Основные принципы технологии ATM

Сеть ATM имеет классическую иерархическую структуру крупной территори­альной сети — конечные станции соединяются индивидуальными линиями связи с коммутаторами нижнего уровня, которые, в свою очередь, соединяются с ком­мутаторами более высоких уровней. Коммутаторы ATM с момента рождения этой технологии поддерживают как каналы PVC, так и каналы SVC. Для сетей ATM определен протокол маршрутизации PNNI (Private NNI — частный интерфейс NNI), с помощью которого коммутаторы могут строить таблицы маршрутизации автоматически, причем с учетом требований инжиниринга трафика. В публич­ных сетях ATM обычно используются адреса в стандарте Е.164, что делает про­стым взаимодействие этих сетей с телефонными сетями. Адреса ATM имеют иерархическую структуру, подобно телефонным номерам или IP-адресам, кото­рая обеспечивает масштабируемость сетей ATM до любого уровня, даже обще­мирового.

В больших сетях применяется понятие агрегированного виртуального пути, ко­торый объединяет виртуальные каналы, имеющие в сети ATM общий маршрут между исходным и конечным узлами или общую часть маршрута между некото­рыми двумя коммутаторами сети. Это свойство также обеспечивает масшта­бируемость сетей ATM, так как позволяет существенно сократить количество виртуальных соединений, которые поддерживает магистральный коммутатор, а значит, повысить эффективность его работы.

Стандарт ATM не вводит свои спецификации на реализацию физического уров­ня. Здесь он основывается на технологии SDH/SONET, принимая ее иерархию скоростей. В соответствии с этим начальная скорость доступа пользователя сети — это скорость STM-1/OC-3 155 Мбит/с. Магистральное оборудование ATM рабо­тает и на более высоких скоростях STM-4 622 Мбит/с и STM-16 2,5 Гбит/с. Су­ществует также оборудование ATM, которое поддерживает скорости PDH, такие как 2 или 34/45 Мбит/с.

Однако все перечисленные пока характеристики технологии ATM не свидетель­ствуют о том, что это некая «особенная» технология, а скорее представляют ее как достаточно развитую, но в то же время достаточно типичную технологию глобальных сетей, основанную на технике виртуальных каналов.

# от других технологий, является комплексна* лоддержкапар^м^рв Qo& эд^хрсн^ва

Для достижения этого свойства разработчики ATM тщательно проанализирова­ли все типы трафика и провели его классификацию. Мы уже познакомились с этой классификацией в главе 7, когда рассматривали требования различных при­ложений к QoS. Напомним, что ATM разбивает весь трафик на 5 классов: А,

В, С, D и X. Первые четыре класса представляют трафик типовых приложений, которые отличаются устойчивым набором требований к задержкам и потерям пакетов, а также тем, генерируют они трафик с постоянной (CBR) или перемен­ной (VBR) битовой скоростью. Класс X зарезервирован для уникальных прило­жений, набор характеристик и требований которых не относится ни к одному из первых четырех классов.

Однако на какое количество классов мы бы ни разбивали существующий тра­фик, принципиальная задача от этого не меняется — нужно найти решение для успешного сосуществования в одном канале и эластичных, и чувствительных к задержкам классов трафика. Требования этих классов почти всегда противоре­чат друг другу. Одним из таких противоречий является требование к размеру кадра.

Эластичный трафик выигрывает от увеличения размера кадра, так как при этом уменьшаются накладные расходы на служебную информацию. Мы видели на примере Ethernet, что скорость передачи пользовательской информации может изменяться почти в два раза при изменении размера поля данных от его мини­мальной величины в 46 байт до максимальной в 1500 байт. Конечно, размер кад­ра не может увеличиваться до бесконечности, так как при этом теряется сама идея коммутации пакетов. Тем не менее для эластичного трафика при современ­ном уровне скоростей размер кадра в несколько тысяч байтов является вполне приемлемым.

Напротив, чувствительный к задержкам трафик обслуживается лучше при ис­пользовании кадров небольшого размера в несколько десятков байтов. При при­менении больших кадров начинают проявляться два нежелательных эффекта:

□ ожидание низкоприоритетных кадров в очередях;

□ задержка пакетизации.

Рассмотрим эти эффекты на примере голосового трафика.

Мы знаем, что время ожидания кадра в очереди можно уменьшить, если обслу­живать кадры чувствительного к задержкам трафика в приоритетной очереди. Однако если размер кадра может меняться в широком диапазоне (например, от 29 до 4500 байт, как в технологии FDDI), то даже при придании чувствительным к задержкам кадрам высшего приоритета обслуживания в коммутаторах время ожидания компьютерного пакета может все равно оказаться недопустимо высо­ким. Например, пакет в 4500 байт будет передаваться в выходной порт на скоро­сти 2 Мбит/с (максимальная скорость работы порта коммутатора Frame Relay) 18 мс. При совмещении трафика за это время необходимо через тот же порт пе­редать 144 замера голоса. Прерывать передачу пакета в сетях нежелательно, так как при распределенном характере сети накладные расходы на оповещение со­седнего коммутатора о прерывании пакета, а потом — о возобновлении передачи пакета с прерванного места оказываются слишком большими.

Задержка пакетизации — это время, в течение которого первый замер голоса ждет момента окончательного формирования пакета и отправки его по сети. Механизм образования этой задержки иллюстрирует рис. 21.8.

Гтн

Задержка пакетизации = Nxi

Рис. 21.8. Задержка пакетизации

Кодек делает замеры голоса через одинаковые интервалы времени. На рисунке в качестве примера он делает это с частотой 8 кГц, то есть через каждые 125 мкс. Если мы используем для передачи голоса кадры Ethernet максимального разме­ра, то в один кадр помещается 1500 замеров голоса, так как каждый замер коди­руется одним байтом данных. В результате первый замер, помещенный в кадр Ethernet, вынужден ждать отправки кадра в сеть (1500 - 1) х 125 = 187375 мкс, или около 187 мс. Это весьма большая задержка для голосового трафика, реко­мендации ITU-T говорят о величине 150 мс как о максимально допустимой за­держке голоса. Важно отметить, что задержка пакетизации не зависит от бито­вой скорости протокола, она зависит только от частоты работы кодека и размера поля данных кадра. Это отличает ее от задержки ожидания, которая снижается с возрастанием битовой скорости.

Кадр ATM в 53 байта с полем данных 48 байт явился результатом компромисса между требований эластичного и чувствительного к задержкам трафиков. Дру­гими словами, можно сказать, что компромисс был достигнут между телефони­стами и компьютерщиками — первые настаивали на размере поля данных в 32 бай­та, а вторые — в 64 байта. Небольшой и фиксированный размер кадра ATM дал ему специальное название — ячейка.

Заголовок

т - интервал между замерами голоса

>1 14

III

При размере поля данных в 48 байт одна ячейка ATM обычно переносит 48 за­меров голоса, которые делаются с интервалом в 125 мкс. Поэтому первый замер должен ждать примерно 6 мс, прежде чем ячейка будет отправлена по сети. Имен­но по этой причине телефонисты боролись за уменьшение размера ячейки, так как 6 мс — это задержка, близкая к пределу, за которым начинаются нарушения качества передачи голоса. При выборе размера ячейки в 32 байта задержка паке­тизации составила бы 4 мс, что гарантировало бы более качественную передачу голоса. А стремление компьютерных специалистов увеличить поле данных до 64 байт внолне понятно — при этом повышается полезная скорость передачи данных. Избыточность служебных данных при использовании 48-байтного поля данных составляет 10 %, а при использовании 32-байтного поля данных она сра­зу повышается до 16 %.

Для пакета, состоящего из 53 байт, при скорости в 155 Мбит/с время передачи кадра на выходной порт составляет менее 3 мкс. Так что эта задержка не очень существенна для трафика, пакеты которого должны передаваться каждые 125 мкс.

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 WAN прием — передача ячеек в соответствии с тех­никой виртуальных каналов. Общая длина номера виртуального канала состав­ляет 24 бит, что вполне достаточно для обслуживания большого количества вир­туальных соединений каждым портом коммутатора глобальной (может быть всемирной) сети ATM.

Нужно отметить, что использование в ATM ячеек такого небольшого размера, создающих отличные условия для качественного обслуживания чувствительно­го к задержкам трафика, имеет и обратную сторону. Платой за качество является высокий уровень нагрузки на ATM-коммутаторы при работе на высоких ско­ростях. Напомним, что объем работы, который выполняет коммутатор или мар­шрутизатор любой технологии, прямо пропорционален количеству обрабатывае­мых в единицу времени пакетов, или кадров. Очевидно, что использование ячеек размеров с полем данных 48 байт приводит к колоссальному росту объема работы для ATM-коммутатора по сравнению с, например, коммутатором Ethernet, рабо­тающим с кадрами 1500 байт. Из-за этого обстоятельства АТМ-коммутаторы долго не могли превзойти границу скорости интерфейсов в 622 Мбит/с и срав­нительно недавно стали поддерживать интерфейсы 2,5 Гбит/с.

Выбор для передачи данных любого типа небольшой ячейки фиксированного размера еще не решает задачу совмещения разнородного трафика в одной сети, а только создает предпосылки для ее решения. Для полного решения этой задачи технология ATM привлекает и развивает идеи резервирования пропускной спо­собности и качества обслуживания, реализованные в технологии Frame Relay.

В технологии ATM для каждого класса трафика определен набор количественных параметров, которые приложение должно задать. Например, для трафика класса А необходимо указать постоянную скорость, с которой приложение будет посы­лать данные в сеть, а для трафика класса В — максимально возможную скорость, среднюю скорость и максимально возможную пульсацию. Для голосового тра­фика можно не только указать на важность синхронизации между передатчиком и приемником, но и количественно задать верхние границы задержек и вариации задержек ячеек.

В технологии ATM поддерживается следующий набор основных количествен­ных параметров для 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 передачи ячеек (Cell Transfer Delay, CTD);

□ вариация задержек ячеек (Cell Delay Variation, CDV).

Параметры скорости измеряются в ячейках в секунду, максимальная величина пульсаций — в ячейках, а временные параметры — в секундах. Максимальная ве­личина пульсаций определяет количество ячеек, которое приложение может пе­редать с пиковой скоростью при заданной средней скорости. Доля потерянных ячеек является отношением потерянных ячеек к общему количеству отправлен­ных ячеек по данному виртуальному соединению. Так как виртуальные соеди­нения являются дуплексными, то для каждого направления соединения могут быть заданы разные значения параметров.

В технологии ATM принят не совсем традиционный подход к трактовке качест­ва обслуживания (QoS). Обычно качество обслуживания трафика характеризу­ется параметрами пропускной способности (здесь это RCR, SCR, MCR, MBS), параметрами задержек пакетов (CTD и CDV), а также параметрами надежности передачи пакетов (CLR). В ATM скоростные характеристики называют парамет­рами трафика и не включают их в число параметров качества обслуживания, хотя, по существу, они таковыми являются. Параметрами QoS в ATM являются только CTD, CDV и CLR. Сеть старается обеспечить такой уровень обслужи­вания, чтобы поддерживались требуемые значения и для параметров трафика, и для задержек ячеек, и для доли потерянных ячеек.

Соглашение между приложением и сетью ATM называется трафик-контрактом. Основным его отличием от соглашений, применяемых в сетях Frame Relay, яв­ляется выбор одного из нескольких определенных классов трафика, для которо­го наряду с параметрами пропускной способности трафика могут указываться параметры задержек ячеек, а также параметр надежности доставки ячеек. В сети Frame Relay класс трафика один, и он характеризуется только параметрами про­пускной способности.

Если для приложения не критично поддержание параметров пропускной способ­ности и QoS, то оно может отказаться от задания этих параметров, указав в за­просе на установление соединения признак обслуживания с максимальными уси­лиями. Такой тип трафика получил название трафика с неопределенной битовой скоростью (UBR).

После заключения трафик-контракта, который относится к определенному вир­туальному соединению, в сети ATM работает несколько протоколов и служб, обеспечивающих нужное качество обслуживания. Для трафика UBR сеть выде­ляет ресурсы «по возможности», то есть те, которые в данный момент не заняты виртуальными соединениями, заказавшими определенные параметры качества обслуживания.