Асинхронный способ передачи данных (ATM)

Асинхронный способ передачи данных (АТМ)

«По-настоящему владеет информацией только тот,
кто может организовать ее доставку…»

Асинхронный способ передачи данных (англ. Asynchronous Transfer Mode — ATM ) — сетевая высокопроизводительная технология коммутации и мультиплексирования, основанная на передаче данных в виде кадров (cell) фиксированного размера (53 байта), из которых 5 байтов используется под заголовок. В отличие от синхронного способа передачи данных (STM — англ. Synchronous Transfer Mode), ATM лучше приспособлен для предоставления услуг передачи данных с сильно различающимся или изменяющимся битрейтом.

На протяжении многих лет технология ATM применялась операторами связи как метод мультиплексирования и высокоскоростной коммутации для широкополосных сетей. Сети ATM позволяют операторам предоставлять различные услуги на основе единой сетевой инфраструктуры с гарантией сквозного качества услуг. ATM - это проверенная и широко распространенная мультисервисная, высокоскоростная, масштабируемая технология, способная обеспечить передачу трафика с различными требованиями. Она может одновременно передавать голос, данные и видео с различными скоростями, начиная от уровня E1/T1 и выше вплоть до таких высоких скоростей, как STM-1/OC-3, STM-4/OC-12 и STM-16/OC-48, с различными уровнями обслуживания, гарантиями качества услуг и сложными механизмами управления трафиком. Де-факто ATM стала доминирующей технологией передачи данных в сетях многих операторов связи..

Основные технологии ATM были разработаны независимо во Франции и США в 1970 гг. двумя учеными: Jean-Pierre Coudreuse, который работал в исследовательской лаборатории France Telecom, и Sandy Fraser, инженер Bell Labs. Они оба хотели создать такую архитектуру, которая бы осуществляла транспортировку как данных, так и голоса на высоких скоростях, и использовала сетевые ресурсы наиболее эффективно.

Компьютерные технологии создали возможность для более быстрой обработки информации и более скоростной передачи данных между системами. В 80-х годах ХХ века операторы телефонной связи обнаружили, что неголосовой трафик более важен и начинает доминировать над голосовым. Был предложен дизайн ISDN, который описывал цифровую сеть с коммутацией пакетов, предоставляющую услуги телефонной связи и передачи данных. Оптоволокно позволяло обеспечить передачу данных на высокой скорости с малыми потерями. Но технология коммутации пакетов не обеспечивала надежную передачу голоса, и многие сомневались, что когда-либо обеспечит. В противоположность сетям пакетной передачи данных в общественных телефонных сетях применяли технологию коммутации каналов. Эта технология идеальна для передачи голоса, но для передачи данных она неэффективна. И тогда телекоммуникационная индустрия обратилась к ITU для разработки нового стандарта для передачи данных и голосового трафика в сетях с широкой полосой пропускания. В конце 80-х годов Международным телефонным и телеграфным консультативным комитетом CCITT (который затем был переименован в ITU-T) был разработан набор рекомендаций по ISDN второго поколения, так называемого B-ISDN (широкополосныйISDN), расширения ISDN. В качестве режима передачи нижнего уровня для B-ISDN был выбран ATM. В 1988 г. на собрании ITU в Женеве была выбрана длина ячейки ATM - 53 байт. Это был компромисс между американцами, которые хотели размер данных в ячейке 64 байта и европейцами, которые склонялись к размеру данных 32 байта. Ни одна сторона не смогла выиграть в этом споре и в итоге был выбран средний размер 48 байт. Для поля заголовка был выбран размер 5 байт, минимальный размер, на который согласилась ITU. В 1990 г. был одобрен базовый набор рекомендаций ATM. Базовые принципы ATM положены рекомендацией I150. Это решение было очень похоже на системы разработанные Coudreuse и Fraser. Отсюда начинается дальнейшее развитие ATM.

Такие технологии передачи, как Ethernet и Token Ring, соответствуют семиуровневой модели взаимодействия открытых систем (Open Systems Interconnection - OSI). ATM же имеет собственную модель, разработанную организациями по стандартизации. Модель ATM, в соответствии с определением ANSI, ITU и ATM Forum, технология ATM предполагает межсетевое взаимодействие на трёх уровнях:
физическм;
уровне ATM;
уровне адаптации ATM.

Стандарт ATM не вводит свои спецификации на реализацию физического уровня. Здесь он основывается на технологии SDH/SONET, принимая ее иерархию скоростей. В соответствии с этим начальная скорость доступа пользователя сети - это скорость ОС-3 155 Мбит/с. Организация ATM Forum определила для ATM не все иерархии скоростей SDH, а только скорости ОС-З и ОС-12 (622 Мбит/с). На скорости 155 Мбит/с можно использовать не только волоконно-оптический кабель, но и неэкранированную витую пару категории 5. На скорости 622 Мбит/с допустим только волоконно-оптический кабель, причем как SMF, так и MMF. Имеются и другие физические интерфейсы к сетям ATM, отличные от SDH/SONET. К ним относятся интерфейсы Т1/Е1 и ТЗ/ЕЗ, распространенные в глобальных сетях, и интерфейсы локальных сетей - интерфейс с кодировкой 4В/5В со скоростью 100 Мбит/с (FDDI) и интерфейс со скоростью 25 Мбит/с, предложенный компанией IBM и утвержденный ATM Forum. Кроме того, для скорости 155,52 Мбит/с определен так называемый "cell-based" физический уровень, то есть уровень, основанный на ячейках, а не на кадрах SDH/SONET. Этот вариант физического уровня не использует кадры SDH/SONET, а отправляет по каналу связи непосредственно ячейки формата ATM, что сокращает накладные расходы на служебные данные, но несколько усложняет задачу синхронизации приемника с передатчиком на уровне ячеек.

Оборудование ATEM-доступа обеспечивает эффективное подключение к сетям ATM и предоставляет средства для мониторинга производительности, диагностики и управления трафиком в различных категориях сетей на основе ATM. Дополнительными стимулами к внедрению устройств доступа ATM являются использование сетей DSL, основанных на ATM, в качестве транспортной инфраструктуры для услуг выделенных линий, а также начало развертывания сотовых сетей UMTS (3G). Решения RAD в области ATM-доступа обеспечивают эффективное подключение к сетям ATM на площадке пользователя. Эти решения повышают качество и снижают стоимость услуг на основе ATM благодаря сквозному управлению в масштабах всей сети, обеспечению QoS, управлению трафиком, локализации отказов и преобразованию скоростей и среды передачи. Устройства ATM-доступа RAD также обеспечивают взаимодействие с другими типами сетей, в частности, услуги эмуляции каналов TDM (для традиционной телефонии и других TDM-приложений), передачу трафика IP и ЛВС. Таким образом, они представляют собой комплексное решение для интеграции всех сетевых услуг на основе ATM с гарантированным качеством в пределах всей сети (рис. 1).

 

Рис. 1. Взаимодействие сетей ATM с помощью оборудования RAD

 

Кроме того, ATM-оборудование RAD может использоваться в качестве интеллектуальных устройств для разграничения между сетями ATM или между сетями ATM и IP. Наконец, с их помощью легко организовать предоставление услуг, диагностику и управление трафиком в сетях DSL, основанных на технологии ATM.

Сеть строится на основе АТМ коммутатора и АТМ маршрутизатора. Технология реализуется как в локальных, так и в глобальных сетях. Допускается совместная передача различных видов информации, включая видео, голос.

Ячейки данных, используемые в ATM, меньше по сравнению с элементами данных, которые используются в других технологиях. Небольшой, постоянный размер ячейки, используемый в ATM, позволяет:
передавать данные по одним и тем же физическим каналам, причём как при низких, так и при высоких скоростях;
работать с постоянными и переменными потоками данных;
интегрировать любые виды информации: тексты, речь, изображения, видеофильмы;
поддерживать соединения типа точка-точка, точка-множество, множество-множество.

Для передачи данных от отправителя к получателю в сети ATM создаются виртуальные каналы, VC (англ. Virtual Circuit), которые бывают трёх видов:
постоянный виртуальный канал, PVC (Permanent Virtual Circuit), который создаётся между двумя точками и существует в течение длительного времени, даже в отсутствие данных для передачи;:
коммутируемый виртуальный канал, SVC (Switched Virtual Circuit), который создаётся между двумя точками непосредственно перед передачей данных и разрывается после окончания сеанса связи;
автоматически настраиваемый постоянный виртуальный канал, SPVC (Soft Permanent Virtual Circuit). Каналы SPVC по сути представляют собой каналы PVC, которые инициализируются по требованию в коммутаторах ATM. С точки зрения каждого участника соединения, SPVC выглядит как обычный PVC, а что касается коммутаторов ATM в инфраструктуре провайдера, то для них каналы SPVC имеют значительные отличия от PVC. Канал PVC создаётся путём статического определения конфигурации в рамках всей инфраструктуры провайдера и всегда находится в состоянии готовности. Но в канале SPVC соединение является статическим только от конечной точки (устройство DTE) до первого коммутатора ATM (устройство DCE). А на участке от устройства DCE отправителя до устройства DCE получателя в пределах инфраструктуры провайдера соединение может формироваться, разрываться и снова устанавливаться по требованию. Установленное соединение продолжает оставаться статическим до тех пор, пока нарушение работы одного из звеньев канала не вызовет прекращения функционирования этого виртуального канала в пределах инфраструктуры провайдера сети.

Первым ударом по ATM были результаты исследований Bellcore о характере трафика LAN, опубликованных в 1994 г. Эта публикация показала, что трафик в локальных сетях не подчиняется ни одной существующей модели. Трафик LAN на временной диаграмме ведет себя как фрактал. На любом временном диапазоне от нескольких миллисекунд до нескольких часов он имеет самоподобный взрывной характер. ATM в своей работе все внеурочные пакеты должен хранить в буфере. В случае резкого увеличения трафика, коммутатор ATM просто вынужден отбрасывать невмещающиеся пакеты, а это означает ухудшение качества обслуживания.

В конце 90-х появляется технология Gigabit Ethernet, которая начинает конкурировать с ATM. Главными достоинствами первой является значительно более низкая стоимость, простота, легкость в настройке и эксплуатации. Также, переход с Ethernet или Fast Ethernet на Gigabit Ethernet можно было осуществить значительно легче и дешевле. Проблему качества обслуживания Gigabit Ethernet мог решить за счет покупки более дешевой полосы пропускания с запасом, нежели за счет умного оборудования. Кроме того, Gigabit Ethernet превосходит ATM в скорости передачи данных - 1000 Мбит/с по сравнению с 622 Мбит/с, а также в затратах на единицу скорости. К окончанию 90-х гг. стало ясно что ATM будет продолжать доминировать только в сетях WAN, то есть корпоративных сетях.

В апреле 2005г. произошло слияние ATM Forum с Frame Relay Forum и MPLS Forum в общий MFA Forum (MPLS-Frame Relay-ATM). В 2007г. последний был переименован в IP/MPLS Forum. В апреле 2009г. IP/MPLS Forum был объединен с Broadband Forum (BBF), и новый форум принял название Broadband Forum. Фактически IP/MPLS Forum был поглощен BBF. В это же время наметился постепенный переход существующей инфраструктуры ATM к IP/MPLS (рис. 2).

Рис. 2. Постепенный переход существующей инфраструктуры ATM к IP/MPLS

 

Таким образом, там, где коммутаторы ATM используются только как высокоскоростные устройства, а возможности поддержки разных типов трафика игнорируются, технологию ATM, очевидно, заменит технология Gigabit Ethernet. Там же, где качество обслуживания действительно важно (видеоконференции, трансляция телевизионных передач и т. п.), технология ATM останется. Для объединения настольных компьютеров технология ATM, вероятно, еще долго не будет использоваться, так как здесь очень серьезную конкуренцию ей составляет технология Fast Ethernet.

В глобальных сетях ATM применяется там, где сеть frame relay не справляется с большими объемами трафика, и там, где нужно обеспечить низкий уровень задержек, необходимый для передачи информации реального времени.

Сегодня основной потребитель территориальных коммутаторов ATM - это Internet. Коммутаторы ATM используются как гибкая среда коммутации виртуальных каналов между IP-маршрутизаторами, которые передают свой трафик в ячейках ATM. Сети ATM оказались более выгодной средой соединения IP-маршрутизаторов, чем выделенные каналы SDH, так как виртуальный канал ATM может динамически перераспределять свою пропускную способность между пульсирующим трафиком клиентов IP-сетей.

В соответствии со спецификацией Classical IP одна сеть ATM может быть представлена в виде нескольких IP-подсетей, так называемых логических подсетей (Logical IP Subnet, LIS) (рис. 3.). Все узлы одной LIS имеют общий адрес сети. Как и в классической IP-сети, весь трафик между подсетями обязательно проходит через маршрутизатор, хотя и существует принципиальная возможность передавать его непосредственно через коммутаторы ATM, на которых построена сеть ATM. Маршрутизатор имеет интерфейсы во всех LIS, на которые разбита сеть ATM.

Рис. 3. Логические IP-подсети в сети ATM

 

В отличие от классических подсетей маршрутизатор может быть подключен к сети ATM одним физическим интерфейсом, которому присваивается несколько IP-адресов в соответствии с количеством LIS в сети.

Решение о введении логических подсетей связано с необходимостью обеспечения традиционного разделения большой сети ATM на независимые части, связность которых контролируется маршрутизаторами, как к этому привыкли сетевые интеграторы и администраторы. Решение имеет и очевидный недостаток - маршрутизатор должен быть достаточно производительным для передачи высокоскоростного трафика ATM между логическими подсетями, в противном случае он станет узким местом сети. В связи с повышенными требованиями по производительности, предъявляемыми сетями ATM к маршрутизаторам, многие ведущие производители разрабатывают или уже разработали модели маршрутизаторов с общей производительностью в несколько десятков миллионов пакетов в секунду.

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

В протоколе ATM создается фиксированный канал всякий раз, когда начинается передача данных. Этим он отличается от TCP/IP, в котором сообщение делится на пакеты и каждый пакет может проходить от источника до адресата по разным путям.

В технололгии ATM различают следующие службы:
1. Постоянная скорость передачи (Constant Bit Rate, CBR), гарантирующая самое высокое качество сервиса, применяется для чувствительного к задержкам трафика, такого как аудио- и видеоинформация. Данные при этом передаются с постоянной скоростью и малыми задержками, правда, за счет неэффективного использования полосы пропускания. Чтобы защитить трафик CBR от влияния других потоков, для соединения резервируется определенная часть полосы пропускания, даже если в данный момент не происходит никакой передачи.
2. Переменная скорость передачи (Variable Bit Rate, VBR).Категория VBR существует в двух видах, которые используются для различных типов трафика:
а) VBR реального времени (Real-Time VBR, RT-VBR) применяют, когда требуется жесткая синхронизация между ячейками и поддержка чувствительного к задержкам трафика;
б) VBR без требований реального времени (Non-Real-Time VBR, NRT-VBR) не нуждается в жесткой синхронизации между ячейками и поддерживает допускающий задержки трафик.
Поскольку VBR не резервирует полосу пропускания, канал используется более эффективно, чем в случае CBR. Однако, в отличие от CBR, VBR не может гарантировать качества сервиса.
3. Неопределенная скорость передачи (Unspecified Bit Rate, UBR), применяется для трафика, который допускает задержки. Подобно VBR, UBR не резервирует полосы пропускания для виртуального канала. В результате один виртуальный канал может применяться для нескольких передач. Однако, поскольку UBR не гарантирует качества сервиса, то в сильно загруженных сетях UBR-трафик теряет большое число ячеек, что вызывает много повторных передач.
4. Доступная скорость передачи (Available Bit Rate, ABRБ), используется для передачи трафика, который допускает задержки и дает возможность многократно использовать виртуальные каналы. Однако, если UBR не резервирует полосы пропускания и не предотвращает потерь ячеек, то ABR обеспечивает для соединения допустимые значения ширины полосы пропускания и коэффициента потерь