Основные понятия о технологии АТМ

Журнал "Радио", номер 12, 1999г.
Автор: В. Нейман, доктор техн. наук, профессор, г. Москва

    Технология асинхронного способа передачи (АТМ) завоевывает все более прочные позиции в цифровых системах сообщений благодаря ряду своих достоинств, которые освещаются в предлагаемой вниманию читателей статье.

    Название АТМ происходит от английских слов Asynchronous Transfer Mode и означает асинхронный способ (режим) передачи сообщений. Сущность технологии АТМ состоит в передаче, коммутации и мультиплексировании сообщений, представленных в виде последовательностей небольших стандартных блоков цифровых данных постоянной длины, называемых ячейками.

    Интенсивные поиски методов передачи и коммутации в широкополосных цифровых сетях с интеграцией обслуживания (подробно о ЦСИО см. в "Радио", 1997, # 2, с. 60-62) начались еще в начале 80-х годов. Большую роль в этом сыграл Национальный научно-исследовательский центр связи Франции (CNET), выступавший в качестве головной организации по ряду проектов при участии других стран-членов Европейского Сообщества.

    Первое сообщение о технологии АТМ в е╦ современном виде прозвучало в 1984 г. на ХI Международном симпозиуме по коммутации, проходившем во Флоренции (Италия). Его сделали сотрудники CNET А. Томас, Ж.Р. Кудрез и М.Сервиль. Идея получила широкую поддержку. Для е╦ развития в странах Европейского Сообщества в 1985 г. была принята рассчитанная на 10 лет научно-исследовательская программа RACE, включающая в себя 90 проектов, стоящая 2,5 млрд долларов. Результаты исследований по этой программе рассматривались на совещании глав европейских государств, где было принято решение о широком внедрении системы АТМ.

    В чем ее преимущества? При передаче ячейки данных отдельного пользователя (о ячейках АТМ читай ниже) вставляются в общий поток данных асинхронно по мере их генерирования источником. Это выгодно отличает ATM от синхронных систем передачи, где сообщения каждого канала должны передаваться в фиксированных во времени позициях (канальных интервалах), а также от систем пакетной передачи, в которых пакеты синхронизируются по разрядам. В результате получается очень гибкая система, позволяющая предоставлять логические каналы для любой услуги связи с требуемой шириной полосы без установления физического канала соответствующей ширины. При этом, поскольку скорость передачи по каналу и по сети не может быть неограниченной, предусматриваются механизмы контроля интенсивности поступления ячеек. Некоторые русскоязычные авторы предпочитают вместо английского сокращения АТМ пользоваться русским сокращением АСП (асинхронный способ передачи). Однако обозначение АТМ представляется более предпочтительным, так как русское сокращение можно толковать как любой асинхронный способ передачи. Сокращение же АТМ на всех языках обозначает конкретный асинхронный способ передачи, использование которого лежит в основе широкополосной ЦСИО и других подобных сетей высокоскоростной передачи стандартных ячеек.

    Вообще, понятия синхронной и асинхронной передачи существуют уже более ста лет. Синхронной была замечательная во многих отношениях система телеграфной связи Бодо, в которой еще в прошлом (девятнадцатом!) веке впервые было реализовано кодирование букв алфавита пятью двоичными разрядами. Для правильного выделения этих разрядов следовало поддерживать, как тогда говорили, "синхронизм и синфазность". Телеграфисты должны были нажимать клавиши только в моменты, которые задавались специально подаваемыми звуковыми сигналами. Это был тяжелый труд, и избавиться от него помогла именно асинхронная передача. Она пришла тогда в виде телетайпов, в которых был использован тот же принцип кодирования, что и у Бодо, но каждая пятиразрядная комбинация снабжалась стартовым и стоповым импульсами и могла передаваться и приниматься независимо от других подобных комбинаций.

    Позднее появилось еще одно понятие передачи - плезиохронное (т.е. близкая к синхронной), что было связано с преодолением трудностей организации синхронной сети с ИКМ. Действительно, гораздо проще поддерживать свою синхронизацию в пределах каждого узла, чем добиться этого во всей сети. Поэтому каждое сообщение, поступающее в узел, записывается с той скоростью, которое задается узлами-отправителями. Считываются же они с единой скоростью, определяемой тактовым генератором узла-получателя. Из-за небольших расхождений скоростей записи и считывания накопители могут время от времени опустошаться или переполняться. Во избежание этого применяется подстановка или удаление разрядов (положительный или отрицательный стаффинг).

    Изложенное важно вспомнить потому, что современные волоконно-оптические сети обеспечивают синхронную передачу с огромной скоростью. Однако для согласования с этой сетью реальных каналов передачи (создания сетей доступа) пришлось обратиться к асинхронной передаче и подстановке разрядов. Воистину часто новым оказывается хорошо забытое старое.

    В качестве примера рассмотрим фрагмент сети АТМ, представленный на рис. 1. На нем показана передача только в одном направлении. Четыре маршрута разных типов, установленные в этой сети между абонентами A, B, C, D и E, показаны ячейками с различной штриховкой. Из рисунка, в частности, видно, что маршруты могут быть одноадресными (например, между абонентами A и B) или многоадресными (например, между абонентом A и абонентами C, D и E). Кроме того, абонент может участвовать одновременно в нескольких соединениях, причем ряд таких соединений, установленных между конкретной парой абонентов, может проходить по разным маршрутам.

    Что такое ячейки АТМ, как они формируются и передаются?

    Рис. 1 представляет собой как бы моментальную фотографию состояния сети, на которой запечатлены передававшиеся в момент фотографирования ячейки. Однако, кроме наличия ячеек, рисунок показывает также пути установленных в сети соединений. Они непохожи на хорошо знакомые соединения в телефонной сети, когда между разговаривающими абонентами устанавливается канал двусторонней связи, удерживаемый до отбоя (т.е. до того момента, когда хотя бы один из говоривших повесит трубку) независимо от того, передается ли по каналу речь или абоненты молчат. Каналы, показанные на рисунке, являются не физическими, а логическими, т.е. в памяти управляющего устройства зарегистрированы определенные маршруты передачи, которым присвоены свои номера. Номер маршрута записывается в заголовке каждой ячейки, следующей по данному маршруту, и сохраняется в памяти управляющего устройства до тех пор, пока не будет получено сообщение от абонента о закрытии маршрута. Подобные логические каналы называют виртуальными, и, как видно из рисунка, один абонент, как уже отмечалось, может одновременно поддерживать связь по нескольким виртуальным каналам. В то же время каждый из таких виртуальных каналов устанавливается, поддерживается и закрывается с помощью процедур, напоминающих процедуры управления телефонными соединениями.

    Аналогию с телефонной сетью можно продолжить. Известно, что, кроме абонентской коммутации, при которой устанавливается соединение для каждого отдельного разговора, существует кроссовая коммутация, служащая для перераспределения пучков соединительных линий. Потребность в такой коммутации возникает вследствие сезонных или суточных изменений потоков нагрузки. Применяется она для сосредоточения ресурса соединительных линий на нужном направлении. При этом одновременно переключается целый пучок каналов. Точно так же в широкополосной цифровой сети с интеграцией обслуживания, в зависимости от изменения направлений больших потоков нагрузки, происходит переключение магистральных линий.

    Такие переключаемые магистрали называются в широкополосной ЦСИО виртуальными путями. Они могут происходить по заданному расписанию или автоматически в зависимости от складывающейся нагрузки. Коммутация виртуальных каналов обычно осуществляется с помощью коммутационных элементов на основе СБИС. О них на страницах журнала уже рассказывалось (см. "Радио", 1997, # 8, с. 64-66). Виртуальные же пути чаще коммутируются средствами оптической кроссовой коммутации в магистральной сети.

    Сети с асинхронной передачей АТМ строятся из трех важнейших элементов. Первый из них - это средства доступа, выполняющие функции мультиплексирования и концентрации исходящей (соответственно демультиплексирования и распределения входящей) нагрузки. Эти средства сосредоточены в узлах доступа, и услуги АТМ от такого узла могут предоставляться в сети доступа почти по любой передающей среде, включая симметричный телефонный кабель с парной скруткой. Второй элемент - это средства коммутации, которые могут располагаться как в узлах доступа, так и в магистральных узлах. Наконец, третий элемент - это средства управления сигнализацией и предоставлением услуг, которые также рассредоточены по узлам сети.

    На рис. 2 показан стандартный формат ячейки АТМ. Основное содержание поля ячейки составляет полезная (оплачиваемая) информация, занимающая 48 октет ( Октет, как и байт, означает восемь двоичных разрядов, но связисты иногда отдают предпочтение именно этому слову, когда речь идет о цифровом представлении конкретных физических сигналов.) - с 6-го до 53-го. Верхние пять октет составляют заголовок, который служит для распознавания ячеек, принадлежащих конкретному соединению, и их маршрутизации. Основное место в заголовке занимают код виртуального пути (восемь разрядов) и код виртуального канала (16 разрядов). Кроме того, четыре разряда занимают поле общего управления потоком, служащее для регулирования процесса доступа терминалов к сети, а также три разряда - для описания типа полезной нагрузки и один разряд приоритета ячейки (РПЯ). Ввиду особой важности информации, передаваемой в заголовке, предусматриваются восемь разрядов для обнаружения ошибок (и исправления одной ошибки).

    Поскольку в волоконно-оптических сетях ошибки происходят независимо друг от друга, одиночные ошибки довольно типичны. В случае же нескольких ошибок их исправление невозможно. Такую ячейку приходится сбрасывать. На рис. 2 показан формат ячейки, передаваемой между пользователем и сетью. При передаче через узлы сети формат ячейки изменяется: за счет разрядов общего управления потоком идентификатор виртуального пути увеличивается до 12 разрядов.

    Известно, что стандартная сетевая архитектура цифровой передачи предусматривает три уровня (или слоя): сетевой уровень, уровень канала и физический уровень (см. статью "Что такое ретрансляция кадров?" в "Радио", 1998, #3). Технология АТМ фактически является развитием физического уровня, однако при этом традиционный физический уровень должен быть дополнен рядом специфических функций, определяемых технологией АТМ. В результате между физическим и верхними уровнями в модели протокола АТМ добавляются уровень АТМ и уровень адаптации к АТМ (ATM Adaptation Layer - AAL), рис. 3. Различные услуги связи требуют различной адаптации в зависимости от таких признаков услуги, как скорость передачи разрядов (она может быть постоянной или переменной), режим передачи ( с установлением соединения или без него), требование изохронности (наличие или отсутствие требования строгой синхронизации передатчика и при╦мника). С учетом возможных комбинаций перечисленных требований были приняты международные стандарты на четыре типа адаптации, которые показаны на рис. 4. Тип AAL-3/4 получился в результате объединения двух ранее предложенных типов AAL-3 и AAL-4, а тип AAL-5 является упрощенной версией типа AAL-3/4. Информация, относящаяся к выполнению функций адаптации, занимает от одного до четырех октет, снижая объ╦м полезной нагрузки, переносимой ячейкой, соответственно до 47-44 октет.

    Что такое пакет ?

    Ответ на этот вопрос весьма важен, поскольку как в нашей, так и в зарубежной литературе этот термин употребляется в двух заметно различающихся смыслах. В широком смысле этого слова пакет - любой стандартный блок данных, передаваемый по сети или каналу связи. В узком же смысле этого слова пакет - конкретный тип блока данных, определяемый требованиями стандартного сетевого уровня многослойной архитектуры. Термин пакет возник потому, что сеанс связи может состояться с установлением соединения или без него. В первом случае происходит коммутация каналов, после чего и происходит обмен сообщениями по установленному соединению. Во втором случае сообщение просто передается в требуемом направлении до ближайшего узла, где записывается, а затем передается дальше в нужном направлении. Такой процесс в его автоматизированной версии получил название коммутации сообщений.

    Вскоре, однако, стала очевидной неэффективность коммутации сообщений, так как какое-нибудь очень длинное сообщение может надолго занять канал и задержать передачу многих коротких сообщений. Более приемлемой является передача любых сообщений стандартными блоками ограниченной длины, что гарантирует их быструю доставку. Именно такие стандартные блоки, формируемые на сетевом уровне, получили название пакетов. Соответственно вместо коммутации сообщений стали говорить о коммутации пакетов. Термин пакет получил широкое распространение, и, особенно в теоретических статьях, его стали использовать вне зависимости от сетевой архитектуры.

    Теперь представим себе, что пакет размером 3600 двоичных разрядов, сформированный на сетевом уровне, поступает для передачи по сети АТМ. На уровне адаптации к АТМ из такого пакета будут сформированы десять ячеек (при типе адаптации AAL-2 полезной информации останется 45 октет, что как раз и составит 360 разрядов). При повреждении хотя бы одной из десяти ячеек весь пакет на сетевом или более высоком уровне будет сброшен. Поэтому при перегрузке сети АТМ передача девяти уцелевших ячеек пакета будет бесполезной. Если потеряна первая ячейка, то оставшиеся девять можно спокойно сбросить на передающем конце. В силу изложенного выражение "технология АТМ основана на применении коротких пакетов постоянной длины, называемых ячейками" нужно считать неудачным, а может быть, и недопустимым, поскольку понятие пакета используется здесь в широком смысле этого слова, хотя ожидается его применение в узком смысле. Поэтому читателю, по возможности, не нужно рекомендовать пользоваться термином "пакет" в широком смысле слова. А если все-таки его приходится применить, то делать при этом специальную оговорку. Тогда использование слова "пакет" в узком смысле не будет вносить недоразумений.







Рекомендуемый контент




Copyright © 2010-2019 housea.ru. Контакты: info@housea.ru При использовании материалов веб-сайта Домашнее Радио, гиперссылка на источник обязательна.