Лекции (авторские) по Системам и Сетям Передачи Данных (ССПД)

Лекция № 11
“Общая структура, типы основные стандартные устройства глобальных сетей”

11.4 Компьютерные глобальные сети с коммутацией пакетов

В предыдущих разделах рассматривалось построение глобальных связей в корпоративной сети на основе выделенных или коммутируемых каналов. Собственно, основные новые проблемы были сосредоточены при этом на физическом и канальном уровнях, так как поверх протоколов этих уровней, специфических для глобального канала, работали те же сетевые протоколы IP или IPX, которые использовались и для объединения локальных сетей.

Однако для глобальных сетей с коммутацией пакетов, таких как Х.25, frame relay или ATM, характерна оригинальная техника маршрутизации пакетов (здесь термин «пакет» используется как родовой для обозначения пакетов Х.25, кадров frame relay и ячеек ATM). Эта техника основана на понятии «виртуальный канал» и обеспечивает эффективную передачу долговременных устойчивых потоков данных.

11.4.1 Принцип коммутации пакетов с использованием техники виртуальных каналов

Техника виртуальных каналов, используемая во всех территориальных сетях с коммутацией пакетов, кроме TCP/IP, состоит в следующем.

Прежде чем пакет будет передан через сеть, необходимо установить виртуальное соединение между абонентами сети — терминалами, маршрутизаторами или компьютерами. Существуют два типа виртуальных соединений — коммутируемый виртуальный канал (Switched Virtual Circuit, SVC) и постоянный виртуальный канал (Permanent Virtual Circuit, PVC). При создании коммутируемого виртуального канала коммутаторы сети настраиваются на передачу пакетов динамически, по запросу абонента, а создание постоянного виртуального канала происходит заранее, причем коммутаторы настраиваются вручную администратором сети, возможно, с привлечением централизованной системы управления сетью.

Смысл создания виртуального канала состоит в том, что маршрутизация пакетов между коммутаторами сети на основании таблиц маршрутизации происходит только один раз — при создании виртуального канала (имеется в виду создание коммутируемого виртуального канала, поскольку создание постоянного виртуального канала осуществляется вручную и не требует передачи пакетов по сети). После создания виртуального канала передача пакетов коммутаторами происходит на основании так называемых номеров или идентификаторов виртуальных каналов (Virtual Channel Identifier, VCI). Каждому виртуальному каналу присваивается значение VCI на этапе создания виртуального канала, причем это значение имеет не глобальный характер, как адрес абонента, а локальный — каждый коммутатор самостоятельно нумерует новый виртуальный канал. Кроме нумерации виртуального канала, каждый коммутатор при создании этого канала автоматически настраивает так называемые таблицы коммутации портов — эти таблицы описывают, на какой порт нужно передать пришедший пакет, если он имеет определенный номер VCI. Так что после прокладки виртуального канала через сеть коммутаторы больше не используют для пакетов этого соединения таблицу маршрутизации, а продвигают пакеты на основании номеров VCI небольшой разрядности. Сами таблицы коммутации портов также включают обычно меньше записей, чем таблицы маршрутизации, так как хранят данные только о действующих на данный момент соединениях, проходящих через данный порт.

Работа сети по маршрутизации пакетов ускоряется за счет двух факторов. Первый состоит в том, что решение о продвижении пакета принимается быстрее из-за меньшего размера таблицы коммутации. Вторым фактором является уменьшение доли служебной информации в пакетах. Адреса конечных узлов в глобальных сетях обычно имеют достаточно большую длину — 14-15 десятичных цифр, которые занимают до 8 байт (в технологии ATM — 20 байт) в служебном поле пакета. Номер же виртуального канала обычно занимает 10-12 бит, так что накладные расходы на адресную часть существенно сокращаются, а значит, полезная скорость передачи данных возрастает.

Режим PVC является особенностью технологии маршрутизации пакетов в глобальных сетях, в сетях TCP/IP такого режима работы нет. Работа в режиме PVC является наиболее эффективной по критерию производительности сети. Половину работы по маршрутизации пакетов администратор сети уже выполнил, поэтому коммутаторы быстро занимаются продвижением кадров на основе готовых таблиц коммутации портов. Постоянный виртуальный канал подобен выделенному каналу в том, что не требуется устанавливать соединение или разъединение. Обмен пакетами по PVC может происходить в любой момент времени. Отличие PVC в сетях Х.25 от выделенной линии типа 64 Кбит/с состоит в том, что пользователь не имеет никаких гарантий относительно действительной пропускной способности PVC. Использование PVC обычно намного дешевле, чем аренда выделенной линии, так как пользователь делит пропускную способность сети с другими пользователями,

Режим продвижения пакетов на основе готовой таблицы коммутации портов обычно называют не маршрутизацией, а коммутацией и относят не к третьему, а ко второму (канальному) уровню стека протоколов.

Принцип маршрутизации пакетов на основе виртуальных каналов поясняется на рис. 6.21. При установлении соединения между конечными узлами используется специальный тип пакета — запрос на установление соединения (обычно называемый Call Request), который содержит многоразрядный (в примере семиразрядный) адрес узла назначения,

Пусть конечный узел с адресом 1581120 начинает устанавливать виртуальное соединение с узлом с адресом 1581130. Одновременно с адресом назначения в пакете Call Request указывается и номер виртуального соединения VCI. Этот номер имеет локальное значение для порта компьютера, через который устанавливается соединение. Через один порт можно установить достаточно большое количество виртуальных соединений, поэтому программное обеспечение протокола глобальной сети в компьютере просто выбирает свободный в данный момент для данного порта номер. Если через порт уже проложено 3 виртуальных соединения, то для нового соединения будет выбран номер 4, по которому всегда можно будет отличить пакеты данного соединения от пакетов других соединений, приходящих на этот порт.

Далее пакет типа Call Request с адресом назначения 1581130, номером VCI4 и адресом источника 1581120 отправляется в порт 1 коммутатора К1 сети. Адрес назначения используется для маршрутизации пакета на основании таблиц маршрутизации, аналогичных таблицам маршрутизации протокола IP, но с более простой структурой каждой записи. Запись состоит из адреса назначения и номера порта, на который нужно переслать пакет. Адрес следующего коммутатора не нужен, так как все связи между коммутаторами являются связями типа «точка-точка», множественных соединений между портами нет. Стандарты глобальных сетей обычно не описывают какой-либо протокол обмена маршрутной информацией, подобный RIP или OSPF, позволяющий коммутаторам сети автоматически строить таблицы маршрутизации. Поэтому в таких сетях администратор обычно вручную составляет подобную таблицу, указывая для обеспечения отказоустойчивости основной и резервный пути для каждого адреса назначения. Исключением являются сети ATM, для которых разработан протокол маршрутизации PNNI, основанный на алгоритме состояния связей.

Рис. 11.21 Коммутация в сетях с виртуальными соединениями

В приведенном примере в соответствии с таблицей маршрутизации оказалось необходимым передать пакет Call Request с порта 1 на порт 3. Одновременно с передачей пакета маршрутизатор изменяет номер виртуального соединения пакета — он присваивает пакету первый свободный номер виртуального канала для выходного порта данного коммутатора. Каждый конечный узел и каждый коммутатор ведет свой список занятых и свободных номеров виртуальных соединений для всех своих портов. Изменение номера виртуального канала делается для того, чтобы при продвижении пакетов в обратном направлении (а виртуальные каналы обычно работают в дуплексном режиме), можно было отличить пакеты данного виртуального канала от пакетов других виртуальных каналов, уже проложенных через порт 3. В примере через порт 3 уже проходит несколько виртуальных каналов, причем самый старший занятый номер — это номер 9. Поэтому коммутатор меняет номер прокладываемого виртуального канала с 4 на 10.

Кроме таблицы маршрутизации для каждого порта составляется таблица коммутации. В таблице коммутации входного порта 1 маршрутизатор отмечает, что в дальнейшем пакеты, прибывшие на этот порт с номером VCI равным 4 должны передаваться на порт 3, причем номер виртуального канала должен быть изменен на 10. Одновременно делается и соответствующая запись в таблице коммутации порта 3 — пакеты, пришедшие по виртуальному каналу 10 в обратном направлении нужно передавать на порт с номером 1, меняя номер виртуального канала на 4. Таким образом, при получении пакетов в обратном направлении компьютер-отправитель получает пакеты с тем же номером VCI, с которым он отправлял их в сеть.

В результате действия такой схемы пакеты данных уже не несут длинные адреса конечных узлов, а имеют в служебном поле только номер виртуального канала, на основании которого и производится маршрутизация всех пакетов, кроме пакета запроса на установление соединения. В сети прокладывается виртуальный канал, который не изменяется в течение всего времени существования соединения. Его номер меняется от коммутатора к коммутатору, но для конечных узлов он остается постоянным.

За уменьшение служебного заголовка приходится платить невозможностью баланса трафика внутри виртуального соединения. При отказе какого-либо канала соединение приходится также устанавливать заново.

По существу, техника виртуальных каналов позволяет реализовать два режима продвижения пакетов — стандартный режим маршрутизации пакета на основании адреса назначения и режим коммутации пакетов на основании номера виртуального канала. Эти режимы применяются поэтапно, причем первый этап состоит в маршрутизации всего одного пакета — запроса на установление соединения.

Техника виртуальных каналов имеет свои достоинства и недостатки по сравнению с техникой IP- или IPX-маршрутизации. Маршрутизация каждого пакета без предварительного установления соединения (ни IP, ни IPX не работают с установлением соединения) эффективна для кратковременных потоков данных. Кроме того, возможно распараллеливание трафика для повышения производительности сети при наличии параллельных путей в сети. Быстрее отрабатывается отказ маршрутизатора или канала связи, так как последующие пакеты просто пойдут по новому пути (здесь, правда, нужно учесть время установления новой конфигурации в таблицах маршрутизации). При использовании виртуальных каналов очень эффективно передаются через сеть долговременные потоки, но для кратковременных этот режим не очень подходит, так как на установление соединения обычно уходит много времени — даже коммутаторы технологии ATM, работающие на очень высоких скоростях, тратят на установление соединения по 5-10 мс каждый. Из-за этого обстоятельства компания Ipsilon разработала несколько лет назад технологию IP-switching, которая вводила в сети ATM, работающие по описанному принципу виртуальных каналов, режим передачи ячеек без предварительного установления соединения. Эта технология действительно ускоряла передачу через сеть кратковременных потоков IP-пакетов, поэтому она стала достаточно популярной, хотя и не приобрела статус стандарта. В главе 5 были рассмотрены методы ускорения маршрутизации трафика IP в локальных сетях. Особенностью всех подобных методов является ускорение передачи долговременных потоков пакетов. Технология IP-switching делает то же самое, но для кратковременных потоков, что хорошо отражает рассмотренные особенности каждого метода маршрутизации — маршрутизации на индивидуальной основе или на основе потоков пакетов, для которых прокладывается виртуальный канал.

Сети Х.25 являются на сегодняшний день самыми распространенными сетями с коммутацией пакетов, используемыми для построения корпоративных сетей. Основная причина такой ситуации состоит в том, что долгое время сети Х.25 были единственными доступными сетями с коммутацией пакетов коммерческого типа, в которых давались гарантии коэффициента готовности сети. Сеть Internet также имеет долгую историю существования, но как коммерческая сеть она начала эксплуатироваться совсем недавно, поэтому для корпоративных пользователей выбора не было. Кроме того, сети Х.25 хорошо работают на ненадежных линиях благодаря протоколам с установлением соединения и коррекцией ошибок на двух уровнях — канальном и сетевом.

Стандарт Х.25 «Интерфейс между оконечным оборудованием данных и аппаратурой передачи данных для терминалов, работающих в пакетном режиме в сетях передачи данных общего пользования» был разработан комитетом CCITT в 1974 году и пересматривался несколько раз. Стандарт наилучшим образом подходит для передачи трафика низкой интенсивности, характерного для терминалов, и в меньшей степени соответствует более высоким требованиям трафика локальных сетей. Как видно из названия, стандарт не описывает внутреннее устройство сети Х.25, а только определяет пользовательский интерфейс с сетью. Взаимодействие двух сетей Х.25 определяет стандарт Х.75.

Технология сетей Х.25 имеет несколько существенных признаков, отличающих ее от других технологий.

Асинхронные старт-стопные терминалы подключаются к сети через устройства PAD, Они могут быть встроенными или удаленными. Встроенный PAD обычно расположен в стойке коммутатора. Терминалы получают доступ ко встроенному устройству PAD по телефонной сети с помощью модемов с асинхронным интерфейсом. Встроенный PAD также подключается к телефонной сети с помощью нескольких модемов с асинхронным интерфейсом. Удаленный PAD представляет собой небольшое автономное устройство, подключенное к коммутатору через выделенный канал связи Х.25. К удаленному устройству PAD терминалы подключаются по асинхронному интерфейсу, обычно для этой цели используется интерфейс RS-232C. Один PAD обычно обеспечивает доступ для 8,16 или 24 асинхронных терминалов.

К основным функциям PAD, определенных стандартом Х.З, относятся:

Терминалы не имеют конечных адресов сети Х.25. Адрес присваивается порту PAD, который подключен к коммутатору пакетов Х.25 с помощью выделенного канала.

Несмотря на то что задача подключения «неинтеллектуальных» терминалов к удаленным компьютерам возникает сейчас достаточно редко, функции PAD все еще остаются востребованными. Устройства PAD часто используются для подключения к сетям Х.25 кассовых терминалов и банкоматов, имеющих асинхронный интерфейс RS-232.

Стандарт Х.28 определяет параметры терминала, а также протокол взаимодействия терминала с устройством PAD. При работе на терминале пользователь сначала проводит некоторый текстовый диалог с устройством PAD, используя стандартный набор символьных команд. PAD может работать с терминалом в двух режимах: управляющем и передачи данных. В управляющем режиме пользователь с помощью команд может указать адрес компьютера, с которым нужно установить соединение по сети Х.25, а также установить некоторые параметры работы PAD, например выбрать специальный символ для обозначения команды немедленной отправки пакета, установить режим эхо-ответов символов, набираемых на клавиатуре, от устройства PAD (при этом дисплей не будет отображать символы, набираемые на клавиатуре до тех пор, пока они не вернутся от PAD — это обычный локальный режим работы терминала с компьютером). При наборе комбинации клавиш Ctrl+P PAD переходит в режим передачи данных и воспринимает все последующие символы как данные, которые нужно передать в пакете Х.25 узлу назначения.

В сущности, протоколы Х.З и Х.28 определяют протокол эмуляции терминала, подобный протоколу telnet стека TCP/IP. Пользователь с помощью устройства PAD устанавливает соединение с нужным компьютером, а затем может вести уже диалог с операционный системой этого компьютера (в режиме передачи данных устройством PAD), запуская нужные программы и просматривая результаты их работы на своем экране, как и при локальном подключении терминала к компьютеру.

Компьютеры и локальные сети обычно подключаются к сети Х.25 непосредственно через адаптер Х.25 или маршрутизатор, поддерживающий на своих интерфейсах протоколы Х.25. Для управления устройствами PAD в сети существует протокол Х.29, с помощью которого узел сети может управлять и конфигурировать PAD удаленно, по сети. При необходимости передачи данных компьютеры, подключенные к сети Х.25 непосредственно, услугами PAD не пользуются, а самостоятельно устанавливают виртуальные каналы в сети и передают по ним данные в пакетах Х.25.

Если сеть Х.25 не связана с внешним миром, то она может использовать адрес любой длины (в пределах формата поля адреса) и давать адресам произвольные значения. Максимальная длина поля адреса в пакете Х.25 составляет 16 байт.

Рекомендация Х.121 CCITT определяет международную систему нумерации адресов для сетей передачи данных общего пользования. Если сеть Х.25 хочет обмениваться данными с другими сетями Х.25, то в ней нужно придерживаться адресации стандарта Х.121.

Адреса Х.121 (называемые также International Data Numbers, IDN) имеют разную длину, которая может доходить до 14 десятичных знаков. Первые четыре цифры IDN называют кодом идентификации сети (Data Network Identification Code, DNIC). DNIC поделен на две части; первая часть (3 цифры) определяет страну, в которой находится сеть, а вторая — номер сети Х.25 в данной стране. Таким образом, внутри каждой страны можно организовать только 10 сетей Х.25. Если же требуется перенумеровать больше, чем 10 сетей для одной страны, проблема решается тем, что одной стране дается несколько кодов. Например, Россия имела до 1995 года один код — 250, а в 1995 году ей был выделен еще один код — 251. Остальные цифры называются номером национального терминала (National Terminal Numbe, NTN). Эти цифры позволяют идентифицировать определенный DTE в сети Х.25.

Международные сети Х.25 могут также использовать международный стандарт нумерации абонентов ISO 7498, описанный выше.

По стандарту ISO 7498 для нумерации сетей Х.25 к адресу в формате Х.121 добавляется только один байт префикса, несущий код 36 (использование в адресе только кодов десятичных цифр) или 37 (использование произвольных двоичных комбинаций). Этот код позволяет универсальным коммутаторам, например коммутаторам сети ISDN, поддерживающим также и коммутацию пакетов Х.25, автоматически распознавать тип адреса и правильно выполнять маршрутизацию запроса на установление соединения.

Стандарты сетей Х.25 описывают 3 уровня протоколов (рис. 11.23).

Транспортный уровень может быть реализован в конечных узлах, но он стандартом не определяется.

Протокол физического уровня канала связи не оговорен, и это дает возможность использовать каналы разных стандартов.

На канальном уровне обычно используется протокол LAP-B. Этот протокол обеспечивает сбалансированный режим работы, то есть оба узла, участвующих в соединении, равноправны. По протоколу LAP-В устанавливается соединение между пользовательским оборудованием ВТЕ (компьютером, IP- или IPX-маршрутизатором) и коммутатором сети. Хотя стандарт это и не оговаривает, но по протоколу LAP-B возможно также установление соединения на канальном уровне внутри сети между непосредственно связанными коммутаторами. Протокол LAP-В почти во всех отношениях идентичен протоколу LLC2, описанному в главе 3, кроме адресации. Кадр LAP-B содержит одно однобайтовое адресное поле (а не два — DSAP и SSAP), в котором указывается не адрес службы верхнего уровня, а направление передачи кадра — 0x01 для направления команд от DTE к ВСЕ (в сеть) или ответов от ВСЕ к DTE (из сети) и 0x03 для направления ответов от DTE к ВСЕ или команд от ВСЕ к ВТЕ. Поддерживается как нормальный режим (с максимальным окном в 8 кадров и однобайтовым полем управления), так и расширенный режим (с максимальным окном в 128 кадров и двухбайтовым полем управления).

Сетевой уровень Х.25/3 (в стандарте он назван не сетевым, а пакетным уровнем) реализуется с использованием 14 различных типов пакетов, по назначению аналогичных типам кадров протокола LAP-B. Так как надежную передачу данных обеспечивает протокол LAP-B, протокол Х.25/3 выполняет функции маршрутизации пакетов, установления и разрыва виртуального канала между конечными абонентами сети и управления потоком пакетов.

После установления соединения на канальном уровне конечный узел должен установить виртуальное соединение с другим конечным узлом сети. Для этого он в кадрах LAP-B посылает пакет Call Request протокола Х.25. Формат пакета Call Request показан на рис. 11.24.

Поля, расположенные в первых трех байтах заголовка пакета, используются во всех типах кадров протокола Х.25. Признаки Q и D и Modulo расположены в старшей части первого байта заголовка. Признак Q предназначен для распознавания на сетевом уровне типа информации в поле данных пакета. При получении пакета информация, расположенная в поле данных, а также значение бита Q передается верхним уровням пользовательского стека протоколов (непосредственно транспортному уровню этого стека). Значение Q=l означает управляющую пользовательскую информацию, а Q=0 — данные. Признак D означает подтверждение приема пакета узлом назначения. Обычный механизм подтверждения принятия пакетов с помощью квитанций имеет для протокола Х.25 только локальный смысл — прием пакета подтверждает ближайший коммутатор сети, через который конечный узел запросил и установил виртуальное соединение. Если же узел-источник запросил подтверждение приема конечным узлом, то это подтверждение индицируется установкой бита D (delivery confirmation) в пакетах, идущих от узла назначения.

Признак Modulo говорит о том, по какому модулю — 8 или 128 — ведется нумерация пакетов. Значение 10 означает модуль 128, а 01 — модуль 8.

Поле Номер логической группы (Lodical Group Number, LGN) содержит значение номера логической группы виртуального канала. Каналы образуют логические группы по функциональному признаку, например:

Максимальное количество логических групп -12, хотя в конкретной сети допустимо и меньшее количество.

Поле Номер логического канала (Logical Channel Number, LCN) содержит номер виртуального канала, назначаемый узлом-источником (для коммутируемых виртуальных каналов) или администратором сети (для постоянных виртуальных каналов). Максимальное количество виртуальных каналов, проходящих через один порт, равно 256.

Поле Tim (Tyре) указывает тип пакета. Например, для пакета Call Request отведено значение типа, равное ОхОВ. Младший бит этого поля определяет, является ли пакет управляющим (бит равен 1) или пакетом данных (бит равен 0). Значение ОхОВ содержит 1 в младшем бите, поэтому это управляющий пакет, а остальные биты в этом случае определяют подтип пакета. В пакете данных остальные биты поля Tyре используются для переноса номеров квитанций N(S) и N(R).

Следующие два поля определяют длину адресов назначения и источника (DA и SA) в пакете. Запрос на установление виртуального канала указывает оба адреса. Первый адрес нужен для маршрутизации пакета Call Request, а второй — для принятия решения узлом назначения о возможности установления виртуального соединения с данным узлом-источником. Если узел назначения решает принять запрос, то он должен отправить пакет Call Accepted — «Запрос принят», в котором также указать оба адреса, поменяв их, естественно, местами. Адреса могут иметь произвольный формат или же соответствовать требованиям стандарта Х.121 или ISO 7498.

Сами адреса назначения и источника занимают отведенное им количество байт в следующих двух полях.

Поля Длина поля услуг (Facilities length) и Услуги (Facilities) нужны для согласования дополнительных услуг, которые оказывает сеть абоненту. Например, услуга «Идентификатор пользователя сети» позволяет задать идентификатор пользователя (отличный от его сетевого адреса), на основании которого могут оплачиваться счета за пользование сетью. Пользователь с помощью услуги «Согласование параметров управления потоком» может попросить сеть использовать нестандартные значения параметров протокола — размера окна, максимального размера поля данных пакета и т. п. Протокол Х.25 допускает следующие максимальные значения длины поля данных: 16,32, 64,128, 256, 512 и 1024 байт. Предпочтительной является длина 128 байт.

Пакет Call Request принимается коммутатором сети и маршрутизируется на основании таблицы маршрутизации, прокладывая при этом виртуальный канал. Начальное значение номера виртуального канала задает пользователь в этом пакете в поле LCN (аналог поля VCI, упоминавшегося при объяснении принципа установления виртуальных каналов). Протокол маршрутизации для сетей Х.25 не определен.

Для сокращения размера адресных таблиц в коммутаторах в сетях Х.25 реализуется принцип агрегирования адресов. Все терминалы, имеющие общий префикс в адресе, подключаются при этом к общему входному коммутатору подсети, соответствующей значению префикса. Например, если путь ко всем терминалам, имеющим адреса с префиксом 250 720, пролегает через общий коммутатор К1, то в таблице маршрутизации коммутаторов, через которые проходит путь к коммутатору К1, помещается единственная запись — 250 720, которая соответствует как конечному узлу 250 720 11, так и конечному узлу 250 720 26. Маски в коммутаторах не используются, а младшие разряды адреса, которые не нужны при маршрутизации, просто опускаются.

После установления виртуального канала конечные узлы обмениваются пакетами другого формата — формата пакетов данных (пакет Data). Этот формат похож на описанный формат пакета Call Request — первые три байта в нем имеют те же поля, а адресные поля и поля услуг отсутствуют. Пакет данных не имеет поля, которое бы определяло тип переносимых в пакете данных, то есть поля, аналогичного полю Protocol в IP-пакете. Для устранения этого недостатка первый байт в поле данных всегда интерпретируется как признак типа данных.

Коммутаторы (ЦКП) сетей Х.25 представляют собой гораздо более простые и дешевые устройства по сравнению с маршрутизаторами сетей TCP/IP. Это объясняется тем, что они не поддерживают процедур обмена маршрутной информацией и нахождения оптимальных маршрутов, а также не выполняют преобразований форматов кадров канальных протоколов. По принципу работы они ближе к коммутаторам локальных сетей, чем к маршрутизаторам. Однако работа, которую выполняют коммутаторы Х.25 над пришедшими кадрами, включает больше этапов, чем при продвижении кадров коммутаторами локальных сетей. Коммутатор Х.25 должен принять кадр LAP-B и ответить на него другим кадром LAP-B, в котором подтвердить получение кадра с конкретным номером. При утере или искажении кадра коммутатор должен организовать повторную передачу кадра. Если же с кадром LAP-B все в порядке, то коммутатор должен извлечь пакет Х.25, на основании номера виртуального канала определить выходной порт, а затем сформировать новый кадр LAP-В для дальнейшего продвижения пакета. Коммутаторы локальных сетей такой работой не занимаются и просто передают кадр в том виде, в котором он пришел, на выходной порт.

В результате производительность коммутаторов Х.25 оказывается обычно невысокой — несколько тысяч пакетов в секунду. Для низкоскоростных каналов доступа, которыми много лет пользовались абоненты этой сети (1200-9600 бит/с), такой производительности коммутаторов хватало для работы сети.

Гарантий пропускной способности сеть Х.25 не дает. Максимум, что может сделать сеть, — это приоритезировать трафик отдельных виртуальных каналов. Приоритет канала указывается в запросе на установление соединения в поле услуг.

Протоколы сетей Х.25 были специально разработаны для низкоскоростных линий с высоким уровнем помех. Именно такие линии составляют пока большую часть телекоммуникационной структуры нашей страны, поэтому сети Х.25 будут по-прежнему еще долго являться наиболее рациональным выбором для многих регионов.

Сети frame relay — сравнительно новые сети, которые гораздо лучше подходят для передачи пульсирующего трафика локальных сетей по сравнению с сетями Х.25, правда, это преимущество проявляется только тогда, когда каналы связи приближаются по качеству к каналам локальных сетей, а для глобальных каналов такое качество обычно достижимо только при использовании волоконно-оптических кабелей.

Преимущество сетей frame relay заключается в их низкой протокольной избыточности и дейтаграммном режиме работы, что обеспечивает высокую пропускную способность и небольшие задержки кадров. Надежную передачу кадров технология frame relay не обеспечивает. Сети frame relay специально разрабатывались как общественные сети для соединения частных локальных сетей. Они обеспечивают скорость передачи данных до 2 Мбит/с.

Особенностью технологии frame relay является гарантированная поддержка основных показателей качества транспортного обслуживания локальных сетей — средней скорости передачи данных по виртуальному каналу при допустимых пульсациях трафика. Кроме технологии frame relay гарантии качества обслуживания на сегодня может предоставить только технология ATM, в то время как остальные технологии предоставляют требуемое качество обслуживания только в режиме «с максимальными усилиями» (best effort), то есть без гарантий.

Технология frame relay в сетях ISDN стандартизована как служба. В рекомендациях 1.122, вышедших в свет в 1988 году, эта служба входила в число дополнительных служб пакетного режима, но затем уже при пересмотре рекомендаций в 1992-93 гг. она была названа службой frame relay и вошла в число служб режима передачи кадров наряду со службой frame switching. Служба frame switching работает в режиме гарантированной доставки кадров с регулированием потока. На практике поставщики телекоммуникационных услуг предлагают только службу frame relay.

Технология frame relay сразу привлекла большое внимание ведущих телекоммуникационных компаний и организаций по стандартизации. В ее становлении и стандартизации помимо CCITT (ITU-T) активное участие принимают Frame Relay Forum и комитет T1S1 института ANSI.

Некоммерческую организацию Frame Relay Forum образовали в 1990 году компании Cisco Systems, StrataCom (сегодня — подразделение Cisco Systems), Northern Telecom и Digital Equipment Corporation для развития и конкретизации стандартов CCITT и ANSI. Спецификации Frame Relay Forum носят название FRF и имеют порядковые номера. Спецификации FRF часто стандартизуют те аспекты технологии frame relay, которые еще не нашли свое отражение в стандартах ITU-T и ANSI. Например, спецификация FRF.11 определяет режим передачи голоса по сетям frame relay.

Консорциум Frame Relay Forum разработал спецификацию, отвечающую требованиям базового протокола frame relay, разработанного T1S1 и CCITT. Однако консорциум расширил базовый протокол, включив дополнительные возможности по управлению сетью со стороны пользователя, что очень важно при использовании сетей frame relay в сложных составных корпоративных сетях. Эти дополнения к frame relay называют обобщенно Local Management Interface (LMI) — локальный интерфейс управления.

Стандарты ITU-T обычно отличаются высоким уровнем сложности и наличием многих возможностей, которые достаточно трудно воплотить на практике. Спецификации Frame Relay Forum упрощают некоторые аспекты стандартов ITU-T или отбрасывают некоторые возможности. Так, технология frame switching не нашла своего отражения в спецификациях FRF, а процедуры создания коммутируемых виртуальных каналов появились в спецификациях FRF позже, чем в стандартах ITU-T, и оказались более простыми.

Стандарты frame relay, как ITU-T/ANSI, так и Frame Relay Forum, определяют два типа виртуальных каналов — постоянные (PVC) и коммутируемые (SVC). Это соответствует потребностям пользователей, так как для соединений, по которым трафик передается почти всегда, больше подходят постоянные каналы, а для соединений, которые нужны только на несколько часов в месяц, больше подходят коммутируемые каналы.

Однако производители оборудования frame relay и поставщики услуг сетей frame relay начали с поддержки только постоянных виртуальных каналов. Это, естественно, является большим упрощением технологии. Тем не менее в последние годы оборудование, поддерживающее коммутируемые виртуальные каналы, появилось, и появились поставщики, предлагающие такую услугу.

Технология frame relay использует для передачи данных технику виртуальных соединений, аналогичную той, которая применялась в сетях Х.25, однако стек протоколов frame relay передает кадры (при установленном виртуальном соединении) по протоколам только физического и канального уровней, в то время как в сетях Х.25 и после установления соединения пользовательские данные передаются протоколом 3-го уровня.

Кроме того, протокол канального уровня LAP-F в сетях frame relay имеет два режима работы — основной (core) и управляющий (control). В основном режиме, который фактически практикуется в сегодняшних сетях frame relay, кадры передаются без преобразования и контроля, как и в коммутаторах локальных сетей. За счет этого сети frame relay обладают весьма высокой производительностью, так как кадры в коммутаторах не подвергаются преобразованию, а сеть не передает квитанции подтверждения между коммутаторами на каждый пользовательский кадр, как это происходит в сети Х.25. Пульсации трафика передаются сетью frame relay достаточно быстро и без больших задержек.

При таком подходе уменьшаются накладные расходы при передаче пакетов локальных сетей, так как они вкладываются сразу в кадры канального уровня, а не в пакеты сетевого уровня, как это происходит в сетях Х.25.

Структура стека (рис. 11.25) хорошо отражает происхождение технологии frame relay в недрах технологии ISDN, так как сети frame relay заимствуют многое из стека протоколов ISDN, особенно в процедурах установления коммутируемого виртуального канала.

Основу технологии составляет протокол LAP-F core, который является весьма упрощенной версией протокола LAP-D. Протокол LAP-F (стандарт Q.922 ITU-T) работает на любых каналах сети ISDN, а также на каналах типа Т1/Е1. Терминальное оборудование посылает в сеть кадры LAP-F в любой момент времени, считая что виртуальный канал в сети коммутаторов уже проложен. При использовании PVC оборудованию frame relay нужно поддерживать только протокол LAP-F core.

Протокол LAP-F contol является необязательной надстройкой над LAP-F core, которая выполняет функции контроля доставки кадров и управления потоком. С помощью протокола LAP-F control сетью реализуется служба frame switching.

Для установки коммутируемых виртуальных каналов стандарт ITU-T предлагает канал D пользовательского интерфейса. На нем по-прежнему работает знакомый протокол LAP-D, который используется для надежной передачи кадров в сетях ISDN. Поверх этого протокола работает протокол Q.931 или протокол Q.933 (который является упрощением и модификацией протокола Q.931 ISDN), устанавливающий виртуальное соединение на основе адресов конечных абонентов (в стандарте Е.164 или ISO 7498), а также номера виртуального соединения, который в технологии frame relay носит название Data Link Connection Identifier — DLCI.

После того как коммутируемый виртуальный канал в сети frame relay установлен посредством протоколов LAP-D и Q.931/933, кадры могут транслироваться по протоколу LAP-F, который коммутирует их с помощью таблиц коммутации портов, в которых используются локальные значения DLCI. Протокол LAP-F core выполняет не все функции канального уровня по сравнению с протоколом LAP-D, поэтому ITU-T изображает его на пол-уровня ниже, чем протокол LAP-D, оставляя место для функций надежной передачи пакетов протоколу LAP-F control.

Из-за того, что технология frame relay заканчивается на канальном уровне, она хорошо согласуется с идеей инкапсуляции пакетов единого сетевого протокола, например IP, в кадры канального уровня любых сетей, составляющих интерсеть. Процедуры взаимодействия протоколов сетевого уровня с технологией frame relay стандартизованы, например, принята спецификация RFC 1490, определяющая методы инкапсуляции в трафик frame relay трафика сетевых протоколов и протоколов канального уровня локальных сетей и SNA.

Другой особенностью технологии frame relay является отказ от коррекции обнаруженных в кадрах искажений. Протокол frame relay подразумевает, что конечные узлы будут обнаруживать и корректировать ошибки за счет работы протоколов транспортного или более высоких уровней. Это требует некоторой степени интеллектуальности от конечного оборудования, что по большей части справедливо для современных локальных сетей. В этом отношении технология frame relay близка к технологиям локальных сетей, таким как Ethernet, Token Ring и FDDI, которые тоже только отбрасывают искаженные кадры, но сами не занимаются их повторной передачей.

Структура кадра протокола LAP-F приведена на рис. 11.26.

За основу взят формат кадра HDLC, но поле адреса существенно изменило свой формат, а поле управления вообще отсутствует.

Поле номера виртуального соединения (Data Link Connection Identifier, DLCI) состоит из 10 битов, что позволяет использовать до 1024 виртуальных соединений. Поле DLCI может занимать и большее число разрядов — этим управляют признаки ЕАО и ЕА1 (Extended Address — расширенный адрес). Если бит в этом признаке установлен в ноль, то признак называется ЕАО и означает, что в следующем байте имеется продолжение поля адреса, а если бит признака равен 1, то поле называется ЕА1 и индицирует окончание поля адреса.

Десятиразрядный формат DLCI является основным, но при использовании трех байт для адресации поле DLCI имеет длину 16 бит, а при использовании четырех байт — 23 бита.

Стандарты frame relay (ANSI, ITU-T) распределяют адреса DLCI между пользователями и сетью следующим образом:

Таким образом, в любом интерфейсе frame relay для оконечных устройств пользователя отводится 976 адресов DLCI.

Поле C/R имеет обычный для протокола семейства HDLC смысл — это признак «команда-ответ».

Поля DE, FECN и BECN используются протоколом для управлением трафиком и поддержания заданного качества обслуживания виртуального канала.

Способность технологии frame relay гарантировать некоторые параметры качества обслуживания (QoS) является ключевой. Именно поэтому данная технология получила широкое распространение и считается одной из самых перспективных технологий глобальных сетей.

Технология frame relay благодаря особому подходу гарантированно обеспечивает основные параметры качества транспортного обслуживания, необходимые при объединении локальных сетей.

Вместо приоритезации трафика используется процедура заказа качества обслуживания при установлении соединения, отсутствующая в сетях Х.25 и пробивающая себе дорогу в сетях TCP/IP в форме экспериментального протокола RSVP, который пока не поддерживается поставщиками услуг Internet. В технологии frame relay заказ и поддержание качества обслуживания встроен в технологию.

Для каждого виртуального соединения определяется несколько параметров, влияющих на качество обслуживания.

Если эти величины определены, то время Т определяется формулой: Т = Bc/CIR. Можно задать значения CIR и Т, тогда производной величиной станет величина всплеска трафика Вс.

Соотношение между параметрами CIR, Bc, Be и Т иллюстрирует рис. 11.27.

Рис. 11.27 Реакция сети на поведение пользователя: R— скорость канала доступа; I,— 1₄ — кадры

Гарантий по задержкам передачи кадров технология frame relay не дает, оставляя эту услугу сетям ATM.

Основным параметром, по которому абонент и сеть заключают соглашение при установлении виртуального соединения, является согласованная скорость передачи данных. Для постоянных виртуальных каналов это соглашение является частью контракта на пользование услугами сети. При установлении коммутируемого виртуального канала соглашение о качестве обслуживания заключается автоматически с помощью протокола Q.931/933 — требуемые параметры CIR, Вс и Be передаются в пакете запроса на установление соединения.

Так как скорость передачи данных измеряется на каком-то интервале времени, то интервал Т и является таким контрольным интервалом, на котором проверяются условия соглашения. В общем случае пользователь не должен за этот интервал передать в сеть данные со средней скоростью, превосходящей CIR. Если же он нарушает соглашение, то сеть не только не гарантирует доставку кадра, но помечает этот кадр признаком DE (Discard Eligibility), равным 1, то есть как кадр, подлежащий удалению. Однако кадры, отмеченные таким признаком, удаляются из сети только в том случае, если коммутаторы сети испытывают перегрузки. Если же перегрузок нет, то кадры с признаком DE=1 доставляются адресату.

Такое щадящее поведение сети соответствует случаю, когда общее количество данных, переданных пользователем в сеть за период Т, не превышает объема Вс+Ве. Если же этот порог превышен, то кадр не помечается признаком DE, а немедленно удаляется из сети.

На рис. 11.27 изображен случай, когда за интервал времени Т в сеть по виртуальному каналу поступило 5 кадров. Средняя скорость поступления информации в сеть составила на этом интервале R бит/с, и она оказалась выше CIR. Кадры fl, £2 и f3 доставили в сеть данные, суммарный объем которых не превысил порог Вс, поэтому эти кадры ушли дальше транзитом с признаком DE=0. Данные кадра £4, прибавленные к данным кадров fl, f2 и f3, уже превысили порог Вс, но еще не превысили порога Вс+Ве, поэтому кадр £4 также ушел дальше, но уже с признаком DE-1. Данные кадра £5, прибавленные к данным предыдущих кадров, превысили порог Вс+Ве, поэтому этот кадр был удален из сети.

Для контроля соглашения о параметрах качества обслуживания все коммутаторы сети frame relay выполняют так называемый алгоритм «дырявого ведра» (Leaky Bucket). Алгоритм использует счетчик С поступивших от пользователя байт. Каждые Т секунд этот счетчик уменьшается на величину Вс (или же сбрасывается в 0, если значение счетчика меньше, чем Вс). Все кадры, данные которых не увеличили значение счетчика свыше порога Вс, пропускаются в сеть со значением признака DE-0. Кадры, данные которых привели к значению счетчика, большему Вс, но меньшему Вс+Ве, также передаются в сеть, но с признаком DE=1. И наконец, кадры, которые привели к значению счетчика, большему Вс+Ве, отбрасываются коммутатором.

Пользователь может договориться о включении не всех параметров качества обслуживания на данном виртуальном канале, а только некоторых.

Например, можно использовать только параметры CIR и Вс. Этот вариант дает более качественное обслуживание, так как кадры никогда не отбрасываются коммутатором сразу. Коммутатор только помечает кадры, которые превышают порог Вс за время Т, признаком DE=1. Если сеть не сталкивается с перегрузками, то кадры такого канала всегда доходят до конечного узла, даже если пользователь постоянно нарушает договор с сетью.

Популярен еще один вид заказа на качество обслуживания, при котором оговаривается только порог Be, а скорость CIR полагается равной нулю. Все кадры такого канала сразу же отмечаются признаком DE=1, но отправляются в сеть, а при превышении порога Be они отбрасываются. Контрольный интервал времени Т в этом случае вычисляется как Be/R, где R — скорость доступа канала.

На рис. 11.28 приведен пример сети frame relay с пятью удаленными региональными отделениями корпорации. Обычно доступ к сети осуществляется каналами с

большей чем CIR пропускной способностью. Но при этом пользователь платит не за пропускную способность канала, а за заказанные величины CIR, Be и Be. Так, при использовании в качестве канала доступа канала Т1 и заказа службы со скоростью CIR, равной 128 Кбит/с, пользователь будет платить только за скорость 128 Кбит/с, а скорость канала Т1 в 1,544 Мбит/с будет влиять на верхнюю границу возможной пульсации Вс+Ве.

Параметры качества обслуживания могут быть различными для разных направлений виртуального канала. Так, на рис. 6.28 абонент 1 соединен с абонентом 2 виртуальным каналом с DLCI=136. При направлении от абонента 1 к абоненту 2 канал имеет среднюю скорость 128 Кбит/с с пульсациями Вс=256 Кбит (интервал Т составил 1 с) и Ве=64 Кбит. А при передаче кадров в обратном направлении средняя скорость уже может достигать значения 256 Кбит/с с пульсациями Вс=512 Кбит и Ве=128 Кбит.

Механизм заказа средней пропускной способности и максимальной пульсации является основным механизмом управления потоками кадров в сетях frame relay. Соглашения должны заключаться таким образом, чтобы сумма средних скоростей виртуальных каналов не превосходила возможностей портов коммутаторов. При заказе постоянных каналов за это отвечает администратор, а при установлении коммутируемых виртуальных каналов — программное обеспечение коммутаторов. При правильно взятых на себя обязательствах сеть борется с перегрузками путем удаления кадров с признаком DE=1 и кадров, превысивших порог Вс+Ве.

Тем не менее в технологии frame relay определен еще и дополнительный (необязательный) механизм управления кадрами. Это механизм оповещения конечных пользователей о том, что в коммутаторах сети возникли перегрузки (переполнение необработанными кадрами). Бит FECN (Forward Explicit Congestion Bit) кадра извещает об этом принимающую сторону. На основании значения этого бита принимающая сторона должна с помощью протоколов более высоких уровней (TCP/IP, SPX и т. п.) известить передающую сторону о том, что та должна снизить интенсивность отправки пакетов в сеть.

Бит BECN (Backward Explicit Congestion Bit) извещает о переполнении в сети передающую сторону и является рекомендацией немедленно снизить темп передачи. Бит BECN обычно отрабатывается на уровне устройств доступа к сети frame relay — маршрутизаторов, мультиплексоров и устройств CSU/DSU. Протокол frame relay не требует от устройств, получивших кадры с установленными битами FECN и BECN, немедленного прекращения передачи кадров в данном направлении, как того требуют кадры RNR сетей Х.25. Эти биты должны служить указанием для протоколов более высоких уровней (TCP, SPX, NCP и т. п.) о снижении темпа передачи пакетов. Так как регулирование потока инициируется в разных протоколах по-разному — как принимающей стороной, так и передающей, — то разработчики протоколов frame relay учли оба направления снабжения предупреждающей информацией о переполнении сети.

В общем случае биты FECN и BECN могут игнорироваться. Но обычно устройства доступа к сети frame relay (Frame Relay Access Device, FRAD) отрабатывают по крайней мере признак BECN.

При создании коммутируемого виртуального канала параметры качества обслуживания передаются в сеть с помощью протокола Q.931. Этот протокол устанавливает виртуальное соединение с помощью нескольких служебных пакетов.

Абонент сети frame relay, который хочет установить коммутируемое виртуальное соединение с другим абонентом, должен передать в сеть по каналу D сообщение SETUP, которое имеет несколько параметров, в том числе:

Коммутатор, с которым соединен пользователь, сразу же передает пользователю пакет CALL PROCEEDING — вызов обрабатывается. Затем он анализирует параметры, указанные в пакете, и если коммутатор может их удовлетворить (располагая, естественно, информацией о том, какие виртуальные каналы на каждом порту он уже поддерживает), то пересылает сообщение SETUP следующему коммутатору. Следующий коммутатор выбирается по таблице маршрутизации. Протокол автоматического составления таблиц маршрутизации для технологии frame relay не определен, поэтому может использоваться фирменный протокол производителя оборудования или же ручное составление таблицы. Если все коммутаторы на пути к конечному узлу согласны принять запрос, то пакет SETUP передается в конечном счете вызываемому абоненту. Вызываемый абонент немедленно передает в сеть пакет CALL PROCEEDING и начинает обрабатывать запрос. Если запрос принимается, то вызываемый абонент передает в сеть новый пакет — CONNECT, который проходит в обратном порядке по виртуальному пути. Все коммутаторы должны отметить, что данный виртуальный канал принят вызываемым абонентом. При поступлении сообщения CONNECT вызывающему абоненту он должен передать в сеть пакет CONNECT ACKNOWLEDGE.

Сеть также должна передать вызываемому абоненту пакет CONNECT ACKNOWLEDGE, и на этом соединение считается установленным. По виртуальному каналу могут передаваться данные.

Услуги frame relay обычно предоставляются теми же операторами, которые эксплуатируют сети Х.25. Большая часть производителей выпускает сейчас коммутаторы, которые могут работать как по протоколам Х.25, так и по протоколам frame relay.

Технология frame relay начинает занимать в территориальных сетях с коммутацией пакетов ту же нишу, которую заняла в локальных сетях технология Ethernet. Их роднит то, что они предоставляют только быстрые базовые транспортные услуги, доставляя кадры в узел назначения без гарантий, дейтаграммным способом. Однако если кадры теряются, то сеть frame realay, как и сеть Ethernet, не предпринимает никаких усилий для их восстановления. Отсюда следует простой вывод — полезная пропускная способность прикладных протоколов при работе через сети frame relay будет зависеть от качества каналов и методов восстановления пакетов на уровнях стека, расположенного над протоколом frame relay. Если каналы качественные, то кадры будут теряться и искажаться редко, так что скорость восстановления пакетов протоколом TCP или NCP будет вполне приемлема. Если же кадры искажаются и теряются часто, то полезная пропускная способность в сети frame relay может упасть в десятки раз, как это происходит в сетях Ethernet при плохом состоянии кабельной системы.

Поэтому сети frame relay следует применять только при наличии на магистральных каналах волоконно-оптических кабелей высокого качества. Каналы доступа могут быть и на витой паре, как это разрешает интерфейс G.703 или абонентское окончание ISDN. Используемая на каналах доступа аппаратура передачи данных должна обеспечить приемлемый уровень искажения данных — не ниже 10-⁶.

На величины задержек сеть frame relay гарантий не дает, и это основная причина, которая сдерживает применение этих сетей для передачи голоса. Передача видеоизображения тормозится и другим отличием сетей frame realy от ATM — низкой скоростью доступа в 2 Мбит/с, что для передачи видео часто недостаточно.

Тем не менее многие производители оборудования для сетей frame relay поддерживают передачу голоса. Поддержка устройствами доступа заключается в присвоении кадрам, переносящим замеры голоса, приоритетов. Магистральные коммутаторы frame relay должны обслуживать такие кадры в первую очередь. Кроме того, желательно, чтобы сеть frame relay, передающая кадры с замерами голоса, была недогруженной. При этом в коммутаторах не возникают очереди кадров, и средние задержки в очередях близки к нулевым.

Необходимо также соблюдение еще одного условия для качественной передачи голоса — передавать замеры голоса необходимо в кадрах небольших размеров, иначе на качество будут влиять задержки упаковки замеров в кадр, так называемые задержки пакетизации, которые более подробно рассматриваются в разделе, посвященном технологии ATM.

Для стандартизации механизмов качественной передачи голоса через сеть frame relay выпущена спецификация FRF.11. Однако в ней решены еще не все проблемы передачи голоса, поэтому работа в этом направлении продолжается.

Ввиду преобладания в коммерческих сетях frame relay услуг постоянных коммутируемых каналов и гарантированной пропускной способности, эти сети предоставляют услуги, очень похожие на услуги дробных выделенных линий Т1/Е1, но только за существенно меньшую плату.

При использовании PVC сеть frame relay хорошо подходит для объединения локальных сетей с помощью мостов, так как в этом случае от моста не нужна поддержка механизма установления виртуального канала, что требует некоторого программного «интеллекта». Мост может отправлять кадры протокола Ethernet или FDDI непосредственно в кадрах LAP-F или же может использовать поверх протокола LAP-F протокол РРР. Стандарт Internet RFC 1490 определяет формат заголовка SNAP для случая передачи через сеть frame relay непосредственно кадров канального уровня.

Чаще доступ к сетям frame relay реализуют не удаленные мосты, а маршрутизаторы, которые в случае поддержки на последовательных портах протокола frame relay как основного называют устройствами доступа FRAD (хотя и мост, и любое устройство, которое поддерживает протоколы UNI frame relay, относятся к классу FRAD).

Так как сети frame relay передают кадры с небольшими задержками, с их помощью часто передают трафик сетей SNA, особенно в том случае, когда они используют такие чувствительные к задержкам протоколы, как SDLC (фирменный протокол канального уровня компании IBM).

Виртуальные каналы в качестве основы построения корпоративной сети имеют один недостаток — при большом количестве точек доступа и смешанном характере связей необходимо большое количество виртуальных каналов, каждый из которых оплачивается отдельно. В сетях с маршрутизацией отдельных пакетов, таких как TCP/IP, абонент платит только за количество точек доступа, а не за количество связей между ними.

Гетерогенность — неотъемлемое качество любой крупной вычислительной сети, и на согласование разнородных компонентов системные интеграторы и администраторы тратят большую часть своего времени. Поэтому любое средство, сулящее перспективу уменьшения неоднородности сети, привлекает пристальный интерес сетевых специалистов. Технология асинхронного режима передачи (Asynchronous Transfer Mode, ATM) разработана как единый универсальный транспорт для нового поколения сетей с интеграцией услуг, которые называются широкополосными сетями ISDN (Broadband-ISDN, B-ISDN).

По планам разработчиков единообразие, обеспечиваемое ATM, будет состоять в том, что одна транспортная технология сможет обеспечить несколько перечисленных ниже возможностей.

Главная идея технологии асинхронного режима передачи была высказана достаточно давно — этот термин ввела лаборатория Bell Labs еще в 1968 году. Основной разрабатываемой технологией тогда была технология ТDМ с синхронными методами коммутации, основанными на порядковом номере байта в объединенном кадре. Главный недостаток технологии TDM, которую также называют технологией синхронной передачи STM (Synchronous Transfer Mode), заключается в невозможности перераспределять пропускную способность объединенного канала между подканалами. В те периоды времени, когда по подканалу не передаются пользовательские данные, объединенный канал все равно передает байты этого подканала, заполненные нулями.

Попытки загрузить периоды простоя подканалов приводят к необходимости введения заголовка для данных каждого подканала. В промежуточной технологии STDM (Statistical TDM), которая позволяет заполнять периоды простоя передачей пульсаций трафика других подканалов, действительно вводятся заголовки, содержащие номер подканала. Данные при этом оформляются в пакеты, похожие по структуре на пакеты компьютерных сетей. Наличие адреса у каждого пакета позволяет передавать его асинхронно, так как местоположение его относительно данных других подканалов уже не является его адресом. Асинхронные пакеты одного подканала вставляются в свободные тайм-слоты другого подканала, но не смешиваются с данными этого подканала, так как имеют собственный адрес.

Технология ATM совмещает в себе подходы двух технологий — коммутации пакетов и коммутации каналов. От первой она взяла на вооружение передачу данных в виде адресуемых пакетов, а от второй — использование пакетов небольшого фиксированного размера, в результате чего задержки в сети становятся более предсказуемыми. С помощью техники виртуальных каналов, предварительного заказа параметров качества обслуживания канала и приоритетного обслуживания виртуальных каналов с разным качеством обслуживания удается добиться передачи в одной сети разных типов трафика без дискриминации. Хотя сети ISDN также разрабатывались для передачи различных видов трафика в рамках одной сети, голосовой трафик явно был для разработчиков более приоритетным. Технология ATM с самого начала разрабатывалась как технология, способная обслуживать все виды трафика в соответствии с их требованиями.

Службы верхних уровней сети B-ISDN должны быть примерно такими же, что и у сети ISDN — это передача факсов, распространение телевизионного изображения, голосовая почта, электронная почта, различные интерактивные службы, например проведение видеоконференций. Высокие скорости технологии ATM создают гораздо больше возможностей для служб верхнего уровня, которые не могли быть реализованы сетями ISDN — например, для передачи цветного телевизионного изображения необходима полоса пропускания в районе 30 Мбит/с. Технология ISDN такую скорость поддержать не может, а для ATM она не составляет больших проблем.

Разработку стандартов ATM осуществляет группа организаций под названием ATM Forum под эгидой специального комитета IEEE, а также комитеты ITU-T и ANSI. ATM — это очень сложная технология, требующая стандартизации в самых различных аспектах, поэтому, хотя основное ядро стандартов было принято в 1993 году, работа по стандартизации активно продолжается. Оптимизм внушает тот факт, что в ATM Forum принимают участие практически все заинтересованные стороны — производители телекоммуникационного оборудования, производители оборудования локальных сетей, операторы телекоммуникационных сетей и сетевые интеграторы. До широкого распространения технологии ATM по оценкам специалистов должно пройти еще 5-10 лет. Такой прогноз связан не только с отсутствием полного набора принятых стандартов, но и с невозможностью быстрой замены уже установленного дорогого оборудования, которое хотя и не так хорошо, как хотелось бы, но все же справляется со своими обязанностями. Кроме того, многое еще нужно сделать в области стандартизации взаимодействия ATM с существующими сетями, как компьютерными, так и телефонными.

Сеть ATM 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 ATM пользуются 20-байтными адресами конечных узлов для маршрутизации трафика на основе техники виртуальных каналов. Для частных сетей ATM определен протокол маршрутизации PNNI (Private NNI), с помощью которого коммутаторы могут строить таблицы маршрутизации автоматически. В публичных сетях ATM 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 ATM, на основе которого прокладывается виртуальный канал, имеет иерархическую структуру, подобную номеру в телефонной сети, и использует префиксы, соответствующие кодам стран, городов, сетям поставщиков услуг и т. п., что упрощает маршрутизацию запросов установления соединения, как и при использовании агрегированных IP-адресов в соответствии с техникой CIDR.

Виртуальные соединения могут быть постоянными (Permanent Virtual Circuit, PVC) и коммутируемыми (Switched Virtual Circuit, SVC). Для ускорения коммутации в больших сетях используется понятие виртуального пути — Virtual Path, который объединяет виртуальные каналы, имеющие в сети ATM общий маршрут между исходным и конечным узлами или общую часть маршрута между некоторыми двумя коммутаторами сети. Идентификатор виртуального пути (Virtual Path Identifier, VPI) является старшей частью локального адреса и представляет собой общий префикс для некоторого количества различных виртуальных каналов. Таким образом, идея агрегирования адресов в технологии ATM применена на двух уровнях — на уровне адресов конечных узлов (работает на стадии установления виртуального канала) и на уровне номеров виртуальных каналов (работает при передаче данных по имеющемуся виртуальному каналу).

Соединения конечной станции ATM с коммутатором нижнего уровня определяются стандартом UNI (User Network Interface). Спецификация UNI определяет структуру пакета, адресацию станций, обмен управляющей информацией, уровни протокола ATM, способы установления виртуального канала и способы управления трафиком. В настоящее время принята версия UNI 4.0, но наиболее распространенной версией, поддерживаемой производителями оборудования, является версия UNI 3.1.

Стандарт ATM не вводит свои спецификации на реализацию физического уровня. Здесь он основывается на технологии SDH/SONET, принимая ее иерархию скоростей. В соответствии с этим начальная скорость доступа пользователя сети — это скорость ОС-3 155 Мбит/с. Организация ATM Forum определила для ATM не все иерархии скоростей SDH, а только скорости ОС-3 и ОС-12 (622 Мбит/с). На скорости 155 Мбит/с можно использовать не только волоконно-оптический кабель, но и неэкранированную витую пару категории 5. На скорости 622 Мбит/с допустим только волоконно-оптический кабель, причем как SMF, так и MMF.

Имеются и другие физические интерфейсы к сетям ATM, отличные от SDH/ SONET. К ним относятся интерфейсы Т1/Е1 и ТЗ/ЕЗ, распространенные в глобальных сетях, и интерфейсы локальных сетей — интерфейс с кодировкой 4В/5В со скоростью 100 Мбит/с (FDDI) и интерфейс со скоростью 25 Мбит/с, предложенный компанией IBM и утвержденный ATM Forum. Кроме того, для скорости 155,52 Мбит/с определен так называемый «cell-based» физический уровень, то есть уровень, основанный на ячейках, а не на кадрах SDH/SONET. Этот вариант физи-ческого уровня не использует кадры SDH/SONET, а отправляет по каналу связи непосредственно ячейки формата ATM, что сокращает накладные расходы на служебные данные, но несколько усложняет задачу синхронизации приемника с передатчиком на уровне ячеек.

Все перечисленные выше характеристики технологии ATM не свидетельствуют о том, что это некая «особенная» технология, а скорее представляют ее как типичную технологию глобальных сетей, основанную на технике виртуальных каналов. Особенности же технологии ATM лежат 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 — например, коэффициент пульсаций трафика (отношения максимальной мгновенной интенсивности трафика к его средней интенсивности) протоколов без установления соединений может доходить до 200, а протоколов с установлением соединений — до 20. Чувствительность компьютерного трафика к потерям данных высокая, так как без утраченных данных обойтись нельзя и их необходимо восстановить за счет повторной передачи.

Мультимедийный трафик, передающий, например, голос или изображение, характеризуется низким коэффициентом пульсаций, высокой чувствительностью к задержкам передачи данных (отражающихся на качестве воспроизводимого непрерывного сигнала) и низкой чувствительностью к потерям данных (из-за инерционности физических процессов потерю отдельных замеров голоса или кадров изображения можно компенсировать сглаживанием на основе предыдущих и последующих значений).

Сложность совмещения компьютерного и мультимедийного трафика с диаметрально противоположными характеристиками хорошо видна на рис. 11.29.

Рис. 11.29 Два типа трафика: а — компьютерный; б— мультимедийный

На возможности совмещения этих двух видов трафика большое влияние оказывает размер компьютерных пакетов. Если размер пакета может меняться в широком диапазоне (например, от 29 до 4500 байт, как в технологии FDDI), то даже при придании голосовым пакетам высшего приоритета обслуживания в коммутаторах время ожидания компьютерного пакета может оказаться недопустимо высоким. Например, пакет в 4500 байт будет передаваться в выходной порт на скорости 2 Мбит/с (максимальная скорость работы порта коммутатора frame relay) 18 мс. При совмещении трафика за это время необходимо через этот же порт передать 144 замера голоса. Прерывать передачу пакета в сетях нежелательно, так как при распределенном характере сети накладные расходы на оповещение соседнего коммутатора о прерывании пакета, а потом — о возобновлении передачи пакета с прерванного места оказываются слишком большими.

Подход, реализованный в технологии ATM, состоит в передаче любого вида трафика — компьютерного, телефонного или видео — пакетами фиксированной и очень маленькой длины в 53 байта. Пакеты ATM называют ячейками — cell. Поле данных ячейки занимает 48 байт, а заголовок — 5 байт.

Чтобы пакеты содержали адрес узла назначения и в то же время процент служебной информации не превышал размер поля данных пакета, в технологии ATM применен стандартный для глобальных вычислительных сетей прием — передача ячеек в соответствии с техникой виртуальных каналов с длиной номера виртуального канала в 24 бит, что вполне достаточно для обслуживания большого количества виртуальных соединений каждым портом коммутатора глобальной (может быть всемирной) сети ATM.

Размер ячейки ATM 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. Ясно, что при отказе от жестко синхронизированных временных слотов для каждого канала идеальной синхронности добиться будет невозможно, однако чем меньше размер пакета, тем легче этого достичь.

Для пакета, состоящего из 53 байт, при скорости в 155 Мбит/с время передачи кадра на выходной порт составляет менее 3 мкс. Так что 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. Задержка пакетпизации — это время, в течение которого первый замер голоса ждет момента окончательного формирования пакета и отправки его по сети. При размере поля данных в 48 байт одна ячейка ATM 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 сети. Именно 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 вполне понятно — при этом повышается полезная скорость передачи данных. Избыточность служебных данных при использовании 48-байтного поля данных составляет 10 %, а при использовании 32-байтного поля данных она сразу повышается до 16 %.

Выбор для передачи данных любого типа небольшой ячейки фиксированного размера еще не решает задачу совмещения разнородного трафика в одной сети, а только создает предпосылки для ее решения. Для полного решения этой задачи технология ATM привлекает и развивает идеи заказа пропускной способности и качества обслуживания, реализованные в технологии frame relay. Но если сеть frame relay изначально была предназначена для передачи только пульсирующего компьютерного трафика (в связи с этим для сетей frame relay так трудно дается стандартизация передачи голоса), то разработчики технологии ATM проанализировали всевозможные образцы трафика, создаваемые различными приложениями, и выделили 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. Если приложение указывает сети, что требуется, например, передача голосового трафика, то из этого становится ясно, что особенно важными для пользователя будут такие показатели качества обслуживания, как задержки и вариации задержек ячеек, существенно влияющие на качество переданной информации — голоса или изображения, а потеря отдельной ячейки с несколькими замерами не так уж важна, так как, например, воспроизводящее голос устройство может аппроксимировать недостающие замеры и качество пострадает не слишком. Требования к синхронности передаваемых данных очень важны для многих приложений — не только голоса, но и видеоизображения, и наличие этих требований стало первым критерием для деления трафика на классы.

Другим важным параметром трафика, существенно влияющим на способ его передачи через сеть, является величина его пульсаций. Разработчики технологии ATM решили выделить 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, порождаемые приложениями, использующими для обмена сообщениями протоколы с установлением соединений и без установления соединений. В первом случае данные передаются самим приложением достаточно надежно, как это обычно делают протоколы с установлением соединения, поэтому от сети ATM высокой надежности передачи не требуется. А во втором случае приложение работает без установления соединения и восстановлением потерянных и искаженных данных не занимается, что предъявляет повышенные требования к надежности передачи ячеек сетью ATM.

В результате было определено пять классов трафика, отличающихся следующими качественными характеристиками:

	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. He требуются временные соотношения между передаваемыми и принимаемыми данными. С установлением соединения. Примеры: трафик компьютерных сетей, в которых конечные узлы работают по протоколам с установлением соединений: frame relay, X.25, LLC2, TCP





	D	Переменная битовая скорость — Variable Bit Rate, VBR. He требуются временные соотношения между передаваемыми и принимаемыми данными. Без установления соединения. Примеры: трафик компьютерных сетей, в которых конечные узлы работают по протоколам без установления соединений (IP, Ethernet DNS, SNMP)





	X	Тип трафика и его параметры определяются пользователем

Очевидно, что только качественных характеристик, задаваемых классом трафика, для описания требуемых услуг оказывается недостаточно. В технологии ATM для каждого класса трафика определен набор количественных параметров, которые приложение должно 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.

В технологии ATM поддерживается следующий набор основных количественных параметров:

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 PCR, 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 технологии ATM принят не совсем традиционный подход к трактовке термина «качество обслуживания» — QoS. Обычно качество обслуживания трафика характеризуется параметрами пропускной способности (здесь это RCR, SCR, MCR, MBS), параметрами задержек пакетов (CTD и CDV), а также параметрами надежности передачи пакетов (CLR). В ATM характеристики пропускной способности называют параметрами трафика и не включают их в число параметров качества обслуживания QoS, хотя по существу они таковыми являются. Параметрами QoS в ATM являются только параметры CTD, CDV и CLR. Сеть старается обеспечить такой уровень услуг, чтобы поддерживались требуемые значения и параметров трафика, и задержек ячеек, и доли потерянных ячеек.

Соглашение между приложением и сетью ATM называется трафик-контрактом. Основным его отличием от соглашений, применяемых в сетях frame relay, является выбор одного из нескольких определенных классов трафика, для которого наряду с параметрами пропускной способности трафика могут указываться параметры задержек ячеек, а также параметр надежности доставки ячеек. В сети frame relay класс трафика один, и он характеризуется только параметрами пропускной способности.

Необходимо подчеркнуть, что задание только параметров трафика (вместе с параметрами QoS) часто не полностью характеризует требуемую услугу, поэтому задание класса трафика полезно для уточнения нужного характера обслуживания данного соединения сетью.

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 и QoS, которые оговариваются в трафик-контракте.

Если для приложения не критично поддержание параметров пропускной способности и QoS, то оно может отказаться от задания этих параметров, указав признак «Best Effort» в запросе на установление соединения. Такой тип трафика получил название трафика с неопределенной битовой скоростью — Unspecified Bit Rate, UBR.

После заключения трафик-контракта, который относится к определенному виртуальному соединению, в сети ATM работает несколько протоколов и служб, обеспечивающих нужное качество обслуживания. Для трафика UBR сеть выделяет ресурсы «по возможности», то есть те, которые в данный момент свободны от использования виртуальными соединениями, заказавшими определенные параметры качества обслуживания.

Технология ATM изначально разрабатывалась для поддержки как достоянных, так и коммутируемых виртуальных каналов (в отличие от технологии frame relay, долгое время не поддерживающей коммутируемые виртуальные каналы). Автоматическое заключение трафик-контракта при установлении коммутируемого виртуального соединения представляет собой весьма непростую задачу, так как коммутаторам ATM необходимо определить, смогут ли они в дальнейшем обеспечить передачу трафика данного виртуального канала наряду с трафиком других виртуальных каналов таким образом, чтобы выполнялись требования качества обслуживания каждого канала.

Стек протоколов ATM показан на рис 11.30, а распределение протоколов по конечным узлам и коммутаторам ATM — на рис. 11.31.

Риc. 6.31 Распределение протоколов по узлам и коммутаторам сети ATM

Стек протоколов ATM соответствует нижним уровням семиуровневой модели ISO/OSI и включает уровень адаптации ATM, собственно уровень ATM и физический уровень. Прямого соответствия между уровнями протоколов технологии ATM и уровнями модели OSI нет.

Уровень адаптации (ATM Adaptation Layer, AAL) представляет собой набор протоколов AAL1-AAL5, которые преобразуют сообщения протоколов верхних уровней сети ATM в ячейки ATM нужного формата. Функции этих уровней достаточно условно соответствуют функциям транспортного уровня модели OSI, например функциям протоколов TCP или UDP. Протоколы AAL при передаче пользовательского трафика работают только в конечных узлах сети (см. рис. 11.31), как и транспортные протоколы большинства технологий.

Каждый протокол уровня AAL обрабатывает пользовательский трафик определенного класса. На начальных этапах стандартизации каждому классу трафика соответствовал свой протокол AAL, который принимал в конечном узле пакеты от протокола верхнего уровня и заказывал с помощью соответствующего протокола нужные параметры трафика и качества обслуживания для данного виртуального канала. При развитии стандартов ATM такое однозначное соответствие между классами трафика и протоколами уровня AAL исчезло, и сегодня разрешается использовать для одного и того же класса трафика различные протоколы уровня AAL.

Уровень адаптации состоит из нескольких подуровней. Нижний подуровень AAL называется подуровнем сегментации и реассемблирования (Segmentation And Reassembly, SAR). Эта часть не зависит от типа протокола AAL (и, соответственно, от класса передаваемого трафика) и занимается разбиением (сегментацией) сообщения, принимаемого AAL от протокола верхнего уровня, на ячейки ATM, снабжением их соответствующим заголовком и передачей уровню ATM для отправки в сеть.

Верхний подуровень AAL называется подуровнем конвергенции — Convergence Sublayer, CS. Этот подуровень зависит от класса передаваемого трафика. Протокол подуровня конвергенции решает такие задачи, как, например, обеспечение временной синхронизации между передающим и принимающим узлами (для трафика, требующего такой синхронизации), контролем и возможным восстановлением битовых ошибок в пользовательской информации, контролем целостности передаваемого пакета компьютерного протокола (Х.25, frame relay).

Протоколы AAL для выполнения своей работы используют служебную информацию, размещаемую в заголовках уровня AAL. После приема ячеек, пришедших по виртуальному каналу, подуровень SAR протокола AAL собирает посланное по сети исходное сообщение (которое в общем случае было разбито на несколько ячеек ATM) с помощью заголовков AAL, которые для коммутаторов ATM являются прозрачными, так как помещаются в 48-битном поле данных ячейки, как и полагается протоколу более высокого уровня. После сборки исходного сообщения протокол AAL проверяет служебные поля заголовка и концевика кадра AAL и на их основании принимает решение о корректности полученной информации.

Ни один из протоколов AAL при передаче пользовательских данных конечных узлов не занимается восстановлением потерянных или искаженных данных. Максимум, что делает протокол AAL, — это уведомляет конечный узел о таком событии. Так сделано для ускорения работы коммутаторов сети ATM в расчете, на то, что случаи потерь или искажения данных будут редкими. Восстановление потерянных данных (или игнорирование этого события) отводится протоколам верхних уровней, не входящим в стек протоколов технологии ATM.

Протокол AAL1 обычно обслуживает трафик класса А с постоянной битовой скоростью (Constant Bit Rate, CBR), который характерен, например, для цифрового видео и цифровой речи и чувствителен к временным задержкам. Этот трафик передается в сетях ATM таким образом, чтобы эмулировать обычные выделенные цифровые линии. Заголовок AAL1 занимает в поле данных ячейки ATM 1 или 2 байта, оставляя для передачи пользовательских данных соответственно 47 или 46 байт. В заголовке один байт отводится для нумерации ячеек, чтобы приемная сторона могла судить о том, все ли посланные ячейки дошли до нее или нет. При отправке голосового трафика временная отметка каждого замера известна, так как они следуют друг за другом с интервалом в 125 мкс, поэтому при потере ячейки можно скорректировать временную привязку байт следующей ячейки, сдвинув ее на 125x46 мкс. Потеря нескольких байт замеров голоса не так страшна, так как на приемной стороне воспроизводящее оборудование сглаживает сигнал. В задачи протокола AAL1 входит сглаживание неравномерности поступления ячеек данных в узел назначения.

Протокол AAL2 был разработан для передачи трафика класса В, но при развитии стандартов он был исключен из стека протоколов ATM, и сегодня трафик класса В передается с помощью протокола AAL1, AAL3/4 или AAL5.

Протокол AAL3/4 обрабатывает пульсирующий трафик — обычно характерный для трафика локальных сетей — с переменной битовой скоростью (Variable Bit Rate, VBR). Этот трафик обрабатывается так, чтобы не допустить потерь ячеек, но ячейки могут задерживаться коммутатором. Протокол AAL3/4 выполняет сложную процедуру контроля ошибок при передаче ячеек, нумеруя каждую составляющую часть исходного сообщения и снабжая каждую ячейку контрольной суммой. Правда, при искажениях или потерях ячеек уровень не занимается их восстановлением, а просто отбрасывает все сообщение — то есть все оставшиеся ячейки, так как для компьютерного трафика или компрессированного голоса потеря части данных является фатальной ошибкой. Протокол AAL3/4 образовался в результате слияния протоколов AAL3 и AAL4, которые обеспечивали поддержку трафика компьютерных сетей соответственно с установлением соединения и без установления соединения. Однако ввиду большой близости используемых форматов служебных заголовков и логики работы протоколы AAL3 и AAL4 были впоследствии объединены.

Протокол AAL5 является упрощенным вариантом протокола AAL4 и работает быстрее, так как вычисляет контрольную сумму не для каждой ячейки сообщения, а для всего исходного сообщения в целом и помещает ее в последнюю ячейку сообщения. Первоначально протокол AAL5 разрабатывался для передачи кадров сетей frame relay, но теперь он чаще всего используется для передачи любого компьютерного трафика. Протокол AAL5 может поддерживать различные параметры качества обслуживания, кроме тех, которые связаны с синхронизацией передающей и принимающей сторон. Поэтому он обычно используется для поддержки всех классов трафика, относящегося к передаче компьютерных данных, то есть классов С и D. Некоторые производители оборудования с помощью протокола AAL5 обслуживают трафик CBR, оставляя задачу синхронизации трафика протоколам верхнего уровня.

Протокол AAL5 работает не только в конечных узлах, но и в коммутаторах сети ATM. Однако там он выполняет служебные функции, не связанные с передачей пользовательских данных. В коммутаторах ATM протокол AAL5 поддерживает служебные протоколы более высоких уровней, занимающиеся установлением коммутируемых виртуальных соединений.

Существует определенный интерфейс между приложением, которому требуется передать трафик через сеть ATM, и уровнем адаптации AAL. С помощью этого интерфейса приложение (протокол компьютерной сети, модуль оцифровывания голоса) заказывает требуемую услугу, определяя тип трафика, его параметры, а также параметры QoS. Технология ATM допускает два варианта определения параметров QoS: первый — непосредственное задание их каждым приложением, второй — назначение их по умолчанию в зависимости от типа трафика. Последний способ упрощает задачу разработчика приложения, так как в этом случае выбор максимальных значений задержки доставки ячеек и вариации задержек перекладывается на плечи администратора сети.

Самостоятельно обеспечить требуемые параметры трафика и QoS протоколы AAL не могут. Для выполнения соглашений трафик-контракта требуется согласованная работа коммутаторов сети вдоль всего виртуального соединения. Эта работа выполняется протоколом ATM, обеспечивающим передачу ячеек различных виртуальных соединений с заданным уровнем качества обслуживания.

Протокол ATM занимает в стеке протоколов ATM примерно то же место, что протокол IP в стеке TCP/IP или протокол LAP-F в стеке протоколов технологии frame relay. Протокол ATM занимается передачей ячеек через коммутаторы при установленном и настроенном виртуальном соединении, то есть на основании готовых таблиц коммутации портов. Протокол ATM выполняет коммутацию по номеру виртуального соединения, который в технологии ATM разбит на две части — идентификатор виртуального пути (VirtualPath Identifier, VPI) и идентификатор виртуального канала (Virtual Channel Identifier, VCI). Кроме этой основной задачи протокол ATM выполняет ряд функций по контролю за соблюдением трафик-контракта со стороны пользователя сети, маркировке ячеек-нарушителей, отбрасыванию ячеек-нарушителей при перегрузке сети, а также управлению потоком ячеек для повышения производительности сети (естественно, при соблюдении условий трафик-контракта для всех виртуальных соединений).

Протокол ATM работает с ячейками следующего формата, представленного на рис.11.32.

Поле Управление потоком (Generic Flow Control) используется только при взаимодействии конечного узла и первого коммутатора сети. В настоящее время его точные функции не определены.

Поля Идентификатор виртуального пути (VitualPath Identifier, VPI) и Идентификатор виртуального канала (Vitual Channel Identifier, VCI) занимают соответственно 1 и 2 байта. Эти поля задают номер виртуального соединения, разделенный на старшую (VPI) и младшую (VCI) части.

Поле Идентификатор типа данных (Payload Type Identifier, PTI) состоит из 3-х бит и задает тип данных, переносимых ячейкой, — пользовательские или управляющие (например, управляющие установлением виртуального соединения). Кроме того, один бит этого поля используется для указания перегрузки в сети — он называется Explicit Congestion Forward Identifier, EFCI — и играет ту же роль, что бит FECN в технологии frame relay, то есть передает информацию о перегрузке по направлению потока данных.

Поле Приоритет потери кадра (Cell Loss Priority, CLP) играет в данной технологии ту же роль, что и поле DE в технологии frame relay — в нем коммутаторы ATM отмечают ячейки, которые нарушают соглашения о параметрах качества обслуживания, чтобы удалить их при перегрузках сети. Таким образом, ячейки с CLP=0 являются для сети высокоприоритетными, а ячейки с CLP=1 — низкоприоритетными.

Поле Управление ошибками в заголовке (Header Error Control, НЕС) содержит контрольную сумму, вычисленную для заголовка ячейки. Контрольная сумма вычисляется с помощью техники корректирующих кодов Хэмминга, поэтому она позволяет не только обнаруживать ошибки, но и исправлять все одиночные ошибки, а также некоторые двойные. Поле НЕС обеспечивает не только обнаружение и исправление ошибок в заголовке, но и нахождение границы начала кадра в потоке байтов кадров SDH, которые являются предпочтительным физическим уровнем технологии ATM, или же в потоке бит физического уровня, основанного на ячейках. Указателей, позволяющих в поле данных кадра STS-n (STM-n) технологии SONET/SDH обнаруживать границы ячеек ATM (подобных тем указателям, которые используются для определения, например, границ виртуальных контейнеров подканалов Т1/Е1), не существует. Поэтому коммутатор ATM вычисляет контрольную сумму для последовательности из 5 байт, находящихся в поле данных кадра STM-n, и, если вычисленная контрольная сумма говорит о корректности заголовка ячейки ATM, первый байт становится границей ячейки. Если же это не так, то происходит сдвиг на один байт и операция продолжается. Таким образом, технология ATM выделяет асинхронный поток ячеек ATM в синхронных кадрах SDH или потоке бит физического уровня, основанного на ячейках.

Рассмотрим методы коммутации ячеек ATM на основе пары чисел VPI/VCI. Коммутаторы ATM могут работать в двух режимах — коммутации виртуального пути и коммутации виртуального канала. В первом режиме коммутатор выполняет продвижение ячейки только на основании значения поля VPI, а значение поля VCI он игнорирует. Обычно так работают магистральные коммутаторы территориальных сетей. Они доставляют ячейки из одной сети пользователя в другую на основании только старшей части номера виртуального канала, что соответствует идее агрегирования адресов. В результате один виртуальный путь соответствует целому набору виртуальных каналов, коммутируемых как единое целое.

После доставки ячейки в локальную сеть ATM ее коммутаторы начинают коммутировать ячейки с учетом как VPI, так и VCI, но при этом им хватает для коммутации только младшей части номера виртуального соединения, так что фактически они работают с VCI, оставляя VPI без изменения. Последний режим называется режимом коммутации виртуального канала.

Для создания коммутируемого виртуального канала в технологии ATM используются протоколы, не показанные на рис. 6.30. Подход здесь аналогичен подходу в сети ISDN — для установления соединения разработан отдельный протокол Q.2931, который весьма условно можно отнести к сетевому уровню. Этот протокол во многом похож на протоколы Q.931 и Q.933 (даже номером), но в него внесены, естественно, изменения, связанные с наличием нескольких классов трафика и дополнительных параметров качества обслуживания. Протокол Q.2931 опирается на достаточно сложный протокол канального уровня SSCOP, который обеспечивает надежную передачу пакетов Q.2931 в своих кадрах. В свою очередь, протокол SSCOP работает поверх протокола AAL5, который необходим для разбиения кадров SSCOP на ячейки ATM и сборки этих ячеек в кадры при доставке кадра SSCOP в коммутатор назначения.

Протокол Q.2931 появился в стеке протоколов технологии ATM после принятия версии интерфейса UNI 3.1, а до этого в версии UNI 3.0 вместо него использовался протокол Q.93B. Из-за несовместимости протоколов Q.2931 и Q.93B версии пользовательского интерфейса UNI 3.0 и UNI 3.1 также несовместимы. Версия UNI 4.0 обратно совместима с UNI 3.1, так как основана на тех же служебных протоколах, что и версия UNI 3.1.

Виртуальные соединения, образованные с помощью протокола Q.2931, бывают симплексными (однонаправленными) и дуплексными.

Протокол Q.2931 позволяет также устанавливать виртуальные соединения типа «один-к-одному» (point-to-point) и «один-ко-многам» (point-to-multipoint). Первый случай поддерживается во всех технологиях, основанных на виртуальных каналах, а второй характерен для технологии ATM и является аналогом мультивещания, но с одним ведущим вещающим узлом. При установлении соединения «один-ко-многим» ведущим считается узел, который является инициатором этого соединения. Сначала этот узел устанавливает виртуальное соединение всего с одним узлом, а затем добавляет к соединению с помощью специального вызова по одному новому члену. Ведущий узел становится вершиной дерева соединения, а остальные узлы — листьями этого дерева. Сообщения, которые посылает ведущий узел, принимают все листья соединения, но сообщения, которые посылает какой-либо лист (если соединение дуплексное), принимает только ведущий узел.

Пакеты протокола Q.2931, предназначенные для установления коммутируемого виртуального канала, имеют те же названия и назначение, что и пакеты протокола Q.933, рассмотренные выше при изучении технологии frame relay, но структура их полей, естественно, другая.

Адресом конечного узла в коммутаторах ATM является 20-байтный адрес. Этот адрес может иметь различный формат, описываемый стандартом ISO 7498. При работе в публичных сетях используется адрес стандарта Е.164, при этом 1 байт составляет AFI, 8 байт занимает IDI — основная часть адреса Е.164 (15 цифр телефонного номера), а остальные 11 байт части DSP (Domain Specific Part) распределяются следующим образом.

При работе в частных сетях ATM обычно применяется формат адреса, соответствующий домену международных организаций, причем в качестве международной организации выступает ATM Forum. В этом случае поле IDI занимает 2 байта, которые содержат код ATM Forum, данный ISO, а структура остальной части DSP соответствует описанной выше за исключением того, что поле HO-DSP занимает не 4, а 10 байт.

Адрес ESI присваивается конечному узлу на предприятии-изготовителе в соответствии с правилами IEEE, то есть 3 первых байта содержат код предприятия, а остальные три байта — порядковый номер, за уникальность которого отвечает данное предприятие.

Конечный узел при подключении к коммутатору ATM выполняет так называемую процедуру регистрации. При этом конечный узел сообщает коммутатору свой ESI-адрес, а коммутатор сообщает конечному узлу старшую часть адреса, то есть номер сети, в которой работает узел.

Кроме адресной части пакет CALL SETUP протокола Q.2931, с помощью которого конечный узел запрашивает установление виртуального соединения, включает также части, описывающие параметры трафика и требования QoS. При поступлении такого пакета коммутатор должен проанализировать эти параметры и решить, достаточно ли у него свободных ресурсов производительности для обслуживания нового виртуального соединения. Если да, то новое виртуальное соединение принимается и коммутатор передает пакет CALL SETUP дальше в соответствии с адресом назначения и таблицей маршрутизации, а если нет, то запрос отвергается.

Категории услуг протокола ATM и управление трафиком

Для поддержания требуемого качества обслуживания различных виртуальных соединений и рационального использования ресурсов в сети на уровне протокола ATM реализовано несколько служб, предоставляющих услуги различных категорий (service categories) по обслуживанию пользовательского трафика. Эти службы являются внутренними службами сети ATM, они предназначены для поддержания пользовательского трафика различных классов совместно с протоколами AAL. Но в отличие от протоколов AAL, которые работают в конечных узлах сети, данные службы распределены по всем коммутаторам сети. Услуги этих служб разбиты на категории, которые в общем соответствуют классам трафика, поступающим на вход уровня AAL конечного узла. Услуги уровня ATM заказываются конечным узлом через интерфейс UNI с помощью протокола Q.2931 при установлении виртуального соединения. Как и при обращении к уровню AAL, при заказе услуги необходимо указать категорию услуги, а также параметры трафика и параметры QoS. Эти параметры берутся из аналогичных параметров уровня AAL или же определяются по умолчанию в зависимости от категории услуги.

Всего на уровне протокола ATM определено пять категорий услуг, которые поддерживаются одноименными службами:

Названия большинства категорий услуг совпадают с названием типов пользовательского трафика, для обслуживания которого они разработаны, но необходимо понимать, что сами службы уровня ATM и их услуги — это внутренние механизмы сети ATM, которые экранируются от приложения уровнем AAL.

Услуги категории CBR предназначены для поддержания трафика синхронных приложений — голосового, эмуляции цифровых выделенных каналов и т. п. Когда приложение устанавливает соединение категории CBR, оно заказывает пиковую скорость трафика ячеек PCR, являющуюся максимальной скоростью, которую может поддерживать соединение без риска потерять ячейку, а также параметры QoS: величины максимальной задержки ячеек CTD, вариации задержки ячеек CDV и максимальной доли потерянных ячеек CLR.

Затем данные передаются по этому соединению с запрошенной скоростью — не с большей и, в большинстве случаев, не меньшей, хотя уменьшение скорости приложением возможно, например, при передаче компрессированного голоса с помощью услуги категории CBR. Любые ячейки, передаваемые станцией с большей скоростью, контролируются первым коммутатором сети и помечаются признаком CLP=1. При перегрузках сети они могут просто отбрасываться сетью. Ячейки, которые запаздывают и не укладываются в интервал, оговоренный параметром вариации задержки CDV, также считаются мало значащими для приложения и отмечаются признаком низкого приоритета CLP=1. I

Для соединений CBR нет ограничений на некоторую дискретность заказа скорости PCR, как, например, в каналах Т1/Е1, где скорость должна быть кратна 64 Кбит/с.

По сравнению со службой CBR, службы VBR требуют более сложной процедуры заказа соединения между сетью и приложением. В дополнение к пиковой скорости PCR приложение VBR заказывает еще и два других параметра: длительно поддерживаемую скорость — SCR, которая представляет собой среднюю скорость передачи данных, разрешенную приложению, а также максимальный размер пульсации — MBS. Максимальный размер пульсации измеряется в количестве ячеек ATM. Пользователь может превышать скорость вплоть до величины PCR, но только на короткие периоды времени, в течение которых передается объем данных, не превышающий MBS. Этот период времени называется Burst Tolerance, ВТ — терпимость к пульсации. Сеть вычисляет этот период как производный от трех заданных значений PCR, SCR и MBS.

Если скорость PCR наблюдается в течение периода времени, большего чем ВТ, то ячейки помечаются как нарушители — устанавливается признак CLP=1.

Для услуг категории rtVBR задаются и контролируются те же параметры QoS, что и для услуг категории CBR, а услуги категории nrtVBR ограничиваются поддержанием параметров трафика. Сеть также поддерживает для обеих категорий услуг VBR определенный максимальный уровень доли потерянных ячеек CLR, который либо задается явно при установлении соединения, либо назначается по умолчанию в зависимости от класса трафика.

Для контроля параметров трафика и QoS в технологии ATM применяется так называемый обобщенный алгоритм контроля скорости ячеек — Generic Cell Rate Algorithm, который может проверять соблюдение пользователем и сетью таких параметров, как PCR, CDV, SCR, ВТ, CTD и CDV. Он работает по модифицированному алгоритму «дырявого ведра», применяемому в технологии frame relay.

Для многих приложений, которые могут быть чрезвычайно «взрывными» в отношении интенсивности трафика, невозможно точно предсказать параметры трафика, оговариваемые при установлении соединения. Например, обработка транзакций или трафик двух взаимодействующих локальных сетей непредсказуемы по своей природе — изменения интенсивности трафика слишком велики, чтобы заключить с сетью какое-либо разумное соглашение.

В отличие от CBR и обеих служб VBR, служба UBR не поддерживает ни параметры трафика, ни параметры качества обслуживания. Служба UBR предлагает только доставку «по возможности» без каких-либо гарантий. Разработанная специально для обеспечения возможности превышения полосы пропускания, служба UBR представляет собой частичное решение для тех непредсказуемых «взрывных» приложений, которые не готовы согласиться с фиксацией параметров трафика.

Главными недостатками услуг UBR являются отсутствие управления потоком данных и неспособность принимать во внимание другие типы трафика. Несмотря на перегрузку сети, соединения UBR будут продолжать передачу данных. Коммутаторы сети могут буферизовать некоторые ячейки поступающего трафика, но в некоторый момент буферы переполняются, и ячейки теряются. А так как для соединений UBR не оговаривается никаких параметров трафика и QoS, то их ячейки отбрасываются в первую очередь.

Служба ABR подобно службе UBR предоставляет возможность превышения полосы пропускания, но благодаря технике управления трафиком при перегрузке сети она дает некоторые гарантии сохранности ячеек. ABR — это первый тип служб уровня ATM, который действительно обеспечивает надежный транспорт для пульсирующего трафика за счет того, что может находить неиспользуемые интервалы в общем трафике сети и заполнять их своими ячейками, если другим категориям служб эти интервалы не нужны.

Как и в службах CBR и VBR, при установлении соединения категории ABR оговаривается значение пиковой скорости PCR. Однако соглашение о пределах изменения задержки передачи ячеек или о параметрах пульсации не заключается.

Вместо этого сеть и конечный узел заключают соглашение о требуемой минимальной скорости передачи MCR. Это гарантирует приложению, работающему в конечном узле, небольшую пропускную способность, обычно минимально необходимую для того, чтобы приложение работало. Конечный узел соглашается не передавать данные со скоростью, выше пиковой, то есть PCR, а сеть соглашается всегда обеспечивать минимальную скорость передачи ячеек MCR.

Если при установлении соединения ABR не задаются значения максимальной и минимальной скорости, то по умолчанию считается, что PCR совпадает со скоростью линии доступа станции к сети, a MCR считается равной нулю.

Трафик соединения категории ABR получает гарантированное качество услуг в отношении доли потерянных ячеек и пропускной способности. Что касается задержек передачи ячеек, то хотя сеть и старается свести их к минимуму, но гарантий по этому параметру не дает. Следовательно, служба ABR не предназначена для приложений реального времени, а предназначена для приложений, в которых поток данных не очень чувствителен к задержкам в передаче.

При передаче трафика CBR, VBR и UBR явное управление перегрузками в сети отсутствует. Вместо этого используется механизм отбрасывания ячеек-нарушителей, а узлы, пользующиеся услугами CBR и VBR, стараются не нарушать условия контракта под угрозой потери ячеек, поэтому они обычно не пользуются дополнительной пропускной способностью, даже если она в данный момент доступна в сети.

Служба ABR позволяет воспользоваться резервами пропускной способности сети, так как сообщает конечному узлу о наличии в данный момент избыточной пропускной способности с помощью механизма обратной связи. Этот же механизм может помочь службе ABR снизить скорость передачи данных конечным узлом в сеть (вплоть до минимального значения MCR), если сеть испытывает перегрузку.

Узел, пользующийся услугами ABR, должен периодически посылать в сеть наряду с ячейками данных специальные служебные ячейки управления ресурсами — Resource Management, RM. Ячейки RM, которые узел отправляет вдоль потока данных, называются прямыми ячейками RM — Forward Recource Management (FRM), а ячейки, которые идут в обратном по отношению к потоку данных направлении, называются обратными ячейками RM — Backward Recource Management (BRM).

Существует несколько петель обратной связи. Самая простая петля обратной связи — между конечными станциями. При ее наличии коммутатор сети извещает конечную станцию о перегрузке с помощью специального флага в поле прямого управления перегрузками (флаг EFCI) ячейки данных, переносимой протоколом ATM. Затем конечная станция посылает через сеть сообщение, содержащееся в специальной ячейке управления BRM исходной станции, говоря ей о необходимости уменьшить скорость посылки ячеек в сеть.

В этом способе конечная станция несет основную ответственность за управление потоком, а коммутаторы играют пассивную роль в петле обратной связи, только уведомляя станцию-отправитель о перегрузке.

Такой простой способ имеет несколько очевидных недостатков. Конечная станция не узнает из сообщения BRM, на какую величину нужно уменьшить скорость передачи данных в сеть. Поэтому она просто понизит скорость до минимальной величины MCR, хотя, возможно, это и не обязательно. Кроме того, при большой протяженности сети коммутаторы должны продолжать буферизовать данные все время, пока уведомление о перегрузке будет путешествовать по сети, а для глобальных сетей это время может быть достаточно большим, и буферы могут переполниться, так что требуемый эффект достигнут не будет.

Разработаны и более сложные схемы управления потоком, в которых коммутаторы играют более активную роль, а узел-отправитель узнает более точно о возможной в данный момент скорости отправки данных в сеть.

В первой схеме узел-источник посылает в ячейке FRM явное значение скорости передачи данных в сеть, которую он хотел бы поддерживать в данное время. Каждый коммутатор, через который проходит по виртуальному пути это сообщение, может уменьшить запрашиваемую скорость до некоторой величины, которую он может поддерживать в соответствии с имеющимися у него свободными ресурсами (или оставить запрашиваемую скорость без изменения). Узел назначения, получив ячейку FRM, превращает ее в ячейку BRM и отправляет в обратном направлении, причем он тоже может уменьшить запрашиваемую скорость. Получив ответ в ячейке BRM, узел-источник точно узнает, какая скорость отправки ячеек в сеть для него в данный момент доступна.

Во второй схеме каждый коммутатор сети может работать как узел-источник и узел назначения. Как узел-источник он может сам генерировать ячейки FRM и отправлять их по имеющимся виртуальным каналам. Как узел назначения он может отправлять на основе получаемых ячеек FRM ячейки BRM в обратном направлении. Такая схема является более быстродействующей и полезной в протяженных территориальных сетях.

Как видно из описания, служба ABR предназначена не только для прямого поддержания требований к обслуживанию конкретного виртуального соединения, но и для более рационального распределения ресурсов сети между ее абонентами, что в конечном итоге также приводит к повышению качества обслуживания всех абонентов сети.

Коммутаторы сети ATM используют различные механизмы для поддержания требуемого качества услуг. Кроме описанных в стандартах ITU-T и ATM Forum механизмов заключения соглашения на основе параметров трафика и параметров QoS, а затем отбрасывания ячеек, не удовлетворяющих условиям соглашения, практически все производители оборудования ATM реализуют в своих коммутаторах несколько очередей ячеек, обслуживаемых с различными приоритетами.

Стратегия приоритетного обслуживания трафика основана на категориях услуг каждого виртуального соединения. До принятия спецификации ABR в большинстве коммутаторов ATM была реализована простая одноуровневая схема обслуживания, которая давала трафику CBR первый приоритет, трафику VBR второй, а трафику UBR — третий. При такой схеме комбинация CBR и VBR может потенциально заморозить трафик, обслуживаемый другим классом служб. Такая схема не будет правильно работать с трафиком ABR, так как не обеспечит его требования к минимальной скорости передачи ячеек. Для обеспечения этого требования должна быть выделена некоторая гарантированная полоса пропускания.

Чтобы поддерживать службу ABR, коммутаторы ATM должны реализовать двухуровневую схему обслуживания, которая бы удовлетворяла требованиям CBR, VBR и ABR. По этой схеме коммутатор предоставляет некоторую часть своей пропускной способности каждому классу служб. Трафик CBR получает часть пропускной способности, необходимую для поддержания пиковой скорости PCR, трафик VBR получает часть пропускной способности, необходимую для поддержания средней скорости SCR, а трафик ABR получает часть пропускной способности, достаточную для обеспечения требования минимальной скорости ячеек MCR. Это гарантирует, что каждое соединение может работать без потерь ячеек и не будет доставлять ячейки ABR за счет трафика CBR или VBR. На втором уровне этого алгоритма трафик CBR и VBR может забрать всю оставшуюся пропускную способность сети, если это необходимо, так как соединения ABR уже получили свою минимальную пропускную способность, которая им гарантировалась.

Технология ATM привлекает к себе общее внимание, так как претендует на роль всеобщего и очень гибкого транспорта, на основе которого строятся другие сети. И хотя технология ATM может использоваться непосредственно для транспортировки сообщений протоколов прикладного уровня, пока она чаще переносит пакеты других протоколов канального и сетевого уровней (Ethernet, IP, IPX, frame relay, X.25), сосуществуя с ними, а не полностью заменяя. Поэтому протоколы и спецификации, которые определяют способы взаимодействия технологии ATM с другими технологиями, очень важны для современных сетей. А так как протокол IP является на сегодня основным протоколом построения составных сетей, то стандарты работы IP через сети ATM являются стандартами, определяющими взаимодействие двух наиболее популярных технологий сегодняшнего дня.

Протокол Classical IP (RFC 1577) является первым (по времени появления) протоколом, определившим способ работы интерсети IP в том случае, когда одна из промежуточных сетей работает по технологии ATM. Из-за классической концепции подсетей протокол и получил свое название — Classical.

Одной из основных задач, решаемых протоколом Classical IP, является традиционная для IP-сетей задача — поиск локального адреса следующего маршрутизатора или конечного узла по его IP-адресу, то есть задача, возлагаемая в локальных сетях на протокол ARP. Поскольку сеть ATM не поддерживает широковещательность, традиционный для локальных сетей способ широковещательных ARP-за-просов здесь не работает. Технология ATM, конечно, не единственная технология, в которой возникает такая проблема, — для обозначения таких технологий даже ввели специальный термин — «Нешироковещательные сети с множественным доступом» (Non-Broadcast networks with Multiple Access, NBMA). К сетям NBMA относятся, в частности, сети Х.25 и frame relay.

В общем случае для нешироковещательных сетей стандарты TCP/IP определяют только ручной способ построения ARP-таблиц, однако для технологии ATM делается исключение — для нее разработана процедура автоматического отображения IP-адресов на локальные адреса. Такой особый подход к технологии ATM объясняется следующими причинами. Сети NBMA (в том числе Х.25 и frame relay) используются, как правило, как транзитные глобальные сети, к которым подключается ограниченное число маршрутизаторов, а для небольшого числа маршрутизаторов можно задать ARP-таблицу вручную. Технология ATM отличается тем, что она применяется для построения не только глобальных, но и локальных сетей. В последнем случае размерность ARP-таблицы, которая должна содержать записи и о пограничных маршрутизаторах, и о множестве конечных узлов, может быть очень большой. К тому же, для крупной локальной сети характерно постоянное изменение состава узлов, а значит, часто возникает необходимость в корректировке таблиц. Все это делает ручной вариант решения задачи отображения адресов для сетей ATM мало пригодным.

В соответствии со спецификацией Classical IP одна сеть ATM может быть представлена в виде нескольких IP-подсетей, так называемых логических подсетей (Logical IP Subnet, LIS) (рис. 11.33). Все узлы одной LIS имеют общий адрес сети. Как и в классической IP-сети, весь трафик между подсетями обязательно проходит через маршрутизатор, хотя и существует принципиальная возможность передавать его непосредственно через коммутаторы ATM, на которых построена сеть ATM. Маршрутизатор имеет интерфейсы во всех LIS, на которые разбита сеть ATM.

Подход спецификации Classical IP к подсетям напоминает технику виртуальных локальных сетей VLAN -там также вводятся ограничения на имеющуюся возможность связи через коммутато@ы д;я узлов, принад;ежащих разным VLAN.

В отличие от классических подсетей маршрутизатор может быть подключен к сети ATM одним физическим интерфейсом, которому присваивается несколько IP-адресов в соответствии с количеством LIS в сети.

Решение о введении логических подсетей связано с необходимостью обеспечения традиционного разделения большой сети ATM на независимые части, связность которых контролируется маршрутизаторами, как к этому привыкли сетевые интеграторы и администраторы. Решение имеет и очевидный недостаток — маршрутизатор должен быть достаточно производительным для передачи высокоскоростного трафика ATM между логическими подсетями, в противном случае он станет узким местом сети. В связи с повышенными требованиями по производительности, предъявляемыми сетями ATM к маршрутизаторам, многие ведущие производители разрабатывают или уже разработали модели маршрутизаторов с общей производительностью в несколько десятков миллионов пакетов в секунду.

Все конечные узлы конфигурируются традиционным образом — для них задается их собственный IP-адрес, маска и IP-адрес маршрутизатора по умолчанию. Кроме того, задается еще один дополнительный параметр — адрес ATM (или номер VPI/VCI для случая использования постоянного виртуального канала, то есть PVC) так называемого сервера ATMARP. Введение центрального сервера, который поддерживает общую базу данных для всех узлов сети, — это типичный прием для работы через нешироковещательную сеть. Этот прием используется во многих протоколах, в частности в протоколе LAN Emulation, рассматриваемом далее.

Каждый узел использует адрес ATM сервера ATMARP, чтобы выполнить обычный запрос ARP. Этот запрос имеет формат, очень близкий к формату запроса протокола ARP из стека TCP/IP. Длина аппаратного адреса в нем определена в 20 байт, что соответствует длине адреса ATM. В каждой логической подсети имеется свой сервер ATMARP, так как узел может обращаться без посредничества маршрутизатора только к узлам своей подсети. Обычно роль сервера ATMARP выполняет маршрутизатор, имеющий интерфейсы во всех логических подсетях.

При поступлении первого запроса ARP от конечного узла сервер сначала направляет ему встречный инверсный запрос ATMARP, чтобы выяснить IP- и ATM-адреса этого узла. Этим способом выполняется регистрация каждого узла в сервере ATMARP, и сервер получает возможность автоматически строить базу данных соответствия IP- и ATM-адресов. Затем сервер пытается выполнить запрос ATMARP узла путем просмотра своей базы. Если искомый узел уже зарегистрировался в ней и он принадлежит той же логической подсети, что и запрашивающий узел, то сервер отправляет в качестве ответа запрашиваемый адрес. В противном случае дается негативный ответ (такой тип ответа в обычном широковещательном варианте протокола ARP не предусматривается).

Конечный узел, получив ответ ARP, узнает ATM-адрес своего соседа по логической подсети и устанавливает с ним коммутируемое виртуальное соединение. Если же он запрашивал ATM-адрес маршрутизатора по умолчанию, то он устанавливает с ним соединение, чтобы передать IP-пакет в другую сеть.

Для передачи IP-пакетов через сеть ATM спецификация Classical IP определяет использование протокола уровня адаптации AAL5, при этом спецификация ничего не говорит ни о параметрах трафика и качества обслуживания, ни о требуемой категории услуг CBR, rtVBR, nrtVBR или UBR.

Сосуществование ATM с традиционными технологиями локальных сетей

Технология ATM разрабатывалась сначала как «вещь в себе», без учета того факта, что в существующие технологии сделаны большие вложения и поэтому никто не станет сразу отказываться от установленного и работающего оборудования, даже если появляется новое, более совершенное. Это обстоятельство оказалось не столь важным для территориальных сетей, которые в случае необходимости могли предоставить свои оптоволоконные каналы для построения сетей ATM. Учитывая, что стоимость высокоскоростных оптоволоконных каналов, проложенных на большие расстояния, часто превышает стоимость остального сетевого оборудования, переход на новую технологию ATM, связанный с заменой коммутаторов, во многих случаях оказывался экономически оправданным.

Для локальных сетей, в которых замена коммутаторов и сетевых адаптеров равнозначна созданию новой сети, переход на технологию ATM мог быть вызван только весьма серьезными причинами. Гораздо привлекательнее полной замены существующей локальной сети новой сетью ATM выглядела возможность «постепенного» внедрения технологии ATM в существующую на предприятии сеть. При таком подходе фрагменты сети, работающие по новой технологии ATM, могли бы мирно сосуществовать с другими частями сети, построенными на основе традиционных технологий, таких как Ethernet или FDDI, улучшая характеристики сети там, где это нужно, и оставляя сети рабочих групп или отделов в прежнем виде. Применение маршрутизаторов IP, реализующих протокол Classical IP, решает эту проблему, но такое решение не всегда устраивает предприятия, пользующиеся услугами локальных сетей, так как, во-первых, требуется обязательная поддержка протокола IP во всех узлах локальных сетей, а во-вторых, требуется установка некоторого количества маршрутизаторов, что также не всегда приемлемо. Отчетливо ощущалась необходимость способа согласования технологии ATM с технологиями локальных сетей без привлечения сетевого уровня.

В ответ на такую потребность ATM Forum разработал спецификацию, называемую LAN emulation, LANE (то есть эмуляция локальных сетей), которая призвана обеспечить совместимость традиционных протоколов и оборудования локальных сетей с технологией ATM. Эта спецификация обеспечивает совместную работу этих технологий на канальном уровне. При таком подходе коммутаторы ATM работают в качестве высокоскоростных коммутаторов магистрали локальной сети, обеспечивая не только скорость, но и гибкость соединений коммутаторов ATM между собой, поддерживающих произвольную топологию связей, а не только древовидные структуры.

Спецификация LANE определяет способ преобразования кадров и адресов МАС-уровня традиционных технологий локальных сетей в ячейки и коммутируемые виртуальные соединения SVC технологии ATM, а также способ обратного преобразования. Всю работу по преобразованию протоколов выполняют специальные компоненты, встраиваемые в обычные коммутаторы локальных сетей, поэтому ни коммутаторы ATM, ни рабочие станции локальных сетей не замечают того, что они работают с чуждыми им технологиями. Такая прозрачность была одной из главных целей разработчиков спецификации LANE.

Так как эта спецификация определяет только канальный уровень взаимодействия, то с помощью коммутаторов ATM и компонентов эмуляции LAN можно образовать только виртуальные сети, называемые здесь эмулируемыми сетями, а для их соединения нужно использовать обычные маршрутизаторы.

Рассмотрим основные идеи спецификации на примере сети, изображенной на рис. 11.34.

Основными элементами, реализующими спецификацию, являются программные компоненты LEG (LAN Emulation Client) и LES (LAN Emulation Server). Клиент LEC выполняет роль пограничного элемента, работающего между сетью ATM и станциями некоторой локальной сети. На каждую присоединенную к сети ATM локальную сеть приходится один клиент LEC.

Сервер LES ведет общую таблицу соответсBвия МАС-адр5сов ста=ций лок0льных сетей и ATM-адресов пограничных устройств с установленными на них компонентами LEC, к которым присоединены локальные сети, содержащие эти станции. Таким образом, для каждой присоединенной локальной сети сервер LES хранит один ATM-адрес пограничного устройства LEC и несколько МАС-адресов станций, входящих в эту сеть. Клиентские части LEC динамически регистрируют в сервере LES МАС-адреса каждой станции, заново подключаемой к присоединенной локальной сети.

Программные компоненты LEС и LES могут быть реализованы в любых устройствах — коммутаторах, маршрутизаторах или рабочих станциях ATM.

Когда элемент LEC хочет послать пакет через сеть ATM станции другой локальной сети, также присоединенной к сети ATM, он посылает запрос на установление соответствия между МАС-адресом и ATM-адресом серверу LES. Сервер LES отвечает на запрос, указывая ATM-адрес пограничного устройства LEC, к которому присоединена сеть, содержащая станцию назначения. Зная ATM-адрес, устройство LEC исходной сети самостоятельно устанавливает виртуальное соединение SVC через сеть ATM обычным способом, описанным в спецификации UNI. После установления связи кадры MAC локальной сети преобразуются в ячейки ATM каждым элементом LEC с помощью стандартных функций сборки-разборки пакетов (функции SAR) стека ATM.

Рис. 11.34 Принципы работы технологии LAN emulation

В спецификации LANE также определен сервер для эмуляции в сети ATM широковещательных пакетов локальных сетей, а также пакетов с неизвестными адресами, так называемый сервер BUS (Broadcast and Unknown Server). Этот сервер распространяет такие пакеты во все пограничные коммутаторы, присоединившие свои сети к эмулируемой сети.

В рассмотренном примере все пограничные коммутаторы образуют одну эмулируемую сеть. Если же необходимо образовать несколько эмулируемых сетей, не взаимодействующих прямо между собой, то для каждой такой сети необходимо активизировать собственные серверы LES и BUS, а в пограничных коммутаторах активизировать по одному элементу LEC для каждой эмулируемой сети. Для хранения информации о количестве активизированных эмулируемых сетей, а также ATM-адресах соответствующих серверов LES и BUS вводится еще один сервер — сервер конфигурации LEСS (LAN Emulation Configuration Server).

Спецификация LANE существует сегодня в двух версиях. Вторая версия ликвидировала некоторые недостатки первой, связанные с отсутствием механизма резервирования серверов LES и BUS в нескольких коммутаторах, что необходимо для надежной работы крупной сети, а также добавила поддержку разных классов трафика.

На основе технологии LANE работает новая спецификация ATM Forum — Multiprotocol Over ATM, МРОА. Эта спецификация ATM определяет эффективную передачу трафика сетевых протоколов — IP, IPX, DECnet и т. п. через сеть ATM. По назначению она близка к спецификации Classical IP, однако решает гораздо больше задач. Технология МРОА позволяет пограничным коммутаторам 3-го уровня, поддерживающим какой-либо сетевой протокол, но не строящим таблицы маршрутизации, находить кратчайший путь через сеть ATM. МРОА использует для этого серверный подход, аналогичный тому, что применен в LANE. Сервер МРОА регистрирует адреса (например, IP-адреса) сетей, обслуживаемых пограничными коммутаторами 3-го уровня, а затем по запросу предоставляет их клиентам МРОА, встроенным в эти коммутаторы. С помощью технологии МРОА маршрутизаторы или коммутаторы 3-го уровня могут объединять эмулируемые сети, образованные на основе спецификации LANE.

Технология ATM расширяет свое присутствие в локальных и глобальных сетях не очень быстро, но неуклонно. В последнее время наблюдается устойчивый ежегодный прирост числа сетей, выполненных по этой технологии, в 20-30 %.

В локальных сетях технология ATM применяется обычно на магистралях, где хорошо проявляются такие ее качества, как масштабируемая скорость (выпускаемые сегодня корпоративные коммутаторы ATM поддерживают на своих портах скорости 155 и 622 Мбит/с), качество обслуживания (для этого нужны приложения, которые умеют запрашивать нужный класс обслуживания), петле-видные связи (которые позволяют повысить пропускную способность и обеспечить резервирование каналов связи). Петлевидные связи поддерживаются в силу того, что ATM — это технология с маршрутизацией пакетов, запрашивающих установление соединений, а значит, таблица маршрутизации может эти связи учесть — либо за счет ручного труда администратора, либо за счет протокола маршрутизации PNNI.

Основной соперник технологии ATM в локальных сетях — технология Gigabit Ethernet. Она превосходит ATM в скорости передачи данных — 1000 Мбит/с по сравнению с 622 Мбит/с, а также в затратах на единицу скорости. Там, где коммутаторы ATM используются только как высокоскоростные устройства, а возможности поддержки разных типов трафика игнорируются, технологию ATM, очевидно, заменит технология Gigabit Ethernet. Там же, где качество обслуживания действительно важно (видеоконференции, трансляция телевизионных передач и т. п.), технология ATM останется. Для объединения настольных компьютеров технология

ATM, вероятно, еще долго не будет использоваться, так как здесь очень серьезную конкуренцию ей составляет технология Fast Ethernet.

В глобальных сетях ATM применяется там, где сеть frame relay не справляется с большими объемами трафика, и там, где нужно обеспечить низкий уровень задержек, необходимый для передачи информации реального времени.

Сегодня основной потребитель территориальных коммутаторов ATM — это Internet. Коммутаторы ATM используются как гибкая среда коммутации виртуальных каналов между IP-маршрутизаторами, которые передают свой трафик в ячейках ATM. Сети ATM оказались более выгодной средой соединения IP-маршрутизаторов, чем выделенные каналы SDH, так как виртуальный канал ATM может динамически перераспределять свою пропускную способность между пульсирующим трафиком клиентов IP-сетей. Примером магистральной сети ATM крупного поставщика услуг может служить сеть компании UUNET — одного из ведущих поставщиков услуг Internet Северной Америки (рис. 11.35).

Рис. 11.35 Магистральная сеть ATM компании UUNET

Сегодня по данным исследовательской компании Distributed Networking Associates около 85 % всего трафика, переносимого в мире сетями ATM, составляет трафик компьютерных сетей (наибольшая доля приходится на трафик IP — 32 %).

Хотя технология ATM разрабатывалась для одновременной передачи данных компьютерных и телефонных сетей, передача голоса по каналам CBR для сетей ATM составляет всего 5 % от общего трафика, а передача видеоинформации — 10 %. Телефонные компании пока предпочитают передавать свой трафик непосредственно по каналам SDH, не довольствуясь гарантиями качества обслуживания ATM. Кроме того, технология ATM пока имеет недостаточно стандартов для плавного включения в существующие телефонные сети, хотя работы в этом направлении идут.

Что же касается совместимости ATM с технологиями компьютерных сетей, то разработанные в этой области стандарты вполне работоспособны и удовлетворяют пользователей и сетевых интеграторов.

Тема №11 : "Общая структура, типы основные стандартные устройства глобальных сетей"