Технология ATM представляет собой концепцию телекоммуникаций, определенную международными стандартами для передачи полного спектра пользовательского трафика, включая сигналы голоса, данных и видео. Она была разработана для удовлетворения потребностей цифровой сети широкополосных услуг и изначально предназначена для интеграции сетей электросвязи. Расшифровка аббревиатуры ATM звучит как Asynchonous Transfer Mode и переводится на русских язык как "асинхронная передача данных".
Технология была создана для сетей, которые должны обрабатывать как традиционный высокопроизводительный трафик данных (например, передача файлов), так и контент в режиме реального времени с низкой задержкой (такой как голос и видео). Эталонная модель для ATM приблизительно сопоставляется с тремя низшими уровнями ISO-OSI: сетевым, канала передачи данных и физическим. ATM является основным протоколом, используемым по основному каналу SONET/SDH (телефонной сети общего пользования), а также цифровой сети Integrated Services (ISDN).
Что это такое?
Что значит ATM для сетевого соединения? Она обеспечивает функциональность, аналогичную коммутации каналов и сетей пакетной коммутации: технология использует асинхронное мультиплексирование с временным разделением и кодирует данные в небольшие пакеты фиксированного размера (кадры ISO-OSI), называемые ячейками. Это отличается от таких подходов, как интернет-протокол или Ethernet, которые применяют пакеты и фреймы с переменным размером.
Основные принципы технологии ATM заключаются в следующем. Она использует ориентированную на соединение модель, в которой виртуальная схема должна быть установлена между двумя конечными точками до начала фактического обмена данными. Эти виртуальные схемы могут быть «перманентными», то есть выделенными соединениями, которые обычно предварительно сконфигурированы поставщиком услуг, или же «переключаемыми», то есть настраиваемыми для каждого вызова.
Asynchonous Transfer Mode (расшифровка ATM с английского) известна как способ связи, используемый в банкоматах и платежных терминалах. Однако данное применение постепенно снижается. Использование технологии в банкоматах в значительной степени было заменено Internet Protocol (IP). В эталонном канале ISO-OSI (уровень 2) базовые передаточные устройства обычно называются кадрами. В ATM они имеют фиксированную длину (53 октета или байта) и специально называются «ячейками».
Размер ячейки
Как уже было отмечено выше, расшифровка ATM – это асинхронная передача данных, осуществляемая с помощью их разделения на ячейки определенного размера.
Если речевой сигнал сводится к пакетам, и они вынуждены передаваться ссылкой с интенсивным трафиком данных, то независимо от того, каковы их размеры, они будут сталкиваться с объемными полномасштабными пакетами. В нормальных условиях ожидания они могут испытывать максимальные задержки. Чтобы избежать этой проблемы, все пакеты ATM или ячейки имеют одинаковый малый размер. Кроме того, структура фиксированных ячеек означает, что данные могут быть легко переданы аппаратным обеспечением без присущих задержек, введенных программными коммутируемыми и маршрутизируемыми кадрами.
Таким образом, разработчики ATM использовали небольшие ячейки данных для уменьшения джиттера (в данном случае дисперсии задержки) в мультиплексировании потоков данных. Это особенно важно при переносе голосового трафика, поскольку преобразование оцифрованного голоса в аналоговый аудиосигнал является неотъемлемой частью процесса реального времени. Это помогает работе декодера (кодека), для которого требуется равномерно распределенный (по времени) поток элементов данных. Если следующий в очереди недоступен, когда это необходимо, у кодека нет выбора, кроме как приостановить работу. В дальнейшем информация оказывается утерянной, потому что период времени, когда она должна была быть преобразована в сигнал, уже прошел.
Как происходило развитие ATM?
Во время разработки ATM синхронная цифровая иерархия 155 Мбит/с (SDH) с полезной нагрузкой 135 Мбит/с считалась быстрой оптической сетью, а многие каналы плезиохронной цифровой иерархии (PDH) в сети были значительно медленнее (не более 45 Мбит/с). При такой скорости типичный полноразмерный 1500-байтовый (12 000-битный) пакет данных должен загружаться со скоростью 77,42 микросекунды. В низкоскоростном канале, таком как линия T1 1,544 Мбит/с, передача такого пакета занимала до 7,8 миллисекунды.
Задержка загрузки, вызванная несколькими такими пакетами в очереди, может превышать число 7,8 мс в несколько раз. Это неприемлемо для речевого трафика, который должен иметь низкий джиттер в потоке данных, подаваемом в кодек, чтобы производить звук хорошего качества.
Система голосовой передачи пакетов может производить это несколькими способами, например, такими как использование буфера воспроизведения между сетью и кодеком. Это позволяет сгладить дрожание, но задержка, возникающая при прохождении через буфер, требует эхоподавителя даже в локальных сетях. В то время это считалось слишком дорогостоящим. Кроме того, он увеличивал задержку по каналу и затруднял взаимодействие.
Сетевая технология ATM по своей сути обеспечивает низкий джиттер (и минимальную общую задержку) для трафика.
Как это помогает в сетевом соединении?
Дизайн ATM предназначен для сетевого интерфейса с низким уровнем дрожания. Тем не менее «ячейки» были введены в проект, чтобы обеспечить короткие задержки в очередях, продолжая поддерживать трафик датаграмм. Технология ATM разбила все пакеты, данные и голосовые потоки на 48-байтовые фрагменты, добавив к каждому из них 5-байтовый заголовок маршрутизации, чтобы позже их можно было собрать повторно.
Данный выбор размера был политическим, а не техническим. Когда CCITT (в настоящее время ITU-T) стандартизовал ATM, представители из США хотели получить 64-байтовую полезную нагрузку, поскольку это считалось хорошим компромиссом между большими объемами информации, оптимизированными для передачи данных, и более короткими полезными нагрузками, рассчитанными для приложений реального времени. В свою очередь, разработчики из стран Европы хотели получить 32-байтовые пакеты, потому что небольшие размеры (и, следовательно, малое время на передачу) упрощают голосовые приложения в отношении эхоподавления.
В качестве компромисса между двумя сторонами был выбран размер 48 байт (плюс размер заголовка = 53). 5-байтовые заголовки были выбраны, поскольку считалось, что 10 % полезной нагрузки является максимальной ценой для оплаты маршрутизации информации. Технология ATM мультиплексировала 53-байтовые ячейки, которые уменьшали повреждение и задержку данных почти в 30 раз, что уменьшало потребность в эхоподавителях.
Структура ячейки ATM
ATM определяет два разных формата ячеек: пользовательский сетевой интерфейс (UNI) и сетевой интерфейс (NNI). Большинство каналов сети ATM используют UNI. Структура каждого такого пакета состоит из следующих элементов:
- Поле Generic Flow Control (GFC) - это 4-битовое поле, которое изначально было добавлено для поддержки присоединения ATM в сети общего доступа. По топологии оно представлено как кольцо с двойной шиной распределенной очереди (DQDB). Поле GFC было разработано так, чтобы предоставить 4 бита User-Network Interface (UNI) для согласования мультиплексирования и управления потоком среди ячеек различных соединений ATM. Однако его использование и точные значения не были стандартизированы, и поле всегда установлено на 0000.
- VPI - идентификатор виртуального пути (8 бит UNI или 12 бит NNI).
- VCI - идентификатор виртуального канала (16 бит).
- PT - тип полезной нагрузки (3 бит).
- MSB - ячейка управления сетью. Если ее значение 0, используется пакет пользовательских данных, и в ее структуре 2 бита - это явная индикация прямой перегрузки (EFCI), и 1 - опыт перегрузки сети. Кроме того, выделен еще 1 бит для пользователя (AAU). Он используется AAL5 для указания границ пакетов.
- CLP - приоритет потери ячейки (1 бит).
- HEC - управление ошибкой заголовка (8-битный CRC).
Сеть АТМ использует поле PT для обозначения различных специальных ячеек для целей операций, администрирования и управления (OAM), а также для определения границ пакетов в некоторых адаптационных уровнях (AAL). Если значение MSB поля PT равно 0, это ячейка пользовательских данных, а остальные два бита используются для указания перегрузки сети и как бит заголовка общего назначения, доступный для уровней адаптации. Если MSB равно 1, это пакет управления, а остальные два бита указывают его тип.
В некоторых протоколах ATM-связи (асинхронного способа передачи данных) используется поле HEC для управления алгоритмом кадрирования на основе CRC, который позволяет находить ячейки без дополнительных затрат. 8-битный CRC используется для исправления однобитовых ошибок заголовка и обнаружения многобитовых. При обнаружении последних текущая и последующие ячейки отбрасываются до тех пор, пока не будет найдена ячейка без ошибок заголовка.
Пакет UNI резервирует поле GFC для локальной системы управления потоком или субмультиплексирования между пользователями. Это предназначалось для того, чтобы несколько терминалов могли совместно использовать одно сетевое соединение. Также данная технология использовалась с той целью, чтобы два телефона цифровой сети с интегрированной услугой (ISDN) могли бы использовать одно базовое соединение ISDN с определенной скоростью. Все четыре бита GFC по умолчанию должны быть нулевыми.
Формат ячейки NNI реплицирует формат UNI почти аналогично, за исключением того, что 4-битное поле GFC перераспределяется в поле VPI, расширяя его до 12 бит. Таким образом, одно соединение NNI ATM может обрабатывать почти 216 VC каждый раз.
Ячейки и передача на практике
Что значит ATM на практике? Она поддерживает различные виды услуг через AAL. Стандартизованные AAL включают AAL1, AAL2 и AAL5, а также редко используемые AAC3 и AAL4. Первый тип используется для услуг постоянной битовой скорости (CBR) и эмуляции схемы. Синхронизация также поддерживается в AAL1.
Второй и четвертый тип используются для услуг с переменным битрейтом (VBR), AAL5 - для данных. Информация о том, какой AAL используется для данной ячейки, не закодирована в ней. Вместо этого она согласовывается или настраивается на конечных точках для каждого виртуального соединения.
После первоначального проектирования данной технологии сети стали работать намного быстрее. 1500-байтовый (12000 бит) полноразмерный Ethernet-кадр требует всего 1,2 мкс для передачи в сети 10 Гбит/с, что уменьшает необходимость в небольших ячейках для уменьшения задержек.
В чем сильные и слабые стороны такой связи?
Преимущества и недостатки сетевой технологии ATM следующие. Некоторые считают, что увеличение скорости связи позволит заменить ее на Ethernet в магистральной сети. Однако следует отметить, что увеличение скорости само по себе не уменьшает джиттер из-за очереди. Кроме того, аппаратное обеспечение для реализации адаптации услуг для IP-пакетов является дорогостоящим.
В то же время по причине фиксированной полезной нагрузки в 48 байт ATM не подходит в качестве канала передачи данных непосредственно под IP, поскольку уровень OSI, на котором работает IP, должен обеспечивать максимальный блок передачи (MTU) не менее 576 байт.
В более медленных или перегруженных соединениях (622 Мбит/с и ниже) применение сети ATM имеет смысл, и по этой причине большинство асимметричных систем цифровой абонентской линии (ADSL) используют эту технологию в качестве промежуточного уровня между физическим канальным уровнем и протоколом уровня 2, таким как PPP или Ethernet.
На этих более низких скоростях ATM обеспечивает полезную возможность переносить несколько логических схем на одном физическом или виртуальном носителе, хотя существуют и другие методы, такие как многоканальные PPP и Ethernet VLAN, которые являются необязательными в реализациях VDSL.
DSL может использоваться как способ доступа к сети АТМ, позволяющий подключаться ко многим провайдерам интернет-услуг через сеть широкополосных банкоматов.
Таким образом, недостатки технологии заключаются в том, что в современных высокоскоростных соединениях она теряет свою эффективность. Достоинства же такой сети заключаются в том, что она существенно увеличивает полосу пропускания, поскольку обеспечивает напрямую соединение между различными периферийными устройствами.
Кроме того, при наличии одного физического подключения при помощи АТМ могут одновременно функционировать несколько разных виртуальных каналов, обладающих различными характеристиками.
Данная технология применяет довольно мощные инструменты, предназначенные для управления трафиком, которые продолжают развиваться и в настоящее время. Благодаря этому становится возможным передавать одновременно данные различного типа, даже если они предъявляют совершенно разные требования для их отправки и получения. Так, можно создать трафик, осуществляемый по различным протоколам, на одном канале.
Основы функционирования виртуальных цепей
Asynchonous Transfer Mode (аббревиатура ATM) работает как транспортный уровень на основе канала, используя виртуальные схемы (VC). Это связано с концепцией виртуальных путей (VP) и каналов. Каждая ячейка ATM имеет 8- или 12-битный идентификатор виртуального пути (VPI) и 16-битный идентификатор виртуального канала (VCI), определенный в его заголовке.
VCI вместе с VPI используется для идентификации следующего пункта назначения пакета, когда он проходит через ряд коммутаторов ATM на своем пути к месту назначения. Длина VPI варьируется в зависимости от того, отправлена ли ячейка по пользовательскому либо по сетевому интерфейсу.
По мере того как эти пакеты проходят через сеть ATM, переключение происходит путем изменения значений VPI/VCI (заменой ярлыков). Несмотря на то что они не обязательно согласуются с концами соединения, концепция схемы является последовательной (в отличие от IP, где любой пакет может попасть в пункт назначения другим маршрутом). Коммутаторы ATM используют поля VPI/VCI для идентификации виртуального канала (VCL) следующей сети, которую ячейка должна транзитировать на своем пути в конечный пункт назначения. Функция VCI аналогична функции идентификатора соединения линии передачи данных (DLCI) в реле кадра и номера группы логических каналов в X.25.
Еще одно преимущество использования виртуальных схем заключается в возможности применять их в качестве уровня мультиплексирования, позволяя использовать различные сервисы (такие как голос и ретрансляция кадров). VPI полезен для уменьшения таблицы переключения некоторых виртуальных схем, которые имеют общие пути.
Использование ячеек и виртуальных схем для организации трафика
Технология АТМ включает в себя дополнительно перемещение трафика. Когда настраивается схема, каждый коммутатор цепи информируется о классе соединения.
Контракты на трафик ATM являются частью механизма, обеспечивающего «качество обслуживания» (QoS). Существует четыре основных типа (и несколько вариантов), каждый из которых имеет набор параметров, описывающих соединение:
- CBR - постоянная скорость передачи данных. Указана пиковая скорость (PCR), которая является неизменной.
- VBR - переменная скорость передачи данных. Указано среднее или устойчивое ее значение (SCR), которое может достигать пика на определенном уровне, на максимальный интервал до возникновения проблем.
- ABR - доступная скорость передачи данных. Указано минимальное гарантированное значение.
- UBR - неопределенная скорость передачи данных. Трафик распределяется по всей оставшейся пропускной способности.
VBR имеет варианты в режиме реального времени, и в других режимах служит для «ситуационного» трафика. Некорректное время иногда сокращается до vbr-nrt.
Большинство классов трафика также используют концепцию вариации толерантности к ячейке (CDVT), которая определяет их «скопление» во времени.
Управление передачей данных
Что значит АТМ с учетом вышеизложенного? Чтобы поддерживать производительность сети, могут применяться правила трафика для виртуальных сетей, ограничивающие объем передаваемых данных в пунктах входа в соединение.
Эталонная модель, утвержденная для UPC и NPC, является алгоритмом общей скорости ячейки (GCRA). Как правило, трафик VBR обычно контролируется с использованием контроллера, в отличие от остальных видов.
Если объем данных превышает трафик, определенный GCRA, сеть может либо сбросить ячейки, либо отметить бит приоритета потери ячеек (CLP) (чтобы идентифицировать пакет как потенциально избыточный). Основная работа по обеспечению безопасности работает на основе последовательного мониторинга, но это не оптимально для инкапсулированного пакетного трафика (поскольку отбрасывание одной единицы приведет к аннулированию всего пакета). В результате были созданы такие схемы, как Partial Packet Discard (PPD) и Early Packet Discard (EPD), которые способны отбрасывать целую серию ячеек до тех пор, пока не начнется следующий пакет. Это уменьшает количество бесполезных единиц информации в сети и экономит полосу пропускания для полных пакетов.
EPD и PPD работают с соединениями AAL5, поскольку они используют конец маркера пакета: бит индикации пользовательского интерфейса пользователя ATM (AUU) в поле «Тип полезной нагрузки» заголовка, который устанавливается в последней ячейке SAR-SDU.
Формирование трафика
Основы технологии АТМ в этой части можно представить так. Формирование трафика обычно происходит в сетевой интерфейсной плате (NIC) в пользовательском оборудовании. При этом происходит попытка обеспечить такие условия, где поток ячеек на VC будет соответствовать его контракту трафика, то есть единицы не будут отброшены или уменьшены в приоритетном порядке в UNI. Поскольку эталонной моделью, заданной для управления трафиком в сети, является GCRA, этот алгоритм обычно используется и для формирования и направления данных.
Типы виртуальных цепей и путей
Технология ATM может создавать виртуальные схемы и пути как статически, так и динамически. Статические схемы (ПВС) или пути (ПВП) требуют, чтобы схема состояла из серии сегментов, по одному для каждой пары интерфейсов, через которые она проходит.
ПВП и ПВХ, хотя и являются концептуально простыми, требуют значительных усилий в крупных сетях. Они также не поддерживают повторную маршрутизацию службы в случае сбоя. Напротив, динамически построенные ПВП (SPVP) и ПВХ (SPVC) строятся путем указания характеристик схемы (сервисного «контракта») и двух конечных точек.
Наконец, сети ATM создают и удаляют коммутируемые виртуальные схемы (SVC) по требованию конечной части оборудования. Одним из приложений для SVC является перенос отдельных телефонных вызовов, когда сеть коммутаторов соединена между собой через ATM. SVC также использовались при попытке заменить локальные сети ATM.
Виртуальная схема маршрутизации
Большинство сетей технологии АТМ, поддерживающих SPVP, SPVC и SVC, используют интерфейс Private Network Node или протокол Private Network-to-Network Interface (PNNI). PNNI использует тот же алгоритм кратчайшего пути, который используется OSPF и IS-IS для маршрутизации IP-пакетов для обмена топологической информацией между коммутаторами и выбора маршрута через сеть. PNNI также включает в себя мощный механизм суммирования, позволяющий создавать очень большие сети, а также алгоритм управления доступом к вызову (CAC), который определяет доступность достаточной полосы пропускания по предлагаемому маршруту через сеть для удовлетворения требований к обслуживанию VC или VP.
Прием и подключение к звонкам
Сеть должна установить соединение, прежде чем обе стороны могут отправлять ячейки друг другу. В ATM это называется виртуальной схемой (VC). Это может быть постоянная виртуальная схема (PVC), которая создается административно в конечных точках, или коммутируемая виртуальная схема (SVC), создаваемая по мере необходимости передающими сторонами. Создание SVC управляется сигнализацией, в которой запрашивающая сторона указывает адрес принимающей стороны, тип запрашиваемой услуги и любые параметры трафика, которые могут быть применимы к выбранной службе. Затем «Сеть» подтвердит, что запрашиваемые ресурсы доступны, и что маршрут существует для соединения.
Технология АТМ определяет следующие три уровня:
- адаптации ATM (AAL);
- 2 ATM, примерно соответствующий уровню линии передачи данных OSI;
- физический, эквивалентный аналогичному уровню OSI.
Развертывание и распространение
Технология ATM стала популярной среди телефонных компаний и многих производителей компьютеров в 1990-х годах. Однако даже к концу этого десятилетия лучшая цена и производительность продуктов на базе протокола Интернет начала конкурировать с ATM для интеграции в реальном времени и пакетного сетевого трафика.
Некоторые компании и сегодня ориентированы на продукты ATM, в то время как другие предоставляют их в качестве опции.
Мобильная технология
Беспроводная технология состоит из базовой сети ATM с сетью беспроводного доступа. Ячейки здесь передаются от базовых станций к мобильным терминалам. Функции мобильности выполняются на коммутаторе ATM в базовой сети, известном как «кроссоверный», который аналогичен MSC (мобильному коммутационному центру) сетей GSM. Преимуществом беспроводной связи ATM является ее высокая пропускная способность и большая скорость передачи обслуживания, выполненная на уровне 2.
В начале 1990-х годов некоторые исследовательские лаборатории активно работали в этой области. Был создан форум ATM для стандартизации технологии беспроводных сетей. Его поддерживали несколько телекоммуникационных компаний, в том числе NEC, Fujitsu и AT&T. Мобильная технология ATM нацелена на предоставление высокоскоростных мультимедийных коммуникационных технологий, способных предоставлять широкополосную мобильную связь, помимо сетей GSM и WLAN.
