Комутація пакетів з використанням віртуальних каналів - це технології передачі даних мережевого рівня, що поєднують властивості комутації каналів і комутації пакетів. При цьому в значній мірі вдається реалізувати переваги обох методів комутації. В даний час досить широко застосовуються технології мереж X.25, Frame Relay, ATM.

Дані передаються на мережевому рівні у вигляді пакетів, що мають стандартну структуру і розміри. Пакети даних від одного кінцевого вузла DTE до іншого кінцевому вузлу DTE можна передавати в мережі тільки після встановлення з'єднання - спеціальної мережевий процедури створення віртуального каналу. Віртуальне з'єднання на відміну від фізичного з'єднання не закріплює жорстко ресурси каналу передачі даних, віртуальне з'єднання необхідно тільки для вказівки обраного в з'єднанні постійного маршруту для доставки пакетів. Пакети різних віртуальних каналів можуть конкурувати за доступ до каналу передачі даних, так як один канал може обслуговувати кілька віртуальних з'єднань.

Так само як і в фізичних з'єднаннях можливі два типи каналів: комутовані віртуальні канали (SVC) і постійні віртуальні канали (PVC). Віртуальні канали існують у вигляді записів в таблицях комутації портів комунікаційних вузлів мережі. Відповідно до цих таблицями комутації кожен вступник пакет направляється за відповідним зареєстрованим віртуальному каналу.

PVC створюються вручну і закріплюються постійно аналогічно виділених телефонних лініях. Вартість PVC набагато нижче, ніж виділених ліній, так як пропускна здатність каналів передачі даних ділиться між багатьма користувачами. У більшості випадків немає необхідності підтримувати PVC (і платити за нього), віртуальне з'єднання SVC створюють тільки на періоди передачі даних. Створення SVC, тобто вибір маршруту для доставки пакетів, проводиться комунікаційними вузлами (маршрутизаторами) автоматично за спеціальною заявкою, що надходить від кінцевого вузла. Після закінчення передачі даних SVC відключається також за допомогою спеціальної процедури.

Основне завдання, яке вирішується при створенні віртуального каналу, - вирішити задачу маршрутизації і зафіксувати цей маршрут в комунікаційних вузлах мережі. На мережевому рівні, з технологією підвищення віртуальних каналів маршрутизація є однією з найбільш складних завдань і вирішується тільки один раз при створенні віртуального каналу. Це істотно спрощує процедури доставки пакетів по зареєстрованому віртуальному з'єднанню. Фактично алгоритми управління і контролю роботи по віртуальному каналу близькі до відповідними алгоритмами, використовуваним на канальному рівні в рамках протоколів HDLC.

Природно, що створення віртуального каналу між кінцевими вузлами вимагає передачі їх повних мережевих адрес. Адресація мережевих пакетів по вже створеному віртуальному з'єднанню проводиться за допомогою ідентифікатора віртуального каналу VCI. Значення VCI визначається при створенні віртуального каналу, на відміну від мережевої адреси має не глобальний, а локальний сенс, тобто кожен маршрутизатор присвоює певний номер створюваному віртуальному каналу на кожній ділянці мережі. Причому у вхідному порте VCI має одне значення, а вихідному порте - вже інше. Ці значення VCI реєструються в спеціальних таблицях комутації портів маршрутизатора і для переданих по віртуальному каналу пакетів автоматично змінюються при передачі зі входу в вихідний. Так як число підтримуваних одночасно віртуальних каналів в маршрутизаторі відносно невелике, обсяг таблиць комутації портів і розмір VCI також невеликий.

Відповідно до цими факторами маршрутизація пакетів істотно прискорюється. Крім того, використання простих і невеликих за розміром VCI дозволяє істотно скоротити обсяг службових полів пакету і відповідно підвищити швидкість передачі корисної інформації. Слід зазначити, що це переваги вже створеного віртуального з'єднання. А створення віртуального з'єднання - це складна і досить громіздка процедура, зазвичай вона виконується за запитом кінцевого вузла за допомогою спеціального службового пакет Call Request. Якщо в процесі передачі даних віртуальний канал відмовляє з якої-небудь причини, продовження передачі даних можливо тільки після створення нового віртуального каналу. Необхідно також враховувати, що через велику кількість комунікаційних пристроїв, що підтримують функціонування віртуального каналу, ймовірність відмов істотно вище, ніж в процедурах канального рівня. Тому на мережевому рівні необхідні більш жорсткі процедури контролю роботи і відновлення коректної роботи після збоїв.

Удосконалення техніки віртуальних каналів тісно пов'язано з розвитком технологій передачі даних в телефонних мережах. Перші такі мережі стандарту X.25 створювалися для роботи в аналогових телефонних мережах, тому X.25 забезпечують відносно низьку продуктивність, але досить високу надійність при передачі даних. Мережі ISDN використовують виключно цифрові алгоритми передачі даних з більш високою швидкістю і помехоустойчивостью. Це дозволило спростити процедури контролю повідомлень для підвищення продуктивності і створити технологію Frame Relay, як одну з мережевих служб ISDN. Frame Relay забезпечує не тільки передачу даних між DTE, а й може гарантувати певну якість сервісу при доставці повідомлень. Поява високошвидкісних цифрових магістральних каналів стандартів SDH / SONET призвело до розробки мереж ATM, які забезпечують досить високу продуктивність при високій якості сервісу.

Сервіси ISDN мають набагато більш високою якістю, ніж аналогових телефонних мереж. Крім більш високої завадостійкості ISDN надає два типи інтерфейсів для користувачів: базовий (BRI) і первинний (PRI) інтерфейси. BRI містить 2 B каналу і D канал (2х64 + 16) з сумарною пропускною спроможністю 144 кбіт / с. PRI - за європейськими стандартами 30 B і D канал (30х64 + 64) з сумарною пропускною спроможністю 1984 Кбіт / с. Телефонні апарати підключаються через S інтерфейс (B + D). Стандарти визначають три нижніх рівні, на мережевому рівні визначені процедури встановлення з'єднання (комутація каналів).

мережі АТМ

Технологія ATM найбільш повно поєднує особливості комутації пакетів і комутації каналів. Дані передаються у вигляді пакетів у віртуальних каналах, пакети мають строго фіксований невеликий обсяг.

Все це дозволяє забезпечити передбачувані затримки в мережі, замовити при встановленні з'єднання необхідні параметри якості сервісу і забезпечувати їх для різних видів трафіку. Організація передачі даних орієнтована на технології магістральних каналів SDH / SONET, тому базової швидкістю для ATM є швидкість 155 Мбіт / с. Основне призначення ATM - забезпечити асинхронний режим передачі даних в синхронних каналах SDH / SONET. Хоча ядро ​​стандартів було затверджено в 1993 р, робота по стандартизації різних аспектів цієї технології ще далеко не завершена.

ATM - технологія передачі даних, здатна обслуговувати різні види трафіку відповідно до їх вимог. Класи обслуговування мають ряд градацій від передачі даних "по можливості" до "малих затримок і малих втрат". Для ідентифікації кінцевих вузлів використовуються 20-байтові адреси, які мають класичну ієрархічну структуру.

Як і в інших мережах цього класу, адреси використовуються тільки для маршрутизації при встановленні з'єднання. У віртуальному з'єднанні комутація пакетів проводиться ідентифікатором з двох елементів: ідентифікатор віртуального шляху (VPI), ідентифікатор віртуального каналу (VCI). VPI використовується для прискорення комутації і однаковий для віртуальних каналів, що мають однаковий маршрут на даній ділянці мережі. Його можна розглядати як старшу частину локального адреси, яка використовується для комутації пакетів із загальним маршрутом.

Пакети ATM - осередки (cell) мають розмір 53 байта (5 байт службових). Розмір осередку встановлений компромісний для різнорідних вимог. Зменшення розміру полегшує синхронізацію передавальної і приймаючої сторони, збільшення - знижує частку службової інформації в переданих даних. Крім стандартизованого розміру осередку в АТМ ще більш повно реалізована ідея замовлення пропускної здатності і якості обслуговування. Залежно від пропонованих вимог є 5 класів трафіку, що визначають якісні характеристики:

A - трафік з постійною бітовою швидкістю (CBR), тимчасової синхронізацією передавальної і приймаючої сторони, з встановленням з'єднання (на транспортному рівні).

B - трафік зі змінною бітовою швидкістю (VBR), тимчасової синхронізацією передавальної і приймаючої сторони, з встановленням з'єднання (на транспортному рівні).

C - трафік зі змінною бітовою швидкістю (VBR), без синхронізації передавальної і приймаючої сторони, з встановленням з'єднання (на транспортному рівні).

D - трафік зі змінною бітовою швидкістю (VBR), без синхронізації передавальної і приймаючої сторони, без встановлення з'єднання (на транспортному рівні).

X - тип трафіку визначається користувачем.

Кількісні характеристики, підтримувані АТМ, такі:

• максимальна швидкість передачі даних - PCR,
• середня швидкість передачі даних - SCR,
• мінімальна швидкість передачі даних - MCR,
• максимальний розмір пульсації - MBS,
• частка втрачених осередків - CLR,
• затримка передачі осередків - CTD,
• варіації затримки осередків - CDV.

При створенні віртуального з'єднання між користувачем і мережею визначається рівень сервісу, так званим трафік-контракту, в якому визначається клас трафіку і необхідні кількісні характеристики з'єднання. Якщо не потрібне строге підтримку параметрів пропускної здатності, передбачений тип трафіку з невизначеною швидкістю -UBR. Для UBR мережу виділяє ресурси "по можливості", тобто ті ресурси, які в даний момент вільні.

Стек протоколів АТМ в повному обсязі відповідає моделі OSI. У технології АТМ можуть бути вирішені завдання представлені в двох рівнях: рівні адаптації - AAL, рівні АТМ. Рівень AAL по важливість справ ближче до протоколів транспортного рівня і складається з підрівня конвергенції CS і підрівні сегментації і реассемблірованія SAR. CS відповідає за взаємодію з верхніми рівнями і забезпечує необхідний клас трафіку, синхронізацію між передавачем і приймають вузлом, контроль даних і цілісності повідомлень для верхніх рівнів.

SAR перетворює надходять з верхнього рівня пакети в послідовність стандартних осередків АТМ при передачі і виконує зворотне перетворення при прийомі. Рівень АТМ більшою мірою включає завдання мережевого і канального рівнів: маршрутизацію, управління потоком, обробку пріоритетів. Службові заголовки AAL знаходяться в полі даних осередку і комутаторами АТМ не обробляються. За допомогою цих службових полів в кінцевому вузлі відбувається відновлення вихідного повідомлення з прийнятих осередків. Процедури відновлення втрачених даних в AAL не передбачені. При використовуваних засобах фізичного рівня спотворення повідомлень покладається вкрай малоймовірним, тому AAL передбачає тільки повідомлення вищестоящих рівнів при виявленні перекручувань.

Протокол AAL1 призначений для обслуговування трафіку класів А чи B і емулює виділені цифрові лінії, зокрема цей протокол повинен згладжувати неоднорідності в часі надходження осередків.

Протокол AAL3 / 4 призначений для обробки пульсуючого трафіку класів C, D, іноді B (при не дуже жорстких вимогах). Протокол передбачає досить суворі процедури контролю повідомлень: нумерується кожен осередок вихідного повідомлення, кожна клітинка містить контрольне поле (CRC). При виявленні помилки все повідомлення стирається, так як процедури відновлення не передбачені.

Протокол AAL5 є подальшим спрощенням (класи C і D), контрольне поле обчислюється для всього повідомлення і поміщається в останню комірку. Цей протокол призначений для передачі не тільки для користувача даних, але і службових.

У комутаторах АТМ цей протокол підтримує процедури встановлення віртуальних з'єднань. Протоколи підрівні AAL тільки визначають умови трафік-контракту, виконання його умов забезпечується роботою комутаторів, які повинні передавати осередки з заданим рівнем якості обслуговування.

Процедури, що визначають роботу комутаторів, є основним змістом протоколу ATM. Протокол ATM забезпечує передачу осередків в установленому віртуальному з'єднанні: виконує комутацію за номером віртуального з'єднання, контролює дотримання трафік-контракту кінцевим вузлом, відкидає осередки-порушники при перевантаженні мережі, управляє потоком осередків для підвищення продуктивності.

Рис.1. формат комірки

Контрольне поле заголовка дозволяє виправляти одноразові помилки і деякі види дворазових помилок.

Встановлення з'єднання проводиться по протоколу Q.2931. Формат адреси розміром 20 байт описаний в стандарті ISO 7498, адреса має типову ієрархічну структуру. При запиті на встановлення з'єднання кінцевий вузол передає настройки на власний вибір трафіку, комутатор мережі їх аналізує і при наявності необхідних вільних ресурсів виробляє створення нового віртуального з'єднання. Якщо ресурсів недостатньо, заявка відхиляється.