Родичев Ю.А. Компьютерные сети - архитектура, технологии, защита

Подождите немного. Документ загружается.

361

– поддержка функций телефонных станций.

К функциям АТС, выполняемым МПК, относятся оцифровка

и коммутация голоса, передача факсимильных сообщений. Для

технологии FR характерным является возможное увеличение за-

держки при передаче голоса по сравнению с обычной телефонной

сетью. Устранить это явление можно путем установления более

высокого приоритета для голосового трафика и применения

фрагментации кадров.

Распространению технологии FR способствует также наличие

стандартов, обеспечивающих совместимость сетей FR с другими

сетями. Например, имеется стандарт IETF 1294 для преобразова-

ния пакетов TCP/IP в кадры FR. Есть стандарты, обеспечиваю-

щие совместимость FR с самыми высокопроизводительными и

современными сетями – сетями ATM. При «входе» в сеть ATM

длинные кадры FR разбиваются на короткие, размещаемые внут-

ри ATM-ячеек, а при «выходе» из сети

ATM из ячеек ATM-сети

извлекаются фрагменты кадров FR, и из них собираются полные

кадры FR. В настоящее время за рубежом, особенно в США, на-

блюдается стремительное развитие сетей FR.

Наиболее распространенные способы доступа к сетям FR:

– использование выделенных линий;

– через сети Х.25 по обычным коммутируемым телефонным

линиям;

– через ISDN для передачи данных и голоса.

В России большинство сетей передачи данных общего поль-

зования также предоставляют пользователям FR-сервис. Основ-

ная проблема с реализацией магистральной сети FR заключается

в том, что те магистральные междугородные каналы, которые по-

строены на базе телефонных линий (линий тональной частоты),

не обеспечивают необходимое для сети FR качество передачи.

Для построения сетей FR самые широкие возможности

могут

предоставить решения, которые основаны на базе оптоволокон-

ных или спутниковых каналов связи.

Технология FR и в будущем сохранит свои преимущества и

актуальность, поскольку она обеспечивает идеальный доступ к

высокоскоростной магистральной ATM-сети по низкоскорост-

ным каналам связи. Полезная пропускная способность приклад-

ных протоколов при работе через сети FR зависит от качества ка-

362

налов и методов восстановления пакетов на уровнях стека, рас-

положенного над протоколом FR. Поэтому сети FR следует при-

менять только на магистральных каналах с волоконно-

оптическим кабелем высокого качества.

На величины задержек сеть FR гарантий не дает, что является

основной причиной, сдерживающей применение этих сетей для

передачи голоса. Тем не менее, многие производители оборудо

вания для сетей FR поддерживают передачу голоса, что обеспе-

чивается присвоением кадрам, переносящим замеры голоса, при-

оритетов. Магистральные коммутаторы FR должны обслуживать

приоритетные кадры в первую очередь. Кроме того, желательно,

чтобы сеть FR, передающая кадры с замерами голоса, была не-

догруженной. При этом в коммутаторах не возникают очереди

кадров, и средние задержки в

очередях близки к нулевым. Для

качественной передачи голоса необходимо также соблюдение

еще одного условия – передавать замеры голоса только в кадрах

небольших размеров, иначе на качество будут влиять задержки

упаковки замеров в кадр, так называемые задержки пакетизации.

10.7. Сети и технологии ATM

Технология ATM (Asynchronous Transfer Mode – режим асин-

хронной передачи) является одной из самых перспективных тех-

нологий построения высокоскоростных сетей. Она была разрабо-

тана и специфицирована при проектировании ISDN отделом

коммуникаций Международного союза по электросвязи. Техно-

логия ATM специально ориентирована на работу с информацией

различного типа:

– речевым трафиком, традиционно обслуживаемым телефон-

ными сетями;

– трафиком данных, который обычно

передается по компью-

терным сетям;

– трафиком мультимедиа, сочетающим в себе статические

изображения, аудио- и видеоинформацию.

Основные особенности ATM-технологии:

1. ATM – это асинхронная технология, так как пакеты не-

363

большого размера, называемые ячейками (cells), передаются по

сети, не занимая конкретных временных интервалов.

2. Технология ATM ориентирована на предварительное (перед

передачей информации) установление соединения между двумя

взаимодействующими пунктами. После установления соединения

ATM-ячейки маршрутизируют сами себя, поскольку каждая

ячейка имеет поля, идентифицирующие соединение, к которому

она относится.

3. По технологии ATM допускается совместная передача раз-

личных видов сигналов, включая речь, данные, видеосигналы.

Достигаемая при этом скорость передачи (от 155 Мбит/с до 2,2

Гбит/с) может быть обеспечена одному пользователю, рабочей

группе или всей сети. В ATM-ячейке не предусматриваются по-

зиции для определенных видов передаваемой информации, по-

этому пропускная способность канала регулируется путем выде-

ления полосы пропускания потребителю

4. Поскольку передаваемая информация разбивается на ячей-

ки фиксированного размера (53 байта), алгоритмы их коммута-

ции реализованы аппаратно, что позволяет устранить задержки,

неизбежные при программной реализации коммутации ячеек.

5. ATM-технология обладает способностью к наращиваемо-

сти, т.е. к увеличению размера сети путем каскадного соединения

нескольких АТМ-коммутаторов.

6. Построение ATM-сетей и реализация соответствующих

технологий возможны на основе оптоволоконных линий связи,

коаксиальных кабелей, неэкранированной витой пары. Однако в

качестве стандарта на физические каналы для ATM выбран стан-

дарт на оптоволоконные каналы связи синхронной цифровой ие-

рархии SDH. Технология мультиплексирования и коммутации,

разработанная для SDH, стала ATM-технологией.

7. ATM-технологии могут быть реализованы в ATM-сетях

практически любой топологии, но оконечное

оборудование поль-

зователей подключается к коммутаторам ATM индивидуальными

линиями по схеме «звезда».

Главное отличие ATM-технологии от других телекоммуника-

ционных технологий заключается в высокой скорости передачи

информации (в перспективе – до 10 Гбит/с), причем привязка к

какой-либо одной скорости отсутствует. Важным является и то

364

обстоятельство, что ATM-сети совмещают функции глобальных

и локальных сетей, обеспечивая идеальные условия для «про-

зрачной» транспортировки различных видов трафика и доступа к

услугам и службам взаимодействующих с сетью ATM-сетей.

ATM-технология допускает использование как постоянных

(PVC), так и коммутируемых виртуальных каналов (SVC). По-

стоянные каналы PVC представляют собой соединение (после

предварительной настройки) между

взаимодействующими поль-

зователями сети, которое существует постоянно. Устройства, свя-

зываемые постоянным виртуальным каналом, должны вести до-

вольно громоздкие таблицы маршрутизации, отслеживающие все

соединения в сети. Следовательно, рабочие станции, соединен-

ные PVC, должны иметь таблицы маршрутизации всех остальных

станций сети, что нерационально и может вызывать задержки в

передаче.

Коммутируемые виртуальные каналы (SVC) позволяют

устранить

необходимость ведения сложных таблиц маршрутиза-

ции и таким образом повысить эффективность функционирова-

ния сети. Здесь соединение устанавливается динамически, при

этом используются АТМ-маршрутизаторы. В отличие от тради-

ционных маршрутизаторов, которые требуют физического под-

ключения сетевого сегмента к каждому из своих портов, в ATM-

маршрутизаторах используется не физическая архитектура с ори-

ентацией

на соединения, а виртуальная сетевая архитектура, ори-

ентированная на протоколы. Такие маршрутизаторы необходимы

и удобны для создания виртуальной сети, для которой характер-

ной является возможность переключения пользователей, находя-

щихся в любой точке сети, с одного сегмента на другой с сохра-

нением виртуального адреса рабочей группы, что упрощает ад-

министратору сети задачу

учета изменений списка пользовате-

лей.

ATM-технология способна обрабатывать трафики четырех

классов, представленных в таблице 10.1.

Класс A – синхронный трафик с постоянной скоростью пере-

дачи и с предварительным установлением соединения. Протокол,

обслуживающий трафик этого класса, предназначен для обеспе-

чения потребностей в сетевых услугах при передаче информации

с постоянной скоростью. Таким образом, адресат

получает поток

365

данных с той постоянной скоростью, с какой ее передает отпра-

витель. Службу этого класса можно использовать для передачи

аудио- и видеоданных вместо обычной телекоммуникационной

связи с коммутацией цепей (т.е. вместо аналогового канала).

Таблица 10.1.

Требования к параметрам потоков данных

Синхронизация Скорость передачи

Установление

соединения

Класс

служб

да нет постоянная переменная да нет

Тип сооб-

щения

А + – + – + –

Видео-

информация

B + – – + + –

Аудио- и

видео-

информация

C – + – + + –

Цифровые

данные

D – + – + – +

Цифровые

данные

Класс B – синхронный трафик с переменной скоростью пере-

дачи и с предварительным установлением соединения (например,

сжатая речь, видеоинформация). Здесь, как и в случае трафика

класса A, необходимы синхронизация аппаратуры отправителя и

получателя и предварительное установление связи между ними,

но допускается переменная скорость передачи. Информация пе-

редается через фиксированные промежутки времени, но ее

объем

в течение сеанса передачи может изменяться. Если объем переда-

ваемой информации превышает фиксированный размер одной

ячейки, эта информация разбивается на несколько ячеек, сборка

которых осуществляется в пункте назначения. Кроме того, эта

служба предусматривает передачу уплотненной (сжатой) аудио-

и видеоинформации и может использоваться, например, в видео-

конференциях, где при ограниченных

задержках изменяющаяся

скорость передачи данных считается допустимой.

366

Класс C – асинхронный трафик с переменной скоростью пе-

редачи и с предварительным установлением соединения. Здесь

синхронизации аппаратуры отправителями получателя не требу-

ется. Такой способ передачи необходим в сетях с коммутацией

пакетов (сети Х.25, Интернет). Служба класса С ориентирована

на создание соединения, но не поддерживает временные соотно-

шения. Служба этого класса требует

создания двухточечного со-

единения между отправителем и получателем. Пользователь-

отправитель передает информацию в сеть в виде пакетов пере-

менного размера, которые получает целевое программное обес-

печение пользователя ATM. Поступающие к целевому пользова-

телю пакеты могут приходить с отличной от исходной скоро-

стью. Эта служба обеспечивает обмен данными подобно обыч-

ным компьютерным

сетям. Трафик класса C, видимо, станет ос-

новным для передачи информации в глобальных сетях.

Класс D – асинхронный трафик с переменной скоростью пе-

редачи и без установления соединения. Протокол, управляющий

доставкой трафика класса D, разработан для обеспечения много-

битовой коммутации данных без установления соединения. В

этом протоколе предусматривается использование кадров пере-

менной длины: с

помощью передатчика каждый кадр делится на

сегменты фиксированного размера, которые помещаются в ATM-

ячейки; приемник собирает сегменты в исходный кадр, завершая,

таким образом процесс, который называется сегментацией и

сборкой. Каждый передаваемый пакет содержит полные адреса

отправителя и получателя. Пакеты могут адресоваться как одно-

му получателю, так и нескольким одновременно (многоадресная

рассылка).

Режим асинхронной передачи основан на концепции двух

оконечных пунктов сети (АС – абонентских систем, терминалов),

осуществляющих связь друг с другом через совокупность проме-

жуточных коммутаторов. При этом используются интерфейсы

двух типов: интерфейс пользователя с сетью (UNI) и интерфейс

между сетями (NNI). UNI соединяет устройство оконечного поль-

зователя с ATM-коммутатором, a NNI представляет собой канал

связи между двумя

ATM-коммутаторами сети (рис. 10.9).

Соединение между двумя оконечными пунктами сети возни-

кает с того момента, когда один из них передает через UNI запрос

367

в сеть. Этот запрос через цепочку АТМ-коммутаторов отправля-

ется в пункт назначения для интерпретации. Если узел-адресат

принимает запрос на соединение, то в ATM-сети между двумя

пунктами организуется виртуальный канал.

UNI

АС

Сеть АТМ

NNI

АТМ-

коммутатор

АТМ-

коммутатор

АТМ-

коммутатор

Рис. 10.9. Структура сети АТМ

Движущей силой развития технологии ATM является ее эф-

фективность в обслуживании низкоскоростных приложений и

возможность работы на сравнительно низких скоростях (от 2

Мбит/с). Говорить о «конкуренции» сетей FR и ATM неправо-

мочно, так как в настоящее время FR является основным интер-

фейсом доступа к сетям ATM, позволяющим обеспечивать пере-

дачу по

сети ATM разнородного трафика, динамически распреде-

ляя полосу пропускания.

Совмещение разнородных телекоммуникационных сетей, по-

строенных на базе различных технологий (Х.25, FR, IP и др.), для

предоставления пользователям всего спектра услуг в настоящее

время возможно только при использовании технологии ATM.

Технология ATM реализует коммутацию, ориентированную на

аппаратуру, программные средства которой обеспечивают безуко-

ризненное выполнение соединений с неограниченной

полосой

пропускания для передачи данных, видео- и голосовых сообще-

ний. Технология пакетной коммутации ATM применяет короткие

пакеты фиксированной длины, называемые ячейками (cell). Ячей-

368

ка ATM имеет размер 53 байт, пять из которых составляют заго-

ловок, оставшиеся 48 – собственно информацию (рис. 10.10).

5 байт 48 байт

Заголовок Данные

VPI (продолжение)

GFC VPI

VCI

VCI (продолжение)

VCI (продолжение) PT CLP

HEC

Рис. 10.10. Структура ячейки АТМ

Так как ячейки имеют фиксированную длину, конструкция

ATM-коммутатора более проста, задержки при обработке данных

сокращены, дисперсия задержек снижена, что существенно для

таких чувствительных к задержкам видам коммуникационного

обслуживания, как передача голосовых сообщений и видео.

Поле управление потоком (GFC – Generic Flow Control) дли-

ной 4 бит используют только при взаимодействии конечного узла

и первого коммутатора сети ATM.

Поле идентификатор виртуального пути (VPI – Virtual Path

Identifier) длиной 12 бит используют для группирования вирту-

альных каналов с целью маршрутизации.

Поле идентификатор виртуального канала (VCI – Virtual

Channel Identifier) – 16-разрядное, идентифицирует конкретный

виртуальный канал в виртуальном пути.

Поле тип информационного наполнения (РТ – Payload Type)

длиной 3 бит, идентифицирует тип данных, содержащихся в поле

информационного наполнения. Кроме того, 1 бит

этого поля ис-

пользуется для указания перегрузки в сети.

369

Однобитовое поле приоритет потери ячейки (CLP – Cell Loss

Priority) позволяет оборудованию ATM определить, какие ячейки

нужно отбрасывать в первую очередь при возникновении пере-

грузки. Ячейки с CLP = 1 являются для сети низкоприоритетны-

ми, а ячейки с CLP = 0 – высокоприоритетными.

Поле контроля ошибок заголовка (НЕС – Header Error Check)

содержит значение кода обнаружения и коррекции ошибок.

Поле данных ячейки содержит 48 октетов (384 бит) данных

пользователя

и/или дополнительной управляющей информации.

В заголовке ATM виртуальный канал обозначен комбинацией

двух полей – VPI (идентификатор виртуального пути) и VCI

(идентификатор виртуального канала). Виртуальный путь ис-

пользуют в случаях, когда два пользователя ATM имеют свои

собственные коммутаторы на каждом конце пути и, следователь-

но, могут организовывать и поддерживать свои виртуальные со-

единения. Виртуальный путь

напоминает канал, содержащий

множество кабелей, по каждому из которых может быть органи-

зовано виртуальное соединение.

Рис. 10.11. Соответствие уровней АТМ модели OSI

370

Разработчики архитектуры ATM разделили операции, выпол-

няемые в сети устройствами ATM, на три функциональных уров-

ня (рис. 10.11).

Физический уровень отправляет и принимает информацию в

виде электрических или оптических сигналов, передаваемых по

физическому пути передачи данных. Эта функция физических

коммуникаций предусматривает преобразование ячеек в непре-

рывный поток битов или кадров и обратно, а также

предполагает

использование различных видов (физического) кодирования и

декодирования данных, содержащихся в каждой из ячеек.

Основной функцией уровня ATM является коммутация ячеек.

На этом уровне устройство ATM принимает ячейки, поступаю-

щие по пути передачи данных, определяет путь дальнейшей пе-

ресылки, по которому эти ячейки следует ретранслировать, и

форматирует заголовок каждой отправляемой ячейки.

Уровень

адаптации ATM (AAL) предлагает интерфейс между

сетью ATM и пользовательским программным обеспечением

ATM, обычно реализуемым в подсистеме сетевого ПО. AAL

применяется только в оконечных устройствах, но не в коммута-

торах ATM. В оконечном устройстве, играющем роль отправите-

ля, AAL принимает битовый поток от пользовательского про-

граммного обеспечения ATM и структурирует его в виде ячеек,

подходящих для транспортировки

по сети ATM. В принимающем

оконечном устройстве ATM соответствующий уровень AAL по-

лучает ячейки из сети, воссоздает исходный битовый поток и пе-

редает его принимающему пользовательскому ПО.

Для обеспечения совместимости традиционных протоколов и

оборудования локальных сетей с технологией ATM была разра-

ботана спецификация, называемая LANE (LAN Emulation – эму-

ляция локальных сетей). Эта спецификация обеспечивает совме-

стную работу сетей

Ethernet и ATM на канальном уровне. При

этом коммутаторы ATM работают в качестве высокоскоростных

коммутаторов магистрали локальной сети, обеспечивая не только

скорость, но и гибкость соединений коммутаторов ATM между

собой, поддерживающих не только древовидные структуры, но и

произвольную топологию связей. В спецификации LANE опреде-

лен способ преобразования кадров и MAC-адресов технологии

Ethernet в ячейки и виртуальные

каналы технологии ATM, а так-