Уровень адаптации АТМ и качество сервиса.

В модели OSI стандарты для сетевого уровня определяют, как осуществляется маршрутизация пакетов и управление ими. В модели АТМ стандарты для уровня адаптации АТМ выполняют три подобные функции:

- определяют, как форматируются пакеты;

- предоставляют информацию для уровня АТМ, которая дает возможность этомууровню устанавливать соединения с различным QoS;

- предотвращают "заторы".

Уровень адаптации АТМ состоит из четырех протоколов (называемых протоколами ААL), которые форматируют пакеты. Эти протоколы принимают ячейки с уровня АТМ, заново формируют из них данные, которые могут быть использованы протоколами, действующими на более высоких уровнях, и посылают эти данные более высокому уровню. Когда протоколы ААL получают данные с более высокого уровня, они разбивают их на ячейки и передают их уровню АТМ.

В стандартах В-ISDN определены следующие протоколы ААL: ААL 1, ААL 2, ААL 3/4 и ААL 5. Однако АТМ Forum разработал только три из них - ААL 1, ААL 3/4 и ААL 5.

Каждый протокол ААL упаковывает данные в ячейки своим способом. Все эти протоколы, за исключением ААL 5, добавляют некоторую служебную информацию к 48 байтам данных в ячейке АТМ. Эти "издержки" включают в себя специальные команды обработки для каждой ячейки, которые используются для обеспечения различных категорий сервиса.

Уровень адаптации АТМ определяет также четыре категории сервиса:

- постоянная скорость передачи в битах (constant bit rate- СВR.);

- переменная скорость передачи в битах (variable bit rate -VBR);

- неопределенная скорость передачи в битах (unspecified bit rate- UBR);

- доступная скорость передачи в битах (available bit rate-ABR).

Эти категории используются для обеспечения различных уровней качества сервиса (QoS) для разных типов трафика. В таблице 5 приведены характеристики каждой категории. QoS определяет уровень сервиса, который может предоставить сеть.

 

 

Таблица 5.

CBR	VBR(RТ, NRТ)	АВR	UBR
С установлением соединения	Без установления соединения
Сохранение синхронизации	Задержки допустимы
Постоянная скорость в битах	Переменная скорость в битах
Аудио-и видеосигналы	RТ: сжатые аудио-и видеосигналы NRТ: Frame ге1ау	ТСР/IР и трафик локальной сети

Категория СВR используется для восприимчивого к задержкам трафика, такого как аудио- и видеоинформация, при котором данные передаются с постоянной скоростью и требуют малого времени ожидания. СВК гарантирует самый высокий уровень качества сервиса, но использует полосу пропускания неэффективно. Чтобы защитить трафик СВR от влияния других передач, СВR всегда резервирует для соединения определенную часть полосы пропускания, даже если в данный момент в канале не происходит никакой передачи. Таким образом, резервирование полосы пропускания является особенно большой проблемой при работе по WAN-каналам, когда абоненту приходится платить за каждый мегабит полосы пропускания независимо от того, используется ли виртуальный канал.

Существуют также два видаVBR. которые используются для различных типов трафика: VBR реального времени (Real time VBR- RТ-VBR) требует жесткой синхронизации между ячейками и поддерживает восприимчивый к задержкам трафик, такой как уплотненная речь и видео. VBR нереального времени (Non-real-time VBR - NRТ-VBR) не нуждается в жесткой синхронизации между ячейками и поддерживает допускающий задержки трафик, такой как трансляция кадров (Frame ге1ау).

Поскольку VBR не резервирует полосу пропускания, она используется более эффективно,чем вслучае с СВR. Однако в отличие от СВR, VBR не может гарантировать качества сервиса.

UBR применяется для трафика типа ТСР/1Р, который допускает задержки. ПодобноVBR, UBR не резервирует дополнительной полосы пропускания для виртуального канала. В результате один и тот же виртуальный канал может многократно применяться для нескольких передач, таким образом, полоса пропускания используется более эффективно. Однако поскольку UBR не гарантирует качества сервиса, в сильно загруженных сетях UBR-трафик теряет большое число ячеек и имеет много повторных передач.

Подобно UBR, АВR используется для передачи трафика, который допускает задержки, и дает возможность многократно использовать виртуальные каналы. Однако если UBR не резервирует полосы пропускания и не предотвращает потерь ячеек, то АВR обеспечивает для соединения допустимые значения ширины полосы пропускания и коэффициента потерь.

СВR, VBR, UBR, и АВR включают в себя различные параметры трафика, например среднюю и пиковую скорости, с которыми конечная станция может передавать данные. Эти категории сервиса также включают в себя следующие параметры качества сервиса (QoS).

Коэффициент потерь ячеек (Се11 loss ratio) определяет, какой процент высокоприоритетных ячеек может быть потерян за время передачи.

Задержка передачи ячейки (Се11 transfer dе1ау) определяет количество времени (или среднее количество времени), требуемое для доставки ячейки адресату.

Изменение задержки передачи ячейки (Се11 dе1ау variation- СDV) - допустимые изменения в распределении группы ячеек между конечными станциями. Высокое значение CDVприводит к прерыванию аудио-и видеосигналов.

Перед установлением соединения конечная станция запрашивает одну из четырех категорий сервиса. Затем сеть АТМ устанавливает соединение, используя соответствующие параметры трафика и QoS. Например, если конечная станция запросила соединение СВR для передачи видеоинформации, сеть АТМ резервирует необходимую ширину полосы пропускания и использует параметры трафика и QoS для обеспечения допустимых значений скорости передачи, коэффициента потерь ячеек, задержки и изменения задержки.

Сеть АТМ использует параметры QoS и для зашиты трафика, т. е. предотвращения перегрузки сети. Сеть "следит" за тем, чтобы установленные соединения не превышали максимальной ширины полосы пропускания, которая им была предоставлена. Если соединение начинает ее превышать, сеть отказывается передавать ячейки. Кроме того, сеть АТМ определяет, какие ячейки можно отбросить в случае ее переполнения: она проверяет параметры QoS данного соединения и отбрасывает ячейки, для которых установлен высокий коэффициент потерь. И наконец, сеть отказывается устанавливать соединения, если не может их поддерживать.

Способность АТМ обеспечивать для приложений различные уровни Оо8 считается одним из достоинств данной технологии. Пользователи могут резервировать только ту полосу пропускания, которая им необходима; при этом сохраняется качество передаваемых аудио- и видеосигналов, а сеть предохраняется от переполнения. Однако для того чтобы получать реальную выгоду от качества сервиса в сети АТМ, необходимы приложения, рассчитанные на его использование.

Производители оборудования АТМ и организации, занимающиеся стандартизацией этой технологии, изобретают различные способы, которые должны позволить приложениям использовать QoS. Например, несколько производителей АТМ работают над тем, чтобы расширить протокол резервирования ресурсов (Resource Presrvation Protocol-RSVP) таким образом, чтобы приложения могли запрашивать QoS. Кроме того, чтобы дать возможность приложениям, созданным без учета специфики АТМ, пользоваться преимуществами QoS, ряд производителей разрабатывают программное обеспечение Legacy Application Quality of Service, которое будет встраиваться в устройства доступа к локальным сетям и сетевые интерфейсные платы АТМ.

Это ПО даст возможность устройствам и платам устанавливать соединения с различными уровнями QoS в зависимости от типа приложения, адресов источника и адресата и других параметров.

Стандарты модели АТМ.

АТМ Forum разработал много стандартов, основанных на модели АТМ, в

том числе следующие:

- User-to-User intrface(UNI - интерфейс "пользователь-сеть") _ определяет интерфейс между конечной станцией и коммутатором;

- Private Network-to-Network interface (РNNI - частный интерфейс "сеть-сеть"), - определяет интерфейс между коммутаторами.

Эти стандарты определяют, как рабочие станции и коммутаторы взаимодействуют в сети АТМ. Стандарты UNI, разработанные АТМ Forum, определяют, каким образом устройства взаимодействуют с коммутатором. На рисунке 3 показано, как пакет передается с рабочей станции коммутатору. Сначала пользователь посылает данные, например аудио-, видеоинформацию и т.д. В соответствии с типом данных какой-либо из четырех протоколов ААL получает эти данные и разбиваетихна ячейки. Затем ячейки передаются на уровень АТМ, который добавляет к ним информацию, необходимую для маршрутизации.

Потом ячейки передаются на физический уровень, разбивающий их на биты и посылающий через среду передачи коммутатору.

 

Рабочая станция
Протоколы ALL	Коммутатор	Коммутатор
Уровень АТМ	Уровень АТМ (передача сигналов, маршрутизация)	Уровень АТМ (передача сигналов, маршрутизация)
Физический уровень Физический уровень		Физический уровень
	UNI		PNNI

 

Рис. 36. Взаимодействие рабочей станции АТМ с коммутатором.

 

Спецификация РNNI, разработанная АТМ Forum. включает в себя стандарты, которые дают возможность двум коммутаторам различных производителей работать вместе. На рисунке 3 показано, как ячейка проходит через коммутатор АТМ. Коммутатор получает ячейку на физическом уровне как физический сигнал, передает этот сигнал на уровень АТМ и преобразовывает его в ячейку. Затем коммутатор проверяет заголовок ячейки, определяя, куда она должна быть направлена, снова преобразует ячейку в физический сигнал и передает его следующему коммутатору или конечной станции.

РNNI - это протокол маршрутизации с определением состояния связи, подобный протоколу Netware Link Services Protocol (NLSP), используемому в сетях IРХ, и протоколу маршрутизации Open Shortest Path First (OSPF), применяемому в IР-сетях. Данный протокол позволяет коммутаторам распространять информацию о топологии сети и качестве сервиса, поддерживаемом сетью АТМ. В результате каждый коммутатор "понимает" топологию всей сети и может определять маршрут по сети с учетом специфических условий трафика, например перегрузок.

Кроме того. поскольку РNNI дает возможность коммутаторам распространять информацию иерархическим образом, то для пересылки ячеек каждому из них не нужно знать топологию всей сети. Провайдер АТМ-услуг или сетевой администратор может разделить сеть на несколько концептуальных уровней, и тогда каждый коммутатор должен будет знать топологию только того уровня, к которому он относится. Таким образом, можно создавать чрезвычайно большие сети, не перегружая коммутаторы информацией.

Сеть также может содержать только один уровень. Сеть АТМ, имеющая только один уровень, способна поддерживать приблизительно 200 коммутаторов.

На самом низком уровне сетевой топологии коммутаторы разделены на кластеры, называемые "группами равных" (реег groups). Все коммутаторы, относящиеся к такой группе, обмениваются друг с другом маршрутизационной информацией. Коммутатор, который является граничным узлом (входит более чем в одну группу), обменивается маршрутизационной информацией со всеми группами равных, к которым он принадлежит. Таким образом, группы "узнают", как направлять ячейки адресатам, находящимся в пределах досягаемости одной из групп. Используя РNNI, коммутаторы внутри каждой группы равных выбирают так называемого "лидера" группы.

На следующем уровне сетевой топологии несколько лидеров групп равных составляют собственную группу равных, а затем с помощью РNNI также выбирают лидера. Эти лидеры могут составлять группу равных следующего уровня и так далее, до самого высокого уровня, на котором вся сеть представляется одной группой равных.

 

Рис. 37. Топология коммуникационных связей.

Коммутаторы, находящиеся на самом низком уровне сетевой топологии, используют для определения маршрутов информацию с более высоких уровней. В результате коммутаторы не должны знать топологию всей сети.

Стандарты РNNI также устанавливают, как должна выполняться передача сигналов. Стандарты РNNI на передачу сигналов определяют, каким образом устанавливаются, поддерживаются и сбрасываются виртуальные каналы АТМ с соответствующим качеством сервиса. Кроме того, эти стандарты регламентируют осуществление защиты сети от переполнения, разрешая устанавливать только те соединения, которые сеть может поддерживать, и, следя за тем, чтобы существующие соединения не использовали большую ширину полосы пропускания, чем им была выделена.

Большинство выпускаемых коммутаторов АТМ обеспечивает производительность 155 Мбит/с. Для компаний, которые в настоящее время имеют сети, работающие со скоростью 10 Мбит/с, использование оборудования АТМ на 155 Мбит/с для подключения рабочих станций может оказаться слишком большим прыжком. Стоимость такого оборудования часто является неприемлемо высокой, тем более что 155-мегабитная АТМ не способна работать на неэкранированной витой паре (UТР) и для ее реализации может потребоваться создание новой кабельной системы.

В результате АТМ Forum принял спецификацию сети АТМ со скоростью 25 Мбит/с, которая может работать на кабеле UTP категории 3. Поскольку такая сеть является достаточно быстрой для передачи аудио- и видеоинформации и ее реализация может обойтись дешевле, чем 155-мегабитная АТМ, то АТМ со скоростью 25 Мбит/с является идеальным решением для компаний, которые не могут позволить себе дорогую сеть или еще не нуждаются в скорости 155 Мбит/с.

Иерархия скоростей доступа - это также одна из особенностей технологии АТМ, делающей ее очень удобной для применения в сложных сетях. При насыщении какой-либо части сети слишком интенсивным трафиком конечных узлов не нужно переходить на принципиально новую технологию, достаточно просто установить новый, более скоростной интерфейсный модуль коммутатора.

Помимо АТМ со скоростью 25 Мбит/с и 155 Мбит/с, существует АТМ со скоростью 622 Мбит/с, работающая только на оптоволоконном кабеле. Данная технология позволяет построить сеть для передачи больших объёмов данных, организации видеоконференций и работы различных сетевых мультимедийных приложений. Разработчики утверждают, что организация построившая подобную сеть может несколько десятков лет не опасаться перегрузок в системе.

Как уже отмечалось, АТМ является одним из подмножеств множества протоколов В-ISDN. АТМ разрабатывалась для построения как общественных (public), так и частных (private) сетей. Соответственно АТМ имеет две формы интерфейса "пользователь-сеть" (UNI):

- public UNI определяет интерфейс между публичной сетью АТМ и частным АТМ-коммутатором.

- private UNI определяет интерфейс АТМ с конечным пользователем и частным АТМ-коммутатором.

Такое различие является важным потому что каждый интерфейс может использовать различную физическую среду передачи и простираться на различные географические расстояния. UNI является одним из важнейших протоколов, т.к.он определяет процедуры взаимодействия между пользовательским оборудованием и АТМ-узлом.

 

SERVER

Рис. 38. Возможная топология сети АТМ.

На рисунке представлен пример звездообразной топологии, соединение типа точка-точка, но ничего не запрещает использовать и другие конфигурации, например многоточечные. АТМ предназначен для поддержки разнообразных приложений, что позволяет осуществлять передачу голоса, видео и данных через одно и тоже коммутирующее устройство. Коммутаторы АТМ на границе глобальной сети (Wide Area Network) используют интерфейс public UNI для связи с АТМ-устройствами, установленными у абонентов. В свою очередь, абонентские устройства АТМ подключены по интерфейсу private UNI к ЛВС, учрежденческим АТС и прочее оборудование. Private UNI обычно работает по частным оптоволоконным или медным каналам, в то время как public UNI использует SONET/SDH. Также в private UNI нет необходимости в сложных процедурах мониторинга, присущих public UNI.

Контрольные вопросы:

1. Какие категории сервиса используются в АТМ?

2. Какие две формы интерфейса "пользователь-сеть" (UNI) используются в АТМ?

3. Какой интерфейс используют АТМ-устройства пользователя для связи с коммутаторами?

4. Какую структуру данных использует public UNI?

5. Использует ли АТМ QoS?

6. Какие четыре категории сервиса используются в АТМ?

7. С какими скоростями работает АТМ?

8. В чем отличие виртуального канала от виртуального пути?

 

 

Лекция № 12

Локальные сети ЭВМ (ЛВС)

Типы структур локальных сетей.

ЛВС- это коммуникационная система, поддерживающая в пределах здания или некоторой другой ограниченной территории один или несколько высокоскоростных каналов передачи цифровой информации, представляемых подключенным устройствам для кратковременного монопольного использования.

Это определение исключает системы коммутации каналов. Территории, охватываемые ЛВС, могут существенно различаться. Длины линий связи некоторой системы могут быть меньше или равными 1000 метров., другие же ЛВС могут обслуживать целый город.

Принцип единого общего канала – это основа концепции ЛВС. Общий канал трактуется на логическом уровне, а не на физическом (широкополосный канал – это несколько логических каналов).

Требования к ЛВС, ориентированным на передачу данных изучались комитетом по стандартизации ЛВС IEEE и были приняты как стандарт 802.

Основные требования стандарта следующие:

 

Назначение.

ЛВС должна выполнять разнообразные функции по передаче данных, включая передачу файлов, поддержку терминалов, электронную почту, обмен с внешними запоминающими устройствами, обработку сообщений.

Идеальная ЛВС обеспечивает передачу речи в реальном времени (то есть телефонная связь) и видеообслуживание.

ЛВС должна допускать подключение большого набора стандартных и специальных устройств (ЭВМ, терминалов, внешней памяти,графопостроителей, фотокопировальных устройств, шлюзов к другим сетям, телефонов, телекамер и т.д.) и поддерживать комплекс стандартных интерфейсов.

Стоимость ЛВС должна быть низкой, а стоимость подключения к сети должна быть малой, по сравнению со стоимостью самих устройств.

 

Требования и характеристики.

ЛВС должна доставлять пакеты с высокой надежностью.

ЛВС должна обеспечивать «прозрачный» режим обслуживания, принимать и предавать любые сочетания битов.

Коммуникации меду подключенными устройствами должны осуществляться непосредственно через шину без использования промежуточной памяти некоторого третьего устройства.

Одна ЛВС должна поддерживать не менее 200 устройств и охватывать территорию не менее, чем в двух километрах (требование некритично).

Скорость передачи должна составлять 1-20 Мбит/сек.

ЛВС должна допускать простое подключение новых устройств и подключение старых.

Устройство должно быть способным адресовать пакеты другому устройству, группе устройств, всем подключенным устройствам.

ЛВС должна позволять некоторым пользователям назначать и менять их собственный адрес.

Необходимо обеспечить обработку различных слов и символов том… и некратных восьми.

Пропускная способность ЛВС не должна существенно снижаться при достижении полной нагрузки.

Максимальная задержка передачи пакета через ЛВС должна быть детерминированной, то есть поддаваться предварительному расчету.

 

Топология ЛВС.

Конфигурации ЛВС делятся на 2 основных класса: широковещательные и последовательные. В широковещательных конфигурациях каждая станция передает сигналы, которые могут быть восприняты всеми остальными станциями. К таким конфигурациям относится шина, дерево и звезда.

В широковещательных конфигурациях должна применяться сравнительно мощные приемники и передатчики, которые могут работать в большом диапазоне уровней.

Рис. 39. Топологии ЛВС.

Обычно это проблема частично решается введением ограничений на длину кабельного сегмента и на число подключений или соответствующая секция кабеля подключается через аналоговый усилитель или цифровой повторитель. Поскольку в широковещательных ЛВС в любой момент времени может работать только одна станция, передаваемая служебная информация используется для установления контроля станции над сетью. Контроль реализуется в течение всего периода распространения сигнала по сети, обработки его в удаленной станции и получения ответа. Этот интервал времени называется тактом. Такт не может быть по длительности меньше, чем 10 мкс, где - протяженность сети в километрах, так как электрический сигнал передается по проводам со скоростью 2/3 скорости света в вакууме ( мкс). Реальная продолжительность такта, как правило, превышает это значение на время, необходимое для передачи управляющего сообщения, реакции на него удаленной станции, прохождение сигнала через повторители. Служебная информация присутствует в любой передаче, поэтому желательно, чтобы средняя продолжительность передачи намного превышала длительность такта. Обычно широковещательные ЛВС проектируются с расчетом на передачу пакета довольно большой длины. Во многих широковещательных ЛВС получатель пакета может квитировать прием только обратной пересылкой всего пакета. Так как при этом полезную информацию содержат всего несколько битов, подобная процедура оказывается весьма неэффективной, и в протоколах ее стараются не применять.

В последовательных конфигурациях любая станция передает информацию только одной из станций. В число последовательных конфигурации входят кольцо, звезда с интенсивным центром, снежинка, сетка.

Рис. 40. Топологии ЛВС.

К приемо-передатчикам здесь предъявляются более низкие требования, чем в широковещательной конфигурации, и на разных участках сети могут использоваться разные виды физической передающей среды.

В широковещательных конфигурациях и цепочках каждый сегмент кабеля должен обеспечить передачу сигналов в обоих направлениях, что достигается тремя путями:

1. использованием одного кабеля поочередно для передачи в двух направлениях;

2. с помощью двух однонаправленных кабелей.

3. применением в широкополочных системах различной несущей частоты для передачи сигналов в двух направлениях.

Так как ЛВС должна быть дешевой, то наиболее употребительные конфигурации – шина, дерево и кольцо. В качестве физической среды используют многожильные кабели, витые пары, коаксиальные кабели и оптоволоконные кабели.

Принципы передачи сигналов в ЛВС во многом определяются физической средой. В ЛВС, работающих в основной полосе частот, дискретный сигнал непосредственно предается в кабель. В широкополосных системах цифровые данные модулируют несущую, формируемую генератором.

Для увеличения дальности передачи используют усилители.

В широкополосных системах усилители аналоговые (так как рассчитаны на сочетание цифровой и аналоговой - телевизионной, речь – информации) и вместе с сигналами усиливают и шум. В ЛВС в основной полосе частот усилители – это повторители, и шум не усиливают.

Системы в основной полосе обычно дешевле широкополосных.

На практике дальность передачи и в тех и в других системах зависит скорее от алгоритма доступа к среде, чем от технологии передачи сигналов.

В широковещательных ЛВС следующие друг за другом пакеты передаются как правило разными станциями, поскольку эти станции территориально разнесены, пакеты оказываются не синхронизированными. В таких системах необходимо посылать предварительный сигнал для предупреждения о передаче пакета и установления синхронизации. Однако разные приемники могут синхронизироваться одновременно, поэтому предварительно сигнал должен завершаться особой последовательностью, означающей начало передачи полезных данных.В ЛВС Ethernet предупреждающий сигнал содержит 64 бита: 31 повторение последовательности «10», завершаемое последовательностью «11». Благодаря манчестерскому кодированию этот сигнал напоминает меандр с частотой в два раза меньше, чем скорость передачи в системе.

Сетевое взаимодействие в ЛВС осуществляется на основе семиуровневой модели МОС(ISO). В ЛВС семиуровневая модель приспосабливается к задачам ЛВС - стандарт IEEE-802, в котором выполняется дальнейшая декомпозиция уровней 1 и 2.

Пересмотренная модель показана рисунке 41.

 

 

		Уровни ISO

 

 

	Физический уровень

 

 

 

 

Физическая среда

 

	Рис. 41. Эталонная модель IEEE 802

Контрольные вопросы:

1. Какие виды сервиса может предоставлять ЛВС?

2. Какие топологии используются в широковещательных конфигурациях?

3. Какие топологии используются в последовательных конфигурациях?

4. Что используется в качестве физической среды в ЛВС?

5. Какие системы дешевле: работающие в основной полосе или широкополосные?

6. В чем отличие 2-го уровня ISO от аналогичного в ЛВС?

7. Какие требования предъявляются к ЛВС?

8. Как производится синхронизация станций в широкополосных ЛВС?

Лекция № 13.