Технологии ISDN И ATM.

Технология ISDN

Термин Цифровая сеть интегрального обслуживания (ЦСИО, англ. Integrated Services Digital Network, ISDN) описывает организацию цифровых каналов передачи данных на основе существующей телефонной сети. Естественно, магистральные каналы и каналы связи между АТС уже давно, как правило, цифровые, так что речь идет о так называемой «последней миле» — линии связи абонента с АТС. Подобная организация позволяет, сохранив возможность традиционного (голосового) использования телефонной линии, предоставлять абоненту разнообразные услуги передачи данных. Одной из целей разработки технологии ISDN было предоставление абоненту стандартного интерфейса, с помощью которого можно запрашивать у сети разные услуги. В основе ISDN лежит глобальная коммутация виртуальных каналов, основное устройство, образующее ISDN-сеть — это коммутатор ISDN.

ISDN предоставляет абонентам услуги выделенных каналов, коммутируемых каналов, коммутации пакетов и кадров.

Интерфейсы ISDN

Абонент получает услуги ISDN на терминальном оборудовании (англ. Terminal Equipment, TE): компьютере, телефонном аппарате, факсимильном аппарате, мини-АТС, маршрутизаторе и т.п.

Непосредственно к каналу связи с коммутатором подключается устройство, называемое сетевым окончанием (англ. Network Termination, NT). Сетевые окончания бывают двух видов: NT-1 и NT-2. Основная функция устройства NT-1 — преобразование двухпроводного U-интерфейса (обычной телефонной пары, соединенной с коммутатором) в четырехпроводный T-интерфейс, к которому может подключаться терминальное оборудование. Непосредственно к T-интерфейсу подключают оборудование, предназначенное для индивидуального (монопольного) пользования каналом связи (например, если канал будет использован только для передачи данных, компьютерный ISDN-адаптер может подключаться напрямую к T-интерфейсу). В большинстве случаев общим каналом будут пользоваться несколько терминалов. Для их мультиплексирования предназначены устройства NT-2, подключаемые к T-интерфейсу, и предоставляющие некоторое количество (обычно до 8) S-интерфейсов, к которым можно подключать ISDN-терминалы.

Терминальное оборудование, которое может подключаться к S-интерфейсу, называется TE-1. Прочие устройства (аналоговые телефоны, факсы, модемы) называются TE-2 и могут подключаться к S-интерфейсу через дополнительное устройство — терминальный адаптер (англ. Terminal Adapter, TA).

Пользовательский интерфейс ISDN базируется на каналах трех типов: B-, D-и H-каналах. B-каналы (64 Кбит/с, ИКМ) обеспечивают дуплексную передачу пользовательских данных. D-каналы (16 или 64 Кбит/с) передает адресную информацию для работы коммутаторов, а также выполняет некоторые другие сервисные функции. H-каналы объединяют несколько B-каналов для высокоскоростной передачи данных: H0=384 Кбит/с (6 B-каналов), H10=1472 Кбит/с (23 B-канала), H11=1536 Кбит/с (24 B-канала), H12=1920 Кбит/с (30 B-каналов).

Абоненту ISDN может быть предоставлен один из двух типов интерфейса: базовый (англ. Basic Rate Interface, BRI) и первичный (англ. Primary Rate Interface, PRI).

Базовый интерфейс BRI состоит из двух B-каналов и одного D-канала (16 Кбит/с). Предназначается для индивидуальных пользователей. Суммарная скорость передачи пользовательских данных по BRI составляет 144 Кбит/с в каждом направлении.

Данные передаются кадрами, несущими по 48 бит данных: по 16 бит для каждого B-канала и 4 бита для D-канала (см. рис. 1). Кадр содержит также биты синхронизации. Передача одного кадра занимает 250 мс.

Рис. 1. Кадр базового интерфейса BRI ISDN.

Первичный интерфейс PRI предназначен для пользователей с потребностями в высокой пропускной способности. В США PRI состоит из 23 B-каналов и одного D-канала (64 Кбит/с), что в сумме дает скорость передачи 1536 Кбит/с. В Европе и России PRI состоит из 30 B-каналов и одного D-канала (64 Кбит/с), что в сумме дает скорость передачи 1984 Кбит/с.

PRI может быть основан и на H-каналах, но общая пропускная способность не должна превышать 2048 Кбит/с для Европы или 1544 Кбит/с для США (это связано со скоростями наиболее распространенных цифровых каналов в разных регионах).

B-каналы образуют сеть с коммутацией цифровых каналов, для них определен только протокол физического уровня (I.430/431). Коммутация составного B-канала происходит при прохождении пакетов по D-каналу.

D-каналы образуют сеть с коммутацией пакетов. Для этой сети определены протоколы трех уровней: физического (I.430/431), канального (LAP-D, Q.921), сетевого (Q.931). Кроме передачи запросов на коммутацию B-каналов, D-канал может переносить пакеты X.25 (например, для связи двух X.25-сетей через ISDN-сеть).

Технология ATM

Основные принципы технологии ATM

Технология Асинхронного режима доставки (АРД, англ. Asynchronous Transfer Mode, ATM) разрабатывалась как единый универсальный транспорт для передачи разнородного трафика по одним и тем же линиям связи. Основная идея ATM заключена в преодолении главного недостатка мультиплексирования с разделением времени (TDM) — невозможности перераспределения пропускной способности объединенного канала между активными подканалами во время простоя остальных подканалов. ATM совмещает подходы коммутации пакетов (передача данных в виде индивидуально адресуемых пакетов) и коммутации каналов (использование пакетов небольшого фиксированного размера, уменьшающих задержки в сети). Информация передается в ячейках (англ. cell) фиксированного размера в 53 байта, из которых 5 байт отведено под заголовок, а 48 байт — под пользовательские данные. Основное оборудование в сетях ATM — коммутаторы, соединенные цифровыми линиями связи. Малый размер ячеек позволяет передавать чувствительный к задержкам трафик (например, голос), а фиксированный формат ячеек позволяет обрабатывать их аппаратно с высокой скоростью.

В сети ATM все физические соединения выполняются по принципу «точка-точка». Определено два основных интерфейса, которые должны поддерживать коммутаторы ATM: интерфейс пользователь-сеть (англ. User-to-Network Interface, UNI), используемый для соединения абонентов с коммутаторами, и интерфейс сеть-сеть (англ. Network-to-Network Interface, NNI), предназначенный для соединения коммутаторов. Ячейки, передаваемые через UNI и NNI имеют практически одинаковый (отличающийся в одном поле) заголовок.

Заголовок ячейки ATM состоит из пяти байт, его формат приведен на рис. 2. Непосредственно за заголовком следует 48 байт пользовательских данных.

Рис. 2. Заголовок ячейки ATM.

Поле CFG (англ. Generic Flow Control) — общее управление потоком, существует только в UNI и, как правило, не используется. В NNI биты, занимаемые этим полем, передаются полю VPI.

Поле VPI (англ. Virtual Path Identifier), идентификатор виртуального пути. Виртуальный путь может объединять виртуальные каналы, проложенные по одному маршруту через сеть, или каналы, имеющие общую часть маршрута.

Поле VCI (англ. Virtual Channel Identifier), идентификатор виртуального канала, назначаемый соединению при его установлении. Все ячейки, передаваемые через это соединение, имеют одинаковый VCI. Поля VCI и VPI позволяют определить следующую точку назначения ячейки — следующий коммутатор на маршруте ее передачи. Каждый коммутатор назначает этим полям новые значения, так что содержимое полей VPI и VCI имеют смысл только для одной конкретной линии связи, а не для всей сети.

Поле PT (англ. Payload Type), тип информации, позволяет различать пользовательские и служебные ячейки. Первый бит этого поля в пользовательских ячейках равен 0, а в служебных — 1. В пользовательских ячейках может быть выставлен в 1 второй бит поля PT, что сигнализирует о перегрузке сети (этот бит называется явным указателем перегрузки в прямом направлении (англ. Explicit Forward Congestion Identifier, EFCI). Третий бит этого поля может использоваться в кадрах более высокого уровня.

Поле CLP (англ. Congestion Loss Priority), приоритет потерь при перегрузках, выставляется в 1 для указания низкоприоритетных ячеек, которые можно аннулировать при перегрузке сети.

Поле HEC (англ. Header Error Control), контрольная последовательность для заголовка, содержит контрольную сумму, вычисленную с помощью корректирующих кодов Хемминга. Помимо выявления многократных ошибок, позволяет исправлять все однократные и некоторые двойные ошибки. Это поле играет важную роль при передаче ячеек по сетям SONET/SDH. Поле данных кадра STS-n (STM-n) не содержит указаний на границы ячеек ATM. Поэтому коммутатор ATM вычисляет контрольную сумму для предполагаемых заголовков ячеек, пока она не совпадет со значение поля HEC.

Коммутаторы ATM могут работать в двух режимах, различающихся использованием значений полей VCI и VPI: режиме коммутации виртуального пути и режиме коммутации виртуального канала. Первый режим игнорирует поле VCI и выполняет передачу ячеек только на основе поля VPI. Так работают магистральные коммутаторы, коммутирующие группы виртуальных каналов как единое целое — виртуальный путь. Коммутаторы локальных сетей обычно работают во втором режиме — режиме коммутации виртуальных каналов, игнорируя поле VPI и анализируя только поле VCI.

ATM предоставляет три типа сервиса:

− Постоянные виртуальные цепи (англ. Permanent Virtual Circuits, PVC) функционируют аналогично выделенным линиям, обеспечивая прямую связь между узлами. В этом случае соединение устанавливается вручную (при создании цепи) и не требует выполнения дополнительных процедур перед передачей данных.

− Коммутируемые виртуальные цепи (англ. Switched Virtual Circuits, SVC) функционируют аналогично коммутируемым телефонным линиям — соединение устанавливается только на время передачи данных, для чего необходимо затратить время и трафик на выполнение специальных процедур установления соединения.

− Сервис без установления соединения (англ. connectionless service) представляет собой традиционный для сетей с коммутацией пакетов дейтаграммный сервис.

Для различных видов информации, передаваемой через сети ATM, определены пять классов сервиса (или классов трафика):

• Класс А используется для передачи данных с постоянной битовой скоростью (англ. Constant Bit Rate, CBR) и изохронностью, позволяет передавать голос, видеоизображение (в том числе телевизионное).

• Класс B используется для передачи данных с переменной битовой скоростью (англ. Variable Bit Rate, VBR) и изохронностью, позволяет передавать компрессированный голос и видеоизображение, например, для видеоконференций.

• Класс C используется для передачи данных с переменной битовой скоростью без требования изохронности с установлением соединения, позволяет передавать трафик компьютерных сетей, работающих по протоколам с установлением соединения — TCP, X.25 и т.п.

• Класс D используется для передачи данных с переменной битовой скоростью без требования изохронности, без установления соединения, позволяет передавать трафик компьютерных сетей, работающих по протоколам без установления соединения — IP (UDP), Ethernet и т.п.

• Класс X не имеет стандартного описания и определяется параметрами трафика и качества обслуживания, оговоренными в контракте на предоставление услуг передачи данных.

Стек протоколов ATM

Стек протоколов соответствует нижним уровням модели ВОС и включает три уровня:

1. Физический уровень (англ. Physical layer) определяет способы передачи в зависимости от среды. Физический уровень делится на два подуровня:

− Подуровень, зависимый от среды передачи (англ. Physical Medium-Dependent, PMD), определяет физическую среду, включая типы кабелей и разъемов.

− Подуровень конвергенции передачи (англ. Transmission-Convergence) определяет границы ячеек в потоке бит, генерирует и проверяет поле контрольной суммы HEC, упаковывает ячейки в кадры, согласует скорость передачи ячеек.

1. Уровень ATM (англ. ATM Layer) отвечает за передачу ячеек через сеть.
2. Уровень адаптации ATM (англ. ATM Adaptation Layer, AAL) обеспечивает изоляцию верхних протокольных уровней от деталей формирования и передачи ATM-ячеек.

Архитектурная модель ATM обычно содержит, кроме того, еще и высшие уровни, расположенные над AAL. На все уровни распространяется три плана (плоскости, plane):

− Управление (англ. Control) — генерация и обслуживание запросов сигнализации;

− Пользовательский (англ. User) — обслуживание передачи данных;

− Менеджмент (англ. Management) — управление функциями, специфическими для разных уровней (например, обнаружение отказов), и управление остальными планами.

Уровень адаптации AAL

Уровень адаптации содержит подуровень сборки и сегментации (англ. Segmentation And Reassembly, SAR) и подуровень конвергенции (англ. Convergence Sublayer, CS).

Нижний подуровень SAR не зависит от класса передаваемого трафика и предназначен для взаимного преобразования сообщений, принимаемых от верхних уровней в ячейки и обратно.

Подуровень CS зависит от класса передаваемого трафика, причем первоначально каждому классу соответствовал свой уровень адаптации — от AAL1 до AAL4, но с развитием стандарта от уровня AAL2 отказались, уровни AAL3 и AAL4 объединили в AAL3/4, а на основе AAL4 был разработан его упрощенный вариант — AAL5. Таким образом, в настоящее время используется три уровня адаптации: AAL1, AAL3/4 и AAL5.

Протокол AAL1 предназначен для передачи данных с постоянной скоростью (класс А). AAL1 требует синхронизации между источником и приемником данных, которую должна предоставлять линия связи (например, SONET/SDH). Заголовок AAL1 состоит из одного или двух байт — номера ячейки SN (англ. Sequence Number) и, возможно, контрольного значения SNP (англ. Service Number Protection), служащего для контроля ошибок в поле SN. Протокол AAL1 допускает потерю ячеек, но, за счет синхронизации и нумерации ячеек, минимизирует ухудшение качества.

Протокол AAL3/4 обслуживает классы C и D, для которых допустима переменная скорость передачи и характерен пульсирующий трафик. Протокол AAL3/4 старается не допустить потери ячеек, для чего ячейки могут задерживаться и буферизоваться коммутаторами. При формировании ячеек из данных верхних уровней, протокол AAL3/4, подобно AAL1, нумерует ячейки, и дополнительно снабжает каждую ячейку контрольной суммой (CRC-10). При искажениях или потере ячеек не происходит их восстановления или повторного запроса — AAL только сигнализирует верхнему уровню о произошедшей ошибке.

Протокол AAL5 работает подобно AAL4, за исключением того, что контрольной суммой снабжается не каждая ячейка, а все сообщение (общая контрольная сумма передается в последней ячейке). Для указания последней ячейки сообщения используется третий бит поля PT заголовка ячейки: у последней ячейки он устанавливается в 1. Это уменьшает избыточность, но делает невозможным мультиплексирование ячеек разных сообщений: ячейки одного сообщения должны следовать одна за другой, не чередуясь с другими ячейками.