Технология АТМ: от тестовых испытаний к промышленным сетям

Темпы развития технологии АТМ поразительны даже для такой чрезвычайно динамичной области, как компьютерная индустрия. Первоначально задуманная для применения в сетях общего доступа, технология АТМ быстро завоевывает центральное положение в эволюционирующих корпоративных сетях, а также в так называемых "кампусных" сетях (т. е. сетях, объединяющих информационные ресурсы университета, научного центра или крупного завода с большим числом точек доступа к сети, которые распределены в радиусе 0,5 - 5 км). Эта переориентация происходит благодаря усилиям таких организаций, как, например, АТМ Forum. Более того, экспоненциальный рост числа участников АТМ Forum говорит о расширении интереса к АТМ. Основанный в 1991 году четырьмя компаниями, в настоящее время ATM Forum насчитывает более 700 участников, принадлежащих к самым разным сегментам сетевой и телекоммуникационной индустрии.

Типы коммутаторов АТМ

Вопреки распространенному, но ошибочному мнению не все АТМ-коммутаторы (АТМК) относятся к одному типу. Все они выполняют коммутацию ячеек, но значительно различаются по типам поддерживаемых интерфейсов и услуг, средствам обеспечения отказоустойчивости, набору функциональных возможностей ПО, реализующего стандарты АТМ, и разнообразию средств управления и контроля за трафиком. Аналогично классификации современных маршрутизаторов и коммутаторов локальных сетей, которые строго ранжируются по классам функциональных возможностей и параметру цена/производительность, коммутаторы АТМ также могут быть разделены на несколько классов по сферам применения и сегментам рынка.

Корпоративные (т. е. не предназначенные для применения в общедоступных сетях) коммутирующие системы АТМ могут быть разделены на три различных класса в зависимости от сферы применения технологии АТМ.

1. АТМК рабочих групп оптимизированы для интеграции рабочих станций. Примером может служить оптимизация по стоимости организации рабочих групп АТМ в зависимости от интерфейсов рабочих станций за счет применения различных вариантов подключения по неэкранированной витой паре (UTP) и совместимости с адаптерами АТМ для рабочих станций.

2. "Кампусные" АТМК предназначены для создания сетей университетских городков, больших территориально-распределенных заводов и т. п. Они применяются главным образом для создания высокопроизводительных локальных опорных сетей, связывающих маршрутизаторы и/или коммутаторы локальных сетей. Основными отличительными чертами этих АТМК являются механизмы контроля и управления трафиком, точнее потоком данных, и предоставление таких новых видов услуг, как виртуальные локальные сети (VLAN). АТМК этого класса должны поддерживать максимально полный набор как интерфейсов локальных сетей опорной сети, так и интерфейсов для подключения к глобальным (WAN) сетям. Таким образом, "кампусные" коммутаторы должны быть оптимизированы по параметру цена/производительность для применения в локальных опорных сетях.

3. Магистральные АТМК  -  это наиболее "интеллектуальные" многоцелевые устройства, предназначенные для организации крупных опорных сетей, объединяющих сети многочисленных разнесенных на десятки, сотни и тысячи километров филиалов корпораций. АТМК этого класса должны дополнить и частично заменить в этой сфере применения современные магистральные маршрутизаторы. Подобно "кампусным", эти АТМК будут объединять коммутаторы рабочих групп, а также локальных сетей, серверов, подключенных при помощи интерфейсов АТМ, и маршрутизаторы (роутеры) с АТМ-интерфейсами. Магистральные АТМК, однако, должны рассматриваться не только как средство организации опорной сети АТМ, но и как единое средство интеграции разнородных служб и технологий, которые применяются сегодня в ЛВС. Интеграция служб в рамках унифицированной платформы и единой технологии АТМ может потенциально обеспечить лучшую управляемость сетей, а также исключить применение дублирующих сетевых технологий.

Эти магистральные АТМК должны обладать такими способностями, как коммутация ЛВС, интеграция с интерфейсами распространенных глобальных сетей (например, frame relay), а также адаптивная поддержка целого ряда дополнительных услуг типа эмуляции коммутации каналов для телефонных систем и использования каналов глобальных сетей как транспорта для передачи аудио- и видеоинформации. Поскольку такие коммутаторы будут играть в ближайшем будущем особенно важную роль в корпоративных сетях, к ним будут предъявляться исключительно серьезные требования по надежности и работоспособности, что требует, например, полного дублирования процессора и коммутирующих модулей коммутатора.

С точки зрения технологии коммутации АТМ все три типа АТМК используют общий механизм и, таким образом, должны поддерживать компоненты коммутаторов нового поколения. "Кампусные" АТМК и коммутаторы рабочих групп, в частности, должны иметь несколько общих черт, поскольку зачастую многие современные "кампусные" устройства могут обеспечивать подключение рабочих станций и серверов. Это означает также, что коммутаторы рабочих групп могут мигрировать в сферу "кампусных" приложений, например в тестовых модельных сетях. Магистральные же АТМК могут иметь значительные отличия от устройств других классов, так как основная функция магистральных коммутаторов  -  интеграция разнотипных служб на базе единой платформы АТМ.

Более того, сфера применения магистральных АТМК зачастую ограничивается однородной сетевой инфраструктурой с целью достижения преимуществ интеграции служб. Выполнение этих функций требует применения еще не стандартизованных механизмов, которые могут расширять стандартные, а в ряде случаев  -  противоречить им. Коммутаторы рабочих групп и "кампусные" зачастую должны применяться в разнородных сетях, создаваемых на базе оборудования различных поставщиков. Следовательно, строгая поддержка стандартов АТМ для них является намного более критичной.

Механизмы коммутации в АТМК

Типичная АТМ-сеть состоит из соединенных между собой коммутаторов различного типа. Коммутаторы в принятой терминологии называют сетевыми устройствами АТМ, а интерфейсы, предназначенные для соединения с другим сетевым устройством АТМ,  -  межсетевыми интерфейсами (NNI  -  Network-to-Network Interface). В этой терминологии оконечными устройствами сети АТМ являются коммутаторы ЛВС, маршрутизаторы, рабочие станции и т. д. Естественно, они должны быть оснащены интерфейсом АТМ, который предназначен для подключения оконечного устройства к сетевому (он в этом случае называется UNI  -  User Network Interface). Этот интерфейс может быть частным (private) или общего доступа (public). Public-интерфейс, например, может быть использован для подключения частной (корпоративной) АТМ-сети к сети АТМ общего пользования.

Ячейки АТМ перемещаются между оконечными устройствами АТМ при помощи АТМ-соединений, которые переносят соединение UNI от исходящей оконечной системы к исходящему оконечному АТМК, затем через ряд промежуточных коммутаторов и соединений к оконечному АТМК, к которому подключено оконечное устройство назначения. Далее АТМ-соединение проходит через интерфейс UNI, который подсоединяет последний коммутатор к оконечному устройству назначения. Соединения АТМ идентифицируются специальными номерами, размещаемыми в заголовках ячеек АТМ. Соединения АТМ всегда дуплексные: прямое и обратное соединения следуют по одному и тому же пути с одним идентификационным номером.

Соединения АТМ могут быть двух типов: постоянные виртуальные соединения (PVC), которые конфигурируются сетевыми администраторами, и временные виртуальные соединения (SVC), устанавливаемые при помощи специальных сигнальных протоколов, работающих между оконечным и сетевым устройством, а также между сетевыми устройствами в сети АТМ. В то время как PVC являются сейчас и останутся в будущем важными для ряда приложений (например, для соединений поверх сети общего доступа), большинство межсетевых протоколов АТМ ориентированы на применение SVC, поскольку механизм PVC трудоемок в сопровождении. Межсетевые протоколы АТМ, например LAN Emulation, IP over ATM или Multiprotocol over ATM (MPOA), которые обеспечивают преимущества виртуальных сетей, в условиях АТМ не обязательно должны быть связаны с коммутаторами, поскольку эти протоколы работают поверх сети АТМ. Эти два компонента не связаны напрямую, они взаимодействуют посредством сигнальных протоколов и протоколов маршрутизации АТМ.

Наличие сигнального протокола, использующего оконечное устройство АТМ для выполнения запроса типа "пропускная способность по запросу" (bandwidth on demand),  -  одно из ключевых преимуществ, обеспечиваемых технологией АТМ. Более точно: этот протокол используется оконечными системами АТМ для запроса на установление соединения к конкретной оконечной системе с заданным QoS (Quality of Service  -  уровень сервиса). После установления такого соединения сеть должна гарантировать соблюдение заказанного QoS в течение всего периода жизни этого виртуального соединения. Такая гарантия позволяет сетям АТМ обеспечить заявленные свойства интегрированного транспорта.

Рассмотрим, например, исходящую оконечную систему АТМ, которая собирается установить АТМ-соединение с другой оконечной системой назначения при помощи произвольной сети АТМ-коммутаторов. Запрос на соединение может быть сгенерирован в результате работы сетевого протокола (например, IP, IPX , DECnet и т. п.). Для того чтобы установить соединение, исходящая оконечная система должна сформулировать и отправить при помощи протокола UNI запрос в АТМ-сеть. АТМ Forum определил механизмы таких запросов как часть спецификаций UNI 3.0/3.1. Эти спецификации описывают не только сигнальный протокол, но и схему адресации, при помощи которой оконечная система может быть идентифицирована уникальным образом, а также средства запроса QoS для данного соединения и характеристики пересылаемых данных.

Когда запрос на установление соединения достигает первого в цепи соединений АТМК, он сам и вся сеть АТМ должны выполнить некоторые действия. Вначале необходимо определить, как маршрутизировать сигнальный запрос по сети АТМ от начальной точки до конечной, устанавливая соединение по мере прохождения промежуточных точек. Эта задача сходна с задачами маршрутизации в сети Internet, которая базируется на маршрутизаторах, и выполняется протоколами маршрутизации АТМ. Однако в отличие от большинства современных протоколов маршрутизации протоколы межкоммутаторной маршрутизации АТМ должны также гарантировать, что выбранный маршрут от начальной точки до точки назначения отвечает запрошенным параметрам QoS.

После установления соединения при помощи распространяющегося сигнального запроса и системы межкоммутаторной сигнализации от начальной до конечной точки оно может использоваться для передачи данных ячейками АТМ через последовательность АТМК. Затем должен применяться механизм контроля и управления трафиком как внутри сети АТМ, так и между сетевыми и оконечными устройствами. Это необходимо для контроля за тем, что установленное соединение отвечает запрошенным параметрам в течение всего периода жизни соединения.

Производительность, плотность интерфейсов и комплектация АТМК

Первое, что необходимо обсудить, говоря о характеристиках АТМК следующего поколения,  -  это требуемые пропускная способность и число интерфейсов, которыми должен обладать такой коммутатор. Типичные современные АТМК имеют пропускную способность 2,5 Гбит/с и поддерживают до 16 интерфейсов SONET OC-3 (155 Мбит/с). Пропускная способность выбирается таким образом, чтобы не ограничивать пропускную способность системы в целом при условии, что между всеми портами АТМК данные передаются одновременно с максимальной скоростью передачи на каждом из портов.

Определение нелимитированной пропускной способности может быть сформулировано более подробным образом, чем приведенное выше, что предполагает глубокое понимание архитектуры коммутирующей системы АТМК. В частности, коммутирующая система коммутатора должна быть такой, чтобы передача ячейки между двумя портами не зависела (или не блокировалась) от передачи другой ячейки между двумя другими портами. Этот момент чрезвычайно важен, поскольку в противном случае ячейка, передающаяся от одного порта к другому, может быть блокирована переданной ранее между другими портами и поставленной в очередь другой ячейкой. Несмотря на то что существует великое множество типов АТМК и большое количество характеристик, которые принято называть производительностью или пропускной способностью коммутаторов, довольно легко определить, подвержено ли конкретное устройство описанному выше блокированию.

В общем, хотя и существуют экономические соображения для разработки коммутаторов с ограниченной пропускной способностью при высокой плотности интерфейсов (как, например, для магистральных АТМК с преобладанием низкоскоростных интерфейсов глобальных сетей или сетей общего доступа), реально существует немного аргументов против создания коммутаторов неограниченной (внутри АТМК, т. е. при максимальных скоростях всех подключенных к нему каналов) пропускной способности для коммутаторов рабочих групп и "кампусных" с небольшим числом интерфейсов. Однако АТМК предыдущего поколения имели внутренние ограничения по производительности, что отражает их происхождение от коммутаторов, предназначенных для сетей общего доступа. Более современные конструкции с использованием технологий разделяемой памяти или выходных буферов имеют нелимитированную производительность. Как будет показано далее, АТМК нового поколения более приспособлены для передачи данных в корпоративных сетях, трафик которых имеет пиковый характер. В отличие от них ранние модели АТМК для сетей общего доступа были более ориентированы на передачу аудиоинформации, предъявляющей более скромные требования.

Следующее поколение коммутаторов, как "кампусных", так и для рабочих групп, будет, вероятно, поддерживать пропускную способность от 5 до 10 Гбит/с, что соответствует 32 - 64 портам с интерфейсами OC-3 с пропускной способностью 155 Мбит/с. Большая плотность интерфейсов может быть неоправданной с экономической точки зрения, поскольку при проектировании новых АТМ-сетей проектировщики выберут коммутаторы с относительно небольшим количеством интерфейсов и будут увеличивать их число по мере необходимости. Меньшая плотность интерфейсов может также оказаться невостребованной, особенно для устройств "кампусного" типа, поскольку интерфейсы SONET OC-12 (622 Мбит/c), скорее всего, станут наиболее популярными в качестве интерфейсов опорных сетей. Это обеспечит поддержку оконечных устройств типа 100 Мбит/с Ethernet-коммутаторов с высокой плотностью интерфейсов и АТМК рабочих групп с интерфейсами OC-3. Однако наращиваемые устройства с фиксированным числом портов могут оказаться приемлемыми для сетей небольших рабочих групп.

Для поддержки 622 Мбит/с скоростей OC-12 в нелимитированном режиме чрезвычайно важно, чтобы коммутаторы следующего поколения обладали возможностью агрегировать пропускную способность устройства порциями по 622 Мбит/с, а не только 155 Мбит/с, как это принято для современных коммутаторов. Более того, имеющееся разнообразие интерфейсов АТМ, начиная с OC-12 (для интерфейсов опорных сетей или магистралей), OC-3 или 25 Мбит/с интерфейсов для рабочих станций, а также DS/E3 или DS1/E1 для соединений с глобальными сетями, дает основание сделать вывод, что конструкции коммутаторов следующего поколения должны поддерживать разнообразные интерфейсы для всего набора скоростей. Также важным является поддержка всех типов сред/методов доступа для указанных типов интерфейсов АТМ: оптоволокно и витая пара, UTP-3 и UTP-5, 25 Мбит/с и SONET и т. п., поскольку пока нет согласия во мнении, какой интерфейс будет доминировать.

Вероятнее всего, коммутаторы нового поколения должны иметь унифицированное шасси, которое может быть укомплектовано интерфейсными модулями, предназначенными для "кампусных" приложений или рабочих групп, что в результате позволит получить коммутатор нужного типа. Однако с распространением сетей АТМ будет проявляться более глубокая специализация, и разделение коммутаторов на типы станет более четким. По мере перехода АТМ-сетей от тестовых испытаний к промышленной эксплуатации потребуется оснащение АТМК дублирующими блоками питания.

Это особенно важно для сетей "кампусного" класса и соответствует современным тенденциям совершенствования "кампусного" оборудования: концентраторов, коммутаторов локальных сетей и мультипротокольных маршрутизаторов. Как и эти типы оборудования, маловероятно, чтобы коммутаторы этого класса оснащались резервными процессорными и коммутирующими модулями, что определяется главным образом экономическими соображениями. Это, скорее всего, будет характерно для магистральных АТМК старшего класса.

В статье использованы материалы фирмы Cisco Systems.

Продолжение в следующем номере.

Сергей Турчин

СЕТЕВЫЕ УСТРОЙСТВА И МЕЖСЕТЕВЫЕ ИНТЕРФЕЙСЫ ATM

ТИПЫ КОРПОРАТИВНЫХ КОММУТИРУЮЩИХ ATM-УСТРОЙСТВ