Кодирование 4В5В, 100 Мбит/с

Существует еще один физический уровень со скоростью передачи 100 Мбит/с. Его параметры соответствуют параметрам технологии FDDI. Так же, как и в FDDI используется линейное кодирование 4В5В, т.е. 5 символьных интервалов кодируют 4 бита информации.

Определение границ ячеек осуществляется поиском специального символьного интервала ТТ. Данный интервал вставляется перед каждой ячейкой и легко обнаруживается приемником, поскольку используется только для целей разграничения и не встречается в ячейках.

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.

Задержка при разбиении данных на короткие ячейки

Первый вопрос, который возникает о размере ячейки, это: “Почему 53 байта?”. Это не часто используемое число, к тому же не очень большое. Рассмотрим причины, почему длина ячейки была выбрана именно такой.

Первая - задержка, возникающая при разбиении данных на пакеты. Рассмотрим обычный цифровой речевой сигнал (ИКМ) со скоростью передачи 64 кбит/с. Речевой сигнал кодируется 8000 отсчетами в секунду. Каждый отсчет представляется в виде слова длиной 8 бит, которое отражает амплитуду аналогового сигнала в данный момент времени. Следовательно, передача 8000 отсчетов по 8 бит в секунду требуют результирующей скорости 64 кбит/с.

Рассмотрим задачу заполнения ячейки. Если ячейка имеет 48 байт нагрузки, то первый отсчет речевого сигнала будет находиться в частично заполненной ячейке в течение 40 периодов дискретизации и после этого будет направлен в сеть. То есть первый отсчет будет задержан на время около 5 мс, прежде чем ячейка будет направлена в сеть. Этот эффект называется “задержка, возникающая при разбиении данных на пакеты” или “задержка пакетизации” (“packetization delay”) и очень важен при работе с трафиком, требующим реального масштаба времени при передаче (изохронный трафик). Типичным примером изохронного трафика является речевой сигнал.

Примером влияния задержки на качество передачи речи может служить ведение переговоров по спутниковому каналу (задержка около 250 мс в одну сторону). Наряду с неудобством ведения переговоров из-за снижения чувства контакта между абонентами возможно возникновение мешающих эхосигналов. Данные проблемы могут возникать и при небольшой задержке порядка 10..100 мс.

Размер ячейки должен быть малым для обеспечения малого времени задержки. Однако, необходим некоторый заголовок ячейки для обеспечения ее доставки по назначению. На рисунке показана зависимость процентной величины заголовка в пакете при использовании заголовка длиной 5 байт от размера (числа байт) нагрузки.

С другой стороны, нельзя сильно уменьшать длину ячейки, чтобы не терять эффективность.

Следовательно, при выборе длины ячейки необходимо найти компромисс между приемлемой величиной задержки и достаточно высокой эффективностью. При использовании заголовка длиной 5 байт и 48 байт нагрузки размер заголовка составляет около 10%.

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.