Дві точки зору на сполучення ATM

ATM забезпечує інтерфейс до під'єднаної, станції, орієнтований на сполучення, тобто для осягнення віддаленого призначення попередньо необхідно встановити сполучення з ним. ATM пропонує дві форми сполучень: комутоване віртуальне коло (Switched Virtual Network - SVN) і постійне віртуальне коло (Permanent Virtual Circuit - PVC).

Комутоване віртуальне коло працює подібно до телефонного виклику. Станція комунікується з локальним комутатором ATM із запитом на встановлення SVC. Станція вказує свою повну адресу і якість послуг (Quality of Service - QoS), яка вимагається, після чого очікує, коли мережа ATM створить коло. Віддалена станція мусить підтвердити згоду на віртуальне коло. Використовуючи сигнальну систему, кожен комутатор ATM вздовж шляху перевіряє якість послуг, яка вимагається даним колом. Якщо комутатор погоджується пересилати дані, то він записує інформацію про коло і пересилає запит до наступного комутатора вздовж шляху. Таке погодження вимог залучає апаратні та програмні ресурси кожного комутатора. Коли сигналізація завершується, то локальний комутатор повідомляє про успіх обидва кінці комутованого віртуального кола.

Інтерфейс ATM UNI використовує 24-бітове ціле число для ідентифікації кожного віртуального кола. Коли станція створює або підтверджує нове віртуальне коло, то локальний комутатор ATM призначає ідентифікатор цьому колу. Пакет, який передається через мережу ATM, не містить адрес джерела або призначення, замість цього станція позначає кожен висланий пакет і комутатор позначає кожний отриманий пакет ідентифікатором кола. Подробиці сигналізації тут не розглядаються.

Постійне віртуальне коло встановлюється адміністратором мережі вручну через взаємодію з комутаторами мережі ATM. Адміністратор визначає станцію-джерело та станцію-призначення, якість послуг, яку може прийняти коло, і 24-бітові ідентифікатори кожної станції, які використовуються для доступу до кола. Хоч комутовані віртуальні кола забезпечують більшу гнучкість, постійні віртуальні кола важливі з трьох міркувань:

· доки всі виробники сприймуть стандартизований механізм сигналізації[2], комутатори від двох різних виробників мусять використовувати PVC для взаємодії;

· PVC може використовуватися у виділених лініях;

· PVC може використовуватися для обслуговування та відлагодження мережі.

Шляхи, кола та ідентифікатори

ATM призначає унікальний цілий ідентифікатор кожному колу, яке відкриває станція; станції використовують ці ідентифікатори при здійсненні операцій вводу/виводу або при закритті цього кола. Ідентифікатор кола подібний до дескриптора, який програма використовує при здійсненні вводу/виводу. Ідентифікатор кола тісно пов'язаний з інформацією, необхідною для створення кола. Він чинний, доки коло відкрите. Понад це, ідентифікатор кола має сенс тільки на інтервалі одного стрибка, тобто ідентифікатори кола, встановлені станціями на двох кінцях даного віртуального кола, звичайно відрізняються між собою; комутатори ATM транслюють ідентифікатор кола в пакеті, коли пакет переходить від одної станції до іншої.

Технічно ідентифікатор кола, який використовується інтерфейсом UNI, є 24-бітовим цілим числом, поділеним на два поля[3]: 8-бітовий ідентифікатор віртуального шляху (Virtual Path Identifier - VPI) та 16-бітовий ідентифікатор віртуального кола (Virtual Circuit Identifier - VCI). Часто повний ідентифікатор називають VPI/VCI-парою. Мотивація для поділу ідентифікатора на частини VPI та VCI подібна до мотивації поділу IP-адреси на поля мережевої та станційної адрес (NetID і HostID). Якщо сукупність віртуальних кіл лежить у тому самому шляху, то адміністратор може створити один VPI для всіх кіл. Обладнання ATM тоді може вживати VPI для ефективнішого маршрутування трафіку, а замовник може вирішувати, як мультиплексувати багато віртуальних кіл в одному шляху з точки зору раціонального використання коштів.

Комірка (пакет) ATM

Структура комірки важлива для розуміння загального функціонування мережі ATM. Довга комірка дає краще співвідношення корисного навантаження до додаткових витрат, але обумовлює більші та більш змінні затримки. Коротші пакети не створюють цієї проблеми, але обсяг інформації, яка переноситься пакетом, зменшується. Компроміс між цими двома протилежними вимогами осягається через вибір стандартного формату комірки. Комірка ATM складається з 5-октетного заголовка і 48-октетного інформаційного поля, розташованого після заголовка, як це показане на рис..

Рис.. Загальний вигляд комірки ATM.

ATM працює з дуже короткою коміркою фіксованої довжини із швидкістю від 44.7 Мб/с до 2.4 Гб/с і більше. Комірка або пакет ATM має довжину 53 байти. Він складається з двох частин - заголовка довжиною 5 байт і корисного навантаження (payload) довжиною 48 байт.

Детальніше, комірка ATM має такий вигляд:

<¾¾¾¾¾¾¾¾¾ 5 байтів ¾¾¾¾¾¾¾¾>	<¾¾¾¾¾¾¾¾¾ 48 байтів ¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾>
Позначка VPI/VCI 24 біти	Контроль 8 бітів	Контрольна сума заголовка 8 бітів	Опційний шар адаптації 4 байти	Корисне навантаження 44 або 48 байтів

Рис. 6.. Загальний формат комірки ATM.

48 байтів корисного навантаження можуть опційно містити 4 байти адаптаційного рівня і 44 байти актуальних даних або всі 48 байтів даних, в залежності від біта управління в заголовку. Це уможливлює фрагментацію і реасемблювання комірок в великі пакети в джерелі та призначення відповідно. Контрольне поле може містити біт для визначення, чи це є комірка поточного контролю, чи звичайна комірка, і дорадчий біт, який показує, чи ця комірка придатна для поділу при перенасиченості мережі, чи ні.

Інформація, яка міститься в заголовку, залежить від того, чи комірка переносить інформацію від мережі користувача до першого пристрою ATM в публічній мережі (User-Network Interface – UNI), чи між пристроями ATM у з’єднувальній мережі (Network Node Interface – NNI). Формати обидвох типів заголовка показані нижче. Зауважимо, що відмінність між ними полягає тільки в тому, що тільки заголовок для UNI містить поле загального управління потоком (Generic Flow Control – GFC).

 

Віртуальні канали.

Загальне управління потоком (GFC) VPI (перші 4 біти) VPI (останні 4 біти) VCI (перші 4 біти) VCI (середні 8 бітів) VCI (останні 4 біти) Тип корисного навантаження Пріо-ритет Контрольна сума (CRC)

Рис. 6.. Вміст 5 октетів, який подає UNI-форму заголовка комірки ATM.

Сполучення між двома кінцевими точками називається сполученням віртуального каналу (Virtual Channel Connection – VCC). Воно реалізується як послідовність зв’язків віртуального каналу, які простягаються між комутаторами віртуального каналу. Віртуальний канал індентифікується ідентифікатором віртуального каналу (Virtual Channel Identifier – VCI). Значення VCI може змінюватися після входу у комутатор VC відповідно до таблиці раутінгу. Всередині зв’язку віртуального каналу значення VCI залишається незмінним. VCI і VPI використовуються в комутаційному середовищі для правильного маршрутування каналів та шляхів. Вони забезпаечують комутаторам можливість розрізнення різних типів з’єднань.

Існює багато типів з’єднань віртуальних каналів, які включають:

· Застосування користувач-користувач; між обладнанням замовника і будь-яким кінцем з’єднання.

· Застосування користувач-мережа: між обладнанням замовника і вузлом мережі.

· Застосування мережа-мережа; між двома вузлами мережі, включно з управлінням трафіком і машрутизацією.

З’єднання віртуальних каналів мають такі властивості:

· Користувач VCC забезпечений якістю послуг (Quality of Service – QoS) із визначенням таких параметрів, як коефіцієнт втрати комірок (Cell Loss Ratio – CLR) та зміна затримки комірок (Cell-Delay Variation – CDV).

· VCC можуть бути комутованими або напівпостійними.

· Цілісність послідовності комірок обслуговується всередині VCC.

· Параметри трафіку можуть бути узгоджені з використанням управління параметрами користування (Usage Parameter Control – UPC).

Детальна діаграма, яка показує відношення між віртуальними каналами та шляхами, показана нижче.

Віртуальні канали.

Віртуальний шлях (Virtual Path – VP) – це термін для пучка зв’язків віртуальних каналів, які мають однакові кінцеві точки. Як і для віртуальних каналів, зв’язки віртуального шляху можуть бути об’єднані разом у формі сполучення віртуальних шляхів (Virtual Path Connection – VPC). Кінцеві точки VPC для відповідних VPI створюються, закриваються або транслюються.

Віртуальні шляхи використовують для спрощення структури адресації ATM. Віртуальні шляхи забезпечують логічно прямі маршрути між вузлами комутації через проміжні вузли перехресних з’єднань. Віртуальний шлях забезпечує логічний еквівалент зв’язку між двома вузлами комутації, які не обов’язково під’єднані до фізичного сполучення. Вони також дозволяють розрізняти логічну і фізичну структури мережі та забезпечують гнучкість при реорганізації логічної структури відповідно до вимог трафіку. Це показано вище на діаграмі.

Як і віртуальний канал, віртуальний шлях ідентифікується ідентифікатором віртуального шляху (Virtual Path Identifier - VPI) у заголовку комірки. Всередині перехресного з’єднання ATM інформація щодо окремих віртуальних шляхів непотрібна, оскільки всі віртуальні канали всередині одного шляху слідують по тому ж маршруті, як і шлях.

Оскільки ATM є орієнтованим на сполучення, то то комірка може мати таке коротке місце під адресу і комірки не використовуються для встановлення кола сполучення та його обслуговування. Один раз встановлене сполучення може повністю використовувати цілу ширину смуги для транспортування даних. Після встановлення сполучення ATM поєднує кожну комірку з віртуальним сполученням між джерелом та призначенням. Це може бути віртуальний шлях або канал. 40 бітів заголовка мають 8 бітів для віртуального шляху (максимальний номер 256) і 16 бітів для віртуального каналу (максимальний номер 65536). Наявність як віртуальних шляхів, так і віртуальних каналів забезпечує простоту обслуговування комутатором багатьох сполучень із тими самими джерелом та призначенням.

Процес поміщення більшої сукупності даних у 53-байтову комірку називається сегментацією та реасемблюванням (segmentation and reassembly - SAR). Дані потрапляють у ці комірки із різних власних протоколів, таких як TCP/IP.

Рис. 6.. Концептуальна організація інтерфейсного обладнання і проходження даних.

Рис. 6.. Формат комірки ATM для шару AAL 1.

Програми застосувань, які використовують ATM, не читають і не передають комірок. Замість цього комп'ютери взаємодіють з ATM через шар адаптації ATM (ATM Adaptation Layer - AAL), який є частиною стандарту ATM. Шар адаптації забезпечує окремі функції включно з виявленням та корекцією помилок, таких як втрачені або пошкоджені комірки. Звичайно програмне забезпечення виготівника, яке впроваджується в шар адаптації ATM, розміщене в інтерфейсах станцій, через які здійснюється передавання і приймання комірок. Рис. 6. ілюструє типовий інтерфейс ATM і показує, яким чином дані пересилаються від операційної системи комп'ютера через інтерфейс до мережі ATM. Станція взаємодіє з протоколом адаптаційного шару для пересилання і приймання даних. Адаптаційний шар конвертує дані у вихідну комірку та виділяє дані з ориманої комірки. Шар транспорту комірок передає комірки до комутатора ATM. Коли сполучення встановлене, станція мусить визначити, який протокол адаптаційного шару буде використаний. Обидва кінці сполучення повинні погодити вибір і шар адаптації не може бути змінений після вибору для даного сполучення.

Таблиця 6.. Характеристики і застосування AAL. Тип послуг Характеристики Застосування AAL 1 Трафік з постійною швидкістю (Constant Bit Rate - CBR) Синхронізація тактових генераторів між абонентами. Голос і відео. Мережі з великими відстанями. AAL 2 Трафік із змінною швидкістю (Variable Bit Rate - VBR) Синхронізація тактових генераторів між абонентами. Голос і відео з компресією. AAL 3 "Вибуховий" трафік. Режим із сполученням і з корекцією помилок. Комірки можуть бути мультиплексовані. Мережі даних. Frame Relay. SMDS. AAL 4 "Вибуховий" трафік. Режим без сполучення і з корекцією помилок. Комірки можуть бути мультиплексовані. Мережі даних. Frame Relay. SMDS. AAL 5 SEAL - Simple and Efficient Adaptation Layer. "Вибуховий" трафік. Не допускає мультиплексування комірок. Локальні мережі (LAN). Frame Relay.

AAL 1 призначений для послуг з постійною швидкістю передавання бітів, таких як аудіо та відео. Цей адаптаційний шар відповідає подрібненому або повному T1 або T3, однак з більшим діапазоном вибору для швидкості даних.

AAL 1 здійснює:

· транспорт в колах з підтриманням синхронізації (наприклад, 64 кбіт/с) і в асинхронних колах (наприклад, 1.5, 2 Мбіт/с);

· транспорт відеосигналів для інтерактивних і розподілених послуг;

· транспорт сигналів у діапазоні голосу;

· транспорт звуку високої якості.

 

Позначення:

SN (Sequence Number) - порядковий номер, який дозволяє виявити опущені або пошкоджені комірки.

SNP (Sequence Number Protection) - це код автокорекції, який стосується номера послідовності.

Рис. 6.. Формат комірки ATM для шару AAL 2.

AAL 2 призначений для синхронних послуг із змінною швидкістю передавання бітів, таких як відео з компресією.

AAL 2 ще не означений, але послуги цього типу можуть включати:

· транспорт блоків даних послуг (SDU) із різними швидкостями від джерела;

· перенос даних про синхронізацію між джерелом і призначенням.

Позначення:

IT (Information Type) - вказує на початок, продовження або кінець PDU.

LI (Length Indicator) - вказує на кількість октетів у випадку частково заповненої комірки.

Позначення:

ST (Segment type) - визначає 4 типи сегментів, початок, кінець, продовження і простий сегмент.

MID (Multiplexing Identifier) - дозволяє розрізняти різні застосування шару SAR і таким чином розділяти віртуальне коло комірок.

Рис. 6.. Формат комірок ATM для шарів AAL 3 та AAL 4.

AAL 3/4 призначений для змінних двошвидкісних даних, таких як застосування LAN. Початково був спроектований як два різні шари, один для послуг, орієнтованих на сполучення (подібно до Frame Relay), а другий для безз'єднальних послуг (таких, як SMDS), однак вони були поєднані в одному шарі.

AAL 3 призначений для даних, орієнтованих на з’єднання, тоді як AAL 4 – для безз’єднальних даних. AAL 3 і AAL 4 об’єднані у формі AAL 3/4. Структура шарів для AAL 3/4 показана на рисунку нижче. Відзначимо, що дані користувача в корисному навантаженні не мусять заповнювати весь простір для таких даних в комірці. Далі побачимо, що це значно зменшує використовувану швидкість передавання бітів.

Позначення:

· Тип сегменту ST – Segment Type (2 біти). Позначає, чи сегмент є початком, продовженням, закінченням або окремим сегментом повідомлення.

· Номер послідовності SN – Sequence Number (4 біти). Дозволяє нумерувати послідовності SAR-PDU по модулю 16.

· Ідентифікатор мультиплексування MID – Multiplexing Identification (10 бітів). Дозволяє понад одне з’єднання через окреме з’єднання ATM-шару. Значення MID повинне бути унікальним тільки для поточного віртуального шляху (VP).

· Довжина індикатора LI – Length Indicator (6 бітів). Позначає кількість байтів (октетів) інформації CS-PDU в SAR-PDU, бо обсяг інформації може не заповнювати наявні 44 байти.

· Циклічний надлишковий код CRC – Cyclic Redundance Check Code (10 бітів). Використовується для виявлення помилок в SAR-PDU. Це включає CS-PDU і дані користувача.

· Індикатор спільної частини CPI – Common Part Indicator (1 октет).

· Початок кінцівки Btag – Beginning tag (1 октет).

· Призначення розміру буфера BASize – Buffer Size Allocation (2 октети).

· Набивка PAD – Padding (від 0 до 3 октетів).

· Вирівнювання AL – Alignment (1 октет).

· Закінчення кінцівки Etag – End Tag (1 октет).

· Довжина корисного навантаження CPSU-PDU length (2 октети).

AAL 5 призначений для даних із змінною швидкістю, які мусять бути сформатовані в 53-байтові комірки. Подібний до AAL 3/4, але простіший для впровадження, має менше додаткових витрат. Він дозволяє повні 48 байтів користного навантаження при транспортування сегментів CS-PDU, але не сегментів SAR-PDU. Поле CRC включене в поле CS-PDU, як показано нижче.

Рис. 6.. Основний формат пакету, який сприймає AAL (а), і поля кінцівки (б).

Комп'ютери використовують AAL 5 для пересилання звичайних пакетів даних через мережі ATM. Хоч ATM використовує малі комірки фіксованого розміру на найнижчому рівні, то AAL 5 представляє інтерфейс, який сприймає і доручає великі пакети змінної довжини. Зокрема, AAL 5 допускає, щоб кожен пакет містив між1 і 65535 октетів даних. Рис. 6. ілюструє формат пакету, який використовує AAL 5. На відміну від більшості пакетів, які розміщають інформацію для управління в заголовку, AAL 5 поміщає її в кінцівці. Поля UU та CPI на даний час не використовуються.

Кожен пакет AAL 5 мусить бути поділений на комірки для пересилання через мережу ATM, а потім мусить бути реасембльований перед дорученням до станції-призначення. Якщо пакет не ділиться точно на 48 октетів, то AAL 5 дозволяє використати від 0 до 40 октетів для даних, доповнених набивкою нулями, а останні 8 октетів використовує для розміщення кінцівки. Коли програма-застосування висилає дані через сполучення ATM, використовуючи AAL 5, то станція доручає блок даних до інтерфейсу AAL 5 (див. рис. 6.). У свою чергу AAL 5 генерує кінцівку, ділить інформацію на блоки по 48 октетів і пересилає кожен блок через мережу ATM в окремих комірках. На приймальному кінці сполучення AAL 5 реасемлює отримані комірки в пакет, перевіряє контрольну суму і передає результат до програмного забезпечення приймальної станції. Для виявлення на приймальній стороні того, скільки комірок міститься в пакеті, AAL 5 на передавальній стороні використовує наймолодший біт поля Тип корисного навантаження (Payload Type) у заголовку комірки ATM (рис. 6.) для позначення останньої комірки в пакеті. Стандарт ATM використовує термін збіжність (convergence) для опису механізму розпізнавання кінця пакету. Інші протоколи адаптаційного шару використовують інші механізми збіжності.

UNI - визначає інтерфейс між обладнанням локальної мережі і комутатором ATM. Ця специфікація включає також управління пересиланням для локальних мереж (широкомовне).

NNI - визначає інтерфейс між двома комутаторами ATM.

PNNI - протокол ієрархічного раутінгу в межах мережі ATM, дозволяючи комутаторам знати топологію мережі.

B-ICI - визначає інтерфейс між двома мережами ATM. На відміну від PNNI, дві мережі не обмінюються інформацією, яка стосується їх топології.

DXI - описує інтерфейм між DSU і обладнанням не-ATM-мережі. Визначені два режими: режим 1 допускає 1024 віртуальних шляхи, підтримує послуги AAL 5 і передбачає 16 бітів для корекції помилок. Режим 2 надає 16 млн. віртуальних шляхів, підтримує послуги AAL 3, 4 і 5 та передбачає 32 біти для корекції помилок.

Коли TCP/IP висилає дані через мережу ATM, то він передає цілу данограму з використанням AAL 5. Хоч AAL 5 може сприйняти і передати пакети, які містять понад 64К октетів, однак стандарт TCP/IP обмежує ефективний MTU до 9180 октетів. IP мусть фрагментувати кожну IP-данограму, довшу від 9180 октетів, перед передаванням до AAL 5.

AAL пристосовує протоколи до проміжного формату ATM, використовуючи так звані класи послуг. ATM дозволяє різним класам послуг пристосуватися до різних застосувань (голос, відео, дані). Він визначає біти і байти, які власне передаються, потрібну ширину смуги, прийнятний рівень помилок і тому подібне. Класи A і B мають компенсацію синхронізації для застосувань, які не переносять змінних затримок. Класи C і D без компенсації синхронізації використовуються для застосувань з даними, таких як сполучення LAN. Клас D також моделює безз'єднальну комунікацію, поширену в локальних мережах.

Клас	A	B	C	D
Синхронізація	Так	Так	Ні	Ні
Швидкість передавання бітів	Постійна	Змінна	Змінна	Змінна
Режим	Орієнтований на сполучення, емуляція кола	Орієнтований на сполучення, відео із змінною швидкістю бітів	Орієнтований на сполучення, дані з орієнтацією на сполучення	Безз'єднальний, передавання даних без сполучення
AAL	Тип 1	Тип 2	Тип 3/4/5	Тип 3/4

Підрівень SSCS (Service-Specific Convergence Sublayer ~ підрівень збіжності видів послуг) відображає (конвертує) дані на рівень ATM. Підрівень збіжності (CS) компенсує відмінності інтерфейсів (провідних та оптичних кабелів), які можуть вживатися в мережах ATM. Мережі ATM можуть використовувати SONET, T1, E1, T3, E3, E4, FDDI, SONET SDH і т.п.

Ця форма структури пакету використовується при звичайній пакетній комутації, але є великі різниці між двома технологіями: комірка ATM не має адрес джерела та призначення і заголовок пакету ATM практично не є верхнім протоколом. Заголовок просто містить ідентифікатор віртуального каналу (VCI - Virtual Circuit Identifier) і, якщо вимагається, ідентифікатор віртуального шляху (VPI - Virtual Path Identifier).

Mетод оперування

Коли є інформація, потрібна до комунікації, передавач веде переговори з мережею щодо “вимаганого шляху” для з’єднання з призначенням. Коли встановлене це з’єднання, визначає тип, швидкість та інші атрибути виклику, які забезпечують якість сервісу від кінця до кінця. При ATM-з’єднанні з’єднання встановлюється через відповідну сесію між термінальним обладнанням ATM і комунікаційним обладнанням ATM (відомим як ATM-комутатор).

[1] Дані базуються на тестах продуктивності з багатьма адаптерами, такими як SCSI, IDE і VGA.

[2] Сигналізація все ще не є частиною стандарту ATM.

[3] Ідентифікатор кола, який використовується в NNI, має суттєво інший формат і відмінну довжину.