Технологія АТМ

1.2.2 Технологія АТМ

АТМ – дитина телефонних компаній. Технологія ця розроблялася далеко не з розрахунку на комп'ютерні мережі передачі даних. АТМ радикально відрізняється від звичайних мережевих технологій. Основна одиниця передачі в цьому стандарті – це осередок, на відміну від звичного пакету. Осередок містить в собі 48 байт даних і 5 байт заголовка. Частково це необхідно, щоб забезпечити дуже маленький час затримки передачі мультимедійних даних.

Пристрої АТМ встановлюють зв'язок між собою і передають дані по віртуальних каналах зв'язки, які можуть бути тимчасовими або постійними. Постійний канал зв'язку – це шлях, по якому передається інформація. Він завжди залишається відкритим незалежно від трафіку. Тимчасові канали створюються на вимогу і, як тільки передача даних закінчується, закриваються.

З самого початку АТМ проектувався як система комутації за допомогою віртуальних каналів зв'язки, які забезпечують заздалегідь специфікований рівень якості сервісу (Quality of Service – QOS) і підтримують постійну або змінну швидкість передачі даних. Модель QOS дозволяє додаткам запитати гарантовану швидкість передачі між приймачем і джерелом, не обертаючи уваги на те, наскільки складений шлях між ними. Кожен АТМ – комутатор, зв'язуючись з іншим, вибирає такий шлях, який гарантує потрібну додатком швидкість.

Якщо система не може задовольнити запит, то вона повідомляє про це додаток. Правда, існуючі протоколи передачі даних і додатку не мають ніякого поняття про QOS, так що це ще одна відмінна властивість, яку ніхто не використовує.

Завдяки наявності таких корисних властивостей АТМ нікого не дивує загальне бажання продовжувати вдосконалення цей стандарт. Але поки існуючі реалізації устаткування досить обмежені первинним підходом, який орієнтувався на інших, некомп'ютерні, завдання.

Форум АТМ спеціально розробив специфікації для емуляції мережі – LAN emulation (LANE). LANE перетворює «точка-точка» – ориентированную АТМ мережа в звичайну, де клієнти і сервери бачать її як нормальну широкомовну мережу, що використовує протокол IP (а скоро і IPX). LANE складається з чотирьох різних протоколів: протоколу конфігурації сервера (LAN emulation configuration service – LECS), протоколу сервера (LAN emulation server – LES), протоколу загального віщання і невідомого сервера (Broadcast and Unknown Server – BUS) і протоколу клієнта (LAN emulation client – LEC).

Коли клієнт за допомогою LANE намагається підключитися до мережі АТМ, то спочатку він використовує протокол LECS. Оскільки АТМ не підтримує широкомовних повідомлень, форум АТМ виділила спеціальна адреса LECS, яка ніхто інший вже не використовує. Посилаючи повідомлення за цією адресою клієнт отримує адресу відповідного йому LES. Рівень LES забезпечує необхідні функції ELAN (emulated LAN). З їх допомогою клієнт може отримати адресу BUS-сервиса і послати йому повідомлення «підключився такий-то клієнт», щоб потім BUS рівень міг, отримуючи повідомлення, переслати його всім клієнтам, що реєструються.

Для того, щоб використовувати не АТМ протоколи, необхідно використовувати LEC. LEC працює як конвертор, емулюючи звичайну топологію мережі, яку має на увазі IP. Оскільки LANE тільки моделює Ethernet, то він може усунути деякі старі технологічні помилки. Кожен ELAN може використовувати різні розміри пакетів. ELAN, який обслуговує станції, підключені за допомогою звичайного Ethernet, використовує пакети розміром 1516 байт, тоді як ELAN що забезпечує зв'язок між серверами може посилати пакети по 9180 байт. Всім цим управляє LEC.

LEC перехоплює широкомовні повідомлення і посилає їх BUS. Коли BUS отримує таке повідомлення, то посилає його копію кожному LEC, що реєструється. Одночасно, перш ніж розіслати копії, він перетворить пакет назад в Ethernet-форму, указуючи замість своєї адреси широкомовний.

Розмір осередку в 48 байт плюс п'ятибайтовий заголовок є причиною того, що тільки 90,5% пропускної смуги витрачається на передачу корисній інформації. Таким чином, реальна швидкість передачі даних – всього лише 140 Мбіт/с. І це без урахування накладних витрат на установку зв'язку і інші службові взаємодії між різними рівнями протоколів – BUS і LECS.

Так, АТМ – складна технологія і поки його використання обмежує LANE. Все це сильно стримує широке розповсюдженню даного стандарту. Правда, існує обгрунтована надія, що він дійсно застосовуватиметься, коли з'являться додатки, які зможуть скористатися перевагами АТМ безпосередньо.

АТМ – даною абревіатурою може позначатися технологія асинхронної передачі даних (Asynchronous Transfer Mode), а не тільки Adobe Type Manager або Automatoc Teller Machine, що багатьом може показатися звичнішим. Дану технологію побудови високошвидкісних обчислювальних мереж з комутацією пакетів характеризує унікальна масштабованість від невеликих локальних мереж швидкостями обміну 25–50 Мбіт/сек до трансконтинентальних мереж.

Як передавальне середовище використовується або витаючи пара (до 155 Мбіт/сек) або оптоволокно.

АТМ є розвитком STM (Synchronous Transfer Mode), технології передачі пакетованих даних і мови на великі відстані, традиційно використовуваною для побудови телекомунікаційних магістралей і телефонної мережі. Тому перш за все ми розглянемо STM.

Модель STM.

АТМ є розвитком STM (Synchronous Transfer Mode), технології передачі пакетних даних і мови на великі відстані, традиційно використовуваною для побудови телекомунікаційних магістралей і телефонної мережі. STM є мережевим механізмом з комутацією з'єднань, де з'єднання встановлюється перш, ніж почнеться передача даних, і розривається після її закінчення. Таким чином, взаємодіючі вузли захоплюють і утримують канал, поки не порахують необхідним роз'єднатися, незалежно від того, передають вони дані або «мовчать». Дані в STM передаються за допомогою розділення всієї смуги каналу на базові трансмісійні елементи, звані тимчасовими каналами або слотами. Канальні інтервали об'єднані в цикл передачі, що містить фіксоване число каналів, пронумерованих від 1 до N. Кожному слоту ставитися у відповідність одне з'єднання. Кожна з обойм (їх теж може бути декілька – від 1 до М), визначає свій набір з'єднань. Цикл передачі надає свої канальні інтервали для встановлення з'єднання з періодом Т. Прі цьому гарантується, що протягом цього періоду необхідна обойма буде доступна. Параметри N, M і Т визначаються відповідними комітетами із стандартизації і розрізняються в Америці і Европе.

В рамках каналу STM кожне з'єднання асоціюється з фіксованим номером слота в конкретній обоймі. Одного разу захоплений слот залишається у розпорядженні з'єднання протягом всього часу існування цього з'єднання.

Перехід на АТМ.

Дослідження застосування оптоволоконних каналів в трансокеанських і трансконтинентальних масштабах виявили ряд особливостей передачі даних різних типів. У сучасних комунікаціях можна виділити два типи запитів:

критичні до затримок (наприклад, сигнали телебачення високої чіткості і звукова інформація);

передача даних, не дуже критичних до затримок, але не допускаючих втрат інформації (цей тип передачі, як правило, відноситься до міжкомп'ютерних обмінів).

Передача різнорідних даних приводить до періодичного виникнення запитів, що вимагають великої смуги пропускання, але при малому часі передачі. Вузол, деколи, вимагає пікової продуктивності каналу, але відбувається це відносно рідко, займаючи, скажімо, одну десяту часу. Для такого виду каналу реалізується одне з десяти можливих з'єднань, на чому, природно, втрачається ефективність використання каналу. В рамках моделі STM передача тимчасово невживаний слот іншому абонентові неможлива.

Модель АТМ була узята на озброєння одночасно AT&T і декількома європейськими телефонними гігантами. (До речі, це може привести до появи відразу двох стандартів на специфікацію АТМ.) Головна ідея полягала в тому, що необхідності в жорсткій відповідності з'єднання і номера слота немає. Досить передавати ідентифікатор з'єднання разом з даними на будь-який вільний слот, зробивши при цьому пакет настільки маленьким, щоб у разі втрати втрата легко заповнювалася б. Короткі пакети вельми привабливі для телефонних компаній, прагнучих зберегти аналогові лінії STM.

У мережі АТМ два вузли знаходять один одного по віртуальному ідентифікатору з'єднання, використовуваному замість номерів канальні інтервали і цикли передачі в моделі STM. Швидкий пакет передається в такий же слот, як і раніше, але без яких-небудь вказівок або ідентифікатора.

Архітектура АТМ.

Стандарти для рівня АТМ описують, як отримувати осередок, що згенерував на фізичному рівні, додавати 5-байтний заголовок і посилати осередок рівню адаптації АТМ. Ці стандарти також визначають, яким чином потрібно встановлювати з'єднання з такою якістю сервісу (QOS), яка запрошує АТМ-пристрій або кінцева станція.

Стандарти встановлення з'єднання для рівня АТМ визначають віртуальні канали і віртуальні шляхи. Після того, як з'єднання встановлене, комутатори між кінцевими станціями отримують адресні таблиці, що містять відомості про те, куди необхідно направляти осередки. У них використовується наступна інформація: адреса порту, з якого приходять осередки; спеціальні значення в заголовках осередки, які називаються ідентифікаторами віртуального каналу (VCI – Virtual Circuit Identifier) і ідентифікаторами віртуального шляху (VPI – Virtual Path Identifier). Адресні таблиці також визначають, які VCI і VPI комутатор повинен включити в заголовки осередків перш ніж їх передати.

Формат даних.

Пакет АТМ, визначений спеціальним підкомітетом ANSI, повинен містити 53 байти: 5 байтів зайнято заголовком, останні 48 – змістовна частина пакету.

Рис. 1.9. Будова кадру АТМ

На малюнку показані поля заголовка АТМ – осередків, що мають інтерфейс користувача з мережею (UNI – User-to-Network Interface) і інтерфейс між мережами (NNI – Network-to-Node Interface або Network-to-Network Interface).

Поле загального управління потоком (GFC – Generic Flow Control) складається з 4 битий і використовується тільки в UNI для управління трафіком і запобігання перевантаженню. Для NNI це поле не визначене, а його біти використовуються для розширення поля ідентифікатора віртуальних шляхів.

Рис. 1.10. Типи заголовків пакету даних в АТМ

Поле VPI використовується для позначення віртуальних шляхів і складається з: 8 бітів в UNI і 12 бітах в NNI. Це поле ще не визначене ні C 1992 г.ITU-T, ні організацією АТМ Forum.

Поле ідентифікатора віртуального каналу складається з 16 бітів. Значення полів VPI і VCI встановлюються кінцевими пристроями при запиті з'єднання.

Поле ідентифікатора корисного навантаження (PTI – Payload Type Identification) складається з 3 бітів і використовується для позначення типу корисного навантаження осередку, а також для позначення процедур, що управляють. У специфікаціях, що знаходяться у стадії розробки, АТМ Forum збирається виділити перший біт для позначення перевантаження, другий біт для управління мережею, а третій – для індикації помилки.

Ознака втрати пріоритету осередку (CLP – Cell Loss Priority) – це 1 битий, який визначає можливість втрати осередком свого пріоритету. Якщо осередок можна відкинути із-за перевантаження, цей біт встановлюється в 1; якщо на комутаторі виникає перевантаження, він викидає всі осередки, у яких цей біт встановлений. В результаті при перевантаженні мережі пріоритет віддається певним типам осередків, що переносять, наприклад, відеоінформацію.

Контрольна сума заголовка (HEC – Header Error Check) – це восьмирозрядний циклічний надмірний код, який обчислюється по всіх полях АТМ, – заголовка. Такий метод контролю помилок дозволяє виявити всі однорозрядні помилки і частину багато розрядних. Контроль помилок в роботі АТМ має дуже велике значення, оскільки помилка в VPI/VCI може викликати спотворення даних в інших віртуальних каналах.

Віртуальний канал АТМ – це з'єднання між двома кінцевими станціями АТМ, яке встановлюється на час їх взаємодії. Віртуальний канал є двонаправленим; це означає, що після встановлення з'єднання кожна кінцева станція може як посилати пакети іншої станції, так і отримувати їх від неї.

Є три типи віртуальних каналів:

постійні віртуальні канали (PVC – Permanent Virtual Circuits);

комутовані віртуальні канали (SVC – Switched Virtual Circuits);

інтелектуальні постійні віртуальні канали (SPVC – Smart Permanent Virtual Circuits).

PVC – це постійне з'єднання між двома кінцевими станціями, яке встановлюється уручну в процесі конфігурації мережі. Користувач повідомляє провайдера АТМ-УСЛУГ або мережевого адміністратора, які кінцеві станції мають бути сполучені, і він встановлює PVC між цими кінцевими станціями.

PVC включає кінцеві станції, середовище передачі і всі комутатори, розташовані між кінцевими станціями. Після установки PVC для нього резервується певна частина смуги пропускання, і двом кінцевим станціям не потрібно встановлювати або скидати з'єднання.

SVC встановлюється в міру необхідності – всякий раз, коли кінцева станція намагається передати дані іншої кінцевої станції. Коли відправляюча станція запрошує з'єднання, мережа АТМ поширює адресні таблиці і повідомляє цю станцію, які VCI і VPI мають бути включені в заголовки осередків. Через довільний проміжок часу SVC скидається.

SVC встановлюється динамічно, а не уручну. Для нього стандарти передачі сигналів рівня АТМ визначають, як кінцева станція повинна встановлювати, підтримувати і скидати з'єднання. Ці стандарти також регламентують використання кінцевою станцією при встановленні з'єднання параметрів QOS з рівня адаптації АТМ.

Крім того, стандарти передачі сигналів описують спосіб управління трафіком і запобігання «заторам»: з'єднання встановлюється тільки в тому випадку, якщо мережа в змозі підтримувати це з'єднання. Процес визначення, чи може бути встановлене з'єднання, називається управлінням визнанням з'єднання (CAC – Connection Admission Control).

SPVC – це гібрид PVC і SVC. Подібно PVC, SPVC встановлюється уручну на етапі конфігурації мережі. Проте провайдер АТМ-УСЛУГ або мережевий адміністратор задає тільки кінцеві станції. Для кожної передачі мережа визначає, через які комутатори передаватимуться осередки.

Велика частина раннього устаткування АТМ підтримувала тільки PVC. Підтримка SVC і SPVC починає реалізовуватися тільки зараз.

PVC мають дві переваги над SVC. Мережа, в якій використовуються SVC, повинна витрачати час на встановлення з'єднань, а PVC встановлюються заздалегідь, тому можуть забезпечити вищу продуктивність. Крім того, PVC забезпечують кращий контроль над мережею, оскільки провайдер АТМ-УСЛУГ або мережевий адміністратор може вибирати шлях, по якому передаватимуться кадри.

Проте і SVC мають ряд переваг перед PVC. Оскільки SVC встановлюється і скидається легше, ніж PVC, то мережі, використовуючі SVC, можуть імітувати мережі без встановлення з'єднань. Ця можливість виявляється корисною в тому випадку, якщо ви використовуєте додаток, який не може працювати в мережі зі встановленням з'єднань. Крім того, SVC використовують смугу пропускання, тільки коли це необхідно, а PVC винні постійно її резервувати на той випадок, якщо вона знадобиться. SVC також вимагають меншої адміністративної роботи, оскільки встановлюються автоматично, а не уручну. І нарешті, SVC забезпечують відмовостійку: коли виходить з ладу комутатор, що знаходиться на шляху з'єднання, інші комутатори вибирають альтернативний шлях.

В деякому розумінні SPVC володіє кращими властивостями цих двох видів віртуальних каналів. Як і у випадку з PVC, SPVC дозволяє заздалегідь задати кінцеві станції, тому їм не доводиться витрачати час на встановлення з'єднання кожного разу, коли одна з них повинна передати осередки. Подібно SVC, SPVC забезпечує відмовостійку. Проте і SPVC має свої недоліки: як і PVC, SPVC встановлюється уручну, і для нього необхідно резервувати частину смуги пропускання – навіть якщо він не використовується.

Стандарти встановлення з'єднання для рівня АТМ також визначають віртуальні шляхи (Virtual Path). Тоді як віртуальний канал – це з'єднання, встановлене між двома кінцевими станціями на час їх взаємодії, віртуальний шлях – це шлях між двома комутаторами, який існує постійно, незалежно від того, чи встановлено з'єднання. Іншими словами, віртуальний шлях – це шлях, що «запам'ятав», по якому проходить весь трафік від одного комутатора до іншого.

Коли користувач запрошує віртуальний канал, комутатори визначають, який віртуальний шлях використовувати для досягнення кінцевих станцій. Поодинці і тому ж віртуальному шляху в один і той же час може передаватися трафік більш ніж для одного віртуального каналу. Наприклад, віртуальний шлях із смугою пропускання 120 Мбіт/с може бути роздільний на чотири одночасні з'єднання по 30 Мбіт/с кожен.

2. Розробка проекту комп'ютерної мережі авіакомпанії «Північна компанія»

2.1 Вибір параметрів функціонування комп'ютерної мережі

2.1.1 Початкові дані

До складу авіакомпанії входить 3 філії, які розташовані в наступних містах: Донецьк, Харків, Львів. У кожній філії є видалені офіси. Початкові дані про склад авіакомпанії «Північна компанія» приведені в табл. 2.1.

Таблиця 2.1

В процесі розробки проекту комп'ютерної мережі мають бути вирішені наступні завдання:

1. Розподілити всі комп'ютери авіакомпанії, у тому числі і у філіях.

2. Розробити загальну схему IP-адресации. У адміністративних мережах всі комп'ютери повинні мати статичні адреси, а в мережах загального користування – динамічні.

3. Вибрати і обгрунтувати операційну систему, використовувану в КИЦЬ, мережеву операційну систему, СУБД, бухгалтерські програми, програмне забезпечення і т.д.

4. Визначити число і типи серверів, використовуваних в ГКМ, а також місця їх розташування.

5. Вибрати і обґрунтувати типи каналів зв'язку між корпусами центрального офісу, між центральним офісом і філіями і між філіями і видаленими офісами авіакомпанії.

6. Провести вибір активного комунікаційного устаткування, такого як маршрутизатори, комутатори, модеми і визначити місця їх розташування.

7. Розробити списки управління доступом до мережевих ресурсів і Internet, зважаючи на той факт, що доступ до комп'ютерів адміністративної групи має бути обмежений, а деяким з них має бути обмежений доступ в Internet.

8. Розробити структурну схему ГКМ авіакомпанії.

9. Взяти до уваги можливість 100% зростання локальних мереж. Смуга пропускання каналу до кожного хосту повинна складати не менше 1 Мбіт/с, а до кожного сервера не менше 100 Мбіт/с в межах локальної мережі.

10. Передбачити забезпечення доступу до Internet з будь-якого комп'ютера ГКМ, окрім комп'ютерів бухгалтерії і економічного відділу.

2.1.2 Розрахунок кількості хостів в комп'ютерній мережі

Розділимо всі комп'ютери на дві групи: адміністративну і загального користування.

Таблиця 2.2. Центральний офіс

Таблиця 2.3. Філія

Таблиця 2.4. Видалений офіс