Основы ATM
Асинхронный режим передачи для многих является набором непонятных абстракций.Режим передачи - это метод транспортировки, мультиплексирования и коммутации данных. Смысл, вкладываемый в понятие "асинхронный", можно понять только в сопоставлении с "синхронным". Оба термина относятся к цифровым сигналам; более точно, они обозначают два способа, которые используются для объединения в кадры или блоки порций данных из непрерывного потока бит. Синхронные сигналы жестко соотнесены с некоторым таймером, так что каждая порция данных начинается, например, в 0.0 мс, затем в 7.5 мс, затем в 15 мс, затем в 22.5 мс и так далее. Асинхронные сигналы с таймером не соотносятся - в них порции данных могут выделяться стартовым и финальным битами или определенной комбинацией бит, идентифицирующей начало и конец пакета.
Большинство последовательных коммуникаций и практически все коммуникации в локальных сетях синхронны, в то время как большинство передач данных к процессору и от него, трафик через параллельный порт, да и трафик в шине компьютера являются асинхронными. Синхронная передача эффективнее асинхронной при равномерном потоке данных; с другой стороны, асинхронная передача оказывается более гибкой и эластичной.
Телефонные компании, которые и не чаяли, что вместе с прокладкой своих телефонных сетей создавали инфраструктуру глобальных коммуникаций для компьютерных данных, уже за одно это можно простить за сосредоточение на одном-единственном типе данных - человеческой речи - которая чрезвычайно нетерпима к нарушениям синхронизации. Создавая оборудование для обслуживания тысяч и миллионов разговоров одновременно, они развили технику мультиплексирования многочисленных цифровых звуковых линий связи в одну-единственную линию - сначала это были медные провода, а затем оптический кабель.
Мультиплексирование по времени оказалось наилучшим способом объединить многие телефонные каналы связи в одном физическом кабеле. Каждой телефонной линии с пропускной способностью 64 Кбит/с сопоставляется собственный временной слот. Если синхронизация телефонного разговора нарушена, вследствие ли передачи через спутник или в результате какого-то сбоя, мы можем слышать слегка запаздывающее эхо, которое чрезвычайно затрудняет разговор - речь собеседника становится совершенно неразборчивой. В идеале же синхронные коммуникации хорошо подходят для передачи звуковых данных.
Видео и другие типы данных мультимедиа также хорошо согласуются с характеристиками синхронного взаимодействия. Им не только часто сопутствует человеческая речь или другая звуковая информация, но, более того, звук не должен отставать от изображения или опережать его; если это происходит, то видеосеанс начинает походить на плохо продублированный японский фантастический фильм.
К несчастью, большинство компьютерных взаимодействий не подходят для синхронных методов. С одной стороны, они чрезвычайно неравномерны, то есть отношение максимальной скорости передачи данных к средней скорости передачи данных очень велико. (Для синхронных каналов данных не существует часов пик - максимальная скорость передачи данных совпадает со средней.) Таким образом, "связисты от данных" стоят перед проблемой - выложить им огромные суммы за каналы данных, которые большую часть времени будут простаивать, за исключением часов пик, или мучаться от долгих задержек в часы пик при использовании менее дорогих и менее эффективных каналов данных. Телефонная линия, скажем прямо, не очень то подходит для обеспечения нужной полосы пропускания по первому требованию.
В определенном смысле ATM является результатом компромисса между составляющими всех типов данных - эдакий общий знаменатель для всех типов данных. Одной из альтернатив мультиплексированию по времени может быть использование мультиплексирования пакетов или ячеек. Поток бит разбивается на дискретные пакеты или ячейки, каждый из которых содержит заголовок, указывающий маршрут и другую ценную информацию. Если размер ячейки невелик и общая пропускная способность линии связи высока, чувствительный к задержкам трафик может успешно передаваться вместе с неравномерным трафиком, и каждый пользователь получает по каналу данных то, что он хочет. Звук и изображение поступают без накладок, и потребители данных (потенциально) получают нужную полосу пропускания по первому требованию. ATM - универсальное средство сообщения; ATM вполне подойдет и как основа для сети, объединяющей настольные системы, и в качестве учрежденческой или территориальной магистрали и даже в качестве глобальной информационной супермагистрали.
При разработке фундаментального определения ATM телефонные компании - в особенности европейские производители телефонного оборудования - хотели, чтобы ячейка имела 32 байта с 4-байтным заголовком, в то время как многие североамериканские компании предпочли бы 64-байтную ячейку с 5-байтным заголовком. Компромисс был достигнут на 48-байтной ячейке с 5-байтным заголовком. Таким образом, ATM-ячейка представляет собой 53-байтную порцию данных.
Подобно технологии ретрансляции кадров (frame relay) и X.25, протоколы ATM ориентированы на предварительное установление соединений. Сеансы ATM реализуются в виртуальных сетях связи (виртуальных потому, что им нет необходимости использовать конкретные физические пути, хотя как только виртуальный канал устанавливается, связь остается неизменной в течение всего сеанса). Большинство, если не все сегодняшние службы ATM предлагают только постоянные виртуальные каналы связи (permanent virtual circiut, PVC); установление и разрыв виртуальных каналов связи входит в обязанности телефонной компании, если только сеть ATM не является полностью частной. Обещание выделить нужную полосу пропускания по первому требованию будет на практике выполнено только тогда, когда станут доступны коммутируемые виртуальные каналы связи (switched virtual circuits, SVC). Постоянные виртуальные каналы схожи с выделенными линиями, в то время как коммутируемые виртуальные каналы связи сравнимы с коммутируемой звуковой связью. Однако, для установления ATM SVC требуются только доли секунды.
При своей ориентации на установление соединений ATM не очень-то похожа на протоколы, ориентированные на разделяемые среды, такие, как Ethernet и Token Ring, или на протоколы маршрутизации, не требующие предварительного установления соединений: IP или IPX. С развитием стандартов эмуляции локальной сети услуги ATM станут доступны для сетей Ethernet и Token Ring. Объявлено о создании продуктов для транслирования данных из frame relay в ATM. IP и протокол определения адреса для ATM описаны в Internet RFC15776. В общем, ATM пригодна для протоколов уровней канала данных и физического, но поскольку для ориентированных на соединение протоколов не нужна маршрутизация, то ATM может непосредственно работать с протоколами верхних уровней. Именно это и заставляет ATM звучать похоронным колоколом для всех и всяческих маршрутизаторов.
Верхним уровнем стека протоколов ATM является слой адаптации ATM (AAL). Различные AAL соответствуют различным поддерживаемым ATM типам данных. Так, AAL1 позволяет устройству ATM быть похожим на звуковую линию связи с постоянной скоростью передачи; AAL3/4 и AAL5 используются для типов данных с переменной скоростью передачи, то есть таких, которые обычно встречаются в компьютерных сетях. AAL также предназначен для интегрирования ориентированного на соединение ATM с источниками данных, работающими без установления соединения, что позволяет клиентам ATM эмулировать радиовещание и т.п.
Уровень ATM является ядром технологии. Имеется множество AAL и множество вариантов физических уровней, но протокол, который описывает состав заголовка ячейки и определяет действие коммутаторов над ячейками, для всех один и тот же. Уровень ATM отвечает за маршрутизацию ячейки, мультиплексирование и демультиплексирование.
Прежде чем какие-либо данные пользователя отправятся в путь по виртуальному каналу связи ATM, каждый промежуточный коммутатор должен создать строку в локальной таблице маршрутизации, которая задает соответствие между идентификатором входящего виртуального канала и портом выхода. Для того чтобы снизить накладные расходы на маршрутизацию через промежуточные соединительные устройства, ATM определяет виртуальные пути (VP), которые по сути являются виртуальными каналами, определенными для двух или более физических соединительных устройств, рассматриваемых как единое целое. Виртуальные пути являются полупостоянными соединениями, и для них таблицы маршрутизации могут быть созданы заранее. Нет необходимости заниматься маршрутизацией следующего по VP пакета в каждом из промежуточных узлов виртуального пути.
Определив тип данных, составляющих ячейку, уровень ATM объединяет в единый поток потоки данных в зависимости от приоритета каждого типа. Он также отвечает за обнаружение перегрузок, обработку сбоев и управление трафиком.
На физического уровне, для которого уже устоялось обозначение PHY, ATM поддерживает (или будет поддерживать) многомодовый оптический кабель, одномодовый оптический кабель, STP, коаксиальный кабель и UTP при пропускной способности до 155 Мбит/с, хотя скорость ATM можно и увеличить, если только найдутся достаточно богатые покупатели на рынке. Трафик ATM непосредственно подходит для потоков данных SONET или SDH (Synchronous Digital Hierarphy - Синхронная Цифровая Иерархия, международное надмножество стандартов SONET) - стандарты 155 Мбит/с одно- и многомодовой оптики базируются на кадрах SONET. Определен также 44 Мбит/с стандарт для интерфейса DS3, который использует коаксиальный кабель. Оборудование DS3 более широко распространено в Северной Америке, чем оборудование SONET. При скорости 100 Мбит/с ATM может использовать физические стандарты, определенные для FDDI.
ATM Forum предпочел принять существующие стандарты для физического уровня, как это только стало возможным. Потенциальные будущие стандарты могут включать: 52 Мбит/с для Category 3 (или выше) UTP; 155 Мбит/с для Category 5 UTP и 1544 Мбит/с для T-1 (или DS1) линий. IBM и некоторые присоединившиеся к ней компании предложили 25 Мбит/с стандарт для соединения рабочих мест с использованием кабеля Category 5 UTP.