Источник:www.rk6.bmstu.ru/electronic_book/net/net02/ATM.ht

Перспективными технологиями передачи информации в вычислительных сетях являются технологии, обеспечивающие высокие скорости передачи разнородной информации (данных, речевых и видеосигналов) на значительные расстояния. Действительно, передача голосовой и видеоинформации обычно требуется в режиме реального времени, и, следовательно, задержки должны быть только малыми (так, для голосовой связи - около 6 с).

К числу таких технологий, прежде всего, относится технология АТМ (Asynchronous Transfer Mode).

Технология АТМ кратко формулируется, как быстрая коммутация коротких пакетов фиксированной длины (53 байт), называемых ячейками. По этой причине и саму технологию АТМ иногда называют коммутацией ячеек.

Сети АТМ 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 АТМ 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 АТМ оказывается перегруженной, то во избежание потери информации и в отличие от коммутации каналов возможна буферизация данных для выравнивания загрузки каналов. Регулирование загрузки (управление потоком) осуществляется периодическим включением (обычно через 32 кадра) 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) по 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. Такая передача называется 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 АТМ).

В АТМ введены три уровня (см. рис. 5.6). Адаптационный уровень (AAL) аналогичен транспортному уровню в ЭМВОС, на нем происходит разделение сообщения на пакеты длиной до 64 кбайт, которые, в свою очередь, делятся 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 АТМ, к каждой ячейке добавляется пятибайтовый заголовок с маршрутной информацией. Этот уровень служит также для установления соединений.

Третий уровень - физический (Р - рhysical) - служит для преобразования данных в электрические или оптические сигналы. Средой для АТМ обычно служит каналы технологий PDH и SDH.

В структуре пятибайтового заголовка АТМ-ячейки имеются поля VPI (Virtual Path Identifier), VCI (Virtual Channel Identifier), управления и контрольного кода заголовка.

Поля VPI и VCI используются для указания маршрута движения ячеек. Очевидно, что в пределах всей сети при передаче ячеек использовать уникальные номера узлов нельзя, так как для этого потребовалась бы значительно большая длина заголовка, чем 5 байт. Поэтому идентификация маршрута выполняется с помощью сочетаний VPI/VCI. При этом выходные порты каждого маршрутизатора имеют различающиеся друг от друга идентификаторы VPI, которые могут совпадать с выходными идентификаторами других маршрутизаторов, и могут быть представлены малым числом двоичных разрядов. Входные порты марщрутизатора VCI имеют ту же особенность. При установлении соединения назначаются VPI/VCI и в каждом маршрутизаторе для каждого соединения сочетание этих идентификаторов будет уникальное. В то же время при установлении соединения с помощью таблиц маршрутизации по специальному протоколу PNNI размеры запросов и ответов не ограничены столь существенно, здесь используются иерархические 20-байтные адреса.

Поле "управление" предназначено для индикации перегрузок, отказов узлов, важности ячеек (маловажные могут отбрасываться при перегрузках). Сигналы управления обычно передаются в обратном направлении по тому же пути с определенными интервалами.

В АТМ при применении технологии SONET (разновидность SDH) предусматриваются следующие варианты каналов ОС-1, ОС-3, ОС-12 и ОС-48 на ВОЛС со скоростями соответственно 52, 155, 622 и 2400 Мбит/с. 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 АТМ.

Поэтому в настоящее время находят применение также промежуточные технологии. Таковой, прежде всего, является упомянутая выше технология ретрансляции кадров (FR), в которой применена коммутация пакетов длиной в 4 Кбита с установлением соединения. Другой промежуточной технологией является SMDS (Switched Multimegabit Data Service). В SMDS используется коммутация пакетов фиксированной длины (53 байт) без установления соединения, скорость составляет 45...155 Мбит/с.

Проблемы совмещения технологий АТМ и существующих сетей решаются организацией ATM Forum и рядом промышленных фирм. Разрабатываются коммутаторы, обеспечивающие совместную работу АТМ 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 MPOA (Multi-Protocol-Over-ATM), а также реализующие их средства для передачи IP-дейтаграм и пакетов, сформированных по другим протоколам, через АТМ сети.

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

В этом алгоритме исходная совокупность А из m ячеек трансформируется во множество В из N ячеек с помощью матрицы W размера Nґ m

B = W ґ A,

передается только подмножество B_y, включающее m первых ячеек из В, а на приемном конце исходная совокупность восстанавливается

A = (W_y)^-1ґ B_y,

где W_y является квадратной mґ m подматрицей преобразующей матрицы W, B_y = W_yґ A, N>m. Матрица W формируется таким образом, чтобы любая ее подматрица W_y из m строк была бы невырожденной, а N выбирается так, чтобы число Nґ m с запасом превышало бы число потенциально теряемых ячеек в любой группе из передаваемых m ячеек. Тогда сначала передается множество B_y и, если от приемника получена отрицательная квитанция с указанием, что принято только k ячеек, то передатчик вместо повторной передачи всех m ячеек передает лишь m-k дополнительных ячеек из множества В.

В качестве примеров коммутационного оборудования для совместной работы АТМ и существующих локальных сетей можно назвать коммутатор ES-3810 и концентратор PowerHub фирмы Fore Systems. В ES-3810 предусмотрены 72 порта для подключения сетей Ethernet и Fast Ethernet и один или два порта для АТМ магистрали 155 Мбит/с. PowerHub 7000 имеет следующие характеристики: до 240 портов Ethernet, до 54 портов Fast Ethernet, до 16 колец FDDI, скорость передачи данных по внутренней шине 3,2 Гбит/с.