Использование транспортных кадров

Другим методом передачи ячеек является использование транспортных кадров различных технологий. При этом для каждой технологии существует свой фор­мат транспортного кадра и своя схема упаковки ячеек. Форум ATM рекомен­довал различные методы передачи ячеек, в частности, стандарт SONET и его европейский аналог — SDH. В табл. 10.5 показано соответствие между иерархи­ями SONET и SDH. Сети SONET/SDH реализуются на оптических носителях с различной пропускной способностью.

Таблица 10.5. Соответствие между иерархиями SONET и SDH

Одной из целей разработки технологии SONET было создание единого опти­ческого интерфейса между сетями, принадлежащими разным провайдерам ком­муникационных услуг иногда даже из разных стран. Необходимость в разработке этой технологии достаточно очевидна, если учесть, что, например, невозможно напрямую соединить каналы Т1 и Е1. До появления технологии SONET применялись преобразователи, стыкующие каналы одной иерархии с каналами другой. Различия между каналами определялись, в основном, их ско­ростью: канал Т1 работает на 1.544 Мбит/с, a El — на 2.048 Мбит/с. Требова­лось найти общую скоростную базу для данных каналов. И, как оказалось, в качестве такой базы может выступать скорость 155.52 Мбит/с, определенная в технологии SONET как ОС-3 (Optical Carrier, ОС), а в технологии SDH — как STM-1.

В табл. 10.6 показано соответствие скоростей передачи данных оптически­ми и электрическими сигналами в иерархии SONET. Для примера в таблице приведены соответствующие цифровые каналы, необходимые для передачи информации с соответствующими скоростями. Базовым цифровым каналом является канал DSO с пропускной способностью 64 Кбит/с. Каналы DS1 и DS3 получаются путем мультиплексирования нескольких базовых каналов. Как видно из табл. 10.6 скорости передачи 51 Мбит/с соответствует первый уровень иерархии SONET — STS-1 для электрического сигнала или ОС-1 для опти­ческого сигнала. С помощью мультиплексирования нескольких базовых кана­лов в один можно, теоретически, поднять общую пропускную способность до 4 Гбит/с.

Таблица 10.6. Иерархия каналов SONET

* Первый уровень SDH соответствует скорости 155 Мбит/с.

Для того чтобы информацию можно было передавать через сеть SONET, она разбивается на кадры. Каждому сигналу в иерархии SONET/SDH соответствует свой формат кадра. Базовым для технологии SONET является кадр STS-1 (так называемый STS-1 Frame). Он представляет собой прямоугольный массив данных с размером 90х9 байт (9 рядов по 90 столбцов). Этот массив может вместить в себя 810 байт (6480 бит) информации. Следует отметить, что каждый кадр со­стоит из двух основных полей — полезной нагрузки или, иначе, поля данных (поле Synchronous Payload Envelope, SPE) и служебной информации (поле Tran­sport Overhead, ТОН) — см. рис. 10.8. Буквой К на рис. 10.8 показан служебный заголовок.

Скорость передачи информации по физическому носителю составляет 8000 кадров в секунду. Кадры передаются синхронно с периодичностью в 125 мкс. По этим параметрам нетрудно определить скорость передачи — она составляет 51.84 Мбит/с (размер кадра в битах x число кадров в секунду; 6480x8000 = 51 840 000 бит/с).

Используя несколько базовых кадров, можно получить кадр следующего уровня в иерархии SONET/SDH. Это достигается с помощью процедуры муль­типлексирования, при которой параллельные потоки транспортных кадров пре­образуются в единый поток. В этом потоке последовательно чередуются кадры STS-1 от первичных параллельных потоков. При этом три соответствующих кадра STS-1 на выходе мультиплексора образуют кадр STS-3. На рис. 10.9 ил­люстрируется обобщенная процедура мультиплексирования кадров STS-1 в кадры STS-3.

На рис. 10.10 показан формат кадра уровня N иерархии SONET. Назначение заголовка Path описано ниже.

На рис. 10.11 изображена общая схема передачи пользовательских данных. Как видно из рис. 10.11, данные, поступая на уровень адаптации ATM, разбива­ются на информационное блоки размером 48 байт, которые затем поступают на уровень ATM. Там на основе поступивших блоков формируются ячейки, кото­рые после этого упаковываются в транспортные кадры (в рассматриваемом при­мере — кадры SONET).

Остановимся подробнее на процедуре упаковки ячеек в транспортные кадры SONET. Хочется подчеркнуть, что данный раздел носит исключительно теоре­тический характер. Учитывая несущественность различий между технологиями SONET и SDH, мы будем рассматривать только упаковку ячеек в транспортные кадры технологии SONET. Однако напомним, что в России большее распрост­ранение получила цифровая иерархия SDH.

На рис. 10.12 показана схема упаковки ячеек ATM в поле полезной нагрузки кадра STS-1. Как видно из рис. 10.12, в поле полезной нагрузки появляется до­полнительный столбец пути (Path), основным назначением которого является поддержка виртуального соединения между устройствами. Следует отметить, что местоположение этого столбца в поле полезной нагрузки не зафиксировано. Кроме того, столбцы 30 и 59 также выпадают из общего информационного поля. При заполнении кадра ячейками эти столбцы пропускаются. С учетом этого на полезную информацию остается 756 байт, в которые можно упаковать 14.3 ячей­ки ATM ((90 ∙ 9)-((3 ∙ 9)+(3 ∙ 9) = 756; 756/53 = 14.3).

Ячейки упаковываются в кадр STS-1 последовательно, от начала к концу, горизонтально, слева направо, пропуская столбцы 30 и 59 и полностью заполняя поле полезной нагрузки. Следует отметить, что отдельные ячейки могут начи­наться в одном кадре, а заканчиваться в другом. Итак, кадры STS-1, содержащие 14.3 ячейки и передаваемые с периодичностью в 125 мкс, переносят полезную информацию со скоростью 48.38 Мбит/с.

Следующим уровнем скорости в технологии ATM является 155 Мбит/с. Су­ществуют два способа достижения такой скорости. Первый из них заключается в мультиплексировании трех кадров STS-1 (STS-3), а второй — в прямом пост­роении кадра (STS-Зс). Между этими способами существуют определенные разли­чия. Результирующий кадр STS-3, как нетрудно понять, имеет девять столбцов служебной информации, три столбца заголовка Path и в три раза большее поле полезной нагрузки. После выполнения процедуры мультиплексирования слу­жебные столбцы трех кадров STS-1 выстраиваются следующим образом: первым следует первый столбец первого кадра, за ним — первый столбец второго кадра, далее — первый столбец третьего кадра. Затем процедура повторяется для вто­рых и третьих столбцов кадров STS-1 (рис. 10.13). Ранее отмечалось, что заго­ловок Path не имеет фиксированного места. Поэтому расположение заголовков Path, принадлежащих разным кадрам STS-1, в общем поле полезной нагрузки кадра STS-3 зависит от их исходного расположения. Так, из рис. 10.13 видно, что заголовки Path третьего и первого кадров STS-1 находятся ближе к началу, чем заголовок Path второго кадра. Поэтому и в кадре STS-3 заголовок Path второго кадра окажется дальше, чем этот же заголовок третьего кадра.

Так как заголовок Path в кадрах STS-1 не имеет конкретного местоположе­ния, а как бы «плавает» в поле полезной нагрузки, то при мультиплексировании не происходит непосредственного объединения трех полей полезной нагрузки кадров STS-1. Поэтому заголовки Path могут разбить общее результирующее поле на несколько частей.

Кадр STS-Зс был разработан специально для того, чтобы получить единое, сплошное поле полезной нагрузки. Символ «с» в его названии отражает тот факт, что три кадра STS-1 связываются (concatenated) друг с другом. Резуль­тирующий кадр STS-Зс не может демультиплексироваться ниже уровня в 155 Мбит/с, так как он разрабатывался именно под эту скорость и нет механиз­мов его «демонтажа». В кадре STS-Зс существует только один столбец, выделен­ный под заголовок Path, что увеличивает поле полезной нагрузки на 18 байт. Кадр не содержит фиксированных столбцов, таких как столбцы 30 и 59 в кадре STS-1, и все поле полезной нагрузки доступно для упаковки ячеек ATM (рис. 10.14). Кадр STS-Зс предоставляет 2340 байт полезной нагрузки по сравне­нию с 2268 байтами в кадре STS-3, что позволяет передавать данные (44.2 ячей­ки в одном кадре) со скоростью 149.76 Мбит/с. Как и в случае с кадром STS-1, ячейки упаковываются горизонтально и не обязаны укладываться в один кадр.

Помимо использования кадров SONET, для передачи ячеек применяют также кадры технологии SDH (например, STM-1). Эти кадры имеют структуру, похожую на STS-Зс, но с некоторыми отличиями в полях. Использование техно­логии SDH для передачи ячеек ATM наиболее широко распространено в Европе и России.

Использование PLCP

Для поддержки существующей инфраструктуры глобальных сетей определены (документ G.804 ITU) методы упаковки ячеек в поле полезной нагрузки транс­портных кадров технологии PDH для следующих скоростей: 1.544, 2.048, 6.312, 34.360, 97.728 и 139.264 Мбит/с. Для передачи ячеек по каналам DS3 со ско­ростью 44.736 Мбит/с существует только рекомендация по использованию прото­кола согласования с физическим уровнем (Physical Layer Convergence Procedure, PLCP). На рис. 10.15 показана общая схема упаковки ячейки в кадры PDH.

Использование PLCP — это третий метод упаковки ячеек. Он применяется для передачи пакетов данных через городские сети (IEEE 802.6) по каналам PDH. При передаче используется кадр протокола PLCP, который содержит целое число ячеек ATM и не имеет прямой связи с кадром DS3, в котором он передается. Возможность передачи ячеек по каналам DS3 очень важна, так как такие каналы широко распространены. Хотя номинальная скорость канала DS3 составляет 44.76 Мбит/с, полезная скорость передачи ячеек ATM составляет 40.704 Мбит/с.

Достоинство использования кадров PLCP для передачи ячеек ATM состоит в том, что может применяться существующее оборудование городских сетей, ис­пользующих технологию PDH. Недостаток заключается в том, что к служебной информации ячейки (5 байт) добавляется служебная информация кадров PDH и PLCP. Это снижает полосу пропускания примерно на 9 % по сравнению с непосредственной упаковкой ячеек в транспортные кадры. Снижение эффектив­ности передачи происходит за счет того, что ячейки первоначально упаковыва­ются в кадры PLCP, которые затем передаются в поле полезной нагрузки кадров DS3. Извлечение ячеек происходит в обратном порядке — сначала извлекается кадр PLCP, а затем из него «достаются» ячейки.

Интерфейсы ATM

Стандарт ATM определяет несколько интерфейсов взаимодействия между соседними объектами. Объектом в данном случае может быть подключаемая напрямую к сети ATM конечная станция, граничное устройство (например, коммутатор ATM/LAN), коммутатор сети ATM или отдельная сеть ATM. На рис. 10.16 показана общая структура сети ATM с указанием соответствующих интерфейсов и компонентов.

Интерфейс UNI (User-to-Network Interface), разработанный Форумом ATM, определяет взаимодействие устройства с коммутатором. Логически этот интерфейс означает границу между конечным устройством ATM (напри­мер, станцией) и сетью ATM; при этом ближайший соединенный с устройст­вом коммутатор является точкой входа в сеть. Форум ATM разработал две версии UNI — UNI 3.0 и UNI 3.1. Эти две версии практически идентичны, за исключением того, что версия 3.1 основана на последней версии специфика­ции передачи сигналов ITU. Это привело к тому, что две версии специ­фикации UNI стали несовместимыми друг с другом. Однако большинство коммутаторов ATM поддерживают как интерфейс UNI 3.0, так и интерфейс UNI 3.1, сглаживая все нестыковки.

В настоящее время Форум ATM работает над новой, четвертой версией интерфейса UNI, которая будет дополнена новыми возможностями установ­ления параметров соединения. В их число входят: поддержка трафика с доступ­ной скоростью передачи, улучшение качества передачи трафика, использование вспомогательных сигналов для поддержки видео по требованию, создание вир­туальных UNI и т. д. Важной особенностью новой спецификации является об­ратная совместимость с UNI 3.1.

Не вдаваясь в подробности спецификации интерфейса UNI (которые можно найти в самой спецификации или в различных технических публикациях), можно сказать, что интерфейс:

q Определяет все параметры соединения между конечным устройством и коммутатором ATM;

q Определяет процедуры мультиплексирования и демультиплексирования ячеек;

q Поддерживает сигнализацию между конечной станцией и коммутатором ATM для установления коммутируемого виртуального соединения;

q Осуществляет управление трафиком между конечной станцией и комму­татором ATM;

q Определяет адресацию конечных устройств.

Существует два типа интерфейса UNI: Private UNI (частный UNI) и Public UNI (общий UNI). Первый тип является интерфейсом между устройством част­ной части и коммутатором ATM, а второй определяет интерфейс между устройством и коммутатором в сети общего пользования (рис. 10.17).

Интерфейс частный NNI (Private Network-to-Network Interface, PNNI) оп­ределяет интерфейс между соседними коммутаторами в частной сети ATM. Общий NNI (Public NNI) — это интерфейс между двумя коммутаторами в сети ATM общего пользования. Первая спецификация уже стандартизована и широко используется. Второй типа интерфейса находится на этапе стандар­тизации.

Интерфейс FUNI (Frame User-to-Network Interface) определяет способ под­ключения оборудования, работающего в режиме ретрансляции кадров к сетям ATM. По существу, этот интерфейс имеет тот же набор характеристик, что и технология ретрансляции кадров. Однако и здесь есть свои особенности, обус­ловленные механизмом коммутируемых виртуальных соединений и алгорит­мами преобразования кадров в ячейки ATM. Главное достоинство интерфейса FUNI состоит в том, что он предоставляет полный набор функций ATM, снижая при этом накладные расходы на служебную информацию, которые имеют место при использовании ячеек. Так кадры FUNI содержат только 1 % служебной ин­формации, в то время как ячейки ATM — около 10 %. Это преимущество стано­вится особенно заметным при использовании низкоскоростных каналов связи, таких как Т1.

Вместо разбиения пользовательской информации на ячейки ATM кадры FUNI отправляются провайдеру услуг, обеспечивающему сервис FUNI. Затем обору­дование этого провайдера разбивает эти кадры на ячейки ATM, которые переда­ются по асинхронным сетям общего пользования (рис. 10.18).

Интерфейс обмена данными (Data eXchange Interface, DXI) определяет вза­имодействие, например, между маршрутизатором и устройством ввода данных (Digital Service Unit, DSU), поддерживающим технологию ATM. Кадры DXI и кадры, посылаемые маршрутизатором, преобразуются устройством ввода дан­ных в ячейки для дальнейшей передачи через сеть ATM (рис. 10.18 и 10.19). Хотя в этом случае отсутствуют преимущества, предоставляемые кадрами пере­менной длины, становится возможным объединение на устройствах DSU разных видов трафика и поддержка качества обслуживания в сетях ATM.

Интерфейс B-ICI (Broadband Inter-Camer Interface) позволяет гарантировать, что любой пользователь в сети ATM может вызвать любого другого пользовате­ля, даже если тот работает в сети, принадлежащей другой организации. Иными словами, этот интерфейс позволяет двум соседним сетям ATM общего пользова­ния взаимодействовать друг с другом и предоставлять набор услуг своим поль­зователям. Оборудование, которое будет поддерживать интерфейс B-ICI, пока еще находится в стадии разработки — сдерживающим фактором является его невостребованность на рынке услуг. Если будет спрос на продукты межсетевого взаимодействия, соответствующие предложения сразу же появятся на рынке.