Sítě ATM

Inovace technologie přenosu dat pro nové tisíciletí

Požadavky na budování různých "informačních dálnic", potřebných pro další rozvoj našeho informačně orientovaného společenství, vynucují dostupnost rychlých a efektivních komunikačních prostředků.

Před třiceti lety byla prakticky jediným celosvětovým komunikačním prostředkem analogová komutovaná telefonní síť a používala 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 použití této sítě rozšířilo i pro automatizovaný přenos dat mezi počítači pomocí počítačových sítí, které sice využívaly stále stejných technických prostředků, avšak používaly je (a dodnes používají) poněkud jiným způsobem: místo dynamicky ustanovovaných "galvanických" spojů mezi komunikujícími partnery, přepojování kanálů, se informace přenáší po pevně ustanovených spojích. Protože jsou data při přenosu rozdělena do samostatně přenášených částí, paketů, takovou techniku nazýváme přepojování paketů. V osmdesátých letech se objevují digitální sítě s integrací služeb, které umožňují 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 vedlejších digitálních ústředen. Zahájí se proces implementace odpovídajícího meziústřednového řízení signalizační soustavou SS#7, což je nutný předpoklad pro poskytování telekomunikačních služeb na úrovni ISDN.

Motivace pro vývoj nových modelů lokálních sítí

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

Jako příklady těchto aplikací lze uvést: nástroj, pomocí kterého může uživatel na obrazovce svého terminálu natáčet, zmenšovat apod. třídimensionální vizualizovaná vědecká data vyřešená na vzdáleném superpočítači nebo zpracování obrazu v medicínském prostředí, kdy pro získání spolehlivé informace z rentgenu je potřeba zpracovat desítky obrazů, každý o 2 až 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) přenášejí data obvykle rychlostmi desítek Mb/s. Navíc, současné LAN jsou relativně obtížně ovladatelné (správa adres, identifikačních databází, přístupových práv apod.) a v multimediálním prostředí běžného 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 založených na principu sdílení přenosového media (Ethernet, Token Ring).

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

Síť musí být použitelná alespoň pro příští dekádu, kdy se očekává převládání multimediálních aplikací; síť proto musí vykazovat nízké ztráty a umožňovat přenášet velké objemy dat v reálném čase.
Síť musí poskytovat více volitelných tříd přenosových služeb, lišících se cenou a efektivností.
Síť musí umožnit práci nejen s "pružným, ale výkonnostně náročným" přepojováním paketů. Všude tam, kde je to z výkonnostních hledisek nutné (např. při komunikaci univerzálního počítače s vektorovým počítačem), musíme umožnit pracovat i s jednoduchým, režijně 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 souběžném přenosu více toků dat se nesmí překročit zaručená doba možného zpoždění v každém toku.
Musí být umožněno skupinové adresování, používané při konferenčním provozu aplikací.
Použitý řídicí systém sítě musí být snadno manipulovatelný a cenově únosný. Požadavky na jednoduchost směrování vedou k návratu k semi-permanentnímu vytváření virtuálních kanálů na úrovni směrování a k použití minimálního počtu přepojovacích uzlů nebo k jejich hierarchickému uspořádání (strom) s co nejmenší hloubkou.
Síť musí být propojitelná s existujícími lokálními, metropolitními a rozlehlými sítěmi. Musí respektovat mezinárodní standardy.

Co umožňuje digitální přenos

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

Nejjednodušší digitální přenosový systém používaný 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 umožňují kanály s rychlostí přenosu 1,544 Mb/s dále slučovat (6,312 Mb/s, 44,736 Mb/s, ...).

Obr.1. Sdružování 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 využívá 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 však 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 podrobnější 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 spíše celkovým hodnocením systému ATM, než jeho detailním výkladem. Viz též BOX 1.

Pevný rozměr buněk zjednodušuje 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 požadavky telefonistů po co nejkratším paketu (omezuje se zpoždění hlasových paketů) a požadavky datových komunikací na co nejdelší 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 nejnižší úrovni zabezpečují vysílání a příjem bitů do/z přenosového média a nad těmito protokoly přístupu k přenosovému médiu obsahuje fyzická vrstva ještě podvrstvu, která zobrazuje ATM buňky do rámců použitého přenosového systému. ATM vrstva zabezpečuje směrování a multiplexování ATM buněk po přenosových médiích, spojích mezi uzly. Adaptační vrstva plní různé třídy služeb pro aplikace běžící 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 nejjednodušší variantě vysílat ATM buňky do přenosového média přímo, bez použití nějakého pomocného protokolu. To znamená v takových intervalech, v jakých přicházejí požadavky na jejich vysílání, tedy asynchronně. Perspektivnější je však synchronní přenosový systém, tzn. systém SDH nebo SONET. V systému SDH se hranice buněk odvozují od dosažení 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 každých 125 mikrosekund 90slabikový rámec. První jeho tři slabiky jsou organizační, zbývajících 87 slabik může obsahovat např. rámce T1, buňky virtuálních kanálů ATM apod. Umístění ATM buněk v takových rámcích však 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, že se vkládají prázdné slabiky a definují se organizační informace rámce. Synchronní přenosové systémy používají jak jednovidové i mnohovidové optické vlákno, tak kroucenou dvoulinku. Používají se přenosové rychlosti 155,52 Mb/s, 622 Mb/s, 1,244 Gb/s apod.

ATM vrstva

Protokoly vrstvy ATM řeší 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, řeší chování sítě při přetížení apod. (detailněji viz [2] nebo [4]).

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

Adaptační vrstva

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

Lokální sítě s přenosem typu ATM

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

Koncové uživatelské 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 může být současně spojen s několika ostatními ATM přepojovacími uzly, s více koncovými uživatelskými 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, že 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 možnou aplikaci ATM LAN, tj. její použití jako páteřní sítě propojující existující sítě.

Velmi aktuální je emulace klasických LAN (Ethernet, Token Ring) v prostředí ATM. Emulátor musí poskytnout podporu plnění služeb současných LAN (IEEE 802.x) i v prostředí ATM, např. zasílání dat bez uzavírání spojení, skupinové a všeobecné adresy, mostění segmentů LAN apod. To umožní uživatelům přenést stávající aplikace do prostředí ATM, čímž se přechod do nového komunikačního prostředí usnadní. Vývoj odpovídajících norem je v současné době teprve diskutován. Návrhy emulace vesměs vycházejí z emulace služeb vrstvy MAC (Medium Access Control), kde jsou řešeny prakticky všechny primitivní služby 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). Každý LEC má svoji ATM adresu. Funkčnost klientů je podporována serverem LES (LAN Emulation Server), v němž jsou registrovány všechny MAC adresy lokálně připojených stanic LAN. Když 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 vyšle ATM sítí. Adresovaný klient LEC ATM buňky převede zpět na MAC rámce a předá je odpovídajícímu koncovému uživatelskému počítači.

A co rozlehlé sítě ATM?

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

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

Pro provoz ATM je třeba přijmout nějakou jasně definovanou politiku správy a řízení provozu, která se dodržuje. Lokální ATM síť může být mnohdy administrována z jednoho místa.

Rovněž přenosové přetížení v obou typech sítí je třeba řešit různě. Přenosový provoz v ATM LAN je typicky nárazový, po občasném špičkovém zatěžování následují delší období klidu. Časově nekritické aplikace lze při přetížení zpozdit. Provoz v ATM WAN je naopak rovnoměrný, přetížení je třeba řešit zvýšením propustnosti komunikačního podsystému.

Rozlehlé ATM sítě zřejmě nastoupí až po získání zkušeností s provozem ATM sítí v lokálním prostředí.

Závěr

Seznámení s nastupující technologií přenosu dat ATM vychází z rešeršních 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 přináší celou řadu problémů, které musí návrháři a uživatelé takových sítí nově řešit. ATM předpokládá např., že síť současně umožňuje synchronní i asynchronní provoz. Aplikační programy musí určit a sdělit své požadavky na dostupnou šířku pásma, na špičkovou a průměrnou rychlost přenosu dat, na spolehlivost přenosu buněk apod. Tyto problémy zatím žádná norma neřeší. Provedeme také kritické zhodnocení cílů ATM, ve smyslu toho, co ATM přinaší 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.
[3] Škop, M.: Synchronní transportní sítě, Computer echo, 6/94, 4-6.
[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 užití 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 užití distribuovaných systémů, počítačových sítí a operačních systémů.