Технология ATM (реферат)
.pdfНаучно Исследовательский Университет Московский Энергетический Институт Кафедра Прикладной Математики
Реферат по дисциплине
«Вычислительные машины системы и сети» на тему
«Технология ATM»
Выполнил студент группы А-13-08
Алексан П.А.
Москва,2012
Оглавление.
1.Основные определения
2.История
3.Основные концепции
4.Архитектура ATM
5.Организации по стандартизации ATM
1.Основные определения
ATM (англ. Asynchronous Transfer Mode — асинхронный способ передачи данных) —
сетевая высокопроизводительная технология коммутации и мультиплексирования,
основанная на передаче данных в виде ячеек (cell) фиксированного размера
(53 байта), из которых 5 байтов используется под заголовок. В отличие от синхронного способа передачи данных (STM — англ. Synchronous Transfer Mode),
ATM лучше приспособлен для предоставления услуг передачи данных с сильно различающимся или изменяющимся битрейтом.
Дать лаконичное и точное описание общей картины ATM - задача не из легких. Сама эта тема достаточно объемна и сложна, а кроме того, технология ATM находится в постоянном развитии: мир ATM состоит из изменяющихся стандартов и продуктов,
которые не всегда соответствуют этим стандартам. И хотя быстрая разработка стандартов еще больше усложняет общую картину ATM, благодаря им ATM может быстрее стать пригодной для использования, а значит, и общедоступной технологией.
Поэтому понимание сегодняшнего состояния технологии ATM дает ключ к пониманию будущих направлений развития сетевых технологий.
ATM - очень гибкая технология; она позволяет передавать по сети различные типы трафика - голос, видео и данные, - обеспечивая при этом достаточную пропускную способность для каждого из них и гарантируя своевременную доставку восприимчивой к задержкам информации. Технология ATM может использоваться как для построения высокоскоростных локальных сетей, так и магистралей,
объединяющих традиционные локальные сети. Кроме того, организации по стандартизации ATM уже разработали много стандартов на совместимость ATM,
дающих возможность производителям создавать коммутаторы, которые могут взаимодействовать с коммутаторами других производителей, а также с традиционным оборудованием локальной сети.
2.История
Создание
Основы технологии ATM были разработаны независимо во Франции и США в 1970-х
двумя учеными: Jean-Pierre Coudreuse, который работал в исследовательской лаборатории France Telecom, и Sandy Fraser, инженер Bell Labs. Они оба хотели создать такую архитектуру, которая бы осуществляла транспортировку как данных,
так и голоса на высоких скоростях, и использовала сетевые ресурсы наиболее эффективно.
Компьютерные технологии создали возможность для более быстрой обработки информации и более скоростной передачи данных между системами. В 80-х годах ХХ века операторы телефонной связи обнаружили, что неголосовой трафик более важен и начинает доминировать над голосовым. Был предложен проект ISDN, который описывал цифровую сеть с коммутацией пакетов, предоставляющую услуги телефонной связи и передачи данных. Цифровые системы передачи, сначала плезиохронные системы на основе ИКМ, а затем синхронные системы передачи иерархии SDH на основе оптоволокна позволяли обеспечить передачу данных на высокой скорости с малыми вероятностями двоичных ошибок. Но существующая технология коммутации пакетов (прежде всего, по протоколу X.25) не могла обеспечить передачу трафика в реальном масштабе времени (например, голоса), и
многие сомневались, что когда-либо обеспечит. Для передачи трафика в реальном масштабе времени в общественных телефонных сетях применяли технологию коммутации каналов (КК). Эта технология идеальна для передачи голоса, но для передачи данных она неэффективна. Поэтому телекоммуникационная индустрия обратилась к ITU для разработки нового стандарта для передачи данных и голосового трафика в сетях с широкой полосой пропускания. В конце 80-х Международным телефонным и телеграфным консультативным комитетом CCITT (который затем был переименован в ITU-T) был разработан набор рекомендаций по ISDN второго поколения, так называемого B-ISDN (широкополосный ISDN), расширения ISDN. В
качестве режима передачи нижнего уровня для B-ISDN был выбран ATM. В 1988 г. на собрании ITU в Женеве была выбрана длина ячейки ATM — 53 байт. Это был компромисс между специалистами США, которые предлагали длину ячейки
64 байта и специалистами Европы, предлагавшими длину ячейки 32 байта. Ни одна сторона не смогла убедительно доказать преимущество своего варианта, поэтому в итоге объём «полезной» нагрузки составил 48 байт, а для поля заголовка (служебных данных) был выбран размер 5 байт, минимальный размер, на который
согласилась ITU. В 1990 г. был одобрен базовый набор рекомендаций ATM. Базовые принципы ATM положены рекомендацией I.150. Это решение было очень похоже на
системы разработанные Coudreuse и Fraser. Отсюда начинается дальнейшее развитие
ATM.
Советские и российские разработки
В 1980-х — 1990-х годах исследованием и разработкой средств быстрой коммутации пакетов (БКП) для совместной передачи речи и данных занимались несколько организаций.
ЛНПО «Красная Заря»
Тему БКП и, как её разновидность, АТМ, прорабатывало предприятие АООТ НПП
«Радуга», бывшее ранее одним из подразделенийЛНПО «Красная Заря», конкретно -
отдел под руководством Г. П. Захарова. Так, помимо чисто теоретических достижений — разработки математических моделей, подготовки многочисленных отчётов по НИР, написания статей, книг, защиты студенческих дипломов,
кандидатских и докторских диссертаций по теме, был осуществлён практический прорыв:
сначала, совместными усилиями специалистов ЛНПО «Красная Заря» и
предприятия «Дальняя связь» под техническим руководством специалиста ЛНПО «Красная Заря» (НИИЭТУ) Разживина Игоря
Александровича, в 1992 году был успешно создан работающий макет системы коммутации и приёма ячеек АТМ;
совместно со специалистом организации «Вектор» Ю. А. Яцуновым в 1993
году разработана принципиальная схема коммутационного элемента (КЭ) для построения двоичного самомаршрутизирующего коммутационного поля (КП).
В основу были положены некоторые идеи построения КЭ и КП,
опубликованные специалистом из Великобритании Питером Ньюмэном. В
самом общем плане такой КЭ описывается схемой «селектор-арбитр». Схема КЭ Яцунова-Разживина предназначалась для микросхем малой степени интеграции популярных и доступных серий, выпускавшихся тогда российской промышленностью, однако «в железе» воплощена не была сознательно,
поскольку являлась только промежуточным этапом;
затем, на основе принципиальной схемы Яцунова-Разживина был успешно реализован, также под техническим руководством Разживина И. А., КЭ в виде
одной специализированной СБИС, которая была разработана специалистом московского ФГУП «НИИМА Прогресс» В. И. Лопашовым, при содействии его коллеги Халтурина В. А., и изготовлена в Москве в январе 1994 года.
Это позволяло создать коммутационное поле быстрого коммутатора пакетов, или коммутатора ячеек ATM, на одной печатной плате. Однако дальше выпуска опытной партии СБИС в количестве 10 штук эти работы не пошли по не зависящим от технических специалистов причина
Опытная партия СБИС КЭ «НИИМА Прогресс»
Известны работы группы специалистов под руководством к. т. н. Георгия Ревмировича Овчинникова, предложивших свой вариант реализации аппаратных средств системы быстрой коммутации пакетов на основе самомаршрутизирующих матриц и свою математическую модель. Однако о практической реализации их предложений сведений не имеется.
Московский институт электронной техники
Было доложено описание цифрового коммутатора 16х16 на арсениде галлия,
разработанного независимо от ЛНПО «Красная Заря»Московским институтом электронной техники.
1990-е годы: приход ATM на рынок
В начале 1990-х гг. технологии ATM в мире начинают уделять повышенное внимание.
Корпорация Sun Microsystems еще в 1990 г., одна из первых, объявляет о поддержке
ATM. В 1991 году, с учётом, что CCITT уже не успевает своевременно предлагать рекомендации по быстроразвивающейся новой технике, создаётся ATM Forum,
консорциум фирм-разработчиков и производителей техники АТМ, для координации и разработки новых практических стандартов и технических спецификаций по технологии ATM, и сайт с одноименным названием, где все спецификации выкладывались в открытый доступ. CCITT, уже будучи ITU-T, выдаёт новые редакции своих рекомендаций, совершенствуя теоретическую базу ATM. Представители
сферы IT в журналах и газетах пророчат ATM большие перспективы. В 1995 г.
компания IBM объявила о своей новой стратегии в области корпоративных сетей,
основанной на технологии ATM. Считалось, что ATM будет существенным
подспорьем для Интернета, уничтожив нехватку ширины полосы пропускания и внеся в сети надежность. Dan Minoli, автор многих книг по компьютерным сетям,
утверждал, что ATM будет внедрен в публичных сетях, и корпоративные сети будут соединены с ними таким же образом, каким в то время они использовалиframe
relay или X.25. Но к тому времени протокол IP уже получил широкое распространение и сложно было совершить резкий переход на ATM. Поэтому в существующих IP-сетях технологию ATM предполагалось внедрять как нижележащий протокол, то есть под IP,
а не вместо IP. Для постепенного перехода традиционных сетей Ethernet и TokenRing на оборудование ATM был разработан протокол LANE, эмулирующий пакеты данных сетей.
В 1997 г. в индустрии маршрутизаторов и коммутаторов примерно одинаковое количество компаний выстроились в ряды сторонников и противников ATM, то есть использовали или не использовали технологию ATM в производимых устройствах.
Будущее этого рынка было еще неопределенно. В 1997 г. доход от продажи оборудования и услуг ATM составил 2,4 млрд долларов США, в следующем году —
3,5 млрд, и ожидалось, что он достигнет 9,5 млрд долларов в 2001 году. Многие компании (напримерIpsilon Networks) для достижения успеха использовали ATM не полностью, а в урезанном варианте. Многие сложные спецификации и протоколы верхнего уровня ATM, включая разные типы качества обслуживания, выкидывались.
Оставлялся только базовый функционал по переключению байтов с одних линий на другие.
Первый удар по ATM
И тем не менее, было также много специалистов IT, скептически относящихся к жизнеспособности технологии ATM. Как правило, защитниками ATM были представители телекоммуникационных, телефонных компаний, а противниками — представители компаний, занимавшихся компьютерными сетями и сетевым оборудованием. Steve Steinberg (в журнале Wired) посвятил целую статью скрытой войне между ними. Первым ударом по ATM были результаты исследований Bellcore о
характере трафика LAN, опубликованных в 1994 г.. Эта публикация показала,
что трафик в локальных сетях не подчиняется ни одной существующей
модели. Трафик LAN на временной диаграмме ведет себя как фрактал. На любом временном диапазоне от нескольких миллисекунд до нескольких часов он имеет
самоподобный взрывной характер. ATM в своей работе все внеурочные пакеты должен хранить в буфере. В случае резкого увеличения трафика, коммутатор ATM
просто вынужден отбрасывать невмещающиеся пакеты, а это означает
ухудшение качества обслуживания. По этой причине PacBell потерпела неудачу при первой попытке использовать оборудование ATM.
Появление главного конкурента ATM — Gigabit Ethernet
В конце 90-х появляется технология Gigabit Ethernet, которая начинает конкурировать
сATM. Главными достоинствами первой является значительно более низкая стоимость, простота, легкость в настройке и эксплуатации. Также, переход
сEthernet или Fast Ethernet на Gigabit Ethernet можно было осуществить значительно легче и дешевле. Проблему качества обслуживания Gigabit Ethernet мог решить за счет покупки более дешевой полосы пропускания с запасом, нежели за счет умного оборудования. К окончанию 90-х гг. стало ясно, что ATM будет продолжать доминировать только в глобальных сетях. Продажи свитчей ATM
дляWAN продолжали расти, в то время как продажи свитчей ATM
для LAN стремительно падали.
2000-е годы: поражение ATM
В 2000-е гг. рынок оборудования ATM еще был значительным. ATM широко использовался в глобальных компьютерных сетях, в оборудовании для передачи аудио/видео потоков, как промежуточный слой между физическим и вышележащим уровнем в устройствах ADSL для каналов не более 2 Мбит/с. Но в конце десятилетия
ATM начинает вытесняться новой технологией IP-VPN. Свитчи ATM стали вытесняться маршрутизаторами IP/MPLS. В 2006 Broadband Forum выпустил спецификацию TR-101 под названием «Migration to Ethernet-Based DSL Aggregation»,
которая указывала как построенные на ATM агрегирующие сети могут мигрировать на построенные на Ethernet агрегирующие сети (в контексте предыдущих архитектур TR-
25 и TR-59). В качестве обоснования такого перехода в спецификации сказано, что существующие DSL-архитектуры эволюционируют от сетей «низкая скорость,
максимальные усилия» к инфраструктурам, способным поддерживать более высокую скорость передачи и сервисы требующие QoS, мультикаст, а также выполнять требования, которые недопустимо выполнять в системах, построенных на ATM. По
прогнозу компании Uvum от 2009 г., к 2014 г. ATM и Frame relay должны почти полностью исчезнуть, в то время как рынки Ethernetи IP-VPN будут продолжать расти с хорошим темпом. По докладу Broadband Forum за октябрь 2010 г, переход на глобальном рынке от сетей с коммутацией каналов (TDM, ATM и др.) к IP-сетям уже начался в стационарных сетях и уже затрагивает и мобильные сети. В докладе сказано, что Ethernet позволяет мобильным операторам удовлетворить растущие потребности в мобильном трафике более экономически эффективно, чем системы,
основанные на TDM или ATM.
Еще в апреле 2005 г. произошло слияние «ATM Forum» с «Frame Relay
Forum» и «MPLS Forum» в общий «MFA Forum» («MPLS-Frame Relay-ATM»). В
2007 г. последний был переименован в «IP/MPLS Forum». В апреле 2009 г. «IP/MPLS Forum» вошёл в состав существующего с 1994 г. консорциума «Broadband
Forum» (BBF). Спецификации ATM доступны в их исходном виде на сайте консорциума broadbandforum.org, но их дальнейшая разработка полностью остановлена.
3.ОСНОВНЫЕ КОНЦЕПЦИИ ATM
Базовые принципы, лежащие в основе технологии ATM, могут быть выражены в трех утверждениях:
сети ATM - это сети с трансляцией ячеек (cell-relay);
сети ATM - это сети с установлением соединения (connection-oriented);
сети ATM - это коммутируемые сети.
Сети с трансляцией ячеек
Идея сети с трансляцией ячеек проста: данные передаются по сети небольшими пакетами фиксированного размера, называемыми ячейками (cells). В сети Ethernet
передача данных осуществляется большими пакетами переменной длины, которые называют кадрами (frames). Ячейки имеют два важных преимущества перед кадрами.
Во-первых, поскольку кадры имеют переменную длину, каждый поступающий кадр должен буферизоваться (т.е. сохраняться в памяти), что гарантирует его целостность до начала передачи. Поскольку ячейки всегда имеют одну и ту же длину, они требуют
меньшей буферизации. Во-вторых, все ячейки имеют одинаковую длину, поэтому они предсказуемы: их заголовки всегда находятся на одном и том же месте. В результате коммутатор автоматически обнаруживает заголовки ячеек и их обработка происходит быстрее.
В сети с трансляцией ячеек размер каждой из них должен быть достаточно мал, чтобы сократить время ожидания, но достаточно велик, чтобы минимизировать издержки.
Время ожидания (latency) - это интервал между тем моментом, когда устройство запросило доступ к среде передачи (кабелю), и тем, когда оно получило этот доступ.
Сеть, по которой передается восприимчивый к задержкам трафик (например, звук или видео), должна обеспечивать минимальное время ожидания.
Любое устройство, подключенное к сети ATM (рабочая станция, сервер,
маршрутизатор или мост), имеет прямой монопольный доступ к коммутатору.
Поскольку каждое из них имеет доступ к собственному порту коммутатора,
устройства могут посылать коммутатору ячейки одновременно. Время ожидания становится проблемой в том случае, когда несколько потоков трафика достигают коммутатора в один и тот же момент. Чтобы уменьшить время ожидания в коммутаторе, размер ячейки должен быть достаточно маленьким; тогда время, которое занимает передача ячейки, будет незначительно влиять на ячейки, ожидающие передачи.
Уменьшение размера ячейки сокращает время ожидания, но, с другой стороны, чем меньше ячейка, тем большая ее часть приходится на "издержки" (то есть на служебную информацию, содержащуюся в заголовке ячейки), а соответственно, тем меньшая часть отводится реальным передаваемым данным. Если размер ячейки слишком мал, часть полосы пропускания занимается впустую и передача ячеек происходит длительное время, даже если время ожидания мало.
Когда Американский национальный институт стандартов (American National Standards
Institute - ANSI) и организация, которая сейчас называется Международным телекоммуникационным союзом (International Telecommunications Union - ITU),
разрабатывали ATM, им было достаточно трудно найти компромисс между временем ожидания и издержками передачи. Эти организации должны были учесть интересы