Sítě ATM

Inovace technologie přenosu dat pro nové tisíciletí

Poľadavky na budování různých "informačních dálnic", potřebných pro daląí rozvoj naąeho informačně orientovaného společenství, vynucují dostupnost rychlých a efektivních komunikačních prostředků.

Před třiceti lety byla prakticky jediným celosvětovým komunikačním prostředkem analogová komutovaná telefonní sí» a pouľívala se v této době i pro přenos dat mezi terminály a počítači, případně i pro přenos dat mezi individuálními počítači. Tehdy stačilo pouze vhodně upravit počítačový digitální signál (data) na telefonní analogový signál nutný pro přenos hlasu.

V sedmdesátých letech se pouľití této sítě roząířilo i pro automatizovaný přenos dat mezi počítači pomocí počítačových sítí, které sice vyuľívaly stále stejných technických prostředků, avąak pouľívaly je (a dodnes pouľívají) poněkud jiným způsobem: místo dynamicky ustanovovaných "galvanických" spojů mezi komunikujícími partnery, přepojování kanálů, se informace přenáąí po pevně ustanovených spojích. Protoľe jsou data při přenosu rozdělena do samostatně přenáąených částí, paketů, takovou techniku nazýváme přepojování paketů. V osmdesátých letech se objevují digitální sítě s integrací sluľeb, které umoľňují integrovat nejprve hlasový přenos s datovým přenosem (ISDN) a posléze i s videosignálem (B-ISDN), viz CE, 4/1992, ISDN a B-ISDN.

V České republice bude v r.1995 instalováno 78 hlavních a 517 vedlejąích digitálních ústředen. Zahájí se proces implementace odpovídajícího meziústřednového řízení signalizační soustavou SS#7, coľ je nutný předpoklad pro poskytování telekomunikačních sluľeb na úrovni ISDN.

Motivace pro vývoj nových modelů lokálních sítí

Pro devadesátá léta je charakteristická celková integrace počítačové a komunikační techniky s vąeobecně dostupnou spotřební technikou. Takové multi-mediální prostředí klade ovąem vysoké nároky na pohotovou dostupnost komunikačních cest s velkou ąířkou pásma (umoľňujících komunikaci, která se z hlediska potřeb takových aplikací odehrává v reálném čase).

Jako příklady těchto aplikací lze uvést: nástroj, pomocí kterého můľe uľivatel na obrazovce svého terminálu natáčet, zmenąovat apod. třídimensionální vizualizovaná vědecká data vyřeąená na vzdáleném superpočítači nebo zpracování obrazu v medicínském prostředí, kdy pro získání spolehlivé informace z rentgenu je potřeba zpracovat desítky obrazů, kaľdý o 2 aľ 10 GB. Spojí-li se takové zpracovávání obrazu s konferenční poradou týmu vedenou z pracovních stanic, pak se bez sítě s přenosem na úrovni Gb/s neobejdeme.

Současné lokální sítě (LAN) přenáąejí data obvykle rychlostmi desítek Mb/s. Navíc, současné LAN jsou relativně obtíľně ovladatelné (správa adres, identifikačních databází, přístupových práv apod.) a v multimediálním prostředí běľného úřadu s výrazně levnými a dostupnými zařízeními musíme počítat s instalací i tisíců takových komponent. To je počet, který překračuje i meze ovladatelnosti tradičních LAN zaloľených na principu sdílení přenosového media (Ethernet, Token Ring).

R.J. Vetter, [4], shrnuje výsledky reąerąe poľadavků na budoucí LAN do následujících bodů:

Sí» musí být pouľitelná alespoň pro příątí dekádu, kdy se očekává převládání multimediálních aplikací; sí» proto musí vykazovat nízké ztráty a umoľňovat přenáąet velké objemy dat v reálném čase.
Sí» musí poskytovat více volitelných tříd přenosových sluľeb, liąících se cenou a efektivností.
Sí» musí umoľnit práci nejen s "pruľným, ale výkonnostně náročným" přepojováním paketů. Vąude tam, kde je to z výkonnostních hledisek nutné (např. při komunikaci univerzálního počítače s vektorovým počítačem), musíme umoľnit pracovat i s jednoduchým, reľijně nenáročným přepojováním kanálů. Tím se vytvoří shluky uzlů propojených do "hyperkostky" nebo plně. Vhodná propojení shluků minimalizují komunikační ztráty při provozování distribuovaných aplikací.
Aplikace vyvinuté v lokální síti, by měly být přenositelné do rozlehlých sítí, pracujících na obdobném principu.
Při souběľném přenosu více toků dat se nesmí překročit zaručená doba moľného zpoľdění v kaľdém toku.
Musí být umoľněno skupinové adresování, pouľívané při konferenčním provozu aplikací.
Pouľitý řídicí systém sítě musí být snadno manipulovatelný a cenově únosný. Poľadavky na jednoduchost směrování vedou k návratu k semi-permanentnímu vytváření virtuálních kanálů na úrovni směrování a k pouľití minimálního počtu přepojovacích uzlů nebo k jejich hierarchickému uspořádání (strom) s co nejmenąí hloubkou.
Sí» musí být propojitelná s existujícími lokálními, metropolitními a rozlehlými sítěmi. Musí respektovat mezinárodní standardy.

Co umoľňuje digitální přenos

Podívejme se, jaké vlastnosti má digitální přenosový systém. Základem je obvykle přenosový kanál s rychlostí přenosu 64 Kb/s (umoľňuje např. během jedné sekundy přenést 8000 8-bitových hodnot). Teorie informace říká, ľe při digitalizaci hlasového (analogového) signálu telefonního systému o ąířce pásma 4 kHz se musí analogový signál vzorkovat právě 8 000 krát za sekundu, nemá-li dojít ke ztrátě informace. 8-bitový vzorek umoľňuje kvantifikovat hlasový analogový signál do 256 úrovní.

Nejjednoduąąí digitální přenosový systém pouľívaný v severní Americe (a v Japonsku), T1, slučuje 24 takových 64 Kb/s kanálů do společného kanálu s rychlostí přenosu 1,544 Mb/s, viz obr.1. Analogický evropský systém slučuje 30 hlasových a 2 řídicí 64 Kb/s kanály do přenosového kanálu s rychlostí přenosu 2,048 Mb/s. Pro budování rozlehlých komunikačních sítí jsou tyto základní přenosové systémy doplňovány systémy, které umoľňují kanály s rychlostí přenosu 1,544 Mb/s dále slučovat (6,312 Mb/s, 44,736 Mb/s, ...).

Obr.1. Sdruľování 24 hlasových kanálů (přenosová rychlost 64 Kb/s) do digitálního kanálu T1 s rychlostí přenosu 1,544 Mb/s

Doporučení ITU (International Telecommunications Union), definující sítě typu B-ISDN, respektuje existenci těchto digitálních přenosových systémů a současně vyuľívá výsledky vývoje optických přenosových systémů. Doporučení definuje přenosový signál v sítích B-ISDN stanovením přípustné rychlosti přenosu, způsobu synchronizace (řízení) a formátu rámce přenosového systému, který je v Evropě nazýván SDH (Synchronous Optical Hierarchy) (viz také CE - [3]), v Americe pak SONET (Synchronous Optical Net). Pouhé stanovení v podstatě fyzických parametrů přenosového systému by vąak pro celkové řízení sítě nestačilo. Bylo potřeba stanovit i univerzální způsob sdílení omezených přenosových kapacit, tj. pravidla, jak provoz sítě organizovat.

ATM, systém řízení přenosu dat digitální sítí

Norma ATM (Asynchronous Transfer Mode) vznikla v r.1988 jako předpis pro přepojování a sdílení spojů v sítích typu B-ISDN. Výklad principů ATM na základě informací publikovaných v r. 1990 byl námětem článku v CE 1/93, [2]. Tento článek se k výkladům principů ATM částečně vrací z hlediska konečných verzí odpovídajících norem a doporučení.

Pro podrobnějąí seznámení s architekturou sítí typu B-ISDN a s funkčními principy metodiky ATM (přepojování, buňky jako ekvivalenty paketů klasických sítí, virtuální kanály, virtuální cesty apod.) čtenáře odkazujeme na práce [2] a [1]. Základní pojmy ATM buňka, virtuální kanál, virtuální cesta aj. jsou připomenuty na předchozí straně. V článku se zabýváme spíąe celkovým hodnocením systému ATM, neľ jeho detailním výkladem. Viz téľ BOX 1.

Pevný rozměr buněk zjednoduąuje a urychluje proces přepojování buněk (cell switching) a usnadňuje i sdílení přenosového média při aplikaci techniky zvané multiplexování (multiplexing). 48 slabik dat v buňce je kompromisní volbou mezi poľadavky telefonistů po co nejkratąím paketu (omezuje se zpoľdění hlasových paketů) a poľadavky datových komunikací na co nejdeląí paket (omezuje se sbalování a rozbalování aplikačních zpráv).

Referenční model ATM

Referenční model ATM protokolů uvádí obr.2. Fyzická vrstva říká, jak dopravovat ATM buňky mezi sousedními ATM uzly. Její protokoly na nejniľąí úrovni zabezpečují vysílání a příjem bitů do/z přenosového média a nad těmito protokoly přístupu k přenosovému médiu obsahuje fyzická vrstva jeątě podvrstvu, která zobrazuje ATM buňky do rámců pouľitého přenosového systému. ATM vrstva zabezpečuje směrování a multiplexování ATM buněk po přenosových médiích, spojích mezi uzly. Adaptační vrstva plní různé třídy sluľeb pro aplikace běľící v koncových uzlech a konvertuje aplikační zprávy do ATM buněk a zpět.

Obr.2. referenční model architektury ATM systému

Fyzická vrstva

Protokoly fyzické vrstvy mohou ve své nejjednoduąąí variantě vysílat ATM buňky do přenosového média přímo, bez pouľití nějakého pomocného protokolu. To znamená v takových intervalech, v jakých přicházejí poľadavky na jejich vysílání, tedy asynchronně. Perspektivnějąí je vąak synchronní přenosový systém, tzn. systém SDH nebo SONET. V systému SDH se hranice buněk odvozují od dosaľení shody mezi kontrolním součtem definovaným v záhlaví a dynamicky vyhodnocovaným kontrolním součtem v proudu bitů. Základní varianta systému SONET, STS-1 (Synchronous Transport Signal level 1), vysílá kaľdých 125 mikrosekund 90slabikový rámec. První jeho tři slabiky jsou organizační, zbývajících 87 slabik můľe obsahovat např. rámce T1, buňky virtuálních kanálů ATM apod. Umístění ATM buněk v takových rámcích vąak nemusí být nijak zarovnáváno, přenos ATM buněk je stále asynchronní. Případné zarovnávání ATM buněk do rámců synchronního přenosového systému se provádí pouze v koncových uzlech tak, ľe se vkládají prázdné slabiky a definují se organizační informace rámce. Synchronní přenosové systémy pouľívají jak jednovidové i mnohovidové optické vlákno, tak kroucenou dvoulinku. Pouľívají se přenosové rychlosti 155,52 Mb/s, 622 Mb/s, 1,244 Gb/s apod.

ATM vrstva

Protokoly vrstvy ATM řeąí přenos ATM buněk. Multiplexují buňky jednotlivých spojení do celistvého proudu buněk a zpětně získávají jednotlivé buňky z tohoto proudu, rozhodují o směru toku jednotlivých buněk, řeąí chování sítě při přetíľení apod. (detailněji viz [2] nebo [4]).

Funkce ATM vrstvy jsou navrľeny tak, aby byly implementovatelné elektronicky; při rychlostech řádově Gb/s se musí směrování a multiplexování vyřeąit ve zlomcích mikrosekundy.

Adaptační vrstva

Sluľby poskytované aplikacím a protokoly popisuje [2]. BOX 2, Volitelné sluľby přenosu ATM sítí, uvádí jejich orientační přehled. Cílem adaptační vrstvy je navázat aplikační prostředí na prostředí přenosu ATM buněk. Poskytované sluľby se vzájemně odliąují tím, zda zabezpečují přenos pevnou nebo proměnnou rychlostí, zda jsou spojované nebo ne (obdoba datagramových sluľeb klasických sítí) a tím, zda zabezpečují časovou synchronizaci koncových uzlů. ITU doporučila pro kaľdou třídu sluľeb samostatný protokol. V současné době jsou definovány normy protokolů č.1 a č.2 pro třídy sluľeb A a B, společný protokol č.3/4 pro třídy sluľeb C a D a protokol č.5, SEAL (Simple and Efficient Adaptations Layer), který je zjednoduąující náhraľkou sloľitého protokolu č.3/4 pro třídy C a D. Vąechny jmenované protokoly jistým způsobem vyuľívají některé slabiky datových polí ATM buněk.

Lokální sítě s přenosem typu ATM

Lokální ATM sí» je sí» s digitálním přenosem, musí proto obsahovat komponenty zabezpečující ąíření digitálního signálu a jeho směrování - ATM přepojovací uzly, kterou jsou obdobou vnitřních opakovačů a směrovačů klasických lokálních sítí. Součástí ATM LAN jsou přirozeně koncové uľivatelské počítače (pracovní stanice, servery). Pro zapojení do systému okolních sítí musí obsahovat směrovače a/nebo brány. Moľnou komponentou ATM LAN je i rozhraní na veřejnou sí».

Koncové uľivatelské počítače mohou být vybaveny více rozhraními typu ATM, lze je současně připojit k několika ATM přepojovacím uzlům (do více ATM LAN), tak i k ATM WAN (tj. k rozlehlé síti). Stejně tak i ATM přepojovací uzel můľe být současně spojen s několika ostatními ATM přepojovacími uzly, s více koncovými uľivatelskými počítači, s veřejnou ATM sítí apod.

Příklad typické topologie ATM LAN uvádí obr.3. Přepojovací uzly ATM jsou buďto propojeny plně nebo nějakou "mělkou" hierarchickou strukturou. Předpokládá se, ľe typická ATM bude vybavena pouze několika přepojovacími uzly ATM.

Obr.3. Topologie lokální sítě ATM

ATM LAN budou podporovat i klasické transportní protokoly, TCP/IP, UDP, BSC Sockets, ISO 8072 , RPC apod. Tento rys jasně vymezuje jednu moľnou aplikaci ATM LAN, tj. její pouľití jako páteřní sítě propojující existující sítě.

Velmi aktuální je emulace klasických LAN (Ethernet, Token Ring) v prostředí ATM. Emulátor musí poskytnout podporu plnění sluľeb současných LAN (IEEE 802.x) i v prostředí ATM, např. zasílání dat bez uzavírání spojení, skupinové a vąeobecné adresy, mostění segmentů LAN apod. To umoľní uľivatelům přenést stávající aplikace do prostředí ATM, čímľ se přechod do nového komunikačního prostředí usnadní. Vývoj odpovídajících norem je v současné době teprve diskutován. Návrhy emulace vesměs vycházejí z emulace sluľeb vrstvy MAC (Medium Access Control), kde jsou řeąeny prakticky vąechny primitivní sluľby současných LAN (viz normy ISO 8802.x, resp. IEEE 802.x). Emulátory jsou budovány podle modelu klient-server. LAN je v ATM síti zastupována klientem - LEC (LAN Emulation Client). Kaľdý LEC má svoji ATM adresu. Funkčnost klientů je podporována serverem LES (LAN Emulation Server), v němľ jsou registrovány vąechny MAC adresy lokálně připojených stanic LAN. Kdyľ klient LEC chce poslat rámec LAN přes prostředí ATM stanici v jiné LAN, nechá si od serveru LES zjistit ATM adresu odpovídajícího partnerského klienta LEC. S tímto partnerem uzavře ATM spojení, MAC rámec převede na ATM buňky a tyto vyąle ATM sítí. Adresovaný klient LEC ATM buňky převede zpět na MAC rámce a předá je odpovídajícímu koncovému uľivatelskému počítači.

A co rozlehlé sítě ATM?

Typická lokální sí» ATM sestává z několika plně nebo hierarchicky propojených přepojovacích uzlů ATM a kaľdý přepojovací uzel ATM je vybaven pouze několika připojovacími rozhraními (je tedy levný). Pokrytý prostor je vyplněn desítkami aľ několika stovkami připojených zařízení. Rozhlehlá ATM sí», ATM WAN, proti tomu obsahuje mnoho propojovacích uzlů s mnoha rozhraními, takľe propojuje tisíce koncových zařízení. Realizace mnoha připojovacích rozhraní v přepojovacím uzlu ATM cenu takového uzlu pochopitelně zvýąí.

V prostředí LAN nemusí kaľdý spoj pracovat na rychlostech Gb/s, mnohé spoje stačí provozovat na rychlostech 155 nebo 622 Mb/s, protoľe často vedou k individuálním pracovním stanicím. V prostředí WAN je na rozdíl od toho třeba prakticky vąechny spoje provozovat na rychlostech řádově Gb/s.

Pro provoz ATM je třeba přijmout nějakou jasně definovanou politiku správy a řízení provozu, která se dodrľuje. Lokální ATM sí» můľe být mnohdy administrována z jednoho místa.

Rovněľ přenosové přetíľení v obou typech sítí je třeba řeąit různě. Přenosový provoz v ATM LAN je typicky nárazový, po občasném ąpičkovém zatěľování následují deląí období klidu. Časově nekritické aplikace lze při přetíľení zpozdit. Provoz v ATM WAN je naopak rovnoměrný, přetíľení je třeba řeąit zvýąením propustnosti komunikačního podsystému.

Rozlehlé ATM sítě zřejmě nastoupí aľ po získání zkuąeností s provozem ATM sítí v lokálním prostředí.

Závěr

Seznámení s nastupující technologií přenosu dat ATM vychází z reąerąních podkladů a monografie [4] a [1]. Problematice ATM se budeme věnovat i v následujících článcích; budeme se zabývat problematikou stanovení provozní politiky ATM sítě, souhry ATM s prostředím TCP/IP, bezpečnosti v prostředí ATM. Zavádění ATM sítí přináąí celou řadu problémů, které musí návrháři a uľivatelé takových sítí nově řeąit. ATM předpokládá např., ľe sí» současně umoľňuje synchronní i asynchronní provoz. Aplikační programy musí určit a sdělit své poľadavky na dostupnou ąířku pásma, na ąpičkovou a průměrnou rychlost přenosu dat, na spolehlivost přenosu buněk apod. Tyto problémy zatím ľádná norma neřeąí. Provedeme také kritické zhodnocení cílů ATM, ve smyslu toho, co ATM přinaąí nového a za jakou cenu.

Literatura

[1] de Prycker, M.: Asynchronous Transfer Mode, Solution for Broadband ISDN, Ellis Howood, 1991.
[2] J. Staudek, J.: ISDN a B-ISDN, Computer echo, 1/93, 10-14.
[4] Vetter, R. J.: ATM Concepts, Architectures and Protocols, CACM, Feb. 1995, Vol. 38, No.2, 31-38.

Autoři:

Lenka Motyčková

odborná asistentka na katedře teorie programování na Fakultě informatiky MU v Brně. Zabývá se návrhem a metodikou uľití distribuovaných systémů, teoretickými aspekty návrhu distribuovaných algoritmů.

Jan Staudek

docent, vedoucí katedry programových systémů a komunikací na Fakultě informatiky MU v Brně. Zabývá se návrhem a metodikou uľití distribuovaných systémů, počítačových sítí a operačních systémů.