Введение в технологию ATM

В качестве транспортного протокола в настоящее время при ADSL-подключении используется технология ATM (Asynchronous Transfer Mode, асинхронный режим передачи), завоевавшая в последние годы большую популярность благодаря гибкости, высокой эффективности и при этом – сравнительной простоте реализации.

Изначально технология ATM разрабатывалась как эффективный транспортный механизм для нужд бурно развивающегося рынка телекоммуникаций. Фактически можно выделить два крайних варианта организации сетей передачи данных – сеть с коммутацией каналов (circuit switching) и сеть с коммутацией пакетов (packet switching). Первую технологию отлично иллюстрирует всем знакомая телефонная сеть – на все время разговора Вам предоставляется собственный физический канал передачи данных (то есть голоса) с некоторой пропускной способностью. С одной стороны, это гарантирует Вам, что для Ваших нужд канала хватит при любых условиях – ведь занимаете его Вы и только Вы; но, с другой стороны, когда Вы делаете в разговоре паузы – канал фактически простаивает, поэтому в среднем по времени его пропускная способность используется сравнительно мало. Отмечу, что такой взрывообразный характер трафика характерен для абсолютного большинства сетей передачи мультимедийных данных, да и для многих других тоже.
Во втором варианте – в сети с коммутацией пакетов – нескольким клиентам предоставляется один и тот же канал. На клиентском конце этого канала стоит мультиплексирующее оборудование, принимающее от клиентов пакеты данных, выстраивающее их в очередь и последовательно передающее эту очередь по имеющемуся каналу. Такой подход обеспечивает высокую эффективность использования канала – он практически не простаивает, но, с другой стороны, он не может обеспечить Вам гарантированное время задержки – если перед Вашим пакетом в очереди окажется пакет большого размера от другого клиента, то отправка Вашего пакета задержится на время, необходимое для передачи предыдущего. А так как размер стоящих в очереди пакетов может быть самым различным – то задержка не только велика, но еще и непредсказуема, что приводит к фактической невозможности передавать по каналам с коммутацией пакетов мультимедийные потоки в реальном времени (например, видеоконференции или даже обычный голос).
Технология ATM представляет собой золотую середину между коммутацией каналов и пакетов. В первую очередь, в ATM вводится понятие ячейки – пакета фиксированной длины. В современном стандарте длина ячейки составляет 53 байта, из которых 5 байт приходится на адрес и 48 байт – собственно на передаваемую информацию. Пришедшие от клиента пакеты разбиваются на так называемом адаптационном уровне ATM на ячейки, каждая ячейка снабжается адресной информацией и ставится в очередь. Казалось бы, здесь мы приходим к той же проблеме, что и с коммутацией пакетов – к непредсказуемым задержкам из-за наличия очереди; однако фиксированный размер ячейки, да еще и столь малый, в ATM был выбран не случайно – ячейки, содержащие 48-байтные куски пакетов разных пользователей, в очереди перемешиваются, поэтому задержки столь малы, что в абсолютном большинстве случаев можно ими пренебречь. К тому же в ATM введено понятие качества обслуживания (QoS, Quality of Service) – ячейки могут иметь разный приоритет: например, ячейки, в которых передается видеопоток, будут иметь приоритет выше, чем ячейки, в которых передаются некритичные к времени задержки данные. Технология эта совершенно аналогична реализации многозадачности в современных компьютерах – на самом деле в каждый момент времени выполняется только один процесс, но время переключения между процессами настолько мало, что с точки зрения человека они все выполняются одновременно.

Адаптационных уровней ATM (AAL – ATM Adaptation Level) всего пять, в зависимости от типа службы. Всего же в ATM принято выделять три уровня – физический (это непосредственно среда передачи данных, то есть в нашем случае ADSL; вообще же технология ATM не привязана к какой-либо конкретной среде передачи, поэтому позволяет легко объединять в единое целое разнородные сети), уровень ATM (он занимается непосредственной передачей и приемом ячеек) и описанный выше адаптационный уровень, приспосабливающий протоколы верхнего уровня к ячейкам ATM.

В технологии ATM также широко используется понятие виртуального соединения. В отличие от технологий, оперирующих физическими каналами связи, в ATM привязка к таковым (то есть указание адреса получателя пакета) осуществляется только на этапе установки соединения. После этого между двумя участвующими в обмене данными узлами устанавливается виртуальный канал, однозначно обозначенный двумя числами – идентификаторами виртуального пути (Virtual Path Identifier, VPI) и виртуального канала (Virtual Channel Identifier, VCI). Такое решение позволяет, во-первых, сильно сократить размер заголовка ячейки и, соответственно, время ее обработки, не указывая в нем полный адрес получателя, а, во-вторых, легко строить многосвязные сети (сети, в которых все узлы соединены попарно друг с другом), тем самым избавляясь от транзитных узлов, лишь вносящих дополнительные задержки в передачу данных. Для каждого виртуального пути можно создать несколько виртуальных каналов, что позволяет, например, при работе видеоконференции по одному каналу передавать изображение, по другому – звук, а по третьему – прочую сопутствующую информацию.