Рис.4 Структура сети с архитектурой ATM over ADSL

На противоположном конце соединения мультиплексор доступа (DSLAM) принимает потоки ячеек от отдельных абонентских устройств и агрегирует (мультиплексирует) их для дальнейшей транспортировки в "восходящем" направлении - как правило, по магистральным каналам DS-3, OC-3 или OC-12. Затем АТМ-коммутаторы направляют каждый поток к месту его назначения. Восстановление пакетов второго (PPP) или третьего (IP, IPX) уровней в том виде, в каком они были сгенерированы станцией-отправителем, осуществляет магистральный маршрутизатор или сервер удаленного доступа (RAS), установленный на входе в сеть Internet-провайдера или в корпоративную сеть. Указанные устройства терминируют тот инкапсуляционный уровень в используемом стеке протоколов, который был активирован пользовательским оборудованием, а затем направляет восстановленные пакеты адресатам. Кроме того, в их обязанности нередко входят идентификация пользователей, присвоение IP-адресов и измерение степени использования сетевых ресурсов.

Рис.5. Методы инкапсуляции трафика

Передача IP-пакетов по сети ATM (IP over ATM). В настоящее время это самый распространенный способ транспортировки IP-трафика по сети ATM, поддерживаемый разнообразными моделями ATM-устройств. Появление данной технологии предвосхитило создание стандарта на обработку многопротокольного трафика в сети асинхронной передачи MultiProtocol over ATM (MPOA). В документе RFC 1577 регламентированы как непосредственная инкапсуляция IP-трафика в ячейки ATM все на том же уровне AAL5, так и функции преобразования адресов для постоянных и коммутируемых виртуальных соединений. Операции с соединениями SVC были позднее определены в документе RFC 1755.

PPP over ATM. Технические спецификации IETF, регламентирующие данный метод, пока существуют на уровне проекта. Как и в предыдущих случаях, ключевая роль в транспортировке инкапсулированного трафика отводится уровню AAL5. Несмотря на отсутствие индустриального стандарта, передача трафика PPP по сетям ATM получает все большую поддержку производителей. С подачи нескольких ведущих поставщиков (Alcatel, Cisco, FORE Systems, U.S. Robotics, Westell) корпорация Microsoft стала включать функции PPP over ATM в свои продукты. Последнее обстоятельство представляется особенно важным с точки зрения совместимости транспортных механизмов на всем протяжении пути следования данных - от пользовательского оборудования до сети ISP. Использование Point-to-Point Protocol гарантирует высокую совместимость данной технологии с традиционными процедурами сетевой обработки. Наконец, реализация в сетях с протоколом PPP алгоритмов динамического присвоения IP-адресов, маршрутизации по умолчанию и возможность применения серверов DNS заметно упрощают удаленное администрирование.

Непосредственное использование ATM на "последней миле". В этом случае обмен данными между настольным компьютером и сетью ATM можно осуществлять напрямую, без "посреднических" протоколов вроде TCP/IP. На практике для такой цели чаще всего применяются расширения Winsock2 ATM компании Microsoft.

Если при использовании других методов соединения PVC заканчиваются в мультиплексоре DSLAM, то в данном случае они простираются до абонентского оборудования. Приложения, непосредственно работающие с трафиком ATM, пока не получили широкого распространения, однако их очевидные преимущества состоят в высокой производительности, малом значении задержки при передаче данных, в поддержке мультимедиа-трафика и разных уровней QoS, хорошей масштабируемости (поскольку вместо IP-адресов задействуются схемы адресации ATM). Кроме того, появляется возможность обойтись без дорогостоящих средств межсетевого взаимодействия как на уровне абонентских устройств доступа, так и в центральном офисе NAP или на входе в сеть Internet-провайдера. Недостатком указанного подхода является необходимость организации отдельного соединения PVC для каждого пользователя, тогда как, скажем, в методах, основанных на сохранении кадров PPP (пусть и в инкапсулированном виде), количество таких соединений можно значительно уменьшить.

В отношении последних двух методов инкапсуляции следует сделать ряд важных замечаний. Как известно, PPP практически всегда используется в сетях доступа в качестве протокола второго уровня - идет ли речь о подключении через аналоговый модем или по линии ISDN. Пакеты вышележащих протоколов, вроде IP или IPX, упаковываются в кадры PPP передающим оборудованием, а затем восстанавливаются принимающим устройством. Может показаться, что полное замещение PPP соответствующими конструкциями ATM упростит сетевую обработку, поскольку позволит избавиться от лишней процедуры инкапсуляции пакетов. Однако инкапсуляция PPP over ATM имеет и сильные стороны.

Прежде всего, из-за повсеместной распространенности PPP полный переход на ATM может потребовать настолько существенной модернизации коммуникационных приложений, что проще прибегнуть к инкапсуляции трафика. Еще существеннее то обстоятельство, что в протоколе PPP предусмотрены средства аутентификации пользователей и защиты данных, которые невозможно получить в среде ATM, не переписав изрядной доли используемого ПО.

Процедуру инкапсуляции выполняет модем ATM/ADSL, на вход которого настольный компьютер посылает обычные кадры PPP. Модем сначала преобразует эти кадры в блоки данных AAL5 PDU, а затем разбивает их на части для отправки в сеть в составе ячеек ATM. На принимающем конце соединения те же операции выполняются в обратном порядке. Главное достоинство такой схемы состоит в прозрачности промежуточных преобразований для оконечного оборудования (пользовательского ПК и сервера, к которому осуществляется доступ).

Впрочем, схема PPP over ATM также таит в себе подводные камни. Изначально создававшийся для удаленного доступа в сеть с единичного компьютера, протокол PPP в своем классическом виде плохо приспособлен для дистанционного подключения локальной сети удаленного офиса. Кроме того, он создает значительную нагрузку на ЦП компьютеров, обрабатывающих кадры этого протокола, что может сильно ограничивать расширяемость основанных на нем решений.

Мостовой модем Ethernet/ADSL. Схема подключения конечных станций к цифровой абонентской линии, воплощаемая таким устройством, показана на рис. 6, а. Мостовой модем играет роль интерфейса между одним или несколькими ПК и линией ADSL. Он выполняет инкапсуляцию кадров Ethernet в ячейки ATM, а также осуществляет кодирование потоков данных перед их отправкой в линию.

Рис.6 Типичные схемы подключения абонентского оборудования:
а - через мостовой модем Ethernet/ADSL;
б - через адаптер ATM/ADSL, установленный в ПК;
в - через адаптер ATM/ADSL, установленный в сервер удаленного доступа

Недостатки данного решения являются продолжением его достоинств. Так, Internet-провайдер должен поддерживать обработку пакетов Ethernet, восстанавливаемых из принятых ячеек ATM. Использование мостового модема Ethernet/ADSL ограничивает гибкость и масштабируемость сети доступа, поскольку технология Ethernet over ATM ориентирована только на работу с соединениями PVC. В такой среде не удается реализовать передачу трафика PPP или IP по каналам ATM, с ростом же размеров сети довольно острыми становятся проблемы ее администрирования. При определенных условиях резко возрастает объем трафика, передаваемого по линии ADSL, что требует выделения для него дополнительной полосы пропускания. Наконец, весьма ограниченными оказываются средства управления трафиком, ибо технология ATM применяется не на всем протяжении соединения между ПК и оборудованием провайдера (некоторые производители частично компенсируют этот недостаток путем внедрения в модем дополнительных функций обработки ATM-трафика). Не обеспечивается поддержка приложений, непосредственно ориентированных на режим ATM, поскольку они не получают прямого доступа к сети асинхронной передачи.

Маршрутизирующий модем Ethernet/ADSL. Это решение является естественным развитием предыдущего и с физической точки зрения мало чем отличается от изображенного на рис. 6, а. Его главная функциональная особенность заключается в том, что модем выступает в роли маршрутизатора удаленного доступа. Способность устройства обрабатывать пакеты третьего уровня означает возможность работы с коммутируемыми соединениями SVC, благодаря чему расширяется перечень поддерживаемых методов инкапсуляции, в число которых теперь попадают PPP over ATM и IP over ATM.

Перенос обработки на третий уровень сулит определенный выигрыш в производительности, что в какой-то степени компенсирует сравнительно высокую стоимость решения (пользователю приходится приобретать и сетевую карту, и выносной модем). Кроме того, маршрутизирующий модем способен выступать в роли пакетного фильтра или брандмауэра, повышая степень информационной безопасности удаленного узла, а также ограничивать распространение широковещательных пакетов по сети доступа.

Однако следует иметь в виду, что наличие функций маршрутизации затрудняет конфигурирование модема, управление им и обновление ПО. Реализация функций брандмауэра усложняет процесс управления еще больше. Как и в случае мостового модема, использование приложений, непосредственно ориентированных на работу в сети ATM, оказывается невозможным.

Модем ATM/ADSL позволяет перенести все процедуры инкапсуляции и обработки ATM-трафика непосредственно на уровень ПК, в который устанавливается ATM-адаптер. В связи с умеренными требованиями к пропускной способности соединения между ПК и модемом можно ограничиться скоростью передачи 25 Мбит/с, которая в других ситуациях применяется все реже. В описываемой конфигурации выносной модем не является полностью прозрачным для передаваемого трафика. Его важнейшая функция заключается в согласовании скоростей передачи ATM- и ADSL-портов путем буферизации ячеек ATM.

Как это ни странно, но при определенных условиях использование модема ATM/ADSL может оказаться дешевле решений на базе Ethernet-моста или маршрутизатора. Хотя сам ATM-адаптер стоит дороже сетевой карты Ethernet, основные затраты приходятся на выносное устройство доступа, и здесь цена ADSL-модема с функциями ATM может оказаться ниже таковой для маршрутизатора удаленного доступа.

К числу достоинств модема ATM/ADSL следует отнести такие возможности, как реализация любого из четырех указанных методов инкапсуляции, поддержка соединений SVC на программном уровне, эффективное управление трафиком благодаря непосредственному доступу приложений к сети ATM, например через Winsock2. На противоположной чаше весов оказываются, пожалуй, лишь проблемы настройки конфигурации и управления, которые в основном относятся к внешнему модему.

Адаптер ATM/ADSL в настольном компьютере. Анализ функциональной роли выносного модема наводит на мысль, что при определенных условиях без него можно обойтись. В этом случае (рис. 6, б) инкапсуляция данных, обработка ячеек ATM и кодирование трафика перед отправкой в линию ADSL выполняются непосредственно в ПК. Такое решение отличается минимальной стоимостью, простотой установки и последующей эксплуатации, поддержкой различных методов инкапсуляции, хорошей расширяемостью и возможностью применения разнообразных средств управления трафиком ATM. Его привлекательность усиливается благодаря встроенной поддержке технологии асинхронной передачи в последних версиях ОС Windows (Windows 98 и NT), а также появлению спецификаций ATM over Universal Serial Bus (USB) компании Intel. Встроенный адаптер является удачным выбором и при реализации тех разновидностей xDSL, в которых не используется частотный разделитель, прежде всего G.Lite.

Адаптер ATM/ADSL в сервере удаленного доступа. Этот вариант (рис. 6, в) чем-то похож на предыдущий, однако он позволяет предоставить доступ в глобальную сеть сразу нескольким компьютерам, объединенным в сеть рабочей группы. В рассматриваемой конфигурации сервер удаленного доступа играет роль маршрутизатора, отвечающего за обмен трафиком между локальной и глобальной сетями.

С экономической точки зрения данное решение весьма эффективно - особенно в том случае, когда в сети рабочей группы уже установлен выделенный сервер. Внешнее абонентское устройство при этом отсутствует, а стоимость единственного ATM-адаптера распределяется на несколько рабочих мест. Использование адаптера в сети удаленного доступа дает возможность сохранить многие из преимуществ, о которых говорилось в связи с подключением к линии ADSL одиночного компьютера, но не все. Если сеть рабочей группы основывается на канальной технологии, отличной от ATM (например, на Ethernet или Fast Ethernet), достоинства режима асинхронной передачи практически сводятся на нет из-за применения традиционной пакетной технологии. Очевидно также, что управляющие приложения, установленные на отдельных ПК, будут лишены прямого доступа к сети ATM. Чтобы обеспечить гибкое управление трафиком, их придется запускать непосредственно на сервере удаленного доступа.

Перевод сети рабочей группы с разделяемого доступа на коммутируемую архитектуру решает проблему лишь частично. Более последовательный подход состоит в полной модернизации локальной сети путем оснащения серверов и рабочих станций ATM-адаптерами и замены маршрутизатора доступа на ATM-коммутатор, за которым уже будет стоять модем ATM/ADSL. Многочисленные технические преимущества такого решения очевидны из предыдущего изложения, однако для небольшой компании его реализация грозит влететь в копеечку. Конечно, при переводе сети на рельсы асинхронной передачи можно сохранить линии на витой паре и ограничиться пропускной способностью 25 Мбит/с. Тем не менее этот вариант трудно рекомендовать в качестве предпочтительного.

Исключение составляет ситуация, когда локальная сеть удаленного офиса только проектируется. Тогда вместо покупки маршрутизатора доступа и адаптеров Ethernet/Fast Ethernet имеет смысл с самого начала сделать ставку на ATM (либо на комбинированный вариант Ethernet/ATM, рис. 7) и построить сеть с описанной конфигурацией. Как показывают оценки, разница в начальных затратах может оказаться не очень существенной.

Рис.7. Подключение комбинированной сети Ethernet/ATM к линии ADSL

Рис.8. Оборудование центрального офиса,
необходимое для поддержки технологии ATM over ADSL

Для соединения ADSL-мультиплексора с ATM-коммутатором используется высокоскоростной канал с пропускной способностью 45, 155 Мбит/с или выше. Выбор скорости зависит как от быстродействия последующих ATM-магистралей, так и от прогнозируемой суммарной интенсивности входных потоков ATM, поступающих на мультиплексор.

Обработка "нисходящего" трафика сводится к приему устройством DSLAM высокоскоростного потока ячеек ATM от коммутатора (который не обязательно должен находиться в том же центральном офисе NAP), анализу адресов отдельных ячеек и их передаче на соответствующий выходной порт DSLAM.

На рис. 8 аппаратные средства, установленные в центральном офисе, изображены как отдельные устройства. Между тем на практике частотный разделитель нередко является составной частью DSLAM, а сам мультиплексор бывает выполнен в виде модуля, устанавливаемого в голосовой коммутатор.

Анализируя работу оборудования центрального офиса, поддерживающего архитектуру ATM over ADSL, следует иметь в виду, что две рассматриваемых технологии (ADSL и ATM) соответствуют двум нижним уровням эталонной модели OSI. Соответственно, применение асинхронной передачи на "последней миле" никак не затрагивает следующих уровней протокольного стека, так что обработка пакетов TCP/IP или IPX не требует какой-либо модернизации существующих приложений. Таким образом, возможность использования в сети доступа тех или иных протоколов третьего и четвертого уровней зависит только от способности Internet-провайдера или администратора корпоративной сети обеспечить обработку соответствующих пакетов.

Как и в любой иной среде с пакетной передачей, при проектировании сети ATM используется принцип статистической достаточности ресурсов. Он базируется на хорошо известном выводе теории массового обслуживания: для предоставления конкретного сервиса всем имеющимся абонентам достаточно ресурсов, которые позволяют одновременно охватить этой услугой только их часть. Действительно, трудно представить себе, что все компьютеры, подключенные к сети ATM, в одно и то же время начнут передавать данные с максимальной скоростью. При работе в Internet, когда наиболее типичным клиентским приложением является Web-браузер, "нисходящий" трафик возникает только при загрузке новой страницы. В результате отношение числа абонентов к количеству входных портов оборудования центрального офиса может составлять 8:1, 10:1 и даже больше.

Сказанное в полной мере относится к технологии xDSL: устройства DSLAM нередко выполняют статистическое мультиплексирование в пропорции 1:100, а значит, решение на базе ATM over ADSL гораздо экономичнее организации выделенной линии с такой же пропускной способностью. (Стоит заметить, что, при всей справедливости вероятностных оценок, в случае использования мегабитных скоростей передачи данных по линиям DSL "узким местом" могут стать каналы выхода сети Internet-провайдера в международные глобальные сети. Впрочем, эта проблема не имеет непосредственного отношения к технологии ATM over ADSL.)

Режим асинхронной передачи как нельзя лучше приспособлен для обработки трафика, интенсивность которого изменяется по тому или иному вероятностному закону. Современное оборудование, выполняющее коммутацию или мультиплексирование потоков ATM, нередко специально проектируется для транспортировки трафика без потерь ячеек в изменяющихся условиях функционирования сети.

Решающая роль при этом отводится алгоритмам формирования трафика (traffic shaping) на стороне отправителя, которые обеспечивают его передачу в сеть с заранее согласованной скоростью, что уменьшает вероятность потерь ячеек или полностью исключает ее. Процедура формирования трафика, выполняемая абонентским устройством доступа, особенно актуальна в связи с тем, что несколько активных виртуальных соединений могут начинаться в одном устройстве. Распределение между ними исходящих потоков ячеек обуславливает еще большее снижение риска потери данных при резком возрастании интенсивности потоков. Подобные механизмы управления трафиком в сетях ATM позволяют поставщикам услуг доступа гарантировать определенный уровень сервиса как абонентам, так и тем Internet-провайдерам, в сети которых они направляют поступающий трафик.

Еще одно преимущество ATM (как протокола канального уровня) на линиях ADSL - возможность дифференциации различных категорий трафика, в частности предоставления более высокого приоритета потокам с постоянной скоростью передачи (CBR) по сравнению с потоками переменной скорости (VBR). Эту возможность в наибольшей мере удается реализовать при последовательном применении режима ATM - вплоть до настольных компьютеров.

Говоря о расширяемости, не стоит сбрасывать со счетов и тот факт, что технология ATM практически не чувствительна к типу и полосе пропускания физической среды передачи. Как известно, существующие стандарты дают возможность организовывать транспорт 53-байтных ячеек со скоростью от полутора мегабит (DS-1) до нескольких гигабит (OC-48, OC-192) в секунду. Тип модуляции (CAP, DMT) и другие характеристики физического уровня, включая применение частотного разделения, не влияют на процесс передачи. Именно это обстоятельство в свое время побудило операторов активно внедрять технологию ATM в магистральных каналах. Позднее оно же заставило распространить режим асинхронной передачи на "последнюю милю".

Как уже говорилось, не завершена стандартизация механизмов передачи трафика PPP по сетям ATM. К счастью, ряд производителей начал включать в свои продукты поддержку PPP over ATM, не дожидаясь появления официального стандарта. Опасность, подстерегающая пользователей, общеизвестна: нет гарантии, что устройства от разных поставщиков смогут взаимодействовать друг с другом.

Другая проблема связана с управлением IP-адресами конечных станций при использовании на "последней миле" режима асинхронной передачи. Упомянем еще процедуру динамической подстройки скорости передачи, которая должна учитывать физические характеристики телефонных линий, применяемых в сети доступа.

Проработка технических аспектов технологии ATM over ADSL заметно ускорилась, когда в этой деятельности помимо организации ADSL Forum стал принимать участие консорциум ATM Forum. Есть веские основания полагать, что основные препятствия к практическому применению концепции ATM over ADSL будут устранены в самое ближайшее время. А такие преимущества данной технологии перед альтернативными разработками, как дешевизна (в пересчете на 1 Мбит/с пропускной способности), малые задержки передачи, поддержка различных уровней качества сервиса, возможность сохранения прежних инвестиций в сетевую инфраструктуру и гибкого управления трафиком, будут способствовать дальнейшему росту ее популярности.