Задания / Надежность и диагностика ТКС / NDTKC-12 / TIM06 / TehnATM
.doc6.2. Технологии асинхронных режимов переноса
Технология ATM. или режим асинхронной передачи (РАП и АРП). - одна из перспективных технологий при создании сетей связи. Основное назначение сетей ATM — это обеспечение высокоскоростной передачи сигналов различного класса: компьютерных данных, аудио, видео и телевизионных. В технологии ATM реализован принцип передачи всех видов информации пакетами, фиксированной и очень маленькой длины (рис. 6.10). Длина пакета, называемого ячейкой (Cell) составляет 53 байта (5+48), из которых 5 байтов используется под заголовок, а 48 байтов под рабочую нагрузку.
Технология АТМ разрабатывалась сначала как часть технологии B-ISDN – широкополосной цифровой сети с интеграцией служб/обслуживания (Ш ЦСИС/ЦСИО). Модель АТМ является составной частью модели B-ISDN. Ввиду задержки с внедрением технологии B-ISDN в целом АТМ стало развиваться самостоятельно, АТМ не имеет недостатков сетей РЦИ и СЦИ. А основным преимуществом технологии АТМ является возможность транспортировать информационные потоки независимо от скорости передачи.
Скорости передачи, реализуемые системами АТМ, перекрывают в настоящее время диапазон от 64 Кбит/с до 40 Гбит/с и соответствуют ряду: 64, n*64, 1,5/2, 6/8, 13, 26, 32, 34/45, 52, 98, 100, 140,155, 622 Мбит/с, 2, 5, 10 и 40 Гбит/с или в стандартном обозначении DSO, n* DSO, Т1/Е1, Т2/Е2, FLRIBM, LRIBM, DSJ3, Т3/Е3, OC-1, DSJ4, FDD1, E4, STM-1, STM-4, STM-16, STM-64 и STM-256. Структурная схема сети АТМ приведена на рис. 6.11. В сетях ATM соединение конечного узла с сетью осуществляется индивидуальной линией связи, а коммутаторы соединяются между собой каналами с уплотнением, которые передают пакеты всех узлов, подключенных к соответствующим коммутаторам (рис. 6.11).
Сеть ATM имеет структуру, похожую на структуру телефонной сети – оконечные станции соединяются с коммутаторами нижнего уровня, которые в свою очередь соединяются с коммутаторами более высоких уровней. Коммутаторы ATM пользуются адресами конечных узлов для маршрутизации трафика в сети коммутаторов. Коммутация пакетов происходит на основе идентификатора виртуального канала (Virtual Channel Identifier, VCI), который назначается соединением при его установлении и уничтожается при разрыве соединения. Виртуальные соединения устанавливаются на основании длинных 20-байтных адресов конечных станций. Такая длина адреса рассчитана на очень большие сети, вплоть до всемирных. Адрес имеет иерархическую структуру, подобную номеру в телефонной сети и использует префиксы, соответствующие кодам стран, городов и т.п.
АТМ является технологией, рассчитанной на установление соединений между пользователями услуг сети. Для установления соединений используется посылка с 20-байтовым адресом. После установления физического соединения или физической цепи оказывается сформированным путь между соединяемыми пользователями, и становится возможной организация виртуальных цепей или логических соединений, играющих роль звеньев этого пути, осуществляемых путём использования адресной части заголовка.
Рабочая нагрузка, полученная от источника, адаптируется в соответствии с требованиями АТМ технологии и разделяется на 48 байтовые блоки с дальнейшим их разделением. В функции АТМ также входит коррекция ошибок, избежание потерь ячеек, восстановление времени и др. Функции адаптации вводятся на оборудовании оконечных станций, которые передают и принимают информацию. Поэтому фактически, для передачи полезной нагрузки, выделяется менее чем 48 байт. Очередь присуща технологии АТМ, фактически – АТМ стоит в очереди. Поскольку технология АТМ имеет определённую длительность, она может переполняться, если высока интенсивность трафика, который превышает ожидания сети. Это приводит к потере ячеек одного и более соединений. Практически же в сети АТМ, допускается также длительность очереди, которая делает вероят-ность потери соединений очень маленькой.
Мультиплексирование и коммутация. Мультиплексирование в АТМ может осуществляться иерархически двумя уровнями: нижним – мультиплексирование виртуальных каналов, верхним – мультиплексирование виртуальных путей. Число виртуальных каналов равно 216 = 65536, число виртуальных путей 28 = 256, что даёт возможность сформировать 16777216 виртуальных цепей, проходящих через интерфейс UNI. Эти возможности существенно расширяются в процессе маршрутизации, если учесть, что существует ещё одна степень – адрес портов, на которые принимаются и с которых отправляются АТМ потоки.
Организация сети АТМ. Сеть АТМ имеет симметричную базовую схему организации (левую часть и зеркально симметричную правую часть), ниже показывается левая часть сети.
Пользователи ® частный UNI ® коммутатор частной сети АТМ ® общий UNI ® коммутатор общей сети АТМ ® NNI ® сеть АТМ
В этой схеме просматривается необходимость двух видов каждого типа интерфейсов (использованы обозначения: Рb и Рr):
- сетевой интерфейс – NNI – интерфейс между коммутатором общей сети АТМ (или Рb NNI);
- пользовательский интерфейс – UNI, состоящий фактически из двух типов интерфейсов;
- частный интерфейс UNI - Рr – UNI (РUNI) – между пользователем и коммутатором
частной сети АТМ;
- общий интерфейс UNI - Рr – UNI – между коммутаторами частной и общей сети АТМ.
Схема организации сети АТМ может быть полной (рис. 6.12), если она включает разные группы пользователей (ГП).
КЧС – коммутатор частотной сети; КОС – коммутатор общей сети;
ЛВС – локальная вычислительная сеть; М – маршрутизатор;
Рис. 6.12. Схема организации сети АТМ
На рис. 6.12 появляются три интерфейса: Рr – NNI – частный межсетевой интерфейс (РNNI) – между коммутаторами
(узла) частных АТМ сетей, отличающихся от Рr – NNI тем, что в нём не реализован ряд общих функций, например, мониторинга или наведения порядка в сети;
DXI – интерфейс обмена данными между ЛВС и сетью АТМ, осуществляемого через сервисный блок данных – DSU;
ICI – межрегиональный интерфейс связи между различными региональными операторами сети, используемыми для организации глобального транспортного потока АТМ.
Структура ячеек АТМ. Рассмотрим структуру заголовка ячейки АТМ. Она представлена на рис 6.13 для двух типов интерфейсов: UNI и NNI. Эти интерфейсы неравноправны. Так, для интерфейса сеть-сеть NNI не нужна общая информация для управления потоком данных, хранящаяся в специальном поле общего управления потоком данных – GFC, а для интерфейса пользователь-сеть – UNI (открывающего путь в сеть) она необходима. Следовательно, в структуре заголовка ячейки АТМ для интерфейса UNI поле GFC (1 байт, бит 5-8) присутствует, а для интерфейса NNI – нет (фактически его 4 бита устанавливаются на нуль, оставляя 8 бит в адресной части VPI).
В результате, заголовок АТМ ячейки интерфейсов имеет структуру, рассмотренную на рис. 6.13. Поясним приведённые поля заголовка.
VPI – идентификатор виртуального пути. Один виртуальный путь, как известно, может содержать несколько виртуальных каналов, поэтому общая полоса пропускания сна-чала распределяется по виртуальным путям, а затем по каждому пути, или VPI, назначается определенное число виртуальных каналов, характеризующихся соответствующим VСI.
VСI – идентификатор виртуального канала. Для ускорения обработки ячеек ряд устройств, как было отмечено, обрабатывает только VPI поля.
PT – тип полезной нагрузки – определяет тип трафика, который может быть передан с помощью АТМячеек. Сюда относятся не только указание на тип передаваемой информации (данные, речь, видео), но и информация о перегрузках (поле GFC не передаёт такой информации), управлении и обслуживании.
С – флаг допустимости потери ячейки. Флаг устанавливается на «1» тогда, когда ячейка может быть потеряна/отброшена без большого ущерба для ценности принятой информации.
НЕС – код контроля ошибок заголовка. Поле длиной в один байт, которое позволяет обнаружить множественные ошибки заголовка (а не всей полезной нагрузки) и исправлять одиночную ошибку.
Кроме указанных функциональных назначений отдельных элементов заголовка ячейки АТМ, поля VPI и VСI могут служить для кодировки специальных сигналов сообщения – мета сигналов, которые могут использоваться для установления различных режимов работы во время сессий или сеансов связи и обслуживания. Например, может быть задан широковещательный режим работы сети. Сеть может быть предупреждена о посылке «пустых» ячеек при отсутствии полезной нагрузки с целью поддержания синхронного режима работы.
Особенности операции с ячейками. Тот факт, что системы АТМ работают на высокой скорости, объясняется не только желанием увеличить скорость обработки передаваемых сообщений, но и попыткой скомпенсировать относительно большие потери скорости на обработку заголовков. Эта проблема известна как проблема перегрузки заголовками (overhead). При заголовке 5 байт и полезной нагрузке самое большее 48 байт эта перегрузка составляет 10,41%. Однако, с учётом того, что 4 байта могут дополнительно использоваться на эти цели на уровне AAL, имеем соотношение 9 к 44, т.е. перегрузка может достигать 20,45%. Фактически эта величина может быть ещё выше, если учесть 4% перегрузки, добавляемой на физическом уровне при использовании, например, SONET.
АТМ должна использовать высокоскоростные каналы передачи, имеющие широкую полосу пропускания, хотя бы для того, чтобы компенсировать большую перегрузку заголовков.
Другая проблема – обеспечение фиксированной (и небольшой по величине) задержки трафика между источником и приёмником, например, для передачи голоса и видеосигналов. Такой трафик относится к классу изохронных. Для него ITU-T рекомендует иметь максимальную величину задержки не менее 200 мс. Другие исследования показали, что в отсутствии эха максимальная задержка может достигать до 600 мс.
Источники возможных задержек в АТМ тракте вполне очевидны – это все операции, совершаемые над голосовым сигналом в процессе его прохождения по тракту (они создают операционные задержки – C/SD). С другой стороны, при прохождении по физической среде передачи возникают задержки на распространение –PD (они определяются из расчёта 4-5 мкс/км). Два других вида задержек, задержки на переключение – SD и задержки на нахождение в очереди – QD, обусловлены коммутаторами. В стандарте ITU-T Recommendation Q.507, например, исходят из средней задержки не более 450 мкс. Общие оценки могут быть получены суммированием всех ошибок. Подсчёт даёт величину порядка 15 мс для модели примера. К этому надо добавить задержку, как минимум в 6 мс, возникающую в результате пропадания каждой ячейки при стандартной (без управления) схеме кодирования речи (64 Кбит/с) в канале связи.