Сеть ATM - Канальный уровень

Материал из Национальной библиотеки им. Н. Э. Баумана
Последнее изменение этой страницы: 14:59, 10 января 2015.
Данная статья была согласована с её автором Р.А. Бельферым 28 апреля 2012 года.

__NUMBEREDHEADINGS__

Уровень ATМ

В канальный (второй) уровень сети ATM входят уровень ATM и уровень адаптации ATM (см. рис.1, глава 9). На приведенном ниже рис. 1 показан стек протоколов уровней узлов транспортной сети и оконечных станций АТМ при выполнении процедур передачи ячеек. При выполнении процедур сигнализации стек протоколов отличается и будет приведен позже в настоящей главе.

Рис. 1. Стек протоколов уровней АТМ при выполнении процедуры передачи ячеек

Уровень АТМ является частью второго уровня модели OSI. Остальная часть второго уровня относится к процедуре уровня адаптации ATM AAL, расположена в оконечной станции. Входными данными для уровня АТМ на оконечной станции являются 48-байтовые элементы данных подуровня сегментации и повторной сборки SAR (Segmentation and Reassembly) уровня адаптации AAL (ATM adaptation layer). Элементы данных PDU уровня AAL пересылаются от объекта уровня в одной системе к одноранговому объекту в другой системе. Уровень АТМ добавляет к этим полезным данным 5-байтовый заголовок ячейки АТМ. В состав заголовка ячейки АТМ входят следующие поля.

  1. Идентификатор виртуального пути VPI (Virtual Path Identifier) и виртуального канала VCI (Virtual Channel Identifier), служащие логическими адресами для маршрутизации ячеек.
  2. Тип полезной нагрузки PT (Payload Type) из трех бит:
    • бит идентификатора типа нагрузки (данные пользователя или данные операций администрирования и технического обслуживания OAM -Operation, Administration and Maintenance). OAM переносит информацию управления сетью, процедуры сигнализации, маршрутизации и др;
    • бит указания того, столкнулась или нет определенная ячейка с состоянием перезагрузки в сети;
    • бит, указывающий является ли ячейка последней в сообщении. В сети FR функцию сегментирования сообщений выполняют верхние уровни.
  3. Бит приоритета потери ячеек CLP (Cell Loss Priority) указывает на то, будет ли уничтожена ячейка в случае возникновения перегрузки. Если этот бит установлен и в сети возникла перегрузка (это состояние фиксируется в приведенном выше поле полезной нагрузки PT), то ячейка уничтожается. В противном случае она передаётся дальше. Данный бит подобен биту разрешения на уничтожение DE в сети Frame Relay (глава 8).
  4. Поле контроля ошибок в заголовке HEC на подуровне конвергенции физического уровня ATM при приёме ячейки либо исправляет одиночные ошибки, либо обнаруживает ошибки большей кратности и отбрасывает эти ячейки (см. главу 9).


Поле идентификаторов виртуального пути и виртуального канала

В отличие от технологи Х.25 и FR, которые имеют одно уникальное значение для определенного интерфейса, ячейки АТМ имеют два значения (на двух уровнях) – виртуальный путь VP (Virtual Path) и виртуальный канал VС (Virtual Channel). 8-разрядное для интерфейса «пользователь - сеть» и 12-разрядное для интерфейса «сеть - сеть» поле заголовка АТМ используется для идентификации виртуального пути VPI (Virtual Path Identification), а 16-разрядное поле – для идентификации виртуального канала VCI (Virtual Channel Identification ). Каждый из этих идентификаторов сродни уникальным значениям для определенного интерфейса LCN в Х.25 и DLCI в сети FR.

В АТМ могут использовать те же типы виртуальных каналов, что и в сети FR: постоянный ПВК, коммутируемый КВК и коммутируемый постоянный КПВК (т.е. соответственно PVC, SVC, SPVC). Виртуальные каналы АТМ часто связывают в один виртуальный путь. Для этого служит идентификация каналов на двух уровнях – виртуальный канал VC и виртуальный путь VP. Отдельно взятый коммутатор может выполнять коммутацию канала VC, коммутацию пути VP или обе коммутации. Эти логические идентификаторы можно рассматривать как «вложенные».

Идея комбинации значений VPI/VCI состоит в том, что идентификатор VCI рассматривается в пределах идентификатора VPI. Например, комбинация 3/40 обозначает, что используется значение идентификатора виртуального канала (VCI), равное 40, для идентификатора виртуального пути VPI, равного 3. Комбинация двух идентификаторов является идентификатором соединения. Виртуальный путь VP содержит множество виртуальных каналов (Virtual Circuits – VCs), а виртуальное канальное соединение (Virtual Circuit Connection – VCC) содержит множество путей VP.

Связывание виртуальных каналов обычно формирует один VP, а связанные VP, как правило, находятся в одном физическом канале передачи. Следует отметить, что 24 бита, выделенные для полей VPI/VCI в заголовке ячейки АТМ, могут поддерживать максимум 16888216 пользователей в одном физическом канале АТМ! Учитывая высокие скорости передачи данных на физическом уровне АТМ до нескольких терабит в секунду (при использовании технологии волнового мультиплексирования), не представляется невероятным то, что миллионы пользователей смогут совместно использовать один канал передачи данных. Так же следует заметить, что определенные значения VPI/VCI зарезервированы для использования в сетевом управлении и задач управления ресурсами, таких как сообщения и отчеты о неисправности сети. Для иллюстрации коммутации в сети АТМ приведем пример иерархической адресации VPI/VCI при использовании постоянных виртуальных каналов PVC .

Предположим, что необходимо создать схему адресации АТМ-сети на основе PVC-каналов с учетом того, что она состоит из трех филиалов, которые в трех крупных штатах США: Калифорния, Техас и штат Нью-Йорк (рис. 2). В каждом из штатов необходимо соединить АТМ-каналами по три крупных города. В штате Калифорния – Сан-Франциско, Лос-Анджелес и Сан-Хосе. В штате Техас – Хьюстон, Даллас и Ости; в штате Нью-Йорк – Буффало, Нью-Йорк и Олбани. В результате анализа трафика был сделан вывод, что наиболее эффективной в создаваемой структуре будет полносвязная топология. Поэтому чтобы упростить управление сетью, было принято решение о создании иерархической схемы адресации, в которой каждому из трех штатов будет соответствовать только один идентификатор – номер VPI. Чтобы установить соединение с коммутатором в некотором из штатов, необходимо указать город, добавив другой уникальный адресный идентификатор – VCI. Рассмотрим данный процесс на конкретном примере когда коммутатор, анализируя ячейки, которые поступают из базовой сети, определяет, что в них установлено значение VPI равное 9. Это означает, что данный трафик необходимо направить к коммутатору штата Калифорния. Если значение равно 11, то трафик должен быть перенаправлен в Нью-Йорк, если 5 – в Техас. Далее выполняется второй уровень коммутации, когда для определения города в который необходимо направить данные, анализируются оба значения: и VPI и VCI. Например, коммутатор штата Калифорния перенаправляет ячейки, значение VPI которых равно 9, а значении VCI равно 181 в Сан-Франциско. Соединяться с любым штатом можно зная только значение VPI. Следует заметить, что значение VPI, так же как и значения VCI, имеют только локальное значение для каждого интерфейса коммутатора. Когда рассматривают виртуальное соединение, то подразумевают, что коммутатор АТМ перенаправляет ячейки, основываясь на полной комбинации значения VPI/VCI.

Рис. 2. Пример иерархической адресации VPI/VCI в сети АТМ

Параметры трафика и показатели качества обслуживания

Для сети ATM определено четыре класса служб (табл. 1), охватывающих весь спектр мультимедийного характера трафика.

Таблица 1. Классы служб АТМ
Класс службы A B C D
Режим соединения С установлением соединения Без установления соединения
Скорость Постоянная Переменная
Тип трафика Постоянная скорость для передачи речи, аудио, видео Сжатые речь, аудио, видео Передача данных для банковских транзакций и др. Передача данных без установления соединения

Служба класса А предназначена для поддержки аудио и видео-приложений, где информацию нужно передавать с постоянной скоростью. Службы класса В обеспечивает передачу уплотненного речевого, аудио или видео-трафика, поэтому трафик носит пульсирующий характер, а скорость пересылки данных может изменяться. Служба класса С обеспечивает передачу данных пакетной коммутацией . Служба класса D предназначена для передачи данных без установления соединения. Каждый пакет, передаваемый в сеть, содержит полные адреса отправителя и получателя. Не гарантируется потеря ячеек. Такая доставка по возможности («best effort») либо не ставит задачу надежного обмена с гарантией показателя вероятности потери ячеек, либо предусматривается восстановление потерянных ячеек на верхнем уровне, т.е. в оконечной станции.

В сети пакетной коммутации Frame Relay для установления виртуального соединения предусмотрен только один параметр трафика — согласованная скорость передачи CIR, которую сеть обязана поддержать при обычных условиях (глава 8). В мультимедийной сети АТМ для установления виртуального соединения по запросу пользователя предусмотрены следующие параметры трафика:

  1. PCR (Peak Cell Rate) – верхняя граница скорости передачи ячеек, указывающая на максимальное количество ячеек, переданных за одну секунду.
  2. SCR (Sustained Cell Rate) – средняя скорость передачи ячеек, указывающая на согласованный верхний уровень среднего количества ячеек, которое может быть передано за одну секунду.
  3. MCR (Minimum Cell Rate) – минимальная скорость передачи ячеек, с которой отправитель может передавать данные.
  4. MBS (Maximum Burst Size) – максимальная величина пульсации, указывающая на максимальное количество ячеек для скорости PCR, которые могут быть переданы по некоторому соединению.
  5. CDVT (Cell Delay Variation Tolerance) – максимально допустимое отклонение задержки ячеек. В отличие от Frame Relay в сети АТМ при установлении виртуального соединения пользователю предоставлена возможность затребовать гарантию обеспечения следующих характеристик качества обслуживания QoS.
  6. MCTD (Maximum Cell Transfer Delay) – максимальная задержка при передаче ячеек, определяемая временем задержки при передаче ячеек, определяемая временем передачи ячейки от одной оконечной станции к другой.
  7. CDV (Cell Delay Variation) – амплитуда отклонения задержки ячеек. Изменения времени между двумя последовательными передачами называется флюктуацией фазы или джиттером. Это вызывает искажения видео или речи, которые выражаются в дрожании. Согласно спецификации АТМ-форума значение CDVT является параметром трафика, а не параметром QoS и поэтому не требует уникальной величины при установлении соединения. На рис. 3 приведены примеры сильной и слабой флюктуации.
    Рис. 3. Примеры сильной (а) и слабой (б) флюктуации
  8. CLR (Cell Loss Ratio) – вероятность потери ячеек, равная отношению потерянных к общему числу переданных ячеек.

Установление коммутируемого виртуального канала в сети АТМ во многом похоже на то, как это осуществляется в сети Frame Relay на приведенной на диаграмме рис. 5 (глава 8). В следующих разделах будет отмечены отличия в сети АТМ, вызванные в первую очередь мультимедийными возможностями сети.

Уровень адаптации АТМ

Для поддержки классов трафика и обеспечения пользователю гарантий качества обслуживания на оконечных пунктах сетей АТМ предусмотрены протоколы адаптации ААL (АТМ Adaptation Layer). Форумом АТМ стандартизировано четыре типа протоколов AAL: AAL1, AAL2, AAL¾, AAL5. Эти протоколы соответствуют части второго уровня эталонной модели OSI (см. рис. 1). В зависимости от конкретного вида информации пользователя (речь, видео или данные) и класса служб (А,В,С или D) используется определенный тип протокола AAL. В таблице 2 приведены сервисы AAL и соответствующие им классы трафика, гарантированные пользователю показатели качества обслуживания (QoS) и используемые для реализации типы протоколов AAL. Сервису с постоянной битовой скоростью CBR (Constant Bit Rate) соответствует тип трафика класса службы А. Согласованию пользователя с сетью подлежат параметры трафика PCR и CDVT, показатели задержки и потерь ячеек. Для реализации используется протокол AAL1. Типичные применения CBR включают телефонию, телевидение, радио, видео по требованию. Сервису с переменной битовой скоростью реального времени rt-VBR (real-time Variable Bit Rate) соответствует тип трафика класса службы B. Согласованию пользователя с сетью подлежат параметры трафика PCR, CDVT, SCR, MBS, показатели задержки и потерь ячеек. Для реализации используется протокол AAL2. Типичные применения rt-VBR сжатая речь, аудио и видео. Сервису с переменной битовой скоростью нереального времени nrt-VBR (non-real-time Variable Bit Rate) соответствует тип трафика класса службы С. Согласованию пользователя с сетью подлежат параметры трафика PCR, CDVT, SCR, MBS, показатель потерь ячеек. Для реализации используется протокол адаптации AAL5. Поскольку класс трафика С относится к службе передачи данных, то используемый протокол AAL5 не гарантирует показатель задержки ячеек.

Таблица 2. Сервисы AAL, классы и параметры трафика, гарантированные QoS и типы AAL
Сервисы AAL Классы службы Параметры трафика Гарантированные QoS Типы AAL
Задержки ячеек Потери ячеек
CBR Класс А PCR, CDVT
да
нет
AAL1
rt-VBR Класс B PCR,SCR,MBS,CDVT
да
нет
AAL2
nrt-VBR Класс C PCR,SCR,MBS,CDVT
нет
да
AAL5
UBR Класс C PCR, CDVT(*)
нет
нет
AAL5
Класс D PCR, CDVT(*) AAL3/4
ABR Класс C PCR, MCR,CDVT
нет
да
AAL5
Класс D PCR, MCR,CDVT AAL3/4
(*) необязательный для соблюдения параметр

Сервис неопределённой битовой скорости UBR (Unspecified Bit Rate) соответствует трафику классов С и D. С пользователем в этом случае согласуется только параметр PCR. UBR не гарантирует никакой параметр QoS. Реализуется UBR с помощью протоколов AAL¾ или AAL5. Чем меньше загружена сеть, тем больше вероятность доставки ячеек. Несмотря на высокую вероятность потери ячеек UBR применяется для некритичных приложений: проверка кредитных карт (если попытка не удалась, то пользователь попробует еще раз), электронная почта, факсимильные сообщения и др. Сервис доступной битовой скорости ABR (Available Bat Rate) соответствует трафику классов С и D. При этом с пользователем согласуются параметры PCR и MCR. Пользователь начинает передачу на скорости MCR и далее увеличивает скорость, пока сеть не укажет на высокую вероятность потерь ячеек. Тогда скорость снижается до малой вероятности потерь. Для ABR сеть гарантирует вероятность доставки ячеек, отправленных со скоростью равной или меньшей MCR. Сервис ABR позволяет оконечным станциям адаптировать их трафик к текущему состоянию сети. Это осуществляется с помощью сообщений обмена сети с пользователем по специальному виртуальному каналу. Отметим, что параметр трафика во многом похож на согласованную скорость передачи CIR в сети Frame Relay (глава 8). Как видно из рис. 4 уровень адаптации AAL делится на два подуровня. Нижний подуровень AAL является подуровнем сегментации и повторной сборки (восстановления) SAR (Segmantation and Reassembly), а верхний подуровень AAL – подуровень конвергенции CS (Convergence Sublayer). Основная функция AAL заключается в объединении (адаптации) разных трафиков и разных сервисов в инфраструктуре ATМ. На рис. 4 приведена общая схема операций стека протокола сети ATM. Подуровень CS необходим для конкретного типа предоставления служб и включает подуровень специфический для служб (SSCS) и общий (CPCS). Подуровень SSCS зависит от приложений и в некоторых случаях может отсутствовать. Подуровень CPCS необходим всем пользователям конкретного типа службы.

Рис. 4 Операции протоколов сети ATM

На рис. 5 приняты следующие обозначения:

  • З, К – соответственно заголовок и концевик блока сообщения подуровня СS;
  • З1 К1, З1 К2, З3 К3... Зn Кn – соответственно заголовки и концевики сегментов подуровня SAR;
  • Н12, Н3 …Нn – заголовки ячеек уровня АТМ. Рассмотрим операции стека сверху вниз.

Рассмотрим операции стека сверху вниз. Элемент данных протокола PDU (пакет, сообщение) верхнего уровня поступает на вершину стека протоколов ATM на оконечной станции и попадает на подуровень конвергенции CS. В результате добавления служебной информации в виде заголовка (З) и концевика (К) формируется CS-PDU. Каждый тип AAL включает разное содержание в служебную информацию. CS-PDU, переданный на подуровень SAR, сегментируется на блоки длиной 48 байт SAR-PDU), включая в них специфическое содержание для каждого типа AAL в служебную информацию заголовков и концевиков (З1 К1; З2 К2; З3 К3... Зn Кn). Эти модули передают на уровень ATM, где к ним добавляются 5 байт заголовка (Н12, Н3 …Нn) формирующие ячейки. Затем ячейки поступают на физический уровень ATM. На принимающей стороне процесс, показанный на рис. 4, происходит в обратном порядке. Результатом является возможность интегрировать множество типов трафика в одну коммутируемую структуру. В SAR-PDU служебная информация, относящаяся к типу AAL1 и гарантирующая только задержку, содержится только в заголовке и включает последовательный номер ячейки (для проверки на потерянные, неверно выставленные или испорченные ячейки). В модуле SAR-PDU служебная информация, относящаяся к типу AAL¾, содержится в заголовке и концевике. Концевик здесь включает контрольно-проверочную комбинацию циклического кода для обнаружения и коррекции ошибок в пользовательских данных. Длина этой комбинации составляет 10 бит для проверки 44 байт полезной информации. Протокол AAL5 используется также как и AAL¾ для предоставления классов служб C, D и определён в качестве альтернативы из-за его сложности. Подуровень конвергенции CPCS AAL5 включает концевик, содержащий 4 байта контрольно-проверочной комбинации циклического кода для обнаружения ошибок в элементе данных и 2 байта для указания длины пользовательских данных.

Протоколы AAL3/4, ALL5 относится к службе передачи данных и производят повторную передачу испорченных элементов CS-PDU, обеспечивая при этом высокий показатель QoS по вероятности потерь.

Сигнализация и маршрутизация в сети ATM

Процесс сигнализации в сети ATM (установление, поддержка и разъединение коммутируемых виртуальных каналов) во многом похож на эту процедуру в сети Frame Relay (диаграмма, которой приведена на рис. 5, глава 8). Приведем основные отличия в сети ATM.

  1. В коммутаторах и оконечных станциях сети ATM используется протокол Q.2931, который в отличие от Q.931 (используемого в сети FR) кроме двухуровневого идентификатора виртуального канала в состав сообщения запроса на установку соединения SETUP дополнительно включает:
    • показатели качества обслуживания QoS, к которым могут относится все приведенные в разделе 2 (максимальная задержка при передаче ячеек MCTD, амплитуда отклонения задержки CDV, вероятность потерь ячейки CLR) или некоторые из них;
    • показатели трафика в зависимости от классов трафика, к которым могут относиться приведенные в разделе 2 и таблице 1;
    • уровень адаптации AAL.
  2. стандартизации подлежат процедуры протокола не только «пользователь-сеть» (которым соответствует диаграмма установления коммутируемого виртуального соединения в сети FR на рис 5, глава 8), но и процедуры протокола между ATM-коммутаторами.

Интерфейс подключения конечных пользователей к АТМ-коммутатору обозначается UNI (User-Network Interface). Интерфейс между AТM-коммутаторами обозначается NNI (Network Node Interface).

Стек протоколов при установлении коммутируемого виртуального канала

На рис. 5 приведена упрощенная схема стека протоколов сигнализации установления коммутируемого виртуального канала. Для обслуживания требуемого уровня обслуживания QoS оконечные станции и сеть должны выделить для виртуального соединения достаточное количество ресурсов.
Рис. 5. Стек протоколов сигнализации при установлении коммутируемого виртуального канала

Рассмотрим установление коммутируемого виртуального канала в самом общем виде. Предположим, что необходимо установить соединение между оконечными станциями А и Б. Оконечная станция А, используя протокол Q.2931, отправляет на граничный ATM-коммутатор служебное сообщение SETUP запроса на установление коммутируемого виртуального канала (КВК). Как было отмечено выше, это сообщение включает физические адреса А и Б (например, по стандарту E.164), требования пользователя к сети о предоставлении параметров трафика и качества обслуживания. Это сообщение предаётся протоколу, использующему уровень адаптации AАL5. 48-байтовые блоки сегментации и повторной сборки SAR (рис. 4) передаются на ATM уровень, на котором к ячейкам протокола Q.2931 добавляется заголовок с VPI равным X и VCI-значением равным 5. Когда ячейки поступают в первый коммутатор (по протоколу UNI), он знает, что это ячейки сигнализации. Этот коммутатор удаляет заголовки ячеек, осуществляет повторную сборку 48-байтовых блоков полезной нагрузки и проверку ошибок на уровне AАL5.

После того, как отправлено сообщение SETUP на интерфейсе UNI от оконечной станции необходимо удостовериться, что при заданных пользователем показателях трафика могут быть предоставлены ему заданные в сообщении показатели QoS. При этом не должны быть нарушены условия, при которых ранее были установлены соединения. Для этого применяется специальный алгоритм управления доступом к соединениям CAC (Connection Admission Control). Алгоритм САС определяет можно ли принять или следует отклонить запрос на соединение. Входной коммутатор запускает алгоритм САС и определяет при положительном решении, что его ресурсы отвечают выдвигаемым требованиям QoS. Теперь стоит задача кто будет следующим транзитным коммутатором, который сможет соответствовать заданному требованию QoS?

Эту функцию выполняет стандартизированный форумом ATM протокол PNNI (Private Network-to-Network Interface), который включает процедуру маршрутизации и процедуру сигнализации.

Протокол PNNI по выполнению функции маршрутизации

Протокол PNNI по выполнению функции маршрутизации отвечает за распространение между коммутаторами АТМ и группами коммутаторов АТМ информации об изменении топологии сети. Протокол PNNI по выполнению функции сигнализации основан на дополнительных возможностях процедуры сигнализации на интерфейсе UNI, которые заключаются в использовании возвратных маршрутов. PNNI – это протокол маршрутизации с учётом состояния каналов. Он позволяет использовать разделённые области за счёт иерархической структуры сети, поддерживает маршрутизацию с учётом уровня качества обслуживания QoS и др. Иерархическая структура позволяет скрыть сетевые изменения в одной области от другой, что приводит к изолированию областей сети, несмотря на то, что в основу положен метод информирования о состоянии канала. Единственным недостатком такой инфраструктуры является возможная маршрутизация в неопределенную область. Протокол PNNI позволяет определить наиболее подходящий маршрут для запрашиваемого QoS. В информационных элементах сигнального сообщения отправителя содержится полный путь, предоставленный входным коммутатором (рис. 6). Такой механизм называется маршрутизацией от источника. Определение «наилучшего маршрута» в протоколе происходит совсем по-другому, нежели в других протоколах, таких как OSPF IP-сети. Протокол OSPF определяет наилучший по стоимости маршрут, а протокол PNNI определяет наилучший маршрут, который соответствует требуемому уровню QoS для определённого соединения.
Рис. 6. Механизм маршрутизации от источника
При использовании иерархической структуры маршрутизаторы разбиваются на отдельные области (как и в ТфОП отдельные местные сети, зоновые сети). Каждый маршрутизатор знает все детали выбора маршрута в пределах своей области, но ему ничего неизвестно о внутреннем строении других областей. Если иерархия не используется, то каждому маршрутизатору в этой плоской структуре необходимо поддерживать таблицу маршрутизации из всех N строк (по числу маршрутизаторов в сети). Если сеть разбить на Z областей с числом маршрутизаторов в каждой области , то каждому маршрутизатору потребуются значительно меньшая таблица маршрутизации, равная локальных записей в каждой области плюс Z-1 записей об удаленных областях. Допустим N = 720. При Z=1 (одноуровневая структура) число записей равно 720, а при Z=24 число записей равно 53. Иерархическая структура для больших сетей позволяет сократить объём памяти для хранения таблиц маршрутизации и времени обработки таблицы центральным процессором. Процедура протокола PNNI анализирует каждый запрос на соединение индивидуально на основании показателей QoS в сообщении SETUP. Если где-либо в сети произошло изменение уровня обслуживания QoS, то происходит лавинная рассылка элементов состояния PNNI-топологии PTSE (PNNI Topology State Element), в результате чего производится изменение маршрутизации внутри группы узлов сети. Элементы PTSE состояния PNNI-маршрутизации распространяются с помощью специальных пакетов PTSP (PNNI Topology State Packet). Пакеты PNNI-маршрутизации распространяются по специальному выделенному виртуальному каналу с идентификаторами VPI = 0, VCI = 18.

Протокол по выполнению функции сигнализации PNNI

Протокол PNNI по выполнению функции сигнализации завершает доставку сигнального сообщения SETUP, запрашиваемого пользователем на установление соединения со стороны интерфейса UNI. Протокол PNNI по выполнению функции сигнализации использует:

  • маршрут от источника, определённый протоколом PNNI по выполнению функции маршрутизации;
  • информацию о достижимости, возможности установления соединения из результатов работы протокола PNNI по выполнению функции маршрутизации;
  • механизм обратного маршрута, который допускает временное разъединение незавершённого соединения из-за несоответствия уровня обслуживания QoS или повреждения канала связи.

На рис. 6 приведён пример сигнализации PNNI в плоской иерархической сетевой топологии. С оконечного устройства А на интерфейс UNI приходит сигнальный запрос SETUP. Полученный данный запрос на коммутаторе S1 с помощью алгоритма САС определяет можно ли принять или следует отклонить запрос. С помощью QoS в сообщении SETUP и метрик QoS в списке узлов одной PNNI-группы равноправных узлов (в данном случае узлов S2,S3,S4,S5,S6), узел S1 может составить список транзитной передачи этой группы узлов DTL (Designated Transit List). DTL полностью определяет маршрут через одну PNNI-группу равноправных узлов.

SETUP передаётся следующему в списке DTL коммутатору S3, который также запускает алгоритм САС. Коммутатор S3 в случае соответствия требованиям оконечного пункта А вычисляет ожидаемое поведение других узлов. Теперь SETUP передаётся к следующему в списке DTL коммутатору S5, который выполняет те же операции, что и S3. Допустим, что он также соответствует требованиям оконечного пункта А. Теперь SETUP передаётся к S6. Наконец, коммутатор S6 передаёт SETUP оконечного пункта А получателю (оконечному пункту В), который генерирует ответ «CONNECT». Теперь представим другую ситуацию, когда в сети вместо шести узлов, как показано на рис. 6, находится 100. Пусть топология в данном случае тоже будет плоской. Допустим, что в процессе передачи SETUP один из коммутаторов, например, с номером 50, отклоняет запрос на соединение, т.е. не выполняет требования пользователя по QoS и трафику. Следовательно, механизм обратного маршрута необходимо применить к точке входа в АТМ-сеть, т.е. к коммутатору S1. При этом появляется большой дополнительный трафик и увеличивается время установления соединения. Для решения такой ситуации в широкомасштабных сетях используется иерархическая топология сети. При этом не требуется возврат в исходную точку в сеть в том случае, когда коммутатор в списке DTL не отвечает QoS требованиям в сообщении SETUP. Коммутатору, определившему список DTL, отправляется сообщение разрыв соединения (RELEASE). Получив это сообщение этот коммутатор, принадлежавший той же группе, пытается найти альтернативный маршрут, который отвечал бы требованиям QoS.

Управление ATM-трафиком в процессе передачи

После того, как было установлено соединение согласно требуемому пользователем уровню качества обслуживания QoS и соблюдены условия соглашения о трафике, сеть готова к передаче ячеек. Соглашение о трафике является чем-то вроде «закона» в данном соединении. Допустим, что некоторая станция нарушает и передаёт значительно больше трафика, чем оговорено в соглашении. Существуют две основные функции управления трафиком: контроль трафика и контроль перегрузок.

Контроль трафика

Основной функцией контроля трафика является мониторинг соединения. При этом производится мониторинг потока трафика и соблюдения условий соглашений в целях защиты сетевых ресурсов от неправильного использования (или злоупотребления), которое может преднамеренно или непреднамеренно повлиять на качество услуг, предоставляемых другим пользователям сети по установленным ими соединениям. Мониторинг соединений на NNI-уровне является обязательным и называется NPC (Network Parameter Control). Приведём один из самых простых механизмов мониторинга и контроля трафика с NNI-интерфейса. В случае нарушения ячейкой соглашения о трафике, входной коммутатор устанавливает бит приоритета потери CLP (Cell Loss Priority), равным 1, тем самым отмечая, что у неё низкий приоритет. Если же ячейка не нарушила условия соглашения пользователя с сетью, её бит CLP остаётся равным 0, что указывает на высокий приоритет. При возникновении перегрузки в сети ячейки с приоритетом 1 уничтожаются, а с приоритетом 0 передаются дальше. Форум АТМ определяет две модели проверки приоритета.

  • Модель прозрачной передачи битов CLP, при которой устройство сети игнорирует CLP-бит. Такая модель используется, например, при сервисе AAL с постоянной битовой скоростью CBR, для которого важна гарантия показателя задержки ячеек.
  • Модель пристальной проверки CLP, при которой применяется селективное уничтожение ячейки с CLP-бит, равным 1. Такая модель используется, например, в сервисе AAL net-VBR, для которого важна гарантия показателя вероятности доставки пакета.

Контроль перегрузки

Форум АТМ специфицировал два метода контроля перегрузки.

  • Индикация явной перегрузки при прямой передаче EFCI (Explicit Forward Congestion Indication).
  • Относительная маркировка скорости передачи RRM (Relative Rate Marking).

В режиме EFCI коммутатор устанавливает в заголовке ячейки соответствующий бит. Приняв такую ячейку, оконечная станция-получатель адаптивно понижает скорость ячеек в соединении. Если в таких соединениях используются ячейки управления ресурсами RM-ячейки с определенными значением VCI=6, оконечная станция-получатель может уведомить отправителя о перегрузе. Для этого станция-получатель посылает RM-ячейку с указанием о перегрузе на оконечную станцию отправителя. Сервисы AAL CBR, nrt-VBR, rt-VBR, UBR могут использовать режим EFCI. В режиме RRM оконечная станция-отправитель периодически генерирует и посылает во все соединения вместе с ячейкам данных RM-ячейки. Устройство-получатель отправляет их назад отправителю, определяя тем самым, испытывает ли промежуточный коммутатор перегрузку. В RRM режиме коммутатор сам может уведомлять о перегрузке, а в EFCI получатель уведомляет отправителя о перегрузке. Поэтому режим RRM более эффективен. Метод RRM является обязательным для сервиса ABR.

Виртуальная частная сеть на основе сети ATM

Для построения VPN используются постоянные виртуальные каналы, в которых значения VPI/VCI устанавливаются администратором сети. На рис. 7 приведена логическая структура VPN-сетей ATM.

Рис. 7. Логическая структура VPN-сетей ATM

На рис. 7 показаны виртуальные соединения двух VPN-сетей ATM – пользователей офисов компании А и компании В. На рисунке не показаны коммутаторы АТМ. VPN-сети на основе ATM отличаются от VPN-сетей FR тем, что виртуальные каналы предоставляются широким набором согласованных показателей качества обслуживания QоS. Первая VPN А пользователей центрального офиса А1 и двух его филиалов – А2 и А3. АТМ предоставляет виртуальные каналы между главным офисом и филиалами с номерами идентификаторов VPI/VCI =5/1 и 5/2, 4/1, 4/2 (созданных в оконечных коммутаторах ATM с соответствующими офисами А1, А2, А3). Аналогично вторая VPN В включает пользователей центрального офиса В1 и двух его филиалов – В2 и В3. ATM предоставляет виртуальные каналы между главным офисом и филиалами с номерами идентификаторов VPI/VCI =7/1 и 7/2, 6/1, 6/2 (созданных в оконечных коммутаторах ATM с соответствующими офисами B1, В2 , В3). Пользователи каждой VPN получают по виртуальным каналам доступ только к пользователям своей VPN.

Особенности сети АТМ по сравнению с сетью Frame Relay

  1. АТМ – мультимедийная сеть, предназначенная для передачи любого вида служб. Frame Relay в соответствии со спецификацией является сетью только передачи данных.
  2. АТМ обеспечивает передачу данных в двух режимах – с установлением и без установления соединения. Frame Relay обеспечивает работу только в режиме с установлением соединения.
  3. Стек протоколов оконечных станций АТМ включает уровни адаптации AAL предоставляющие различные процедуры обработки данных в зависимости от вида службы (речь и видео, сжатое видео и речь, передача данных с установлением или без установления соединения). В сети Frame Relay отсутствуют уровни адаптации.
  4. Для выполнения функций сигнализации в стек протоколов оконечных станций и коммутаторов АТМ включены процедуры уровня адаптации AAL5 и стандарта Q.2931. Обеспечение мультимедийных служб в АТМ позволило потребовать от сети предоставить пользователю при запросе на установление соединения обеспечение конкретных показателей качества обслуживания и согласовать показатели трафика. В сети Frame Relay показатели качества не используются, а число показателей трафика значительно меньше (CIR, Bc, Be)
  5. В АТМ предусмотрен в службе передачи данных сервис доступной битовой скорости ABR, позволяющей пользователям адаптировать их трафик к текущему состоянию сети. В сети Frame Relay такой экономически выгодный пользователю сервис не предусмотрен.
  6. Технология построения АТМ основывается на использовании первичных сетей связи с синхронной цифровой иерархией SDH, что позволяет передавать информацию по волоконно-оптическому кабелю на скоростях до нескольких терабит в секунду. В АТМ принята фиксированная длина ячейки и аппаратная реализация многих процедур. Сети Frame Relay работают на значительно меньших скоростях с использованием технологии цифровой иерархии PDH, имеющей недостатки по сравнению с SDH.
  7. Форум АТМ специализировал процедуру сигнализации на участке «пользователь-сеть» и между коммутаторами сети. Протокол сигнализации PNNI между коммутаторами АТМ предусматривает использование иерархической топологии сети, позволяющий создавать широкомасштабные сети. Технология Frame Relay не предусматривает создание широкомасштабной сети.
  8. В сети ATM предусмотрен стандартизированный протокол по выполнению функции маршрутизации по коррекции таблицы маршрутизации в зависимости от состояния каналов связи и узлов коммутации. В сети Frame Relay такой стандартизированный протокол отсутствует.
  9. На физическом уровне АТМ один байт контрольно-проверочной комбинации циклического кода служит для исправления одиночных ошибок и обнаружения ошибок большей кратности четырех байт заголовка ячейки. Контрольно-проверочная комбинация поля данных ячейки АТМ отсутствует. Протоколы адаптации ALL3/4 и ALL5 производят повторную передачу испорченных элементов CS-PDU, обеспечивая при этом высокий показатель QoS по вероятности потерь при службе передачи данных. В сети Frame Relay производится обнаружение ошибок поля данных без восстановления.