Реферат: Технологія АТМ

Технологія АТМ

Міністерство освіти і науки України

Полтавський національний технічний університет

імені Юрія Кондратюка

Кафедра комп’ютерної інженерії

Реферат

з навчальної дисципліни

«Системи передачі в електрозв’язку»

на тему

«Технологія АТМ»

Виконав: студент 302-ТТ групи

Казидуб О.О

Перевірив: к.т.н., доцент

Слюсарь І.І

Полтава 2013

ВСТУП

Технологія ATM спочатку розглядалася виключно як спосіб зниження телекомунікаційних витрат, можливість використання в ЛВС просто не бралася до уваги. Більшість широкосмугових додатків відрізняється вибуховим характером трафіку. Високопродуктивні додатки типу ЛВС клієнт-сервер вимагають високої швидкості передачі в активному стані і практично не використовують мережу в решту часу. При цьому система знаходиться в активному стані (обмін даними) досить малий час. Навіть у тих випадках, коли користувачам реально не потрібна забезпечувана мережею смуга, традиційні технології ЛВС все одно її виділяють. Отже, користувачам доводиться платити за зайву смугу. Переклад розподілених мереж на технологію ATM дозволяє позбутися від таких непотрібних витрат.

Комітети стандартизації розглядали рішення для забезпечення недорогих широкосмугових систем зв'язку на початку 80-х років. Важливо те, що метою цього розгляду було застосування принципів комутації пакетів або статистичного мультиплексування, які так ефективно забезпечують передачу даних, до систем передачі інших типів трафіку. Замість виділення спеціальних мережевих ресурсів для кожного з'єднання мережі з комутацією пакетів виділяють ресурси за запитами (сеансові з'єднання). Оскільки для кожного з'єднання ресурси виділяються тільки на час їх реального використання, не виникає великих проблем через спад трафіку. Проблема, однак, полягає в тому, що статистичне мультиплексування не забезпечує гарантованого виділення смуги для додатків. Якщо безліч користувачів одночасно захочуть використовувати мережеві ресурси, комусь може просто не вистачити смуги. Таким чином, статистичне мультиплексування, вельми ефективне для передачі даних (де не потрібно забезпечувати гарантовану незначну затримку), виявляється малопридатним для систем реального часу (передача голосу або відео). Технологія ATM дозволяє вирішити цю проблему.

Проблема затримок при статистичному мультиплексировании пов'язана зокрема з великим і непостійним розміром переданих по мережі пакетів інформації. Можлива затримка невеликих пакетів важливої ​​інформації через передачі великих пакетів малозначущих даних. Якщо невеликий затриманий пакет виявляється частиною слова з телефонної розмови або multimedia-презентації, ефект затримки може виявитися досить істотним і помітним для користувача. З цієї причини багато фахівців вважають, що статистичне мультиплексування кадрів даних дає занадто сильну тремтіння через варіації затримки (delay jitter) і не дозволяє передбачити час доставки. З цієї точки зору технологія комутації пакетів є абсолютно неприйнятною для передачі трафіку типу голосу або відео.

1. ОСНОВНІ КОНЦЕПЦІЇ АТМ

Базові принципи, що лежать в основі технології ATM, можуть бути виражені в трьох твердженнях:

мережі ATM - це мережі з встановленням з'єднання (connection-oriented);

мережі ATM - це комутовані мережі.

.1 Мережі з трансляцією комірок

Ідея мережі з трансляцією комірок проста: дані передаються по мережі невеликими пакетами фіксованого розміру, званими осередками (cells). У мережі Ethernet передача даних здійснюється великими пакетами змінної довжини, які називають кадрами (frames). Комірки мають дві важливі переваги перед кадрами. По-перше, оскільки кадри мають змінну довжину, кожний надходить кадр повинен буферізованние (тобто зберігатися в пам'яті), що гарантує його цілісність до початку передачі. Оскільки осередку завжди мають одну і ту ж довжину, вони вимагають меншої буферизації. По-друге, всі осередки мають однакову довжину, тому вони передбачувані: їх заголовки завжди знаходяться на одному і тому ж місці. В результаті комутатор автоматично виявляє заголовки комірок та їх обробка відбувається швидше. У мережі з трансляцією комірок розмір кожної з них повинен бути досить малий, щоб скоротити час очікування, але досить великий, щоб мінімізувати витрати. Час очікування (latency) - це інтервал між тим моментом, коли пристрій запросило доступом до середовищі передачі (кабелю), і тим, коли воно одержало цей доступ. Мережа, по якій передається сприйнятливий до затримок трафік (наприклад, звук або відео), повинна забезпечувати мінімальний час очікування.

Будь-який пристрій, підключений до мережі ATM (робоча станція, сервер, маршрутизатор або міст), має прямий монопольний доступ до комутатора. Оскільки кожне з них має доступ до власного порту комутатора, пристрої можуть надсилати комутатора осередку одночасно. Час очікування стає проблемою в тому випадку, коли декілька потоків трафіку досягають комутатора в один і той же момент. Щоб зменшити час очікування в комутаторі, розмір комірки повинен бути досить маленьким; тоді час, який займає передача осередки, буде незначно впливати на комірки, які очікують надсилання. Зменшення розміру комірки скорочує час очікування, але, з іншого боку, чим менше комірка, тим більша її частина припадає на "витрати" (тобто на службову інформацію, що міститься в заголовку комірки), а відповідно, тим менша частина відводиться реальним переданих даним. Якщо розмір комірки занадто малий, частина смуги пропускання займається даремно і передача комірок відбувається тривалий час, навіть якщо час очікування мало. Коли Американський національний інститут стандартів (American National Standards Institute - ANSI) і організація, яка зараз називається Міжнародним телекомунікаційним союзом (International Telecommunications Union - ITU), розробляли ATM, їм було досить важко знайти компроміс між часом очікування і витратами передачі. Ці організації повинні були врахувати інтереси як телефонної галузі, так і виробників обладнання для мереж передачі даних. Виробникам засобів телефонії потрібен був невеликий розмір комірки, оскільки голос зазвичай передається маленькими фрагментами та зменшення часу очікування гарантувало б своєчасну доставку цих фрагментів. Виробники засобів передачі даних, навпаки, вимагали збільшити розмір комірки, оскільки файли даних часто бувають великими і більш чутливі до витрат трафіку, ніж до часу очікування. Зрештою ці дві фракції домовилися про розмір комірки, рівному 53 байтам, з яких 48 байт відводиться даними і 5 байт - заголовку комірки.

архітектура сигнал трафік канал

1.2 Мережі з встановленням з'єднання

Для передачі пакетів по мережах ATM від джерела до місця призначення джерело повинен спочатку встановити з'єднання з одержувачем. Встановлення з'єднання перед передачею пакетів дуже нагадує те, як здійснюється телефонний дзвінок: спочатку ви набираєте номер, телефон абонента телефонує, і хтось знімає трубку - тільки після цього ви можете почати говорити. При використанні інших технологій передачі даних, таких як Ethernet і Token Ring, з'єднання між джерелом і одержувачем не встановлюється - пакети з відповідною адресною інформацією просто поміщаються в середовище передачі, а концентратори, комутатори або маршрутизатори знаходять одержувача і доставляють йому пакети. Мережі з впровадження сполуки мають один недолік - пристрої не можуть просто передавати пакети, вони обов'язково повинні спочатку встановити з'єднання. Однак такі мережі мають і ряд переваг. Оскільки комутатори можуть резервувати для конкретного з'єднання смугу пропускання, мережі з впровадження сполуки гарантують даному з'єднанню певну частину смуги пропускання. Мережі без встановлення з'єднання, в яких пристрої просто передають пакети по мірі їх отримання, не можуть гарантувати смугу пропускання. Мережі з впровадження сполуки також можуть гарантувати певну якість сервісу (Quality of Service - QoS), тобто деякий рівень сервісу, який мережу може забезпечити. QoS включає в себе такі чинники, як допустима кількість втрачених пакетів і припустима зміна проміжку між осередками. В результаті мережі з встановленням з'єднання можуть використовуватися для передачі різних видів трафіку - звуку, відео і даних - через одні й ті ж комутатори. Крім того, мережі з впровадження сполуки можуть краще керувати мережевим трафіком і запобігати перевантаження мережі ("затори"), оскільки комутатори можуть просто скидати ті сполуки, які вони не здатні підтримувати.

1.3 Комутовані мережі

У мережі ATM всі пристрої, такі як робочі станції, сервери, маршрутизатори і мости, під'єднані безпосередньо до комутатора. Коли один пристрій затребувана з'єднання з іншим, комутатори, до яких вони підключені, встановлюють з'єднання. При встановленні з'єднання комутатори визначають оптимальний маршрут передачі даних - традиційно ця функція виконується маршрутизаторами. Коли з'єднання встановлено, комутатори починають функціонувати як мости, просто пересилаючи пакети. Однак такі комутатори відрізняються від мостів одним важливим аспектом: якщо мости відправляють пакети по всьому досяжним адресами, то комутатори пересилають осередки лише наступному вузлу заздалегідь обраного маршруту. Комутація в мережі Ethernet може бути налаштована таким чином, що всі робочі станції виявляться підключеними безпосередньо до комутатора. У такій конфігурації комутація в Ethernet схожа на комутацію в мережі ATM: кожне пристрій здійснює прямий монопольний доступ до порту комутатора, який не є пристроєм спільного доступу. Однак комутація ATM має низку важливих відмінностей від комутації Ethernet. Оскільки кожному пристрою ATM надається безпосередній монопольний доступ до порту комутатора, то немає необхідності в складних схемах арбітражу для визначення того, яка з цих пристроїв має доступ до комутатора. На противагу цьому, робочі станції, з'єднані з комутатором Ethernet, повинні брати участь у схемах арбітражу навіть незважаючи на їх безпосередній монопольний доступ до порту комутатора. Мережеві інтерфейсні плати Ethernet розраховані на використання арбітражного протоколу для визначення того, чи має робоча станція доступ до пристрою.комутація також відрізняється від комутації Ethernet тим, що комутатори ATM встановлюють з'єднання між відправником та одержувачем, а комутатори Ethernet - немає. Крім того, комутатори ATM звичайно є не блокуючими; це означає, що вони мінімізують "затори", передаючи комірку негайно після їх отримання.

Щоб отримати можливість негайної пересилки усіх отриманих комірок, не блокуючий комутатор має бути оснащений надзвичайно швидким механізмом комутації та мати достатньо велику пропускну спроможність вихідних портів. Теоретично якщо у комутатора є 10 вхідних портів на 10 Мбіт / с, у нього повинен також бути один вихідний порт на 100 Мбіт / с. На практиці вихідний порт може мати трохи меншу пропускну здатність, не втрачаючи при цьому здатності негайної пересилки усіх отриманих комірок.

2. АРХІТЕКТУРА АТМ

Такі технології передачі, як Ethernet і Token Ring, відповідають семирівневій моделі взаємодії відкритих систем (Open Systems Interconnection - OSI). ATM ж має власну модель, розроблену організаціями по стандартизації. Технологія ATM була розроблена організаціями ANSI і ITU як транспортний механізм для широкосмугової мережі ISDN (Broadband Integrated Services Digital Network - B-ISDN). B-ISDN - це загальнодоступна територіально-розподілена мережа (WAN), яка може використовуватися для об'єднання декількох локальних мереж. Згодом ATM Forum - консорціум виробників обладнання для мереж ATM - пристосував і розширив стандарти B-ISDN для використання як в загальнодоступних, так і в приватних мережах. Модель ATM, відповідно до визначення ANSI, ITU і ATM Forum, складається з трьох рівнів:

фізичного;

рівня ATM;

рівня адаптації ATM.

Ці три рівні приблизно відповідають за функціями фізичному, канальному і мережному рівню моделі OSI (рис.2.1). В даний час модель ATM не включає в себе ніяких додаткових рівнів, тобто таких, які відповідають більш високим рівням моделі OSI. Однак найвищий рівень в моделі ATM може зв'язуватися безпосередньо з фізичним, канальним, мережевим або транспортним рівнем моделі OSI, а також безпосередньо з ATM-сумісним додатком.

Рис.2.1 Модель OSI та ATM.

2.1 Фізичний рівень

2.2 Рівень ATM і віртуальні канали

У моделі OSI стандарти для канального рівня описують, яким чином пристрої можуть спільно використовувати середу передачі й гарантувати надійне фізичне з'єднання. Стандарти для рівня ATM регламентують передачу сигналів, управління трафіком і встановлення з'єднань в мережі ATM. Функції передачі сигналів і управління трафіком рівня ATM подібні до функцій канального рівня моделі OSI, а функції встановлення з'єднання ближче всього до функцій маршрутизації, які визначені стандартами моделі OSI для мережного рівня.Стандарти для рівня ATM описують, як отримувати осередок, сгенерированную на фізичному рівні, додавати 5-байтним заголовок і посилати осередок рівню адаптації ATM. Ці стандарти також визначають, яким чином потрібно встановлювати з'єднання з такою якістю сервісу (QoS), яка запитує ATM-пристрій або кінцева станція.

Стандарти встановлення з'єднання для рівня ATM визначають віртуальні канали і віртуальні шляху. Віртуальний канал ATM - це з'єднання між двома кінцевими станціями ATM, яке встановлюється на час їх взаємодії. Віртуальний канал є двонаправленим; це означає, що після встановлення з'єднання кожна кінцева станція може як посилати пакети іншої станції, так і отримувати їх від неї. Після того як з'єднання встановлено, комутатори між кінцевими станціями отримують адресні таблиці, що містять відомості про те, куди необхідно направляти осередки. У них використовується наступна інформація:

адреса порту, з якого приходять осередку;

спеціальні значення в заголовках осередки, які називаються ідентифікаторами віртуального каналу (virtual circuit identifiers - VCI) і ідентифікаторами віртуального шляху (virtual path identifiers - VPI).

Адресні таблиці також визначають, які VCI і VPI комутатор повинен включити в заголовки осередків перш ніж їх передати.

Є три типи віртуальних каналів:

постійні віртуальні канали (permanent virtual circuits - PVC);

комутовані віртуальні канали (switched virtual circuits - SVC);

інтелектуальні постійні віртуальні канали (smart permanent virtual circuits - SPVC).- це постійне з'єднання між двома кінцевими станціями, яке встановлюється вручну в процесі конфігурування мережі. Користувач повідомляє провайдеру ATM-услуг чи мережному адміністратору, які кінцеві станції повинні бути з'єднані, і він встановлює PVC між цими кінцевими станціями. PVC включає в себе кінцеві станції, середу передачі і всі комутатори, розташовані між кінцевими станціями. Після установки PVC для нього резервується певна частина смуги пропускання, і двом кінцевим станціям не потрібно встановлювати чи скидати з'єднання. SVC встановлюється за необхідності - щоразу, коли кінцева станція намагається передати дані іншої кінцевої станції. Коли отправляющая станція затребувана з'єднання, мережа ATM поширює адресні таблиці і повідомляє цій станції, які VCI і VPI повинні бути включені в заголовки осередків. Через довільний проміжок часу SVC скидається. SVC встановлюється динамічно, а не уручну. Для нього стандарти передачі сигналів рівня ATM визначають, як кінцева станція повинна встановлювати, підтримувати і скидати з'єднання. Ці стандарти також регламентують використання кінцевою станцією при встановленні з'єднання параметрів QoS з рівня адаптації ATM. Крім того, стандарти передачі сигналів описують спосіб управління трафіком і запобігання "заторів": з'єднання встановлюється тільки в тому випадку, якщо мережа в змозі підтримувати це з'єднання. Процес визначення, чи може бути встановлено з'єднання, називається управлінням визнанням з'єднання (connection admission control - CAC). SPVC - це гібрид PVC і SVC. Подібно PVC, SPVC встановлюється вручну на етапі конфігурування мережі. Однак провайдер ATM-послуг або мережевий адміністратор задає тільки кінцеві станції. Для кожної передачі мережа визначає, через які комутатори передаватимуться осередки. Велика частина раннього устаткування ATM підтримувала лише PVC. Підтримка SVC і SPVC починає реалізовуватися тільки зараз. PVC мають дві переваги над SVC. Мережа, в якій використовуються SVC, повинна витрачати час на встановлення з'єднань, а PVC встановлюються заздалегідь, тому можуть забезпечити більш високу продуктивність. SVC також вимагають меншою адміністративної роботи, оскільки встановлюються автоматично, а не вручну. І нарешті, SVC забезпечують отказоустойчивость: коли виходить з ладу комутатор, що знаходиться на шляху з'єднання, інші комутатори вибирають альтернативний шлях. У певному сенсі SPVC володіє кращими властивостями цих двох видів віртуальних каналів. Як і у випадку з PVC, SPVC дозволяє заздалегідь задати кінцеві станції, тому їм не доводиться витрачати час на встановлення з'єднання кожного разу, коли одна з них повинна передати осередки. Подібно SVC, SPVC забезпечує завадостійкість. Однак і SPVC має свої недоліки: як і PVC, SPVC встановлюється вручну, і для нього необхідно резервувати частину смуги пропускання - навіть якщо він не використовується. Стандарти встановлення з'єднання для рівня ATM також визначають віртуальні шляху (virtual path). У той час як віртуальний канал - це з'єднання, встановлене між двома кінцевими станціями на час їх взаємодії, віртуальний шлях - це шлях між двома комутаторами, який існує постійно, незалежно від того, чи встановлено з'єднання.