Чернега В., Платтнер Б. Компьютерные сети. Учебное пособие для вузов

Подождите немного. Документ загружается.

Раздел 5. Глобальные сети связи

419

чию альтернативных маршрутов.

Уровень адаптации АТМ (ATM Adaptation Layer, AAL). В функции

уровня адаптации входят задачи:

 формирование пакетов (ячеек);

 предоставление информации уровню АТМ, дающей возможность

устанавливать соединение с различным показателем качества услуг;

 предотвращение перегрузки на узлах.

Уровень адаптации состоит из двух подуровней.

Подуровень сегментации и реассемблирования, является нижним

подуровнем AAL. Он выполняет разбиение (сегментацию) сообщения, при-

нимаемого от протокола верхнего уровня, на ячейки АТМ и формирует заго-

ловки.

Подуровень конвергенции – верхний подуровень AAL, зависящий от

класса передаваемого трафика. В соответствии с протоколом конвергенции

выполняется синхронизация между передающими и принимающими узлами,

контроль ошибок.

Главным свойством технологии АТМ, которое отличает ее от других,

является комплексная поддержка параметров качества обслуживания QoS

(Quality of Service). Пользователи сети могут задать различный показатель

Выбор для передачи данных любого типа небольшой ячейки фиксированно-

го размера еще не решает задачу совмещения разнородного трафика в одной

сети, а только создает предпосылки для ее решения. Для полного решения

этой задачи технология ATM практикует заказ пропускной способности и

качества обслуживания, аналогичного используемому в технологии Frame

relay. Но если сеть Frame relay изначально была предназначена для передачи

только пульсирующего компьютерного трафика, то в технологии ATM вы-

делено 4 основных класса трафика, для которых разработаны различные ме-

ханизмы резервирования и поддержания требуемого качества обслуживания.

Класс трафика, называемый также классом услуг (service class) качест-

венно характеризует требуемые услуги по передаче данных через сеть ATM.

Если приложение указывает сети, что требуется, например, передача голосо-

вого трафика, то очевидно, что особенно важными для пользователя будут

такие показатели качества обслуживания, как задержки и вариации задер-

жек ячеек, существенно влияющие, на качество переданной информации –

голоса или изображения, а потеря отдельной ячейки с несколькими отсчета-

ми сигналов не столь критична, так как, например, воспроизводящее голос

устройство может аппроксимировать недостающие отсчеты и качество из-

менится несущественно. Требования к синхронности передаваемых данных

очень важны для многих приложений – не только голоса, но и видеоизобра-

жения, и наличие этих требований стало первым критерием для деления

трафика на классы.

Компьютерные сети

420

Другим важным параметром трафика, существенно влияющим на спо-

соб передачи его через сеть, является величина пульсаций трафика. При

разработке технологии АТМ выделили два различных типа трафика в отно-

шении этого параметра: трафик с постоянной битовой скоростью CBR

(Constant Bit Rate,) и трафик с переменной битовой скоростью VBR (Variable

Bit Rate). К разным классам отнесены трафики, генерируемые приложения-

ми, использующими для обмена сообщениями протоколы с установлением и

бeз установления соединений. В первом случае данные передаются самим

приложением достаточно надежно, как это обычно делают протоколы с ус-

тановлением соединения, поэтому от сети ATM высокой надежности пере-

дачи не требуется. Во втором случае приложение работает без установления

соединения и восстановлением потерянных и искаженных данных не зани-

мается, что предъявляет повышенные требования к надежности передачи

ячеек сетью ATM. В результате было определено четыре класса трафика, от-

личающихся следующими качественными характеристиками:

 наличием или отсутствием пульсации трафика, т.е. трафики с постоян-

ной CBR или переменной VBR битовыми скоростями;

 требованием к синхронизации данных между передающей и прини-

мающей сторонами;

 типом протокола, передающего свои данные через сеть ATM с уста-

новлением или без установления соединения (только для случая передачи

компьютерных данных).

Уровень адаптации определяет 4 категории обслуживания:

 постоянная скорость передачи CBR (Constant Bit Rate);

 переменная скорость передачи RT-VBR (Real Time Variable Bit Rate)

или NRT-VBR (Non-Real Time Variable Bit Rate);

 доступная скорость ABR (Available Bit Rate);

 неопределенная скорость UBR (Unspecified Bit Rate).

Постоянная скорость CBR используется для потребителей, чувстви-

тельных к задержкам данных (аудио-, видеоприложения). При этом гаранти-

руется малая задержка. Однако канал используется неэффективно, так как

независимо, есть ли передача или нет, канал резервируется постоянно.

При переменной скорости резервирование пропускной способности не

происходит. Канал используется более эффективно, однако не гарантируется

определенная задержка сообщения.

Доступная скорость – допускаются задержки, однако обеспечиваются

допустимые длительности задержки и коэффициент потерь. Коэффициент

потерь определяет, какой процент ячеек может быть потерян за время пере-

дачи.

Неопределенная скорость применяется при передачах по протоколам

Раздел 5. Глобальные сети связи

421

TCP/IP, допускающим задержки. В сильно загруженных сетях происходит

частое повторение пакетов.

Протоколы уровня адаптации AAL. Уровень адаптации реализован

группой протоколов AAL1-AAL5, которые преобразуют сообщения прото-

колов верхних уровней сети ATM в ячейки ATM нужного формата. Функции

этих уровней условно соответствуют функциям транспортного уровня моде-

ли OSI, например функциям протоколов TCP или UDP. Протоколы AAL при

передаче пользовательского трафика работают только в конечных узлах се-

ти, как и транспортные протоколы большинства технологий. Каждый прото-

кол уровня AAL обрабатывает пользовательский трафик определенного

класса (таблица 5.3).

Таблица 5.3 – Классы трафиков и протоколы для адаптивного уровня

Класс трафика/

протокол

Синхронизация

отправителя и

получателя

Частота

следования

битов

Режим

соединения

Класс a / AAL1 необходима постоянная с соединением

Класс b / AAL2 необходима переменная с соединением

Класс c / AAL3/4

или AAL5

не нужна переменная с соединением

Класс d /AAL3/4

или AAL5)

не нужна переменная без соединения

На начальных этапах стандартизации каждому классу трафика соот-

ветствовал свой протокол AAL, который принимал в конечном узле пакеты

от протокола верхнего уровня и заказывал с помощью соответствующего

протокола нужные параметры трафика и качества обслуживания для данного

виртуального канала.

Протокол AAL1 предназначен для обеспечения передачи по сетям

АТМ трафика с постоянной скоростью (оцифрованный голос, видеокон-

ференции). Другой протокол уровня адаптации – AAL3/4 служит для обес-

печения передачи по сетям АТМ блоков данных. Тип AAL3/4 имеет сущест-

венную избыточность (4 байта из 48). По этой причине был введен 5-ый тип

– AAL5. Этот уровень обеспечивает канал, ориентированный на соединение,

с переменной скоростью обмена в широковещательном режиме при мини-

мальном контроле ошибок (или вовсе без него). Для передачи по сетям АТМ

трафика локальных вычислительных сетей наиболее часто используется про-

токол AAL5.

Несмотря на использование на самом низком уровне ATM небольших

ячеек фиксированного размера, протокол AAL5 предоставляет прикладным

программам интерфейс, позволяющий пересылать большие по размеру паке-

Компьютерные сети

422

ты переменной длины. За счет этого интерфейса для прикладных программ

создается видимость, что сеть ATM относится к разряду технологий, не тре-

бующих установки соединения между получателями. В частности, в прото-

коле AAL5 предусмотрено, что в каждом пакете может содержаться от 1 до

65 535 октетов данных.

При передаче данных через ATM-соединение с помощью протокола

AAL5, прикладная программа отправляет блок данных через интерфейс

AAL5. При этом программа протокола AAL5 создает хвостовик (трейлер)

пакета, разделяет пакет на части размером 48 октетов и передает каждую

часть по сети ATM в одной ячейке. На принимающем конце соединения про-

грамма протокола AAL5 собирает поступившие ячейки в пакет. Для контро-

ля целостности частей пакета осуществляется циклическое кодирование. В

случае отсутствия ошибок блок данных передается прикладной программе.

Процесс разделения блока данных на ячейки и их объединение на приемном

конце называется сегментацией и последующей сборкой ячеек ATM

(Segmentation And Reassembly, или SAR) . Формат пакета AAL5 показан на

рисунке 5.31.

В его состав кроме поля данных входит хвостовик, содержащий поле

UU (user to user) длиной один байт, служащее для обеспечения мультиплек-

сирования на верхних уровнях; двухбайтное поле указания длины данных;

контрольную последовательность блока данных CRC длиной 4 байта. Одно-

байтовое поле, расположенное между полями UU и Длина, зарезервировано

для использования в будущем.

Протокол AAL5 полностью соответствует принципу разбиения на

уровни, поскольку в нем функции сегментации и последующей сборки ячеек

отделены от механизма передачи ячеек. Уровень AAL5 относится к классу

сквозных уровней, поскольку пакеты данных передаются непосредственно от

отправителя к конечному получателю. Это означает, что модуль протокола

AAL5, запущенный на компьютере получателя, передает прикладной про-

грамме получателя точную копию блока, который был получен программой

протокола AAL5, запущенной на компьютере отправителя.

Для указания последней ячейки пакета в протоколе AAL5 использует-

ся значение младшего бита поля "тип полезной нагрузки", расположенного в

заголовке ячейки ATM. Этот бит устанавливается отправителем в единичное

Рисунок 5.31 – Формат пакета по протоколу AAL5

Раздел 5. Глобальные сети связи

423

значение при передаче последней ячейки и называется битом окончания па-

кета. Таким образом, программа протокола AAL5 на машине получателя

собирает все входящие ячейки до тех пор, пока не обнаружит ячейку с уста-

новленным битом окончания пакета. Для описания механизмов, распознаю-

щих окончание пакета, в стандарте ATM используется специальный термин

— сходимость (convergence). Хотя в протоколе AAL5 для определения схо-

димости проверяется значение только одного бита в заголовке ячейки, в ос-

тальных протоколах уровня адаптации ATM могут использоваться и другие

механизмы сходимости.

5.7.3. Формат ячейки АТМ

Ячейка АТМ, как и любой сетевой пакет, состоит из заголовка и поля

данных пакета. Для того, чтобы обеспечивать быструю обработку ячеек, их

заголовок должен быть относительно коротким. Основная функция заголов-

ка сводится к идентификации виртуального соединения. Для правильного

функционирования сети должна быть обеспечена надлежащая защита заго-

ловка. Последствием поражения заголовка ошибкой будет неверная маршру-

тизация пакета - т.е. однократная ошибка приведет к потере всего пакета.

Для того, чтобы уменьшить эту вероятность вводится механизм защиты за-

головка по принципу обнаружения или исправления ошибок.

В случае отсутствия защиты от ошибок в заголовке, то, во-первых,

данный пакет не был бы доставлен получателю, т.е. имело бы место пропа-

дание пакета в данном виртуальном соединении, а, во-вторых, этот пакет

был бы доставлен не тому получателю, и у него произошла бы вставка лиш-

него пакета. Введение в заголовок функции обнаружения ошибок, т.е. отбра-

сывания пакета при возникновении в нем ошибки, приводит к тому, что

ячейка не будет доставлена ошибочно, а только отброшена. Следовательно,

ошибка вызовет только одну потерю. Введение функции исправления оши-

бок исключает выпадения и вставки пакетов. Именно на этом принципе ос-

тановились разработчики процедуры АТМ.

Для упрощения реализации кодеков при наличии пакетных ошибок в

технологии АТМ был введен оригинальный адаптивный метод коррекции

ошибок. Его суть состоит в следующем. В нормальном режиме, т.е. когда

ошибок нет, заголовок обрабатывается в режиме исправления однократных

ошибок. В случае, если декодер обнаружил ошибку и исправил ее исходя из

возможностей исправления только одной ошибки, то он сразу переключается

в режим обнаружения (но не исправления) ошибок. Это сделано для того,

что в том случае, если ошибка была пакетная (а это значит, что исправление

было неправильным), пакеты, в которых обнаружена ошибка, будут уничто-

Компьютерные сети

424

жены. Если же ошибка была все-таки однократная, то следующий пакет ско-

рее всего будет безошибочным, что и отметит механизм обнаружения и вер-

нется в режим с коррекцией ошибок.

Формат ячейки АТМ изображен на рисунке 5.32. Первые 4 бита ячейки

отведены под поле управления потоком GFC (Generic Flow Control). Затем

следуют идентификатор виртуального пути VPI (Virtual Path Identifier) и

идентификатор виртуального канала VCI (Virtual Circuit Identifier).

Как уже упоминалось ранее, при использовании технологии, ориенти-

рованной на установку соединения между отправителем и получателем, ка-

ждому каналу присваивается уникальный целочисленный идентификатор,

который назначается узлом сети при выполнении операций ввода-вывода, а

также при закрытии канала. Однако в системах, ориентированных на уста-

новку соединения, уникальность такого идентификатора не является гло-

бальной. Другими словами, идентификатор канала является аналогом деск-

риптора ввода-вывода, который возвращается программой операционной

системы при открытии файла.

Как и дескриптор ввода-вывода, идентификатор канала является дей-

ствительным только при открытом канале. Кроме того, значением иденти-

фикатора канала можно воспользоваться только в пределах одного сегмента

соединения между коммутаторами. Следует отметить, что идентификаторы

одного и того же канала, полученные узлами сети на обоих концах сегмента

виртуального канала, обычно отличаются друг от друга. Например, отправи-

Рисунок 5.32 – Формат ячейки АТМ

Раздел 5. Глобальные сети связи

425

тель может использовать для идентификации канала число 15, в то время как

получатель — число 27. Поэтому при передаче пакета от одного узла сети к

другому каждый коммутатор, расположенный по пути прохождения пакета,

заменяет в нем номер идентификатора канала на текущий. Весь идентифика-

тор соединения в целом часто называют идентификатором VPI/VCI. Эта па-

ра занимает 24 бита: 8-битов для идентификатора виртуального пути и VP

и 16-битов для идентификатора виртуального канала VCI.

Индикатор типа данных PTI (Playload Type Indicator) занимает 3 бита

после поля VCI. Цифровые значения индикатора от 0 до 3 указывают на то,

что в ячейке передаются данные пользователя, значения 4 и 5 – управляю-

щая информация, а 6 и 7 – зарезервированы.

Поле приоритета потери ячейки CLP (Cell Loss Prioryty), занимающее

последний бит четвертого байта, используется для управления потоком дан-

ных. Ячейки с полем CLP=0 являются для сети высокоприоритетными, а

ячейки с CLP=0 – низкоприоритетными.

HEC (Header Error Check) – поле проверки ошибки заголовка. С его

помощью можно восстановить единичную или идентифицировать много-

кратную ошибку заголовка ячейки. Поле содержит проверочные элементы,

вычисленные для заголовка ячейки с использованием кода Хемминга. Они

позволяют не только обнаруживать, но и исправлять все одиночные ошибки,

а также некоторые двойные.

В конце ячейки размещено поле данных пакета (Playload) размером

48 байтов.

5.7.4. Сетевые интерфейсы и доступ к сети АТМ

Сети ATM строятся на основе стандартных блоков, роль которых вы-

полняют специализированные электронные коммутаторы. Хотя сетевой

компьютер можно подключить к коммутатору ATM посредством электриче-

ского кабеля, в большинстве случаев для повышения скорости передачи

данных используют волоконно-оптические линии связи. Как правило, к од-

ному АТМ-коммутатору можно подключить ограниченное количество ком-

пьютеров. Для создания крупной сети приходится соединять между собой

несколько коммутаторов SW (рисунок 5.33,а).

Для компьютера, подключенного к сети ATM, совокупность коммута-

торов представляет собой однородную сеть. Поэтому для него создается ви-

димость единой физической сети, к которой подключено большое количест-

во компьютеров.

Компьютерные сети

426

Принцип соединения коммутаторов между собой незначительно отли-

чается от подключения компьютера к коммутатору. В частности, данные

между коммутаторами передаются на более высокой скорости, чем между

сетевым компьютером и коммутатором; кроме того, при этом используются

другие протоколы. Коммутаторы АТМ соединяются между собой через уз-

ловые интерфейсы NNI (Network Node Interface). Узловые интерфейсы ос-

нащены преимущественно интерфейсами STM-1 (скорость передачи 155

Мбит/с) или STM-4 (622 Мбит/с). Постоянно растущий сетевой трафик тре-

бует наличия более быстродействующих интерфейсов. В настоящее время

уже имеется возможность использовать интерфейсы STM-16 со скоростью

передачи 2,5 Гбит/с.

Оконечные устройства подключаются к узлу АТМ через пользователь-

ские интерфейсы UNI (User Network Interface). У абонентов имеется широ-

кий выбор пользовательских интерфейсов на основе PDH- и SDH-

технологий с электрическими и оптическими сигналами в диапазоне скоро-

стей от 2 до 155 Мбит/с (рисунок 5.33,б). Для некоторых применений, на-

пример, телевидения с высоким разрешением (HDTV), могут быть предос-

тавлены интерфейсы со скоростью 622 Мбит/с.

Собственно коммутатор АТМ состоит из двух коммутаторов: комму-

татора виртуальных путей и коммутатора виртуальных каналов. Эта особен-

ность организации АТМ обеспечивает дополнительное увеличение скорости

обработки ячеек. ATM коммутатор анализирует значения, которые имеют

идентификаторы виртуального пути и виртуального канала у ячеек, посту-

пающих на его входной порт и направляет эти ячейки на один из выходных

Рисунок 5.33 – Построение компьютерной сети на основе коммутаторов АТМ а),

интерфейсы АТМ-узла, б)

Раздел 5. Глобальные сети связи

427

портов. Определение номера выходного порта коммутатор осуществляет на

основании динамически создаваемой таблицы коммутации.

Для передачи дейтаграмм по сети ATM в протоколе IP используется

протокол AAL5. Перед отсылкой данных отправитель должен установить с

получателем виртуальный канал (постоянный PVC или переменный SVC) и

согласовать используемый тип протокола уровня адаптации ATM, например

AAL5. В процессе передачи дейтаграммы модулю протокола AAL5, отпра-

витель указывает также пару идентификаторов VPI/VCI, определяющих сам

канал. Модуль протокола AAL5 создает трейлер дейтаграммы, разбивает ее

на ячейки и передает их по сети. На приемном конце виртуального канала

модуль протокола AAL5 выполняет сборку ячеек в пакет данных, вычисляет

код CRC и проверяет целостность пакета, извлекает дейтаграмму из пакета и

пересылает ее модулю протокола IP.

На практике в протоколе AAL5 используется поле длины пакета, раз-

мер которого составляет 16 битов. Это позволяет отсылать в одном пакете до

65 535 (64К) байтов. Несмотря на это в семействе протоколов TCP/IP нало-

жены ограничения на размер дейтаграмм, которые можно посылать по сети

ATM. В стандарте максимальный размер IP-дейтаграммы в сетях ATM уста-

навливается равным 9180 байтов. Как и в любой сетевой технологии, если

размер отправляемой дейтаграммы превышает установленный в сети размер

максимальной единицы передачи данных MTU, модуль протокола IP разби-

вает дейтаграмму на фрагменты и пересылает каждый фрагмент модулю

протокола AAL5. Таким образом, по умолчанию модуль протокола AAL5

принимает, передает и доставляет дейтаграммы, размер которых не превы-

шает 9180 байтов.

Маршрутизация в АТМ отличается от аналогичных процессов в сетях

с коммутацией пакетов. Сети АТМ в основном ориентированы на соедине-

ние. Маршрутизация в сети осуществляется двумя способами. В первом слу-

чае, в коммутаторах ATM, выполняющих ретрансляцию ячеек, располагают-

ся локальные адресные таблицы. Ячейки транспортируются по уже выбран-

ному маршруту через коммутаторы АТМ в соответствии со значениями

идентификаторов виртуального пути и виртуального канала.

Во втором случае, маршрут записывается в заголовках блоков данных.

Это происходит на основе глобальных адресных таблиц при вводе данных в

коммуникационную сеть. Благодаря этому, осуществляется самомаршрути-

зация. Блоки в рассматриваемом случае могут двигаться по различным мар-

шрутам, что имеет много общего с методом передачи дейтаграмм.

Компьютерные сети

428

5.8. IP-технологии в глобальных сетях

5.8.1. Способы реализации глобальных IP-сетей

В настоящее время существует несколько способов построения гло-

бальных IP-сетей. Первый, самый простой способ, предполагает соединение

IP-маршрутизаторов посредством выделенных линий или каналов первич-

ных цифровых глобальных сетей (PDH/SDH/DWDM). Такие сети получили

название "чистые" IP-сети (рисунок 5.34). Вариант сети, в которой IP-

маршрутизаторы используют каналы, организованные сетью SDH (SONET),

получил название пакетной сети, работающей поверх SONET (Packet Over

SONET, POS).

Рисунок 5.34 - Структура "чистой" IP-сети

Для того чтобы маршрутизаторы "чистой" IP-сети могли работать на

цифровых каналах, в них должен использоваться один из протоколов ка-

нального уровня. Такие протоколы обеспечивают управление потоком дан-

ных, взаимную аутентификацию удаленных устройств и регламентируют

процедуру согласования параметров обмена данными на канальном и сете-

вом уровнях. В настоящее время для этих целей применяются преимущест-

венно два типа канальных протоколов: HDLC и PPP (см. пп. 2.5.3 и 5.2.5). В

ряде случаев может использоваться устаревший протокол SLIP.

Помимо упомянутых способов транспортировки данных, в глобаль-

ных IP-сетях маршрутизаторы на выделенных каналах в последнее время все

чаще используют высокоскоростные варианты сети Ethernet: Fast- Gigabit-

или 10G- Ethernet. В середине 90-х годов наиболее популярной структурой

глобальной IP-сети стала многоуровневая архитектура, в которой под уров-

нем IP в качестве транспортных магистралей используются сети АТМ и

Frame relay. Применение на двух уровнях сетей с коммутацией пакетов, ис-

пользующих разные принципы работы, позволили относительно просто пе-