Технология асинхронного режима передачи ATM

3.2.1. Термины, определения и обозначения в ATM

Для понимания ATM нужно обратить внимание на две его части:

-понятие режима передачи (Transfer Mode) связано с передачей, мультиплекси­рованием и коммутацией;

-понятие «асинхронный» (asynchronous) означает, что информация передается пакетами фиксированной длины (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.).

Технология ATM позволяет строить единую сеть услуг электросвязи и заме­нить, благодаря виртуальным соединениям, многие сети с коммутацией каналов, пакетов и доставкой данных без установления соединений. При этом главное дос­тоинство — эффективное использование транспортной среды.

Обслуживание в сети ATM 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 ATM 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.

Что такое ATM?

ATM — пакетная технология коммутации, мультиплексирования и передачи, в которой используются пакеты фиксированной малой емкости, называемые ячейка­ми (иногда в литературе фрагментами). В ячейке постоянной емкости 53 байта для информации пользователя отведено 48 байт, а заголовок длиной 5 байтов содержит информацию, необходимую для передачи, мультиплексирования и коммутации жчейки в устройствах сети ATM — коммутаторах. Короткие ячейки, передаваемые с очень большими скоростями (до 10...40 Гбит/с), обеспечивают сетй большую гибкость и эффективность использования.

Формат ячейки 53 байта (рис. 3.50) — компромиссное решение МСЭ-Т между предложениями европейцев — 32 байта и североамериканцев и японцев — 64 байта.

При формировании ячейки ATM информация временно записывается, затем вносится в ячейку, и когда ячейка наполнится, она передается в сетй. Если нет ин­формации для передачи, то передается пустая ячейка, которая поддерживает физи­ческие транспортные функции (синхронизацию приемника, контроль качества по ошибкам).

ATM — технология коммутации 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. Она также поддерживает дэйта- граммные (бессвязные) услуги передачи данных без установления соединения.

 

Последовательность принимаемых ячеек ATM в точке назначения соответству­ет последовательности ячеек, посылаемых от источника.

Технология ATM обеспечивает возможность адаптации скорости передачи к скорости генерирования информационных данных, т.е. рациональное использова­ние емкости сети за счет статистического мультиплексирования, которое обеспечи­вает простую интеграцию различной исходной информации по одному физическо­му тракту.

ATM независим от существующей системы передачи, т.е. физических транс­портных функций. Ячейки могут размещаться в любых физических средах.

Возможности ATM-коммутации следующие:

- 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.

Каждый элемент заголовка ячейки ATM имеет определенное назначение.

- GFC, Generic Flow Control — управление общим потоком (на участке пользо­ватель-сеть).

- VCI и VPI — идентификаторы виртуального пути и канала.

Каждая ячейка ATM содержит в заголовке адрес, состоящий из двух частей: идентификатора виртуального пути VPI и идентификатора виртуального канала VCI. Этот адрес дает уникальную идентификацию виртуального соединения ATM ш 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.

Заголовки ячеек бывают двух типов. Первый тип заголовка, названный UNI (User-to-Network Interface, интерфейс пользователь-сеть) (рис. 3.51), предназначен хм участка сети «пользователь-сеть». Второй тип заголовка, названный NNI (Net- work-to-Network Interface, интерфейс сеть-сеть), предназначен для обмена между уз­лами сети ATM.

 

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 значения VPI и VCI в выходные (рис. 3.52). Виртуальные каналы, создаваемые в се­ти ATM, представлены тремя видами:

- PVC, Permanent Virtual Circuit — постоянный виртуальный канал — это по­стоянное соединение между двумя оконечными станциями, которое устанав­ливается в процессе конфигурирования сети;

- SVC, Switched Virtual Circuit — коммутируемый виртуальный канал, устанав­ливается соединение каждый раз, когда одна оконечная станция пытается ад­ресовать данные другой оконечной станции. При этом, когда посылающая станция запрашивает соединение, сеть ATM 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, таким образом экономя время на установление соединения.

PTI, Payload Type Identificator — три бита идентификатора типа полезной на­грузки, которые используются для описания типа полезной нагрузки (табл. 3.9).

CLP, Cell Loss Priority —- приоритет потери ячейки — один бит заголовка, кото­рый содержит содержит информацию о приоритете пакета ATM. Приоритет уста­навливается в коммутаторе в зависимости от состояния сети. CLP =1 — высокий приоритет потери ячейки. Ячейки отбрасываются в первую очередь при перегрузке сети. CLP = 0 — низкий приоритет потерь.

Для синхронизации между передатчиком и приемником ячеек ATM использует­ся процедура контроля ошибок в заголовке НЕС (Header Error Control). Поток дан­ных первых четырех байт делится в передатчике на многочлен х* + х² + х + 1. Оста­ток от деления (8 бит) передается в поле НЕС. Поле НЕС для ячеек одного канала фиксировано. Приемник после каждых 53 байт фиксирует поле НЕС. Если шесть раз подряд фиксируется одинаковое поле НЕС, 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 заголовках на определенном временном интервале [12].

 

В технологии ATM принято различать следующие виды ячеек: пустые (свобод- аые); исправные; неисправные; присвоенные; без присвоенния; ячейки сигнализа­ции;ячейки управления и обслуживания.

Пустые (свободные) ячейки — ячейки физического уровня сети ATM, которые предназначены для адаптации скорости передачи информационных ячеек на грани­це среды ATM и физической среды 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.

Неисправные ячейки — ячейки, заголовки которых содержат ошибки, не испра­вимые на физическом уровне. Такие ячейки подлежат отбрасыванию на физиче­ском уровне, т.е. на уровне транспортировки в физической среде.

Присвоенные ячейки — определены для конкретных услуг на уровне ATM.

Ячейки без присвоения — не содержат присвоения услугам уровня ATM, но имеют значения VPI и VCI.

Ячейки сигнализации — переносят 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).

Потоки ячеек обеспечивают различные по качеству услуги транспортировки пользовательского трафика. Рассмотрим параметры для определения качества об­служивания QoS — Quality of Service (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 об освобождении соединения;

- вероятность состоявшегося соединения — отношение успешных попыток со­единения к известным попыткам запросов на соединения пользователей в продолжительном временном интервале;

б) параметры передачи ячеек:

- 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 равная 1СГ⁹;

- 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 (посылкой 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) 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.

Следующие параметры качества транспортного обслуживания служат для опре­деления категорий или классов услуг сетей ATM:

- CBR, Constant Bit Rate — постоянная скорость в битах. Категория сервиса ATM, используемая для восприимчивого к задержкам трафика, такого как ау­дио- видеотрансляция. Резервируется часть полосы пропускания. Гарантиру­ется минимальная задержка доставки ячеек, содержащих аудио- и видеоин­формацию. Обслуживается трафик реального времени rt;

- VBR, Variable Bit Rate — переменная скорость в битах. Категория сервиса ATM, используемая для восприимчивого к задержкам трафика (трансляции кадров телевидения). Резервирует для соединения часть полосы пропускания. Допускает задержки. Обслуживается трафик реального (rt) и нереального вре­мени (nrt);

- ABR, Available Bit Rate — доступная скорость в битах. Категория сервиса ATM, используемая для трафика данных. Категория ABR устанавливает до­пустимый диапазон полосы пропускания и допустимый коэффициент потерь ячеек. Обслуживается трафик нереального времени nrt;

- UBR, Unspecified Bit Rate — неопределенная скорость в битах. Категория сер­виса ATM, используемая для трафика данных типа TCP/IP, допускающего за­держки. UBR не резервирует полосы пропускания для соединений. Обслужи­вается 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 • сети ATM должно планироваться соглашение по трафику между пользователем и сетью. Это соглашение распространяется на все виртуальные пути и каналы, орга- изуемые в них (т.е. VP и VC). Соглашение заключается по следующим пунктам:

- качество обслуживания сети QoS;

- параметры трафика пользователя (поток ячеек);

- правила контроля трафика;

- определение сетью категории соединения, предоставляемого для транспорти­ровки трафика.

Следующие параметры трафика имеют физическую сущность и измеряемы:

- пиковая скорость ячеек PCR (Peak Cell Rate);

- количество ячеек, генерируемых источником, за единицу времени;

- поддерживаемая скорость ячеек SCR (Sustainale Cell Rate), меньше или равная пиковой;

- допустимая вариация задержки ячейки CDV (Cell Delay Variation);

- максимальная длина пачки MBS (Maximum Burst Size), измеряемая в ячейках.

Качество обслуживания определяет и тип адаптационного уровня AAL

•табл. 3.10), в таблице использованы обозначения:

- GFR, Guaranteed Frame Rate — гарантированная скорость передачи кадра;

- TCP/IP, Transmission Control Protocol/Internet Protocol — протокол управления передачей/межсетевой протокол, протокольный набор для компьютерных се­тей являющийся частью их операционных систем, например, системы UNIX.

 

Уровни адаптации ATM

Структура уровня адаптации включает два подуровня: подуровень слияния (кон­вергенции) CS (Convergence Sublayer) и подуровень сегментации и реагрегирования (восстановления) SAR (Segmentation and Reassambly Sublayer).

Подуровень CS согласует транспортируемые данные со средой разбиения дан­ных на сегменты и восстанавливает данные после выгрузки из сегментов в сторону потребителя. При этом восстанавливается синхронизация. Подуровень сегментации формирует сегменты определённого класса услуг и типа AAL. Он обеспечивает формирование служебных сообщений сегментов и их использование при восста­новлении данных в сторону потребителя.

Сервис уровня AAL-1 называют услугами 1-го класса (или категории А) и пре­доставляют 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, переда­ваемых каждые 125 мкс;

- трафик чувствителен к изменениям задержки;

- трафик не допускает потери информации;

- трафик чувствителен к сжатию.

Функции, реализуемые в AAL-1, состоят в следующем:

- сегментация и восстановление 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.

Возможности сервиса класса А 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 (рис. 3.53).

Заполнение 48-байтового поля обусловлено протоколом структурирования дан­ных для сегментации и сборки SAR-PDU (Segmentation and Reassambly Sublayer — Protocol Data Unit).

Порядковый номер поля позволяет отделить пустые и неисправные ячейки от ячеек с информацией. Защита номера поля предназначена для обнаружения ошибок с помощью процедуры CRC и исправления одиночной ошибки. Участок, обозна­ченный SAR-PDU, несет необходимую полезную нагрузку. При этом в первом бай­те SAR-PDU фиксируется указатель структурирования.

На уровне AAL-1 обрабатываются сигналы реального времени, чувствительные к задержкам передачи (например, речевые сообщения). Для поддержки услуг само­го высокого класса (категории А) необходимо выполнение условий синхронизации источника и приёмника сигнала. Сеть ATM, являясь транспортной средой, как пра­вило, имеет собственный высокостабильный синхронизм. Однако, источник и при­емник информационных сигналов не всегда имеют общий синхронизм с ATM. По этой причине может возникать большое расхождение тактовых механизмов источ­ника и приемника сигналов. Таким образом, сеть ATM не будет полностью «про­зрачной» транспортной средой для сигналов. Поскольку сеть ATM основана на пе­редаче ячеек, то характеристика частоты источника синхронизма на приемной сто­роне может зависеть от сегментации ячеек и задержки возможных случайных сме­шиваний ячеек. Маршрут извлечения источника синхронизма принадлежит пользо­вательскому соединению типа «точка-точка», построенному по принципу буфери­зации «первый пришел — первый вышел» (FIFO, First In First Out) в выходном бу­фере, например, для Е1 с регулировкой частоты записи-считывания. Частота считы­вания не может быстро меняться и подстраиваться под дрожание фазы приходящих импульсов. При этом может быть нарушено требование по стабильности синхро­низма, например, для Е1, согласно Рекомендации МСЭ-Т G.703, требование ста­бильности составляет SOxlCT⁶. Поэтому важнейшей функцией AAL-1 может быть восстановление с требуемой точностью тактовой частоты. Рекомендацией МСЭ-Т L363.1 определен метод введения синхронной остаточной временной метки SRTS <Synchronous Residual Time Stamp). Эта метка вводится в сегмент AAL-1 (рис. 3.54) в виде р-бита CSI.

 

 

 

Метка представляет собой четырехбитовое слово, переносимое в восьми подряд следующих сегментах. Метка вычисляется на передаче как разность частот сигнала (например, Е1) и тактовой частоты ATM-сети, которая просто вычисляется:

 

где х выбирается таким образом, чтобы переносимая частота была выше частоты тактов компонентного сигнала. Для Е1 значение х = 6 и частота тактирования равна 2,43 МГц. Для ЕЗ значение х = 4, частота тактирования равна 38,88 МГц. При этом частота Е1 делится на число N= 3008 (общее число битов данных в восьми сегмен­тах) и используется как затвор четырех битов (р-бит) счетчика для частоты 2,43 МГц (рис. 3.55).

 

На приемной стороне частота местного генератора кода SRTS сравнивается с частотой источника SRTS передающей стороны. Разность двух кодов SRTS исполь­зуется для выравнивания локальной частоты синхронизации, с которой информаци­онные данные из сети ATM поставляются в сеть потребителя. Пример услуг AAL-1 по отображению циклов Е1 приведен на рис. 3.56.

 

Сервис уровня AAL-2 называется услугами 2-го класса (или категории В) и пре­доставляется пользователю сети с переменой скоростью VBR для пакетированных, сжатых данных.

Сжатие данных для передачи звука и видео приводит к пульсирующему во вре­мени трафику, поэтому его характеризуют как «взрывной» (пиковый). Каждая ячейка, формируемая AAL-2, должна быть снабжена временной меткой для реагре- гирования и формирования непрерывного потока данных на приеме. Особенной ха­рактеристикой трафика, формируемого AAL-2, является очень сильная чувстви­тельность к искажениям информации при передаче.

Функции, реализуемые в AAL-2, заключаются 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 обнаружения и исправле­ния ошибок.

Для AAL-2 формат структурированных данных состоит из трех полей: поля за­головка, поля полезной нагрузки (то есть переносимого трафика) и хвостовой части (рис. 3.57).

 

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 и блок контроля ошибок поля полезной нагрузки процедурой CRC. Хвостовая часть формата SAR-PDU для AAL- 2 позволяет защитить от ошибок поле информационной нагрузки и головную часть.

Размещение SAR-PDU в ячейке ATM и последующее размещение на физиче­ском уровне аналогично AAL-1 (рис. 3.57), однако, при пульсирующем трафике ячеек промежутки могут быть заполнены пустыми ячейками для выравнивания скоростного потока на физическом уровне.

Уровни адаптации AAL-3 и AAL-4 объединены одним классом сервиса для пе­редачи данных, допускающих задержки, но различаются тем, что AAL-3 ориенти­рован на соединение пользователей через виртуальный канал с доступной скоро­стью передачи, a AAL-4 не ориентирован на соединение.

К особенностям характеристик класса сервиса AAL-3/4 относят следующее:

- передаваемая информация может иметь «взрывной» характер и переменную длину блоков;

- отсутствуют жесткие требования 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.

Особенности характеристик AAL-3/4 отражены на структурах сегментов полез­ной нагрузки SAR-PDU (рис. 3.58, 3.59). Первый рисунок отражает структуриро­ванную передачу данных в виде единого интерфейсного блока IDU (Interface Data Unit), 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 отделения сервисных данных, предназначенных 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.

На рис. 3.58, 3.59 использованы сокращения: CPI, Common Part Indicator — инди­катор общей части; ВТ, Begin Tag — поле начала; BAS, Buffer Allocation Size — раз­мер буфера; Р — поле выравнивания нагрузки; AL, Alignment — поле выравнива­ния; ЕТ, End Tag — поле конца; LI, Length Indicator — индикатор длины; ST, Seg­ment Туре — тип сегмента (2 бита); SN, Segment Number — порядковый номер; MID, Multiplexing Identifier — идентификатор мультиплексирования; CRC, Cyclic Redundancy Check —циклический избыточный код.

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 количе­ство байтов информационных данных, включенных в поле полезной нагрузки SAR- PDU. Его максимальное значение равно 44 байтам. Поле контроля ошибок проце­дурой CRC состоит из 10 битов и формируется логически на передающей стороне из битов сегмента.

Уровень AAL-5 обеспечивает предоставление сервиса класса 5 (или категорий С и D). Этот класс услуг предложено использовать для компьютерных сетей и пере­дачи данных в следующих вариантах (рис. 3.60):

- в качестве AAL-5 может выступать AAL-3/4, но с упрощенным заголовком;

- для загрузки пакетов по протоколу ТСРЛР.

Класс услуг AAL-5 предполагается использовать в локальных масштабах. При этом из поля сегмента удалены служебные биты. Тип сообщения (начало, продол­жение и конец) отмечается в РТ поля заголовка ячейки ATM. Это могут быть мет­ки: 0x1 — конец данных; 0x0 — начало или продолжение данных (х = 1 или х = 0).

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 (User-to-User, пользователь-пользова­телю), предназначенного для индикации участка цепи от пользователя к пользова­телю. Второе поле CPI (Common Part Indicator, индикатор общей части) также со­стоит из одного байта и предназначено для идентификатора тракта передачи. Третье поле LI (Length Indicator, индикатор длины), состоящее их двух байтов, слу­жит для раздела блоков данных. Четвертое поле, состоящее из четырех байтов, 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 байтов.

 

Функции уровня 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 и де­мультиплексирование ячеек; контроль правильности заполнен™ заголовков; управ­ление потоком ячеек.

Управление потоком ячеек необходимо для устранения перегрузок коммутато­ров сети. Генерация, извлечение и контроль заголовков необходимы при изменении маршрутизации ячеек в коммутаторах (VPI и VCI), а также для приема ячеек от 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).

Коммутация в ATM — 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 эти идентификаторы про­веряются коммутатором и сравниваются с содержимым таблицы. По результатам сравнения определяются выходные значения идентификаторов, которые должны быть занесены в заголовок ячейки. Также определяется 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 ячейку через выходной порт (рис. 3.61).

 

Коммутаторы имеют определенное число входных и выходных портов. На ос­нове примера (рис. 3.61) возможно отметить размерность коммутатора по числу входов п и выходов q. При этом возможно п Ф q и п = q. Случайно поступающие на входы ячейки могут одновременно претендовать на одни и те же выходы, что мо­жет приводить к конфликтам. 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 ATM функции можно свести к двум основ­ным:

- внутренняя коммутация ячеек;

- мультиплексирование и демультиплексирование потока ячеек.

Коммутация в ATM имеет аппаратную и программную реализации.

Аппаратная реализация предполагает наличие двух компонентов:

- коммутационной сердцевины (основы);

- коммутационных интерфейсов.

Программная реализация коммутации ATM включав! следующие функции:

- управления трафиком;

- управления обслуживанием;

- управления системными функциями;

- управления соединением;

- управления конфигурацией (оборудования и сетй);

- управления повреждениями;

- управления безопасностью.

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: введение и выведение ячеек, идентификация ячеек VP и VC, общее информирование по мар­шрутизации ячеек в коммутаторе и выделение негодных ячеек для блокировки, синхронизация ячеек.

Коммутационная сердцевина содержит: 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 «вляется только коммутационное устройство. Существует несколько типов комму­тационных устройств: с коллективной памятью, с общей шиной, с пространствен- яым разделением и т.д. Каждый из типов коммутаторов отвечает основным требо­ваниям: минимальной потере ячеек и сохранению порядка следования при ограни­ченных возможностях по скорости и числу входов/выходов. Требование минималь­ной потери ячеек (одна на 10¹², или одна-две ячейки в час) и требование очередно­сти налагают на схему коммутатора жесткие ограничения по сложности, быстро­действию, буферной памяти, внутренней маршрутизации и т.д.

Коммутационное устройство с коллективной памятью имеет память, общую для входных и выходных ячеек. В таком коммутаторе управление централизованно. Для реализации различных вариантов входных очередей общая память может дина­мически разбиваться на сегменты.

Коммутатор с общей шиной (рис. 3.62) имеет высокоскоростную внутреннюю шину, причем ее пропускная способность равна общей пропускной способности входных/выходных линий. Механизм управления потоком по идентификаторам оп­ределяет 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 построения одно- и многокаскадных схем.

Однокаскадные коммутационные матрицы (рис. 3.63) имеют в узлах переклю­чатели, которые могут находиться в двух состояниях: сквозном (транзит) и пере­крестном (кросс). 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.

Однокаскадные коммутационные матрицы не могут полностью устранить про­блемы конфликтов при одновременном поступлении ячеек к одному выходу. Такие матрицы не пригодны для обработки интенсивного трафика. В связи с этим широ­кое применение находят многокаскадные коммутационные матрицы, в которых су­ществует один или несколько путей, называемых маршрутами, между заданной па­рой вход/выход. Примером матрицы с одним маршрутом может служить баньяно- видная матрица (рис. 3.64). Баньян — тропическое дерево, у которого от каждой почки растет корень и ветвь. На основе баньяновидной матрицы может быть по­строена схема коммутаторов с одним маршрутом между парой вход/выход.

Процесс прохождения ячеек в трёхкаскадном коммутаторе (рис. 3.64, 3.65) со­стоит в следующем. К заголовку каждой ячейки «пристраивается» 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 коммутационный элемент (КЭ) реализует опера­цию «Кросс». Если он равен 0, то КЭ реализует операцию «Транзит».

 

Число каскадов и число входов/выходов связаны соотношением, справедливым для схем, представленных на рис. 3.64 и 3.65: п = lg₂N, где для n = 3,N=&.

Формула справедлива для схем, изображенных на рис. 3.64 и 3.65. 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. Частично решить проблему конфликтов можно созданием бу­фера при каждом коммутационном элементе. Известны четыре способа построения буферов: КЭ с входными очередями; КЭ с выходными очередями; КЭ с централь­ными очередями и смешанные (рис. 3.66...3.68). Принцип обслуживания очередей — FIFO. Возможные размеры требуемых буферов при заданной вероятности потери ячейки 1(Г⁹ оцениваются соответствующими методиками.

 

 

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 ипотерь ячеек можно при использовании коммутационных матриц со многими м