Введение
Основы технологии ATM были разработаны независимо во Франции и США в 1970-х. Целью было создать такую архитектуру, которая бы осуществляла транспортировку данных, голоса и видео на высоких скоростях, и использовала бы сетевые ресурсы наиболее эффективно.
В существующих телекоммуникационных сетях около 20 лет назад наметились тенденции к передаче трафика различных сервисов в едином канале связи, т.е. сети связи становились мультисервисными. Однако используемые технологии не позволяли гарантировать качество обслуживания (постоянное время задержки и полосу пропускания, высокий процент использования канала связи и т.п.) для разнородного трафика. В это время специалистов в области телекоммуникаций привлек внимание протокол АТМ, который был разработан еще в начале 1970-х годов. Данная технология позволяла решить проблему передачи разнородного трафика в единой среде.
ATM разрабатывалась как технология коммутации для передачи всех видов трафика (цифровых, голосовых и мультимедийных данных) по одним и тем же системам и линиям связи в пакетном формате. ATM широко используется в телефонной системе при передаче данных на большие расстояния.
Эталонная модель
Рис. 1. Эталонная модель АТМ.
Она состоит из трёх уровней: физического, ATM и адаптационного ATM-уровня, а также включает верхние уровни, используемые пользователем.
Физический уровень взаимодействует с физической средой передачи данных: напряжениями, длительностями битов и т. п. ATM не предписывает на этот счет каких-нибудь правил. Напротив, ячейки ATM могут передаваться по проводам или по оптоволоконным кабелям сами собой, а также в упакованном виде в качестве данных по любому другому носителю. Другими словами, ATM разрабатывалась как независимая от физического носителя система.
ATM-уровень имеет дело с ячейками и их передачей. Он описывает схему ячейки и значение полей заголовка. Кроме того, этот уровень занимается установлением и освобождением виртуальных каналов связи. Здесь же осуществляется управление перегрузкой.
Поскольку большинство приложений не желают работать напрямую с ячейками, уровень, расположенный над уровнем ATM, был разработан для предоставления пользователям возможности посылать пакеты, превосходящие размер ячейки. Интерфейс ATM разбивает такой пакет на ячейки, передает их по отдельности, после чего вновь собирает из них пакет на противоположной стороне. Этот уровень называется уровнем адаптации ATM, или уровнем AAL.
Таблица 1. Уровни и подуровни АТМ, их функции.
Зависящий от физического носителя подуровень PMD обеспечивает интерфейс с физическим кабелем. Он пересылает биты и управляет временными параметрами сигналов. Этот уровень будет различным для различных носителей и кабелей.
Другим подуровнем физического уровня является подуровень конвергенции передачи ТС. Уровень конвергенции передачи пересылает ячейки в виде последовательности битов подуровню PMD. С другой стороны, подуровень конвергенции передачи принимает поток битов от подуровня PMD. Его задачей является преобразование этого битового потока в поток ячеек для уровня ATM. Он выполняет все задачи, связанные с определением начала и конца ячеек во входном потоке. В модели ATM эти функции относятся к физическому уровню.
На уровне ALL происходит разделение сообщения на пакеты длиной до 64 кбайт, которые, в свою очередь, делятся на 48-байтные ячейки, преобразование битовых входных потоков в один поток с соблюдением пропорций между числом ячеек для данных, голосовой и видеоинформации, определение вида сервиса. При этом должна поддерживаться скорость передачи данных, необходимая для обеспечения соответствующего сервиса.
В целом уровень AAL разделяется на два подуровня - подуровень сборки/разборки ячеек SAR и подуровень конвергенции CS. Функции подуровня сборки/разборки состоят в "нарезке" входной информации на части, годные для вставления в ячейку и обратное преобразование на приеме.
Подуровень конвергенции выполняет функции идентификации сообщений, синхронизации абонентских установок (если соответствующая служба этого требует) и т.д. В тех случаях, когда условия работы сети АТМ пользователя устраивают, т.е. не требуется синхронизации абонентских установок и параметры качества сети (задержки и уровень ошибок) пользователя устраивает, этот подуровень может быть пропущен. В настоящее время организациями по стандартизации определено пять способов реализации уровня AAL, каждый из которых предназначен для поддержки своего типа службы.
Функции уровня адаптации АТМ
Уровень адаптации ATM представляет собой набор протоколов AAL1-AAL5, которые преобразуют сообщения протоколов верхних уровней сети ATM в ячейки ATM нужного формата. Функции этих уровней достаточно условно соответствуют функциям транспортного уровня модели OSI, например функциям протоколов TCP или UDP. Протоколы AAL при передаче пользовательского трафика работают только в конечных узлах сети. Каждый протокол уровня AAL обрабатывает пользовательский трафик определенного класса. Разрешается использовать для одного и того же класса трафика различные протоколы уровня AAL.
Протоколы AAL для выполнения своей работы используют служебную информацию, размещаемую в заголовках уровня AAL. После приёма ячеек, пришедших по виртуальному каналу, подуровень SAR протокола AAL собирает посланное по сети исходное сообщение (которое было разбито на несколько ячеек ATM) с помощью заголовков AAL, которые для коммутаторов ATM являются прозрачными, так как помещаются в 48-битном поле данных ячейки. После сборки исходного сообщения протокол AAL проверяет служебные поля заголовка и концевика кадра AAL и на их основании принимает решение о корректности полученной информации.
Ни один из протоколов AAL при передаче пользовательских данных конечных узлов не занимается восстановлением потерянных или искаженных данных. Максимум, что делает протокол AAL, - это уведомляет конечный узел о таком событии. Восстановление потерянных отводится протоколам верхних уровней, не входящим в стек протоколов технологии ATM.
Протокол AAL1 обычно обслуживает трафик класса А с постоянной битовой скоростью (CBR). Заголовок AAL1 занимает в поле данных ячейки ATM 1 или 2 байта. В задачи протокола AAL1 входит сглаживание неравномерности поступления ячеек данных в узел назначения.
Функция уровня адаптации AAL1 состоит в том, чтобы дать возможность восстановить переданные импульсы синхронизации информации, компенсировать различия во времени распространения в сети и административно управлять потерями или случайными вставками ячеек.
Относящиеся к этой функции поля занимают 1 байт, который включает в себя порядковый номер SN (Sequence Number), используемый для обнаружения потерянных или случайно вставленных ячеек, и защиту порядкового номера SNP (Sequence Number Protection). Поле SNP делится на два: 3-битовый код CRC для исправления одиночных ошибок и бит чётности для обнаружения двойных ошибок. Поле SN также делится на два: бит индикации подуровня конвергенции CSI (Convergence Sublayer Indication) может содержать метку остаточного времени, которая используется для установки синхронизации приёмника. Она также может быть использована для выделения блоков данных. Следующие 3 бита содержат счётчик для нумерации ячеек.
Рис. 2. Заголовок AAL1
Протокол AAL2 был разработан для передачи трафика класса В, но при развитии стандартов он был исключен из стека протоколов ATM, и сегодня трафик класса В передается с помощью протокола AAL1, AAL3/4 или AAL5.
Роль этой функции адаптации схожа с ролью той же функции адаптации AAL1. Она затрагивает восстановление синхронизации, компенсацию джиттера и административное управление действиями, связанными с потерями и вставлением ячеек.
Здесь поля занимают 3 байта, оставляя 45 байтов для информации.
Рис. 3. Заголовок AAL2
Имеется 4-битовый номер последовательности (SN), поле типа информации (IT), которое описывает тип ячейки (начало или конец сообщения, информация о синхронизации и т.д.), поле, указывающее число значащих битов (LI) для частично заполненной ячейки, и 10-битовый циклический код, способный обнаруживать ошибки в полезной нагрузке ячеек и исправлять одиночные ошибки.
Протокол AAL3/4 образовался в результате слияния протоколов AAL3 и AAL4, которые обеспечивали поддержку трафика компьютерных сетей соответственно с установлением соединения и без установления соединения. Однако ввиду большой близости используемых форматов служебных заголовков и логики работы протоколы AAL3 и AAL4 были впоследствии объединены.
Протокол AAL3/4 обрабатывает пульсирующий трафик - обычно характерный для трафика локальных сетей с переменной битовой скоростью (VBR). Этот трафик обрабатывается так, чтобы не допустить потерь ячеек, но ячейки могут задерживаться коммутатором. Протокол AAL3/4 выполняет сложную процедуру контроля ошибок при передаче ячеек, нумеруя каждую составляющую часть исходного сообщения и снабжая каждую ячейку контрольной суммой. При искажениях или потерях ячеек уровень не занимается их восстановлением, а отбрасывает все оставшиеся ячейки.
Функция адаптации AAL3/4 работает в режиме, ориентированном на соединения, или в режиме без соединений, в котором блоки данных маршрутизируются независимо друг от друга. Перенос потока в режиме, ориентированном на соединения, может либо гарантироваться сетью, либо нет.
В гарантированном режиме используется управление потоком и функции повторной передачи пропущенных или ошибочных блоков. В негарантированном режиме эти функции должны быть реализованы на верхних уровнях.
Эти функции адаптации принимают блоки данных с максимальной длиной 65535 байт и обеспечивают два уровня приоритета: обычный и высший.
Рис. 4. Работа функции AAL3/4
На уровнях AAL3/4 подготовка ячейки к передаче осуществляется в три этапа. Сначала блок данных высокого уровня, например, протокольный модуль данных, инкапсулируется в модуль данных подуровня CPCS (общая часть подуровня конвергенции). Затем модуль данных подуровня СРСS передаётся подуровню SAR (подуровень сегментации и восстановления), где он разбивается на 44-байтовые блоки. Каждый такой блок помещается в один модуль подуровня SAR, к которому добавляются заголовок и концевик, так что общая длина составляет 48 байт. Каждый 48-байтовый модуль данных подуровня SAR помещается в одну ячейку АТМ.
Таким образом, назначение подуровня СРСS заключается в предупреждении получателя о том, что получаемый блок данных сегментирован и для его восстановления требуется определённый объём памяти (буфер). Это позволяет получающим функциям СРСS проверить правильность приёма целого протокольного модуля данных CPCS.
Информация с верхнего подуровня CS прибывает в блоках, называемых служебными модулями данных (SDU) на подуровень SAR. Каждый служебный модуль данных передаётся в одном или нескольких протокольных модулях данных (PDU) подуровня SAR. Каждый протокольный уровень данных, в свою очередь, передаётся в одной ячейке АТМ. Поля заголовка протокольного модуля данных подуровня SAR используются для сегментации служебных модулей данных при передаче и их восстановления при приёме.
Заголовок AAL3/4 SAR PDU состоит из полей типа, порядкового номера и идентификатора мультиплексирования. Поля типа определяют, является ли ячейка началом, продолжением или концом сообщения, поля порядкового номера определяют последовательность сборки ячеек, а поле идентификатора мультиплексирования определяет, какие ячейки из других источников попали в этот же виртуальный канал, для того, чтобы собрать в источнике только нужные ячейки.
Функция адаптации AAL5 является упрощенным вариантом функции AAL4 и работает быстрее, так как вычисляет контрольную сумму не для каждой ячейки сообщения, а для всего исходного сообщения в целом и помещает ее в последнюю ячейку сообщения. Её целью является передача потоков данных, выполняемая блоками переменной длины с максимальной длиной 65535 байт в режиме, ориентированном на соединения.
Функция AAL5 может поддерживать различные параметры качества обслуживания, кроме тех, которые связаны с синхронизацией передающей и принимающей сторон. Поэтому он обычно используется для поддержки всех классов трафика, относящегося к передаче компьютерных данных, то есть классов С и D. Некоторые производители оборудования с помощью протокола AAL5 обслуживают трафик CBR (передача с постоянной скоростью), оставляя задачу синхронизации трафика протоколам верхнего уровня.
Также протокол AAL5 работает в коммутаторах ATM, где поддерживает служебные протоколы более высоких уровней, занимающиеся установлением коммутируемых виртуальных соединений.
Передаваемый пользователем блок данных AAL5 дополняется так, чтобы его можно было разделить на целое число ячеек; тогда длина полученного блока будет кратна 48 байтам, а длина дополнения – находиться между 0 и 47 байтами. Последняя ячейка содержит 8 байт, предназначенных для трёх различных функций: индикатор длины (16 бит), который используется приёмником для определения полезной нагрузки; код CRC (32 бита), который используется для обнаружения ошибок в передаваемых данных; 16 бит, зарезервированных на будущее.
Рис. 5. Работа функции AAL5
Поскольку все 48 байт полезной нагрузки заняты данными пользователя, функция AAL5 не может предоставить какие-нибудь явные указатели начала и конца блока данных. Поэтому последняя ячейка блока данных помечается с помощью последнего бита поля (PTI) в заголовке АТМ. Преимуществами этой функции являются полная нагрузка ячеек и эффективная защита блока данных с помощью 32-битового кода CRC.