Sieci X.25 a wymagania sieci WAN
W czasie tworzenia standardu X.25 poziom techniki teletransmisyjnej i jakość medium fizycznego narzucały wysoką stopę błędów. X.25 zapewnił stosunkowo dobrą jakość i będąc pierwszym uniwersalnym protokołem przyczynił się do rozwoju sieci transmisji danych. Sieci X.25 a wymagania sieci WAN Nastąpił znaczny wzrost mocy obliczeniowej komputerów przyłączonych do sieci, przez co stacje końcowe mogły przejąć większą część funkcji urządzeń sieciowych. Znacznie wzrosła szybkość przesyłania danych poprzez łącza (w latach 70- tych było to zwykle poniżej 9600 bit/s). Założenia, które przyjęto przy jego projektowaniu stały się obecnie nieaktualne, ponieważ: Medium fizyczne stało się bardziej niezawodne, co oznacza mniejszą stopę błędów oraz brak potrzeby stosowania aż tak rozbudowanej sygnalizacji, która zawężała przepustowość systemu. Dublowanie funkcji drugiego i trzeciego poziomu modelu OSI-ISO okazało się nieefektywne. Pierwotne rozwiązanie stawało się coraz bardziej niewygodne i drogie – szczególnie w przypadkach, gdy wymagane były duże prędkości transmisji przy jednoczesnej niskiej zajętości linii [godzin/dobę].

Sieci X.25 a Frame Relay
Podobnie jak i w sieciach X.25, standard Frame Relay przewiduje podział urządzeń podpiętych do sieci na dwie kategorie DCE (Data Communications Equipment) – urządzenie stanowiące węzeł sieci, odpowiedzialne za przesyłanie danych wewnątrz sieci DTE (Data Terminal Equipment) – urządzenie końcowe transmisji, czyli np. stacja u abonenta sieci Frame Relay To implikuje istnienie dwóch rodzajów styków: styku pomiędzy abonentem, a siecią UNI (User-Network Interface) styku wewnątrzsieciowego NNI (Network Node Interface) Technologia Frame Relay, tak jak X.25, wykorzystuje ideę połączeń logicznych, czyli tzw. kanałów wirtualnych, oraz implementuje zmienną długość ramki, co pozwala na bardziej optymalne wykorzystanie sieci. Zasadnicza różnica pomiędzy obydwoma standardami bierze się z faktu innego rozłożenia zadań sieci na poszczególne warstwy modelu OSI. W sieci X.25 transmisja danych angażowała najniższe trzy warstwy modelu OSI (fizyczną, łącza danych i sieciową), natomiast w sieci Frame Relay wszystko zamyka się w dwóch najniższych warstwach, a warstwa sieciowa nie jest już konieczna wewnątrz sieci (styk DTE-DCE definiuje się tylko dla dwóch pierwszych warstw) Zalecenie X.25 zakładało, że urządzenia DTE będą to proste (można powiedzieć mało inteligentne) stacje i to sieć będzie się zajmowała wszystkim. Natomiast Frame Relay obciąża wieloma funkcjami stacje końcowe (DTE), dzięki czemu sieć może być prostsza i szybsza.
Rys 1 Funkcja korekcji błędów i retransmisji została zatem przeniesiona do warstwy trzeciej (sieciowej), która jest implementowana już po stronie odbiorcy (DTE) – chodzi tu o protokoły warstw wyższych, które posiadają algorytmy korekcji błędów np. IPX/SPX czy TCP/IP).
Rys 2

Protokoły Frame Relay

1) Działanie stosu protokołów sieci z przekazywaniem ramek obejmuje dwa obszary działań:
- obszar sterowania (sygnalizacji) związany z ustanawianiem, zarządzaniem, utrzymywaniem i rozłączaniem połączenia wirtualnego
- obszar transferu danych dotyczący przesyłania danych w połączeniu wirtualnym pomiędzy dwoma użytkownikami
2) Protokół sygnalizacyjny Q.933
- używany jest wyłącznie w usłudze SVC (dynamicznie przydzielane połączenia wirtualne); w przypadku usług PVC (stałych połączeń wirtualnych) jest zbędny
- wywodzi się z protokołu Q.931 używanego do sygnalizacji w sieciach ISDN
- wiadomości protokołu Q.933 są przesyłane w ramkach protokołu LAP-F, wyróżnionych wartością pola DLCI = 0
Rys 3

Wiadomości protokołu Q.933

1) Wiadomość ta składa się z:
- nagłówka zawierającego m.in. sekwencję identyfikującą protokół i określającą typ wiadomości,
- części informacyjnej zawierającej jeden lub kilka elementów informacyjnych. Elementy te służą m.in. do:
2) określenia parametrów połączenia wirtualnego
3) przesyłania adresów wywoływanego i wywołującego
4) określania pośrednich sieci tranzytowych
5) parametry ruchowe
Rys 4 Wiadomości protokołu Q.933
Rys 5

Element informacyjny Q.933

Rys 6

Protokół transferu danych LAP-F (Q.922)

* LAP-F wywodzi się z protokołu LAP-D (Link Access Protocol for D-channel), stosowanego w sieciach ISDN
* W sieciach z przekazywaniem ramek wykorzystywany jest tylko podzbiór protokołu Q.922 – tzw. protokół podstawowy
* Pełny protokół LAP-F, czyli tzw. protokół sterujący, jest instalowany w węzłach sieci z przełączaniem ramek.
* Protokół podstawowy LAP-F ma następujące cechy:
- istnieje tylko jeden typ ramki dla transferu danych
- nie ma ramek sterujących
- nie jest możliwe sterowanie przepływem i korekcja błędów, bowiem w polu adresowym nie występują numery sekwencyjne
- zadania sygnalizacji wypełniają protokoły warstwy wyższej strony nadawczej i odbiorczej

Ramki protokołu LAP-F

* Ramka składa się z 5 podstawowych części:
Rys 7
* Każda ramka jest ograniczona dwiema flagami: otwierającą i zamykającą, pomiędzy którymi są umieszczone: nagłówek, właściwa informacja oraz pole kontrolne FCS (Frame Check Sequence).
* Rozmiar ramki, z uwzględnieniem pola informacyjnego, jest definiowany w fazie ustalania połączenia i zależy od rodzaju usługi przekazywanej przez sieć. Stosowane są nagłówki o różnej długości: 2-, 3- i 4-bajtowe, zapewniające sterowanie odpowiednio 1024, 65536 lub 8388608 połączeniami wirtualnymi.
* W celu efektywnej realizacji procedur kontrolnych wskazane jest używanie ramek o stałej długości oktetów W przypadku pracy z przekazywaniem ramek w węzłach pośrednich implementowany jest wyłącznie protokół podstawowy LAP-F.
Rys 8 Jako protokół warstwy wyższej może być stosowany bez trudności pełny protokół LAP-F Q.933. W takim przypadku w ramce możemy wyróżnić część użyteczną protokołu podstawowego i sterującego
Rys 9
* W przypadku pracy z przełączaniem ramek w węzłach jest zaimplementowany kompletny protokół sterująco-kontrolny LAP-F
Rys 10

Pole adresowe LAP-F

* Pole adresowe może mieć długość 2 oktetów (domyślnie) 3 lub 4 oktetów
Rys 11,12

Interfejs UNI

* UNI (User to Network Interface) jest interfejsem pozwalającym na wymianę informacji pomiędzy użytkownikiem, a siecią. Dokumenty FRF definiują funkcje tego styku jako:
- zapewnienie komunikacji użytkownika z siecią
- oszacowanie natężenia ruchu w okresie zajętości łącza i innych parametrów transmisyjnych
- nadzór nad połączeniem, oraz inne funkcje zaimplementowane w interfejsie zarządzania LMI (Local Management Interface)
* Specyfikacje FR definiujące ten styk wykorzystują dwie pierwsze warstwy modelu ISOOSI .Nie jest ściśle określony sposób, w jaki ma zostać przesłana dana informacja. UNI jest zdefiniowany jako port, gdzie urządzenie użytkownika (np. router) łączy się z siecią przenoszącą ruch FR
Rys 13

Udoskonalenia interfejsu UNI

* Nadrzędny kanał zarządzający
- informacje o parametrach ruchu, priorytetach, klasie usługi
- umożliwienie automatycznej konfiguracji terminala użytkownika w zależności od parametrów sieci
* Protokół LMI (Local Management Interface) 1990 r.
- globalny kanał informujący o stanie połączeń logicznych
- wsparcie dla adresowania globalnego
- wsparcie dla transmisji typu multicast
* Do przesyłania informacji kontrolnych wykorzystuje ramkę LAP-F. Wyróżnia ją wartość DLCI = 1023
Rys 14

Budowa ramki LMI - LAP-F

Rys 15

Interfejs NNI

* W przypadku łączenia sieci FR zbudowanych z urządzeń od różnych producentów, pojawiał się problem z kompatybilnością. Dlatego Frame Relay Forum utworzyło zestandaryzowany styk NNI (Network - Network Interface)
* W interfejsie NNI został zestandaryzowany format ramki, oraz pole adresowe
Rys 16

Wykorzystanie PVC i SVC

* PVC - połączenie jest zestawiane statycznie przez administratora sieci, nie ma możliwości zmiany jego parametrów. Połączenie zawsze istnieje, nawet jeżeli nie mamy nic do przesłania
* PVC - zastępują łącza dzierżawione; dzięki multipleksacji statystycznej stanowią one korzystniejszą alternatywę dla nich (płacimy za mniejsze pasmo). PVC wykorzystywane są w sytuacjach, gdy często korzystamy z połączenia, a więc np. do łączenia ze sobą sieci lokalnych, multipleksacji ruchu z kilku terminali, intranetu.
* SVC i PVC mogą współistnieć w tej samej sieci, zapewniając lepsze spełnienie oczekiwań finansowych użytkowników (użytkownicy rzadziej korzystający z sieci płacą tylko za rzadko zestawiane połączenia SVC, użytkownicy potrzebujący ciągłego dostępu płacą za stałe połączenie PVC).
* SVC – mają zastosowanie, gdy z sieci korzystamy sporadycznie, możemy zestawić połączenie na krótki czas, zarezerwować duże pasmo, gdy tego potrzebujemy (voice, videokonferencje, dostęp do internetu, backup)
* SVC są także niezbędne w dużych sieciach, w których nie ma możliwości (i zasobów) dla utworzenia połączeń PVC każdy z każdym (unikamy n*(n-1)/2 połączeń

Połączenia SPVS

* W strukturze UNI, NNI zdefiniowano także przełączane PVC (SPVC), rozumiane jako procedura pozwalająca na zestawienie połączenia złożonego z PVC w segmencie UNI oraz SVC w segmencie NNI.
* Przy zestawianiu połączenia SPVC na styku UNI musi istnieć agent SPVC współpracujący z sygnalizacją PVC, oraz z sygnalizacją SVC na styku NNI
Rys 17,18

Technologia ATM

*Technologia ATM (Asynchronous Transfer Mode) powstała w wyniku kompromisu między dwoma już funkcjonującymi technikami cyfrowej transmisji szerokopasmowej:
*STM (Synchronous Transfer Mode)
*PTM (Packet Transfer Mode), łącząc zalety istniejących technologii przy jednoczesnej eliminacji większości wad tych systemów.
*Technika STM jest stosowana w sieciach ISDN, PTM zaś w lokalnych sieciach komputerowych
*Wywodząca się z telekomunikacji technologia ATM jest coraz częściej postrzegana jako technika łącząca standard przekazów telekomunikacyjnych sieci SDH (Synchronous Digital Hierarchy) na poziomie warstwy fizycznej z różnymi sieciami komputerowymi.
*Współcześnie tworzone sieci ATM osiągają bardzo duże rozmiary zarówno ze względu na rozpiętość geograficzną, jak też liczbę podłączonych do niej urządzeń końcowych, powodując wzrost komplikacji budowanych struktur
*ATM stanowi rozpowszechnianą technologię szkieletową dla złożonych sieci kampusowych, korporacyjnych, metropolitalnych i regionalnych
*ATM łączy zalety transmisji synchronicznej STM i pakietowej PTM:
Rys 19
*Technologia ATM jest obecnie jedną z najbardziej efektywnych technologii przekazu z wirtualizacją kanałów komunikacyjnych przeznaczonych do przesyłania usług multimedialnych (głosu, obrazu i danych), a także jest uważana za docelową technikę transmisji w szerokopasmowych sieciach rozległych WAN
*Łączy zalety techniki pakietowej z przekazami synchronicznymi przez sieci SDH.
Rys 20

Standard ATM

*Standard ATM, opracowany pierwotnie jako element specyfikacji BISDN (CCITT, 1988 r.), nie definiuje dokładnie konkretnego medium transmisyjnego między węzłami, lecz zasady komunikacji w sieci
*Umożliwia to zastosowanie technologii ATM w różnorodnych już istniejących środowiskach transmisyjnych wykorzystujących jako medium zarówno przewody koncentryczne (sieci lokalne, sieci rozsiewcze), światłowodowe (sieci LAN, MAN), jak i bezprzewodowe (sieci globalne)
*Od 1993 r. wszyscy liczący się producenci implementują technologię ATM we własnych urządzeniach przełączających (huby, przełączniki, routery)
*Do tej pory ukształtowały się następujące klasy przepływności w sieciach ATM: 25 Mb/s (w zaniku), 100 Mb/s, 155,52 Mb/s (powszechnie stosowane) oraz 622 Mb/s i 2,5 Gb/s dla sieci transportowych SDH
*Za pomocą technologii ATM są świadczone usługi:
-sieci lokalnych ATM/LAN - współpracujących bezpośrednio ze stacjami roboczymi w tradycyjnych technologiach komputerowych (Ethernet, Token Ring, FDDI);
-sieci rozległych - stosujących różne technologie dostępu (Frame Relay, SMDS) lub ATM, ale zapewniające przepływ danych w formacie ATM do urządzeń sieci publicznej;
-urządzeń sieci publicznej - jako centrale komutacyjne ATM współpracujące z siecią transmisyjną PDH, SDH lub SONET; początkowo jako sieć podkładowa, docelowo jako jednorodna forma transmisji globalnej ATM.

ATM Forum

*Uzgadnianiem i nieformalnym ustalaniem standardów sieci oraz zgodności urządzeń i przełączników ATM zajmuje się międzynarodowe konsorcjum ATM Forum, utworzone we wrześniu 1991 r. przy dużym udziale Cisco, NET, Northern Telecom i US Sprint
*ATM Forum skupia ponad 580 organizacji, w tym 168 członków aktywnych
*Organizacja ta zaleca wykorzystanie w charakterze fizycznych interfejsów ATM - sieci dla kilku technologii o różnych przepływnościach informacji: FDDI (100 Mb/s), Fibre Channel (800 Mb/s), SONET (52 Mb/s), SDH (155 Mb/s, 622 Mb/s, 2,5 Gb/s, a ostatnio również 10 Gb/s) oraz T3 (45 Mb/s).
*Dziedziny, w których ATM Forum wykazuje największą aktywność standaryzacyjną, obejmują:
-sygnalizację przez interfejs UNI (User to Network Interface): wersja 3.0 dla SVC (Switched Virtual Circuit), wersja 3.1 z uwzględnieniem skrętki UTP i łącza T1, wersja 4.0 uzupełniona o transmisję głosu;
-emulację LANE (LAN Emulation) według specyfikacji RFC 1483, wprowadzoną do emulowania sieci Ethernet/Token Ring w standardach ATM;
-standaryzację interfejsu PNNI (Private Network to Network Interface) - faza 0 i 1 z algorytmem dynamicznego routingu;
-zarządzanie trafikiem przez sieć ATM (uszczegółowienie parametrów ABR, CBR, UBR i VBR), a także przepływnością na styku ATM-WAN;
-zarządzanie siecią: specyfikacja M3 do zarządzania na styku sieci publicznych i prywatnych, specyfikacja NM-SWG określająca elementy zarządzania MIB (Management Information Bases)

Cechy standardu ATM

*Przekaz informacji w standardzie ATM charakteryzuje się następującymi właściwościami:
-przesyłaniem stałych porcji informacji o pojemności 53 bajty (w tym 48 bajtów informacji użytecznej), co ułatwia proces ich obróbki w węzłach sieci ATM;
-ustalaniem indywidualnych połączeń o dowolnej szybkości w obrębie przyjętych lub istniejących standardów (25 Mb/s, 100 Mb/s, 155 Mb/s, 622 Mb/s, 2500 Mb/s), dzięki przyporządkowaniu dowolnej liczby komórek do konkretnego połączenia użytkownika;
-obsługą transmisji izochronicznych (głos, obraz ruchomy, HDTV) z opóźnieniem nie większym niż 10 ms, przez zastosowanie przełączników ATM z szybkim przełączaniem komórek i połączeń;
-skalowaniem przepływności ścieżek i węzłów ATM, dzięki czemu wykorzystuje się w pełni maksymalną przepływność dowolnego medium transportowego. Wysoka przepływność torów światłowodowych w sieciach LAN i WAN stosowana do multipleksacji statystycznej poszczególnych kanałów pozwala na efektywne gospodarowanie łączem transmisyjnym
*Przekaz informacji w standardzie ATM charakteryzuje się następującymi właściwościami:
-tworzeniem przekazów głównie w trybie połączeniowym, co oznacza, że przed wysłaniem informacji właściwej występuje faza zestawienia łącza - według parametrów deklarowanych przez abonenta (typ usługi, przewidywana przepływność, deklarowany adres), a po zakończeniu przekazu - jego likwidacja;
-wirtualizacją połączeń przez sieć zarówno dla pojedynczych kanałów, jak i definiowanych grup kanałów zwanych ścieżkami. Jest to możliwe dzięki istnieniu odpowiednich identyfikatorów VCI (Virtual Channel Identifier) dla kanałów oraz identyfikatorów VPI (Virtual Path Identifier) dla ścieżek wirtualnych. Pola tych identyfikatorów znajdują się w nagłówku każdej komórki ATM przesyłanej przez sieć
*Przekaz informacji w standardzie ATM charakteryzuje się następującymi właściwościami:
-adaptacją strumienia komórek ATM do dowolnej przepływności medium transportowego, przez wprowadzanie komórek pustych, pomijanych w węźle docelowym;
-przypisaniem komórkom ATM (kanałowi, ścieżce, połączeniu między użytkownikami) konkretnej usługi, której parametry mogą być dynamicznie zmieniane, zarówno w fazie nawiązywania łącza, jak i w trakcie działania usługi komunikacyjnej;
-zapewnianiem "przezroczystości" przenoszenia informacji przez sieć ATM, a więc dostosowanie pracy sieci z różnymi protokołami komunikacyjnymi i do realizacji różnych usług

Interfejsy ATM

*W sieci szerokopasmowej opartej na technologii ATM rozróżnia się dwie podstawowe klasy interfejsów:
-styk użytkownika UNI (User to Network Interface) z siecią szerokopasmową, znajdujący się między sprzętem użytkownika a zakończeniem sieci, w którym są realizowane protokoły dostępu do sieci (przełączniki dostępowe);
-styk sieciowy NNI (Network to Network Interface) znajdujący się między węzłami ATM lub między węzłami komutującymi tej samej sieci NNI (Node to Node Interface).
Rys 21
*W celu zwiększenia zgodności przełączników pochodzących od różnych producentów i działających w odrębnych sieciach organizacja ATM Forum określiła dodatkowo (w 1995 r.) nowy interfejsowy standard PNNI (Private Network to Network Interface), definiujący szczegółowo współpracę przełączników ATM wraz z możliwością "uczenia się" topologii sieci, w której są instalowane.
*Przekaz i wzajemne pamiętanie w przełącznikach dodatkowych informacji o stanie i parametrach poszczególnych łączy (szerokość pasma, poziom QoS, opóźnienia przekazu komórek, uszkodzenia łączy itp.) obniża do minimum ilość przesyłanych informacji aktualizujących
*Dzięki temu zestawianie tras jest optymalne, bez generowania zbędnego ruchu w sieci.

Wirtualizacja połączeń

*Dowolna topologia sieci fizycznej może być wybrana do tworzenia struktury sieciowej ATM przez organizację wirtualnych połączeń logicznych, charakterystycznych dla tej technologii. Rozróżnia się dwa typy połączeń wirtualnych:
-kanał wirtualny VC (Virtual Channel) jako jednokierunkowe połączenie logiczne przez sieć między dwiema stacjami końcowymi, ustanawiane i przełączane dynamicznie przez węzły pośredniczące sieci (fizyczne przełączniki ATM)
-ścieżki wirtualne VP (Virtual Path) jako wiązka kanałów wirtualnych przebiegająca tą samą trasą co kanały wirtualne i łącząca dwóch użytkowników lub grupę abonentów końcowych zainstalowanych w tych samych węzłach dostępu.
*Główna zaleta takiego łączenia kanałów i ścieżek polega na prowadzeniu połączeń w sieci tą samą trasą, razem zgrupowanych i mogących być częściowo obsługiwanych wspólnie
*Dodanie lub ujęcie kanału wirtualnego w ścieżce w razie zmiany zapotrzebowania na przepływność połączenia między abonentami lub końcowymi węzłami dostępu jest stosunkowo proste, gdyż nie trzeba powtarzać procedury ustalania przebiegu trasy
*Zmiana przebiegu trasy całej ścieżki wirtualnej, spowodowana koniecznością uniknięcia przeciążenia węzła pośredniczącego lub związana z uszkodzeniem przełącznika ATM, powoduje automatycznie zmianę przebiegu wszystkich związanych z nią kanałów wirtualnych

Ścieżki i kanały wirtualne sieci ATM

Rys22

VPI i VCI

*Realizacja koncepcji ścieżek i kanałów wirtualnych w istniejącej topologii sieci jest zapewniona przez przydzielenie im odpowiednich identyfikatorów ścieżki wirtualnej VPI (Virtual Path Identifier) oraz kanałów wirtualnych VCI (Virtual Channel Identifier) w obrębie każdej ścieżki. Pola identyfikatorów VPI oraz VCI, znajdujące się w nagłówku każdego pakietu przesyłanego przez sieć ATM, są zwykle wypełniane i kasowane w węzłach dostępowych sieci oraz modyfikowane przez węzły pośredniczące. Tak zdefiniowana sieć połączeń umożliwia dowolne konfigurowanie struktury, niezależnie od topologii sieci z uwzględnieniem relacji:
-użytkownik-użytkownik, w których połączenia wirtualne są zakończone u abonentów, zapewniając dużą przepływność magistralową przez sieć;
-użytkownik-sieć, co odpowiada koncepcji centralki abonenckiej PABX w strukturach klasycznych;
-sieć-sieć, w których zakończenia ścieżek wirtualnych znajdują się w węzłach dostępowych sieci ATM lub w węzłach sieci współpracujących.
*Uzyskanie połączenia dwukierunkowego między abonentami wymaga zestawienia pary połączeń wirtualnych VC lub VP, przy czym połączenia te mogą być niesymetryczne, o strukturze jedno- lub wielopunktowej typu: unicast (point to point) - dwukierunkowo między dwoma użytkownikami, multicast (point to multipoint) stosowanej w obsłudze konferencyjnej lub broadcast niezbędnej w jednokierunkowych przekazach rozsiewczych

Identyfikacja ścieżek i kanałów wirtualnych w łączu ATM

Rys 23,24

Struktura komórki

*Struktura elementarnego pakietu, mającego postać komórki o stałej długości 53 bajtów, jest zdefiniowana w warstwie ATM
*Stosowanie pakietów o jednakowych rozmiarach umożliwia przewidywanie wymagań aplikacji na określony zakres pasma, gwarantując dostarczenie uzgodnionego pasma w odpowiednim czasie
*Istnieją dwa typy pakietów związane z odmienną konstrukcją nagłówka: pakiety generowane w węzłach dostępu z przyłączonym interfejsem UNI oraz pozostałe, tworzone w przełącznikach sieciowych ATM. Istotną różnicę wnosi pole GFC (Generic Flow Control) umożliwiające wielu przyłączonym abonenckim stacjom roboczym korzystanie z tego samego interfejsu UNI w obrębie swojej prywatnej sieci. W innych przypadkach 4-bitowe pole GFC służy do określenia klasy usługi, ułatwiając sterowanie przepływem informacji przez sieć dla różnych poziomów jakości usług QoS (Quality of Service).

Multipleksacja i przełączanie komórek

*Dynamiczne multipleksowanie wielu ścieżek i kanałów wirtualnych w jeden lub kilka strumieni cyfrowych, pomimo prostoty funkcji, jest najbardziej spektakularnym elementem całej sieci ATM. W odróżnieniu od znanej multipleksacji z podziałem czasu TDM (Time Division Multiplexing) w sieciach ATM stosuje się wyłącznie technikę multipleksacji etykietowanej LM (Label Multiplexing) interpretującej na bieżąco zawartość odpowiednich pól identyfikatorów VPI i VCI w komórkach nadchodzących asynchronicznie z wielu źródeł. W przypadkach spiętrzeń (burstiness) strumieni cyfrowych ponad deklarowaną średnią przepływność sieć (przełącznik ATM) jest przygotowana na chwilowy wzrost aktywności przez poszerzenie istniejącego pasma.
*Funkcja skalowalności przełączników i ścieżek ATM stanowi integralną cechę węzłów dostępowych i sieciowych, na których opiera się szybka, przebiegająca prawie bez opóźnień komutacja usług multimedialnych w sieciach ATM. Dzięki temu również sieć ATM, wykorzystując w pełni wysoką przepływność kabli światłowodowych oraz dysponując odpowiednio zarezerwowaną szerokością pasma komutowaną przez przełączniki ATM, jest w stanie obsługiwać aplikacje działające w czasie rzeczywistym.
*Dla maksymalizacji szybkości przekazu komórek przełączniki ATM nie mają warstwy sieciowej modelu odniesienia ISO/OSI, co oznacza, że przełączniki nie prowadzą kontroli błędów transmisyjnych, a stacja odbiorcza sama musi sprawdzić, czy przekaz był kompletny i poprawny. Sieć ATM, inaczej niż w sieciach typu X.25, nie odpowiada za błędne przesłanie komórki, gdyż założono, że urządzenia transmisyjne i media są bardzo dobrej jakości, a zatem mało podatne na zakłócenia i błędy
Rys 25

Transportowe przełączniki ATM

*W publicznych sieciach telekomunikacyjnych wyróżnia się następujące typy przełączników ATM:
-węzły dostępowe - dokonują konwersji zróżnicowanych protokołów usługowych sieci lokalnych na jednolity schemat ATM, zapewniający efektywny transport danych przez zasoby publicznych sieci telekomunikacyjnych. Węzły dostępowe cechują się przepływnością na poziomie kilku Gb/s i są wyposażone w wiele interfejsów umożliwiających dołączanie sieci LAN, central PABX oraz terminali indywidualnych użytkowników,
-przełączniki obszarowe, dokonujące integracji i dystrybucji ruchu w obsługiwanej strefie dzięki wyposażeniu ich sterowania w możliwości sygnalizacyjne. Oprócz standardowych interfejsów PDH i SDH/SONET, umożliwiających współpracę z publiczną siecią podkładową, przełączniki obszarowe są wyposażone w możliwość realizacji typowych usług pakietowych, takich jak: X.25, Frame Relay i SMDS. Przepływności węzłów obszarowych sięgają dziesiątków Gb/s.
-przełączniki systemowe przeznaczone do kierunkowania zintegrowanych strumieni danych i przenoszące informacje sygnalizacyjne między dołączonymi do systemu segmentami sieci innych typów (N-ISDN, GSM itp.).

Usługi sieciowe

*Istnieją następujące rodzaje usług sieciowych związanych ze sposobem tworzenia połączeń wirtualnych w topologii sieci ATM:
-stałe połączenia wirtualne PVC (Permanent Virtual Connections) - przydzielane w trakcie subskrypcji przed komunikacją, a następnie dostępne przez dłuższy czas (miesiące, lata). Z punktu widzenia użytkownika, takie połączenie spełnia funkcję prywatnej linii dzierżawionej o stałym opóźnieniu transmisji. W razie awarii tworzona jest droga zastępcza, omijająca uszkodzony fragment sieci;
-dynamicznie przełączane połączenia wirtualne SVC (Switched Virtual Circuits) - zestawiane i komutowane na żądanie abonenta, typu "punkt-punkt". Likwidacja połączeń następuje natychmiast po zakończeniu przekazu, analogicznie do komutowania łączy w centrali telekomunikacyjnej;
-usługi bezpołączeniowe (connectionless services) - podobne do usług oferowanych w sieciach SMDS (Switched Multimegabit Data Service) i nie wymagające organizacji trasy połączenia przed realizacją transmisji.

Warstwowy model sieci

*Warstwowy model sieci ISO/OSI definiuje szczegółowo trzy najniższe warstwy w odniesieniu do technologii ATM:
-warstwę fizyczną (ATM Physical Layer), w której są zgrupowane funkcje dostępu do medium transmisyjnego, bez definiowania konkretnego medium transmisyjnego;
-warstwę ATM (ATM Layer), zawierającą właściwe protokoły transmisji pakietów (komórek) i definicje routingu dla kanałów wirtualnych, bez względu na typ realizowanej usługi;
-warstwę adaptacyjną AAL (ATM Adaptation Layer), realizującą typowe funkcje dla różnych usług związanych z segmentacją (dzieleniem na fragmenty) i składaniem jednostek transmisyjnych między wyższymi warstwami a warstwą ATM.

Funkcje warstwy adaptacyjnej AAL

*Możliwości przełącznika określa warstwa adaptacyjna, w której mieszczą się protokoły (od AAL1 do AAL5) zgrupowane w trzy podwarstwy: zbieżności, adaptacji i segmentacji
*Funkcje warstwy AAL umożliwiają wykrywanie i reakcję na błędy transmisji, rozpoznawanie zgubionych lub niesekwencyjnych pakietów, sterowanie przepływem i inne
*Nie wszystkie możliwe funkcje warstwy AAL są implementowane w konkretnych urządzeniach ATM, co powoduje, że istnieje wiele różnorodnych węzłów i urządzeń transmisyjnych technologii ATM przeznaczonych do specjalizowanych funkcji w sieci

Protokół ATM (User to User) w modelu odn. ISO-OSI

Rys 27

Kategorie usług (klasy ruchowe)

*Kategorie usług odnoszą się do połączeń w sieci ATM, czyli kanałów wirtualnych VC (Virtual Channels) oraz ścieżek VP (Virtual Paths)
*W ramach jednej ścieżki wirtualnej kanały wirtualne mogą dzielić asymetrycznie wspólne parametry jakościowe - takie jak CLR (Cell Loss Rate) - przez przyporządkowanie połączeniom odpowiedniej kategorii (klasy ruchu) usług, co w istotny sposób wpływa na przesyłanie strumienia komórek przez sieć.
Rys 28
*Stowarzyszenie ATM Forum wyodrębniło następujące klasy ruchowe dostarczające usługi ATM:
-CBR (Constant Bit Rate) - odnosi się do usług charakteryzujących się stałym zapotrzebowaniem na pasmo, takich jak emulacja łączy, transmisja głosu bez kompresji i mechanizmu wykrywania ciszy;
-VBR (Variable Bit Rate) - przeznaczona dla usług wymagających zmiennej przepływności, definiowanych przez podanie kilku parametrów. Kategoria ta występuje w dwóch wersjach: jedna z istotnym uzależnieniem czasowym (real-time VBR) odpowiednia dla ruchu o wybitnie nierównomiernym charakterze (burst), druga bez wyraźnego uzależnienia czasowego (non-real VBR) dla aplikacji wymagających tylko limitowanego czasu reakcji (transakcje bankowe, sygnalizacja w systemach nadzoru i in.)
*Stowarzyszenie ATM Forum wyodrębniło następujące klasy ruchowe dostarczające usługi ATM:
-ABR (Available Bit Rate) - potrzebna podczas przekazu informacji w aplikacjach bez istotnych wymagań czasowych, ale z gwarancją pewnego minimalnego poziomu w dostępie do pasma oraz uzgodnionego poziomu CLR. Kategoria ABR jest stosowana w aplikacjach takich jak: poczta elektroniczna, transfer zbiorów i dostęp do Internetu, w których można dopuścić niższe wymagania odnośnie parametru QoS (Quality of Service);
-UBR (Unspecified Bit Rate) - wskazana dla usług bez jakichkolwiek gwarancji jakościowych, także dla transmisji nie wymagających określenia dopuszczalnego opóźnienia lub jego zmienności.

Klasy i typy usług ATM

*W szerokopasmowym środowisku ATM zdefiniowano wiele klas jakości QoS i powiązanych z nimi typów usług wynikających ze stosowania różnych kategorii, sposobu przesyłania bitów, wymaganej szerokości pasma i rodzaju połączeń:
-klasa A - usługi połączeniowe ze stałą chwilową szybkością transmisji CBR przeznaczone do zastosowań multimedialnych w czasie rzeczywistym (dźwięk, obraz, wideokonferencje);
-klasa B - usługi połączeniowe wyposażone w mechanizmy umożliwiające przesyłanie głosu i obrazów wideo ze zmienną chwilową szybkością transmisji VBR (Variable Bit Rate), skompresowane sekwencje wideo. Większość usług sieci ATM, działającej w trybie multipleksacji statystycznej, jest określana kategorią VBR;
-klasa C - usługi połączeniowe ze zmienną szybkością transmisji, bez synchronizacji czasowej (sieci X.25, Frame Relay, TCP/IP).
-klasa D - usługi bezpołączeniowe, nadające się do zastosowań w środowiskach, w których przepływ danych odbywa się ze zmienną szybkością, nie wymagając synchronizacji czasowej między węzłami końcowymi (sieci LAN, MAN).
Rys 29
*Szeroki zakres usług oferowanych przez sieć ATM, spełniający wymagania niemal wszystkich rodzajów transmisji i usług multimedialnych, spowoduje prawdopodobnie jeszcze przed rokiem 2000 zlikwidowanie różnicy między komutowaniem łączy i komutowaniem pakietów

Parametry jakościowe przekazu

*Istnieją dwa określenia jakości obsługi telekomunikacyjnej: parametr GOS i parametr QoS. Parametr GOS (Grade of Service) dotyczy jakości usługi w warstwie połączenia (connection level) związanej z prawdopodobieństwem wystąpienia blokady zgłoszenia zarówno dla typu usługi, jak i dowolnego zgłoszenia; natomiast parametr QoS (Quality of Service) odnosi się do warstwy pakietowej (cell level). Jak dotychczas nie został sprecyzowany jednolity standard QoS odnośnie wymagań w sieciach ATM.
*W trakcie transmisji przez sieć ATM wiele źródeł wykorzystuje wspólne zasoby transmisyjne o dużej przepływności, co wymaga odpowiedniego sterowania natłokiem w węzłach, aby zapewnić każdemu użytkownikowi wymagany poziom usług QoS. Sterowanie natłokiem zgłoszeń jest istotną funkcją węzłów ATM i obejmuje dwa podstawowe elementy: sterowanie przyjęciem zgłoszenia CAC (Connection Admission Control) oraz nadzorowanie źródła SP (Source Policing) w celu ograniczania transmisji sygnałów źródłowych
*Istnieją różne kryteria odnośnie wymagań QoS dla sieci ATM proponowane przez organizacje standaryzujące ISO i ITU-T. Według ATM Forum najbardziej odpowiedni zestaw parametrów QoS dla podstawowych usług w sieciach ATM obejmuje trzy poziomy sterowania:
-sterowanie łączem, odpowiadające za zestawienie i zwolnienie połączenia. Odrzucenie połączenia dokonuje się w chwili żądania zestawienia, jeśli wymagane pasmo nie jest dostępne;
-kontrola połączenia, odpowiadająca za przydział zasobów w fazie transferu danych. Połączenie jest odrzucane, gdy nie ma dostępnej ścieżki lub kanału do punktu docelowego;
-kontrola pakietów (czyli komórek) odpowiadająca za fazę transmisji danych. Strumień pakietów w zaakceptowanym połączeniu jest nadzorowany w sposób ciągły, aby sprawdzić, czy użytkownik nie przekracza wartości zakontraktowanych w fazie ustalania połączenia. Przekroczenie uzgodnionego trafiku powoduje ustawienie przez przełącznik ATM bitu CLP (Cell Loss Priority), informującego źródło o możliwości utraty komórek

Usługa ABR - sposoby zawiadywania ruchem

Rys 30

Sterowanie przepływem

*Istotnym elementem w zarządzaniu ruchem komórek w węzłach sieci ATM jest kontrola nawiązywania połączeń CAC, negocjowanie warunków przepływu i przyjęcie właściwego kryterium selekcjonowania (odrzucania) komórek nadchodzących do sieci
*Problemy te, chociaż nadal nie rozwiązane ostatecznie, rzutują w zasadniczy sposób na uzyskanie odpowiedniej jakości usług QoS oferowanych przez sieć ATM
*Klasyczne, powszechnie stosowane algorytmy sterowania przepływem strumienia GCRA (Generic Cell Rate Algorithm) stosują się dwie podstawowe wersje: Virtual Scheduling Algorithm (sprzężenie zwrotne wynikające z porównanie rzeczywistych parametrów z przewidywanymi teoretycznie) i łatwa do implementacji procedura Leaky-Bucket Algorithm (algorytm "cieknącego wiadra" z buforem)
*Wśród wielu innych algorytmów sterowania przepływem, takich jak: Juping Window, Exponentially Weighted Moving Average, największą nadzieję - będącą alternatywą dla rozwiązań klasycznych - budzą algorytmy najnowszej konstrukcji oparte na sztucznej inteligencji, a szczególnie logice rozmytej (fuzzy logic)
Rys 31

Routing w sieci ATM

*Do zapewnienia właściwego trasowania komórek przez sieci ATM stosuje się jeden z trzech sposobów wyznaczania połączeń: routing centralny, routing rozproszony oraz najnowszą wersję routingu mieszanego - znanego pod nazwą przełączników z protokołem MPOA
*Historycznie pierwszym i nadal jeszcze stosowanym jest routing centralny oparty na instalacji w sieci ATM jednego dużego, szybkiego i inteligentnego routera, włączonego jednocześnie do wielu (wszystkich) sieci wirtualnych. Ze względu na ograniczoną wydajność, skalowalność i odporność pojedynczego routera centralnego i jego łącza rozwiązanie to nie nadaje się do trasowania w większych sieciach ATM.
*Powiązanie protokołem typu OSPF kilku równolegle działających routerów centralnych, rozmieszczonych w różnych punktach sieci ATM, pozwala na zwiększenie niezawodności (odporności na awarię każdego z nich) i wzrost ich wydajności. Brak wiedzy o topologii sieci powoduje, że dane między sieciami wirtualnymi mogą być przesyłane okrężnymi trasami

Routing centralny

*Jeden router centralny
*Duża moc routera
*Łącze wysokiej przepływności
*Ograniczona niezawodność
*Jednorodne zarządzanie siecią
Rys 32

Routing rozproszony

*Odmiennym i bardziej efektywnym rozwiązaniem jest routing rozproszony, w którym każde urządzenie dostępowe Ethernet/ATM jest jednocześnie przełącznikiem brzegowym (warstwa 2) i routerem (warstwa 3)
*Każde urządzenie dostępowe z możliwością trasowania jest włączone do wszystkich sieci wirtualnych, w których uczestniczy, a wybór najlepszego routera jest dokonywany protokołem typu OSPF (Open Shortest Path First), stosowanym w sieciach TCP/IP
*Wadami routerów rozproszonych są: wysoki koszt urządzeń, trudności w administrowaniu całością sieci oraz konieczność implementacji zabezpieczeń, gdyż routing dokonuje się w wielu niezależnie konfigurowanych węzłach
*Wiele routerów brzegowych
*Wysoki koszt
*Kłopoty w administrowaniu siecią
*Wysoka niezawodność
Rys 33
*Współczesną odmianą routingu rozproszonego jest protokół MPOA (Multi-Protocol Over ATM), mający zalety routingu centralnego, a pozbawiony jego wad.
*W tym sposobie routingu jedynymi urządzeniami trasującymi (w warstwie 3) są wybrane routery - stosunkowo nieliczne, lecz technicznie zaawansowane - znajdujące się w sieci ATM
*Przy niewielkim obciążeniu całość trafiku w sieci jest trasowana przez te ustalone routery. Wzrost przepływności w sieci powyżej wyznaczonego progu powoduje utworzenie połączenia krótszą trasą i bezpośredni przekaz pakietów przez przełączniki ATM, znajdujące się na trasie między użytkownikami, z pominięciem routera trasującego
*Po ustalonym czasie nieaktywności urządzenia brzegowe "zapominają" o bezpośrednim połączeniu, a ponowienie komunikacji dokonuje się powtórnie przez router trasujący.

Emulacja LAN w sieci ATM

*Zdefiniowany niedawno (1995 r.) przez konsorcjum ATM Forum standard LANE (LAN Emulation) do emulacji sieci lokalnych dostarcza stacjom roboczym przyłączonym przez sieć ATM takich samych możliwości pracy, jakie są normalnie dostępne w sieciach LAN według standardów IEEE 802.3 (Ethernet), IEEE 802.5 (Token Ring) i IEEE 802.12 (100VG-AnyLAN), lecz działających z podwyższoną szybkością
*Bieżąca specyfikacja emulacji LANE (wersja 1.0) nie zajmuje się odrębnie sieciami wykonanymi w technologii FDDI
*Najnowsza wersja LANE (wersja 2.0) rozszerza standardowe funkcje przez zapewnienie odpowiedniej jakości usług QoS oraz implementację redundancyjnych usług LANE w krytycznych aplikacjach sieciowych
*Protokół LANE nie oddziałuje na przełączniki
Rys 34
*Protokół emulacji LANE definiuje usługi wyższego poziomu warstwy sieciowej (adresy MAC), które są identyczne jak w sieciach LAN. Dzięki temu do współpracy z siecią ATM nie są potrzebne żadne modyfikacje ani wymiana sterowników (takich jak NDIS, ODI) funkcjonujących w sieciach LAN.
*Podstawowym celem emulacji LANE jest zapewnienie istniejącym aplikacjom dostępu do sieci ATM, z wykorzystaniem protokołów, takich jak: APPN, NetBIOS, IPX, IP i in. Emulacja LANE obejmuje funkcje zarówno urządzeń brzegowych, jak też urządzenia i stacje pracujące w sieci LAN
Rys 35

Standard FUNI

*Standard FUNI (Frame Based User to Network Interface) umożliwia dostęp do sieci ATM przy wykorzystaniu ramek o zmiennej długości pola danych, zamiast typowych komórek ATM o ustalonej długości (53 bajty). Zastosowanie tego typu interfejsu w przełącznikach brzegowych sieci ATM pozwala na bardziej efektywne wykorzystanie łącza dostępowego do sieci. Pomimo swojego podobieństwa do formatu FR standard FUNI nie zapewnia automatycznie współpracy z siecią Frame Relay.
*Węzeł dostępowy sieci ATM dokonuje konwersji ramki formatu w standardzie FUNI na komórki ATM. W porównaniu ze stykiem ATM zakres funkcji i liczba kanałów standardu FUNI są zawężone. Standard FUNI dopuszcza jedynie 15 wirtualnych ścieżek VPI oraz 32 wirtualne kanały VCI, co umożliwia adresowanie tylko do 256 wirtualnych kanałów w styku. Segmentacja pola danych ramki FUNI jest zrealizowana w warstwie AAL5.
*Warstwy standardu FUNI/ATM
Rys 36

Przekaz głosu w sieci ATM

*Standaryzacją przekazu głosu przez sieci ATM zajmuje się grupa robocza VTOA (Voice and Telephony Services Over ATM), utworzona w 1993 r. przy ATM Forum
*Podstawowym i najprostszym sposobem realizacji kanałów głosowych w sieci ATM jest kategoria usług CBR o ustalonej charakterystyce przenoszenia
*Stabilność warunków przekazu jest okupiona stosunkowo wysoką stratą przepustowości łącza, związaną z narzutem sieci (5 bajtów więcej na każde 48 bajtów danych) dla naturalnej przepływności głosu 64 kb/s.
*Przekaz głosu w kategorii usług VBR o zmiennej szybkości i dodatkowo z kompresją danych wraz z tłumieniem ciszy daje duże oszczędności pasma, jednak brak jest jeszcze jednolitych i uzgodnionych standardów
*Duże nadzieje są związane z protokołem AAL6, definiującym usługi kanałów VBR dla wolnych kanałów głosowych (przepływność kanałowa 32 kb/s,16 kb/s lub mniej).

Aplikacje ATM

*Wśród różnorodnych zastosowań technologii ATM do przekazu informacji, wyróżnia się:
*połączenia dwupunktowe między użytkownikami, typu P-P (Point to Point)
*połączenia konferencyjne typu P-M (Point to Multipoint) dla przekazu obrazu, także usług multimedialnych
*transmisja zbiorów danych między sieciami LAN, MAN, WAN, a obejmująca dowolne konfiguracje przekazów między: siecią LAN, przełącznikiem ATM i terminalem końcowym;
*transmisja sygnałów obrazu (wideo, TV, HDTV);
*współpraca z abonenckimi sieciami dostępowymi różnego typu
Rys 37

Zalety i wady ATM

Rys 38

Wprowadzenie do SDLC

*Opracowany w latach siedemdziesiątych w firmie IBM protokół synchronicznego sterowania łączem danych SDLC (Synchronous Data Link Control) został zastosowany po raz pierwszy w środowisku SNA (System Network Architecture) do komunikacji z hostami przez łącza rozległe
*Protokół SDLC o orientacji bitowej jest nadal stosowany w dwukierunkowej i naprzemiennej transmisji do obsługi połączeń dwupunktowych i wielopunktowych (multicast i broadcast) przez łącza stałe lub dzierżawione
*Podobnie jak wiele jego późniejszych wersji, SDLC jest podstawowym protokołem w komputerowych sieciach rozległych z komutacją pakietów. Jest jednym z najważniejszych protokołów w tej klasie i nadal pozostaje podstawowym protokołem środowiska SNA dla sieci rozległych, zwłaszcza w zmodyfikowanej postaci.
*Protokół SDLC o orientacji bitowej, a zwłaszcza unowocześniona wersja tego protokołu, znana jako HDLC, znalazły szerokie zastosowanie w systemach transmisji danych przez sieci rozległe.
*Założenia protokołu SDLC stały się również podstawą rozwoju zmodyfikowanych wersji protokołów warstwy łącza danych, takich jak: LAP-D dla sieci pakietowych, LLC w środowisku sieci LAN i protokołu QLLC, przeznaczonego do łączenia systemów SNA przez sieci X.25.

Konfiguracje sieciowe SDLC

*Protokół SDLC jest stosowany w sieciach rozległych o różnych topologiach z dwoma rodzajami węzłów sieciowych. Wyróżnia się dwa typy stacji sterowanych łączem SDLC: nadrzędne generujące polecenia (komendy, komunikaty) i podrzędne wysyłające odpowiedzi
*Stacja nadrzędna (primary station) jest wytypowana do zarządzania przepływem danych. Wysyła polecenia do stacji podrzędnych i otrzymuje od nich odpowiedzi. W przypadku pracy wielopunktowej - kontroluje proces utrzymania sesji z każdą inną aktywną w sieci stacją podrzędną.
*Stacja podrzędna (secondary station) realizuje polecenia stacji nadrzędnej lecz nie odpowiada za sterowanie transmisją w łączu danych. Stacje podrzędne są okresowo odpytywane (polling) w ściśle określonej kolejności przez stację nadrzędną - w celu stwierdzenia, czy nie mają danych przeznaczonych do transmisji.
*W protokole SDLC zdefiniowano cztery podstawowe metody połączeń:
-point to point dla połączeń dwupunktowych, w których stacja nadrzędna jest bezpośrednio połączona z podrzędną;
-multipoint dla połączeń wielopunktowych, w których stacja nadrzędna jest połączona z wieloma podrzędnymi;
-loop, stosowana w topologii pierścieniowej. Jedna stacja nadrzędna jest połączona z wieloma podrzędnymi za pomocą pętli, przy czym informacja jest przekazywana od jednej stacji do drugiej;
-hub go-ahead. Nietypowa topologia sieci pierścieniowej, w której stacje podrzędne są połączone szeregowo, zawsze przez stację nadrzędną, zwykle funkcjonującą jako hub lub procesor sieciowy

Typowa kofiguracja łącza SDLC

Rys 39