Коммутация и маршрутизация в АТМ

Коммутаторы ATM

Коммутаторы – это основа любой сети с асинхронной передачей. В отличие от традиционных мостов и маршрутизаторов, производительность которых оценивается долей полосы пропускания внешних каналов, которую они в состоянии обслужить, сети ATM требуют, чтобы коммутатор предоставлял полную полосу пропускания на каждый порт.

В модели ATM все основные действия происходят на самом нижнем уровне – на уровне работы с ячейками. Все остальные функции, выполняемые на более высоких уровнях, сводятся к операциям с потоками ячеек, скорость которых определяется скоростями канала и коммутатора. Если в традиционных сетях маршрутизатор обрабатывает каждый пакет индивидуально и по каждому пакету принимает решение о маршрутизации, затрачивая при этом массу времени, то в сетях ATM данные передаются со скоростью канала связи по установленному соединению между абонентами.

После того как соединение установлено, коммутаторы ATM ведут себя, как обычные коммутаторы локальных сетей, быстро направляя ячейки от одного порта к другому. Так как соединение между отправителем и получателем уже установлено, коммутатору не нужно знать обо всем пути между абонентами. Он просто пересылает трафик с одного своего порта на другой. В процессе установления коммутируемого соединения, коммутатор строит специальную таблицу ассоциаций, которая называется таблицей коммутации. Эта таблица описывает, как коммутатор должен обрабатывать ячейки, принадлежащие какому-либо соединению. Иными словами, таблица коммутации указывает, как коммутатор должен передавать трафик с определенными идентификаторами VPI/VCI.

При получении ячейки идентификаторы VPI/VCI проверяются коммутатором и сравниваются с содержимым таблицы коммутации. По результатам сравнения определяются выходные значения идентификаторов, которые должны быть записаны в заголовок ячейки. Кроме того, определяется порт, через который она должна быть послана. После того как коммутатор определил направление пересылки ячейки, он изменяет содержимое полей VPI/VCI в ее заголовке и передает ее через выходной порт.

Наиболее сложной функцией, выполняемой коммутаторами ATM, является обслуживание протокола сигнализации, применяемого для установления коммутируемого виртуального соединения. В сетях ATM этот процесс происходит на интерфейсах UNI и NNI. Наибольшая интенсивность обмена сигналами достигается в моменты создания и завершения соединения. Во время передачи данных по установленному соединению необходим лишь периодический обмен сигналами для подтверждения существования этого соединения. Весь процесс сигнализации происходит под управлением протокола PNNI, в основе которого лежит идея иерархии групп коммутаторов. Этот протокол служит для создания соединения, вычисления кратчайшего маршрута передачи данных и, в случае отказа технических средств в сети, формирования обходных (альтернативных) маршрутов.

В этой связи очень важна способность коммутаторов поддерживать все существующие версии интерфейсов UNI (3.0, 3.1, 4.0), NNI и PNNI. По крайней мере, необходимо, чтобы коммутаторы сети были совместимы по версиям UNI и PNNI. При отсутствии совместимости соединение установить невозможно. Производители оборудования ATM, в принципе, решили эту проблему. Сейчас начат выпуск коммутаторов, способных автоматически распознавать версии интерфейса UNI, которые использует конечная станция.

При функционировании коммутатора в сети с использованием технологии LANE наиболее важными его характеристиками являются скорость обработки запросов на соединения, возможность неблокируемой работы, время задержки при пиковой нагрузке и применяемые механизмы очередей. Кроме того, так как технология LANE требует большого количества виртуальных соединений, важное значение имеет допустимое число (как в целом, так и в расчете на один порт) одновременно существующих виртуальных соединений, которые может поддерживать коммутатор.

Если разделить функционирование коммутаторов на три фазы – создание коммутируемого виртуального соединения, передача данных по нему и завершение этого соединения, – то можно сказать, что в первой и последней фазах основной характеристикой коммутатора, определяющей его пропускную способность, является количество устанавливаемых соединений. Как уже указывалось ранее, в соответствии с этим показателем коммутаторы можно условно разделить на три группы.

Для оценки производительности коммутатора на этапе обмена данными по установленному виртуальному соединению применяются два параметра: задержка при передаче и флуктуация скорости, которые достаточно тесно взаимоувязаны. Задержка при передаче определяется, в основном, временем обработки ячеек коммутатором ATM. Это время можно условно разделить на время приема данных, время внутренней обработки и время, необходимое для передачи ячеек в канал связи.

Флуктуация скорости потока ячеек существенна только для трафика, передаваемого с постоянной скоростью. Для поддержки постоянства скорости трафика коммутатор располагает, в общем случае, двумя механизмами стабилизации: отбрасыванием ячеек при превышении скорости (в случае возникновения перегрузок) и добавлением новых ячеек к потоку при снижении скорости.

В полной мере реализовать первый механизм коммутатору ATM не позволяют специальные меры, применяемые в сети, такие как наделение ячеек приоритетом. Обнаружить перегрузку помогают механизмы обратной связи, о которых рассказывается ниже. Кроме того, в соответствии с базовым принципом асинхронной передачи, для передачи ячеек используется временное разделение каналов. Если в определенном интервале времени нет ячейки с данными для передачи, ее место занимает пустая ячейка. Число таких пустых ячеек может меняться в определенных пределах. Например, если во входном потоке трафика с постоянной скоростью после каждой информативной ячейки следуют сто пустых, то на выходе может оказаться другое количество пустых ячеек. Такая флуктуация скорости передаваемого трафика может привести, например, к искажению передаваемого изображения.

Время приема ячеек в коммутатор определяется, в основном, его буферной памятью и механизмом управления этой памятью. Существуют три варианта организации буферной памяти: на входе коммутатора, в узлах коммутирующей матрицы и на выходе коммутатора.

Основная задача буферной памяти коммутатора – обработка всплесков трафика, которые порой значительно превышают средний уровень. В загруженных сетях не исключены ситуации, когда объем трафика может значительно превысить пропускную способность портов коммутатора ATM. Как раз в таких случаях, коммутатор должен временно поместить избыточные ячейки в буфер до тех пор, пока трафик не спадет и не освободится полоса пропускания. Затем ячейки можно будет передать по назначению. Механизм буферизации непосредственно влияет на задержку при передаче и флуктуацию скорости.

В сетях ATM каждый порт коммутатора может обслуживать несколько виртуальных соединений, как постоянных, так и коммутируемых. Между этими соединениями и происходит перераспределение имеющейся полосы пропускания. Нельзя исключить ситуацию, когда трафик с постоянной скоростью одного виртуального соединения будет делить полосу пропускания с максимальным всплеском трафика другого соединения.

Если коммутатор настроен на передачу трафика с постоянной скоростью, такой трафик получит более высокий приоритет на этом порту коммутатора, даже если трафик других типов более интенсивен. Поток трафика с постоянной скоростью должен транзитно пройти через коммутатор, может быть, в ущерб другим виртуальным соединениям, которые не настроены на этот режим передачи.

Естественно, помимо механизма буферизации важен и собственно размер буферной памяти. Нетрудно понять, что при больших скоростях, присущих технологии ATM, любой буфер может быть заполнен практически мгновенно, поэтому необходимо использовать механизмы, которые не допускают перегрузки. При определении размера буфера следует учитывать несколько соображений. При увеличении объема буфера разрастаются входные и выходные очереди, тем самым, увеличивается время приема данных и время передачи ячеек в канал связи. С другой стороны, большой размер буфера позволяет не снижать пропускную способность коммутатора в моменты перегрузок за счет сохранения большего числа ячеек. В таком случае не потребуется повторная передача данных. В результате общая производительность сети не пострадает. Естественно, следует учитывать и финансовый аспект: чем больше память, тем дороже коммутатор ATM.

Существует несколько механизмов буферизации. Разделяемая память означает наличие единого большого пула буферов, которые доступны всем портам. Если буферизацию должны выполнить сразу несколько портов, имеющиеся буферы распределяются между ними. Если буферизуется только один порт, он получает доступ ко всему пространству памяти. В противоположность этому подходу выделенная архитектура предполагает, что за каждым портом закреплен строго определенный объем буферной памяти. Буферы не могут перераспределяться между портами, зато каждому порту доступен гарантированный объем памяти при любых условиях. На рис. 12.1 показан пример функциональной схемы коммутатора.

Применение разделяемой памяти позволяет снизить стоимость устройства, поскольку суммарный объем памяти, устанавливаемой в коммутатор, в этом случае оказывается меньше. Тем не менее такая архитектура обеспечивает буферное пространство, достаточное для подавляющего большинства приложений. Выделенная память может оказаться дорогостоящим решением, особенно если за каждым портом закрепляется значительный объем памяти. Функциональной компенсацией за увеличение цены является то, что всплеск трафика через один порт не скажется на других соединениях.

В современных коммутаторах от компаний Fore Systems, Cisco и т. д. применяют две основные схемы управления буферной памятью: интеллектуальное отбрасывание ячеек и постановка в очередь по виртуальным каналам. В соответствии с первой схемой, прежде чем ячейка будет отброшена, выясняется ее принадлежность к тому или иному отправителю. Ячейки от менее приоритетного отправителя могут быть отброшены. Вторая схема работает аналогично первой, но оперирует с потоками данных.

Расширение функциональных возможностей коммутаторов за счет этих решений (и некоторых других, таких как гибкое динамическое распределение буферной памяти) позволяет адаптировать коммутатор к любой сети с любыми характеристиками трафика.

Коммутаторы так же часто анализируются по следующим характеристикам:

q архитектура;

q возможность интеграции;

q управляемость.