Олег АЛЛЕНОВ

Немало спорят о том, какие транспортные технологии выйдут на первый план в высокоскоростных мультимедийных сетях, например Internet. И хотя большинство спорящих отдают свои голоса в пользу ATM, с этой точкой зрения согласны далеко не все. Возможен и другой, альтернативный, вариант построения транспортных мультимедийных сетей - использование протокола IP (Internet Protocol) с прямой инкапсуляцией в сети синхронной цифровой иерархии (SDH).

IP используется вот уже более 15 лет, в то время как ATM - относительно новый протокол. За время существования IP Internet из объединенной научной сети разрозненных университетских городков превратилась в огромную компьютерную сеть, покрывшую всю планету. Постоянно увеличивающееся число пользователей Internet (сейчас их счет идет на миллионы) и растущие требования к пропускной способности грозят привести к тому, что Сеть перестанет справляться с нагрузкой. Новые мультимедийные приложения выдвигают гораздо более жесткие требования к предоставляемой полосе пропускания, причем часто в режиме реального времени. Это заставляет пересматривать сложившиеся подходы к построению инфраструктуры Internet.

Для увеличения пропускной способности Internet прежде всего необходим высокоскоростной "транспорт". Один из вариантов - использование популярной технологии ATM. Следует отметить, что в качестве транспортного протокола ATM вызывает все больше нареканий как у производителей оборудования, так и у конечных пользователей. Мы постараемся проанализировать недостатки ATM более подробно и рассмотреть аргументы в пользу другого способа передачи трафика Internet - прямой инкапсуляции протоколов TCP/IP в протоколы SONET/SDH.

Технология ATM

Асинхронный режим передачи, ATM, был представлен на суд производителей и провайдеров сетевых услуг как технология, позволяющая обеспечить необходимую полосу пропускания по требованию и гарантированное качество обслуживания широкому спектру мультимедийных приложений, среди которых на первом месте находился Internet. Таким образом, не самая последняя часть компонентов ATM была ориентирована и разрабатывалась специально для передачи трафика Internet. Предполагалось, что в ближайшем будущем Сеть будет в значительной степени состоять из пользователей ATM и клиентов LANE (LAN Emulation), что обеспечит легкую и естественную миграцию Internet-приложений в новый транспортный протокол, обещающий безграничные возможности.

Однако (возможно, из-за дороговизны новых решений или их неорганичности) этого почему-то не произошло. Более того, все отчетливее стала проявляться тенденция к усилению влияния протоколов TCP/IP именно как транспортных протоколов.

Действительно, стек протоколов TCP/IP давно отработан и испытан, в его создание и отладку вложено немало средств и сил. Если у протокола IPv4 и есть определенные недостатки, то готовящаяся к выходу версия IPv6 позволит устранить большинство из них. Впрочем, существующая версия IPv4 тоже устраивает очень многих и, по мнению экспертов, в состоянии продержаться еще несколько лет. Изрядное число производителей рассматривает именно IP как перспективный транспортный протокол для современной телекоммуникационной инфраструктуры. Так при чем же здесь ATM?

ATM была предложена ITU-T как базовая технология для широкополосного ISDN (или B-ISDN). Поскольку B-ISDN предназначен в основном для передачи мультимедийного трафика, ATM имела все возможности для поддержки такого рода трафика в реальных сетях.

Прошло некоторое время, и производители телекоммуникационного оборудования обратили на ATM свое внимание. Был создан ATM Forum, который занялся воплощением новой технологии в жизнь. При этом задачи, возлагаемые на ATM Forum, состояли в стандартизации и разработке эффективного наращиваемого протокола, поддерживающего трафик с диаметрально противоположными характеристиками (мультимедиа), гарантирующего определенное качество обслуживания (QoS) и поддерживающего многоадресное вещание. Кроме того, данный протокол должен быть совместимым с существующими технологиями LAN и WAN.

Следует понять, что технология ATM приобрела столь широкую популярность именно из-за всеобщей уверенности в том, что существовавшие на тот момент технологии были не в состоянии удовлетворить приведенным выше требованиям.

Технология IP

IP, с другой стороны, совсем не выглядит устаревающим протоколом, о котором следует забыть. По всему миру установлено огромное число решений типа "IP over Ethernet", и совсем непросто уговорить клиентов выбросить дешевые "карточки" Ethernet и установить адаптеры ATM, не обещая при этом принципиально новых возможностей или хотя бы более высоких скоростей (увеличение скорости отнюдь не является очевидным).

Думаю, многие клиенты, имеющие опыт использования адаптеров ATM для персональных компьютеров, согласятся со мной, что сетевая карта Fast Ethernet 100 Мбит/с (не говоря уже про Full Duplex) работает по крайней мере не медленнее, чем адаптер ATM на 155 Мбит/с. Это связано с большей избыточностью протокола ATM и задержками на сборку/разборку ячеек. Что же касается гарантированного качества обслуживания ATM, оно практически не реализовано в LANE, да и для передачи IP-трафика через ATM сейчас используется AAL5 UBR (максимум UBR+ или ABR). Так что говорить о QoS не приходится.

Несомненно, новая технология должна поддерживать широкий диапазон уровней качества обслуживания. Однако IP был выбран в качестве протокола для всеобщего межсетевого взаимодействия и прекрасно работал в Internet, насчитывавшем тогда 20 тыс. компьютеров, уже в середине 1980 г. и продолжает успешно соединять несколько миллионов хостов сегодня. Действительно ли IP изжил себя? Сторонники ATM, вероятно, ответят "да".

Огромные средства были вложены в разработку семейства Internet-протоколов и доведение их до нынешнего состояния. Действует не только ATM Forum, но и IETF (Internet Engineering Task Force) - продолжается поиск путей для применения IP в появляющихся высокоскоростных мультимедийных сетях. Созданы протоколы поддержки многоадресного вещания (IGMP, DVMRP, PIM ) и протоколы, обеспечивающие резервирование ресурсов для передачи трафика (RSVP). Имеется возможность осуществлять маршрутизацию (правда, пока еще не так гибко, как при использовании PNNI) на основе требуемого качества обслуживания (Tag Switching), а готовящийся к выходу в IETF стандарт MPLS (Multiprotocol Label Switching) обеспечит интероперабельность всех устройств, поддерживающих коммутацию меток, и, вероятно, ощутимо потеснит позиции MPOA (Multiprotocol Over ATM).

Так имеет ли смысл заменять хорошо проработанную технологию IP на только появляющуюся ATM ?

IP через ATM

Первоначально идея передачи IP через ATM рассматривалась как возможный путь внедрения ATM в существующую архитектуру Internet с последующим полным вытеснением IP. Теперь, понимая, что ATM не в состоянии полностью заменить IP, мы можем задать вопрос: почему же до сих пор не созданы эффективные методы передачи трафика IP через ATM? Видимо, считается, что ATM предлагает уникальную технологию быстрой коммутации, способную решить существующие проблемы нехватки пропускной способности в Internet. Однако на деле здесь проявляются некоторые проблемы.

Прежде всего обратим внимание на то, что практически все (за редким исключением, например ATM25, TAXI и т.п.) физические интерфейсы ATM-коммутаторов работают в формате кадров SDH/SONET/PDH. Это сделано для облегчения интеграции с широко распространенными транспортными сетями SDH. Но даже когда SDH напрочь отсутствует и не предусмотрен проектом, все равно в передачу пользовательского трафика вносится SDH overhead, что, мягко говоря, не увеличивает скорость и производительность сети.

Уместно также будет отметить, что SDH - синхронный метод передачи, а ATM - асинхронный. При передаче ATM-трафика через транспортные сети SDH мы теряем все преимущества асинхронного метода переноса ячеек, не говоря уже о дублировании ряда функций (например, OA&M).

Улучшению ситуации отнюдь не способствует инкапсуляция IP в ATM, в свою очередь работающий через SDH. Протокол ATM является ориентированным на соединение, в то время как IP таковым не является. Это несоответствие также ведет к дополнительному усложнению и дублированию ряда функций.

Так, каждый из протоколов, IP и ATM, требует своего собственного протокола маршрутизации. Необ-ходимы дополнительные управля-ющие функции для контроля за совместной работрой IP и ATM. Уменьшается эффективность передачи многоадресного трафика, поскольку без знания точной топологии сети на нижележащих уровнях передача многоадресных пакетов превращается в их простое копирование на пограничных маршрутизаторах. Распространение таких пакетов осуществляется по далеко не оптимальным для реальной сети маршрутам.

На недостатках методов эмуляции локальных сетей даже нет нужды останавливаться, поскольку любой квалифицированный сетевой специалист согласится, что технологию LANE никак нельзя назвать органичной и перспективной. Со многих точек зрения эта технология - неудачная попытка "притянуть" протоколы, разработанные для сред с широковещательной рассылкой, к работе в среде, где подобный режим передачи данных невозможен (NBMA, Nonbroadcast Multiple Access).

Таким образом, если Internet все-таки остается самим собой и продолжает базироваться на IP, нужна ли дополнительная "прослойка" в виде ATM между IP и действительно эффективным, действительно высокоскоростным транспортным проколом SDH, который одинаково хорошо служит для передачи трафика практически любого вида?

IP через SDH

Технология SDH широко используется для организации надежного транспорта. SDH была разработана для того, чтобы получить стандартный протокол для взаимодействия провайдеров; унифицировать американские, европейские и японские цифровые системы; обеспечить мультиплексирование цифровых сигналов на гигабитных скоростях; обеспечить поддержку функций эксплуатации и технического обслуживания OA&M (operation, administration and maintenance).

Хотя SDH и работает с кадрами и имеет свою канальную структуру, с точки зрения сетевого уровня SDH - всего лишь поток октетов. Для того чтобы корректно вложить пакет IP в SDH-контейнер, необходимо четко определить границы пакета (или группы пакетов) в рамках синхронного транспортного модуля STM (synchronous transport module). Иными словами, между IP и SDH нужна некоторая протокольная "прослойка" для формирования кадров канального уровня.

Поскольку SDH предоставляет соединения типа точка-точка, применение в качестве промежуточного протокола PPP (Point-to-Point Protocol) представляется вполне логичным. PPP широко используется в Internet в качестве протокола канального уровня для организации соединений через глобальные сети. Кроме того, PPP позволяет задействовать дополнительные функции PPP-протокола:

• возможность многопротокольной инкапсуляции;
• защиту от ошибок;
• использование протокола LCP для установления, конфигурирования и тестирования соединений канального уровня;
• возможность применения семейства протоколов NCP для поддержки и конфигурирования различных сетевых протоколов.

Впрочем, надо отметить, что в качестве сетевого протокола для нас сейчас представляет интерес только IP, а кроме того, ряд функций протокола NCP (например, динамическое присвоение IP-адресов) в нашем случае не актуален. Что нас действительно интересует, так это инкапсуляция IP в PPP с последующим размещением PPP-кадров в SDH.

Инкапсуляция IP в PPP не представляет проблемы, поскольку хорошо отработана и повсеместно используется. Процедура инкапсуляции PPP в SDH (определено значение Path Signal Label = 207hex), показанная на рисунке, должна осуществляться специальным сервис-адаптером на уровне тракта SDH. Сервис-адаптер может представлять собой "черный ящик", принимающий поток PPP-кадров и "выдающий" поток транспортных модулей STM. PPP весьма удачно подходит для работы с SDH, так как оба протокола ориентированы на работу в однобайтном режиме.

Таким образом, используя непосредственную инкапсуляцию трафика Internet в существующую транспортную службу SDH, мы существенно упрощаем сложную сетевую инфраструктуру, а тем самым уменьшаем ее стоимость и увеличиваем эффективную пропускную способность. С появлением новых возможностей передачи IP-трафика на гигабитных скоростях (Gigabit Ethernet) и технологий быстрой коммутации IP-пакетов ( Multiprotocol Label Switching - MPLS) становится реальным использование именно IP-протокола как основы единой транспортной службы для передачи видео, телефонии и других мультимедийных приложений - благо основная часть работ по внедрению протокола IP во Всемирную сеть уже выполнена. В связи с этим очень своевременным кажется появление стандартов (RFC 1619) и первых практических реализаций интерфейсов типа "PPP over SDH" (или Packets Over Sonet - POS) на предназначенных для Internet современных маршрутизаторах, в частности GSR 12000 от Cisco Systems.

В заключение хочется отметить, что автор ни в коей мере не собирается приуменьшать значимость технологии ATM и отрицать ее позитивное влияние на развитие мировых телекоммуникационных служб. Ему лишь представлялось интересным в дискуссионной манере рассмотреть возможность альтернативных путей развития мультимедийных служб, отличных от технологии асинхронного режима переноса ячеек.