Что такое атм коммутатор
Рост и увеличение загруженности корпоративных сетей приводят к необходимости их модернизации с учетом самых современных тенденций развития систем связи. И здесь следует стремиться к тому, чтобы не только свести к минимуму затрачиваемые средства, но и наиболее эффективно их вложить. Необходимо помнить, что появляющиеся новые приложения влекут за собой увеличение скорости передачи данных в сети, поэтому она должна строиться с учетом постоянного роста трафика.
Технология АТМ представляет собой дальнейшее развитие принципов, которые были положены в основу технологий ISDN и Frame Relay. Технологии N-ISDN, X.25 и Frame Relay не могли обеспечить возможность построения достаточно качественной и гибкой цифровой сети с интегрированными услугами Технология N-ISDN обеспечивала гарантированное качество обслуживания, однако, не обладала необходимой гибкостью и не обеспечивала высокие (более 2 Мбит/сек) скорости передачи данных. Технология Frame Relay обеспечивала большие, чем технология N-ISDN скорости передачи данных и достаточную эффективность использования ресурсов физического канала, однако, она не обеспечивала выделения гарантированной полосы пропускания для передачи трафика, который чувствителен к задержкам (оцифрованный голос), то есть необходимого качества обслуживания. Аббревиатура ATM означает Asynchronous Transfer Mode (в дословном переводе - технология асинхронной передачи). Термин "асинхронный" в названии технологии указывает на её отличие от синхронных технологий с фиксированным распределением пропускной способности канала между информационными потоками (TDM, ISDN). Существенные отличия технологии АТМ от ISDN и Frame Relay заключается в том, что блок данных АТМ, ячейка, имеет фиксированную длину - 53 байта. Фиксированная длина ячейки АТМ обеспечивает гарантированное постоянное время её обработки на коммутирующем оборудовании, и следовательно - возможность обеспечения гарантированного качества обслуживания информационных потоков пользователя.
История
Создание
Корневые технологии ATM были разработаны независимо во Франции и США в 1970-х двумя учеными: Jean-Pierre Coudreuse, который работал в исследовательской лаборатории France Telecom, и Sandy Fraser, инженер Bell Labs. Они оба хотели создать такую архитектуру, которая бы осуществляла транспортировку как данных, так и голоса на высоких скоростях, и использовала сетевые ресурсы наиболее эффективно.
Компьютерные технологии создали возможность для более быстрой обработки информации и более скоростной передачи данных между системами. В 80-х годах ХХ века операторы телефонной связи обнаружили, что неголосовой трафик более важен и начинает доминировать над голосовым. Был предложен дизайн ISDN, который описывал цифровую сеть с коммутацией пакетов, предоставляющую услуги телефонной связи и передачи данных. Оптоволокно позволяло обеспечить передачу данных на высокой скорости с малыми потерями. Но технология коммутации пакетов не обеспечивала надежную передачу голоса, и многие сомневались, что когда-либо обеспечит. В противоположность сетям пакетной передачи данных в общественных телефонных сетях применяли технологию коммутации каналов. Эта технология идеальна для передачи голоса, но для передачи данных она неэффективна. И тогда телекоммуникационная индустрия обратилась к ITU для разработки нового стандарта для передачи данных и голосового трафика в сетях с широкой полосой пропускания. В конце 80-х Международным телефонным и телеграфным консультативным комитетом CCITT (который затем был переименован в ITU-T) был разработан набор рекомендаций по ISDN второго поколения, так называемого B-ISDN (широкополосный ISDN), расширения ISDN. В качестве режима передачи нижнего уровня для B-ISDN был выбран ATM. В 1988 г. на собрании ITU в Женеве была выбрана длина ячейки ATM - 53 байт. Это был компромисс между американцами, которые хотели размер данных в ячейке 64 байта и европейцами, которые склонялись к размеру данных 32 байта. Ни одна сторона не смогла выиграть в этом споре и в итоге был выбран средний размер 48 байт. Для поля заголовка был выбран размер 5 байт, минимальный размер, на который согласилась ITU. В 1990 г. был одобрен базовый набор рекомендаций ATM. Базовые принципы ATM положены рекомендацией I150. Это решение было очень похоже на системы разработанные Coudreuse и Fraser. Отсюда начинается дальнейшее развитие ATM.
90-е годы: приход ATM на рынок
В начале 90-х начинается ажиотаж вокруг технологии ATM. Корпорация Sun Microsystems еще в 1990 г. одна из первых объявляет о поддержке ATM. В 1991 году создан ATM Forum, консорциум для разработки новых стандартов и технических спецификаций по технологии ATM, и сайт с одноименным названием, где все спецификации выкладывались в открытый доступ. CCITT, уже будучи ITU-T, выдаёт всё новые ревизии своих рекомендаций, полируя и совершенствуя теоретическую базу ATM. Представители сферы IT в журналах и газетах пророчат великое будущее ATM. В 1995 г. компания IBM объявила о своей новой стратегии в области корпоративных сетей, основанной на технологии ATM. Считалось, что ATM будет спасителем Интернета, уничтожив нехватку ширины полосы пропускания и внеся в сети надежность. Dan Minoli, автор многих книг по компьютерным сетям, убежденно утверждал, что ATM будет внедрен в публичных сетях, и корпоративные сети будут соединены с ними таким же образом, каким в то время они использовали frame relay или X.25. Но к тому времени протокол IP уже получил широкое распространение и сложно было совершить резкий переход на ATM. Поэтому в существующих IP-сетях технологию ATM предполагалось внедрять как нижележащий протокол, то есть под IP, а не вместо IP. Для постепенного перехода традиционных сетей Ethernet и Token Ring на оборудование ATM был разработан протокол LANE, эмулирующий пакеты данных сетей.
В 1997 г. в индустрии маршрутизаторов и коммутаторов примерно одинаковое количество компаний было выстроено на обеих сторонах, то есть использовало или не использовало технологию ATM в производимых устройствах. Будущее этого рынка было еще неопределенно. В 1997 г. доход от продажи оборудования и услуг ATM составил 2,4 млрд долларов США, в следующем году — 3,5 млрд, и ожидалось, что он достигнет 9,5 млрд долларов в 2001 году. Многие компании (например Ipsilon Networks) для достижения успеха использовали ATM не полностью, а в урезанном варианте. Многие сложные спецификации и протоколы верхнего уровня ATM, включая разные типы качества обслуживания, выкидывались. Оставлялся только базовый функционал по переключению байтов с одних линий на другие.
Первый удар по ATM
И тем не менее, было также много специалистов IT, скептически относящихся к жизнеспособности технологии ATM. Как правило, защитниками ATM были представители телекоммуникационных, телефонных компаний, а противниками — представители компаний, занимающимися компьютерными сетями и сетевым оборудованием. Steve Steinberg (в журнале Wired) посвятил целую статью скрытой войне между ними . Первым ударом по ATM были результаты исследований Bellcore о характере трафика LAN, опубликованных в 1994 г. Эта публикация показала, что трафик в локальных сетях не подчиняется ни одной существующей модели. Трафик LAN на временной диаграмме ведет себя как фрактал. На любом временном диапазоне от нескольких миллисекунд до нескольких часов он имеет самоподобный взрывной характер. ATM в своей работе все внеурочные пакеты должен хранить в буфере. В случае резкого увеличения трафика, коммутатор ATM просто вынужден отбрасывать невмещающиеся пакеты, а это означает ухудшение качества обслуживания. По этой причине PacBell потерпела неудачу при первой попытке использовать оборудование ATM.
Появление главного конкурента ATM — Gigabit Ethernet
В конце 90-х появляется технология Gigabit Ethernet, которая начинает конкурировать с ATM. Главными достоинствами первой является значительно более низкая стоимость, простота, легкость в настройке и эксплуатации. Также, переход с Ethernet или Fast Ethernet на Gigabit Ethernet можно было осуществить значительно легче и дешевле. Проблему качества обслуживания Gigabit Ethernet мог решить за счет покупки более дешевой полосы пропускания с запасом, нежели за счет умного оборудования. К окончанию 90-х гг. стало ясно что ATM будет продолжать доминировать только в сетях WAN, то есть корпоративных сетях. Продажи свитчей ATM для WAN продолжали расти, в то время как продажи свитчей ATM для LAN стремительно падали.
2000-е годы
В 2000-е гг. рынок оборудования ATM еще был значительным . ATM широко использовался в WAN-сетях, в оборудовании для передачи аудио/видео потоков, как промежуточный слой между физическим и вышележащим уровнем в устройствах ADSL для каналов не более 2 Мбит/с. Но в конце десятилетия ATM начинает вытесняться новой технологией IP-VPN. Свитчи ATM стали вытесняться маршрутизаторами IP/MPLS . По прогнозу компании Uvum от 2009г., к 2014г. ATM и Frame relay должны почти полностью исчезнуть, в то время как рынки Ethernet и IP-VPN будут продолжать расти с хорошим темпом. По докладу Broadband Forum за октябрь 2010 г, переход на глобальном рынке от сетей с коммутацией каналов (TDM, ATM и др.) к IP-сетям уже начался в стационарных сетях и уже затрагивает и мобильные сети. В докладе сказано, что Ethernet позволяет мобильным операторам удовлетворить растущие потребности в мобильном трафике более экономически эффективно, чем системы, основанные на TDM или ATM.
Еще в апреле 2005г. произошло слияние ATM Forum с Frame Relay Forum и MPLS Forum в общий MFA Forum (MPLS-Frame Relay-ATM). В 2007г. последний был переименован в IP/MPLS Forum. В апреле 2009г. IP/MPLS Forum был объединен с Broadband Forum (BBF), и новый форум принял название Broadband Forum. Фактически IP/MPLS Forum был поглощен BBF. Спецификации ATM доступны в их исходном виде на сайте Broadband Forum, но их дальнейшая разработка полностью остановлена.
Компоненты сетей АТМ
Технология АТМ обеспечивает информационное взаимодействие на двух уровнях, которые соответствуют канальному и физическому уровням модели OSI. АТМ - коммутаторы представляют собой быстродействующие специализированные вычислительные устройства, которые аппаратно реализуют функцию коммутации ячеек ATM между несколькими своими портами. Устройства CPE (Customer Premises Equipment) обеспечивают адаптацию информационных потоков пользователя для передачи с использованием технологии ATM. Для передачи данных в сети ATM организуется виртуальное соединение - virtual circuit (VC).
Идентификаторы виртуального соединения ATM
В пределах интерфейса NNI виртуальное соединение определяется уникальным сочетанием идентификатора виртуального пути (virtual path identifier) и идентификатора виртуального канала (virtual circuit identifier).
Виртуальный канал представляет собой фрагмент логического соединения, по которому производится передача данных одного пользовательского процесса.
Виртуальный путь представляет собой группу виртуальных каналов, которые в пределах данного интерфейса имеют одинаковое направление передачи данных.
Коммутатор АТМ состоит из двух коммутаторов - коммутатора виртуальных путей и коммутатора виртуальных каналов. Эта особенность организации АТМ обеспечивает дополнительное увеличение скорости обработки ячеек.
ATM коммутатор анализирует значения, которые имеют идентификаторы виртуального пути и виртуального канала у ячеек, которые поступают на его входной порт и направляет эти ячейки на один из выходных портов. Для определения номера выходного порта коммутатор использует динамически создаваемую таблицу коммутации.
Формат ячейки АТМ
Ячейка состоит из двух частей: поле заголовка занимает 5 байт и ещё 48 байт занимает поле полезной нагрузки.
Поле заголовка
В заголовке ячейки содержатся следующие поля:
- Virtual Path Identifier (VPI)
- Virtual Ccircuit Identifier (VCI)
- Payload Type (PT)
- Congestion Loss Priority (CLP)
- Header Error Control (HEC)
Поля идентификаторов VPI и VCI
Идентификаторы VPI и VCI используются для обозначения виртуальных соединений ATM.
Поле типа нагрузки PT
В этом поле располагается информация, которая определяет тип даных, которые находятся в поле полезной нагрузки ячейки АТМ.
Бит понижения приоритета CLP
Бит CLP в ячейке АТМ имеет такое - же значение, как бит DE в кадре Frame Relay.
Поле контрольной суммы заголовка HEC
В поле HEC размещается проверочная контрольная сумма 4-х предыдущих байтов заголовка.
Поле Generic Flow Control (GFC)
Поле GFC содержат только ячейки АТМ которые передаются через интерфейс UNI. Содержимое этого поля используется в тех случаях, когда один ATM UNI интерфейс обслуживает несколько станций одновременно.
Структуры заголовка ячейки ATM
Классы данных ATM
Спецификация ATM forum 4.0 определяет пять основных классов данных, которые используются в технологии АТМ.
- Constant Bit Rate (CBR)
- Real Time Variable Bit Rate (RT-VBR)
- Non-Real Time Variable Bit Rate (NRT-VBR)
- Unspecified Bit Rate (UBR)
- Available Bit Rate (ABR
Уровни информационного взаимодействия ATM
Физический уровень взаимодействия АТМ
На этом уровне определяются способы задания границ и правила упаковки ячеек АТМ в кадры физического уровня.Физический уровень АТМ функционально делится на два подуровня -
- Уровень физической среды (physical medium sub-layer)
- Уровень преобразования (transmission convergence sub-layer)
Канальный уровень взаимодействия АТМ
Информационное взаимодействие на канальном уровне ATM осуществляется на двух подуровнях:
- Канальный уровень АТМ (уровень АТМ)
- Уровень адаптации АТМ
Уровень АТМ
На уровне АТМ определяются процедуры и выполняются основные функции, которые обеспечивает технология ATM:
- Создание виртуальных соединений
- Управление виртуальными соединениями
- Обеспечение необходимого уровня обслуживания
Уровни адаптации АТМ
Назначением данного уровня является определение процедур в соответствии с которыми выполняется преобразование блоков данных верхних уровней в поток ячеек АТМ. Для того, чтобы преобразование в ячейки оптимальным образом соответствовало типу трафика пользователя, применяется несколько стандартных уровней адаптации АТМ:
- ATM Adaptation Layer1 (AAL1)
- ATM Adaptation Layer3/4 (AAL3/4)
- ATM Adaptation Layer5 (AAL5)
Уровень AAL1
Уровень адаптации AAL1 предназначен для обеспечения передачи по сетям АТМ трафика типа CBR (оцифрованный голос, видеоконференции).
Уровень AAL3/4
Уровень адаптации AAL3/4 предназначен для обеспечения передачи по сетям АТМ блоков данных SMDS (Switched Multi megabit Data Service).
Уровень AAL5
Данный уровень адаптации наиболее часто используется для передачи по сетям АТМ трафика локальных вычислительных сетей и имеет специальное название - SEAL (Simple and Efficient Adaptation Layer).
Когда я начал разбираться в ATM, я был поражен тем, на сколько "навороченная" и непростая эта технология. Её на самом-то деле очень сложно сравнить с Frame Relay. Тут тебе и некое подобие NATa, что-то вроде VPNa, автоматическая сигнализация секитов через всю ATM сеть, динамическая маршрутизация, Tag Switching и многое другое. Даже Explicit Path можно указать для секита. Что-то знакомое, не правда ли? А я в своё время удивлялся, когда встретил большую межконтинентальную ATM сеть, которая впоследствии была заменена MPLSом. Ладно, давайте по порядку.
Немного лирики
- Фиксированный маленький размер фрейма (ячейки). Что дает возможность уйти от концепции синхронизации. Дело в том, что при передаче таких маленьких ячеек вероятность возникновения ошибок довольно мала, потому что сама передача занимает очень короткий промежуток времени.
- Возможность одинаково эффективно передавать как критичные к задержкам данные (голос, видео), так и просто данные.
- Виртуальные каналы. Вся информация в ATM передается по виртуальным каналам. Для того чтобы даные вообще пошли хоть куда-то, он должен существовать.
Базовый принцип.
ATM подобно Frame Relay использует некие указатели для коммутации, но здесь они испольщуются иначе и имеют другой смысл. В заголовке ATM есть два поля - VPI (Virtual Path Identifier) и VCI (Virtual Channel Identifier). Они имеют только локальное значение на интерфейсе, как и во Frame Relay. Но, в отличии от FR, их никак нельзя сравнить с MAC адресами в Ethernet. Они никаким образом не определяют устройство и могут меняться от линка к линку.
ATM свитч может оперировать двумя этими числами. Разберем простой пример.
- Посмотреть на:
- VPI в случае VP коммутации
- Пару VPI/VCI в случае VC коммутации
Virtual Connections
ATM - это connection-oriented сеть, что подразумевает установление соединения между двумя точками для передачи трафика. Типов таких соединений в ATM довольно много.
Во-первых, они делятся по тому какой тип коммутации выбран (VC или VP).
Во-вторых, такие соединения бывают постоянные и коммутируемы (permanent, switched).
В первом случае (permanent), на каждом коммутаторе по пути нужно прописать соответсвие входящий VPI/VCI, исходящий порт, исходящий VPI/VCI. Такое соединение будет всегда присутствовать на сети, независимо от наличия трафика в нем. Используется, например, для каналов по которым идет сигнализация.
Для второго типа (switched) характерна обратная ситуация. Когда появляется интересный трафик, начинает сигнализироваться соединение. Для этой цели используется специальный протокол сигнализации и маршрутизации, о котором чуть ниже. Плюсы очевидны. Во-первых, соединение поднимается по надобности, во-вторых, можно использовать все прелести динамической маршрутизации (поиск картчайшего пути, скажем).- Permanent Virtual Connection (PVC)
- Permanent Virtual Channel Connection (PVCC)
- Permanent Virtual Path Connection (PVPC)
- Switched Virtual Channel Connection (SVCC)
- Switched Virtual Path Connection (SVPC)
- Soft Permanent Virtual Channel Connection (soft PVCC)
- Soft Permanent Virtual Path Connection (soft PVPC)
Сигнализация
Мы плавно подошли к вопросу сигнализации. Напомню, для установления SVC и Soft PVC нужен какой-то механизм, чтобы установить соединение. Сам процесс происходит в несколько этапов и выглядит довольно просто и лаконично, если не вдаваться в подробности.
Каждый интерфейс в ATM сети (да и в любой другой в принципе) можно охарактеризовать как NNI (network-network interface) или UNI (user-network interface). Названия говорят сами за себя. Первый интерфейс обычно смотрит в сторону сети, второй - в сторону конечного пользователя. От типа интерфейса будет зависеть поведение коммутатора. Например то, как будет выполнятся сигнализация. Зачем клиенту передавать информацию, которая нужна для построения кратчайшего пути, например. А вот сигнализация по NNI секитам происходит средствами протокола PNNI (Private Network Node Interface), который также отвечает за маршрутизацию. О нем мы поговорим сразу после адресации.![]()
Адресация
В последовательсти шагов выше, я упоминал адреса, которые передаются вместе с сигнальными кадрами. Можно сразу привести какой-нибудь типичный адрес в ATM для затравки. 47.00918100000000E04FACB401.00E04FACB401.00 А вы говорите IPv6.
- E.164. Выглядит как телефонный номер в формате X-XXX-XXX-XXXX. Словом, обычный телефонный номер. Как я понимаю, такая адресация используется в глобальных ATM сетях.
- NSAP. Если вы знакомы с IS-IS, то вы знаете что это формат адреса разработанный в стародавние времена OSI. Да-да, как модель OSI. Адрес имеет довольно сложную структуру, для ATM он обычно генерируется следующим образом (пример для Cisco):
- AA - AFI - Authority and Format Identifier. Например, 39 - выдан ISO, 45 - закодированный E.164 в NSAP. На деле практически всегда это одно число.
- IIII - ICD - International Code Designator. На деле для Cisco это всегда 0091
- HHHHHHHH - часть HO-DSP - High-Order Domain Specific Part. Для Cisco 81000000.
- SSSSSSSSSSSS - MAC. MAC аддрес коммутатора.
- MMMMMMMMMMMM - MAC. Mac аддрес интерфейса.
- SS - SEL. На деле всегда по нулям, а вообще это что-то вроде порта в TCP/IP.
ILMI (Integrated Local Management Interface)
Как и во Frame relay, у ATMа есть свой протокол для упрощения жизни на "последних милях". Здесь он называется ILMI и выполняет несколько отличную от LMI во Frame Relay функцию. После подключения конечного устроства к ATM коммутатору через UNI линк, первый сообщает второму свой MAC адрес, коммутатор добавляет к нему свой префикс (13 байт, о которых я говорил ранее) и отправляет полный адрес назад хосту. Такая процедура составляет таблицу адресов на ATM интефейсе.
PNNI (Private Network Node Interface)
Строго говоря, в ATM есть два протокола. Interim Interswitch Signaling Protocol (IISP) и Private Network-Node Interface (PNNI). Первый позволяет прописывать статически маршруты на коммутаторах, а второй пользоваться всеми прелестями динамической маршрутизации. Поэтому далее речь пойдет только про второй.
- Cell delay variation (CDV) - максимальный delay на линке
- Maximum cell transfer delay (MCTD) - CDV + прочие фиксированные задержки на линке
- Available cell rate (AvCR) - доступный bandwidth на линке.
- Cell loss ratio (CLR) - потери на линке.
Теперь, мы можем немного расширить описание предыдущей картинки.
Итак, устройство A по прежнему сигнализирует VC до устройтсва Z.![]()
E.164 или плюс семь четыре семь четыре два.
ATM, как и многие другие протоколы и сетевые технологии, унаследовал многое от телефонных сетей. В нашем случае, это глобальная адрессация, в том числе.
На схеме ниже можно увидеть две приватные ATM сети, которые используют PNNI сигнализацию. Две эти сети связаны между собой через публичную ATM сеть, в которой используется E.164 сигнализация. Кроме того, что в этих двух сетях используется разный тип сигнализации, так ещё и адресация разная. В первом случае это NSAP, а во втором E.164. Ничего не напоминает? Подождите, дальше лучше.
![]()
NSAP адреса из приватных сетей не могут передаваться в открытом виде в публичных сетях, поэтому некие граничные коммутаторы должны производить что-то вроде трансляции из NSAP в E.164 и обратно. Ну как вам?
- Gateway. Что-то вроде статического маршрута, который проинструктирует левый коммутатор с картинки отправлять данные на E.164 адрес правого коммутатора.
- Autoconversion. В таком случае NSAP адрес будет сконверторован в E.164 адрес по определенному правилу, а на принимающей стороне будет произведена обратная операция.
- Translation. Моё любимое. Настраивается таблица соответсвий NSAP адресов к E.164. После чего происходит трансляция один к одному. "Дык это ж NAT?", может воскликнуть читатель. Ну, в общем-то, да.
LANE (LAN Emulation)
Рано или поздно, инженеры столкнулись с проблемой эмуляции LAN в ATM. Учитывая тот факт, что концепции broadcast трафика в ATM нет как таковой, задача была не из легких. Да и вообще, ATM это Poin-to-Point технология. а нужно было Point-to-Multipoint. Пришлось обкладывать всю сеть костылями.
LANE довольно сложная тема, но мы не будем сильно на ней останавливаться. Для меня главное понять концепцию. А концепция проста, для того чтобы эмулировать broadcast придется использовать unicast.
- LANE Client (LEC) - клиент, который хочет думать, что он подключен к локалке, а не к ATM сети.
- LANE Server (LES) - сущность, которая регистрирует клиентов. По сути, отвечает на ARPы и строить таблицу коммутации.
- Broadcast and Unknown Unicast Server (BUS) - принимает broadcast от хостов и отправляет его юникастом к другим клиентам.
- LANE Configuration Server (LECS) - хранит базу "какой клиент к какой сети принадлежит".
Я нашел неплохое описание процесса подключения к LANE, отправки ARPа и передачи BUS трафика в одном из стареньких гайдов от Cisco, по нему и пробежимся.
Коммутатор CELLplex 7000 представляет собой модульное устройство на основе шасси, осуществляющее коммутацию до 16 портов ATM (4 модуля по 4 порта). Он предназначен для образования высокоскоростной ATM-магистрали сети путем соединения с другими ATM-коммутаторами или же для подключения высокоскоростных ATM-узлов к стянутой в точку магистрали сети на основе центра данных, имеющего порт ATM.
Коммутационный центр обеспечивает обмен данными по схеме 16(16, используя неблокирующую технологию коммутации "на лету" с общей пропускной способностью 2.56 Гб/с и поддерживая до 4096 виртуальных каналов на порт.
Пассивная внутренняя шина коммутатора обеспечивает передачу данных со скоростью до 20.48 Гб/с, обеспечивая переход в будущем на интерфейсные модули с большим количеством портов или с более скоростными портами.
Полностью избыточное шасси со сдвоенным источником питания, продублированным коммутационным центром и модульное построение делают коммутатор CELLplex 7000 отказоустойчивым устройством, подходящим для построения магистрали сети и удовлетворяющим требованиям наиболее важных приложений.
- модуль с 4 портами OC-3c 155 Мб/с для многомодового оптоволоконного кабеля, предназначенный для локальных связей;
- модуль с 4 портами DS-3 45 Мб/с - для глобальных связей.
Коммутатор поддерживает основные спецификации технологии ATM: установление коммутируемых виртуальных каналов (SVC) по спецификациям UNI 3.0 и 3.1, поддержку постоянных виртуальных каналов (PVC) с помощью системы управления, Interim Interswitch Signaling Protocol (IISP), эмуляцию локальных сетей (LAN emulation), управление перегрузками (congestion management).
Управление коммутатором реализовано для стандартов: SNMP, ILMI, MIB 2, ATM MIB, SONET MIB. Используется система управления Transcend.
Коммутатор CELLplex 7200 совмещает функции ATM-коммутатора и Ethernet-комму-
татора, одновременно позволяя ликвидировать узкие места на магистрали сети и в сетях отделов.CELLplex 7200 обеспечивает полноскоростные Ethernet-каналы для разделяемых сегментов локальных сетей, серверов и отдельных рабочих станций, требующих повышенного быстродействия. Кроме этого, коммутатор может быть сконфигурирован с портами ATM для соединения с коммутаторами рабочих групп, ATM-серверами и рабочими станциями, а также для подключения к ATM-магистрали сети.
- модуль с двумя портами ATM OC-3c;
- модуль с двумя портами DS-3;
- модуль с 12 портами Ethernet и одним портом ATM OC-3c;
- модуль с 12 портами Ethernet и одним портом ATM DS-3.
Остальные характеристики коммутаторов CELLplex 7200 и CELLplex 7000 практически совпадают.
Коммутаторы технологии ATM LattisCell и EtherCell компании Bay Networks
Семейство продуктов, разработанных компанией Bay Networks для технологии ATM, состоит из коммутаторов LattisCell (только ATM-коммутация), коммутатора EtherCell (коммутация Ethernet-ATM), программного обеспечения ATM Connection Management System и программного обеспечения ATM Network Management Application.
Поставляется несколько моделей коммутаторов ATM, каждый из которых обеспечивает определенное сочетание физических уровней, сред передачи и возможностей резервирования источников питания.
Коммутатор EtherCell предназначен для устранения "узких мест" в рабочих группах локальных сетей, использующих традиционную разделяемую среду передачи данных технологии Ethernet. С помощью этого коммутатора можно разгрузить линии связи с серверами и маршрутизаторами. Модель 10328 EtherCell имеет 12 портов 10Base-T и прямой доступ к сети ATM. Порты Ethernet могут предоставлять выделенную полосу пропускания 10 Мб/с за счет их коммутации.
Программное обеспечение ATM Connection Management System (CMS) размещается на рабочей станции SunSPARCStation, выполняя функции координации и управления соединениями коммутатора. CMS автоматически изучает сетевую топологию и устанавливает виртуальные ATM-соединения между взаимодействующими станциями.
Программное обеспечение ATM Network Management Application, работая совместно с CMS, обеспечивает управление сетью ATM на центральной станции управления.
Модель ATM коммутатора LattisCell 10114A разработана для использования в сетях кампусов (расстояние между коммутаторами до 2 км) и представляет собой устройство, выполненное в виде автономного корпуса с фиксированным количеством портов, число которых равно 16. Для каждого порта обеспечивается пропускная способность в 155 Мб/с по многомодовому оптоволоконному кабелю. Функции физического уровня реализованы в соответствии со стандартами SONET/SDH 155 Мб/с, а также UNI 3.0
Архитектура FastMatrix обеспечивает общую внутреннюю скорость передачи данных 5 Гб/с, позволяющую производить коммутацию всех портов без блокировок. Поддерживаются функции широковещательной (broadcast) и многовещательной (multicast) передачи.
- QoS 1 - используется для сервиса CBR (постоянная битовая скорость);
- QoS 2 - используется для сервиса VBR RT (переменная битовая скорость приложений реального времени);
- QoS 3/4 - используется для сервиса VBR, предназначенного для передачи данных локальных сетей по процедурам с установлением соединений и без установления соединений;
- QoS 0 - используется для сервиса UBR.
Управление устройством осуществляется также с помощью программной системы CMS, для которой необходимы: SunSPARCStation 2 или выше, Sun OS 4.1.3 или выше для невыделенного Ethernet-соединения или Solaris 2.4 для прямого ATM-соединения.
Другие модели коммутаторов LattisCell (10114R, 10114A-SM, 10114R-SM, 10114R-SM, 10114-DS3, 10114-E3, 10115A, 10115R) различаются наличием резервного источника питания, а также типом портов (общее количество портов в любой модели составляет 16). Кроме многомодовых портов, коммутаторы могут иметь одномодовые оптоволоконные порты (для сетей кампусов с расстоянием до 25 км), а также порты для коаксиального кабеля с интерфесами DS-3 (45 Мб/с) и E3 (34 Мб/с) для подключения к глобальным сетям через линии T3/E3.
Коммутаторы поддерживают стандарт LAN emulation, определяющий взаимодействие локальных сетей с сетями ATM на уровне протоколов канального уровня. Кроме этого, поддерживаются спецификации UNI, MIB-II, EtherCell-MIB и стандартный формат MIB компании Bay Networks.
Через ATM-порт коммутаторы EtherCell могут соединяться с портом SONET/SDH коммутатора LattisCell.
Коммутаторы EtherCell включают программу-агент HSA (Host Signaling Agent), которая является агентом-посредником для Ethernet-хостов.
Коммутаторы EtherCell поддерживают образование виртуальных групп, распределенных по ATM-магистрали сети, образованной коммутаторами LattisCell.
Коммутатор LightStream 1010 компании Cisco
Коммутатор LightStream 1010 является ATM коммутатором для образования магистралей сетей отделов или кампусов.
Коммутатор обладает общей производительностью 5 Гб/с и выполнен на базе 5-слотового шасси.
В центральном слоте устанавливается модуль управления коммутацией ATM Switch Processor (ASP), который имеет разделяемую память со скоростью доступа 5 Гб/с, полностью неблокирующую коммутационную матрицу, а также высокопроизводительный RISC-процессор MIPS R4600 100 MHz. Модуль ASP работает под управлением межсетевой операционной системы IOS, как и маршрутизаторы и коммутаторы старших моделей компании Cisco. Программное обеспечение модуля ASP может заменяться "на ходу", то есть без остановки коммутатора, что важно в условиях часто изменяющихся спецификаций ATM Forum.
- 1 порт ATM 622 Мб/с (OC12) (одномодовый);
- 1 порт АТМ 622 Мб/с (OC12) (многомодовый);
- 4 порта ATM 155 Мб/с (OC3с) (одномодовый);
- 4 порта ATM 155 Мб/с (OC3с) (многмодовый);
- 4 порта ATM 155 Мб/с (OC3с) (по неэкранированной витой паре UTP Cat 5);
- 2 порта DS3/T3 45 Мб/с;
- 2 порта E3 34 Мб/c.
Коммутатор LightStream 1010 одним из первых в отрасли поддерживает спецификацию маршрутизации PNNI Phase 1, необходимую для маршрутизации коммутируемых соединений (SVC) в неоднородных АТМ-сетях с учетом требуемого качества обслуживания.
Поддерживаются все определенные ATM Forum виды трафика, в том числе ABR.
Для соединений "пользователь - коммутатор" используется протокол UNI 3.0 (в ближайшее время ожидается также поддержка UNI 3.1).
Коммутатор LightStream 1010 может выполнять роль центрального коммутатора в сети кампуса (рисунок 7.3).
Узнать, как коммутаторы ATM устроены внутри, будет полезно для читателя, так как за технологией ATM будущее. ОБЩАЯ МОДЕЛЬ КОММУТАТОРА ATM КОММУТАТОР С ВЫБЫВАНИЕМ КОММУТАТОР БЭТЧЕРА ТИПА БАНЬЯНА КОММУТАТОР С РАЗДЕЛЯЕМОЙ
Узнать, как коммутаторы ATM устроены внутри, будет полезно для читателя, так как за технологией ATM будущее.
Асинхронный режим передачи (ATM) разрабатывался изначально как технология для общедоступных сетей связи с интегрированной передачей данных, голоса и видео. Однако благодаря своим возможностям передачи мультимедийного трафика, и высокой пропускной способности, и качеству услуг он находит все более широкое применение и на магистралях в локальных сетях. Использование небольших ячеек одинаковой длины с коротким заголовком позволяет создать высокоскоростные коммутаторы ATM.
В этом уроке мы рассмотрим принципиальные схемы коммутаторов ATM, причем основное внимание будет уделено "транспортной части", т. е. тому, как ячейки передаются со входа коммутатора на выход при условии, что виртуальное соединение уже установлено и коммутатор знает, на какую выходную линию передавать ячейку с данной входной линии.
ОБЩАЯ МОДЕЛЬ КОММУТАТОРА ATM
Коммутатор ячеек ATM имеет несколько входных и несколько выходных линий, причем, как правило, их число совпадает, так как соединения являются двусторонними. Коммутаторы ATM являются синхронными (хотя сам протокол асинхронный) в том смысле, что во время одного цикла одна ячейка берется с каждой входной линии (если она, конечно, есть), проводится через внутреннюю коммутационную структуру и подается на нужную выходную линию.
Коммутаторы могут производить и конвейерную обработку, т. е. обработка поступившей ячейки происходит за несколько циклов, прежде чем она появляется на выходной линии. Ячейки поступают нерегулярно, поэтому начало каждого цикла определяется главным тактовым генератором. Ячейка подвергается обработке, т. е. коммутации, в том случае, если она полностью поступила к началу очередного цикла, иначе она ждет начала следующего цикла. Если ячейки прибывают со скоростью 155 Мбит/с, то длительность цикла составляет 2,7 мкс, а при 622 Мбит/с цикл длится 700 нс.
Коммутатор ATM должен отвечать двум основным требованиям: во-первых, количество потерянных ячеек должно быть минимальным, а во-вторых, ячейки, принадлежащие к одному и тому же виртуальному соединению, ни при каких обстоятельствах не могут менять порядок следования. Первое требование в цифровом выражении составляет одну ячейку из 10 12 , т. е. крупный коммутатор может терять не более 1-2 ячеек в час. Второе условие налагает очень жесткие ограничения на схему коммутатора, но здесь ничего не поделаешь - таково требование стандарта ATM.
Одна из основных проблем при разработке принципиальной схемы коммутатора ATM состоит в том, как поступить, если несколько прибывших одновременно, точнее, к началу одного такта, ячеек предназначаются для одной и той же выходной линии. Простейшее решение заключается в передаче одной ячейки и отбрасывании всех остальных. Однако вряд ли это вообще можно назвать решением.
Одним из решений могла бы стать организация очереди для каждой входной линии. Если две или более ячеек нужно передать на одну и ту же выходную линию, то одна ячейка, например взятая случайным образом, коммутируется, а другая ждет следующего цикла. Но здесь мы сталкиваемся с другой проблемой: ожидающая своей очереди ячейка блокирует все поступившие следом за ней на ту же линию ячейки, а ведь, вполне возможно, они направляются на другие выходные линии и могли бы быть обработаны. Этот эффект называется блокированием первым в очереди. Кроме того, при большом числе входных линий конфликт может быть зачастую обнаружен только тогда, когда ячейки прибывают на выходную линию. Иногда эта проблема решается путем отправки лишних ячеек назад по обратной шине в очередь на входной линии. Однако при этом мы сталкиваемся с потенциальной опасностью изменения порядка следования ячеек.
Альтернативная схема состоит в организации очереди на выходной линии. В этом случае обе ячейки коммутируются, но при этом одна из них передается на выходную линию, а другая ставится там в очередь. Такая схема более эффективна.
КОММУТАТОР С ВЫБЫВАНИЕМ
Коммутатор с выбыванием (knockout switch) использует очереди на выходных линиях (см. Рис. 1). Каждая входная линия подключена к шине, по которой поступившие ячейки вещаются. Наличие всего одного задающего устройства для каждой шины значительно упрощает схему и синхронизацию.
Рисунок 1.
Коммутатор с выбыванием производит отсев ячеек, если число поступивших ячеек для данной выходной линии больше числа буферов.Аппаратное обеспечение просматривает заголовок каждой поступившей ячейки для определения информации о виртуальном канале, находит его в таблице маршрутов и активизирует соответствующий коммутирующий элемент. Ячейка передается по шине до активного коммутирующего элемента, где она поворачивает в направлении выходной линии. При такой схеме все поступившие ячейки могут быть направлены на одну выходную линию. Кроме того, одна ячейка может быть направлена на несколько выходных линий посредством активизации нескольких коммутирующих элементов на широковещательной шине.
Простейший способ разрешения конфликтов состоит в помещении всех ячеек в буфер. Однако если коммутатор имеет 1024 входных линии, то в худшем случае это потребует 1024 буферов. На практике ситуация, когда все поступившие ячейки направляются на одну и ту же выходную линию, маловероятна, поэтому проектировщики ограничиваются неким меньшим числом n.
В случае такого маловероятного события, как прибытие более чем n ячеек, устройство, называемое концентратором, выбирает n ячеек, а остальные отбрасывает. Концентратор - это интеллектуальная схема для организации честного отбора ячеек, при этом отбор (выбывание) происходит по принципу, напоминающему олимпийскую систему в спорте - с четвертьфиналами, полуфиналами и финалами.
По идее, все выбранные ячейки помещаются в одну выходную очередь (если только она не переполнена, в этом случае все ячейки отбрасываются). На практике же помещение всех ячеек в одну очередь за выделенное время невозможно, поэтому выходная очередь на самом деле представляет собой несколько очередей. Прошедшие концентратор ячейки попадают в сдвиговый регистр, а он распределяет их равномерным образом между n выходными очередями. Последовательность отправки ячеек из той или иной очереди отслеживается при помощи маркера.
КОММУТАТОР БЭТЧЕРА ТИПА БАНЬЯНА
Недостаток коммутатора с выбыванием состоит в том, что число коммутирующих элементов равно квадрату числа линий. При числе линий 1024 число коммутирующих элементов будет более миллиона. Эту проблему можно решить с помощью коммутатора Бэтчера типа баньяна. На самом деле он состоит из двух коммутаторов: коммутатора Бэтчера и коммутатора типа баньяна. Первый получил свое название по имени изобретателя, а второй - потому, что его схема напоминает корни дерева баньян (индийской смоковницы).
Во всех коммутаторах типа баньяна между каждой входной и выходной линиями существует только один путь (см. Рис. 2). Для рассматриваемого в качестве примера коммутатора 8х8 к каждой ячейке добавляется заголовок длиной три бита (номер выходной линии, определяемый из таблицы маршрутов по информации о виртуальном канале). Каждый из коммутирующих элементов имеет две входных и две выходных линии. Коммутирующий элемент просматривает один бит номера выходной линии, и в зависимости от его значения он направляет ячейку либо на порт 0, либо на порт 1. В случае коллизии одна ячейка передается, а одна отбрасывается. Первый ряд коммутирующих элементов просматривает левый крайний (старший) бит, второй ряд средний бит, а третий ряд правый крайний (младший) бит.
Рисунок 2.
Сама по себе данная схема не в состоянии исключить конфликты при коммутации ячеек.К сожалению, как уже упоминалось, коммутатор типа баньяна может приводить к конфликтам, если две ячейки пытаются выйти через один и тот же выходной порт коммутирующего элемента. Однако если ячейки, поступающие на входные линии этого коммутатора, упорядочены определенным образом, то конфликтов не происходит. Упорядочить поступающие ячейки призван коммутатор Бэтчера. Например, если поступающие ячейки упорядочены по адресату и помещаются на входные линии 0, 2, 4, 6, 1, 3, 5, 7, то коммутатор типа баньяна ячеек не теряет.
Коммутатор Бэтчера (см. Рис. 3) также состоит из коммутирующих элементов 2х2, но они работают несколько по-иному, чем аналогичные элементы в коммутаторе типа баньяна. При получении двух ячеек коммутирующий элемент сравнивает их адреса и направляет ячейку с большим номером по стрелке, а ячейку с меньшим номером в противоположном направлении. Если ячейка только одна, то она посылается в направлении, противоположном тому, куда указывает стрелка. Вообще говоря, число коммутирующих элементов коммутатора Бэтчера растет как nlog 2 n с ростом числа линий n.
Рисунок 3.
Являясь неблокирующим, данный коммутатор не теряет ячеек в процессе коммутации.При получении k ячеек коммутатор Бэтчера упорядочивает их в порядке возрастания и выдает на свои первые k линий. После этого ячейки тасуются определенным образом и подаются на коммутатор типа баньяна. В конце концов они попадают на нужные выходные линии.
Коммутатор Бэтчера типа баньяна является неблокирующим коммутатором, т. е. его коммутационная структура не теряет ячеек в результате конфликтов внутри коммутационной структуры, если они направляются на разные выходные линии. Однако если две ячейки направляются на одну и ту же выходную линию, тогда опять встает проблема буферизации. В коммутаторах данного типа очередь организуется между двумя коммутационными структурами. Первый коммутатор Бэтчера был спроектирован Хуангом (Huang) и Кнауэром (Knauer) в 1987 году и назван ими Starlite ("звездный свет"). Затем появились Moonshine ("лунный свет") в 1987 году и Sunshine ("солнечный свет") в 1991 году. Starlite, Moonshine и Sunshine отличаются в основном способом реализации очередей и многоадресной рассылки.
КОММУТАТОР С РАЗДЕЛЯЕМОЙ ПАМЯТЬЮ
Отличительная особенность коммутатора с разделяемой памятью (см. Рис. 4) состоит в том, что он имеет высокоскоростную внутреннюю шину, причем пропускная способность ее равна общей пропускной способности входных/выходных линий. Внутренняя шина передает ячейку в разделяемую память за квант времени T/N, где T - длительность цикла, а N - число входных/выходных линий. Переход от последовательной передачи к параллельной необходим для того, чтобы длительность цикла (такта) оставалась на приемлемом уровне: тактовая частота шины в этом случае должна быть только в N/W раз больше, чем скорость входной линии в битах (здесь W - ширина или размерность шины).
Рисунок 4.
Эта схема наиболее широко используется в небольших коммутаторах.Ячейки хранятся в разделяемой памяти в разных разделах в зависимости от того, на какую выходную линию они направляются. Во время следующего цикла ячейки передаются на выходные линии, причем передача одной ячейки занимает тот же самый квант времени. Таким образом, за полный цикл коммутатор считывает из разделяемой памяти одну ячейку для каждой выходной линии. Если раздел памяти для данной выходной линии пуст, то соответствующий квант времени остается неиспользованным.
В зависимости от реализации разделы памяти могут иметь фиксированную или переменную длину. Очевидно, что для управления разделами с переменной длиной требуется более сложное оборудование. Однако при этом количество потерянных ячеек оказывается значительно меньше, потому что раздел не переполнится до тех пор, пока есть хоть какая-то свободная память.
Благодаря своей простоте архитектура с разделяемой памятью чрезвычайно популярна в небольших быстрых коммутаторах. Однако в более крупных коммутаторах тактовая частота внутренней шины становится неприемлемой. Например, для коммутатора ATM на 155 Мбит/с с 32 входными линиями и 16-разрядной шиной тактовая частота шины была бы равна 310 МГц.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ATM имеет репутацию сложной технологии, но, как видно из этого урока, не так сложен ATM, как его малюют. Конечно, здесь есть доля лукавства, так как принципиальная сложность ATM состоит в сигнализации при установлении виртуальных соединений. Просто в этом же уроке мы коснулись только одной плоскости ATM - транспортная сеть ATM соответствует пользовательскому плану стека протоколов ATM, причем этот стек в отличие, например, от TCP/IP или OSI имеет трехмерную, а не двухмерную модель.
Читайте также:
