Газизов / Лекции КИС

Корпоративные ИС. Лекции. 2010г.

Определение

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.

Ячейки ATM

Пакеты АТМ называются ячейками (cell). Длина ячеек АТМ равна 53 байтам, из которых 48 байт отводится для передачи информации и 5 байт для заголовка. Информация, содержащаяся в 5 байтах заголовка, достаточна для доставки сетью каждой ячейку по назначению.

В сети Ethernet передача данных осуществляется большими пакетами переменной длины, которые называют кадрами (frames).

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.

Размер каждой ячейки должен быть достаточно мал, чтобы сократить время ожидания, но достаточно велик, чтобы минимизировать издержки.

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.

Чтобы пакеты содержали адрес узла назначения и в то же время процент служебной информации не превышал размер поля данных пакета, в технологии ATM применен стандартный для глобальных вычислительных сетей прием — передача ячеек в соответствии с техникой виртуальных каналов с длиной номера виртуального канала в 24 бита, что вполне достаточно для обслуживания большого количества виртуальных соединений каждым портом коммутатора глобальной (может быть всемирной) сети ATM.

Сеть с установлением соединения

Для передачи пакетов по сетям ATM от источника к месту назначения источник должен сначала установить соединение с получателем.

При использовании других технологий передачи данных, таких как Ethernet и Token Ring, соединение между источником и получателем не устанавливается — пакеты с соответствующей адресной информацией просто помещаются в среду

110

Корпоративные ИС. Лекции. 2010г.

передачи, а концентраторы, коммутаторы или маршрутизаторы находят получателя и доставляют ему пакеты.

Сети с установлением соединения имеют один недостаток — устройства не могут просто передавать пакеты, они обязательно должны сначала установить соединение. Однако такие сети имеют и ряд преимуществ. Поскольку коммутаторы могут резервировать для конкретного соединения полосу пропускания, сети с установлением соединения гарантируют данному соединению определенную часть полосы пропускания. Сети без установления соединения, в которых устройства просто передают пакеты по мере их получения, не могут гарантировать полосу пропускания.

Сети с установлением соединения также могут гарантировать определенное качество сервиса (Quality of Service — QoS), т.е. некоторый уровень сервиса, который сеть может обеспечить. QoS включает в себя такие факторы, как допустимое количество потерянных пакетов и допустимое изменение промежутка между ячейками. В результате сети с установлением соединения могут использоваться для передачи различных видов трафика — звука, видео и данных — через одни и те же коммутаторы. Кроме того, сети с установлением соединения могут лучше управлять сетевым трафиком и предотвращать перегрузку сети ("заторы"), поскольку коммутаторы могут просто сбрасывать те соединения, которые они не способны поддерживать.

За видимую простоту ячеек приходится платить тем, что управляющая информация передается в общем информационном потоке.

Сеть АТМ является инфраструктурой, предназначенной для транспортирования ячеек. Она имеет классическую структуру крупной территориальной сети — конечные станции соединяются индивидуальными каналами с коммутаторами нижнего уровня, которые, в свою очередь, соединяются с коммутаторами более высоких уровней. Коммутаторы ATM пользуются 20байтовыми адресами конечных узлов для маршрутизации трафика в сети коммутаторов. Такая длина адреса рассчитана на очень большие сети, вплоть до всемирных.

Виртуальные соединения могут быть постоянными (Permanent Virtual Circuit, PVC) и коммутируемыми (Switched Virtual Circuit, SVC). Постоянные виртуальные соединения соединяют двух фиксированных абонентов и устанавливаются администратором сети. Коммутируемые виртуальные соединения устанавливаются при инициации связи между любыми конечными абонентами.

111

Корпоративные ИС. Лекции. 2010г.

Протокол ATM выполняет коммутацию по номеру виртуального соединения, который в технологии ATM разбит на две части — идентификатор виртуального пути (Virtual Path Identifier, VPI) и идентификатор виртуального канала (Virtual

Channel Identifier, VCI).

После того как соединение установлено, коммутаторы между конечными станциями получают адресные таблицы, содержащие сведения о том, куда необходимо направлять ячейки. В них используется следующая информация:

адрес порта, из которого приходят ячейки;

специальные значения в заголовках ячейки, которые называются идентификаторами виртуального канала (virtual circuit identifiers — VCI) и идентификаторами виртуального пути (virtual path identifiers — VPI).

Адресные таблицы также определяют, какие VCI и VPI коммутатор должен включить в заголовки ячеек перед тем как их передать.

При поступлении ячейки коммутатор анализирует значение VPI/VCI в заголовке. Предположим, что входящий VPI/VCI — 0/37. Поскольку ячейка поступила на порт 1, коммутатор анализирует запись в таблице для порта 1 и обнаруживает, что ячейка должна быть направлена в порт 3. Кроме того, при посылке на порт 3 необходимо поменять VPI/VCI ячейки на значение 0/76.

Таким образом, заголовок ячейки меняется при ее прохождении через коммутатор. Конечно, информация (нагрузка) остается без изменений.

Значения VPI/VCI меняются по двум причинам. Во-первых, всего может быть около 17 миллионов значений VPI/VCI. Если сеть очень велика, то данного числа может не хватить для описания соединений всей сети.

Впрочем, возможно более важным является соображение администрирования уникальных значений VPI/VCI в большой сети. Например, как можно гарантировать, что устанавливаемое в Хабаровске новое соединение будет иметь уникальное значение, отличное от всех уже существующих в мире?

112

Корпоративные ИС. Лекции. 2010г.

Интересно отметить, что оба эти соображения весьма актуальны для глобальной сети Internet, где доступно ограниченное число адресов IP. Если сделать адресное пространство достаточно большим для обслуживания универсальных адресов, то размер заголовка в сравнении с нагрузкой будет неприемлемым.

Значение VPI/VCI является значимым только в отношении данного интерфейса. Действительно, в примере значение “37” используется для обоих интерфейсов, но не возникает двусмысленности, поскольку они являются физически различными. Существует отдельная запись для значения 37 порта 2, которому, конечно, соответствует другой пункт назначения.

Таким образом, комбинация значений VPI/VCI позволяет сети ставить в соответствие конкретную ячейку конкретному соединению, и, следовательно, направлять ячейку по назначению.

	Порт	VPI/VCI	Порт	VPI/VCI
Видео	1	0/37	3	0/76
Данные	1	0/42	5	0/52
Видео	2	0/37	6	0/22
Речь	2	0/78	4	0/88

Идентификатор VPI используется для указания, какому виртуальному маршруту принадлежит виртуальный канал.

Классы сервиса

В сети ATM каждый раз, когда приложению необходимо установить соединение между двумя пользователями, оно должно заказать вид сервиса, в соответствии с которым будет обслуживать трафик по данному соединению. Классы сервиса ATM содержат ряд параметров, которые определяют гарантии качества сервиса. В спецификациях форума ATM предусмотрено несколько классов сервиса -

113

Корпоративные ИС. Лекции. 2010г.

CBR, VBR, UBR и ABR (появился совсем недавно). Гарантии качества сервиса могут определять минимальный уровень доступной пропускной способности и предельные значения задержки ячейки и вероятности потери ячейки.

Класс		Гарантии пропускной		Гарантии изменения		Обратная связь при
сервиса		способности		задержки		переполнении
CBR		+		+		–
VBR		+		+		–
UBR		–		–		–
ABR		+		+		+

Сервис CBR (constant bit rate, сервис с постоянной битовой скоростью) представляет собой наиболее простой класс сервиса ATM. Когда сетевое приложение устанавливает соединение CBR, оно заказывает пиковую скорость трафика ячеек (peak cell rate, PCR), которая является максимальной скоростью, которое может поддерживать соединение без риска потерять ячейку.

В отличие от CBR и VBR, сервис UBR (unspecified bit rate, неопределенная битовая скорость) не определяет ни битовую скорость, ни параметры трафика, ни качество сервиса. Сервис UBR предлагает только доставку "по возможности", без гарантий по утере ячеек, задержке ячеек или границам изменения задержки.

Сервис ABR (available bit rate), подобно сервису UBR, использует превышение полосы пропускания, но он использует технику управления трафиком для оценки степени переполнения сети и избегает потерь ячеек. ABR - это первый класс сервиса технологии ATM, который действительно обеспечивает надежный транспорт для приложений с пульсирующим трафиком за счет того, что он может находить неиспользуемые интервалы времени в трафике и заполнять их своими пакетами, если другим классам сервиса эти интервалы не нужны.

И хотя технология ATM может использоваться непосредственно для транспортировки сообщений протоколов прикладного уровня, пока она чаще переносит пакеты других протоколов канального и сетевого уровней (Ethernet, IP,

IPX, frame relay, X.25), сосуществуя с ними.

В 2000-е гг. рынок оборудования ATM еще был значительным [16]. ATM широко использовался в WAN-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

114

Корпоративные ИС. Лекции. 2010г.

МАР/TOP

Информационные системы, в которых средства передачи данных принадлежат одной компании и используются только для нужд этой компании, принято называть Сеть Масштаба Предприятия или Корпоративная Сеть (Enterprise Network). Для автоматизации работы производственных предприятий часто используются системы на базе протоколов MAP/TOP:

До недавних пор технология Ethernet не была пригодна для обработки промышленных приложений, которые должны реагировать на события в течение нескольких миллисекунд и обладать 99,99-процентным уровнем готовности.

Повышение быстродействия и надежности Ethernet сделали эту технологию более подходящей задачей промышленной автоматизации. Современные сети Ethernet позволяют назначать максимальный приоритет критически важным потокам данных. Это дает возможность обеспечить доставку такого трафика с фиксированной задержкой: это свойство называется детерминизмом.

На каждом уровне технологического процесса происходит обработка "своих", специфических наборов данных. Такие требования, как скорость передачи данных, протоколы передачи, физические интерфейсы и т.д., управляют выбором того или иного сетевого решения при построении сложных распределенных систем. Гарантия совместной работы отдельных частей системы возможна лишь при использовании соответствующих стандартов связи между этими частями.

Административный уровень системы управления производством сегодня представлен целым рядом протоколов, среди которых наиболее известны два:

Протокол автоматизации производства (Manufacturing Automation Protocol, MAP, фирмы General Motors);

Протокол технического и административного учреждения (Technical Office Protocol, TOP, фирмы Boeing).

Для более низких уровней (field level), т.е. уровней промышленных контроллеров, датчиков и исполнительных механизмов, стандартной информационной системы не существует. Эта область развивается сейчас благодаря усилиям отдельных компаний или их групп, и еще далеко не ясно, какая из систем будет стандартом.

MAP (Manufacturing Automation Protocol) — сеть для производственных предприятий, заводов (выполняется автоматизация работы конструкторских отделов и производственных, технологических цехов). MAP позволяет создать единую технологическую цепочку от конструктора, разработавшего деталь, до оборудования, на котором изготавливают эту деталь.

115

Корпоративные ИС. Лекции. 2010г.

MAP предназначен для реализации в локальной сети двух основных сетевых служб. Сетевая служба MMS определяет спецификации производственных сообщений. Сетевая служба FTAM предоставляет возможность управления, доступа и передачи файлов.

MMS (Manufacturing Message Specification) network service — сетевая служба обмена производственными сообщениями.

MMS располагается на прикладном уровне и определяет передачу сообщений, характерную для управления технологическими процессами, выполняемыми автоматическими станками и роботами. Поэтому служба обеспечивает:

передачу всевозможных сообщений;

быструю реакцию на короткие сообщения, передаваемые с высоким приоритетом;

присвоение низких приоритетов сообщениям, не связанным непосредственно с технологией производства;

высокую, в неблагоприятных заводских условиях, надежность передачи сообщений, обеспечивающую низкую частоту появления ошибок;

возможность модификации передачи сообщений персоналом предприятия;

резервирование сетевых компонентов для обеспечения надежности работы.

FTAM (File Transfer, Access and Management) network service - сетевая служба,

обеспечивающая управление файлами и доступ к ним. FTAM расположена на прикладном уровне, определена Международной Организацией Стандартов (МОС) и опирается на базовую эталонную модель взаимодействия открытых систем. Располагается FTAM на верхнем подуровне прикладного уровня. FTAM обеспечивает взаимодействие в информационной сети разнотипных абонентских систем, которые имеют различные виды файлов, их форматы и состав операций с ними.

FTAM работает в четырех режимах. В основном режиме осуществляется управление общей операционной средой. Внутри основного режима существуют остальные три режима. Они выполняют функции, требуемые пользователем. Режим открытия файла обеспечивает его создание и ликвидацию. В режиме выбора файла осуществляется управление базой данных, поиск файла и его формирование для передачи. В режиме передачи файла осуществляется его запись, чтение и передача. FTAM обеспечивает защиту от несанкционированного доступа к файлам.

TOP (Technical and Office Protocol) — протокол автоматизации технического и административного учреждения.

116

Корпоративные ИС. Лекции. 2010г.

TOP functional profile - функциональный профиль, определяющий иерархию технологических и учрежденческих протоколов. В 1985 году фирма Boeing Computer Service предложила первую версию полного функционального профиля TOP, названного техническим учрежденческим протоколом. Он предназначен для широкого применения в локальных сетях учреждений.

Прикладная платформа TOP предоставляет разнообразные сетевые службы, среди которых: сетевая служба MНS/MOTIS, сетевая служба FTAM, сетевая служба VT, сетевая служба DS*, сетевая служба NMS. Все службы, кроме MHS, поддерживаются сервисным элементом управления ассоциацией. На представительном уровне (6) в TOP используется ядро представительного сервиса. Сеансовый уровень (5) предназначен для организации синхронного обмена данными.

Транспортная платформа TOP охватывает четыре уровня. В локальной сети сетевой уровень по аналогии с функциональным профилем MAP, осуществляет работу без организации соединений. Поэтому над ним располагается самый сложный протокол, класс 4, транспортного уровня (4). Последний обеспечивает организацию соединений. Физический уровень (1) и канальный уровень (2) в TOP предоставляют разнообразные виды интерфейсов с физическими средствами соединения.

Любая производственная технология представляет собой набор отдельных шагов: от обработки сырья до организации системы хранения продукции, и все эти операции должны быть связаны информационными сетями. Сети, обеспечивающие информационные потоки между контроллерами, датчиками сигналов и разнообразными исполнительными механизмами, объединяются общим названием "промышленные сети" (FieldBus, или "полевая" шина). Промышленная сеть должна решать две основные задачи:

обеспечивать совместимость на уровне сети приборов от разных производителей;

обеспечивать выход в коммерческие системы обработки данных, например MAP или ТОР.

117