Размещено на http://www.allbest.ru/

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к выпускной квалификационной работе

на тему:

Коммутатор асинхронной системы передачи данных

Реферат

В данной выпускной квалификационной работе рассмотрены общие сведения о АТМ коммутаторах. Описаны различные методики расчета мультиплексирования. Произведен сравнительный анализ расчётов по методикам.

Исходя из ТЗ, спроектирован вариант системы передачи извещений. Разработаны его структурная и функциональная схемы. Предложена электрическая принципиальная схема многокоординатного коммутатора.

Также проведено технико-экономическое обоснование выпускной квалификационной работы, рассмотрены вопросы безопасности и экологичности работы.

Введение

В наше время АТМ технология является основой глобальной высокоскоростной магистральной сети, предоставляющей услуги мультимедиа, то есть те услуги, которые могут одновременно использовать несколько служб связи. Для работы этой сети требуется узлы доступа и узлы коммутации, осуществляющие коммутацию на местном и региональном уровне.

При разработке АТМ коммутатора основной задачей является увеличение пропускной способности и улучшение характеристик оборудования и сети АТМ в целом. Главным отличием АТМ от традиционной коммутации является использование высокоскоростных интерфейсов. Причем производительность внутренней коммутационной матрицы может достигать десятков гигабит в секунду.

Моя выпускная квалификационная работа посвящена разработке и исследованию системы коммутации, расчетам эффекта статического мультиплексирования в АТМ сети. Анализ моделирования сетей с разномасштабными потоками событий. Сравнительному анализу АТМ коммутаторов и выяснению преимущества и недостатки АТМ по сравнению с Gigabit Ethernet.

1. Анализ технического задания

1.1 Общие сведения о АТМ коммутаторах

Неоднородность является неотъемлемым качеством любой крупной вычислительной сети. Большую часть своего времени системные администраторы тратят на согласование разнородных компонент. Поэтому любое средство, сулящее перспективу уменьшения гетерогенности сети хотя бы в каком-либо одном аспекте, привлекает всеобщее внимание. Технология асинхронного режима передачи (Asynchronous Transfer Mode, ATM) обещает ввести единообразие сразу в нескольких аспектах, поэтому неудивительно, что она занимает столько места на страницах газет, книг и журналов.

Единообразие АТМ будет состоять в том, что одна транспортная технология сможет обеспечить

· Общие транспортные протоколы для локальных и глобальных сетей

· Совмещение в рамках одной транспортной системы компьютерного и мультимедийного трафика, причем для каждого вида трафика качество обслуживания будет соответствовать его потребностям

· Иерархию скоростей передачи данных, от десятков мегабит до гигабит в секунду с гарантированной пропускной способностью для ответственных приложений.

Сеть Ethernet представляет собой убедительный пример удовлетворительной работы огромного количества сетей, отличающихся почти всеми элементами, кроме одного - использования межсетевого протокола IP. Протокол IP был специально разработан для объединения разнородных локальных сетей через глобальные связи, и он по сей день является одним из краеугольных камней сети Ethernet. Использование дополнительного протокола, служащего для приведения других протоколов к общему знаменателю - а именно такую роль выполняет IP - это лишние накладные расходы, которые съедают большую часть полезной пропускной способности сети. IP никак не приспособлен для передачи синхронного мультимедийного трафика. В данных обстоятельствах приоритет идет в пользу постепенного отказа от использования IP в сетях, где будет использоваться АТМ.

Давайте рассмотрим за счет каких особенностей АТМ предполагает осуществить стандартизацию транспортных средств сетей.

1.2 Основные особенности

ATM - это метод передачи информации между устройствами в сети небольшими пакетами, называемыми ячейками (cells). Одним из самых важных преимуществ АТМ является возможность передавать в поле данных ячеек абсолютно любую информацию. К тому же АТМ не придерживается какой-либо фиксированной скорости передачи и может работать на сверх высоких скоростей. Все ячейки в АТМ фиксированной длины - 53 байта. Ячейка состоит из двух частей: заголовка (cell header) размером 5 байт и поля данных (cell payload) размером 48 байт.

Рисунок 1.1 - Структура ячейки в АТМ

Заголовок содержит информацию для маршрутизации ячейки в сети. Поле данных несет в себе полезную информацию, которую собственно и нужно передать через сеть. Для эффективной передачи информации в технологии ATM разработана концепция виртуальных соединений (virtual connection) вместо выделенных физических связей между конечными точками в сети. Это помогает обеспечить высококачественную связь и большую гибкость в построении гомогенных сетей, где связь между узлами сети требуется независимо от их физического местоположения.

АТМ может использоваться как в локальной сети офиса, так и в территориально-распределенной сети, так как использует системы кодирования информации на физическом уровне, одинаково подходящие для передачи как по локальным, так и по глобальным сетям.

Рисунок 1.2 - Формат заголовка ячейки ATM

1.3 Принцип работы

Технология АТМ совмещает в себе подходы двух технологий - коммутации пакетов и коммутации каналов. От первой она взяла на вооружение передачу данных в виде адресуемых пакетов, а от второй - использование пакетов небольшого фиксированного размера, в результате чего задержки в сети становятся более предсказуемыми. С помощью техники виртуальных каналов, предварительного заказа параметров качества обслуживания канала и приоритетного обслуживания виртуальных каналов с разным качеством обслуживания удается добиться передачи в одной сети разных типов трафика без дискриминации.

Рассмотрим методы коммутации ячеек АТМ на основе полей VPC/VCI. Коммутаторы АТМ могут работать в двух режимах - коммутации виртуального пути и коммутации виртуального канала.

Коммутация пакетов происходит на основе идентификатора виртуального канала (Virtual Channel Identifier, VCI), который назначается соединению при его установлении и уничтожаются при разрыве соединения.

Идентификатор виртуального пути (Virtual Path Identifier, VPI), который является старшей частью локального адреса и представляет собой общий префикс для некоторого количества различных виртуальных каналов.

Таким образом технология АТМ применена на двух уровнях - на уровне адресов конечных узлов (работает на стадии установления виртуального канала) и на уровне номеров виртуальных каналов (работает при передаче данных по имеющемуся виртуальному каналу).

В первом режиме коммутатор выполняет продвижение ячейки только на основании значения поля VCI - игнорирует. Обычно так работают магистральные коммутаторы территориальных сетей. Они доставляют ячейки из одной сети пользователя в другую на основании только старшей части номера виртуального канала. В результате один виртуальный путь соответствует целому набору виртуальных каналов, коммутируемых, как единое целое. После доставки ячейки в локальную сеть АТМ, ее коммутаторы начинают коммутировать ячейки с учетом VPI, так и VCI, но при этом их хватает для коммутации только младшей части номера виртуального соединения, так что фактически они работают с VCI, оставляя VPI без изменения. Последний режим называется режимом коммутации виртуального канала.

Технология АТМ обеспечивает сервис с установлением соединения, это означает, что для передачи данных сначала необходимо установить соединение между двумя оконечными пунктами (абонентской системы) с помощью специального протокола связи. После установления соединения АТМ-ячейки маршрутизируют сами себя, поскольку каждая ячейка содержит поля идентифицирующие соединения. К которым она относится.

Скорость передачи данных в АТМ достигает 2.5 Гбит/с. Небольшой фиксированный размер ячейки обеспечивает предсказуемую пропускную способность и небольшую задержку в сети, что позволяет передавать различные виды информации (речь, видео голос). Кроме того, фиксированный размер ячеек позволяет реализовать алгоритм коммутации аппаратно, что позволяет устранить задержки, которые возникают при программной реализации алгоритмов.

Структура коммутаторов АТМ включает следующие основные компоненты:

· корпус;

· источник питания;

· электронные платы и буферную память;

· электронные платы управляющего процессора;

· электронные или электронно-оптические платы линейных интерфейсных модулей;

· вспомогательные (дополнительные) платы;

и функциональные блоки:

· входные модули (Input Module, IM),

· выходные модули (Output Module, ОМ),

· поле коммутации ячеек, модули контроля за установлением соединения (Connection Admission Control, САС),

· управления коммутатором (Switch Management, SM).

Рисунок 1.3 - Структура коммутатора

В таблице 1.1 представлены классы трафика АТМ

Таблица 1.1 - Классы трафика

Класс трафика	Характеристика
A	С установлением соединения. Требуются временные соотношения между передаваемыми и принимаемыми данными.
B	С установлением соединения. Требуются временные соотношения между передаваемыми и принимаемыми данными.
C	С установлением соединения. Не требуются временные соотношения между передаваемыми и принимаемыми данными.
D	Без установления соединения. Не требуются временные соотношения между передаваемыми и принимаемыми данными.
X	Тип трафика и его параметры определяются пользователем.

Необходимо подчеркнуть, что задание только параметров трафика часто не полностью характеризует требуемую услугу, поэтому задание класса трафика полезно для уточнения нужного характера обслуживания и данного соединения сетью.

В некоторых случаях специфика приложения такова, что ее трафик не может быть отнесен к одному из четырех стандартных классов. Поэтому для этого случая введен еще один класс X, который не имеет никаких дополнительных описаний, а полностью определяется теми количественными параметрами трафика и качеством обслуживания, которые организовываются в трафик - контракте.

1.4 Классы сервиса

В ATM сети каждый раз заказывается вид сервиса, в соответствии с которым будет обслуживаться трафик по данному соединению, когда приложению необходимо установить соединение между двумя пользователями. Классы сервиса ATM включают в себя ряд параметров, которые определяют гарантии качества сервиса. Предусмотрено несколько классов сервиса - CBR, VBR, UBR и ABR (появился совсем недавно). Они определяют минимальный уровень доступной пропускной способности и предельные значения задержки ячейки, а также вероятность потери ячейки (таблица1.2).

Таблица 1.2 - Классы сервиса АТМ

Класс сервиса	Гарантии пропускной способности	Гарантии изменения задержки	Обратная связь при переполнении
CBR	+	+	-
VBR	+	+	-
UBR	-	-	-
ABR	+	+	+

Сервис CBR (constant bit rate, сервис с постоянной битовой скоростью) является наиболее простым классом сервиса ATM. При установке сетевым приложением соединения CBR, оно заказывает пиковую скорость трафика ячеек (peak cell rate, PCR), которая является максимальной скоростью, которое может поддерживать соединение без риска потерять ячейку. Затем данные передаются по этому соединению с запрошенной скоростью. CBR-соединения должны гарантировать пропускную способность с минимальной вероятностью потери ячейки и низкими изменениями задержки передачи ячейки. Когда приложение заказывает CBR сервис, то оно требует соблюдения предела изменения задержки передачи ячейки. Сервис CBR используется для передачи голоса и видео в реальном масштабе времени, он также подходит для эмуляции цифровых каналов типа T1/E1. Для соединений CBR нет определенных ограничений на скорость передачи данных, и каждое виртуальное соединение может запросить различные постоянные скорости передачи данных. Сеть должна резервировать полную полосу пропускания, запрашиваемую конкретным соединением.

Рисунок 1.6 - Профиль трафика CBR

Класс трафика VBR (variable bit rate, сервис с переменной битовой скоростью) включает два подкласса: трафик VBR реального времени (VBR-RT) и трафик VBR не реального времени (VBT-NRT). Трафик VBR-RT допускает очень узкие границы для задержки передачи ячеек и может использоваться для передачи данных приложений реального времени, которые позволяют небольшое изменение задержки передачи ячеек, таких как видео, генерируемое кодеком с переменной скоростью данных или компрессированный видеотрафик, в котором удалены промежутки "молчания". Трафик VBR-NRT в свою очередь предъявляет менее жесткие требования к задержке передачи ячеек. Он предназначен для передачи коротких, пульсирующих сообщений, таких как сообщения, возникающие при обработке транзакций системами управления базами данных. В сравнении с сервисом CBR, VBR требует более сложной процедуры заказа соединения между сетью и приложением. В дополнение к пиковой скорости приложение VBR заказывает еще и другой параметр: длительно поддерживаемую скорость, которая представляет собой среднюю скорость передачи данных, которая разрешена приложению. Пользователь может превышать скорость вплоть до величины PCR, но только на короткие периоды времени, а соединение VBR будет использовать среднее значение SCR для управления трафиком, снижая его интенсивность на соответствующие периоды времени. Как и при CBR-соединении, приложение и сеть должны прийти к соглашению относительно пиковой скорости PCR и допустимости задержек передачи ячеек. Но в отличии от CBR, соединение VBR должно установить временной предел - как долго могут передаваться данные на скорости PCR. Когда этот предел, известный как допустимая пульсация, превышается, за ним должен следовать период более низкой активности станции, чтобы обеспечить заданный уровень SCR. Эти периоды низкой активности дают возможность другим видам трафика, таким как ABR, получить доступ к сети. Как и в случае CBR, пользователи VBR получают гарантированное обслуживание в отношении потерь ячеек, изменения задержек передачи ячеек и доступной полосы пропускания до тех пор, пока трафик удовлетворяет определенным при соединении требованиям.

Рисунок 1.5 - Профиль трафика VBR

Сервис UBR (unspecified bit rate, неопределенная битовая скорость) не определяет ни битовую скорость, ни параметры трафика, ни качество сервиса. Он предлагает только доставку "по возможности", без гарантий по утере ячеек, задержке ячеек или границам изменения задержки. Разработанный специально для возможности превышения полосы пропускания, сервис UBR представляет собой частичное, но неадекватное решение для приложений, которые не готовы согласиться с фиксацией параметров трафика. Главными недостатками подхода UBR являются отсутствие управления потоком данных и неспособность принимать во внимание другие типы трафика. Когда сеть становится перегруженной, UBR-соединения продолжают передавать данные. Коммутаторы сети могут буферизовать некоторые ячейки поступающего трафика, но в некоторый момент буфера переполняются и ячейки теряются. А так как UBR-соединения не заключали никакого соглашения с сетью об управлении трафиком, то их ячейки отбрасываются в первую очередь. Потери ячеек UBR могут быть так велики, что выход "годных" ячеек может упасть ниже 50%, что совсем неприемлемо.

Сервис ABR (available bit rate), подобен сервису UBR, использует превышение полосы пропускания, но он использует технику управления трафиком для оценки степени переполнения сети и избегает потерь ячеек. ABR - это первый класс сервиса технологии ATM, который действительно обеспечивает надежный транспорт для приложений с пульсирующим трафиком за счет того, что он может находить неиспользуемые интервалы времени в трафике и заполнять их своими пакетами, если другим классам сервиса эти интервалы не нужны (рис.1.5). Если приложение при установлении ABR-соединения не определяет максимальную и минимальную скорости, то по умолчанию они принимаются равными скорости линии доступа станции к сети (для PCR) и нулю для MCR. Пользователь соединения ABR получает гарантированное качество сервиса в отношении потери ячеек и пропускной способности. Что касается задержек передачи ячеек, то хотя они и сводятся к минимуму, но сервис ABR не дает абсолютных гарантий. Следовательно, сервис ABR не предназначен для приложений реального времени, а предназначен для приложений, в которых поток данных не очень чувствителен к задержкам в передаче. Управление перегрузками в сервисах ABR стало возможным после появления спецификации форума ATM об управлении потоком на основе его интенсивности. Сервис ABR дает пользователям и операторам сети большую гибкость в определении сервиса. При использовании такого сервиса как VBR, когда коэффициент использования сети повышается, вероятность потерь ячеек также увеличивается. При использовании ABR, когда при увеличении коэффициента использования сети возрастают перегрузки, механизм управления перегрузками уменьшает скорость передачи данных в сеть. При этом несколько увеличиваются задержки, но потери ячеек не увеличиваются.



Рисунок 1.5 - Совместное использование полосы пропускания классами сервисов ATM

1.5 Стандарты физического уровня, используемые в сетях ATM

Стандарт ATM не включает спецификацию физического уровня, а пользуется спецификациями стандарта физического уровня на передачу данных по оптическим линиям связи SONET (Synchronous Optical Network) и SDH (Synchronous Digital Hierarchy). Эти стандарты являются улученными вариантами технологии STM и определяют физический уровень передачи данных в высокоскоростных оптических линиях связи. Стандарт SONET устанавливает скорости передачи данных с дискретностью 51.84 Мб/с до 2.488 Гб/с и может быть расширен до 13 Гб/с, а SDH - с дискретностью 155.52 Мб/с. Базовая скорость 51.84 Мб/с была выбрана так, чтобы включить в себя скорости линий T-3 и E-3. Для линий со стандартными скоростями SONET введены следующие обозначения (таблица 1.3): 

Для связи станции с коммутатором используются скорости передачи данных до 155 Мб/с. Скорость 25 Мб/с не входит в разрешенные наборы скоростей стандартов SONET и SDH, поэтому она была отвергнута в свое время организаций Forum ATM. Однако, из-за того, что для такой скорости было найдено удачное и недорогое решение построения сетевого адаптера ATM на основе набора микросхем Token Ring, некоторые производители поддерживают эту скорость и она также, очевидно, будет узаконена в окончательной форме стандарта UNI.

Таблица 1.3 - Обозначение линий со стандартными скоростями

Витая пара	Оптоволокно	Скорость
STS-1	OC-1	51.84 Мб/с
STS-2	OC-3	155.520 Мб/с
	OC-9	466.560 Мб/с
	OC-12	622.080 Мб/с
	OC-18	933.120 Мб/с
	OC-24	1.244 Гб/с
	OC-36	1.866 Гб/с
	OC-48	2.488 Гб/с

Достоинства коммутатора заключаются в представлении большинства пользователей новой сетевой технологией, в первую очередь, с большей полосой пропускания. Однако технология АТМ -- это не только и не столько быстродействие; последнее является, скорее, следствием других ее особенностей.

В основе технологии АТМ лежат прямые соединения между периферийными устройствами.

Динамически создаваемые виртуальные каналы могут иметь различные приоритеты и различные гарантии для получения необходимой им полосы пропускания, причем в рамках одного быстродействующего физического соединения могут быть созданы одновременно несколько виртуальных каналов с различными характеристиками.

АТМ включает в себя очень мощные инструменты для управления трафиком, которые еще далеко не достигли пределов своего совершенства -- такие, как различные категории качества услуг и сложные механизмы обратной связи. Именно они позволяют одновременно передавать информацию различного типа, предъявляющую диаметрально противоположные требования к параметрам соединения. Именно эти механизмы позволяют объединить на одной магистрали трафик с различными протоколами. Наконец, эти механизмы обеспечивают оптимальное распределение полосы пропускания между различными виртуальными каналами и эффективный захват ее неиспользуемой части, что позволяет избежать перегрузок сети вплоть до физического исчерпания ее пропускной способности. Благодаря этому АТМ-сети способны удовлетворить всем противоречивым требованиям, предъявляемым различными типами трафика и различными протоколами.

В сети АТМ весь трафик, относящийся к тому или иному виртуальному каналу, попадает на те и только те устройства и порты, которые связаны с этим каналом. При увеличении числа станций общий объем трафика, циркулирующего в сети, растет приблизительно линейным образом. Скажем, при десятикратном расширении сети общий трафик увеличивается также в 10 раз.

В сетях же АТМ адреса станций анализируются только один раз при установлении соединения. После этого ячейки АТМ несут в себе только номер виртуального пути и виртуального канала, и коммутатору требуется минимальное число операций, чтобы препроводить их по назначению. Эти операции выполняются аппаратно, и именно поэтому коммутация в АТМ оказывается несравнимо более реальной и доступной по цене, чем коммутация в Ethernet при таком же быстродействии.

В сетях АТМ коммутатор анализирует только заголовок ячейки и не рассматривает остальные ее байты. Вмешаться в его работу извне крайне сложно, если вообще возможно: в современных коммутаторах эта обработка выполняется на аппаратном уровне. В сетях АТМ просто нет дверей, на которые следовало бы вешать замки: виртуальные каналы разделены глухими стенами. Это качественно новая ступень безопасности.

Имеет гибкое управление трафиком, поддержку смешанного трафика с различными протоколами и конфиденциальность.

Эта технология способно успешно сосуществовать со всеми имеющимися локальными сетями, с любыми протоколами и с большей частью используемого в них оборудования.

Недостатки коммутатора по сравнению с достижением символического порога в 1 Гбит/с у Gigabit Ethernet , отнюдь не гарантирующем реального ускорения работы прикладных программ, скажем, в 10 раз по сравнению с Fast Ethernet или более высокой производительности, чем существующие сети АТМ с быстродействием 622 Мбит/с.

Таким образом, широкие возможности АТМ позволяют, помимо всего прочего, внедрять эту технологию плавным и безболезненным образом, в рамках текущей модернизации и расширения сети. При этом пользователи АТМ - сегментов сети получают в свое распоряжение все возможности, предоставляемые этой технологией, плюс доступ к традиционным сетям

1.6 Тестирование проектов корпоративной сети АТМ

Передача речи, видео и компьютерных данных по единой сетевой инфраструктуре -- мечта, которая уже сегодня становится реальностью для многих крупных предприятий. Обеспечивая интегрированную пересылку перечисленных типов трафика, технология ATM позволяет предприятиям значительно сократить число дорогостоящих арендуемых линий связи. Это ее достоинство активно рекламируют фирмы -- производители оборудования ATM, и именно оно стало одной из основных причин, побудивших большие предприятия обратиться к данной технологии. Но стоит ли ориентироваться на использование ATM в кампусных сетях сейчас, когда на рынке появилось множество новых, высокоскоростных, маршрутизирующих коммутаторов Ethernet? Чтобы ответить на этот вопрос, я взял для сравнения производителей сетевого оборудования FORE Systems и 3Com для тестирования по построению сети ATM, которая обеспечила бы работу приложений дистанционного обучения на расстояние порядка 100 км. При этом сеть должна поддерживать одновременную передачу видео и данных с необходимым качеством обслуживания и гарантировать отказоустойчивую связь по каналу дальней связи.

В качестве места тестирования выбрали Университет штата Гавайи, расположенный на острове Оаху. И это не случайно. Университет находится в 96 км от мощного вычислительного центра на острове Мауи, связь с которым в настоящее время осуществляется по каналу DS3 (44,736 Мбит/с) через обычные маршрутизаторы.

Цена на продукты ATM в целом за последние два года значительно снизилась, устройства с интерфейсами ATM OC-12 (622 Мбит/с) остаются очень дорогими. Стоимость проекта 3Com обходилась около 230 тыс. долл. Проект FORE Systems обошелся гораздо менее затратнее. FORE Systems является наиболее лучшим оборудованием во взаимодействии с коммутаторами почти всех фирм. ATM -- проверенная технология, но, для того чтобы продукты ATM разных фирм заставить работать друг с другом требуется не малых усилий. Закончив тестирование, пришли к выводу, что технические решения ATM, предлагаемые фирмой FORE Systems, остаются лучшими в плане функциональности и соответствия стандартам. Отметим что в проекте фирмы 3Com предусмотрено развертывание магистрали ATM и использование интерфейсов Gigabit Ethernet что обеспечивает успешную стыковку двух высокоскоростных технологий и позволяет избежать множества проблем, связанных с применением механизмов LANE.

Результаты тестирования данных проектов по построению корпоративной сети ATM приведены в таблице 1.4.

Таблица 1.4 - Результаты тестирования

Категории оценки	Значимость критерия, %	Проект FORE Systems	Проект 3Com
Функции программного обеспечения	30	4.5	3.5
Цена	25	4	3
Надежность и отказоустойчивость	20	4.5	4
Масштабируемость	15	5	4
Соответствие системным требованиям	10	5	5
Итоговая оценка		4.50	3.70

1.7 Проект фирмы FORE Systems

Ключевой задачей FORE Systems является создание аппаратных и программных средств для построения отказоустойчивых и надежных сетей АТМ.

Одни из мощных программных функций реализованных в ее продуктах (включая поддержку механизмов MPOA). FORE Systems так же отличается очень высокой производительностью.

Ядром для построения сети FORE Systems использует магистральный коммутатор ASX-1000, а для подключения конечных узлов по каналам Fast Ethernet и АТМ - коммутаторы ES-3810 Ethernet Switch и LE-155 ATM Workgroup Switch. Маршрутизация трафика в сети осуществляется с помощью технологии MPOA, серверная и клиентская части реализованы в программном обеспечении ForeThought 5.0.

Коммутаторы компании FORE Systems показывают самую высокую скорость установления соединения ( Они обрабатывают более 400 вызовов в секунду).

Так же легко устанавливать коммутированные и постоянные виртуальные соединения между видеокодеками фирмы AG Communications, а видеопоток MPEG-2 проходит без помех даже через перегруженную сетевую инфраструктуру.

1.8 Проект фирмы 3Com

Данный проект предусматривает установку АТМ коммутаторов CoreBuilder 7000HD с интерфейсами Fast Ethernet и Gigabit Ethernet. Для подключения сегментов Fast Ethernet используются пограничные коммутаторы SuperStack II 3000 c 12 портами 10/100 Mбит/с.

CoreBuilder 7000HD является одним из самых гибких коммутаторов АТМ. Он поддерживает интерфейсы Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, а так же Т1/Е1 и Т3/Е3. Настройка коммутатора осуществляется через программное обеспечение Transcend фирмы 3Com.

При использовании технологии АТМ только на магистрали и задействуя интерфейсы Gigabit Ethernet для подключения пограничных устройств вы можете воспользоваться всеми преимуществами отказоустойчивости АТМ, обойдя при этом сложности механизмов LANE.

В заключении сравнения данных коммутаторов я пришел к выводу, что при построении любой корпоративной сети АТМ лучше всего использовать надежное магистральное оборудование компании FORE Systems. Эта фирма продолжает развивать свое базовое пограничное устройство, коммутатор ES-3810, наделяя его новыми и новыми функциями, например механизмами поддержки классов Ethernet и пограничной маршрутизации MPOA. Отметим что фирма значительно снизила цены на свою продукцию, что делает ее еще более конкурентоспособной.

К преимуществам коммутаторов фирмы 3Com хотел бы отметить хорошее взаимодействие с видеооборудованием AG Communications и обеспечение качественной передачи видеопотока по каналу OC-12.

Для более объективной оценки в Таблице 1.5. приведены Характеристики тестирования продуктов АТМ этих фирм, в которой: «+» - есть, «-» - нет, н/д - нет данных. MM - многомодовое волокно, SM - одномодовое волокно; VCC (Virtual Channel Connection) - виртуальное канальное соединение; EPD (Early Packet Discard) - функция интеллектуального сбора ячеек.

1.9 Сравнение технологий АТМ и Gigabit Ethernet

Специалисты сравнивают технологии ATM и Gigabit Ethernet еще со времен появления последней. Смогут ли заменить каналы Gigabit Ethernet технологию ATM в локальных сетях? Каким образом гигабитовая технология повлияет на технологии LANE и MPOA.

Таблица 1.5 - Характеристики протестированных продуктов АТМ

Характеристика	Фирма FORESystems	Фирма 3Com
	ES-3810	CoreBuilder 7000HD
Базовые аппаратные характеристики
Пропускная способность внутренней магистрали (Гбит/с)	0.64	20
Число разъемов расширения для установки интерфейсных модулей	5	4
Число интерфейсов OC-3 MM/SM/UTP	2/2/2	32/32/32
Число интерфейсов OC-12 ММ/SM	0/0	8/8
Число интерфейсов ATM 25 UTP	0	0
Виртуальные соединения и очереди
Число поддержки соединений VCC	2000	60 000
Число очередей с приоритетами	2	2
Средства отказоустойчивости
Резервирование коммутирующих и управляющих подсистем	-	+
Резервирование оптических элементов/блоков питания	+/+	-/+
«Грячая» замена интерфейсных модулей/управляющих блоков	-/-	+/+
Модернизация программного кода в процессе работы	-	-
Поддержка перемаршрутизации PVC	-	-
Функции АТМ
Клиент/сервер LANE	+/+	+/+
Клиент/сервер Classical IP over ATM	+/+	-/-
Резервирование LECS/LES/BUS	+/+/+	+/+/+
Клиент/сервер MPOA	+/-	-/-
Поддержка классов UBR/CBR/VBR-rt/VBR-nrt/ABR	UBR	+/+/+/+/+
Механизмы управления трафиком ABR	-	RR, EFCI
Совместимость со спецификацией Traffic Management 4.0	н/д	+
С командной строки/их системного меню	-/+	+/+
Из Web браузера/специальной графической утилиты.	+/+	+/+

Аналогично среде POS, каждая технология -- и Gigabit Ethernet, и ATM -- занимает свою нишу на рынке средств для объединенных сетей.

С одной стороны, технология ATM предоставляет качество обслуживания в локальных, городских и распределенных сетях; с другой -- позволяет расширить частные сети на большие расстояния и обеспечить необходимое качество обслуживания для передачи данных из одной части мира в другую. С третьей стороны, в технологию Gigabit Ethernet механизмы QoS только начинают внедряться. Например, стандарт IEEE 802.1p можно тоже считать неким механизмом расстановки меток, который является аналогом технологии QoS для фреймов канального уровня. В указанном стандарте предусмотрен заголовок размером 16 битов, который внедряется в начало фрейма и содержит 3 бита для установки приоритета или метки. В стандарте описаны шесть типов приоритетов которые можно использовать для правил определения (policy-based) уровней качества обслуживания. Указанный стандарт необходимо использовать с осторожностью, так как некоторые старые устройства могут неправильно интерпретировать добавляемые 16 битов. Кроме того, приоритеты канального уровня можно сопоставлять с приоритетами сетевого уровня для предотвращения возникновения уязвимых мест на границах сети. Если технология ATM позволяет расширить требуемое качество обслуживания на всю распределенную сеть, то стандарт IEEE 802.1p теряет свою силу на границе между локальной и распределенной сетями, что является одним из недостатков технологии Gigabit Ethernet.

Возможно, многие слышали вопрос: «Зачем нужен механизм QoS, если достаточно доступной ширины пропускания канала?». На такой вопрос можно ответить другим вопросом. Что означает «достаточно» и достаточно ли пропускной способности канала? Современные сети зависят от используемых приложений. На сегодня существует достаточно приложений, которым хватит и 1 Гбит/с. Но что будет, если завтра появится приложение, которое будет требовать гораздо большей пропускной способности соединений? Если в сети используются мультимедийные приложения, то механизмы QoS просто необходимы, и технология ATM гарантирует, что голосовые и видеоданные получат лучшее качество обслуживания, чем остальные передаваемые данные. Если приложения в сети обмениваются критичными по времени данными и требуют гарантированной ширины полосы пропускания, то опять же механизмы обеспечения качества обслуживания технологии ATM справятся и с такой задачей, не правда ли?

Как уже упоминалось, каждая технология имеет свое предназначение и занимает свое место в объединенных сетях. Так и технологии ATM и Gigabit Ethernet имеют определенное предназначение в локальных, городских и распределенных сетях.

В таблице 1.6 приведены сравнительные характеристики технологий ATM и Gigabit Ethernet.

Таблица 1.6 - Сравнительная характеристика технологий ATM и Gigabit Ethernet

Технология ATM	Технология Gigabit Ethernet
Поддерживает механизм QoS как в локальных, так и в распределенных сетях. Позволяет правилам QoS локальной сети распространяться в распределенную сеть	Средства QoS реализованы в виде шести уровней приоритетов, которые не распространяются в распределенную сеть
Основана на концепции виртуальных каналов, что гарантирует надежность и устойчивость	Используется шинная топология. Может быть построена в коммутируемых выделенных или частично выделенных сегментах
Позволяет достигать скорости передачи данных до 10 Гбит/с и выше	Ограничение по скорости -- 1 Гбит/с (без использования дуплексной передачи)

Рассмотрим какая из технологий передачи данных наиболее полно сможет отвечать требованиям современной мульти сервисной сети. В таблице 1.7 приведены особенности технологий коммутации пакетов.

Таблица 1.7 - Особенности технологий коммутации пакетов

Наименование технологии	Область примене-ния	Максималь-ная скорость передачи	Максималь-ная длина пакетов (байт)	Возмож-ность передачи речи (Онлайн)	Наличие механизмаQoS	Максималь-ное расстояние передачи (км)
Gigabit Ethernet	Локаль-ные местные, магистр. сети	Гбит/с	1500	Нет(без исп.спец мер)	Нет(без исп.спец мер)	150
ATM	Магистр. Местные, Локальные сети	622 Мбит/с, 4.5 Гбит/ с	53	Есть	Есть	Не ограничена

Для операторов предоставляющие мульти сервисные услуги важна наибольшая отдача при минимально вложенных средствах. В этом случае преимущества у Gigabit Ethernet

· простота и легкость реализации, управления и обслуживания;

· дешевизна сетей;

· значительная топологическая гибкость при установке сетей;

· гарантия успешного взаимодействия между продуктами совместимых стандартов независимо от производителя.

Также технология Ethernet используется для организации каналов передачи данных на отдельных звеньях сети доступа.

Ближайшим конкурентом Ethernet по быстродействию была и остается технология АТМ. Однако для широкого распространения АТМ существует несколько объективных причин. Во-первых, придя из области телекоммуникаций, сеть с коммутацией ячеек требует эмуляции Ethernet при помощи LANE и IPOA (IP Over АТМ, IP поверх АТМ). Во-вторых, из-за меньшей распространенности оборудование имеет высокую стоимость. Наконец, многих отпугивает отсутствие официально утвержденных стандартов. В настоящее время Ethernet занимает более 80% рынка сетевого оборудования, а три ближайших конкурента -- АТМ, FDDI и Token Ring -- остаток. Главное преимущество АТМ состоит в возможности доставки данных в реальном масштабе времени, однако легкое подергивание изображения при видеоконференциях вряд ли побудит высший менеджмент раскошелиться на замену всего сетевого оборудования. С появлением протоколов RSVP (Resource Reservation Protocol -- протокол резервирования ресурсов) и RTSP (Real-time Streaming Transport Protocol -- протокол передачи потоков в реальном времени) у Ethernet появились некоторые возможности по гарантированной доставке данных в реальном масштабе времени. Хотя это еще не гарантия, но уже честная попытка, предпринятая с практически достаточными средствами.

Технология ATM отлично работает в магистралях, поскольку изначально строилась как масштабируемая - от 1.5 Мбит/с (DS-1) до 10 Гбит/с (OC-192c) и далее.

ATM и Gigabit Ethernet не являются эквивалентными технологиями -каждая из них предназначена для определенных типов приложений. Конечно, ATM может быть использована в качестве магистральной технологии в традиционных сетях передачи данных. Она легко интегрируется и с LAN-, и с WAN-окружением. В отличие от GE ее масштабируемость виртуально не ограничена. Однако в качестве транспортной технологии функциональность ATM явно избыточна. В то же время ячейки фиксированной длины и возможность обеспечить необходимый уровень сервиса (QoS) позволяют ей одинаково хорошо справляться с различными видами трафика -- видео, графикой, изображением и голосом.

Эффективность использования этих технологий в IP-сетях в качестве транспорта составит приблизительно 98% для Gigabit Ethernet и 88% для ATM.

С другой стороны, технология Gigabit Ethernet разрабатывалась для передачи данных, а не для поддержки приложений мультимедиа, в особенности голоса и видео. Хотя ее пропускная способность позволяет выполнять в сети подобные приложения, однако для них необходимы некоторые механизмы присвоения приоритетов и минимизации задержки при работе с видео и голосом. Таким образом, Gigabit Ethernet больше подходит для сетей с чистой передачей данных, особенно в тех случаях, когда локальные сети используют Ethernet/Fast Ethernet.

Теперь остановимся на причинах такого позиционирования. Масштабируемость для сетевой технологии -- это способность экономически эффективно работать в очень крупных сетях на сверхвысоких скоростях. В технологии ATM имеется несколько ограничителей, из-за которых ее масштабируемость не может выходить за определенные рамки. Если в начале 90-х гг. возможности базовых механизмов ATM казались «бесконечными», то сегодня, спустя 20 лет, они уже вполне ощутимо сдерживают рост сетей.

Самым принципиальным ограничителем является фиксированный и очень небольшой размер ячейки -- 53 байт, 48 из которых переносят пользовательские данные. Этот размер был выбран для создания благоприятных и предсказуемых условий переноса чувствительного к задержкам голосового трафика через магистрали со скоростью 155 Мбит/с -- наиболее распространенной в сетях ATM. Действительно, задержка пакетизации голоса (время между помещением в данную ячейку первого и последнего замеров оцифрованного частотой 8 кГц голоса) для ячеек такого размера составляет меньше 6 мс, а задержка приоритетной ячейки из-за передачи неприоритетной или служебной ячейки вообще почти незаметна -- всего около 3 мкс.

Однако масштабы скоростей изменились, и в настоящее время такие технологии, как Packet over SDH/Sonet или 10 Gigabit Ethernet, работают уже на скорости 10 Гбит/с, т. е. в 64 раза быстрее, чем 155 Мбит/c. Это значит, что те же максимальные задержки в 3 мкс из-за вставки неприоритетных данных между приоритетными, которые раньше достигались за счет сокращения ячейки до 53 байт, сегодня можно соблюсти и при использовании кадров с полем данных в 64 раза больше. Это подтверждается практикой работы высокоскоростных каналов STM-16/OC-48 и STM-64/OC-192 в Internet, где используются кадры с максимальным полем данных в 4500 байт (для поддержки такого поля многие высокоскоростные продукты Ethernet поддерживают так называемые гигантские кадры (jumbo), хотя они пока не стандартизованы).

Возьмем в качестве сравнения GE и ATM работу еженедельника Network World .

Мощь Gigabit Ethernet будет только расти. И скорее всего, за счет ATM.

Именно к таким выводам приводят результаты сравнительных испытаний, проведенных в лаборатории еженедельника Network World. Тестировались коммутаторы ATM от FORE Systems и Gigabit Ethernet от Foundry Networks; в тестовой конфигурации использовались также сетевые адаптеры Gigabit Ethernet от Packet Engines.

Целью испытаний было определение не столько скоростных характеристик, сколько той роли, которую могут сыграть соответствующие технологии в сети предприятия. Применительно к опорным сетям и ATM, и Gigabit Ethernet имеют свои достоинства и недостатки. ATM опережает Gigabit Ethernet по большинству показателей, в частности по числу производителей и ассортименту изделий, ценам, использованию различных носителей и расстояниям передачи данных, возможностям поддержки разных типов трафика и уровней обслуживания, а также по совместимости изделий от разных производителей. Зато, по данным наших испытаний, продукты Gigabit Ethernet значительно проще устанавливать, а кроме того, они обычно более совместимы с существующими приложениями, типами трафика и программными интерфейсами. И это не удивительно, ведь технология Gigabit Ethernet обеспечивает все, то же самое, что Ethernet, только с намного большей скоростью.

В прочих областях наблюдается менее четкая картина. Например, нет оснований утверждать, что та или иная технология идеально подходит (или может подойти в будущем) для коммутации сетевого уровня или организации виртуальных сетей. Многие считают, что использование технологии ATM, ориентированной на установление логических соединений и поддерживающей динамические коммутируемые виртуальные каналы, предпочтительно с точки зрения IP-коммутации. Однако Gigabit Ethernet, как наследник Ethernet и Fast Ethernet, запросто может обеспечить организацию VLAN, охватывающих все три поколения этой технологии.

Опираясь на изученную информацию, я разрабатываю систему коммутации со следующими параметрами:

1) Число трактов с ВРК - 512;

2) Число информационных каналов в каждом тракте с ВРК - 256;

3) Число временных интервалов работы звена пространственной коммутации - 64;

4) Число бит на один информационный канал - 32;

5) Удельная нагрузка - 0.2 Эрл;

6) Вероятность блокировки - 0.0001.

2. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ КОММУТАТОРА

2.1 Разработка коммутационной схемы

Я разрабатываю многокоординатный коммутатор со звеньями пространственной и временной коммутации. Эту коммутационную схему обычно называют время - пространство - время. Информация, поступающая по каналу входящего тракта с ВРК, задерживается на входящем звене временной коммутации до тех пор. Пока не будет найден соответствующий свободный путь через звено пространственной коммутации. Затем информация будет передана через звено пространственной коммутации, где она будет храниться до тех пор, пока не наступит временной интервал, в котором требуется осуществить передачу данных. Допустим, что на звеньях временной коммутации обеспечивается полно доступность ( т. е. все входящие каналы могут быть соединены со всеми исходящими), при установлении соединения на звене пространственной коммутации копируется по одному разу для каждого внутреннего временного интервала. Вероятностный граф схемы ВПВ, приведен на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 - Вероятностный граф схемы ВПВ

Важной особенностью коммутационной схемы ВПВ, является то, что звено пространственной коммутации работает с разделением времени независимо от внешних трактов с ВРК. Число временных интервалов работы звена пространственной коммутации l не должно совпадать с числом временных интервалов с внешних трактов с ВРК.

Так как реализация временного расширения значительно дешевле, чем пространственного, то при высоком использовании каналов коммутационная схема ВПВ окажется более экономичной по сравнению с ПВП.

Коммутационная схема ВПВ имеет ярко выраженное преимущество перед схемами ПВП в области больших значений использования каналов. Для станций большой емкости с большой нагрузкой необходимость преимущественного использования структуры ВПВ становится совершенно очевидной.

Весьма экономичная коммутационная система может быть реализована на стандартных элементах памяти и логических элементов.

При разработке управляющая память интегрируется с коммутационными элементами таким образом, что управляющая информация в течении каждого временного интервала передается внутри ИС.

Если управляющая память реализуется отдельно, то полоса частот, необходимая для управляющей информации, поступающей на коммутационные элементы, может быть столь же широкой, как и полоса частот, требующаяся для данных проходящих через них.

Структурная схема коммутатора ВПВ показана рисунке 2.1.



Рисунок 2.2 - Структурная схема коммутатора ВПВ

3. РАЗРАБОТКА ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ КОММУТАТОРА

3.1 Разработка элемента пространственной коммутации

Элемент пространственной коммутации содержит мультиплексор
256 Х 1, управление которым организованно с разделением времени и использованием информации, поступающей с кольцевого сдвигающего регистра.

Синхронизирующие импульсы поступают на сдвигающий регистр с частотой следования временных интервалов; данные проходят через мультиплексор с битовой скоростью. Как показано на рисунке, длина сдвигающего регистра установлена, исходя из 256-канального цикла, а каждое управляющее слово содержит 9 бита: 8 бит для выбора точки коммутации и один бит для указания того, будет ли использована выходная линия в течении определенного временного интервала. Остальная часть схемы обеспечивает возможность изменять или просто считывать управляющую информацию по мере того, как она перемещается назад, в конец сдвигающего регистра.

Соединяя в параллель входы 256 элементов пространственной коммутации, можно построить коммутационный блок 256 Х 256 с временным разделением каналов, как показано на рис 3.1. Для того, что бы обеспечить подачу команд записи и считывания из управляющей памяти я использую дополнительную логическую схему в которой содержится 2 демультиплексора 256 Х 1.



Рисунок 3.1 - Функциональная схема блока пространственной коммутации.

3.2 Элемент временной коммутации

На рисунке 3.2 приведем функциональную схему блока временной коммутации.



Рисунок 3.2 - Функциональная схема блока временной коммутации.

Управляющая память в схеме организованна аналогично управляющей памяти элемента пространственной коммутации. Счетчик временных интервалов используется для последовательной выборки, а управляющая информация используется для произвольной выборки. При вводе информации происходит преобразование из последовательного кода в параллельный, а при выводе из параллельного в последовательный. Это удобно для минимизации числа выводов.

Функциональная схема коммутатора ВПВ представлена на рис 3.3.



Рисунок 3.3 - Функциональная схема коммутатора ВПВ

Разработанный коммутатор обслуживает 512 трактов с ВРК по
256 каналов в каждом; общее число обслуживаемых каналов равно 8192. Число бит на один информационный канал равен 32, а число временных интервалов работы звена пространственной коммутации 64. При нагрузке на вход 0.2 Эрл разрабатываемая коммутационная схема обеспечивает вероятность блокировки 0.0001.

3.3 Ш-ЦИС и АТМ в развитии телекоммуникаций

В наше время активно реализуется системная, сетевая и информационная интеграция средств связи с охватом высокоскоростных видов связи, созданием широкополосных цифровых сетей с интеграцией служб (Ш-ЦИС) и использованием асинхронного метода передачи информации (АТМ).

Ш-ЦИС с АТМ обеспечивает униформное представление информации пользователей в виде коротких пакетов фиксированной длины, которые по виртуальному каналу доставляются по назначению в режиме быстрой коммутации пакетов (БКП). Это позволяет нам получить перспективную систему доставки информации, упростить маршрутизацию, достичь гибкого распределения полосы пропускания и эффективного ее использования.

Ш-ЦИС включает в себя интеграцию речи, видео, данных, а так же телеконференции, телемедицину, интерактивный обмен в реальном времени, видео по заказу и т.п. Из этого большого списка услуг все большое распространение получает «Эмуляция LAN» через АТМ и TCP/IP через АТМ, параллельные вычисления.

Увеличение трафика Интернета и возможность его оптимальной интеграции с трафиком других видов связи в рамках единой мульти сервисной сети делает сегодня Ш-ЦИС с АТМ по существу самой перспективной концепцией развития телекоммуникаций в мире.

Благодаря технологии АТМ все коммутационное оборудование становится однородным, решающим для всех видов данных одну задачу - быстрая коммутация фиксированных пакетов (ячеек), и асинхронного временного разделения ресурсов, при котором множество виртуальных соединений с различными скоростями асинхронно мультиплексируются в едином физическом канале связи.

Сеть АТМ, способна обеспечить

· Высокую гибкость и адаптацию сети к изменению уровня требований пользователя к скорости, объему, качеству доставки информации

· Повышение эффективности использования сетевых ресурсов за счет статического мультиплексирования множества источников с пачечным трафиком

· Снижение общих затрат на проектирование, строительство и эксплуатацию сети.

3.4 Основные предпосылки нового подхода к статическому мультиплексированию в Ш-ЦИС

Предположим, что в текущем сеансе связи в результате изменений на отрезке времени [t₀,t] случайному процессу битовой скорости передачи информации от s-го источника k-й службы с изменяющейся скоростью передачи в сети АТМ соответствует конечный набор дискретных значений, отражающих полипачечный характер битовой скорости.

Конечное множество этих значений . Элементами множества временных отрезков обозначим , набор значений вероятностей и коэффициентов поперечной . Результат ступенчатой аппроксимации случайного процесса битовой скорости передачи информации будет записана как

а плотность распределения вероятностей случайного процесса битовой скорости передачи s абонента k-й службы к моменту времени t выражается через сумму дельта функций

Первый момент и дисперсия ступенчатой аппроксимации случайного процесса полипачечной битовой скорости передачи на отрезке времени [t₀,t]:

К моменту t среднее значение и дисперсию скорости случайного процесса передачи можно преобразовать в среднее значение и дисперсию скорости передачи пакетов АТМ, которые сгенерированы s-м абонентом k-й службы для транспортирования пользовательских данных:

Где L_инф = 384 бит - длина информационной части пакета АТМ.

3.5 Математическая модель трафика в узле доступа и цифровых групповых трактов (ЦГТ) Ш-ЦИС по технологии АТМ

Технология АТМ ориентирована на установление соединения. Тогда, можно полагать, что число заявок на предоставление виртуальных соединений, поступающих за существенный временной интервал i-й абонентский узел, от пользователей k-й службы, есть случайный процесс

- значение в момент t интенсивности потока заявок на установление виртуальных соединений от s-го абонента k-й службы; - количество виртуальных соединений, заявленных, но не установленных к моменту t.

Выражение можно представить в виде суммы двух соответствующих интенсивностей в момент t

Опыт реализации АТМ сетей свидетельствует о том, что обычно = 1, Отсюда

Значение случайного процесса суммирования потока заявок, поступающих на i-й узел или ЦГТ от всех K служб в момент t, составляет

...