Применение АТМ в локальных сетях: когда оправданы затраты на высокое качество обслуживания
Кроме коммутаторов, поддерживающих стандартные протоколы локальных сетей и передающих кадры с порта на порт по алгоритмам моста, в локальных сетях стали применяться коммутаторы другого вида, а именно коммутаторы технологии АТМ. В связи с этим коротко рассмотрим основные принципы работы таких коммутаторов и способы их взаимодействия с коммутаторами технологий локальных сетей.
Технология АТМ (AsynchronousTransferMode - режим асинхронной передачи) разрабатывалась изначально для совмещения синхронного голосового трафика и асинхронного компьютерного трафика в рамках одной территориальной сети. Затем сфера применения технологии АТМ была расширена и на локальные сети.
Технология АТМ обладает следующими основными особенностями, которые обеспечивают ее выдающиеся возможности для поддержки качества обслуживания основных типов трафика сегодняшних локальных и глобальных сетей:
- иерархия битовых скоростей: 25 Мб/c, 155 Мб/c, 622 Мб/c;
- небольшой и постоянный размер пакета - 53 байта;
- транспортный сервис с установлением соединений - коммутируемые и постоянные виртуальные каналы;
- обеспечение требуемого качества обслуживания для каждого приложения.
- использование индивидуальных полнодуплексных связей конечного узла с сетью;
- поддержка на физическом уровне основных сред передачи данных - оптоволокна, витой пары категории 5, коаксиального кабеля (в каналах доступа к территориальным сетям). Поддержка стандартных методов кодирования сигнала на физическом уровне - SONET/SDH, FDDI, T1/E1.
Все эти особенности, собранные вместе в одной технологии, построенной "с нуля", а не в результате модификации существующей, обеспечивают гарантии требуемого качества обслуживания (тип и числовые параметры) по схеме "приложение - приложение".
Фиксированный формат ячейки
АТМ-станции и АТМ-коммутаторы обмениваются между собой кадрами фиксированного размера в 53 байта. Эти кадры принято называть ячейками. Поле данных ячейки занимает 48 байт, а заголовок - 5 байт. Размер поля данных - результат компромисса между "телефонистами" и "компьютерщиками".
При скорости 155 Мб/c - основной скорости работы АТМ-сетей, задержка пакетизации составляет менее 6 мс. Правда, служебная информация составляет около 10% от полезной информации, что гораздо больше, чем у других протоколов локальных сетей, но при битовой скорости в 155 Мб/c скорость передачи пользовательских данных все равно остается достаточно высокой - около 136 Мб/c в каждую сторону. Задержки в коммутаторах АТМ из-за ожидания обработки неприоритетных ячеек при их фиксированном и небольшом размере также оказываются предсказуемыми и небольшими.
Однако, один размер ячейки сам по себе не дает гарантированного качества обслуживания. Его поддерживают и другие особенности технологии АТМ.
Заказ и резервирование пропускной способности при установлении соединения
Сеть АТМ всегда использует процедуру установления соединения перед передачей пользовательских данных. (рис. 2.18)
Рис. 2.18 Соединения в сети АТМ
При этом используется стандартная для глобальных сетей техника коммутации данных с помощью виртуальных каналов (VirtualChannel). Такая техника давно использовалась в сетях Х.25, а затем нашла применение и в новых технологиях территориальных сетей - framerelay и АТМ. Для того, чтобы пакеты содержали адресную информацию, необходимую для принятия решения о коммутации, и в то же время процент служебной информации не был большим по сравнению с размером поля данных пакета, длинный адрес конечного узла передается только в первой ячейке, несущей запрос на установление соединения. При прокладке виртуального канала через коммутаторы сети каждый коммутатор отождествляет этот виртуальный канал с его локальным номером VCI (VirualChannelIdentifier), который имеет смысл только для данного коммутатора и даже для данного порта коммутатора (рис. 2.19). После установления соединения все ячейки, относящиеся к данному соединению, отмечаются узлом-отправителем определенным значением VCI, тем самым, которое использовалось и при запросе на установление соединения. Так как коммутаторы при прохождении запроса на установление соединения уже составили для своих портов таблицы коммутации для данного VCI, то продвижение ячеек с порта на порт осуществляется далее очень быстро - ячейка не преобразуется при продвижении, а просмотр таблиц коммутации происходит быстро, так как их размер у каждого порта небольшой.
Рис. 2.19 Коммутация в сетях АТМ
Построение же таблиц маршрутизации для конечных адресов станций, необходимых для установления соединений, в сетях АТМ может выполняться как вручную администратором, так и автоматически с помощью протокола PNNI (PrivateNetworktoNetworkInterface), похожего на протокол OSPF сетей TCP/IP.
Виртуальные каналы бывают коммутируемыми (SwitchedVirtualChannel) и постоянными (PermanenetVirtualChannel). Коммутируемые виртуальные каналы устанавливаются узлами динамически, в процессе работы, а постоянные виртуальные каналы образуются администратором на продолжительный срок.
Особенностью сетей АТМ является то, что запрос на установление соединения несет в себе одновременно с адресом конечного узла и параметры запрашиваемого качества обслуживания. Эти параметры определяет в первую очередь тип трафика, который будет передаваться в рамках данного соединения. Сегодня стандартами технологии АТМ, которые разработала некоммерческая организация ATMForum, определено 4 основных типа трафика:
- CBR (ConstantBitRate) - трафик с постоянной битовой скоростью;
- VBR (VariableBitRate) - трафик с переменной битовой скоростью;
- ABR (AvailableBitRate) - трафик с доступной битовой скоростью;
- UBR ((UnspecifiedBitRate) - трафик с неопределенной битовой скоростью.
Так как для трафика VBR существует два подтипа - VBR реального времени и VBR, то иногда говорят, что в АТМ существует 5 типов трафика.
Для каждого из типов трафика определены следующие параметры качества обслуживания:
| Тип трафика | Гарантии пропускной способности | Гарантии изменения задержки | Обратная связь при переполнении |
| CBR | + | + | - |
| VBR | + | + | - |
| UBR | - | - | - |
| ABR | + | + | + |
Трафик VBR соответствует случаю передачи компрессированного голоса или изображения. Для него запрашивается средняя скорость и максимальная величина пульсации за определенное время.
Сервис VBR может использоваться также и для передачи компьютерного трафика.
Для этого при установлении соединения ABR между конечным узлом и коммутаторами сети заключается соглашение о двух скоростях передачи данных - пиковой скорости и минимальной скорости. Пользователь соединения ABR соглашается не передавать данные со скоростью, выше пиковой, а сеть соглашается всегда обеспечивать минимальную скорость передачи ячеек .
Если приложение при установлении ABR-соединения не определяет максимальную и минимальную скорости, то по умолчанию считается, что максимальная скорость совпадает со скоростью линии доступа станции к сети , а минимальная скорость считается равной нулю.
Сервис ABR (AvailableBitRate) в отличие от других видов сервиса АТМ использует достаточно тонкую технику управления потоком для предотвращения перегрузок сети - при перегрузках о них оповещаются как ближайшие соседи-коммутаторы, так и конечные узлы.
Сервис с неопределенной пропускной способностью (UnspecifiedBitRate) подобен сервису коммутаторов локальных сетей - он не гарантирует конечному узлу какой-то определенной доли пропускной способности сети и не гарантирует, что все ячейки конечного узла будут доставлены по назначению. Это самый простой вид сервиса и он не использует какие-либо процедуры управления потоком, а при переполнении буферов коммутатора приходящие ячейки отбрасываются точно так же, как это делают коммутаторы локальных сетей.
Для всех типов трафика кроме UBR процедура установления соединения представляет для коммутаторов сети достаточно сложную проблему. Коммутатор должен решить, сможет ли он гарантировать пользователю запрашиваемые параметры пропускной способности и задержек. Поэтому процедура установления соединения обычно отнимает у коммутатора достаточно много времени - от 5 мс и выше. Но зато, если запрос принят, то дальше он выполняется с гарантией запрошенного качества для взаимодействующих в рамках соединения приложений.
Поддержка тонких процедур обеспечения качества обслуживания и высокая скорость коммутации делают коммутаторы АТМ достаточно дорогими устройствами - стоимость порта колеблется от $2000 до $3000 за порт.
Средняя цена построения локальной сети АТМ даже при предоставлении рабочим станциям пропускной способности 25 Мб/c приводит к стоимости в расчете на узел примерно в $1000.
Взаимодействие с существующими технологиями и протоколами
Для преобразования кадров, циркулирующих в локальных сетях, в 53-байтные ячейки, в технологии АТМ определены функции сегментации и ассемблирования (SegmentationAndReassembling). Когда кадр или пакет существующего протокола, например IP, поступает в драйвер сетевого адаптера АТМ, то он с помощью функции сегментации разделяет его на последовательность ячеек. После передачи ячеек по сети коммутаторов АТМ они вновь собираются в последнем коммутаторе с помощью функции реассемблирования в исходный кадр.
Однако, преобразование пакетов в ячейки - не самая сложная проблема взаимодействия АТМ с протоколами локальных сетей. Сложнее проложить нужные виртуальные пути в сети коммутаторов АТМ и заказать для них нужное качество обслуживания.
Нужно отметить, что ATМ Forum предпринимает значительные усилия для решения проблемы совместимости, понимая, что новой технологии еще долгое время придется сосуществовать с традиционными.
На сегодняшний день имеется стандартный вариант решения этой задачи для согласования АТМ с протоколами канального уровня локальных сетей. Он носит название LANEmulation - эмуляции локальных сетей. При использовании LANE сеть коммутаторов АТМ становится обычной сетью Ethernet (или другого протокола канального уровня локальной сети), понимающей MAC-адреса конечных узлов, передающей широковещательный трафик и не требующей установления соединения перед отправкой данных.
Основные идеи спецификации LANE иллюстрирует рисунок 2.20. Эмуляция преследует две цели. Во-первых, обеспечить транзитную передачу трафика сетей Ethernet, TokenRing, FDDI и им подобных через магистраль коммутаторов АТМ на основе МАС-адресов конечных узлов и с сохранением широковещательности. Во-вторых, обеспечить доступ по МАС-адресам к компьютерам, подключенным непосредственно к коммутаторам АТМ с помощью сетевых адаптеров АТМ из узлов, поддерживающих только протоколы канального уровня локальных сетей.
Для решения первой задачи магистраль АТМ соединяется с традиционными локальными сетями пограничными коммутаторами. Каждый пограничный коммутатор собирает данные о МАС-адресах узлов локальной сети, которую он присоединяет к магистрали АТМ. Обычно коммутатор выполняет эту работу по долгу службы, так как он является одновременно обычным коммутатором второго уровня для портов, подключенных к локальной сети, один порт пограничного коммутатора обязательно имеет АТМ-интефейс и соответственно АТМ-адрес. Информацию о МАС-адресах своей сети пограничный коммутатор передает центральному элементу LANE - серверу. Этот сервер собирает данные о МАС-адресах, обслуживаемых каждым пограничным коммутатором.
Рис. 2.20. Использование отдельных виртуальных каналов в ATM-сетях для передачи информации о виртуальных сетях
При необходимости передать кадр по МАС-адресу, принадлежащему локальной сети, присоединенной к магистрали другим пограничным коммутатором, данный пограничный коммутатор обращается с запросом к LANE-серверу и тот, просмотрев свои адресные таблицы, сообщает, какой пограничный коммутатор и с каким АТМ-адресом обслуживает ту локальную сеть, в которой находится узел с МАС-адресом назначения. Далее пограничный коммутатор устанавливает виртуальный канал (если он ранее не был установлен) с соседним пограничным коммутатором и передает по этому каналу кадр Ethernet, преобразованный в последовательность АТМ-ячеек. На другом конце магистрали другой пограничный коммутатор собирает из ячеек первозданный кадр и отправляет его узлу назначения.
Широковещательность эмулируется за счет рассылки кадра LANE-сервером всем пограничным коммутаторам.
Доступ из компьютеров локальных сетей к компьютерам, непосредственно подключенным к коммутаторам АТМ, достигается за счет того, что последним также присваивается МАС-адрес и в сетевой адаптер АТМ встраивается то же программное обеспечение, что и в пограничные коммутаторы, но только оно в этом случае обслуживает не группу МАС-адресов, а единственный МАС-адрес.
Спецификация LANE поддерживает также технологию виртуальных сетей. Если в локальной сети, присоединенной к пограничному коммутатору, определено несколько виртуальных сетей, то для передачи кадров каждой виртуальной сети пограничный коммутатор использует отдельный виртуальный канал. Номер этого виртуального канала и является той меткой, по которой пограничный коммутатор на другом конце АТМ-магистрали понимает, для какой виртуальной сети предназначен кадр.
Протокол LANE реализован во многих коммутаторах, которые могут использоваться как пограничные, так как имеют АТМ-интерфейс и интерфейсы локальных сетей - например, в коммутаторах Centillion 100 компании BayNetworks, Catalyst 5000 кампании Cisco и многих других. LANE-серверы также поставляются со многими моделями коммутаторов АТМ, например CELLplex 7000 компании 3Com.
Спецификация LANE версии 1.0 хорошо отработана и продукты различных производителей показали хорошую совместимость в тестах, проведенных журналом DataCommunications (July 1997, стр. 42). Правда, время установления соединения было зафиксировано достаточно большими - от 36 мс до 630 мс для сети из трех коммутаторов.
Недостатком LANE 1.0 является то, что она для передачи трафика локальных сетей использует класс сервиса UBR, то есть не поддерживает возможности, которые предоставляет технология АТМ по гарантиям пропускной способности и задержкам. Этот недостаток должна исправить спецификация LANE 2.0, принятие которой ожидается в ближайшее время.
В то же время разработчики приложений могут воспользоваться всеми преимуществами классов сервиса технологии АТМ с помощью интерфейса прикладного программирования Winsock 2.0.
Так как при использовании LANE сеть выглядит для сетевых протоколов как обычная локальная сеть, то для маршрутизаторов почти нет проблем при работе с такой сетью. Почти - потому что проблемой может стать слишком большое время установления соединений между пограничными коммутаторами, особенно если сеть большая, абонентов много и при ограничениях на число виртуальных каналов по одному порту эти соединения приходится периодически разрывать и восстанавливать.
Для решения этой проблемы можно применять методы ускоренной передачи сетевых протоколов, подобных IPswitching и tagswitching.
Области применения
В основном АТМ применяется сегодня на магистрали корпоративной локальной сети, причем с применением спецификации LANE 1.0. Это значит, что пока коммутаторы АТМ работают просто как распределенный и достаточно быстрый обычный коммутатор локальных сетей, так как гарантий качества обслуживания такой подход не дает. Проблемы построения магистрали крупной локальной сети рассматриваются более подробно далее, в разделе 2.5.
Что же касается доведения АТМ до клиентского компьютера, то здесь технология АТМ вряд ли найдет широкое применение. Дешевый вариант использования 25 Мегабитных сетевых адаптеров АТМ и коммутаторов с такими же портами проигрывает в сравнении с аналогичным решением на FastEthernet. Стоимость сети АТМ в этом случае раза в 3 превышает стоимость сети FastEthernet, а пропускная способность получается гораздо меньше. Поэтому, хотя и имеются отдельные проекты с массовым применением АТМ 25 Мб/с, тенденция к широкому использованию этого варианта АТМ не наблюдается.
В целом перспективы применения АТМ в локальных сетях весьма благоприятные . Исследования, проведенные компанией InfoneticsResearch, показали, что сейчас на рынке коммутаторов доминируют коммутаторы Ethernet и FastEthernet (рис.4.21). Однако по прогнозам этой же компании, после 1998 года объемы продаж коммутаторов Ethernet начнут резко сокращаться, а объемы продаж коммутаторов АТМ наоборот возрастут превзойдут объемы продаж коммутаторов FastEthernet. Основной конкурент АТМ в локальных сетях - GigabitEthernet - к 1990 году не сможет набрать достаточного веса. Что же качается коммутаторов FDDI и TokenRing, то их ждет постепенное угасание.
Рис. 4.21. Рынок коммутаторов - действительность и прогнозы
