СЕТИ ЭВМ И ТЕЛЕКОММУНИКАЦИИ. Министерствообразованияинаукироссийскойфедерации
 Скачать 4.29 Mb.
|
|
4.3.4. Технология АТМ АТМ (Asynchronous Transfer Mode) - технология асинхронного режима передачи, использующая маленькие пакеты фиксированного размера, называемые ячейками (cells), предназначенная для передачи в сети различных видов трафика – голос, видео и данные, обеспечивая при этом достаточную пропускную способность для каждого из них и гарантируя своевременную доставку восприимчивых к задержкам данных. Технология ATM может использоваться как для построения высокоскоростных локальных сетей, так и магистралей, объединяющих традиционные локальные сети. АТМ разрабатывалась как альтернатива синхронной передаче STM (Synchronous Transfer Mode), в основе которой лежит технология TDM. Главный недостаток технологии TDM заключается в невозможности перераспределять пропускную способность объединенного канала между подканалами (временными слотами), которые предоставляются пользователям для передачи данных. Если временной слот не используется пользователем и подканал свободен, его ресурсы не могут быть переданы другому пользователю, что приводит к потере пропускной способности канала и, как следствие, к снижению реальной скорости передачи данных. В технологии АТМ ячейки не привязаны к временным слотам, а их идентификация на приёмной стороне осуществляется не по номеру слота, а по идентификатору виртуального соединения. Трафик современных компьютерных сетей можно разбить на два больших класса: • потоковый (stream), представляющий собой равномерный поток данных (рис.4.26,а) с постоянной битовой скоростью (CBR – Constant Bit Rate); • пульсирующий (burst), представляющий собой неравномерный непредсказуемый поток данных (рис.4.26,б) с переменной битовой скоростью (VBR – Variable Bit Rate). Потоковый трафик (CBR) Пульсирующий трафик (VBR) 4.26 Раздел 4. Глобальные сети 280 Потоковый трафик характерен для аудио и видео данных, для которых основной характеристикой качества обслуживания является задержка передачи данных. Пульсирующий трафик формируется приложениями, связанными, например, с передачей файлов и при работе пользователей в режиме «запрос-ответ». Пульсирующий трафик обычно нечувствителен к задержкам, но чувствителен к потерям и искажениям передаваемых пакетов. Технология АТМ разрабатывалась как технология, способная обслуживать все виды трафика в соответствии с их требованиями за счёт использования: • техники виртуальных каналов; • предварительного заказа параметров качества обслуживания; • приоритезации трафика. Стандарты определяют АТМ как интерфейс и протокол, которые разработаны для коммутации трафика через общую высокоскоростную среду с постоянной или переменной битовой скоростью. 4.3.4.1. Общие принципы технологии АТМ Подход, реализованный в технологии АТМ, состоит в передаче любого вида трафика – компьютерного или мультимедийного – пакетами фиксированной длины в 53 байта, называемыми ячейками (cell). Поле данных ячейки занимает 48 байт, а заголовок – 5 байт. Размер ячеек выбирался исходя из двух противоречивых условий: • с одной стороны, размер ячейки должен быть достаточно мал, чтобы сократить время задержки в узлах сети; • с другой стороны, размер ячейки должен быть достаточно велик, чтобы минимизировать потери пропускной способности, обусловленные накладными расходами на передачу заголовка ячейки. Преимущества ячеек перед кадрами локальных сетей подробно рассмотрены в п.1.5.1.4. Для уменьшения доли служебной информации в ячейке в технологии АТМ применен стандартный для территориально-распределенных вычислительных сетей прием – передача ячеек в соответствии с техникой виртуальных каналов с длиной номера виртуального соединения в 24 бит, что вполне достаточно для обслуживания большого количества виртуальных соединений каждым портом коммутатора сети АТМ. Сеть АТМ имеет классическую структуру территориальной сети (рис.4.27,а) – конечные станции A, B, ..., G соединяются индивидуальными каналами с коммутаторами, которые в свою очередь могут соединяться с другими коммутаторами. Соответственно в стандарте определены 2 типа интерфейса (рис.4.27,б): • пользователь – сеть (User-Network Interface, UNI); • сеть – сеть (Network-Network Interface, NNI). Спецификация UNI определяет: • структуру пакета, Раздел 4. Глобальные сети 281 • адресацию станций, • обмен управляющей информацией, • уровни протокола АТМ, • способы установления виртуального канала, • способы управления трафиком. Коммутация пакетов происходит на основе идентификатора виртуального канала (Virtual Channel Identifier, VCI), который назначается соединению при его установлении и уничтожается при разрыве соединения. Виртуальные каналы могут быть постоянными (PVC) и коммутируемыми (SVC). Для ускорения коммутации в больших сетях используется понятие виртуального пути (Virtual Path), который объединяет виртуальные каналы, имеющие в сети АТМ общий маршрут между исходным и конечным узлами или общую часть маршрута между двумя коммутаторами сети. Идентификатор виртуального пути (Virtual Path Identifier, VPI) является старшей частью локального адреса и представляет собой общий префикс для некоторого количества различных виртуальных каналов. Таким образом, адресация в технологии АТМ реализована на двух уровнях: • на уровне адресов конечных узлов (на этапе установления виртуального канала); • на уровне номеров виртуальных каналов (при передаче данных по сформированному виртуальному каналу). Стандарт АТМ не вводит свои спецификации на реализацию физического уровня и основывается на технологии SDH/SONET, принимая её иерархию скоростей. Организация АТМ Forum определила для АТМ не все иерархии скоростей SDH, а только скорости ОС-3 (155 Мбит/с) с использованием волоконно-оптического кабеля или неэкранированной NNI UNI E Интерфейсы АТМ NNI (Network-Network Interface) UNI (User-Network Interface) 4.27 NNI NNI D А В АТМ коммутатор АТМ коммутатор АТМ коммутатор UNI UNI UNI С а) б) G F Раздел 4. Глобальные сети 282 витой пары категории 5 и ОС-12 (622 Мбит/с) с использованием только волоконно-оптического кабеля. Имеются и другие физические интерфейсы сетей АТМ, отличные от SDH/SONET: • интерфейсы Т1/Е1 и ТЗ/ЕЗ, используемые в глобальных сетях; • интерфейсы локальных сетей со скоростью 100 Мбит/с (FDDI) и 25 Мбит/с. Для решения задачи совмещения разнородного трафика в одной сети в технологии АТМ реализован принцип заказа пропускной способности и качества обслуживания, как в технологии Frame Relay. 4.3.4.2. Стек протоколов АТМ Стек протоколов АТМ показан на рис.4.28, а распределение протоколов по конечным узлам и коммутаторам АТМ – на рис.4.29. Стек протоколов АТМ соответствует нижним уровням семиуровневой модели ISO/OSI и включает: • уровень адаптации АТМ, • собственно уровень АТМ; • физический уровень. Прямого соответствия между уровнями протоколов технологии АТМ и уровнями модели OSI нет. Уровень адаптации (АТМ Adaptation Layer, AAL) представляет собой набор протоколов, которые преобразуют блоки данных протоколов верхних уровней сети АТМ в ячейки АТМ нужного формата. Функции этих уровней достаточно условно соответствуют функциям транспортного уровня модели OSI, например функциям протоколов TCP или UDP. Протоколы AAL при передаче пользовательского трафика работают только Верхние уровни Уровни адаптации АТМ (AAL1-5) Подуровень конвергенции Общая часть подуровня конвергенции Специфическая для сервиса часть Подуровень сегментации и реассемблирования Уровень АТМ (маршрутизация, мультиплексирование, управление потоком, обработка приоритетов) Физический уровень Подуровень согласования передачи Подуровень, зависящий от физической среды 4.28 Раздел 4. Глобальные сети 283 в конечных узлах сети (см. рис.4.29), как и транспортные протоколы большинства технологий. Уровень АТМ занимает в стеке протоколов АТМ примерно то же место, что протокол IP в стеке TCP/IP или протокол LAP-F в стеке протоколов технологии Frame Relay. Протокол АТМ занимается передачей ячеек через коммутаторы при установленном и настроенном виртуальном соединении, то есть на основании готовых таблиц коммутации портов. Протокол АТМ выполняет коммутацию по номеру виртуального соединения, который в технологии АТМ разбит на две части – идентификатор виртуального пути (Virtual Path Identifier, VPI) и идентификатор виртуального канала (Virtual Channel Identifier, VCI). Кроме этой основной задачи протокол АТМ выполняет ряд функций по контролю за соблюдением трафик-контракта со стороны пользователя сети, маркировке ячеек-нарушителей, отбрасыванию ячеек-нарушителей при перегрузке сети, а также управлению потоком ячеек для повышения производительности сети. 4.3.4.3. Формат АТМ - ячейки Протокол АТМ работает с ячейками следующего формата, представленного на рис.4.30. Поле Управление потоком (Generic Flow Control) используется только в UNI при взаимодействии конечного узла и первого коммутатора сети для управления трафиком и предотвращения перегрузки. Для NNI это поле не определено, а его биты используются для расширения поля идентификатора виртуального пути (VPI). Поля Идентификатор виртуального пути (VitualPath Identifier, VPI) и Идентификатор виртуального канала (Vitual Channel Identifier, VCI) занимают соответственно 8 и 16 бит. Эти поля задают номер виртуального соединения, разделенный на старшую (VPI) и младшую (VCI) части. Поле Тип полезной нагрузки (Payload Type Identifier, PTI) состоит из 3-х бит и задает тип полезной нагрузки, переносимой ячейкой – пользовательские данные или управляющая информация (например, для установления виртуального соединения). Кроме того, один бит этого поля используется для указания перегрузки в сети. 4-7 ААL 1-5 АТМ Физический Конечный узел 4.29 4-7 ААL 1-5 АТМ Физический Конечный узел АТМ Физический Коммутатор АТМ Физический Коммутатор Раздел 4. Глобальные сети 284 В однобитовом поле ППЯ – Приоритет Потери Ячейки (Cell Loss Priority, CLP) коммутаторы АТМ отмечают ячейки, которые нарушают соглашения о параметрах качества обслуживания, чтобы удалить их при перегрузках сети: ячейки с CLP=0 являются высокоприоритетными, а ячейки с CLP=1 – низкоприоритетными и могут быть удалены при перегрузках. Поле Управление ошибками в заголовке (Header Error Control, НЕС) содержит контрольную сумму, вычисленную для заголовка ячейки. 4.3.4.4. Принцип работы коммутаторов АТМ Проиллюстрируем принцип работы коммутаторов АТМ на примере АТМ-сети, представленной на рис.4.27,а). Для простоты положим, что узлы А, В, … представляют собой оконечные коммутаторы, к которым подключены соответствующие пользователи (абоненты) сети. Это означает, что между узлами А, В, … и коммутаторами Км1, Км2 и Км3 данные передаются в виде ячеек. Положим, что в процессе установления соединения, сформированы виртуальные соединения, показанные на рис.4.31 и построена таблица коммутации для коммутатора Км1, представленная на рис.4.32. Как видно из таблицы, сформировано 5 виртуальных соединений (каналов) между абонентами сети: А – D, B – E, B – F, C – F и C – G. Рассмотрим процесс прохождения через Км1 ячейки от абонента А, в заголовке которой в момент её поступления в порт 1 коммутатора в качестве идентификаторов виртуального пути и виртуального канала будут находиться значения VPI=10 и VСI=101 (рис.4.31). В соответствии с Биты 8 7 6 5 4 3 2 1 Управление потоком (GFC) Идентификатор виртуального пути (VPI) Идентификатор виртуального пути (VPI) Идентификатор виртуального канала (VCI) Идентификатор виртуального канала (VCI) Идентификатор виртуального канала (VCI) Тип полезной нагрузки (PTI) ППЯ Управление ошибками в заголовке (HEC) Данные пакета За го ло во к яч ей ки (5 б ай т) 1 2 3 4 5 53 … 6 4.30 Байты Раздел 4. Глобальные сети 285 записью в первой строке таблицы коммутации, поступившая на 1-й порт ячейка с VPI=10 и VСI=101 должна быть направлена в 4-й порт коммутатора, причём в заголовке ячейки идентификаторы виртуального пути и виртуального канала должны быть заменены на значения VPI=40 и VСI=103 (рис.4.33). Аналогично, ячейка, поступившая на 2-й порт с VPI=20 и VСI=104 будет направлена в 4-й порт коммутатора, причём в заголовке идентификаторы виртуального пути и виртуального канала будут заменены на значения VPI=40 и VСI=107. VPI=10 VСI=101 … Данные Заголовок Вх. порт 1: VPI=40 VСI=103 … Данные Заголовок Вых. порт 4: а) б) 4.33 А В С Км1 Км2 Км3 D F G E 20 30 50 10 101 106 40 103 205 107 104 109 108 302 110 1 2 3 4 5 4.31 Таблица коммутации коммутатора Км1 Вход Выход Порт VPI VCI Порт VPI VCI 1 10 101 4 40 103 4 40 205 2 20 106 2 20 104 4 40 107 3 30 108 5 50 110 3 50 302 3 30 109 4.32 Раздел 4. Глобальные сети 286 4.3.4.5. Обеспечение качества обслуживания Качество обслуживания (QoS) в АТМ-сетях задаётся следующими параметрами трафика виртуального соединения: • пиковая скорость передачи ячеек (Peak Cell Rate, PCR); • средняя скорость передачи ячеек (Sustained Cell Rate, SCR); • минимальная скорость передачи ячеек (Minimum Cell Rate, MCR); • максимальная величина пульсаций (Maximum Burst Size, MBS); • доля потерянных ячеек (Cell Loss Ratio, CLR); • задержка ячеек (Cell Transfer Delay, CTD); • вариация задержек ячеек (Cell Delay Variation, CDV). В зависимости от требований, предъявляемых к качеству передачи данных, в АТМ-сетях различают 5 классов трафика, различающихся: • скоростью передачи; • чувствительностью к задержкам; • способом установления соединения; • совокупностью параметров QoS, характерных для данного класса. В табл.4.2 представлена классификация классов трафика в соответствии с указанными признаками и приведены примеры трафика каждого класса. Здесь же представлен тип протокола (AAL1-AAL5) уровня адаптации АТМ (AAL), который обеспечивает реализацию заданных требований. Таблица 4.2 Класс A B C D X Скорость Постоянная Переменная К задержке Чувствительны Не чувствительны Соедине- ние С установлением Без уста- новления Примеры трафика Голос, ТВ Компрес- сирован. голос, ТВ Компьют ерные данные Трафик ком- пьютерных сетей Параметры QoS PCR, CTD,CDV PCR, SCR, MBS, CTD, CDV PCR,SC R,MBS Не определены Определя- ются поль- зователем AAL AAL1 AAL2 AAL5 AAL3/4 В представленной классификации предусмотрен дополнительный класс трафика, отличающийся от классов A, B, C и D, параметры которого могут быть определены пользователем. Раздел 4. Глобальные сети 287 4.3.4.6. Использование технологии АТМ Основной соперник технологии АТМ в локальных сетях – гигабитные технологии Ethernet. Там, где необходима высокоскоростная магистраль и не требуется поддержка QoS разных типов трафика, целесообразно использовать технологию Gigabit Ethernet. Технология АТМ может оказаться предпочтительней там, где важно обеспечить заданное качество обслуживания (видеоконференции, трансляция телевизионных передач и т. п.). В территориально-распределенных сетях АТМ применяется там, где сеть Frame Relay не справляется с большими объемами трафика, и там, где нужно обеспечить низкий уровень задержек, необходимый для передачи информации реального времени. 4.4. Глобальная сеть Internet Глобальная сеть Internet реализована на основе стека сетевых протоколов TCP/IP, обеспечивающих передачу данных между разнородными локальными и территориальными сетями, а также коммуникационными системами и устройствами. 4.4.1. Краткая история создания и организационные структуры Internet Появлению сети Internet и стека протоколов TCP/IP предшествовала в середине 1960-х годов разработка под эгидой агентства DARPA (Defence Advanced Research Projects Agency – Управление перспективных исследований Министерства обороны США) сети, получившей название ARPANET (Advanced Research Projects Agency NETwork). Разработка сети была поручена Стэндфордскому исследовательскому институту и трём американским университетам: Калифорнийскому в Лос-Анжелесе и Университетам штата Юта и штата Калифорния в Санта-Барбаре. Экспериментальная сеть из четырёх узлов была запущена в конце 1969 года, а к концу 1972 года в сети насчитывалось более 30 узлов. В 1974 году были разработаны модели и протоколы TCP/IP для управления обменом данными в интерсетях, а 1 января 1983 года сеть ARPANET полностью перешла на протокол TCP/IP. В конце 1970-х годов Национальный научный фонд США (National Science Foundation, NSF) начал разработку межуниверситетской сети, получившей название NSFNet, которая имела гораздо бо́льшую пропускную способность, чем ARPANET. В середине 1980-х годов произошло объединение сетей NSFNet и ARPANET, за которым закрепилось название INTRNET (Интернет). В 1984 году была разработана система доменных имён (Domain Name System, DNS), а в 1989 году появилась концепция Всемирной паутины (World Wide Web,WWW) и были разработаны протокол передачи гипертекста HTTP (HyperText Transfer Protocol) и язык разметки гипертекста HTML (HyperText Markup Language). Раздел 4. Глобальные сети 288 Благодаря отсутствию единого руководства и открытости технических стандартов Интернет объединил большинство существующих сетей и к началу 21 века стал популярным средством для обмена данными. В настоящее время подключиться к Интернету можно через спутники связи, радио-каналы, кабельное телевидение, телефон, сотовую связь, специальные оптико-волоконные линии или электропровода. Координация разработок и поддержка Интернета осуществляется следующими |