Исследование мультисервисных сетей с использованием имитационного моделирования

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Содержание

Введение

Глава 1. Технология ATM

1.1 Модель STM

1.2 Переход на ATM

1.3 Основные концепции АТМ

1.4 Архитектура АТМ

1.5 Уровень АТМ

1.6 Стандарты Модели ATM

1.7 Интерфейсы сетей АТМ

1.8 Организации по стандартизации ATM

Глава 2. Язык моделировния

2.1 Мультисервисные сети

2.3 Имитационное моделирование

Глава 3. Моделирование АТМ сети

3.1 Создание сети

3.2 Анализ результатов

Заключение

Список использованной литературы

Введение

В последнее десятилетие технологии передачи данных в компьютерных сетях претерпели очень большие изменения. Первоначально высокоскоростные центральные магистрали предназначались только для передачи информации между основными серверами. Сейчас это оборудование обладает не только высокой скоростью передачи данных, но имеет множество настраиваемых параметров и дает возможность гибко управлять ресурсами сети. Оно стало наиболее сложной и важной ее частью. Низкоскоростные системы, например на основе стандарта 10Base-T, не только тормозят рост сети в целом, снижают общую производительность, но и ограничивают использование новых приложений. С другой стороны, современное оборудование обеспечивает высокую скорость передачи данных, надежность и предусматривает возможности дальнейшего роста и развития.

Центральные магистрали передачи данных должны удовлетворять двум главным критериям:

- первый - возможность подключения большого количества низкоскоростных клиентов к небольшому количеству мощных, высокоскоростных серверов;

- второй - приемлемая скорость отклика на запросы клиентов.

Идеальная магистраль должна обладать высокой надежностью передачи данных и развитой системой управления. Под управлением следует понимать, что магистраль может быть сконфигурирована с учетом всех местных особенностей, а надежность ее должна быть такова, что даже если некоторые ее части выйдут из строя, серверы останутся доступными.

Целью работы является: улучшение технических параметров мультисервисной сети за счет использования имитационного моделирования на примере АТМ сети выявлен наиболее приемлемый класс передачи данных в данной технологии. Актуальность заключается в том, что технология АТМ в Казахстане находится в эмбриональной стадии и разработанная модель позволяет произвести оптимальную настройку оборудования и предугадать нагрузку на систему, а так же при увеличение абонентов позволит настроить просчитать все возможные риски.

Глава 1. Технология ATM

1.1 Модель STM

ATM является развитием STM (Synchronous Transfer Mode), технологии передачи пакетных данных и речи на большие расстояния, традиционно используемой для построения телекоммуникационных магистралей и телефонной сети. STM представляет собой сетевой механизм с коммутацией соединений, где соединение устанавливается прежде, чем начнется передача данных, и разрывается после ее окончания. Таким образом, взаимодействующие узлы захватывают и удерживают канал, пока не сочтут необходимым рассоединиться, независимо от того, передают они данные или "молчат". Данные в STM передаются посредством разделения всей полосы канала на базовые трансмиссионные элементы, называемые временными каналами или слотами. Канальные интервалы объединены в цикл передачи, содержащую фиксированное число каналов, пронумерованных от 1 до N. Каждому слоту ставиться в соответствие одно соединение. Каждая из обойм (их тоже может быть несколько - от 1 до М), определяет свой набор соединений. Цикл передачи предоставляет свои канальные интервалы для установления соединения с периодом Т. При этом гарантируется, что в течение этого периода необходимая обойма будет доступна. Параметры N, M и Т определяются соответствующими комитетами по стандартизации и различаются в Америке и Европе.[1]

В рамках канала STM каждое соединение ассоциируется с фиксированным номером слота в конкретной обойме. Однажды захваченный слот остается в распоряжении соединения в течение всего времени существования этого соединения.

1.2 Переход на ATM

Исследования применения оптоволоконных каналов в трансокеанских и трансконтинентальных масштабах выявили ряд особенностей передачи данных разных типов. В современных коммуникациях можно выделить два типа запросов:

- критичные к задержкам (например, сигналы телевидения высокой четкости и звуковая информация);

- передача данных, не очень критичных к задержкам, но не допускающих потерь информации (этот тип передачи, как правило, относится к межкомпьютерным обменам).

Передача разнородных данных приводит к периодическому возникновению запросов, требующих большой полосы пропускания, но при малом времени передачи. Узел, порой, требует пиковой производительности канала, но происходит это относительно редко, занимая, скажем, одну десятую времени. Для такого вида канала реализуется одно из десяти возможных соединений, на чем, естественно, теряется эффективность использования канала. В рамках модели STM передача временно неиспользуемый слот другому абоненту невозможна.

Модель ATM была взята на вооружение одновременно AT&T и несколькими европейскими телефонными гигантами. (Кстати, это может привести к появлению сразу двух стандартов на спецификацию ATM.) Главная идея заключалась в том, что необходимости в жестком соответствии соединения и номера слота нет. Достаточно передавать идентификатор соединения вместе с данными на любой свободный слот, сделав при этом пакет настолько маленьким, чтобы в случае потери утрата легко восполнялась бы. Короткие пакеты весьма привлекательны для телефонных компаний, стремящихся сохранить аналоговые линии STM.

В сети ATM два узла находят друг друга по виртуальному идентификатору соединения, используемому вместо номеров канальные интервалы и циклы передачи в модели STM. Быстрый пакет передается в такой же слот, как и раньше, но без каких-либо указаний или идентификатора.

1.3 Основные концепции АТМ

Сети с трансляцией ячеек. Идея сети с трансляцией ячеек проста: данные передаются по сети небольшими пакетами фиксированного размера, называемыми ячейками (cells). В сети Ethernet передача данных осуществляется большими пакетами переменной длины, которые называют кадрами (frames). Ячейки имеют два важных преимущества перед кадрами. Во-первых, поскольку кадры имеют переменную длину, каждый поступающий кадр должен быть буферизован (т.е. сохраняться в памяти), что гарантирует его целостность до начала передачи. Поскольку ячейки всегда имеют одну и ту же длину, они требуют меньшей буферизации. Во-вторых, все ячейки имеют одинаковую длину, поэтому они предсказуемы: их заголовки всегда находятся на одном и том же месте. В результате коммутатор автоматически обнаруживает заголовки ячеек и их обработка происходит быстрее.

В сети с трансляцией ячеек размер каждой из них должен быть достаточно мал, чтобы сократить время ожидания, но достаточно велик, чтобы минимизировать издержки. Время ожидания (latency) - это интервал между тем моментом, когда устройство запросило доступ к среде передачи, и тем, когда оно получило этот доступ. Сеть, по которой передается восприимчивый к задержкам трафик (например, звук или видео), должна обеспечивать минимальное время ожидания.

Любое устройство, подключенное к сети ATM (рабочая станция, сервер, маршрутизатор или мост), имеет прямой монопольный доступ к коммутатору. Поскольку каждое из них имеет доступ к собственному порту коммутатора, устройства могут посылать коммутатору ячейки одновременно. Время ожидания становится проблемой в том случае, когда несколько потоков трафика достигают коммутатора в один и тот же момент. Чтобы уменьшить время ожидания в коммутаторе, размер ячейки должен быть достаточно маленьким; тогда время, которое занимает передача ячейки, будет незначительно влиять на ячейки, ожидающие передачи.

Уменьшение размера ячейки сокращает время ожидания, но, с другой стороны, чем меньше ячейка, тем большая ее часть приходится на "издержки" (то есть на служебную информацию, содержащуюся в заголовке ячейки), а соответственно, тем меньшая часть отводится реальным передаваемым данным. Если размер ячейки слишком мал, часть полосы пропускания занимается впустую и передача ячеек происходит длительное время, даже если время ожидания мало.

Сети с установлением соединения. Для передачи пакетов по сетям ATM от источника к месту назначения источник должен сначала установить соединение с получателем. Установление соединения перед передачей пакетов очень напоминает то, как осуществляется телефонный звонок: сначала вы набираете номер, телефон абонента звонит, и кто-то снимает трубку - только после этого вы можете начать говорить.

При использовании других технологий передачи данных, таких как Ethernet и Token Ring, соединение между источником и получателем не устанавливается - пакеты с соответствующей адресной информацией просто помещаются в среду передачи, а концентраторы, коммутаторы или маршрутизаторы находят получателя и доставляют ему пакеты.

Сети с установлением соединения имеют один недостаток - устройства не могут просто передавать пакеты, они обязательно должны сначала установить соединение. Однако такие сети имеют и ряд преимуществ. Поскольку коммутаторы могут резервировать для конкретного соединения полосу пропускания, сети с установлением соединения гарантируют данному соединению определенную часть полосы пропускания. Сети без установления соединения, в которых устройства просто передают пакеты по мере их получения, не могут гарантировать полосу пропускания.

Сети с установлением соединения также могут гарантировать определенное качество обслуживания (Quality of Service - QoS), т.е. некоторый уровень сервиса, который сеть может обеспечить. QoS включает в себя такие факторы, как допустимое количество потерянных пакетов и допустимое изменение промежутка между ячейками. В результате сети с установлением соединения могут использоваться для передачи различных видов трафика - звука, видео и данных - через одни и те же коммутаторы. Кроме того, сети с установлением соединения могут лучше управлять сетевым трафиком и предотвращать перегрузку сети ("заторы"), поскольку коммутаторы могут просто сбрасывать те соединения, которые они не способны поддерживать.

Коммутируемые сети. В сети ATM все устройства, такие как рабочие станции, серверы, маршрутизаторы и мосты, подсоединены непосредственно к коммутатору. Когда одно устройство запрашивает соединение с другим, коммутаторы, к которым они подключены, устанавливают соединение. При установлении соединения коммутаторы определяют оптимальный маршрут для передачи данных - традиционно эта функция выполняется маршрутизаторами.

Когда соединение установлено, коммутаторы начинают функционировать как мосты, просто пересылая пакеты. Однако такие коммутаторы отличаются от мостов одним важным аспектом: если мосты отправляют пакеты по всем достижимым адресам, то коммутаторы пересылают ячейки только следующему узлу заранее выбранного маршрута.

Коммутация в сети Ethernet может быть сконфигурирована таким образом, что все рабочие станции окажутся подключенными непосредственно к коммутатору. В такой конфигурации коммутация в Ethernet похожа на коммутацию в сети ATM: каждое устройство осуществляет прямой монопольный доступ к порту коммутатора, который не является устройством совместного доступа.

Однако коммутация ATM имеет ряд важных отличий от коммутации Ethernet. Поскольку каждому устройству ATM предоставляется непосредственный монопольный доступ к порту коммутатора, то нет необходимости в сложных схемах арбитража для определения того, какое из этих устройств имеет доступ к коммутатору.

ATM-коммутация также отличается от коммутации Ethernet тем, что коммутаторы ATM устанавливают соединение между отправителем и получателем, а коммутаторы Ethernet - нет. Кроме того, коммутаторы ATM обычно являются не блокирующими; это означает, что они минимизируют "заторы", передавая ячейки немедленно после их получения. Чтобы получить возможность немедленной пересылки всех поступающих ячеек, не блокирующий коммутатор должен быть оснащен чрезвычайно быстрым механизмом коммутации и иметь достаточно большую пропускную способность выходных портов.[2]

1.4 Архитектура АТМ

передача данные протокол сеть

Место ATM в семиуровневой модели OSI - где-то в районе уровня передачи данных. Правда, установить точное соответствие нельзя, поскольку ATM сама занимается взаимодействием узлов, контролем прохождения и маршрутизацией, причем осуществляется это на уровне подготовки и передачи пакетов ATM.



Рисунок 1.1 Различие модели ATM от модели OSI.

Модель протоколов АТМ как и многоуровневая модель протоколов OSI, описывает взаимодействие двух компьютеров в сети, процедуры связи двух оконечных систем посредством АТМ - коммутаторов. Ключевыми уровнями в данной модели являются физический уровень (PL - Physical Layer), уровень АТМ (ATM Layer) и уровень адаптации АТМ (AAL - ATM Adaptation Layer).

Та часть многоуровневой архитектуры АТМ, которая используется для передачи данных между двумя оконечными системами или двумя пользователями, называется слой пользователя (User Plane).

Слой контроля (Control Plane) определяет протоколы более высокого уровня, обеспечивающие передачу сигнала АТМ, а слой управления (Management Plane) обеспечивает управление АТМ - узлом и состоит из двух частей:

- модуля управления слоями (Plane Management),

- модуля управления уровнями (Layer Management).

Модуль управления слоями управляет всеми остальными слоями, а модуль управления уровнями отвечает за управление всеми уровнями модели АТМ.

Рисунок 1.2 Модель протоколов АТМ

Хотя физический уровень и не является частью спецификации ATM, он учитывается многими стандартизующими комитетами. В основном, в качестве физического уровня рассматривается спецификация SONET (Synchronous Optical Network) .

Американский стандарт на высокоскоростную передачу данных. Определены четыре типа стандартных скоростей обмена: 51, 155, 622 и 2400 Мбит/сек, соответствующих международной иерархии цифровой синхронной передачи (SDH - Synchronous Digital Hierarchy).

SDH специфицирует, каким образом данные фрагментируются и передаются синхронно по оптоволоконным каналам, не требуя при этом синхронизации каналов и тактовых частот всех узлов, участвующих в процессе передачи и восстановления данных.

Как в модели ATM, так и в модели OSI стандарты для физического уровня устанавливают, каким образом биты должны проходить через среду передачи. Точнее говоря, стандарты ATM для физического уровня определяют, как получать биты из среды передачи, преобразовывать их в ячейки и посылать эти ячейки уровню ATM.

Стандарты ATM для физического уровня также описывают, какие кабельные системы должны использоваться в сетях ATM и с какими скоростями может работать ATM при каждом типе кабеля. Изначально ATM Forum установил скорость DS3 (45 Мбит/с) и более высокие. Однако реализация ATM со скоростью 45 Мбит/с применяется главным образом провайдерами услуг WAN. Другие же компании чаще всего используют ATM со скоростью 25 или 155 Мбит/с.

1.5 Уровень АТМ

В модели OSI стандарты для канального уровня описывают, каким образом устройства могут совместно использовать среду передачи и гарантировать надежное физическое соединение. Стандарты для уровня ATM регламентируют передачу сигналов, управление трафиком и установление соединений в сети ATM. Функции передачи сигналов и управления трафиком уровня ATM подобны функциям канального уровня модели OSI, а функции установления соединения ближе всего к функциям маршрутизации, которые определены стандартами модели OSI для сетевого уровня.

Стандарты для уровня ATM описывают, как получать ячейку, сгенерированную на физическом уровне, добавлять 5-байтный заголовок и посылать ячейку уровню адаптации ATM. Эти стандарты также определяют, каким образом нужно устанавливать соединение с таким качеством сервиса (QoS), которое запрашивает ATM-устройство или конечная станция.

Стандарты установления соединения для уровня ATM определяют виртуальные каналы и виртуальные пути. После того как соединение установлено, коммутаторы между конечными станциями получают адресные таблицы, содержащие сведения о том, куда необходимо направлять ячейки. В них используется следующая информация: адрес порта, из которого приходят ячейки; специальные значения в заголовках ячейки, которые называются идентификаторами виртуального канала (VCI - Virtual Circuit Identifier) и идентификаторами виртуального пути (VPI - Virtual Path Identifier). Адресные таблицы также определяют, какие VCI и VPI коммутатор должен включить в заголовки ячеек перед тем как их передать.

Пакет ATM, определенный специальным подкомитетом ANSI, должен содержать 53 байта: 5 байтов занято заголовком, остальные 48 - содержательная часть пакета.

Рисунок 1.3 Строение ячейки АТМ

На рисунке 1.4 показаны поля заголовка АТМ - ячеек, имеющих интерфейс пользователя с сетью (UNI - User-to-Network Interface) и интерфейс между сетями (NNI - Network-to-Node Interface или Network-to-Network Interface).

Поле общего управления потоком (GFC - Generic Flow Control) состоит из 4 бит и используется только в UNI для управления трафиком и предотвращения перегрузки. Для NNI это поле не определено, а его биты используются для расширения поля идентификатора виртуальных путей.

Рисунок 1.4 Типы заголовков пакета данных в АТМ

Поле VPI используется для обозначения виртуальных путей и состоит из: 8 битов в UNI и 12 битов в NNI. Это поле еще не определено ни C 1992г.ITU-T, ни организацией ATM Forum.

Поле идентификатора виртуального канала состоит из 16 битов. Значения полей VPI и VCI устанавливаются конечными устройствами при запрашивании соединения.

Поле идентификатора полезной нагрузки (PTI - Payload Type Identification) состоит из 3 битов и используется для обозначения типа полезной нагрузки ячейки, а также для обозначения управляющих процедур. В спецификациях, находящихся в стадии разработки, ATM Forum собирается выделить первый бит для обозначения перегрузки, второй бит для управления сетью, а третий - для индикации ошибки.

Признак потери приоритета ячейки (CLP - Cell Loss Priority) - это 1 бит, который определяет возможность потери ячейкой своего приоритета. Если ячейку можно отбросить из-за перегрузки, этот бит устанавливается в 1; если на коммутаторе возникает перегрузка, он выбрасывает все ячейки, у которых этот бит установлен. В результате при перегрузке сети приоритет отдается определенным типам ячеек, переносящим, например, видеоинформацию.

Контрольная сумма заголовка (HEC - Header Error Check) - это восьмиразрядный циклический избыточный код, который вычисляется по всем полям АТМ - заголовка. Такой метод контроля ошибок позволяет выявить все одноразрядные ошибки и часть много разрядных. Контроль ошибок в работе АТМ имеет очень большое значение, поскольку ошибка в VPI/VCI может вызвать искажение данных в других виртуальных каналах.

Виртуальный канал ATM - это соединение между двумя конечными станциями ATM, которое устанавливается на время их взаимодействия. Виртуальный канал является двунаправленным; это означает, что после установления соединения каждая конечная станция может как посылать пакеты другой станции, так и получать их от нее.

Имеются три типа виртуальных каналов:

- постоянные виртуальные каналы (PVC - Permanent Virtual Circuits);

- коммутируемые виртуальные каналы (SVC - Switched Virtual Circuits);

- интеллектуальные постоянные виртуальные каналы (SPVC - Smart Permanent Virtual Circuits).

PVC - это постоянное соединение между двумя конечными станциями, которое устанавливается вручную в процессе конфигурирования сети. Пользователь сообщает провайдеру ATM-услуг или сетевому администратору, какие конечные станции должны быть соединены, и он устанавливает PVC между этими конечными станциями.

PVC включает в себя конечные станции, среду передачи и все коммутаторы, расположенные между конечными станциями. После установки PVC для него резервируется определенная часть полосы пропускания, и двум конечным станциям не требуется устанавливать или сбрасывать соединение.

SVC устанавливается по мере необходимости - всякий раз, когда конечная станция пытается передать данные другой конечной станции. Когда отправляющая станция запрашивает соединение, сеть ATM распространяет адресные таблицы и сообщает этой станции, какие VCI и VPI должны быть включены в заголовки ячеек. Через произвольный промежуток времени SVC сбрасывается.

SVC устанавливается динамически, а не вручную. Для него стандарты передачи сигналов уровня ATM определяют, как конечная станция должна устанавливать, поддерживать и сбрасывать соединение. Эти стандарты также регламентируют использование конечной станцией при установлении соединения параметров QoS из уровня адаптации ATM.

Кроме того, стандарты передачи сигналов описывают способ управления трафиком и предотвращения "заторов": соединение устанавливается только в том случае, если сеть в состоянии поддерживать это соединение. Процесс определения, может ли быть установлено соединение, называется управлением признанием соединения (CAC - Connection Admission Control).

SPVC - это гибрид PVC и SVC. Подобно PVC, SPVC устанавливается вручную на этапе конфигурирования сети. Однако провайдер ATM-услуг или сетевой администратор задает только конечные станции. Для каждой передачи сеть определяет, через какие коммутаторы будут передаваться ячейки.

Большая часть раннего оборудования ATM поддерживала только PVC. Поддержка SVC и SPVC начинает реализовываться только сейчас.

PVC имеют два преимущества над SVC. Сеть, в которой используются SVC, должна тратить время на установление соединений, а PVC устанавливаются предварительно, поэтому могут обеспечить более высокую производительность. Кроме того, PVC обеспечивают лучший контроль над сетью, так как провайдер ATM-услуг или сетевой администратор может выбирать путь, по которому будут передаваться ячейки.

Однако и SVC имеют ряд преимуществ перед PVC. Поскольку SVC устанавливается и сбрасывается легче, чем PVC, то сети, использующие SVC, могут имитировать сети без установления соединений. Эта возможность оказывается полезной в том случае, если вы используете приложение, которое не может работать в сети с установлением соединений. Кроме того, SVC используют полосу пропускания, только когда это необходимо, а PVC должны постоянно ее резервировать на тот случай, если она понадобится. SVC также требуют меньшей административной работы, поскольку устанавливаются автоматически, а не вручную. И наконец, SVC обеспечивают отказоустойчивость: когда выходит из строя коммутатор, находящийся на пути соединения, другие коммутаторы выбирают альтернативный путь.

В некотором смысле SPVC обладает лучшими свойствами этих двух видов виртуальных каналов. Как и в случае с PVC, SPVC позволяет заранее задать конечные станции, поэтому им не приходится тратить время на установление соединения каждый раз, когда одна из них должна передать ячейки. Подобно SVC, SPVC обеспечивает отказоустойчивость. Однако и SPVC имеет свои недостатки: как и PVC, SPVC устанавливается вручную, и для него необходимо резервировать часть полосы пропускания - даже если он не используется.

Стандарты установления соединения для уровня ATM также определяют виртуальные пути (Virtual Path). В то время как виртуальный канал - это соединение, установленное между двумя конечными станциями на время их взаимодействия, виртуальный путь - это путь между двумя коммутаторами, который существует постоянно, независимо от того, установлено ли соединение. Другими словами, виртуальный путь - это "запомненный" путь, по которому проходит весь трафик от одного коммутатора к другому.

Когда пользователь запрашивает виртуальный канал, коммутаторы определяют, какой виртуальный путь использовать для достижения конечных станций. По одному и тому же виртуальному пути в одно и то же время может передаваться трафик более чем для одного виртуального канала. Например, виртуальный путь с полосой пропускания 120 Мбит/с может быть разделен на четыре одновременных соединения по 30 Мбит/с каждый.[3]

1.6 Стандарты Модели ATM

ATM Forum разработал много стандартов, основанных на модели ATM, в том числе следующие:

- User-to-Network Interface (UNI - интерфейс "пользователь-сеть") определяет интерфейс между конечной станцией и коммутатором;

- Private Network-to-Network Interface (PNNI - частный интерфейс "сеть-сеть") определяет интерфейс между коммутаторами.

Эти стандарты определяют, как рабочие станции и коммутаторы взаимодействуют в сети ATM.

Стандарты UNI, разработанные ATM Forum, определяют, каким образом устройства взаимодействуют с коммутатором. На рисунке 5 показано, как пакет передается с рабочей станции коммутатору. Сначала пользователь посылает данные, например аудио-, видеоинформацию и т.д. В соответствии с типом данных какой-либо из четырех протоколов AAL получает эти данные и разбивает их на ячейки. Затем ячейки передаются на уровень ATM, который добавляет к ним информацию, необходимую для маршрутизации. Потом ячейки передаются на физический уровень, разбивающий их на биты и посылающий через среду передачи коммутатору.

Рассмотрение принципов работы пограничных устройств АТМ начнем с устройств, преобразующих речевой сигнал в ячейки и обратно. Несмотря на то, что мощность речевого сигнала является переменной величиной, практически все современные способы цифрового представления речевых сигналов образуют битовый поток с постоянной скоростью передачи, например 64 Кбит/с при использовании стандартной ИКМ. Данный цифровой поток необходимо преобразовать в ячейки. Пограничное устройство “разрезает” цифровой поток на отдельные ячейки для передачи через сеть.

Рисунок 1.5 Взаимодействие рабочей станции АТМ с коммутатором

1.7 Интерфейсы сетей АТМ

Обратим свое внимание на рис.6, на котором изображено несколько различных сетей АТМ частных и публичных и интерфейсы сетей АТМ с действующими на них стандартами UNI (User-to-Network Interface), PNNI (Private Network-to-Network Inteface) и B-ICI (B-ISDN Inter-Carrier Interface).

Как видно из этого рисунка PNNI действует либо внутри частной или публичной сети между АТМ-коммутаторами этой сети, либо между двумя частными сетями. Абревиатура PNNI в соответствии с этим имеет два значения: интерфейс между частными сетями (Private Network-to-Network Inteface) или интерфейс между АТМ-коммутаторами в частной сети (Private Network Node Interface).

Для получения полной картины интерфейсов или протоколов в сетях АТМ необходимо отметить, что между конкретным АТМ-коммутатором и частной или публичной сетью АТМ действуют, соответственно, стандарты Private или Public User-to-Network Interface (Private/Public UNI). Стандарт Public UNI действует также между частной и публичной сетями АТМ.

Кроме того, между двумя публичными сетями действует стандарт B-ICI (B-ISDN Inter-Carrier Interface).

На самом деле три стандарта UNI, PNNI и B-ICI очень тесно связаны друг с другом, более того, некоторые функции этих протоколов перекрываются между собой, и это приводит к тому что границы между ними в силу функциональной близости этих стандартов стираются.

Рассматривая все по порядку, начнем со стандарта B-ICI, который работает между публичными сетями.

Рисунок 1.6 Схема интерфейса B-ICI

Назначение данного стандарта заключается в обеспечении возможности предоставления услуг АТМ через национальные и международные сети АТМ. Разрабатывается этот стандарт рабочей группой B-ICI АТМ Форума.

Первая версия (v.1.1) стандарта увидела свет в сентябре 1994 года и описывала услуги, базирующиеся на постоянных виртуальных соединениях PVC.

Вторая версия (v.2.0) была принята в декабре 1995 года и включала в себя уже и предоставление услуг АТМ не только на базе PVC, но и на базе коммутируемых виртуальных соединениях SVC.

Последняя версия стандарта B-ICI, принятая АТМ Форумом, имеет номер 2.1 и принята она в ноябре 1996 года. Эта версия включает в себя дополнение по переменной скорости передачи (VBR - Variable Bit Rate) и некоторые другие функции, касающиеся поддержки адресации АТМ.

Для стандарта B-ICI характерны следующие особенности:

- возможность поддержки функций ATM UNI;

- возможность поддержки межсетевого взаимодействия с другими сетями, такими как Frame Relay, SMDS и низкоскоростные сети;

- высокая надежность, дающая возможность использования B-ICI для работы в публичных сетях.

Таким образом, B-ICI поддерживает функциональные возможности работы по передаче многочисленных услуг через специфические интерфейсы, такие как SMDS ICI, FR NNI и т.д.

Хотелось бы отметить функции, которые характерны для коммутируемых виртуальных соединений B-ICI. Во-первых, сигналинг SVC B-ICI базируется на сигналинге ITU-T B-ISDN и поддерживает UNI 3.1. Соединения SVC B-ICI пригодны для использования как внутри публичных сетей, так и между ними и предоставляют следующие возможности:

- соединение точка-точка и многоточечные соединения (point-to-multipoint);

- симметричные и несимметричные соединения;

- CBR (Constant Bit Rate) и VBR соединения;

- поддержку адресации E.164 и систему АТМ адресации (ATM End System Address - AESA).

Последняя функция введена в версии 2.1 B-ICI и является достаточно важной при рассмотрении взаимодействия публичных сетей, которые в основном являются сетями, выросшими из телефонных сетей со своей системой адресации, характерной для телефонии.

Сделаем здесь необходимые пояснения о системе адресации, принятой в АТМ и определенной в стандарте UNI. АТМ Форум принял два базовых типа адресов: адрес конечной системы АТМ (AESA) и E.164.

Адресация AESA базируется на стандарте ISO NSAP и включает в себя три основных структуры адресации: DCC (Data Country Code), ICD (International Code Designator) и E.164.

Адресация E.164 - это точно такая же система адресации, которая применяется в телефонии. Часто ее называют "Натуральным E.164" для отличия от варианта адресации E.164 AESA. Для примера можно разобрать телефонный адрес (телефонный номер) в системе "натуральной E.164": 441712506223. В данном случае 44 - код страны - Англия, 171 - код города - Лондон, 2506223 - номер телефона в Лондоне.

Таким образом, нынешяя версия B-ICI поддерживает и систему адресации АТМ и систему адресации, характерную для телефонии, что очень важно.

Возвращаясь к коммутируемым виртуальным соединениям B-ICI рассмотрим такую уникальную функцию B-ICI как систему измерения использования канала при таком соединении или функцию биллинга. Такая возможность очень важна для провайдеров услуг, которые должны иметь наиболее точные данные о том, каким образом используется услуга пользователем, для точной тарификации услуг.

B-ICI позволяет получать следующие характеристики по предоставляемым коммутируемым виртуальным каналам:

- количество переданных по каналу ячеек АТМ;

- продолжительность отдельных соединений;

- получение значений;

- номера вызываемого абонента;

- используемой пропускной способности каналa;

- качества обслуживания, предоставленного по каналу;

- скорости передачи ячеек АТМ по каналу.

Теперь обратимся к более подробному рассмотрению протокола PNNI(Private Network to Network Interface). [4]

Рисунок 1.7 Сеть АТМ

Основное назначение PNNI - это сбор, обновление и синхронизация информации о топологии сети АТМ и адресах конечных узлов АТМ в сети. Эта информация называется маршрутной информацией и ее можно разделить на два типа: топологическая информация или база данных и информация о достижимости конкретных адресов в сети, т.е. информация о маршрутах до конечных узлов сети. Именно поддержкой этих двух типов информации и занимается PNNI в сети АТМ.

Кроме того, необходимо отметить, что PNNI призван минимизировать маршрутную информацию, хранящуюся в узлах сети. Эта функция PNNI достаточно важна в больших сетях АТМ с большим количеством узлов. Если проводить аналогию с сетями, построенными на базе обычных маршрутизаторов, PNNI функционально аналогичен протоколу OSPF.

Для более подробного изучения работы PNNI рассмотрим некоторую конкретную сеть АТМ, изображенную на рисунке 7. Перед Вами некоторая сеть, состоящая из 26 коммутаторов АТМ и 33 физических каналов. Рассмотрим, каким образом на такой сети строится иерархия PNNI.

При переходе от физического уровня сети (Рисунок 1.7) к нижнему уровеню иерархии PNNI необходимо отметить, что узлы физической сети представляются на нижнем уровне иерархии PNNI логическими узлами, а физические каналы - логическими каналами.

Иерархия PNNI начинается на нижнем уровне, где узлы нижнего уровня организуются в так называемые Peer Groups (PG - одноранговая группа). Peer Groups - это набор логических узлов, которые обмениваются между собой информацией, так что все члены PG поддерживают одинаковым видение этой группы. Логические узлы однозначно и недвусмысленно определяются идентификаторами логических узлов (Рисунок 1.8).

По аналогии с традиционными сетями можно назвать одноранговые группы (PG) доменами маршрутизации. Это название достаточно точно отражает суть дела, поскольку внутри одноранговой группы всегда имеется полная информация о принадлежащих ей конечных адресах АТМ, а информация о внешних по отношению к данному домену адресах дается с точностью до домена (одноранговой группы), к которой данные адреса принадлежат.

PG имеют свои идентификаторы, которые устанавливаются во время конфигурирования. Соседние узлы сети обмениваются пакетами Hello с идентификаторами PG (PGID). Если PGID совпадают, то соседние узлы принадлежат одной PG. В противном случае соседние узлы принадлежат к различным PG. PGID определяется как префикс в АТМ-адресе, длиной не более 13 байт (Рис.10).

Логические узлы соединяются логическими каналами. Логические каналы между узлами нижнего уровня совпадают с физическими каналами между физическими узлами.



Рисунок 1.8 Идентификаторы логических узлов

Логические каналы внутри PG называются горизонтальными, а каналы, соединяющие различные PG называются внешними. Черные каналы на диаграмме - горизонтальные, красные - внешние.Когда логические каналы готовы к работе, подключенные к ним узлы начинают обмен информацией по известным VCC (Virtual Channal Connection - соединение по виртуальному каналу), которые используются как RCC (PNNI Routing Control Channel - канал управления маршрутизацией). Узлы начинают посылать своим соседним узлам пакеты Hello, в которых указаны свой АТМ-адрес, ID узла и ID его порта для канала.

Таким образом, протокол Hello дает возможность двум соседним узлам узнать друг о друге. Поскольку протокол Hello PNNI поддерживает и обмен PGID, то соседние узлы имеют возможность определить к одному или к разным PG относится он и любой сосед. Протокол Hello работает все время, пока существует логический канал и может служить индикатором падения канала в то время, когда другие механизмы уже бездействуют.

Топологическая база данных создается в каждой одноранговой группе и хранится на всех узлах таких групп. Топологическая база данных включает в себя два типа информации:

- состояние топологии сети (состояние узлов и состояние каналов);

- информация о достижимости адресов (адреса и адресные префиксы), т.е. информация о адресах и группах адресов, с которыми может быть установлены логические соединения.

Топологическая база данных состоит из элементов топологической базы данных PTSE (PNNI Topology State Element - элемент топологии PNNI), которые порождаются каждым узлом сети. PTSE описывают собственную идентификацию и возможности узла, а также информацию, используемую для выбора лидера PG и построения иерархии PNNI. Эта информация называется узловой.

Кроме того, информацию топологической базы данных можно разделить на атрибуты и метрики.

Атрибуты рассматриваются индивидуально при принятии решений. Например, узловой атрибут SECURITY может послужить причиной того, что уже выбранный при маршрутизации путь будет отменен.

С другой стороны метрика - это параметр, который имеет свойство накапливаться или увеличиваться в течении пути. Например, метрика задержки увеличивается по мере продвижения по выбранному маршруту.

Определенная информация о состоянии топологии, обычно относящаяся к полосе пропускания, является достаточно динамическим параметром. С другой стороны, другой тип информации о топологическом состоянии, например административный вес, может быть достаточно статической. Поэтому в механизме распределения топологической информации PNNI не делается различий между динамической и статической информацией.

Информация о достижимости (Reachability Information - RI) подразделяется на внешнюю и внутреннюю. Внешняя и внутренняя информация о достижимости логически различима в зависимости от ее источников. Внутренняя RI представляет локальные знания о достижимости внутри домена маршрутизации. Внешняя RI получена от внешних источников (других протоколов) и не будет распространяться другим доменам или протоколам. RI как внутреннюю, так и внешнюю, можно ввести вручную с указанием на то, что может быть передано другим протоколам или доменам мершрутизации, а что - нет.

Когда соседние узлы на обоих концах логического канала были инициированы с помощью обмена пакетами Hello, подтвердившими принадлежность обоих узлов к одной и тойже PG, узлы начинают процесс синхронизации топологической базы данных, т.е. обмен информацией, в результате которой оба узла будут иметь абсолютно одинаковые топологические базы данных. Синхронизация производится с помощью обмена узлами PTSE. Передача PTSE производится с помощью специальных пакетов PTSP (PNNI Topology State Packet - пакет состояния топологии PNNI), в которые инкапсулируются PTSE.

После принятия PTSP содержащаяся в нем PTSE проходит проверку и ее принятие подтверждается квитанцией, котрая передается отправителю PTSE. Если PTSE новая или содержит более новые данные, чем имеющаяся на узле копия, производится ее установка в топологическую базу данных узла и распространение среди соседних узлов.

Распространение PTSE происходит постоянно. PTSE, содержащаяся в топологической базе данных подвержены старению и уничтожаются через предустановленный промежуток времени, если они не переписаны вновь поступившими версиями PTSE. Узлы имеют право вносить изменения только в создаваемые ими PTSE. В PTSE, порожденные другими узлами, данный узел не может вносить никаких изменений, изменения вносятся только заменой старого PTSE на вновь полученный. PTSE могут передаваться периодически или в силу наступления некоторых событий и распространяются они только в пределах одной PG.

Прежде чем перейти к следующему уровню иерархии, необходимо определить понятие лидера PG (PGL). Лидер PG - это один из членов PG. В каждой PG дролжен быть один лидер PG. Лидер PG не имеет какой-либо специальной роли в группе. По отношению к любому другому узлу лидер ему полностью идентичен. PGLE - процесс порождения лидера - определяет какой узел выбрать в качеcтве лидера PG. Критерием выбора является некоторый приоритет узла (Leadership Priority - LSP). PGLE является постоянно работающим процессом. Когда у какого-нибудь узла приоритет становится выше приоритета текущего лидера, то этот узел становится новым лидером. То же произойдет в случае аварии узла или его исчезновения.

Если встречаются несколько узлов с одинаковым приоритетом, то лидером становится узел с наибольшим ID. После выбора лидера PG его приоритет увеличивается для повышения стабильности. Для внутреннего функционирования PG не требуется наличие лидера, полная связность в группе может быть достигнута и при его отсутствии.

Домен маршрутизации PNNI конфигурируется как единичная PG, в которой может быть достигнута полная связность без наличия лидера PG. Вырожденная форма PG есть один единственный узел. Такая форма может возникнуть в результате конфигурации или аварий.

Интерфейс обмена данными (DXI) АТМ позволяет осуществлять доступ к сети АТМ существующего оборудования (например, маршрутизаторов) без его модернизации. Физическими интерфейсами DXI обычно являются интерфейсы типа V.35 или высокоскоростного последовательного интерфейса HSSI. Формат данных соответствует протоколу HDLC. Мультиплексор доступа преобразует кадры HDLC в ячейки, при необходимости преобразует трафик для выполнения соглашения по трафику. Сопряжение с сетью АТМ производится по интерфейсу UNI.

Основанный на кадрах интерфейс UNI (Frame-Based UNI - FUNI) очень похож на интерфейс DXI. Основное отличие состоит в том, что функция SAR выполняется сетью. Основной целью данного интерфейса является предоставление доступа к АТМ на скорости nґ64 кбит/с. На этих скоростях стоимость доступа очень низка. При использовании доступа на основе ячеек эффективность ниже из-за заголовка ячейки, что делает доступ медленнее (и дороже) по сравнению с протоколами на основе кадров, таких как Frame Relay. Использование кадров HDSL в FUNI дает эффективность Frame Relay наряду с мощью сигнализации АТМ, которая в свою очередь включает поддержку SNMP и MIB.[5]

Отличие от формата ячейки UNI заключается в первых четырех битах заголовка. Вместо поля GFC увеличена длина поля VPI до 12 бит. Это дает возможность установление большого количества виртуальных соединений через одно физическое соединение между коммутаторами сети АТМ. Так же NNI выполняет функцию распределения сведений о текущей топологии сети между коммутаторами. При изменении топологии (при обрыве физических соединений или другой неисправности) коммутаторы должны знать, что произошло, какие соединения нарушены и какие требуют переустановления.

1.8 Организации по стандартизации ATM

В формировании стандартов ATM участвует много организаций. Ниже указаны наиболее влиятельные из них, а также разработанные ими основные стандарты:

Американский национальный институт стандартов (ANSI) и Международный консультативный комитет по телефонии и телеграфии (CCITT, МККТТ) начинали разработку стандартов ATM как набора рекомендаций для сети B-ISDN (Broadband Integrated Services Digital Network). ITU теперь называется Международным союзом электросвязи (International Telecommunications Union - ITU). B-ISDN - высокоскоростная сеть, которая использует ATM в качестве транспортного механизма. Стандарт B-ISDN определяет для ATM интерфейсы User-to-Network Interface (UNI) и Network-to-Network Interface (NNI). Кроме того, он устанавливает следующие три уровня:

- Уровень пользователя (User Plane), который определяет UNI и включает в себя все три уровня модели ATM - физический, уровни ATM и адаптации ATM;

- Уровень контроля (Control Plane). Он определяет NNI и также включает в себя все три уровня ATM;

- Уровень управления (Management Plane), который определяет сетевое управление.

ATM Forum, консорциум производителей оборудования ATM, приспособил и расширил стандарты B-ISDN, с тем чтобы создать отраслевые стандарты, которые дают возможность продуктам ATM взаимодействовать с оборудованием традиционных локальных сетей. Ниже перечислены некоторые наиболее важные стандарты ATM, разработанные ATM Forum:

- UNI;

- Private NNI (PNNI);

- Integrated PNNI (IPNNI);

- LAN Emulation (LANE);

- MultiProtocol Over ATM (MPOA).

В сети ATM каждый раз, когда приложению необходимо установить соединение между двумя пользователями, оно должно заказать вид сервиса, в соответствии с которым будет обслуживать трафик по данному соединению. Классы сервиса ATM содержат ряд параметров, которые определяют гарантии качества сервиса. В спецификациях форума ATM предусмотрено несколько классов сервиса - CBR, VBR, UBR и ABR (появился совсем недавно). Гарантии качества сервиса могут определять минимальный уровень доступной пропускной способности и предельные значения задержки ячейки и вероятности потери ячейки.[6]

Сервис CBR (constant bit rate, сервис с постоянной битовой скоростью) представляет собой наиболее простой класс сервиса ATM. Когда сетевое приложение устанавливает соединение 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 - не более и, в большинстве случаев, не менее. Любой трафик, передаваемый станцией с большей скоростью, может сетью просто отбрасываться, а передача трафика сетью со скоростью, ниже заказанной, не будет удовлетворять приложение.

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 предназначен специально для передачи голоса и видео в реальном масштабе времени. Сервис CBR 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.

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 специально предназначен для передачи коротких, пульсирующих сообщений, таких как сообщения, возникающие при обработке транзакций системами управления базами данных.

По сравнению 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 (sustained rate), 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. Однако для многих приложений, которые могут быть чрезвычайно "взрывными" в отношении интенсивности трафика, невозможно точно предсказать параметры трафика, оговариваемые при установлении соединения. Например, обработка транзакций и трафик двух взаимодействующих локальных сетей непредсказуемы по своей природе, изменения трафика слишком велики, чтобы заключить с сетью какое-либо разумное соглашение. В результате администраторы сетей, ответственные за такие приложения, имеют три возможности. Они могут заплатить за дополнительную пропускную способность, которая может оказаться неиспользованной. Они могут попытаться управлять пульсациями трафика более тонко (сложная задача для большинства приложений). Или же они могут превысить скорость, оговоренную при установлении соединения, пренебрегая гарантированным качеством обслуживания. Для тех, кто выбирает последний вариант, последствия скорее всего будут и самыми тяжелыми - потеря ячеек. Потерянные ячейки должны быть повторно переданы узлом-отправителем. Для ответственных приложений это серьезная проблема, для низкоприоритетных приложений, таких как электронная почта, повторная передача ячеек является досадной потерей времени. В отличие от CBR и VBR, сервис UBR (unspecified bit rate, неопределенная битовая скорость) не определяет ни битовую скорость, ни параметры трафика, ни качество сервиса. Сервис UBR 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 тех непредсказуемых "взрывных" 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), подобно 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.

Как и в сервисах CBR и VBR, при установлении соединения ABR заключается соглашение о пиковой скорости PCR. Однако, соглашение о пределах изменения задержки передачи ячеек или о параметрах пульсации не заключается. Вместо этого сеть и приложение заключают соглашение о требуемой минимальной скорости трафика. Это гарантирует приложению небольшую пропускную способность, обычно минимально необходимую для того, чтобы приложение работало. Пользователь соединения ABR соглашается не передавать данные со скоростью выше пиковой, то есть PCR, а сеть соглашается всегда обеспечивать минимальную скорость передачи ячеек - MCR (minimum cell rate). Скорость MCR вычисляется в ячейках в секунду, на основании способности приложения выдержать определенную задержку. Например, если приложению нужно передать файл в 1 Мбайт (около 20000 ячеек ATM) по крайней мере за 2 секунды, то требуемая скорость MCR для приложения составит 10000 ячеек в секунду.[7]