Какой журнал о бизнесе ни возьми, там наверняка найдется статья о том, что операторы связи и сетевые компании объединяются друг с другом. Например, Lucent Technologies купила Ascend Communications, Nortel Networks приобрела Bay Networks, AT&T занимается IP-телефонией.

Хотя многие из этих союзов имеют весьма благоприятные перспективы, партнеры приносят с собой наследие прошлого. Как и поженившиеся в позднем возрасте супруги, телекоммуникационные и сетевые компании имеют собственные устоявшиеся традиции и подходы - не всегда заведомо лучшие или худшие, но, определенно, разные.

Такого рода различия затронули и дискуссию об IP поверх SONET. Обе стороны соглашаются, что будущее сетей связано с волоконно-оптическим кабелем. Телекоммуникационные и сетевые компании даже соглашаются, что если объемы голосового трафика увеличиваются только на 10% в год, то объе-мы информационного трафика растут на 7-20% ежемесячно. О чем они не могут договориться, так это о необходимости ATM как транспорта для данных.

Прежде чем переходить к деталям, я хотел бы подчеркнуть, что ATM никуда не исчезнет в ближайшее время, и у него есть, что предложить. Кроме того, если IP - все, что вас интересует, то ATM вам не нужен. Так что, в принципе, обе стороны могли бы встретиться где-то посредине. Однако человеческая природа такова, какова она есть, так что борьба вокруг этого вопроса будет нешуточной до тех пор, пока SONET не станет устаревшей технологией.

ЧТО ТАКОЕ SONET?

Чтобы понять, о чем спор, необходимо знать, что собой представляет SONET. Аббревиатура SONET расшифровывается как "синхронная оптическая сеть" (ее европейским аналогом является "синхронная цифровая иерархия" - Synchronous Digital Hierarchy, SDH). Этот стандарт физического уровня был задуман MCI Communications и получил дальнейшее развитие у Bleacher. Хотя, теоретически, SONET может передавать данные по медному кабелю, изначально она разрабатывалась для ускорения перехода к оптическому кабелю за счет обеспечения совместимости.

Прилагательное "синхронная" в названии SONET подчеркивает тот факт, что передача данных тесно привязана к тактовым сигналам. Это делает SONET весьма подходящей технологией для применения по ее первому назначению - для передачи телефонных разговоров, так как человеческая речь весьма чувствительна к задержкам. Мультиплексирование по времени (Time Division Multiplexing, TDM) используется для одновременной организации нескольких каналов по одному оптическому кабелю посредством привязки передачи каждого сигнала к конкретному кванту времени.

Базовым каналом в телефонии остается DS0 на 64 Кбит/с, как он был определен в 50-х гг. Телефонные компании давно используют мультиплексирование для объединения нескольких сигналов DS0 в каналы с более высокой пропускной способностью. Например, DS1 (схема формирования кадров на линиях Т-1) состоит из объединенных в один блок 24 сигналов DS0 с общей пропускной способностью в 1,544 Мбит/с. Если вы когда-нибудь задумывались, почему при предоставлении телефонных услуг пропускная способность предлагается только дискретными блоками, то теперь знаете, что причина в схеме мультиплексирования.



Рисунок 1. Реальная скорость передачи в SONET оказывается ниже номинальной из-за структуры стандартного кадра STS-1. Три байта в каждом ряду служат для размещения служебной информации о секции и линии, а четвертый байт - о пути.

Надежная синхронная передача SONET сделала мультиплексирование куда более простым, чем это было раньше. (Ранее всегда была опасность, что предназначенные для мультиплексирования сигналы в действительности передаются на различных частотах.) В предвидении необходимости в большей пропускной способности разработчики SONET решили сделать ее базовой единицей так называемый синхронный транспортный сигнал (Synchronous Transport Signal 1, STS-1). Эквивалентный более чем 800 мультиплексированным сигналам DS0, STS-1 определяет скорость электрических сигналов в 51,84 Мбит/с. После преобразования в оптический сигнал тот же трафик именуется OC-1.

Несколько STS-1 (или OC-1, если угодно) можно легко объединить для получения большей пропускной способности. Например, STS-3 (OC-3) означает, что три STS-1 были объединены для получения линии со скоростью 155,52 Мбит/с. SONET позволяет передавать сигналы со скоростью менее STS-1, когда полезную нагрузку требуется разделить на более мелкие сегменты, известные как виртуальные составляющие (virtual tributary - буквально, виртуальный приток).



Рисунок 2. Как правило, SONET реали-

зуется в виде двойного оптического коль-

ца. Мультиплексоры ввода/вывода встав-

ляют и изымают полезную нагрузку из ци-

ркулирующих по кольцу кадров. Повтори-

тели усиливают и синхронизируют сигнал. Уровень секции стека протоколов SONET обеспечивает взаимодействие между пов-

торителями, а уровень линии - между му-

льтиплексорами. Уровень пути управляет коммуникациями из конца в конец.

SONET - необычная технология первого уровня в том смысле, что она предусматривает встроенный способ обеспечения отказоустойчивости под названием "автоматическая защитная коммутация" (Automatic Protection Switching, APS). Кольца SONET с APS используют избыточные волокна кабеля. При разрыве волокна трафик может быть переключен на другой за микросекунды.

На деле SONET имеет свой собственный стек протоколов с четырьмя уровнями: фотонным, секции, линии и пути. Фотонный уровень описывает, как электрические данные STS преобразуются в импульсы света (и обратно). Уровень секции определяет взаимодействие между оптическими повторителями и передачу кадров STS. Уровень линии отвечает за взаимодействие между мультиплексорами и контроль за межлежащими повторителями, а также синхронизацию и APS. Наконец, уровень пути используется для коммуникации и управления из конца в конец.

Уровни секции, линии и пути включаются в качестве служебной информации в базовый кадр STS-1, передаваемый каждые 125 мкс. Как показано на Рисунке 1, этот кадр состоит из девяти рядов по 80 колонок в каждом, т. е. всего из 810 байт. Первые три колонки в каждом ряду используются для служебной информации секции и линии, а четвертая - пути. Это объясняет, почему объем передаваемой в секунду полезной информации в SONET меньше, чем номинальная скорость передачи (представление уровней в типичном кольце SONET дано на Рисунке 2).

И ТУТ ПОЯВЛЯЕТСЯ ATM...

SONET определила передачу по оптическому кабелю. Однако она не решила трудной задачи объединения голосового и информационного трафика в одной и той же оптической сети.

В своей книге "Теория и применение ATM" (David McDysan, Darren Spohn, ATM Theory and Applications, McGraw-Hill, 1999) Дэвид МакДисан и Даррен Спон сравнивают пакеты данных (часто большого размера и переменной длины) с грузовыми поездами, а голосовые пакеты (всегда небольшого размера и постоянной длины) - с автомобилями. При движении по отдельным сетям - железной дороге и автомагистрали - они не зависят друг от друга, и все работает прекрасно. Но если железнодорожные пути проходят посредине шоссе, то движение становится опасным и медленным.

Иначе говоря, передача данных имеет асинхронную природу и неравномерный характер. Потребность в пропускной способности меняется в значительных пределах. Таким образом, имея мультиплексирование по времени как единственный способ выделения информационных каналов, абонентам приходилось либо переплачивать за пропускную способность, которую они использовали в полной мере только в часы пик, либо мириться с длительными задержками, потому что арендованный канал был слишком узок.

Асинхронный режим передачи (Asynchronous Transfer Mode, ATM) был предложен как обоюдовыгодный способ решения проблемы. Сеть ATM упаковывает все данные в 53-байтные ячейки фиксированной длины, каждая из которых имеет заголовок размером 5 байт и информационное поле длиной 48 байт. Заголовок сообщает о маршруте ячейки, ее приоритете и другую полезную информацию.

Термин "ATM" несколько сбивает с толку, потому что в действительности сеть ATM не передает биты асинхронно. Скорее, она передает ячейки ATM синхронно и непрерывно вне зависимости от наличия данных для передачи. Однако, когда пользователю требуется передать данные, они размещаются в ячейки динамически. Ввиду отсутствия необходимости ждать какой-то конкретной ячейки или кванта времени эта технология и была названа асинхронной.

Помимо функций канального уровня ATM предоставляет услуги сетевого и транспортного уровня. Он осуществляет маршрутизацию, имеет оптимальные для быстрой аппаратной коммутации ячейки фиксированной длины, позволяет сосуществовать в одном канале различным информационным потокам (IP, голосу, SNA, VINES, видео - всему, что у вас есть).

Возможность создавать виртуальные пути и каналы означает, что трафик различных пользователей может передаваться по одной сети без необходимости принятия дополнительных мер защиты или шифрования. Наконец, ATM способен гарантировать предопределенный уровень QoS для всех соединений.

Так чем же ATM может не нравиться? Этот протокол ориентирован на установление соединения и предполагает открытие виртуальных каналов для каждого потока. Такие инициативы, как Classical IP over ATM (CIP), LAN Emulation (LANE) и Multiprotocol over ATM (MPOA), позволяют ATM функционировать как маршрутизируемой сети без установления соединения. Например, CIP делит сети ATM на логические подсети IP, каждая из которых взаимодействует с другой через маршрутизаторы. Однако подобные решения усложняют и удорожают и без того недешевую среду.

Другое основное возражение против ATM суммируется словами "налог на ячейки", подразумевая, что при длине в 53 байт ячейки ATM очень малы. (Их размер был определен в результате компромисса на стадии разработки: те инженеры, кто был заинтересован прежде всего в голосовых приложениях с их короткими повторяющимися кадрами, хотели сделать ячейки ATM еще мельче.)

Даже IP-пакет минимальной длины в 64 байт должен быть распределен для передачи между двумя ячейками ATM. Размещение в ячейках пакетов непостоянной длины обеспечивает лишь их частичное заполнение. Хуже того, пользователям приходится расплачиваться пятью байтами служебной информации за каждые жалкие 48 байт данных. Для сравнения, Ethernet позволяет передавать до 1500 байт данных в пакете с минимальными накладными расходами.

По указанной причине, а также ввиду ряда других факторов, передача IP поверх ATM может задействовать не более 80% пропускной способности нижележащей линии SONET. Если такие накладные расходы могут оказаться приемлемы при передаче смешанного голосового и информационного трафика, то при построении чистой сети IP, по вполне понятным причинам, 20% пропускной способности пользователи терять не хотят.

IP ПОВЕРХ SONET

Во избежание "налога на ячейки" IP поверх SONET (также известный как пакеты по SONET - Packet over SONET, POS) был предложен в 1994 году и впервые реализован год или два спустя. Эта технология отказывается от ATM и отображает данные непосредственно в область полезной нагрузки в каждом кадре SONET. Как определено в документах RFC 1619 и 1662, POS использует кадры STS-3c (три "сцепленных" кадра STS-1) и обеспечивает "чистую" пропускную способность в 149,76 Мбит/с.

Если SONET - протокол первого уровня, то IP - протокол третьего уровня, поэтому им был необходим протокол канального уровня. В RFC 1619 таким протоколом был выбран PPP. Знакомый тем, кто использовал коммутируемый доступ в сеть, PPP устанавливает прямой канал между двумя точками, но не имеет собственных средств адресации и маршрутизации.

Несмотря на получаемые преимущества от использования SONET в качестве нижележащего уровня, PPP, в отличие от ATM, не способен обеспечить связь каждого маршрутизатора с любым другим. Администратору придется, возможно, предусмотреть несколько резервных каналов на случай отказа основного. Далее, ввиду отсутствия контроля за потоками, маршрутизаторы должны будут, вероятно, иметь более емкие буферы для обеспечения приемлемой пропускной способности.

Помимо PPP основная проблема с передачей пакетов по SONET состоит в том, что преимущества данной технологии могут быть реализованы, только когда все данные в канале передаются по IP. Прежде заполнить 155 Мбит/с одними пакетами IP было не так-то просто. Однако объем голосового трафика в глобальных сетях остается по сути неизменным, тогда как IP-трафик продолжает расти.

Как можно было ожидать, POS нашел поддержку со стороны провайдеров Internet, а также обслуживающих их операторов сетей. Он давно уже реализован через Атлантический и Тихий океаны. Кроме того, он используется ведущими операторами, такими, как Sprint - первый провайдер Internet, кто создал общеамериканскую сеть IP поверх SONET, Frontier GlobalCenter, GTE Internetworking, Level 3 Communications, Qwest и UUNET.

America Online является крупнейшим клиентом Sprint и GTE, используя их сети в качестве транспорта. Одна из первых приверженцев пакетов поверх SONET, компания AOL заменила ATM на эту технологию не только при подключении к своим коллегам-провайдерам, но и в своих собственных центрах обработки данных.

Помимо экономии пропускной способности многие пользователи предпочитают передавать пакеты по SONET из-за ориентации этой технологии на применение маршрутизаторов. Благодаря использованию известных механизмов маршрутизации OSPF и RIP, POS соответствует имеющемуся у них опыту и знаниям.

"Инженеры могут сколько угодно спорить о том, какое решение лучше, но в конечном итоге все определяется спросом со стороны пользователей, - говорит Друзи Демонопулос, вице-президент по маркетингу Foundry Networks. - IP пользуется невероятной популярностью, и с этой технологией люди чувствуют себя комфортно".

НЕРЕШЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ

Основная проблема POS состоит в том, что, отказываясь от ATM, вы тем самым отказываетесь от превосходных средств управления QoS. Их будет очень не хватать, когда пользователи станут переходить к IP-телефонии, так как передача голоса требует предоставления постоянной пропускной способности, причем она не должна блокироваться трафиком данных.

Помимо интеллектуальных механизмов организации и планирования очередей на коммутаторах ATM предоставляет разнообразные классы услуг. Голосовому потоку может быть выделен класс услуг с постоянной или переменной скоростью, а передаче файла - соединение с доступной или не оговоренной скоростью.

При отказе от ATM качество услуг придется обеспечивать на третьем уровне. Один из способов сделать это состоит в применении многопротокольной коммутации меток (Multiprotocol Label Switching, MPLS), разрабатываемой в настоящее время IETF. Журнал LAN собирается опубликовать материал на эту тему в одном из ближайших номеров, поэтому я не буду углубляться в детали. Если говорить коротко, в случае MPLS каждый маршрутизатор является также коммутатором. В дополнение к обычному заголовку третьего уровня пакеты имеют метки фиксированной длины. Метки могут определять конкретный, заранее оптимизированный для достижения заданного уровня QoS маршрут для используемых типов трафика.

Сторонники MPLS утверждают, что эта технология позволит POS предоставлять QoS, сравнимый с ATM. Однако некоторые скептики указывают на то, что при применении MPLS маршрутизаторы должны будут иметь большую вычислительную мощь для поддержки более чем двух-трех классов услуг.

В любом случае производители оборудования ATM тоже используют коммутацию с помощью меток. Например, в 1997 году Alcatel заключила соглашение с Cisco Systems и адаптировала некоторые из последних ее технологий для своих продуктов. По словам Эдварда Кеннеди, вице-президента по маркетингу в Alcatel, компания собирается реализовать стандарт MPLS по его принятии. В результате крупные операторы смогут приблизиться, насколько это возможно, к модели IP без замены сетевой инфраструктуры.

РЫНОК РАЗРЫВАЕТСЯ НАДВОЕ

Рекламная шумиха и заявления производителей создают впечатление, что у технологии пакетов поверх SONET безоблачное будущее. Поставляющая свой популярный 12000 GSR (Gigabit Switch Router) провайдерам Sprint и Frontier, Cisco, среди прочих, продолжает бить в барабаны во славу POS. Осенью прошлого года на выставке Networld+Interop ряд поставщиков, включая Cabletron Systems, Nortel Networks и Packet Engines, представили оборудование для POS. К середине 1999 года должны появиться платы линий с поддержкой скоростей ОС-192.

Вместе с тем производители продолжают выпускать продукты для ATM. "Несмотря на то что объем трафика данных растет быстрыми темпами, продажа оборудования для передачи речи приносит нам 80% дохода, - утверждает Джефри Вайс, президент и исполнительный директор Omnia Communications, компании-производителя мультиплексоров ввода/вывода. - Вследствие этого даже крупнейшие операторы из тех, кто активно выступал за IP, продолжают использовать ATM в качестве ядра своей сети. Переход на пакетные сетевые технологии займет по крайней мере еще пять лет".

"Мы придерживаемся подхода "или/или", - говорит Майк Акерман, директор по технологиям для сервис-провайдеров в Xylan, которая свой первый продукт для POS собирается представить в марте 1999 года. - ATM - весьма сложная технология, и она завоевала репутацию трудной для реализации. Между тем в случае POS вся сложность перемещается куда-то еще".

Исторически необходимость использования микросхем сегментации и сборки для преобразования пакетов в ячейки и обратно приводила к значительному увеличению стоимости портов. Однако сетям ATM маршрутизаторы требуются, как указывает Акерман, только на их границе, в результате прямое сравнение оказывается затруднительным. Он добавляет, что многие производители придерживаются "агностического подхода к вопросу ATM против AOS, поскольку они используют микросхемы, с помощью которых вы можете осуществлять программный контроль любого из них".

Одной из таких микросхем является процессор потока трафика MXT-4400 от Maker Communications. "Мы предлагаем программируемое решение вместо интегральной микросхемы ASIC с жестко заданной функциональностью", - поясняет Том Медрек, вице-президент Maker по маркетингу. Предыдущий процессор MXT-3010 был первой микросхемой SAR, поддерживающей скорости OC-12; он использовался в Cisco 12000 и многих других маршрутизаторах.

"Если наша первая микросхема предназначалась для обработки ATM, то MXT-4400 может работать и с POS, - продолжает Медрек. - Благодаря программируемости он не только предоставляет рычаги, которые RSVP и MPLS могут задействовать, но и способен работать с протоколами, которые еще даже не были определены".

КОНЕЦ SONET?

Во вступлении к статье я намекнул на устаревание SONET. Это замечание вызвано тем, что SONET разрабатывалась под TDM. Она создает виртуальные каналы через оптические кабели посредством преобразования световых волн в электрические импульсы и обратно.

Однако стремление увеличить емкость оптических сетей привело к появлению плотного мультиплексирования по длине волны (Dense Wavelength Division Multiplexing, DWDM), когда виртуальные каналы создаются оптически, а не электрически, посредством использования до 32 длин волн. В скором времени на одной линии смогут сосуществовать до 128 длин волн. В принципе это означает, что такие функции, как управление кольцом, переключение при отказе, классы услуг и т. д., могут реализовываться целиком на оптическом (физическом) уровне без преобразования в электрические сигналы.

Поставщики оборудования DWDM, в частности Ciena, утверждают, что оборудование SONET оказывается слишком сложным и дорогим при реализации каналов OC-3 и OC-12. Они заявляют, что способность SONET дифференцировать трафик до уровня одного телефонного соединения на 64 Кбит/с не имеет существенного значения с точки зрения современных требований к пропускной способности.

Продукт MultiWave Metro производства Ciena представляет собой оптическую мультиплексную систему ввода/вывода с поддержкой до 24 дуплексных каналов по одной паре волокон. Обеспечивая автоматическое переключение в случае сбоя без помощи SONET, он позволяет операторам предоставлять голосовые услуги ATM на одной длине волны потребителю А, услуги IP на другой длине волны потребителю Б и услуги OC-48 SONET потребителю В на третьей длине волны.

Весьма вероятно, что SONET будет использоваться еще долго. Она предоставляет удобный способ передачи сигналов обрамления и синхронизации и, кроме того, определяет стандартные скорости линий. Далее, сторонникам WDM предстоит еще большая работа по улучшению соотношения сигнал/шум и снижению стоимости соответствующих систем.

Если операторы, такие, как Sprint, будут удовлетворены "жизнеспособностью" WDM, то первые реализации должны незамедлительно появиться на магистрали Internet, причем они позволят передавать различные типы трафика одновременно. В то же время системы, обеспечивающие доступ к местным операторам, могут продолжать функционировать по TDM. Таким образом, ни ATM, ни IP по SONET не устареют в обозримом будущем. Даже с упрочением союзов между телекоммуникационными и сетевыми компаниями обе стороны могут тем не менее продолжать по-доброму общаться со своими прежними друзьями.

Джонатан Эйнджел - старший редактор Network Magazine. С ним можно связаться по адресу: jangel@mfi.com.


Ресурсы Internet

Богатая коллекция ссылок на информацию, относящуюся к ATM, собрана на странице В. Кумара http://members.tripod.com/~VBKumar/atm.html.

Предложение по стандарту Internet на PPP поверх SONET можно прочесть на http://search.ietf.org/internet-drafts/draft-ietf-pppext-sonet-ds-01.txt.

Домашняя страница консорциума Multiwave-length Optical Networking Consortium (MONET) размещена на http://www.bell-labs.com/project/MONET.

Домашняя страница Optical Internetworking Forum имеет адрес http://www.oiforum.com.

Технические статьи от Cisco Systems суммируют поддерживаемые маршрутизаторами серии 12000 технологии IP поверх SONET. Их можно прочитать на http://www.cisco.com/warp/public/733/12000/posdh_wp.htm и http://www.cisco.com/warp/public/733/12000.gspos_an.htm.

Другая статья от Trillium Digital System освещает спорные вопросы в дискуссии о преимуществах IP поверх SONET в сравнении с IP поверх ATM. Кроме того, она содержит полезный список соответствующих RFC. Смотри http://www.trillium.com/whats-new/wp_ip.html.

Презентация Рея Раллина, профессора информатики в университете Огайо, содержит богатую информацию, но она несколько трудна для восприятия при отсутствии сопровождающей ее лекции. Презентацию можно посмотреть на ftp://ftp.netlab.ohio-state.edu/pub/jain/talks/ipsonet/index.htm.

Поделитесь материалом с коллегами и друзьями