устанавливается вручную в процессе конфигурирования сети. Пользователь сообщает провайдеру ATM-услуг или сетевому администратору, какие конечные станции должны быть соединены, и он устанавливает PVC между этими конечными станциями.
PVC включает в себя конечные станции, среду передачи и все коммутаторы, расположенные между конечными станциями. После установки PVC для него резервируется определенная часть полосы пропускания, и двум конечным станциям не требуется устанавливать или сбрасывать соединение.
SVC устанавливается по мере необходимости - всякий раз, когда конечная станция пытается передать данные другой конечной станции. Когда отправляющая станция запрашивает соединение, сеть ATM распространяет адресные таблицы и сообщает этой станции, какие VCI и VPI должны быть включены в заголовки ячеек. Через произвольный промежуток времени SVC сбрасывается.
SVC устанавливается динамически, а не вручную. Для него стандарты передачи сигналов уровня ATM определяют, как конечная станция должна устанавливать, поддерживать и сбрасывать соединение. Эти стандарты также регламентируют использование конечной станцией при установлении соединения параметров QoS из уровня адаптации ATM.
Кроме того, стандарты передачи сигналов описывают способ управления трафиком и предотвращения "заторов": соединение устанавливается только в том случае, если сеть в состоянии поддерживать это соединение. Процесс определения, может ли быть установлено соединение, называется управлением признанием соединения (connection admission control - CAC).
SPVC - это гибрид PVC и SVC. Подобно PVC, SPVC устанавливается вручную на этапе конфигурирования сети. Однако провайдер ATM-услуг или сетевой администратор задает только конечные станции. Для каждой передачи сеть определяет, через какие коммутаторы будут передаваться ячейки.
Большая часть раннего оборудования ATM поддерживала только PVC. Поддержка SVC и SPVC начинает реализовываться только сейчас.
PVC имеют два преимущества над SVC. Сеть, в которой используются SVC, должна тратить время на установление соединений, а PVC устанавливаются предварительно, поэтому могут обеспечить более высокую производительность. Кроме того, PVC обеспечивают лучший контроль над сетью, так как провайдер ATM-услуг или сетевой администратор может выбирать путь, по которому будут передаваться ячейки.
Однако и SVC имеют ряд преимуществ перед PVC. Поскольку SVC устанавливается и сбрасывается легче, чем PVC, то сети, использующие SVC, могут имитировать сети без установления соединений. Эта возможность оказывается полезной в том случае, если вы используете приложение, которое не может работать в сети с установлением соединений. Кроме того, SVC используют полосу пропускания, только когда это необходимо, а PVC должны постоянно ее резервировать на тот случай, если она понадобится. SVC также требуют меньшей административной работы, поскольку устанавливаются автоматически, а не вручную. И наконец, SVC обеспечивают отказоустойчивость: когда выходит из строя коммутатор, находящийся на пути соединения, другие коммутаторы выбирают альтернативный путь.
В некотором смысле SPVC обладает лучшими свойствами этих двух видов виртуальных каналов. Как и в случае с PVC, SPVC позволяет заранее задать конечные станции, поэтому им не приходится тратить время на установление соединения каждый раз, когда одна из них должна передать ячейки. Подобно SVC, SPVC обеспечивает отказоустойчивость. Однако и SPVC имеет свои недостатки: как и PVC, SPVC устанавливается вручную, и для него необходимо резервировать часть полосы пропускания - даже если он не используется.
Стандарты установления соединения для уровня ATM также определяют виртуальные пути (virtual path). В то время как виртуальный канал - это соединение, установленное между двумя конечными станциями на время их взаимодействия, виртуальный путь - это путь между двумя коммутаторами, который существует постоянно, независимо от того, установлено ли соединение. Другими словами, виртуальный путь - это "запомненный" путь, по которому проходит весь трафик от одного коммутатора к другому.
Когда пользователь запрашивает виртуальный канал, коммутаторы определяют, какой виртуальный путь использовать для достижения конечных станций. По одному и тому же виртуальному пути в одно и то же время может передаваться трафик более чем для одного виртуального канала. Например, виртуальный путь с полосой пропускания 120 Мбит/с может быть разделен на четыре одновременных соединения по 30 Мбит/с каждый.
Уровень адаптации ATM и качество сервиса
В модели OSI стандарты для сетевого уровня определяют, как осуществляется маршрутизация пакетов и управление ими. В модели ATM стандарты для уровня адаптации ATM выполняют три подобные функции:
- определяют, как форматируются пакеты;
- предоставляют информацию для уровня ATM, которая дает возможность этому уровню устанавливать соединения с различным QoS;
- предотвращают "заторы".
Уровень адаптации ATM состоит из четырех протоколов (называемых протоколами AAL), которые форматируют пакеты. Эти протоколы принимают ячейки с уровня ATM, заново формируют из них данные, которые могут быть использованы протоколами, действующими на более высоких уровнях, и посылают эти данные более высокому уровню. Когда протоколы AAL получают данные с более высокого уровня, они разбивают их на ячейки и передают их уровню ATM.
В стандартах B-ISDN определены следующие протоколы AAL: AAL 1, AAL 2, AAL 3/4 и AAL 5. Однако ATM Forum разработал только три из них - AAL 1, AAL 3/4 и AAL 5.
Каждый протокол AAL упаковывает данные в ячейки своим способом. Все эти протоколы, за исключением AAL 5, добавляют некоторую служебную информацию к 48 байтам данных в ячейке ATM. Эти "издержки" включают в себя специальные команды обработки для каждой ячейки, которые используются для обеспечения различных категорий сервиса.
Уровень адаптации ATM определяет также четыре категории сервиса:
Эти категории используются для обеспечения различных уровней качества сервиса (QoS) для разных типов трафика (на рисунке 2 приведены характеристики каждой категории).
(1x1)
Рисунок 2.
QoS определяет уровень сервиса, который может
предоставить сеть.
Категория CBR используется для восприимчивого к задержкам трафика, такого как аудио- и видеоинформация, при котором данные передаются с постоянной скоростью и требуют малого времени ожидания. CBR гарантирует самый высокий уровень качества сервиса, но использует полосу пропускания неэффективно. Чтобы защитить трафик CBR от влияния других передач, CBR всегда резервирует для соединения определенную часть полосы пропускания, даже если в данный момент в канале не происходит никакой передачи. Таким образом, резервирование полосы пропускания является особенно большой проблемой при работе по WAN-каналам, когда абоненту приходится платить за каждый мегабит полосы пропускания независимо от того, используется ли виртуальный канал.
Существуют также два вида VBR, которые используются для различных типов трафика: VBR реального времени (Real-time VBR - RT-VBR) требует жесткой синхронизации между ячейками и поддерживает восприимчивый к задержкам трафик, такой как уплотненная речь и видео. VBR нереального времени (Non-real-time VBR - NRT-VBR) не нуждается в жесткой синхронизации между ячейками и поддерживает допускающий задержки трафик, такой как трансляция кадров (frame relay).
Поскольку VBR не резервирует полосу пропускания, она используется более эффективно, чем в случае с CBR. Однако, в отличие от CBR, VBR не может гарантировать качества сервиса.
UBR применяется для трафика типа TCP/IP, который допускает задержки. Подобно VBR, UBR не резервирует дополнительной полосы пропускания для виртуального канала. В результате один и тот же виртуальный канал может многократно применяться для нескольких передач, таким образом полоса пропускания используется более эффективно. Однако поскольку UBR не гарантирует качества сервиса, в сильно загруженных сетях UBR-трафик теряет большое число ячеек и имеет много повторных передач.
Подобно UBR, ABR используется для передачи трафика, который допускает задержки, и дает возможность многократно использовать виртуальные каналы. Однако если UBR не резервирует полосы пропускания и не предотвращает потерь ячеек, то ABR обеспечивает для соединения допустимые значения ширины полосы пропускания и коэффициента потерь.
CBR, VBR, UBR, и ABR включают в себя различные параметры трафика, например среднюю и пиковую скорости, с которыми конечная станция может передавать данные. Эти категории сервиса также включают в себя следующие параметры качества сервиса (QoS).
Перед установлением соединения конечная станция запрашивает одну из четырех категорий сервиса. Затем сеть ATM устанавливает соединение, используя соответствующие параметры трафика и QoS. Например, если конечная станция запросила соединение CBR для передачи видеоинформации, сеть ATM резервирует необходимую ширину полосы пропускания и использует параметры трафика и QoS для обеспечения допустимых значений скорости передачи, коэффициента потерь ячеек, задержки и изменения задержки.
Сеть ATM использует параметры QoS и для защиты трафика, т. е. предотвращения перегрузки сети. Сеть "следит" за тем, чтобы установленные соединения не превышали максимальной ширины полосы пропускания, которая им была предоставлена. Если соединение начинает ее превышать, сеть отказывается передавать ячейки. Кроме того, сеть ATM определяет, какие ячейки можно отбросить в случае ее переполнения: она проверяет параметры QoS данного соединения и отбрасывает ячейки, для которых установлен высокий коэффициент потерь. И наконец, сеть отказывается устанавливать соединения, если не может их поддерживать.
Способность ATM обеспечивать для приложений различные уровни QoS считается одним из достоинств данной технологии. Пользователи могут резервировать только ту полосу пропускания, которая им необходима; при этом сохраняется качество передаваемых аудио- и видеосигналов, а сеть предохраняется от переполнения. Однако для того чтобы получать реальную выгоду от качества сервиса в сети ATM, необходимы приложения, рассчитанные на его использование.
Производители оборудования ATM и организации, занимающиеся стандартизацией этой технологии, изобретают различные способы, которые должны позволить приложениям использовать QoS. Например, несколько производителей ATM работают над тем, чтобы расширить протокол резервирования ресурсов (Resource Preservation Protocol - RSVP), разработанный группой Internet Engineering Task Force (IETF), таким образом, чтобы приложения могли запрашивать QoS. Кроме того, чтобы дать возможность приложениям, созданным без учета специфики ATM, пользоваться преимуществами QoS, компания FORE Systems и ряд других производителей разрабатывают программное обеспечение Legacy Application Quality of Service, которое будет встраиваться в устройства доступа к локальным сетям и сетевые интерфейсные платы ATM. Это ПО даст возможность устройствам и платам устанавливать соединения с различными уровнями QoS в зависимости от типа приложения, адресов источника и адресата и других параметров.
СТАНДАРТЫ МОДЕЛИ ATM
ATM Forum разработал много стандартов, основанных на модели ATM, в том числе следующие:
- User-to-Network Interface (UNI - интерфейс "пользователь-сеть") _ определяет интерфейс между конечной станцией и коммутатором;
- Private Network-to-Network Interface (PNNI - частный интерфейс "сеть-сеть", - определяет интерфейс между коммутаторами.
Эти стандарты определяют, как рабочие станции и коммутаторы взаимодействуют в сети ATM.
Стандарты UNI, разработанные ATM Forum, определяют, каким образом устройства взаимодействуют с коммутатором. На рисунке 3 показано, как пакет передается с рабочей станции коммутатору. Сначала пользователь посылает данные, например аудио-, видеоинформацию и т.д. В соответствии с типом данных какой-либо из четырех протоколов AAL получает эти данные и разбивает их на ячейки. Затем ячейки передаются на уровень ATM, который добавляет к ним информацию, необходимую для маршрутизации. Потом ячейки передаются на физический уровень, разбивающий их на биты и посылающий через среду передачи коммутатору.
(1x1)
Рисунок 3.
Взаимодействие рабочей станцииАТМ с коммутатором.
ATM Forum разработал две версии UNI - UNI 3.0 и UNI 3.1. Эти версии почти идентичны, за исключением того, что UNI 3.1 основан на последней версии спецификации передачи сигналов ITU. Это, к сожалению, делает UNI 3.1 несовместимым с UNI 3.0 по передаче сигналов. К счастью, большинство коммутаторов поддерживает и UNI 3.0, и UNI 3.1. В настоящее время ATM Forum работает над спецификацией UNI 4.0, в которую войдут изменения спецификации передачи сигналов, поддержка ABR и другие расширения. Стандарт UNI 4.0 будет совместим с UNI 3.1.
Спецификация PNNI, разработанная ATM Forum, включает в себя стандарты, которые дают возможность двум коммутаторам различных производителей работать вместе. На рисунке 3 показано, как ячейка проходит через коммутатор ATM. Коммутатор получает ячейку на физическом уровне как физический сигнал, передает этот сигнал на уровень ATM и преобразовывает его в ячейку. Затем коммутатор проверяет заголовок ячейки, определяя, куда она должна быть направлена, снова преобразует ячейку в физический сигнал и передает его следующему коммутатору или конечной станции.
PNNI - это протокол маршрутизации с определением состояния связи, подобный протоколу NetWare Link Services Protocol (NLSP), используемому в сетях IPX, и протоколу маршрутизации Open Shortest Path First (OSPF), применяемому в IP-сетях. Данный протокол позволяет коммутаторам распространять информацию о топологии сети и качестве сервиса, поддерживаемом сетью ATM. В результате каждый коммутатор "понимает" топологию всей сети и может определять маршрут по сети с учетом специфических условий трафика, например перегрузок.
Кроме того, поскольку PNNI дает возможность коммутаторам распространять информацию иерархическим образом, то для пересылки ячеек каждому из них не нужно знать топологию всей сети. Провайдер ATM-услуг или сетевой администратор может разделить сеть на несколько концептуальных уровней, и тогда каждый коммутатор должен будет знать топологию только того уровня, к которому он относится. Таким образом, можно создавать чрезвычайно большие сети, не перегружая коммутаторы информацией.
Сеть также может содержать только один уровень. По утверждению Энди Реида, менеджера по программным продуктам компании FORE Systems, сеть ATM, имеющая только один уровень, способна поддерживать приблизительно 200 коммутаторов.
На самом низком уровне сетевой топологии коммутаторы разделены на кластеры, называемые "группами равных" (peer groups). Все коммутаторы, относящиеся к такой группе, обмениваются друг с другом маршрутизационной информацией. Коммутатор, который является граничным узлом (входит более чем в одну группу), обменивается маршрутизационной информацией со всеми группами равных, к которым он принадлежит. Таким образом, группы "узнают", как направлять ячейки адресатам, находящимся в пределах досягаемости одной из групп. Используя PNNI, коммутаторы внутри каждой группы равных выбирают так называемого "лидера" группы.
На следующем уровне сетевой топологии несколько лидеров групп равных составляют собственную группу равных, а затем с помощью PNNI также выбирают лидера. Эти лидеры могут составлять группу равных следующего уровня и так далее, до самого высокого уровня, на котором вся сеть представляется одной группой равных.
Коммутаторы, находящиеся на самом низком уровне сетевой топологии, используют для определения маршрутов информацию с более высоких уровней. В результате коммутаторы не должны знать топологию всей сети.
Стандарты PNNI также устанавливают, как должна выполняться передача сигналов. Стандарты PNNI на передачу сигналов определяют, каким образом устанавливаются, поддерживаются и сбрасываются виртуальные каналы ATM с соответствующим качеством сервиса. Кроме того, эти стандарты регламентируют осуществление защиты сети от переполнения, разрешая устанавливать только те соединения, которые сеть может поддерживать, и следя за тем, чтобы существующие соединения не использовали большую ширину полосы пропускания, чем им была выделена.
* * *
Понимание базовых концепций, модели и стандартов ATM поможет вам решить, подходит ли эта технология для вашей сети. Однако ознакомление с данной статьей является лишь первым шагом. Прежде чем решиться приобрести оборудование ATM для своей сети, вы должны узнать, как реальные устройства ATM от разных производителей взаимодействуют друг с другом и с традиционным оборудованием локальной сети. Но это уже тема отдельной статьи, которую мы планируем опубликовать в следующем номере нашего журнала.
Статья подготовлена научным редактором журнала "Сети" Игорем Ковалерчиком по материалам журнала "NetWare Connetion" (февраль 1997 г.), издаваемого международной ассоциацией NetWare Users International.
Организации по стандартизации ATM
К формированию стандартов ATM приложило руку много организаций. Ниже указаны наиболее влиятельные из них, а также разработанные ими основные стандарты.
ANSI, CCITT и ITU
Американский национальный институт стандартов (ANSI) и Международный консультативный комитет по телефонии и телеграфии (CCITT, МККТТ) начинали разработку стандартов ATM как набора рекомендаций для сети B-ISDN (Broadband Integrated Services Digital Network). CCITT теперь называется Международным телекоммуникационным союзом (International Telecommunications Union - ITU).
Некоторые считают, что B-ISDN и ATM - одно и то же. Однако это не так. B-ISDN - высокоскоростная сеть, которая использует ATM в качестве транспортного механизма. Стандарт B-ISDN определяет для ATM интерфейсы User-to-Network Interface (UNI) и Network-to-Network Interface (NNI). Кроме того, он устанавливает следующие три уровня.
ATM FORUM
ATM Forum, консорциум производителей оборудования ATM, приспособил и расширил стандарты B-ISDN, с тем чтобы создать отраслевые стандарты, которые дают возможность продуктам ATM взаимодействовать с оборудованием традиционных локальных сетей.
Ниже перечислены некоторые наиболее важные стандарты ATM, разработанные ATM Forum:
Кроме того, ATM Forum разработал интерфейс Interim Local Management Interface, который определяет, как осуществляется управление в сетях ATM.
IETF
Рабочая группа Internet Engineering Task Force (IETF) разработала стандарт Classical IP Over ATM, позволяющий производителям создавать продукты, которые могут передавать IP-пакеты по сети ATM внутри одной подсети IP. Сейчас IETF работает над протоколом Next Hop Routing Protocol (NHRP), который позволит осуществлять маршрутизацию IP-пакетов между подсетями IP.
Более доступный вариант: ATM со скоростью 25 Мбит/с
Большинство выпускаемых коммутаторов ATM обеспечивает производительность 155 Мбит/с. Для компаний, которые в настоящее время имеют сети, работающие со скоростью 10 Мбит/с, использование оборудования ATM на 155 Мбит/с для подключения рабочих станций может оказаться слишком большим прыжком. Стоимость такого оборудования часто является неприемлемо высокой, тем более что 155-мегабитная ATM не способен работать на неэкранированной витой паре (UTP) и для ее реализации может потребоваться создание новой кабельной системы.
В результате ATM Forum принял спецификацию сети ATM со скоростью 25 Мбит/с, которая может работать на кабеле UTP категории 3. Поскольку такая сеть является достаточно быстрой для передачи аудио- и видеоинформации и ее реализация может обойтись дешевле, чем 155-мегабитная ATM, то ATM со скоростью 25 Мбит/с является идеальным решением для компаний, которые не могут позволить себе дорогую сеть или еще не нуждаются в скорости 155 Мбит/с.
Некоторые производители, в том числе IBM, FORE Systems и Madge Networks, уже поставляют сетевые интерфейсные платы и коммутаторы ATM, работающие со скоростью 25 Мбит/с. Эти устройства используют технологию эмуляции локальной сети (LAN Emulation - LANE); это означает, что конечные станции могут связываться через коммутаторы ATM точно так же, как если бы они устанавливали соединение через коммутаторы Ethernet или Token Ring. Часть коммутаторов, работающих со скоростью 25 Мбит/с, поддерживает IP-коммутацию - технологию, которая дает возможность конечным станциям посылать через коммутаторы ATM пакеты IP. Кроме того, 25-мегабитная ATM работает с приложениями видеоконференцсвязи. Например, компания First Virtual Support продает сетевые интерфейсные платы ATM, работающие со скоростью 25 Мбит/с и поддерживающие существующие приложения видеоконференцсвязи для настольных систем, разработанные компаниями AT&T Global Information Solutions и PictureTel.
И хотя сети ATM, работающие со скоростью 25 Мбит/с, все еще достаточно дороги, многие компании могут решить, что возможность передачи аудио- и видеоданных оправдывает затраты.
Глоссарий ATM
AMERICAN NATIONAL STANDARDS INSTITUTE (ANSI) - АМЕРИКАНСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ СТАНДАРТОВ. Организация по стандартизации, принимавшая участие в разработке стандартов на широкополосную сеть ISDN (Broadband Integrated Services Digital Network - B-ISDN), которые стали первыми стандартами ATM.
ASYNCHRONOUS TRANSFER MODE (ATM) - АСИНХРОННЫЙ РЕЖИМ ПЕРЕДАЧИ. Высокоскоростная технология передачи данных с установлением соединения, в которой используются ячейки фиксированного размера вместо пакетов переменной длины.
ATM ADAPTATION LAYER - УРОВЕНЬ АДАПТАЦИИ ATM. Самый высокий уровень модели ATM, который примерно соответствует сетевому уровню модели OSI. Уровень адаптации ATM состоит из четырех протоколов AAL, каждый из которых по-своему форматирует пакеты в соответствии с различными типами трафика (аудио, видео и данные).
ATM FORUM. Консорциум производителей оборудования ATM, который разрабатывает стандарты ATM.
ATM LAYER - УРОВЕНЬ ATM. Средний уровень модели ATM, который находится между физическим уровнем и уровнем адаптации ATM. Уровень ATM примерно соответствует канальному уровню модели OSI. Стандарты для уровня ATM определяют, как устанавливать, поддерживать и сбрасывать виртуальные каналы ATM.
AVAILABLE BIT RATE (ABR) - ДОСТУПНАЯ СКОРОСТЬ В БИТАХ. Категория сервиса ATM, которая используется для трафика данных. Категория ABR допускает задержки передачи. Для каждой передачи данных ABR устанавливает допустимый диапазон полосы пропускания и допустимый коэффициент потерь ячеек (число ячеек, которые могут быть потеряны при передаче).
BROADBAND INTEGRATED SERVICES DIGITAL NETWORK (B-ISDN) - ШИРОКОПОЛОСНАЯ ЦИФРОВАЯ СЕТЬ С ИНТЕГРИРОВАННЫМИ СЛУЖБАМИ. Первые спецификации ATM, ратифицированные ANSI и Международным консультативным комитетом по телефонии и телеграфии (CCITT, МККТТ). Стандарты B-ISDN определяют высокоскоростную сеть, использующую ATM в качестве транспортного механизма.
CELL - ЯЧЕЙКА. Небольшой пакет фиксированной длины. Ячейки ATM имеют длину 53 байта и состоят из 5-байтного заголовка и 48 байт данных.
CELL-RELAY - ТРАНСЛЯЦИЯ ЯЧЕЕК. Технология передачи данных, которая вместо пакетов использует ячейки.
CLASSICAL IP OVER ATM - КЛАССИЧЕСКИЙ IP ПО ATM. Стандарт, разработанный инженерной группой Internet Engineering Task Force (IETF), который дает возможность передавать IP-пакеты по магистрали ATM путем их инкапсуляции в ячейки ATM.
CONSTANT BIT RATE (CBR) - ПОСТОЯННАЯ СКОРОСТЬ В БИТАХ. Категория сервиса ATM, которая используется для восприимчивого к задержкам трафика, такого как аудио- и видеоинформация. Резервируя часть полосы пропускания для виртуального канала, CBR гарантирует, что ячейки, содержащие аудио- и видеоданные, будут доставлены вовремя и с минимальными изменениями интервала между ними.
EMULATED LAN (ELAN) - ЭМУЛИРОВАННАЯ ЛОКАЛЬНАЯ СЕТЬ. В среде LANE эмулированная локальная сеть - это виртуальная сеть, состоящая из конечных станций, расположенных более чем в одной физической локальной сети. Эти рабочие станции осуществляют связь так, как будто они находятся в одной и той же физической локальной сети.
INTEGRATED PRIVATE NETWORK-TO-NETWORK INTERFACE (IPNNI) - ИНТЕГРИРОВАННЫЙ ЧАСТНЫЙ ИНТЕРФЕЙС "СЕТЬ-СЕТЬ". Протокол маршрутизации в сети ATM, который дает возможность устройствам маршрутизация IP и ATM совместно использовать информацию о топологии сети.
INTERNATIONAL TELECOMMUNICATIONS UNION (ITU) - МЕЖДУНАРОДНЫЙ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫЙ СОЮЗ. Организация по стандартизации, выросшая из МККТТ (CCITT), которая участвовала в разработке стандартов B-ISDN. Все предыдущие стандарты CCITT теперь принадлежат ITU.
INTERNATIONAL TELEGRAPH AND TELEPHONE CONSULTATIVE COMMITTEE (CCITT) - МЕЖДУНАРОДНЫЙ КОНСУЛЬТАТИВНЫЙ КОМИТЕТ ПО ТЕЛЕФОНИИ И ТЕЛЕГРАФИИ (МККТТ). Организация по стандартизации, участвовавшая в разработке первых стандартов ATM. Теперь она называется ITU.
INTERNET ENGINEERING TASK FORCE (IETF). Организация, разрабатывающая стандарты для сетей TCP/IP. IETF разработала стандарт Classical IP Over ATM.
IP SWITCHING - IP-КОММУТАЦИЯ. Патентованный метод, позволяющий передавать IP-пакеты по IP-магистрали. Коммутаторы ATM, работающие в среде IP-коммутации, не используют стандарты, разработанные ATM Forum.
LAN EMULATION (LANE) - ЭМУЛЯЦИЯ ЛОКАЛЬНОЙ СЕТИ. Набор спецификаций, разработанных ATM Forum, который дает возможность связывать локальные сети по магистрали ATM для создания единой виртуальной сети, или ELAN. ATM Forum разработал стандарт LANE 1.0 и завершает разработку LANE 2.0.
LAN EMULATION NETWORK-TO-NETWORK INTERFACE (LNNI) - ИНТЕРФЕЙС "СЕТЬ-СЕТЬ" ДЛЯ ЭМУЛЯЦИИ ЛОКАЛЬНОЙ СЕТИ. Стандарт LANE 2.0, который определит интерфейс между двумя серверами LANE внутри единой виртуальной сети, или ELAN.
LAN EMULATION USER-TO-NETWORK INTERFACE (LUNI) - ИНТЕРФЕЙС "ПОЛЬЗОВАТЕЛЬ-СЕТЬ" ДЛЯ ЭМУЛЯЦИИ ЛОКАЛЬНОЙ СЕТИ. Стандарт LANE, который определяет компоненты, необходимые для соединения двух локальных сетей через магистраль ATM с целью создания единой виртуальной сети, или ELAN.
LATENCY - ВРЕМЯ ОЖИДАНИЯ. Время, которое проходит между моментом, когда конечная станция запрашивает доступ к среде передачи, и моментом, когда она получает этот доступ.
MULTIPROTOCOL OVER ATM (MPOA) - МНОГОПРОТОКОЛЬНАЯ МАРШРУТИЗАЦИЯ ПО ATM. Стандарт, разработанный ATM Forum, который позволяет осуществлять маршрутизацию протоколов из традиционных локальных сетей по магистрали ATM. MPOA отличается от LANE, дающей возможность связывать протоколы, но не обеспечивающей маршрутизацию.
NETWORK-TO-NETWORK INTERFACE (NNI) - ИНТЕРФЕЙС "СЕТЬ-СЕТЬ". Обобщенный термин, описывающий интерфейс между двумя коммутаторами в сети.
NEXT HOP ROUTING PROTOCOL (NHRP). Протокол, разрабатываемый IETF, который добавит возможности маршрутизации к протоколу Classical IP over ATM.
OPEN SYSTEMS INTERCONNECTION (OSI) MODEL - МОДЕЛЬ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ОТКРЫТЫХ СИСТЕМ. Семиуровневая сетевая модель, разработанная Международной организацией по стандартизации (International Standards Organization - ISO). Модель OSI служит руководством для разработки стандартов, которые дают возможность разнородным сетевым средствам взаимодействовать друг с другом.
PERMANENT VIRTUAL CIRCUITS (PVCS) - ПОСТОЯННЫЕ ВИРТУАЛЬНЫЕ КАНАЛЫ. Виртуальные каналы, которые устанавливаются сетевым администратором или провайдером ATM-услуг при конфигурировании сети ATM. Для виртуального канала всегда резервируется часть полосы пропускания - независимо от того, используется ли данный PVC, поэтому каналы PVC всегда доступны для немедленного использования.
PHYSICAL LAYER - ФИЗИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ. Самый нижний уровень модели ATM, примерно соответствующий физическому уровню модели OSI. Стандарты для физического уровня модели ATM, подобно стандартам для физического уровня модели OSI, определяют, как осуществляется пересылка битов по среде передачи.
PRIVATE NETWORK-TO-NETWORK INTERFACE (PNNI) - ЧАСТНЫЙ ИНТЕРФЕЙС "СЕТЬ-СЕТЬ". Стандарт, разработанный ATM Forum, который определяет интерфейс между двумя коммутаторами в сети ATM. Он дает возможность коммутаторам распространять маршрутизационную информацию.
QUALITY OF SERVICE PARAMETERS - ПАРАМЕТРЫ КАЧЕСТВА СЕРВИСА. Параметры, которые определяют, сколько ячеек может быть потеряно во время передачи, сколько времени может занимать достижение ячейками адресата и как могут меняться интервалы времени между передачей ячеек. Параметры качества сервиса используется для того, чтобы определить, какое качество сервиса будет обеспечивать данный виртуальный канал.
SERVICE CATEGORIES - КАТЕГОРИИ СЕРВИСА. Классы сервиса, которые используются для обеспечения различных уровней сервиса для разных типов трафика. К категориям сервиса ATM относятся CBR, VBR, UBR и ABR.
SWITCH - КОММУТАТОР. Устройство, которое устанавливает виртуальный канал и пересылает ячейки. При установке виртуальных каналов коммутаторы действуют подобно маршрутизаторам, то есть определяют оптимальный путь для передачи ячеек. После того как виртуальный канал установлен, они действуют как мосты, просто пересылая ячейки.
SWITCHED VIRTUAL CIRCUITS (SVCS) - КОММУТИРУЕМЫЕ ВИРТУАЛЬНЫЕ КАНАЛЫ. Виртуальные каналы, которые конечные станции ATM устанавливают по необходимости, то есть когда им необходимо осуществить передачу. Для различных временных интервалов существуют различные типы SVC.
UNSPECIFIED BIT RATE (UBR) - НЕОПРЕДЕЛЕННАЯ СКОРОСТЬ В БИТАХ. Категория сервиса ATM, которая используется для трафика данных типа TCP/IP, допускающего задержки. UBR не резервирует полосы пропускания для соединения.
USER-TO-NETWORK INTERFACE (UNI) - ИНТЕРФЕЙС "ПОЛЬЗОВАТЕЛЬ-СЕТЬ". Стандарт, разработанный ATM Forum, который определяет интерфейс между конечной станцией и коммутатором в сети ATM. Это обобщенный термин, используемый для описания интерфейса между конечной станцией и коммутатором в коммутируемой сети.
VARIABLE BIT RATE (VBR) - ПЕРЕМЕННАЯ СКОРОСТЬ В БИТАХ. Категория сервиса ATM, которая используется для восприимчивого к задержкам трафика, например трансляции кадров (frame relay). Подобно CBR, VBR резервирует для соединения часть полосы пропускания. В отличие от CBR, VBR допускает задержки.
VIRTUAL CIRCUIT (VC) - ВИРТУАЛЬНЫЙ КАНАЛ. Соединение, устанавливаемое между двумя конечными станциями ATM на время их взаимодействия.
VIRTUAL SUBNET - ВИРТУАЛЬНАЯ ПОДСЕТЬ. Логическая локальная сеть, состоящая из конечных станций, которые размещены в нескольких локальных сетях, соединенных через ATM; позволяет им осуществлять взаимодействие так, будто они находятся в одной и той же физической локальной сети.