5.0 ATM – Adresácia a signalizácia
5.1 Adresácia
Jeden z najdôležitejších prínosov UNI 3.1 špecifikácie je definícia adresácie v ATM sieťach. Každý signalizačný protokol vyžaduje príslušnú adresnú štruktúru, ktorá umožňuje signalizačným protokolom identifikovať začiatočné a cieľové zariadenie.
ITU-T definovalo adresáciu v doporučení E.164 pre verejné B-ISDN siete. Nakoľko tá-to adresácia je určená pre verejné siete a taktiež nie je vhodná pre použitie v privátnych sieťach, ATM Fórum definovalo rozšírenú adresáciu určenú predovšetkým pre privátne siete. Základom tejto rozšírenej adresnej schémy bol adresný formát OSI NSAP (Network Service Access Point). Hoci formát ATM adries nie je NSAP, často je táto adresná schéma označovaná ako “NSAP”, nakoľko podobnosť je veľká.
Veľkosť NSAP ATM adries je 20 bajtov. Je zložená z troch komponentov:
- AFI (Authority and Format Identifier) – identifikuje typ a formát poľa IDI.
- IDI (Initial Domain Identifier) – identifikuje typ a štruktúru adresy
- DSP (Domain Specific Part) – adresa, ktorá slúži pre smerovanie signalizačných správ.
ATM Fórum definovalo tri typy adries:
- DCC formát – IDI položka obsahuje kód krajiny DCC (Data Country Code). Toto kódovanie je definované v doporučení ISO 3166.
- ICD formát – IDI položka obsahuje kód ICD (International Code Designator) nie-ktorej organizácie, tak ako boli registrované Britskou štandardizačnou inštitúciou. Podrobnejšie informácie je možné nájsť v doporučení ISO 6523
- NSAP kódovaný E.164 formát – IDI položka je ATM adresa typu E.164.
DSP pole je rozdelené na tri položky:
- HO-DSP (High Order DSP) – táto položka je sieťová časť adresy, umožňuje flexi-bilnú a mnohoúrovňovú adresnú štruktúru. Táto štruktúra je rozonávaná maskou. Je to analogický princíp, ktorý je používaný v IP sieťach.
- ESI (End Systém Identifier) – 48-bitová IEEE MAC adresa.
- SEL (Selector) – táto položka slúži na multiplexáciu tokov v koncovom ATM za-riadení.
Obr 3.26. Formát adries ATM privátnych sietí
5.2 Signalizácia na rozhraní UNI
V prípade rozhrania UNI sa signalizácia pre každé spojenie prenáša vo vyhradenom signalizačnom kanále (SiVC). Z tohto dôvodu je potrebné pre jednotlivé spojenia zostavo-vať a rušiť signalizačné kanály. Tento proces sa nazýva metasignalizácia a predstavuje zvláštnu časť signalizácie. Je definovaná v rámci ATM vrstvy. Metasignalizácia je špecifi-kovaná v odporúčaní ITU-T Q.124x.
Obr. 3.27. Súbor protokolov signalizácie na rozhraní UNI
Prvé odporúčanie pre signalizáciu na rozhraní UNI bolo definované v rámci ITU-T a vychádzalo z doporučenia pre signalizáciu na rozhraní UNI v N-ISDN (odporúčanie pre sieťovú vrstvu Q.931). Pôvodná verzia niesla označenie Q.93B, neskôr bolo odporúčanie premenované na Q.2931.
Súbor protokolov signalizácie musí byť implementovaná ako v koncovom zariadení používateľa, tak aj v sieťových uzloch (Obr. 3.27). Skladá sa z nasledovných vrstiev (v klesajúcom poradí podľa OSIRM):
Vrstva 7-3 Call control; Q.2931
Vrstva 2a SSCF (Service-Specific Coordination Function (známa aj ako Signaling AAL Level 2 – Q.2130)
Vrstva 2b SSCOP (Service-Specific Connection-Oriented Protocol (Signaling AAL Level 1 – Q.2110)
Vrstva 2c AAL 5 Common Part
Vrstva 2d ATM
Vrstva 1 DS3/E3 rámcovanie alebo SONET/SDH rámcovanie
Signalizačná entita v širokopásmovom termináli (Broadband Terminal Equipment (B-TE) spolupracuje v rámci signalizácie s entitou spracovania volania (call processing entity) v sieti, presnejšie v širokopásmovom spojovacom systéme (Broadband Switching System – BSS). Rozhranie UNI môže podporovať buď jeden B-TE (na ktoré môže byť pripojených viac nie-ATM používateľských terminálov, napr. LAN smerovač), alebo viac terminálov B-TE.
Prvý návrh UNI signalizácie bola prijatý ATM Forom v októbri 1993 ako špecifikácia “skinny Q.93B”a vychádzalo z doporučenia ITU-T Q.2931. Neskôr bola vypracovaná špe-cifikácia UNI 3.0 a novšia verzia UNI 3.1. Napriek tomu, že je medzi nimi len málo kon-cepčných zmien, používa UNI 3.1 iný spôsob zabezpečenia spoľahlivého prenosu signali-začných dát, a preto sú tieto protokoly navzájom nekompatibilné. Z tohto dôvodu väčšina súčasných zariadení, podporujúcich UNI 3.1, ponúka aj alternatívnu podporu UNI 3.0. Najnovšia špecifikácia ATM Fóra UNI 4. predkladá mnoho nových prvkov. Okrem toho snahou je dosiahnuť plnú kompatibilitu s ITU-T odporúčaním Q.2931.Porovnanie najdôle-žitejších rozdielov špecifikácií UNI 3.1 a UNI 4.0 je uvedené v Tab. 3.13.
Tab. č.3.13 Porovnanie UNI 3.1 a UNI 4.0 (signalizácia)
Signalizačný protokol Q.2931 je spracovávaný vrtvou AAL5. Obsah bunky signalizač-ného protokolu je na obr. 3.28.
Obr. 3.28. Obsah bunky signalizačného protokolu
Význam jednotlivých polí je nasledovný:
Protocol Discriminator – 8bitové pole, ktoré definuje použitý signalizačný protokol
Call Reference – identifikuje signalizačnú správu na rozhraní UNI; môže mať až nie-koľko byte
Message Type– 16bitové pole, definuje typ signalizačnej správy (Call Setup, Connect, Release atď.)
Message Length – 16 bitové pole, definuje dĺžku správy
Information Elements – obsahuje ľubovoľné informácie, ktoré je potrebné preniesť (ad-resa koncového uzla, traffic descriptor, QoS indicator, atď.)
Najjednoduchší prípad zostavenia a rušenia spojenia typu point-to-point je na obr. 3.29.
Obr. 3.29. Zostavenie a rušenie spojenia typu point-to-point
Zostavenie spojenia point-to-multipoint je zložitejšie, po inicializácií volajúcim prebie-ha postupne pridávanie jedného uzla po druhom (signalizačná správa Add Party), a to ako uzlov pripojených k lokálnemu prepínaču, tak aj ku vzdialeným prepínačom. Význam správ pre zostavenie spojenia typu point-to-multipoint je nasledovné:
Add Party – pripojenie účastníka k existujúcemu spojeniu
Add Party Acknowledge – potvrdenie toho, že požiadavka Add Party bola úspešná
Add Party Reject – potvrdenie toho, že požiadavka Add Party nebola úspešná
Drop Party – správa vyslaná pre odpojenie účastníka od existujúceho point-to-multipoint spojenia
Drop Party Acknowledge – správa vyslaná ako odpoveď na správu Drop Party – indiku-je, že účastník bol odpojený od spojenia.
Ako sme už uviedli, existujú v sieti ATM dva základné typy spojení medzi jednotlivý-mi uzlami:
point-to-point prepája dve koncové zariadenia, môže byť jedno- alebo oboj-smerné
point-to-multipoint prepája jeden uzol (koreňový – root) s množinou cieľových uzlov (nazývaných listy – leaves)
Replikáciu prúdu buniek zo zdrojového uzla do jednotlivých vetví zabezpečuje ATM prepínač. Takéto riešenie je efektívnejšie, ako keby bolo realizované viacerými spojeniami typu point-to-point. Umožňuje len vysielanie od koreňa k listom.
V technológií ATM chýba analógia schopnosti klasických LAN so zdieľaným médiom, to znamená všesmerové a viacnásobné vysielanie (broadcast, multicast), a to obojsmerné, kedy koncové zariadenia môžu všesmerovo prijímať a zároveň všesmerovo vysielať. Toto by sa teoreticky dalo nahradiť obojstranným spojením multipoint-multipoint, ale súčasná implementácia prenosových protokolov vrstvy AAL 5 tento spôsob spojenia neumožňuje. Bunky AAL 5 musia byť v cieli prijímané v sekvenčnom poradí, t. j. nie je možné prekla-danie buniek z rôznych paketov na jednom spojení, k čomu by ale pri takomto spojení do-chádzalo. AAL vrstva by potom nebola schopná správne rekonštruovať pakety.
Pretože väčšina protokolov LAN ale vyžaduje schopnosť všesmerového vysielania, rie-ši sa tento problém nasledujúcimi troma metódami:
VP multicasting
– všetky uzly skupiny sú prepojené VP spojeniami typu multipoint-multipoint a každému uzlu je priradená jedinečná hodnota VCI v rámci VPI. Prekladané pakety sú potom identifikované cieľovým uzlom podľa týchto hodnôt. Tento mechanizmus nie je ešte plne vyvinutý a pripravuje sa pre ďalšie špecifikácie.
Multicast server
– všetky uzly, ktoré chcú skupinovo vysielať, zostavia spojenie point-to-point s externým zariadením, nazývaným multicast server. Tento je naopak spojený so všetkými koncovými zariadeniami, ktoré chcú prijímať toto vysielanie, spojením point-to-multipoint (alebo menej efektívnym viacnásobným spojením point-to-point). Až keď server príjme celé pakety, sú tieto postupne vysielané k cieľovým uzlom a tým je zaistené, že jednotlivé bunky nebudú premiešané (packet sequencing).
Overlaid Point-to-Multipoint
– každý uzol v skupine zostaví spojenie point-to-multipoint so všetkými ostatnými uzlami v skupine (plní funkciu roota) a zároveň je listom rovnakého spojenia od všetkých ostatných uzlov. Potom môžu všetky uzly tejto skupiny zároveň vysielať a prijímať multicast pakety. Riešenie vyžaduje, aby každý uzol udržiaval N spojení (N – počet uzlov v skupine) pre každú skupinu, zatiaľ čo riešenie multicast server vyžaduje len dve spojenia. Potrebný je aj zložitý vzájomný registračný proces medzi uzlami v skupine a novým pripájajúcim sa uzlom. Riešenie s Multicast serverom ale vyžaduje zase centralizovaný systém serializácie paketov, čo môže predstavovať úzke miesto ako z hľadiska priepustnosti, tak aj spoľahlivosti.
5.3 Signalizácia na rozhraní NNI
Signalizácia na rozhraní Public NNI môže byť realizovaná nasledovnými spôsobmi:
1. použitím signalizačných SVC (SiVC) pre prenos signalizačnej prevádzky cez roz-hranie B-ISSI (Broadband Interpswitching System Interface) alebo B-ICI (Broad-band Intercarrier Interface) – t. j. signalizácia typu “per-trunk”
2. použitím signalizačného systému CCITT No.7.
Obr. 3.30a. Typy signalizácie na rozhraní NNI
Štandardizačné organizácie rozpracovávajú obe alternatívy. Alternatíva 2 je založená na existujúcich fyzických rozhraniach CCITT signalizačného systému No.7. Môže byť použité pre spoluprácu s prvkami úzkopásmovej siete a pre podporu úzkopásmových slu-žieb (napr. N-ISDN); tieto sieťové prvky sú väčšinou už pripojené k existujúcej signalizač-nej sieti. Táto alternatíva by mohla byť použitá prechodne aj ako mechanizmus pre podporu signalizačných správ na rozhraniach B-ISSI/B-ICI. Fyzická architektúre alternatívy 1 vyu-žíva priame signalizačné zväzky (obr. 3.30a).
Signalizačné virtuálne spojenia (SiVC) cez rozhrania B-ISSI a B-ICI môžu byť perma-nentné alebo semipermanentné ATM spojenia a môžu používať tie isté protokoly nižších vrstiev. Signalizačná AAL je rozšírená tak, aby poskytovala služby ekvivalentné službe úrovne 2 signalizačného systému CCITT No.7, hlavne čo sa týka obnovy linky po poruche. S minimálnymi úpravami môže byť použitá tiež existujúca služba/protokol úrovne 3 signa-lizačného systému CCITT No.7 rovnako ako vyššie vrstvy (napr. SCCP – Signaling Con-nection Control Part).
V súčasnosti sú rozpracované tri architektúry protokolov:
- použitie Broadband User Part (B-ISUP) nad MTP-3, nad MTP-2, nad fyzickými prostriedkami
- použitie B-ISUP nad MTP-3, nad SAAL, nad ATM, nad fyzickými prostriedkami
- použitie Q.2931 nad SAAL, nad ATM, nad fyzickými prostriedkami.
Vrstvový model signalizácie pre NNI je znázornený na obr. 3.30b.
Obr. 3.30b. Vrstvový model NNI signalizácie pre B-ISDN
- MTP 1 (Message Transfer Part) fyzická vrstva – zabezpečuje prístup na fyzické médium, rýchlosti prenosu 155 520 kbit/s, 622 080 kbit/s, alebo 2,480 Gbit/s od-povedajú prenosovým rámcom STM-1, STM-4, STM-16 v SDH
- MTP 2 ATM vrstva a vrstva SAAL (Signalizačná AAL) – v ATM vrstve sa vytvá-rajú signalizačné bunky, ktoré majú rovnaký formát ako bunky, ktoré prenášajú in-formáciu (na rozhraní NNI); SAAL používa protokol AAL 5, zabezpečuje prenos a dodržanie postupnosti signalizačných správ
- BISUP (B-ISDN User Part) – má tri základné funkcie:
– zostavovanie a rušenie signalizačných spojení
– spájanie signalizačných spojení, napr. pri prechode do medzinárodnej siete
– end-to-end signalizácia (úroveň 4).
Samotná výmena a vytváranie signalizačných správ sa uskutočňuje na úrovni BISUP. Nižšie úrovne slúžia pre zabezpečenie spoľahlivého prenosu a smerovania signalizačných správ, ktoré sa vytvárajú na úrovni BISUP.
Signalizačné správy majú štyri základné polia:
Routing Label – identifikuje signalizačný virtuálny kanál, všetky správy prenášané v tom istom kanáli musia mať rovnaké smerovacie návestie
Message Type – definuje signalizačnú správu (typ, formát a funkciu). Okrem správ, po-užívaných aj v signalizačnom systéme pre N-ISDN CCITT č.7 sú tu definované správy, ktoré sú špecifické pre B-ISDN (šírka pásma, prenosová rýchlosť buniek a pod.)
Length Indicator – označuje dĺžku signalizačnej správy v bajtoch.
Message Content – vlastná signalizačná správa, je tvorená parametrami. Okrem para-metrov, používaných aj v signalizačnom systéme pre N-ISDN CCITT č.7 sú tu definované parametre, ktoré sú špecifické pre B-ISDN (Broadband Bearer Capability, Broadband High Layer Information, Cell Dealy Variation, Cell Loss Ratio atď.)
Pre signalizáciu na rozhraní Private NNI sa používa protokol P-NNI. Jedná sa o proto-kol, ktorý sa používa pre vzájomnú spoluprácu ATM prepínačov alebo skupín privátnych ATM prepínačov. Skratka PNNI znamená Private Network Node Interface alebo Private Network-to-Network Interface, čo vyjadruje uvedené dve možnosti použitia. Je definovaný v špecifikácií ATM Fóra PNNI 1.0.
PNNI zahŕňa dve kategórie protokolov:
- Protokol, ktorý je definovaný pre distribuovanie informácie o topológií medzi pre-pínačmi alebo skupinami prepínačov. Táto informácia sa používa pre výpočet ciest cez sieť. Hierarchická štruktúra zabezpečuje to, že protokol vyhovuje aj pre roz-ľahlé ATM siete s veľkým množstvom uzlov. VC smerovací protokol virtuálnych okruhov je použitý pre smerovanie signalizačných požiadaviek cez ATM sieť. Smerovanie signalizačných požiadaviek je podobné smerovaniu paketov v datagramových sieťach, pretože pred zostavením spojenia nie je určená žiadna smerovacia cesta medzi uzlami. Preto P-NNI protokol využíva niektoré princípy zo súčasných smerovacích protokolov datagramových sietí bez zostavovania spojenia. P-NNI protokol je ale komplexnejší, čo vyplýva z potreby zaistiť oveľa väčšiu šká-lovateľnosť a podporovať rôzne triedy kvality služieb.
- Protokol, ktorý je definovaný pre signalizáciu, t. j. tok správ, ktoré sa používajú pre zostavenie spojenia typu point-to-point alebo point-to-multipoint cez ATM sieť. Je založený na UNI signalizácií podľa ATM Fóra s určitými dodatočnými mechanizmami, ktoré umožňujú napr. procedúru crankback alebo alternatívne smerovanie žiadostí o zostavenie spojenia (call setup) v prípade poruchy počas zostavovania spojenia. P-NNI signalizačný protokol je zodpovedný za prenos po-žiadaviek na spojenie v rámci ATM siete medzi zdrojovým a cieľovým UNI. UNI signalizačná požiadavka v zdrojovom prepínači zmapovaná do NNI signalizácie a potom spätne prevedená do UNI signalizácie v cieľovom prepínači. P-NNI pro-tokol pracuje medzi dvoma ATM systémami, ktoré môžu byť reprezentované kon-krétnymi fyzickými prepínačmi alebo celými sieťami. Druhy správ a ich výmena medzi koncovými uzlami a sieťou pri zostavovaní spojenia a jeho rušení protoko-lom P-NNI je podobná ako pri protokole UNI, podobná je aj štruktúra bunky signa-lizačného protokolu.
Referenčný model architektúry spojovacieho systému je na obr. 3.31.
Obr. 3.31. Referenčný model architektúry spojovacieho systému
Jedným z cieľov ATM Fóra pri návrhu špecifikácie P-NNI ver 1 bolo zabezpečiť čo najväčšiu univerzálnu škálovateľnosť, t. j. možnosť aplikácie v menších sieťach s niekoľkými ATM prepínačmi, ale aj v budúcej možnej globálnej sieti ATM Internet s veľkým množstvom ATM prepínačov. Riešením je hierarchická sieťová štruktúra so su-marizáciou informácií o dostupnosti sieťových zdrojov medzi jednotlivými úrovňami tejto hierarchickej štruktúry.
P-NNI model definuje jednotný sieťový model v každej úrovni hierarchie a určuje, ako každá úroveň hierarchie pracuje, ako sú informácie o zariadeniach a uzloch v jednej hierar-chii sumarizované do vyššej úrovne a ako sú tieto informácie vymieňané medzi jednotli-vými úrovňami. Model je rekurzívny, t. j. rovnaký mechanizmus použitý v jednej úrovni sa používa aj v úrovni susednej.
Hierarchická topológia umožňuje každému uzlu získať informáciu o ceste do ľubovoľ-ného iného uzla bez toho, aby si musel udržiavať informáciu o topológii celej siete, čo by v prípade siete s mnohými uzlami bolo nemysliteľné. PNNI hierarchia začína na najnižšej úrovni, na úrovni prepínačov, kde tieto sú organizované alebo zoskupované do skupín na-zývaných peer groups (PG). Susedné uzly si vymieňajú tzv. Hello pakety, ktoré zabezpeču-jú distribúciu informácie ID (peer group identifier) daného uzla susedným uzlom. Výmena Hello paketu je periodická a pomáha uzlu poznať aktuálny stav svojho okolia. Každý uzol tento stav udržiava v tzv. PNNI Topology State Elements (PTSE) štruktúre, ktorá je zápla-vovým algoritmom rozširovaná do PG prostredníctvom PTS paketov (PTSP). PTSE je základnou informačnou jednotkou o topológii. Každý uzol pozná topológiu svojej skupiny.
Peer Group Leader (PGL) je vybraný uzol zo skupiny, ktorý reprezentuje skupinu vo vyššej hierarchii. Okrem distribúcie smerovacej informácie o svojej skupine vo vyššej hierarchii a distribúcie informácie v skupine o PNNI hierarchii, je rovnocenný s ostatnými uzlami.
Najdôležitejšie charakteristiky protokolu P-NNI:
Použitie paketov PTSP (P-NNI Topology State Packets) – prostredníctvom nich sa zá-plavovým spôsobom vysielajú informácie o topológií siete a dostupnosti jednotlivých zdro-jov v sieti všetkým prepínačom v sieti. Takéto informácie sú vysielané z toho dôvodu, aby bolo zrejmé, či lokálne funkcie CAC (Call Admission Control) všetkých prepínačov na danej ceste dokážu akceptovať dané spojenie s požadovanými parametrami prenosu. tento mechanizmus je podobný mechanizmu používanému súčasnými linkovými protokolmi napr. OSPF) s tým rozdielom, že počet parametrov týkajúcich sa aktuálneho stavu linky a uzlov je podstatne vyšší.
Používané parametre ATM liniek:
- maximum cell transfer delay (MCDT) – maximálne oneskorenie pre prenos buniek pre každú z tried spojení
- maximum cell delay variation (MCDV) – maximálny rozptyl oneskorenia pre kaž-dú z tried spojení
- maximum cell loss ratio (MCLR) – maximálny pomer straty buniek s CLP = 0 a triedami CBR, VBR
- administratívna váha linky – nastaviteľná správcom.
Používané vlastnosti ATM liniek
- Available Cell Rate (ACR) – miera dostupnej šírky pásma v bunkách/s. podľa tried spojení
- Cell Rate Margin (CRM) – rozdiel medzi skutočnou šírkou pásma, alokovanou pre jednotlivé triedy spojení a alokáciou ustálenej rýchlosti buniek (bezpečnostná re-zerva nad agregovanou ustálenou rýchlosťou)
- Variance Factor (VF) – relatívna miera CRM normalizovaná rozptylom agregova-nej rýchlosti linky.
Smerovanie typu source routing
– celá cesta k cieľu je určená zdrojovým uzlom, t.j., len prvý uzol v ATM sieti určí podľa požadovaných parametrov QoS a podľa infromácií o stave siete, získaných z paketov PTSP, ideálnu cestu k cieľovému zdroju. Potom môže po nej vyslať signalizačnú požiadavku na spojenie a všetky uzly na ceste urobia lokálnu pro-cedúru CAC – zhodnotia, či sú schopné danú požiadavku na spojenie akceptovať, a potom odovzdajú požiadavku ďalej.
Generic CAC (GCAC) algoritmus
– pomocou tejto funkcie môže ľubovoľný uzol kal-kulovať očakávané chovanie iného uzla. Algoritmus bol navrhnutý tak, aby odhadol CAC algoritmus typického uzla pri minimálnom počte stavových parametrov linky. Bol navrhnu-tý hlavne pre spojenia typu CBR a VBR, pre spojenia ABR a UBR má určité obmedzenia. v reálnej sieti môže nastať rozdiel medzi aktuálnym stavom uzla a stavom, vypočítaným algoritmom GCAC. Aby nemusela byť požiadavka rušená a potom celá opakovaná, bola navrhnutá procedúra crankback.
Crankback procedúra
– zabezpečí, že uzol, ktorý zablokuje spojenie, vráti požiadavku predchádzajúcemu uzlu späť a ten urobí nový výpočet cesty k cieľovému uzlu s novými, pravdepodobne presnejšími hodnotami.
Callback procedúra
– používa sa v prípade, že nebola nájdená žiadna vyhovujúca cesta. V tomto prípade sa vypustia pri výpočte niektoré parametre a hľadá sa nová cesta, ktorá vyhovuje redukovaným požiadavkám.