Какая сеть - такой улов

Сеть АТМ

Первой попыткой урвать себе кусочек лакомого пирога стало создание системы ISDN (Integrated Services Digital Network — цифровая сеть с интеграцией служб). Но на момент окончания разработки и непосредственного внедрения ISDN уже оказалась малопроизводительной и дорогой. Поэтому практически сразу же после завершения ее испытаний началось создание еще одной технологии, получившей название ATM (Asynchronous Transfer Mode — асинхронный режим передачи).

Задачи, стоящие перед разработчиками новой системы, были достаточно сложными и мало изменились со времени создания ISDN. ATM должна была удовлетворять следующим требованиям:

возможность обслуживания абонентов во всем мире;

обмен данными всех видов, включая речь и видеоданные;

в основе новой сети должна лежать единая технология, поддерживающая все службы (например, работать и как локальная, и как распределенная сеть в зависимости от потребностей);

надежность и эффективность новой сети не должна уступать существующим аналогам;

необходимость поддержки подключения недорогих устройств, для которых не требуется мощный процессор и большие объемы памяти.

Из-за такого внушительного списка требований проблемы у разработчиков возникли уже при выборе формата фрейма. С одной стороны, чтобы сеть могла эффективно передавать данные, размер заголовков пакетов должен быть минимальным по сравнению с размером области данных. Для этого в сетях, оптимизированных для передачи данных, пакеты достигают 8 Кб и более. Но, с другой стороны, сеть АТМ должна быть способна передавать не только данные, но и речь. Применяющийся же для оцифровки речи метод PCM предусматривает получение восьмибитовой выборки каждые 125 микросекунд. Таким образом, чтобы наполнить пакет размером 8 Кб речью, необходима одна секунда реального времени, однако такая задержка становится недопустимой при телефонном разговоре.

С оглядкой на эту, а также другие технические проблемы, разработчиками АТМ был выбран пакет постоянного размера (в терминологии АТМ он получил название «ячейка» (cell)). Размер каждой ячейки ровно 53 байта, из которых 5 байт отводятся на заголовок, а остальные 48 предназначаются для передачи данных. 3 из 5 байт заголовка определяют адрес назначения пакета.

На рисунке 1 показан формат ячейки АТМ (его следует читать построчно слева направо). Поля, обозначенные здесь как VPI и VCI, вместе как раз и составляют адрес. Поле типа предназначено для определения содержимого области данных. Бит PRIO определяет, может ли быть отброшена ячейка при переполнении сети. А восьмибитный циклический избыточный код используется для подтверждения целостности доставки ячейки.

Такой компромиссный вариант формата фрейма вызвал острую критику в адрес разработчиков, поскольку издержки передачи заголовков составляют около 10%. Для сравнения: издержки передачи заголовков пакетов в той же технологии Ethernet менее 1% (размер пакетов до 1500 байт при заголовке в 14 байт).

Для передачи данных в сети АТМ (впрочем, как и в других разработках телефонных компаний) используется служба, посредством которой устанавливается логическое соединение. Она предполагает, что при необходимости передачи данных компьютер-отправитель посылает запрос получателю, и если тот дает согласие, то вдоль пути следования данных аппаратным обеспечением сети будет установлено соединение, называемое виртуальным каналом (Virtual Channel — VC). На деле это означает, что в память коммутаторов по пути следования траффика будут записаны значения, позволяющие обмениваться данными именно между двумя нужными компьютерами. Компьютеры же при этом используют идентификаторы соединения, которые выдаются им при установлении связи.

Данное 24-битовое двоичное значение служит для идентификации канала и именуется идентификатором VPI/VCI. Он состоит из двух частей. Первая часть называется идентификатором виртуального пути (Virtual Path Identifier — VPI), имеет длину 8 бит и предназначена для обозначения пути, по которому проходит виртуальный канал. Вторая часть имеет длину 16 бит и называется идентификатором виртуального канала (Virtual Channel Identifier — VCI). Она определяет единственный виртуальный канал в пределах виртуального пути, заданного VPI. Такое разделение идентификатора VPI/VCI может использоваться для группирования нескольких виртуальных каналов, но компьютер, подключенный к АТМ, интерпретирует его лишь как единое 24-битовое двоичное число.

Сеть АТМ состоит как минимум из одного коммутатора АТМ с подключенными к нему компьютерами. Расширяется такая сеть подключением новых коммутаторов через порты, аналогичные тем, которые используются и для подсоединения компьютеров.

Для пересылки пакета через сеть АТМ компьютер-отправитель запрашивает соединение и, получив при этом идентификатор VPI/VCI, помещает его во все отправляемые ячейки. Коммутатор, принимая такие пакеты, извлекает из заголовка идентификатор, а затем ищет его в своей таблице маршрутизации. Но кроме информации о том, по какому интерфейсу эту ячейку следует отправить дальше, таблица маршрутизации АТМ содержит также новое значение VPI/VCI, которым сначала перезаписывается старое, а уж только потом ячейка отправляется далее. Таким образом при прохождении ячейки через каждый маршрутизатор значение идентификатора VPI/VCI заменяется на новое, а таблицы маршрутизаций коммутаторов вдоль всего пути следования ячейки скоординированы таким образом, чтобы она достигла места своего назначения. И когда ячейка наконец прибывает к компьютеру-получателю, в ее заголовке содержится значение идентификатора, выданное получателю при соединении (то есть идентификаторы канала у компьютеров, участвующих в обмене данными, разные, хотя может случиться и так, что они совпадут). Используя это значение, получатель может послать ответ, который проделает путь с обратной заменой VPI/VCI и в конце концов достигнет отправителя.

Такая перезапись значения идентификатора получила название коммутация меток, а саму технологию АТМ называют системой с коммутацией меток.

Рассмотрим на примере, как работает сеть АТМ. На рисунке 2 изображена сеть из четырех коммутаторов с пятью подключенными к ним компьютерами. Предположим, что для обмена данными был установлен виртуальный канал между компьютерами A и D, при этом компьютеру А был выдан идентификатор VPI/VCI, равный 2, а компьютеру D — 4. Под рисунком показаны таблицы маршрутизации для тех трех коммутаторов, через которые будет проходить пакет. При этом указаны лишь те записи, которые создают нужный нам виртуальный канал.

Первоначально компьютер А отправляет ячейки с присвоенным ему идентификатором 2. В первом коммутаторе из ячейки извлекается метка и ищется соответствующая ей запись под номером 2. В ней указано, что ячейку необходимо направить по интерфейсу 3 и при этом перезаписать идентификатор VPI/VCI значением 1. В следующем коммутаторе находится строчка 1, согласно которой ячейку отправляют по интерфейсу 2 с заменой идентификатора на 5. И наконец, последний коммутатор, согласно записи с номером 5, отправляет ячейку по интерфейсу 4, перезаписав метку значением 4. Таким образом ячейка достигает компьютера D, причем в поле VPI/VCI содержится значение, присвоенное в качестве идентификатора виртуального канала компьютеру D. Используя его в качестве адреса, компьютер D может приблизительно таким же образом отправить пакет компьютеру А. Ко всему сказанному стоит добавить, что в реальных коммутаторах интерфейсы (порты) нумеруются целыми числами, начиная с 1, так же, как и в нашем примере. Эти числа используются только внутри коммутаторов.

Рассмотрим, каким образом происходит заполнение таблиц маршрутизации коммутаторов. Во-первых, такое заполнение может быть выполнено вручную администратором сети при выделении заказчику постоянного виртуального канала (permanent virtual channel  — PVC). Данная услуга аналогична аренде цифровой линии, но для ее активации нужно приложить на порядок меньше усилий. Все, что нужно сделать администратору, это определить путь следования данных, а затем зарезервировать соответствующие записи в таблицах маршрутизации коммутаторов. При этом, благодаря коммутации меток, нет необходимости искать значение VPI/VCI, свободное для всех коммутаторов, достаточно лишь в предыдущем коммутаторе в качестве заменяющего значения VPI/VCI выбрать свободное в следующем коммутаторе.

Вторым способом установки соединения является динамическое создание коммутируемого виртуального канала (Switched Virtual Channel — SVC). В отличие от PVC, который может существовать длительное время, SVC создается практически мгновенно и работоспособен неопределенное время.

Для его создания компьютер, инициирующий передачу, отправляет на коммутатор, к которому он подключен, запрос на установление соединения. Этот запрос передается в ячейках со специальным зарезервированным значением VPI/VCI, и, получив его, коммутатор автоматически находит путь к месту назначения. Вдоль этого пути отправляется специальное сообщение, и соседние пары коммутаторов, вступая во взаимодействие, определяют значения VPI/VCI. Когда дойдет черед до компьютера получателя, то по уже существующему виртуальному каналу к отправителю пойдет сообщение, сигнализирующее, что канал готов к работе.

Для удовлетворения запросов пользователей, получающих аудио- или видеоданные в реальном времени, в технологии АТМ предусмотрены средства, обеспечивающие требуемое качество обслуживания (Quality of Service — QoS). К примеру, при передаче телефонного разговора используется служба CBR (Constant Bit Rate — постоянная скорость передачи), которая позволяет каждому из коммутаторов вдоль пути следования ячеек резервировать необходимую пропускную способность. В нашем примере, в случае, если будет использоваться кодирование по стандарту PCM, это значение составит 64 Кбит/сек. Однако для передачи видео можно задействовать и гораздо большие значения скорости, резервирование которой происходит при выделении канала и остается действительным до его разрыва. В случае, если какой-либо из коммутаторов не сможет выполнить запрос, будет выдано сообщение об ошибке.

Однако если при передаче аудио или видео применять сжатие, то скорость передачи со временем может изменяться. Для этого используется служба VBR (Variable Bit Rate — переменная скорость передачи). В случае же передачи данных приложением, где скорость передачи может изменяться скачкообразно, применяется служба ABR (Available Bit Rate — доступная скорость передачи).

Для поддержки широкого спектра приложений в технологии АТМ предусмотрено 5 протоколов адаптации. Но для передачи данных чаще всего применяется протокол адаптации АТМ уровня 5 (ATM Adaptation Layer 5 — AAL5), позволяющий взаимодействовать с программами, оптимизированными к передаче больших пакетов. Он предусматривает получение от приложения блока данных размером до 64000 байт, его разбиение на ячейки, передачу по сети АТМ и последующую сборку на стороне получателя в такой же блок.

Технология АТМ позволяет работать на больших скоростях с использованием оптоволоконных линий. Обычный порт коммутатора АТМ работает на скоростях 25, 155, 622 Мбит/сек. Типичный же коммутатор локальной сети АТМ имеет суммарную пропускную способность 2.5 Гбит/сек, которая достигается благодаря коммутации меток. Коммутация меток не требует сложных вычислений (нужно лишь по индексу, определяемому идентификатором, прочитать нужную запись из массива), и поэтому вся работа может выполняться на аппаратном уровне без использования процессора (что значительно повышает производительность).

Но, несмотря на многочисленные преимущества и универсальность, сети АТМ не получили широкого распространения из-за целого ряда существенных недостатков. Так, широкий набор служб, который должно поддерживать аппаратное обеспечение, стал причиной высокой стоимости сети АТМ. Служба с установлением логического соединения приводит к значительным задержкам при ожидании установления или разрыва соединения (особенно заметны такие задержки, когда необходимо передавать маленькие порции информации множеству компьютеров). Значительным недостатком являются и издержки, которые возникают при передаче относительно больших заголовков ячеек (10% всей передаваемой по сети АТМ информации составляют заголовки). Кроме того, неправильное резервирование пропускной способности приводит к неэффективному ее использованию. Недостатком АТМ как локальной сети является отсутствие эффективной широковещательной рассылки. И, вероятно, не последнюю роль в низкой распространенности сетей АТМ сыграла их неспособность взаимодействовать с другими технологиями (к примеру, подключить сеть АТМ к Интернету — это большая проблема; разработчики просто-напросто весьма амбициозно полагали, что АТМ вытеснит все другие виды сетей и такое взаимодействие не понадобится).

Данный не короткий список весьма убедительно объясняет, почему АТМ сейчас используется лишь телефонными компаниями для их базовых сетей, да изредка большими корпорациями, еще не перешедшими на более современные технологии. Одно из существенных преимуществ АТМ — высокие скорости передачи данных — было оспорено у нее технологиями Gigabit Ethernet и 10Gigabit Ethernet.

На этом, пожалуй, можно поставить точку в рассмотрении этой интересной технологии, от которой было затребовано столь много, что в конце концов все ее преимущества превратились в недостатки, что и погубило АТМ (вот на такой драматичной ноте позвольте закончить эту статью :-)).