INTUIT.ru::Интернет-Университет Информационных Технологий

Исторически разработка принципов ATM - асинхронного режима передачи (Asynchronous Transfer Mode) была связана с развитием ISDN. Такое развитие было обусловлено развитием прикладных задач, например высокоскоростных местных сетей (LAN) и высококачественного телевидения, которые требовали более высоких скоростей, чем те, что предоставляли службы ISDN.

Однако разработка широкополосной цифровой сети интегрального обслуживания (Broadband ISDN - BISDN) привела к созданию метода передачи, который резко отличался от узкополосной ISDN (Narrow ISDN - NISDN), известной как асинхронный режим передачи (Asynchronous Transfer Mode).

ATM объединяет возможности двух технологий - коммутации пакетов и коммутации каналов. ATM преобразует все виды нагрузки в поток ячеек (cell) длиной 53 байта. Как показано на рис. 5.1 ячейка состоит из 48 байтов полезной нагрузки и 5 байтов заголовка, который позволяет передавать эту ячейку по сети.

Метод ATM ориентирован на соединение с пакетным способом коммутации, который обеспечивает заданное качество обслуживания (QoS - Quality of Service). ATM рассчитана на высокие скорости передачи, а также на различные виды нагрузки: равномерный поток нагрузки, пульсирующая (пачечная) нагрузка и другие промежуточные типы.

Эталонная модель протоколов BISDN

Эталонная модель протоколов BISDN показана на рис. 5.2.

Модель содержит три плоскости: плоскость пользователя (U-plane),плоскость управления (C-plane) и плоскость менеджмента - административного управления (M-plane).

Плоскость пользователя (U-plane), включает в себя передачу и прием всех видов данных, обеспечение управления потоком и защиту от ошибок. Она имеет уровневую структуру.

Плоскость управления (C-plane) содержит совокупность протоколов, используемых для сигнализации при установлении, контроле и разъединении соединения. Она имеет уровневую структуру.

Плоскость менеджмента (M-plane) включает в себя две плоскости: административное управление уровнями плоскостей и управление плоскостями.

Функции управления уровнями содержат совокупность протоколов, координирующих:

Рассмотрим более подробно уровни плоскости пользователя и управления.

Плоскость пользователя имеет три основных уровня для поддержки пользовательских приложений: физический, адаптации ATM, уровень ATM. Уровень адаптации ATM (ATM Adaptation Layer - AAL) имеет несколько типов, функции которых определяются различными классами нагрузки пользователя. Уровень адаптации преобразует блоки данных пользователя (SDU - Service Data Unite) в 48-байтовые блоки, которые переносятся ATM-ячейками.

На рис. 5.3показана я информация, генерируемая различными приложениями: передача речи, передача данных, передача видео.

На рисунке показаны источники, порождающие различные типы нагрузки:

Задача устройства уровня AAL: преобразовать информацию, разбить на блоки и предоставить для передачи через уровень ATM, который позволяет системе передать все характерные особенности данного приложения (например, тактовые последовательности). Можно отметить, что функции AAL могут размещаться в оконечном оборудовании, а другие функции - выполняться сетью, как это показано на рис. 5.4.

ATM-уровень занимается только последовательной передачей ATM-ячеек, полученных от уровня AAL, в установленном по сети соединении (установлением соединения занимается плоскость управления). ATM-уровень принимает 48-байтовые блоки информации от AAL и дополняет их 5-байтовым заголовком, формируя ячейку (ATM). Заголовок содержит метку, которая определяет свойства устанавливаемого соединения и используется коммутатором для определения следующего участка пути, а также типа приоритета.

ATM может обеспечить различное качество обслуживания разным соединениям. Это оговаривается до предоставления услуги специальным соглашением между пользователем и поставщиком услуг, которое называется контрактом на услуги (service contract). Пользователь вырабатывает требования, которые определяются предоставляемой им нагрузкой и коэффициентом качества (QoS) при установлении связи. Если сеть может предоставить требуемое качество, то контракт устанавливает гарантированный QoS, пока пользователь выполняет все характеристики установленного трафика. Механизм введения очереди и расписания в ATM-коммутаторах обеспечивает возможность поставки информации с заданным QoS. Для того чтобы доставить информацию с предписанным QoS, ATM-сети используют механизм наблюдения. Он будет рассмотрен далее.

В соответствии с числом подключаемых пользователей режим ATM поддерживает два типа соединений: "точкаточка" и "точка - много точек". Связь "точкаточка" может быть однонаправленной или двунаправленной. В последнем случае для каждого направления может быть установлено свое QoS. Связь " точка - много точек" всегда однонаправленная и устанавливается от одного пользователя ко многим.

По времени удержания соединения ATM обеспечивает постоянное виртуальное соединение (Permanent Virtual Connection - PVC) и коммутируемые виртуальные соединения (Switch Virtual Connection - SVC). PVC работает как постоянная, арендованная между сторонами пользователей линия. Точки соединения устанавливаются сетевым менеджером. При SVC оконечные точки задаются в момент инициализации вызова по запросу пользователей.

SVC устанавливается посредством процедур обмена сигналами. Исходящий пользователь должен взаимодействовать с сетью с помощью интерфейса "пользователь-сеть" (User-Network Interface - UNI), как это показано на рис. 5.7.

Запрос на установление соединения распространяется по сети и в конечном итоге включает в себя обмен по протоколу UNI между сетью и терминалом пункта назначения.

В пределах одной сети станции взаимодействуют согласно интерфейсу "сеть- сеть" (network-network interface NNI). Станции, которые принадлежат разным сетям, взаимодействуют по интерфейсу широкополосной межсетевой связи (Broad Band Intercarrier Interface - B-ICI). Исходящий терминал и терминал оконечного пункта, так же как станции, участвующие в соединении по сети, обеспечивают своими ресурсами качество обслуживания соединения (QoS).

Плоскость управления поддерживает функции сигнализации и управления сетевыми приложениями. Сигнализацию можно рассматривать как одну из прикладных задач, в которой оконечное оборудование и станции обмениваются сообщениями верхнего уровня, необходимыми для установления соединения. Плоскость управления, так же как и плоскость пользователя, имеет три базовых уровня. Уровень адаптации сигнализации для плоскости управления предназначен для того, чтобы обеспечить достоверный обмен сообщениями между ATM-системами. Протоколы высокого уровня для этой плоскости предназначены для поддержки интерфейсов "пользователь-пользователь" (UNI), "сеть-сеть" (NNI), широкополосной межсетевой связи (B-ICI).

Физический уровень ( рис. 5.6) для обеих рассматриваемых плоскостей разделяется на два подуровня.

Подуровень, зависящий от физической среды (PMD - Physical Medium Dependent), нижний из двух подуровней, относится к описанию деталей передачи бит через конкретную среду, таким как линейное кодирование, синхронизация, восстановление формы сигнала, а также к разъемам, и механическим соединениям и т. д.

Подуровень согласования с системой передачи (TCS - Transmission Convergence Sublayer) устанавливает границы ATM-ячеек в потоке бит; генерирует и контролирует контрольную сумму; вставляет и удаляет "свободные" ATM-ячейки в формат, предназначенный для передачи по заданной физической среде.

Имеется большое число физических уровней, предназначенных для обеспечения различных сетевых сценариев: например, локальных или региональных сетей, учрежденческих сетей. ATM адаптируется для применения в уже существующих стандартах физического уровня, таких как SDH (155,2 Мбит/с), E1 (2,048 Мбит/с) E3(34,4 Мбит/с) E4 (139 Мбит/с). Для распространения сигнала чаще всего используется волоконнооптическая линия.

Уровень ATM

Уровень ATM связан с последовательной передачей ячеек информации по установленному по сети соединению. Рассмотрим этот уровень.

Заголовок ATM-ячейки. Различные заголовки ATM-ячеек предназначены для использования в интерфейсах "пользователь-пользователь" (UNI), "сеть-сеть" (NNI). Интерфейс "пользователь-пользователь" (UNI) используется при обмене между оконечным оборудованием пользователей сети ATM или для обмена пользователей сети ATM со станциями ATM-сети организации, или между станциями ATM организаций и общедоступной ATM-сетью, переносящей информацию, как это показано на рис. 5.5.

Интерфейс "сеть-сеть" (NNI) используется при связи между узлами (станциями) одной и той же сети.

На рис. 5.7 показан 5-байтовый заголовок для интерфейса "пользователь-пользователь (UNI). Сначала дадим краткое описание функций полей этого заголовка, а потом рассмотрим более детально их роль при функционировании сети ATM.

Общее поле управления потоком (Generic Flow Control - GFC) - имеет в длину 4 бита и предназначено для управления нагрузкой и обеспечения доступа к среде при нескольких терминалах. Оно используется для защиты от перегрузок как в двухточечных, так и многоточечных конфигурациях доступа. Поле управления потоком применяется только для регулирования потока пользователя и не передается по сети. Поэтому при интерфейсе "сеть-сеть" оно не задействовано, а освободившиеся биты включаются в индикатор виртуального канала.

Идентификатор виртуального пути (IVP - Identifier Virtual Path) - поле длиной 8 бит в интерфейсе "пользователь-пользователь" и 12 бит в интерфейсе "сеть-сеть" (используются биты, освободившиеся от поля "управление нагрузкой"). Это поле позволяет отобразить

виртуальных путей в заданном UNI-соединении. Виртуальный путь содержит пучок виртуальных каналов, которые последовательно подключаются при установлении соединения по сети.

Идентификатор виртуального канала (IVC - Identifier Virtual Channel) - поле из 16 бит, что позволяет отобразить $2^{16}=65 536$ виртуальных каналов. Идентификаторы виртуального пути и канала совместно показывают положение данного соединения в данном маршруте.

Поскольку во многих случаях используется не все указанное количество каналов, соответственно не задействуется полный объем полей идентификатора. Поэтому для такого случая установлены следующие правила:

Тип полезной нагрузки - поле длиной 3 бита; позволяет определить 8 типов полезной нагрузки (таблица 5.1).

Таблица 5.1. Типы полезной нагрузки ATM
значение идентификатора типа нагрузки	содержание
$b_1 \; b_2 \; b_3$	содержание
	Ячейка пользователя. Перегрузки нет. Блок данных типа 0 (пользователь-сеть)
	Ячейка пользователя. Перегрузки нет. Блок данных типа 1 (пользователь- пользователю)
	Ячейка пользователя. Имеет место перегрузка. Блок данных типа 0. (пользователь-сеть)
	Ячейка пользователя. Имеет место перегрузка. Блок данных типа 1. (пользователь-пользователь)
	Ячейка системы эксплуатации и технического обслуживания
	Ячейка системы эксплуатации и технического обслуживания
	Ячейка управления ресурсами
	Резерв

Старший бит

указывает, что комбинация принадлежит ячейке, переносящей пользовательские данные;

указывает, что комбинация принадлежит ячейке системы эксплуатации и технического обслуживания.

При значении

второй бит (

) служит указателем явной перегрузки, посылаемым в направлении передачи (Explicit Forward Congestion Indication -EFCI) и информирует приложения о возможной задержке ячейки, последующей за данной ячейкой. Он используется для включения механизма управления перегрузкой при классе обслуживания "доступная скорость передачи данных", о котором будет сказано далее.

При значении

, последний бит (

) переносится по всей сети и, как будет показано далее, используется на уровне адаптации AAL 5. При

он служит указателем конца сервисного блока данных (SDU - Service Data Unit).

Поле полезной нагрузки 110 предназначено для регулировки трафика.

Поле приоритета потери ячейки (CLP - Cell Loss Priority) устанавливает два уровня приоритета для ячеек ATM. Ячейка, имеющая в поле приоритета CLP=0, в период перегрузки обрабатывается с более высоким приоритетом, чем ячейка с

. В частности,

ячейка должна быть отброшена прежде, чем ячейка с меткой

. Бит

может устанавливаться для индикации степени важности трафика или может быть установлен сетью для указания более низкого приоритета по QoS потока или ячейки, которая нарушает условия контракта.

Приоритет потери ячейки устанавливается пользователем или поставщиком услуг. Ячейки, принадлежащие источникам с постоянной скоростью передачи, всегда должны иметь приоритет по сравнению с источниками с изменяющейся скоростью.

В свою очередь, при передаче ячеек источника с изменяющейся скоростью передача части ячеек может присваиваться

, а части

. Это позволяет разделить поток ячеек на два потока: один, потеря которого мало влияет на качество обслуживания, и второй, потеря ячеек которого существенно сказывается на качестве обслуживания.

На узлах доступа может осуществляться проверка параметров потока пользователя, а на транзитных узлах - параметров сетевой нагрузки. Если параметры потока превышают установленные соглашением, то у части ячеек значение поля приоритета потери ячейки может меняться с

на

. При перегрузках на других узлах эти ячейки могут сбрасываться.

Контроль ошибок заголовка. Восьмибитовая комбинация циклической проверочной суммы. CRC (Cyclic Redundancy Check) использует механизм проверки, показанный в главе 4 (Контроль ошибок с помощью циклического избыточного кода). Проверяется первые четыре байта, а результат проверки заносится в пятый байт. Этот код может исправить однобитовую ошибку и выявить до 89% многобитовых ошибок в заголовке. Обе возможности реализуются оборудованием приема ячеек ATM с помощью адаптивного механизма.

После запуска приемник находится в режиме коррекции. Если обнаружена однобитовая ошибка, то она исправляется. Если обнаружена многобитовая ошибка, то ячейка стирается. В обоих случаях приемник переключается в режим детектирования. В этом состоянии приемника каждая ячейка стирается. Если ошибок в заголовке не обнаружено, то механизм переходит в состояние коррекции. Такой режим коррекции предпочтительнее для среды, где одиночные ошибки более вероятны, чем для среды со многими ошибками.

Виртуальное соединение

ATM ориентировано на установление соединения, которое в данном случае является виртуальным. Виртуальное соединение - это логическое соединение, организуемое между отправителем и получателем. Принадлежность ячейки к виртуальному соединению (Virtual Channel Connection - VCC) распознается по номеру виртуального соединения, состоящему из номера виртуального канала (Virtual Channel - VC) и виртуального пути (Virtual Path - VP) ( рис. 5.8). После установления виртуального канала для передачи ячеек не требуется номер выделения и обработка адресов конечных точек. Виртуальный путь - это группа, объединяющая однонаправленные виртуальные каналы.

Еще одним важным понятием является виртуальное звено (Virtual Link). Идентификаторы виртуального канала (ИВК) и идентификаторы виртуального пути (ИВП) назначаются только между определенными станциями сети. Их часто называют коммутаторами сети ATM, но это приводит к путанице с коммутаторами внутри станции. Поэтому мы в дальнейшем будем использовать название "станции". При прохождении станций эти значения идентификаторов меняются и не обязательно одновременно на одной и той же станции. Поэтому участок сети, на котором ИВК не меняется, называется звеном виртуального канала (Virtual Channel Link).

А участок сети, на котором не меняется ИВП, называется звеном виртуального пути (Virtual Channel Path).

При коммутации можно выделить коммутаторы каналов и коммутаторы путей, которые в соответствии со значением соответствующих идентификаторов коммутируют информацию и меняют ее в соответствии с маршрутом.

На рис. 5.9 приведена сеть, которая помогает рассмотреть использование идентификаторов путей и каналов.

На рис. 5.9 изображены 5 виртуальных соединений, начальная и конечная точки которых отмечены одинаковыми буквами (

). На рисунке также изображены виртуальные пути, которым присвоены соответствующие идентификаторы виртуальных путей (VPI).

При этом VPI1 содержит 3 виртуальных канала (они на рисунке обведены эллипсом), VPI2 - 2 виртуальных канала, VPI 3 - 3 виртуальных канала, VPI 4 - 2 виртуальных канала, VPI 4 - 2 виртуальных канала.

Виртуальные соединения

проходят через коммутатор один виртуальный путь (c одинаковым идентификатором VPI1), а также один и тот же виртуальный путь через коммутатор 2 (идентификатор VPI3). Коммутатор 3 разделяет каналы, входившие в VP3. Информация одного виртуального канала направляется к оконечному оборудованию виртуального соединения a, другие два канала образуют виртуальный путь с идентификатором VPI 5.

Соединения

проходят через 1-й коммутатор по виртуальному пути с идентификатором VPI 2. При этом один канал (изображенный сплошной линией, проходящей через коммутатор) - полупостоянный, т. е. канал, установленный на достаточно большое время и не переустанавливаемый при каждом соединении. Второй коммутатор направляет этот поток по пути с идентификатором VPI 4, и далее он поступает на оконечное оборудование.

В ходе рассмотрения этого рисунка легко установить точки, где изменяется виртуальный идентификатор пути и где происходит коммутация с использованием идентификатора канала.

Заметим, что сеть ATM обеспечивает два основных типа соединений. Постоянное виртуальное соединение (Permanent Virtual Connection - PVC) - это долговременное соединение (несколько дней и даже месяцев), которое обычно устанавливается между конечным оборудованием сети ATM и используется при работе операторов. Для каждого такого соединения жестко заданы маршрут, скорость и класс обслуживания (QoS). Коммутируемое виртуальное соединение (Switched Virtual Connection - SVC) устанавливается по запросу со стороны вызывающего абонента. Соединение создается только в том случае, если имеются соответствующие ресурсы сети, и только на время, необходимое для обмена информацией. После окончания передачи пакетов или ретрансляции кадров соединение сразу разрывается.

Принцип замены идентификаторов при установлении соединения через коммутатор показан на рис. 5.10. Номера, стоящие в заголовках сообщений, условно отображают идентификаторы виртуальных путей; номера портов соответствуют номерам каналов внутри виртуального пути, указанного в заголовке.

Заметим, что рис. 5.10 показывает один из вариантов коммутатора с пространственно временным разделением потока. Это наиболее распространенный случай.

На рис. 5.10 показана таблица соответствия для двух входных портов ATM-коммутатора. Во входной порт 5 поступает поток ячеек, переносящий речевую информацию и имеющий в заголовке идентификатор 12, а также поток, переносящий видеоинформацию, который имеет в заголовке идентификатор 21. Когда ячейка с идентификатором 12 поступает на входной порт 5, отыскивается входное значение 12 в таблице коммутатора, которая показывает (см. значения по строке), что эта ячейка должна быть перенесена в выходной порт 1 с изменением значения идентификатора в заголовке на 17. Таким же образом ячейка, пребывающая в порт со значением идентификатора 21, передается в порт N с изменением значения идентификатора на 70.

При постоянных виртуальных соединениях таблица соответствия сохраняется на долгое время, при коммутируемом виртуальном соединении таблица заполняется на время обмена информацией.

При рассмотрении работы этого коммутатора можно заметить, что при коммутации поток разделяется во входном порту на отдельные пакеты и далее заново собирается во входном порту. В данном случае большую роль играет основная особенность ATM - использование относительно коротких пакетов. Это намного упрощает выполнение коммутации и увеличивает скорость работы. Есть возможность создавать коммутаторы со скоростью несколько сотен мегабит в секунду. Использование коротких пакетов позволяет с высокой точностью управлять расписанием передачи пакетов, поскольку короткие пакеты уменьшают время ожидания в очереди, пока передающая линия получит доступ к следующему передатчику.

Как уже было сказано выше, ATM-коммутаторы используют принцип пакетной коммутации, ориентируемый на соединение.

Этот принцип заключается в том, что коммутация проводится с буферизацией. Входящий пакет записывает в буфер, анализируется заголовок и на основании этой информации сообщение передается далее. Имеется несколько способов такой передачи (быстрый способ без проверки ошибок, с проверкой ошибок). На рис. 5.11показан принцип работы ATM-мультиплексора для иллюстрации различия между мультиплексированием с разделением по времени и ATM-мультиплексированием.

На входы мультиплексора поступает различная информация. При методе ВРК ( рис. 5.11а) информационный поток периодически последовательно опрашивается в порядке номеров портов. Если имеется информация, то она передается в канал в виде блока информации, занимающего определенную временную позицию. Если информация отсутствует, то этот блок уходит в канал "пусто" либо в канал, заполненный служебной информацией. Система с опросом ориентирована на постоянное соединение с каналом, поскольку передает непосредственно информацию от источника. В этом случае при небольшой плотности передаваемой информации большие ресурсы сети загружены непроизводительно. Достоинством такой системы является минимальная задержка информации, которая определяется циклом опроса.

При пакетной коммутации мультиплексор размещает полученную информацию в одну или несколько очередей (промежуточный буфер) и обслуживает эту очередь в соответствии с заданной стратегией, которая определяет порядок считывания поступивших ячеек. При передаче формируется пакет (в ATM ограниченной длины - 53 байта), в котором передается все сообщение или часть его. Если далее очередь (буфер) пустая, то соединение разъединяется и свободно для другого соединения. Таким образом, этот метод обеспечивает меньшую нагрузку на сеть. Стратегия ведения очереди предоставляет возможность обеспечивать различное качество обслуживания для различных потоков. Система передачи называется асинхронной потому, что при передаче ячеек она не связана ни с какой синхронизацией кадров, сверхкадров и т. п., как это происходит в системах с ВРК.

Недостатком такой системы является задержка информации при большой нагрузке, связанная с пребыванием в очереди. Этот недостаток уменьшается принятыми стратегиями ведения очередей и структурой коммутаторов ATM. Применение методов, ориентированных на соединение, позволяет уменьшить объем служебной информации, связанной с адресацией, а фиксированная сравнительно короткая величина пакета уменьшает время пребывания в очереди.

Структура ATM-коммутаторов

Пакетный коммутатор выполняет две главных функции: маршрутизация и установление соединения. Функция маршрутизации использует алгоритмы для выбора пути к каждому пункту назначения и хранит необходимую для этого информацию в таблицах маршрутизации. Функция установления соединения обрабатывает каждый входящий пакет от входного порта и передает его к соответствующему порту вывода на основе информации, хранящейся в таблице маршрутизации. Рассмотрим основную структуру пакетного коммутатора и принцип выполнения пакетным коммутатором основных функций. рис. 5.12 показывает универсальный пакетный коммутатор, состоящий из входных портов, портов вывода, коммутационной системы и управляющего устройства коммутатора.

В линейный комплект часто включаются несколько портов ввода/вывода так, чтобы полностью использовать высокую скорость потока внутри коммутационной системы. Линейный комплект занимается посимвольной синхронизацией, линейным кодированием, цикловой синхронизацией, физической адресацией и проверкой ошибок.

Линейный комплект может также поддерживать протоколы управления доступом к среде. Обычно он реализуется набором микросхем специального назначения. Во многих случаях в линейном комплекте могут также находиться таблицы маршрутизации сетевого уровня и микросхемы специального назначения, необходимые, чтобы выполнить в таблице быстрый поиск для определения порта вывода, а также алгоритмы планирования очереди, которые будут рассмотрены в дальнейшем. Как правило, линейный комплект состоит из различных наборов микросхем, показанных на рис. 5.12б. На этом рисунке программируемый сетевой процессор выполняет задачи, связанные с передачей пакета, такие как поиск в таблице и планирование маршрута прохождения пакета.

Контроллер в пакетном коммутаторе выполнен на многоцелевом процессоре. Он занимается управлением в зависимости от типа пакетной коммутации. Например, контроллер в пакетном коммутаторе, работающий в режиме без установления соединения, обычно выполняет некоторые протоколы маршрутизации, в то время как контроллер в пакетном коммутаторе, работающем в режиме, ориентированном на соединение, может также выполнять функции передачи служебных сигналов. Он также может определять дисциплину обслуживания очереди пакетов (дисциплины обслуживания очереди будут рассмотрены далее).

Контроллер также связан с каждым линейным комплектом и коммутационной системой так, чтобы принять, обработать и передать необходимые служебные сигналы, которые определяются протоколами взаимодействия. Функция коммутационной системы - передать пакеты между линейными комплектами. рис. 5.12 не показывает детальную схему коммутатора. В основном он выполнен на элементах памяти, которые накапливают входные потоки и считывают на адресуемые выходы. В дальнейшем будет рассмотрен принцип коммутации ATM и принципы цифровой коммутации, которые дают представление о построении таких схем.

На рис. 5.12 входы и выходы коммутатора с одними и теми же номерами показаны раздельно. Однако в большинстве случаев они включаются в одно и то же устройство и обеспечивают передачу (выход) и прием (вход) информации (двусторонняя связь). Анализируя этот рисунок, можно предположить, что коммутационная система может стать узким местом, если в нее включено много высокоскоростных линейных комплектов. Поскольку нагрузка от всех портов проходит через контроллер и коммутационную систему, то внутренняя скорость работы при коммутации должна как минимум быть в

раз выше. Поэтому так много внимания в ATM коммутационной технике уделяется созданию коммутаторов с параллельной передачей информации и другими возможностями, позволяющими уменьшить опасность отказов. На рис. 5.13 показана коммутационная система, использующая буферные накопители. Она представляет собой координатный коммутатор, который способен подключить любой из

выходов буферного накопителя к любому из N выходов. Если выход свободен, то пакет передается, а оставшиеся пакеты остаются в буфере. Поскольку коммутатор обеспечивает передачу только одного пакета к одному выходу, то на время передачи можно подключить буфер другого входа к другому выходу. Таким образом, координатный (матричный) коммутатор с памятью на входе уменьшает требования к скорости работы коммутатора. Однако буферизация на входе порождает другую проблему. Рассмотрим ситуацию, когда имеются два пакета в буфере 2, как это показано на рис. 5.13. Первый пакет адресован на выход 3, а второй - на выход 8. Предположим, что пакет от входного буфера 1 адресован тоже на выход 3. Теперь предположим, что управление коммутационной системой соединяет для передачи входной буфер 1 с выходом 3. Тогда первый пакет в буфере 2 вынужден ждать, пока выход 3 не окончит передачу пакета. Все это время второй пакет входного буфера 2, находясь после первого пакета в очереди, должен ждать, хотя выход 8 свободен. Эта ситуация может привести к серьезным ухудшениям характеристик в матричном коммутаторе с буферизацией на входе.

Ситуация, при которой первый пакет сдерживает другие последующие пакеты сзади него, называется блокировкой заголовком очереди (HOL - Head Of Line Blocking).

Выходом из такого положения является применение буферного устройства на базе памяти с произвольным доступом (RAM - Random Access Memory). Тогда, если первая ячейка заблокирована, выбирается следующая, у которой требуемый выходной порт свободен. Однако такой режим усложняет управление буферной памятью и процессом коммутации в целом.

Как будет показано далее, при рассмотрении цифровой коммутации, матричная структура имеет большую сложность. Для построения коммутатора с N входами и N выходами требуется

входов

коммутационных элементов, что препятствует построению больших коммутационных систем. Поэтому на практике применяют многокаскадные коммутационные системы. Одна из таких структур называется коммутационной системой баньянного¹⁾ типа (рис. 5.14). Баньянный коммутатор обычно составлен из коммутационных элементов 2x2, связанных таким способом, что существует единственный путь от каждого входа до каждого выхода. Маршрутизация проводится децентрализованно методом самопоиска с использованием двоичных адресов. Каждый двоичный коммутационный элемент может находиться в одном из двух состояний: 0 - связь сквозная или 1 - перекрестная. Процедура выбора пути не зависит от номера входа, а зависит от адреса выхода.

Например, если выходной адрес равен 001, то от входа 1

Таким образом, независимо от входных адресов 1 и 2 пакет направляется на выход, имеющий адрес 001.

Основным достоинством такого поиска является самомаршрутизация без использования таблиц.

Основной недостаток такой структуры заключается в наличии внутренних блокировок. Например, если одновременно установить соединение входа 5 с выходом 1 и входа 7 с выходом 0, то они будут конкурировать за нижний вход в коммутаторе 1.

Наличие внутренних блокировок снижает пропускную способность такого коммутатора. Основной способ преодоления влияния внутренних блокировок - это размещение буферов в баньянных структурах. Баньянный коммутатор - только один из многих возможных способов строить большие коммутационные системы.

Параметры качества обслуживания

Одним из основных показателей ATM является обеспечение гарантированного качества обслуживания (QoS) при передаче потока информации по сети. В ATM сети QoS обеспечивается сетью, в соответствии с заранее согласованными параметрами.

Эти параметры определяют величины, относящиеся к последовательной передаче ячеек. Всего таких параметров 6.

Три параметра, определенные ATM-стандартами, не связаны со временем передачи ячеек и показывают важные параметры сети. Эти параметры не могут быть предметом соглашения с пользователем.

Коэффициент ошибок по ячейкам (Cell Error Ratio - CER). Коэффициент ошибок по ячейкам - это отношение числа принятых в течение передачи ячеек, с одной и более ошибками, к общему числу переданных ячеек. Коэффициент ошибок по ячейкам зависит от лежащей в основе физической среды. Коэффициент ошибок по ячейкам подсчитывается с исключением блоков серьезных ошибок (см. определение этого понятия выше).

Коэффициент ложной вставки (Cell Misinsertion Rate - CMR). Коэффициент ложной вставки - это среднее число ячеек в секунду, которые ошибочно доставлены к данному пункту назначения (от несоединенного с ним источника). Коэффициент ложной вставки в первую очередь зависит от ошибок в заголовке неправильно доставленной ячейки. Как и в предыдущем случае, рассматриваемый коэффициент подсчитывается с исключением блоков серьезных ошибок (см. определение этого понятия выше).

Коэффициент блоков ячеек с серьезными ошибками (Severely Errored Block Ratio - SEBR). Коэффициент блоков ячеек с серьезными ошибками подсчитывается в случае наступления события, когда в данном блоке из

ячеек более чем

ячеек теряется, приходит с ошибками или относbтся к ложной доставке. Величины

задаются поставщиком услуги. Коэффициент блоков ячеек с серьезными ошибками - это отношение числа последовательно нарушенных блоков ячеек к общему числу поступивших блоков ячеек. Он возникает в результате сбоев механизма передачи в основной среде. Например, переполнение буферной памяти, резкое переключение на резерв и другие непредусмотренные события.

Следующие три параметра могут быть согласованы между пользователем и сетью перед установлением связи.

Коэффициент потерь ячеек. (Cell Loss Ratio - CLR). Коэффициент потерянных ячеек - это отношение числа потерянных ячеек к общему числу переданных ячеек. При расчете этого коэффициента исключаются ячейки, потерянные в результате серьезных ошибок. Общее количество потерянных ячеек определяется как разность между количеством переданных ячеек из исходящего пункта и принятых пунктом назначения. Если количество переданных ячеек меньше количества принятых, то имеет место прием ячеек, поступивших не по адресу, и потерянных ячеек нет. Это значение может служить предметом соглашения между пользователем и поставщиком услуг на время установления соединения. Оно задается для данного соединения. Это задание лежит в пределах 10-1-10-15. Этот коэффициент может быть не согласован. Он может быть заявлен любым значением от 0 до 1. Величина, которая может быть принята поставщиком, зависит от стратегии распределения буферной памяти, которая возможна в данной сети.

Задержка передачи ячейки (Cell Transfer Delay - CTD). Это время, которое проходит от момента, когда ячейка введена в сеть от источника в интерфейс "пользователь-сеть", до момента, когда он появляется на интерфейсе "пользователь-сеть" в пункте назначения. Задержка передачи ячейки включает в себя время распространения, время на обработку, время нахождения в очереди в мультиплексорах и коммутаторах. В общем случае значение задержки может быть задано плотностью вероятности, которая характеризует распределение вероятности появления заданной величины задержки передачи ячеек.

На рис. 5.15 приведена одна из возможных функций, называемая функцией нормального распределения. На рисунке показана функция плотности распределения $\phi (x)$ и некоторые условные величины. Здесь имеется разброс величин от 0 до 3 и 0 до -3. Площадь, ограниченная этой кривой, характеризует вероятность появления величины в этом диапазоне. Например, вероятность того, что величина, показанная на рисунке, примет величину в диапазоне $0 \pm 0,67$ , равна 0,5 (50%). Полная площадь кривой в диапазоне $0 \pm 3$ равна единице.

На рисунке изображены проценты, которые занимает площадь, покрываемая этой кривой в зависимости от диапазона величин, которые нас интересуют. Реальные функции отличаются от нее положением максимума и распределением значений плотности, но характер остается прежним. Функция задержки задается либо максимальным диапазоном времени задержки x, либо вероятностью отклонения от этого диапазона вероятности, которая обозначается $1-\alpha$ .

Механизм управления величиной задержки передачи ячейки должен использовать эту величину для управления очередями и коммутацией.

Среднее квадратическое отклонение задержки ячеек (Cell Delay Variation -CDV). Эта величина определяется исходя из дисперсии (математическое ожидание квадрата разности случайной математической величины и ее математического ожидания). Положительное значение квадратного корня из этого числа называется средним квадратическим отклонением случайной величины. При заключении договора на обслуживание эта величина задается как максимальное (положительное или отрицательное) отклонение времени задержки передачи. Таким способом фиксируется диапазон возможных отклонений.

Описание трафика

Способность сети обеспечить заданный уровень качества обслуживания зависит от того, какой поток генерирует источник. Это может быть равномерно распределенная по времени нагрузка либо нагрузка, поступающая "пачками". От этого зависят требуемые ресурсы сети - полоса пропускания, количество буферной памяти. Поэтому в соглашении между пользователем и поставщиком услуги должен быть оговорен характер трафика. Для этой цели в описании (дескрипторе) трафика предназначены следующие основные параметры трафика, за которыми осуществляется контроль.

Пиковая скорость ячеек (Peak Cell Rate - PCR). Пиковая скорость ячеек измеряется в единицах "ячейка в секунду": где

- интервал между поступлением двух ячеек.

Поддерживаемая скорость (SCR - Sustainable Cell Rate). Это средняя скорость передачи ячеек в ячейке/секунде, поддерживаемая источником в течение долгого времени. Она всегда должна быть меньше или равна пиковой скорости.

Максимальный размер пачки (Maximum Burst Size - MBS) определяется количеством ячеек, генерируемых источником на пиковой скорости.

Минимальная скорость ячейки (Minimum Cell Rate - MSR) - это минимальная скорость, которая разрешается для передачи источником.

Допустимый разброс времени задержки (Cell Delay Variation Tolerance - CDVT)/ Даже если источник точно поддерживает пиковую скорость, последующее мультиплексирование и обработка можгут внести разброс в значение этой скорости. Этот параметр может быть измерен в сети.

Надо отметить, что не все перечисленные параметры обязательно используются по соглашению.

Категории обслуживания ATM

В общем случае ATM - соединение четко определенных классов, имеющих четко выраженные параметры. ATM-форумы определили 5 классов категорий обслуживания, как это показано в таблице 5.2. Первые две категории (Constant Bit Rate - постоянная скорость передачи, Variable Bit Rate - переменная скорость передачи) используются для установления соединений в реальном масштабе времени и чувствительны к существенным задержкам.

Таблица 5.2. Характеристики категорий ATM-обслуживания
характеристики	Уровни ATM-обслуживания
	Постоянная скорость передачи	Переменная скорость передачи		Неопределенная скорость передачи	Доступная скорость передачи
	Постоянная скорость передачи	Реальный масштаб времени	Нереальный масштаб времени	Неопределенная скорость передачи	Доступная скорость передачи
Параметры трафика Пиковая скорость и разброс времени задержки	Задается	Задается	Задается	Задается	Задается
Поддерживаемая скорость, максимальный размер пачки	Отсутствует	Задается	Задается	Отсутствует	Отсутствует
Минимальная скорость	Отсутствует	Отсутствует	Отсутствует	Отсутствует	Задается
Параметры качества обслуживания Разброс по времени	Задается	Задается	Не задается	Не задается	Не задается
Максимальная задержка	Задается	Задается	Задается	Не задается	Не задается
Коэффициент ошибок	Задается	Задается	Задается	Не задается	Не задается
Другие характеристики. Обратная связь	Не задается	Не задается	Не задается	Не задается	Не задается

Constant Bit Rate (CBR) - постоянная скорость передачи. Эта категория обслуживания применяется в случае жестких требований к временным параметрам передачи. Это речь, обычные типы видео с постоянной скоростью передачи информации, передача речи с постоянной скоростью или транспортирование по сети ATM цифровых каналов E1 или T1. Такую услугу называют эмуляцией каналов (circuit emulation). Все эти службы требуют постоянной скорости передачи в течение времени всего соединения. При этом для трафика задается пиковая скорость ячеек (Peak Cell Rate - PCR). Качество обслуживание задается с помощью указания задержки (Cell Transfer Delay - CTD), коэффициента потери ячеек (Cell Loss Ratio - CLR).

Real Time Variable Bit Rate (VBRrt) - переменная скорость передачи в реальном масштабе времени. Эта категория обслуживания применяется в случае трафика с переменной битовой скоростью и со строгими требованиями к временным параметрам передачи, таким, как подвижное телевидение. Рассматриваемый вид трафика требует задания пиковой скорости ячеек (Peak Cell Rate - PCR), поддерживаемой скорости (Sustainable Cell Rate - SCR). Качество обслуживания задается с помощью указания задержки (Cell Transfer Delay - CTD), коэффициента потери ячеек (Cell Loss Ratio - CLR).

Nonreal Time Variable Bit Rate (VBRnt) - переменная скорость, предназначенная для обслуживания трафика с переменной битовой скоростью, такого как высокоточное телевидение, со строгими требованиями к временным параметрам передачи. Этот вид трафика требует задания пиковой скорости ячеек (Peak Cell Rate - PCR), поддерживаемой скорости (Sustainable Cell Rate - SCR). Качество обслуживание задается с помощью указания задержки (Cell Transfer Delay - CTD), коэффициента потери ячеек (Cell loss ratio - CLR).

Available Bit Rate (ABR) - доступная скорость передачи; применяется для обслуживания трафика от источников, которые адаптируют свою скорость передачи в ответ на требования сети, передаваемые по цепям обратной связи. Этот тип обслуживания позволяет источнику регулировать свою производительность в соответствии с возможностями сети. При возникновении перегрузки на сети предусматривается механизм, позволяющий плавно снижать скорости передачи в канале в зависимости от доступных сетевых ресурсов, что гарантирует завершение всех оставшихся приоритетных соединений. Этот вид трафика требует задания пиковой скорости ячеек (Peak Cell Rate - PCR), минимальной скорости ячеек (Minimum Cell Rate - MCR). Эта скорость может быть равна 0. Источники регулируют скорость, с которой они работают с сетью, с помощью алгоритма управления перегрузкой, который диктует им способ работы в зависимости от ресурсов сети. Соединения, которые адаптируют их трафик, используют каналы обратной связи и могут исключать ячейки с низким приоритетом. Качество обслуживания задается с помощью указания задержки (Cell Transfer Delay - CTD), коэффициента потери ячеек (Cell Loss Ratio - CLR).

Unspecified Bit Rate - неопределенная скорость передачи. Этот вид обслуживания не гарантирует никакого качества обслуживания. Пиковая скорость ячеек и параметры доставки не устанавливаются. Сетевые ресурсы для передачи такого трафика выделяются "по возможности", т. е. только те, которые свободны в данный момент.

В системах передачи ATM качество обслуживания гарантируется на основе соединений; при любом соединении ожидается, что его требования будут обеспечены. Однако ATM-сети выполняют одновременно много соединений и обрабатывают много потоков с различными требованиями, поэтому следует рассмотреть возможности соблюдения этих гарантий и стратегии использования ресурсов для различных категорий обслуживания ATM.

Для источников с постоянной битовой скоростью устанавливается свободное использование ресурсов для передачи с согласованной пиковой скоростью передачи ячеек в любое время и любой длительности. Из этого следует, что сеть должна иметь достаточную пропускную способность, чтобы позволить источнику постоянно передавать информацию с заданной пиковой скоростью. Дисциплина расписания/приоритета в мультиплексорах и коммутаторах должна гарантировать, что любому соединению будет доступна такая производительность, которая удовлетворит согласованные требования среднего квадратического отклонения задержки ячеек (CDV). Поток, генерируемый источником с постоянной битовой скоростью, предполагает очень ограниченное взаимодействие между различными потоками. В сущности, индивидуальный поток с постоянной битовой скоростью работает как отдельный изолированный канал передачи.

Для источников потока реального времени с переменной скоростью передачи в реальном масштабе времени (RTVBR – Real – time Variable Bit Rate) скорость передачи динамически изменяется в соответствии с поддерживаемой средней скоростью (SCR), которая ниже пиковой скорости. Поэтому операторы сетей получают возможность использовать статистическое мультиплексирование для увеличения пропускной способности сети. Однако смешивание потоков реального времени с переменной скоростью уменьшает изолированное обслуживание таких потоков. В особенности это сказывается на показателях задержки и коэффициенте потери ячеек (CLR).

Для потоков с переменной скоростью в нереальном масштабе времени изменение аналогично только что рассмотренному потоку. Опять возможна попытка операторов применить статистическое мультиплексирование, что ограничено взаимным влиянием потоков на согласованные между пользователем и поставщиком услуг показатели.

При обслуживании потоков с неопределенной скоростью передачи (UBR) отсутствуют любые гарантии качества обслуживания - это представляет интересный контраст с предыдущими категориями обслуживания. Когда на сети низкий уровень трафика, такой вид обслуживания может предоставить такие характеристики, как и в других категориях с гарантированным качеством обслуживания. Только при увеличении нагрузки преимущества гарантированного качества становятся заметными. С точки зрения сетевого оператора для заполнения сетевых ресурсов при низкой нагрузке могут использоваться низкие тарифы, чтобы стимулировать нагрузку. Этот метод весьма полезен для широкого диапазона пользователей, когда нагрузка небольшая. И этот метод менее и менее полезен при увеличении нагрузки и при снижении полезных характеристик сети из-за перегрузки.

Обслуживание потоков с доступной скоростью передачи (ABR) считается более удобным методом, чем предыдущий, поскольку он обеспечивает низкий уровень коэффициента потери ячеек, пока имеется низкий трафик. При увеличении трафика можно воспользоваться соглашением о минимальной скорости передачи (MCR). Это является некоторой гарантией обеспечения желательного качества обслуживания.

Соглашение по трафику, управление соединением и административное управление трафиком

Все указанные в заголовке характеристики представляют группу функций управления, которые вместе гарантируют, что соединение получит соответствующий уровень обслуживания. Для того чтобы обеспечить гарантированное качество обслуживания для каждого соединения, сеть должна найти ресурсы для каждого нового соединения. В частности, сеть должна гарантировать, что новые соединения виртуальных каналов или путей будут подключены к портам, имеющим достаточную производительность и достаточную буферную память, чтобы обработать поступившее соединение. При этом должны быть использованы алгоритмы, гарантирующие выполнение заданных показателей в части задержек по времени и потерь ячеек.

Управление соединением (Connection Admission Control - CAC) - эта функция сети, которая определяет, должен ли запрос о новом соединении быть принят или быть отклонен.

Если запрос принят, пользователь и сеть, как говорят, вступают в соглашение по трафику. Соглашение для каждого соединения содержит категорию обслуживания ATM, описание трафика и параметры качества обслуживания. Процедура управления соединением обращается к описанию предложенного для данного запроса трафика и параметрам качества обслуживания и определяет:

Алгоритмы CAC не определены стандартами и выбираются каждым сетевым оператором самостоятельно.

Гарантии качества обслуживания действительны, только если пользовательский трафик соответствует соглашению по трафику для данного соединения. Управление использованием параметров (Usage Parameter Control -UPC) - процесс управления приоритетом трафика, он предотвращает поступление избыточного трафика, если все ресурсы сети исчерпаны. Этот процесс выполняет соглашение по трафику для данного пользовательского интерфейса (UNI). В соответствии с этим соглашением определяется, какая ячейка может обрабатываться, соответствует ли она соглашению (конформна) или не соответствует соглашению (неконформна) для этого соединения. Алгоритм базовой скорости ячеек (GCRA – Generic Cell Rate Algorithm) следит за выполнением характеристик трафика. Он эквивалентен алгоритму "дырявого ведра", рассмотренному далее в разделе "Стратегия безопасности", и может использоваться для определения, соответствует ли ячейка указанным в соглашении пиковой скорости и допустимому разбросу времени задержки (CDVT– Cell Delay Variation Tolerance).

Ячейки, которые не соответствуют соглашению по трафику, маркируются в заголовке значением бита приоритета потери ячейки (Cell Loss Priority) -

. Когда сеть перегружена, ячейки с установленным значением

отбрасываются первыми. Таким образом, неконформные ячейки могут быть потеряны с большей вероятностью. Заметим, что общий поток ячеек обозначается

Алгоритм "дырявого ведра" может быть модифицирован, чтобы проверять не только пиковую скорость и допустимый разброс времени задержки (CDVT), но и поддерживаемую скорость (SCR) и максимальный размер пачки (MBS).

Говорят, что соединение подчиняется соглашению, если процент не конформных ячеек не превышает порога, указанного сетевым оператором. Пока соединение подчиняется соглашению, сеть будет обеспечивать заданное в соглашении качество обслуживания. Если соединение не подчиняется соглашению, сеть может не выполнять качество обслуживания, указанное в соглашении.

Формирование трафика (traffic shaping) - механизм, который позволяет источникам гарантировать, что их трафик соответствует соглашению на соединение.

При формировании трафика алгоритм "дырявое ведро" используется, чтобы выделить неконформные ячейки, которые затем записываются в буфер и передаются позже; таким образом, все ячейки, вводимые в сеть, будут конформны. Механизм "маркированного ведра", используемый для формирования трафика, будет показан далее в разделе "Стратегия безопасности".

Перегрузка может возникнуть в сети, даже если все ячейки, которые вводят в сеть, не соответствуют соглашению на соединение. Такая перегрузка возникает, когда в один момент времени поступает много ячеек от различных соединений. Цель контроля перегрузок состоит в том, чтобы обнаружить начало перегрузки и активизировать механизмы для уменьшения отрицательного воздействия и продолжительности перегрузки. Сети ATM используют два типа контроля перегрузок.

Система с потерями (open-loop control) ячеек включает в себя удаление ячеек со значением бита приоритета потери ячейки CLP=1 во время периодов перегрузки. Начало перегрузки может быть зафиксировано по факту достижения порога объема буферной памяти буферов в коммутаторах и мультиплексорах. Сброс низкоприоритетных ячеек помогает поддерживать качество обслуживания, которое было записано для ячеек с высоким приоритетом.

Второй класс управления перегрузками - система с возвратом данных (closed loop control) - использует явную обратную связь от сети до источников. Этот тип управления соответствует соединениям с доступной битовой скоростью (ABR), которые по определению содержат передатчики, чью входную скорость можно адаптировать к возможностям сети.

Введение