Качество обслуживания в сетях ATM

Правила отбрасывания ячеек, задержки данных и т.п. определяются набором параметров, называемым качеством обслуживания или QoS. Разным приложениям требуется различный уровень QoS и ATM может обеспечить этот уровень. ATM обеспечивает несколько классов обслуживания, каждый из которых имеет свою спецификацию QoS.

Форум ATM определил четыре класса качества обслуживания:

1 класс обеспечивает выполнение требований служб класса A. Это класс обслуживания должен предоставлять характеристики, сопоставимые с параметрами цифровых каналов;

2 класс обеспечивает выполнение требований служб класса B. Предназначен для мультимедийных приложений и предоставляет произвольную скорость передачи;

3 класс обеспечивает выполнение требований служб класса C. Предназначен для технологий, ориентированных на соединение;

4 класс обеспечивает выполнение требований служб класса D. Предназначен для технологий, работающих без установления соединения.

Таблица 2. Уровень класса обслуживания для различных приложений

Типичным примером класса службы A является передача речи или видео с постоянной скоростью. В ATM эту службу называют эмуляцией канала. Служба класса B работает с источниками трафика с изменяющейся скоростью передачи (напрмер, передача подвижных изображений). Служба класса C ориентирована на соединение и работает с источниками с изменяющейся скоростью передачи. Служба класса D предназначена для работы без установления соединения

В заголовке ATM виртуальный канал обозначается комбинацией двух полей - VPI и VCI. Виртуальный путь применяется в тех случаях, когда 2 пользователя ATM имеют свои собственные коммутаторы на каждом конце пути и могут, следовательно, организовывать и поддерживать свои виртуальные соединения. Виртуальный путь напоминает канал, содержащий множество кабелей, по каждому из которых может быть организовано виртуальное соединение.

Поскольку виртуальные устройства подобны реальным, они также могут быть "выделенными" или "коммутируемыми". В сетях ATM "выделенные" соединения называются постоянными виртуальными устройствами (PVC), создаваемыми по соглашению между пользователем и оператором. Коммутируемые соединения ATM используют коммутируемые виртуальные устройства (SVC), которые устанавливаются путем передачи специальных сигналов между пользователем и сетью.

Такая схема также полезна тем, что тратится минимум времени на анализ заголовка пакета в промежуточных устройствах, что обеспечивает минимум загрузки вычислительных мощностей и низкие задержки при передаче.

Когда пакет получен, анализируются ошибки в заголовке сообщения, и проводится попытка их восстановления.

Наиболее распространенные скорости работы ATM —155 и 622 Мбит/с. Скорость 155 Мбит/с была выбрана потому, что примерно такая скорость нужна для передачи телевидения высокого разрешения. Скорость 622 Мбит/с была выбрана для одновременной передачи четырёх 155-мегабитных каналов.

Ячейка, её структура

В технологии ATM информация передается в ячейках фиксированного размера в 53 байта, из них 48 байт предназначены для данных, а 5 байт - для служебной информации (для заголовка ячейки ATM). Ячейки передаются по сети, не занимая конкретных временных интервалов. Ячейки не содержат адресной информации и контрольной суммы данных, что ускоряет их обработку и коммутацию.

Небольшой фиксированный размер ячейки обеспечивает предсказуемую пропускную способность и небольшую задержку в сети, что позволяет передавать различные виды информации. Кроме того, фиксированный размер ячеек позволяет реализовать алгоритм коммутации аппаратно, что позволяет устранить задержки, которые возникают при программной реализации алгоритмов.

5 байт 48 байт

Рис. 12. Ячейка АТМ.

Частью заголовка является идентификатор соединения, поэтому как хосты (отправляющий и принимающий), так и все маршрутизаторы, встречающиеся по пути, знают, какая ячейка принадлежит какому-либо соединению. Эта информация позволяет маршрутизатору направить каждый входящий пакет в нужном направлении. Определение маршрута производится на аппаратном уровне с высокой скоростью.

Основным аргументом в пользу ячеек фиксированной длины является тот факт, что можно легко организовать аппаратную обработку маршрутизаторами коротких пакетов известной длины.

Еще одним плюсом ATM является то, что можно настроить аппаратуру на размножение входящего пакета на множество выходных линий. Такое свойство требуется для организации передачи данных большому количеству абонентов.

Все ячейки следуют по одному и тому же маршруту, поэтому верный порядок их доставки гарантируется, хотя сама доставка — нет. И всё же, хотя эта технология не даёт абсолютных гарантий доставки, это лучше, чем то, что может обеспечить Интернет. Там пакеты могут не только потеряться, но может быть перепутан порядок их следования. ATM же обеспечивает правильный порядок доставки ячеек.

Контрольная сумма поля данных считается ненужной, поскольку используются только высококачественные каналы с малой вероятностью ошибки. Типичная вероятность ошибки канала АТМ составляет 10^-12.

Формат заголовка

Существует два формата заголовка ячейки ATM: UNI и NNI. Заголовок UNI используется для связи между конечными точками (узлами и маршрутизаторами) и ATM-коммутаторами в частных сетях ATM. Заголовок NNI используется для связи между ATM-коммутаторами.

В отличие от заголовка UNI, заголовок NNI не содержит поля общего управления потоком (GFC). Однако этот заголовок NNI содержит поле идентификатора виртуального пути (VPI), которое занимает первые 12 битов, что позволяет использовать более длинные каналы связи между открытыми АТМ-коммутаторами.

Рис. 13. Формат заголовка

В заголовках ячейки ATM имеется ряд следующих полей:

Общее управление потоком (GFC) обеспечивает выполнение локальных функций, таких как определение нескольких станций, использующих общий интерфейс ATM. Это поле, как правило, не используется и по умолчанию его значение равно 0 (двоичный код 0000).

Идентификатор виртуального пути (VPI) вместе с VCI определяет следующего промежуточного получателя ячейки по мере её прохождения через несколько ATM-коммутаторов на пути к конечному получателю.

Идентификатор виртуального канала (VCI) вместе с VPI определяет следующего промежуточного получателя ячейки по мере ее прохождения через несколько ATM-коммутаторов на пути к конечному получателю.

Тип полезной нагрузки (PТ). Первый бит определяет, какой тип данных содержится в ячейке (пользовательские или управляющие). Если ячейка содержит пользовательские данные, то этот бит равен 0, если управляющие, то его значение равно 1. Второй бит указывает на перегрузку канала (0 — нет перегрузки, 1 — перегрузка), а третий показывает, является ли данная ячейка последней в последовательности ячеек, представляющих один фрейма AAL5 (если он равен 1, то это последняя ячейка фрейма).

Приоритет ячейки при отбрасывании (CLP). Показывает, следует ли отбрасывать ячейку, если она попадет в перегруженный канал. Если значение бита CLP равно 1, то ячейка должна быть удалена прежде, чем ячейки с битом CLP, равным 0.

Контроль ошибок заголовка (HEC) вычисляет контрольную сумму по первым четырем байтам заголовка. При использовании контроля НЕС можно исправить одну ошибку бита в этих байтах, таким образом, сохраняя ячейку, а не удаляя ее.

Сравнение с ISDN и Х.25

Данная технология используется как в локальных, так и в глобальных сетях. АТМ представляет собой упрощённый протокол с минимальными возможностями контроля ошибок и управления протоколом. Это позволяет снизить расходы на обработку ячеек АТМ и уменьшить количество дополнительных служебных битов в каждой ячейке, в результате чего сеть АТМ может работать на более высоких скоростях передачи данных. Использование ячеек фиксированного размера также упрощает обработку, требующуюся на каждом узле АТМ, что также способствует большим скоростям.

Режим передачи АТМ содержит в себе преимущества более ранних методов.

В режиме передачи АТМ сохранены следующие преимущества режима коммутации каналов (ISDN):

- сеть передаёт полезную нагрузку ячеек прозрачным образом (ровно 8 битов в одном временном интервале);

- полезная нагрузка имеет постоянную длину (ровно 1 байт в одном временном интервале), следовательно, относительно простые высокопроизводительные механизмы коммутации;

- полезная нагрузка является короткой. Это свойство означает, что можно выполнить эмуляцию канала, и в то же время гарантирует, что значение джиттера не будет превышать ограничения, налагаемые передачей речи или движущихся изображений.

Другие преимущества достались от режима коммутации пакетов (X.25):

- источник и сеть не ограничены передачей и приёмом определённого количества информации синхронно с циклом в течение временного интервала, выделенного для данного сообщения. Обмен с сетью является асинхронным, и только источник отвечает за скорость передачи битов в пределах соглашения, заключённого в начале связи (ширина полосы по требованию);

- для оптимизации использования сети соединения должны быть статистически уплотнены при условии, что будет обеспечиваться качество обслуживания, необходимое для каждого из них.

Таблица 3. Критерии выбора коммутации ячеек.

АТМ объединяет простоту коммутации каналов с гибкостью коммутации пакетов.

Выводы:

При всех преимуществах данной технологии, АТМ не получила широкого применения. Изначально предполагалось строительство не только локальных, но и глобальных сетей АТМ. Однако из-за высокой стоимости оборудования и необходимости полной замены существующих каналообразующих устройств от строительства крупных сетей АТМ пришлось отказаться.

Высокая стоимость оборудования связана с тем, что на него возлагаются сложные и многоплановые функции адаптации потоков к АТМ-сети. Сложность выполняемых задач, разумеется, сказывается на стоимости устройств. Другая причина дороговизны — небольшой объем их производства.

Не смотря на угасание интереса к АТМ в последние годы нельзя полностью списывать его со счетов. Предоставляемые преимущества не позволяют полностью отказаться от АТМ. Не исключено, что в ближайшем будущем интерес будет подстегнут вновь с введением новых услуг или изменением структуры трафика.

Главный недостаток сетей с технологией ATM - полная несовместимость ни с одной из имеющихся сетей. Плавный переход на АТМ в принципе невозможен, нужно менять сразу все оборудование.