Лекция 6. Принципы построения сетей Frame Relay и АТМ

Сети Frame Relay. Сеть Frame Relay является сетью с коммутацией кадров или сетью с ретрансляцией кадров, ориентированной на использование цифровых линий связи. Первоначально технология Frame Relay была стандартизирована как служба в сетях ISDN со скоростью передачи данных до 2 Мбит/с. В дальнейшем эта технология получила самостоятельное развитие. Frame Relay поддерживает физический и канальный уровни OSI. Технология Frame Relay использует для передачи данных технику виртуальных соединений (коммутируемых и постоянных).

Стек протоколов Frame Relay передает кадры при установленном виртуальном соединении по протоколам физического и канального уровней. В Frame Relay функции сетевого уровня перемещены на канальный уровень, поэтому необходимость в сетевом уровне отпала. На канальном уровне в Frame Relay выполняется мультиплексирование потока данных в кадры.

Frame Relay осуществляет мультиплексирование в одном канале связи нескольких потоков данных. Кадры при передаче через коммутатор не подвергаются преобразованиям, поэтому сеть получила название ретрансляции кадров. Таким образом, сеть коммутирует кадры, а не пакеты. Скорость передачи данных до 44 Мбит/с, но без гарантии целостности данных и достоверности их доставки.

Frame Relay ориентирована на цифровые каналы передачи данных хорошего качества, поэтому в ней отсутствует проверка выполнения соединения между узлами и контроль достоверности данных на канальном уровне. За счет этого сети Frame Relay обладают высокой производительностью.

Технология Frame Relay в основном используется для маршрутизации протоколов локальных сетей через общие (публичные) коммуникационные сети. Frame Relay обеспечивает передачу данных с коммутацией пакетов через интерфейс между оконечными устройствами пользователя DTE (маршрутизаторами, мостами, ПК) и оконечным оборудованием канала передачи данных DCE (коммутаторами сети типа "облако").

Коммутаторы Frame Relay используют технологию сквозной коммутации, т. е. кадры передаются с коммутатора на коммутатор сразу после прочтения адреса назначения, что обеспечивает высокую скорость передачи данных.

На рисунке 6.1 представлена структурная схема сети Frame Relay, где изображены основные элементы:

- DTE (data terminal equipment) – аппаратура передачи данных (маршрутизаторы, мосты, ПК);

- DCE (data circuit-terminating equipment) – оконечное оборудование канала передачи данных (телекоммуникационное оборудование, обеспечивающее доступ к сети).

Рисунок 6.1 – Cтруктурная схема сети Frame Relay

Физический уровень Frame Relay. На физическом уровне FR используют цифровые выделенные каналы связи, протокол физического уровня I.430/431.

Канальный уровень Frame Relay. Протокол канального уровня LAP-F в сетях Frame Relay имеет два режима работы – основной (core) и управляющий (control). В основном режиме, который практикуется в сегодняшних сетях FR, кадры передаются без преобразования и контроля, как и в коммутаторах локальных сетей. За счет этого сети FR обладают высокой производи- тельностью, так как кадры в коммутаторах не подвергаются преобразованию, а сеть не передает квитанции подтверждения между коммутаторами на каждый пользовательский кадр. Структура стека (рисунок 6.2) отражает происхождение технологии FR в недрах технологии ISDN, так как сети FR заимствуют многое из стека протоколов ISDN (процедуры установления SVC).

Основу технологии составляет протокол LAP-F core, который является упрощенной версией протокола LAP-D.

Протокол LAP-F (стандарт Q.922 ITU-T) работает на любых каналах сети ISDN, а также на каналах типа Т1/Е1. Терминальное оборудование посылает в сеть кадры LAP-F в любой момент времени, считая что виртуальный канал в сети коммутаторов проложен. При использовании PVC оборудованию Frame Relay нужно поддерживать только протокол LAP-F core. Протокол LAP-F contol является необязательной надстройкой над LAP-F core, которая выполняет функции контроля доставки кадров и управления потоком. При этом control сетью реализуется служба frame switching.

Рисунок 6.2 – Стек протоколов Frame Relay

Технология ATM. В 80-е годы во многих промышленных развитых странах началась разработка широкополосной цифровой сети с интеграцией служб (B-ISDN). Создание такой сети позволяет организовать такие службы, как высококачественная видеотелефония, видеоконференции, высокоскорост- ная передача данных, передача телевизионных программ высокого качества, поиск видеоинформации и ряд других. Для этого требуются скорости передачи, превышающие 2 Мбит/с, являющуюся максимальной скоростью, предостав- ляемой пользователю узкополосной ISDN. В результате исследований, проводившихся с середины 80-х годов, МККТТ (ныне МСЭ-Т) принял в 1988 г. рекомендацию I.121, определившую общие принципы B-ISDN. Наиболее важный из них – использование асинхронного режима переноса информации (АТМ), реализующего процессы передачи и коммутации выше физического уровня. Решающее значение при выборе АТМ имело то, что большинство источников информации работают в прерывистом режиме. Например, коэффициент активности речи составляет 0,3 – 0,4, еще меньше он в интер- активных системах передачи данных, весьма разнообразна видеоинформация и т. д. Поэтому применение синхронного режима переноса (STM), при котором выделяется постоянная полоса пропускания, соответствующая наивысшей мгновенной скорости передачи информации, оказывается весьма неэффек- тивным. В то же время асинхронный режим переноса, основанный на статистических (пакетных) методах, позволяет гибко распределять полосу пропускания, обеспечивая совместную работу разнообразных служб в условиях изменения параметров служб и нагрузки.

В соответствии с определениями рекомендаций I.113 и I.121 термин АТМ обозначает специфический пакетно-ориентированный режим переноса информации, использующий метод асинхронного временного разделения, при котором поток информации организуется в блоки фиксированной длины, называемые ячейками. Для прояснения терминологии следует заметить, что согласно рекомендации G.803 различают термины "передача" (transmission), обозначающий физический процесс распространения сигнала по каналу связи, и "перенос" (transfer) – процесс перемещения информации по сети. Ячейка (cell) имеет длину 53 байта, из которых 48 байтов – информация пользователя и 5 байт – заголовок. Основное назначение заголовка – идентификация ячеек, принадлежащих одному и тому же виртуальному каналу. АТМ является методом, ориентированным на установление соединений. До начала передачи информации между пользователями должен быть организован виртуальный канал. Сигнальная и пользовательская информация передаются по отдельным виртуальным каналам. Группа виртуальных каналов, проходящих на некоторых участках сети по одному и тому же направлению, может объединяться в виртуальный тракт. Поскольку АТМ предполагает использование высоко- скоростных и обладающих высокой помехозащищенностью цифровых систем передачи (как правило, на основе волоконно-оптических линий), повышение верности осуществляется только в оборудовании пользователей. Отказ от повышения верности в узлах коммутации значительно упрощает алгоритм их функционирования и позволяет применять в них аппаратные средства, имеющие значительно более высокое быстродействие, чем программируемые микропроцессоры. Высокая пропускная способность трактов передачи, быстродействие коммутационных устройств и короткая длина ячеек обеспечивают, как правило, быструю доставку ячеек по сети. Контроль за их доставкой осуществляется в оконечном оборудовании пользователей. По своей сути метод АТМ представляет собой разновидность метода коммутации пакетов – так называемую быструю коммутацию пакетов – наиболее близкую по своим пользовательским характеристикам методу коммутации каналов.

Сеть АТМ способна не только быть основой для организации самых разнообразных служб в рамках B-ISDN, предназначенных для передачи данных, изображений и т.д. Она также может служить транспортной средой для телефонной сети, узкополосной ISDN, связи городских сетей передачи данных (MAN) и др. (рисунок 6.3).

Рисунок 6.3 – Логическая схема возможного использования сети АТМ

Использования технологии АТМ позволяет строить гибкие сети, эффективно использующие пропускную способность трактов передачи за счет их статистического мультиплексирования. Универсальность АТМ состоит еще и в том, что это первая технология, которая может использоваться в сетях любого масштаба: локальных (LAN), городских (MAN) и территориальных (WAN).

Упрощенная архитектура сети АТМ представлена на рисунке 6.4.

Рисунок 6.4 – Структура сети АТМ

Она состоит из связанных между собой АТМ коммутаторов. Находящееся за пределами сети оборудование пользователя взаимодействует с коммутаторами через интерфейс пользователь – сеть (UNI). Для взаимодей- ствия коммутаторов между собой служит интерфейс сетевого узла (NNI). МСЭ-Т стандартизировал в рекомендации I.432 два типа интерфейса UNI: на скоростях 155 и 622 Мбит/с (это скорости 1-го и 4-го уровней SDH). Подготовлены стандарты по использованию технологии АТМ на первичной скорости европейской иерархии 2 Мбит/с.

Стек протоколов ATM (рисунок 6.5) включает уровень адаптации ATM и физический уровень.

Рисунок 6.5 – Стек протоколов АТМ

Уровень адаптации АТМ (AAL) осуществляет преобразование пользовательской информации в информационные поля ячеек и наоборот. Именно наличие AAL придают АТМ присущую ей способность переносить разнообразную пользовательскую информацию в стандартных ячейках. Следует подчеркнуть, что процедуры ААL реализуются вне пределов сети АТМ в оконечном оборудовании пользователя. Уровень адаптации может использовать для своих нужд до 4 байт в пределах 48-байтного информационного поля ячейки, оставляя, таким образом, непосредственно для полезной информации пользователей 44 байта. AAL делится, в свою очередь, на два подуровня: подуровень конвергенции (CS) и подуровень разборки и сборки (сегментации и реассемблирования) (SAR).

Верхний из них – CS – получает информацию от пользователя и разбивает ее на протокольные единицы данных этого подуровня, длина которых определяется конкретным типом уровня адаптации. Далее к ним добавляются заголовок и окончание, содержащие служебную информацию о виде передаваемого трафика и размере протокольной единицы, а также позволяющие осуществлять контроль и исправление ошибок на приеме. При необходимости этот подуровень обеспечивает также синхронизацию. Подуровень разборки и сборки принимает полученные протокольные единицы CS и разбивает их на фрагменты, длина которых от 44 до 48 байтов. К ним могут добавляться заголовок (1 – 2 байта), идентифицирующий тип данного фрагмента, и окончание (до 2 байт), содержащее контрольную сумму. В результате получается 48-байтная последовательность, образующая информационное поле ячейки АТМ. Описанный выше алгоритм варьируется в зависимости от типа уровня адаптации. На приеме все процедуры выполняются в обратной последовательности. Уровень АТМ добавляет к полученным от подуровня SAR 48-байтным последовательностям 5-байтовые заголовки, формируя таким образом ячейки АТМ, передаваемые затем на физический уровень. К функциям уровня АТМ относятся также: управление входным потоком на интерфейсе пользователь-сеть; мультиплексирование ячеек, принадлежащим различным виртуальным каналам и трактам, в единый поток; преобразование идентификаторов виртуальных каналов в узлах коммутации. На приемной стороне уровень АТМ осуществляет демультиплексирование потока ячеек и удаление заголовков.

Физический уровень также состоит из двух подуровней: подуровень конвергенции передачи (TC) и подуровень, зависящий от физической среды (PMD). Подуровень ТС осуществляет согласование потока ячеек с используемой системой передачи (например, упаковывает ячейки АТМ в контейнеры SDH). Подуровень PMD ответственен за передачу и прием битов, передаваемых в конкретной физической среде (оптическое волокно, коаксиальный кабель).

Основная литература: 2 [678 – 681, 747 – 759]

Дополнительная литература: 7 [87 – 92]

Контрольные вопросы:

1. Какую технику для передачи данных использует технология FR?

2. Какие два режима работы в сетях FR имеет протокол канального уровня LAP-F?

3. В чем заключается универсальность АТМ?

4.Какие уровни включает стек протоколов ATM?

5. Объясните структуру сети АТМ.