Сети с установлением соединений

Для передачи пакетов по сети ATM от источника к месту назначения, источник должен сначала установить соединение с получателем. Установление соединения перед передачей пакетов напоминает то, как осуществляется телефонный звонок: сначала набирается номер, телефон абонента звонит, а затем снимается трубка на другом конце провода.

При использовании таких технологий передачи данных, как Ethernet и Token Ring, соединение между источником и получателем не устанавливается – пакеты с соответствующей адресной информацией выдаются в среду передачи, а сетевое оборудование их передает.

В сети с установлением соединений пакеты начинают передаваться не сразу. Сетевое оборудование сначала должно установить соединение между отправителем и получателем. Сети с установлением соединений могут резервировать для конкретного соединения полосу пропускания, гарантируя для данного соединения определенную скорость передачи данных. Таким образом, обеспечивается предоставление качества услуг (Quality of Service – QoS). Сети без установления соединения, в которых устройства просто передают пакеты по мере их получения, не могут гарантировать полосу пропускания.

Коммутируемые сети

При запросе одним устройством соединения с другим, коммутаторы, к которым они подключены, устанавливают соединение между этими устройствами. При установлении соединения коммутаторы определяют оптимальный маршрут для передачи данных (в традиционных сетях эта функция выполняется маршрутизаторами). Когда соединение установлено, коммутаторы начинают пересылать пакеты данных между источником и получателем.

Если сетевые узлы подключаются непосредственно к коммутатору Ethernet, то каждый из них, как и в коммутации ATM, получает прямой монопольный доступ к порту коммутатора, который не является устройством совместного доступа.

Но в отличии от коммутации Ethernet, в ATM нет необходимости осуществлять арбитраж для определения того, какое из устройств в каждый момент времени имеет доступ к среде передачи. Устройства, подключенные к портам коммутатора Ethernet, должны участвовать в арбитраже, так как интерфейсные платы Ethernet рассчитаны на использование арбитражного протокола для определения того, имеет ли станция доступ к среде передачи. Коммутация ATM также отличается от коммутации Ethernet тем, что коммутаторы ATM устанавливают соединение между отправителем и получателем.

 

Архитектура ATM

 

- Физический уровень

- Уровень ATM

- Уровень адаптации ATM

Многие технологии передачи данных соответствуют семиуровневой сетевой модели OSI. Модель ATM состоит из трех уровней: физического, уровня ATM и уровня адаптации ATM.

Три этих уровня примерно соответствуют по функциям физическому, канальному и сетевому уровню модели OSI (рисунок 15.1). В настоящее время модель ATM не включает в себя никаких дополнительных уровней, т.е. таких, которые соответствуют более высоким уровням модели OSI. Однако самый высокий уровень в модели ATM может связываться непосредственно с физическим, канальным, сетевым или транспортным уровнем модели OSI, а также непосредственно с ATM-совместимым приложением.

Рисунок 15.1 -  Сетевые модели ATM и OSI

 

Физический уровень

Как в модели ATM, так и в модели OSI стандарты для физического уровня устанавливают, каким образом биты должны проходить через среду передачи. Стандарты ATM для физического уровня определяют, как получать биты из среды передачи, преобразовывать их в ячейки и посылать эти ячейки уровню ATM.

Стандарты ATM для физического уровня также описывают, какие кабельные системы должны использоваться в сетях ATM и с какими скоростями может работать ATM при каждом типе кабеля.

Наиболее часто используются разработанные ATM Forum скорости передачи 155 (кабели "витая пара" категории 5, экранированная "витая пара" типа 1, оптоволоконный кабель) и 622 Мбит/сек (оптоволоконный кабель).

Уровень ATM

Уровень ATM регламентирует передачу сигналов, управление трафиком и установление соединений. Функции передачи сигналов и управления трафиком уровня ATM подобны функциям канального уровня модели OSI, а функции установления соединения ближе всего к функциям маршрутизации, которые определены в модели OSI для сетевого уровня.

На уровне ATM описывается, как получать ячейку, сгенерированную на физическом уровне, добавлять 5-байтный заголовок и посылать ячейку на уровень адаптации ATM. Также определяется, каким образом нужно устанавливать соединение с таким качеством сервиса, которое запрашивает ATM-устройство или конечная станция.

Для установления соединения определяются виртуальные каналы и виртуальные пути. Виртуальный канал – это соединение между двумя конечными станциями ATM, которое устанавливается на время их взаимодействия. Виртуальный канал является двунаправленным, поэтому после установления соединения каждая конечная станция может как посылать пакеты другой станции, так и получать их от нее по этому каналу.

После того, как соединение установлено, коммутаторы передают ячейки, используя адресные таблицы, в которых содержится информация об адресе порта, из которого приходят ячейки, идентификаторы виртуальных каналов (virtual circuit identifiers – VCI) и идентификаторы виртуальных путей (virtual path identifiers – VPI). Из адресных таблиц определяется, какие идентификаторы VCI и VPI коммутатор должен включить в заголовки ячеек перед тем как их передать.

Существует три типа виртуальных каналов: постоянные виртуальные каналы (permanent virtual circuits – PVC), коммутируемые виртуальные каналы (switched virtual circuits – SVC) и интеллектуальные постоянные виртуальные каналы (smart permanent virtual circuits – SPVC).

PVC – это постоянное соединение между двумя конечными станциями, которое устанавливается вручную в процессе конфигурирования сети. PVC проходит через все коммутаторы, расположенные между конечными станциями. После установки PVC для него резервируется определенная часть полосы пропускания, и двум конечным станциям не требуется устанавливать или сбрасывать соединение.

SVC устанавливается динамически, когда две конечная станция обмениваются данными друг с другом. По окончании обмена через некоторый промежуток времени SVC сбрасывается. Соединение устанавливается только в том случае, если сеть в состоянии поддерживать это соединение.

SPVC имеет свойства каналов PVC и SVC. SPVC устанавливается вручную на этапе конфигурирования сети. При этом оператор сети указывает только конечные станции, для которых должно быть установлено соединение. Для каждого нового сеанса передачи данных между станциями коммутатор определяет, по какому пути будут проходить ячейки.

В сети, в которой используются SVC, имеется больше накладных расходов на установление соединений, чем для каналов PVC. Применение PVC обеспечивает лучший контроль за сетью, так как соединения устанавливаются по выбранному оператором пути передачи ячеек.

Каналы SVC используют полосу пропускания сети более экономично, так как они образуются только тогда, когда это необходимо. А каналы PVC постоянно занимают полосу пропускания. Каналы SVC более легки в администрировании, поскольку устанавливаются автоматически, а не вручную. Применение SVC обеспечивает отказоустойчивость сети посредством того, что когда коммутатор выходит из строя, автоматически осуществляется переход на работу по другому пути.

В описании процесса установления соединения определяются также виртуальные пути. Виртуальный канал является соединением, установленным между двумя конечными станциями на время их взаимодействия, а виртуальный путь – это путь между двумя коммутаторами, который существует постоянно, независимо от того, установлено соединение или нет.

Когда пользователь запрашивает виртуальный канал, коммутаторы определяют, какой виртуальный путь использовать для достижения конечных станций. По одному и тому же виртуальному пути может передаваться одновременно трафик множества виртуальных каналов.

Уровень адаптации ATM

В модели OSI для сетевого уровня определяется, как осуществляется маршрутизация пакетов и управление ими. В модели ATM уровень адаптации ATM предназначен для форматирования пакетов и предоставления информации на уровень ATM, необходимой для обеспечения QoS.

Уровень адаптации состоит из четырех протоколов AAL (ATM Adaptation Layer), форматирующих пакеты. Эти протоколы обеспечивают получение ячеек с уровня ATM, формирование из них данных их отправка на более высокие уровни. Данные с более высокого уровня преобразуются протоколами AAL в ячейки и передаются на уровень ATM.

ATM Forum предусматривает использование протоколов AAL 1, AAL 3/4 и AAL 5.

Каждый протокол AAL упаковывает данные в ячейки своим способом. Все эти протоколы, за исключением AAL 5, добавляют служебную информацию к 48 байтам данных в ячейке ATM, включающую в себя специальные команды обработки ячеек, которые используются для обеспечения различных скоростей передачи трафика (на рисунке 15.2 приведены характеристики уровней QoS):

постоянная (constant bit rate – CBR); переменная (variable bit rate – VBR); неопределенная (unspecified bit rate – UBR); доступная (available bit rate – ABR).

 

Рисунок 15.2 - Характеристики уровней QoS.

 

CBR используется для критичного к задержкам трафика (голосовые видеоданные), при котором данные передаются с постоянной скоростью и требуют малого времени ожидания. CBR гарантирует наиболее высокий уровень качества сервиса, но использует полосу пропускания неэффективно. Чтобы защитить трафик CBR от влияния других потоков данных, CBR резервирует для соединения определенную полосу пропускания, даже если в данный момент данные по этому соединению не передаются.

Трафик VBR не резервирует полосу пропускания, поэтому она используется более эффективно, чем в CBR. Однако, в отличие от CBR, VBR не может полностью гарантировать качества сервиса.

UBR применяется для трафика, для которого допускается возникновение задержек его передачи. UBR не резервирует полосу пропускания и не гарантирует качества сервиса.

Подобно UBR, ABR используется для передачи трафика, который допускает задержки. Однако если UBR не резервирует полосы пропускания и не предотвращает потерь ячеек, то ABR обеспечивает для соединения доcтупную полосу пропускания и.

Эти категории сервиса включают в себя такие параметры трафика, как средняя и пиковая скорость передачи данных. Коэффициент потерь ячеек определяет, какой допустимый процент ячеек может быть потерян за время передачи. Задержка передачи ячейки регламентирует количество времени, требуемое для доставки ячейки адресату. Допустимое изменение задержки передачи ячейки ограничивает диапазон изменений задержки передачи ячеек потока данных.

Перед установлением соединения конечная станция запрашивает одну из четырех категорий сервиса. Сеть ATM устанавливает соединение, используя соответствующие параметры трафика и QoS.

Сеть ATM использует параметры QoS для предотвращения перегрузки сети. Установленные соединения не должны превышать предоставленной им полосы пропускания. Если на соединении полоса пропускания начинает превышаться, то ячейки на таком соединении начинают отбрасываться. При этом в соответствии с установленным коэффициентом потерь определяется, какие ячейки можно отбрасывать. Cеть отказывает в установлении соединений, которые не могут поддерживаться.

Стандарты ATM

Следующие стандарты форума ATM, определяющих порядок взаимодействия рабочих станций и коммутаторов в сети ATM: интерфейс "пользователь-сеть" (User-to-Network Interface – UNI), определяющий взаимодействие между конечной станцией и коммутатором; частный интерфейс "сеть-сеть" (Private Network-to-Network Interface PNNI) – взамодействие между коммутаторами ATM.

PNNI – это протокол маршрутизации, позволяющий коммутаторам распространять информацию о топологии сети и качестве сервиса, поддерживаемом сетью ATM. PNNI позволяет передавать служебную информацию иерархическим образом, поэтому нет необходимости каждому коммутатору знать топологию всей сети. Поэтому сеть может быть логически разделена на несколько уровней, в которых коммутаторы будут знать только топологию своего уровня.

На низшем уровне иерархической сетевой топологии коммутаторы разделены на кластеры, называемые "группами равных" (peer groups). Все коммутаторы каждой такой группы обмениваются друг с другом служебной информацией. Коммутатор, который является граничным узлом группы (входит более чем в одну группу), обменивается информацией со всеми членами групп, к которым он принадлежит. Таким образом, коммутаторы групп получают сведения о том, как передавать ячейки. Используя PNNI, коммутаторы группы выбирают коммутатора-лидера группы.

 

 

Рисунок 15.3 - Взаимодействие рабочей станции с коммутатором

 

На следующем уровне сетевой топологии несколько лидеров групп составляют свою собственную группу и также выбирают своего лидера. Эти лидеры могут составлять группу следующего уровня и так далее. Коммутаторы, находящиеся на низшем уровне сетевой топологии, используют для определения маршрутов передачи данных информацию с более высоких уровней, даже не зная топологию всей сети.

Стандарт PNNI определяет, как должно происходить установление, поддержание и сброс виртуальных каналов. Также работает механизм, обеспечивающий установление только тех соединений, которые могут поддерживаться сетью, и использование соединениями не более отведенной им полосы пропускания.

Разработка стандартов ATM начиналась с рекомендаций для сети B-ISDN ((Broadband Integrated Services Digital Network) – высокоскоростной сети, использующей ATM как транспортный механизм. Стандарт B-ISDN определяет для ATM интерфейсы UNI и NNI. На базе B-ISDN форум ATM разработал следующие спецификации:

- UNI, PNNI;

- Интегрированный частный интерфейс "сеть-сеть" (Integrated PNNI – IPNNI);

- Эмуляция локальных сетей в среде ATM (LAN Emulation – LANE);

- Многопротокольная маршрутизация в среде ATM (Multiprotocol Over ATM – MPOA);

- Управления в сетях ATM (Interim Local Management Interface – ILMI).

Организацией Internet Engineering Task Force (IETF) был разработан протокол передачи данных IP по сети ATM.

Лекция №16