ATM ALKALMAZÁSA A LOKÁLIS HÁLÓZATBAN
A BME TÁVKÖZLÉSI ÉS TELEMATIKAI TANSZÉK HELYI ATM HÁLÓZATA

Seres Gergely, seres@ttt-atm.ttt.bme.hu
Baumann Ferenc, baumann@ttt-atm.ttt.bme.hu
Gordos Géza, gordos@ttt-202.ttt.bme.hu
Henk Tamás, henk@bme-tel.ttt.bme.hu
Budapesti Műszaki Egyetem Távközlési és Telematikai Tanszék

Abstract

This paper presents the issues involved in the design of an ATM-based local area network, together with the way to integrate the ATM network with the legacy network. Native ATM, Classical IP over ATM and LAN Emulation are discussed as possible solutions of an ATM-based LAN. This introduction is based on experiences from a functioning ATM LAN at the Department of Telecommunications and Telematics at the Technical University of Budapest. After a brief overview of the above standards and the ATM switches used, the actual layout and configuration are presented. Further, we review the problems that arose during the design, and the current applications of the network.

1. Bevezetés

Az aszinkron átviteli mód [1] (ATM) szabványosítási eredményei lehetővé tették ennek az új hálózati technológiának a gyakorlati megvalósítását, ezért egyre több ATM eszköz kapható a piacon. Bár a technológia még kiforratlan és sok területen hiányoznak a szabványok, az előnyök ellensúlyozzák ezeket, így jó eséllyel válhat az ATM a jövő egységes átviteli eljárásává. Az eddigi technológiák alkalmazásával épített lokális hálózatok teljesítőképességük és bővíthetőségük határára érkeztek, a váltás tehát szükséges, a reménybeli megoldás pedig az ATM. Az előbbi problémák megoldására számos más technológia született - Fast Ethernet, kapcsolt Ethernet, FDDI (Fiber Distributed Data Interface) - de egyikük sem képes a kép-, hang-, és adatforgalmat azonos átviteli közegen továbbítani, garantált minőségű átvitelt nyújtani, és globális méretekig terjeszkedni. A következőkben egy működő ATM hálózat példáján keresztül bemutatjuk az ATM alapú helyi hálózatok tervezésének kérdéseit és lehetséges alkalmazási területeit. Röviden ismertetjük azokat a megoldásokat, amelyek lehetővé teszik a hagyományos LAN-ok (Local Area Network) felsőbb protokolljai számára az ATM hálózat feletti működést.

2. A hálózat építésének céljai

A Budapesti Műszaki Egyetem Távközlési és Telematikai Tanszéke az elméleti téren folyó ATM kutatásait a gyakorlati alkalmazással is kiegészítette egy helyi ATM hálózat kiépítésével. A hálózat az 1996. májusában rendezett JENC (Joint European Networking Conference) konferenciára kiépített budapesti kísérleti ATM hálózat részeként épült meg [2]. A konferencia után a hálózat részeire bomlott, de később egyes részei újra összekapcsolódtak [3]. A tanszéki ATM hálózat célja, hogy az ATM technológia gyakorlati vizsgálatát is lehetővé tegye és megadja a fizikai alapot a tanszéken fejlesztett multimédia szoftvereknek, amelyek az ATM hálózat által nyújtott garantált szolgáltatásokra épülnek. A hálózat megépítése tette lehetővé, hogy az ATM kapcsolókon alkalmassági és együttműködési vizsgálatokat lehessen végezni a MATÁV PKI-vel közösen. A közeljövőben a forgalommodellezési és teljesítményvizsgálatok is a kutatás körébe kerülnek, valamint dinamikus hívásfelépítési vizsgálatok is várhatók.

3. Lokális hálózat ATM alapon

Az ATM egységes átviteli és kapcsolási technikát biztosít mind a nagyterületű (WAN - Wide Area Network), mind a helyi hálózatok számára (LAN), így az ATM bevezetése történhet a gerinchálózat lecserélésével illetve egyes helyi hálózatok tisztán ATM hálózattá alakításával. Mivel a tanszéki ATM hálózat kísérleti célokkal jött létre, nem alkalmas üzemszerű forgalom továbbítására, tehát gerinchálózat szerepét nem töltheti be. A fenti okok miatt a tanszék egy tisztán ATM helyi hálózat kialakítása mellett döntött. Egy ATM LAN megvalósítására több lehetőség kínálkozik: - Native ATM - LAN Emuláció - Klasszikus IP ATM felett

3.1 Native ATM

Az ATM kínálta lehetőségeket akkor lehet teljes mértékben kihasználni, ha az alkalmazások igénybe veszik a garantált minőségű összeköttetéseket, ami a már meglévő alkalmazások újraírását tenné szükségessé, és összeférhetetlenséget okozna az eddigi hálózatokkal. Ez nem gazdaságos, a járható út a hagyományos helyi hálózatok felsőbb protokolljaival (TCP/IP, IPX, DECnet, AppleTalk) együttműködő felület biztosítása. Az eddigi hálózati protokollok működtetésére az ATM felett az ATM Forum a LAN Emulációt hozta létre, az IETF (Internet Engineering Task Force) pedig a Klasszikus IP (Internet Protocol) ATM felett elnevezésű ajánlást dolgozta ki. Ezek mellett az újonnan fejlesztett alkalmazásokat úgy célszerű fejleszteni, hogy az ATM által nyújtott plusz szolgáltatásokkal is éljenek.

3.2 Klasszikus IP ATM felett

A Native ATM koncepciójához az IETF Klasszikus IP ATM felett [4] ajánlása áll a legközelebb. Ez kizárólag a TCP/IP protokollcsaládot használó berendezések számára teszi lehetővé az ATM hálózatokon való működést. A protokoll igen jó teljesíményt nyújt, mivel kihagyja az ATM számára szükségtelen, az osztott közegű hálózatokban pedig fontos szerepet betöltő MAC (Medium Access Control) réteget, és a 9180 byte-os, vagy ennél is nagyobb keretméretével jelentős teljesítménynövekedést ér el. A protokoll segítségével az ATM hálózat felett logikai IP alhálózatokat (Logical IP Subnet - LIS) alakíthatunk ki. A Klasszikus IP ATM felett LLC/SNAP (Logical Link Control/Subnetwork Access Protocol) [5] beágyazást alkalmazva egy virtuális csatornába multiplexeli a különböző felsőbb protokollokat. A rendszer egyaránt képes PVC (Permanent Virtual Circuit - állandó virtuális áramkör) és SVC (Switched Virtual Circuit - kapcsolt virtuális áramkör) környezetben működni. PVC környezetben az IP címeket manuálisan feleltetjük meg virtuális csatornáknak. A leképezéseket tartalmazó táblázatokat a felhasználónak kell kitöltenie a végberendezéseken, és létre kell hoznia a PVC-ket az ATM hálózaton belül. SVC környezetben a végberendezéseknek képesnek kell lenniük SVC-k felépítésére és az IP cím - ATM cím leképezések automatikus elvégzésére. Az utóbbi feladat megoldásához szükség van egy címfeloldást végző szerverre a hálózatban, mivel az osztott közegű hálózatokkal ellentétben nincs lehetőség címfeloldási broadcast üzenetekre. Minden logikai alhálózatban található egy ATMARP (ATM Address Resolution Protocol - ATM címfeloldási protokoll) szerver, ami nyilvántartja a hálózat tagjainak IP és ATM címeit, és a címfeloldási kérelmekre ez alapján válaszol. Az ATMARP szerver elhelyezkedhet egy munkaállomáson vagy file szerveren; és a hálózatban egy ATM kapcsolón.

3.3 LAN Emuláció

A LAN Emuláció [6] egy adatkapcsolati szinten működő kliens-szerver rendszer, ami a hagyományos hálózati szintű protokollok alá beépülve Ethernet illetve Token Ring hálózatok emulálását végzi. Ez azt jelenti, hogy a felsőbb protokollok számára olyan felületet nyújt, ami megegyezik az Ethernet illetve Token Ring hálózatokéval, és nem azt, hogy ezek közeghozzáférési protokolljait is emulálja. Így az említett típusú hálózatokkal azonos funkcionalitást kapunk, jóval nagyobb sebesség mellett. Egy fizikai ATM hálózat felett tetszőleges számú emulált LAN hozható létre. A végberendezések egy alhálózatba sorolása csupán logikai döntés, mivel megszűnik az a hagyományos hálózatoknál fellépő kényszer, hogy az azonos fizikai hálózathoz kapcsolódó végberendezések egy broadcast tartományba (alhálózatba) kerülnek. Az emulációs szerverek együttes feladata a virtuális szegmensek létrehozása. Az emuláció központja a LAN emulációs szerver (LES) és a Broadcast and Unknown Server (BUS). A LES vezérli az emulált LAN-t, ez tartja nyilván az emulált LAN-hoz tartozó klienseket. Az Ethernet és a Token Ring hálózatok adatkapcsolati szintű MAC címeit le kell képezni ATM címekre: ezt a konverziót is a LES végzi el a kliensek számára. Az ATM összeköttetés oritentált, kapcsolt technológia, ellentétben az Ethernet és a Token Ring összeköttetésmentes, osztott közegű hozzáférésével. A BUS feladata a broadcast és multicast megvalósítása az ATM kapcsolatorientált környezetében. Minden végponttal erre a célra fenntartott kapcsolatokat tart fenn, ezeken keresztül osztja szét a pont-több pont típusú üzeneteket. A fenti két szervert kiegészítve a LAN emuláció konfigurálási szervere (LECS - LAN Emulation Configuration Server) a klienseket bekapcsoláskor konfigurálja és a megfelelő LES-hez irányítja. LAN emulációs kliensek (LEC - LAN Emulation Client) egyik típusa az ATM hálózathoz közvetlenül kapcsolódó végberendezésben található. Feladata bekapcsoláskor a konfigurációs szerver által megadott emulált LAN-ba való belépés, és működés közben a MAC - ATM címkonverzió, az emulációs szerver segítségével. Fő feladata a közvetlen adatkapcsolat kialakítása más végberendezésekkel, és ezen keresztül a felsőbb protokollok számára az emulált interface biztosítása. A LEC egy speciális típusa a proxy LEC, ami Ethernet illetve Token Ring szegmenseket illeszt az emulált LAN-hoz. A proxy LEC a hagyományos szegmensen elhelyezkedő végberendezések és az emulált LAN-hoz közvetlenül csatlakozó berendezések közötti kommunikációt teszi lehetővé, azaz egy közös LAN-t hoz létre fizikailag különálló hálózatokból.

4. ATM eszközök

Az imént tárgyalt módszerek elvi lehetőségei egy ATM alapú LAN létrehozásának. Általában a rendelkezésre álló eszközök ezek közül csak néhányat támogatnak, vagy a gyártó egyéni (nem szabványos) megoldását valósítják meg. A tanszék kísérleti hálózatának magját három ATM kapcsoló alkotja. A méréseket egy szélessávú hálózatokra kifejlesztett HP mérőműszer teszi lehetővé.

4.1 A General Datacomm APEX-DV2 A

General Datacomm (GDC) APEX-DV2 (Advanced Packet Exchange - Data, Voice & Video) típusú intézményi hálózatokhoz készült ATM kapcsoló az Ericsson Austria ajándékaként került a tanszékre. Az APEX-DV2 elsősorban gerinchálózati hozzáférést biztosító szerepre készült, rendkívül sok ATM előtti technológiát képes ATM hálózat alatti továbbításra alakítani (európai és amerikai PDH hierarchia különböző szintjeit, Frame Relay-t, video és hangjeleket, Ethernetet). A kapcsoló sokoldalúságát növeli a támogatott fizikai interfészek nagy száma. Mivel elsősorban gerinchálózati hozzáférésre szánták, nem támogatja a LAN Emulációt, és nem képes ATMARP szerverként működni. Jelzésrendszere az ATM Forum által definiált UNI 3.0 [7] (User - Network Interface - felhasználó - hálózat interfész) szabvánnyal kompatibilis.

4.2 Az IBM 8285

A tanszék által vásárolt IBM 8285 típusú ATM kapcsoló munkacsoportok számára készült. Támogatja a LAN Emuláció 1.0 verzióját, és a UNI jelzésrendszer 3.0 és 3.1 verzióit. A LAN emuláció szerverei közül a LES és a BUS funkcionalitását nyújtja; két, párhuzamosan műkődő Ethernet vagy Token Ring hálózatot képes emulálni. A kapcsoló a kisebb teljesítményű, PC-s hálózatokhoz kiváló, alapkiépítésben 12 db. 25.6 Mbps sebességű csavart érpár és egy 155 Mbps sebességű multimódusú optikai kábel csatlakoztatható hozzá, de igény szerint bővíthető.

4.3 A FORE ASX-200

Az InNet Kft-től és a CORE Computer Kft-től kipróbálásra kapott FORE ASX-200 típusú ATM kapcsoló mind munkacsoporti, mind gerinchálózati szerepre alkalmas. Az ATM alapú helyi hálózatok kialakítását a legmesszebbmenőkig támogatja, képes a LAN Emuláció LES, BUS, LECS szervereit megvalósítani, emellett a Klasszikus IP ATM felett ATMARP szerverének futtatására is. Jelzésrendszere az UNI 3.0 szabványt követi, és tartalmazza a FORE Systems által kifejlesztett SPANS jelzésrendszert is, ami kisméretű, csak FORE kapcsolókból felépülő hálózat kezelésére képes.

4.4 A HP E1401B munkaállomás és az E4829A forgalomgeneráló és analizáló rendszer

A HP E1401B munkaállomásra alapozott E4829A mérőrendszer négy független forgalomgenerátorával és valós idejű cellafigyelési képességével az ATM hálózatok analizálását teszi lehetővé. A mérőmodul egy monomódusú optikai interfészt tartalmaz. A rendszer ebben a kiépítésben fizikai (SDH), ATM és AAL-1 szintű mérésekre alkalmas. A közeljövőben érkező cellafeldolgozó modul lehetőséget ad más adaptációs rétegek és a felsőbb rétegek protokolljainak mérésére és szimulálására.

4.5 ATM hálózati kártyák

A kísérleti hálózatban többféle hálózati kártya üzemel: - FORE SBA-200 multimódusú interfésszel, a Sun munkaállomásokban - FORE MCA-200 TAXI interfésszel, a RISC/6000 munkaállomásokban - FORE PCA-200 multimódusú interfésszel, a NetWare 4.11-et futtató szerverben - IBM TURBOWAYS 25 UTP kábeles interfésszel, a PC-kben.

5. A Távközlési és Telematikai Tanszék ATM hálózata

5.1 Topológia

A hálózat gerincét három, egymással multimódusú optikai vonalakkal összekötött ATM kapcsoló alkotja (1. ábra). Az IBM 8285 központhoz 25.6 Mbps sebességű, csavart érpáras vezetékekkel csatlakozik 4 PC, köztük egy Windows NT Server. A FORE ASX-200 kapcsolóhoz 155 Mbps sebességű optikai szállal kapcsolódik egy Sun SPARCstation 20 munkaállomás, és egy Novell Netware 4.11 szerver. A GDC APEX-DV2 kapcsolóhoz TAXI vonalon két IBM RISC/6000 munkaállomás kapcsolódik. Ez a kapcsoló a kijárat az egyetemi és ezen keresztül a budapesti kísérleti ATM hálózathoz. A GDC monomódusú optikai szálakkal kapcsolódik az Egyetemi Információs Központ Cisco LightStream 1010 típusú ATM kapcsolójához, ami közvetlen összeköttetésben van a budapesti kísérleti ATM hálózattal. Szintén monomódusú optikai szál vezet a Híradástechnika Tanszék FORE ASX-200 kapcsolójához. Az új hálózat több helyen csatlakozik a tanszék Ethernet hálózatához. A Windows NT szerver router a tanszék Ethernet hálózatához, míg a kísérleti Ethernet LAN-hoz a NetWare szerver a router. A HP mérőműszer a GDC kapcsoló egyik monomódusú portjához van kötve.

5.2 Jelzésrendszer

Az ATM szabványosítási folyamatának befejezetlensége már ilyen kis hálózat esetében is problémák forrása lehet. Bár a gyártók szerint mindegyik kapcsoló támogatja az ATM Forum UNI 3.0 szabványát, a GDC kapcsoló jelenlegi szoftver verziója nem képes együttműködni a többi gyártó implementációival. Emiatt a GDC-n áthaladó összeköttetések a PVC szintre korlátozódnak. A FORE és az IBM kapcsolókhoz csatlakozó végberendezések a UNI 3.0 [7] jelzésrendszert használják a kapcsolóval való kommunikáció során, és az ILMI (Interim Local Management Interface - átmeneti, helyi menedzsment interfész) protokollt az ATM címek kiosztására.

1. ábra

A BME Távközlési és Telematikai Tanszék ATM hálózata

A FORE és az IBM kapcsolók között az IISP [8] (Interim Inter-Switch Signaling Protocol - átmeneti, kapcsolók közti jelzésprotokoll) protokoll szerint folyik a kommunikáció. Ezt a protokollt az ATM Forum ideiglenesen, a P-NNI Phase 1 (Private Network Node Interface - magánhálózatokon belüli interfész) protokoll kidolgozásáig javasolja használni. Az IISP a UNI jelzésrendszert használja a kapcsolók között is, ahol önkényesen az egyik kapcsolót felhasználói, a másikat hálózati oldalnak konfiguráljuk. A jelzési kérelmeket statikusan irányítja (static routing). A kapcsolók üzemeltetője táblázatokat tölt ki, amelyekben megadja, hogy melyik portra kell irányítani az adott prefixszel érkező üzeneteket.

5.3 A helyi ATM hálózat logikai kialakítása

A helyi ATM hálózatban egymás mellett működik a LAN emuláció és a Klasszikus IP ATM felett (2. ábra). A tanszéken foglalkoznak Native ATM alkalmazások fejlesztésén is, de ezek még a kezdeti stádiumban vannak. A cél minden eddig kidolgozott megoldás vizsgálata, és a tapasztalatok felhasználása a kutatási, fejlesztési munkában. A LAN emuláció központja az IBM 8285 kapcsoló, ebben működik a LES és a BUS, egy virtuális Ethernet hálózatot létrehozva. Az IBM RISC/6000 munkaállomások kivételével mindegyik számítógép tartalmaz LAN emulációs klienst. Ezek mellett az IBM és a FORE kapcsoló is tartalmaz emulációs klienseket, a management célú elérés érdekében. A NetWare szerver és a PC-k együttese bizonyítja a tisztán ATM LAN-ok életképességét, létjogosultságát, és ezek probléma nélküli együttműködését a hagyományos Ethernet LAN-okkal. A Klasszikus IP ATM felett alkalmazásával létrehozott logikai alhálózat tagja a két IBM RISC/6000 és a Sun SPARCstation 20 munkaállomás. Az ATMARP szerver a FORE kapcsolóban található. A LAN Emulációnál nagyobb sebességet nyújtó Klasszikus IP alkalmazását UNIX környezetben a TCP/IP protokollcsalád kizárólagos alkalmazása teszi lehetővé. A RISC/6000 munkaállomásokban használt FORE MCA-200 típusú ATM kártya szoftvere csak SPANS alapú FORE IP, és PVC alapú Klasszikus IP kapcsolatok felépítését teszi lehetővé. Emiatt a Klasszikus IP hálózat csak PVC környezetben üzemel. A Sun munkaállomás tagja mindkét virtuális hálózatnak, így lehetőség nyílik a Klasszikus IP és a LAN Emuláció teljesítményének összevetésére.

2. Ábra

LAN Emuláció és Klasszikus IP ATM felett

6. Alkalmazások, tapasztalatok

A JENC konferencia alkalmából történt a tanszéki ATM hálózat első próbája [2] [9]. Az MTA, a MATÁV PKI és a tanszék részvételével videokonferencia zajlott a három helyszín között, Sun munkaállomások, és AVA-300 típusú audio-video adapterek felhasználásával. Ez az összeállítás Native ATM-et használt, az AVA-300 kódolók a videokamerák és a mikrofonok jeleit az AAL5 rétegnek átadva közvetlenül ATM cellákká alakították, és az ATM hálózaton a dekódolást végző Sun munkaállomásokhoz juttatták. Két konfiguráció is bemutatásra került - a gyengébb minőséget adó software dekódolás, és a kiváló minőséget biztosító, Parallax videokártyával segített dekódolás. A tanszéken saját fejlesztésű, Native ATM módban futó videokonferencia alkalmazás fejlesztése is folyik. A rendszer többrésztvevős konferenciát, és whiteboard alkalmazást támogat. A hálózat a kutatási feladatok mellett mindennapos használatban is van, a hozzá kapcsolt gépek az ATM hálózaton keresztül érik el a tanszék más erőforrásait. Ez a hálózat teszi lehetővé a tanszéken fejlesztett multimédia alkalmazások valódi, nagy sávszélességű környezetben történő tesztelését és az ATM kapcsolókon végzett alkalmassági, együttműködési és teljesítmény-vizsgálatokat. A kapcsolók vizsgálatához a HP mérőműszer állítja elő a tesztadatokat, és ez rögzíti a kapcsolók válaszait. Felmerülhet a kérdés, hogy tényleg szükség van-e ekkora sávszélességű hálózat építésére a helyi környezetben. A válasz nem egyértelmű. Méréseink szerint egy korszerű, Pentium processzoros, PCI buszos PC egymagában is képes túllépni az Ethernet hálózatok által nyújtott sávszélességet, de a hálózat ilyen igénybevétele nem általános. Ellenben egy ilyen PC az ATM hálózat legkisebb szabványos sebességét, a 25.6 Mbps-ot is csak félig tudja kihasználni, nem is említve a 155Mbps-os optikai interface-ek kihasználatlanságát. A nagy teljesítményű munkaállomások esetében egyértelműen megéri a váltás az ATM-re. Klasszikus IP ATM felett alkalmazásával 5Mbyte/s átviteli sebességek is elérhetők nyugtázott TCP kapcsolat esetén is.

7. Összegzés

Az ATM megoldást nyújt a mai hálózatokban jelentkező sávszélességbeli és kiterjeszthetőségi problémákra, és elegendő tartalékot ad a jövőbeli bővítésekhez. A gerinchálózatban és a helyi hálózatokban egyaránt alkalmazható, használata lehetőséget teremt egy egységes hálózat kiépítésére. A BME Távközlési és Telematikai Tanszék ATM hálózatának áttekintése során megismerhettük a különböző módszereket egy lokális hálózat ATM feletti megvalósítására. Bemutattuk a hálózat szolgáltatásait, alkalmazási területeit és a kiépítés során felmerült problémákat.

8. Irodalomjegyzék

[1] "Asynchronous Transfer Mode - Solution for Broadband ISDN" 2. Ed. De Prycker, 1993, Horwood

[2] "Videokonferencia alkalmazások ATM hálózaton" Arató, Székely, Magyar Távközlés 1996/6

[3] "ATM Network Designing - a practical approach" Kashif, Seres, Magyar Távközlés 1997 angol különszám

[4] "RFC 1577: Classical IP and ARP over ATM" Laubach, 1994 Január

[5] "RFC 1483: Multiprotocol Encapsulation over ATM Adaptation Layer 5" Heinanen, 1993 Július

[6] "LAN Emulation Over ATM Specification - Version 1" ATM Forum Specification, 1995. Február

[7] "ATM User-Network Interface Specification Version 3.0", ATM Forum Specification, 1993. Szeptember, Prentice Hall

[8] "Interim Inter-Switch Signaling Protocol", ATM Forum Specification, 1995. Február

[9] "The First Hungarian ATM Pilot Network" Cselényi, Haraszti, Székely, Magyar Távközlés 1997 angol különszám