Передавання й комутація комірок. Технологія АТМ

Технологія АТМ (Asynchronous Transfer Mode) є провідною у порівнянні з розглянутими вище пакетними технологіями. Дану технологію ще називають «асинхронним режимом перенесення», що закріплено рекомендаціями ITUT.

На сьогодні АТМ є єдиною технологією, яка дає змогу повноцінно передавати інтегральний трафік (голос, відео, дані), одночасно задовольняючи абсолютно несумісні вимоги до умов передавання.

Сутність технології АТМ полягає в транспортуванні всіх видів інформації пакетами фіксованої довжини в 53 байта, з яких 48 байтів визначають розмір інформаційного поля, а 5 байтів відводиться для заголовка. Такий пакет отримав назву «комірка» (cell). Комірки передаються без додаткового оформлення в кадр (фрейм), а для їх обробляння використовують більш прості протоколи, на відміну від передавання пакетами за протоколом Х.25. Крім того, фіксована довжина й регулярність створюваного ними потоку не вимагають використання прапора між ними для відокремлення однієї комірки від іншої. Комірки фіксованої довжини передаються каналом безперервно.

У тому випадку, коли інформаційні комірки відсутні, каналом передаються "порожні" комірки стандартної величини, тобто комірки, які не містять даних у полі інформації, що зазначено в заголовку. Порожні комірки необхідно передавати для того, щоб не порушити покоміркову дискретизацію в каналі. Покоміркова дискретизація нагадує часову дискретизацію в синхронному режимі передавання.

Однак, якщо у синхронному режимі тривалість тайм-слоту (часового каналу) залежала від швидкості передавання бітів каналом, то в асинхронному режимі тривалість часу, витрачена для передавання комірки, залежить тільки від кількості бітів, необхідних для її передавання, але не від швидкості. Таким чином, за допомогою комірок здійснюється своєрідна «часова дискретизація в каналі», у зв'язку з чим асинхронний режим передавання ще називають асинхронним часовим мультиплексуванням.

Відмінність асинхронного часового мультиплексування (АЧМ) від синхронного часового мультиплексування (СЧМ) полягає в тому, що комірки, які належать різним інформаційним повідомленням, можуть слідувати довільно, а тайм-слоти СЧМ для передавання різних повідомлень розташовуються на осі часу (в структурі кадру) в чітко фіксованому порядку відносно початку циклу дискретизації (початок кадру) (рис. 7.9).

Передавання комірок мережею здійснюється завдяки віртуальному з’єднанню, у зв'язку з чим фазі передавання передує фаза налаштування віртуального з'єднання, під час якої перевіряється достатність обсягу мережевих ресурсів як для якісного обслуговування вже наявних віртуальних з'єднань, так і для новостворюваного. Якщо мережевих ресурсів недостатньо, налаштування з'єднання не відбудеться.

Таким чином, у мережі АТМ реалізується функція контролю й захисту від перевантажень.

Щоб зменшити часові затримання комірок у вузлах комутації, функції заголовка пакету АТМ обмежують.

Основною функцією заголовка стає ідентифікація віртуального з'єднання та забезпечення гарантії правильної маршрутизації. Заголовок також дає змогу мультиплексувати різні віртуальні з'єднання в одному цифровому тракті.

Оскільки помилка в заголовку може призвести до неправильної маршрутизації, передбачено виявлення й виправлення помилок у заголовку пакету АТМ.

Через обмеження функцій, які виконує заголовок пакета АТМ, його обробка є відносно простою процедурою й може здійснюватися на дуже високих швидкостях, що забезпечує незначне затримування комірок у чергах буферних пристроїв комутаторів АТМ. Продуктивність комутаторів АТМ досягає 10 Гбіт/с.

Комутатори АТМ є основними пристроями мережі АТМ, основними функціями яких є не тільки налаштування віртуального з'єднання між кінцевими пристроями користувачів, а й забезпечення так званого режиму якісного обслуговування (Quality of Service, QoS) для цього з'єднання.

Параметри режиму QoS задають користувачі в заявці на під’єднання в фазі формування віртуального з'єднання.

Забезпечення режиму QoS принципово відрізняє технологію АТМ від усіх наявних мережевих технологій.

Особливого значення вона набуває в процесі інтегрування даних відео й мовлення, надзвичайно чутливих до затримування під час передавання.

Єдиним протоколом, який забезпечує QoS у комутаторах АТМ, є протокол PNNI Phase 1.0 (Private Network – to – Network Interface). Протокол досить складний, для його роботи потрібно вдесятеро більше процесорного часу, ніж, наприклад, для відомого протоколу визначення найкоротшого шляху (OSPF), який використовується в маршрутизаторах.

Технологія Ethernet

Технологія Ethernet була першою мережевою технологією, в якій запропоновано для доступу до мережі використовувати спільне розподільче середовище (без частотного поділу). Дана технологія пройшла декілька етапів еволюційного розвитку й з простої “шинної” технології локальних мереж перетворилася на технологію не тільки локальних, але й територіальних сегментів.

Завдяки тому, що кожні 5 –7 років швидкість протоколів Ethernet збільшувалася в 10 разів, утворився ієрархічний ряд швидкостей Ethernet: 10 Мбіт/с (Ethernet), 100 Мбіт/с (Fast Ethernet, FE), 1 Гбіт/с (Gigabit Ethernet, GE), 10 Гбіт/с (10 Gigabit Ethernet, 10GE), і це ще не межа.

На сьогодні технологія Ethernet міцно увійшла до переліку базових технологій канального рівня для цифрових мереж. Відмінною особливістю канального рівня Ethernet є його розкладання на дві підрівня:

• підрівень керування доступом до середовища (Media Access Control, MAC);

• підрівень керування логічним каналом (Logical Link Control, LLC).

Підрівень МАС з’ясовує алгоритм доступу до середовища, фізичні адреси портів входу кінцевих пристроїв мережі й підтримує функції спільного використання фізичного середовища. Підрівень LLC підтримує різні режими обслуговування, а саме: обслуговування без налаштування з'єднання та без підтвердження отримання; обслуговування, орієнтоване на з'єднання; обслуговування з підтвердженням без налаштування з’єднання.

У мережах Ethernet застосовано метод доступу до середовища передавання даних, який отримав назву метод множинного доступу з розпізнаванням частоти-носія та виявленням колізій (Carrier Sense Maltiple Access with Collision Detection, CSMA/CD).

Усі вузли в мережі мають безпосередній доступ до спільного середовища передавання, що й визначає його як множинний або колективний доступ. Однак одночасне передавання двома й більше вузлами мережі кадрів у спільне середовище призводить до їх зіткнення й спотворення. Ця ситуація називається колізією. Щоб уникнути колізій, метод CSMA/CD дає змогу вузлам прослуховувати основну гармоніку сигналу, так звану частоту-носія. Відсутність частоти-носія свідчить про те, що спільне середовище передавання вільне. У цьому випадку вузол має право ініціювати передавання своїх кадрів.

Кадр, який надійшов у спільне середовище передавання, є доступним кожному вузлу, але фіксує його в своєму внутрішньому буфері лише той вузол, який розпізнає в заголовку кадру свою адресу. У вузлі призначення дані, які надійшли в кадрі, обробляються й передаються вгору по стеку.

Після цього в середовище прямує кадр-відповідь за адресою вузла-джерела, вказаною у відповідному полі прийнятого кадру.

Після закінчення передавання кадру кожен вузол зобов'язаний витримати паузу, так званий міжкадровий інтервал. Пауза необхідна для повернення мережевих адаптерів у вихідний стан і запобігання монопольного захоплення спільного середовища передавання одним вузлом.

Зауважимо, що механізм прослуховування середовища та міжкадровий інтервал не запобігають виникненню колізій, тому що рішення про те, що середовище вільне (на момент відсутності в ньому кадрів, що передаються) можуть прийняти одночасно декілька вузлів та розпочати передавання своїх кадрів. Колізії – це нормальне явище для технології Ethernet.

Щоб коректно обробляти колізії, всі вузли постійно спостерігають за виниклими у середовищі передавання сигналами. Якщо передані та спостереженні сигнали відрізняються, фіксується виявлення колізії. Вузол, який першим виявив колізію, перериває передавання свого кадру та підсилює ситуацію колізії, надсилаючи в мережу спеціальну послідовність з 32 біт, так звану JAM-послідовність. Після цього всі передавальні вузли зобов'язані припинити передавання своїх кадрів та зробити паузу на деякий час. Після закінчення паузи будь-який вузол знову може зробити спробу захопити спільне середовище та почати передавання кадру.

Оскільки тривалості пауз є випадковими величинами, метод доступу до середовища також є ймовірним. Вірогідність успішного захоплення спільного середовища для передавання кадрів залежить від інтенсивності роботи вузлів, тобто від завантаженості мережі. Якщо інтенсивність є значною, пропускна здатність мережі Ethernet різко падає, а тому збільшується кількість повторних спроб передавання кадрів.

Метод випадкового доступу до середовища є недоліком технології Ethernet, однак забезпечує надзвичайну простоту її реалізації, низьку вартість обладнання, а отже, широку популярність.

Зазначимо, що спробою усунення зазначеного недоліку стало впровадження технології з так званим маркерним доступом. Це технології ARCnet, Token Ring, FDDI.

Маркер доступу – це службовий пакет, який передається від одного вузла до іншого поланцюгово або кільцем. Передавати дані може тільки вузол, який захопив маркер. У заголовку маркера робиться відмітка про зайнятість, і маркер перетворюється на обрамлення початку кадру. Інші вузли побітово транслюють кадр передавального вузла. Вузол, якому адресовано поточний кадр, зберігає його копію в своєму буфері для наступної обробки та транслює його далі мережею, зробивши позначку про отримання. Коли кадр доставлено в передавальний вузол, останній видаляє його й/або передає наступний кадр аналогічним способом або, у разі припинення передавання, позначає маркер як вільний. У зазначеному підході виникнення колізій є неможливим, однак, через складність реалізації мережевих адаптерів, він обумовлює високу вартість обладнання, а тому ці технології виявилися менш перспективними, на відміну від Ethernet, і сьогодні майже не застосовуються.

Для зменшення виникнення колізій у Ethernet можна зменшити кількість вузлів у сегменті, або пришвидшити роботу протоколу. Саме останнє, у свою чергу, підштовхнуло до формування ієрархії швидкостей Ethernet. Устатковання Ethernet усіх поколінь є сумісним між собою та використовує відкриті стандарти.

Стандарти IEEE 802.x розроблялися Комітетом 802 Інституту інженерів з електротехніки та електроніки (Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE). У даних стандартах зосереджено рекомендації з проектування нижніх рівнів локальних сегментів.

Поява терміну «Ethernet» пов'язана з кабелем (еther – середовище передавання), оскільки перші мережеві технології Ethernet засновано на коаксіальному кабелі діаметром 0,5 дюйма.

Для Ethernet зі швидкістю 10 Мбіт/с стандарту IEEE 802.3 визначено такі специфікації фізичного рівня:

• 10Base-5 – "товстий коаксіал", коаксіальний кабель діаметром 0,5 дюйма з хвильовим опором 50 Ом;

максимальна довжина сегмента – 500 метрів (без повторювачів);

• 10Base-2 – "тонкий коаксіал", коаксіальний кабель діаметром 0,25 дюйма з хвильовим опором 50 Ом;

максимальна довжина сегмента – 185 метрів (без повторювачів);

• 10Base-Т – кабель на основі неекранованої витої пари. утворює „зіркову” топологію на основі концентратора; відстань між концентратором і кінцевим вузлом – не більша ніж 100 м;

• 10Base-F – волоконно-оптичний кабель; топологія є аналогічною до стандарту 10Base-Т; існує декілька варіантів цієї специфікації: 10Base-FL (відстань до 2000 м), 10Base-FВ (відстань до 1000 м).

Перша цифра вказує на бітову швидкість протоколу, слово Base – метод передавання на базовій частоті, а останній символ позначає тип кабелю.

Подальша розробка стандартів ґрунтувалася на використанні комутованої топології (комутована Ethernet) та надвисоких швидкостей із застосуванням напівдуплексного та повнодуплексного режимів передавання даних між портами вузлів, що практично робить неможливим виникнення колізій.

Fast Ethernet має такі специфікації фізичного рівня (стандарт IEEE 802.3u):

• 100Base-FХ – багатомодовий волоконно-оптичний кабель з двох волокон; специфікація орієнтована на магістральні з'єднання; у напівдуплексному зв'язку максимальна відстань між двома вузлами – 412 м, у повному дуплексі – 2 000 м;

• 100Base-ТХ – дві кручені пари: одна пара для передавання даних, інша – для прийому; максимальна відстань – 100 м;

• 100Base-Т4 – чотири кручені пари; специфікація розроблена з метою використання чотирипарних кабелів для телефонії. Три пари задіяно для передавання даних із сумарною швидкістю 100 Мбіт/с, одна пара застосовується для виявлення конфліктів. Максимальна відстань – 100 м.

Специфікації фізичного рівня Gigabit Ethernet (стандарт IEEE 802.3z):

• 1000Base-SX регламентує передавання даних багатомодовим волоконно-оптичним кабелем на довжині хвилі 850 нм. У процесі повнодуплексного передавання максимальна довжина фізичного сегмента може досягати 500 м;

• 1000Base-Lх визначає передавання даних по волоконно-оптичному кабелю на довжині хвилі 1300 нм; для багатомодового кабелю максимальна довжина фізичного сегмента досягає 550 м, для одномодового – 5000 м;

• 1000Base-СХ регламентує використання мідного подвійного коаксіального кабелю з хвильовим опором 150 Ом для напівдуплексного передавання;

максимальна відстань – 25 м.

Специфікації фізичного рівня 10 Gigabit Ethernet (10GE) регламентуються стандартом IEEE 802.3ае та допускають використання багатомодового й одномодового волоконно-оптичних кабелів на довжині хвилі 850 нм, 1300 нм і 1550 нм. Максимальна відстань – 40 км. Більш пізні варіанти стандарту забезпечують роботу на відстані до 90 км.

Високошвидкісні варіанти Ethernet презентовано на ринку новітньою апаратурою – маршрутизаторами/комунікаторами GE та 10GE, які застосовують для побудови високошвидкісних міських та регіональних мереж передавання даних. Поверх Ethernet можливим стало також передавання голосу та відео. У зв'язку з цим виник та набув широкого вжитку термін «Carrier Ethernet» (переносник Ethernet) (див. п. 12.6).

Актуальними є на сьогодні також стандарти безпроводової Ethernet - IEEE 802.11х.