Александр Гусак ТЕРРИТОРИАЛЬНО-РАСПРЕДЕЛЕННЫЕ СЕТИ:

ТЕРРИТОРИАЛЬНО-РАСПРЕДЕЛЕННЫЕ СЕТИ:

ВЫБОР ТЕХНОЛОГИИ

Автор статьи: Александр Гусак E-mail: A_Gusak@it.spb.ru

Данная статья посвящена проблеме построения территориально-распределенных высокоскоростных сетей в России. Мы кратко рассмотрим сравнительные характеристики двух технологий интегрированной передачи информации различного типа АТМ и SDH, применительно к корпоративным сетям.

Степень использования информационных технологий, свобода и оперативность доступа к информационным ресурсам, доступность и качество средств связи становятся в последние годы основным критерием оценки технического прогресса общества. Расширение деловой активности требует создания развитой региональной телекоммуникационной инфраструктуры, обеспечивающей оперативный обмен информацией.

Основой такой инфраструктуры являются магистральные сети передачи информации. Для создания оптимальной территориально-распределенной телекоммуникационной системы на техническом уровне необходимо найти такое решение, которое:

обеспечивало бы высокие скорости передачи информации и малое время задержки сигнала;
позволяло бы расширить виды услуг, в которых заинтересованы пользователи. Прежде всего, это передача голоса, данных, конференцсвязь, видеопочта, видеоинформация, видеотелефония, видеоконференцсвязь и др. Многие из этих новых приложений чувствительны к малейшему нарушению времени доставки сигнала (иначе звук и изображение будут дергаться и искажаться). Следовательно, выбранная технология должна иметь возможность предоставления канала связи с некими гарантированными значениями параметров, то есть управления качеством обслуживания (Quality of Service, QoS);
интегрировало бы другие, ныне существующие некомпьютерные технологии передачи информации, такие, как телетайп, телекс, факс;
позволяло бы провести интеграцию с существующими сетями, другими технологиями и обеспечить совместимость продукции различных фирм-производителей;
имело бы достаточный запас по основным техническим параметрам для развития информационной системы, по меньшей мере, на ближайшие пять - десять лет.

Традиционные технологии построения ЛВС (Ethernet, Token Ring, FDDI и др.) имеют верхний предел пропускной способности 100 Мб/с, являющийся компромиссом между требованиями к скорости и экономичности, и не обладают средствами управления трафиком. Технологии, используемые для построения высокоскоростных глобальных сетей (X.25, ISDN, Frame Relay) также оказались непригодными для комплексного решения таких задач.

Важной проблемой для магистральных сетей является организация транспортной системы. Транспортная система должна предоставлять возможность передачи информации в широком диапазоне скоростей для использования различных физических каналов связи. Другое требование состоит в эффективном использовании доступной полосы пропускания. Например, передача голоса или видео может потребовать выделения некоторой постоянной части канала. В то же время трафик, создаваемый традиционными приложениями (например, клиент-сервер), может меняться в широких пределах, что иногда оставляет часть полосы пропускания неиспользованной, а в другое время может создать пиковую нагрузку, превышающую возможности канала связи. Наконец, региональная транспортная система должна обеспечить простое подключение локальных сетей пользователей, применяющих традиционные технологии, такие, как FastEthernet, FDDI и др.

Наиболее широкую популярность в качестве магистральных транспортных сетей приобрела сеть SDH (Synchronous Digital Hierarchy, синхронная цифровая иерархия). Технология SDH зародилась в 70-е годы с целью передачи аудиоинформации на большие расстояния. Ее развитие стимулировалось распространением АТС, способных поддерживать связь по каналам Е1, со скоростью передачи 2 Мб/с. В настоящее время она является международным стандартом, принятым комитетом ITU-T.

Технология SDH предоставляет магистраль для связи между двумя абонентами по волоконно-оптическому кабелю и может оперировать скоростями потоков Е1 (2 Мб/с) или n*Е1. Принципы технологии SDH основаны на мультиплексировании с временным разделением каналов (передача кадров осуществляется каждые 125 мкс).

Как и любая другая технология, SDH имеет свои достоинства и недостатки. Ее бесспорные достоинства - надежность и самовосстанавливаемость сети, централизованное управление сетью, прозрачность для передачи разнородного трафика, простота наращиваемости мощности. Однако теперь, двадцатилетие спустя после создания технологии, можно указать на ряд недостатков, которые в будущем могут оказаться критичными для пользователей.

Реализация службы SDH для функциональных соединений предполагает использование принципа типа точка-точка с резервированием в магистральном канале полосы пропускания с постоянной скоростью Е1 или n*Е1 (чаще всего применяется полоса 2 Мб/с, 34 Мб/с, 155 Мб/с или 622 Мб/с).

Эта полоса жестко фиксирована для передачи данных между двумя точками и не может быть отдана другим пользователям вне зависимости от того, используется ли она в данный момент времени или нет. Таким образом, в технологии SDH отсутствует возможность выделить пользователю ту часть канала связи, которая ему необходима в данный момент времени. Зачастую складывается ситуация, когда трафик пользователя много ниже ширины предоставленной ему полосы пропускания канала, например, передача сигнала цветного телевидения требует скорости передачи от 4 до 10 Мб/с (при использовании сжатия), т.е. канала Е1 оказывается явно недостаточно, в то время как канал Е3 (34 Мб/с) оказывается задействованным приблизительно на одну пятую часть пропускной способности. Из всего вышесказанного можно сделать вывод о низкой эффективности применения магистральных каналов при использовании технологии SDH.

Для объединения ЛВС сеть SDH предоставляет выделенные высокоскоростные каналы. Структура региональной сети в большинстве случаев имеет пирамидальную иерархическую структуру, когда нижние уровни связаны напрямую с центром. В этом случае весь трафик передается через центральный маршрутизатор, который должен быть очень мощным и, соответственно, дорогим. В настоящее время существуют маршрутизаторы, способные маршрутизировать до 250 первичных цифровых каналов по 2 Мб/с. Для корпоративных сетей, достигающих масштаба глобальных, время выполнения запроса периферийного пользователя может оказаться достаточно большим. При высокой интенсивности поступления запросов становится затруднительна работа приложений, требующих работы в режиме реального времени, таких, как видеоконференции, телевидение, конференцсвязь.

В результате развития технологий и для устранения недостатков технологии SDH на рубеже 80-90-х годов была разработана технология АТМ (Asynchronous Transfer Mode, асинхронный метод передачи). Основанная на технологиях коммутации и мультиплексирования, она позволяет создать высокоскоростную транспортную систему, обеспечивающую интеграцию и доставку данных, голоса и видео по единому скоростному каналу, поддержку различных уровней качества, (рис 3) и, что не менее важно, имеет функциональные возможности, позволяющие применять ATM как в локальных, так и территориально распределенных сетях. Такая унифицированная архитектура упрощает процесс разработки, создания сетей и управления ими.

В сети ATM информация передается путем использования небольших ячеек фиксированного размера 53 Байт, включая заголовок в 5 Байт. Разбиение информации на такие небольшие ячейки помогает упростить и удешевить используемое оборудование, повысить плотность портов и скорость обработки за счет реализации большинства функций на аппаратном, а не программном уровне.

Асинхронная природа ATM определяется возможностью передавать ячейки в любой момент времени, а не в определенные интервалы, как в случае SDH.

Для возможности обмена данными устройства должны установить между собой соединение, на все время существования которого данные передаются по одному и тому же пути. Это соединение может существовать постоянно или динамически устанавливаться при необходимости. Передача ячеек, относящихся к нескольким соединениям, по одному физическому каналу связи обеспечивается при помощи мультиплексирования. С этой целью поле в заголовке каждой ячейки определяет, к какому виртуальному (логическому) соединению она относится. Это также позволяет обеспечивать обмен по типу точка-многоточка.

Введение различных типов сервиса позволяет соединить в сетях АТМ трафики различной природы, выделяя для каждого из них ресурсы, гарантирующие заданные минимальную пропускную способность, максимальные задержку и процент потерь пакетов данных. Уровень сервиса определяется управлением качества обслуживания QoS (см. врезку). В настоящее время определены основные спецификации скорости обмена в диапазоне от 2 Мб/с до 2.4 Гб/с.

CBR (Constant Bit Rate, постоянная скорость передачи) при установлении соединения выделяются ресурсы и полоса пропускания канала, требуемые для поддержания постоянной скорости обмена между устройствами на все время установления соединения. Данный тип используется для эмуляции выделенных скоростных линий типа E1, а также для приложений реального масштаба времени, требующих минимальной задержки данных и равномерности потока обмена; VBR (Variable Bit Rate, переменная скорость передачи) используется для передачи информации в режиме, допускающем согласованные изменения скорости обмена во время существования соединения. Имеется две подкатегории, VBR-rt и VBR-nrt, первая из которых обеспечивает контроль над временем доставки данных (real-time) и может применяться, например, при организации видеоконференций. Вторая допускает изменения и в этой характеристике и используется в приложениях типа обработки транзакций баз данных; UBR (Unspecified Bit Rate, неопределенная скорость передачи) не использует никаких механизмов управления QoS. Соответственно, приложения могут в максимальной степени использовать полосу пропускания физического канала, однако, возможна потеря ячеек данных, если передаваемый поток превышает возможности канала связи. Решение возникающих в этом случае проблем поручается протоколам более высокого уровня (например, TCP). UBR хорошо подходит для реализации взаимодействия с традиционными технологиями LAN вследствие своей простоты и сходности характеристик. ABR (Available Bit Rate, доступная скорость передачи) имеет характеристики, сходные с UBR, но имеет дополнительный механизм управления, позволяющий транспортной сети информировать источник данных о наличии доступных ресурсов, что дает возможность последнему корректировать скорость работы, избегая возможных проблем. В первой версии источник данных поэтапно снижает скорость, пока не получит подтверждение готовности сети. Этот процесс может занять несколько этапов, и, кроме того, выбранная скорость может оказаться несколько ниже реально предельно возможной. Дальнейшее развитие протокола ABR/ER (Explicit Rate, явная скорость) позволяет в явном виде сообщить источнику предельно допустимую в данный момент скорость обмена.

Технология АТМ успешно справляется с проблемой динамического перераспределения полосы пропускания канала.

Как было сказано выше, в технологии АТМ существует две возможности взаимодействия пользователей - установление постоянных виртуальных соединений или соединений по требованию. Передача голосового трафика осуществляется при помощи интерфейса Е1 и категории сервиса СВR. Так же, как и в технологии SDH, сервис CBR требует резервирования полосы пропускания определенной ширины. Однако в июле 1997 года для сетей АТМ был утвержден стандарт, позволяющий выделять полосу пропускания по требованию для передачи голосового трафика, одновременно обеспечивая необходимое качество сервиса, используя уже не службу CBR, а службу VBR-real time.

Поддержка и объединение существующих ЛВС одно из основных требований, предъявляемых к технологии АТМ. В 1996 была разработана спецификация LANE (LAN Emulation, эмуляция ЛВС). Основная цель этого стандарта обеспечение передачи данных без установления соединения, как это происходит при обмене данными в локальных сетях. Эмуляция ЛВС также позволяет существующим типам локальных сетей безо всякой модификации их структуры и приложений обеспечивать обмен информацией.

Сервисы VBR и UBR допускают задержки трафика и не требуют резервирования полосы пропускания один и тот же канал может использоваться многими пользователями. Таким образом, технология АТМ позволяет экономно использовать полосу пропускания магистрального канала.

Создание единой транспортной системы с едиными протоколами, принципами построения, универсальной, основанной на стандартах системе управления для локальных и глобальных сетей, существенно облегчит жизнь администраторам сети и пользователям.

Технология АТМ по сравнению с технологией SDH стала популярной совсем недавно. Появившись на 15 лет позже системы SDH, АТМ-сеть имеет возможность учесть недостатки SDH-сети и предоставить больше удобств и возможностей для пользователей. Основная сертификация АТМ технологии уже проведена. В стандартизации АТМ основную роль играют две международные организации: образованный в 1991 году АТМ-форум организация, объединяющая различные фирмы-производители и крупных пользователей сети, и комитет ITU-T, следящий за стандартизацией сетей АТМ общего пользования. Такими компаниями, как Fore Systems, Newbridge, Madge Networks, Cisco Systems и другими разработаны различные типы оборудования: адаптеры, коммутаторы, маршрутизаторы и концентраторы.

Подводя итоги, можно сделать вывод, что АТМ имеет неоспоримые преимущества перед SDH: предоставление разнообразного сервиса; универсальность подключения пользователя для передачи любого типа информации; гибкое регулирование пропускной способности каналов; высокая скорость передачи информации и эффективное использование магистральных каналов.

Внедрение технологии АТМ позволит России выйти на современных уровень развития информационных систем, качественно обеспечив потребности широкого спектра пользователей корпоративных сетей.

Таблица. Сравнительная характеристика функциональных возможностей технологий ATM и SDH.

Характеристики сетей	АТМ	SDH
Скорость передачи информации	2Мб/с 2,5Гб/с	2Мб/с 10Гб/с
Способ установления соединения	Коммутируемые виртуальные каналы, постоянные виртуальны каналы	Постоянные соединения
Ширина полосы пропускания	По требованию	2Мб/с, 34Мб/с, 155Мб/с, 622Мб/с
Динамическое перераспределение полосы пропускания	Да	Нет
Набор услуг, предоставляемых пользователю	Широкий набор служб для передачи различного рода трафика	Выделенные каналы с постоянной пропускной способностью, гарантированным временем задержки
Управление сетью	С использованием стандартных SNMP протоколов. Функции установления соединений, выбора маршрутов, передачи трафика лежат на АТМ-коммутаторах. Работоспособность сети не зависит от работоспособности станции управления сетью.	С использованием внутренних протоколов производителя оборудования, функции выбора маршрутов передачи трафика, определение альтернативного маршрута при нарушениях в каналах связи, установление соединений лежат на станции управления сетью. Высокие требования к надежности станции управления сетью и каналам управления