Новые стандарты высокоскоростных сетей

Новые требования к производительности сетей, предъявляемые современными приложениями, такими как мультимедиа, распределенные вычисления, системы оперативной обработки транзакций, вызывают насущную необходимость расширения соответствующих стандартов. Привычный десятимегабитный Ethernet, долгое время занимающий главенствующие позиции, во всяком случае, глядя из России, активно вытесняется более современными и существенно более быстрыми технологиями передачи данных.

На рынке высокоскоростных (более 100 Мбит/с) сетей, пару лет назад представленных лишь сетями FDDI, сегодня предлагается около десятка различных технологий, как развивающих уже существующие стандарты, так и основанных на концептуально новых. Среди них следует особо выделить:

- Старый добрый оптоволоконный интерфейс FDDI, а также его расширенный вариант, FDDI II, специально адаптированный для работы с информацией мультимедиа, и CDDI, реализующий FDDI на медных кабелях. Все версии FDDI поддерживают скорость обмена 100 Мбит/с.

- 100Base X Ethernet, представляющую собой высокоскоростной Ethernet с множественным доступом к среди и обнаружением коллизий. Данная технология - экстенсивное развитие стандарта IEEE802.3.

- 100Base VG AnyLAN, новую технологию построения локальных сетей, поддерживающую форматы данных Ethernet и Token Ring со скоростью передачи 100 Мбит/сек по стандартным витым парам и оптоволокну.

- ATM, технологию передачи данных, работающую как на существующем кабельном оборудовании, так и на специальных оптических линиях связи. Поддерживает скорости обмена от 25 до 622 Мбит/сек с перспективой увеличения до 2.488 Гбит/сек.

- Fibre Channel, оптоволоконную технологию с коммутацией физических соединений, предназначенную для приложений, требующих сверхвысоких скоростей. Ориентиры - кластерные вычисления, организация взаимодействия между суперкомпьютерами и высокоскоростными массивами накопителей, поддержка соединений типа рабочая станция - суперкомпьютер. Декларированы скорости обмена от 133 Мбит до гигабита в секунду (и даже более).

Заманчивы, но далеко не ясны очертания технологии FFOL (FDDI Follow on LAN), инициативы ANSI, призванной в будущем заменить FDDI с новым уровнем производительности 2.4 Гбайт/сек.

Данная статья посвящена 100VG-AnyLAN, ATM и Fibre Channel, как менее известным и хуже описанным технологиями и уже потому заслуживающим более пристального внимания.

100VG-AnyLAN

В июле 1993 года по инициативе компаний AT&T и Hewlett-Packard был организован новый комитет IEEE 802.12, призванный стандартизовать новую технологию 100Base VG. Данная технология представляла собой высокоскоростное расширение стандарта IEEE 802.3 (известного также как 100BaseT, или Ethernet на витой паре).

В сентябре компания IBM предложила объединить в новом стандарте поддержку Ethernet и Token Ring. Изменилось и название новой технологии - 100VG-AnyLAN.

Технология должна поддерживать как уже существующие сетевые приложения, так и вновь создаваемые. На это направлена одновременная поддержка форматов кадров данных и Ethernet, и Token Ring, обеспечивающая прозрачность сетей, построенных по новой технологии, для существующих программ.

С некоторых пор витая пара повсеместно заменяет коаксильные кабели. Ее преимущества - большая мобильность и надежность, низкая стоимость и более простое администрирование сети. Процесс вытеснения коаксильных кабелей идет и у нас. Стандарт 100VG-AnyLAN ориентирован как на витые пары (для использования пригодно любое имеющееся кабельное хозяйство), так и на оптоволоконные линии, допускающие значительную удаленность абонентов. Впрочем, на скорости обмена применение оптоволокна не сказывается.

Подробности

Топология

Поскольку 100VG призвана заменить собой Ethernet и Token Ring, она поддерживает топологии, применяемые для этих сетей (логически общая шина и маркерное кольцо, соответственно). Физическая топология - обязательно звезда, петли или ветвления не допускаются.

При каскадном подключении хабов между ними допускается только одна линия связи. Образование резервных линий возможно лишь при условии, что в каждый момент активна ровно одна.

Стандартом предусмотрено до 1024 узлов в одном сегменте сети, но из-за снижения производительности сети реальный максимум более скромен - 250 узлов. Похожими соображениями определяется и максимальное удаление между наиболее удаленными узлами - два с половиной километра.

К сожалению, стандартом не допускается объединение в одном сегменте систем, использующих одновременно форматы Ethernet и Token Ring. Для таких сетей предназначены специальные 100VG-AnyLAN мосты Token Ring-Ethernet. Зато в случае конфигурации 100VG-Ethernet сегмент Ethernet с обычной скоростью обмена (10 Мбит/сек) может быть присоединен посредством простого преобразователя скорости.

В соответствии с рекомендациями IEEE 802.1D между двумя узлами одной сети не может быть более семи мостов.

Оборудование

Передающие среды. Для 100Base-T Ethernet используются кабели, содержащие четыре неэкранированные витые пары. Одна пара служит для передачи данных, одна - для разрешения конфликтов; две оставшиеся пары не используются. Очевидно, что передача данных по всем четырем парам даст выигрыш вчетверо. Замена стандартного "манчестерского" кода более эффективным - 5B6B NRZ - дает выигрыш еще почти вдвое (за счет передачи двух битов данных за один такт). Таким образом, при лишь незначительно повышении несущей частоты (около 20%), производительность линии связи повышается в десять раз. При работе с экранированными кабелями, характерными для сетей Token Ring, используются две витые пары, но при вдвое большей частоте (благодаря тому, что кабель экранирован). При передаче по такому кабелю каждая пара используется в качестве фиксированного однонаправленного канала. По одной паре передаются входные данные, по другой выходные. Стандартное удаление узлов, на котором гарантируются параметры передачи - 100 метров для пар третьей и четвертой категории и 200 метров для пятой.

Допускается использование оптоволоконных пар. Благодаря такому носителю покрываемое расстояние увеличивается до двух километров. Как и в случае экранированного кабеля, используется двунаправленное соединение.

Хабы 100VG могут соединяться каскадом, что обеспечивает максимальное расстояние между узлами в одном сегменте на неэкранированных кабелях до 2.5 километров.

Хабы. Главным действующим лицом при построении сети 100VG-AnyLAN является хаб (или концентратор). Все устройства сети, независимо от их назначения, присоединяются к хабам. Выделяют два типа соединений: для связи "вверх" и "вниз". Под связью "вверх" подразумевается соединение с хабом более высокого уровня. "Вниз" - это соединение с оконечными узлами и хабами более низкого уровня (по одному порту на каждое устройство или хаб).

Чтобы защитить данные от несанкционированного доступа, реализовано два режима работы каждого порта: конфиденциальный и публичный. В конфиденциальном режиме каждый порт получает только сообщения, адресованные непосредственно ему, в публичном - все сообщения. Обычно публичный режим используется для подключения мостов и маршрутизаторов, а также различного рода диагностической аппаратуры.

Для того, чтобы повысить производительность системы, адресованные конкретному узлу данные только ему и передаются. Данные же, предназначенные для широкого вещания, буферизуются до окончания передачи, а затем рассылаются всем абонентам.

100VG-AnyLAN и модель OSI

В предполагаемом стандарте IEEE 802.12, 100VG-AnyLAN определяется на уровне передачи данных (2-й уровень семиуровневой модели ISO) и на физическом уровне (1-й уровень ISO).

Уровень передачи данных разбит на два подуровня: логического контроля соединения (LLC - Logical Link Control) и контроля доступа к среде (MAC - Medium Access Control).

Уровень передачи данных

Стандартом OSI на уровень передачи данных возлагается ответственность за обеспечение надежной передачи данных между двумя узлами сети. Получая пакет для передачи от более высокого сетевого уровня, уровень передачи данных присоединяет к этому пакету адреса получателя и отправителя, формирует из него набор кадров для передачи и обеспечивает избыточность, необходимую для выявления и исправления ошибок. Уровень передачи данных обеспечивает поддержку форматов кадров Ethernet и Token Ring.

Верхний подуровень - логического контроля соединений - обеспечивает режимы передачи данных как с установлением, так и без установления соединения.

Нижний подуровень - контроля доступа к среде - при передаче обеспечивает окончательное формирование кадра передачи в соответствии с протоколом, реализованным в данном сегменте (IEEE 802.3 или 802.5). Если же речь идет о получении пакета, подуровень выясняет соответствие адреса, осуществляет проверку контрольной суммы и определяет ошибки передачи.

Задачи этого подуровня в хабе и конечном узле несколько различаются. В узле эти задачи таковы:

- присоединение специфических атрибутов к данным в соответствии со средой, перед передачей их на физический уровень;

- проверка полученных кадров на предмет ошибок и передачи;

- инициализация контроля доступа к физическому уровню передачи данных;

- обработка полученных от физического уровня кадров и отсечение специфических для передающей среды атрибутов.

У MAC-подуровня в хабе следующие функции:

- получение запросов на передачу от конечных узлов;

- интерпретация адреса отправителя;

- пересылка пакетов на соответствующие порты для отправки.

Логически MAC-подуровень можно разделить на три основных компонента: протокол приоритета запросов, система тестирования соединений и система подготовки кадров передачи.

Протокол приоритетов запросов - Demand Priority Protocol (DPP) - трактуется стандартом 100VG-AnyLAN как составная часть MAC-подуровня. DPP определяет порядок обработки запросов и установления соединений.

Когда конечный узел готов передать пакет, он отправляет хабу запрос обычного или высокого приоритета. Если узлу нечего передать, он отправляет сигнал "свободен". Если узел не активен (например, компьютер выключен), он, естественно, ничего не посылает. В случае каскадного соединения хабов при запросе узлом передачи у хаба нижнего уровня последний транслирует запрос "вверх".

Хаб циклически опрашивает порты, выясняя их готовность к передаче. Если к передаче приготовились сразу несколько узлов, хаб анализирует их запросы, опираясь на два критерия - приоритет запроса и физический номер порта, к которому присоединен передающий узел.

Сначала, естественно, обрабатываются запросы высокого приоритета. Такие приоритеты используются приложениями, критичными к времени реакции, например, полноформатными системами мультимедиа. Администратор сети может ассоциировать выделенные порты с высокими приоритетами. Для того, чтобы избежать потерь производительности, вводится специальный механизм, не допускающий присвоения высокого приоритета всем запросам, исходящим от одного узла. Сделанные одновременно несколько запросов высокого приоритета обрабатываются в соответствии с физическим адресом порта.

После того, как обработаны все высокоприоритетные запросы, обрабатываются запросы нормального приоритета, в порядке, также определяемом физическим адресом порта. Чтобы обеспечить гарантированное время отклика, нормальному запросу, прождавшему 200-300 миллисекунд, присваивается высокий приоритет.

При опросе порта, к которому подключен хаб нижнего уровня, инициируется опрос его портов и только после этого возобновляется опрос портов старшего хаба. Таким образом, все конечные узлы опрашиваются последовательно, независимо от уровня хаба, с которым они соединены.

Система тестирования соединений. При тестировании соединений станция и ее хаб обмениваются специальными тестовыми пакетами. Одновременно все остальные хабы получают уведомление о том, что где-то в сети происходит тестирование. Кроме верификации соединений можно получить информацию о типах устройств, подключенных к сети (хабах, мостах, шлюзах и конечных узлах), режимах их функционирования и адресах.

Тестирование соединений происходит при каждому инициализации узла и при каждом превышении заданного уровня ошибок передачи. Тестирование соединений между хабами аналогично тестированию соединений конечного узла.

Подготовка кадра передачи. Прежде, чем передать данные на физический уровень, необходимо дополнить его служебными заголовком и окончанием, включающими в себя заполнения поля данных (если это необходимо), адреса абонентов и контрольные последовательности.

Кадр передачи 100VG-AnyLAN

Предполагаемый стандарт IEEE-802.12 поддерживает три типа форматов кадров передачи данных: IEEE 802.3 (Ethernet), IEEE 802.5 (Token Ring) и специальный формат кадров тестирования соединений IEEE 802.3.

Стандарт ограничивает допустимую организацию сетей, запрещая использование различных форматов кадров в рамках одного сегмента сети. Каждый сегмент может поддерживать только один логический стандарт, а для построения гетерогенных сетей предписывается применение специальных мостов.

Порядок передачи данных для форматов Ethernet и Token Ring одинаков (первым передается байт старшего разряда, последним - младшего). Различается лишь порядок битов в байтах: в формате Ethernet первыми передаются младшие биты, а в Token Ring - старшие.

Кадр Ethernet (IEEE 802.3) должен содержать следующие поля:

• DA - адрес получателя пакет (6 байт);
• SA - адрес отправителя (6 байт);
• L - указатель длины данных (2 байта);
• данные пользователя и заполнители;
• FCS - контрольная последовательность.

Длина поля данных не может быть менее 46 байт. Если данные не заполняют это пространство, им в конец дописывается специальный заполнитель. Блок данных не может быть более 1500 байт.

Поле адреса кроме 45 бит адреса несет в себе два бита управления, первый определяет групповой это адрес или индивидуальный, а второй задает его глобальность или локальность. Если это адрес отправителя, переключатель индивидуальный/групповой устанавливается в 0.

Кадр Token Ring (IEEE 802.5) содержит большее число полей. Некоторые из них протоколом 100VG-AnyLAN не используются, а сохранены лишь для того, чтобы обеспечить совместимость данных с сегментами 4 и 16 Мбит/сек (при обмене через соответствующие мосты):

Формат адрес получателя аналогичен формату адреса, используемому в стандарте Ethernet, а в адресе отправителя вместо адреса устанавливается бит, определяющий наличие информационного поля маршрутизатора.

Поле информации содержит данные для управления сетью и логического контроля соединений и данные пользователя и может состоять из любого количества байт, при условии, что их общее число в этом поле и поле маршрутизатора не превышает 4502 байт.

Кадр тестирования соединений стандарта IEEE 802.12 напоминает обычный кадр Ethernet, несколько модифицированный в соответствии с задачей, перед ним поставленной.

Все биты адреса всегда установлены в 0 - действительно, конкретный получатель отсутствует. Обмен специальными пакетами происходит между конечным узлом и его хабом, а через него - с вышестоящими хабами. Нулевой адрес указывает на то, что пакет этот тестовый, предотвращая его передачу какому-либо конечному узлу.

В качестве адреса отправителя фигурирует физический адрес конечного узла. Если тестирование инициировано хабом нижнего уровня, этот адрес нулевой.

Поле, указывающее на длину пакета, в тестовом пакете за ненадобностью заменяется на поле конфигурации, в котором используются первые четыре бита, определяющие параметры узла или хаба, выступающего инициатором тестирования. Первый бит определяет, является ли отправитель конечным узлом или хабом нижнего уровня, второй - публичный/конфиденциальный режим, третий устанавливается, когда запрашивающий является мостом. Четвертый определяет формат используемого сетью протокола - Ethernet/Token Ring.

Поле данных тестового пакета состоит из 596 нулевых байт.

Физический уровень сетей 100VG-AnyLAN

В модели ISO физическому уровню вменяется непосредственный процесс передачи битов данных от одного узла к другому. Разъемы, кабели, уровня сигналов, частоты и другие физические характеристики описываются именно этим уровнем.

В стандарте 100VG-AnyLAN определяется два подуровня физического уровня: независящий и зависящий от физической среды.

Подуровень протокола, независящий от передающей Среды, занят подготовкой данных, полученных "сверху" для отправки их на уровень передающей Среды. Кроме того, необходимо сделать данные пригодными отправке по нескольким каналам одновременно.

При этом кадр, полученный "сверху", разбивается на кванты по пять бит в каждом кванте перемешиваются скремблером, в каждом канале по-разному, а затем 5-битовые кванты преобразуются в 6-битовые, так, чтобы число нулей и единиц в двух последовательных квантах каждого канала было одинаково (это и есть 5B6B-кодировка). Затем кадры снабжаются заголовком и окончанием и отправляются на зависимый от среды подуровень, который обеспечивает взаимодействие со средой.

Физический способ передачи

В качестве электрического стандарта передачи данных разработчики решили вернуться к известному способу прямого двухуровнего кодирования (NRZ-коду), где высокий уровень сигнала соответствует логической единице, а низкий - нулю. Когда-то, на заре эры цифровой передачи данных, от такого способа отказались. В основном, это было связано с трудностями синхронизации и произошло вопреки большей плотности информации на один такт несущей частоты - два бита за один такт.

Использование кодировки 5B6B, предопределяющей равное число нулей и единиц в передаваемых данных, позволяет получить достаточную синхронизацию. Даже наличие трех битов одного уровня подряд (а большее их число запрещено кодировкой и интерпретируется как ошибка) не успевает привести к рассинхронизации передатчика и приемника.

Таким образом, при избыточности кода 20% пропускная способность канала увеличивается вдвое. При тактовой частоте 30 МГц обеспечивается передача 25 Мбит/сек исходных данных по одной паре, суммарный объем передачи по четырем парам одного кабеля составляет 100 Мбит/сек.

Управление передачей данных в сетях

Сети, построенные на неэкранированной витой паре, используют все четыре пары кабеля и могут функционировать как в полнодуплексном (для передачи сигналов управления), так и полудуплексном режиме, когда все четыре пары используются для передачи данных в одном направлении.

В сетях на экранированной паре или оптоволокне реализованы два однонаправленных канала: один на пример, другой на передачу. Прием и передача данных может осуществляться одновременно.

Для определения статуса соединений в сетях на неэкранированной витой паре используются два специальных тоновых сигнала - низкий тон, образующийся чередованием шестнадцати нулей и шестнадцати единиц (для тактовой частоты 30 МГц после NRZ-преобразования частота этого тона - 0.937 МГц). Сочетанием этих тонов передается режим работы или состояние готовности узлов и хабов.

Для передачи статус-сигналов используется полнодуплексный режим работы. Две пары используются для получения статус-сигнала, две оставшиеся - для передачи. Например, передающийся по обеим входным линиям низкий тон означает, что узел или хаб свободен, а оба высоких тона означают тестирование соединений.

Процесс передачи данных

Передача данных в сетях, построенных на витой паре, даже после того, как кадр передачи подготовлен, канализирован и препровожден на физический уровень, он должен быть физически отправлен ближайшему хабу, который и перенаправит его получателю. Этот процесс можно, с некоторой условностью, разбить на несколько стадий.

1. Получив сигнал "свободен" от своего хаба, узел посылает ему сигнал нормального приоритета. Наткнувшись на этот сигнал во время циклического сканирования портов, хаб перестает передавать сигнал "свободен" этому порту, освободив тем самым линии связи для использования при передаче.

2. Хаб сигнализирует все потенциальным получателям пакета, что им может быть передан пакет. Потенциальные адресаты прекращают передавать "свободен", освобождая линии связи и предоставляя хабу возможность передачи по все четырем каналам. Одновременно с этим, отправитель, обнаружив освободившиеся линии, начинает процесс обработки сообщения и подготовки его к отправке. Кадр разбивается на четыре канала, обрабатывается скремблером, кодируется, сопровождается преамбулой и ограничителями спереди и сзади, а затем препровождается на подуровень, зависящий от физической среды.

3. Физический уровень отправляет пакет хабу.

4. Хаб получает пакет и дешифрует адрес получателя.

5. Пакет препровождает получателю. Одновременно хаб начинает посылать сигнал "свободен" всем, не задействованным в процессе узлам.

В сетях на оптоволокне или экранированной паре передача данных происходит аналогично. Небольшие отличия определяются наличием постоянно действующих в обе стороны каналов. Узел, например, может получать пакет и одновременно отправлять запрос на обслуживание.

ATM

ATM - данной аббревиатурой может обозначаться технология асинхронной передачи данных (Asynchronous Transfer Mode), а не только Adobe Type Manager или Automatoc Teller Machine, что многим может показаться более привычным. Данную технологию построения высокоскоростных вычислительных сетей с коммутацией пакетов характеризует уникальная масштабируемость от небольших локальных сетей скоростями обмена 25-50 Мбит/сек до трансконтинентальных сетей.

В качестве передающей среды используется либо витая пара (до 155 Мбит/сек) либо оптоволокно.

ATM является развитием STM (Synchronous Transfer Mode), технологии передачи пакетованных данных и речи на большие расстояния, традиционно используемой для построения телекоммуникационных магистралей и телефонной сети. Поэтому прежде всего мы рассмотрим STM.

Модель STM

STM представляет собой сетевой механизм с коммутацией соединений, где соединение устанавливается прежде, чем начнется передача данных, и разрывается после ее окончания. Таким образом, взаимодействующие узлы захватывают и удерживают канал, пока не сочтут необходимым рассоединиться, независимо от того, передают они данные или "молчат".

Данные в STM передаются посредством разделения всей полосы канала на базовые трансмиссионные элементы, называемые временными каналами или слотами. Слоты объединены в обойму, содержащую фиксированное число каналов, пронумерованных от 1 до N. Каждому слоту ставиться в соответствие одно соединение. Каждая из обойм (их тоже может быть несколько - от 1 до М), определяет свой набор соединений. Обойма предоставляет свои слоты для установления соединения с периодом Т. При этом гарантируется, что в течение этого периода необходимая обойма будет доступна. Параметры N, M и Т определяются соответствующими комитетами по стандартизации и различаются в Америке и Европе.

В рамках канала STM каждое соединение ассоциируется с фиксированным номером слота в конкретной обойме. Однажды захваченный слот остается в распоряжении соединения в течение всего времени существования этого соединения.

Неправда ли, немного напоминает вокзал, от которого в определенном направлении с периодом Т отбывает поезд? Если среди пассажиров есть тот, которому этот поезд подходит, он занимает свободное место. Если такого пассажира нет, то место остается пустым и не может быть занято никем другим. Естественно, что пропускная способность такого канала теряется, к тому же осуществить одновременно все потенциальные соединения (MxN) невозможно.

Переход на ATM

Исследования применения оптоволоконных каналов в трансокеанских и трансконтинентальных масштабах выявили ряд особенностей передачи данных разных типов. В современных коммуникациях можно выделить два типа запросов:

- передача данных, устойчивых к некоторым потерям, но критичным к возможных задержкам (например, сигналы телевидения высокой четкости и звуковая информация);

- передача данных, не очень критичных к задержкам, но не допускающих потерь информации (этот тип передачи, как правило, относится к межкомпьютерным обменам).

Передача разнородных данных приводит к периодическому возникновению запросов на обслуживанию запросов на обслуживание, требующих большой полосы пропускания, но при малом времени передачи. Узел, порой, требует пиковой производительности канала, но происходит это относительно редко, занимая, скажем, одну десятую времени. Для такого вида канала реализуется одно из десяти возможных соединений, на чем, естественно, теряется эффективность использования канала. Было бы замечательно, если бы существовала возможность передать временно неиспользуемый слот другому абоненту. Увы, в рамках модели STM это невозможно.

Модель ATM была взята на вооружение одновременно AT&T и несколькими европейскими телефонными гигантами. (Кстати, это может привести к появлению сразу двух стандартов на спецификацию ATM.)

Главная идея заключалась в том, что необходимости в жестком соответствии соединения и номера слота нет. Достаточно передавать индентификатор соединения вместе с данными на любой свободный слот, сделав при этом пакет настолько маленьким, чтобы в случае потери утрата легко восполнялась бы. Все это изрядно смахивает на коммутацию пакетов и даже называется похоже: "быстрая коммутация коротких пакетов фиксированной длины". Короткие пакеты весьма привлекательны для телефонных компаний, стремящихся сохранить аналоговые линии STM.

В сети ATM два узла находят друг друга по "виртуальному идентификатору соединения" (Virtual Circuit Identifier - VCI), используемому вместо номеров слота и обоймы в модели STM. Быстрый пакет передается в такой же слот, как и раньше, на без каких-либо указаний или идентификатора.

Статистическое мультиплексирование

Быстрая коммутация пакетов позволяет решить проблему неиспользуемых слотов посредством статистического мультиплексирования нескольких соединений по одной линии связи в соответствии с параметрами их трафика. Другими словами, если большое число соединений носят импульсный характер (соотношение пиковой активности к средней - 10 или более к 1), есть надежда, что пики активности разных соединений будут совпадать не слишком часто. В случае совпадения один из пакетов буферизуется пока не появятся свободные слоты. Такой способ организации соединений при правильно подобранных параметрах позволяет эффективно загружать каналы. Статистическое мультиплексирование, неосуществимое в STM, и является основным достоинством ATM.

Типы сетевых пользовательских интерфейсов ATM

Прежде всего - это интерфейс, ориентированный на подключение к локальным сетям, оперирующим кадрами данных (семейства IEEE 802.x и FDDI). В этом случае аппаратура интерфейса должна транслировать кадры локальной сети в элемент передачи сети ATM, выступающей в качестве глобальной магистрали, связывающей два значительно удаленных друг от друга сегмента локальной сети.

Альтернативой может служить интерфейс, предназначенный для обслуживания конечных узлов, непосредственно оперирующих форматами данных ATM. Такой подход позволяет повысить эффективность сетей, требующих значительных объемов передачи данных. Для подключения конечных пользователей к такой сети используются специальные мультиплексоры.

В целью администрирования такой сети на каждом устройстве исполняется некоторый "агент", поддерживающий обработку административных сообщений, управление подключениями и обработку данных соответствующего протокола управления.

Формат данных ATM

Пакет ATM, определенный специальным подкомитетом ANSI, должен содержать 53 байта.

5 байтов занято заголовком, остальные 48 - содержательная часть пакета. В заголовке 24 бита отдано идентификатору VCI, 8 бит - контрольные, оставшиеся 8 бит отведены для контрольной суммы. Из 48 байт содержательной части 4 байта может быть отведено для специального адаптационного уровня ATM, а 44 - собственно под данные. Адаптационные байты позволяют объединять короткие пакеты ATM в более крупные сущности, например, в кадры Ethernet. Контрольное поле содержит служебную информацию о пакете.

Уровень протокола ATM

Место ATM в семиуровневой модели ISO - где-то в районе уровня передачи данных. Правда, установить точное соответствие нельзя, поскольку ATM сама занимается взаимодействием узлов, контролем прохождения и маршрутизацией, причем осуществляется это на уровне подготовки и передачи пакетов ATM. Впрочем, точное соответствие и положение ATM в модели ISO не столь важны. Более существенно - понять способ взаимодействия с существующими сетями TCP/IP и в особенности с приложениями, требующими непосредственного взаимодействия с сетью.

Взаимодействие с интерфейсом ATM удобно представлять в качестве еще одного коммуникационного порта системы. Таким образом, с точки зрения программного обеспечения системы, он может обратываться как второй порт уровня передачи данных. В частности, в сетях IP, подключенных через шлюз к ATM, модель не будет отличаться от модели с виртуальными соединениями за исключением той части, где пакет будет разбит на ячейки ATM (в передающем узле ATM) и преобразован обратно в узле-получателей. Точно так же, как порт Ethernet имеет свой IP-адрес, так и ATM-порт может иметь свой. Программа IP на маршрутизаторе решает, на какой порт отправить пакет. Порт преобразует сигнал в соответствии с тем, в каком виде пакет должен быть препровожден далее. Если это порт Ethernet, пакет дополняется соответствующим заголовком и препровождается в стиле Ethernet. В случае ATM дейтаграмма IP разбивается на ячейки ATM, в которых определяются соответствующие стандарту поля адаптационного уровня ATM. Фрагментирование и дефрагментирование данных возложено на аппаратуру. Каждой ячейке присваивается идентификатор VCI, определяемый в момент инициализации соединения. Ячейка отправляется по назначению по каналу ATM. Адресат дефрагметирует данные, используя информацию адаптационного уровня и получая полноформатный IP-пакет.

Приложениям, имеющим непосредственный интерфейс ATM, доступны преимущества, предоставляемые гомогенной сетевой средой ATM.

Основная нагрузка возложена на уровень "Управления виртуальными соединениями ATM", дешифрующий специфические заголовки ATM, устанавливающий и разрывающий соединений, осуществляющий демультиплексирование и выполняющий действия, которые от него требуются управляющим протоколом.

Физический уровень

Хотя физический уровень и не является частью спецификации ATM, он учитывается многими стандартизующими комитетами. В основном, в качестве физического уровня рассматривается спецификация SONET (Synchronous Optical Network) - международный стандарт на высокоскоростую передачу данных. Определены четыре типа стандартных скоростей обмена: 51, 155, 622 и 2400 Мбит/сек, соответствующих международной иерархии цифровой синхронной передачи (Synchronous Digital Hierarchy - SDH). SDH специфицирует, каким образом данные фрагментируются и передаются синхронно по оптоволоконным каналам, не требуя при этом синхронизации каналов и тактовых частот всех узлов, участвующих в процессе передачи и восстановления данных.

Контроль прохождения данных

Из-за высокой производительности сетей ATM механизм, традиционно используемый в сетях ТСР, непригоден. Если бы контроль прохождения был возложен на обратную связь, то за время, пока сигнал обратной связи, дождавшись выделения канала и пройдя все стадии преобразования, достигнет источника, тот успеет передать несколько мегабайт в канал, не только вызвав его перегрузку, но, возможно, полностью блокировав источник перегрузки.

Большинство стандартизующих организаций согласно с необходимостью целостного подхода к контролю прохождения. Его суть такова: управляющие сигналы формируются по мере прохождения данных на любой участке цепи и отрабатываются на любой ближайшем передающем узле. Получив соответствующий сигнал, пользовательский интерфейс может выбрать, как ему поступить - уменьшить скорость передачи или сообщить пользователю о том, что переполнение имеет место.

В основном, идея контроля прохождения в сетях ATM сводится к воздействию на локальный сегмент, не затрагивая при этом сегментов, чувствующих себя хорошо, и добиваясь максимальной пропускной способности там, где это возможно.

Fibre Channel

Локальные сети, несмотря на несомненные достоинства, несут в себе и ограничения, являющиеся обратной стороной их гибкости и дешевизны. Прежде всего, они связаны с тем, что сеть по своему определению - разделяемый ресурс, обязанный всем своим пользователям обеспечить адекватный сервис. Естественно, возникают проблемы, связанные с коллективным доступом к разделяемому ресурсу, вызывающие определенное, пусть даже фиксированное, время ожидания обслуживания, а иногда и отказ в обслуживании. Управление приоритетами полностью эту проблему не решает. Кроме того, необходимость маршрутизации, а также фиксированная длина атомов данных приводят к потерям производительности и избыточности. Да и передача больших массивов данных связана с потерями из-за фрагментации и высокой вероятности ошибок. Кроме того, традиционные локальные сети только-только добрались до рубежа в 100 Мбит/сек, когда как для передачи полноформатного сигнала телевидения высокой четкости (1024х768, 32 бита, 30 кадров/сек) необходима производительность 755 Мбит/сек.

В идеале, для задач, критичных к скорости и надежности, можно построить сеть, состоящую из двух узлов, работающих в дуплексном режиме, по сравнительно простому протоколу с минимальной избыточностью, и на оптическом кабеле, обеспечивающем приемлемую полосу пропускания. Недостаток такой сети налицо: она объединяет всего двух участников обмена, да и стоит изрядно. Тем не менее, есть немало приложений, когда можно заплатить такую цену. Например, если речь идет о взаимодействии внутри кластера высокопроизводительных рабочих станций или об обмене между кластером и интеллектуальным массивом накопителей. Такая технология получила название канала, а использование оптоволокна предопределило название Fibre Channel (FC).

Для создания стандарта Fibre Channel по инициативе компаний IBM, Sun и HP создана Fibre Channel Association.

FC - это технология, обеспечивающая высокоскоростной, двунаправленный асинхронный обмен между двумя точками. Для построения разветвленной сети используются коммутаторы соединений. Последовательный обмен позволяет при относительно малых затратах обеспечить значительную протяженность соединения. В отличие от других канальных архитектур, FC поддерживает сетевой обмен в формате IP. Так как нет необходимости в разделении передающей среды между несколькими абонентами, для каждого соединения используется вся производительности канала.

Декларированные скорости обмена для линий связи лежать в диапазоне 100 Мбит/сек - 1 Гбит/сек. Длина каждой такой линии - до 10 км. Двунаправленность канала, в случае сбалансированной загрузки, обеспечивает удвоенную производительность.

Кроме взаимодействия точка-точка FC поддерживает коммуникационные протоколы FDDI и IP. Поддерживается и обмен с устройствами SCSI, что весьма существенно при работе с массовой памятью. Таким образом, подключенному к FC-линку узлу доступны не только абоненты FC, но и взаимодействие с локальными и глобальными сетями.

FC-технология предоставляет три класса обслуживания. В отличие от традиционных сетей, любой класс обслуживания доступен всего на двух узлах. Кроме того, каждый класс обслуживания может быть интегрирован с сервисами других протоколов.

Класс 1 - это физическое соединение или система с коммутацией соединений.

Класс 2 - коммутация пакетов без установления соединений, когда обеспечивается гарантированная передача с подтверждением о приеме.

Класс 3 - широконаправленное вещание без установления соединений и подтверждения получения.

Поддерживается также смешанный режим, Intermix. В этом режиме вся полоса канала выделяется под прямое соединение, но допускается его разделение передачами без установления соединений, когда некоторая часть полосы свободна. Смешанный режим обеспечивает доступа даже к тем узлам, которые обладают большой активностью, требующей максимальной пропускной способности.

Для построения FC-сетей, в основном, применяются три топологии.

Первая, применяемая наиболее широко, основана на коммутации физических каналов и требует как минимум одного переключателя. Вторая - это простое соединение точка-точка. Третья, называемая "Управляемая петля" (Arbitrated Loop), не требует наличия переключателей и использует медленные кабели, поэтому обладает ограничениями по полосе пропускания и возможному удалению узлов.

Все соединения являются физическими и каждое из них имеет фиксированные концы, определяемые в момент инициализации соответствующих узлов. В качестве узла может выступать интерфейс внешней сети, например ATM или FDDI.

В явном виде протокол спецификацией FC не определяется. Считается, что операционной системе уже известны адреса всех устройств, подключенных к FC, а вопрос взаимодействия возможен непосредственно на обслуживающие узлы программы.

Посткриптум

Увы, описанные нами технологии пока не являются международными стандартами. Если для 100VG-AnyLAN уже утвержден драфт стандарта (IEEE802.12), то стандарты ATM и FC только разрабатываются. Несмотря на это, многие энтузиасты уже объявили о выпуске соответствующих устройств. Безусловно, представленные технологии отражают общие тенденции в мире сетей и телекоммуникаций и представляют весь спектр современных идей в этой области - от разделяемой среды с коммутацией сообщений (100VG-AnyLAN) до системы коммутации физических каналов FC. ATM занимает промежуточное положение на пути от коммутации соединений к коммутации пакетов.