Wstęp

Wzrost mocy obliczeniowej komputerów i coraz to nowe możliwości związane z oprogramowaniem aplikacyjnym powodują ciągły wzrost wymagań stawianych sieciom komputerowym. Coraz większa efektywność sieci jest niezbędna dla poprawnego funkcjonowania instytucji. Dla spełnienia wymagań użytkowników pojawiają się nowe rozwiązania sprzętowe i programowe. Szczególnie duże przepustowości sieci wymagane są przez aplikacje multimedialne przesyłające ogromne ilości danych (obraz i dzwięk).

Stosowane do tej pory techniki nie pozwalały na obsługę tego typu ruchu w sieci. Nie były one nawet przystosowane do przesyłania w prosty sposób tego typu danych.

Prace nad technologią pozwalającą na szybkie przesyłanie dużej ilości różnego typu danych prowadzone były już od połowy lat 80. Technologia bedąca wynikiem tych prac to ATM (Asynchronous Transfer Mode).

Czym jest ATM?

Asynchronous Transfer Mode

ATM jest technologią przesyłania małych ramek o stałej długości. Przepustowość połączenia jest dzielona na podstawowe jednostki tzw. szczeliny czasowe (time-slots). Każda szczelina jest podzielona na mniejsze jednostki. W technologii ATM dla każdej pary użytkowników końcowych przesyłających informacje przydzielany jest identyfikator tzw. połączenia wirtualnego (Virtual Circuit Identifier). Wykorzystywany jest on do adresowania przesyłanych pakietów. Dzięki temu przesyłany pakiet może się znaleźć w dowolnym miejscu szczeliny czasowej, co pozwala na maksymalne wykorzystanie połączenia. W STM (Synchronous Transfer Mode), który był do tej pory najczęściej stosowaną techniką przesyłania danych w sieciach telekomunikacyjnych, komunikacja pomiędzy dwoma użytkownikami odbywała się wykorzystując określone miejsce w określonej szczelinie czasowej, które nie mogło być wykorzystane przez innych użytkowników. Powodowało to niewykorzystanie zarezerwowanego czasu medium w momentach, w których informacja nie była przesyłana.

Pojęcie techniki transmisji ATM jest nierozerwalnie związane z tematem sieci B-ISDN, która ma dostarczać swoim użytkownikom szeroki zakres usług. Jest ona naturalnym rozwinięciem idei sieci ISDN i ma zapewniać:

- Transmisje interakcyjne i dystrybucyjne, których przedmiotem mogłyby być szeroko pojęte multimedia.

- Transmisje szeroko- oraz wąskopasmowe.

- Transmisje ciągłe i impulsowe (ang. bursty and continuous traffic) - przy czym bardzo istotnym zagadnieniem jest tutaj wykorzystanie właściwości dużej liczby transmitowanych sygnałów, które nie mają charakteru ciągłego strumienia o określonej przepływności, a raczej potrzebują sporadycznie dużej przepływności łącza.

- Usługi połączeniowe i bezpołączeniowe (ang. connection-oriented and conectionless services) - zarówno transmisje wymagającą wcześniejszych procedur ustanawiania połączenia jak i transmisje datagramów.

- Implementacje przetwarzania transmitowanych sygnałów - czyli DSP (ang. digital signal processing) - gdzie najważniejszym zagadnieniem byłaby kompresja sygnałów z algorytmem dostosowanym do ich charakteru ale także dostosowanie ich postaci do potrzeb i wymagań urządzeń odbiorczych.

- Szeroką gamę rodzajów połączeń, z których warto wymienić:

• połączenia punkt-punkt (w wersjach jedno i dwukierunkowych).

• zespoły równoległych połączeń typu punkt-punkt

• połączenia typu punkt-wielopunkt.

Specyfikacja ATM zakłada przesyłanie informacji w sieci z prędkosciami od 45 Mbps do 620 Mbps. Planuje sie w przyszłości rozszerzenie zakresu prędkości nawet do 2.4 Gbps.

Powyżej poziomu łącza fizycznego znajduje się poziom ATM. Jest on odpowiedzialny za realizację połączenia w sieci ATM, a także przesyłanie ramek (cell). Pakiet ATM o długości 53 bajtów zawiera 48 bajtów danych i 5 bajtów nagłówka. W nagłówku zawarta jest informacja o drodze pakietu w sieci. Mała długość pakietu pozwala na łatwą obsługę sprzętową ich przesyłania, jest zarazem wystarczająca do przesyłania danych multimedialnych.

Specyfikacja ATM definiuje zarówno połączenia "connection-oriented", jak i "connectionless".

Kolejnym poziomem specyfikacji ATM jest ATM Adaptation Layer (AAL). Realizuje on segmentację informacji wyższych warstw do postaci pakietów ATM, a także ich późniejsze odtworzenia. AAL opisuje 4 klasy usług. Klasa A prawdopodobnie będzie wykorzystywana do obsługi usług telefonicznych, klasa B przesyłania obrazów video i dzwięku, klasy C i D do transportu danych (C-connection-oriented, D-connectionless).

Wyższe warstwy ATM odpowiedzialne są m.in. za routing pomiędzy switchami i obsługę poszczególnych protokołów. Prace nad tymi zagadnieniami trwają, nie zostały one jak dotąd zestandaryzowane.

Sieć ATM w standardzie nie definiowała medium transmisyjnego więc może być stosowana w różnych środowiskach, zarówno WAN (FrameRelay) jak i LAN (Ethernet, FDDI). Do tej pory są na razie następujące klasy przepływności: 25Mb/s, lOOMb/s, 155,52Mb/s (najczęściej) oraz 622Mb/s i 2,5Gb/s. Poszczególne ramki danych maja wielkość 53 bajty (48 bajtów danych). Dzięki bardzo szybkim przełącznikom komórek i połączeń obsługa transmisji może być stosowana do transmisji głosu, obrazu. ATM bardzo efektywnie potrafi zarządzać dostępnymi łączami opartymi o dowolne medium. Przekaz jest w trybie połączeniowym co oznacza że przed wysłaniem informacji występuje faza zestawienia łącza - według parametrów deklarowanych przez abonenta (typ przesyłanych danych). W sieci ATM wprowadzono wirtualizację połączeń opierającą się na tym, że dla połączenia definiowana jest wirtualny kanał (Virtual Channel) który idzie po wirtualnej ścieżce (Virtual Path). Takie zdefiniowanie umożliwia np. przy zmianie trasy przesyłu danych - zmianie wirtualnej ścieżki automatyczną zmianę wszystkich przyporządkowanych kanałów wirtualnych. Sieć ATM zapewnia pewną przezroczystość a więc może być swobodnie wykorzystywana z różnymi protokołami komunikacyjnymi i do realizacji różnych usług.

Organizacja ATM Forum (zajmująca się standaryzacją technologii ATM) w 1995 opracowała standard PNNI (Private Network to Network Interface) definiujący szczegółowo współpracę przełączników ATM wraz z możliwością „uczenia się" topologii sieci, w której są instalowane. Przekaz i wzajemne pamiętanie w przełącznikach dodatkowych informacji o stanie i parametrach poszczególnych łączy (szerokość pasma, poziom QoS, opóźnienia przekazu) obniża ruch w sieci.

Technologia ATM w odniesieniu do modelu sieci OSI definiuje trzy początkowe warstwy:

warstwa fizyczna (ATM Physical layer) - funkcje dostępu do medium transmisyjnego, bez definiowania konkretnego medium transmisyjnego.

warstwa ATM (ATM Layer) - właściwe protokoły transmisji pakietów (komórek) i definicje routingu dla kanałów wirtualnych, bez względu na typ realizowanej usługi. W tej warstwie działają wszelkie przełączniki ATM zajmujące się kierowaniem ruchu.

warstwa adaptacyjna AAL (ATM Adaptation Layer) - funkcje dla usług związanych z segmentacją i składaniem jednostek transmisyjnych między wyższymi warstwami a warstwą ATM.

ATM z definicji obsługuje transmisje zgodnie z QoS (Quality of Service). Umożliwia to zdefiniowanie z góry określonej jakości usługi i tak można zdefiniować kilka klas jakości (CoS -Class of Service).

Ze względu na usługi ATM definiuje klasy A,B,C,D zaś jeśli chodzi o przepustowość to zdefiniowane są następujące poziomy:

CBR (Constant Bit Ratę) - usługi o stałym zapotrzebowaniu na pasmo (np. głos bez kompresji i mechanizmów wykrywania ciszy)

VBR (Variable Bit Ratę) - usługi, którym wystarcza zmienna przepływność (np. transakcje bankowe, sygnalizacja w systemie nadzoru)

ABR (Available Bit Ratę) - przekaz danych bez istotnych wymagań czasowych, ale z gwarancja pewnego minimalnego poziomu (np. aplikacje poczty elektronicznej, transfer zbiorów, dostęp do Internetu)

UBR (Unspecified Bit Ratę) - bez jakichkolwiek gwarancji jakościowych.

Topologia sieci ATM, Interfejsy

ATM Sieci oparte na technologii ATM są konfigurowane jako gwiazda lub hierarchiczna gwiazda (w przypadku połączeń miedzy komutatorami) z komutatorem (swich'em) ATM w centrum. Wyróżnia się dwa typy interfejsów:

UNI - User/Network Interface, który łączy CPE (ang. Customer Premises Equipment) z siecią ATM czyli odpowiada za styk użytkownik-sieć publiczna. Interfejs UNI powinien zapewniać użytkownikowi podłączenie do globalnej sieci urządzenia typu:

teminal szerokopasmowy B-ISDN.

urządzenie sieci LAN/MAN przystosowane do współpracy z standardem ATM.

komutator - switch - ATM.

NNI - Network/Network Interface łączący tylko porty switch'ow ATM - tzn. za ich pośrednictwem łączone są sieci i podsieci ATM.

Mówimy tutaj o styku sieć publiczna-sieć publiczna. Podział na dwa rodzaje interfejsów spowodował rozróżnienie dwóch formatów komórek ATM. Istnieje wiele specyfikacji interfejsów UNI/NNI z których każda obejmuje opis stosowanej warstwy fizycznej i charakterystykę warstwy ATM. Warto podkreślić że UNI/NNI zwierają w sobie zagadnienia związane z płaszczyzną kontroli (ang. Control Plane): zarządzania połączeniami, sygnalizacją itp.

Routing

Routing w sieciach ATM może być rozwiązany na kilka sposobów: routing centralny, rozproszony oraz mieszany (przełączniki z protokołem MPOA). Najstarszy jest routing centralny z dużym centralnym routerem. Rozwiązanie to nie nadaje się do dużych sieci ATM.

Powiązanie protokołem OSPF (Open Shortest Path First) kilku równolegle działających routerów centralnych, rozmieszczonych w różnych punktach sieci pozwala na zwiększenie niezawodności i wzrost ich wydajności. Brak jednak wiedzy o topologii sieci może doprowadzić do sytuacji, że dane będę przesyłane okrężnymi trasami.

W routingu rozproszonym wszystkie urządzenia dostępowe są jednocześnie przełącznikami warstwy 2 oraz routerami warstwy 3. Do wyboru najlepszego routera wykorzystywany jest protokół OSPF stosowany w TCP/IP. Poważną wadą takiego rozwiązania jest wysoki koszt urządzeń oraz problemy z bezpieczeństwem.

Współczesna odmiana routingu rozproszonego to protokół MPOA (Multi-Protocol Over ATM) mający zalety routingu centralnego a pozbawiony jego wad. Wybrane nieliczne routery lecz technicznie bardzo zaawansowane zajmują się trasowaniem. Przy dużym ruchu routery te przerzucają ruch na szybkie przełączniki wybierając najszybsze alternatywne trasy. Po pewnym czasie przełączniki zapominają trasy i znów wszystko wraca na ruch przez wybrane główne routery. Bardzo cenną funkcją sieci ATM jest emulacja sieci lokalnej przez łącze ATM. Standard LANE (LAN Emulation) gwarantuje normalny ruch standardowymi technologiami sieci lokalnych takich jak np. Ethernet, Token Ring i stosowanie protokołów wykorzystywanych w sieciach lokalnych takich jak np. TCP/IP, Apple Talk i innych.

Cechy ATM

ATM pozwala na osiągnięcie ekonomii skali poprzez integrację różnych rodzajów usług na bazie jednolitej infrastruktury telekomunikacyjnej. Dodatkowo statystyczna natura ATM, oraz jej umiejętność obsługi aplikacji o zmiennym zapotrzebowaniu na pasmo prowadzi do znacznie większej efektywności sieci, w porównaniu z tradycyjną technologią komutacji łączy. Udostępniając każde połączenie dla aplikacji, sieć zapewnia niezależnie parametry związane z jakością obsługi (ang. QOS - Quality of Service):

• opóźnienie - np. wymagane małe w przypadku interaktywnej transmisji video lub glosu.

• niezawodność - np. wysoka dla obsługi systemów alarmowych, aplikacji CAD/CAM, EDI.

• przepustowość - np. wysoka dla przesyłu danych.

Parametry te pozwalają ustalić atrybuty poszczególnych aplikacji, a przez to kolejność ich obsługi przez sieć. W przypadku istnienia wielu dróg pomiędzy użytkownikami dają one możliwość wyboru trasy optymalnej (ze względu na opóźnienie, niezawodność, czy prędkość przesyłu).

Jakość obsługi oraz zapotrzebowanie na przepustowość ustalane są w wyniku negocjacji między aplikacją użytkownika a siecią, podczas fazy nawiązywania połączenia, kiedy to aplikacja określa swoje żądane (maksymalne) oraz minimalne wymagania. Jeżeli zasoby sieciowe pozwalają spełnić minimalne wymagania użytkownika, zawierany jest kontrakt, którego przestrzeganie obowiązuje obydwie strony. W przeciwnym przypadku sieć odmawia obsługi aplikacji, bez wpływu na aktualnie istniejące połączenia.

Perspektywy ATM

Wraz z rozwojem nowej technologii sieciowej nasuwa się pytanie: co przekona potencjalnych użytkowników oraz projektantów sieci do zamiany istniejącej infrastruktury właśnie na sieć ATM ? Poniższe punkty zawierają próbę odpowiedzi na to pytanie:

• ATM stanowi skalowalną, elastyczną, zapewniającą dużą przepustowość warstwę łącza danych. Może ona zastąpić istniejące struktury LAN, najpierw w sieci szkieletowej, a następnie również do poszczególnych użytkowników.

• ATM zapewnia te same usługi, co dzisiejsze sieci, dodatkowo rozszerzając je o nowe (np. multimedia) oraz umożliwiając łatwiejszą rozbudowę sieci.

• Integracja WAN/LAN. Jedną z ważnych zalet ATM jest możliwość użycia dokładnie tych samych protokołów zarówno w obrębie prywatnej sieci LAN jak również przy wyjściu "w świat" poprzez WAN. Chociaż istnieję pewne różnice dotyczące wnoszonego opóźnienia, problemów zatłoczenia czy taryfikacji, to jednak integracja sieci staje się niewątpliwie łatwiejsza.

• Integracja usług - architektura ATM pozwala na przenoszenie po jednym kablu (lub innym łączu) wielu różnych rodzajów usług. Wizja typu: "jedna wtyczka pasuje do wszystkiego" choć jeszcze odległa, jest już w „zasięgu wzroku".

• Pieniądze - przy całej swojej funkcjonalności technologia ATM daje nadzieję na redukcję kosztów produkcji koncentratora do około 200$/port dla interfejsu z UTP oraz ok. 400$/port dla interfejsu optycznego. Integracja i statystyczne wykorzystanie łączy odległych pozwolą na ograniczenie ogólnego zapotrzebowania na pasmo.

Zastosowanie technologii ATM.

ATM jest obecnie jedyną technologią, która znajdzie zastosowanie dla realizacji sieci LAN, MAN i WAN. W kontekście ATM zanika dotychczasowy związek określonego standardu z typem sieci (np. LAN - Ethernet, MAN - FDDI). Mowiąc więc o zastosowaniach ATM trzeba brać pod uwagę każdy z dotychczasowych typów sieci komputerowych.

Poruszając aspekt możliwości zastosowania ATM w sieciach LAN musimy zadać pytanie, kiedy takie rozwiązanie jest uzasadnione. Pierwsze uzasadnienie wynika z coraz większych wymagań dotyczących praktycznej realizacji technologii klient-server. Aplikacje graficzne (CAD/CAM), duże bazy danych integrujące dane i grafikę (GIS) oraz wiele innych nowoczesnych zastosowań wymaga coraz większych szybkości przesyłania danych między komputerami, a szczególnie między serwerem a innymi użytkownikami sieci. Dla tego typu zastosowań technologia ATM otwiera nowe możliwości, polegające na tym, iż grupa robocza użytkowników może dla swoich celów korzystać z dobrodziejstw 155 Mbps przepustowości. Drugie uzasadnienie to coraz częstsza potrzeba (dzisiaj zaspokajana przez FDDI) szybkiej komunikacji między grupami roboczymi, która wymaga stworzenia dla połączeń sieci lokalnych szybkiego rdzenia w oparciu o ATM.

Kolejny obszar zastosowań ATM to multimedia. Zespoły standaryzacyjne, szczególnie ATM Forum, wiele czasu poświęcają na rozwiązanie zagadnień dotyczących transmisji multimedialnych, a szczególnie transmisji obrazu (video). Technologia ATM wydaje się doskonale przystawać do potrzeb w tym zakresie z dwu podstawowych powodów:

przepustowości - np. dla Ethernetu nie ma praktycznej możliwości realizacji więcej niż 6 równoległych połączeń video średniej jakości i jednego bardzo dobrej jakości;

braku interferencji z innymi typami transmisji (voice, data).

Inne możliwości rozwiązania, takie jak Ethernet switching czy ethernet izochroniczny (10 Mbps + 6 Mbps) nadają się do tego celu znacznie gorzej niż ATM.

Teoretycznie gigabitowa transmisja danych w sieci ATM jest szczgólnie interesująca do budowy sieci rozległych (WAN). Szybki rdzeń połączeń sieci rozległej zbudowany w technologii ATM mógłby służyć wielu użytkownikom zapewniając nieosiągalne dzisiaj przepustowości transmisji danych. Co więcej, sieć WAN zbudowana w oparciu o ATM wygladałaby tak samo jak sieć LAN. Jest to ważne, ponieważ dzisiaj rozróżnienie technologiczne między sieciami LAN i WAN jest źródłem wielu problemów projektowych, sprzętowych i wydajnościowych.

Pierwsze sieci ATM o zasięgu miejskim w Polsce

Rozwój ATM oraz pojawienie się na rynku pierwszych urządzeń pozwalających na budowę takich sieci wzbudziło duże zainteresowanie tą technologią w czołowych ośrodkach na świecie, a także w Polsce.

W Polsce jako pierwsze zainteresowały się sieciami ATM Kraków, Gdańsk i Wrocław. Wszystkie te ośrodki miały już wcześniej przygotowaną infrastrukturę pozwalającą na budowę superszybkich sieci światłowodowych. Firma Cisco Systems jako jedyny producent wieloprotokołowych routerów oferuje obecnie kompletne rozwiązania do budowy sieci ATM. Dlatego też switche ATM o nazwie HyperSwitch oraz routery Cisco 7000 posłużyły do budowy pierwszych w Polsce sieci ATM.

Zaczną one działać już na przełomie października i listopada 94.

MAN w Krakowie

Sieć o zasięgu miejskim łączy obecnie ACK CYFRONET z uczelniami Krakowa. Pierścień FDDI z routerami CISCO AGS+, C7000, C4000 rozbudowany zostanie o Cisco ATM HyperSwitch do połączeń międzyrouterowych. Przykład krakowski pokazuje, jak można przeprowadzić migrację do nowej technologii. Rdzeń sieci pracujący obecnie w standardzie FDDI zostanie uzupełniony, a w przyszłości zamieniony strukturą ATM.

MAN we Wrocławiu

Obecnie działa sieć FDDI o zasięgu miejskim łącząca Politechnikę Wrocławską z uczelniami Wrocławia. Kilkanaście routerów CISCO AGS+, C7000, C4000 stanowi rdzeń sieci. Pilotowy Cisco ATM HyperSwitch posłuży do połączeń międzyrouterowych.

MAN w Trójmieście

Pierścień FDDI o długości około 80 km łączy instytucje naukowe Gdańska, Gdyni i Sopotu. Kilkanaście routerów CISCO AGS+, C7000, C4000 stanowi główne węzły FDDI sieci. W najbliższym czasie sieć będzie rozbudowywana dla celów administracji państwowej i samorządowej. Obecnie wdrażana jest pilotowa instalacja ATM, która w początkowym okresie zapewni szybki dostęp z sieci do zasobów znajdujących się na serwerach i połączy szybkie stacje graficzne. Cisco ATM HyperSwitch połączony jest z routerem Cisco 7000.

Sieci ATM w studiach filmowych Disney'a.

Na początku lat osiemdziesiątych wytwórnia filmowa Disney'a zaczeła włączać do swoich produkcji obrazy komputerowe. Używano wtedy komputerów Pixtar podłączonych do wspólnego serwera, obsługującego z kolei wczesny model macierzy dyskowej. Powstawanie każdego filmu związane było z dwukrotnym wzrostem objętości plików i coraz bardziej dokuczliwymi "wąskimi gardłami" w kanałach przesyłu danych. Wynikła stąd potrzeba znacznej poprawy dostępu dużej liczby stacji graficznych do danych. Studio Disney'a zwróciło się w związku z tym do fimy FORE Systems, wybierając rozwiązania w technologii ATM. W roku 1992 zakupiło pierwszy switch ATM i zaczęło rozbudowywać sieć.

Obecnie sieć Disney'a obejmuje cztery węzły (dwa w Burbank, jeden w Orlando i jeden w Paryżu) i ponad tysiąc połączeń między komputerami. Pracują w niej 134 switche ATM. Połączenia między węzłami w Burbank zrealizowano w standardzie OC-12, z pozostałymi - w standardzie DS3. Sieć ATM przenosi codziennie około terabajta danych, pomimo że część transmisji wciąż odbywa się za pośrednictwem Ethernetu.

W ramach rozbudowy studio Disney'a planuje zainstalowanie hierarchicznego PNNI, wprowadzenie wideokonferencji na dużą skalę, przejście na standard OC-48 i tańsze łącza światłowodowe.

Możliwości pracy grupowej, zaistniałe dzięki działającej sieci ATM, przyniosły znakomite efekty w trakcie produkcji takich znanych filmów, jak "Król Lew", "Herkules", "Dzwonnik z Notre Dame", i będą częścią "magii kina" stającej za następnymi produkcjami studia Disney'a.

---