Что лучше строить - ATM или SDH?
Одним из общепризнанных методов решения поставленных задач является технология ATM (Asynchronous Transfer Mode), которая позволяет решать проблемы передачи сложного трафика в гетерогенной среде. Эта технология обеспечивает следующие сетевые преимущества:
— не зависит от физического уровня;
— способна работать в мультипротокольной информационной среде, что необходимо для организации глобальных сетей, таких как Internet;
— позволяет эффективно управлять сложным трафиком и работать с сетями любой топологии.
Несмотря на довольно медленное освоение этой технологии, в настоящее время примерно 20% мирового трафика передается именно по ATM сетям. Относительно медленное внедрение технологии ATM обусловлено большим количеством альтернативного оборудования, позволяющего решать конкретные, узконаправленные задачи. В результате технический прогресс на Западе сдерживается сроками амортизации существующего оборудования. В России и странах СНГ наблюдается совершенно другая ситуация. Отсутствие развитых современных систем связи приводит к появлению большого числа проектов строительства волоконно-оптических систем связи регионального и межрегионального уровня, которые довольно быстро воплощаются в жизнь. Однако очень большое число проектов за основу берут SDH-технологию (Synchronous Digital Hierarchy). Это приводит к тому, что после постройки такие сети быстро исчерпывают свои возможности и для их дальнейшего развития требуется переход на технологии более высокого уровня.
Сети SDH обеспечивают только работу канала передачи информации по оптическому волокну с высокой скоростью. Таким образом, эта технология соответствует физическому и канальному уровням, и создание сетевой инфраструктуры переносится на пользователей сетей — поставщиков сетевых услуг (провайдеров). В ATM-сетях сервис и услуги присущи самой технологии. Общей тенденцией последних лет стал уход операторов линий связи от услуг только канального уровня. Совершенно естественно, что владелец каналов связи заинтересован в повышении экономической эффективности за счет предоставления более дорогих услуг сетевого уровня. Характерным примером является деятельность компании British Telecommunications (BT). Эта английская компания — оператор связи национального уровня — покупает существующие SDH-сети и "одевает" их в оболочку из ATM-технологии. В результате BT выступает на рынке и как оператор связи, и как провайдер.
Технология асинхронного режима передачи (Asynchronous Transfer Mode, ATM) позволяет осуществлять передачу информации и управление в очень неоднородных по составу сетях. Эта технология пригодна для одновременной передачи трафика различного характера, голоса, видеоизображения в реальном времени и числовых данных.
Обычно применяемая в цифровой телефонии технология, основанная на коммутируемых цифровых сетях, использует технологию синхронной передачи. В такой системе между двумя абонентами устанавливается прямое соединение (канал) по линиям связи и биты, представляющие голосовую информацию, передаются через этот канал. Скорость поступления информации на приемник полностью соответствует скорости поступления информации в канал со стороны источника информации. Для передачи большого числа каналов по линии связи применяется мультиплексирование каналов — либо частотное, либо временное. Однако, в такой системе передача цифровых данных (например, при обмене информацией между двумя ЭВМ) является сложной задачей с точки зрения оптимальной загрузки канала, а значит и снижения стоимости его эксплуатации. Трафик такого обмена носит ярко выраженный пульсирующий характер и значительную часть времени канал не передает информации, что приводит к недогружености сети.
Сети с пакетной коммутацией представляют собой альтернативный способ передачи цифровой информации. При этой технологии последовательность бит от передатчика заключаются в контейнер, который называется пакетом. Пакет снабжен заголовком, где указана служебная информация — адрес отправителя, адрес получателя, указан способ проверки целостности содержимого пакета и т.д. Этот пакет данных поступает на коммутатор сети, который соединен с большим количеством пользователей. Используя информацию заголовка, коммутатор обрабатывает пакеты и рассылает их по адресам через другие коммутаторы по общим линиям связи. Так как каждый коммутатор связан с большим количеством пользователей, то при использовании буферизации происходит сглаживание пульсаций трафика и линия связи может быть загружена оптимальным образом. Такой режим передачи называется асинхронным. Эта система хороша для обмена данными между ЭВМ, но передача голосовых данных по таким системам связана с большими трудностями. Дело в том, что пакеты приходят на коммутатор, где ждут своей очереди, пока коммутатор обрабатывает ранее поступившие пакеты. Время ожидания не прогнозируемо — оно зависит от нагрузки на данный коммутатор в данный момент времени. В результате пакеты, выходя от передатчика через равные промежутки времени, придут к приемнику в случайные моменты времени. Для голосовой информации такая задержка приводит к сильным искажениям — вплоть до потери узнаваемости голоса. Например, при задержке величиной порядка 10 мс необходимо дополнительно решать проблемы эхоподавления. Все, что сказано выше о передачи голосовых данных, справедливо и в отношении передачи изображений в реальном времени.
Очевидно, что время задержки пакета в коммутирующем узле пропорционально длине пакета. Поэтому для того, чтобы уменьшить задержку необходимо уменьшить длину пакета. Но с уменьшением длины пакета возрастает и доля служебной информации в результирующем трафике, что опять приводит к уменьшению пропускной способности сети. Кроме того, обработка достаточно длинных заголовков пакетов приводит к перегрузке коммутаторов и снижению их производительности.
Таким образом, неоднородность трафика в современных линиях связи предъявляет взаимно исключающие требования к способам обработки информации и управления сетью. Ситуация усугубляется еще и возможным наличием на различных участках физических каналов связи различного оборудования, что делает линию связи гетерогенной и затрудняет создание сквозных соединений, гарантирующих качество предоставляемых услуг.
В настоящее время общепризнанно, что технологией способной решать такие противоречивые задачи на современном уровне является ATM. При создании этой технологии ставилась задача создания такой среды передачи данных, которая была бы одинаково дружественной для разных типов трафиков и которая смогла бы работать в высокопроизводительных сетях независимо от их физической реализации.
Рассмотрим, как в рамках технологии ATM решаются вопросы передачи неоднородного трафика с гарантированным качеством услуг.
В технологии ATM используются пакеты небольшого размера фиксированной длины. Размер пакета ATM является результатом компромисса между телефонистами и компьютерщиками в пакете имеется небольшой заголовок в 5 байт, из которых 3 байта отводятся под номер виртуального соединения, а остальные 48 байт содержат данные оцифрованного голоса или вычислитель-ной сети. На рис 1 показана зависимость времени задержки пакета от относительной длины заголовка при различных нагрузках сети, передающей данные со скоростью 155 Мб/с. Видно, что как для длинных пакетов, так и для коротких пакетов в загруженной сети время обслуживания велико. Размер пакета ATM как раз соответствует оптимальной величине, которая при значительных нагрузках на сеть обеспечивает минимальное время задержки. Для того, чтобы пакеты содержали адрес узла назначения и, в то же время, доля служебной информации не была большой, по сравнению с размером поля данных пакета, в технологии ATM применен стандартный для глобальных вычислительных сетей прием: эти сети всегда работают по протоколу с установлением соединения и адреса конечных узлов используются только на этапе установления соединения. При установлении соединения ему присваивается текущий номер соединения и в дальнейших передачах пакетов в рамках этого соединения, то есть до момента разрыва связи, в служебных полях пакета используется не адрес узла назначения, а номер соединения, который намного короче.
Рис.1. Зависимость времени задержки пакета на коммутаторе от относительной длины пакета в сети с пропускной способностью 155 Мб/с и нагрузкой 80%
Сеть ATM имеет структуру, похожую на структуру телефонной сети. Конечные станции соединяются с коммутаторами нижнего уровня, которые в свою очередь соединяются с коммутаторами более высоких уровней. Коммутаторы ATM пользуются адресами конечных узлов для маршрутизации трафика в сети коммутаторов. Коммутация пакетов происходит на основе идентификатора виртуального канала (Virtual Channel Identifier, VCI), назначаемого соединению при его установлении и уничтожается при разрыве соединения. Виртуальные соединения устанавливаются на основании длинных 20-байт-ных адресов конечных станций. Такая длина адреса рассчитана на очень большие сети, вплоть до всемирных. Адрес имеет иерархическую структуру, подобную номеру в телефонной сети и использует префиксы, соответствующие кодам стран, городов и т.п. Виртуальные соединения могут быть постоянными (Permanent Virtual Circuit, PVC) и коммутируемыми (Switched Virtual Circuit, SVC). Постоянные виртуальные соединения соединяют двух фиксированных абонентов и устанавливаются администратором сети. Коммутируемые виртуальные соединения устанавливаются при инициации связи между любыми конечными абонентами. Соединения конечной станции ATM с коммутатором нижнего уровня определяются стандартом UNI (User Network Interface), определяющем структуру пакета, адресацию станций, обмен управляющей информацией, уровни протокола ATM и способы управления трафиком.
Принципиальным достоинством технологии ATM является дифференциация пользователей сети по качеству обслуживания. Эта технология содержит четыре уровня гарантий качества сервиса, CBR, VBR, UBR и ABR.
Сервис CBR (constant bit rate, сервис с постоянной битовой скоростью) заказывает пиковую скорость трафика ячеек (peak cell rate, PCR), которая определяет максимальную скоростью передачи информации, которое может поддерживать соединение. Этот уровень сервиса предназначен специально для передачи голоса и видео в реальном масштабе времени.
VBR (variable bit rate, сервис с переменной битовой скоростью) включает два подкласса: трафик VBR реального времени (VBR-RT) и трафик VBR не реального времени (VBT-NRT). Трафик VBR-RT допускает очень узкие границы для задержки передачи ячеек и может использоваться для передачи данных приложений реального времени, которые позволяют небольшое изменение задержки передачи ячеек. Трафик VBR-NRT в свою очередь предъявляет менее жесткие требования к задержке передачи ячеек. Он специально предназначен для передачи коротких, пульсирующих сообщений, таких как сообщения, возникающие при обработке транзакций системами управления базами данных.
В отличие от CBR и VBR, сервис UBR (unspecified bit rate, неопределенная битовая скорость) не определяет ни битовую скорость, ни параметры трафика, ни качество сервиса. Этот вид сервиса предлагает только доставку "по возможности", без гарантий по утере ячеек, задержке ячеек или границам изменения задержки.
Рис. 2. Примерное решение узла сети SDH: без использования ATM-технологии (А) и с применением ATM-коммутатора (Б)
Сервис ABR (available bit rate), подобен сервису UBR, но он использует технику управления трафиком для оценки степени переполнения сети и избегает потерь ячеек. ABR — это первый класс сервиса технологии ATM, который действительно обеспечивает надежный транспорт для приложений с пульсирующим трафиком за счет того, что он может находить неиспользуемые интервалы времени в трафике и заполнять их своими пакетами, если другим классам сервиса эти интервалы не нужны.
Таким образом, использование различные уровни сервиса для различных абонентов сети и/или различных каналов одного и того же абонента ATM технология позволяет оптимизировать нагрузку на сеть и, в конечном счете, добиться более высокой пропускной способности. Отметим также, что внедрение технологии ATM не затрагивает физический уровень каналов информации, и ее реализация возможна в любой среде, а также и в гетерогенных сетевых структурах. Последнее обстоятельство позволило некоторым авторам рассматривать SDH-сеть как естественный транспорт для ATM технологии, который позволяет путем плавной модернизации существующего оборудования перейти в будущем на более совершенные технологии. Такая стратегия экономически оправдана для уже существующих сетей. Например, компания Deutsche Telekom, располагая сетью SDH (T-Net), предоставляет услуги ATM по всей территории Германии. Однако такой подход при проектировании новых сетей приводит к существенному увеличению расходов. В качестве примера рассмотрим узел сети SDH, сопряженный с телефонной АТС (рис 2,а). В этом случае весь трафик, прибывающий на узел, будет обработан аппаратурой АТС для установления необходимых соединений (коммутация). В результате телефонная станция оказывается перегруженной из-за транзитного трафика. При использовании ATM-коммутатора (рис 2,б) весь транзитный трафик направляется в обход АТС и информационная нагрузка на станцию существенно снижается. Следует обратить внимание на то, что ATM- коммутатор работает быстрее, чем телефонная станция, и снижает суммарное время задержки передачи информации.
Способность современных коммутаторов работать в оптической линии при скоростях вплоть до 8192 Мб/с делает вторую схему более перспективной. Следовательно, технология ATM позволяет работать в оптических линиях связи не используя оборудование SDH-сетей (такое как мультиплексоры). Кроме того, достигается снижение числа линий, идущих от АТС к оптической линии. Таким образом, при проектировании региональных оптических линий связи, ориентировка на построение чистой SDH-сети с ее дальнейшей модернизацией является ошибочной. Такая стратегия приводит к дополнительным издержкам как при строительстве самой линии связи, так и в оконечном оборудовании сетей доступа.
Рис. 3. Сравнение эффективности использования линии передачи при применении различных технологий
Теперь мы можем оценить влияние структуры реального трафика на пропускную способность сетей. Если в настоящем времени около 90% трафика российских SDH-сетей несут голосовые сигналы, то в развитых странах доля передачи голоса составляет существенно меньшее значение (70%). В ближайшем будущем ожидается, что доля числовых данных (обмен между ЭВМ и др.) возрастет и будет больше объема чисто голосового трафика. Если воспользоваться анализом передачи сложного трафика, то получится следующая зависимость эффективности использования пропускной способности линии от отношения долей голос/данные в общем объеме передаваемой информации (см. рис. 3).
Из этого рисунка становится понятно, что сеть, основанная только на временном уплотнении (например, SDH), удовлетворительно работает только при незначительной загрузке ее трафиком данных. Такая ситуация обычно складывается в начале эксплуатации линии, когда основной нагрузкой линии является передача телефонных разговоров. С развитием телекоммуникационной инфраструктуры региона все больший вес приобретает передача данных и, если нет коммутирующего слоя в виде ATM, сеть начинает "задыхаться".
Экономическая эффективность любой системы передачи информации зависит от суммарной стоимости услуг, которая мо жет предоставить эта система. Эта величина определяется в конечном счете как пропускной способностью сети, так и эффективностью ее использования в условиях реальной структуры передаваемого трафика. Более эффективное использование имеющихся сетей приводит к уменьшению тарифов на передачу сложных видов трафика при уменьшении стоимости оборудования, необходимого провайдеру, что стимулирует увеличение клиентской базы и приводит к увеличению общей стоимости предоставляемых услуг. Например, использование заложенных в технологию ATM сервисов делает перспективным развитие на ее базе виртуальных частных сетей.
Ясно, что разница в стоимости оборудования между SDH-сетью и сетью, ориентированной на применение технологии ATM, невелика по сравнению со стоимостью всей сети. Таким образом, еще на стадии строительства закладывая в проект создание сети ATM на волоконно-оптических линиях связи, инвестор получает большую экономическую эффективность, чем в случае SDH-сети.
Уже сегодня сети на основе ATM-технологии показывают свою экономическую и технологическую эффективность на уровне региональных сетей. Эффективная передача мультимедийного трафика с успехом осуществляется с помощью ATM. С учетом усложнения структуры передаваемого трафика простые сети будут применяться в будущем только как узкоспециальные, либо владельцы таких систем вынуждены будут модернизировать свои системы на сетевом и канальном уровнях, чтобы "вскочить на подножку уходящего поезда".
Сергей Шмытов, начальник Департамента сложных информационных систем Diamond Communications.
Дмитрий Плотников, вице-президент Diamond Communications.
Андрей Елантьев, научный консультант Diamond Communications, к.ф.м.н., доцент Кафедры общей и экспериментальной физики МПГУ.
Сетевые решения. Статья была опубликована в номере 08 за 2003 год в рубрике технологии
