Разработка маршрутизатора

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Для передачи разнородной информации создаются разнородные сети - для телефонии, видео, передачи данных. Строительство и обслуживание таких сетей сложно, дорого и трудоёмко. Изменение характера данных, увеличение их объёма и необходимость передачи разнородного трафика ставит компании перед необходимостью оптимизировать сетевую инфраструктуру для обеспечения поддержки передачи данных, голоса и видео.

«Чтобы удовлетворить и превысить ожидания бизнеса в сфере мобильности, ИТ-отрасль должна повысить безопасность и управляемость множества устройств, интегрировать разнородные сети, создать новые приложения, предоставить безопасный доступ к необходимой информации и обеспечить пользователям единый набор услуг, независимо от местоположения и типа сетевых соединений.» - заявил Бретт Гэллоуэй (Brett Galloway), старший вице-президент отдела беспроводных технологий и технологий безопасности Cisco.

Один из вариантов интеграции разнородных сетей - это использование маршрутизаторов, которые применяются для связи участков сети с различными сетевыми протоколами, в том числе и для доступа к глобальным сетям. Основным назначением маршрутизаторов является объединение разнородных сетей и обслуживание альтернативных путей.

Маршрутизаторы умеют выполнять трансляцию существенно отличающихся протоколов, используя для этого общий протокол сетевого уровня для всех согласуемых сетей.

Тесная интеграция локальных и глобальных сетей привела к значительному взаимопроникновению соответствующих технологий. Большой вклад в сближение локальных и глобальных сетей внесло доминирование протокола IP.

Перспективными технологиями передачи информации в вычислительных сетях являются технологии, обеспечивающие высокие скорости передачи разнородной информации (данных, речевых и видеосигналов) на значительные расстояния. Действительно, передача голосовой и видеоинформации обычно требуется в режиме реального времени, и, следовательно, задержки должны быть только малыми (так, для голосовой связи - около 6 с). К числу таких технологий, прежде всего, относится технология АТМ.

Технология АТМ кратко формулируется, как быстрая коммутация коротких пакетов фиксированной длины (53 байт), называемых ячейками. По этой причине и саму технологию АТМ иногда называют коммутацией ячеек.

Сети АТМ относят к сетям с установлением соединения. Соединения могут быть постоянными и динамическими. Первые устанавливаются и разрываются администратором сети, их действие продолжительно, для каждого нового обмена данными между абонентами постоянного соединения не нужно тратить время на его установление. Вторые устанавливаются и ликвидируются автоматически для каждого нового сеанса связи.

ATM была предложена ITU-T как базовая технология для широкополосного ISDN (или B-ISDN). Поскольку B-ISDN предназначен в основном для передачи мультимедийного трафика, ATM имела все возможности для поддержки такого рода трафика в реальных сетях.

АТМ - это объединяющая мультимедийная технология, в которой применяются адаптационные уровни для включения широкого спектра прикладных систем, не относящихся к АТМ. Это дает возможность устройствам с разными физическими интерфейсами передавать данные через сеть независимо от протокола коммутации глобальной сети.

Глобальная сеть должна обеспечивать интеграцию услуг и требований существующих сетей. Она должна поддерживать многофункциональные услуги и интерфейсы на различных скоростях, а также обеспечивать переход с услуг на низких скоростях к услугам АТМ. Сеть должна обеспечивать максимальную эффективность и надежность. Управление трафиками, управление перегрузками, управление сетью и многофункциональные возможности имеют ключевое значение для обеспечения длительного успеха и эффективного использования сети. Прикладные межкомпьютерные системы также требуют выделения значительной полосы пропускания. АТМ удовлетворяет это требование, работая на скоростях порядка гигабит в секунду.

АТМ имеет мультимедийный характер. В ячейки для передачи в сети АТМ может быть конвертирован практически любой вид информации. Фактически традиционные виды трафиков, например, голосовые, имеют импульсную природу. В ходе разговора средней продолжительности каждая из сторон говорит лишь около 40% времени. Генерируя ячейки лишь в том случае, если речь фактически имеет место, АТМ позволяет снизить потребности голосовой связи наполовину. Соединения, для которых необходима более широкая полоса пропускания, просто получают больше ячеек, а если соединение не задействовано, ячейки не генерируются, вследствие чего полоса пропускания не потребляется. Это обстоятельство делает АТМ идеальной технологией коммутации для передачи импульсных трафиков.

Особенности технологии АТМ лежат в области качественного обслуживания разнородного трафика и объясняются стремлением решить задачу совмещения в одних и тех же каналах связи и в одном и том же коммуникационном оборудовании компьютерного и мультимедийного трафика таким образом, чтобы каждый тип трафика получил требуемый уровень обслуживания и не рассматривался как «второстепенный».

1. Интеграция локальных и глобальных сетей

В середине 80-х годов утвердились стандартные технологии объединения компьютеров в сеть - Ethernet, Arcnet, Token Ring, FDDI. Конец 90-х выявил явного лидера среди технологий локальных сетей - семейство Ethernet, в которое вошли Ethernet 10 Мбит/сек, Fast Ethernet 100 Мбит/сек и Gigabit Ethernet 1000 Мбит/сек. В конце 80-х годов отличия между локальными и глобальными сетями проявлялись весьма отчетливо - это и протяженность и качество линий связи, и сложность методов передачи данных, и скорости обмена данными и т.д.

В течении многих лет глобальные сети строились на основе телефонных каналов тональной частоты и набор услуг ограничивался передачей файлов (преимущественно в фоновом режиме) и электронной почтой. Типичным примером таких сетей являются сети Х.25, разработанные еще в начале 70-х, когда низкоскоростные аналоговые каналы были преобладающим типом каналов, объединяющих компьютеры и коммутаторы глобальной вычислительной сети.

Постепенно различия между локальными и глобальными типами сетевых технологий стали сглаживаться. Изолированные ранее локальные сети начали объединять друг с другом, при этом в качестве связующей среды использовались глобальные сети.

Корпоративные вычислительные сети стали появляться как островки локальных сетей, связанных друг с другом тоненькими мостиками межсетевых коммуникаций. Простая магистраль Ethernet с небольшой полосой пропускания вполне удовлетворяла тем требованиям, которые предъявлялись к ней при таком взаимодействии между сетями. Однако по мере того, как все большая часть информации и услуг сосредотачивалась на мощных централизованных серверах, перегруженные маршрутизаторы сетевой магистрали превращались в ее самое узкое место и начали существенно ограничивать взаимодействие между сетями. Альтернативой технологии Ethernet появилась технология асинхронного режима передачи АТМ, разработанная как единый универсальный транспорт для нового поколения сетей с интеграцией услуг, которые называются широкополосными сетями ISDN.

Тесная интеграция локальных и глобальных сетей привела к значительному взаимопроникновению соответствующих технологий. Большой вклад в сближение локальных и глобальных сетей внесло доминирование протокола IP. Этот протокол сегодня используется поверх любых технологий локальных и глобальных сетей Ethernet, Toking Ring, ATM, frame relay - для создания из различных подсетей единой составной сети.

Компьютерные глобальные сети 90-х, работающие на основе скоростных цифровых каналов существенно расширили набор своих услуг и догнали в этом отношении локальные сети. Стало возможным создание служб, работа которых связана с доставкой пользователю больших объемов информации в реальном времени - изображений, видеофильмов, голоса, всего того, что получило название мультимедийной информации. Например - гипертекстовая информационная служба World Wide Web, ставшая основным поставщиком информации в Интернете.

Гетерогенность - неотъемлемое качество любой крупной вычислительной сети, и на согласование разнородных компонентов системные интеграторы и администраторы тратят большую часть своего времени. Поэтому любое средство, сулящее перспективу уменьшения неоднородности сети, привлекает пристальный интерес сетевых специалистов.

маршрутизатор асинхронный сеть интеграция

1.1 Интеграция сетей на основе маршрутизаторов

Современные сети передачи информации представляют собой сложные гетерогенные структуры. Для того чтобы доставить по ним данные «из пункта А в пункт Б», необходимы самые разнообразные устройства - концентраторы, мосты, коммутаторы, маршрутизаторы. В отличие от остальных устройств, маршрутизаторы применяются для связи участков сети с различными сетевыми протоколами, в том числе и для доступа к глобальным сетям (см. Рис. 1). Основным назначением маршрутизаторов является объединение разнородных сетей и обслуживание альтернативных путей.

Маршрутизаторы обмениваются информацией об изменениях структуры сетей, трафике и их состоянии. Маршрутизаторы обеспечивают соединение административно независимых коммуникационных сетей.

Рис. 1 Структура маршрутизатора

Рассмотрим разновидности маршрутизаторов. По производительности эти устройства можно разделить на три класса.

К первому классу отнесем маршрутизаторы, отличающиеся высокой производительностью, поддержкой большого числа протоколов и интерфейсов, причем необязательно только распространенных. Данные устройства обычно выполнены в виде отдельных аппаратных модулей, служат для объединения больших локальных или глобальных сетей и могут иметь до 50 портов.

Маршрутизаторы второго класса поддерживают стандартизированные протоколы и интерфейсы и имеют до десяти портов.

Третий класс маршрутизаторов ориентирован на низкоскоростные выделенные линии или коммутируемые соединения. Поэтому от них не требуется высокая производительность, они могут быть выполнены на базе ПК и обычно имеют 2-3 порта.

Другим классификационным признаком маршрутизаторов служит их предназначение. Здесь можно выделить устройства, работающие в базовых сетях и в локальных сетях. Отличие последних состоит в их более жестко фиксированной конфигурации и повышенной дружественности к пользователю.

Маршрутизаторы могут иметь функции управления трафиком на основе протокола сетевого уровня. Потребность в таком управлении бывает обусловлена сложностью топологии сети, большим числом ее узлов. При этом известны два основных протокола определения наиболее выгодного пути и способа доставки данных RIP (Routing Information Protocol) и OSPF (Open Shortest Path Firs).

Процесс работы протокола RIP состоит в рассылке, получении и обработке векторов расстояний до IP-сетей, находящихся в его области действия, то есть в данной RIP-системе. Результатом работы протокола на конкретном маршрутизаторе является таблица, где для каждой сети данной RIP-системы указано расстояние до этой сети (выраженное в «скачках») и адрес следующего маршрутизатора. Таким образом, основным критерием выбора наиболее эффективного пути является минимальное число «скачков». К достоинствам протокола RIP относится простота конфигурирования, малая загрузка процессора; к недостаткам - нерациональное управление трафиком.

Протокол маршрутизации OSFP представляет собой протокол состояния связей, использующий алгоритм SPF поиска кратчайшего пути в графе. OSPF применяется для внутренней маршрутизации в системах сетей любой сложности. При использовании данного протокола оптимальный путь прохождения информации выбирается исходя из многих критериев: производительность сети, задержка при передаче пакета и т.д. В протоколе OSPF может быть применена аутентификация сообщений, например парольная защита. Реализация этого протокола возможна только в высокопроизводительных маршрутизаторах.

Маршрутизаторы обладают многими достоинствами, но одним из существенных их недостатков является сложность конфигурирования. Необходимость знания множества настроечных параметров может превратиться в головную боль для администратора сети. Причем ему нужно помнить не только параметры данного маршрутизатора, но и всех подобных устройств сети. Ведущие фирмы-производители стремятся сделать маршрутизаторы как можно более простыми в эксплуатации.

Маршрутизаторы зачастую не могут обеспечить требуемую пропускную способность и качество обслуживания. В этом случае может применяться технология VLAN и комбинированное решение: коммутация внутри виртуальных сетей и маршрутизация между ними. На рынке существуют решения, построенные именно таким образом. Эффективность подобного решения повышает также и тот факт, что коммутаторы более просты в настройке по сравнению с маршрутизаторами.

Выводы.

Маршрутизаторы применяются для связи участков сети с различными сетевыми протоколами, в том числе и для доступа к глобальным сетям.

Маршрутизаторы не всегда могут обеспечить требуемую пропускную способность и качество обслуживания. Одним из существенных их недостатков является сложность конфигурирования.

1.2 Развитие технологии АТМ как средства интеграции сетей

Прогресс глобальных компьютерных сетей во многом определяется прогрессом телефонных сетей. Появление высокоскоростных цифровых каналов, соединяющих АТС, привело к рождению новых технологий:

- PDH (Plesiochrononous Digital Hierarchy) плезиохронная цифровая иерархия;

- SDH (Synchrononous Digital Hierarchy) синхронная цифровая иерархия;

- DWDM (Dense Wave Division Multiplexing) спектральное мультиплексирование.

Эти технологии расширили диапазон скоростей цифровых каналов до сотен гигабит и даже нескольких терабит в секунду.

Технология асинхронного режима передачи (Asynchronous Transfer Mode, АТМ) разработана как единый универсальный транспорт для нового поколения сетей с интеграцией услуг, которые называются широкополосными сетями ISDN (Broadband-ISDN, B-ISDN).

По планам разработчиков единообразие, обеспечиваемое АТМ, состоит в том, что одна транспортная технология сможет обеспечить несколько перечисленных ниже возможностей:

· передачу в рамках одной транспортной системы компьютерного и мультимедийного (голос, видео) трафика, чувствительного к задержкам, причем для каждого вида трафика качество обслуживания будет соответствовать его потребностям;

· иерархию скоростей передачи данных, от десятков мегабит до нескольких гига-бит в секунду с гарантированной пропускной способностью для ответственных приложений;

· общие транспортные протоколы для локальных и глобальных сетей;

· взаимодействие с унаследованными протоколами локальных и глобальных сетей: IP, Ethernet, ISDN.

Главная идея технологии асинхронного режима передачи была высказана достаточно давно - этот термин ввела лаборатория Bell Labs еще в 1968 году. Основной разрабатываемой технологией тогда была технология TDM (технология временного мультиплексирования) с синхронными методами коммутации, основанными на порядковом номере байта в объединенном кадре. Главный недостаток технологии TDM, которую также называют технологией синхронной передачи STM (Synchronous Transfer Mode), заключается в невозможности перераспределять пропускную способность объединенного канала между подканалами.

Ярким представителем нового поколения технологий является технология АТМ, которая может служить основой как глобальных, так и локальных сетей, эффективно объединяя все существующие типы трафика одной транспортной сети.

Одним из проявлений сближения локальных и глобальных сетей является появление сетей масштаба города, занимающих промежуточное положение между локальными и глобальными сетями. Эти сети используют цифровые линии связи, поддерживаются такие услуги как видеоконференции и интегральная передача голоса. Для сетей мегаполисов был разработан протокол SMDS (Switched MultiMegabit Dats Services), но позднее он был вытеснен более мощной технологией АТМ.

Технология ATM (Asynchronous Transfer Mode) - это транспортный механизм, ориентированный на установление соединения при передаче разнообразной информации в сети. Для этого в ATM разработана концепция виртуальных соединений (virtual connection) вместо выделенных физических связей между конечными точками в сети. Она обеспечивает высоко эффективную связь и большую гибкость в построении гомогенных сетей, где связь между узлами сети требуется независимо от их физического местоположения.

Технология АТМ первоначально разрабатывалась телефонными компаниями для поддержки их коммуникаций и должна была стать основой для унифицированной передачи любой информации. В процессе разработки архитектура АТМ адаптировалась для частных корпоративных магистралей и сетей для рабочих групп. АТМ может передавать данные как через десятки метров, так и через сотни километров.

АТМ использует системы кодирования информации на физическом уровне, одинаково подходящие для передачи как по локальным, так и по глобальным сетям. Некоторые специальные типы ATM-интерфейсов поддерживаются сетями общего пользования для удаленной связи по АТМ, что решает задачу передачи данных между АТМ-сетями без специальных преобразований и независимо от территориального расположения устройств.

Сеть АТМ способна не только быть основой для организации самых разнообразных служб в рамках B-ISDN, предназначенных для передачи данных, изображений и т.д. Она также может служить транспортной средой для телефонной сети, узкополосной ISDN, связи городских сетей передачи данных (MAN) и др. (см. рис. 2).

Рис. 2. Логическая схема возможного использования сети АТМ

Использования технологии АТМ позволяет строить гибкие сети, эффективно использующие пропускную способность трактов передачи за счет их статистического мультиплексирования.

Решающее значение при выборе АТМ имело то, что большинство источников информации работают в прерывистом режиме. Например, коэффициент активности речи составляет 0,3 - 0,4, еще меньше он в интерактивных системах передачи данных, весьма разнообразна видеоинформация и т.д.

Поэтому применение синхронного режима переноса STM ? (Synchronous Transfer Mode), при котором выделяется постоянная полоса пропускания, соответствующая наивысшей мгновенной скорости передачи информации, оказывается весьма неэффективным. В то же время асинхронный режим переноса, основанный на статистических (пакетных) методах, позволяет гибко распределять полосу пропускания, обеспечивая совместную работу разнообразных служб в условиях изменения параметров служб и нагрузки.

Различие между STM и АТМ иллюстрирует рис. 3.

Рис. 3. Синхронный STM (а) и асинхронный ATM (б) режимы переноса

Слово «асинхронный» в названии АТМ означает, что ячейки могут быть переданы от отправителя к получателю в любое время, а не в определенный временной промежуток, как это должно быть в случае синхронного режима передачи.

Сеть АТМ имеет классическую структуру крупной территориальной сети - конечные станции соединяются индивидуальными каналами с коммутаторами нижнего уровня, которые в свою очередь соединяются с коммутаторами более высоких уровней.

Коммутатор АТМ имеет несколько физических портов для подключения устройств АТМ. Он связывается с другими коммутаторами или конечными станциями через физические каналы связи. Коммутатор посылает поступающие к нему ячейки из входящего порта на исходящий, основываясь на содержимом полей VPI/VCI в заголовке каждой ячейки. Он также использует служебную информацию сигнализации для установления соединения, поддержания его в работоспособном состоянии и закрытия. Коммутатор принимает решение о возможности установления виртуального соединения с определенными требованиями к качеству обслуживания без негативного воздействия на другие, уже существующие, соединения. Коммутатор следит за трафиком и проверяет соблюдение условий, предъявленных к соединению.

АТМ является методом, ориентированным на установление соединений. До начала передачи информации между пользователями должен быть организован виртуальный канал. Сигнальная и пользовательская информация передаются по отдельным виртуальным каналам. Группа виртуальных каналов, проходящих на некоторых участках сети по одному и тому же направлению, может объединяться в виртуальный тракт.

Поскольку АТМ предполагает использование высокоскоростных и обладающих высокой помехозащищенностью цифровых систем передачи (как правило, на основе волоконно-оптических линий), повышение верности осуществляется только в оборудовании пользователей. Отказ от повышения верности в узлах коммутации значительно упрощает алгоритм их функционирования и позволяет применять в них аппаратные средства, имеющие значительно более высокое быстродействие, чем программируемые микропроцессоры.

Высокая пропускная способность трактов передачи, быстродействие коммутационных устройств и короткая длина ячеек обеспечивают, как правило, быструю доставку ячеек по сети. Контроль за их доставкой осуществляется в оконечном оборудовании пользователей.

Универсальность АТМ состоит еще и в том, что это первая технология, которая может использоваться в сетях любого масштаба: локальных (LAN), городских (MAN) и территориальных (WAN).

АТМ принципиально может применяться на различных скоростях (от 1,5 Мбит/с до 40 Гбит/с). К большим ее достоинствам можно отнести возможность относительно простого «наложения» на существующие сети SDH. Схемы сети АТМ приведена на рис. 4

Рис. 4 Схема сети ATM

АТМ изначально разрабатывалась как универсальная и «академически правильная» технология, не зависящая от типа передаваемого трафика. Её могут использовать все существующие службы, так как АТМ определяет протоколы на уровнях выше физического.

При условии, что все виды информации транспортируются одним методом, возможно проектирование, создание, управление и обслуживание одной сети. Это сокращает затраты и делает её (в теории) наиболее экономичной транспортной сетью электросвязи на сегодняшний день.

Особенности технологии АТМ лежат в области качественного обслуживания разнородного трафика и объясняются стремлением решить задачу совмещения в одних и тех же каналах связи и в одном и том же коммуникационном оборудовании компьютерного и мультимедийного трафика таким образом, чтобы каждый тип трафика получил требуемый уровень обслуживания и не рассматривался как «второстепенный».

2. Интеграция разнородных сетей на базе АТМ

2.1 Технология АТМ

Если говорить в общем, то суть АТМ очень проста - нужно смешать все виды трафика (голос, видео, данные), уплотнить, и передать по одному каналу связи (см. рис. 5). В чем-то это похоже на способ решения дифференциальных уравнений. Непрерывные данные разбиваются на интервалы, которые достаточно малы, и с которыми можно проводить операции по коммутации.

Рис. 5 Принцип работы АТМ

Чтобы хорошо уяснить структуру модели АТМ, необходимо представлять ее себе в аспекте уровней OSI, но в то же время следует учитывать, что на некоторых уровнях АТМ отходит от традиционной модели OSI. Модель АТМ позаимствовала четыре верхних уровня эталонной модели OSI без изменений (см. Приложение B). Точнее, эти верхние уровни для АТМ не определены. Но, начиная с сетевого уровня и ниже, модель АТМ использует несколько другой подход к выделению уровней.

Для согласования уровней модели АТМ с уровнями модели OSI вводят:

? уровень адаптации АТМ (АТМ Adaptation Layer, AAL),

? уровень АТМ,

? физический ypoвень

Иерархическая модель сети АТМ, показывающая взаимодействие трех нижних уровней B-ISDN, представлена на рис. 3.

Рассмотрим функции каждого из этих уровней.

Физический уровень определяет интерфейс с передающей средой. Он связан с физическим интерфейсом, скоростью передачи и трансформированием ячеек АТМ в линейный сигнал. В отличие от многих технологий локальных сетей, таких как Ethernet, которые зависят от определенной передающей среды, АТМ независим от физического средства передачи. Ячейки АТМ могут передаваться через синхронную оптическую сеть (SONET), синхронную цифровую иерархию (SDH). Скорость и полоса пропускания физической среды являются главными факторами выбора передающей среды для АТМ.

Уровень АТМ связан с ячейками АТМ. Ячейка АТМ имеет исключительно простой формат. Она состоит из заголовка в 5 байт (см. Рис. 6) и полезной нагрузки в 48 байт. Заголовок содержит адрес ячейки АТМ и другую важную информацию. Полезная нагрузка содержит пользовательские данные, передаваемые через сеть. Ячейки передаются последовательно и распространяются через сеть в строгой номерной последовательности.

Поле идентификатора виртуального пути является маршрутным полем ячейки. Поле идентификатора виртуального канала используется для идентификации сетевых служб. Сетевые службы подразделяются на локальные и глобальные. Локальные службы предоставляются непосредственно подключенным к физическому каналу оборудованием. Ячейки локальных служб по созданным виртуальным соединениям не маршрутизируются. Глобальные службы предоставляются терминальным оборудованием по установленному виртуальному соединению и подразделяются на системные и пользовательские.

Комитеты по стандартизации определили два типа заголовков ячейки АТМ: интерфейс пользователь-сеть (user-network interface, UNI) и интерфейс сеть-сеть (network-network interface, NNI). UNI представляет собой интерфейс системы АТМ с собственными системами команд для глобальной сети. Конкретно АТМ UNI определяет интерфейс между оборудованием в помещении заказчика на базе ячеек (customer premises equipment, СРЕ), таким как концентраторы и маршрутизаторы АТМ, и глобальной сетью АТМ. NNI определяет интерфейс между узлами сети (коммутаторами) или между сетями. NNI может быть использован в качестве интерфейса между частной сетью АТМ пользователя и общей сетью АТМ поставщика услуг (см. рис. 6).

Рис. 6. Сетевые устройства и межсетевые интерфейсы

В конкретном плане главной функцией того и другого типа заголовков ячеек, UNI и NNI, является идентификация виртуальных маршрутов (VPI) и виртуальных каналов (VCI) в качестве идентификаторов маршрутизации и коммутации ячеек АТМ. VPI определяет маршрут или путь передачи ячейки АТМ, тогда как VCI определяет канал или номер соединения на этом маршруте. VPI и VCI трансформируются на каждом коммутаторе АТМ и являются уникальными для единственного физического канала.

Адаптационный уровень.

Цель адаптационного уровня (ATM adaptation layer, AAL) состоит в размещении данных, получаемых из различных источников с различными характеристиками. Более конкретно, его роль состоит в адаптации услуг, предоставляемых уровнем АТМ, к услугам, которые требуются для более высоких пользовательских уровней (таких как эмуляция канала, передача видео- и звуковых сигналов, ретрансляция кадров и т.п.). AAL получает данные из различных источников или прикладных систем и конвертирует их в 48-байтные сегменты, соответствующие полезной нагрузке ячейки АТМ. Уровень адаптации определяет основные принципы выделения подуровней. Он дает описание признаков услуг каждого уровня по принципу постоянной или переменной скорости, требований синхронизации и наличия или отсутствия ориентации услуги на соединение.

AAL 1 - для постоянной скорости передачи, услуг, ориентированных на соединение, требующих синхронизации, например, передачи голосовых и видеосигналов.

AAL 2 - для переменной скорости передачи, услуг, ориентированных на соединение, требующих синхронизации, например, передачи уплотненных голосовых и видеосигналов.

AAL 3/4 - для переменной скорости передачи, услуг, не ориентированных на соединение и не требующих синхронизации (асинхронных), например, SMDS и локальные сети.

AAL 5 - для переменной скорости передачи, услуг, ориентированных на соединение и не требующих синхронизации (асинхронных), например, Х.25 и ретранслятор кадров.

Уровень адаптации АТМ (AAL - ATM Adaptation Layer) осуществляет преобразование пользовательской информации в информационные поля ячеек и наоборот. Именно наличие AAL придают АТМ присущую ей способность переносить разнообразную пользовательскую информацию в стандартных ячейках. Стандартизировано несколько типов уровня адаптации, соответствующие различным классам обслуживания и предназначенные для преобразования разных видов информации. Их характеристики описаны ниже. Следует подчеркнуть, что процедуры ААL реализуются вне пределов сети АТМ в оконечном оборудовании пользователя (см. Приложение А). Уровень адаптации может использовать для своих нужд до 4 байт в пределах 48-байтного информационного поля ячейки, оставляя таким образом непосредственно для полезной информации пользователей 44 байта.

AAL делится, в свою очередь, на два подуровня: подуровень конвергенции (CS - Convergence Sublayer) и подуровень разборки и сборки (SAR - Segmentation And Reassembly).

Верхний из них - CS - получает информацию от пользователя и разбивает ее на протокольные единицы данных этого подуровня, длина которых определяется конкретным типом уровня адаптации. Далее к ним добавляются заголовок и окончание, содержащие служебную информацию о виде передаваемого трафика и размере протокольной единицы, а также позволяющие осуществлять контроль и исправление ошибок на приеме. При необходимости этот подуровень обеспечивает также синхронизацию.

Подуровень разборки и сборки принимает полученные протокольные единицы CS и разбивает их на фрагменты, длина которых от 44 до 48 байтов. К ним могут добавляться заголовок (1-2 байта), идентифицирующий тип данного фрагмента, и окончание (до 2 байт), содержащее контрольную сумму. В результате получается 48-байтная последовательность, образующая информационное поле ячейки АТМ.

Описанный выше алгоритм варьируется в зависимости от типа уровня адаптации. На приеме все процедуры выполняются в обратной последовательности.

Уровень АТМ добавляет к полученным от подуровня SAR 48-байтным последовательностям 5-байтовые заголовки, формируя таким образом ячейки АТМ, передаваемые затем на физический уровень. К функциям уровня АТМ относятся также: управление входным потоком на интерфейсе пользователь-сеть; мультиплексирование ячеек, принадлежащим различным виртуальным каналам и трактам, в единый поток; преобразование идентификаторов виртуальных каналов в узлах коммутации.

На приемной стороне уровень АТМ осуществляет демультиплексирование потока ячеек и удаление заголовков.

Физический уровень также состоит из двух подуровней: подуровень конвергенции передачи (TC - Transmission Convergence) и подуровень, зависящий от физической среды (PMD - Physical Medium Dependent). Подуровень ТС осуществляет согласование потока ячеек с используемой системой передачи (например, упаковывает ячейки АТМ в контейнеры SDH). Подуровень PMD ответственен за передачу и прием битов, передаваемых в конкретной физической среде (оптическое волокно, коаксиальный кабель).

Вся иерархия уровней приведена в таблице.

Иерархия уровней

Уровни	Подуровни
Адаптации АТМ(AAL)	Конвергенции (CS)
	Разборки и сборки (SAR)
АТМ	Виртуальных каналов (VC)
	Виртуальных трактов (VP)
Физический	Конвергенции передачи (TC)
	Зависящий от физической среды (PMD)

Архитектура АТМ базируется на трехмерной модели В-ISDN, состоящей из трех плоскостей:

? плоскости управления;

? плоскости пользователя;

? плоскости менеджмента.

Эти три плоскости связывают физический уровень, уровень АТМ, уровень адаптации АТМ и высшие уровни, показанные на рис. 1 в виде одного уровня.

Плоскость управления отвечает за установление, закрытие и отслеживание соединений. Для этого плоскость выполняет функции сигнализации, адресации и маршрутизации. Для создания виртуального соединения необходимо указать адрес отправителя и получателя. Кроме того, должны быть выработаны четкие механизмы определения маршрута, по которому будет проложено это соединение.

Плоскость пользователя обеспечивает передачу пользовательской информации. С учетом того, что она может представлять собой как данные, так и аудио- или видеоинформацию, функциональная нагрузка на плоскость пользователя достаточно велика. Эта плоскость отвечает за защиту пользовательских данных от ошибок, производит контроль и управление потоком данных и т.д. На высшем уровне плоскости пользователя располагаются все протоколы обмена данными. Эти протоколы не зависят от уровня АТМ и уровня адаптации АТМ. Некоторые из этих протоколов рассматриваются ниже.

Плоскость менеджмента обеспечивает совместную' работу двух первых плоскостей. Она выполняет две задачи: управление плоскостями и управление уровнями. Управление плоскостями позволяет получить единую систему с единым описанием, а управление уровнями обеспечивает предоставление требуемых от отдельных уровней ресурсов в каждом конкретном случае. Система управления уровнями имеет четко описанные схемы взаимодействия с физическим уровнем, уровнем АТМ, уровнем адаптации АТМ и высшими уровнями. Управление уровнями отвечает за сетевое управление, которое можно разделить на следующие основные функции: восстановление после перегрузки, управление производительностью, конфигурирование, сбор статистики и обеспечение безопасности.

Как действуют коммутаторы АТМ?

АТМ - это объединяющая мультимедийная технология, в которой применяются адаптационные уровни для включения широкого спектра прикладных систем, не относящихся к АТМ. Это дает возможность устройствам с разными физическими интерфейсами передавать данные через сеть независимо от протокола коммутации глобальной сети. Интерфейсы различных устройств с сетью реализуются с помощью различных информационных блоков - телефон генерирует поток бит через канальный интерфейс, маршрутизатор генерирует кадры HDLC/SDLC через пакетный интерфейс, а устройства, совместимые с АТМ, генерируют ячейки через интерфейс АТМ. Коммутатор АТМ принимает информацию пользователя, разбивает ее на малые ячейки неизменной длины - независимо от характера данных и вида услуг, трансформация в ячейку прозрачна для связующего оборудования. Далее, коммутатор осуществляет мультиплексирование ячеек в единый информационный поток и передает его через физический канал передачи (например, Т1/Е1, Т3/Е3, SONET и др.).

В технологии АТМ поддерживается следующий набор основных количественных параметров:

· Peak Cell Rate (PCR) - максимальная скорость передачи данных;

· Sustained Cell Rate (SCR) - средняя скорость передачи данных;

· Minimum Cell Rate (MCR) - минимальная скорость передачи данных;

· Maximum Burst Size (MBS) - максимальный размер пульсации;

· Cell Loss Ratio (CLR) - доля потерянных ячеек;

· Cell Transfer Delay (CTD) - задержка передачи ячеек;

· Cell Delay Variation (CDV) - вариация задержки ячеек.

Параметры скорости измеряются в ячейках в секунду, максимальный размер пульсации - в ячейках, а временные параметры - в секундах.

QoS

В технологии АТМ принят не совсем традиционный подход к трактовке термина «качество 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 АТМ характеристики пропускной способности называют параметрами трафика и не включают их в число параметров качества обслуживания QoS, хотя по существу они таковыми являются. Параметрами QoS в АТМ являются только параметры CTD, CDV и CLR. Сеть старается обеспечить такой уровень услуг, чтобы поддерживались требуемые значения и параметров трафика, и задержек ячеек, и доли потерянных ячеек

Возможность АТМ передавать речь и данные через один и тот же канал обусловлена его способностью различать тип трафика по информации, содержащейся в заголовке ячейки. Голосовые и видеосигналы весьма чувствительны к задержке, и задержка в данном случае не должна существенно варьировать. С другой стороны, данные не столь чувствительны к задержке, как голосовые и видеосигналы, но весьма чувствительны к потерям. В этой связи АТМ отдает приоритет голосовым и видеотрафикам с фиксированной задержкой, одновременно убеждаясь в том, что в трафике данных не произошло потерь. Это достигается посредством виртуальных соединений.

PVC и SVC

АТМ обеспечивает оказание двух видов услуг в области соединения виртуальных каналов: коммутируемые виртуальные каналы (SVC) и постоянные виртуальные каналы (PVC). SVC создают кратковременное соединение, требующее установки и прекращения вызова, тогда как PVC подобны выделенным частным каналам, поскольку соединение в них устанавливается на постоянной основе. Пользователи устанавливают PVC либо по запросу поставщика услуг общего пользования, предоставляющего услуги ретрансляции кадров или АТМ, либо администратора глобальной сети в рамках частной сети. Виртуальные соединения АТМ могут действовать на постоянной скорости (CBR) для голосовых или видеотрафиков и на переменной скорости (VBR) для трафиков данных. Каждое виртуальное соединение имеет собственный набор параметров (минимальная скорость ячейки, minimum cell rate, MCR; выдерживаемая скорость ячейки, sustained cell rate, SCR; пиковая скорость ячейки, peak cell rate, PCR), которыми определяется полоса пропускания, приоритетность, уровень качества услуг и т.п.

Физический тракт передачи может содержать несколько виртуальных трактов и каналов (см. рис. 7). Конфигурация виртуальных соединений не связана с физической структурой сети, и логическая топология сети может быть практически любой.

Рис. 7. Соотношение между виртуальными каналами (VC), виртуальными трактами (VP) и физическим трактом передачи

Коммутаторы АТМ пользуются 20-байтными адресами конечных узлов для маршрутизации трафика на основе техники виртуальных каналов.

Коммутатор АТМ, исходя из номера входного порта, на который подступила ячейка, и содержащихся в ее заголовке значений VPI и VCI, определяет по таблице перевода номер выходного порта и новые значения VPI и VCI, после чего направляет ячейку на требуемую выходную линию с соответствующими новыми идентификаторами. Схема коммутации виртуальных каналов и трактов показана в Приложении D.

В крупных узлах может быть целесообразно применение коммутаторов, осуществляющих только коммутацию виртуальных трактов. Их называют кроссовыми соединителями (кросс-коннекторами) АТМ.

Различают постоянные и коммутируемые виртуальные соединения. Постоянные соединения организуются на достаточно длительный срок с помощью некоторого внешнего механизма управления сетью человеком-оператором. Такие соединения могут устанавливаться, например, между узлами какой-либо сети, организованной на базе сети АТМ. Они являются аналогами традиционных арендованных каналов и трактов.

Коммутируемые виртуальные соединения устанавливаются автоматически посредством системы сигнализации по требованию пользователей на время сеанса связи.

Виртуальные маршруты (VP) и виртуальные каналы (VC).

Каждая ячейка АТМ содержит адрес из двух частей, идентификатор виртуального маршрута (virtual path identifier, VPI) и идентификатор виртуального канала (virtual circuit identifier, VСI) в заголовке ячейки. Этот адрес обеспечивает уникальную идентификацию виртуального соединения АТМ на физическом интерфейсе. Физический маршрут передачи (содержит один или более виртуальных маршрутов, причем каждый виртуальный маршрут может содержать один или более виртуальных каналов.

Соединение физического уровня.

VPI и VCI привязаны к отдельному каналу на конкретном маршруте передачи и имеют локальное значение только для данного коммутатора. Адреса VPI и VCI трансформируются на каждом коммутаторе АТМ на маршруте сетевого соединения - каждый коммутатор преобразует входящий VPI и VCI в исходящий VPI и VCI (см. Приложение D). Поэтому адреса могут повторно использоваться на других участках сети до тех пор, пока удается избежать конфликтных ситуаций. АТМ обеспечивает коммутацию на маршрут передачи, виртуальный маршрут или в виртуальный канал.

Классы обслуживания и категории услуг АТМ.

Для того, чтобы минимизировать число возможных протоколов уровня адаптации, в рекомендации I.350 были определены четыре класса обслуживания B-ISDN.

Характеристики всех классов, обозначения соответствующих типов уровня адаптации и примеры их использования приведены на рис. 8.

Класс обслуживания	А	B	C	D
Тип уровня адаптации	AAL1	AAL2	AAL3	AAL4
			AAL5 (SEAL)
Синхронизация	Требуется	Не требуется
Скорость передачи	Постоянная	Переменная
Режим услуг с точки зрения установления соединения	С установлением	Без установления
Примеры использования	Речь, эмуляция канала	Видео	Сигнализация, передача данных (FR)	Передача данных (LAN)

Рис. 8. Классы обслуживания и типы уровня адаптации в АТМ

Класс А (соответствующий тип уровня адаптации AAL1) применяется для передачи трафика, требующего обеспечения фиксированной и небольшой задержки при передаче. Это, например, речь, преобразованная в цифровой поток.

Класс В (уровень AAL2) отличается от предыдущего тем, что предназначен для работы с переменной скоростью передачи. Пример использования -? передача компрессированного видеосигнала.

Классы С и D (уровни AAL3 и AAL4) вначале рассматривались раздельно, но затем из-за схожести функций их решено было объединить и обозначать AAL3/4. Этот уровень предназначен для обслуживания коротких интенсивных потоков данных с нерегулярными интервалами между периодами активности (например, пересылка файлов между ЭВМ, связь локальных сетей).

Уровень AAL5 разработан как упрощенный вариант AAL3/4 для передачи данных.

Стандартизация. Помимо МСЭ-Т важную роль в стандартизации АТМ играет Forum АТМ, объединяющий фирмы-производители оборудования, телекоммуникационные компании, крупные государственные и научные организации. В своих документах Forum АТМ ввел более детальную классификацию услуг АТМ с точки зрения скорости передачи битов. Помимо постоянной скорости передачи (CBR - Constant Bit Rate) и переменной скорости передачи (VBR - Variable Bit Rate) были определены также доступная скорость передачи (ABR - Available Bit Rate) и неспецифицированная скорость передачи (UBR - Unspecified Bit Rate).

Категория CBR является самой простой и предназначена для трафика, порождающего ячейки с постоянной интенсивностью.

Категория VBR предназначена для неравномерного трафика, характеризующегося чередованием периодов активности и пауз между ними.

Категория ABR применяетья для множества приложений, связанных с передачей данных и позволяет в полной мере использовать гибкость полосы пропускания сетей АТМ для эффективной загрузки. При этом сеть может динамически изменять полосу пропускания, выделенную соединению. При перегрузке некоторого сетевого узла сеть сообщает источнику трафика о необходимости снижения интенсивности поступления ячеек. После устранения перегрузки эта интенсивность вновь может быть увеличена.

Категория UBR позволяет довести использование полосы пропускания до 100%. Являясь дешевой услугой, использующей статистические особенности трафика, она не предусматривает установление какого-то ни было соглашения на передачу трафика и не гарантирует никаких параметров качества обслуживания.

Для каждой из категорий услуг кроме UBR при установлении соединения должны быть заданы соответствующие параметры трафика (такие, как например, упомянутые выше минимальная, поддерживаемая и максимальная интенсивности поступления ячеек - MCR, SCR и PCR) и требования к качеству обслуживания, характеризующемуся такими параметрами, как вероятность потери ячейки, средняя и максимальная задержка ячеек, дисперсия задержки ячеек и др.

Возможности АТМ особо проявляются в технологии магистральной коммутации. Асинхронные и мультимедийные функции АТМ означают, что эта сеть может быть использована для передачи различных видов трафиков через глобальную сеть. Системы АТМ UNI - лишь один из интерфейсов / услуг АТМ, обеспечиваемых коммутатором АТМ. Среди других функций - ретрансляция кадров (Frame Relay), SMDS и эмуляция канала. Каждая из этих функций осуществляется наиболее эффективно в том случае, если она выполняется в сети АТМ.

АТМ предлагает многочисленные услуги для разных пользователей.

Технология АТМ внедряется, в первую очередь, в глобальных сетях, и прежде всего как технология коммутации для поддержки существующих услуг в частных глобальных сетях и государственных сетях обслуживания. АТМ используется, главным образом, как магистральный коммутатор, поскольку его преимущества в качестве ретранслятора ячеек реализуются именно в этих аспектах.

2.2 Передача трафика IP через сети АТМ

Технология АТМ привлекает к себе общее внимание, так как претендует на роль всеобщего и очень гибкого транспорта, на основе которого строятся другие сети. Протоколы и спецификации, которые определяют способы взаимодействия технологии АТМ с другими технологиями, очень важны для современных сетей. А так как протокол IP является на сегодня основным протоколом построения составных сетей, то стандарты работы IP через сети АТМ являются стандартами, определяющими взаимодействие двух наиболее популярных технологий сегодняшнего дня.

Протокол Classical IP является первым (по времени появления) протоколом, определившим способ работы интерсети IP в том случае, когда одна из промежуточных сетей работает по технологии АТМ.

Одной из основных задач, решаемых протоколом Classical IP, является традиционная для IP-сетей задача - поиск локального адреса следующего маршрутизатора или конечного узла по его IP-адресу. Поскольку сеть АТМ не поддерживает широковещательность, для технологии АТМ делается исключение - для нее разработана процедура автоматического отображения IP-адресов на локальные адреса.

Технология АТМ отличается тем, что она применяется для построения не только глобальных, но и локальных сетей.

В соответствии со спецификацией Classical IP одна сеть АТМ может быть представлена в виде нескольких IP-подсетей, так называемых логических подсетей (Logical IP Subnet, LIS) (см. Приложение E). Все узлы одной LIS имеют общий адрес сети. Как и в классической IP-сети, весь трафик между подсетями обязательно проходит через маршрутизатор, хотя и существует принципиальная возможность передавать его непосредственно через коммутаторы АТМ, на которых построена сеть АТМ. Маршрутизатор имеет интерфейсы во всех LIS, на которые разбита сеть АТМ.

Решение о введении логических подсетей связано с необходимостью обеспечения традиционного разделения большой сети АТМ на независимые части, связность которых контролируется маршрутизаторами, как к этому привыкли сетевые интеграторы и администраторы. Решение имеет и очевидный недостаток - маршрутизатор должен быть достаточно производительным для передачи высокоскоростного трафика АТМ между логическими подсетями, в противном случае он станет узким местом сети.

Все конечные узлы конфигурируются традиционным образом - для них задается их собственный IP-адрес, маска и IP-адрес маршрутизатора по умолчанию. Кроме того, задается еще один дополнительный параметр - адрес АТМ (или номер VPI/VCI для случая использования постоянного виртуального канала, то есть PVC) так называемого сервера ATMARP. Введение центрального сервера, который поддерживает общую базу данных для всех узлов сети, - это типичный прием для работы через нешироковещательную сеть. Этот прием используется во многих протоколах, в частности в протоколе LAN Emulation, рассматриваемом далее.

Конечный узел узнает АТМ-адрес своего соседа по логической подсети и устанавливает с ним коммутируемое виртуальное соединение. Если же он запрашивал АТМ-адрес маршрутизатора по умолчанию, то он устанавливает с ним соединение, чтобы передать IP-пакет в другую сеть.

Для передачи IP-пакетов через сеть АТМ спецификация Classical IP определяет использование протокола уровня адаптации AAL5, при этом спецификация ничего не говорит ни о параметрах трафика и качества обслуживания, ни о требуемой категории услуг CBR, rtVBR, nrtVBR или UBR.

2.3 Спецификация LAN emulation

АТМ Forum разработал спецификацию, называемую LAN emulation, LANE (то есть эмуляция локальных сетей), которая призвана обеспечить совместимость традиционных протоколов и оборудования локальных сетей с технологией АТМ. Эта спецификация обеспечивает совместную работу этих технологий на канальном уровне. При таком подходе коммутаторы АТМ работают в качестве высокоскоростных коммутаторов магистрали локальной сети, обеспечивая не только скорость, но и гибкость соединений коммутаторов АТМ между собой, поддерживающих произвольную топологию связей, а не только древовидные структуры.

Спецификация LANE определяет способ преобразования кадров и адресов МАС - уровня традиционных технологий локальных сетей в ячейки и коммутируемые виртуальные соединения SVC технологии АТМ, а также способ обратного преобразования. Всю работу по преобразованию протоколов выполняют специальные компоненты, встраиваемые в обычные коммутаторы локальных сетей, поэтому ни коммутаторы АТМ, ни рабочие станции локальных сетей не замечают того, что они работают с чуждыми им технологиями. Такая прозрачность была одной из главных целей разработчиков спецификации LANE.

Так как эта спецификация определяет только канальный уровень взаимодействия, то с помощью коммутаторов АТМ и компонентов эмуляции LAN можно образовать только виртуальные сети, называемые здесь эмулируемыми сетями, а для их соединения нужно использовать обычные маршрутизаторы.

Рассмотрим основные идеи спецификации на примере сети, изображенной на рис. 9.

Рис. 9. Принципы работы технологии LAN emulation

Основными элементами, реализующими спецификацию, являются программные компоненты LEC (LAN Emulation Client) и LES (LAN Emulation Server). Клиент LEC выполняет роль пограничного элемента, работающего между сетью АТМ и станциями некоторой локальной сети. На каждую присоединенную к сети АТМ локальную сеть приходится один клиент LEC.

Сервер LES ведет общую таблицу соответствия МАС - адресов станций локальных сетей и АТМ - адресов пограничных устройств с установленными на них компонентами LEC, к которым присоединены локальные сети, содержащие эти станции. Таким образом, для каждой присоединенной локальной сети сервер LES хранит один АТМ - адрес пограничного устройства LEC и несколько МАС - адресов станций, входящих в эту сеть. Клиентские части LEC динамически регистрируют в сервере LES МАС - адреса каждой станции, заново подключаемой к присоединенной локальной сети.

Программные компоненты LEC и LES могут быть реализованы в любых устройствах - коммутаторах, маршрутизаторах или рабочих станциях АТМ.

После установления связи кадры MAC локальной сети преобразуются в ячейки АТМ каждым элементом LEC с помощью стандартных функций сборки-разборки пакетов (функции SAR) стека АТМ.

...