Между ADSL и PPP находятся ATM и AAL5. Это новые протоколы, с которыми мы ранее не встречались. Протокол асинхронной передачи данных ATM (Asynchronous Transfer Mode) был разработан в начале 1990-х годов и широко рекламировался при первом запуске. Была обещана сетевая технология, которая решит все мировые телекоммуникационные проблемы, объединив голос, текстовые данные, кабельное телевидение, телеграф, почтовых голубей, связанные нитью консервные банки и все остальные способы передачи информации в единую интегрированную систему, способную удовлетворить любые требования пользователей. К сожалению, ожидания не оправдались. В целом ATM столкнулся с теми же проблемами, о которых мы упомянули в разговоре о протоколах OSI: неудачное время, плохая архитектура и реализация, а также политические нюансы. Тем не менее ATM все же добился большего успеха, чем OSI. И хотя он не покорил весь мир, его активно применяют в некоторых линиях широкополосного доступа, таких как DSL, и особенно в WAN-каналах телефонных сетей.
ATM представляет собой канальный уровень, основанный на пересылке ячеек (cells) информации фиксированной длины. «Асинхронная передача» означает, что нет необходимости отправлять ячейки постоянно, как это происходит с битами в синхронных линиях типа SONET. Ячейки пересылаются только тогда, когда имеется готовая к передаче информация. ATM — это технология, ориентированная на установление соединения. В заголовок каждой ячейки встраивается идентификатор виртуального контура (virtual circuit), и устройства используют этот идентификатор для пересылки ячеек по маршрутам внутри установленных соединений.
Длина каждой ячейки составляет 53 байта: 48 байт пользовательских данных плюс 5 байт заголовка. Используя ячейки небольшого размера, ATM гибко разделяет полосу пропускания физического канала между разными пользователями. Это полезно, например, при одновременной передаче голоса и данных по одному каналу. При пересылке фрагментов голосовой информации не возникнет длинных задержек благодаря отсутствию больших пакетов данных. Нестандартный выбор длины ячейки (сравните с более распространенным значением — степенью двойки) отражает важность политической составляющей разработки протокола. 48 байт под полезную информацию — это компромисс между 32-байтными ячейками, которые хотела использовать Европа, и 64-байтными, за которые голосовали США. Краткое описание протокола представили Сиу и Джейн (Siu and Jain, 1995).
Для пересылки данных по сети ATM необходимо преобразовать их в последовательность ячеек. Преобразование выполняется на уровне адаптации протокола ATM путем сегментации и обратной сборки. Для разных служб, пересылающих различную информацию (от периодических голосовых сэмплов до пакетных данных), были определены несколько уровней адаптации. Основной, используемый для пакетных данных — это уровень адаптации ATM 5 (ATM Adaptation Layer 5, AAL5).
Фрейм AAL5 показан на илл. 3.27. Роль заголовка в нем исполняет трейлер (AAL5 trailer), содержащий сведения о длине (Length), а также 4-байтный код CRC для обнаружения ошибок. Разумеется, это тот же самый CRC, используемый протоколом PPP и сетями стандарта IEEE 802, такими как Ethernet. Ван и Кроукрофт (Wang and Crowcroft, 1992) продемонстрировали, что это достаточно сильная конфигурация для обнаружения нетрадиционных ошибок, например сбоя в порядке следования ячеек. Помимо пользовательских данных (AAL5 payload), во фрейме AAL5 есть биты заполнения (Pad). Они дополняют общую длину, чтобы она была кратной 48 байтам. Таким образом, фрейм можно поделить на целое число ячеек. Хранить адреса внутри фрейма не нужно, так как идентификатор виртуального контура, имеющийся в каждой ячейке, не даст ей заблудиться и приведет к нужному получателю.
Илл. 3.27. Фрейм AAL5, содержащий данные PPP
Итак, мы познакомились с протоколом ATM. Осталось только обсудить, как его задействует протокол PPP при ADSL-подключении. Это делается с помощью еще одного стандарта, который так и называется — PPP с использованием ATM (PPP over ATM, PPPoA). В действительности данный стандарт нельзя назвать протоколом (поэтому на илл. 3.26 его нет). Скорее это спецификация, описывающая, как одновременно применять протокол PPP и фреймы AAL5. Она описана в стандарте RFC 2364 (см. Гросс и др.; Gross et al., 1998).
Пользовательские данные AAL5 содержат только два поля PPP: Protocol и Payload, как показано на илл. 3.27. Поле Protocol сообщает устройству DSLAM на другом конце линии, чем являются эти пользовательские данные: пакетом IP, LCP или другого протокола. Принимающая сторона знает, что ячейки содержат информацию PPP, так как виртуальный контур ATM настраивается соответствующим образом.
Для фрейма AAL5 механизмы формирования фрейма PPP не требуются, всю работу выполняют ATM и AAL5. Дополнительно создавать фреймы было бы попросту бессмысленно. Код CRC протокола PPP также не нужен, поскольку AAL5 включает такой же CRC. Механизм выявления ошибок дополняет кодирование физического уровня, применяемое в каналах ADSL (код Рида — Соломона для исправления ошибок и 1-байтный CRC для распознавания оставшихся отклонений, не выявленных другими способами). Это куда более сложный механизм устранения ошибок, чем тот, что применяется при пересылке данных в сетях SONET. Причина проста — линии ADSL гораздо зашумленнее.
3.5.3. DOCSIS
Согласно общепринятому определению, стандарт передачи данных по сетям кабельного телевидения по коаксиальному кабелю (Data Over Cable Service Interface Specification, DOCSIS) подразумевает наличие двух компонентов — физического уровня (PHY) в том виде, как он был описан в предыдущей главе27, и уровня управления доступом к среде (Media Access Control, MAC), представленный в главе 4. DOCSIS находится выше физического уровня и берет на себя решение таких задач сетевого уровня, как распределение пропускной способности для восходящего и нисходящего потока (управление потоком), формирование фреймов и исправление ошибок (конечно, иногда это происходит на физическом уровне). Все эти концепции уже были рассмотрены ранее в данной главе. Далее мы узнаем, как эти задачи решаются в протоколе DOCSIS.
Фрейм DOCSIS содержит разнообразную информацию, включая показатели качества обслуживания и служебные данные о фрагментации или конкатенации фреймов. Однонаправленная последовательность фреймов называется служебным потоком (service flow). Основные служебные потоки передают управляющие сообщения от головной станции кабельных модемов (Cable Modem Termination System, CMTS), расположенной в офисе оператора кабельной сети, к каждому модему. Служебный поток снабжается уникальным идентификатором и часто ассоциируется с одним из следующих классов обслуживания: «наилучший из возможных», «опрос» (при котором кабельный модем явным образом запрашивает полосу пропускания) и «предоставление сервиса» (модем передает пакеты данных с гарантированным сроком их получения). Основным является служебный поток по умолчанию, в котором передаются все фреймы, которые не были отнесены к какому-либо другому сервису. Во многих конфигурациях широкополосного доступа используются только исходящий и входящий служебные потоки по умолчанию — между кабельным модемом и головной станцией, в которых передается весь пользовательский трафик и все управляющие сообщения. Сети DOCSIS были изначально разработаны с расчетом на то, что данные будут в основном передаваться во входящем направлении. Характер трафика некоторых современных приложений, например приложений для видеоконференций, уже не укладывается в эту схему; в то же время новейшие облачные игровые сервисы (такие, как Stadia, GeForce Now, xCloud) могут использовать входящий трафик в еще больших масштабах, обеспечивая непрерывную потоковую передачу данных со скоростью до 30–35 Мбит/с.
После включения кабельного модема он устанавливает соединение с головной станцией, которая, как правило, позволяет ему подключиться к остальной части сети. Зарегистрировавшись на головной станции, он получает от нее исходящие и входящие каналы связи, а также ключи шифрования. Несущие частоты исходящей и входящей передачи предоставляют два общих канала для всех кабельных модемов. В случае входящей передачи все модемы, подключенные к станции, получают все передаваемые пакеты. При исходящей передаче данные передаются множеством модемов, и станция является единственным получателем данных. Между головной станцией и каждым кабельным модемом может быть несколько физических путей.