Широкополосная цифровая сеть интегрального обслуживания (B-ISDN)

С.В.Кунегин

ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ АТМ

Учебно-методическое пособие

М., в/ч 33965, 1999, - 80 с. с илл.

В пособии представлены основные сведения о технологии высокоскоростных асинхронных сетей АТМ. Пособие будет полезно слушателям факультета специальной техники при изучении современных сетевых технологий.

Табл. 2, рис. 58

Содержание

1. Введение

1.1 Основные принципы АТМ
1.2 Ячейки АТМ
1.3 Пример сети АТМ
1.4 Широкополосная цифровая сеть интегрального обслуживания (B-ISDN)
1.5 Перенос битового потока
1.6 Перенос пакетов
1.7 Многоуровневая архитектура

2. Физические уровни

2.1 Частный интерфейс пользователь-сеть (Private UNI)
2.2 Интерфейс пользователь-сеть сети общего пользования (Public UNI)
2.3 Два подуровня
2.4 Поток SDH STM-1, 155 Мбит/с
2.5 Определение границ ячеек при использовании SDH
2.6 Поток T1, 1.544 Мбит/с
2.7 Поток T3, 44 Мбит/с
2.8 Определение границ ячеек при использовании цифрового потока T3
2.9 Поток E1, 2.048 Мбит/с
2.10 Поток Е3, 34 Мбит/с
2.11 Поток J2, 6.312 Мбит/с
2.12 Неэкранированный симметричный кабель категории 3, 25.6 Мбит/с
2.13 Кодирование 8В10В, 155 Мбит/с
2.14 Кодирование 4В5В, 100 Мбит/с

3. Уровень АТМ

3.1 Ячейка АТМ интерфейса UNI
3.2 Задержка при разбиении данных на короткие ячейки
3.3 Очереди при малых ячейках
3.4 Почему 53 байта?
3.5 Виртуальные соединения
3.6 Виртуальные пути и виртуальные каналы
3.7 Приоритет потери ячейки
3.8 Категории обслуживания АТМ
3.9 Управление трафиком
3.10 Основной алгоритм скорости ячеек
3.11 Равномерный трафик
3.12 Неравномерный трафик
3.13 Идентификатор типа нагрузки
3.14 Основное управление потоком
3.15 Контрольная сумма заголовка

4. АТМ коммутация

4.1 АТМ коммутация
4.2 Разделяемая магистраль
4.3 Разделяемая память
4.4 Пространственное разделение
4.5 Постоянные виртуальные соединения
4.6 Коммутируемые виртуальные соединения
4.7 Установление соединения
4.8 Нумерация в АТМ
4.9 Формат адреса для корпоративных сетей
4.10 Регистрация адреса

5. Уровни адаптации АТМ

5.1 Классификация услуг МСЭ-Т
5.2 AAL1 для класса A
5.3 AAL1: Метод адаптивной подстройки частоты
5.4 AAL2 для класса B
5.5 AAL3/4 для классов C и D
5.6 AAL5 для классов C и D

6. Интерфейсы

6.1 Интерфейсы АТМ
6.2 Интерфейс DXI
6.3 Интерфейс АТМ F-UNI
6.4 Интерфейс NNI
6.5 Интерфейс B-ICI

7. Управление сетями АТМ
8. Литература

Введение

Основные принципы АТМ

С технической точки зрения появление асинхронного метода переноса (Asynchronous Transfer Mode - АТМ) предопределил тот факт, что практически все виды трафика создают неравномерную по интенсивности нагрузку.

В качестве примера рассмотрим речевой сигнал. Во время обычного двухстороннего телефонного разговора уровень речевого сигнала каждого из абонентов непостоянен и имеют место как межслоговые, межслововые и межфразные паузы, так и промежутки молчания на время прослушивания собеседника.

В целом, передача речевого сигнала от одного из собеседников осуществляется примерно в течении 40% общего времени разговора. Очевидно, было бы желательно передавать речевой сигнал только в периоды его активности и не занимать канал связи на время пауз в речи. Данный факт был использован уже в начале 60-ых годов для создания систем передачи со статистическим уплотнением, что позволило повысить эффективность использования дорогих подводных межконтинентальных линий связи почти вдвое.

В то же время представляется весьма заманчивым использовать периоды молчания и паузы в речевом сигнале для передачи других типов сигналов (данные, видео и пр.).

Однако, такие сигналы по сравнению с речевым создают крайне неравномерную по интенсивности нагрузку.

Ячейки АТМ

Традиционным способом передачи неравномерной нагрузки является тот или иной вид коммутации сообщений (пакетов).

Пакеты АТМ называются ячейками (cell), так как все они имеют фиксированную длину. Длина ячеек АТМ равна 53 байтам (октета), из которых 48 байт отводится для передачи информации (нагрузки) и 5 байт для заголовка. Информация, содержащаяся в 5 байтах заголовка, достаточна для доставки сетью каждой ячейку по назначению.

Сеть АТМ является инфраструктурой, предназначенной для транспортирования ячеек. В качестве аналогии из транспортирования грузов можно привести систему контейнерных перевозок.

Пример сети АТМ

Рассмотрим пример сети АТМ. В данном случае мы имеем сигналы речи, данных и видеосигналы, которые необходимо передать через сеть, а также устройства, преобразующие эти сигналы в ячейки и обратно. Ячейки мультиплексируются в один поток, который по линии связи поступает в “облако” сети АТМ. Сеть АТМ коммутирует и доставляет ячейки по назначению.

Используя инфраструктуру коммутации ячеек, возможно добавлять новые типы нагрузки без изменения самой инфраструктуры. Поскольку пользователь взаимодействует только с пограничными устройствами, то для изменения (введения) нового типа нагрузки достаточно модифицировать только эти пограничные устройства. Это одна из положительных сторон технологии АТМ. При необходимости без затруднений можно производить изменение или расширение сети.

Перенос битового потока

Рассмотрение принципов работы пограничных устройств АТМ начнем с устройств, преобразующих речевой сигнал в ячейки и обратно. Несмотря на то, что мощность речевого сигнала является переменной величиной, практически все современные способы цифрового представления речевых сигналов образуют битовый поток с постоянной скоростью передачи, например 64 Кбит/с при использовании стандартной ИКМ. Данный цифровой поток необходимо преобразовать в ячейки. Пограничное устройство “разрезает” цифровой поток на отдельные ячейки для передачи через сеть.

В качестве примера (см. рисунок) допустим, что одна ячейка несет 8 бит (а не 53 байта) информации. Биты собираются порция за порцией, помещаются в ячейку и направляются в сеть. Заметим, что несущие информацию ячейки могут перемежаться пустыми, поскольку скорость цифрового речевого потока обычно значительно ниже, чем скорость передачи в линии. Следовательно, необходимы “пустые” ячейки. (Пустые ячейки занимают временные позиции, в течение которых могла бы передаваться другая информация). Ячейки проходят через сеть и попадают в линию принимающего пограничного устройства.

Заметим, что расстояние между ячейками несколько изменилось. Этот факт отражает статистическую (асинхронную) природу АТМ и не является проблемой, поскольку данные изменения обычно незначительны. (Ниже будут рассмотрены эффекты, возникающие при изменении величины задержки ячеек).

Сеть АТМ сохраняет порядок передачи ячеек. Иногда ячейки могут теряться, но порядок ячеек сохраняется. Принимающее пограничное устройство воспринимает поток ячеек и преобразует его в исходный битовый поток.

Перенос пакетов

При передаче данных информация обычно уже разбита на пакеты. Процесс преобразования в ячейки аналогичен рассмотренному выше. Однако, в данном случае имеется некоторое отличие, поскольку информация поступает значительными “порциями”. Ячейки, несущие информацию одного пакета, передаются в сеть сгруппировано. При выходе из сети они могут перемежаться другими ячейками. Тем не менее сборка содержимого ячеек в исходный пакет не представляет затруднений, поскольку содержимое ячеек, несущих другую информацию, просто не включается в собираемый пакет.

Многоуровневая архитектура

АТМ основывается на многоуровневой архитектуре.

Нижним уровнем является физический (PHY). Подробно различные типы физического уровня АТМ будут рассмотрены в следующем разделе.

Над физическим уровнем располагается уровень АТМ. На данном уровне присутствуют ячейки.

Над уровнем АТМ располагается уровень адаптации АТМ (ATM Adaptation Layer - AAL). Данный уровень реализуется в конечных системах и является прозрачным для сети АТМ. Под прозрачностью понимается то, что служебная информация уровня AAL располагается внутри 48 байт нагрузки ячейки и сеть не анализирует эту информацию.

Поскольку сеть АТМ должна осуществлять доставку информации различного типа, предусмотрено несколько различных уровней AAL. Некоторые из них будут рассмотрены ниже.

Физические уровни

Два подуровня

Физический уровень АТМ имеет существенное архитектурное отличие от привычного по хорошо известной эталонной модели взаимодействия открытых систем (ЭМ ВОС). В ЭМ ВОС физический уровень имеет дело с отдельными “атомами” - битами, передавая их через среду.

В АТМ “атомами” являются ячейки и сеть АТМ оперирует именно с ячейками. Следовательно, часть функций по обработке ячеек должны быть отнесены к физическому уровню. Совокупность данных функций образуют подуровень преобразования передачи (Transmission Convergence Sublayer - TCS).

Подуровень TCS располагается над подуровнем, ориентированным на среду передачи (Physical Medium Dependent Sublayer - PMD). Подуровни PMD ориентированы на определенную среду передачи и отвечают за стандартные функции физического уровня, такие как типы соединителей, способы кодирования и пр.

Подуровень TCS определяет границы ячеек (delineation). Если имеется битовый поток, то в данном потоке необходимо выделить ячейки.

Можно представить себе сеть АТМ в образе вечно голодного тюленя, который все время глотает рыбок (в нашем случае - ячейки). Если Вы имеете ячейки для передачи, т.е. есть данные, которые необходимо передать, то Вы “скармливаете” ячейки сети АТМ. Если у Вас нет ячеек, т.е. передано все, что хотелось, то Вы все равно должны продолжать передавать ячейки, чтобы сохранить работоспособность сети. В последнем случае используются так называемые “пустые” ячейки. Одной из функций подуровня TCS является вставка пустых ячеек на передаче и их изъятие на приеме с целью поддержания постоянства потока ячеек.

Для разных сред передачи виды подуровней TCS различаются и зависят от подуровней PMD.

Поток SDH STM-1, 155 Мбит/с

Рассмотрение физических уровней начнем с синхронной цифровой иерархии (Synchronous Digital Hierarchy - SDH), которая является наиболее популярной средой для АТМ.

SDH осуществляет контейнерный перенос информационных потоков независимо от конкретной среды. Обычной физической средой для SDH является оптическое волокно. Кроме оптоволокна средой передачи может служить радиолиния (STM-RR). Форумом АТМ прорабатывается возможность использования в качестве физической среды для SDH неэкранированного симметричного кабеля.

Рассмотрим синхронный транспортный модуль (Synchronous Transport Module - STM) SDH первого уровня STM-1. Он изображается в виде таблицы из 9 строк и 270 столбцов. Каждая ячейка таблицы представляет собой один байт (октет), несущий информацию со скоростью 64 кбит/с. Передача бит STM осуществляется последовательно слева направо сверху вниз. Длительность STM составляет 125 мкс.

Первые девять столбцов STM-1 предназначены для передачи служебной информации. В частности, в первых двух байтах передается синхросигнал. Кроме того, для служебных целей в ряде случаев может использоваться еще один столбец.

В результате для передачи нагрузки (ячеек) остается 260 столбцов по 9 строк по 64 кбит/с, т.е. скорость передачи ячеек составляет 149,76 Мбит/с.

SDH имеет прекрасные возможности по масштабируемости и в настоящее время стандартизированы синхронные транспортные модули более высоких порядков: STM-4 (622 Мбит/с) и STM-16 (2,5 Гбит/с). Ожидается принятие стандарта STM-64 со скоростью передачи 10 Гбит/с.

Поток T1, 1.544 Мбит/с

Операторы магистральных сетей Северной Америки могут предлагать для АТМ поток T1. Формат кадра T1 содержит 24 последовательно идущих байта (октета) и один бит заголовка для целей синхронизации. Применяется специальный порядок следования битов заголовка, что позволяет их идентифицировать, и тем самым определить структуру кадра.

Рассмотрим вопрос определения границ ячеек.

Ячейки располагаются внутри байт нагрузки T1. В кадре только 24 байта, т.е. ячейка располагается в нескольких кадрах T1: 24 байта ячейки в первом кадре, 24 - во втором и оставшиеся 5 байт - в третьем. Далее в третьем блоке располагаются байты следующей ячейки и т.д. Каким же образом определить границы ячеек? Ответ: тем же образом, как и при SDH. Производится слежение окном 5 байт, подсчет контрольной суммы и проверка на совпадение со значением поля HEC.

Как показано на рисунке, скорость передачи нагрузки (ячеек) с помощью T1 составляет около 1.4 Мбит/с.

Поток T3, 44 Мбит/с

Цифровой поток T3 плезиохронной цифровой иерархии является еще одним важным интерфейсом АТМ (по крайней мере для США, где он будет оставаться доминирующим в течение нескольких ближайших лет). Несмотря на преимущества технологии SDH, данные сети не получили достаточно широкого распространения, в то время как системы плезиохронной цифровой иерархии широко эксплуатируются на сетях связи.

Рассмотрим структуру кадра передачи T3. Передача бит осуществляется последовательно слева направо сверху вниз. Первый бит кадра несет служебную информацию, затем следуют 84 бита информационной нагрузки, затем еще один бит служебной информации и так далее. Длительность кадра составляет 106,4 мкс. Скорость передачи нагрузки составляет 44,21 Мбит/с.

Поток E1, 2.048 Мбит/с

Интерфейс Е1 очень широко распространен в Европе.

На рисунке приведен формат кадра Е1. Кадр содержит 32 байта (октета), повторяющихся с периодом 125 мкс. Байты 0 и 16 используются для синхронизации и других служебных целей. Остальные 30 байт используются для передачи ячеек.

Следовательно, данный физический уровень может переносить ячейки со скоростью 1.920 Мбит/с.

Для определения границ ячеек так же, как и в случае SDH и T1, используется поле HEC.

Поток Е3, 34 Мбит/с

На рисунке показан один кадр потока Е3. Его длительность составляет 125 мкс. Кадр содержит 9 строк по 59 байт в каждом и 6 дополнительных байт для передачи сигналов синхронизации и служебной информации. Скорость потока составляет 34.368 Мбит/с. Емкость по переносу ячеек составляет 33.92 Мбит/с.

Для определения границ ячеек также используется HEC.

Поток J2, 6.312 Мбит/с

Этот физический уровень применяется в магистральных сетях Японии. Хотя скорость потока J2 аналогична североамериканскому потоку DS2, использование битов этих потоков отличается.

На рисунке показаны четыре кадра длительностью 125 мкс. Каждый кадр содержит 98 восьмибитных канальных интервала (784 бита) и 5 бит заголовка (биты F), следующие в специальном порядке. Два последних канальных интервала не используются для переноса ячеек.

Синхронизация осуществляется по битам F. Определение границ ячеек - по HEC.

Уровень АТМ

Ячейка АТМ интерфейса UNI

В предыдущем разделе был рассмотрен перенос ячеек через физическое соединение с помощью физического уровня АТМ. В данном разделе рассмотрим, что представляют из себя собственно ячейки АТМ и каким образом ячейки достигают получателя.

Управляющие поля ячейки показаны на рисунке.

Очереди при малых ячейках

Кроме абсолютной величины задержки очень важным параметром является изменение величины задержки, называемый также “вариация задержки” или “джиттер задержки” (delay variation).

В качестве примера рассмотрим источник сообщений длиной 100 байт, которые необходимо передавать с помощью цифрового потока DS-3. Будем рассматривать не всю сеть, а только одно соединение. Предположим также, что данное соединение используют совместно с данным еще 100 источников сообщений. Какие случаи будут наилучшими и наихудшими с точки зрения задержки для сообщения длиной 100 байт?

Наилучшим случаем, является тот, когда в момент появления сообщения от нашего источника отсутствуют сообщения от прочих источников. Сообщение направляется в линию практически без задержки.

Наихудшим является случай одновременной активности всех источников. При этом необходимо ждать пока все прочие источники отправят свои ячейки: посылается одна ячейка, ожидается пока свои ячейки отправят остальные 100 источников, затем посылается следующая ячейка и т.д.

Рассмотрим этот наихудший случай. Если длина нагрузки в ячейке мала, то необходимо передавать много ячеек и эффективность передачи мала. Если длина нагрузки в ячейке велика, то приходится долго ждать, пока прочие источники завершат передачу своих ячеек.

В качестве аналогии можно привести время ожидания проходящего поезда на железнодорожном переезде. Чем длиннее поезд, тем дольше приходится ждать, пока он пройдет и шлагбаум будет открыт. И, конечно, ждать почти не придется, если вагоны будут следовать раздельно.

По мере увеличения длины ячейки время ожидания доступа к линии растет почти линейно. На рисунке видны некоторые колебания зависимости задержки на ожидание от длины нагрузки ячейки для малых длин ячеек.

Почему 53 байта?

Естественно, важный вопрос выбора размера ячейки подвергался интенсивному анализу со стороны многочисленных экспертов.

В Европе определяющим параметром являлась задержка, возникающая при разбиении данных на ячейки. Европейские телефонные сети, в основном, не очень большие и на них практически не используется технология эхокомпенсации. Для европейских операторов нежелательно оборудовать сети эхокомпенсаторами, поэтому они предложили использовать небольшую длину нагрузки ячейки.

На сети Северной Америки технология эхокомпенсации применяется уже давно, поскольку ряд каналов данной сети имеет значительную протяженность. Операторы североамериканской сети предпочитали сделать длину нагрузки в ячейке достаточно большой, чтобы не терять эффективность при достаточно большой доли заголовка в ячейке.

Таким образом сформировались две противоречивые точки зрения. Операторы Северной Америки предложили использовать 64 октета нагрузки и 5 октетов заголовка. Европейские - 32 октета нагрузки и 4 октетов заголовка.

МСЭ-Т, являясь международной организацией, выбрал компромиссное решение: применять в ячейках АТМ 48 октетов нагрузки и 5 октетов заголовка.

Виртуальные соединения

Итак, длина ячейки АТМ зафиксирована на 53 байтах. Далее рассмотрим каким образом ячейки перемещаются от источника к получателю.

В заголовке ячейки для этого предусмотрены поля VPI/VCI. На рисунке приведены примеры виртуальных соединений через коммутатор АТМ. Коммутатор имеет таблицу соединений (или таблицу маршрутизации - routing table), которая содержит соответствия между входными и выходными VPI/VCI и портами коммутатора.

При поступлении ячейки коммутатор анализирует значение VPI/VCI в заголовке. Предположим, что входящий VPI/VCI - 0/37. Поскольку ячейка поступила на порт 1, коммутатор анализирует запись в таблице для порта 1 и обнаруживает, что ячейка должна быть направлена в порт 3. Кроме того, при посылке на порт 3 необходимо поменять VPI/VCI ячейки на значение 0/76.

Таким образом, заголовок ячейки меняется при ее прохождении через коммутатор. Конечно, информация (нагрузка) остается без изменений.

Значения VPI/VCI меняются по двум причинам. Во-первых, всего может быть около 17 миллионов значений VPI/VCI. Если сеть очень велика, то данного числа может не хватить для описания соединений всей сети.

Впрочем, возможно более важным является соображение администрирования уникальных значений VPI/VCI в большой сети. Например, как можно гарантировать, что устанавливаемое в Хабаровске новое соединение будет иметь уникальное значение, отличное от всех уже существующих в мире?

Интересно отметить, что оба эти соображения весьма актуальны для глобальной сети Internet, где доступно ограниченное число адресов IP. Если сделать адресное пространство достаточно большим для обслуживания универсальных адресов, то размер заголовка в сравнении с нагрузкой будет неприемлемым.

Значение VPI/VCI является значимым только в отношении данного интерфейса. Действительно, в примере значение “37” используется для обоих интерфейсов, но не возникает двусмысленности, поскольку они являются физически различными. Существует отдельная запись для значения 37 порта 2, которому, конечно, соответствует другой пункт назначения.

Таким образом, комбинация значений VPI/VCI позволяет сети ставить в соответствие конкретную ячейку конкретному соединению, и, следовательно, направлять ячейку по назначению.

	Порт	VPI/VCI	Порт	VPI/VCI
Видео		0/37		0/76
Данные		0/42		0/52
Видео		0/37		0/22
Речь		0/78		0/88

Приоритет потери ячейки

Наверное еще не было другого одиночного бита в истории телекоммуникаций, который выполнял бы столько функций и был бы так важен, как бит приоритета потери ячейки (cell loss priority). Во всяком случае, это наиболее важный бит в заголовке ячейки АТМ.

Назначение данного бита следующее. Ячейки с установленным битом CLP будут сброшены до сброса ячеек, у которых данный бит не установлен. Иначе говоря, при наличии данного бита ячейка несет в себе признак “сбрось меня”.

Рассмотрим причины, по которым ячейки могут помечаться как излишние. Во-первых, данный признак может установить терминальное (пользовательское) оборудование. Например, это может быть желательно, когда используются услуги глобальной транспортной сети и имеет место экономическая целесообразность использовать ячейки с низким приоритетом. Также это может использоваться при установке различных приоритетов различным типам трафика, когда используется согласованный уровень услуг.

Кроме того, бит приоритета потери ячейки может быть установлен сетью АТМ. Для уяснения принципов установки данного бита сетью рассмотрим принципы управления трафиком сети АТМ.

Категории обслуживания АТМ

Одной из ключевых идей АТМ является гарантия качества обслуживания. Рассмотрим основные категории обслуживания.

Категория постоянной скорости передачи (Constant Bit Rate - CBR) представляет собой эмуляцию соединения. В этом случае сеть АТМ должна переносить непрерывный поток бит (например, 64 кбит/с). В этом случае подразумевается малая задержка и малое изменение задержки.

Категория переменной скорости передачи реального времени (Real-Time Variable Bit Rate - rt-VBR) определяет довольно жесткие требования к задержке, но относительно низкие требования к потере ячеек. Данная категория применима к типам трафика, чувствительным к задержке, но допускающим переменную скорость передачи.

Категория переменной скорости передачи нереального времени (Non-Real-Time Variable Bit Rate - nrt-VBR) является дополнением категории rt-VBR. В этом случае значение задержки не является определяющим, но потери ячеек должны быть крайне малы. Примером такого типа трафика является электронная почта.

Категорию неспецифицированной скорости передачи (Unspecified Bit Rate - UBR) можно характеризовать как “отправляй и молись”, т.к. UBR не предоставляет никаких гарантий.

Категория доступной скорости передачи (Available Bit Rate - ABR) использует управление потоком. Основной целью этой категории обслуживания является малая вероятность потери ячеек в сети.

Управление трафиком

Сеть АТМ должна однозначно и заблаговременно определять свои ресурсы. Сеть должна поддерживать различные типы трафика и предоставлять услуги различного уровня.

Например, качественная передача речи требует малой задержки и малого джиттера задержки. Сеть должна определить свои ресурсы, чтобы это гарантировать. Решением этой проблемы является так называемое управление трафиком (traffic management).

При установке соединения (канала или пути) терминал устанавливает с сетью соглашение по трафику (traffic contract). Это позволяет сети АТМ или сети оператора проанализировать существующие возможности сети и определить может ли устанавливаемое соединение обеспечить предъявляемые к нему требования. Если ресурсы сети недостаточны, в соединении будет отказано. При наличии ресурсов сеть находит маршрут с достаточной емкостью для обеспечения характеристик трафика.

Пока все выглядит прекрасно, но проблема заключается в том, что характеристики трафика конкретного приложения редко известны точно. Рассмотрим передачу файлов. Казалось бы, что может быть проще. Однако, до начала передачи неизвестно какого размера файлы и как часто предполагается передавать. Следовательно, невозможно заранее определить, какими будут характеристики трафика.

Итак, идея управления трафиком заключается в следующем. Сеть “смотрит”, выполняют ли приходящие ячейки соглашение по трафику. Ячейки, нарушающие соглашение (неконформные ячейки), имеют установленный бит CLP. Это означает, что они являются претендентами на сброс. Однако, это не означает, что неконформные ячейки будут обязательно сброшены, а только то, что они будут сбрасываться первыми при перегрузке сети.

Теоретически, если ресурсы сети определены правильно, сброс всех ячеек с установленным битом CLP будет являться результатом поддержания уровня обслуживания в некоторой точке сети. Следовательно, это является критичным для достижения цели АТМ: для гарантирования качества обслуживания (или нескольких типов качества обслуживания) необходимы различные типы трафика.

Равномерный трафик

Рассмотрим работу алгоритма GCRA на примере равномерного трафика.

На диаграмме показано поступление ячеек, а также состояние ведра до (t-) и после (t+) поступления ячейки.

Предположим, что ведро пусто и поступает ячейка для данного соединения. Наливаем полтора литра воды в ведро. (Каждой ячейке соответствует полтора литра. Это инкрементный параметр “l”. Однако, за единицу времени может выливаться только один литр.) Ко времени поступления следующей ячейки выливается один литр и в ведре остается пол-литра воды. Доливаем в ведро еще полтора литра, соответствующих второй поступившей ячейке. Теперь ведро содержит пол-литра от предыдущей ячейки и полтора - от поступившей, т.е. ведро заполнено.

Если в следующей момент поступит ячейка, то она будет нарушать соглашение, т.к. в ведре нет места для очередных полутора литров воды. Предположим, что мы выполняем правила и не посылаем очередной ячейки, т.е. уровень воды в ведре остается прежним. В следующий момент вытекает и оставшаяся вода и мы снова имеем пустое ведро, т.е. то состояние, с которого начали.

Такой тип трафика называют “равномерным”, поскольку он имеет периодичный характер. В данной случае за три единицы времени передаются две ячейки и это повторяется периодически. Конечно, две ячейки из трех дают отношение, обратное инкрементному параметру l=1,5. Меняя величину параметра “l” и скорость вытекания можно получить желаемое соотношение переданных ячеек и общего времени - 17 из 23, 15 из 16 и т.д. Это дает полную гибкость для достижения любой степени детализации скорости передачи.

Неравномерный трафик

Теперь рассмотрим пример неравномерного трафика. Увеличим значение ограничивающего параметра до 7, а инкрементного - до 4,5, т.е. емкость ведра составит 7 + 4,5=11,5.

В данном примере передаются три ячейки и ведро после них заполнено почти полностью, т.к. инкрементный параметр достаточно велик. После этого приходится ждать (и достаточно долго), пока вода будет выливаться из ведра литр за литром, прежде чем можно будет передавать очередную ячейку. Если дождаться момента полного освобождения ведра, то можно будет опять передать очередную порцию из трех ячеек.

Этот пример демонстрирует тот факт, что увеличение ограничивающего параметра позволяет обслуживать значительно неравномерный тип трафика.

Идентификатор типа нагрузки

Поле идентификатора типа нагрузки (Payload Type Identifier) содержит три бита. Первый бит служит для обозначения собственно типа ячейки: пользовательская или служебная. (Служебные ячейки могут использоваться для диагностики сети АТМ. Допустим, что посылаемые в сеть ячейки не достигают пункта назначения. Тогда можно послать в сеть ячейку с установленным битом - служебную ячейку. Эта ячейка будет иметь тот же VPI/VCI и будет проходить тем же маршрутом. Однако, поскольку это служебная ячейка, коммутаторы могут идентифицировать ее и размещать в поле нагрузки данной ячейки информацию о ее прохождении. Более того, в некоторой точке сети ячейка может быть отправлена обратно).

Если ячейка пользовательская, то второй бит PTI называется битом уведомления приемника о перегрузке (Explicit Forward Congestion Indicator - EFCI). Если ячейка проходит через точку сети, которая находится в состоянии перегрузки, то данный бит устанавливается. В этой точке бит EFCI используется для управления перегрузкой для категории обслуживания доступной скорости передачи ARB.

Опять же, если ячейка пользовательская, третий бит переносится сетью прозрачно. В настоящее время он определен только для использования уровнем адаптации АТМ AAL5.

Основное управление потоком

Поле основного управления потоком (Generic Flow Control) занимает первые четыре бита заголовка. Оно определено только для UNI. Оно не используется в интерфейсе узел - сеть (Network Node Interface - NNI), который является интерфейсом коммутаторов АТМ.

Поле GFC в настоящее время еще не определено, зарезервировано и принято равным нулю. Возможным использованием этого поля может являться управление потоком или множественный доступ к разделяемой сети АТМ с использованием местных средств доступа.

Контрольная сумма заголовка

Последние восемь бит заголовка являются контрольной суммой заголовка (header error check - HEC). При прохождении ячейки через сеть ее VPI/VCI могут быть испорчены ошибками, что может привести к доставке ячейки не по назначению. Для обнаружения и исправления ошибок в заголовке используется HEC. Кроме того, HEC может использоваться физической средой, например, SDH при определении границ ячеек.

HEC может использоваться в двух режимах. Первым является режим обнаружения ошибок с помощью циклического кода (CRC). Если ошибка в заголовке обнаруживается, то ячейка сбрасывается. Вторым режимом является режим исправления одиночных ошибок. Применение того и другого режима зависит от используемой физической среды. Если используется оптическое волокно, то исправления однократной ошибки оказывается вполне достаточно, поскольку в данной физической среде наиболее вероятны такие ошибки. При использовании в качестве физической среды медного кабеля наиболее вероятно группирование ошибок. В данном случае применение режима исправления однократной ошибки увеличивает риск восприятия многократной ошибки как однократной и ее неправильного “исправления”. Это происходит потому, что свойства обнаружения ошибок ухудшаются в режиме исправления ошибок.

Отметим, что HEC пересчитывается от соединения к соединению, поскольку она зависит от значений VPI/VCI, которые меняются при прохождении через сеть.

АТМ коммутация

АТМ коммутация

Рассмотрев физический уровень и заголовок ячейки, рассмотрим как коммутируются ячейки. В данном разделе дается общее описание способов коммутации, применяемых в коммутаторах АТМ.

На рисунке показана общая схема коммутатора. В состав коммутатора входит коммутационное поле определенного типа, а также входные и выходные процессоры.

Входной процессор анализирует заголовок и определяет в какой выходной порт должна направляться ячейка. Коммутатор использует рассмотренную выше таблицу соединений, причем ярлык может применяться или не применяться. (Обычно ярлык используется. Ярлык (tag) является сообщением процессора коммутационному полю, в котором коммутационному полю сообщается каким образом обрабатывать данную ячейку. Ярлык используется только внутри коммутатора, его формат различен для разных коммутаторов и зависит от типа коммутационного поля.)

Заметим, что коммутационное поле, входные и выходные процессоры могут буферизировать информацию. Когда говорят о коммутаторе с буферизацией по входу, коммутаторе с буферизацией по выходу или коммутаторе с буферизацией в коммутационном поле, то это означает, что в данном узле производится основная буферизация ячеек.

Разделяемая магистраль

Небольшие коммутаторы АТМ, применяемые в локальных сетях, обычно строятся на основе общей среды, чаще всего разделяемой магистрали (шины) (Shared Backplane). На рисунке показаны входные процессоры, преобразующие VPI/VCI в ярлык. Доступ входных процессоров к общей разделяемой шине осуществляется на основе арбитража шины. Один из входных процессоров получает доступ к шине и посылает ячейку через общую шину на входы всех выходных процессоров.

Выходные процессоры анализируют ярлык с целью установления принадлежности данной ячейки данному выходному процессору. Выходной процессор, которому предназначается ячейка, считывает ее с шины, убирает ярлык (это выполняет фильтр ярлыков) и записывает ячейку в выходной буфер для последующей передачи в линию.

Заметим, что поскольку каждый выходной процессор видит каждую ячейку, то для данной архитектуры вполне естественной является передача широковещательных сообщений. Для этой цели возможно использование специального типа ярлыка.

В соединениях АТМ типа “точка - много точек” одна ячейка многократно копируется для передачи в сеть АТМ. Для таких соединений архитектура с разделяемой магистралью является наиболее приемлемой.

Очень важным моментом в коммутации АТМ является управление выходным буфером. Наличие выходного буфера необходимо, поскольку на данный выходной порт могут поступать ячейки с нескольких входных портов и эти ячейки необходимо хранить до того, как они будут направлены в линию.

На рисунке не случайно показаны два буфера. Почему два? Прежде всего по тому, что обычно гарантируются два типа качества обслуживания.

Например, для речи желательно иметь малую задержку. На практике допустимо даже потерять ячейку с речевой информацией, нежели получить ее со значительной задержкой. Такой тип трафика можно направлять в отдельный относительно малый буфер.

Передача данных, в отличие от речи, предъявляет совершенно другие требования. В этом случае потеря ячеек крайне нежелательна, поэтому для данного типа трафика организуется относительно большой буфер. Это несколько увеличит задержку на передачу данных, но потери ячеек будут существенно меньше.

Разделяемая память