Технология ATM


Сегодня для всех организаций вопросы стандартизации играют немалую роль. Не остаются в стороне от этого процесса и вопросы стандартизации сетевых решений.

Корпоративные сетевые стандарты позволяют обеспечить эффективное взаимодействие всех станций сети за счет использования одинаковых версий программ и однотипной конфигурации. Однако, значительные сложности возникают при унификации технологии доступа рабочих станций к WAN-сервису, поскольку в этом случае происходит преобразование данных из формата token ring или Ethernet в форматы типа X.25 или T1/E1. ATM обеспечивает связь между станциями одной сети или передачу данных через WAN-сети без изменения формата ячеек - технология ATM является универсальным решением для ЛВС и телекоммуникаций.

Нет сомнений в том, что скоростные технологии ЛВС являются основой современных сетей. ATM, FDDI и Fast Ethernet являются основными вариантами для организация сетей с учетом перспективы. Очевидно, что приложениям multimedia, системам обработки изображений, CAD/CAM, Internet и др. требуется широкополосный доступ в сеть с рабочих станций. Все современные технологии обеспечивают высокую скорость доступа для рабочих станций, но только ATM обеспечивает эффективную связь между локальными и WAN-сетями.

ATM - история и базовые принципы

Технология ATM сначала рассматривалась исключительно как способ снижения телекоммуникационных расходов, возможность использования в ЛВС просто не принималась во внимание. Большинство широкополосных приложений отличается взрывным характером трафика. Высокопроизводительные приложения типа ЛВС клиент-сервер требуют высокой скорости передачи в активном состоянии и практически не используют сеть в остальное время. При этом система находится в активном состоянии (обмен данными) достаточно малое время. Даже в тех случаях, когда пользователям реально не нужна обеспечиваемая сетью полоса, традиционные технологии ЛВС все равно ее выделяют. Следовательно, пользователям приходится платить за излишнюю полосу. Перевод распределенных сетей на технологию ATM позволяет избавиться от таких ненужных расходов.

Комитеты по стандартизации рассматривали решения для обеспечения недорогих широкополосных систем связи в начале 80-х годов. Важно то, что целью этого рассмотрения было применение принципов коммутации пакетов или статистического мультиплексирования, которые так эффективно обеспечивают передачу данных, к системам передачи других типов трафика. Вместо выделения специальных сетевых ресурсов для каждого соединения сети с коммутацией пакетов выделяют ресурсы по запросам (сеансовые соединения). Поскольку для каждого соединения ресурсы выделяются только на время их реального использования, не возникает больших проблем из-за спада трафика.

Проблема, однако, состоит в том, что статистическое мультиплексирование не обеспечивает гарантированного выделения полосы для приложений. Если множество пользователей одновременно захотят использовать сетевые ресурсы, кому-то может просто не хватить полосы. Таким образом, статистическое мультиплексирование, весьма эффективное для передачи данных (где не требуется обеспечивать гарантированную незначительную задержку), оказывается малопригодным для систем реального времени (передача голоса или видео). Технология ATM позволяет решить эту проблему.

Проблема задержек при статистическом мультиплексировании связана в частности с большим и непостоянным размером передаваемых по сети пакетов информации. Возможна задержка небольших пакетов важной информации из-за передачи больших пакетов малозначимых данных. Если небольшой задержанный пакет оказывается частью слова из телефонного разговора или multimedia-презентации, эффект задержки может оказаться весьма существенным и заметным для пользователя. По этой причине многие специалисты считают, что статистическое мультиплексирование кадров данных дает слишком сильную дрожь из-за вариации задержки (delay jitter) и не позволяет предсказать время доставки. С этой точки зрения технология коммутации пакетов является совершенно неприемлемой для передачи трафика типа голоса или видео.

ATM решает эту проблему за счет деления информации любого типа на небольшие ячейки фиксированной длины. Ячейка ATM имеет размер 53 байта, пять из которых составляют заголовок, оставшиеся 48 - собственно информацию. В сетях ATM данные должны вводиться в форме ячеек или преобразовываться в ячейки с помощью функций адаптации. Сети ATM состоят из коммутаторов, соединенных транковыми каналами ATM. Краевые коммутаторы, к которым подключаются пользовательские устройства, обеспечивают функции адаптации, если ATM не используется вплоть до пользовательских станций. Другие коммутаторы, расположенные в центре сети, обеспечивают перенос ячеек, разделение транков и распределение потоков данных. В точке приема функции адаптации восстанавливают из ячеек исходный поток данных и передают его устройству-получателю, как показано на рисунке 4.1.





Передача данных в коротких ячейках позволяет ATM эффективно управлять потоками различной информации и обеспечивает возможность приоритизации трафика.

Пусть два устройства передают в сеть ATM данные, срочность доставки которых различается (например, голос и трафик ЛВС). Сначала каждый из отправителей делит передаваемые данные на ячейки. Даже после того, как данные от одного из отправителей будут приниматься в сеть, они могут чередоваться с более срочной информацией. Чередование может осуществляться на уровне целых ячеек и малые размеры последних обеспечивают в любом случае непродолжительную задержку. такое решение позволяет передавать срочный трафик практически без задержек, приостанавливая на это время передачу некритичной к задержкам информации. В результате ATM может обеспечивать эффективную передачу всех типов трафика.

Даже при чередовании и приоритизации ячеек в сетях ATM могут наступать ситуации насыщения пропускной способности. Для сохранения минимальной задержки даже в таких случаях ATM может отбрасывать отдельные ячейки при насыщении. Реализация стратегии отбрасывания ячеек зависит от производителя оборудования ATM, но в общем случае обычно отбрасываются ячейки с низким приоритетом (например, данные) для которых достаточно просто повторить передачу без потери информации. Коммутаторы ATM с расширенными функциями могут при отбрасывании ячеек, являющихся частью большого пакета, обеспечить отбрасывание и оставшихся ячеек из этого пакета - такой подход позволяет дополнительно снизить уровень насыщения и избавиться от излишнего объема повторной передачи. Правила отбрасывания ячеек, задержки данных и т.п. определяются набором параметров, называемым качеством обслуживания (Quality of Service) или QoS. Разным приложениям требуется различный уровень QoS и ATM может обеспечить этот уровень.

Поскольку приходящие из разных источников ячейки могут содержать голос, данные и видео, требуется обеспечить независимый контроль для передачи всех типов трафика. Для решения этой задачи используется концепция виртуальных устройств. Виртуальным устройством называется связанный набор сетевых ресурсов, который выглядит как реальное соединение между пользователями, но на самом деле является частью разделяемого множеством пользователей оборудования. Для того, чтобы сделать связь пользователей с сетями ATM как можно более эффективной, виртуальные устройства включают пользовательское оборудование, средства доступа в сеть и собственно сеть ATM.

В заголовке ATM виртуальный канал обозначается комбинацией двух полей - VPI (идентификатор виртуального пути) и VCI (идентификатор виртуального канала. Виртуальный путь применяется в тех случаях, когда 2 пользователя ATM имеют свои собственные коммутаторы на каждом конце пути и могут, следовательно, организовывать и поддерживать свои виртуальные соединения. Виртуальный путь напоминает канал, содержащий множество кабелей, по каждому из которых может быть организовано виртуальное соединение.

Поскольку виртуальные устройства подобны реальным, они также могут быть "выделенными" или "коммутируемыми". В сетях ATM "выделенные" соединения называются постоянными виртуальными устройствами (PVC), создаваемыми по соглашению между пользователем и оператором (подобно выделенной телефонной линии). Коммутируемые соединения ATM используют коммутируемые виртуальные устройства (SVC), которые устанавливаются путем передачи специальных сигналов между пользователем и сетью. Протокол, используемый ATM для управления виртуальными устройствами подобен протоколу ISDN. Вариант для ISDN описан в стандарте Q.931, ATM - в Q.2931.

Виртуальные устройства ATM поддерживаются за счет мультиплексирования трафика, что существенно снижает расходы на организацию и поддержку магистральных сетей. если в одном из виртуальных устройств уровень трафика невысок, другое устройство может использовать часть свободных возможностей. За счет этого обеспечивается высокий уровень эффективности использования пропускной способности ATM и снижаются цены. Небольшие ячейки фиксированной длины позволяют сетям ATM обеспечить быструю передачу критичного к задержкам трафика (например, голосового). Кроме того, фиксированный размер ячеек обеспечивает практически постоянную задержку, позволяя эмулировать устройства с фиксированной скоростью передачи типа T1E1. Фактически, ATM может эмулировать все существующие сегодня типы сервиса и обеспечивать новые услуги. ATM обеспечивает несколько классов обслуживания, каждый из которых имеет свою спецификацию QoS.



Большая часть трафика, передаваемого через сети ATM использует класс обслуживания C, X или Y. Класс C определяет параметры QoS (качество обслуживания) для задержки и вероятности отбрасывания, но требует от пользователя аккуратного управления трафиком во избежание перенасыщения сети. трафик класса X дает пользователю большую свободу, но может не обеспечить стабильной производительности. Класс Y, называемый также "Available Bit Rate" (ABR или доступная скорость) позволяет пользователю и сети установить совместно скорость на основе оценки потребностей пользователя и возможностей сети.

ATM как технология ЛВС

Технология ATM изначально создавалась как часть сервиса "Broadband ISDN" под эгидой CCITT (сейчас ITU). Однако возможности ATM можно эффективно использовать и в локальных сетях.

Современные крупные сети используются для передачи самых разных типов данных, включая изображения, звук, CAD/CAM и т.п. Несмотря на то, что большинство компьютерных приложений используется уже достаточно давно, возможности современных настольных компьютеров позволяют по новому подойти к организации работы. Однако, рост возможностей настольных компьютеров существенно опережает расширение сетевых возможностей (в частности, пропускной способности сетей).

Возьмем для примера издательские системы, где с одним набором данных может одновременно работать множество людей. Представьте себе процесс подготовки газетной полосы для публикации. редакторы работают с одной частью полосы, корректоры просматривают текст, дизайнеры размещают материал на полосе - и все это происходит в одно время. Не будем забывать и о том, что высокое качество печати требует использования графических фалов размером в сотни мегабайт. Традиционные сети обеспечивают разделение доступа к таким файлам, однако из-за ограниченной пропускной способности доступ к расположенному на другом компьютере файлу размером в несколько сот мегабайт будет отнюдь не быстрым. ATM 25 позволяет пользователям организовать каналы доступа с полосой 25 Мбит/с для работы с серверами. Такое решение избавляет от задержек и позволяет готовить публикации существенно быстрее.

Преимущества ATM не ограничиваются вертикальным рынком. Сегодня организации могут связать через магистрали ATM свои корпоративные серверы. Можно ожидать и достаточно широкого использования ATM в настольных компьютерах при работе пользователей с большими объемами данных или использовании критичных к задержкам приложений.

Экономический фактор играет далеко не последнюю роль в расширении использования технологий ATM. Сегодня большинство людей использует в своей работе и телефон и компьютер. В течение нескольких лет существенно расширится обмен данными multimedia (клипами), использование видеоконференций и т.п. технология ISDN позволяет решить такие задачи. Однако, это потребует установки оборудования ISDN в каждый компьютер. Телефонные и сетевые кабельные системы не могут полностью совпадать, что дополнительно увеличивает сложность такого решения. Использование решения на базе ISDN с необходимостью приведет к возникновению параллельных кабельных систем для ЛВС и телефонии и подключению каждого компьютера к обеим системам. Нужно учесть еще и телевизионные кабели, которые также требуется проложить по причине расширения использования настольных видео-приложений. Такая кабельная система будет весьма сложна, а ее установка и поддержка потребуют высоких расходов. Переход на использование технологии ATM в локальных сетях позволяет обойтись одной кабельной системой и одним адаптером в компьютере, что не может не привести к значительному снижению расходов.

ATM позволяет не только организовать ЛВС, но может обеспечить передачу голосового и видео-трафика. Такое решение позволяет использовать настольные системы видеоконференций и приложения multimedia.

Фактически, использование ATM обеспечивает сразу множество преимуществ. Во-первых, высокая скорость доступа за приемлемую цену, во-вторых, возможность организации компактных магистралей на базе ATM (collapsed backbone). Наконец, эта архитектура обеспечивает сквозное повышение эффективности использования сетевых ресурсов.

Пользователи, которые думают об использовании ATM в будущем, должны использовать совместимые с ATM устройства уже сегодня - в противном случае переход может оказаться слишком дорогим и трудоемким. Мы рассмотрим этот вопрос более подробно в следующем разделе.

ATM как современная инфраструктура

Если виртуальные устройства напоминают реальные, ATM можно легко приспособить для текущих приложений, просто заменив выделенные или коммутируемые линии виртуальными устройствами ATM. Фактически, этот способ вместе с переходом на ATM в сетевых магистралях, является наиболее очевидным первым шагом.

На рисунках 4.2 , 4.3 и 4.4 показан типичный пользовательский сайт с устройствами, порождающими разнотипный трафик (голос, видео, данные). Эти три типа трафика могут передаваться с использованием сервиса ATM тремя показанными на рисунках способами.

1. Голос, данные и видео преобразуются в ячейки ATM в сети оператора с использованием функций адаптации ATM. Оператор будет реализовать все функции доступа и передачи, а для каждого устройства потребуется отдельная линия доступа в сеть ATM.





2. ЛВС, голосовые и видео-устройства подключаются к локальному коммутатору ATM для преобразования трафика в ячейки. Для доступа в сеть оператора используется одна линия, передающая все потоки трафика одновременно (как виртуальные устройства). Сеть оператора обеспечивает маршрутизацию трафика. Такое решение более экономично и может использоваться для организации "частных сетей ATM" для пользователей, которые имеют доступ к ATM-сервису или хотят создать свою распределенную сеть на базе ATM. Отметим, что находящийся в сети пользователя коммутатор ATM может принадлежать оператору и находиться у него на обслуживании.





3. Устройства оборудуются собственными интерфейсами ATM. Одно устройство доступа позволяет объединить весь пользовательский трафик в одном транке, связанном с сетью оператора. В этом случае на стороне пользователя устанавливается принадлежащее ему оборудование ATM, которое можно использовать для организации магистралей ЛВС или подключения настольных станций.





Скорое появление интерфейсов ATM в телефонном и видео-оборудовании не представляется вероятным, поэтому реализация третьего варианта соединения с сетью не сможет в ближайшие годы стать доминирующей. Фактически, скорость распространения каждого из приведенных вариантов будет определяться темпами снижения цен на оборудование и услуги операторов сетей ATM. Отсутствие эффективного управления этими процессами порождает определенный хаос и не позволяет надежно предсказать перспективы того или иного сервиса ATM.

Стандарт, определяющий интерфейс между операторами и пользователями ATM называется Public User Network Interface или Public UNI. Этот интерфейс определяется для различных значений скорости. Первые услуги ATM предлагались в основном со скоростью T3 (45 Мбит/с). Сейчас многие операторы предлагают скорость 155 Мбит/с и выше, но такая полоса обычно не требуется пользователям, да и стоимость подобных услуг весьма высока. Для большинства пользователей, планирующих организовать доступ к ATM или создать частную сеть ATM основной проблемой является стоимость оборудования.

Форум ATM - организация производителей оборудования ATM и пользователей работает в направлении развития стандартов и обеспечения интероперабельности оборудования. В конечном итоге это не может не привести к снижению цен. Кроме обеспечения интероперабельности ATM ведется большая работа по реализации ATM на скоростях меньше T3. Здесь возможно несколько вариантов:

• Полнофункциональные решения ATM при скорости T1. Один стандарт для ATM T1 уже утвержден, но некоторые производители и пользователи считают, что связанные с реализацией этого стандарта накладные расходы слишком велики - канал T1 с полосой 1.544 Мбит/с может обеспечить полезную полосу только около 1.1 Мбит/с.
  
• Так называемый dixie-стандарт (от акронима DXI - Data eXchange Interface). DXI был разработан как способ использования ATM в кадровом режиме с маршрутизаторами и другими устройствами передачи данных и специальными устройствами DSU, обеспечивающими преобразование кадров в реальные ячейки ATM. DXI работает через стандартные интерфейсы типа V.35 и HSSI.
  
• Интерфейс пользователь - сеть Frame Relay или F-UNI (произностися как FOONY), являющийся стандартом использования frame relay для доставки "кадров данных ATM" в сеть, которая будет конвертировать их в ячейки непосредственно на границе сети.
  
• Инверсное мультиплексирование ATM или AIM - стандарт для инверсного мультиплексирования множества линий T1 в один транк с полосой между T1 и T3. Такая полоса обеспечивает поддержку ATM для приложений, где скоростные запросы незначительно превышают возможности T1.

Проверка этих вариантов показывает, что они в основном подходят для систем обмена данными. Причиной этого является эффективная поддержка технологией ATM взрывного трафика современных систем передачи данных (ЛВС). Как было отмечено выше ATM может просто использоваться взамен выделенных линий в таких сетях, обеспечивая коммутацию ЛВС, поддерживаемую ATM UNI.

Замена выделенных линий системами ATM позволяет более эффективно организовать сети. Отметим, что виртуальные устройства ATM используются для организации многосвязных систем, позволяющих обеспечить доставку трафика непосредственно адресату. Сегодня желание пользователей применять многосвязные системы на базе ATM для связи своих сетей в значительной мере определяется предлагаемыми операторами ценами на услуги. Если оператор берет деньги за каждое виртуальное устройство ATM UNI, а не за общий трафик, стоимость организации многосвязной сети может оказаться слишком велика. Конечно, в кампусной магистрали ATM стоимость полосы в многосвязной системе будет несравненно ниже. Поддержка многосвязности требует лишь прокладки дополнительных физических соединений (кабелей) и установки более скоростных транковых портов в коммутаторы. Эти дополнительные расходы достаточно малы по сравнению с общей стоимостью сети





В многосвязной (каждый с каждым) сети ATM существует меньше транзитных точек, снижающих производительность и вносящих дополнительные задержки и насыщение. Такое решение обеспечивает существенное повышение стабильности работы приложений. Более того, каждый коммутатор является соседом для всех остальных коммутаторов и связан с ними напрямую. Это упрощает задачу динамического определения маршрута для протоколов маршрутизации типа RIP, используемого TCP/IP или NetWare, OSPF или IS-IS. Эти протоколы часто генерируют значительный трафик и могут существенно замедлить сеть при обмене конфигурационными данными (интервал сближения или конвергенции).

Если существует способ передачи "телефонного номера" ATM точке публичной сети ATM, которая достаточно близка к пользователям традиционной ЛВС, насколько можно приблизиться к пользователям? Ближайшей, готовой к использованию ATM станцией, сегодня является коммутатор. Это может быть магистральный коммутатор пользователя, коммутатор рабочей группы или даже настольный компьютер с адаптером ATM. В этом случае ATM используется как универсальная архитектура для коммуникаций, обеспечивающая связь между настольными системами вместе с традиционными технологиями ЛВС, а в некоторых случаях - взамен их. Это наиболее интересная, но и наиболее спорная часть применений ATM.

Страница
1 > : Часть 1
2 : Часть 2