Глава 1.
МУЛЬТИСЕРВИСНЫЕ СЕТИ
1.1. Понятие мультисервисной сети
Традиционные сети связи (телефонные сети общего пользования — ТфОП, сети передачи данных — СПД) характеризуются узкой специализацией, для каждого вида связи существует отдельная сеть, которая требует собственной разработки и технического обслуживания. При этом свободные ресурсы одной сети не могут использоваться другой сетью. Мультисервисная сеть позволит отказаться от многочисленных наложенных вторичных сетей, обеспечить внедрение новых услуг с различным требованием к объему передаваемой информации и качеству ее передачи. Оператор мультисервисной сети сможет наиболее полно реализовать полосу пропускания для интеграции различных видов трафика и предоставления различных услуг. Пользователь же сможет удовлетворить свои потребности в получении информации любого типа при доступе из любой точки и в любое время. Потребность в создании мультисервисных сетей диктуется сформировавшимся рынком телекоммуникационных услуг.
В настоящее время большинство операторов связи пришли к необходимости создания единой мультисервисной среды для транспортировки и коммутации услуг. Мультисервисная сеть образует единую информационно-телекоммуникационную структуру, которая поддерживает все виды трафика (данные, голос, видео) и предоставляет все виды услуг (традиционные и новые, базовые и дополнительные) в любой точке, в любое время, в любом наборе и объеме, с дифференцированным гарантированным качеством и по ценам, удовлетворяющим различные категории пользователей.
Мультисервисная сеть (рис. 1.1) обеспечивает:
— управление всеми услугами передачи данных: выделенными линиями, Frame Relay, АТМ, «прозрачными» локальными сетями;
— агрегирование трафика на уровне широкополосного доступа;
— агрегирование трафика мобильных сетей и консолидацию трафика в опорной сети;
— инфраструктуру телефонной связи нового поколения;
— сближение физического уровня и уровня данных в решении задачи построения опорного оптического узла Core Node;
— агрегирование трафика опорных/пограничных IP-маршрутизаторов.
Мультисервисная сеть строится исходя из универсальных сред передачи, универсальных сетевых технологий и протоколов, которые обеспечивают конвергенцию сетей и интеграцию услуг. Под конвергенцией подразумевается процесс объединения разрозненных сетей передачи видео, голоса и данных, существующих в настоящее время, и соответствующих технологий на общей технологической основе (например, объединение IP-сетей и АТМ-сетей по технологии MultiProtocol Label Swiching (MPLS), взаимодействие сетей передачи данных с оптической сетью на базе технологии Generalized MultiProtocol Label Swiching (GMPLS), взаимодействие ТфОП с сетями пакетной коммутации на основе программного коммутатора Softswitch). Под интеграцией услуг понимается процесс предоставления различных услуг на основе единой универсальной технологии. При единой транспортной технологии обмен информацией внутри сети происходит путем инкапсуляции всех видов трафика (голос, видео, данные) в единый сетевой протокол, например, IP или AAL1 — AAL5 (АТМ).
В ситуации технологий конвергенции единая мультисервисная среда обеспечивает предоставление всех услуг объединяемых сетей. При этом операторы получают возможность расширять как номенклатуру, так и качество предоставляемых услуг, проникая в прежде закрытые для себя смежные области телекоммуникационной отрасли. Эта возможность позволяет создавать и принципиально новые услуги, стоящие на стыке или являющиеся комбинацией традиционных технологий передачи голоса, данных и видео. Таким образом, мультисервисная сеть предоставляет расширенный набор услуг с различным соотношением цена/качество.
1.2. Услуги мультисервисной сети
Услуги мультисервисной сети можно разделить на две части — базовые (необходимо предоставлять во всех узлах сети) и дополнительные (предоставляются только при наличии достаточного спроса на них со стороны провайдеров или пользователей) услуги.
К базовым услугам мультисервисной сети относятся традиционные услуги передачи и доступа:
— передача традиционного телефонного трафика;
— передача трафика данных Интернет;
— передача трафика данных корпоративной сети;
— передача трафика мобильных сетей;
— доступ в сеть Интернет;
— доступ к сетям передачи данных.
К дополнительным услугам относятся следующие:
— предоставление в аренду (продажа) емкости концентраторов доступа DSL, данная услуга служит альтернативой непосредственному предоставлению доступа в сеть Интернет для конечных потребителей;
— передача голосового трафика IP-телефонии;
— передача видеотрафика для организации видеоконференций;
— передача видеотрафика от студий;
— доступ в сеть Интернет с заданием следующих параметров: гарантируемой минимальной и возможной максимальной полосы пропускания, допустимой максимальной задержки, допустимых пределов вариации задержки;
— организация виртуальной частной сети;
— услуги контент-провайдеров: видео- и аудио- по запросу (данная услуга позволяет по запросу произвести трансляцию выбранной видео- (аудио-) программы), «интерактивные новости» (для пользователя реализуется возможность просмотра, прослушивания и чтения информации о произошедших за какое-то время событиях), электронный супермаркет (пользователь выбирает товар в «электронном магазине», получает по нему подробную информацию о его потребительских свойствах, цене и пр.), интерактивное обучение (аудио- и видеообучение иностранным языкам и другим предметам), игротека (электронная игротека предоставляет возможность провести свободное время за электронными играми);
— услуги по обеспечению гарантированного уровня обслуживания.
1.3. Технологии магистрали мультисервисной сети
В настоящее время реализован ряд вариантов коммутации и мультиплексирования трафика в операторских магистральных сетях. Воспользовавшись результатами анализа [99], проведенного с целью определения максимально эффективной технологии при минимальной стоимости по заказу компании Williams Communications Group (WCG), сравним четыре способа организации магистральной связи.
1. Магистраль с коммутацией каналов с временным мультиплексированием (Circuit Switched Типе Division Multiplexed, TDM, Backbone). Это «сетевая модель 1970-х годов». Всему трафику выделяется вся полоса пропускания тракта (Trunk Bandwidth) по пиковой скорости трафика для каждого входного канала. Не предпринимаются попытки объединить неравномерный, или пачечный (bursty) трафик данных для передачи по более эффективным сетям с коммутацией пакетов и статистическим мультиплексированием, как, например, Frame Relay. Упрощенная схема такой системы показана на рис. 1.2.
Весь чувствительный к задержкам трафик (в основном речь) передается с фиксированной скоростью. Для передачи данных выделяется фиксированная полоса пропускания тракта с учетом пиковой (линейной) скорости.
.«1-'
2. Гибридная магистраль (Hybrid Backbone). Это «сетевая модель 1990-х годов». Похожа на предыдущую, за исключением того, что имеются две раздельные сети (рис. 1.3). Весь неравномерный трафик данных в идеале организуется в сеть с коммутацией пакетов и статистическим мультиплексированием (Frame Relay или сеть Интернет), чем обеспечивается лучшее использование магистральных ресурсов. Трафик с фиксированной скоростью остается в сети с коммутацией каналов и временным мультиплексированием (сеть TDM). Цифровые кросс-коммутаторы (TDM) сети SONET выделяют оптическую полосу пропускания трафику обоих видов по принципу коммутации каналов. При необходимости может использоваться технология волнового мультиплексирования (Wavelength Division Multiplexing, WDM).
Весь чувствительный к задержкам трафик (в основном речь) передается с фиксированной скоростью. Данные статистически мультиплексируются в общую среду (например, Frame Relay). Объединенные потоки с помощью технологии TDM помещаются в магистраль сети SONET.
3. Магистраль с коммутацией пакетов и статистическим мультиплексированием (Packet Switched StatMuxed Backbone). Это «чистая Интернет-модель». По некоторым оценкам может стать сетевой моделью XXI века. Весь трафик, включая трафик с фиксированной скоростью (чувствительный к временным задержкам), до пропуска его по оптической магистрали упаковывается в пакеты и статистически мультиплексируется в высокоскоростные потоки (рис. 1.4). При необходимости могут использоваться цифровые кросс-коммутаторы SONET и технология WDM. При статистическом мультиплексировании пакеты всех потоков ставятся в одну очередь и обслуживаются в порядке «первый пришел — первый обслуживается». Пропускная способность линий заранее не распределяется
между потоками и не резервируется для потоков, а совместно используется и динамически предоставляется каждый раз одному пакету любого потока.
Весь чувствительный к задержкам трафик (в основном речь) упаковывается в пакеты. Весь трафик статистически мультиплексируется в полосу пропускания тракта.
4. Магистраль АТМ. По другим оценкам, именно эта модель может стать сетевой моделью XXI века. Весь трафик до пропуска его по оптической магистрали упаковывается в ячейки фиксированной длины и статистически мультиплексируется в высокоскоростные потоки (рис. 1.5). Трафику с фиксированной скоростью выделяются виртуальные каналы с постоянной скоростью передачи (Constant Bit Rate, CBR), способные обеспечить качество обслуживания (Quality of Service, QoS) на уровне TDM. Для неравномерного трафика данных выделяются виртуальные каналы с переменной (Variable Bit Rate, VBR), доступной (Available Bit Rate, ABR) или неопределенной (Unspecified Bit Rate, UBR) скоростью передачи, которая статистически мультиплексируется для передачи по полосе пропускания, не зарезервированной для трафика CBR. При необходимости могут реализовываться цифровые кросс-коммутаторы SONET и технология WDM.
Весь чувствительный к задержкам трафик (в основном речь) передается по CBR. Трафик CBR обслуживается по аналогии с TDM. Трафик данных статистически мультиплексируется в оставшуюся полосу пропускания тракта.
Далее рассмотренные технологии организации трактов сравниваются (рис. 1.6) по транспортной емкости (или полезной пропускной способности). Транспортная емкость (ТЕ) определяется как отношение транспортируемого прикладного трафика к ширине полосы пропускания, необходимой для его транспортировки. Измеряется в процентах и может изменяться от 0 до 100%. Чем выше ТЕ, тем меньше полоса пропускания оптического кабеля, необходимая для передачи данной нагрузки.
Пример. Предположим, что технология А имеет ТЕ = 75%, а технология Б— 50%. Тогда для пропуска прикладного трафика объемом 100 Мбит/с технология А потребует полосу пропускания 100 Мбит/с: 0,75 = 133,3 Мбит/с, а технология Б — 100 Мбит/с: 0,50 = 200 Мбит/с. С учетом стоимости оборудования, технология А может обеспечить значительную экономию по сравнению с технологией Б.
Магистраль с коммутацией каналов на базе технологии временного мультиплексирования TDM обеспечивает высокую ТЕ, если примерно 100% входной нагрузки составляет передаваемый с фиксированной скоростью чувствительный к задержкам трафик. Но при росте объема передаваемых данных значение ТЕ быстро уменьшается вследствие хорошо известной неприспособленности данной технологии к эффективной транспортировке неравномерного трафика. Эта технология обеспечивает транспорт голоса и видео с минимальным количеством служебной информации на фиксированной скорости. Неудивительно, что магистраль с коммутацией пакетов и статистическим мультиплексированием, разработанная для транспорта неравномерного трафика, именно его и передает наилучшим образом.
Однако при появлении трафика с фиксированной скоростью, каковым являются голос и видео, затраты, связанные с пакетированием, серьезно ухудшают ТЕ. При передаче голосового трафика с фиксированной или переменной скоростью магистраль с коммутацией пакетов и статистическим мультиплексированием не может достичь уровня ТЕ, демонстрируемого при передаче голоса с фиксированной скоростью по магистрали TDM с коммутацией каналов (считаем, что средние скорости обоих источников голосового трафика равны). Гибридная магистраль использует наиболее выгодные стороны предшествующих вариантов: коммутацию каналов и TDM для чувствительного к задержкам трафика с фиксированной скоростью и статистическое мультиплексирование для неравномерного трафика данных. При условии соответствующей сегментации нагрузки данная технология способна обеспечить наибольшее общее значение ТЕ.
Отметим, что в случае неполной сегментации (когда часть пачечного трафика передается по сети TDM с коммутацией каналов) средний коэффициент неравномерности возрастет, отражая рост объема данных, не поступившего в загруженные каналы статистического мультиплексирования. В зависимости от степени сегментации загрузка гибридной магистрали может находиться в пределах от указанной на рис. 1.6 (для полной сегментации) до показателей магистрали TDM (при отсутствии сегментации). ATM не отдает «предпочтения» никакому виду трафика, но лучше всего взаимодействует со смешанным трафиком, для которого эта технология и разрабатывалась. Возможность предлагать разные классы обслуживания разным источникам трафика ставит АТМ — в терминах ТЕ— непосредственно на второе место после гибридной магистрали. Невозможность достичь показателей гибридной магистрали объясняется наличием дополнительной служебной информации для уровней AAL и ячеек, а также тем фактом, что это — гибридная технология, не предназначенная для какого-либо конкретного вида трафика, в отличие от TDM и технологии коммутации пакетов.
Из рис. 1.6 ясно, что магистраль TDM с коммутацией каналов не пригодна для транспортировки современного смешанного трафика. Поэтому для остальных вариантов магистрали дальнейшее сравнение приведем в табл. 1.1.
Каждая из рассмотренных магистралей имеет свои достоинства и недостатки. Однако для работы со смешанным трафиком наиболее подходит АТМ-магистраль.
Процесс конвергенции в электросвязи представляет собой процесс объединения всех направлений современных телекоммуникаций и информационной индустрии. Движущая сила конвергенции — развитие новых услуг. Конвергенция сетей позволяет получить однородную инфраструктуру для различных услуг. Приведем несколько направлений конвергенции в области телекоммуникаций [50, 71].
Конвергенция фиксированных и подвижных сетей предоставляет пользователям доступ к услугам фиксированных и мобильных сетей с любых терминалов (фиксированных или мобильных). Конвергенция фиксированных и подвижных сетей осуществляется на базе интеллектуальной платформы и комбинированных центров коммутации (CombiSwitch). Платформы интеллектуальных сетей (ИС) могут быть реализованы в разных типах сетей с фиксированным и/или мобильным доступом. Платформы ИС обеспечивают единый подход к управлению услугами, поддержку новых технологий для сетевых операторов, преобразование номеров между фиксированными и мобильными сетями, создание индивидуальных счетов для биллинга. В дополнение к конвергенции услуг на основе платформы ИС новыми операторами, создающими свою инфраструктуру, используется коммутатор CombiSwitch (обладает возможностями центра коммутации для мобильных сетей и учрежденческой телефонной станции).
Конвергенции телефонных сетей и сетей передачи данных уделяется наибольшее внимание. Выделяют два направления конвергенции ТфОП и сетей ПД: 1) использование ТфОП в качестве инструмента доступа к сети ПД (особенно к сети Интернет) и 2)использование сетей ПД для транспортировки речевого трафика. В первом направлении конвергенция ТфОП и сети Интернет осуществляется для услуг передачи данных и характеризуется взаимодействием ТфОП и сети Интернет на границе телефонной сети. Для взаимодействия ТфОП и сети Интернет наиболее важны технологии xDSL, которые используются для отвода трафика сети Интернет от сети ТфОП. Во втором направлении конвергенция ТфОП и сети Интернет осуществляется для услуг передачи речи и характеризуется замещением телефонных сетей сетями ПД на участках магистрали. Для передачи речи на магистральном участке может быть эффективно применена технология АТМ, поскольку поддерживает набор различных уровней качества обслуживания (Quality of Service, QoS) и управление этими уровнями.
Кроме технологии АТМ, транспортировку речевого трафика можно организовать путем IP-технологии с поддержкой протоколов DiffServ, RSVP, MPLS.
В конвергенции ТфОП и сетей ПД для услуг передачи речи можно выделить два подхода: 1) усовершенствование сетей ПД для улучшения качества транспортировки речи (например, усовершенствование IP-технологии с помощью протоколов DiffServ, RSVP, MPLS) и 2) поддержка телефонных услуг с помощью шлюзов, когда магистральной сетью служит сеть ПД. Шлюзы располагаются на концах магистральной сети ПД (например, IP-сети) и выполняют дополнительные функции управления для поддержки услуги телефонии, оптимизируют сетевое взаимодействие между ТфОП и сетью ПД. Основными функциями шлюзов являются передача сигнальной информации (дополнительное управление) и кодирование/декодирование речевых потоков. Особый интерес представляют: шлюз для абонентской сигнализации (например, шлюз Н.323), шлюз для межстанционной сигнализации ОКС № 7 (например, коммутатор SoftSwitch, телефонный Интернет-сервер). Более подробно конвергенция ТфОП и сети Интернет рассматривается в [50].
Конвергенция сетей АТМ и IP обеспечивает новую инфраструктуру для мультисервисных сетей. Взаимодействие АТМ и IP базируется на комбинации механизмов маршрутизации IP- и АТМ-коммутации. Выделим два подхода интеграции АТМ и IP: трафик-ориентированные механизмы (например, Multi-protocol Label Switching, MPLS) и сервер-ориентированные механизмы (например, Multi-protocol over АТМ, MPOA). В трафик-ориентированных механизмах коммутаторы АТМ дополняются блоками IP-маршрутизации, и IP-маршрутизаторы дополняются блоками коммутации меток. Для потоков с долгим временем жизни устанавливается временное виртуальное соединение, и поток передается на основе коммутации. Поток с коротким временем жизни передается на основе маршрутизации. В сервер-ориентированных механизмах используется концепция «виртуальной маршрутизации». В состав «виртуального маршрутизатора» входят два логических элемента: сервер MPOA и клиент MPOA. Сервер MPOA устанавливается либо на коммутаторах АТМ, либо на отдельных серверах, подключенных к коммутаторам АТМ. Клиент MPOA размещается либо на пограничном устройстве, либо на рабочей станции. Клиент MPOA обеспечивает идентификацию потоков и передачу данных. Сервер MPOA определяет виртуальный путь через АТМ-сеть на основе информации, полученной от клиента MPOA. Сервер MPOA также обеспечивает централизованное отображение адресов IP
в адреса АТМ.
Таким образом, конвергенция сетей связи базируется на совместной эксплуатации любых возможных ресурсов сетей любыми пользователями. При этом задача состоит не в том, чтобы определить, какая технология телекоммуникаций лучше, а в том, чтобы найти оптимальное место на сети для применения любой технологии. Конвергенция сетей означает объединение разнородных сетей (фиксированных и мобильных телефонных сетей, сетей с коммутацией пакетов, поддерживающих услугу VoIP) на технологической основе.
Конвергенция определяется как возможность различных сетевых платформ обеспечивать практически одинаковый набор услуг. Общей технологической основой конвергентных сетей служат универсальные среды, передающие цифровые потоки, несущие любую мультимедийную информацию, и специальные транспортные протоколы, позволяющие осуществлять эту передачу с заданной скоростью и качеством.
К общим тенденциям развития мультисервисных сетей относятся:
— мультисервисные коммутаторы/маршрутизаторы, поддерживающие все современные протоколы GMPLS, MPLS, IP, АТМ, FR;
— программные коммутаторы, организующие взаимодействие ТфОП с пакетными сетями без промежуточного преобразования технологий (т.е. без дополнительных протоколов, обеспечивающих интеграцию технологий).
Мультисервисные платформы (коммутаторы/маршрутизаторы). Очевидно, что всеми производителями телекоммуникационных решений для построения мультисервисных сетей связи в качестве основополагающего принципа принят метод коммутации меток. Подтверждением этому является изменение состава рабочих групп проектирования Интернет IETF (Internet Engineering Task Force) — создание подгруппы Sub-IP, выведение группы, занимающейся исследованием MPLS, из состава группы, исследующей протоколы маршрутизации IP, в самостоятельное подразделение, и выделение группы VPN из ее состава также в самостоятельную
группу.
Доработка протокола MPLS, дополнение функциями обеспечения качества и принятие как стандарта позволит операторам связи создавать единые мультисервисные сети, избегая проблемы совместимости и взаимодействия оборудования разных производителей. MPLS рассматривается операторами как технология, способная принять на себя функцию моста между АТМ и IP и стать общим протоколом, на основе которого будет осуществляться транспорт в оптических сетях следующего поколения.
Многопротокольная коммутация меток MPLS объединяет коммутацию второго уровня (с установлением соединения) и протокол IP (без установления соединения). При этом трафик протокола IP отображается на внутреннюю структуру проходимой им коммутируемой магистрали, за счет чего достигаются качество обслуживания (QoS), регулирование трафика (Traffic Engineering) и улучшается управление полосой пропускания, т.е. обеспечиваются характеристики, имеющиеся только в сетях второго уровня,
и чье отсутствие весьма заметно в традиционных сетях IP. Фактически, в MPLS используются такие же виртуальные каналы, что в технологиях АТМ и Frame Relay (Virtual Circuit, ЧС), определяющие базовое соединение MPLS, именуемое маршрутом коммутации меток (Label Switched Path, LSP).
Для установления в сети маршрутов LSP совместимые с MPLS маршрутизаторы и коммутаторы используют специальные протоколы сигнализации MPLS, такие как: RSVP-ТЕ (Resource Reservation Protocol extensions for traffic engineering), LDP (Label Distribution Protocol) и CR-LDP (Constrained Routing Label Distribution Protocol). Для IP-трафика, проходящего по облаку магистральной сети АТМ или Frame Relay, доступен полный спектр услуг — от регулирования трафика и качества обслуживания до биллинга на основании коэффициента загрузки. Так, IP-пакеты могут быть явным образом направлены по указанному маршруту ЖР, а не по тому маршруту, который был бы выбран традиционными протоколами IP-маршрутизации. Возможность направления трафика по указанному маршруту позволяет провайдерам избегать заторов, выполнять обязательства по обеспечению качества обслуживания, повышать стабильность сети и эффективность использования полосы пропускания.
Для построения ядра мультисервисных сетей используются устройства нового поколения — мультисервисные коммутаторы/маршрутизаторы, которые поддерживают все современные протоколы IP, MPLS, АТМ, FR с обеспечением качества и безопасности обработки трафика. Эти устройства можно рассматривать как платформы конвергенции. Располагая платформой конвергенции, оператор связи может развивать архитектуру своей опорной сети в требуемом направлении теми темпами, которые представляются ему наиболее удобными. В качестве примера рассмотрим реализацию избранной схемы конвергенции в платформе Alcatel 7670 RSP и варианты развития опорной сети на основе этой платформы [62, 122].
Из схемы конвергенции (рис. 1.7), реализованной на платформе Alcatel 7670 RSP, у оператора связи имеется три варианта развития опорной сети:
1) сохранить самостоятельность двух наложенных сетей (АТМ и IP), обеспечивая независимую конвергенцию каждой из них с помощью оптики, путем прямого подключения к оптическим сетям с использованием протокола универсальной многопротокольной коммутации меток (Generalized Multiprotocol Label Switching, GMPLS) и оптических интерфейсов UNI;
2) выгодно реализовать широкие возможности IP-маршрутизации и управления трафиком, поддерживаемые платформой Alcatel 7670 RSP, и использовать ее в качестве платформы конвергенции, направляющей транспортные потоки как АТМ, так и IP, непосредственно на оптическую магистраль;
3) использовать платформу Alcatel 7670 RSP в качестве шлюза для традиционного трафика, направляемого в сторону опорной сети IP/MPLS. Для реализации данного решения компания Alcatel совместно с ведущими операторами связи и поставщиками телекоммуникационного оборудования, утвердила процедуру урегулирования параметров АТМ и MPLS (АТМ/МРLS Mediation) в органах стандартизации.
Программные коммутаторы. Создавая новый или расширяя старый бизнес, оператор, прежде всего, сталкивается с необходимостью достижения как минимум того же качества и удобства предоставления услуг, к которому привыкли пользователи ТфОП. Это подразумевает, что новые пакетные АТМ- или IP-сети должны для обеспечения повсеместной доступности и бесшовного (без промежуточного преобразования с целью интеграции технологий) обслуживания взаимодействовать с проводными и беспроводными сетями ТфОП, а также с другими, например, кабельными сетями. Для взаимодействия ТфОП с пакетными сетями (АТМ или IP) был разработан программный коммутатор Lucent Technologies Softswitch.
В основу программного коммутатора положен принцип рассредоточения базовых функций обычного коммутатора каналов и распределения их по магистрали пакетной сети в виде программных компонентов, функционирующих на стандартных компьютерах широкого профиля. Такая распределенная и рассредоточенная архитектура является открытой и программируемой, позволяет поставщику услуг или разработчику создавать и предлагать новые услуги. Программный коммутатор функционирует на обычных компьютерах под управлением традиционных операционных систем и управляет оконечными устройства соединительных линий, шлюзами доступа, серверами удаленного доступа.
Отличительной особенностью программного коммутатора является программное изменение сценариев при использовании различных протоколов сетей ТфОП, АТМ и IP. Например, коммутатор Softswitch в сочетании со шлюзом соединительных линий заменяет транзитный/междугородный коммутатор (класс 4) с магистральной передачей голоса поверх IP (VoIP) или голоса и телефонии поверх АТМ (VTOA), в сочетании со шлюзом доступа заменяет виртуальную частную сеть или выделенную линию с магистральной передачей голоса поверх IP, в сочетании с сервером удаленного доступа обеспечивает управляемую модемную службу, в сочетании со шлюзом соединительных линий и локальным функциональным сервером заменяет местную телефонную станцию (коммутатор класса 5) с магистральной передачей VoIР или VTOA. Коммутатор Softswitch использует службы ИС через открытый и гибкий интерфейс каталогов, предоставляет открытые прикладные интерфейсы API для сторонних разработчиков с целью создания услуг третьего поколения, реализует программируемые функции внутренней обработки (back-office), в том числе программируемую запись событий и запись данных о вызовах в систему регистрации событий оператора, управляет всеми программными компонентами на базе сервера правил.
На рис. 1.8 показана конвергентная сеть передачи речи и данных с применением мультисервисной платформы и программного коммутатора Softswitch.
Программный коммутатор Softswitch используется в сочетании со шлюзом доступа к среде передачи. Шлюзом доступа служат мультисервисная платформа (например, платформа Alcatel 7670 RSP), которая дополняет программный коммутатор (Softswitch), выполняя функции транзитного коммутатора класса 4, снимая избыточную нагрузку по Интернет трафику и решая задачи централизованного шлюза доступа.
Шлюз доступа к среде передачи преобразует трафик магистральных линий TDM, поступающий от коммутаторов класса 5, в голосовые пакеты, пригодные для трансляции по широкополосной сети. Кроме этого, шлюз доступа обеспечивает динамическую маршрутизацию вызовов в соответствии с инструкциями, которые выдает система Softswitch.
Таким образом, в данном примере (см. рис. 1.8) мультисервисная платформа применяется как:
— шлюз доступа к среде передачи, обеспечивающий мультисервисный транспорт;
— высокопроизводительная система коммутации;
— элемент транзитного коммутатора нового поколения в сочетании с программным коммутатором Softswitch.
Применение мультисервисных платформ и программных коммутаторов для построения мультисервисных сетей имеет следующие д о с т о и н с т в а:
— динамическая маршрутизация и сигнализация PNNI, способствующая упрощению сетевого планирования;
— сквозная поддержка функций качества обслуживания QoS операторского уровня;
— способность к взаимодействию с продукцией других поставщиков;
— возможность передачи речи и данных, внедрения новых, высокорентабельных видов обслуживания в конвергентных сетях;
— высокая производительность обработки вызовов.
1.5. Структура Мультисервисной сети
Телекоммуникационная инфраструктура мультисервисной сети обеспечивает обработку и передачу разнородного трафика, предоставляет пользователю весь спектр услуг. Магистраль мультисервисной сети должна обрабатывать как пакетный, так и традиционный графики сетей с коммутацией пакетов. Операторы должны иметь возможность соединять инфраструктуры IP и АТМ для сквозного предоставления дополнительных услуг. Связь между мультисервисными АТМ- и IP-инфраструктурами обеспечивает MPLS. Производительность магистрали должна изменяться в широких пределах, от сотен Мбит/с до сотен Гбит/с. Поэтому на магистральных участках предпочтительнее оптические технологии передачи, такие как плотное мультиплексирование с разделением каналов по длине волны (Dense Wave-Division Multiplexing, DWDM). Системы DWDM увеличивают пропускную способность волоконно-оптического кабеля путем распределения входящих оптических сигналов, отвечающим стандартам SDH, по длинам волн и последующего мультиплексирования этих сигналов в виде единого цифрового потока в одном волокне. Сигнал, мультиплексируемый в системе DWDM, переносится в оптической форме без промежуточных оптико-электрических преобразований от точки мультиплексирования до точки демультиплексирования. Система DWDM не влияет на структуру мультиплексируемых сигналов, т.е. обладает свойством прозрачности. В результате сетевому оператору легко интегрировать системы DWDM с существующим сетевым оборудованием, одновременно значительно увеличивая пропускную способность кабелей. Технология DWDM поддерживает протоколы GMPLS, представляющие универсальные механизмы объединения транспортных оптических и пакетных технологий.
Мультисервисная сеть состоит из опорной сети и сети доступа (рис. 1.9). Построение опорной сети может осуществляться по технологиям SDH, DWDM, АТМ, IP, MPLS. Из рассмотренных выше способов построения магистрали опорной сети АТМ-магистраль имеет преимущества: качественное обслуживание смешанного трафика и высокий уровень транспортной емкости. В основе опорной мультисервисной сети могут лежать мультисервисные платформы, обеспечивающие мультисервисный транспорт и конвергенцию с современными сетями связи.
Мультисервисная платформа должна быть в состоянии пропускать и агрегировать трафик самых разных типов, среди которых Frame Relay, Asynchronous Transfer Mode (АТМ), выделенные линии, телефония, Internet Protocol/Multiprotocol Label Switching (IP/MPLS) и Ethernet, организуя прохождение транспортных потоков непосредственно по интеллектуальной оптической магистрали. Эта платформа должна поддерживать функцию MPLS, позволяющую гарантировать качество обслуживания QoS при предоставлении IP-услуг, обеспечивать обработку традиционного трафика и обладать отказоустойчивостью и масштабируемостью операторского класса. Мультисервисная
платформа предусматривает поэтапное наращивание множества самых разных параметров и гибкое внедрение новые виды обслуживания.
К мультисервисным платформам относятся: платформа Alcatel 7670 RSP, мультисервисный коммутатор Lucent GX-550, маршрутизатор Cisco GSR. Пример реализации мультисервисных возможностей опорной сети на платформе Alcatel 7670 RSP приведен на рис. 1.10.
Сеть доступа предлагает различные решения по подключению абонентов. Один из примеров организации сети доступа показан на рис. 1.11. Перечислим услуги, предоставляемые абонентам, с помощью такой схемы:
— коммутируемый IP-доступ абонентов;
— высокоскоростное подключение абонентов небольших офисов по xDSL;
— предоставлять по телефонной (ТЛФ) паре услуги передачи голоса/данных в крупных зданиях (бизнес центрах, гостиницах);
— услуги по созданию VPN.
Для построения сети доступа могут использоваться следующие технологии:
— цифровая абонентская линия (Digital Subscriber Line, xDSL);
— пассивная оптическая сеть (Passive Optical Network, PON);
— беспроводная широкополосная технология для местной сети, радио доступ (Local Multipoint Distribution System, LMDS),
— сегмент сети доступа с комбинацией ВОК/коаксиальный кабель (Hybrid Fixed/Соах, HFC),
— решение для последних метров (HomePNA),
— Ethernet/Fast Ethernet,
— АТМ.
Мультисервисные сети на базе АТМ представляют собой экономически эффективное решение для построения крупномасштабных корпоративных сетей. Выигрыш при построении мультисервисных сетей на базе АТМ определяется возможностью технологии АТМ предоставлять пропускную способность по требованию и гарантированным качеством обслуживания. Однако в будущем использование технологии АТМ на магистральных участках может быть ограничено рядом факторов: падением стоимости аренды выделенных линий в связи с ростом доступных пропускных способностей магистралей благодаря технологии DWDM и прогрессом протоколов Интернет в области обеспечения гарантированных показателей качества обслуживания. В сетях доступа экономически эффективно применять технологию АТМ для мультиплексирования линий xDSL.
ГЛАВА 2
ТЕХНОЛОГИЯ АТМ
Рассмотрим основные принципы технологии АТМ. Более подробное описание технологии АТМ можно найти в [7, 18, 53, 59, 68, 99, 100].
Работы по стандартизации АТМ проводят МСЭ-Т, ANSI и АТМЕ. На международном уровне лидером в создании официальных требований для В-ISDN и АТМ является МСЭ-Т. На национальном уровне институт стандартизации ANSI США является также органом стандартизации АТМ. Работы, проводимые ANSI и МСЭ-Т, сосредоточены в основном на интерфейсах и сигнализации на сетях общего пользования. В результате ими определены интерфейсы: «пользователь— сеть» (UNI), сетевой узел (NNI); услуги сети В-ISDN и сигнализация при управлении соединением для АТМ.
В настоящее время большой вклад в стандартизацию АТМ вносит Форум производителей АТМ (ATMF). Создан в 1991 г. компаниями Adaptive, Cisco, Nortel и Sprint, сейчас включает более 600 поставщиков, провайдеров услуг и пользователей оборудованием АТМ. Среди наиболее важных требований следует отметить интерфейсы: между ведомственными сетями и сетями общего пользования; обмена данными (DXI); межсетевые для разных сетей АТМ и для взаимодействия с сетями фрейм реле и SMDS. АТМF также работает над документами по передаче через АТМ видеоинформации, эмуляции каналов, а также сети LAN, сигнализации «пользователь — сеть» и по процедуре управления вызовом.
2.2. Интерфейсы и функциональные устройства
МСЭ-Т и ATMF используют разную терминологию для стандартизации функциональных устройств АТМ/В-ISDN и стандартных точек протоколов (рис. 2.1). У МСЭ-Т термины для В-ISDN одинаковы с терминологией базового (BRI) и основного (PRI) интерфейсов узкополосной сети ISDN, но к ним вначале добавляется буква В. Форум ATMF использует легко запоминаемые названия.
В АТМ определены следующие интерфейсы и стандартные точки протоколов.
Интерфейс пользователь-сеть (UNI) содержит правила взаимодействия между сетью АТМ и пользовательским оборудованием (CPE). В терминологии МСЭ-Т для В-ISDN этот интерфейс назван стандартной точкой протокола Тв.
Коммутатор АТМ, или ведомственная коммутационная станция (PABХ) с функциями АТМ. Последняя предоставляет коммутируемые услуги местной сети АТМ. В стандарте МСЭ-Т — это широкополосное сетевое окончание второго типа (В-NT2), а в стандартах ATMF — ведомственный коммутатор сети АТМ.
Оконечные пользовательские устройства — маршрутизатор, мультимедийный терминал и хостовый компьютер (хост), находящиеся у пользователей и предоставляющие разные услуги АТМ. В соответствии со стандартами это функциональные устройства в МСЭ-Т — широкополосное терминальное оборудование (В-ТЕ), а у ATMF — конечная точка (End-Point).
Стандартная протокольная точка SB. Через нее В-ТЕ на сети АТМ включается в корпоративный коммутатор АТМ (В-NT2). В ATMF — это ведомственный интерфейс UNI (Р-UNI).
Интерфейс сетевого узла (NNI) обеспечивает взаимодействие между коммутаторами внутри одной сети. Коммутаторы могут относиться к разным производителям.
Интерфейс В-ICI обеспечивает взаимодействие между двумя сетями АТМ общего пользования.
Интерфейс корпоративного сетевого узла (Р-NNI) реализует взаимодействие между двумя ведомственными коммутаторами АТМ разных NNI производителей.
Интерфейс обмена данными (DXI) устанавливается между маршрутизатором и блоком для услуг передачи данных (DSU). Служит для подключения сети LAN через маршрутизатор к сети АТМ. В этом случае маршрутизатор не посылает ячейки напрямую в сеть АТМ. Эту задачу выполняет DSU, совместимый с АТМ. Таким образом, интерфейс DXI устанавливается между устройством пользователя DTE, не предоставляющим услуги АТМ, и конечной точкой АТМ.
Интерфейс UNI основан на передаче кадров (F-UNI), обеспечивает прямую посылку данных в виде кадров от устройств пользователей в сеть АТМ. Его применение позволяет отказаться на сети АТМ от блока DSU.
На сети АТМ предоставляются услуги с установлением соединения. Как и на других сетях с виртуальными каналами (VС), в каждом блоке данных (PDU) передаются идентификаторы соединения. Они значительно короче, чем полный адрес пункта назначения. Хотя ячейки АТМ передаются с установлением соединения, можно согласовать некоторые сетевые услуги высокого уровня, работающие без установления соединения.
В АТМ предусмотрены соединения по виртуальным каналам (VC) и виртуальным путям (ЧР). Виртуальный канал — главный элемент сети, определяющий характеристики однонаправленной передачи ячеек (рис. 2.2).
Применение виртуальных каналов (VC) и путей (VC) считается важной особенностью сети АТМ, поскольку большинство сетей, ориентированных на установление соединений, применяют только виртуальные каналы.
На сети АТМ устанавливаются однонаправленные соединения, так как некоторые услуги могут предоставляться с разными показателями качества обслуживания (QoS) в каждом из направлений передачи. Если параметры качества QoS одинаковы в обоих направлениях, то в процессе установления соединения могут быть выбраны два VC, передающих информацию в разных направлениях.
Виртуальный канал образуется в процессе установления соединения между оконечным оборудованием двух пользователей, например, между двумя хостами. Информация для маршрутизации ячеек и сервисные параметры формируются к моменту образования VС. Звено VC (VC link) — это часть виртуального канала между двумя точками коммутации на сети АТМ. Соединение VC (VC connection, VСС) представляет собой цепочку из множества звеньев VC.
Виртуальный путь характеризует пучок VC с одинаковыми оконечными точками; также VC коммутируются в одном месте. Звено VP, как и звено VC, это путь VP от точки к точке между двумя коммутаторами АТМ, а соединение VP (VPC) — цепочка из множества звеньев виртуальных путей.
Пользователю предоставляется возможность иметь внутри одного VP одновременно некоторое число VC, для которых устанавливается только одно логическое соединение. Например, между двумя РАВХ, включенными в сеть АТМ, можно образовать один VР. В то же время, внутри этого пути каждый обслуживаемый от абонента вызов занимает индивидуальный виртуальный канал. Такой принцип аналогичен пучку соединительных линий между двумя РАВХ на существующих сетях с коммутацией каналов.
Каждая ячейка содержит адрес, включающий индентификаторы виртуальных канала (VCI) и пути (VPI). Идентификаторы VPI и VCI полностью определяют соединение между конечными точками пользователей. Идентификаторы VCI и VPI задаются для каждого звена сети АТМ и остаются неизменными в течение одного соединения.
Коммутаторы АТМ способны коммутировать как индивидуальные VC внутри VP, так и виртуальные пути (рис. 2.3). VPI идентифицирует VP при коммутации виртуальных путей и индивидуальных VC.
Каждая ячейка АТМ имеет заголовок и полезное поле. Заголовок (5 байт) содержит информацию для маршрутизации ячеек в коммутаторах сети АТМ. Полезное поле (48 байт) включает пользовательские данные.
Длина заголовка ячейки АТМ 5 байт оказалась достаточной для адресной и управляющей информации, необходимой для коммутации; параметры полезного поля выбраны исходя из анализа требований передачи данных и речи.
Передача данных с применением длинного полезного поля приводит к наибольшей пропускной способности сети и к минимуму ячеек в сообщении (предполагается, что передаются достаточно длинные файлы). Чтобы достигнуть малого времени задержки речи, передача речевой информации должна производиться короткими ячейками. Это также позволит проще строить эхо-заградители и иметь минимум буферной памяти на коммутаторах АТМ. На телефонной сети время задержки при передаче между абонентами не должно превышать 250 — 300 мс. Именно поэтому основной предпосылкой для выбора размера полезного поля стала задержка речевого трафика.
2.5. Структура протоколов В-ISDN
Стандартная модель протокола В-ISDN (рис. 2.4) включает несколько плоскостей. Плоскость U обеспечивает передачу пользовательской информации и связанную с ней информацию контроля потока, ошибок и восстановления данных.
Плоскость управления С предназначена для передачи сигнальной информации, включающей функции установления и завершения соединения. Плоскости U и С имеют трехуровневую архитектуру протоколов, показанную в табл. 2.1.
В основании уровней протоколов В-ISDN находится физический. Он отвечает за передачу бит между смежными сетевыми устройствами, такими как оборудование пользователей и сетевые узлы. На физическом уровне определяются среда передачи, разъемные соединители, правила преобразования ячеек из одной среды передачи в другую, битовая синхронизация.
Уровень ATM отвечает, в первую очередь, за передачу ячеек от одного пункта сети к другому (например, от пользователя к коммутатору АТМ или между коммутаторами). На этом уровне происходят мультиплексирование и демультиплексирование ячеек, контроль за их потоком, а также их коммутация и маршрутизация. Формируется пятибайтовый заголовок. Он содержит информацию по маршрутизации ячеек, заданию приоритетов в их обслуживании и перегрузкам.
Уровень адаптации АТМ (ААL) выполняет специфические функции по взаимодействию с верхними уровнями модели протоколов В-ISDN, а также функцию конвергенции для уровня АТМ. Роль ААL состоит в адаптации характеристик сети В- ISDN по передаче ячеек с требованиями передачи протоколов верхних уровней. Например, приложения верхних уровней для передачи речи и видео требуют минимальную задержку информации, а приложения передачи данных— коррекцию ошибок. Уровень AAL отвечает за заполнение полезного поля ячейки пользовательской и другой дополнительной служебной информацией.
Протоколы верхних уровней поддерживают пользовательские приложения и обеспечивают передачу информации между конечными пользователями сети АТМ. На сети АТМ можно поддерживать любые протоколы и приложения. Внутри плоскости U уровень ААL поддерживает четыре услуги разных типов с постоянной битовой скоростью (CBR-услуги), передачи данных с установлением соединений (СО); передачи данных без установления соединений (СL), другие, предоставляемые с переменной битовой скоростью (VBR-услуги). Специальная сигнализация уровня AAL (SAAL) служит для управления вызовом и поддержки соединения для плоскости С.
Плоскость менеджмента М включает две основные функции. Функция управления уровнями отвечает за сеть или системный менеджмент, например, за сбережение ресурсов и эксплуатацию, администрирование и управление сетью. Управление плоскостями выполняет функции менеджмента, которые необходимы для системы в целом и обеспечивает координацию между другими рассмотренными плоскостями.
2.6. Физический уровень В-ISDN
Этот уровень определен в рекомендациях 1.432 МСЭ-Т. Основан на применении системы передачи SDH (рекомендации G.707, G.708 и G.709). Форум АТМЕ определяет физический уровень для интерфейса UNI в документах, названных соглашениями. Важно отметить, что требования МСЭ-Т и форума АТМ немного отличаются вследствие того, что в этих организациях используются разные подходы к инфраструктуре сети АТМ. В частности, союз МСЭ-Т приводит рекомендации для полностью волоконно-оптической сети, а форум АТМ предполагает реализацию медных и оптических линий связи.
Функции физического уровня. Ячейки передаются между смежным оборудованием сети АТМ. Это может быть оконечное оборудование пользователей, коммутаторы корпоративные и сети общего пользования АТМ. Физический уровень имеет два подуровня.
Нижний подуровень — физической среды (PM). Определяет синхронизацию бит, физические характеристики среды и разъемные соединители стыков. На подуровне PM обеспечиваются следующие функции.
Согласование с физической средой. Зависит от среды передачи и не определено в рекомендациях МСЭ-Т. Согласовываются линейные коды, электрические и/или оптические характеристики, разъемные соединители разных видов и параметры электрооптических преобразователей.
Битовая синхронизация. Сигнальная информация формируется для обеспечения битовой синхронизации между передатчиком и приемником на одном звене сети АТМ.
В верхней части физического уровня находится подуровень конвергенции передачи (ТС). Связан с независимыми от среды показателями, такими как коррекция ошибок, выделение ячеек и формирование кадров передачи. В подуровень ТС входят следующие функции.
Формирование и восстановление кадра передачи. Функция, при которой формируются передаваемые кадры для физического уровня и распознаются кадры на приеме.
Адаптация принимаемого кадра. Структура ячеек задается внутри полезного кадра, передаваемого по транспортной сети.
Контроль за ошибками в заголовке ячейки (НЕС). На передающей стороне формируется последовательность сигналов контроля за битовыми ошибками, которые вставляются в заголовки ячеек. На принимающей стороне заголовки ячеек проверяются на наличие ошибок.
Согласование скорости потока ячеек. Скорость передачи ячеек адаптируется к скорости передачи кадра по транспортной сети.
Вставка/изъятие бит. Вставка бит служит для формирования квазислучайного битового потока ячеек. Позволяет повысить эффективность их выделения.
Функции административные и технического обслуживания. Передаются специальные ячейки. Они несут информацию физического уровня (Operation, Administration and Maintence, ОАМ). Функции ОАМ включают мониторинг показателей передачи, обнаружение и предоставление сведений об ошибках передачи.
Выделение ячеек. Приемник выделяет ячейки из полезного поля, передаваемого по транспортной сети кадра в соответствии с его структурой. Рекомендации МСЭ-Т определяют это как функцию ТС, действующую в точках, заданных протоколом физического уровня. В соответствии с требованиями АТМF ячейки выделяются с помощью поля НЕС, входящего в заголовок ячейки.
Виды среды передачи. Первоначально союз МСЭ-Т определил для сети АТМ скорости потока 155,52 и 622 Мбит/с. Это соответствует стандартам синхронной цифровой иерархии STM-1 и STM-4. На скорости 155,52 Мбит/с при организации доступа на физическом уровне допускается использовать кабели коаксиальный длиной до 200 м или волоконно-оптический до 2 км. В 1980 г, когда впервые была разработана технология АТМ, скорость 155 Мбит/с считалась избыточной. По желанию пользователей в современных требованиях к АТМ предусмотрена поддержка различных скоростей. Это позволяет применять также симметричный кабель.
Форум АТМF и другие организации определили следующие опции для физического уровня: АТМ-интерфейсы UNI сети общего пользования с передачей по цифровым каналам DS-1, E1, E3, DS-3 или Е4, UNI или NNI сети общего пользования с передачей через систему STM-1 или STM-4, NNI с передачей через систему STM-16 (2488,32 Мбит/с), UNI со скоростью 25,92 Мбит/с типа «STS-1/S» ведомственной сети с передачей по неэкранированным витым парам кабеля типа Е1А/ TIA-568 категории 3 (UTP-З), UNI со скоростью 100 Мбит/с ведомственной сети с использованием многомодового волоконно-оптического кабеля или кабельных пар UTP пятой категории (UTP-5), применяемых для приемопередающих волоконно-оптических интерфейсов передачи данных (FDDI), UNI волоконно-оптического канала со скоростью 155,52 Мбит/с ведомственной сети с использованием многомодового волоконно-оптического кабеля или экранированных витых пар (STP), UNI со скоростью 155,52 Мбит/с ведомственной сети, основывающийся на STS-Зc с использованием UTP-3 или UTP-5.
Передача ячеек в цифровых потоках. В цифровых потоках систем передачи типов Т и Е применяются временное мультиплексирование (TDM) и формат кадров, в который вставляются данные пользователей и информация управления физическим уровнем. Существуют два способа передачи ячеек АТМ в потоках этих систем.
При первом способе ячейки прямо вставляются в информационные байты соответствующего кадра (цикла) системы передачи. Например, цикл системы Е1 имеет 31 информационный байт. Они входят в канальные интервалы с 1 по 31. Схема распределения ячеек такова, что одна из них занимает один полный цикл (31 байт) и 22 байта следующего цикла. Очередная ячейка займет оставшиеся 9 байт текущего цикла, 31 байт следующего и 13 байт последующего цикла и т.д.
Второй способ состоит в распределении ячеек в соответствии с протоколом конвергенции на физическом уровне (PLCP). На рис. 2.5 показан протокол конвергенции физического уровня PLCP для системы передачи DS-3 (скорость потока 44,736 Мбит/с; северо-американский стандарт).
Кадр PLCP для системы DS-3 содержит 12 ячеек АТМ. Каждой ячейке пред- шествуют четыре байта верхней части PLCP, названной рядом РLSР. Последний содержит трейлер. Он состоит из 13 или 14 полубайт (6,5 или 7 байт). Повторная передача кадров происходит 8000 раз в секунду.
Первые два байта каждого ряда включают два кадровых байта A1 и А2. Они необходимы для выделения начала ряда PLCP и восстановления синхронизации в случае нарушения связи. В этих байтах записываются двоичные слова: OxF6 и Ох28.
Следующий байт каждого ряда формирует идентификатор заголовка пути (POI). Байт POI содержит шести битовую переменную со значениями от 0 до 11. Она идентифицирует ряд PLCP, биты резервный (записан нуль) и контрольный нечетности для обнаружения элементарных битовых ошибок.
Четвертый байт в ряду PLCP формирует заголовок пути (POH). В зависимости от номера ячеек байты этого заголовка имеют следующие назначения.
Байты расширения (от Z1 до Z6) зарезервированы; в них записаны нули.
Неопределенные байты (Х). Они не определены и приемник игнорирует их содержимое.
Поле чередующейся битовой проверки на четность — 8 (BIP-8) (В1). Поиск ошибки осуществляется путем проверки на четность двоичных чисел, содержащихся в двух байтах типа B l заголовка пути смежных кадров.
Статус пути PLCP (GI). Содержит статус PLCP и рабочую информацию. Байт включает четырех битовое поле ошибок блока на дальнем конце (РЕВЕ). Это поле отмечает число ошибок по четности (О — 8), обнаруженных в предыдущем кадре PLCP с помощью процедуры BIP-8. Байт также включает один бит индикации «желтой тревоги», когда в тракте передачи обнаруживаются непрерывные ошибки. Оставшиеся 3 бита не используются.
Счетчик циклов/накопления (С1). В потоке 44,736 Мбит/с DS-3 для каждого третьего кадра PLCP производится «полубайтовый стафинг» (375 мкс). В байт С1 вставляется индикатор длины фрейма PLCP и задается цикл стафинга длиной три кадра. В каждом трехкадровом цикле первый трейлер кадра содержит 14 полубайт (7 байт). Последний трейлер кадра имеет 13 или 14 полубайт в зависимости от того, введен ли дополнительный полубайт для синхронизации.
Форум АТМР и союз МСЭ-Т адаптировали эти и другие требования к PLCP. Это дает возможность реализовать «низкоскоростные» доступы АТМ на разных цифровых потоках, включая DS-1, Е1, DS-2, E3 и Е4.
Формат передачи для синхронной системы передачи SDH. На рис. 2.6 показана структура синхронного транспортного модуля типа STM-1 (скорость линейного потока 155 Мбит/с). В нем передаются ячейки АТМ, которые вставляются в виртуальный контейнер четвертого порядка (ЧС-4), переносящий в 9 рядах по 261 байту. Байты передаются слева направо, ряд за рядом.
Первый байт каждого ряда контейнера содержит служебную информацию (POH). Следовательно, один контейнер несет 2340 (260х9) байт ячеек АТМ. Поскольку это число не кратно 53, в контейнере помещаются 44 ячейки и 8 байт 45-й ячейки.
В следующем контейнере помещаются оставшиеся 45 байт 45-й ячейки и следующая новая партия ячеек. Контейнер вставляется в транспортный модуль. В нем первые 9 байт каждого ряда служат для передачи служебной информации. Она предназначена для работы регенераторной (RSOH) и мультиплексорной (MSOH) секций транспортной сети.
Административный указатель позволяет найти в виртуальном контейнере первый по счету байт. Транспортные модули собираются в кадры. Они передаются с периодом 125 мкс и с учетом передачи служебной информации. Скорость передачи ячеек составляет 149,76 Мбит/с.
На уровне АТМ в соответствии с блоком данных, поступившим от подуровня SAR (SAR-PDU), формируется заголовок ячеек и выполняется их коммутация. Далее описываются формат заголовка ячеек и функции уровня АТМ в соответствии с информацией, переносимой заголовком. Описание уровня АТМ приведено в Рекомендациях МСЭ-Т и в требованиях к интерфейсу UNI форума ATMF.
Описание заголовка ячейки и уровня АТМ. Уровень АТМ служит для передачи ячеек из узла в узел сети связи. На этом уровне коммутируются ячейки с установлением соединения. Уровень АТМ выполняет свои функции независимо от предоставляемых услуг на верхних уровнях, физической среды и скоростей потоков на интерфейсах UNI и NNI. Напомним, что ячейки АТМ имеют длину 53 байта. Из них 5 — это заголовок, 48 — полезное поле.
Формат заголовка для интерфейса UNI показан на рис. 2.7, а. Содержит следующие поля:
— поле контроля общего потока (GFC) — 4 бит. Служит для передачи информации контроля потока на интерфейсе UM;
— поле VPI — 8 бит, содержит номер VP;
— поле VCI — 8 бит, содержит номер VС;
— поле идентификатора типа полезного поля (PTI) — 3 бита, отмечает пункт отправления ячейки при необходимости включает сведения о перегрузке и индикаторе специальных услуг;
— поле приоритета потерь ячеек (CLP) — 1 бит, отмечающий относительный приоритет данной ячейки;
— поле HEC; в нем записывается двоичное число для контроля с помощью циклического избыточного кода (CRC). Это число используется на физическом уровне для обнаружения ошибок и выделения ячеек.
На рис. 2.7, б показано поле заголовка ячеек, передаваемых через интерфейс NNI. Ячейки на интерфейсе NNI не содержат поле GFC. Поле VPI расширено до 12 бит.
К функциям уровня АТМ относятся: контроль общего трафика (используется поле GFC); мультиплексирование потоков ячеек для разных соединений на сети АТМ (поля VPI и VCI); деление ячеек по скоростям передачи (поля VPI и VCI); распознавание ячеек (поля VPI и VCI), типа полезного поля (используется PTI); индикация приоритета потерь ячеек (используется поле GFC); обнаружение битовых ошибок и выделение ячеек (поле НЕС); поддержка трафика и контроль за перегрузками (используются параметры трафика).
Контроль общего трафика. Первоначально поле GFC предназначалось для контроля за общим трафиком, передаваемым по сети АТМ. В заголовке каждой ячейки поля GFC передаются индикаторы контроля за величиной трафика. Информация GFC действует только на одном звене сети.
В отношении GFC на интерфейсе UNI определены два режима работы. Первый — неконтролируемого доступа. В нем во всех битах GFC записаны нули. Они игнорируются на принимающей стороне. Этот режим был определен для ранних применений АТМ, когда не был введен механизм действия GFC. Второй р е ж и м — контролируемого доступа. В нем хосты сети АТМ передают трафик зависимости от информации, записанной в поле GFC принимаемой ячейки. В настоящее время поле GFC может не использоваться, так как появились более эффективные и надежные методы контроля величины трафика. Эти методы будут описаны в дальнейшем.
Идентификаторы виртуальных путей и каналов. Одной из функций уровня АТМ является мультиплексирование ячеек, относящихся к разным соединениям на сети АТМ. Оно выполняется с помощью полей VPI и VCI. Каждому соединению на сети АТМ соответствуют разные значения VPI и VCI. Оно характеризуется показателями качества обслуживания QoS. К ним, например, относятся временная задержка передачи ячеек между оконечными пунктами, допустимая величина потерь ячеек. Эти функции описываются в оставшейся части данного подраздела.
На уровне АТМ также регулируется скорость передачи ячеек. Это делается путем введения в поток несущих информацию связанных ячеек, несвязанных («пустых», не несущих никакой информации). Именно поэтому на физическом уровне в общем потоке на принимающей стороне идет их анализ и деление ни связанные и несвязанные. Несвязанные ячейки удаляются в пункте приема. Таким образом, связанные ячейки могут передаваться со скоростью, не зависящей от скорости передачи ячеек по физической среде. Данная функция выполняется путем введения специальных значений VPI и VCI для несвязанных ячеек. В табл. 2.2 представлены значения VPI и VCI для каналов сигнализации и ячеек ОАМ.
На уровне АТМ связанные ячейки разделяются на содержащие пользовательские данные, сигнализации и предназначенные для функций ОАМ. Такое разделение выполняется путем введения специальных значений VPI и VCI для каналов сигнализации и ячеек системы ОАМ (см. табл. 2.2).
В ячейках системы ОАМ передается информация управления и администрирования виртуальными путями АТМ на местном уровне и при соединениях между конечными точками сети. По виртуальным каналам передаются потоки ячеек двух типов: F4 и F5. Они предназначены для выполнения функций ОАМ для виртуальных путей и каналов соответственно. Например, для потока F4 на уровне АТМ выбирается требуемое значение VPI. Значение VCI всегда равно 3 (ОАМ сегмента сети) или 4 (ОАМ при соединениях между конечными точками сети).
Распознавание типа полезного поля. Основная цель распознавания типа полезного поля состоит в том, чтобы различать ячейки, несущие пользовательские и другие данные. Такое разделение выполняется на уровне АТМ путем анализа поля PTI (Payload Туре Identifier). Поле PTI имеет 3 бита (табл. 2.3).
Первый бит отмечает, пользовательская ли эта ячейка или нет. В случае передачи пользовательских ячеек второй бит используется как индикатор явной перегрузки в прямом направлении (EFCI). Он служит для фиксации возник- шей перегрузки на пути от источника к получателю информации. Третий- бит индикатора типа блока данных услуги (SDU). Он может быть использован протоколом высокого уровня. Например, на уровне адаптации типа 5 (AAL5) данный бит служит для индикации последней ячейки в пользовательском сообщении. Это необходимо для правильной сборки этого сообщения.
Если ячейки не пользовательские, то во втором бите указывается на наличие в ячейке информации ОАМ, связанной с виртуальным каналом (поток F5). При наличии отметки о принадлежности ячейки к потоку F5 ОАМ в третьем бите отмечается привязка информации системы ОАМ к сегменту сети или к соединению между конечными ее точками.
Индикация приоритета потерь ячеек. Бит CLP используется для индикации приоритета потерь ячеек в оборудовании пользователя и выборочного их удаления сетевым оборудованием АТМ. Значение CLP, равное нулю, указывает на более высокий приоритет передачи ячейки. Нуль или единица в бит CLP записывает оборудование АТМ. На сети АТМ могут быть удалены только ячейки со значением CLP, равным единице. В зависимости от условий работы сети, оборудование АТМ, принимающее ячейку со значением CLP, равным нулю, может изменить его на единицу.
Если пользователь посылает ячейки со скоростью выше разрешенной, сеть может установить значение CLP = 1 (объявляет коммутаторам АТМ, что данная ячейка — кандидат на удаление при перегрузке сети). Когда передающее оборудование устанавливает CLP = 0, для принимающего ячейку оборудования это может означать, что трафик всей сети достаточно мал, чтобы обеспечить запас пропускной способности для других пользователей. Передача ячеек по данному виртуальному каналу может происходить со скоростью, близкой или даже превышающей допустимую.
Обнаружение битовых ошибок и выделение ячеек. Первоначально в соответствии с рекомендациями МСЭ-Т с помощью поля НЕС на уровне АТМ должны были выполняться функции обнаружения ошибок и исправления однобитовых. На физическом уровне должна была выполняться функция по выделению ячеек.
В настоящее время поле НЕС используется для выделения ячеек и обнаружения ошибок, а однобитовые ошибки не исправляются. Причиной к такому изменению послужило применение на сети АТМ систем синхронной (SDH) и плезиохронной (PDH) иерархий. Согласно рекомендациям МСЭ-Т на физическом уровне должны применяться системы SDH. В точках сети SDH можно легко определить границы ячейки. На сети PDH, в основе которой каналы E1 или T1, нет таких точек и поэтому на физическом уровне ячейки трудно выделить. Таким образом, использование поля НЕС зависит от возможностей физического уровня.
Отсутствие исправления ошибок также объясняется различными свойствами систем SDH и PDH. При передаче по волоконно-оптическому кабелю, применяемому на сетях SDH, могут возникать одиночные ошибки или их пакеты. На таких линиях можно с достаточно высокой вероятностью исправить одиночную ошибку. На сетях PDH с передачей по медному кабелю ситуация изменяется, так как возникает много видов битовых ошибок. В этом случае вполне вероятно, что многобитовая ошибка будет воспринята как однобитовая и произойдет ее ложное исправление. Именно поэтому форум АТМF отказался от коррекции ошибок с помощью поля НЕС. В результате при обнаружении любой битовой ошибки в заголовке ячейка удаляется.
Для обнаружения и исправления ошибок на принимающей стороне с помощью стандартного полинома CRC-8 (х8 + х2 +х+ 1) анализируется содержимое поля НЕС и всего заголовка.
На принимающей стороне при выделении ячеек могут быть следующие состояния:
— синхронизации (Sync State). Приемная сторона находится в нем состоянии пока информация в поле НЕС указывает на отсутствие битовых ошибок. Если это значение за короткий период времени превышает некоторую переменную ALPHA (по умолчанию ALPHA = 7), нарушается синхронизация ячеек и принимающая сторона переходит в состояние поиска;
— поиска (Hunt State). Принимающая сторона пытается восстановить выделение ячее
к. Непрерывно бит за битом анализируется содержимое поля НЕС до тех пор, пока в этом поле не будет обнаружена правильная запись. После этого принимающая сторона переходит в состояние предсинхронизации;
— предсинхронизации (Pre-sync State). Длится короткое время, в течение которого принимающая сторона проверяет наличие последовательности ячеек. Если за это время появится хотя бы одна битовая ошибка, принимающая сторона возвращается в состояние поиска. После приема заданного количества значащих полей НЕС (используется переменная, названная DELTA, по умолчанию DELTA = 6) принимающая сторона переходит в состояние синхронизации.
2.8. Управление трафиком и перегрузками на сети АТМ
Функции управления трафиком и перегрузками реализуются на уровне АТМ. Интерфейс UNI специфицирован в соответствии с классами качества предоставления услуги QoS. Это достаточно для всех услуг и приложений сети В-ISDN. В то время как уровень адаптации АТМ обеспечивает соответствие между возможностями коммутируемой на уровне АТМ ячейки и запросами услуг В-ISDN, уровень АТМ определяет параметры управления трафиком, вне зависимости от особенностей подуровня AAL.
Далее приведены некоторые из основных терминов и понятий, связанных с управлением трафиком сети АТМ, а также классы специфических услуг, ею поддерживаемых. Параметры качества обслуживания QoS передаются в процессе установления соединений на сети АТМ. Для этого используется сигнализация управления вызовом.
Процедуры управления трафиком были введены с целью получить максимум градаций пропускной способности для пользователей и достигнуть оптимальной совокупности услуг для разных соединений на сети АТМ. Для интерфейса UNI определены параметры трафика. Они определяют планируемые для пользователей показатели качества обслуживания QoS.
На рис.2.8 показан пример образования двух пачек ячеек. К управлению трафиком относятся следующие параметры.
Пиковая скорость передачи ячейки (Реаk Сеll Rate, PCR). Верхний предел трафика по скорости, установленной для соответствующего пользователя на сети АТМ, PCR = 1/T. Здесь Т — период между смежными ячейками, с.
Максимальный размер пачки данных (Burst Tolerance, ВТ) измеряется числом ячеек. Представляет собой максимальный размер пачки, которая посылается в течение действия пиковой скорости. С этим параметром связана максимальная длина пачки, определяемая по формуле Tb = (ВТ — 1) .Т.
Поддерживаемая скорость передачи ячейки (Sustained Cell Rate, SCR)— средняя, периодически измеряемая, скорость передачи ячейки SCR = ВТ(Т;. Здесь Тj — минимальный интервал между пачками ячеек.
Коэффициент потери ячеек (Cell Loss Ratio, CLR) представляет собой процент потери ячеек на сети из-за битовых ошибок и перегрузок.
Задержка передачи ячейки (Cell Transfer Delay, CTD) — задержка ячейки при передаче через сеть из конца в конец. Включает время распространения, нахождения в очередях и обслуживания.
Разброс задержки передачи ячейки (Cell Delay Variation, CDV) указывает на пределы изменения величины CTD. Называется также джиттером. Для приложений, чувствительных ко времени, большие значения CDV требуют больших буферов.
Минимальная скорость передачи ячейки (Minimum Cell Rate, MCR) — минимальная полоса пропускания, требуемая пользователем на сети АТМ.
Чтобы для отдельных соединений АТМ обеспечить гарантированное качество обслуживания QoS, в процессе установления соединения происходит обмен приведенными ранее параметрами трафика. Качество обслуживания QoS задается не для всех соединений. Известно, что если для всех соединений АТМ не заданы параметры качества обслуживания QoS, то значительные ресурсы сети не будут использованы. Причина — многие приложения занизят свои требования к уровню услуг и сеть не сможет распределить избыток ресурсов. При отсутствии параметров по качеству обслуживания QoS лучшие условия передачи получают приложения, обеспечивающие передачу данных.
Форум АТМ определил следующие классы услуг, базирующиеся на параметрах трафика (табл. 2.4).
Постоянная битовая скорость (Constant Bit Rate, CBR). Соединения с услугой CBR используются для эмуляции коммутации каналов. Услуга CBR имеет гарантированные пределы потери ячейки, задержки передачи из конца в конец и постоянную полосу пропускания. С этой услугой связаны параметры CLR, CTD, CDV, PCR и допустимое значение CDV (CDVT).
Переменная битовая скорость (Variable Bit Rate, VBR) — класс услуг, поддерживающий приложения VBR и обеспечивающий гарантии по потерям, задержке и полосе пропускания. Данным услугам, предоставляемым в реальном масштабе времени (VBR-RT), таким как цифровое кабельное и интерактивное телевидение, теле- и видеоконференция или видео со сжатием, соответствуют параметры CLR, CTD, PCR, CDVT, SCR, ВТ и CDV. Услугам, не связанным с реальным масштабом времени (VBR-NRT), таким как CD-ROM мультимедиа и электронная почта аудио и видео, соответствуют те же показатели за исключением CDVT.
Доступная битовая скорость (Available Bit Rate, ABR) — класс услуг, созданных для передачи данных (файлов и электронной почты). Если сеть не обеспечивает гарантии по задержке или потерям, то она минимизирует оба эти показателя. Услуге ABR соответствуют параметры CLR, PCR, CDVT и MCR. Параметр MCR, согласованный с сетью, представляет собой общую полосу пропускания, обеспечиваемую для соединения АТМ. Большинство приложений требуют, чтобы MCR = 0. Требования на ненулевое значение MCR может быть отвергнуто сетью, если нет достаточной полосы пропускания. Услуга ABR также используется при обратной связи (feedback) для снижения потери ячеек из-за перегрузки или из-за ограничения полосы пропускания. Оно вызвано периодической передачей пачек данных при предоставлении услуг CBR и VBR.
Незаданная битовая скорость (Unspecified Bit Rate, UBR) — класс услуг, в котором обеспечивается пересылка ячеек без гарантии качества обслуживания QoS. Создан для приложений, не чувствительных к потерям и к задержкам. К услуге UBR могут быть применены только параметры PCR и CDVT. Ячейки класса UBR передаются по сети при появлении какой-либо свободной полосы пропускания. Для этих услуг не предусматривается механизм обратной связи с источником данных и, следовательно, ячейки могут быть потеряны из-за перегрузки. В последнем случае исходят из того, что приложения имеют протокол высокого уровня. Он обеспечивает поддержку при перегрузках. Примерами приложений данного класса являются те, которые пересылают обычные данные (файлы и электронную почту).
Основа для обеспечения данных услуг — сеть со статистическим мультиплексированием. На ней из-за большого разнообразия типов трафика необходимо управление перегрузками. Последние также являются результатом завышенных запросов ресурсов сети. В частности, перегрузка возникает в случае, когда суммарный поступающий на звено сети трафик больше, чем пропускная способность этого звена.
Процедуры управления перегрузками должны сбалансировать запросы отдельных соединений и оптимальную работу сети по обеспечению высокой пропускной способности и малой задержки. На сети для услуг CBR и VBR, с одной стороны, заложены самые высокие запросы. Они в основном предсказуемы. С другой стороны, услуги UBR, ABR и другие, не связанные с качеством обслуживания QoS, требуют управления перегрузками, так как они характеризуются непредсказуемостью и передачей преимущественно пачками.
Первый способ избежать перегрузок на сети состоит в том, чтобы ее доступные ресурсы были бы адекватны требуемому качеству обслуживания QoS до установления новых соединений на сети АТМ. Это — управление допуском соединения (Connection Admission Control, САС). Оно возможно только при условии, когда установлены параметры QoS.
Второй способ управления перегрузками подразумевает применение алгоритма «дырявого ведра». Он также называется общим алгоритмом скорости передачи ячейки (Generic Cell Rate Algorithm, GCRA). Алгоритм преобразует поток входящих ячеек в виде пачек в более регулярный предсказуемый поток исходящих ячеек. Суть в том, что моделируется ситуация, в которой все поступающие ячейки попадают в «ведро» и выходят из «дыры» на дне с постоянной скоростью.
Пока «ведро» не переполнено, указанный трафик будет конформный, т.е. согласованный. Если ячейки поступают быстрее, чем выходят из «ведра», оно может переполниться. Ячейки переполнения — неконформные и могут быть не приняты сетью. Если они признаны сетью, то в бите CLR неконформных ячеек отмечается, что они будут удалены первыми при дальнейшем возникновении перегрузки на сети.
Метод «дырявого ведра» использует принцип, обеспечивающий предсказуемость на сети. Это делается для того, чтобы избежать перегрузки. Параметры трафика качества обслуживания QoS, рассмотренные ранее, используются для точного определения модели ожидаемого трафика для установленных соединений таким образом, чтобы на сети можно было бы распределить ресурсы и установить полосы пропускания предсказуемо и оптимально. Фактический трафик, однако, может отличаться от ожидаемого в модели. Метод его формирования направлен на то, чтобы приблизить реальный трафик к предусмотренному моделью с тем, чтобы уменьшить число ячеек в потоке удаляемых. При этом предусматривается, что нарушение в передаче ячеек для какого-либо одного приложения не может повлиять в худшую сторону на другие.
Третий способ управления перегрузками состоит в применении замкнутой петли обратной связи. В рассмотренном алгоритме GCRA предусматривается открытая петля обратной связи. Это позволяет обмениваться параметрами качества обслуживания QoS только при установлении соединения. Позже при появлении перегрузки параметры не могут динамично изменяться. В случае замкнутой петли обратной связи источники трафика извещаются динамично о перегрузках и могут соответствующим образом изменить передаваемый трафик. Такая схема принята для услуг ABR. Вначале была идея, чтобы в поле GFC заголовка ячейки передавать информацию обратной связи. Появились, однако, другие подходы. В них применение алгоритма, основывающегося на GFC, не предусматривалось.
Форум АТМ для управления перегрузками предложил следующие две схемы обратной связи. Кредитно-базовая (Credit-Based) схема, в которой коммутаторы и конечные станции АТМ информируют об общем значении доступного буферного пространства на каждом звене сети. Конечные станции при этом могут передавать данные только тогда, когда поступило извещение об адекватной полосе пропускания. Кредитно-базовый подход требует применения способа оконного управления потоком от звена к звену и раздельного буферного пространства для каждого соединения АТМ.
Тарифно-базовая (Rate-Based) схема — сеть посылает к конечной станции информацию с подробными данными о битовой скорости, с которой пользователь может вести передачу. Такой подход предназначен для передачи из конца в конец и не требует применения буфера для каждого отдельного соединения, Тарифно-базовая схема хорошо подходит для локальных сетей (LAN), поскольку они характеризуются малой задержкой.
Кредитно-базовая схема хорошо подходит для крупных сетей (WAN). Это объясняется заложенными в них простотой, пониженной стоимостью систем коммутации (часто это касается направляющих систем) и гибкостью услуг. В 1994 г. форум ATMF принял решение о тарифно-базовом способе управления перегрузкой. (На форуме ATMF рассматривался гибридный метод. В нем кредитно-базовый метод предназначался для сетей LAN, а тарифно-базовый — для WAN. Этот метод был отвергнут, так как он требовал двух разных интерфейсов АТМ.)
В настоящее время на уровне АТМ применяются две схемы тарифно-базового способа. Наиболее простая заключается в использовании бита EFCI в поле PTI заголовка ячейки. Если бит переведен в активное состояние, то для конечной станции это означает, что для соединения АТМ появилась перегрузка в том направлении, куда ячейка была послана.
В версии V.4 UNI ATMF введена более сложная схема. Она названа алгоритмом управления скоростью с повышенной пропорциональностью (Enhanced Proportional Rate Control Algorithm, EPRCA). Недостатком является то, что источник трафика извещается об уменьшении числа посылаемых ячеек, но не сообщается, насколько необходимо уменьшить это число.
Было разработано несколько алгоритмов. В них указывалось, насколько следует уменьшить или увеличить число ячеек пропорционально установленной скорости. В этих алгоритмах, однако, масштаб градаций недостаточен для передачи с большой скоростью. В алгоритме EPRCA источник после каждых 32пользовательских ячеек посылает ячейку управления ресурсами (Resource Management, RM). В ней находятся данные о текущей скорости передачи ячеек.
Значение скорости передачи ячеек, содержащееся в ячейке RM, составляет начальное значение PCR. В этом поле может быть уменьшено число каким - либо коммутатором, расположенном на соединительном пути. Соответствующий хост передает источнику новое значение, а он, в свою очередь, уменьшает на заданное число скорость передачи ячеек в сторону сети.
Функции и типы уровней адаптации АТМ. Протокол ААL по сравнению с уровнем АТМ выполняет требования по предоставлению специфических услуг. Это могут быть услуги для пользователей, а также функции управления (прежде всего сигнализации) и технической поддержки. На уровне ААL блоки данных протокола (Protocol Data Unit, PDU), несущих информацию пользователей, управления и поддержки, вставляются в информационное поле одной или множества соответствующих ячеек АТМ виртуального канала, а также в ячейки обратного направления.
Услуги, предоставляемые уровнем АТМ, подразделяются на четыре класса. Каждый из них имеет свои собственные специфические требования к протоколу AAL. Услуги этих классов классифицируются в соответствии с тремя основными параметрами.
Временная зависимость между источником и получателем информации. Некоторые услуги имеют временную зависимость между источником и получателем информации, для некоторых такой зависимости нет. Например, существует временная зависимость между источником и получателем при передаче речи с использованием ИКМ (скорость передачи б4 кбит/с). Передача информации между компьютерами не имеет временной зависимости. Иногда услуги с временной зависимостью называют предоставляемыми в реальном масштабе времени.
Битовая скорость. Для одних услуг скорость битового потока должна быть постоянной, для других — переменной.
Режим соединения. Одни услуги предоставляются с установлением соединения, другие без него.
Из восьми теоретически возможных комбинаций этих трех параметров реально используются четыре, определяющие параметры существующих услуг. Согласно этим основным параметрам союз МСЭ-Т определил четыре класса, приведенных в табл. 25.
Класс А. Предоставляется услуга для пользователей, чувствительных к задержкам. Битовая скорость постоянна (CBR). Эта услуга с установлением соединения и эмуляцией услуг с коммутацией каналов. Сеть АТМ гарантирует требуемую полосу пропускания и минимальную задержку.
В отличие от режима коммутации каналов сеть АТМ не сохраняет порядок следования ячеек в соответствии с заданными для них виртуальными каналами. Типичный пример этой услуги — передача речи со скоростью 64 кбит/с между абонентами сетей N-ISDN через сеть АТМ. Еще пример — передача видеоинформации с постоянной скоростью.
Класс В. Услуги предоставляются с установлением соединения для пользователей, чувствительных к задержкам. Разница между классами А и В в том, что источники класса В имеют переменную битовую скорость (VBR) Типичным примером этого могут быть услуги передачи аудио и видеоинформации с переменной скоростью. Например, услуга типа Video CODECs, при которой алгоритм кодирования меняется в зависимости от изменений видеосигнала. В результате, чем меньше движений объекта, тем меньше «новой» информации передается по сети.
Класс С. Предоставляются услуги с переменной скоростью передачи информации и установлением соединения для пользователей, не чувствительных к задержкам. Например, передача данных с установлением соединения и данных сигнализации.
Класс D. Отличается от класса С отсутствием установления соединения. Предоставляется услуга для пользователей, нечувствительных к задержкам. Примером может служить услуга передачи данных без установления соединения.
Общее описание протоколов AAL. Уровни AAL должны сохранить характеристики потока информации для услуг высокого уровня в соответствии со схемой коммутации ячеек на уровне АТМ. К некоторым функциям, зависящим от предоставляемых услуг, относятся: тактовая синхронизация и ее восстановление между конечными пунктами; обнаружение ошибок, их исправление и ускоренное исправление.
Следует отметить, что разные услуги верхних уровней предъявляют различные требования к уровням AAL Например, при передаче речи потребуется информация синхронизации, но без исправления ошибок. При передаче же видеоинформации могут понадобиться синхронизация и исправление ошибок. Передача данных потребует обнаружения ошибок, возможно их исправления, а в редких случаях — синхронизацию.
Уровни ААL подразделяются на два подуровня: сегментации и сборки (Segmentation And Reassembly, SAR) и конвергенции (Convergence, CS). Выполняемые на каждом из подуровней процессы зависят от класса поддерживаемых услуг. Основные функции подуровня SAR — сегментирование данных, поступающих от подуровня CS, и распределение сегментов по передаваемым ячейкам АТМ формирование сообщений для подуровня CS путем сборки сегментов, поступающих из принятых ячеек АТМ. Подуровень SAR обрабатывает полезное поле ячеек с форматом в 48 байт.
SAR выполняет следующие функции: Формирование полезного поля ячейки. Формат полезного поля зависит от типа ААL. Поскольку длина полезного поля 48 байт, то возможно заполнение этого поля пользовательскими данными не полностью. Обнаружение потерянных блоков данных. На подуровне SAR возможно обнаружение потерь ячеек или неправильный порядок их следования.
Обнаружение или исправление битовых ошибок. В некоторых приложениях подуровень SAR может обнаруживать битовые ошибки в полезном поле ячейки. В некоторых случаях на подуровне SAR можно также исправлять однобитовые ошибки.
Подуровень CS является интерфейсом между протоколами АТМ и верхних уровней. В общем подуровень CS предназначен выполнять специфические функции услуг для приложений высокого уровня. Эти приложения уровень АТМ не выполняет.
Функции подуровня CS: Восстановление синхронизации. Информация синхронизации может быть затребована некоторыми услугами и восстановлена путем мониторинга длин буфера или другими методами.
Восстановление при потере ячеек или при нарушении порядка их следования. Если подуровень SAR может обнаружить потерянные ячейки или неправильный порядок их следования, то подуровень CS обеспечивает механизм, при котором на верхнем уровне эти ошибки могут быть исправлены.
Индикация явного времени. Для некоторых приложений требуются явные временные отметки. Они необходимы для трафика, чувствительного к времени, такого, как речь и видео. Это особенно важно для услуг, использующих переменную битовую скорость, когда в пункте приема требуется точное воспроизведение информации с минимизацией эффекта временных вариаций (джиттера), создаваемых сетью.
На сети АТМ оба подуровня AAL обеспечивают внутреннее управление услугами и формирование блоков PDU, чтобы доставить их на соответствующий протокольный уровень. Структура блоков данных для протоколов разных уровней показана на рис. 2.9. Приложение верхнего уровня создает сообщение или блок PDU. Формат или длина их зависит от используемого приложением протокола Блок PDU появляется на подуровне CS в виде пользовательских данных. В зависимости от типа услуги, требуемой пользовательским приложением, подуровень CS для формирования блока CS-PDU может добавить к пользовательским данным заголовок и/или трейлер.
Блок CS-PDU почти всегда длиннее, чем полезное поле ячейки. Именно поэтому на подуровне SAR блок CS-PDU сегментируется. Каждый сегмент представляет собой блок SAR-PDU длиной 48 байт. Он включает полезное поле блока, заголовок и/или трейлер. Блок SAR-PDU передается в полезном поле ячейки АТМ.
В рекомендации 1.365 МСЭ-Т описываются протоколы подуровней SAR и CS, используемые для классов услуг в различных сочетаниях. В настоящее время союзом МСЭ-Т рекомендованы три типа протоколов: ААL1, ААL3/4, ААL5.
В рекомендации 1.362 зафиксировано, что протокол AAL1 предназначен для услуг с постоянной битовой скоростью. Остальные протоколы оставлены для дальнейшего изучения. Протокол ААL3/4 соответствует услугам передачи данных. Услуги Frame Relay будут пользоваться протоколом ААL5. Он рекомендован для сигнальной информации. АТМ Форум разработал подобные рекомендации, отличающиеся от МСЭ-Т только тем, что протокол ААL5 рекомендован также для передачи видеоинформации с кодированием типа MPEG-2.
Адаптация для услуг с постоянной битовой скоростью на уровне AAL1. На уровне AAL1 предоставляются услуги по передаче информации от источника к получателю с постоянной битовой скоростью после того, как на сети АТМ установлено виртуальное соединение. Для пользователей на уровне AAL1 выполняются следующие функции: передача и доставка блоков данных услуг (SOU) с постоянной битовой скоростью; синхронная передача информации между источником и получателем; передача информации о структуре данных; при необходимости индикация ошибок или потерь информации, которая не восстанавливается самим протоколом AAL.
Число обнаружений ошибок, таких как искажение информации пользователя, потеря синхронизации, переполнение буфера и потеря битовых разрядов, может передаваться от уровня пользователя к уровню менеджмента.
Внутри уровня AAL1 выполняются: сегментация и сборка пользовательских данных (например, цифровой речевой поток); обработка состояний, связанных с джиттером, потерей ячеек или неправильным порядком следования их и с битовыми ошибками; восстановление тактовой синхронизации; исправление по возможности битовых ошибок.
Подуровень SAR принимает 47 байт данных от подуровня CS и затем добавляет заголовок SAR-PDU длиной 1 байт в каждый блок для формирования блока SAR-PDU. Форматы блоков SAR-PDU приведены на рис. 2.10. На нем обозначены: CRC — проверка циклическим кодом; IT — тип информации; LI — индикатор длины; MID — идентификатор мультиплексирования; SN — порядковый номер; SNP — защита порядкового номера; ST — тип сегмента. Этот заголовок имеет два четырехбитовых поля. Они включают информацию о числе последовательности (SN) и о защите числа последовательности (SNP).
Поле SN используется: для обнаружения потери ячеек или неправильного порядка их следования; переноса информации синхронизации; а также для возможности переноса информации управления. Поле SN делится на два подполя-индикатора подуровня конвергенции (CSI) и суммы последовательности (Sequence Count).
Подполе CS1 имеет один бит. Он предназначен для записи специфической для подуровня CS информации. В ячейках бит CSI используется по разному. В четных ячейках он служит для того, чтобы отметить, есть ли в текущем полезном поле указатель первого байта цикла соответствующего тракта ИКМ. Этот указатель занимает следующий за заголовком байт полезного поля и, следовательно, данная ячейка включает только 46 байт пользовательских данных.
В случае нечетной ячейки бит CSI содержит информацию синхронизации. При этом на уровне ААL1 обеспечивается эмуляция услуг режима коммутации канала. Для этого приложения важно, чтобы на приемной стороне происходило бы выделение информации синхронизации из принимаемого потока. В соответствии с требованиями к AAL1 каждое передающее устройство имеет задающий генератор, не зависящий от сетевого. В схеме выделения синхросигналов, названной временной отметкой синхронизации остатка (SRTS), не посылается явной информации синхронизации, а оценивается разность частот между задающими генераторами сети и передающего устройства. Обычно эта информации имеет 16-битовое кодирование. Она становится длиннее при вставлении в заголовок блока SAR-PDU AAL1.
Уровень AAL1 имеет преимущества: сеть АТМ обеспечивает цифровую передачу с использованием надежного сетевого задающего генератора; для уменьшения избыточности старшие биты временных отметок сетевой синхронизации не передаются.
В оставшихся младших битах формируется временная отметка остатка (RTS). Записываемая в этих битах информация зависит от стабильности задающих генераторов. В соответствии с требованиями к AAL1 генератор физического уровня должен иметь стабильность не хуже, чем 200 элементов на один миллион. Четырех битов RTS достаточно для передачи тактовой информации. Значение RTS передается в четырех битах CSI восьми нечетных ячеек уровня AAL1.
Оставшиеся три бита поля SN используются в качестве счетчика числа ячеек по модулю 8 с инкрементом его состояния. Это поле необходимо для отметки нечетных и четных ячеек и обнаружения потерянных.
Поле SNP (4 бита) обеспечивает обнаружение ошибок и имеет два подполя. Первое, включающее 3 бита, образует подполе контроля CRС. С помощью 3-битового остатка CRC оно обнаруживает ошибки в поле SN. Четвертый бит служит для проверки на четность для 8-битового заголовка блока SAR-PDU. Возможно исправление одиночных и обнаружение многократных битовых ошибок. Если подуровень SAR не может исправить ошибки, то об этом информируется подуровень CS.
Адаптация для услуг с переменной битовой скоростью на уровне ААL2. Уровень AAL предназначен для класса услуг типа В и этот уровень аналогичен AAL1. Главное же его отличие состоит в том, что AAL2 предназначен для услуг VBR. На подуровнях CS и SAR также выполняются функции, аналогичные AAL1.
На уровне ААL2 информация должна передаваться с переменной битовой скоростью. Кроме этого, между источником и получателем передается информация синхронизации. Пока источник генерирует переменную битовую скорость, ячейки могут заполняться неполностью. Степень их заполнения может меняться от ячейки к ячейке. Именно поэтому на подуровне SAR требуется больше функций, чем для AAL1. Полных рекомендаций для уровня ААL2 пока нет.
Поле SN содержит число последовательности для обеспечения восстановления потерянных или неправильно маршрутизированных ячеек (см. рис. 2.10).
Поле информации (IT) отмечает начало (ВОМ), продолжение (СОМ) и конец сообщения (ЕОМ), или же то, что ячейки передают синхросигналы или другую информацию. Данные ВОМ, СОМ или ЕОМ указывают на положение ячейки в передаваемом сообщении: первая, промежуточная или последняя. Следовательно, блок информации на уровне CS может иметь переменную длину. Поле индикатора длины (LI) показывает число используемых байт в частично заполненных ячейках. С помощью поля CRC на подуровне SAR можно обнаружить и откорректировать битовые ошибки в блоках SARPDU.
На подуровне CS должны выполняться следующие функции: восстановление синхросигналов путем вставок и изъятий временной информации (например, временной отметки); обработка ошибочно доставленных ячеек или ситуаций с потерянными ячейками; прямая (опережающая) коррекция ошибок (FEC) для аудио и видео услуг.
Исходя из тенденций развитии современных информационных технологий существует мнение, что уровень ААL2 не найдет применения. Это объясняется тем, что он предназначался для передачи пакетной видеоинформации через сеть АТМ.
В последнее время появились новые тенденции в этой области. Широкое распространение получает стандарт кодирования видеоинформации MPEG. В нем предусмотрена скорость VBR с сжатием между кадрами: кодируется только изменение от одного кадра к другому. Есть другая схема видеосжатия, предусмотренная стандартом JPEG. В нем применяется внутрикадровое сжатие, когда удаляется избыточность в отдельном изображении. Могут также использоваться другие подобные схемы, например Motion JPEG.
В результате анализа схем сжатия видеоинформации для АТМ внимание было сфокусировано на передаче видеоинформации с использованием уровня AAL5
Адаптация для услуг на уровне ААL3/4. Союз МСЭ-Т рекомендует использовать протокол AAL3/4 для передачи данных, которые чувствительны к потерям кадров, но не к временным задержкам. Этот протокол может быть использован для передачи данных как с установлением соединения, так и без него. Сам по себе протокол AAL не выполняет всех функций, требуемых для услуги без установления соединения. Такие функции, как маршрутизации и сетевая адресация выполняются на сетевом уровне.
Установлены два вида услуг протокола AAL3/4, определяющих соотношение между блоками AAL-SDU и CS-PDU.
Услуга режима сообщения: единственный блок AAL-SDU передается одним или множеством блоков CS-PDU. Это означает, что в одной ячейке содержится информация только одного приложения высокого уровня.
Услуга режима потока: один или более блоков AAL-SDU могут передаваться в одном блоке CS-PDU. Когда блок AAL-SDU меньше чем один байт, одна ячейка может переносить информацию от множества приложений. Напомним, что наименьший коммутируемый блок на сети АТМ — ячейка. Следовательно, в режиме потока коммутатор АТМ не коммутирует индивидуальные блоки данных высоких уровней. Это могут выполнять устройства, относящиеся к оборудованию пользователей.
Оба вида услуг обеспечивают следующие равно ориентированные процедуры. Гарантированные операции — надежная услуга передачи. В ней гарантирована доставка блоков AAL-SDU без ошибок и в правильном порядке, а также возможен контроль за потоком со стороны сети. На сети при удалении или потере блоков CS-РDU выполняется их повторная передача. Следовательно, поддерживается контроль потока между конечными точками. Применение таких процедур может быть ограничено соединениями от точки к точке на уровне ААL.
Негарантированные операции — ненадежная услуга. Индивидуальные блоки ААL-SDU могут быть потеряны или удалены. Потерянный или удаленный блок не будет исправлен на уровне ААL3/4 путем повторной передачи, хотя можно разрешить намеченный к удалению блок AAL-SDU доставить пользователю. Возможен контроль потока при соединениях на сети АТМ от точки к точке и невозможен при соединениях от точки к множеству точек. Контроль за потоком обеспечивается по выбору.
Блок SAR-PDU имеет 2 байта заголовка, 44 байта полезного поля и 2 байта трейлера (см. рис. 2.10).Уровень SAR обеспечивает следующие функции.
Сегментирование и сборка сообщений высокого уровня (блоков CS-PDU разной длины). Блок SAR-PDU содержит для этой цели два поля. Поле типа сегмента (ST) — 2 бита. Оно указывает на то, какая часть блока CS-PDU переносится блоком SAR-PDU: начальная, средняя или конечная, а также то, что блок CS-PDU включает только один сегмент. Кодировка типа сегмента следующая: «10» — для ВОМ, «00» — для СОМ, «01» — для ЕОМ и «11» — для сообщения с одним сегментом. Поле индикатора длины (LI) — 6 бит. Поскольку последний или единственный сегмент блока SAR-PDU может иметь полезное поле меньше максимальной длины, то необходима индикация числа значащих байтов.
Обнаружение ошибок. Для обнаружения битовых ошибок в блоке SAR-PDU задано 10-битовое поле CRC. Кодировка поля CRC основывается на полиноме: G(x) = 1+х+х4 +х5 +х9+х10 .
Контроль за последовательностью принимаемых ячеек. С помощью поля SN (4 бита) могут быть обнаружены потерянные или неправильно вставленные ячейки.
Мультиплексирование множества блоков CS-PDU, передаваемых на уровне АТМ по общему виртуальному каналу или пути. Мультиплексирование поддерживается 10-битовым идентификатором мультиплексирования (MID), содержащимся в блоке SAR-PDU. С помощью индикатора MID можно осуществить мультиплексирование при передаче данных между пользователями с числом соединений на уровне AAL до 2. На уровне АТМ предварительно должно быть установлено виртуальное соединение.
Если для пользователей требуется режим без установления соединения, то на уровне АТМ устанавливается полупостоянное виртуальное соединение, а с помощью индикатора MID передается до 210 блоков CS-PDU. При этом каждый из них соответствует только одному пользователю. С помощью данного способа можно передавать АТМ ячейки в режиме без установления соединения от одного или множества терминалов к серверу или между двумя локальными сетями через интерфейс UNI, или передавать ячейки между сетями в режиме без установления соединения через интерфейс NNI.
Рассмотрим пример передачи данных в режиме без установления соединения с использованием индикатора MID. Схема связи сети LAN с сервером через сеть АТМ приведена на рис. 2.11.
Множество терминалов объединены сетью LAN, которая через один шлюз на сети АТМ связана с сервером. Информация передается от всех терминалов через одно виртуальное соединение на сети АТМ к серверу. Сервер работает с сетью LAN в режиме без установления соединения и, основываясь на идентификаторе MID, раздельно принимает трафик от каждого из терминалов. Затем направляет его к требуемому получателю на сети АТМ. Заметим, что маршрутизация соединений осуществляется только на уровне АТМ. Сервер, работающий в режиме без установления соединения, организует взаимосвязь между полем идентификатора MID и сетевой информацией маршрутизации, содержащейся в первом сегменте (ВОМ) уровня ААL блока CS-PDU.
Поскольку все блоки CS-PDU относятся к одному соединению сети АТМ, то она обеспечивает для этих блоков одинаковое качество обслуживания (QoS).
Адаптация для сигнализации и услуг передачи данных на уровне AAL5. Протокол ААL3/4, рекомендованный союзом МСЭ-Т, не соответствует реальным требованиям, предъявляемым производителями терминального оборудования передачи данных без установления соединения и пользователей высокоскоростной передачи данных в режиме установления соединения. Недостаток состоит этом, что формат протокола ААL3/4 не приспособлен для пересылки очень длинных блоков данных. Именно поэтому форум АТМ разработал ААL5. Рекомендации МСЭ-Т адаптировали его для услуг класса С и для сигнализации.
Уровень AAL5 обеспечивает более высокую эффективность, чем другие. Это достигается большим заполнением блоков SAR-PDU пользовательскими данными. Также обеспечивается лучшее обнаружение ошибок, хотя в каждой ячейке нет поля СRС.
На уровнях ААL2 и ААL3/4 могут появиться ситуации, когда невозможна коррекция мультипликативных битовых ошибок. Чтобы этого избежать, было предложено в сообщение верхних уровней вставлять 32-битовое поле CRC В данном случае собранное на приеме сообщение практически свободно от ошибок. Поскольку не все приложения верхних уровней включают в свои сообщения поле CRC-32, на уровне AAL5 такое поле введено в блок CS-PDU.
Функции, выполняемые подуровнем CS AAL5, такие же, как и подуровня CS ААL3/4, за исключением того, что CPCS ААL5 не указывает принимающей стороне размер буфера записи. Кроме этого, подуровень CS сам обеспечивает защиту от ошибок на уровне AAL5 в отличие от того, что на уровне ААL3/4 эта функция разделена между SAR и CS.
Формат блока CS-PDU для уровня ААL5 приведен в табл. 2.6.
Поле заполнения (РАD) используется для выравнивания блока CS-PDU таким образом, чтобы он включал число байт, кратное 48. Длина поля может меняться от 0 до 47 неиспользуемых байт. Поле не несет какой-либо информации.
Поле пользователь-пользователь (UU) содержит один байт информации. Передается насквозь между пользователями через подуровень CS AAL5.
Поле индикатора общей части (СР1) используется для определения функции подуровня CS путем анализа полей в его заголовке и трейлере. В настоящею время индикатор может принимать толька значение «0». Это означает, что блок CS-PDU содержит пользовательские данные. Другие варианты изучаются.
Поле длины (LENGTH) отмечал длину пользовательских данных (блок CS-SDU) внутри блока CS-PDU. Если блок CS-PDU был прерван до окончат его передачи, это поле будет содержать все нули.
Поле CRC-32. В него записывается число в соответствии с расчетами по CRC, произведенными для всего содержимого блока CS-PDU, включая полезное пол блока CS-PDU, поля PAD, UU, CPI и LENGTH. Для CRC-32 используется следующий полином: G(х) = х32 + х26 + х23 + х22 + х16 + х12 + х11 + х10 + х8+ х7+ х5+ х4+ х2+ х+1.
На подуровне SAR формируются блоки длиной по 48 байт. Они включают только полезное поле SAR-PDU (см. рис. 2.10).
Предоставление услуг без установления соединения. Предоставление на сети АТМ услуг без установления соединения (класс D) было введено не только для полного набора услуг, но и потому, что к этому времени уже существовали таким услуги. Наиболее важными их представителями являются технологии SMDS и IP.
Существует несколько предпосылок, чтобы сеть с установлением соединения могла бы эффективно предоставлять услуги без установления соединения. Основная проблема состоит в согласовании различия между услугой и системой, ее реализующей. Пользователю услуги нужно, чтобы данные были бы переданы в пункт назначения без процесса установления соединения, в то время как обслуживающая система требует процедуры установления соединения.
Самый простой способ состоит в том, что на сети прозрачно (насквозь) устанавливается виртуальное соединение между двумя сторонами, работающими в режиме без установления соединения.
В этом случае появляется неопределенность в длительности виртуального со- единения. Если оно будет слишком длинным, то может ухудшиться использование сетевых ресурсов. При преждевременных разъединениях на сети придется чаще образовывать и разрушать виртуальные соединения. Поскольку приложения, работающие без установления соединения, отличаются друг от друга, трудно определить правило для длительности виртуального соединения.
Иным способом является применение шлюзов АТМ или других устройств, использующих услуги без установления соединения и поддерживающие виртуальные соединения, которые уже установлены с каждым требуемым пунктом. Такой способ, однако, требует большого адресного пространства.
Рассмотрим наиболее подходящий для сети АТМ способ предоставления услуг без установления соединения. Пользователь, желающий передать данные с услугой класса D, может это сделать с помощью идентификаторов VPI/VCI. Последние направляют ячейки к серверу, работающему без установления соединения. Когда в принятых сервером дейтаграммах содержится полный адрес хоста пункта назначения, сервер определяет требуемый хост (из первой ячейки, входящей в дейтаграмму) и выбирает необходимые для соединения с этим хостом идентификаторы VPI/VCI.
Что касается сигнализации, то процедуры DSS2 позволяют устанавливать соединения от отдельных пользователей к серверу, работающему без установления соединения, но не могут резервировать адресное пространство с идентификаторами VPI/VСI для услуг без установления соединения. Следует отметить, что некоторые сети могут поддерживать множество серверов с режимом без установления соединения.
Напомним, что заголовок ячейки не содержит адреса хоста и поэтому все ячейки, относящиеся к некоторой дейтаграмме, передаются по сети АТМ по заданному маршруту.
2.10. Сигнализация на интерфейсе UNI сети АТМ
Сигнализация в технологии АТМ служит, во-первых, для установления, поддержки и нарушения соединений на сети В-ISDN с применением виртуальных каналов VС и виртуальных путей VP. Во-вторых, она обеспечивает обмен параметрами управления трафиком и качеством предоставления услуг (QoS).
Требования к сигнализации на интерфейсе UNI определены в рекомендациях МСЭ-Т серии Q.2900. Такая сигнализация получила название DSS2. Она является развитием сигнализации DSS1, принятой для абонентского доступа на узкополосной сети ISDN (N-ISDN).
В согласии с моделью протоколов АТМ плоскость С отвечает за сигнализацию на сети АТМ. В этой плоскости по стандартам модели ВОС функции физического уровня выполняют уровни физический и АТМ, функции канального уровня передачи данных — сигнальный уровень адаптации АТМ (SAAL), а на сетевом уровне применяется сигнализация DSS2, соответствующая рекомендации Q.2931. Далее рассматриваются протоколы SAAL и DSS2.
Уровень SAAL представляет собой набор протоколов уровня AAL типа 5 (AAL5). Нарис.2.12 показана структура протоколов SAAL. Описание SAAL приведено в рекомендации Q.2100 МСЭ-Т. В нижней части размещается протокол AAL5. Он описывает общую подсистему (CP-AAL) и является интерфейсом с уровнем АТМ. С помощью протокола CP-ААL обеспечивается ненадежная пересылка информации и фрагментов сообщений уровня SAAL внутри ячеек уровня AAL5 (SAR-PDU).
Два следующих протокола относятся к служебно-ориентированному поду-
ровню конвергенции (SSCS).
Служебно-ориентированный протокол для режима установления соединения (SSC0P) обеспечивает равноправную передачу информации между конечными точками. Он позволяет передавать информацию в режиме надежной или ненадежной доставки. В режиме надежной доставки гарантируется доставка данных с заданной последовательностью. Это достигается нумерацией элементов сообщений и подтверждением их приема. В режиме ненадежной доставки используется обычный дейтаграммный протокол без подтверждения приема пакетов.
Протокол под названием «Служебно-ориентированная функция координации» (SSCF) выполняет необходимые преобразования данных верхнего уровни (на рис. 2.12 показана точка доступа к услугам (SAP), роль которой может выполнять уровень сигнализации DSS2) с целью их передачи через подуровень SSCOP и установления соединения на этом подуровне в режиме надежной доставки.
Сетевой уровень DSS2 предназначен для управления соединениями на сети В-ISDN с помощью передачи соответствующих сообщений. Основой для данного уровня служат рекомендации МСЭ-Т Q.2931.
На фазе 1 этой рекомендации выполняются следующие функции:
— установление соединений по требованиям по виртуальным каналам, а также от точки к точке с использованием общего виртуального сигнального канала (VPI-5);
— передача симметричного и асимметричного пользовательского трафика;
— установление только одного соединения от одного пользователя;
— поддержка услуг передачи по сети АТМ для классов А, С и Х(в классе Х параметры задаются пользователем), индикация некоторых параметров качества предоставления услуг (QoS), выбор для соединений индикаторов VPI/VCI;
—выполнение процедур восстановления ошибок и синхронизации на уровне SAAL или при появлении ошибок на физическом уровне, поддержка различных форматов адресов для интерфейса UNI сети общего пользования;
— идентификация протоколов при передаче из конца в конец, включая разные типы AAL, несколько видов протоколов в одном виртуальном канале, распознавание протоколов внутри блоков PDU, а также протоколы уровней выше сетевого;
—сигнализация между сетями В-ISDN и ISDN (N-ISDN); совместимость с будущими сигнальными протоколами.
Форум АТМЕ определил для интерфейса UNI (версия 3) аналогичные функции. Кроме этого, для данного интерфейса предусмотрены следующие дополнительные возможности:
— соединение от точки к множеству точек;
— широкий набор параметров качества QoS;
—дополнительный план нумерации для интерфейсов UNI сетей ведомственных и общего пользования;
—механизм регистрации клиента, предусматривающий закрепление адреса порта сети АТМ не только со стороны коммутатора, но также, когда необходимо, на стороне терминала, включенного в этот порт.
В документах форума ATMF не предусмотрено взаимодействие между сетями В-ISDN и ISDN.
Возможности сигнализации на фазе 2 также определены рекомендациями МСЭ-T и описанием интерфейса UNI (версия 4) форума ATMF.
Существуют следующие дополнительные возможности:
— обслуживание вызовов с множеством соединений (при поступлении одного вызова устанавливается несколько соединений) для использования в мультимедиа услугах;
— изменение параметров трафика в процессе установления соединения;
—применение мета-сигнализации и сигнальных каналов SVC для услуги
групповой пересылки;
—обслуживание вызовов с передачей информации от множества точек к одной точке.
2.11. Сообщения сигнализации DSS2 и их форматы
Сообщения сигнализации DSS2 определены рекомендациями МСЭ-Т Q.2931 и материалами интерфейса UNI форума АТМF. В сигнализации DSS2 используется набор сообщений, как и в рекомендации Q.931 плюс дополнительные сообщения. Сообщения DSS2 имеют в основном такой же формат, как и в рекомендации Q 931. На рис. 2.13 показан формат сообщения DSS2. Поля этого формата имени то же назначение, что и в рекомендации Q 931.
Протокольный дискриминатор определяет тип протокола, используемого для передачи сигнального сообщения. При использовании протокола DSS2 значение дискриминатора равно 0916.
Метка о вызове представляет собой число (CRV), используемое пользователем и сетью. Оно присваивается активному вызову, обслуживаемому на интерфейсе UNI. Число CRV задается в начале вызова и сохраняется до конца его обслуживания. Это число имеет значение только в пределах рассматриваемого интерфейса UNI. Элемент CRV занимает четыре байта, из которых три приходятся на число CRV. В первом байте всегда записано число 0316.
Тип сообщения указывает на тип передаваемого сигнального сообщения DSS2. По рекомендации Q.2931 используется набор сообщений, аналогичный рекомендации Q.931, а на интерфейсе UNI ATMF добавлены новые сообщения. В табл. 2.7 приведен список основных сообщений сигнализации DSS2 с коротким указанием их назначения.
Информационный элемент «Тип сообщения» имеет длину два байта Первый байт служит для идентификации типа сообщения, второй— обеспечивает совместимость при пересылке, а также несет дополнительную информацию.
В общем случае бит флага отмечает состояния, когда приемник обнаруживает ошибки, например, неопознанное сообщение. Если в бите флага записан нуль, это означает, что приемник работает в обычном режиме контроля над ошибками. Если в бите флага записана единица, то приемник обратится за инструкциями л подполю индикатора действий. В соответствии с инструкциями приемник можно получить указание на прекращение обслуживания вызова или на игнорирование искаженного сообщения. Обычно в биты флага и индикатора действий записываются нули.
Длина сообщения. В отличие от DSS1, сообщения DSS2 включают информационный элемент длины сообщения. Он определяет число байтов в сообщении. Полю имеет длину 16 бит.
Информационные элементы. Все информационные элементы сигнализации DSS2 имеют одинаковый формат (табл. 2.8). В состав любого информационного элемента входят: идентификатор информационного элемента, первый байт которого определяет информационный элемент. Примеры информационных элементов и их значения приведены в табл. 2.9. Второй байт служит для идентификации стандарта кодирования (код МСЭ-Т или специализированный сетевой код), а также для выработки действий при приеме неопознанного информационного элемента.
Как и в байте «Тип сообщения», бит флага информационного элемента отмечает обнаружение ошибки. Если в бите флага записан нуль, это означает, что приемник работает в обычном режиме контроля за ошибками. Если в бите флага записана единица, то приемник обратится за инструкциями к подполю индикатора действий. Возможной реакцией на неопознанный информационный элемент может быть прекращение обслуживания вызова, игнорирование искаженного сообщения или удаление сообщения.
Длина информационного элемента указывает на число байт в поле «Содержание информационного элемента». Длина поля 16 бит.
Содержание информационного элемента представляет собой байты, несущие информацию в соответствующем элементе.
Примеры содержания информационных элементов. Рассмотрим содержание информационного элемента «Характеристики широкополосной передачи» (табл. 2.10). Информационный элемент включает следующее: класс опорной услуги. Он служит для выбора класса услуг. Можно задать класс А, С или Х (определяется пользователем); тип трафика. Отмечается либо отсутствие типа трафика, либо трафик типа CBR или VBR (требуется только для класса X); чувствительность к частичному пропаданию данных, когда отмечается чувствительно ли приложение к искажениям, которые могут возникнуть из-за потерь информации в системах с переменной полосой пропускания; конфигурация соединения для U-плоскости задается при передаче пользовательской информации от точки к точке или от точки к множеству точек.
Некоторые информационные элементы представляют интерес для приложений. Например, информационный элемент «Параметры уровня адаптации АТМ» необходим при передаче из конца в конец и содержит значения требуемых параметров AAL.
Уровень ААL может иметь типы 1, 3/4, 5. Тип может также задаваться пользователем. В зависимости от типа AAL информационный элемент содержит ряд параметров.
Для подтипа AALl (например, передача речи, высококачественное звуковое вещание или видеоинформация) приняты следующие параметры:
— показатель CBR (скорости 64 кбит/с; Nx64 кбит/с; 2,048; 34,368 или 139,264 Мбит/с);
— метод выделения сигналов тактовой частоты (из общего цифрового потока или с использованием временной метки в способе разностной синхронизации);
— метод исправления ошибок (без исправления ошибок или прямой их коррекции — FEC), максимальная длина блока данных верхнего уровня (от 1 до 65535 байт) и число пользовательских байт в каждом блоке SAR PDU (от 1 до 47).
В ААL3/4 имеются: максимальная длина блока CS-PDU в прямом (от вызывавшего к вызванному пользователю) и в обратном (от вызванного к вызывавшему пользователю) направлениях (от 0 до 65 535 байт); значение идентификатора мультиплексирования (от 0 до 1023); тип подуровня SSCS (не задается); гарантированная или негарантированная передача данных на подуровне SSCS (на основе протокола SSCOP или фрейм реле).
AAL5 имеет максимальную длину блока CS-PDU в прямом и обратном направлениях; тип подуровня SSCS.
Следующий информационный элемент «Дескриптор трафика АТМ» связан с показателями качества предоставления услуг QoS. Этот элемент определяет параметры трафика, включая пиковую скорость передачи ячейки в прямом и обратном направлениях, поддерживаемую скорость ячейки и максимальную длину пачки.
Информационный элемент «Качество услуги» указывает на класс QoS. В рекомендации Q.2931 МСЭ-Т этот элемент используется только для уточнения качества услуги.
На интерфейсе UNI АТМF возможны следующие классы качества предоставления услуг QoS, определенные МСЭ-Т:
— класс А обеспечивает эффективность, подобную существующим цифровым линиям;
— класс В для таких услуг, как пакетное видео и мультимедиа;
—класс С для услуг передачи данных, ориентированных на установление соединений, таких, как Frame Relay или Х.25;
—класс В для услуг передачи данных, ориентированных на установление соединений, таких как IP или SMDS.
Рассмотренные информационные элементы, служащие для описания характеристик соответствующей услуги, входят в сообщения типа SETUP.
2.12. Безопасность в сетях АТМ
Как показывает практика, операторов связи, предоставляющих услуги АТМ, на конец 1996 г. большинство приложений использовало постоянные виртуальные соединения (Permanent Virtual Connections, PVC). Они являются вполне безопасными, так как могут устанавливаться и разрываться только из центра управления, а соответствующее оборудование в этих центрах защищено от несанкционированного доступа. В то же время с начала 1997 г. появилось довольно много приложений для коммутируемых виртуальных соединений (Switches Virtual Connections, SVC). Обеспечение безопасности при этих соединениях несколько сложнее, поскольку требует проверки аутентичности вызывающего и вызываемого абонентов, а также надзора за неизменностью трафика в сети АТМ в процессе соединения и за отсутствием несанкционированного съема информации. В связи с этим в настоящее время как АТМ Форумом, так и компаниями-разработчиками оборудования АТМ проводится работа в следующих наиболее важных направлениях:
— обеспечение безопасности самой сети (усиление режима доступа к коммутаторам АТМ, авторизация программного обеспечения, загружаемого в них, использование фильтров для управления физическими портами и коммутаторами в целом и межсетевых экранов для ограничения доступа по IP- или АТМ-адресам);
— разработка концепции безопасности для коммутируемых соединений (уже разработаны рекомендации по обеспечению безопасности, включающие требования к авторизации пользователей, целостности данных и их шифрованию);
— обеспечение безопасности пользовательских приложений (в качестве расширения в интерфейсы XTI для UNIX и Winsock 2 для программного обеспечения фирмы Microsoft будет включен обобщенный API-интерфейс безопасности услуг, и приложения будут использовать его для доступа к функциям безопасности).
В [52, 82] приведены основные типы атак на АТМ-сеть:
— атака типа «анализ сетевого трафика», которая заключается в несанкционированном ознакомлении с содержимым передаваемых ячеек. Уровень оптического сигнала за пределами сердечника существенно убывает по мере увеличения расстояния от оси волокна. Однако на внешней оболочки волокна уровень этого сигнала отличен от нуля, что создает потенциальный канал утечки информации. Для увеличения уровня перехватываемого сигнала злоумышленник может прибегнуть к механико-химическому воздействию, например, к изгибу волокна и частичному стравливанию оболочки. Небольшую утечку света в оптоволоконном кабеле практически невозможно зафиксировать в конечных точках канала связи. Злоумышленник может внедрить прибор (сплиттер) в канал и подключить его к анализатору сетевого трафика, а также подключиться непосредственно к портам коммутатора АТМ, перехватывать и просматривать все данные. Основное средство защиты от атаки типа «анализ сетевого трафика» — шифрование данных;
— атака типа «фальсификация адреса источника информации», в которой злоумышленник выполняет действия в АТМ-сети от имени других узлов сети. Для этого злоумышленник может зарегистрировать ложные адреса в АТМ - коммутаторе, используя протокол интегрированного интерфейса локального управления (Integrated Local Management Interface, ILMI). Протокол ILMI выполняет динамическую регистрацию адресов конечных узлов на сторону АТМ-коммутатора. Практическая реализация атаки возможна при помощи специальных интерфейсов прикладного программирования для низкоуровневой работы с адаптером. Основное средство защиты от атаки типа «фальсификация адреса источника информации» — идентификация и аутентификация субъектов соединения;
— атака через уязвимость PNNI протокола, в которой злоумышленник, используя HELLO-сообщения протокола PNNI, добивается, чтобы его коммутатор был выбран ведущим в одноранговой группе коммутаторов, после чегo он может контролировать все процессы маршрутизации в группе. Для предотвращения атак, связанных с недостаточной защищенностью протокола PNNI, необходимо расширить функции протокола маршрутизации за счет аутентификации отправителей;
— внешние атаки на АТМ-сеть, которые возможны из вышел
ежащих уровней внешней сети, например IP-сети. В этом случае используется уязвимость протоколов вышележащих уровней, таких как HTTP, FTP, TELNET и др.
В рекомендациях АТМ Форума по информационной безопасности выделено три основных механизма [51, 81]:
— шифрование информации с целью сохранения ее конфиденциальности. Рекомендуется шифрование на уровне АТМ, причем шифруются 48-байтовые нагрузки ячеек с использованием симметричных алгоритмов. Рекомендованы алгоритмы шифрования: DES, DES40, Triple DES, FEAL. Ключи для этих алгоритмов могут быть заранее определены или могут определяться с помощью методов обмена ключами;
— аутентификация сообщений и пользователей. Аутентификация сможет быть как двух- так и однонаправленной, может использовать асимметричные (например, RSA) и симметричные (например, МАС) алгоритмы. Механизмы аутентификации рекомендуется размещать на уровне AAL;
— контроль целостности и неизменности данных при передаче базируется на применении криптографических контрольных сумм (подписей), добавляемых к модулям данных SDU ААL3/4 и AAL5.
В рекомендациях АТМ Форума по информационной безопасности определены только общие подходы к механизмам защиты в сети АТМ. Встраивание шифровальных средств в имеющееся АТМ-оборудование, разработанное без требований к защите информации, по трудоемкости равносильно созданию нового АТМ-оборудования. Поэтому фактически безопасность в АТМ-сети основывается на разделении потоков виртуальных соединений и на средствах безопасности внешних сетей, использующих АТМ-сеть в качестве магистрали.
Безопасность соединений может быть организована с помощью специальных средств, обеспечивающих туннелирование защищаемых соединений в соединения через сеть оператора в каждом месте подключения к сети оператора.
2.13. Уровень обслуживания Service Level Agreements
(SLA)
Соглашение об уровне обслуживания (Service Level Agreements, SLА) представляет собой контракт на предоставление услуги, заключаемый между поставщиком и клиентом относительно параметров услуг, которые поставщик обязуется выполнять, а клиент считает приемлемыми для своих приложений [48]. В контракте юридически закрепляются:
— требования к показателям качества обслуживания (QoS);
— методика оценки показателей QoS на основе измерений;
— порядок сопоставления результатов с требуемыми значениями этих показателей;
— порядок оповещения клиента о результатах проверки выполнения SLА;
— формы и размеры штрафных санкций по отношению к поставщику при нарушении им SLA.
Провайдер (поставщик услуги) SLA должен располагать техническими средствами измерения и оповещения, которые позволят ему доказать клиентам выполнение SLA. Провайдером услуги SLA может быть как оператор связи, так и третье лицо.
В общем случае при заключении соглашения на сетевую службу АТМ оговариваются следующие параметры:
— процент скидки при невыполнении SLA;
— параметры надежности: гарантированное время восстановления соединения при простое, коэффициент готовности (доступности) соединения;
— параметры качества обслуживания: доля потерянных ячеек CLR, задержка ячейки CTD, вариация задержки CDV;
— параметры трафика: длительность пачки MBS, допустимая вариация задержки CDVT, пиковая скорость PCR, средняя скорость SCR, минимальная скорость MCR.
Основу для введения SLA составляют протоколы и механизмы обеспечения качества обслуживания. Механизмами обеспечения качества обслуживания в АТМ-сети являются механизмы резервирования полосы пропускания и управления трафиком. В коммутаторах АТМ реализованы также механизмы поддержки качества обслуживания, как:
— контроль доступа с последующим резервированием полосы пропускания в соответствии с PCR и SCR для трафика CBR и VBR;
— контроль за использованием полосы пропускания на основе алгоритма Leaky Bucket для трафика CBR и VBR;
— контроль за перегрузками на основе механизмов отбрасывания ячеек и пакетов PPD, EPD, RED для трафика UBR, механизмов обратной связи для трафика ABR.
Технические средства поддержки SLА должны обеспечивать сбор и обработку данных для формирования отчета об условиях выполнения SLА. Информация, необходимая для SLA, может быть получена от:
— сетевых устройств (коммутаторов), которые поставляются с агентами SNMP. Агенты предоставляют большую часть информации, необходимой для оценки параметров услуг, в том числе и доступности каналов, их загрузке и информационной скорости;
— специальных зондов, устанавливаемых в важных точках сети. Информация, которую можно получить от сетевых устройств, ограничена, она не выходит за рамки первых четырех групп объектов базы управляющей информации RMON. Этого достаточно для определения параметров услуг, но недостаточно для исследования тенденций использования сетевых ресурсов. Поэтому для сбора более подробной информации, чем доступная через агенты SNMP, следует устанавливать зонды.
К провайдерам, которые уже зарекомендовали себя предоставлением услуг ATM на мировом уровне, относятся такие компаний как Cable & Wireless PLC (Лондон, Великобритания), Concert Communications Со. (Рестон, Вирджиния, США), Equant N.V. (Амстердам, Нидерланды), Global One (Брюссель, Бельгия) и MCI Worldcom International (Лондон, Великобритания). Эти компании предоставляют услугу Я.А на сетевую службу АТМ.