Комп'ютерні мережі

1. Комп'ютерні мережі Лекція 14 Мережі ATM(Asynchronous Transfer Mode)

2. План лекції • Головні особливості • Адресація в АТМ • Утворення віртуального каналу • Формат пакета • Класи трафіку АТМ • Стек протоколів АТМ Лекція 14

3. Головні особливості АТМ • Мережі АТМ застосовуються переважно для територіальних мереж • На технології АТМ можна будувати також локальні мережі • Це є економічно обґрунтованим, якщо у мережі необхідно передавати і файловий, і потоковий трафік • Мережі АТМ не надають окремих специфікацій фізичного рівня • Натомість, застосовують канали Т1/Е1, Т3/Е3, SDH/SONET, FDDI • Мережі АТМ поєднують ідеї комутації каналів і комутації пакетів • В мережах АТМ принципово неможливі: • Багатоадресні і широкомовні розсилки; • Дейтаграмний режим Лекція 14

4. Адресація в АТМ • Адреса АТМ має довжину у 20 байтів • Адреса має ієрархічну структуру • В адресі АТМ містяться префікси, що відповідають кодам країн, міст, провайдерів тощо (подібно до телефонних номерів і адрес Х.25) • Локальна адреса займає 8 байтів • Адреса застосовується лише під час встановлення з’єднання • Маршрутизація (для встановлення з’єднання) здійснюється на підставі таблиць • Таблиці створюються • автоматично за протоколом PNNI – як правило, у приватних мережах • або вручну (статично) – як правило, у публічних мережах Лекція 14

5. Утворення віртуального каналу • Підтримуються постійні віртуальні з’єднання (PVC)і комутовані віртуальні з’єднання (SVC) • У процесі встановлення з’єднання утворюється віртуальний канал, якому присвоюють ідентифікатор – VCI (3 байти) • У процесі обміну даними комутацію пакетів здійснюють на підставі ідентифікатора віртуального каналу VCI • VCI має ієрархічну структуру – його старша частина (префікс) має назву ідентифікатор віртуального шляху (VPI) і має довжину 8 біт • При роз’єднанні, VCI скасовується Лекція 14

6. Компроміс між вимогами файлового і потокового трафіку файловий потоковий • Затримки у передаванні потокового трафіку визначаються часом пакетизації (тобто, часом, протягом якого наповнюється пакет) • Компроміс: пакет малого розміру • В АТМ пакет називається коміркою (або ділянкою) – cell – і маєрозмір 53 байта (5 – заголовок і 48 – дані) Лекція 14

7. Обґрунтування розміру пакета • При швидкості 155 Мбіт/с (мінімальна для АТМ) час передавання пакета < 3 мкс • Вимоги телефонних каналів: • Частота дискретизації – 8 кГц (один відлік кожні 125 мкс) • Квантування – 8 біт (256 рівнів) • Таким чином, швидкість – 64 кбіт/с • Час пакетизації • 48 байт – 6 мс • телефоністи бажали менше, а комп’ютерники – більше Лекція 14

8. Формат пакета • GFC – керування потоком • VPI • VCI • PTI – тип даних • DP – drop precedence • HEC – контрольна сума заголовку (може застосовуватись для автоматичної синхронізації) Лекція 14

9. Класи трафіку в АТМ • А – CBR (constant bit rate) • Гарантує максимальну затримку • Гарантує максимальну варіацію затримки • Гарантує максимальну частку втрачених комірок • Гарантує мінімум перепускної спроможності • Зручний для потокового відео і аудіо • B – rtVBR (real-time variable bit rate) • Гарантує середню швидкість обміну • Гарантує максимальну затримку і варіацію затримки • Зручний для стиснутого відео і голосу • C – nrtVBR (non-real-time variable bit rate) • Гарантує середню швидкість обміну • Не гарантує синхронізацію • Зручний для трафіку ТСР • ABR (available bit rate) • Гарантує мінімальну швидкість обміну • Підтримує зворотний зв’язок • UBR (unspecified bit rate) • Не надає жодних гарантій Лекція 14

10. Стек протоколів АТМ • Протоколи AAL (ATM Adaptation Layer) працюють на кінцевих вузлах • Вони перетворюють повідомлення протоколів верхніх рівнів мережі ATM у ділянки ATM потрібного формату • Певною мірою вони є аналогами TCP / UDP • Реалізовані 3: • AAL1  CBR, нумерує ділянки • AAL3/4  пульсуючий трафік, чутливий до втрат даних(обчислює контрольну суму) • AAL5  пульсуючий трафік, менш чутливий до втрат даних Лекція 14

11. Стек протоколів АТМ (детальніше) Лекція 14

12. Передавання трафіку IP через мережі ATM • Технологія ATM претендує на роль загального і дуже гнучкого транспорту, на основі якого будують інші мережі • Технологія ATM може застосовуватись безпосередньо для транспортування повідомлень протоколів прикладного рівня • Насправді ATM частіше транспортує пакети інших протоколів канального і мережного рівнів (Ethernet, IP, IPX, frame relay, X.25) • Протокол Classical IP (RFC 1577) є першим протоколом, що визначив спосіб роботи інтермережі IP у тому випадку, коли одна з транзитних мереж працює за технологією ATM • Протокол отримав свою назву за класичну концепцію підмереж • ATM Forum розробив специфікацію LAN emulation (LANE), тобто емуляція локальних мереж, яка має забезпечити сумісність традиційних протоколів і обладнання локальних мереж з технологією ATM • Ця специфікація забезпечує сумісну роботу цих технологій на канальному рівні • На основі технології LANE працює нова специфікація ATM Forum – Multiprotocol Over ATM, МРОА • Ця специфікація ATM визначає ефективну передачу трафіка мережних протоколів – IP, IPX, DECnet і т.і. через мережу ATM Лекція 14

13. Classical IP • Одним з основних завдань протоколу Classical IP є пошук локальної адреси наступного маршрутизатора чи кінцевого вузла за його IP-адресою • У звичних нам мережах - протокол ARP • Мережа ATM не підтримує широкомовність, тому традиційний спосіб широкомовних ARP-запитів не працює • ATM належить до "Неширокомовних мереж з множинним доступом" (Non-Broadcast networks with Multiple Access, NBMA) • До таких мереж належать також мережі X.25 и frame relay • У загальному випадку для неширокомовних мереж стандарти TCP/IP визначають лише ручний спосіб побудови ARP-таблиць • Для технології ATM розроблена процедура автоматичного відображення IP-адрес на локальні адреси • Для передачі IP-пакетів через мережу ATM специфікація Classical IP визначає застосування протоколу рівня адаптації AAL5 • Специфікація не визначає • ні параметрів трафіку і якості обслуговування • ні потрібної категорії послуг CBR, rtVBR, nrtVBR або UBR Лекція 14

14. Classical IP – логічні підмережі • У відповідності до специфікації Classical IP одна мережа ATM може мати кілька IP-підмереж, так званих логічних підмереж (Logical IP Subnet, LIS) • Усі вузли одної LIS мають спільну адресу мережі • Як і в класичній IP-мережі, увесь трафік між підмережами обов'язково проходить через маршрутизатор • Маршрутизатор має інтерфейси в усіх LIS, на які розбита мережа ATM • На відміну від класичних підмереж маршрутизатор може бути підключений до мережі ATM одним фізичним інтерфейсом, якому призначили кілька IP-адрес відповідно до кількості LIS в мережі Лекція 14

15. Логічні IP-підмережі у мережі ATM Лекція 14

16. ATMARP • Усі кінцеві вузли конфігуруються традиційним чином - для них задають • власну IP-адресу • маску і IP-адрес маршрутизатора за умовчанням • адресу ATM (або номер VPI/VCI у випадку постійного віртуального каналу, PVC) сервера ATMARP • Впровадження центрального сервера - це типове рішення для роботи через неширокомовну мережу • Кожний вузол звертається до сервера ATMARP, щоби виконати звичайний запит ARP • Формат запиту дуже близький до формату запиту протоколу ARP із стеку TCP/IP • Довжина апаратної адреси у ньому визначена у 20 байт (відповідно до довжини адреси ATM • У кожній логічній підмережі є власний сервер ATMARP • Зазвичай роль сервера ATMARP виконує маршрутизатор, що має інтерфейси в усіх логічних підмережах Лекція 14

17. ATMARP (2) • Отримавши перший запит ARP від кінцевого вузла, сервер спочатку надсилає йому зустрічний інверсний запит ATMARP, щоби з'ясувати IP- і АТМ-адреси цього вузла • Таким чином здійснюється реєстрація кожного вузла на сервері ATMARP • Сервер намагається виконати запит ATMARP вузла шляхом перегляду своєї бази • Якщо потрібний вузол вже зареєстрований у ній, і він належить тій самій логічній підмережі, що й вузол, який здійснив запит, то сервер надсилає адресу у якості відповіді • В іншому випадку він дає негативну відповідь • У звичайному протоколі ARP негативних відповідей не буває! Лекція 14

18. LANE • Специфікація LANE визначає спосіб перетворення кадрів і адрес МАС-рівня традиційних технологій локальних мереж у ділянки і комутовані віртуальні з'єднання SVC технології ATM, а також спосіб зворотного перетворення • Всю роботу по перетворенню протоколів виконують спеціальні компоненти, що вбудовують у звичайні комутатори локальних мереж • Ні комутатори ATM, ні робочі станції локальних мереж не помічають того, що вони працюють з іншими технологіями • Прозорість була однією з головних цілей розробників специфікації LANE • Специфікація LANE визначає лише канальний рівень взаємодії • За допомогою комутаторів ATM і компонентів емуляції LAN можна утворити лише віртуальні мережі • У цій специфікації їх називають емульованими мережами • Для з'єднання емульованих мереж потрібно застосовувати звичайні маршрутизатори Лекція 14

19. Приклад застосування LANE Лекція 14

20. Основні ідеї специфікації LANE • Основні елементи, що реалізують специфікацію – це програмні компоненти LEC (LAN Emulation Client) і LES (LAN Emulation Server) • Клієнт LEC грає роль граничного елемента між мережею ATM і станціями локальної мережі • На кожну локальну мережу, що підключена до мережі ATM, припадає один клієнт LEC • Сервер LES веде таблицю відповідності МАС-адрес станцій локальних мереж і АТМ-адрес граничних пристроїв з встановленими на них компонентами LEC, до яких підключені локальні мережі, що містять ці станції • Для кожної підключеної локальної мережі сервер LES зберігає одну АТМ-адресу граничного пристрою LEC і кілька МАС-адрес станцій, що входять до цієї мережі • Клієнтські частини LEC динамічно реєструють у сервері LES МАС-адреси кожної станції, що заново підключають до локальної мережі • Програмні компоненти LEC і LES можуть бути реалізовані у будь-яких пристроях – комутаторах, маршрутизаторах або робочих станціях ATM Лекція 14

21. Принцип роботи LANE • Коли елемент LEC бажає надіслати пакет через мережу ATM станції іншої локальної мережі, також підключеної до мережі ATM, він надсилає запит на встановлення відповідності між МАС-адресою і АТМ-адресою серверу LES • Сервер LES відповідає на запит, вказуючи АТМ-адресу граничного пристрою LEC, до якого підключена мережа, що містить станцію призначення • Знаючи АТМ-адресу, пристрій LEC самостійно встановлює віртуальне з'єднання SVC через мережу ATM звичайним способом, що описаний у специфікації UNI • Після встановлення зв'язку кадри MAC локальної мережі перетворюються у ділянки ATM кожним елементом LEC за допомогою стандартних функцій збирання-розбирання пакетів (функції SAR) стеку ATM Лекція 14

22. Додаткові можливості LANE • У специфікації LANE також визначено сервер для емуляції у мережі ATM широкомовних пакетів локальних мереж, а також пакетів з невідомими адресами – так званий сервер BUS (Broadcast and Unknown Server) • Цей сервер розповсюджує такі пакети в усі граничні комутатори, що під єднали свої мережі до емульованої мережі • Якщо необхідно утворити кілька емульованих мереж, що не взаємодіють між собою напряму, то • для кожної такої мережі необхідно активізувати власні сервери LES і BUS • у граничних комутаторах необхідно активізувати по одному елементу LEC для кожної емульованої мережі • Для зберігання інформації про кількість активізованих емульованих мереж, а також про АТМ-адреси відповідних серверів LES і BUS вводять ще один сервер – сервер конфігурації LECS (LAN Emulation Configuration Server) Лекція 14

23. Multiprotocol Over ATM, МРОА • Ця специфікація ATM визначає ефективне передавання трафіку мережних протоколів – IP, IPX, DECnet та інших через мережу ATM • За призначенням вона близька до специфікації Classical IP, але вирішує значно більше завдань • Технологія МРОА дозволяє граничним комутаторам 3-го рівня, що підтримують будь-який мережний протокол, але не будують таблиці маршрутизації, знаходити найкоротший шлях через мережу ATM • МРОА застосовує серверний підхід, аналогічний тому, що був застосований у LANE • Сервер МРОА реєструє адреси (наприклад, IP-адреси) мереж, що обслуговуються граничними комутаторами 3-го рівня, а далі за запитом надає їх клієнтам МРОА, що вбудовані у ці комутатори • За допомогою технології МРОА маршрутизатори або комутатори 3-го рівня можуть поєднувати емульовані мережі, які утворені на основі специфікації LANE Лекція 14

24. Застосування технології ATM • У локальних мережах технологія Gigabit Ethernet має переваги перед ATM як у швидкості передавання даних, так і у відносній (на одиницю швидкості) вартості • Технологія ATM може мати переваги лише там, де суттєві можливості підтримки різних типів трафіку (відеоконференції, трансляція телевізійних передач і т.і.) • У територіальних мережах ATM застосовують: • там, де мережа frame relay не здатна упоратись з великими обсягами трафіку • і там, де треба забезпечити низький рівень затримок для передавання інформації реального часу • Основний споживач територіальних комутаторів ATM - це Internet • Мережі ATM виявились вигіднішим середовищем з'єднання IP-маршрутизаторів, ніж виділені канали SDH, оскільки віртуальний канал ATM може динамічно перерозподіляти свою перепускну спроможність між пульсуючим трафіком клієнтів IP-мереж • Хоча технологію ATM розробляли для одночасного передавання даних комп'ютерних і телефонних мереж, передавання голосу по каналам CBR для мереж ATM складає всього 5 % від загального трафіку, а передавання відеоінформації - 10 % • Телефонні компанії воліють передавати свій трафік безпосередньо по каналах SDH, не задовольняючись гарантіями QoS ATM • Поки що технологія ATM має недостатньо стандартів для плавного включення в існуючі телефоні мережі • Стандарти щодо сумісності ATM з технологіями комп'ютерних мереж цілком працездатні і задовольняють користувачів і мережних інтеграторів Лекція 14