4.3.5 Протоколы сетей ATM

• VPI (Virtual path identifier - виртуальный идентификатор маршрута) обеспечивает соединение точка-точка, но маршрут не является фиксированным и задается непосредственно перед началом пересылки с использованием сигнальных сообщений. Слово “виртуальный” означает, что пакеты передаются от узла к узлу в соответствии с VPI.
• VCI (Virtual call identifier - виртуальный идентификатор запроса) запросы осуществляются в соответствии с виртуальным маршрутом, заданным VPI.

Эти два субполя вместе образуют поле маршрута, которое занимает 24 бита.

Рис. 4.3.5.2 Формат заголовка ATM-пакета (сетевой интерфейс пользователя - UNI)

Для интерфейса сеть-сеть (NNI) используется ячейка с несколько иным форматом заголовка. Там весь первый октет выделен для VPI, а поле GFC отсутствует.

Ряд значений VCI и VPI имеют фиксированные значения, приведенные в таблице 4.3.5.1

Таблица 4.3.5.1.

Некоторые значения поля pt зафиксированы, их значения представлены в таблице 4.3.5.2.

Таблица 4.3.5.2. Заданные значения поля PT (payload type identifier)

OAM - эксплуатация и техническое обслуживание. ATM обеспечивает любые услуги в сети:

• Передача голоса на скоростях 64 Кбит/с. Один ATM-пакет соответствует 6 мсек.
• Передача музыки с использованием схемы кодирования MUSICAM.
• Так как для случая изображения передается только переменная часть картинки, atm идеально подходит для решения такого рода задач.
• Задачи управления решаются менее экономно, но, тем не менее, достаточно эффективно (предусмотрено несколько приоритетов для управления потоками данных).

В ATM предусмотрено несколько категорий услуг (таблица 4.3.5.3).

Типы категорий услуг

Таблица 4.3.5.3. Типы категорий ATM-услуг

CBR не предусматривает контроля ошибок, управления трафиком или какой-либо другой обработки. Класс CBR пригоден для работы с мультимедиа реального времени.

Класс VBR содержит в себе два подкласса - обычный и для реального времени (см. таблицу выше). ATM в процессе доставки не вносит никакого разброса ячеек по времени. Случаи потери ячеек игнорируются.

Класс ABR предназначен для работы в условиях мгновенных вариаций трафика. Система гарантирует некоторую пропускную способность, но в течение короткого времени может выдержать и большую нагрузку. Этот класс предусматривает наличие обратной связи между приемником и отправителем, которая позволяет понизить загрузку канала, если это необходимо.

Класс UBR хорошо пригоден для посылки IP-пакетов (нет гарантии доставки и в случае перегрузки неизбежны потери).

Алгоритм GCRA

atm использует исключительно модель с установлением соединения (здесь нет аналогий с UDP-протоколом). Это создает определенные трудности для управления трафиком с целью обеспечения требуемого качества обслуживания (QoS). Для решения этой задачи используется алгоритм GCRA (generic rate algorithm). Работа этого алгоритма проиллюстрирована на рис. 4.3.5.3.

Рис. 4.3.5.3. Иллюстрация работы алгоритма GCRA

Управление перегрузкой для услуг типа abr базируется на том, что каждый отправитель имеет текущую скорость передачи (ACR - Actual cell rate), которая лежит между MCR (Minimum cell rate) и PCR (Peak cell rate). Когда происходит перегрузка, ACR уменьшается, но не ниже MCR. При исчезновении перегрузки acr увеличивается, но не выше PCR. Каждая RM-ячейка содержит значение загрузки, которую намеривается реализовать отправитель. Это значение называется ER (explicit rate). По пути к месту назначения эта величина может быть уменьшена попутными коммутаторами. Ни один из коммутаторов не может увеличивать ER. Модификация ER может производиться как по пути туда, так и обратно. При получении RM-ячейки отправитель может скорректировать значение ACR, если это необходимо.

Адаптивные уровни ATM

AAL-протоколы управляются значениями следующих переменных:

• Скорость обмена (постоянная или переменная)
• Режим соединения (с установлением связи или без)
• Синхронизация (требуется или нет синхронизация между отправителем и получателем)

В настоящее время определены четыре класса услуг, которые могут требовать или нет синхронизации между отправителем и получателем, осуществлять обмен при постоянной или переменной частоте передачи бит, с установлением связи или без. Особенности этих видов услуг для адаптивного уровня систематизированы в таблице 4.3.5.4. Каждая из услуг имеет свой AAL протокол.

Таблица 4.3.5.4. Особенности видов услуг для адаптивного уровня

Уровень адаптации AAL-1

Уровень адаптации 1-го уровня (AAL) выполняет для верхнего уровня следующие услуги (передача аудио- и видео- по каналам DS-1 и DS-3; постоянная скорость передачи):

• синхронизацию передатчика и приемника;
• передачу данных с фиксированной скоростью;
• индикацию потери и искажения данных, если эти ошибки не устраняются на уровне адаптации;
• передачу от отправителя получателю информации о структуре передаваемых данных.

Для решения этих задач AAL первого уровня должен устранять разброс задержек, выявлять ячейки, доставленные не по адресу, и потерянные ячейки, сегментацию пакетов и последующее их восстановление, выполнять мониторирование ошибок в управляющей информации протокола AAL-PCI (Protocol control information). Характер обмена здесь строго ориентирован на соединение. AAL-1 использует субуровни конвергенции и SAR. Субуровень конвергенции обеспечивает постоянство скорости передачи ячеек. AAL-1 конвергенции не имеет какого-то специфического протокольного заголовка. Этот субуровень разбивает входные сообщения на 46- или 47-байтные блоки и передает их субуровню SAR для пересылки.

Структура протокольной части информационного поля ячейки SAR-pdu представлена на рис. 4.3.5.4

CSI позволяет приемнику распознать уровень конвергенции. Подуровень SAR получает значение SN (порядковый номер) для каждого 47-октетного блока данных от подуровня конвергенции. Поле SNR (Sequence number protection - контрольная сумма) служит для обнаружения и исправления ошибок в заголовке, в качестве производящего полинома используется G(x)= x³ + x + 1. Один из битов SNP- представляет собой бит четности. Если CSI=1, то после поля SNP следует однобайтовое поле указатель, которое используется для определения положения начала следующего сообщения (значения 0-92; старший бит поля указатель зарезервирован на будущее). Поле данных в этом варианте имеет 64 байт.

Для сжатой аудио и видео информации скорость передачи может варьироваться в широких пределах. Ведь многие схемы предусматривают периодическую отправку полного видеокадра при последующей передаче транспортируются лишь отличия последовательных кадров. Уровень адаптации 2-го типа предоставляет вышестоящему уровню возможность синхронизовать передатчик и приемник, осуществлять обмен с изменяющейся скоростью, оповещение об ошибках и потерях ячеек. Структура ячейки AAL 2-го типа показана на рис. 4.3.5.5 (субуровень SAR). Из-за переменной скорости передачи заполнение ячеек может быть неполным.

Рис. 4.3.5.4. Структура PDU подуровня SAR ATM 1-го типа (AAL1)

Уровень адаптации AAL-2

Рис. 4.3.5.5. Структура PDU подуровня SAR ATM 2-го типа (AAL2)

Поля SN и IT имеют общую длину 1 байт, поля же LI и CRC вместе занимают 2 байта. Поле данных (PDU) в такой ячейке имеет длину 45 байт. Более детальной информации о длинах полей стандарт не оговаривает.

Уровень адаптации AAL3/4

Уровень адаптации 3/4 типов предназначен для передачи данных как в режиме с установлением соединения, так и без него. Раньше службам С и D были выделены разные типы уровня адаптации, позднее они были объединены. Определены два типа обмена: сообщение и поток. В первом случае блок данных передается в одном интерфейсном блоке (IDU). Сервисные блоки данных могут иметь переменную длину. В режиме поток сервисный блок данных передается через интерфейс уровня адаптации в одном или нескольких IDU. В этом режиме может быть реализована услуга “внутренний контейнер”. Здесь допускается и прерывание передачи, частично переданный блок теряется. AAL3/4 допускает организацию нескольких сессий одновременно (например, несколько удаленных login). Структура протокольного блока данных подуровня SAR 3/4 типа представлена на рис. 4.3.5.6. Длина поля данных (PDU) составляет 44 байта. Заметим, что AAL3/4 имеет два уровня издержек - 8 байт добавляется для каждого сообщения и 4 избыточных байта приходятся на каждую ячейку, это достаточно много особенно для коротких сообщений.

Рис. 4.3.5.6. Структура pdu подуровня SAR ATM 3/4-го типов

При вычислении crc используется образующий полином G(x) = x¹¹ + x⁹ + x⁵ + x⁴ + x +1. Подуровень конвергенции aal содержит общую часть подуровня CPCS (common path convergence sublayer) и служебную часть подуровня SSCS (Service specific convergence sublayer). CPCS обеспечивает негарантированную доставку кадров любой длины в диапазоне 1-65535 байт. Данные пользователя передаются непосредственно на субуровень AAL. Формат протокольного блока данных подуровня конвергенции AAL 3/4-типа показан на рис. 4.3.5.7.

Рис. 4.3.5.7. Формат блока данных подуровня конвергенции AAL 3/4-типа

Уровень адаптации AAL-5

Тип 3/4 имеет существенную избыточность (4 байта из 48 на каждый SAR-PDU). По этой причине был введен 5-ый тип. Этот уровень обеспечивает канал, ориентированный на соединение, с переменной скоростью обмена (VBR) в широковещательном режиме при минимальном контроле ошибок (или вовсе без него). IP-дейтограммы передаются через сети ATM через адаптационный уровень 5 (RFC-1577). Уровень AAL5 иногда называют SEAL (simple and efficient adaptation layer - простой и эффективный адаптационный уровень). AAL5 занимает в наборе протоколов семейства ATM нишу протокола udp стека TCP/IP. Формат ячейки SAR-PDU 5-го типа показан на рис. 4.3.5.8.

Рис. 4.3.5.8. Формат ячейки SAR-PDU 5-го типа (AAL5)

Рис. 4.3.5.8a. Формат сообщения AAL5 субуровня конвергенции

Однобайтовое поле, расположенное между полями UU и длина зарезервировано для использования в будущем. Так как здесь для переноса информации используется заголовок, работа AAL не является независимой от нижележащего уровня, что является нарушением эталонной модели. Инкапсулироваться в поля данных AAL5 могут блоки длиной до 2¹⁶-1 октетов (65535). Выполнение операций здесь зависит от того, работает ли система в режиме сообщения или потока. На подуровне конвергенции для передачи протокольного блока данных используется 4-х байтовая CRC с образующим полиномом G(x) = x³² + x²⁶ + x²³ + x²² + x¹⁶ + x¹² + x¹¹ + x¹⁰ + x⁸ + x⁷ + x⁵ + x⁴ + x² + x + 1, что обеспечивает высокую надежность корректности доставки. Положение адаптационного уровня в рамках эталонной модели показано на рис. 4.3.5.9. Следует впрочем заметить, что не вполне ясно, какой уровень занимает сам протокол ATM (транспортный или сетевой?).

Рис. 4.3.5.9. Положение уровней ATM в универсальной модели

Верхние уровни управления для ATM базируются на рекомендациях ccitt I450/1 (Q.930/1). В случае использования ATM для Интернет значение MTU по умолчанию равно 9180 (RFC-1626), так как фрагментация IP-дейтограмм крайне нежелательна (AAL). Работа протоколов TCP/IP поверх ATM описана в документах RFC-1483, -1577, -1626, -1680, -1695, -1754, -1755, -1821, -1926, -1932 (полужирным шрифтом выделены коды документов, являющиеся стандартами Интернет). Ниже на рис. 4.3.5.10 показано, как пакеты atm размещаются в кадрах STM-1 (виртуальный контейнер VC-4).

Рис. 4.3.5.10. Размещение atm пакетов в STM-1 кадре

В STM-1 для передачи ячеек выделяется полоса пропускания =150,3 Мбит/c. (9 рядов по 261 байту, передаваемые каждые 125 мксек)

Форматы адресов согласно спецификации интерфейса “пользователь-сеть” представлены на рис. 4.3.5.11.

Рис. 4.3.5.11. Формат DCC ATM с числовым кодом страны.

Формат ICD с указателем международного кода отличается от формата DCC тем, что в нем поле DCC заменено полем международного кода ICD (International code designator). Формат адреса Е.164 NSAP, где идентификатор исходной области является номером Е.164, представлен на рис. 4.3.5.12. Структура номера (15 десятичных цифр в кодировке BCD) места назначения отображена на рис. 4.3.5.13.

Важную роль в управлении сетями АТМ играет информация OAM (operations and maintenance). Здесь осуществляется тесное взаимодействие с потоками управления sdh (F1-F5).

F1 - поток данных oam уровня регенерационной секции SDH.
F2 - поток данных oam цифровой мультиплексорной секции SDH.
F3 - поток данных oam уровня пути обмена SDH.
F4 - поток данных oam виртуального пути АТМ.
F5 - поток данных oam виртуального канала АТМ.

Рис. 4.3.5.12. Формат адреса Е.164 NSAP

Рис. 4.3.5.13. Структура номеров

Код страны (СС -country code) занимает от одной до трех цифр (из 15).

Маршрутизация в atm отличается от аналогичных процессов в сетях с коммутацией пакетов. Сети АТМ в основном ориентированы на соединение. Ячейки транспортируются по уже выбранному маршруту через коммутаторы АТМ в соответствии со значениями идентификаторов виртуального пути и виртуального канала. Вычисление маршрута осуществляется на специальном сервере. Потоки информации F4 или F5 принимаются и обрабатываются устройствами, которые формируют виртуальные пути или каналы. Формат информационного поля ячейки oam показан на рис. 4.3.5.14. Поток информации oam F4 уровня виртуального пути для идентификации потока точка-точка использует идентификатор виртуального канала VCI=4, а для сегментных потоков VCI=3.

Рис. 4.3.5.14. Формат ячейки OAM F4

Поток ячеек OAM F5 уровня виртуального канала каких-либо специальных идентификаторов виртуальных путей не использует. В заголовках ячеек потока oam F5 типа точка-точка в поле типа данных (PT) записывается код 100, а для сегментных потоков виртуальных каналов PT=101. Значения кодов полей тип OAM и выполняемой функции приведены в таблице 4.3.5.5. Для решения проблем выявления и локализации отказов в сети АТМ используются ячейки AIS (alarm indication signal - аварийный сигнал), RDI/FERF (remote defect indication/far end reporting failure - указатель отказа на удаленном конце), контроля непрерывности (continuity check) и проверки с применением обратной связи (loopback). Для ячеек AIS и RDI поля тип отказа имеет 8 байт (по умолчанию во все октеты записывается 0х6А), а для указателя места отказа выделено 9 байт. Полезная часть поля данных в этих ячейках равна 45 байтам, из них 28 зарезервировано на будущее.

Таблица 4.3.5.5.

Контроль рабочих характеристик сети АТМ производится без нарушения соединений и без снижения качества обслуживания. Для запуска и остановки процесса измерения служат ячейки типа activation/deactivation. В ячейке oam для этих целей в поле данных выделено 45 байт. Формат субполей поля данных представлен на рис. 4.3.5.15.

Рис. 4.3.5.15. Формат субполей поля данных oam activation/deactivation

Субполе неиспользуемые октеты заполняется байтами 0х6А, а субполя блок РМ - кодами 0000. Значения кодов поля идентификатор сообщения приведены в таблице 4.3.5.6.

Таблица 4.3.5.6.

В субполе направление действия заносится код 10 при направлении от А к В и 01 при противоположном направлении. В поле размер записывается код 1000 при длине 1024 ячеек, 0100 - при 512, 0010 - при 256 и 0001 - при 128. Размеры блоков для направлений А ->b и В ->a могут быть и неравными. Мониторинг рабочих параметров может выполняться для А ->b, В ->a или для обоих направлений одновременно.

Формат ячеек OAM

Формат ячеек OAM типа измерение рабочих характеристик представлен на рис. 4.3.5.16.

Рис. 4.3.5.16. Формат ячеек oam типа измерение рабочих характеристик

В субполя BIP-16 (bit interleaved parity) и счет потерянных ячеек в отсутствии прямого мониторинга по умолчанию заносится код 0х6А, аналогичный код записывается в субполя число ячеек пользователя и результаты анализа в отсутствие обратного мониторинга. В неиспользуемое поле записываются 1 во все биты, если не использована временная метка. Поле порядковый номер мониторинга (MSN - monitoring sequence number) содержит номер ячейки oam типа PM по модулю 256. Поле общее число ячеек пользователя (TUC - total user cell) записывается число пользовательских ячеек, отправленных после последней ячейки OAM типа PM.

Один физический отказ может сгенерировать большое число ячеек OAM. Для блокировки такой возможности введено ограничение на период генерации таких ячеек (> нескольких секунд). Операции проверки тракта, выполняемые с помощью ячеек OAM типа loopback, позволяют выявить место возникновения неисправностей. Формат поля специальных функций ячейки OAM типа loopback отображен на рис. 4.3.5.17 (см. также рис. 4.3.5.14).

Рис. 4.3.5.17. Формат ячейки oam типа loopback

Поле неиспользуемое содержит во всех октетах по умолчанию код 0х6А. Поле индикатор шлейфа содержит 1 при посылке отправителем (остальные семь бит равны нулю), единица заменяется нулем в момент приема. При получении ячейки с индикатором шлейфа, равным нулю, она уничтожается. Поле корреляционная метка используется отправителем для идентификации отклика. Поле идентификатор места шлейфа определяет место, откуда ячейка должна быть послана назад. Если поле содержит все единицы, таким местом является адресат. Поле идентификатор источника служит для распознавания ячейки и ее уничтожения при возвращении.

Предоставление услуг без установления соединения соответствует уровню выше чем АТМ и требует соединения каждого клиента с соответствующим сервером, решающим данную задачу. Большинство локальных и региональных сетей АТМ реализуют именно такой режим. Для передачи данных без установления соединения используется протокол доступа CLNAP (connectionless network access protocol), интерфейс CLAI (connectionless access interface) и сетевой протокол CLNIP (connectionless network interface protocol). Размер поля данных для CLNAP не является постоянным и составляет 9188 октетов, что подразумевает фрагментацию. Эти протоколы работают выше подуровня конвергенции. Соответствующая длина для CLNIP SDU равна 9236 октетам. Формат блока данных CLNIP показан на рис. 4.3.5.18.

Рис. 4.3.5.18. Формат структуры данных протокола CLNIP

Проблему фрагментации и инкапсуляции этих длинных пакетов в АТМ ячейки берет на себя коммутатор доступа. Схема вложения и фрагментации для пакетов clnap отображена на рис. 4.3.5.19.

Из рисунка видно, что на подуровне SAR происходит деление пакета на части и укладка полученных сегментов в поля данных ячеек (48 байт).

Рис. 4.3.5.19. Схема вложения и фрагментации для пакетов CLNAP

Для использования одного и того же виртуального канала многими протоколами служит LLC-инкапсуляция (logical link control). LLC-заголовок укладывается в поле данных перед PDU и содержит в себе информацию, необходимую для того, чтобы корректно обработать AAL5 CPCS-PDU. Обычно такой заголовок имеет формат IEEE 802.2, за которым может следовать SNAP-заголовок IEEE 802.1a. LLC-заголовок, содержащий код 0xFE-fe-03, говорит о том, что далее следует маршрутизируемый pdu длиной 2¹⁶-4 октетов. Одно-октетный код NLPID идентифицирует сетевой протокол. Значения кодов NLPID представлены в таблице 4.3.5.7.

Значения кодов NLPID

Таблица 4.3.5.7. Значения кодов NLPID

Формат PDU для маршрутизируемых данных при использовании протоколов, не принадлежащих ISO, представлен на рис. 4.3.5.20 (случай IP-дейтограммы).

Рис. 4.3.5.20. Формат IP PDU при транспортировке с использованием AAL5 ATM

Пропускная способность сети АТМ (150 Мбит/с) позволяет передавать немного более 360000 ячеек в секунду, что означает для ATM-переключателя время коммутации менее 2,7 мксек. Реальный переключатель может иметь от 16 до 1024 входных линий, что может означать коммутацию 16-1024 ячеек каждые 2,7 мксек. При быстродействии 622 Мбит/с новая порция ячеек поступает каждые 700 нсек. Постоянство длины ячеек упрощает конструкцию ключа. Все АТМ-ключи имеют целью обеспечить коммутацию с минимальной вероятностью потери и исключить возможность изменения порядка следования ячеек.

Уменьшению вероятности потери способствует создание буферов конвейерного типа. Если на вход переключателя приходят две ячейки одновременно, одна из них обслуживается, а вторая ставится в очередь (запоминается в буфере). Выбор ячеек может производиться псевдослучайно или циклически. При этом не должно возникать предпочтений для каких-то каналов. Если в один цикл на вход (каналы 1, 2, 3 и 4) коммутатора пришли четыре ячейки, предназначенные для выходных линий J+2, J, J+2 и J+1, соответственно, то на линии J+2 возникает конфликт. Предположим, что будет обслужена ячейка, поступившая по первой входной линии, а ячейка на входной линии 3 будет поставлена в очередь. В начале следующего цикла на выход попадут три ячейки. Предположим также, что в этот цикл на ходы коммутатора (1 и 3) придут ячейки адресованные для линий J+3 и J, соответственно. Ячейка, адресованная J, будет поставлена в очередь вслед за ячейкой, адресованной J+2. Все эти ячейки будут переданы только на 4-ом цикле. Таким образом, попадание в очередь на входе ячейки блокирует передачу последующих ячеек даже если выходные каналы для их передачи свободны. Чтобы исключить блокировку такого рода можно организовать очередь не на входе, а на выходе коммутатора. При этом для коммутатора с 1024 входами теоретически может понадобиться 1024 буфера на каждом выходе. Реально число таких буферов значительно меньше. Такая схема АТМ-коммутатора (8*8) показана на рис. 4.3.5.21.

Рис. 4.3.5.21. Схема переключателя с организацией очередей на выходе