Чем обусловлена высокая скорость передачи данных в сетях ATM?

Сети ATM. Технология ATM (Asynchronous Transfer Mode), реализованная в сетях ATM, отно­сится к перспективным технологиям, обеспечивающим высокие скорости передачи разнородной ин­формации (данных, речевых и видеосигналов) на значительные расстояния. Действительно, передача голосовой и видеоинформации обычно требуется в режиме реального времени, видеоинформация ха­рактеризуется большими объемами и, следовательно, задержки должны быть только малыми (так, для голосовой связи — около 6 с).

Технология ATM представляет собой быструю коммутацию коротких пакетов фиксированной длины (53 байт), называемых ячейками. В силу этой причины и саму технологию ATM иногда назы­вают коммутацией ячеек.

Сети ATM относят к сетям с установлением соединения. Соединения могут быть постоянными и динамическими. Первые устанавливаются и разрываются администратором сети, их действие про­должительно, для каждого нового обмена данными между абонентами постоянного соединения не нужно тратить время на его установление. Вторые устанавливаются и ликвидируются автоматически для каждого нового сеанса связи.

Каждое соединение получает свой идентификатор, который указывается в заголовке ячеек. При установлении соединения каждому коммутатору на выбранном пути следования данных передается таблица соответствия идентификаторов и портов коммутаторов. Коммутатор, распознав идентифика­тор, направляет ячейку в нужный порт. Непосредственное указание в заголовке адресов получателя и отправителя не требуется, заголовок короткий — всего 5 байтов.

Высокие скорости в ATM обеспечиваются рядом технических решений.

Во-первых, большое число каналов с временным мультиплексированием (TDM) можно исполь­зовать для параллельной передачи частей одного и того же “объемного” сообщения (статистическое мультиплексирование). При этом цикл синхронизации состоит из отдельных участков, длины участка и ячейки совпадают. Под конкретное сообщение можно выделить N интервалов, совокупность кото­рых называют виртуальным каналом. Скорость передачи можно регулировать, изменяя N. Если сеть ATM оказывается перегруженной, то во избежание потери информации возможна буферизация дан­ных для выравнивания загрузки каналов. Регулирование загрузки (управление потоком) осуществля­ется периодическим включением (обычно через 32 кадра) служебной RM- ячейки в информационный поток. В эту ячейку промежуточные коммутаторы и конечный узел могут вставлять значения управ­ляющих битов, сигнализирующие о перегрузке или недогрузке канала. RM- ячейка от конечного узла передается в обратном направлении источнику сообщения, который может соответственно изменить режим передачи. В частности, применяется режим занятия всех свободных ресурсов при перегрузке.

Таким образом, происходит динамическое перераспределение нагрузки.

Во-вторых, отрицательные квитанции при искажениях собственно сообщений (но не заголов­ков) возможны только от конечного пункта. Это исключает потери времени в промежуточных пунк­тах на ожидание подтверждений. Такой способ иногда называют коммутацией кадров (в отличие от коммутации пакетов). Контрольный код (четырехбайтный циклический) для информационной части сообщения имеется только в конце последнего пакета сообщения.

В-третьих, упрощена маршрутизация. Собственно установление соединения выполняется аналогично этой процедуре в TCP/IP. Однако далее номер рассчитанного маршрута помещается в заголо­вок каждого пакета, и для них не нужно заново определять маршрут по таблицам маршрутизаторов при прохождении через сеть. Такую передачу называют маршрутизацией от источника. Другими словами, осуществляется передача с установлением соединения (в отличие, например, от IP). При этом клиент направляет серверу запрос в виде специального управляющего кадра. Кадр проходит че­рез промежуточные маршрутизаторы и (или) коммутаторы, в которых соединению (каналу) присваи­вается номер VCI (идентификатор) маршрута. Если передача адресована нескольким узлам, то соот­ветствующий VCI в коммутаторах присваивается нескольким каналам.

В-четвертых, фиксированная длина пакетов (кадров) упрощает алгоритмы управления и буфери­зации данных, исключает необходимость инкапсуляции или конвертирования пакетов при смене фор­матов в промежуточных сетях (если они соответствуют формату ячейки ATM).

В технологии ATM введены три уровня (рис. 2.11). Адаптационный уровень (AAL) аналогичен транспортному уровню в ЭМВОС, на нем происходит разделение со­общения на 48-байтные ячейки, преобразо­вание битовых входных потоков в один поток с соблюдением пропорций между числом ячеек для данных, голосовой и видеоинформации, оп­ределение вида сервиса. При этом должна поддерживаться скорость передачи данных, необходимая для обеспечения соответствующего сервиса. На следующем уровне, называемом ATM, к каждой ячей­ке добавляется пятибайтовый заголовок с маршрутной информацией. Третий уровень — физический (Р — physical) — служит для преобразования данных в электрические или оптические сигналы.

Средой для ATM обычно служит среда В-ISDN, реализуемая на ВОЛС, витой парс или коакси­альном кабеле. Типично использование технологии цифровой синхронной иерархии SDH на ВОЛС. При использовании магистральной сети SDH для передачи информации по технологиям ATM или FR сети ATM и FR называют наложенными вторичными сетями. Доступ к транспортной сети осуществ­ляется через специальные мультиплексоры.

Примером высокоскоростной магистральной сети передачи данных может служить московская сеть SDH, создан­ная фирмой МТУ-Информ. В 1997 г. в этой сети использовались кольцо STM-16 и три кольца STM-4, связанные между собой потоками STM-1. На периферии сети имеется 25 колец STM-1. В узлах первой очереди использованы 13 мульти­плексоров SDM-16 и 59 мультиплексоров SDM-1 семейства SYNCOM, связанных ВОЛС. По каждому кольцу STM-1, STM-4, STM-16 может передаваться 63, 252 или 1008 потоков El соответственно, что эквивалентно 1890, 7560 или 30240 телефонным каналам. Высока надежность передачи данных, поскольку для каждого потока данных образуется два канала — основной и дублирующий, по которым одна и та же информация передается параллельно. Подключение к сети — че­рез FR или ATM на расстояниях до 3 км. Сеть развивается, кольца STM-4 преобразуются в STM-16, число колец растет.

Каналы ATM со скоростями 51, 155, 622 и 2400 Мбит/с называют каналами ОС-1, ОС-3, ОС-12 и ОС-48 соответственно. К сожалению, в распространенных протоколах, таких, как TCP/IP или Х.25, пакеты имеют переменную длину, что вызывает трудности совмещения программно-аппаратных средств распространенных технологий и ATM, в связи с чем замедляется внедрение ATM.

В настоящее время распространены также промежуточные технологии. Таковой прежде всего является технология ретрансляции кадров (FR>, в которой применена коммутация пакетов длиной 4 Кбита с установлением соединения.

Проблемы совмещения технологий ATM и существующих сетей решаются организацией ATM Forum и рядом промышленных фирм. Разрабатываются коммутаторы и концентраторы, обеспечиваю­щие совместную работу ATM-магистралей, сетей, работающих по протоколам TCP/IP, и локальных сетей, таких, как Ethernet, Fast Ethernet, FDDI. В частности, разработаны спецификации IP-over-ATM и более современные МРОА (Multi-Protocol-Over-ATM), а также реализующие их средства для пере­дачи IP-дейтаграмм и пакетов, сформированных по другим протоколам, через АТМ-сети.

При реализации TCP/IP поверх ATM протоколов необходимо сохранить высокую скорость ATM сети. Однако этому препятствуют возможные потери при передаче некоторых 53-байтных ячеек, на которые разбивается TCP-сегмент. Такая потеря вызывает необходимость повторной передачи всех ячеек сегмента, поскольку в ATM контроль правильности передачи ведется по отношению ко всему сообщению (в данном случае — сегменту). Существенно сократить число повторно передаваемых ячеек позволяют специальные алгоритмы.