45427

Концептуальные основы технологии АТМ

Доклад

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

АТМ относится к технологии с асинхронным режимом передачи. 1 – коммутация каналов с одной фиксированной скоростью; 2 – многоскоростная система с коммутацией каналов; 3 – выскоскоростная система с коммутацией каналов; 4 – технология АТМ или асинхронный режим передачи; АТМ – synchronous Trnsfer Mode. Для систем передачи с коммутацией каналов характерна постоянная скорость передачи и отсутствие всплесков нагрузки. Если пользователь генерирует в какойто момент времени более интенсивный поток информации чем способна передавать система с...

Русский

2013-11-17

994 KB

9 чел.

Концептуальные основы технологии АТМ.

Технология АТМ относится к технологии, обеспечивающим технологию коммутации. Из всех технологий коммутации, технология АТМ является оптимальной с точки зрения сложности и простоты организации канала, а так же обеспечения динамического изменения скорости канала с обеспечением минимального гарантированного количества передаваемой информации.

АТМ относится к технологии с асинхронным режимом передачи. Асинхронное взаимодействие обеспечивается для тактовой частоты передатчика и тактовой частоты приемника. Разница между этими частотами сглаживается за счет вставки либо удаления пустых или неассоциированных пакетов в информационный поток.

АТМ является «золотой» серединой между технологией построения систем с коммутацией пакетов и коммутацией каналов.

1 – коммутация каналов с одной фиксированной скоростью;

2 – многоскоростная система с коммутацией каналов;

3 – выскоскоростная система с коммутацией каналов;

4 – технология АТМ или асинхронный режим передачи;

АТМ – Asynchronous Transfer Mode.

5 – высокоскоростные каналы с коммутацией пакетов;

6 – каналы с ретрансляцией кадров через специальное устройство;

7 – каналы с коммутацией кадров;

8 – каналы с коммутацией пакетов.

Для систем передачи с коммутацией каналов характерна постоянная скорость передачи и отсутствие всплесков нагрузки. Если пользователь генерирует в какой-то момент времени более интенсивный поток информации, чем способна передавать система с коммутацией пакетов на входе в систему, этот поток будет ограничен скоростью канала передачи с потерей качества.

Система с коммутацией пакетов позволяет работать с переменной скоростью, за исключением того, что поток абонента ограничивается имеющимися каналами. Однако, механизмы реализации этого режима являются сложными и техника коммутации такова, что задержка в канале является произвольной и случайной. Соответственно, для передачи видеосигнала данная система не подходит.

В свое время технология АТМ вобрала оба достоинства систем с коммутацией канала и системы с коммутацией пакетов.

Недостатком АТМ является статические уплотнения в соединение линий выполняется менее эффективно, чем в системе с классической пакетной коммутацией.

Это выражается в том, что если абонент заказал определенную пропускную способность для своего соединения, но фактически не пользуется, то эта пропускная способность не может быть предоставлена под новое соединение.

Внедрение АТМ позволяет для системы получить следующие преимущества:

  1.  Гибкость – в технологии АТМ используются развитые системы кодирования и сжатия данных. Соответственно, снижаются требвания по скорости передачи. При возникновении новых служб, АТМИ не требует модификации сети, т.к. распределение ресурсов под сервисы осуществляется равномерно.
  2.  Эффективное распределение ресурсов. Все доступные ресурсы сети могут использоваться всеми службами с оптимальным статическим разделением. При этом не уменьшается качество передаваемых данных, т.е. любой трафик любого типа всегда передается с гарантированным качеством.
  3.  Создание единой универсальной сети. Поскольку требуется разработать и поддержать только одну сеть, полная стоимость системы может быть меньше, чем суммарная стоимость всех существующих сетей.

АТМ легла в основу создания широкополосных сетей и была утверждена международным комитетом по телекоммуникациям.

Технология ATM - наследница технологии STM.

Наиболее сложной задачей является совмещение в одних и тех же каналах связи и в одном и том же коммуникационном оборудовании компьютерного и мультимедийного трафика, к которому относится трафик, создаваемый при передаче голоса и изображения в цифровом виде. рассмотрим технологию синхронного режима передачи данных - Synchronous Transfer Mode, ее также называют технологией временного мультиплексирования - Time Division Multiplexing, TDM - появилась в начале 60-х годов. Она основана на дискретном во времени кодировании речевого сигнала. Данные передаются отдельными пакетами фиксированных размеров, чаще всего по 8 бит. Каждый такой пакет представляет один оцифрованный замер амплитуды голоса. Замеры производятся с частотой 8КГц, следовательно пакеты по цифровым сетям также должны передаваться с этой частотой, чтобы на приемном конце обратное преобразование данных из цифровой формы в аналоговую произошло без искажений. Любая рассинхронизация голосовых пакетов ведет к ухудшению качества звука, например, задержка даже в 5 миллисекунд приводит к появлению эхо на линии связи. В связи с этим требование обеспечения синхронности трафика является одним из основных в цифровых телефонных сетях. Как и в аналоговой телефонии, сети STM представляет собой сети с коммутацией соединений. Таким образом взаимодействующие узлы захватывают и удерживают канал, пока не сочтут необходимым рассоединиться, независимо от того, передают они данные или "молчат". Однако в технологии STM это скорее "виртуальный" канал, а не физический, как в аналоговых телефонных сетях, так как непосредственного физического соединения при установлении STM-соединения не происходит. Коммутация осуществляется цифровыми коммутаторами, передающим пакеты каждого канала между собой с промежуточной буферизацией, в результате которой и происходит смена принадлежности пакета какому-то конкретному каналу: в буфер пакеты записываются в порядке поступления.
Процесс коммутации.

Сеть состоит из каналов конечных абонентов (от 1 до N), мультиплексоров, объединяющий синхронный трафик различных каналов конечных абонентов в высокоскоростной тракт, коммутаторов, выполняющих передачу пакетов с канала на канал, и демультиплексоров, распределяющих общий трафик высокоскоростного тракта между низкоскоростными каналами конечных абонентов. Все устройства этой сети работают циклически, разделяя время цикла работы T, общее для всех устройств сети, на определенное количество временных интервалов, называемых тайм-слотами. В течение одного тайм-слота обслуживается один канал конечного абонента, то есть общее время работы любого устройства STM-сети разделяется между конечными абонентами, поэтому STM-технология и имеет второе название - технология разделения времени, TDM. Мультиплексор TDM во время каждого тайм-слота принимает пакет от одного низкоскоростного входного канала, и передает его на выход общего высокоскоростного канала. За цикл своей работы T он проделывает эту операцию со всеми N входными каналами, так что на выходе создается последовательность из N пакетов входных каналов - так называемая обойма или уплотненный пакет. Номер пакета в обойме соответствует номеру входного канала, то есть является адресом абонента. После этого мультиплексор начинает новый цикл работы, опять обходя все входные каналы, начиная с первого. В результате на выходе появляется следующая обойма. При образовании уплотненного канала синхронизм пакетов, который существовал во входных каналах, не должен нарушаться. Далее пакеты уплотненного канала поступают в TDM-коммутатор. Для выполнения операции коммутации пакеты одной входной обоймы записываются в буферную память коммутатора в том порядке, в котором они пришли от мультиплексора. Принадлежность пакета определенному абоненту определяется по порядковому номеру пакета в обойме. После записи в память всех пакетов обоймы, коммутатор начинает их извлекать оттуда и передавать в виде обоймы на выходной канал. Однако извлечение пакетов из памяти производится коммутатором не в том порядке, в котором они были туда записаны, а таким образом, чтобы пакет приобрел в выходной обойме тот порядковый номер, который соответствует выходному каналу, определенному заданной операцией коммутации. (номер пакета в самом пакете не содержится, он подсчитывается только мультиплексорами, коммутаторами и демультиплексорами). Скорость работы коммутатора должна быть достаточной для того, чтобы временные интервалы между пакетами конечных абонентов не изменились.

Демультиплексор просто распределяет в течение каждого своего цикла работы пакеты обоймы по выходным каналам - первый пакет обоймы на первый выходной канал и т. д.
В результате в технологии STM каждый входной и выходной канал ассоциируется с фиксированным номером слота или нескольких слотов в конкретной обойме. Однажды захваченный слот остается в распоряжении соединения "входной канал - выходной канал" в течение всего времени существования этого соединения, даже если трафик является пульсирующим и не всегда требует захваченного количества слотов.

Защита от ошибок и процедуры управления потоком данных на участках между узлами.

В связи с тем, что большинств каналов в сети являются каналами с невысоким качеством передачи информации, припередаче данных между узлами возникают ошибки.

Вторым фактором возникновения ошибок является то, что при передаче между пользователем и сетью может возникнуть временная перегрузка, что вызовет отбрасывание пакетов. На самих узлах действие по устранению ошибок при возникновении сбоя не предпринимаются.

По этой причине в сети АТМ не используется аналоговая передача сигнала, а реализуются методы защиты от ошибок и процедуры управления потоком данных между узлами.

Что касается ошибок, вызванных потерей данных в узлах коммутации, определяется в соответствии с вероятностью таких событий. Вероятность событий удерживается на допустимом уровне за счет точного резервирования ресурсов системы на каждый абонентский поток.

АТМ неподразумевает наличие систем управления потоком.

Разделение ресурсов производится с помощью анализа незанятой пропускной способности каналов, а так же последовательным статистическим прогнозом о длине очередей пакетов на доступ к каналу.. вероятный размер очередей недолжен выйти за пределы памяти, имеющихся у узла. В результате расчетов, вероятность потери пакета устанавливается не выше 1,-8-1,-12 пакетов на процесс передачи.

Ошибки при передаче и при переполнении памяти приводят к следующим потерям:

  1.  Простые поражения битов данных. Часть данных исключается и становится равным либо началу очереди, либо неизвестному буферу.

Процесс записи в очередь выполняется циклически. И при неудачной передаче часть данных может быть испорчена из-за перезаписи. Поэтому в большинстве систем передачи вводят дополнительный резерв памяти, который гарантирует передачу информации на заданном уровне без перезаписи. Недостаток этого, что требует проводить синхронизацию передачи.

 

Буфер делится на N частей. Каждая часть равна размеру, который система передачи может передать за один такт + 2÷3 слова данных добавляется в каждый участок для паразитных параметров. Паразитные параметры – это те параметры, которые передаются не каждый такт.

При этом процесс передачи информации делится на 2 такта:

  1.  заполняется первый буфер, отправляется последний;
  2.  заполняется второй – отправляется первый;

отправляется N – записывается (N-1) такт.

После передачи очередного такта в канал могут быть переданы необходимые данные и часть паразитных данных, которые впоследствии могут быть отброшены.

Очередной такт передачи начинается с первого слова следующего кадра.

2. потери пакетов. Потери пакетов возникают вследствие несинхронного доступа систем передачи в канал связи или в связи с обрывом линии.

Если возникла ситуация потери пакета, передающая система должна повторить передачу утерянной информации.

В сети ATM предполагаются следующие действия для предотвращения этой ошибки:

  •  выводится специальная система кодирования с исправлением ошибок в отношении заколовка пакета.
  •  ограничивается передача информации для избежания                       переполнения и потерь в случае переполнения.

Но АТМ не включают средства по управлению абонентским потоком, поэтому система работает по принципу ориентации на соединение. То есть при установке соединения между подсистемами передачи производится согласование допустимых параметров трафика, на уровне которых не обеспечивается передача информации. Эти параметры в процессе передачи изменяться не могут.

  1.  вставка пакетов. Проблема вставки пакетов в ATM решаются таким образом, как и при потере пакетов, то есть установкой допустимых параметров.

Проблема вставки пакета возникает при несинхронном действии подсистем и наличии паразитных параметров.

Перед процессом передачи данных выполняется фаза установки соединения. Если определенных ресурсов для установки соединения нет, то соединение получает отказ.

Ограничение функций обработки заголовка.

Для обеспечения быстрой обработки пакетов размер заголовка должен быть коротким. Основная функция заголовка относится к идентификации виртуальные соединения.

Понятие виртуальное соединение перенесено из X.25/

Для идентификации производится установка в заголовке служебной информации. После объявления идентификатора производится мультиплексирование многих виртуальных соединений в одной линии. Если после помещения пакета в линию, он будет поражен, то производится ошибка, связанная с неверной маршрутизацией и произойдет отказ передачи.

Для уменьшения такой вероятности вводится метод обнаружения и исправления ошибок.

Процесс защиты от ошибок в ATM основывается на адаптивном методе коррекции ошибок:

Алгоритм:

В нормальном режиме (при отсутствии ошибок) заголовок обрабатывается в режиме коррекции однократных ошибок.

Если система обнаружила ошибку и исправила ее, то она автоматически переходит в режим обнаружения. Исправление в системе возможно только одной ошибки.

Данное правило необходимо, чтобы защитить систему от передачи неправильных данных при обнаружении ошибок в нескольких пакетах.

В случае исправлении ошибки и получения следующего правильного пакета, система всегда сможет обнаружить следующий ошибочный пакет.

Кроме этого, в заголовок также накладывается ограниченный набор функций для эксплуатации соединения.

Основной задачей построения пакетов в ATM являются: минимальное время на обработку одного пакета и обеспечения скорости передачи.

По сравнению с другими технологиями коммутации пакетов в ATM размер поля идентификации является небольшим. Для уменьшения размера буфера и уменьшения фазовых флуктуаций (разброс постановки событий в очередь).

Размер поля информации в ATM.

Размер поля данных в пакете должеен быть достаточно небольшим (см.выше). Первое предложение – 16 байт – эта величина предпологалась быть фиксированной для всех пакетов. Но на самом деле у постоянной или переменной длины свои плюсы и минусы.

С точки зрения использования канала предпочтительней является использование переменной длины пакета для эффективной передачи данных. Но при возрастании объема передачи преимущества переменной длины снижается, так как вносимая избыточность при фиксированной длине является малой по сравнению с пользовательскими данными..

При этом, если используется фиксированная длина, процесс передачи более организован с точки зрения синхронизации и алгоритмов декомпозиции пакетов.

В технике передачи фиксированная длина пакета называется ячейкой.

Поэтому ячейка – это минимальная информационная единица. Размер ячейки ориентирован на 32 и 64 байта. При рассмотрении различных величин длины пакета рассматривалась зависимость (влияние) на передачу информации задержек коммутации данных.

Расчеты для выявления были произведены для скорости 150 Мбит/сек. Были получены результаты:

L – длина поля данных,

H – длина заголовка.

В результате: эффективная длина – 48 +5 на заголовок – 53 байта.

Большинство промышленных систем используют 53 байта.

Процедура обработки заголовка.

Основной характеристикой технологии ATM является ограничение функций системы по обработке заголовка.

ATM-система, ориентированная на предварительное установление соединения, поэтому в каждой ячейке не надо анализировать адрес абонента. Каждое соединение идентифицируется в уникальный номер.

Защита  от ошибок реализуется в рамках пользовательской службы, поэтому основной функцией заголовка является анализ идентификатора виртуального соединения и маршрутизация в соответствии с этим идентификатором.

2 вида идентификаторов:

1 – VCIVirtual Channel Identifier – идентификатор виртуального канала;

2 – VPIVirtual Patch Identifier – идентификатор виртуального пути.

VCI определяет динамически создаваемые соединения. Под идентификатором VCI в заголовке отводится 16 бит. Присвоение определяется на этапе установки соединения и данный номер изменяется от участка к участку. На каждом магистральном участке имеется свой VCI.

VCI необходим для того, чтобы идентифицировать соединение между абонентами вне зависимости от передаваемых данных.

VCI позволяет создавать виртуальные каналы.

  

VPI определяет статически создаваемые соединения. Необходим для того, чтобы определить путь между абонентами для передачи данных. Изначально, при установке соединения, все соединения создаются по VPI=0. Поэтому идентификация производится по идентификатору VCI.

При этом идентификатор канала для разных идентификаторов путей может совпадать. При едином для всех номере VРI, номер VCI совпадать не может.

Под идентификатор виртуального пути в заголовке ячейки отводится от 8 до 12 бит. Поэтому в системе количество виртуальных путей варьируется от 28 до 212.

Дополнительной функцией заголовка является разделение логических соединений по приоритетам. Приоритет означает, что в некоторой ячейке допускается потеря информации с большей вероятностью, чем на остальные.

При отсутствии приоритетов разделение передачи осуществляется методом деления ресурсов.

При эксплуатации все ячейки делятся на 2 категории:

  •  информационные;
  •  управляющие.

Данная информация также определяется в заголовке.

Тип кадра определяется по идентификатору PTI (Payload Type Identifier) – идентификатор типа поля данных. Данное средство позволяет делить абонентский поток.

Принцип синхронизации в ATM.

В любой пакетной системе  приемник должен иметь возможность определения границ пакета.

Для гарантирования того, чтобы не произошло перекрытие передаваемых данных вводится специальная процедура битстаффинга.. но для технологии ATM использование данной процедуры является нежелательным, так как передача осуществляется на высоких скоростях.

Несколько вариантов реализации алгоритма:

1 – передача последних ячеек с верным заголовком;

2 – последовательность ячеек с неверным заголовком;

3 – проверка бита за битом (побитовая синхронизация);

4 – по-ячейковая синхронизация.

Процесс основан на анализе проверочного бита в каждой ячейке.

ATM может находиться в одном из трех состояний:

  1.  Рассинхронизация.
  2.  Пересинхронизация;
  3.  Синхронизация.

Устройство находиться в рассинхронизации в первый момент времени при запуске и при потере синхронизации. В данном состоянии система просматривает канал на предмет обнаружения правильной ячейки. При обнаружении правильной ячейки система переходит в состояние пересинхронизации. Находиться в нем до тех пор, пока не будет обнаружено заданное количество правильных ячеек. После этого считается, что механизм синхронизации установлен. Переход от синхронизации к рассинхронизации осуществляется при выявлении нескольких неправильных ячеек. Проверка осуществляется с помощью тестирования заголовка.

Структура стека протоколов ATM.

Технология ATM в отличие от других сетевых технологий является технологией, которая построена без использования модели ВОС. А в соответствии с рекомендацией МККТТ J323.

Модель предполагает использование концепции нескольких плоскостей для разделения пользовательских функций, функций разделения и контроля.

Модель содержит три плоскости:

1 – пользовательская – для передачи абонентской информации.

2 – плоскость контроля – передача информации сигнализации.

3 – плоскость управления – для систем эксплуатации сети и реализации оперативных функций.

  

Кроме этого, в систему добавлено третье измерение – управление плоскостями (10). Ее задачей является управление системой в целом.

9 – плоскость управления;

8 – пользовательская плоскость;

7 – плоскость контроля.

  1.  Физический уровень. Данный уровень совпадает по функциям модели ВОС и занимается обработкой потока бит.
  2.  Уровень ATM. Является нижней частью второго уровня модели. Физическая передача данных и формирование ячеек.
  3.  – 4 Уровень адаптации – основной. Выполняет задачи по приспособлению использования протоколов верхних уровней.

5 – 6  Протоколы верхних уровней – служат для организации системной передачи информации. За исключением механизмов коммутации и маршрутизации, которые выполняются на уровне AAL.

Для плоскости контроля сигнализация эквивалентна нижней части второго уровня ВОС. А пользовательская часть определяет нижнюю часть транспортного уровня.

Уровень адаптации ATM.

Уровень AAL обеспечивает связку сервиса ATM с пользовательским уровнем. На данном протоколе реализованы функции пользовательской  плоскости, плоскостей контроля и управления. Поэтому существует несколько вариантов реализации уровней AAL.

AAL делится на 2 подуровня:

  1.  сборка/разборка ячеек – заключается в разделении входной информации на части, пригодные для передачи в ячейке;
  2.  конвергенция (подтягивание) – функция идентификации сообщений, синхронизации абонентских установок – подстройка системы под существующие условия.

В настоящее время существует 5 различных способов реализации AAL. Каждый предназначен для поддержки своего типа службы.

Форматы ATM.

Структура формата делится на 2 группы:

  1.  пользователь – сеть

GFC

VPI

VPI

VCI

VCI

VCI

PTI

CLP

HEC

  1.  внутрисетевой.

VPI

VPI

VCI

VCI

VCI

PTI

CLP

HEC

Размер заголовка составляет 5 байт. Различия в том, что во внутрисетевом отсутствует поле GFC. Это поле общего управления потоком.

За счет этого поле увеличивает размер поля VPJ: вместо 8 байт – 12 байт. Все остальные 48 байт заполняются на уровне ATM информацией с верхних уровней. Поэтому узлы на уровне ATM не анализируются и не рассматриваются.

Данная информация касается только пользовательских данных.

Если передается управленческая ячейка, то анализ информации производится как служебных данных.

GFC – 4 бита первого байта заголовка предусмотрено для управления потоком на участке «пользователь-сеть».

Задачей сети является отбрасывание ячеек, в поле заголовка которых имеются несоответствующая действительности информация.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

18330. Технический анализ. Задачи технического анализа 50.77 KB
  Технический анализ Задачи технического анализа Технический анализ это совокупность процедур по разработке оптимальных технических проектных решений. В ходе технического анализа проводятся: Выбор и разработка технологического процесса. Б. Определени
18331. Управление проектами 997 KB
  Управление проектами 1. Проекты и управление проектами. Определения У термина €œпроект€ существует множество трактовок. Прежде всего Проект – это чтолибо что задумывается или планируется на будущее. Слово происходит от латинского €œprojectus брошенный вперед В ...
18332. Финансовый анализ управления проектами 202.16 KB
  Финансовый анализ Финансовый анализ инвестиционного проекта это совокупность приемов методов и процедур оценки его эффективности в течение всего проектного цикла во взаимосвязи с деятельностью предприятия объектом инвестирования. Финансовый анализ отдельного и
18333. Введение в информационную безопасность 98.5 KB
  Введение в информационную безопасность Словосочетание информационная безопасность в разных контекстах может иметь различный смысл. Под информационной безопасностью мы будем понимать защищенность информации и поддерживающей инфраструктуры от случайных или предн...
18334. Законодательный уровень обеспечения информационной безопасности 166 KB
  Законодательный уровень обеспечения информационной безопасности Законодательный уровень является важнейшим для обеспечения информационной безопасности. Большинство людей не совершают противоправных действий не потому что это технически невозможно а потому что
18335. Стандарты и технические спецификации в области информационной безопасности 189 KB
  Стандарты и технические спецификации в области информационной безопасности Бывают оценочные стандарты направленные на классификацию информационных систем и средств защиты по требованиям безопасности и технические спецификации регламентирующие различные аспекты...
18336. Административный уровень обеспечения ИБ 106 KB
  Административный уровень обеспечения ИБ К административному уровню информационной безопасности относятся действия общего характера предпринимаемые руководством организации. Главная цель мер административного уровня сформировать программу работ в области инфор
18337. Введение в криптографию 90 KB
  Введение в криптографию Криптография это дисциплина изучающая способы защиты процессов информационного взаимодействия от целенаправленных попыток отклонить их от условий нормального протекания основанные на криптографических преобразованиях то есть преобраз...
18338. Симметричные алгоритмы шифрования 287.5 KB
  Симметричные алгоритмы шифрования Алгоритм DES Алгоритм DES Data Encryption Standard федеральный стандарт США на котором основан международный стандарт ISO 837287. DES был поддержан Американским национальным институтом стандартов ANSI и рекомендован для применения Американской асс...