Это сравнительно новые сети, которые гораздо лучше подходят для передачи трафика локальных сетей по сравнению с сетями Х.25. Преимущество сетей frame relay заключается в их низкой избыточности, высокой емкости при низких задержках и надежной передаче данных по существующим общественным сетям. Они специально разработаны как общественные сети для соединения частных локальных сетей. Сети frame relay стандартизованы подкомитетом CCITT 1.122. Они обеспечивают скорость передачи данных до 2 Мбит/с и позволяют потребителю наращивать требуемую пропускную способность частями по 56 Кбит/с.

Сети frame relay обеспечивают высокую пропускную способность и низкие задержки за счет исключения избыточных операций по коррекции ошибок, так как они рассчитаны на использование надежных цифровых и волоконно-оптических линий связи. Протокол frame relay занимается обнаружением ошибок только на первых двух уровнях модели OSI, в то время как в протоколе Х.25 этим занимаются три уровня. Протокол frame relay, так как он работает только на первых двух уровнях модели OS1, является независимым от верхних уровней стека протокола, из-за чего его легко встраивать в сети.

Протокол frame relay подразумевает, что коммуникационное оборудование конечных пользователей (а точнее, протоколы сетевого и транспортного уровней, подобные IP и TCP) будут обнаруживать и корректировать ошибки за счет повторной передачи пакетов сетевого или более высоких уровней. Это требует некоторой степени интеллектуальности от конечного оборудования, что по большей части справедливо для современных локальных сетей.

Frame relay предлагает независимую адресацию пакетов. Сети frame relay, как и сети Х.25, позволяют устанавливать частные виртуальные каналы между локальными сетями без добавления задержки между узлами. После установления виртуального соединения кадры frame relay маршрутизируются (транслируются, передаются, если более точно следовать переводу глагола relay) через коммутаторы сети. Стандарт frame relay определяет как постоянные виртуальные каналы (PVC), так и коммутируемые (SVC), но в большинстве коммерческих сетей frame relay реализованы в основном сервисы постоянных коммутируемых каналов.

Поле номера виртуального соединения (DLCI) состоит из 10 бит и называется идентификатором связи данных. Это поле содержит номер виртуального канала, соответствующий определенному порту сетевого моста или маршрутизатора. Посылающее устройство помещает этот адрес в кадр (фрейм) и передает кадр в сеть для перемещения к приемному устройству.
Структура кадра протокола frame relay приведена на рис. 1.

Поле данных может иметь размер до 4056 байт.

Рис. 1. Структура кадра frame relay

За основу взят формат кадра HDLC, но поле адреса существенно изменило свой формат, а поле управления вообще отсутствует. Поле номера виртуального соединения DLC1 состоит из 10 бит, что позволяет использовать 1024 виртуальных соединения. Поле DLCI может занимать и большее число разрядов - этим управляют признаки ЕАО и ЕА1. Если бит в этом признаке установлен в 0, то признак называется ЕАО и означает, что в следующем байте имеется продолжение поля адреса, а если бит признака равен 1, то поле называется ЕА1 и идентифицирует окончание поля адреса. Поле C/R имеет обычный для протокола HDLC смысл — это признак «команда-ответ». Поля DE, CF, СВ используются протоколом для управления трафиком и поддержания заданного качества обслуживания виртуального канала.

Технология frame relay начинает занимать в территориальных сетях с коммутацией пакетов ту же нишу, которую заняла в локальных сетях технология Ethernet. Их роднит то, что они предоставляют только быстрые базовые транспортные услуги, доставляя кадры в узел назначения без гарантий. Однако если кадры теряются, то сеть frame relay, как и сеть Ethernet, не предпринимает никаких усилий для их восстановления. Если каналы качественные, то кадры будут теряться и искажаться редко, так что скорость восстановления пакетов протоколом TCP окажется вполне приемлемой. Если же кадры будут искажаться и теряться часто, то полезная пропускная способность в сети frame relay может упасть в десятки раз, как это происходит в сетях Ethernet при плохом состоянии кабельной системы. Поэтому сети frame relay следует применять только при наличии на магистральных каналах волоконно-оптических кабелей высокого качества. Каналы доступа могут быть на витой паре, как это разрешает интерфейс GZ03 или абонентское окончание ISDN. Используемая на каналах доступа аппаратура передачи данных должна обеспечить приемлемый уровень искажения данных — не ниже 10~6. На величины задержек сеть frame relay гарантий не дает, и это основная причина, которая сдерживает применение этих сетей для передачи голоса. Передача видеоизображения тормозится и другим отличием сетей frame relay от ATM — низкой скоростью доступа в 2 Мбит/с, что для передачи видео часто недостаточно. Тем не менее многие производители оборудования для сетей frame relay поддерживают передачу голоса. Поддержка устройствами доступа заключается в присвоении кадрам, переносящим замеры голоса приоритетов. Магистральные коммутаторы frame relay должны обслуживать такие кадры в первую очередь. Необходимо также соблюдение еще одного условия для качественной передачи голоса — передавать замеры голоса необходимо в кадрах небольших размеров, иначе на качество будут влиять задержки упаковки замеров в кадр, так называемые задержки пакетизации.

Технология асинхронного режима передачи (Asynchronous Transfer Mode, ATM) разработана как единый универсальный транспорт для нового поколения сетей с интеграцией услуг, которые называют широкополосными сетями ISDN (Broadband-ISDN, B-ISDN). По планам разработчиков единообразие, обеспечиваемое ATM, будет состоять в том, что одна транспортная технология сможет обеспечить несколько перечисленных ниже возможностей:
• передачу в рамках одной транспортной системы компьютерного и мультимедийного (голос, видео) трафика, чувствительного к задержкам, причем для каждого вида трафика качество обслуживания будет соответствовать его потребностям;
• иерархию скоростей передачи от десятков мегабайт до нескольких гигабайт в секунду с гарантированной пропускной способностью для ответственных приложений;
• общие транспортные протоколы для локальных и глобальных сетей;
• сохранение имеющейся инфраструктуры физических каналов и физических протоколов: Т1/Е1, ТЗ/ЕЗ, SDH STM-n, FDDI;
• взаимодействие с унаследованными протоколами локальных и глобальных сетей: IP, SNA, Ethernet, ISDN.

Главная идея асинхронного режима передачи была высказана достаточно давно, этот термин ввела лаборатория Bell Labs еще в 1968 г. Основной разрабатываемой технологией тогда была TDM с синхронными методами коммутации, основанными на порядковом номере байта в объединенном кадре. Главный недостаток технологии TDM, которую называют технологией синхронной передачи STM (Synchronous Transfer Mode), заключается в невозможности перераспределять пропускную способность объединенного канала между подканалами. В те периоды времени, когда по подканалу не передаются пользовательские данные, объединенный канал все равно передает байты этого подканала, заполненные нулями. Попытки загрузить периоды простоя подканалов приводят к необходимости введения заголовка для данных каждого подканала. В промежуточной технологии STDM (Statistical TDM), которая позволяет заполнять периоды простоя передачей пульсирующего трафика других подканалов, действительно вводятся заголовки, содержащие номер подканала. Данные при этом оформляются в пакеты, похожие по структуре на пакеты компьютерных сетей. Наличие адреса у каждого пакета позволяет передавать его асинхронно, так как местоположение его относительно данных других подканалов уже не является его адресом. Асинхронные пакеты одного подканала вставляются в свободные тайм-слоты другого подканала, но не смешиваются с данными этого подканала, так как имеют собственный адрес.

Технология ATM совмещает в себе подходы двух технологий — коммутации пакетов и коммутации каналов. От первой она взяла на вооружение передачу данных в виде адресуемых пакетов, а от второй — технику виртуальных каналов и использование пакетов небольшого фиксированного размера, в результате задржки в сети становятся более предсказуемыми.

Разработку стандартов ATM осуществляет группа организаций под названием ATM Forum под эгидой специального комитета IEEE. ATM — это очень сложная технология, требующая стандартизации в самых различных аспектах, поэтому, хотя основное ядро стандартов было принято в 1993 г., работа по стандартизации активно продолжается. До широкого распространения технологии ATM, по оценкам специалистов, должно пройти 5-10 лет. Такой прогноз связан не только с отсутствием полного набора принятых стандартов, но и с невозможностью быстрой замены уже установленного дорогого оборудования, которое не так хорошо, как хотелось бы, но все же справляется со своими обязанностями. Кроме того, многое еще нужно сделать в области стандартизации взаимодействия ATM с существующими сетями, как компьютерными, так и телефонными. Сеть ATM имеет классическую структуру крупной территориальной сети — конечные станции соединяются индивидуальными каналами с коммутаторами нижнего уровня, которые, в свою очередь, соединяются с коммутаторами более высоких уровней. Коммутаторы ATM пользуются 20-байтными адресами конечных узлов для маршрутизации трафика на основе техники виртуальных каналов. Коммутация пакетов происходит на основе идентификатора виртуального канала, который назначается соединению при его установлении и уничтожается при разрыве соединения. Адрес конечного узла ATM, на основе которого прокладывается виртуальный канал, имеет иерархическую структуру, подобную номеру в телефонной сети, и использует префиксы, соответствующие кодам стран, городов, сетям поставщиков услуг и т. п., что упрощает маршрутизацию запросов на соединения.

Трафик вычислительных сетей имеет ярко выраженный асинхронный и пульсирующий характер. Компьютер посылает пакет в сеть в случайные моменты времени, по мере возникновения в этом необходимости. При этом интенсивность посылки пакетов в сеть и их размер могут меняться в широких пределах — например, коэффициент пульсаций трафика (отношение максимальной мгновенной интенсивности трафика к его средней интенсивности) протоколов без установления соединений может доходить до 200, а протоколов с установлением соединений — до 20. Чувствительность компьютерного трафика к потерям данных высокая, так как без утраченных данных обойтись нельзя и их необходимо восстановить путем повторной передачи.

Рис. 2. Два типа трафика: а — компьютерный; б — мультимедийный

Мультимедийный трафик, передающий, например, голос или изображение, характеризуется низким коэффициентом пульсаций, высокой чувствительностью к задержкам передачи данных (отражающихся на качестве воспроизводимого непрерывного сигнала) и низкой чувствительностью к потерям данных (из-за инерционности физических процессов потерю отдельных замеров голоса или кадров изображения можно компенсировать сглаживанием на основе предыдущих и последующих значений). Сложность совмещения компьютерного и мультимедийного трафиков видна из рис. 2.

На возможности совмещения этих двух видов трафика большое влияние оказывает размер компьютерных пакетов.

Если размер пакета может меняться в широком диапазоне (например, от 29 до 4500 байт, как в технологии FDDI), то даже при придании голосовым пакетам высшего приоритета обслуживания в коммутаторах время ожидания компьютерного пакета может оказаться недопустимо высоким. Например, пакет в 4500 байт будет передаваться в выходной порт на скорости 2 Мбит/с (максимальная скорость работы порта коммутатора frame relay) 18мс. При совмещении трафика за это время необходимо через этот же порт передать 144 замера голоса. Прерывать передачу пакета в сетях нежелательно, так как при распределенном характере сети накладные расходы на оповещение соседнего коммутатора о прерывании пакета, а потом — о возобновлении передачи пакета с прерванного места оказываются слишком большими.

Подход, реализованный в технологии ATM, состоит в передаче любого вида трафика — компьютерного, телефонного или видео — пакетами фиксированной и очень маленькой длины — 53 байта. Пакеты ATM называют ячейками (cell). Поле данных ячейки занимает 48 байт, а заголовок 5 байт. Чтобы пакеты содержали адрес узла назначения и в то же время процент служебной информации не превышал размер поля данных пакета, в технологии ATM применен стандартный для глобальных вычислительных сетей прием — передача ячеек в соответствии с техникой виртуальных каналов с длиной номера виртуального канала размером в 24 бит, что вполне достаточно для обслуживания большого числа виртуальных соединений каждым портом коммутатора глобальной (может быть, всемирной) сети ATM. Размер ячейки ATM является результатом компромисса между телефонистами и компьютерщиками — первые настаивают на размере поля данных в 32 байта, а вторые — в 64 байта. Чем меньше пакет, тем легче имитировать услуг и кпнплов с постоянной битовой скоростью, которая характерна для гелсфонных сетей. Ясно, что при отказе от жестко синхронизированных временных слотов для каждого канала идеальной синхронности добиться будет невозможно, однако чем меньше размер пакета, тем легче этого достичь. Для пакета, состоящего из 53 байт, при скорости в 155 Мбит/с время передачи кадра на выходной порт составляет менее 3 мкс. Так что эта задержка не очень существенна для трафика, пакеты которого должны передаваться каждые 125 мкс. Однако на выбор размера ячейки большее влияние оказала не величина ожидания передачи ячейки, а задержка пакетизации. Задержка пакетизации — это время, в течение которого первый замер голоса ждет момента окончательного формирования пакета и отправки его по сети. При размере поля данных в 48 байт одна ячейка ATM обычно переносит 48 замеров голоса, которые делаются с интервалом в 125 мс. Поэтому первый замер голоса должен ждать примерно 6 мкс, прежде чем ячейка будет отправлена по сети. Именно по этой причине телефонисты боролись за уменьшение размера ячейки, так как 6 мкс — это задержка, близкая к пределу, за которым начинаются нарушения качества передачи голоса. При выборе размера ячейки 32 байта задержка пакетизации составила бы 4 мс, что гарантировало бы более качественную передачу голоса. А стремление компьютерных специалистов увеличить поле данных до 64 байт вполне понятно — при этом повышается полезная скорость передачи данных. Избыточность служебных данных при использовании 48-байтного поля данных составляет 10%, а при использовании 32-байтного поля данных она сразу повышается до 16%.

Выбор для передачи данных любого типа небольшой ячейки фиксированного размера еще не решает задачу совмещения разнородного трафика в одной сети, а только создает предпосылки для ее решения. Для полного решения этой задачи технология ATM привлекает и развивает идеи заказа пропускной способности и качества обслуживания, реализованные в технологии frame relay. Но если сеть frame relay изначально была предназначена для передачи только пульсирующего компьютерного трафика (в связи с этим для сетей frame relay так трудно дается стандартизация передачи голоса), то разработчики технологии ATM проанализировали всевозможные образцы трафика, создаваемые различными приложениями, и выделили четыре основных класса трафика, для которых разработали различные механизмы резервирования и поддержания требуемого качества обслуживания. Класс трафика (называемый также классом услуг — service class) качественно характеризует требуемые услуги по передаче данных через сеть ATM. Если приложение указывает сети, что требуется, например, передача голосового трафика, то из этого становится ясно, что особенно важными для пользователя будут такие показатели качества обслуживания, как задержки и вариации задержек ячеек, существенно влияющие на качество переданной информации — голоса или изображения, а потеря отдельной ячейки с несколькими замерами не так уж важна, так как, например, воспроизводящее голосовое устройство может аппроксимировать недостающие замеры и качество пострадает не слишком.

Требования к синхронности передаваемых данных очень важны для многих приложений — не только голоса, но и видеоизображения, и наличие этих требований стало первым критерием для деления трафика на классы.

Другим важным параметром трафика, существенно влияющим на способ его передачи через сеть, является величина пульсаций. Разработчики технологий ATM решили выделить два различных типа трафика в отношении этого параметра — трафик с постоянной битовой скоростью (Constant Bit Rate, CBR) и трафик с переменной битовой скоростью (Variable Bit Rate, VBR).

К разным классам были отнесены трафики, порождаемые приложениями, использующими для обмена сообщениями протоколы с установлением соединения и без установления соединения. В результате было определено четыре класса трафика, отличающихся следующими качественными характеристиками:
• наличием или отсутствием пульсации трафика, т. е. трафики CBR или VBR;
• требованием к синхронизации данных между передающей и принимающей станциями;
• типом протокола, передающего свои данные через сеть ATM, — с установлением соединения или без установления соединения (только для случая передачи компьютерных данных).

Основные характеристики классов трафика ATM приведены ниже.
Класс А:
• постоянная битовая скорость — CBR;
• требуется временное соотношение между передаваемыми и принимаемыми данными;
• с установлением соединения.
Примеры: голосовой трафик, трафик телевизионного изображения.
Класс В:
• переменная битовая скорость — VBR;
• требуется временное соотношение между передаваемыми и принимаемыми данными;
• с установлением соединения.
Примеры: компрессированный голос, компрессированное изображение.
Класс С:
• переменная битовая скорость — VBR;
• не требуется временное соотношение между передаваемыми и
принимаемыми данными;
• с установлением соединения.
Примеры: трафик компьютерных сетей, в которых конечные узлы работают по протоколам с установлением соединения: frame relay,
Х.25, TCP. Класс D:
• переменная битовая скорость — VBR;
• не требуется временное соотношение между передаваемыми и
принимаемыми данными;
• без установления соединения.
Примеры: трафик компьютерных сетей, в которых узлы работают по протоколам без установления соединений.