1. Основные определения цифровых сетей с интеграцией услуг
4. Определение функций протокольных уровней B-ISDN
5. Передача ячеек в транспортной сети
5.1. Прямые размещения ячеек в среде
6.2. Однокаскадная коммутационная матрица
7.1. Адаптационный уровень AAL-1
7.2. Синхронизация в сети АТМ при передаче трафика цифровыми потоками через AAL-1
7.3. Адаптационный уровень AAL-2
8. Сигнализация, маршрутизация и адресация в сети АТМ
8.1. Сигнальный адаптационный уровень S-AAL
8.2. Основные функции сигнализации АТМ
9.1. Общая характеристика управления в АТМ
9.2. Протоколы управления и базы данных управления
9.3. Протокол и информационная база локального управления на основе SNMP
10. Пользовательские возможности
10.1. Пользовательские возможности, ориентированные на соединение
10.2. Пользовательские возможности, неориентированные на соединение
11. Принципы построения оборудования АТМ
11.1. Общая структура оборудования АТМ
11.2. Функции компонентов оборудования АТМ
11.2.1. Функции транспортировки (передачи)
11.2.2. Координирующие функции
12.3. Интерфейсы широкополосного доступа VB5x
12.4. Структура типового терминала B-ISDN
Введение
Бурное развитие телекоммуникационных сетей связано с достижениями фундаментальной и прикладных наук с одной стороны и востребованием средств коммуникаций с другой. Начало этого процесса относится к концу 80-х годов 20 века, когда стали массово использоваться персональные компьютеры, локальные вычислительные сети, телефонные сети стали преобразовываться в цифровые сети с интеграцией услуг ISDN (Integrates Services Digital Network), на смену цифровым плезиохронным системам передачи PDH (Plesichronous Digital Hierarchy) пришли синхронные системы SDH (Synchronous Digital Hierarchy), работающие на широкополосных и хорошо защищенных волоконно-оптических линиях связи. Длительные поиски решения по созданию широкополосных коммутируемых сетей увенчались успехом и в начале 90-х годов появилась технология асинхронного режима передачи АТМ (Asynchronous Transfer Mode), в которой сочетаются возможности передачи (транспортировки), мультиплексирования и коммутации любых информационных сигналов, т.е. и узкополосных (до скорости передачи 2 Мбит/c) и широкополосных (до скоростей передачи 10 Гбит/с). Появилась возможность организовать единый для каждого пользователя широкополосный доступ к любым услугам телекоммуникаций.
Все эти достижения стали реальны и на сетях связи России. Однако одной из сложных нерешенных проблем остается кадровое обеспечение предприятий связи современными специалистами, которые должны быть подготовлены в вузе. Однако и здесь возникают трудности, обусловленные отсутствием достаточного количества учебной литературы и недостатками, а порой полным отсутствием материальной базы обучения.
Основополагающими документами по технологии АТМ являются рекомендации Международного Союза Электросвязи сектора Телекоммуникаций ITU-T (International Telecommunication Union Telecommunication Standardisation Sector), рекомендации Форума АТМ (АТМ-Forum), стандарты открытых систем Международной Организации по Стандартизации ISO/ISO (International Standards Organization/Open System Interconnection), Американского национального института стандартов ANSI (American National Standards Institute), Европейского института стандартов связи ETSI (European Telecommunications Standards Institute).
Учитывая, что технология АТМ является основой глобального стандарта на широкополосные цифровые сети с интеграцией услуг B-ISDN (Broadband ISDN), в учебном пособии используется система сокращений на английском языке. Разумеется, каждое сокращение предварительно полностью раскрывается. Кроме того, в учебном пособии делаются ссылки на источники информационных данных в наиболее ответственных или спорных частях, приводятся примеры конкретных характеристик и методика оценки параметров оборудования АТМ. Большинство разделов пособия снабжены контрольными вопросами для самопроверки читателей.
1. Основные определения цифровых сетей с интеграцией услуг
В соответствии с определением ITU-T цифровая сеть с интеграцией услуг, ISDN (Integrated Services Digital Network), это сеть обеспечивающая полностью цифровые соединения между оконечными устройствами для поддержания широкого спектра речевых, видео и других услуг, доступ к которым осуществляется с помощью ограниченного набора стандартизованных многофункциональных интерфейсов. Сеть ISDN устанавливает соединение от абонента до абонента по непрерывному цифровому каналу. Кроме того, ISDN поддерживает передачу данных без установления соединения. Сети ISDN подразделяют на узкополосные и широкополосные: N-ISDN – узкополосная (Narrowband) с коммутацией каналов n*64 кбит/с (n = 1…30); B-ISDN – широкополосная (Broadband) с коммутацией виртуальных каналов с полосой пропускания, запрашиваемой у сети под конкретную услугу (до 10 Гбит/с).
В N-ISDN предусмотрены основной (базовый доступ), используемый обычно для подключения отдельного абонента и первичный доступ, используемый, как правило, для подключения учрежденческих коммутаторов. Базовый и первичный доступ могут быть организованы на парах медных жил существующих абонентских линий. В предлагаемом учебном пособии N-ISDN не является предметом детального рассмотрения.
В сравнении с N-ISDN сеть B-ISDN создает возможности по предоставлению узкополосных и широкополосных услуг.
По определению ITU-T B-ISDN это сеть, в которой обеспечивается доступ пользователей со скоростными режимами передачи от 2,048 Мбит/с и выше (25 Мбит/с, 622 Мбит/с и т.д.). Для B-ISDN определены такие требования, как: поддержка распределительных и интерактивных услуг; коммутация низкоскоростных и высокоскоростных каналов связи; обеспечение непрерывного, т.е. критичного к потерям и задержкам, так и прерывистого трафика; обмен информацией в режиме установления соединения между терминалами, либо без установления соединения; гибкость в выборе скоростей передачи; распределение функций обработки сигналов по узлам и терминалам сети и т.д. [1].
Для реализации этих требований ITU-T в своей рекомендации I.121 выразил основную идею о B-ISDN, т.е. использовать технологию асинхронного режима передачи АТМ (Asynchronous Transfer Mode).
Для понимания АТМ нужно обратить внимание на две его части:
- понятие режима передачи transfer mode связано с передачей, мультиплексированием и коммутацией;
- понятие асинхронный asynchronous значит, что информация передается пакетами фиксированной емкости (определено 53 байта), что ячейки могут появляться в неправильных (неупорядоченных, нециклических) интервалах в соединении сети, что время появления ячеек случайно по причине случайности трафика (телевизионных картинок, передачи данных, речевых сообщений и т.д.)
Рисунок 1.1. Структура уровней широкополосной цифровой сети с интеграцией услуг
На основании выше перечисленного можно представить модель B-ISDN (рисунок 1.1), состоящую из трех уровней: физических транспортных функций; АТМ - транспортных функций; функций управления, контроля, сигнализации и услуг (функций верхнего уровня).
Функциональное представление на рисунке 1.1 составляет основу содержания учебного пособия. Необходимо отметить, что АТМ позволяет строить единую сеть услуг электросвязи и заменить благодаря виртуальным соединениям многие сети с коммутацией каналов, пакетов и доставкой данных без установления соединений (рисунок 1.2). При этом главное достоинство – эффективное использование транспортной среды (т.е. пути передачи сигналов).
Рисунок 1.2. Формирование каналов в АТМ
Обслуживание в сети АТМ зависит от семантической и временной прозрачности. Под семантической прозрачностью принято понимать способность сети обеспечивать доставку информации от источника до получателя с подходящим для данной услуги уровнем ошибок. Типы ошибок и их количество во многом определяются способом передачи информации и физической природой канала. Под временной прозрачностью в сети АТМ принято понимать её свойство обеспечивать значение времени задержки и вариации задержки (джиттера), при которых поддерживается определённое качество услуг. Время задержки определяется разницей между началом передачи пакета данных источником и окончанием приёма получателем.
Контрольные вопросы
1. Чем отличаются сети N-ISDN и B-ISDN?
2. С чем связано понятие transfer mode?
3. Что значит asynchronous в АТМ?
4. Какими уровнями может быть представлена B-ISDN?
5. Почему использование АТМ стало актуальным?
6. Чем определяется качество обслуживания в сети АТМ?
7. Что значит семантическая прозрачность сети связи?
8. Что значит временная прозрачность сети связи?
2. Основные принципы АТМ
2.1. Что такое АТМ?
АТМ – пакетная технология коммутации, мультиплексирования и передачи, в которой используются пакеты фиксированной малой емкости, называемые ячейками (иногда в литературе фрагментами). В ячейке постоянной длины (емкости) 53 байта (октета – 8 битов – двоичных символов), для информации пользователя отведено 48 байт, а заголовок, 5 байт, содержит информации, необходимые для передачи, мультиплексирования и коммутации ячейки в устройствах сети АТМ (коммутаторах). Короткие ячейки, передаваемые очень большими скоростями (до 10…40 Гбит/с), обеспечивают сети большую гибкость и эффективность использования.
Формат ячейки 53 байта – компромиссное решение ITU-T между предложениями европейцев в 32 байта и североамериканцев и японцев 64 байта.
При формировании ячейки АТМ информация временно записывается, затем вносится в ячейку, и когда ячейка наполнится, она передается в сети. Если нет информации для передачи, то передается пустая ячейка, которая поддерживает физические транспортные функции (синхронизация приемника, контроля качества по ошибкам).
АТМ - технология коммуникации с ориентацией на соединение, т.е. до передачи данных между двумя оконечными устройствами должно быть установлено соединение. По информации пользователя сеть прокладывает путь передачи ячеек с определенной скоростью, отвечающей качеству услуг. Как правило качество устанавливается по пиковой скорости передачи ячеек.
АТМ - технология, поддерживающая дэйтаграммные (бессвязные) услуги передачи данных без установления соединения.
Последовательность принимаемых ячеек АТМ в точке назначения одинакова последовательности ячеек посылаемых от источника.
АТМ обеспечивает возможность приспосабливания скорости передачи к скорости генерирования информационных данных, т.е. рациональное использование емкости сети за счет статистического мультиплексирования.
Мультиплексирование в АТМ обеспечивает простую интеграцию разной исходной информации по одному физическому тракту.
АТМ независим от существующей системы передачи, т.е. физических транспортных функций. Ячейки могут размещаться в циклах SDH (Synchronous Digital Hierarchy) и PDH (Plesiochronous Digital Hierarchy).
Возможности АТМ коммутации:
- контроль соединения и сброс соединения, если сеть не располагает достаточными ресурсами;
- контроль перегрузки – ограничение нагрузки в приемлемых пределах;
- распределение ресурсов сети на основе договора о выделении полосы частот (скорости) и буферной памяти;
- контроль параметров трафика, например пиковой и средней скорости в соединении.
Ячейки АТМ при передаче и коммутации испытывают задержки:
- неравномерность времени передачи ячеек CDV (Cell Delay Variation);
- отклонение во времени при разборке/сборке ячеек CAD (Cell Assembly/ Reassembly Delay).
2.2. Ячейки АТМ
Каждая АТМ ячейка (пакет) содержит в заголовке адрес (маршрут) передачи, который является уникальным идентификатором каждой ячейки. Процедура формирования ячеек (пакетов) АТМ демонстрируется на рисунке 2.1.
Рисунок 2.1. Формирование ячеек АТМ
Рисунок 2.2. Ячейка АТМ
Входные потоки данных разных пользователей, имеющие разные скорости (64 кбит/с; 2 Мбит/с; 34 Мбит/с и другие), разбиваются на блоки данных. При этом, чем выше скорость потока, тем больше блок данных. Каждый блок данных разбивается на одинаковые сегменты. В технологии АТМ сегменты имеют объем 48 байт. Очевидно, что чем выше скорость входящих данных, тем больше сегментов формирует уровень адаптации. На уровне АТМ каждый сегмент получает индивидуальный заголовок и далее передается на физический уровень для транспортирования через сеть (общий физический канал). Полная структура ячейки (пакета) АТМ, предназначенного для передачи через различные участки сети АТМ, представлена на рисунке 2.2.
Заголовки ячеек бывают двух типов. Первый тип заголовка, названный UNI (рисунок 2.3), предназначен для участка сети «пользователь-сеть». Второй тип заголовка, названный NNI, предназначен для обмена между узлами сети АТМ.
Каждый элемент заголовка ячейки АТМ имеет определенное назначение.
GFC (Generic Flow Control) – контроль общего потока (на участке пользователь-сеть).
VCI и VPI (Virtual Channel Identifier, Virtual Path Identifier) – идентификаторы виртуального пути (VPI) и канала (VCI).
Рисунок 2.3. Типы заголовков
Каждая ячейка АТМ содержит в заголовке адрес, состоящий из двух частей: идентификатора виртуального пути (VPI) и идентификатора виртуального канала (VCI). Этот адрес дает уникальную идентификацию виртуального соединения АТМ на физическом интерфейсе.
При этом понятие «виртуальное соединение» предполагает наличие соединения по запросу пользователя, т.е. в моменты обмена данными и при этом создается иллюзия существования непрерывного канала, но на самом деле физического соединения нет.
Физический путь передачи содержит один или несколько виртуальных путей, каждый из которых состоит из одного или нескольких виртуальных каналов. VPI и VCI связаны с конкретным соединением на заданном пути передачи и имеют только локальное значение для каждого коммутатора. Коммутатор преобразует входные VPI и VCI в выходные VPI и VCI, что демонстрируется на рисунке 2.4.
Рисунок 2.4. Назначение идентификаторов VPI и VCI
Между узлами и терминалами сети образуются виртуальные пути и виртуальные каналы. Адресное пространство на участке терминал-сеть (А-Б или Д-Е) составляет 28 VPI и 216 VPI, а на участке между коммутаторами (В-Г) составит 212 VPI и 216 VCI. На участках сети АТМ А-В и Г-Е сохраняется идентификатор виртуального канала (VCI 57 и VCI 15), но изменяется идентификатор виртуального пути VPI 2 
VPI 7 и VPI 3 VPI 1. Это изменение происходит в кроссовом коммутаторе – ATM Cross Connect. Общая структура коммутатора приведена на рисунке 2.5.
Рисунок 2.5. Общая структура коммутатора АТМ
Виртуальные каналы, создаваемые в сети АТМ, представлены тремя видами:
- PVC (Permanent Virtual Circuit) – постоянные виртуальные каналы – это постоянное соединение между двумя оконечными станциями, которое устанавливается в процессе конфигурирования сети;
- SVC (Switched Virtual Circuit) – коммутируемые виртуальные каналы – устанавливается соединение каждый раз, когда одна оконечная станция пытается адресовать данные другой оконечной станции. При этом когда посылающая станция запрашивает соединение, сеть АТМ распространяет адресные таблицы и сообщает этой станции VCI и VPI, включаемые в заголовок ячейки. SVC устанавливается динамически.
- SPVC – это гибрид PVC и SVC. SPVC обладает лучшими свойствами двух видов виртуальных каналов. Позволяет заранее задать конечные станции и некоторые связи, т.е. экономить время на установление соединения.
Три бита PTI (Payload Type Identificates) – идентификатор типа полезной нагрузки, используемый для описания типа полезной нагрузки (данные пользователя или сетевое сообщение, таблица 2.1).
Таблица 2.1. Кодирование идентификатора РТ
| Кодовая комбинация | Тип потока | Индикатор перегрузки | Тип блока данных |
| 000 | 0 Пользователя | 0 Нет перегрузки | 0 Тип 0 блока |
| 001 | 0 Пользователя | 0 Нет перегрузки | 1 Тип 1 блока |
| 010 | 0 Пользователя | 1 Есть перегрузка | 0 Тип 0 блока |
| 011 | 0 Пользователя | 1 Есть перегрузка | 1 Тип 1 блока |
| 100 | 1 Сети | 0 Обслуживание (сегмент за сегментом) | |
| 101 | 1 Сети | 0 Обслуживание из конца в конец | |
| 110 | 1 Сети | 1 Административное управление сетевыми ресурсами | |
| 111 | 1 Сети | 1 Резерв | |
CLP (Cell Loss Priority) – один бит заголовка содержит информацию о приоритете пакета АТМ. Приоритет устанавливается в коммутаторе в зависимости от состояния сети. CLP = 1 – высокий приоритет потери ячейки. Ячейки выбрасываются в первую очередь при перегрузке сети. CLP = 0 – низкий приоритет потерь.
Для синхронизации между передатчиком и приемником ячеек АТМ используется процедура поля HEC (Header Error Control) – контроль ошибок в заголовке. HEC кроме синхронизации обеспечивает обнаружение и частичное исправление ошибок в заголовке (рисунок 2.6).
Поток данных первых четырех байт делится в передатчике на многочлен х8+х2+х+1. Остаток от деления (8 бит) передается в поле HEC. Поле HEC для ячеек одного канала фиксировано. Приемник после каждых 53 байт фиксирует поле HEC. Если шесть раз подряд фиксируется одинаковое поле HEC, то приемник переходит в режим синхронизма. В этом режиме могут поддерживаться два состояния: обнаружение и исправление одиночных ошибок и обнаружение и неисправление многих ошибок в определенном временном интервале или в заголовке.
Рисунок 2.6. Синхронизация ячеек и распознавание ошибок
В технологии АТМ принято различать следующие виды ячеек: пустые (свободные); исправные; неисправные; присвоенные; не присвоенные; ячейки сигнализации; ячейки управления и обслуживания.
Пустые (свободные) ячейки – ячейки физического уровня сети АТМ, которые предназначены для приспособления скорости передачи информационных ячеек по границе среды АТМ и среды физической к емкости системы передачи. С их помощью обеспечивается непрерывность потока ячеек.
Исправные ячейки – ячейки, которые имеют заголовок без ошибок, или на которых сделана коррекция на физическом уровне.
Неисправная ячейка – ячейки, заголовки которых содержат ошибки, которые неисправимы на физическом уровне. Такие ячейки подлежат отбрасыванию на физическом уровне, т.е. на уровне транспортировки в физической среде.
Присвоенные ячейки – ячейки, которые определены для конкретных услуг на уровне АТМ.
Ячейки без присвоения – ячейки, которые не содержат присвоения услугам уровня АТМ, но имеют значения VPI и VCI.
Ячейки сигнализации – ячейки, переносящие сигнальные сообщения между элементами сети для установления, поддержки или разъединения соединения в сети.
Ячейки управления и обслуживания – ячейки, которым определено переносить информацию администрирования и обслуживания (например, контроля и управления трафиком).
В сети АТМ возможно применение других видов ячеек, которые будут назначены стандартами.
Контрольные вопросы
1. Какие принципы преобразования и передачи данных применены в АТМ?
2. Какие возможности имеет коммутация в АТМ?
3. Какие компоненты входя в состав ячейки АТМ?
4. Что обозначает VC и VP?
5. Какие виртуальные каналы могут создаваться в сети АТМ?
6. Чем отличаются виртуальные каналы АТМ?
7. Каким образом распознаются ошибки в заголовке ячейки АТМ?
8. Какие функции выполняют пустые ячейки?
9. Какие функции выполняет поле заголовка ячейки, обозначенное PTI?
10. Сколько виртуальных путей и каналов может быть организовано через заголовок ячейки?
3. Категории услуг АТМ 16
В таблице 3.1 представлены некоторые виды служб (услуг) сетей связи, которые широко используются. Многие из этих услуг относятся к классу широкополосных, т.е. для их реализации требуются каналы со скоростью передачи свыше 2,048 Мбит/с. Это должны быть коммутируемые каналы.
Рисунок 3.1. классификация сервиса в B-ISDN
По таблице 3.1 нетрудно заметить, что многие услуги электросвязи имеют низкий коэффициент использования канала передачи (0,1
0,3).
Это значит, что ресурс канала простаивает и при коммутации физических каналов, как в N-ISDN, недоступен другим ользователям.
Очевидно, что услуги электросвязи должны предоставляться в иной схеме коммутации. Такая схема определена в АТМ – быстрая коммутация пакетов фиксированной емкости для услуг B-ISDN. При этом ITU-T классифицирует сервис (обслуживание) в B-ISDN как распределительный и интерактивный.
На рис. 3.1 представлена схема классификации обслуживания.
Поскольку ITU-T утвердил технологию АТМ базовой для создания B-ISDN, то и качество обслуживания широкополосных сетей закреплено в виде рекомендаций ITU-T серии I.356.
При оценке качества обслуживания основное внимание уделяется проблемам контроля и управления потоками и защиты от перегрузок B-ISDN, построенных на технологии АТМ.
Под сетевыми ресурсами понимают:
- полосу пропускания цифровых трактов связи;
- производительность узлов коммутации;
- емкость буферных накопителей.
Управление ресурсами B-ISDN должно обеспечивать выполнение следующих основных функций:
- выделение сетевых ресурсов по запросам пользователей;
- управление входными потоками;
- борьбу с перегрузками;
- выбор оптимальных путей передачи информации (маршрутизацию).
Параметры для определения качества обслуживания (QoS, Quality of Service), т.е. семантическая и временная прозрачность:
а) Параметры входного контроля:
- задержка соединения: временной интервал между передачей сообщения о вхождении в сеть и сообщением-подтверждением события входа в сеть вне времени ответа вызываемого пользователя;
- задержка освобождения соединения: временной интервал между событием передачи сообщения запроса на освобождение и событием передачи сообщения ответа освобождения соединения;
- вероятность состоявшегося соединения: соотношение известных попыток запросов на соединения пользователей к продолжительному временному интервалу.
б) Параметры информационной передачи:
- коэффициент ячеек с ошибками: отношение общего числа ошибочных ячеек к успешно переданным ячейкам с учетом ошибочных ячеек общего назначения – CER (Cell Error Ratio);
- коэффициент потерь ячеек CLR (Cell Loss Ratio): отношение потерянных ячеек к общему числу переданных ячеек; этот параметр может быть выражен как вероятность потери ячеек для выделенных линий 10-9и максимально допустимым коэффициентом 10-5 ;
- коэффициент неправильных ячеек CMR (Cell Misinsertion Rate): общее число неправильных ячеек, наблюдаемое в течение специфицированного временного интервала, поделенное на продолжительность временного интервала;
- задержка передачи ячеек CTD (Cell Transfer Delay): время между обнаружением двух событий, соответствующих передаче ячеек (моментом посылки на передаче и приемом на другом конце);
- вариации задержек ячеек CDV (Cell Delay Variation): транзитные задержки в коммутаторах за определенный период времени (джиттер задержек);
- строгое отношение ошибочных блоков ячеек SE CBR (Severely – Errored Cell Block Ratio): отношение общих строго ошибочных блоков ячеек к общему числу блоков ячеек в известных интересах (пораженные блоки).
в) Параметры звукового сервиса выражаются через задержки передачи 20-30 мс и при этом разговор замедляется отражениями. При сборке сегмента 48 байт на скорости 64 кбит/с время задержки составляет 6 мс.
Параметры качества обслуживания служат для определения категорий или классов услуг сетей АТМ:
- CBR (Constant Bit Rate) – постоянная скорость в битах. Категория сервиса АТМ, используемая для восприимчивого к задержкам трафика, такого как аудио-, видеотрансляция. Резервируется часть полосы пропускания. Гарантируется минимальная задержка доставки ячеек, содержащих аудио- и видеоинформацию. Реальное время rt.
- VBR (Variable Bit Rate) – переменная скорость в битах. Категория сервиса АТМ, используемая для восприимчивого к задержкам трафика (трансляции кадров телевидения). Резервирует для соединения часть полосы пропускания. Допускает задержки. Реальное и нереальное время rt и nrt.
- ABR (Available Bit Rate) – доступная скорость в битах. Категория сервиса АТМ, используемая для трафика данных. Категория ABR устанавливает допустимый диапазон полосы пропускания и допустимый коэффициент потерь ячеек. Трафик нереального времени nrt.
- UBR (Unspecified Bit Rate) – неопределенная скорость в битах. Категория сервиса АТМ, используемая для трафика данных типа TCP/IP, допускающего задержки. UBR не резервирует полосы пропускания для соединений. Трафик нереального времени nrt.
Параметры качества могут служить основой для разработки соглашения по трафику между пользователем и сетью.
Для контроля трафика и защиты от перегрузок в АТМ сети должно планироваться соглашение по трафику между пользователем и сетью. Это соглашение распространяется на все виртуальные пути и каналы в них организуемые (т.е. VP и VC).
Соглашение заключается по пунктам:
- качество обслуживания сети (QoS);
- параметры трафика пользователя (поток ячеек);
- правила контроля трафика;
- определение сетью категории соединения, предоставляемого для транспортировки трафика.
Описание трафика
Параметры трафика имеют физическую сущность и измеряемы:
Таблица 3.2. Примеры характеристик качества
| Применение | Скорость | CDV | CTD | CLR |
| Телефония – 1 | 64 кбит/c | 20 мс | 400 мс | 10–3 |
| Видеотелефон – 1 | 64 кбит/c – 2 Мбит/с | 20 мс | 200 мс | 8x10–6 |
| Видеотелефон – 2 | 2 Мбит/с | 20 мс | 200 мс | 8x10–6 |
| Видеоконференция – 2 | 5 Мбит/с | 20 мс | 200 мс | 8x10–6 |
| Распределительное TV-1 | 20-50 Мбит/c | 20 мс | не опред. | 8x10–6 |
1 – сервис Constant-bitrate (CBR)
2 – сервис Variable-bitrate (VBR)
- пиковая скорость PCR (Peak Cell Rate);
- количество ячеек, генерируемых источником, за единицу времени;
- поддерживаемая скорость SCR (Sustainale Cell Rate), меньше или равна пиковой;
- допустимый разброс времени задержки (CDV);
- максимальная длина пачки (измеряется в ячейках MBS – Maximum Burst Size).
Пример характеристики QoS для 1 класса ( или категории) обслуживания АТМ с постоянной скоростью передачи (CBR) и для 2 класса ( или категории) с переменной скоростью(VBR) приведен в таблице 3.2.
На рисунке 3.2 приведены примеры границ требований классов обслуживания.
Рисунок 3.2. Границы требований классов обслуживания
Категории сервиса АТМ тесно связаны с функциями модели АТМ, а если быть точнее, то с функциями уровня адаптации, который может иметь пять разновидностей, а каждая разновидность имеет два подуровня обработки сигнала (подуровни конвергенции и сегментации). Уровень адаптации, как правило, реализуется не в сети АТМ, а в сетевом оконечном оборудовании, т.е. с его непосредственным участием реализуются широкополосные услуги для различных применений (таблица 3.3).
Таблица 3.3. Услуги сети АТМ
| Тип передаваемой информации | Широкополосная услуга | Применение |
| Подвижное изображение и звук | Видеотелефония | Передача голоса в системах связи между двумя точками. Также подвижных и неподвижных изображений, документов. Телеобразование, телереклама |
| Видеоконференция | Сеансы связи между двумя и более абонентами с передачей голоса, подвижных и неподвижных изображений и документов. Телеобразование | |
| Видеонаблюдение | Системы охраны и мониторинга | |
| Звук Данные |
Видео- и аудиоинформация | Передача телевидения. Видео- и аудиодиалог. Работа с базами данных мультимедиа |
| Звуковые каналы | Информационные каналы на разных языках. Радиопрограммы | |
| Передача данных с высокой скоростью | Взаимодействие локальных вычислительных сетей, распределенных сетей компьютеров | |
| Документы | Телеуправление. Телефакс | Система контроля в реальном времени. Телеметрия. Сигнализация |
| Видео высокого разрешения | Передача текстов, изображений, рисунков | |
| Передача документов | Смешанные документы |
Контрольные вопросы
1. Какие услуги сетей связи относятся к широкополосным?
2. Каким образом классифицируются услуги широкополосных сетей?
3. Что понимают под сетевыми ресурсами B-ISDN?
4. Что предполагает управление ресурсами?
5. Какие параметры определяют показатели качества обслуживания B-ISDN?
6. Какие параметры качества обслуживания определяют качество услуг сети АТМ?
7. Какими показателями описывается трафик АТМ?
4. Определение функций протокольных уровней B-ISDN
4.1. Модель протоколов B-ISDN. Общее представление
Рекомендация ITU-T I.121 определяет модель взаимосвязи протоколов B-ISDN, состоящей из трех плоскостей: управления, пользователя и администрирования, и четырех уровней: физического, АТМ, AAL и верхних уровней (рисунок 4.1).
Плоскость управления (С) предназначена для установления, освобождения сетевых соединений и управления ими. При использовании постоянных виртуальных каналов (PVCs) эта плоскость не применяется.
Плоскость пользователя (U) обеспечивает передачу информации пользователя, управление потоком трафика (нагрузки) и выполнение операций по восстановлению после ошибок. В этой плоскости могут применяться протоколы ITU-T, ISO, IEEE и другие [1].
Плоскость администрирования (М) выполняет две функции: управление другими плоскостями и управление уровнями. Эта плоскость может содержать протокол интерфейса локального административного управления, LMI (Local Management Interface), простой протокол управления сетью, SNMP (Simple Network Management Protocol), протокол информации управления общий, CMIP
Рисунок 4.1. Модель протоколов B-ISDN на основе АТМ
(Common Management Information Protocol). К плоскости (М) относится также интерфейс ILMI (Interim Local Management Interface), предложенный ATM Форумом. Стандарт исходит из того, что каждое устройство АТМ поддерживает как минимум один UNI и для каждого UNI имеет элемент административного управления – UME (UNI Management Entity). Элементы UME обмениваются между собой информацией административного управления. Для ILMI зарезервирован виртуальный канал с VPI = 0 и VCI = 16.
Информация ILMI содержит данные о состоянии и конфигурации соответствующих UNI. Эта информация организована в виде информации базы данных MIB (Management Information Base) и содержит данные физического уровня, данные уровня АТМ, статистику уровня АТМ, данные по VPI/VCI, адресную информацию.
Общий расклад функций для уровней AAL, ATM и физического приведен в таблице 4.1.
В таблице приведены сокращения:
AAL (ATM Adaptation Layer) – уровень адаптации АТМ;
PHY (Physical Layer Protocol) – протокол физического уровня;
CS (Convergence Sublayer) – подуровень слияния (конвергенции);
SAR (Segmentation and Reassambly Sublayer) – подуровень сегментации и реагрегирования;
TC (Transmission Convergence) – слияние передачи;
PM (Physical Medium) – физическая среда.
Таблица 4.1. Функции уровней модели АТМ в B-ISDN
| Уровни | Подуровни | Функции |
| AAL | Слияния (CS) | Формирование блоков и восстановление потока данных |
| Сегментации и реагрегирования (SAR) | Формирование сегментов и восстановление (реагрегирование) блоков | |
| ATM | - | Управление потоком ячеек (GFC). Генерация и извлечение заголовков. Трансляция ячеек согласно VPI. Трансляция ячеек согласно VCI. Контроль скорости информации по каналу. Мультиплексирование и демультиплексирование ячеек. Проверка правильности заполнения заголовков. |
| Физический | Слияния передачи (ТС) | Генерация и восстановление циклов (кадров) передачи |
| Физической среды (РМ) | Передача по физической среде (оптическое волокно, металлическая цепь, радиоканал, атмосферная оптика) |
4.2. Физический уровень
Этот уровень делится на два подуровня: подуровень физической среды и подуровень слияния передачи.
Функции подуровня физической среды заключаются в следующем:
- генерация битов;
- передача и прием битов;
- линейное кодирование;
- преобразование электрических сигналов в оптические или радиосигналы и наоборот.
Функции подуровня слияния передачи заключены в следующем:
- генерация цикла (кадра) передачи (например, SDH, PDH или потока ячеек ATM в физической среде);
- ввод ячеек в цикл передачи;
- распознавание ячеек (информационных, служебных, с ошибками);
- распознавание и исправление одиночных битовых ошибок в заголовке ячейки;
- распознавание множественных ошибок в заголовке ячейки;
- адаптация скорости передачи ячеек к стандарту (например, 155 Мбит/с или 622 Мбит/с) с помощью вставки пустых ячеек.
Физический уровень передает ячейки уровню ATM и принимает ячейки от уровня ATM. Для синхронизации между передатчиком и приемником на физическом уровне используется пятый байт заголовка ячейки НЕС, который еще и обеспечивает контроль ошибок в заголовке и исправление одиночных ошибок.
Общее функциональное описание физического уровня сведено в таблицу 4.2.
Таблица 4.2. Функции физического уровня
| Физический уровень | Подуровень слияния передачи | Согласование скорости ячеек. Генерация и проверка последовательности HEC. Обозначение ячейки и распознание. | |
| Адаптация к циклу передачи. Синхронизация приемника. Формирование и ликвидация цикла передачи. | Функции SDH, PDH, FDDI и другие |
||
| Подуровень физической среды | Генерация и регенерация битов передачи, кодирование и декодирование. | Функции SDH, PDH, FDDI и другие |
|
| Преобразование электрических сигналов в оптические и другие и наоборот. Физическая среда: оптическое волокно, медные провода, радиоканал. | Функции SDH, PDH, FDDI и другие |
||
В таблице 4.2 обозначено:
FDDI (Fiber Distributed Data Interface) – волоконный интерфейс распределения данных – компьютерная сетевая технология локальных и метропольных вычислительных сетей (стандарт IEEE).
Физический уровень может быть реализован технологиями SDH, PDH, FDDI, собственной передачей ячеек с выравниванием битового потока путем вставки пустых ячеек и другими способами, рассмотренными в разделе 5 (передача ячеек в транспортной сети).
4.3. Уровень АТМ
На уровне ATM реализуются функции передачи ячеек и коммутации ячеек с помощью кроссов и коммутаторов ATM.
Характерная особенность функций этого уровня – независимость от функций физической среды. Уровень ATM в отличие от других уровней имеет простые (прозрачные) состояния функций: коммутация ячеек; генерация и извлечение заголовков; контроль скорости передачи информации по каналам; мультиплексирование ячеек и демультиплексирование; контроль правильности заполнения заголовков; управление потоком ячеек на интерфейсе UNI (GFC).
Управление потоком ячеек (GFC) на интерфейсе UNI необходимо для устранения перегрузок коммутаторов сети.
Генерация, извлечение и контроль заголовков необходимы при перемене маршрутизации ячеек в коммутаторах (VPI и VCI), а также для приема ячеек из физического уровня и передачи их на уровень адаптации.
Мультиплексирование и демультиплексирование ячеек необходимо для организации непрерывного потока ячеек в физической среде.
Составной поток ячеек различных пользователей и услуг это нормальный непрерывный поток ячеек. На приемной стороне непрерывный поток демультиплексируется (разделяется) на индивидуальные ячейки по назначенным адресам (VP и VC). Трансляции ячеек обусловлены процедурами коммутации, которые рассмотрены в отдельной части пособия.
Необходимо отметить, что на физическом уровне и уровне ATM функционируют не только ячейки для переноса трафика пользователей (т.е. оказания услуг), но и ряд специальных ячеек, которые реализуют служебные и вспомогательные функции:
- пустые ячейки необходимы для передачи по линии (физический уровень) непрерывного потока, вводятся и извлекаются на физическом уровне;
- неправильные ячейки (с ошибками), ячейки с ошибками, которые не удалось исправить, отбрасываются;
- назначенные (выделенные) ячейки для определения каналов, например для прокладки маршрутов соединения; неназначенные (невыделенные) ячейки не принадлежат никакому каналу.
Они используются, если разные уровни ATM используют один и тот же физический уровень, при этом физический уровень выполняет мультиплексирование ячеек уровней ATM и добавляет, если необходимо, пустые ячейки.
Уровни АТМ и физический в совокупности рассматриваются как транспортная среда для любого вида информации с определенным качеством переноса. В этой совокупности рассматриваются функции коммутации, мультиплексирования (подчеркнем, статистического мультиплексирования) и передачи c контролем ошибок.
4.4. Уровень AAL
Уровень AAL действует как интерфейс с вышерасположенными уровнями и адаптирован к требованиям различных применений. Он поддерживает различные приложения и различные типы трафика: речевой, видео и данных.
AAL исполняет ключевую роль в способности сети АТМ поддерживать операции многих приложений. Он изолирует уровень АТМ от множества операций, необходимых для поддержки различных типов трафика.
Все три плоскости (M, U, C) верхнего уровня имеют свои спецификации в AAL.
В плоскости U уровень AAL подразделяется на два подуровня:
- подуровень сходимости CS (Convergence Sublayer), функции которого зависят от выполняемой прикладной программы;
- подуровень сегментации и сборки SAR (Segmentation and Reassembly), осуществляющий сегментирование данных пользователя в ячейки при передаче и сборке сообщений на приемной стороне.
Поскольку AAL зависит от типов предоставляемых услуг, то это определяет разные типы AAL, которых насчитывается пять, и число каждой услуги составляет пять (CBR, VBR, ABR, UBR, GFR).
Разновидности адаптационных уровней:
AAL1 или первый тип с постоянной скоростью передачи битов (или эмуляцией канала);
AAL2 или второй тип с переменной скоростью передачи битов видео- и аудиоинформации;
AAL3 или третий тип с ориентацией на соединение при передаче данных;
AAL4 или четвертый тип без ориентации на установление соединения при передаче данных;
AAL5 или пятый тип для высокоскоростной передачи данных компьютерных сетей на основе протоколов TCP/IP.
Классификация адаптационных уровней и категорий предоставляемых услуг сетью ATM приведены в таблице 4.3.
Каждому типу AAL соответствует ряд функций, которые поделены между подуровнями конвергенции (CS) и сегментации (SAR).
В зависимости от классов передаваемого трафика, которые определяются в таблице 4.3, в типах AAL 3/4 и 5 подуровень CS разделяется на два подуровня, которые еще не полностью стандартизированы ITU-T:
- общую часть CPCS (Common Part of Convergence Sublayer);
- специфическую часть SSCS (Service Specific CS).
Как следует из названия этих подуровней, часть SSCS выполняет специфичные для прикладной программы функции CS, а часть CPCS – общие для всех прикладных программ функции.
Таблица 4.3. Основные типы уровней AAL
| Типы AAL | AAL1 | AAL2 | AAL3/4 | AAL5 |
| Синхронизация между источником и получателем | Требуется | Требуется | Не требуется |
Не требуется |
| Скорость передачи в битах | Постоянная | Переменная | Переменная | Переменная |
| Категория услуг (сервиса) | CBR | VBR (rt,nrt) | ABR | UBR(GFR) |
| Режим соединения | На основе виртуальных каналов (VC) | На основе VC | На основе VC | Без каналов, т.е. без установления соединения |
| Примеры | Аудио- и видеосистемы Е1, nx64кбит/с | rt (realtime) сжатые аудио- и видеосигналы в реальном времени. nrt (non-realtime) пакетная передача звука, видео в нереальном времени, frame relay | Трафик локальных компьютерных сетей и на основе протоколов TCP/IP, дэйтаграммный метод передачи | |
TCP/IP – Transmission Control Protocol/Internet Protocol – протокольный набор для компьютерных сетей являющийся частью их операционных систем, например, системы UNIX.
На рисунке 4.2 представлен пример структуры протокола объединения (слияния) данных на подуровне конвергенции (CS PDU, Convergence Sublayer Protocol Data Units) и функции протокола подуровня конвергенции. Подуровень CS обеспечивает формирование блоков данных разной длины с заголовком и завершением каждого блока служебной информацией, благодаря которой на приеме из блоков формируется непрерывный поток данных к пользователю сети ATM.
Рисунок 4.2. Структура протокола объединения данных CSPDU
На подуровне SAR выполняются следующие функции:
- сборка/разборка блоков C-PDUS из ячеек ATM и в ячейки ATM;
- идентификация полезной нагрузки (BOM, COM, EOM или SSM);
- операция проверки на ошибки поля информации ячейки (процедура CRC);
- функции сегментации и реагрегирования применительно к 2-м байтам головной и 2-м байтам хвостовой части сегмента;
- включение/извлечение полезной нагрузки ATM в поле ячейки 44...48 байтов.
Обозначения:
BOM (Beginning of Message) – начало сообщения;
COM (Continuation of Message) – продолжение сообщения;
EOM (End of Message) – завершение сообщения;
SSM (Signaling System Message) – сообщение сигнальной системы;
CRC (Cyclic Redundancy Check) – контроль циклической избыточности.
В плоскости С на верхних уровнях действуют протоколы, отвечающие за установление соединений в сети АТМ, например, стандартизированный ITU-T в Q.2931.
На уровне AAL выполняются функции адаптации сигнализации АТМ (SAAL, Signaling ATM Adaptation Layer). Уровень SAAL транспортирует сообщения протокола Q.2931 между двумя устройствами, реализующими коммутируемые виртуальные каналы SVC ATM.
Уровень SAAL состоит из трех подуровней, которые выполняют следующие функции:общая часть AAL CP (Common Part) обнаруживает искаженный трафик, передаваемый через любой интерфейс, с использованием процедур плоскости С;
специфическая часть для режима с установлением соединения SSCOP (Service Specific Connection – Oriented Part) обеспечивает передачу трафика переменной длины через интерфейс и восстанавливает искаженные и потерянные сервисные блоки данных SDU (Service Data Unit);
функция координации, специфицированная для услуг SSCF (Service Specific Coordination Function), обеспечивает интерфейс сосмежным верхним уровнем.
В плоскости М уровень адаптации формирует сегменты передачи информации управления и восстанавливает из сегментов информационные блоки управления с контролем ошибок. В этом подразделении уровня AAL предусмотрено использование AAL-3/4 или AAL-5.
Функциональное наполнение модели протоколов B-ISDN для верхних уровней (плоскостей U, M, C) будет рассмотрено в разделах 8, 9, 10, 11.
В заключении раздела необходимо указать на новую категорию услуг сети АТМ, специфицированную Форумом АТМ как GFR – Guaranteed Frame Rate – гарантированную скорость блока данных . Эта услуга реализуется в AAL-5 и предусмотрена для PDUs (Frames) с пиковой и минимальной скоростью передачи в ячейках (PCR, MCR). Для GFR определены также параметры CDVT, MBS и MFS (Maximum Frame Size - максимальная длина пользовательского блока данных PDU). GFR может быть специфицирован для MCR=0.
Передаваемый трафик GFR может быть доставлен ограниченными доступными ресурсами.
Контрольные вопросы
1. Какими плоскостями и уровнями представлена модель B-ISDN?
2. Какими функциями наделены протокольные уровни модели АТМ в B-ISDN?
3. Сколько видов AAL предусмотрено в модели АТМ?
4. Какие функции выполняет AAL-1?
5. Какие функции выполняет AAL-2?
6. Какие функции выполняет AAL-3/4?
7. Какие функции выполняет AAL-5?
8. С какой целью создается CSPDU?
9. В каком случае требуется синхронизация между источником и получателем информации?
10. Какие адаптационные уровни наиболее подходят для трансляции трафика компьютерных сетей?
11. Какое назначение может иметь категория услуги GFR?
5. Передача ячеек в транспортной сети
Самый нижний уровень в модели ATM это физический уровень. Главная задача этого уровня состоит в накоплении АТМ ячеек, посылаемых уровнем АТМ, и трансляции их физическому средству передачи. В противоположном направлении передачи физический уровень выделяет ячейки из потока битов, передаваемых средствами передачи, и посылает их уровню АТМ.
Физический уровень состоит из подуровней физической среды и конвергенции с системой передачи.
Физические среды АТМ специфицированы рядом международных организаций по стандартизации (АТМ-Forum, ITU-T, ANSI, ETSI). Пример спецификации приведен в таблице 5.1.
Через физическую среду транслируется тактовый синхронизм в сети АТМ. Качество синхронизма определяется тактовым генератором и средствами передачи.
В частности линейным кодированием:
- CMI, кодом с инверсией групп символов;
- HDB-3 – троичным 2-х полярным кодом с чередованием полярности и вставками;
- NRZ-скремблированным – первым стандартом на линейное кодирование для транспортных сетей в глобальном масштабе.
Для размещения ячеек ATM на физическом уровне применяются следующие методы, рекомендованные ITU-T:
Таблица 5.1. Примеры стандартов физического уровня АТМ
| Структура передачи | Скорость Мбит/с | Средство передачи | Длина волны или волновое сопр. | Кодирование |
| STM-4 | 622.080 | Одномодовое стекловолокно 9/125 мкм | 1300 нм (2-60 км) | Скремблер NRZ |
| STM-1 | 155.520 | Одномодовое стекловолокно 9/125 мкм | 1300 нм (2-60 км) | Скремблер NRZ |
| STM-1 | 155.520 | Коаксиальный кабель | 75 Ом | CMI |
| E4 | 139.264 | Коаксиальный кабель | 75 Ом | CMI |
| E3 | 34.368 | Коаксиальный кабель | 75 Ом | HDB-3 |
| E1 | 2.048 | Витая пара или коаксиальный кабель | 120 Ом или 75 Ом | HDB-3 |
прямое размещение в среде передачи с выравниванием скоростей;
размещение в структуре STM-N;
размещение в структуре цикла передачи PDH;
размещение в структуре кадра PLCP и другие [1, 49].
5.1. Прямые размещения в среде
С помощью этого метода ячейки передаются непосредственно по подходящей физической среде, например, по медному или оптическому кабелю. Для выравнивания скорости битов и тем самым сохранения синхронизации применяются пустые ячейки, не несущие информации (рисунок 5.1).
Пример стандартизированых скоростей передачи: 155 Мбит/с, 622 Мбит/с. Перед передачей возможно скремблирование.
Метод прямого размещения в среде передачи рекомендован к использованию на участке пользовательсеть (интерфейс UNI).
5.2. Размещение в структуре STM-N
Для отображения ячеек ATM в структуре STN-N, где N = 1, 4, 16, 64, они вставляются непосредственно в контейнер С4. При этом каждый байт ячейки ATM занимает один байт для передачи информации в С4. Поскольку число байтов для передачи информации в С4 не кратно числу байтов в одной ячейке, ячейки могут перемещаться в пределах контейнера. Пример размещения приведен на рисунке 5.2. При использовании STM-1 для ячеек отведен виртуальный контейнер VC4. Выделяемая при этом скорость передачи составляет (9*60*8)/(125*10-6) = 149,76 Мбит/c.
Для STM-4 пропускная способность составляет 4*149.76= 599,04 Мбит/с. В заголовке виртуального контейнера VC4 байт Н4 отмечает начало размещения ячеек АТМ. Адресное пространство размещения ячеек в VC4 ограничено числом 0-52 после Н4. В байте С2 заголовка VC4 делается отметка о загрузке ячеек АТМ.
Двоичная комбинация С2 будет соответствовать: 00010011.
Рисунок 5.1. Ячейки АТМ в среде передачи
Рисунок 5.2. Размещение ячеек АТМ в STM-1
Обозначения на рисунке 5.2:
RSOH, MSOH – заголовки секций регенерации и мультиплексирования;
J1, B3, C2, G1, F2, F3, H4, K3, N1 – байты маршрутного заголовка виртуального контейнера VC4;
STM-1 – синхронный транспортный модуль, передаваемый через физическую среду на скорости 155,520 Мбит/с [16].
Ячейки мультиплексируются в циклы VC4 (длительность цикла 125 мкс) одна за одной без свободных промежутков. В случае отсутствия информационных ячеек емкость VC4 заполняется пустыми ячейками. При этом разграничение ячеек происходит по байтам HEC и пустыми ячейками. В некоторых случаях возможно разграничение ячеек регулярными кадровыми структурами, как показано ниже, кадрами PLCP.
5.3. Размещение в структуре циклов передачи PDH
Ячейки ATM могут вставляться в сигналы PDH со скоростями 2,048 Мбит/с; 34,368 Мбит/с; 139,264 Мбит/с.
Это стало возможным после принятия дополнений к рекомендациям ITU-Т G.804, G.832 и ETSI ETS 300 337. Разработанные новые циклы для 34,368 Мбит/с и 139,264 Мбит/с получили длительность 125 мкс, а также структуру и заголовки, аналогичные принятым в SDH.
Рисунок 5.3. Отображение ячеек АТМ в сигнале Е1
5.3.1. Ячейки АТМ в сигнале 2,048 Мбит/с (Е1)
Ячейки ATM вставляются с байтовой синхронизацией в канальные интервалы 1-15 и 17-31 цикла передачи 2,048 Мбит/с, т.е. каждый байт ячейки передается точно одним временным каналом из 8 бит. Для каждой ячейки требуется примерно два цикла 2,048 Мбит/с.
На рисунке 5.3 показано отображение ячеек ATM в сигнал 2,048 Мбит/с (Е1).
Байты синхронизации и сигнализации сохраняют свои функции при загрузке Е1 байтами ячеек АТМ.
Согласно рекомендации I.432.3 возможно скремблирование Е1 для повышения защищенности ячеек.
5.3.2. Ячейки АТМ в сигнале 34,368 Мбит/с (Е3)
Ячейки ATM вставляются с байтовой синхронизацией в байты поля информации кадра 34 Мбит/с (ЕЗ). Структура кадра аналогична структуре, применяемой в SDH. Он изображается в виде строк и столбцов (рисунок 5.4). В кадре предусмотрены дополнительные байты для управления и обслуживания (7 байтов), из которых байты FA1 и FA2 служат для синхронизации, байт ЕМ для контроля ошибок, байт TR для метки тракта, байт МА для обслуживания и управления, байт NR для оператора сети, байт GC для общей связи.
Рисунок 5.4. Отображение ячеек АТМ в сигнале Е3
5.3.3. Ячейки ATM в сигнале 34,368 Мбит/с (ЕЗ), вводимые через кадры PLCP
При этом методе размещения ячеек в сигнале 34,368 Мбит/с цикл передачи PDH несколько видоизменяется, но структура кадра сохраняется.
Видоизменение основано на процедуре преобразования физического уровня PLCP (Physical Layer Convergence Procedure). Структура цикла передачи приведена на рисунке 5.5 и кадр PLCP на рисунке 5.6.
В структуре цикла передачи сигнала 34,368 Мбит/с биты 13-16 каждого цикла заполняются фиксированной последовательностью битов. Для каждого цикла передачи PLCP имеется 190 байтов. Поэтому кадр PLCP может быть вставлен с побайтовой синхронизацией.
Заголовок кадра PLCP содержит 4 байта.
Рисунок 5.5. Структура цикла передачи
Рисунок 5.6. Кадр PLCP
Первые два байта каждого заголовка PLCP перед ячейками ATM являются цикловым синхросигналом для каждой из 9 ячеек ATM. Третий байт представляет собой индикатор трактового заголовка.
Четвертый байт: резервируется для ячеек 1...3; образует канал пользователя длячетвертой ячейки; контролирует трассировку кадра PLCP перед пятой ячейкой; определяет статус трассировки перед шестой ячейкой; содержит информацию управления для сети персональных компьютеров перед ячейками 7 и 8; содержит байт проверки заполнения перед ячейкой 9. Хвост кадра PLCP, состоящий из 18-20 байтов, создает возможность цифрового выравнивания.
5.3.4. Ячейки ATM в сигнале 139,264 Мбит/с (Е4)
В качестве кадра 139,264 Мбит/с используется стандартный цикл передачи длительностью 125 мкс. Структура кадра, похожая на цикл SDH (9 строк), делится на отдельные байты (242 в строке), рисунок 5.7. Поскольку продолжительность каждого кадра составляет ровно 125мкс, каждый байт характеризуется пропускной способностью 64кбит/с.
Дополнительная информация вкладывается между 2160 байтами кадра. Они составляют 16 байтов. Ячейки ATM вставляются в кадр Е4 с побайтовой синхронизацией. Обозначения на рисунке 5.7:
FA1, FA2 – цикловая синхронизация кадра;
ЕМ – контроль ошибок;
TR – метка тракта (трассировка);
МА – обслуживание и управления;
NR – байт оператора сети;
GC – байт общей связи;
Рисунок 5.7. Отображение ячеек АТМ в сигнале Е4
P1, P2 – автоматическое резервирование.
На физическом уровне сети АТМ важнейшее значение придаётся тактовой синхронизации, которая должна формироваться в первичных эталонных генераторах (атомных часах, например цезиевых) и гарантированно распространяться на все узлы цифровой транспортной сети по наикротчайшим путям с наименьшим накоплением фазовых дрожаний. Подробную информацию по тактовой сетевой синхронизации можно найти в [28, 31, 61].
Контрольные вопросы
1. Какие стандарты физического уровня предусмотрены для передачи ячеек АТМ?
2. Что характерно для прямой передачи ячеек АТМ через физическую среду?
3. Сколько ячеек можно разместить в VC4?
4. Каким образом опознается трафик АТМ в структуре STM-N?
5. Каким образом ячейки АТМ размещаются в циклах Е1?
6. Что представляет собой кадр PLCP?
7. Каким образом ячейки АТМ могут быть включены в циклы Е3 и Е4?
8. С какой целью ячейки перед размещением в физическую среду скремблируются?
9. Каким образом возможно разделение потока ячеек на приемной стороне?
10. Сколько ячеек размещается в циклах Е1, Е3, Е4 и кадре PLCP?
11. Какое значение имеет в сети АТМ тактовая синхронизация?
6. Коммутация в АТМ
6.1. Принцип коммутации в АТМ
Коммутация в АТМ – это основа любой сети с асинхронным режимом передачи. В процессе установления соединения, коммутатор строит специальную таблицу ассоциаций-взаимосвязей, которую называют таблицей коммутации или маршрутизации. Эта таблица указывает, как коммутатор должен передавать трафик с определенными идентификаторами VPI/VCI. При получении ячейки идентификаторы VPI/VCI проверяются коммутатором и сравниваются с содержимым таблицы.
По результатам сравнения определяются выходные значения идентификаторов, которые должны быть занесены в заголовок ячейки. Также определяются выходной порт, через который она должна быть отправлена. После определения коммутатором направления пересылки ячейки, он изменяет содержимое полей VPI/VCI в ее заголовке и передает ее через выходной порт. Рассмотренный принцип коммутации демонстрируется на рисунке 6.1.
Рисунок 6.1. Принцип АТМ коммутации
Коммутаторы имеют определенное число входных и выходных портов. На основе примера можно отметить размерность 
. При этом 
возможно. Случайно поступающие на входы ячейки могут одновременно претендовать на одни и те же выходы, что может приводить к конфликтом. Поэтому для обслуживания потока ячеек могут применяться буферы памяти, в которых организуются очереди на обслуживание. Это исключает или уменьшает вероятность конфликтов ячеек и их потери.
Все выполняемые коммутаторами АТМ функции можно свести к следующим основным:
- внутренняя коммутация ячеек;
- мультиплексирование и демультиплексирование потока ячеек.
Коммутация в АТМ имеет аппаратную и программную реализации.
Аппаратная реализация предполагает наличие двух компонентов (рисунок 6.2):
- коммутационной сердцевины (основы);
- коммутационных интерфейсов.
Рисунок 6.2. Структура коммутатора АТМ
Программная реализация коммутации ATM содержит:
- функции управления трафиком;
- функции управления обслуживанием;
- управления системными функциями;
- функции управления соединением (сигнализацией);
- функции управления конфигурацией (оборудования и сети);
- функции управления повреждением;
- функции управления безопасностью.
Рассмотрим подробнее аппаратную реализацию коммутации ATM.
Коммутационный интерфейс выполняет функции адаптера в каждом случае, когда необходимо установить связь между сердцевиной ATM коммутатора и устройствами ввода.
Функции коммутационных интерфейсов возложены на контроллеры ввода-вывода. Эти контроллеры адаптируют скорость и формат ячеек ATM к коммутационной сердцевине на входе и к среде передачи на выходе. Обработка ячеек в коммутационном интерфейсе сводится к следующим функциям: введения и выведения; идентификация VP и VC; общее информирование по маршрутизации ячеек и выделение для блокировки негодных ячеек; синхронизация ячеек.
Коммутационная сердцевина содержит три функциональные компоненты: концентратор, мультиплексор, коммутационную матрицу. Вспомогательным устройством коммутационной сердцевины является управляющий элемент. Концентратор обеспечивает объединение низкоскоростных потоков с переменными скоростями в высокоскоростной поток таким образом, чтобы согласовать скорости интерфейса и коммутатора.
Мультиплексор используется в коммутационной сердцевине для высокоскоростных потоков. В нем происходит процесс поочередного мультиплексирования ячеек от разных входов.
Коммутации в мультиплексоре и концентраторе нет. Коммутационным узлом является только коммутационное устройство. Существует несколько типов коммутационных устройств (рисунок 6.3).
Каждый из типов коммутаторов отвечает основным требованиям: минимальной потере ячеек и сохранение порядка следования при ограниченных возможностях по скорости и числу входов/выходов.
Рисунок 6.3. Типы коммутационных устройств
Рисунок 6.4. Коммутатор с общей шиной
Требование минимальной потери ячеек (одна на 1012, то есть 1-2 ячейки в час) и требование очередности налагают на схему коммутатора жесткие ограничения: в сложности, в быстродействии, в буферной памяти, во внутренней маршрутизации и т.д.
Первый тип коммутационного устройства имеет память, общую для входных и выходных ячеек. В таком коммутаторе все управляется централизованно. Для реализации различных вариантов входных очередей общая память может динамически разбиваться на сегменты.
Второй тип коммутатора имеет высокоскоростную внутреннюю шину, причем пропускная способность ее равна общей пропускной способности входных/выходных линий (рисунок 6.4).
Рисунок 6.5. Типы коммутационных матриц
Рисунок 6.6. Однокаскадная коммутационная матрица
Механизм управления потоком определяет по идентификаторам принадлежность каждой ячейки и демультиплексирует общий поток через адресные шины (фильтры). Управление коммутатором централизованное.
Коммутатор с пространственным разделением сразу устанавливает несколько соединений от входных портов к выходным. Управление такими коммутаторами осуществляется по портам. В пространственных коммутаторах возможны внутренние блокировки. Для преодоления блокировок предложены несколько вариантов коммутаторов этого типа (рисунок 6.5).
6.2. Однокаскадная коммутационная матрица
Однокаскадные коммутационные матрицы имеют в узлах переключатели, которые могут находиться в двух состояниях: сквозном (транзит) и перекрестном (кросс) (рисунок 6.6). У коммутатора может быть буферная память, располагаемая в узлах матрицы или на входах.
Схема буферной памяти в узлах (элементах коммутации) позволяет избежать столкновения ячеек, направляемых на один выходной порт. Буферы могут обслуживаться по очереди. Размещение буферов на входе коммутатора позволяет разделить функции буферизации и коммутации.
6.3. Многокаскадные коммутаторы
Однокаскадные коммутационные матрицы не могут полностью устранить проблемы конфликтов при одновременном поступлении ячеек к одному выходу. Такие матрицы непригодны для обработки напряженного трафика. В связи с этим широкое применение находят многокаскадные коммутационные матрицы, в которых существует один или несколько путей, называемых еще маршрутами, между заданной парой вход/выход. Примером матрицы с одним маршрутом может служить баньяновидная матрица, изображенная на рисунке 6.7 (Баньян – тропическое дерево, у которого от каждой почки растет корень и ветвь).
Рисунок 6.7. Баньяновидная матрица-коммутатор
На основе баньяновидной матрицы может быть построена схема коммутаторов с одним маршрутом между парой вход/выход.
На рисунке 6.8 приведена схема коммутатора, состоящая их трех каскадов, на 8 входов и 8 выходов (8x8).
Процесс маршрутизации ячеек в таком коммутаторе состоит в следующем. В заголовке каждой ячейки находится специальное маршрутное поле, представляющее собой последовательность двоичных символов, число которых совпадает с числом каскадов. В каждом каскаде декодируется разряд маршрута. Если он равен «1», то КЭ реализует операцию «Кросс». Если он равен «0», то КЭ реализует операцию «Транзит».
Для приведенного на рисунке 6.8 примера число каскадов и число входов/выходов связаны соотношением:
n = lg2N, где n = 3, N = 8.
Рисунок 6.8. Трехкаскадный коммутатор
Одномаршрутный коммутатор баньяна может создать состояние, когда ячейка ATM не может быть принята коммутационным элементом следующего каскада из-за одновременного поступления запроса от другого каскада. Это называется внутренней блокировкой (конфликтом или коллизией).
Частично решить проблему конфликтов можно созданием буфера при каждом коммутационном элементе. Известны четыре способа построения буферов у коммутационных элементов: КЭ с входными очередями; КЭ с выходными очередями; КЭ с центральными очередями и смешанные. Примеры указанных структур приведены на рисунках 6.9, 6.10, 6.11. Принцип обслуживания очередей FIFO (First In First Out) – пришел первый, ушел первый.
Возможные размеры требуемых буферов очереди при вероятности потери ячейки 10–9 (пределы 10–8...10–n) отмечены в таблице 6.1.
Рисунок 6.9. КЭ с входной очередью
Рисунок 6.10. КЭ с выходной очередью
Рисунок 6.11. КЭ с центральной очередью
Полностью устранить конфликты ячеек при маршрутизации даже с буферами невозможно из-за случайности трафика и возникающих переполнений буферов. Кроме того, буферы создают значительные задержки, которые далеко не всегда допустимы, например, для телефонного трафика или видеосвязи. Снизить количество конфликтов и потерь ячеек можно при использовании коммутационных матриц со многими маршрутами. Примерами коммутаторов со многими маршрутами могут служить:
- схема Бенеша (рисунок 6.12), в которой имеются две ступени каскадов: выбора маршрута и основные каскады;
- схема Бетчера (рисунок 6.13), в которой не применяются буферы и отсутствуют конфликты ячеек и схема пригодна для реализации коммутатора на оптических коммутационных элементах (2x2).
В схеме Бенеша каскады выбора маршрута обеспечивают организацию маршрутов. При этом число каскадов в ступени выбора маршрута определяется необходимым числом возможных маршрутов. Например, при одном каскаде – 2 маршрута, при 2-х каскадах – 4 маршрута, при 3-х каскадах – 8 маршрутов и так далее.
Таблица 6.1. Размеры буферов очередей
| Тип буфера | Размер буфера для матриц (вход/выход) | |
| 16x16 | 32x32 | |
| Центральная очередь | 113 | 199 |
| Входная очередь | 320 | 640 |
| Выходная очередь | 896 | 1824 |
Рисунок 6.12. Схема Бенеша
Рисунок 6.13. Коммутационная матрица Бетчер-Баньян
В схеме Бетчера, при подаче на оба входа КЭ «Сортировщика» 2-х ячеек, производится сравнение разрядов маршрутных полей этих двух ячеек. Если сравниваемые разряды имеют разные значения («0» и «1»), то ячейки с разрядами «0» направляются по стрелке. Другие ячейки передаются на второй выход. Если сравниваемые разряды имеют одинаковое значение («0» и «0» или «1» и «1»), тогда производится последовательное сравнение других следующих разрядов маршрута, включая разряды информационных полей ячеек до обнаружения различия.
При этом, если на один из входов КЭ не поступают ячейки, то считается, что на вход поступает пассивная ячейка с разрядами «0» во всех ее частях.
Число каскадов в схеме Бетчера для реализации полной сортировки равно , 
где N – число входов.
6.4. Принципы маршрутизации
Известны два типа маршрутизации ячеек в коммутаторе ATM:
- самомаршрутизации;
- таблично-контроллерная маршрутизация.
Принцип самомаршрутизации отражен на рисунке 6.14.
В ячейках входящего потока в коммутатор при маршрутизации обновляется адрес (А заменяется на В) согласно маршрутной таблице. При этом для внутренней маршрутизации применяется коммутационный идентификатор, назначающий маршрут внутри матрицы (m, n). Прохождение ячейкой каждой ступени коммутации сопровождается удалением части идентификатора.
Идентификатор устанавливает единственный маршрут внутри матрицы. Пример одномаршрутной схемы, приведен на рисунке 6.15.
Рисунок 6.14. Принцип самомаршрутизации
Рисунок 6.15. Пример маршрутизации
Принцип таблично-контроллерной маршрутизации отображен на рисунке 6.16.
При таблично-контроллерной маршрутизации каждым коммутационным элементом обновляется заголовок. Прохождения ячеек определяются таблицей возможных маршрутов. При этом их число не ограничено.
При реализации многомаршрутной коммутации возможны два варианта прохождения ячеек:
- ячейки, передаваемые по одному виртуальному каналу, передаются через коммутатор по любому внутреннему пути независимо друг от друга; при этом предусматривается механизм сборки ячеек в порядке следования;
- ячейки, относящиеся к одному виртуальному каналу, передаются по маршруту, определенному в фазе установления соединения; при этом достоинство многомаршрутной структуры используется на стадии установления соединения.
Рисунок 6.16. принцип таблично-контроллерной маршрутизации
В заключении раздела необходимо отметить, что коммутаторы ATM позволяют устанавливать соединение типа «точка – много точек», то есть один вход – много выходов. Кроме того, для быстрой коммутации ячеек могут применяться не только матрицы. На относительно невысоких скоростях передачи ячеек используются: общая память, общая шина, коммутация в кольце и другие виды [1, 3, 20].
Перспективным считается создание оптических коммутаторов АТМ, которые будут превосходить по скорости электронные коммутаторы на несколько порядков, что достигается, в частности, в оптическом конверторе путём «пересадки» ячейки с одного направления на другое через изменение длины волны оптической несущей [51].
Контрольные вопросы
1. В чем заключается принцип коммутации в АТМ?
2. Что представляет собой структура коммутатора АТМ?
3. Какие функции выполняет АТМ-коммутатор?
4. С какой целью в коммутаторе АТМ выполняется мультиплексирование?
5. Какие типы коммутационных устройств применяются в АТМ?
6. Что характерно для однокаскадной коммутации?
7. Что характерно для многокаскадной коммутации?
8. Что отражает принцип FIFO?
9. С какой целью в коммутаторах создаются буферы?
10. В чем заключается принцип самомаршрутизации?
11. Почему коммутатор Бетчер-Баньян считается бесконфликтным?
12. Какие причины ограничивают быстродействие электронных коммутаторов?
13. Почему актуально использование оптической коммутации АТМ?
7. Адаптационные уровни АТМ
Протокольные характеристики адаптационных уровней (AAL-1 – AAL-5) подробно рассмотрены в рекомендациях ITU-T I.363. Ниже приведены только краткие основополагающие сведения по наиболее сложным устройствам АТМ – устройствам адаптации в их протокольных решениях.
7.1. Адаптационный уровень AAL-1
Сервис (услуги) этого уровня называются услугами 1-го класса (или категории А) и предоставляются пользователю сети с постоянной скоростью (CBR). По всей линии передачи характеристики передачи данных определены, и время доставки данных строго ограничено.
Этот класс услуг имеет следующие характеристики:
- трафик представляет собой поток данных в виде блоков по 193 бита каждые 125 мкс;
- трафик чувствителен к изменениям задержки;
- трафик не допускает потери информации;
- трафик чувствителен к сжатию.
Функции, реализуемые в ААL, заключены в следующем:
- сегментации и восстановлении информации пользователя;
- управление отклонением времени задержки ячейки;
- управление искажениями и неверно введенными ячейками;
- восстановление источника синхронизации;
- наблюдение за ошибками байтов и управление этими ошибками;
- генерация и обнаружение структурного указателя.
Рисунок 7.1. Формат структурированных данных в AAL-1
Рисунок 7.2. Отображение циклов Е1 в ячейках АТМ
Возможности сервиса 1 класса определяют возможности передачи звука, изображения и данных в реальном времени с постоянной скоростью. При этом информация может быть структурирована, т.е. представлена по байтам, или не структурирована, т.е. передаваться по битам, и размещаться в 48 байтовых полях полезной нагрузки отправителем.
Заполнение 48 байтового поля обусловлено протоколом структурирования данных. На рисунке 7.1 показан формат структурирования данных для AAL-1 (SAR-PDU).
Порядковый номер поля позволяет отделить пустые и неисправные ячейки от информационных. Защита номера поля предназначена для обнаружения ошибок с помощью процедуры CRC и исправления одиночной ошибки. Участок, обозначенный SAR-PDU, несет необходимую полезную нагрузку (трафик) информации. При этом в первом байте SAR-PDU фиксируется указатель структурирования. Дальнейшее преобразование сегмента в ячейку ATM и ее размещение на физическом уровне демонстрируется на рисунке 7.2 для трафика типа Е1 (2,048 Мбит/с).
7.2. Синхронизация в сети с АТМ при передаче трафика цифровыми потоками через AAL-1
На уровне AAL-1 обрабатываются сигналы реального времени, чувствительные к задержкам передачи (например, речевые сообщения). Для поддержки услуг самого высокого класса (категории А) требуется выполнение условий синхронизации источника и получателя сигнала. Сеть АТМ, являясь транспортной средой, как правило, имеет собственный высокостабильный синхронизм. Однако источник и приемник информационных сигналов не всегда имеют общий синхронизм с АТМ. По этой причине может возникать большое расхождение тактовых механизмов источника и приемника сигналов. Т.о. сеть АТМ не будет полностью «прозрачной» транспортной средой для сигналов. Поскольку сеть АТМ основана на передаче ячеек, то характеристика частоты источника синхронизма на приемной стороне может зависеть от сегментации ячеек и задержки возможных случайных смешиваний. Маршрут извлечения источника синхронизма принадлежит пользовательскому соединению типа «точка-точка», построенному по принципу буферизации FIFO в выходном буфере, например, для Е1 с регулировкой частоты записи-считывания. Частота считывания не может быстро меняться и подстраиваться под дрожание фазы приходящих импульсов (под джиттер). При этом может быть нарушено требование по стабильности синхронизма, например, для Е1 согласно рекомендации ITU-T G.703 требование стабильности составляет +-50*10–6 (или 50 ppm, part per million).
Поэтому важнейшей функцией AAL-1 может быть восстановление с требуемой точностью тактовой частоты. Рекомендацией ITU-T I.363.1 определен метод введения SRTS (Synchronous Residual Time Stamps) – синхронной остаточнойвременной метки. Эта метка вводится в сегмент AAL-1 (рисунок 7.3) в виде p-бита CSI.
Метка представляет собой четырех битовое слово, переносимое в восьми подряд следующих сегментах.
Рисунок 7.3. Структура ячейки АТМ с сегментом AAL-1
Рисунок 7.4. Формирование SRTS
Метка вычисляется на передаче как разность частот сигнала (например, Е1) и тактовой частоты АТМ сети, которая вычисляется делением:
МГц,
где х выбирается таким образом, чтобы переносимая частота была выше частоты тактов компонентного сигнала. Для Е1 значение х = 6 и частота тактирования в АТМ будет 2,43 МГц. Для Е3 х = 4, fАТМ = 38,88 МГц.
При этом частота Е1 делится на число N = 3008 (общее число битов данных в восьми сегментах) и используется как затвор 4х бит (p-бит) счетчика для частоты 2,43 МГц (рисунок 7.4).
На приемной стороне местный генератор кода SRTS сравнивается с источником SRTS передающей стороны. Разность двух SRTS кодов используется для выравнивания локальной частоты синхронизации, с которой информационные данные из сети АТМ поставляются в сеть потребителя [44].
7.3. Адаптационный уровень ААL-2
Сервис (услуги) этого уровня называется услугами 2-го класса (или категории В) и предоставляются пользователю сети с переменой скоростью (VBR).
Этот тип трафика в настоящее время еще не имеет широкого распространения из-за недостатков стандартизации преобразований звука и видео со сжатием. Сжатие данных для передачи звука и видео приводит к пульсирующему трафику, поэтому его характеризуют как «взрывной» (пиковый) во времени. Каждая ячейка, формируемая AAL-2, должна быть снабжена временной меткой для реагрегирования и формирования непрерывного потока данных на приеме. Особенной характеристикой трафика, формируемого AAL-2, является очень сильная чувствительность к искажениям информации на передаче.
Рисунок 7.5. Формат структурированных данных AAL-2
Функции, реализуемые в AAL-2, заключены в следующем:
- сегментация и реагрегирование пользовательской информации;
- управление переменной задержкой ячейки;
- управление искаженными ячейками;
- восстановление синхронизма источника и приемника;
- контроль за битами ошибок и управление этими ошибками;
- просмотр поля пользовательской информации для процедуры обнаружения и исправления ошибок.
Для ААL-2 формат структурированных данных состоит из трех полей: поля заголовка, поля полезной нагрузки (то есть переносимого трафика) и хвостовой части (рисунок 7.5).
Порядковый номер сегмента служит для отделения пустых и ошибочных ячеек от информационных. Индикатор типа информации, следующий за порядковым номером, указывает на тип передаваемой части информации, т.е. на начало передачи, продолжение передачи и завершение передачи данных. Хвостовая часть SAR-PDU содержит индикатор длины поля полезной нагрузки (переносимого трафика) и блок контроля ошибок процедурой CRC поля полезной нагрузки. Хвостовая часть формата SAR-PDU для ААL-2 позволяет защитить от ошибок поле информационной нагрузки и головную часть.
Размещение SAR-PDU в ячейке ATM и последующее размещение на физическом уровне аналогично рассмотренному на примере рисунка 7.5, однако, при пульсирующем трафике ячеек промежутки могут быть заполнены пустыми ячейками для выравнивания скоростного потока на физическом уровне.
7.4. Адаптационные уровни AAL-3 и AAL-4
В этой части рассматриваются уровни адаптации с сервисом класса 3/4 (или категорий С и D) с предоставлением услуг с переменой доступной скоростью передачи (ABR).
Адаптационные уровни ААL-3 и ААL-4, объединенные одним классом сервиса для передачи данных, допускающих задержки, различаются тем, что ААL-3 ориентирован на соединение пользователей через виртуальный канал с доступной скоростью передачи, а ААL-4 не ориентирован на соединение.
К особенностям характеристик класса сервиса 3/4 можно отнести следующее:
- передаваемая информация (трафик) может иметь «взрывной» характер и переменную длину блоков;
- нет жестких требований к задержкам передачи, что недопустимо в классах услуг А и В, т.е. для передачи звука и видео;
- возможна буферизация информации и ее следование к месту назначения разными путями.
Рисунок 7.6. Структура протокольного (SAR-PDU) блока данных AAL-3/4 (передача сообщений)
CPI (Common Part Indicator) – индикатор основного поля
BT (Begin Tag) – поле начала
BAS (Buffer Allocation Size) – размер буфера
Р – поле выравнивания нагрузки
AL (Alignment) – поле выравнивания
ET (End Tag) – поле конца
LT (Length Indicator) – индикатор длины
ST (Segment Type) – тип сегмента (2 бита)
SN (Segment Number) – порядковый номер
MID (Multiplexing Identifier) – идентификатор мультиплексирования
CRC (Cyclic Redundancy Check) – метка задержки цикличности передачи
Рисунок 7.7. Структура протокольного (SAR-PDU) блока данных AAL-3/4 (передача потока)
IDU, Interface Data Unit – интерфейсный блок данных
Особенности характеристик AAL-3/4 отражены на структурах сегментов полезной нагрузки SAR-PDU, изображенных на рисунках 7.6, 7.7. Первый рисунок отражает структурированную передачу данных в виде единых блоков (IDU), т.е. точно одного блока. Второй рисунок отражает возможность передачи одного или нескольких IDU, которые могут быть разнесены во времени.
Головная часть сегмента содержит: указатель типа сегмента, порядковый номер, идентификатор мультиплексирования. Тип сегмента представлен двумя битами и указывает на начало пакетирования, непрерывность или продолжение информации в пакете и сообщение о завершении информационного блока. Следующие четыре бита заголовка предназначены для порядкового номера сегмента. Каждый последующий сегмент содержит номер на единицу больший предыдущего. Десять битов идентификатора мультиплексирования головной части SAR-PDU используются как вспомогательные для раздела сервисных данных для обслуживания уровня ATM от потока данных, направляемых на подуровень конвергенции уровня AAL, а также разделения на подуровне конвергенции данных, передаваемых другими сегментами.
Второе большое поле SAR-PDU – это поле полезной нагрузки (или переносимого трафика), состоящее из 44 байтов. Если это поле не полностью заполнено данными, то свободный остаток заполняется нулями.
Хвостовая часть сегмента состоит из двух небольших полей: индикатора длины полезной нагрузки и битов контроля ошибок процедуры CRC.
Индикатор длины состоит из 6 битов и содержит число, указывающее число байтов информационных данных, включенных
в поле полезной нагрузки SAR-PDU. Его максимальное значение равно 44 байтам. Поле контроля ошибок процедурой CRC состоит из 10 бит и формируется логически на передающей стороне из битов сегмента.
7.5. Адаптационный уровень AAL-5
Адаптационный уровень AAL-5, обеспечивающий предоставление сервиса класса 5 (или категорий C и D), является частью стандарта широкополосных сетей с интеграцией услуг (В-ISDN).
Этот класс услуг предложено использовать для компьютерных сетей и обработки данных в следующих вариантах:
- в качестве AAL-5 может выступать ААL-3/4, но с упрощенным заголовком;
- приспособлением к протоколам TCP/IP.
Класс услуг AAL-5 предполагается использовать в локальных масштабах. При этом из поля сегмента устранены служебные биты. Тип сообщения (начало, продолжение и конец) отмечается в РТ поля заголовка ячейки ATM (таблица 2.1). Это могут быть метки:
- 0x1 конец данных;
- 0x0 начало или продолжение данных (х = 1 или х = 0).
На рисунке 7.8 демонстрируется структура преобразования данных в AAL-5.
На уровне конвергенции AAL-5 происходит формирование блока данных с присоединением к данным пользователя хвостовой части из 8 байт, образующим четыре поля служебной информации.
Первое поле состоит из одного байта UU, предназначенного для индикации участка цепи от пользователя к пользователю. Второе поле CPI также состоит из одного байта и предназначено для идентификатора тракта передачи. Третье поле LI, состоящее их 2-х байт, служит для раздела блоков данных. Четвертое поле, состоящее из 4-х байт, может быть использовано для контроля ошибок в блоке данных на основе процедуры CRC. Необходимо отметить, что руководящие документы по уровню AAL-5 не предусматривают обязательное использование двух последних полей.
Поле выравнивания используется в случае, когда объём пользовательской информации не кратен 48 байтам. Полезная нагрузка может иметь величину до 65535 байт. Формирование информации на подуровнях уровня AAL-5 существенно проще, чем на AAL-3/4.
Рисунок 7.8. Протокольный блок и преобразование данных в AAL-5
PAD – поле выравнивания (0…47 байт);
UU (User-to-User) – поле индикатора «пользователь-пользователь»;
CPI (Common Part Indicator) – индикатор общей части;
LI (Length Indicator) – индикатор длины;
CRC – контрольная сумма обнаружения ошибок
В литературе, содержащей информацию о технологии ATM, встречается термин «нулевой адаптационный уровень» (ААL-0). Это означает, что в данном случае функции адаптации не выполняются, а содержимое информационной части ячеек передается непосредственно в более высокий уровень модели B-ISDN.
Для реализации функций сигнализации на участках сети ATM: пользователь-сеть; пользователь-пользователь; сетевой элемент – сетевой элемент разработана спецификация функций адаптационного уровня сигнализации (SAAL), который рассмотрен в разделе 8.
Контрольные вопросы
1. Какой класс услуг обеспечивает AAL-1?
2. Что представляет собой формат сегмента?
3. Какое назначение имеет p-бит в заголовке сегмента AAL-1?
4. Что представляет собой метка SRTS?
5. Что входит в состав сегмента структурированных данных AAL-2?
6. Какие функции реализует AAL-2?
7. Чем отличаются AAL-3 и AAL-4?
8. Чем отличаются сегменты AAL-1 и AAL-3/4?
9. Какое назначение имеет MID в сегменте AAL-3/4?
10. Какое отличие AAL-5 от AAL-3/4?
11. Какие виды трафика могут быть сегментированы AAL-5?
12. Какую максимальную величину может иметь блок данных полезной нагрузки для AAL-5?
13. В каком случае используется поле PAD ?
14. Как отмечается начало, продолжение и конец поля данных в ячейках АТМ, формируемых из сегментов AAL-5?
8. Сигнализация, маршрутизация и адресация в сети АТМ
8.1. Сигнальный адаптационный уровень S-AAL
Сигнализация в АТМ предназначена для установления виртуальных соединений (точка-точка и тока - много точек) с заданными показателями качества услуг (категорий A, B, C, D). При этом в АТМ предусмотрены сигнальные каналы между получателем и сетью, между пользователями и между коммутаторами (рисунок 8.1).
Передача сигнализации организуется в сети по выделенным виртуальным каналам без передачи пользовательской информации. С помощью сигнализации поддерживаются узкополосные (до 2048 кбит/с) и широкополосные (свыше 2048 кбит/с) услуги, включая мультимедиа. При этом система сигнализации должна обеспечивать установление, контроль и разъединение виртуальных каналов для передачи звука, видео, данных, а также согласовывать трафик.
Сигнализация проводится параллельно с передачей информационных данных. Это экономит время для установления виртуальных соединений. Передача сигнальных сообщений и информационных сообщений происходят по практически одинаковым алгоритмам. Поэтому для сигнализации предусмотрен свой уровень адаптации S-AAL (Signaling AAL) (рисунок 8.2).
В структуре уровня адаптации S-AAL четко пролеживаются четыре подуровня:
SAR (Segmentation and Reassembly Sublayer) – подуровень сегментации и сборки; CPCS (Common Part Convergence Sublayer) – подуровень общей части конвергенции (слияния); SSP (Service Specific Part) – служебно-ориентированная часть, которая в свою очередь делится на SSCOP (Service Specific Connection-Oriented Protocol) – служебноориентированный протокол с установлением соединения и SSCF (Service Specific Coordination Function) – функций специальных услуг координации.
Рисунок 8.1. Типы сигнализации в сети АТМ
Рисунок 8.2. Структура уровня адаптации S-AAL
Основное достоинство протокола SSCOP – предоставление гарантий доставки сигнальных сообщений. Реализация SSCOP зависит от функций координации протокола SSCF, который координирует работу SSCOP с сигнальными сообщениями высших уровней (на рисунке 8.2 не показаны). CPCS не меняется в зависимости от службы связи, осуществляющей обмен данными через SAAL. Подуровень SAR – самый нижний подуровень S-AAL, принимающий участие в выполнении функций упаковки и распаковки 48 байтовых сегментов сигнальных сообщений.
В качестве общей части S-AAL могут использоваться AAL-3/4 и AAL-5. Например, AAL-5 способен обнаружить потерянные блоки с помощью механизма проверки последовательности и восстановить их методом повторной передачи, что гарантирует доставку сигнального сообщения.
8.2. Основные функции сигнализации АТМ
Перечислим более подробно все функциональные возможности сигнализации и контроля:
- установление коммутационных соединений «пользователь-пользователь» и «пользователь - много пользователей»;
- соединение с симметричным или асимметричным широкополосным каналами;
- передача сигнала установления соединения;
- сигнализация транспортного сервиса соответствующих классов (AAL-1, AAL-2, AAL-3/4, AAL-5);
- выполнение требований по индикации сигнальных параметров;
- задание VPI/VCI;
- выполнение базовых (основных) функций протокола сигнальных сообщений, включающего элементы информации и процедур;
- сигнализация о непрерывности контроля полосы частот исходящего канала для всех посылаемых сообщений;
- устранение ошибок;
- задание формата адреса сети общего пользования на участке UNI и сети частного (корпоративного) пользователя UNI для индивидуальной идентификации точки окончания (терминала);
- реализация механизма регистрации пользователя сети;
- адресное информирование на другой стороне соединения;
- идентификация совместимости терминалов пользователей;
- адресация многоразовых сервисов;
- соединение мультимедийных терминалов с многими услугами при независимости контроля каждой из услуг.
Все указанные функции сигнализации условно можно разбить на две большие группы:
- функции, связанные с установлением и обслуживанием вызова (Call Control);
- функции, связанные с управлением соединениями, по которым транспортируется информация пользователя (Bearer Control).
Большинство функций сигнализации реализуются в коммутаторах доступа. При этом сообщения сигнализации могут передаваться виртуальными каналами сигнализации SVC (Signaling Virtual Channels), которые могут быть четырех типов:
- виртуальный канал метасигнализации;
- общий широковещательный канал сигнализации;
- селективный широковещательный канал сигнализации;
- виртуальный канал сигнализации «пользователь-пользователь».
8.3. Типы каналов сигнализации и систем
На каждом интерфейсе «пользователь-сеть» Ш-ЦСИО может быть организован виртуальный канал метасигнализании. Этот канал является постоянным и двунаправленным и используется для установления, проверки и разъединения селективных широковещательных виртуальных каналов сигнализации и каналов типа «пользователь-пользователь».
Виртуальный канал метасигнализации является постоянным. Виртуальный канал сигнализации «пользователь-пользователь» организуется одним из пользователей, когда он активизирует соединение. При этом созданный канал сигнализации будет двусторонним и используется для установления соединения, контроля и разъединения виртуальногоканала, по которому передается пользовательская информация.
Широковещательные виртуальные каналы сигнализации являются однонаправленными. Они организуются от сети к пользователям и служат для передачи сигнальных сообщений во все оконечные точки сигнализации сети доступа.
В ITU-T разработана концепция поэтапного внедрения системы сигнализации в B-ISDN. Эта концепция закреплена в рекомендациях Q.93B, Q.2931, Q.2761.
Предлагается две фазы внедрения сигнализации:
- фаза 1 для постоянных и изменяющихся скоростей передачи;
- фаза 2 для всех видов сообщений, включая полный набор мультимедийных услуг.
В настоящее время внедряется первая фаза.
Для взаимодействия на транспортном участке сети ATM разработана сигнальная система, опирающаяся на сигнальную систему № 7 (ОКС7), но предназначенная только для ATM сети.
Необходимо отметить, что кроме протоколов сигнализации ITU-T разработаны протоколы ATM-Forum для корпоративных и частных сетей. Протоколы ITU-T и ATM-Forum для абонентского участка (UNI) основаны на принципах DSS-1 (Digital Subscriber Signaling), применяемых в N-ISDN.
Система абонентской сигнализации ITU-T, называемая DSS-2 предполагает две конфигурации «пользователь-сеть»:
- конфигурация доступа «точка-точка» с фиксированным значением VPI:0/VCI:5;
- конфигурация доступа «точка - много точек» со значением VPI и VCI, назначаемыми метасигнализацией по потребности.
При конфигурации доступа «точка-точка» на стороне пользователя имеется только одна оконечная точка сигнализации (рисунок 8.3).
Таким оконечным оборудованием может быть односервисный терминал или широкополосное сетевое окончание. Для этого типа доступа требуется организация одного постоянного канала сигнализации VPI:0/VCI:5 (рисунок 8.4).
Рисунок 8.3. Конфигурация доступа «точка-точка»
Рисунок 8.4. Формирование сигнального сообщения
Архитектура протокола сигнализации для этой конфигурации показана на рисунке 8.2. При конфигурации «точка - много точек» на стороне пользователя имеется несколько оконечных точек сигнализации. В этом случае для организации и управления другими виртуальными каналами сигнализации необходим постоянный виртуальный канал метасигнализации VPI:0/VCI:1.
Метасигнализация (рекомендация ITU-T Q.2120) используется для установления, поддержания и разъединения виртуальных каналов сигнализации в интерфейсе «пользователь-сеть» и работает только по выделенному виртуальному каналу метасигнализации.
Протокольные процедуры метасигнализации имеют возможности:
- определяют оконечные точки сети сигнализации;
- назначать скорости для виртуальных каналов сигнализации;
- разрешать возможные конфликтные ситуации.
Сегмент сигнального сообщения приведен на рисунке 8.5.
Скоростные градации ячеек (пользователь-пользователь) для сигнализации 42, 84, 168, 336, 672, 1344, 2688 ячеек в секунду или при умолчании 42 ячейки в секунду. Идентификатор профиля услуги для запроса со стороны пользователя основных или дополнительных услуг.
Рисунок 8.5. Сегмент сигнального сообщения метасигнализации
PD (Protocol Discriminator) – определитель типа протокола;
PV (Protocol Version) – определитель версии протокола;
МТ (Message Type) – идентификатор сообщения (возможны шесть
типов сообщения);
II (Indicate Information) – индикатор справки;
ISVC А, В – идентификатор виртуального канала сигнализации А, В;
CAUSE – причины запроса или отправления сообщения;
CRC – процедура контроля ошибок
Пример сигнальных сообщений участка «пользователь-сеть» приведен на рисунке 8.6.
Рисунок 8.6. Сигнальные сообщения
ATM-Forum разработал протоколы абонентской сигнализации UNI 3.0/3.1 и UNI 4.0. Особенностью протоколов является высокая степень масштабируемости, надежность и гибкость при выборе коммутаторами маршрута с помощью протоколов динамической маршрутизации.
На межузловом интерфейсе АТМ-Forum предложил использовать протоколы:
IISP (Inter-Switch Signaling Protocol) – промежуточный межузловой протокол сигнализации;
PNNI (Private NNI) – частный протокол межузловой сигнализации.
IISP-протокол предназначен для работы по принципам спецификаций UNI 3.0/UNI 3.1 и основан на процедурах протокола сигнализации, изложенного в этих спецификациях. Такое решение оказалось возможным благодаря симметричности процедур протокола сигнализации «пользователь-сеть». Так, чтобы установить соединение между коммутаторами в сети, один из коммутаторов играет роль «пользователя», а второй «сети» и так далее. Протокол IISP работает в паре с протоколом статической маршрутизации.
Рисунок 8.7. Структура сети сигнализации PNNI
PNNI-протокол, обеспечивающий обмен маршрутной и сигнальной информацией, предназначен для установления коммутируемого виртуального соединения и состоит из протоколов маршрутизации и сигнализации. Он является дальнейшим развитием протокола IISP, который является очень простым и требующим ручной настройки таблиц адресов на каждом коммутаторе.
Особенность протокола маршрутизации PNNI заключается в том, что он позволяет выбирать маршрут для установления соединения с учетом состояния топологии сети, т.е. реального состояния сетевых узлов и соединяющих их каналов. Он использует иерархическую структуру сети, которая составляется в виде логических узлов разного уровня и связывающих их логических звеньев.
На самом нижнем уровне каждый логический узел представлен физическим узлом сети, а его идентификатор соответствует адресу сетевого узла (VPI/VCI m/n) (рисунок 8.7).
Логические звенья между узлами на нижнем уровне являются физическим звеном или соединением виртуального тракта VP!
Каждый узел обеспечивает в рамках своей равноправной группы передачу информации о топологии сети, которая используется узлами для вычисления маршрута с учетом параметров качества QoS. Т.о. PNNI интересен тем, что он обеспечивает построение больших территориально распределенных сетей АТМ и без использования SDH в качестве технологии транспортной сети.
Протокол PNNI обладает высокой степенью гибкости, поскольку позволяет в случае выхода из строя направлений передачи данных восстанавливать соединения через альтернативные пути, при этом направление альтернативной маршрутизации не должно быть сформировано до возникновения сбоя в сети, и выбирается коммутаторами АТМ, что приводит к функциям самовосстановления сети АТМ. Наличие динамической маршрутизации в протоколе PNNI значительно усложняет его структуру, которая включает несколько подсистем сигнализации [20, 27, 45].
Установление вызова в B-ISDN UNI
Установление вызова в B-ISDN UNI требует поддержки трех отдельных протоколов одновременно:
- промежуточного локального интерфейса управления (Interim Local Management Interface – ILMI), используемого для регистрации адреса конечного пользователя в сети АТМ (только для UNI версий 3.0 и 3.1 АТМ форума);
- сигнализации уровня адаптации АТМ (SAAL), гарантирующего передачу данных сообщений сетевого уровня;
- сетевого уровня (UNI 3.0 и 3.1, Q.2931, IISP, PNNI), используемого для поддержки, установления и разрыва соединений.
8.4. Адресация в сети АТМ
Для установления коммутируемых виртуальных соединений в сети АТМ необходимо назначить уникальный адрес каждому оконечному устройству. На начальной стадии становления B-ISDN структура форматов адресов для сетей общего пользования и частных сетей была различной из-за разных требований к адресации.
Требования в сетях общего пользования:
- единство адресного пространства в рамках международной сети (по ITU-T);
- возможность взаимодействия АТМ с другими сетями (ISDN, Frame Relay), использующими адреса в формате E.164;
- возможность расширения адресного пространства.
Рисунок 8.8. Форматы адресов в сетях общего пользования
AFI (Authority and Format Indicator) – индикатор формата заголовка (число 47, 39 или 45);
DSP (Domain Specific Part) – специальная часть адреса;
IDI (Initial Domain Identifier) – идентификатор начальной части адреса;
IDP (Initial Domain Part) – начальная часть адреса;
AESA (ATM End System Addresses) – адрес АТМ оконечной системы
Согласно этим требованиям ITU-T предусмотрел использование в сети общего пользования формата адреса по рекомендации Е.164 (рисунок 8.8).
В формате А адрес состоит из обязательного поля адреса Е.164 (8 байт) и поля подадреса (до 20 байт), обеспечивающего дополнительную адресную емкость вне плана нумерации. Подадрес передается по сети АТМ от пользователя к пользователю прозрачно. Структура поля подадреса нестандартизирована, однако обычно применяется формат точки доступа к услуге сетевого уровня согласно рекомендации ITU-T Х.213.
Учитывая, что сеть АТМ общего пользования должна взаимодействовать с частными сетями АТМ, были расширены международные стандарты. Так согласно рекомендации ITU-T E.191 для адресации в сети АТМ общего пользования может применяться формат адреса AESA (на рисунке 8.8 формат Б). AESA состоит из начальной части домена (области) IDP и специальной части домена (области) DSP. Информация, содержащаяся в поле IDP, используется для маршрутизации в сети общего пользования. Она указывает на номер абонента в формате Е.164, администрацию, ответственную за выделение кодов в рамках сети общего пользования, и тип адреса – групповой или индивидуальный.
Рисунок 8.9. Форматы AESA
HO-DSP (High Order-Domain Specific Part) – адресная часть
пространства для подсети;
ESI (End System Identifier) – идентификатор конечной системы;
SEL (Selector) – селектор, используемый конечной системой
Информация DSP передается в сети общего пользования без обработки и содержит адрес пользователя в частной сети АТМ.
При адресации в частных сетях АТМ-Forum предусматривает использование трех форматов адреса AESA: NSAP (OSI Network Service Access Point – точка доступа к услугам сетевого уровня семиуровневой модели открытых систем); DCC (Data Country Code – код страны); ICD (International Code Designator – идентификатор организации) (рисунок 8.9).
Указанные форматы основаны на OSINSAP, однако за выделение адресного пространства отвечают разные международные организации.
Формат NSAP E.164 предназначен для использования в сетях АТМ общего пользования, где распределение адресного пространства регулируется ITU-T.
Формат DCC используется в США. Распределение в нем адресов могут осуществлять организации, зарегистрированные в стандарте ISO 3166.
Формат AESA ICD выдают организации, которые зарегистрированы институтом стандартов Великобритании BSO (British Standards Organization).
В России система адресации в сети АТМ может быть выполнена двумя способами (согласно РД 45.123-99): нумерация Е.164 и адрес AESA.
В сети АТМ России должна использоваться двухуровневая система адресации согласно требованиям пересмотренной (1998 год) рекомендации Е.191 ITU-T.
В качестве первого уровня адресации, определяющего окончание сети АТМ общего пользования, должен использоваться формат Е.164.
В качестве второго уровня адресации, определяющего элементы сети АТМ ограниченного пользования (корпоративной сети АТМ) сети средств пользователя, подключенные к сетевому окончанию сети АТМ общего пользования должен использоваться любой формат адреса AESA (DCC AESA, ICD AESA, E.164 AESE, Local AESA, ITU-T).
Рисунок 8.10. Структура адреса Е.164 для России
Сеть АТМ общего пользования должна распознавать все возможные виды форматов адреса AESA и, если пользователь указал только адрес AESA, формировать номер Е.164 для маршрутизации вызовов через сеть АТМ общего пользования. При передаче адреса AESA сеть АТМ общего пользования не должна его изменить.
Структура номера Е.164 для России приведена на рисунке 8.10 [40].
Согласно стандарта ISO 3166 значение кода IDI для России равно 643. Поле HO-DSP для сетей общего пользования и частных сетей включает следующие поля (рисунок 8.11):
х1х2– поле организации (1 байт);
х3х4х5х6х7х8 – поле кода оператора магистральной сети или корпоративной сети (3 байта);
х9х10х11х12 – поле кода точки подключения к магистральной сети или сети корпоративной (2 байта);
х13х14х15х16 – поле кода точки подключения к региональной сети (2 байта).
Значения полей кодируются десятичными цифрами, каждая цифра занимает 4 бита.
Рисунок 8.11. формат адреса NSAP DSP
8.5. Маршрутизация в сети АТМ
Сложная топология сети АТМ требует использования протоколов маршрутизации. При этом нет необходимости маршрутизировать данные пользователя – достаточно выполнить маршрутизацию запросов на установление виртуальных соединений.
Известно множество методов маршрутизации, которые подробно описаны в литературе [32, 34]. Маршрутизация может быть основана на адаптивных и неадаптивных алгоритмах. Неадаптивные алгоритмы не учитывают при выборе маршрута топологию и текущее состояние сети, не измеряют трафик в линиях. Вместо этого выбор маршрута для каждой пары станций производится заранее, в автономном режиме, и таблица маршрутов создаётся при загрузке сети. Адаптивные алгоритмы, напротив, изменяют решения о выборе маршрутов при изменении топологии сети и также часто в зависимости от загруженности линий. Адаптивные алгоритмы различаются по месту получения информации, по причинам изменения маршрута и происхождением данных для определения оптимального маршрута. Для сетей АТМ Форум АТМ в 1996 году принял первую редакцию протокола PNNI, который включает адаптивные функции маршрутизации и сигнальную систему. В сети, поддерживающей протокол PNNI, маршрутизация запросов выполняется на основе первых 19 байт адреса АТМ (всего в адресе 20 байт). Каждый коммутатор в сети имеет уникальный 22 байтовый идентификатор. Отдаленные узлы (коммутаторы) группируются и каждая группа идентифицируется 14 байтовым идентификатором группы. Все узлы в одной группе имеют один и тот же идентификатор группы. Этот идентификатор формируется по адресам АТМ коммутаторов. При назначении адресов стараются сделать так, чтобы место положения любого узла можно было однозначно определить по адресу. В сложных иерархических сетях в состав адреса закладывается информация об уровне иерархии протокола PNNI.
Для получения информации о текущем состоянии соседних коммутаторов происходит постоянный обмен специальными сообщениями (протокол PNNI – Hello), которые проходят через каналы. Успешная передача этих сообщений указывает на возможность использования этих каналов.
Информация о маршрутной топологии сети для PNNI включает сведения об узлах, каналах связи, доступных адресах, параметрах скорости передачи данных, задержки и т.д. Т.о. каждый узел сети может хранить запись, описывающую «видимую» им часть сети. В терминологии PNNI эти записи называются элементами состояния топологии (PNNI Topology State Element, PTSE). Если узел, кроме своего PTSE, имеет PTSE всех узлов своей группы, он может вычислить маршрут для любого адреса группы. Соединение может быть осуществлено только по тому адресу, который указан в PTSE на одном из доступных коммутаторов. Размер группы ограничен объемом памяти и мощностью процессоров коммутаторов. Каждый адрес, канал связи, узел сети повышают объем информации о топологии группы и требуют дополнительных ресурсов коммутатора. Поэтому для улучшения масштабируемости протокол PNNI поддерживает иерархическое построение сети, что позволяет обслуживать практически неограниченное число каналов связи и узлов, не требуя при этом больших ресурсов коммутаторов. Примеры протоколов адаптивной и неадаптивной маршрутизации рассмотрены в [20, 30, 34].
Контрольные вопросы
1. Какое назначение имеет S-AAL?
2. Какие протокольные подуровни поддерживают S-AAL?
3. Какие основные функции выполняет сигнализация в АТМ?
4. Какие каналы сигнализации предусмотрены в B-ISDN?
5. Какие фазы внедрения сигнализации предусмотрены ITU-T?
6. Каким образом назначаются каналы сигнализации?
7. С какой целью применяется метасигнализация?
8. Какие процедуры характерны для сигнализации?
9. Какая информация сосредоточена в сигнальном сегменте?
10. Какие сигнальные протоколы предусмотрены для UNI и NNI?
11. Какие виды адресации могут быть использованы в B-ISDN?
12. Чем отличаются форматы адресов?
13. Что следует понимать под маршрутизацией в сети АТМ?
14. Какая информация необходима для маршрутизации?
15. Какое общее подразделение имеют алгоритмы маршрутизации?
9. Управление в сети АТМ
Управление в сети АТМ является многоплановым и включает следующие составляющие:
- общая характеристика управления;
- протоколы управления и базы данных управления АТМ;
- эксплуатация и техническое обслуживание (ОАМ);
- контроль и управление трафика.
9.1. Общая характеристика управления в АТМ
Общая характеристика управления в АТМ происходит из модели B-ISDN (рисунок 4.1).
Уровень управления предназначен для реализации функций управления всех систем широкополосной цифровой сети с интеграцией услуг. В этом уровне реализуются кроме функций прямого управления еще и функции координации между слоями и каждого слоя в отдельности.
Функции управления и координации определяются спецификой оборудования и построением сети, а также функциями оперативного управления и администрирования ОAM (Operation, Administration, Management), зафиксированными в рекомендациях ITU-T I.610. Кроме того, функции управления ATM согласованы с функциями сети управления электросвязи (TMN, Telecommunications Management Network), зафиксированными в рекомендациях ITU-Т М.3000...3660.
В соответствии с рекомендациями ITU-Т уровень управления исполняет следующие функции управления плоскостями:
- устранением неисправностей;
- рабочими характеристиками;
- конфигурацией;
- выпиской счетов;
- защитой информации.
В нормальном (рабочем) состоянии сети ATM мониторинг сетевых элементов обеспечивает непрерывный или периодический контроль исправности всех контрольных объектов (коммутаторов, концентраторов, узлов доступа, систем передачи и т.д.). Механизм контроля, реализуемый функциями ОАМ, предусматривает информирование оператора сети о качественном состоянии сети за короткий и длительный интервалы времени наблюдения и также позволяет инициировать профилактический контроль.
При непрерывном или периодическом контроле сети в случае аварии происходит опознание места ее возникновения и локализация неисправного оборудования, т.е. его исключение из сети. При этом системная защита должна обеспечить уменьшение негативного эффекта от аварии путем ввода в действие резервного оборудования или обходных каналов. Детальное обнаружение дефекта при аварии осуществляется путем внутреннего или внешнего тестирования поврежденных элементов.
Основой для построения высокоэффективной системы управления являются «высокоинтеллектуальные агенты управления», которые представляют собой специализированные микроконтроллеры, включенные во все сетевые элементы. Организация управления сетевыми элементами основана на протоколах управления, например, SNMP (Simple Network Protocol), простом протоколе управления сетью, соответствующем стандартам открытых систем (ISO/OSI).
Рисунок 9.1. Уровни ОАМ для АТМ
Необходимо отметить, что SNMP не реализует всех функций уровня управления ATM. Для полной идентификации состояний B-ISDN на основе ATM Международный Союз Электросвязи рекомендует пять уровней физической иерархии ОАМ. Они демонстрируются на рисунке 9.1, где Fl, F2, F3, F4, F5 – уровни реализации функций ОАМ. Каждый из них обеспечивает следующие функции:
- уровень F5 (виртуальных каналов) служит для взаимодействия сетевых элементов через виртуальные каналы;
- уровень F4 (виртуальных путей) служит для взаимодействия групп сетевых элементов, которые используют одно и то же соединение виртуальных путей;
- уровень F3 (тракта передачи) служит взаимодействию процессов сборки и разборки ячеек ATM, защиты заголовков от ошибок с помощью контрольной суммы в НЕС и др.;
- уровень F2 (секции мультиплексирования) служит для контроля за работой каналообразующего оборудования и протоколов, например, SDH, PDH, SONET и др.;
- уровень F1 (секции регенерации) служит для контроля электрических и оптических преобразований в физической среде (контроль мощности лазера, выделение тактовой частоты, токи схемных элементов).
9.2. Протоколы управления и базы данных управления
Протоколы управления обслуживают систему «Агент-Менеджер», т.е. процесс обмена данными между программами центра управления и сетевыми устройствами (коммутаторами, концентраторами, мультиплексорами). Система «Агент-Менеджер» стандартизирована на основе протоколов SNMP и CMIP (Common Management Information Protocol), т.е. простого протокола управления сетью и протокола общей информации управления. Схема взаимодействия показана на рисунке 9.2.
Рисунок 9.2. Система «Агент-Менеджер»
Программные продукты Агент и Менеджер взаимодействуют через стандартный протокол на предмет объектов управления. Объекты управления представляют собой абстрактные отражения реальных физических ресурсов сетевых устройств и сетей. Например, объектами управления могут быть оконечные точки сети (виртуальные каналы и тракты), аварийные сообщения (срочные и отложенные аварии), конфигурации доступа (физические порты на скоростях 2,048 Мбит/с; 155,520 Мбит/с, …), сигнальная система и т.д. Менеджер взаимодействует с Агентом с помощью команд (запросов) и уведомлений (ответов). Различные протоколы (SNMP и CMIP) позволяют реализовать различные возможности сетевого управления. Например, SNMP изначально был рассчитан на централизованное управление, а CMIP поддерживает систему распределенного управления, которая может включать несколько менеджеров. Кроме того, протокол CMIP рассчитан на интеллектуальных агентов (читай дорогих по стоимости), которые могут по одной простой команде от Менеджера выполнить сложную последовательность действий. Агенты SNMP простые и выполняют операции по командам Менеджера, что приводит к многочисленным обменам командами и уведомлениями.
Не смотря на сравнение протоколов не в пользу SNMP, именно он нашел наибольшее применение в сетях АТМ.
9.3. Протокол и информационная база локального управления на основе SNMP
Частное решение, преложенное АТМ-Forum, по управлению представляет собой один из вариантов SNMP, приспособленного к сети АТМ. Этот вариант SNMP получил название Integrated Local Management Interface (ILMI) – интегрированный интерфейс локального управления. ILMI предназначен для контроля соединений через интерфейс UNI.
Модель управления сетью АТМ, разработанная АТМ-Forum в 1996 году, предусматривает следующие возможности:
- каждое АТМ устройство (коммутатор, терминал, концентратор) будет поддерживать один или несколько АТМ интерфейсов (UNI, NNI);
- функции ILMI для интерфейса АТМ представляют информацию о статусе, конфигурации, физическом слое и слое АТМ;
- данные об интерфейсах хранятся в информационной базе управления MIB (Management Information Base) в виде объектов управления, организованных по стандартной древовидной схеме с образованием групп;
- в каждом устройстве АТМ (коммутаторе, концентраторе, терминале) определен один управляющий элемент АТМ интерфейса АТМ IME (АТМ Interface Management Entity);
- при подключении двух АТМ устройств друг к другу через соответствующий интерфейс налаживается взаимодействие и двух IME;
- передача данных между ILMI происходит через физические и виртуальные связи;
- протокол взаимодействия ILMI представляет собой открытый протокол SNMP/AAL5;
- с помощью протокола ILMI IME может иметь доступ к информационной базе данных соседнего устройства АТМ;
- интерфейс ILMI поддерживает двунаправленный обмен параметрами АТМ интерфейсов между двумя IME.
Управляющий протокол SNMP и база данных управления MIB необходимы для доступности информации о сети каждому пользовательскому окончанию для установления соединения. Типы информации, доступной в MIB АТМ интерфейса, представлены на рисунке 9.3.
Рисунок 9.3. Структура MIB АТМ
Для ILMI определены идентификаторы VPI:0, VCI:16. Каждый интерфейс ILMI имеет ряд групп объектов, показанных на рисунке 9.3 в виде ветвящегося дерева. Для доступа к данным объектов формируется индекс интерфейса, связанный с определенным интерфейсом UNI.
Для каждой группы MIB характерны свои данные:
- физический уровень отличается типами портов (2,048 Мбит/с; 34,368 Мбит/с; 155,520 Мбит/с), типом физической среды (волокно, коаксиал), информационным статусом;
- уровень АТМ характеризуется количеством виртуальных путей и каналов (возможным и сконфигурированным);
- статистика уровня АТМ определена числом принятых и переданных ячеек на интерфейсе, количеством отброшенных ячеек и излишками отбрасываний;
- соединение VP и VC – это значения соответствующих идентификаторов (VCI/VPI), статус соединения, класс услуг, определение трафика;
- сетевой префикс представляет собой строку переменной длины (8-13 байт), в которой определен сетевой префикс в формате NSAP или в формате Е.164 (UNI 3.0) АТМ-Forum;
- адреса – это адреса АТМ из 8 байт, это адреса сигнального адресного формата NSAP UNI 3.0 Forum АТМ самого нижнего порядка (рабочих групп) и статус адреса АТМ.
Адреса размещаются в MIB на сетевой стороне, а сетевые префиксы на пользовательской стороне (UNI). Группа адресации не используется при использовании формата Е.164, т.е. 8-ми байтовый сетевой префикс полностью определяет адрес.
Регистрация адреса и префикса осуществляется в момент инициализации или тогда, когда прибавляется или удаляется префикс или адрес. При инициализации адресные и префиксные таблицы инициализируются пустыми. Порядок обмена командами управления UNI при регистрации адреса приведен на рисунке 9.4.
Рисунок 9.4. Сообщения при регистрации адреса пользователя
Примеры других сообщений SNMP рассмотрены в [34]. Подробная структура MIB АТМ UNI ILMI приведена на рисунке 9.5.
Место управления ILMI в общей структуре управления АТМ сети показано на рисунке 9.6.
Агенты системы управления могут выполнять операции управления по «доверенности» (proxi) менеджера системы, что предусмотрено в концепции управления SNMP.
9.4. Управление уровнями АТМ (функции ОАМ)
Общая характеристика управления уровнями АТМ определена рекомендацией ITU-T I.610. На рисунке 9.7 представлено общее функциональное описание управления.
Рисунок 9.5. Структура информационной базы управления
Рисунок 9.6. Место ILMI в модели управления
Рисунок 9.7. Функциональное описание управления уровнями АТМ
Рисунок 9.8. Служебные ячейки физического уровня
Уровни ОAM Fl, F2, F3 отнесены к физическому уровню B-ISDN, т.к. обеспечивают контроль сигнала до его логической и информационной обработки.
Уровни ОАМ F4 и F5 считаются уровнями логической и информационной обработок сигнала, т.к. здесь обеспечивается маршрутизация согласно маршрутных адресов, заложенных в маршрутные таблицы, и коммутация для установления соединения, здесь анализируется неисправность, качество работы сети, производится активация и деактивация.
Для реализации функций ОАМ любой из уровней (F1-F5) способен формировать запросы ОАМ, т.е. вставлять служебную информацию в общий поток данных. Например, для организации запросов уровней F1, F2, F3, относящихся к физическому уровню ОАМ, представленному сетью SDH, для F1 и F2 запросы идут в заголовке RSOH, а для F3 в заголовке MSOH синхронного транспортного модуля (STM-N, N = 1, 4, 16, 64). Для уровней F4, F5 выделяются заранее определенные виртуальные каналы, которые резервируются в каждом виртуальном пути. Эти каналы двусторонние.
Узлы, управляющие вставкой запросов ОАМ в поток информации, контролируют и уничтожают запросы, адресованные им.
На рисунке 9.8 приведен пример возможных служебных ячеек для ОАМ на физическом уровне. Возможные функции уровней F4 и F5 представлены в таблице 9.1.
Таблица 9.1. Функции уровня ОАМ
| Соединение ATM | Уровень ОАМ | Функция уровня ОАМ | Возможная неисправность |
| Виртуальный путь |
F4 | Проверка наличия свободного виртуального пути | Нет свободного виртуального пути |
| Проверка загрузки виртуального пути | Перегрузка виртуального пути | ||
| Виртуальный канал |
F5 | Проверка наличия свободного виртуального канала | Нет свободного канала |
| Проверка загрузки виртуального канала | Перегрузка виртуального канала |
Для сообщений о неисправностях на уровне виртуального пути уровень F4 использует сигнал индикации аварийного состояния AIS (Alarm Indication Signal). Этот сигнал представляет собой служебную ячейку ATM, у которой первый байт поля данных равен 00010000, что означает AIS функции управления виртуального пути (VP) (рисунок 9.9). Наличие сигнала VP-AIS означает для элементов сети (например, коммутаторов), что виртуальные каналы (VC) этого пути так же находятся в аварийном состоянии. Сигналы VP-AIS сразу передаются после обнаружения неисправности и периодически повторяются (период 1 с), пока она существует, и информируют центр управления TMN о нерабочем состоянии пути. После устранения неисправностей передача VP-AIS прекращается.
Для сообщений о неисправностях на уровне виртуального канала уровень F5 использует процедуры, которые аналогичны процедурам уровня F4. Для тестирования ATM соединений используется периодическая инициализация передачи ячеек служебной информации в виртуальных каналах и путях независимо от загрузки этих каналов. Длительное отсутствие в любых каналах служебных ячеек является для системы управления сигналом аварийного состояния.
Рисунок 9.9. Служебная ячейка АТМ для ОАМ
Помимо прямого контроля виртуальных путей и каналов применяется передача по шлейфу служебных ячеек с функциями ОАМ.
При этом VC и VP остаются в работоспособном состоянии, однако, служебные ячейки заворачиваются и возвращаются в пункты их исхода. Служебные ячейки с информацией ОАМ могут быть вставлены в любом месте VC/VP, то есть в его начале или в середине. Они переносят в поле данных инструкции по их возврату (шлейфованию).
Служебные ячейки ОАМ обеспечивают обнаружение неисправностей:
- потеря синхронизации ячеек;
- исправляемые ошибки заголовка;
- неисправляемые ошибки заголовка;
- сигнал неисправности уровня VP;
- нарушение работы уровня VP;
- сигнал неисправности уровня VC;
- сигнал нарушения работы уровня VC;
- сигнал одновременной неисправности уровней VP и VC;
- нарушение одновременное работы VC и VP;
- потеря связности виртуального соединения.
Составной частью функций ОАМ является контроль качества передачи ячеек, который включает следующие параметры:
- количество ячеек с ошибками;
- количество блоков ячеек с ошибками;
- количество потерянных и ложно вставленных ячеек;
- задержка при передаче ячеек и ее вариации.
Структура ячейки ОАМ для контроля качества приведена на рисунке 9.10.
Рисунок 9.10. Структура ячейки контроля качества АТМ
Функции полей ячейки контроля качества:
- порядковый номер используется для контроля связности служебного канала ОАМ;
- TUC0/TUC0+1 (Total User Cell) – данные о количестве ячеек пользователя, среди которых передаются ячейки ОАМ, обозначения индексов (0, 0+1) обозначает бит CLP = 0/CLP = 0+1;
- BEDC0+1 (Block Error Detected Code) – обнаружение ошибок;
- TRCC0/TRCC0+1 (Total Received Cell Count) – квитанция после приема ячеек пользователя, среди которых была ячейка ОАМ; индексы (0/0+1) обозначают биты CLP = 0/CLP = 0+1; знак «+» означает логическое сложение;- BLER0+1 (Block Error Result) – данные об ошибках на стороне приема, обнаруженные по алгоритму BIP-16 (Bit Interleaved Prity) – четности перемежающихся битов [16].
9.5. Контроль и управление трафиком
Для устранения возможных конфликтов при передаче ячеек АТМ через сеть предусмотрен контроль трафика, поступающего от пользователей, и трафика в межсетевых связях.
Контролируемые параметры определены в рекомендациях ITU-T I.311. К ним относятся: входное соединение; параметры, запрашиваемые пользователем; контроль приоритетов; контроль перегрузки (конфликтов или коллизий в коммутаторах). Контроль сопровождается функциями управления трафика.
Контрольные параметры подразделяются на локальные и интервальные.
Локальные параметры контроля: контроль входного соединения САС (Connection Admission Control); контроль приоритета PC (Priority Control); управление ресурсами RM (Resource Management).
Интервальные параметры контроля: запаздывания ячеек CTD (Cell Tolerance Delay); вариации запаздываний ячеек CDV (Cell Delay Variation); потеря ячеек CLR (Cell Loss Ratio) и некоторые другие [1].
На рисунке 9.11 представлена упрощенная структура взаимодействия между оконечным оборудованием широкополосной сети (B-TE, Broadband Terminal Equipment). Это оборудование подключается к сети через эталонную точку (интерфейс) SB, в которой согласуются параметры сетевого окончания B-NT2 (Broadband Network Termination) и B-TE. При этом в качестве B-TE может быть персональный мультимедийный терминал, а B-NT2 выполнять функции сетевого концентратора АТМ.
Рисунок 9.11. Схема взаимодействия оконечного оборудования АТМ сети с контролем параметров передачи
Для подключения сетевого концентратора к коммутатору АТМ применяется блок B-NT1, который согласуется с B-NT2 через интерфейс TB. При этом B-NT1 реализует функции физической среды. Необходимо отметить, что функции B-TE, B-NT2, B-NT1 могут быть совмещены в одном устройстве. Кроме того, благодаря стандартизации точек SB и TB могут быть реализованы различные конфигурации сети доступа (звезда, кольцо, цепочка и т.д.).
9.5.1. Контроль входного соединения
Входное соединение может быть произведено на основе VP/VC. При этом сервисное обслуживание обеспечивается между пользователями. Для реализации сервиса должны существовать требуемые ресурсы сети (скорость передачи в каналах и трактах, задержки и т.д.). Два класса параметров предусматривается поддерживать контролем входного соединения: это набор описанных характеристик источника трафика и другой набор параметров идентификации обязательного класса качества обслуживания (локальные и интервальные).
Контролируемые параметры трафика рассмотрены в разделе 3 (UBR, ABR, VBR, CBR, QoS и т.д.).
9.5.2. Входной контроль параметров трафика пользователя
Контроль параметров пользователя может быть определен набором возможных действий сети по отношению к трафику пользователя, например, обусловленных потерей ячеек, действительностью маршрутизации. Основное назначение контроля состоит в защите сетевых ресурсов от злонамеренных или некорректных воздействий на качество сервиса уже существующих соединений. Благодаря входному контролю и обнаружению нарушений устанавливаются определенные параметры обмена. Контроль параметров применяется и для сквозных соединений. Наблюдение за соединением производится для всех кроссовых соединений в интерфейсе пользователь-сеть, включая сигнализацию.
Рисунок 9.12. Способы контроля трафика пользователя сети
Контроль параметров пользователя включает последовательность функций:
- отметка емкостей действующих VPI/VCI (идентификаторов путей и каналов);
- наблюдение входящего объема трафика сети по индивидуальным активным VP и VC соединением, обеспечивающим заранее определенное отсутствие нарушений (сбоев);
- наблюдение общего объема сконцентрированного трафика от линии доступа;
- отбраковка тех ячеек, которые нарушают установленные параметры трафика.
На рисунках 9.12 демонстрируются отдельные способы контроля входных параметров трафика пользователя широкополосной сети. На рисунке 9.12, а показано прямое соединение по виртуальному каналу пользователя с коммутатором. При этом параметры трафика пользователя контролируются в коммутаторе.
На рисунке 9.12, б показано подключение пользователя через виртуальный канал к концентратору, в котором происходит контроль параметров трафика пользователя.
На рисунке 9.12, в показано подключение пользователя через коммутатор VP к коммутатору VC. При этом контроль параметров трафика осуществляется и в VP и в VC.
На рисунке 9.12, г показано подключение к другому пользователю через VP. Контроль параметров трафика пользователя производится в каждом коммутаторе VP каждого VP соединения пользователя.
9.5.3. Контроль приоритета
Два уровня приоритета предусмотрены в заголовке ATM ячейки (рисунок 2.2), вводимые как CLP (Cell Loss Priority). Этот приоритет обеспечивается механизмом распределения ячеек по разным буферам очереди на маршрутизацию. Буферы соответственно делятся на буферы с высшим и низшим приоритетом. Ячейки, заранее помеченные в CLP, распределяются по этим буферам.
Реальные параметры трафика оцениваются с помощью алгоритма «дырявого ведра», который описан в рекомендации ITU-T I.371 и в спецификациях АТМ-Forum. Кроме того, сообщение об этом алгоритме приведено в [1, 62].
9.5.4. Контроль конфликтов (столкновений) и защита от перегрузки
Перегрузки в широкополосных сетях определяют статус сетевых элементов (коммутаторов, концентраторов, линий передачи) в их возможностях по перегрузочному трафику или контролю ресурсов перегрузки. Сеть может гарантировать заранее оговоренное качество сервиса уже существующих соединений и запросов на новые соединения.
Перегрузки могут служить причиной непредсказуемых статистических флуктуаций потоков трафика или ошибок перегрузки в сети. Например, пользователь или пользователи могут затребовать большие ресурсы, чем необходимые на время соединения заранее оговоренной системе.
Известны несколько методов контроля конфликтов и защиты от перегрузок в сети АТМ:
- большие буферы;
- кредитная схема;
- скоростные схемы с обратной связью.
Большие буферы способны выдерживать высокие перегрузки и переложить задачи восстановления потерянных блоков данных на выше лежащие протоколы. Однако этот метод малоэффективен для повышения производительности сети.
Кредитная схема предусматривает управление потоком ячеек на каждом участке каждого виртуального соединения (рисунок 9.13). На принимающих портах коммутаторов АТМ под конкретные виртуальные соединения резервируются определенные объемы буферной памяти.
В кредитной схеме передатчик трафика получает кредит на передачу определенного числа ячеек, которую можно осуществить без ожидания управляющей информации. Это число ячеек определяется объемом выделенных буферов.
Рисунок 9.13. Кредитная схема управления потоком ячеек
При возникновении перегрузки и переполнения буферной памяти одного из коммутаторов он посылает управляющее сообщение с требованием прекратить передачу данных по перегруженному соединению. Тот прекращает передачу и начинает накапливать данные в своем буфере. В кредитной схеме каждое виртуальное соединение должно снабжаться буфером.
Достоинства кредитной схемы:
- позволяет предотвратить потерю ячеек;
- максимальное эффективное использование полосы пропускания канала;
- возможность работы различных виртуальных соединений в одном физическом канале на разных скоростях.
Недостатки кредитной схемы:
- требует серьезной доработки оборудования АТМ с целью поддержки индивидуальных буферов;
- сложные алгоритмы динамического расчета буферного пространства при установлении коммутируемого виртуального соединения (SVC);
- не является стандартом АТМ-Форума.
Скоростные схемы с обратной связью подразделяются на следующие виды:
FECN (Forward Explicit Congestion Notification) – схема с отрицательной обратной связью вперед;
BECN (Backward Explicit Congestion Notification) – схема с отрицательной обратной связью назад;
PRCA (Proportional Rate Control Algorithm) – алгоритм положительной обратной связи с пропорциональным управлением;
EPRA (Enhanced PRCA) – улучшенный PRCA.
Принцип работы в схеме FECN поясняется рисунком 9.14.
Схема предусматривает использование обратной связи для информирования источника о том, с какой скоростью в данный момент он может передавать ячейки по каждому виртуальному соединению. Когда коммутатор АТМ испытывает перегрузки, он выставляет в проходящих через него ячейках бит FECN (в поле РТ заголовка ячейки), информируя приемник о перегрузке по конкретным соединениям. Приемник направляет сообщение о перегрузках источнику трафика, который, в свою очередь, принимает решение о снижении трафика.
Рисунок 9.14. Принцип работы схемы FECN
Рисунок 9.15. Принцип работы схемы BECN
По аналогичному принципу работает схема BECN. Однако в этой схеме информацию о перегрузке направляет источнику коммутатор, испытывающий перегрузку (рисунок 9.15).
Преимущество схемы BECN в быстрой реакции на перегрузки. Недостаток этой схемы – необходимость «обучения» коммутатора посылать ячейки управления в проходящий поток данных.
Кроме того, обе рассмотренные схемы FECN и BECN страдают от попадания ячеек управления в перегруженные потоки, что затрудняет эффективное регулирование трафика. Могут возникнуть аварийные ситуации, когда ячейки управления не достигнут источника.
В схемах FECN и BECN коммутатор АТМ считается перегруженным, если очередь ячеек на обслуживание (коммутацию, маршрутизацию, мультиплексирование, концентрацию) превышает определенное значение (порог). Получив информацию о перегрузке, передатчик должен снижать трафик. Снижение происходит до тех пор, пока не прекратится поступление информации о перегрузках в пределах определенного временного интервала. После этого интервала передатчик начинает увеличение трафика. Недостатки рассмотренных схем в определенной мере компенсированы другими схемами управления перегрузками: PRCA и EPRCA.
Алгоритм пропорционального управления, разработанный АТМ-Форумом, PRCA основан на положительной обратной связи. В этой схеме источник трафика увеличивает скорость только по получению разрешения приемника. В противном случае передатчик обязан последовательно снижать скорость передачи ячеек. Алгоритм PRCA работает следующим образом. В первой и в N-ой ячейках передаваемых источником, бит в поле РТ установлен в 0, а в остальных в 1. Интервал N задается административно и определяет время реакции на перегрузку. Если приемник не перегружен, то в ответ на каждую ячейку с EFCI = 0 он посылает в передатчик ячейку управления ресурсом RM, разрешающую увеличение скорости. Коммутатор, испытывающий перегрузку, имеет право изменить бит EFCI = 1, запрещая тем самым приемнику генерировать ячейки управления ресурсами RM, или же просто удаляет ячейки RM, передаваемые по каналу к источнику трафика (рисунок 9.16).
Рисунок 9.16. Поток ячеек по схеме PRCA
В обоих случаях источник будет вынужден снижать скорость передачи до тех пор, пока не получит хотя бы одну ячейку RM с 0.
Недостаток схемы PRCA состоит в том, что при прохождении потока через несколько перегруженных участков число ячеек в нем с битами EFCI = 1 будет значительно больше числа таких ячеек в других, не использующих этот алгоритм потоках. Поэтому доступная данному потоку скорость тоже будет существенно ниже.
Алгоритм схемы EPRCA избавлен от проблем схемы PRCA. В этой схеме источник посылает все информационные ячейки с байтом EFCI = 0. Через N таких ячеек посылается ячейка управления ресурсом RM, содержащая значение желаемой максимальной (PCR) и текущей скорости передачи (ACR – Allowed Cell Rate). Испытывающий перегрузку коммутатор подсчитывает свое значение скорости ACR, которое зависит от объема трафика, и выставляет в проходящую ячейку RM. Получив эту ячейку,
приемник отправляет ее обратно передатчику, а тот корректирует свою скорость (рисунок 9.17).
Таким образом, проходя по кругу, ячейки RM «сообщают» информацию о наличии ресурсов по всем участкам сети и возвращаются обратно к источнику со значением наименьших доступных скоростей для каждого виртуального соединения.
В завершении необходимо отметить, что использование схем управления перегрузками позволяет избавиться от проблем конфликтов в сети АТМ и защитить трафик от сбрасывания. При выборе сетевых решений и коммутационного оборудования необходимо обязательно уделять внимание технологиям защиты трафика.
Рисунок 9.17. Принцип работы схемы EPRCA
9.5.5. Управление трафиком в сети АТМ
Управление трафиком в сети АТМ прежде всего предполагает борьбу с перегрузками коммутаторов потоками ячеек. Поэтому управление трафиком является одной из основных задач, а может быть главной составляющей, технологии АТМ. При этом отмечается, что большинство механизмов управления трафиком не имеют стандартной основы и являются интеллектуальной собственностью фирм-производителей продукции АТМ. Принято считать, что управление трафиком это ключевой элемент, различающий различные коммутаторы АТМ.
В качестве механизмов управления перегрузками в сети АТМ применяются:
- сброс на пакетном уровне (ранний сброс или сброс остатков);
- управляемые большие буферы.
Сброс данных на пакетном уровне может происходить на основе двух механизмов:
- ранний сброс пакетов EPD (Early Packet Discard);
- сброс остатков пакета TPD (Tail Packet Discard);
Эти механизмы, как отмечается в научной литературе [26], способны увеличить в 10 раз реальную пропускную способность сети. Применение этих механизмов совместно с методами, рассмотренными в 9.5.4, позволяют делать сети с минимальными потерями. Однако эти механизмы могут применяться отдельно для управления трафиком.
Это обстоятельство весьма важно, поскольку перегрузки могут наступить очень быстро. Что дает, например, ранний сброс пакета? Пакет размещается в n-ом количестве ячеек. Сброс даже одной ячейки этого пакета в его начале (например, поле из 100 ячеек) повлечет нарушение целостности информации и нет смысла передавать остальные 99 ячеек этого пакета. Он может быть восстановлен протоколами выше лежащих уровней (IP, Frame Relay и другими).
Управляемые буферы позволяют организовать индивидуальные очереди для каждого соединения. Объем буфера и алгоритм обработки поступающих в него данных непосредственно связаны с типом трафика (CBR, VBR, ABR, UBR) и его характеристиками времени разброса ячеек. Емкость буферной памяти должна динамически распределяться в соответствии с требуемым качеством обслуживания. Для организации индивидуальных очередей для каждого виртуального соединения общую буферную память необходимо делить на несколько частей, каждая из которых должна быть предназначена для трафика с определенным качеством обслуживания. При этом объем частей буфера и алгоритм работы с ними напрямую связан с типом трафика. Каждый такой буфер обслуживает свои очереди, причем их количество может быть достаточно велико. Емкость буфера определяет стоимость оборудования и вместе с этим емкость буфера может обеспечить защиту от перегрузок.
Известны следующие алгоритмы организации очередей в буферах [30]:
- по принципу FIFO, когда все соединения, относящиеся к одной категории сервиса, помещаются в одну очередь и одинаково страдают от перегрузок;
- с учетом виртуальных соединений очередью FIFO, когда все виртуальные соединения, относящиеся к одной категории сервиса, помещаются в одну очередь;
- разделение очереди для каждого виртуального соединения, при котором перегрузки в одном не влияют на другие.
Контрольные вопросы
1. Что следует понимать под управлением в АТМ?
2. Какие уровни управления предусмотрены в АТМ?
3. Какие протоколы управления могут применяться в сети АТМ?
4. Что представляет собой система «агент-менеджер»?
5. С какой целью применяется ILMI?
6. Что включает в себя информационная база ILMI?
7. Какое отношение имеет ILMI к общей системе управления сетью АТМ?
8. В чем состоят функции уровней управления АТМ?
9. Какая информация содержится в служебных ячейках управления?
10. Что включает ячейка контроля качества АТМ?
11. Какие параметры качества контролируются в сети АТМ?
12. Почему в широкополосной сети АТМ возможны перегрузки?
13. Какие функции выполняет кредитная схема?
14. Какие схемы с обратной связью применимы для управления трафиком АТМ?
15. Что представляют собой режимы борьбы с перегрузками EPD иTPD?
10. Пользовательские возможности
Пользовательские возможности в сети АТМ определяются протоколами передачи данных плоскости пользователя U (рисунок 4.1). Ниже рассмотрены некоторые аспекты передачи данных пользователя в АТМ сети.
10.1. Пользовательские возможности, ориентированные на соединение
Сервис сети АТМ, ориентированный на соединение BC-OBS (Broadband Connection-Oriented Bearer Service), предназначен для поддержки протоколов передачи информации пользователя, предполагающих установление соединения. К таким протоколам относятся: АТМ, Frame Relay, Х25. Кроме того, соединение необходимо в сетях N-ISDN и телефонных.
Сервис BC-OBS, согласно рекомендаций ITU-T F.811 характеризуется следующими параметрами:
- режимом соединения (постоянный, заказной и коммутируемый);
- типом соединения (виртуального пути и виртуального канала);
- категорией услуги передачи (CBR, VBRrt и VBRnrt, ABR, UBR);
- параметрами трафика (пиковой PCR, поддерживаемой SCR и минимальной MCR) скоростями передачи данных; максимальной длиной пакета ячеек MBS; допустимым отклонением времени задержки ячеек CDV;
- классом качества услуги QoS (1, 2, 3, 4 классы), примеры классов качества приведены в таблице 10.1;
- протоколом уровня адаптации (AAL-1, 2, 3/4, 5).
Для сервиса BCOBS кроме выше перечисленных параметров должны поддерживаться дополнительные параметры качества:
- коэффициент ошибочных ячеек CER (Cell Error Ratio);
- доля ячеек, принимаемых не по адресу CMR (Cell Misinsertion Rate);
- коэффициент ошибочных блоков SECBR (Severely Errored Cell Block Ratio, SECBR).
10.2. Пользовательские возможности, неориентированные на соединение
Сервис сети АТМ, неориентированный на установление соединения, предназначен для поддержки протоколов передачи информации пользователя, не предполагающих установление соединения (IP, Ethernet, Token Ring). Этот сервис обеспечивает распределение потоков информации пользователя по соединениям АТМ. Сервис сети АТМ, неориентированный на соединение BCDBS (Broadband Connectionless Data Bearer Service), использует функции сервера неориентированного на соединение CLS (Connectionless Server) и обеспечивает установление соединений АТМ, подтверждение адресов, маршрутизацию, обработку группового адреса, функции ОАМ и т.д.
Для реализации сервиса BCDBS в сети АТМ определены два способа:
- функции CLS выполняет оборудование, подключенное к сети АТМ (рисунок 10.1), при этом сеть АТМ осуществляет только передачу информации пользователя;
- сеть АТМ выполняет функции CLS и осуществляет передачу информации пользователя (рисунок 10.2).
Услуги BCDBS поддерживаются в постоянном, заказном и коммутируемом режимах при этом образуются два вида соединений (виртуальные пути и каналы). Соединения могут иметь различные конфигурации: точка-точка, точка - несколько точек, несколько точек - точка, несколько точек - несколько точек.
Рисунок 10.1. Подключение сервера CLS к сети АТМ в первом варианте
Категории услуг передачи и классы качества соответствуют таблице 10.1. Протокольная реализация AAL-3/4 и AAL-5.
Рисунок 10.2. Подключение сервера CLS во втором варианте
Контрольные вопросы
1. Какие возможности для пользователей предоставляет сеть АТМ?
2. Что характерно для пользовательских возможностей, ориентированных на соединение?
3. Что характерно для пользовательских возможностей, не ориентированных на соединение?
4. Какие функции выполняет сервер CLS?
5. Какими показателями качества оцениваются услуги для пользователей?
11. Принципы построения оборудования АТМ
Оборудование АТМ разделяется на следующие виды [30]:
- адаптеры;
- модули доступа;
- вычислительные платформы;
- коммутаторы;
- кроссовые коммутаторы;
- мультиплексоры (концентраторы) АТМ;
- мультиплексоры по запросу;
- системы управления.
Все указанные виды оборудования имеют свои характерные элементы построения, которые в общем определены рекомендациями ITU-T I.731/732.
11.1. Общая структура оборудования АТМ
Общая функциональная архитектура сетевого элемента B-ISDN на основе АТМ представлена на рисунке 11.1.
Сокращения, приведенные на рисунке:
AEMF (ATM Equipment Management Function) – функции управления оборудованием АТМ;
CONFIG (Configuration) – конфигурирование (функция управления);
FM (Fault Management) – управление повреждением;
PM (Performance Management) – управление рабочими характеристиками;
ACC (Accounting Management) – управление расчетами;
SEC (Security) – безопасность;
MCF (Message Communications Function) – функции передачи сообщений;
CoF (Coordination Function) – функции координации;
Q3 – интерфейс сетевого управления;
F – интерфейс локального управления;
SAP (Service Access Point) – точка доступа.
Через общую архитектуру функций оборудования АТМ ITU-T определил следующие основные конфигурации оборудования:
- кроссовый коммутатор виртуальных путей;
- коммутатор виртуальных каналов;
- мультиплексор виртуальных путей;
- мультиплексор виртуальных каналов до востребования;
- межсетевой мультиплексор виртуальных каналов до востребования.
Все указанные конфигурации оборудования отличаются между собой только верхними уровнями (сигнальных приложений и пользовательских функций), в том числе функциями межсетевых взаимодействий.
Рисунок 11.1. Общая функциональная архитектура сетевого элемента B-ISDN на основе АТМ
11.2. Функции компонентов оборудования АТМ
11.2.1. Функции транспортировки (передачи)
Функции транспортировки – это ядро функционального наполнения оборудования АТМ. Они включают все функции по транспортировке пользовательской, сигнальной и служебной информации от уровня адаптации до физического уровня.
На физическом уровне (среды передачи) в оборудовании обеспечивается линейное электрооптическое преобразование, линейное кодирование, синхронизацию приемной стороны тактами передатчика, генерация циклов передачи, синхронизация, регенерация цифровых данных, мультиплексирование цифровых потоков и волновых оптических каналов. На физическом уровне реализуются скоростные режимы интерфейсов UNI и NNI (155,520 Мбит/с; 622,080 Мбит/с; 2488,320 Мбит/с; 9953,280 Мбит) согласно рекомендаций ITU-T G.703, G.707, G.957, G.958, G.692, I.432.
Кроме того, на физическом уровне в оборудовании АТМ могут быть реализованы интерфейсы, которые не относятся к АТМ, например, Ethernet (10 Мбит/с, 100 Мбит/с, 1000 Мбит/с), Е0 = 64 кбит/с; Х.25 и другие. Физический уровень обеспечивает интерфейсы управления, например Q3 по рекомендациям ITU-T G.773, Q.811 и Q.812, интерфейс локального графического терминала F, интерфейсы синхронизации Т3, Т4 согласно G.703/10.
На уровне АТМ выполняются функции мультиплексирования/демультиплексирования, кроссовой коммутации, поддерживаются виртуальные пути и каналы. Все функции на уровне АТМ разбиты на два блока (VP, VC), каждый из которых обеспечивает четыре функциональные группы:
- собственно мультиплексирование (VP и VC) с образованием ячеек, выработки HEC, извлечения ячеек из потока, скремблирование/дескремблирование;
- реализацию функций эксплуатации всех индивидуальных VP/VC линий, включая образование потока сегментов F4/F5 ОАМ и их блокирования с VP/VC линиями;
- образование соединений VP/VC линий и оконечных точек в сетевых элементах;
- обслуживание соединений из конца в конец через функции F4/F5 ОАМ при соответствующем блокировании с VP/VC оканчивающихся линий.
На уровне AAL реализуются функции с учетом специфики сервиса высших уровней. Типовые функции оборудования АТМ на уровне AAL включают:
- сегментацию и сборку данных пользователя в поточном и блоковом режимах;
- обнаружение и коррекцию ошибок передачи потоков и блоков;
- индикацию длины;
- восстановление синхронизма;
- другие специфические функции.
Функции управления уровнями обеспечивают процедуры конфигурирования, наблюдение аварий, эксплуатационный контроль. Все состояния управления отражаются в AEMF.
11.2.2. Координирующие функции
Функции управления оборудованием АТМ (AEMF) реализуют пять групп исполнения:
- конфигурирования;
- повреждений;
- рабочие характеристики;
- расчеты;
- защита.
Эти функции реализуются в каждом сетевом элементе, включенном в сеть. Как правило, их обеспечивает контроллер управления, который взаимодействует с контроллерами управления уровнями АТМ.
Функции передачи сообщений (MCF) поддерживают протоколы передачи, например, Х.25 и протокол АТМ для управления сетевым элементом и сетью.
Функции координации в оборудовании (CoF) координируют собственно управление уровня AEMF с отдельными управляемыми уровнями. Координирующие функции проходят через плоскость контроля (С - плоскость) и плоскость управления (М - плоскость) и включают:
функции САС, т.е. управление доступом к соединению, контроль доступа к соединению, проверку приемлемости нового соединения; внутренние связи между уровнями.
11.2.3. Сигнальные приложения
Пользовательские окончания имеют доступ благодаря сигнальным процедурам, соответствующим рекомендациям ITU-T Q.2931. Эта сигнализация определена для UNI под названием DSS2.
Межсетевой интерфейс (NNI) обеспечивается сигнальными процедурами согласно рекомендаций ITU-T Q.2761, Q.2762, Q.2763 и Q.2764, определенными под общим названием B-ISUP (Broadband ISDN User Part) – пользовательская часть широкополосной ЦСИС.
11.2.4. Функции межсетевых взаимодействий и хронирования
Функции межсетевых взаимодействий определяются по конкретным приложениям, например, взаимодействие B-ISDN/АТМ с N-ISDN или телефонной сетью общего пользования или B-ISDN/АТМ с Frame Relay.
Функции хронирования (тактирования) предписаны оборудованию АТМ через специальные интерфейсы синхронизации или синхронизации через соединительные линии с контролем качества синхросигналов по джиттеру и вандеру.
11.2.5. Функции защитных переключений
Оборудование АТМ может предусматривать возможности защитных переключений физических блоков, физических трактов (секций мультиплексирования), виртуальных каналов и путей.
11.3. Характеристики оборудования АТМ
Адаптеры – устройства, которые обеспечивают доступ к сети АТМ аппаратуры передачи данных пользователей. Конструктивно выполняются в виде отдельных плат и имеют порт к сети АТМ и системный шинный разъем для включения, например, в персональный компьютер. Адаптер снабжается программой для работы в составе оборудования пользователя.
Модули доступа – устройства, которые обеспечивают согласование сети АТМ с сетями, не поддерживающими функции АТМ, например, с локальными компьютерными сетями. Эти модули могут обеспечить эмуляцию соединения разных локальных сетей в общую сеть.
Коммутаторы АТМ имеют подразделение на коммутаторы доступа (пограничные), коммутаторы рабочих групп, коммутаторы для соединения рабочих групп и магистральные коммутаторы.
Коммутаторы доступа предназначены для подключения к сети АТМ оборудования передачи данных, которое не относится к оборудованию АТМ (учрежденческие АТС, локальные вычислительные сети, N-ISDN и т.д.).
Коммутаторы для рабочих групп обеспечивают взаимодействие терминалов, оснащенных функциями АТМ.
Коммутаторы для соединения рабочих групп соединяют коммутаторы рабочих групп и являются более мощными по сравнению с ними. Эти два типа коммутаторов позволяют создавать корпоративные сети.
Магистральные коммутаторы отличаются очень большой производительностью и предназначены для создания магистральных транспортных сетей общего пользования.
Примеры характеристик ряда коммутаторов АТМ приведены в таблицах 11.1, 11.2.
Таблица 11.1
Таблица 11.2
В состав оборудования АТМ входят следующие физические блоки (слоты):
- электронные коммутаторы и буферная память;
- линейные интерфейсы (электрические и оптические UTP/MM/SM);
- резервные блоки;
- блоки управления и сигнализации;
- источники электропитания;
- блоки адаптеров интерфейсов пользователей.
Характерной тенденцией развития оборудования АТМ стал переход к выпуску мультисервисных платформ от коммутаторов доступа до магистральных коммутаторов. Примерами таких платформ могут служить:
Litespan 1540 – мультисервисный узел доступа для массового абонентского доступа с различными типами услуг;
Alcatel 7670 Routing Switch Platform (RSP) – универсальная мультисервисная платформа для образования ядра мультисервисных сетей с временным мультиплексированием каналов (TDM), передачи данных по протоколам Frame Relay, IP/MPLS, АТМ, телефонной сети, представляющих
различные услуги передачи данных, голоса, видео, любимых сетей.
Технические характеристики указанного оборудования приведены ниже.
Особенности
- поддержка множества технологий доступа в одном конструктиве;
- поддержка различных сетевых топологий;
- возможность гибкого перехода к сетям нового поколения (от TDM к IP);
- открытая архитектура (подключение к любым сетям PDH/SDH/ATM);
- унификация сети доступа (сокращение расходов на создание и поддержку сети);
- единая система управления (удобство обслуживания сети доступа).
Особенности
- масштабируемая платформа операторского класса;
- полное резервирование;
- неблокируемая архитектура коммутирующей матрицы;
- одновременная поддержка на одной платформе всех видов сетевых технологий;
- поддержка классов обслуживания;
- уникальная система управления Alcatel 5620 NM.
Контрольные вопросы
1. Какие компоненты входят в состав общей структуры оборудования АТМ?
2. Какие виды оборудования АТМ могут быть применены в сети?
3. В чем заключены функции транспортировки оборудования АТМ?
4. В чем заключены функции координации в оборудовании АТМ?
5. Какие сигнальные приложения могут быть реализованы в сети АТМ?
6. Какой смысл в функциях оборудования АТМ для межсетевых взаимодействий и тактирования?
7. Что характеризует отдельные виды оборудования АТМ?
8. Чем могут отличаться коммутаторы АТМ друг от друга?
9. Какие тенденции в совершенствовании оборудования АТМ наблюдаются?
10. Какое оборудование АТМ может быть расположено в помещении пользователя (частного лица или юридического лица)?
12. Сетевые решения АТМ
12.1. Сетевые интерфейсы АТМ
На рисунке 12.1 представлена структура сети АТМ с различными интерфейсами.
Интерфейсы, приведенные на схеме:
DXI, Data Exchange Interface – интерфейс АТМ для обмена данными для обмена между терминалом пользователя (ТЕ) и устройством доступа (мультиплексором/концентратором) DSU (Data Service Unit);
UNI, интерфейс пользователя, который может быть использован и для связи коммутаторов разного уровня;
NNI, сетевой интерфейс взаимодействия коммутаторов сетей общего пользования и PNNI сетей частных операторов;
B-ICI (Broadband Inter Carrier Interface) – интерфейс между широкополосными сетями разных операторов;
IWI (Inter Working Function) – шлюз для подключения к сети АТМ различных сетей передачи данных, например, Frame Relay или SMDS (Switched Multimegabit Data Service) – службы мультимегабитной коммутируемой передачи данных;
Рисунок 12.1. Структура сети АТМ
IWF – шлюзы конвертации протоколов передачи данных.
Указанные интерфейсы в сети АТМ выполняют свои функции со своей протокольной и физической ориентацией.
Руководящим документом отрасли в России PД45.123-99 рекомендовано рассматривать следующие интерфейсы и протоколы взаимодействия (таблица 12.1).
Таблица 12.1. Интерфейсы и протоколы используемые при взаимодействии различных узлов сети АТМ
| Взаимодействие узлов АТМ | Интерфейс | Протокол сигнализации |
| Магистральный узел – магистральный узел | NNI | B-ISUP |
| Магистральные узлы разных операторов | NNI | B-ISUP |
| Магистральный узел – узел зарубежных операторов | NNI | B-ISUP |
| Магистральный узел – региональный узел | NNI | B-ISUP |
| Магистральный узел – другие сети электросвязи | UNI, специальный интерфейс пользователя | DSS 2 UNI 3.1 UNI 4.0 |
| Магистральный узел – абонент | UNI, специальный интерфейс пользователя | DSS 2 UNI 3.1 UNI 4.0 |
| Региональный узел – региональный узел | NNI | B-ISUP PNNI |
| Региональный узел – узел услуг | NNI | B-ISUP PNNI |
| Региональные узлы разных операторов | NNI | B-ISUP PNNI |
| Региональный узел – другие сети электросвязи | UNI, специальный интерфейс пользователя | DSS 2 UNI 3.1 UNI 4.0 |
| Региональный узел – абонент | UNI, специальный интерфейс пользователя | DSS 2 UNI 3.1 UNI 4.0 |
12.2. Доступ в сеть АТМ
ITU-T определил базовые архитектуры доступа в сети АТМ. Примеры этих архитектур приведены на рисунке 12.2.
Архитектуры представлены функциональными группами (B-TE1, B-NT, B-TA и т.д.) и эталонными точками (интерфейсами SB, TB, R).
Рисунок 12.2. Эталонные конфигурации доступа
Одно или несколько стандартных широкополосных оконечных устройств пользователей (B-TE1 – Broadband Terminal Equipment) подключается к широкополосному сетевому окончанию (B-NT – Broadband Network Termination). При этом оконечные устройства могут быть однотипными или представлять собой комбинацию разнотипных устройств. B-NT1 выполняет функции линейного окончания. B-NT2 выполняет функции подключения к одной линии доступа нескольких линий для различных услуг. Эталонные точки SB, TB, R предназначены для преобразования сигналов. Устройства, ранее не приспособленные к работе в сети АТМ, могут быть подключены через широкополосные терминальные адаптеры (B-TA). B-NT1 обеспечивает независимость всех остальных функциональных групп от способа передачи по линии доступа. B-NT2 выполняет функции как физического уровня так и функции протокольных уровней (ATM, AAL, ISO/OSI). Такими функциями могут быть:
- адаптация к различным физическим интерфейсам и топологиям (шина, кольцо, звезда в сетях Ethernet, Token Ring, FDDI и др.);
- мультиплексирование/демультиплексирование, т.е. концентрация/ разделение трафика источников;
- распределение ресурсов по приоритетам;
- контроль параметров пользователей;
- управление сигнализацией;
- замыкание внутреннего трафика.
Пример эталонной конфигурации широкополосной сети АТМ приведен на рисунке 12.3.
Рисунок 12.3. Эталонная конфигурация B-ISDN согласно ITU-T
Из рисунка 12.3 видна граница между сетью доступа и транспортной сетью, которая проходит через интерфейс ТВ, т.е. точку, в которой формируется поток ячеек АТМ.
Рисунок 12.4. Варианты сети доступа АТМ
Типовыми физическими конфигурациями сети доступа принято считать, согласно ряда рекомендаций ITU-T (G.902, G.982, I.432), следующие:
- пассивную оптическую сеть с оптическими сетевыми блоками на конце и оптоволокном в дом;
- сеть доступа с медными линиями и технологиями xDSL (ADSL, HDSL, SHDSL);
- радиодоступ по схеме «точка-точка» или «точка-много точек».
Пассивные оптические сети могут быть выполнены по одному из следующих вариантов (рисунок 12.4):
- оптическое волокно до сетевого окончания у абонента FTTH (Fibre to the Home);
- оптическое волокно до распределительного шкафа, к которому подключены несколько пользователей FTTC (Fibre to the Carb);
- оптическое волокно до офиса FITO (Fibre to the Office);
- гибридные решения FTTC – медные линии (коаксиальные, давшие название HFC (Hybrid Fibre Coax), и симметричные витые
- пары – неэкранированные UTP (Unshielded Twisted Pair) и экранированные STP (Shielded Twisted Pair).
Пример интегрированной пассивной оптической сети доступа приведен на рисунке 12.5.
Рисунок 12.5. Пример построения пассивной оптической сети АТМ, совмещенной с сетью телевидения
E/O – электрооптический преобразователь;
O/E– оптоэлектронный преобразователь;
PON (Passive Optical Network) – пассивная оптическая сеть;
ES – электрический разветвитель;
OS – оптический разветвитель;
ATM NT – сетевое окончание сети АТМ;
ONT (Optical Network Termination) – оптическое сетевое окончание
Рисунок 12.6. Решения по доступу в АТМ с технологиями xDSL
DSLAM (DSL Access Multiplexer) – мультиплексор доступа
технологий DSL;
VBx – широкополосный стандартный интерфейс;
Ш – шлюзовое подключение пользователей (адаптеры)
Пример сети на рисунке 12.5 характерен низкой стоимостью подключения пользователей и по этой причине решение PON нашло широкое применение. По некоторым оценкам [42] это решение позволит ежегодно подключать в B-ISDN до 80 000 пользователей в Северной Америке.
Альтернативным или дополняющим решением по доступу в АТМ-PON считается xDSL (Digital Subscriber Line) – цифровая абонентская линия на медном кабеле.
Некоторые возможные решения по доступу в АТМ с технологиями xDSL показаны на рисунке 12.6.
Технологии xDSL, пригодные для использования в доступе к сети АТМ подразделяются:
HDSL (High-bit-rate Digital Subscriber Loop) – высокоскоростная цифровая абонентская линия, обеспечивающая скорость передачи данных до 2,048 Мбит/с по одной, двум, трем парам медных кабелей;
SHDSL (Single Pair Symmetrical DSL) – симметричная высокоскоростная цифровая абонентская линия, работающая по одной паре медного кабеля, обеспечивающая передачу данных на скорости до 2,048 Мбит/с;
ADSL и ADSL-lite (Asymmetric DSL) – асимметричная цифровая абонентская линия и облегченная цифровая абонентская линия, не требующая специального разветвителя, обеспечивают передачу данных разными скоростями от абонентов до 1 Мбит/с и к абонентам до 8 Мбит/c;
VDSL (Very-high-rate DSL) – высокоскоростной DSL – дельнейшее развитие ADSL, которое позволяет перейти к режимам передачи к абоненту по симметричной витой паре до 52 Мбит/с и от абонента до 2,3 Мбит/с.
Сочетание xDSL и DSLAM также позволяют строить эффективную систему доступа. Учитывая, что для xDSL решений подходят низкочастотные медные кабели телефонных сетей при соответствующем подборе пар, эти решения могут быстро внедряться на сети доступа. Детальные сведения по технологиям xDSL можно найти в многочисленной литературе [30, 31, 34, 41, 43].
Важными элементами сетей доступа с АТМ являются широкополосные интерфейсы VBx (х = 1, 2, 3, 4, 5), стандартизированные ITU-T и ETSI в 1994 году [47, 48]. Функции интерфейса VB5.х рассмотрены в отдельном разделе.
Беспроводной доступ в АТМ сеть (радиодоступ) может рассматриваться также альтернативным решением оптическому проводному. Такие решения предлагают ряд ведущих производителей широкополосного оборудования (Alcatel, BOSCH, Siemens). При этом в режиме тока-точка гарантируется скоростной режим передачи от 2 Мбит/с до 52 Мбит/с на расстояние от 5 до 10 км в диапазоне частот 2 - 40ГГц.
Другим вариантом беспроводного доступа может быть атмосферный лазерный канал, зависящий от погодных условий, по которому можно передавать данные от 2 Мбит/с до 155 Мбит/с, но с ограничением дальности передачи соответственно скоростям от 10 до 1 км.
12.3. Интерфейсы широкополосного доступа VB5x
Интерфейсы VB5.1 и VB5.2 определены рекомендациями ITU-T G.964, G.965 и специфицированы ETSI.
Функциональное наполнение интерфейсов:
- основаны на АТМ;
- реализуются независимо от физического уровня;
- независимы от используемых сигнальных протоколов;
- обеспечивают концентрацию в сети доступа;
- масштабируемы;
- поддерживают B-ISDN и не B-ISDN доступ;
- поддерживают интерфейсы UNI.
Рисунок 12.7. Функции интерфейса VB5
Рисунок 12.8. Структура терминала мультимедиа для B-ISDN
VB5.1 обеспечивает простые кроссовые соединения виртуальных путей VP. VB5.2 кроме соединений обеспечивает концентрацию в сети доступа под контролем узла услуг. Составляющие интерфейса VB5 показаны в упрощенном формате на рисунке 12.7.
Сокращения на рисунке 12.7:
RTMC (Real-Time Management Coordination) – координация управления в реальном времени;
B-BCC (Broadband Bearer Channel Connection) – соединение широкополосного пользовательского канала.
Протоколы RTMC и B-BCC обеспечивают поддержку сигнального обмена между сетью доступа и узлом услуг [48].
12.4. Структура типового терминала B-ISDN
Для прямого подключения к B-ISDN на основе АТМ ITU-T предложил два варианта мультимедийных терминалов: Н.310 и Н.321. При этом терминал Н.321 является адаптированным, т.к. он изначально создавался для N-ISDN. На рисунке 12.8 представлена структура терминала мультимедиа для B-ISDN, определенная рекомендациями ITU-T Н.321.
Как видно из рисунка все функциональные узлы определены рекомендациями ITU-T, более детальный анализ которых применительно к мультимедийным терминалам можно найти в [50].
12.5. Взаимодействие сетей АТМ с другими сетями
Сеть АТМ может использоваться в качестве транспортной сети, обеспечивающей взаимодействие вторичных сетей, таких как телефонные, ISDN, сетей передачи данных Х.25, Frame Relay, IP.
Рассмотрение вопросов, связанных с этими взаимодействиями тема отдельной учебной работы, объем которой не уступит предлагаемому учебному пособию. Необходимую информацию по взаимодействию сетей можно найти в многочисленных изданиях, которые стали доступны в последние годы [1, 2, 9, 11, 20, 21, 28, 29].
Рисунок 12.9. Относительная эффективность использования линейной скорости в сети АТМ
12.6. Эффективность мультиплексирования трафика в сети АТМ
На рисунке 12.9 демонстрируется эффективность статистического мультиплексирования разнотипного трафика в сети АТМ (VBR) относительно передачи с постоянной скоростью (CBR). Ниже приведены соотношения для расчёта основных показателей трафика и производительности узлов коммутации. В основе расчетов использованы соотношения, рассмотренные в [1, 14, 25].
Трафик сети АТМ может быть охарактеризован следующими показателями:
- пиковая скорость передачи К-ой службы: В(к)пик ; (максим)
- средняя скорость передачи К-ой службы: В(к)ср;
- пачечность К(к)пач , определяемая соотношением:
- среднее время пика Тр(к) К-ой службы
Скорость передачи информации, доступная пользователю данной службы, - одно из ключевых понятий в B-ISDN. Поэтому все службы B-ISDN разделяются на две категории – с постоянной (ПСП) и изменяющейся (ИСП) скоростями передачи.
Каждое сетевое окончание (абонентская установка) характеризуется параметрами телетрафика:
- интенсивность входящего потока заявок на предоставление услуг (вызов/час), -
терм;
- средняя длительность сеанса связи Т(к)сеанс;
- удельная интенсивность нагрузки:
Для служб с изменяющимся трафиком для описания скорости передачи используются:
- пиковая (максимальная) скорость передачи В(к)мах;
- средняя битовая скорость В(к)ср;
- пачечность К(к)пач = В(к)мах / В(к)ср;
- среднее время пика Т(к)пик.
Для служб с постоянной скоростью передачи В(к)мах = const на всем периоде сеанса.
Для расчета необходимой пропускной способности цифровых трактов (секций) и производительности коммутаторов предполагается:
- поток заявок, поступающий от К-ой службы для доступа к коммутатору, является пуассоновским с функцией распределения вероятностей промежутков времени между поступлениями:
;
- скорости передачи терминалов К-ой службы с изменяющейся скоростью передачи – случайные дискретные величины, принимающие значения В(к)мах или 0 с вероятностью
Р(к) = 1 / К(к)n или q(к) = 1 – Р(к) соответственно.
Среднее значение и дисперсия битовой скорости передачи К-ой службы при образовании N-числа виртуальных каналов могут быть найдены:
Среднее значение и дисперсия случайной величины битовой скорости передачи в тракте, которая требуется для удовлетворения потребностей пользователей, определяется согласно теоремам сложения математических ожиданий и дисперсий:
Среднее значение и дисперсия пакетов (ячеек) АТМ, которые необходимы в единицу времени абоненту К-ой службы для транспортировки трафика:
Учитывая, что число абонентов B-ISDN достаточно велико, можно считать закон распределения суммарной пропускной способности узла и трактов нормальным. В этом случае вероятность события, состоящего в том, что требуемая различными службами скорость передачи информации превышает битовую скорость тракта: 
,
где Ф(U) - интегральная функция нормального закона распределения,
Задаваясь значением Р (В >= Вмах тр) можно найти значение U и вычислить Вмах тр:
Все необходимые исходные данные приведены в указанной литературе.
Контрольные вопросы
1. Какие сетевые интерфейсы могут быть в сети АТМ?
2. Чем отличаются NNI и PNNI?
3. В каких случаях UNI выполняют функции UNI?
4. Какие протоколы сигнализации предусмотрены для NNI и UNI?
5. Какие элементы входят в эталонную архитектуру доступа в B-ISDN?
6. Какие функции выполняет B-NT1, B-NT2?
7. Какое назначение имеют интерфейсы SB, TB, R в структуре доступа в B-ISDN?
8. Что может служить основой сети доступа B-ISDN?
9. В чем смысл технологий доступа FTTH, FTTC, FTTO?
10. Почему пассивные оптические сети признаны одним из оптимальных способов построения доступа в B-ISDN?
11. Когда имеет смысл применять технологии доступа xDSL?
12. Чем отличается HDSL, SHDSL, ADSL?
13. Какие виды беспроводного доступа могут быть применены в B-ISDN?
14. Какие функции обеспечивают интерфейсы VB5.x?
15. Что входит в структуру типового терминала B-ISDN?
16. Почему мультиплексирование в АТМ на переменной скорости эффективно?
17. Какими данные необходимы для расчёта пропускной способности трактов и производительности центров коммутации?
Список литературы
1. Назаров А.Н., Смирнов М.В. АТМ технология высокоскоростных сетей. – М.: ЭКОТРЕНДЗ, 1997.
2. Нетес В.А. Технология асинхронного режима переноса (АТМ). – М.: КОМСЕТ НТЦ Курсы «Новые технологии связи», 1997. С. 26.
3. Лазарев В.К. Интеллектуальные цифровые сети. – М.: Финансы и статистика, 1996.
4. Нейман В.Н. сети с асинхронным способом передачи АТМ // Автоматика, телемеханика и связь, № 4, 1997. С. 19-22.
5. Владимиров Н.А. Технология АТМ: основные положения // Сети, № 2, 1996. С. 62-68.
6. Введение в АТМ // Сети, № 5, 1997. С. 37-46.
7. Петерсен Л. Категории служб в сетях АТМ // Сети и системы связи, 1996, № 5. С. 44-48.
8. Аленов А.М. Применение концепции TMN для управления сетями АТМ // Сети и системы связи, № 1, 1998. С. 64-69.
9. Бессарабский Ю.А. Передача голоса по сетям АТМ // Сети и системы связи, № 1, 1998. С. 94-99, № 3. С. 92-97.
10. Уиллис Д. Магистральные коммутаторы АТМ для распределенных корпоративных сетей // Сети и системы связи, № 2, 1998. С. 76-91.
11. Корпоративные территориальные сети связи. Выпуск 3. М.: Информ-связь, 1997.
12. Якубайтис Э.А. Информационные сети и системы. Справочная книга. – М.: Финансы и статистика, 1996.
13. Буассо М., Деманж, Ж.-М. Мюнье. Введение в технологию АТМ. – М.: Радио и связь, 1997.
14. Захаров Г.П., Симонов М.В., Яновский Г.Г. Широкополосные цифровые сети интегрального обслуживания / СПбГУТ. – СПб, 1996.
15. Шатт С. Мир компьютерных сетей. – Киев.: «BHV», 1996.
16. Синхронная цифровая иерархия / Renzo Valente, Marco Cazpanelli, Pnolo Lazzuro / Перевод с итальянского. Под общ. ред. проф. Б.И. Крука. – Новосибирск.: СибГАТИ, 1998.
17. Васильев А.Б. и др. Проблемы сигнализации в сетях АТМ общего пользования // Вестник связи, № 4, 1998. С. 165-170.
18. Брынкин И.В. Передача телефонного трафика в сетях АТМ // Вестник связи, 1998, № 4. С. 136-139.
19. Царев Н.В. Мир TCP/IP. Протокол SNMP // Сети и системы связи, 1996, № 7. С. 102-106.
20. Кульгин М. Технологии корпоративных сетей. Энциклопедия. – Спб.: Питер, 1999. – 704 с.
21. Крейнес А. Абонентские устройства доступа к магистральным сетям АТМ // Сети, 1998, № 4. С. 92-96.
22. Ким Л.Т. Синхронные, асинхронные и плезиохронные системы передачи // Электросвязь, 1998, № 1. С. 17-20.
23. Алленов О.М. Защита от перегрузок в сетях АТМ // Сети и системы связи, 1998, № 5. С. 142-146.
24. Коновер Джоэл. Коммутаторы АТМ на магистральной корпоративной сети // Сети и системы связи, 1998, № 3. С. 40-51.
25. Захаров Г.П., Мещеряков С.П., Симонов М.В. Пути внедрения технологии Ш-ЦСИС в России // Электросвязь, 1995, № 5. С. 15-17.
26. Алленов О.М. Управление трафиком АТМ // Сети и системы связи, 1998, № 4. С. 86-91.
27. Морозов В.П. Система сигнализации в B-ISDN UNI 3.х: Функционирование и тестирование // Сети и системы связи, 1999, № 2. С. 81-85. № 3. С. 72-76.
28. Бакланов И.Г. Технологии измерений первичной сети. Часть 2. Системы синхронизации, B-ISDN, АТМ. – М.: ЭКОТРЕНДЗ, 2000. – 150 с.
29. Щербо В.К. Стандарты вычислительных сетей. Взаимосвязи сетей. Справочник. – М.: Кудиц-Образ, 2000. – 272 с.
30. Назаров А.Н., Разживин И.А., Симонов М.В. АТМ: технические решения создания сетей. – М.: Горячая линия – Телеком, 2001. – 376 с.
31. Шмалько А.В. Цифровые сети связи. Основы планирования и построения. – М.: ЭКОТРЕНДЗ, 2001. – 283 с.
32. Новиков С.Н. Методы маршрутизации на цифровых широкополосных сетях связи. Часть 1. Учебное пособие. – Н.: 2000. – 84 с.
33. Хендерсон Л., Дженкинс Т. Frame Relay. межсетевое взаимодействие: Пер. с англ. – М.: Горячая линия – Телеком, ЭНТРОП, 2000. – 320 с.
34. Олифер В.Г., Олифер Н.А. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы. – СПб.: Питер, 1999. – 672 с.
35. Вудс Д. Доступ к АТМ – ключ конвергенции // Сети и системы связи, 2000, № 2. – С. 87-95.
36. Кучерявый А.Е. Перспективы внедрения средств широкополосной коммутации на основе технологии АТМ // Электросвязь, 1999, № 3. С. 31-32.
37. Жуков А.О., Михалевич И.Ф., Сычев К.И. Модель защищенного телефонного трафика для сетей АТМ // Электросвязь, 1999, № 3. С. 33-36.
38. Мошак Н.Н. Анализ программной структуры сети АТМ // Электросвязь, 2002, № 8. С. 29-33.
39. Пороцкий С. Моделирование алгоритма маршрутизации транспортной сети АТМ // Электросвязь, 2000, № 10. С. 16-19.
40. Руководящий документ отрасли РД.45.123-99. Порядок применения технологии АТМ на ВСС России. Временное положение. – М.: Гостелеком России, 1999. – 83 с.
41. Azcorra A., Larrubeiti D. IP/ATM Integrated Services over Broadband Access Copper Technologies // IEEE Commun. Mag., 1999, № 5. С. 90-97.
42. Kettler D., Kafka H., Spears D. Diving Fiber to the Home // IEEE Commun. Mag., 2000, № 11. С. 106-110.
43. Narumiya K. A Consideration of ADSL Service under NTT’s Network // IEEE Commun. Mag., 1999, № 5. С. 98-101.
44. Lee Y-C., Kao T-L., Wu K-T. Design of ATM AAL 1 SAR for Circuit Emulation // IEEE Transaction on Communications, 1998, № 9. С. 1117-1121.
45. Choi Y-H., Lee K-H., Lee J-Y., Lee S-B. OAM MIB: An End-to-End Performance Management Solution for ATM // IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2000, № 5. С. 767-778.
46. Aarhum I. Wireline broadband access networks // Telectronikk 2/3, 1999. С. 73-87.
47. Hale M.A., Gillespie A.T., James K.A. The VB5 interface // BT Technol, 1998, № 2. С. 99-111.
48. Giannakakis P., Lepidas N., Pikrammenos I. The broadband bearer connection control protocol: performance driven design and implementation // Computer Communications, 1999, 22. С. 1549-1561.
49. Gillespil A., Orth B., Protumo A., Webster S. Evolution Access Networks: A European Perspective // IEEE Commun. Mag., 1997, № 3. С. 47-54.
50. Синепол В.С., Цикин И.А. Системы компьютерной видеоконференцсвязи. – М.: ООО Мобильные коммуникации, 1999. – 166 с.
51. Optical output buffered ATM switch prototype based on FRONTIERNET architecture// IEEE Journal on selected areas in communications,1998,№7, с.1298-1308.
52. Штайнке С. Протокольные анализаторы АТМ// LAN, декабрь,1999, с. 93-99.
53. Сатовский Б.А., Шелманов О.О. Решение проблемы синхронизации в распределённых сетях АТМ// Сети и системы связи, 2000,№1, с. 78-82.
54. Брик Д.В. Тестирование параметров различных категорий сервиса и параметров транспортной среды сетей АТМ//Метрология и измерительная техника в связи, 1999, №6, с. 48-50.
55. Мартин Дж., Кэтлин Кэвен Чапмен, Джо Либен. Архитектура и реализация АТМ, Пер. с англ. Изд. «Лори», 2000.-214 с.
56. Вудс Дарри. Интегрированные устройства доступа АТМ// Сети и системы связи, 2000,№13, с.92-101.
57. Елантьев А.Т. Что лучше строить АТМ или SDH?// Вестник связи, 2001,№6, с.65-68.
58. Мошак Н.Н. Анализ логической структуры транспортной сети АТМ// Электросвязь, 2001,№9, с.40-44.
59. Санин Ю.В., Снегирёв С.В. Синтез специального алгоритма вычисления маршрута в сети АТМ// Телекоммуникации, 2002,№11, с.15-17.
60. Алленов О.М. Технология GMPLS:Универсальная многопротокольная коммутация меток// Вестник связи, 2002,№8,с. 28-37.
61. Фокин В.Г. Проектирование тактовой сетевой синхронизации. Новосибирск, из-во СибГУТИ, 2002. - 46с.
62. Таненбаум Э. Компьютерные сети. Третье издание. СПб., Питер, 2002.-848 с.