ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑΣ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΔΗΜΟΣΘΕΝΟΥΣ ΓΕΩΡΓΙΟΣ. Επόπτης Καθηγητής: Κούκος Παντελής

Transcript

1 Υποστήριξη Εφαρμογών Διαδικτύου ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑΣ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΔΗΜΟΣΘΕΝΟΥΣ ΓΕΩΡΓΙΟΣ Επόπτης Καθηγητής: Κούκος Παντελής 1

2 Πίνακας περιεχομένων 1. Εισαγωγή Τεχνολογικό υπόβαθρο Υπάρχουσες τεχνολογίες Το πρωτόκολλο του διαδικτύου Ασύγχρονος τρόπος μεταφοράς (ΑΤΜ) Διαφοροποιημένες υπηρεσίες Ενοποιημένες υπηρεσίες IP over ATM Classical IP over ATM LAN Emulation (LANE) Σύγκριση Classical IP over ATM και LAN Emulation Multi Protocol over ATM (MPOA) IP Switching Tag switching, MPLS Σύγκριση τεχνολογιών ως προς την ποιότητα υπηρεσίας Εφαρμογές Εισαγωγή Εφαρμογές / υπηρεσίες μεταφοράς αρχείων Εφαρμογές / υπηρεσίες με απαιτήσεις σε εύρος ζώνης / καθυστέρηση.28 3 Τερματικό διαδικτύου Γενικές αρχές Εισαγωγή Αρχιτεκτονική τερματικού διαδικτύου Αρχιτεκτονική υλικού Αρχιτεκτονική λειτουργικού συστήματος Microsoft Windows DOS/Windows Windows 95/Windows NT UNIX Xρήση της στοίβας του πρωτοκόλλου IP UNIX Berkeley Sockets Microsoft Windows Winsock Winsock Χαμηλού επιπέδου πρόσβαση στη στοίβα πρωτοκόλλων Πρόσβαση στο υποεπίπεδο προσπέλασης μέσου Πρόσβαση στο επίπεδο δικτύου Τερματικό διαδίκτυο με ποιότητα υπηρεσίας Εισαγωγή Αλγόριθμος εξομάλυνσης κίνησης Απαιτούμενες αλλαγές στα λειτουργικά συστήματα Microsoft Windows NDIS Subclassing Εναλλακτική πρόσβαση στη στοίβα πρωτοκόλλων Ενίσχυση πρωτοκόλλων IP over ATM με ποιότητα υπηρεσίας ανά ροή UNIX Αλλαγές στο επίπεδο εφαρμογών.64 2

3 4.5 Τερματικά διαφοροποιημένων υπηρεσιών Κατηγοριοποίηση πακέτων στο τερματικό 66 5 Ενισχύοντας το Διαδίκτυο με ποιότητα υπηρεσίας Δρομολογητές και ποιότητα υπηρεσίας Πρωτόκολλο δέσμευσης ενοποιημένων υπηρεσιών Δρομολογητές διαφοροποιημένων υπηρεσιών Βελτίωση διαφοροποιημένων υπηρεσιών Ενοποιημένες και διαφοροποιημένες υπηρεσίες μέσω ΑΤΜ Αρχιτεκτονική δικτύου Πρωτόκολλο σηματοδοσίας.78 6 Συσκευή απόληξης Διαδικτύου ΑΤΜ Αρχιτεκτονική συσκευής απόληξης Επικοινωνία μονάδων Αντικειμενοστραφής σχεδίαση μονάδων συσκευής απόληξης σε UML CORBA interfaces σε διαγράμματα κλάσεων Μονάδα διαχείρισης εύρους ζώνης Γενικές Κλάσεις Logical Interfaces και διαφοροποιημένες υπηρεσίες Logical Interfaces και ενοποιημένες υπηρεσίες Logical Interfaces και ΑΤΜ Διαγράμματα ακολουθιών.97 7 Μελλοντική πορεία Επίλογος Παραρτήματα Εφαρμογές IP over ATM Edge Device Ανάπτυξη υβριδικών οδηγών συσκευής ΑΤΜ Περιβάλλον ανάπτυξης

4 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η εποχή μας είναι εποχή σημαντικών αλλαγών και ανακαλύψεων σε πολλούς από τους τομείς της ανθρώπινης δραστηριότητας, Ειδικά στον τομέα των τηλεπικοινωνι- ών και των δικτύων υπολογιστών έχουν συντελεστεί μεγάλα άλματα που άλλαξαν ριζικά την ζωή μας. Έννοιες όπως το Διαδίκτυο και το ηλεκτρονικό ταχυδρομείο έχουν γίνει κομμάτι της καθημερινής ζωής των ανθρώπων, ακόμα και αυτών που το επάγγελμα τους δεν έχει άμεση σχέση με υπολογιστές ή τηλεπικοινωνίες. Οι υπηρεσίες που παρέχουν οι νέες αυτές τεχνολογίες άνοιξαν νέους ορίζοντες στα παλιά επαγγέλματα και δημιούργησαν πολλά καινούργια. Επιπρόσθετα, παρατηρείται το φαινόμενο της δημιουργίας νέων κλάδων απασχόλησης με κάθε νέα ανακάλυψη. Γίνεται έτσι ιδιαίτερα ενδιαφέρον θέμα η εξέλιξη της τεχνολογίας σε ότι αφορά τα δίκτυα και τις τηλεπικοινωνίες. Μία από τις σημαντικότερες ερευνητικές προσπάθειες που συντελείται στον τομέα των δικτύων υπολογιστών αφορά το πώς θα παρέχονται στον απλό χρήστη υπηρεσίες που απαιτούν εγγυημένο εύρος ζώνης από το Διαδίκτυο. Οι τρέχουσες τεχνολογίες που χρησιμοποιούνται για την επικοινωνία των υπολογιστών στο Διαδίκτυο παρέχουν την δυνατότητα της μεταφοράς δεδομένων από έναν υπολογιστή σε κάποιον άλλο. Η μεταφορά αυτή όμως δεν έχει καμία εγγύηση ποιότητας. Τα δεδομένα θα μεταφερθούν μέσω δρομολογητών, και αν κάποια από αυτά χαθούν οι στοίβες πρωτοκόλλων που τρέχουν στα τερματικά θα τα επαναμεταδώσουν. Ο τελικός χρήστης δεν μπορεί να ζητήσει κανένα είδος εγγύησης που να αφορά τα χαρακτηριστικά του τηλεπικοινωνιακού διαύλου ανάμεσα στον υπολογιστή του και στον υπολογιστή με τον οποίο συνδέεται. Για υπηρεσίες όπως το ηλεκτρονικό ταχυδρομείο και η μεταφορά αρχείων, η παρούσα κατάσταση είναι αποδεκτή. Νέες όμως υπηρεσίες, όπως η τηλεμετάδοση ταινιών σε πραγματικό χρόνο (Video on Demand), η τηλεσυνδιάσκεψη (Video conferencing) και το τηλέφωνο Διαδικτύου (Voice over IP), συναντούν σημαντικό προβλήματα στην υλοποίησή τους μέσα στο Διαδίκτυο. Γενικεύοντας, υπηρεσία που απαιτεί εγγυημένο εύρος ζώνης ή / και εγγυημένη μέγιστη καθυστέρηση από το δίκτυο, είναι αδύνατον να υλοποιηθεί με τις υπάρχουσες τεχνολογίες πρωτοκόλλων / δρομολογητών. Η πτυχιακή εργασία αντιμετωπίζει αυτό ακριβώς το πρόβλημα. Εστιάζει αρχικά στις υπάρχουσες προτάσεις, ερευνώντας τα θετικά και τα αρνητικά στοιχεία τους. Στη συνέχεια επικεντρώνεται πάνω στις κυριότερες από αυτές, και μελετά τη δυνατότητα υλοποίησης τους στα τερματικά και τους δρομολογητές. Προτείνει τελικά μια συγκεκριμένη λύση που συνδυάζει τα πλεονεκτήματα των προηγούμενων προτάσεων, και αντιμετωπίζει τα προβλήματα που προκύπτουν κατά την υλοποίηση της. Η πτυχιακή εργασία είναι δομημένη σε κεφαλαία, ως εξής: Το 2 ο κεφάλαιο ξεκινά με μια σύντομη παρουσίαση των τεχνολογιών και των πρωτοκόλλων που εφαρμόζονται σήμερα για τη δημιουργία δικτύων υπολογιστών υψηλών ταχυτήτων. Πρώτο παρουσιάζεται το ευρέως διαδεδομένο πλέον IP (Internet Protocol), που αποτελεί την βάση του σημερινού Διαδικτύου. Κατόπιν παρουσιάζονται τεχνολογίες που παρέχουν ποιότητα υπηρεσίας, όπως το ΑΤΜ, οι ενοποιημένες και οι διαφοροποιημένες υπηρεσίες. Εν συνεχεία αναπτύσσονται τα πρωτόκολλα που μεταφέρουν κίνηση του ΙΡ πάνω από δίκτυα ΑΤΜ. Η μικρή αυτή παρουσίαση ολοκληρώνεται με τεχνικές γρήγορης δρομολόγησης, κάποιες από τις οποίες χρησιμοποιούν ειδικά διαμορφωμένους μεταγωγείς ΑΤΜ. Το 2 ο κεφάλαιο κλείνει με την παρουσίαση των νέων εφαρμογών που απαιτούν εγγυήσεις ποιότητας από το δίκτυο. 1

5 Στο 3 ο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι λεπτομέρειες του υλικού και του λογισμικού ενός τερματικού Διαδικτύου. Αρχικά αναπτύσσονται οι διαφορετικοί τρόποι υλοποίησης των καρτών πρόσβασης. Ακολουθεί η ιστορική αναδρομή της εισαγωγής των πρωτοκόλλων Διαδικτύου στα λειτουργικά συστήματα των υπολογιστών, με έμφαση στο UNIX και στα προϊόντα της εταιρίας Microsoft. Η περιγραφή αυτή είναι απαραίτητη, γιατί στο επόμενο κεφάλαιο οι παραδοσιακές στοίβες πρωτοκόλλων ενισχύονται με στοιχεία ποιότητας υπηρεσίας. Τέλος, παρουσιάζονται μέθοδοι χρήσης της στοίβας πρωτοκόλλων και πρόσβασης σε ειδικά της σημεία, ώστε να είναι δυνατή η υλοποίηση των τεχνολογιών που περιγράφθηκαν στο 2 ο κεφάλαιο. Το επόμενο κεφάλαιο αφορά την εισαγωγή της ποιότητας υπηρεσίας στα τερματικά. Ειδικότερα, εξετάζονται μέθοδοι υλοποίησης μηχανισμών χρονισμού και αστυνόμευσης ροών σε υλικό και λογισμικό. Οι μέθοδοι που θα επιλεχθούν για την υλοποίηση των παραπάνω μηχανισμών επηρεάζουν σημαντικά την αρχιτεκτονική του λειτουργικού συστήματος. Οι προκαλούμενες αλλαγές μελετώνται τόσο σε ότι αφορά το ίδιο το λειτουργικό σύστημα, όσο και το επίπεδο εφαρμογών. Τέλος, ειδικά για τις διαφοροποιημένες υπηρεσίες, εξετάζονται οι αλγόριθμοι που χρησιμοποιούνται για την κατηγοριοποίηση των πακέτων πριν αυτά εισαχθούν στο δίκτυο (host marking). Έχοντας ολοκληρώσει το θέμα των τερματικών, στο 5 ο κεφάλαιο η πτυχιακή ξεκινά την μελέτη του δικτύου πυρήνα. Συγκεκριμένα, παρουσιάζονται τα προβλήματα που εμφανίζονται κατά την εισαγωγή της ποιότητας υπηρεσίας στα δίκτυα ΙΡ, και αναπτύσσονται λύσεις για δίκτυα ενοποιημένων και διαφοροποιημένων υπηρεσιών. Το κεφάλαιο κλείνει με μια πρόταση ενοποίησης των δυο ειδών δικτύων η οποία συνδυάζει τα πλεονεκτήματα αυτών των δυο τεχνολογιών, ενώ παράλληλα προσφέρει υψηλή επεκτασιμότητα και άμεσο έλεγχο των παραμέτρων της ποιότητας υπηρεσίας από τον τελικό χρήστη. Η πρόταση αυτή ενισχύεται στο 6 ο κεφάλαιο, με στοιχεία από τις αρχιτεκτονικές ΑΤΜ. Έτσι παρουσιάζεται ένα είδος συνοριακού δρομολογητή, η συσκευή απόληξης. Η σχεδίαση και υλοποίηση της συσκευής αυτής μονοπωλεί το υπόλοιπο του κεφαλαίου, με έμφαση στην χρήση αντικειμενοστραφών τεχνικών σχεδίασης. Τα αποτελέσματα δίνονται σε μορφή διαγραμμάτων κλάσεων και ακολουθιών, σημειολογίας UML. Η πτυχιακή ολοκληρώνεται με δυο ακόμα κεφάλαια. Το προτελευταίο ασχολείται με το δύσκολο θέμα της μελλοντικής πορείας της έρευνας σε ότι αφορά την ποιότητα υπηρεσίας στο Διαδίκτυο. Τέλος, το 8 ο κεφάλαιο παρουσιάζει την πρακτική εφαρμογή των τεχνικών που αναπτύχθηκαν στα προηγούμενα κεφάλαια και που χρησιμοποιήθηκαν στα πλαίσια ερευνητικών Ευρωπαϊκών προγραμμάτων. Επιπλέον, στο ίδιο κεφάλαιο παρουσιάζεται η μεθοδολογία και τα εργαλεία ανάπτυξης των ειδικών οδηγών συσκευής που περιγράφθηκαν στο 3 ο και το 4 ο κεφάλαιο. 2

6 2. Τεχνολογικό υπόβαθρο 2.1 Υπάρχουσες τεχνολογίες Το πρωτόκολλο του διαδικτύου Το βασικό πρωτόκολλο επικοινωνίας υπολογιστών στο διαδίκτυο είναι το διάσημο πλέον IP. Πιο συγκεκριμένα, η έκδοση που χρησιμοποιείται σήμερα από τα τερματικά και τους δρομολογητές (routers) είναι η έκδοση 4 του δημοφιλούς πρωτοκόλλου. Πρέπει να ξεκαθαρίσουμε ότι το διαδίκτυο και ΙΡ είναι πλέον άρρηκτα συνδεδεμένα: δεν νοείται προσπάθεια να ξαναφτιαχτεί από την αρχή ένα νέο διαδίκτυο βασισμένο σε κάποιο άλλο πρωτόκολλο. Στην προσπάθεια μας να δώσουμε ποιότητα υπηρεσίας στο διαδίκτυο, στην ουσία θα προσπαθήσουμε να ενισχύσουμε το ΙΡ. Κανείς δεν μπορεί σήμερα να αμφισβητήσει την ευρεία αποδοχή του Internet Protocol. Ο ερευνητής που προσπαθεί να ενισχύσει το πρωτόκολλο πρέπει επομένως να μελετήσει προσεκτικά τον τρόπο λειτουργίας του, διατηρώντας τα πλεονεκτήματα του ΙΡ στις οποίες προτεινόμενες αλλαγές. Σε αντίθεση περίπτωση, το νέο πρωτόκολλο δεν θα έχει καμιά πιθανότητα αποδοχής. Το ΙΡ είναι ένα πρωτόκολλο χωρίς σύνδεση. Βασίζεται στην ιδέα των αυτοδύναμων πακέτων δεδομένων, που μεταβιβάζονται από κόμβο. Σε κάθε τέτοιο άλμα, ο δρομολογητής ελέγχει την τελική διεύθυνση προορισμού- που αναγράφεται στην επικεφαλίδα του πακέτου και χρησιμοποιώντας πληροφορία δρομολόγησης το στέλνει προς την κατάλληλη κατεύθυνση. Η ίδια η αποστολή, είναι μια αναξιόπιστη υπηρεσία: η αξιοπιστία της μεταφοράς υλοποιείται, αν χρειάζεται, στο επίπεδο μεταφοράς δεδομένων (TCP), που είναι ψηλότερα από το ΙΡ στη στοίβα πρωτοκόλλων. Πρέπει να τονίσουμε ιδιαίτερα την αυτοδυναμία των πακέτων: η επικεφαλίδα του κάθε πακέτου έχει όλη την πληροφορία που χρειάζονται οι ενδιάμεσοι κόμβοι για την διαχείρισή του. Έτσι από την στιγμή που το πακέτο φτάσει σε κάποιον δρομολογητή, ο κόμβος αυτός έχει ότι χρειάζεται για να συνεχίσει την αποστολή του. Τα περιεχόμενα της επικεφαλίδας του πακέτου έχουν επομένως ιδιαίτερη σημασία για όποιον θέλει να αλλάξει το ΙΡ. Τα πιο σημαντικά από αυτά φαίνονται στον παρακάτω πίνακα. Πίνακας 2-1: Πεδία επικεφαλίδας πακέτων ΙΡ Έκδοση Έκδοση πρωτοκόλλου στην οποία ανήκει το εν λόγω πακέτο Τύπος υπηρεσίας Είδος υπηρεσίας που επιθυμεί ο κόμβος που στέλνει το πακέτο Μήκος πακέτου Μέγεθος επικεφαλίδας και δεδομένων (μέγιστο: 64Κ) Πρωτόκολλο Διεργασία επιπέδου μεταφοράς που ανήκει το πακέτο (TCP,κλπ) Διεύθυνση πηγής Διεύθυνση προορισμού 4 bytes 4 bytes Έχοντας πρόσβαση στα πεδία της επικεφαλίδας των πακέτων, οι δρομολογητές του διαδικτύου εκτελούν έναν αλγόριθμο σαν και αυτόν του σχήματος: 3

7 Σχήμα 1: Αλγόριθμος απλού δρομολογητή IP Όπως φαίνεται από το σχήμα, η βασική εργασία που επιτελεί το ΙΡ είναι η δρομολόγηση των πακέτων. Οι δρομολογητές του διαδικτύου εκτελούν συνεχώς τον αλγόριθμο του σχήματος: Κοιτάζοντας τα πεδία της επικεφαλίδας του πακέτου και τους πίνακες δρομολόγησης, αποφασίζουν το επόμενο βήμα που πρέπει να κάνει το πακέτο ώστε να φτάσει στον προορισμό του. Μόλις παρθεί αυτή η απόφαση, το πακέτο βγαίνει από την ουρά αφιχθέντων πακέτων και στέλνεται προς το επόμενο κόμβο. Η ενίσχυση του ΙΡ ώστε να μπορεί να παρέχει υπηρεσίας, επηρεάζει προφανώς την ακολουθία εντολών που εκτελεί ένας δρομολογητής. Έκτός από το να προωθεί τα πακέτα προς τον κατάλληλο επόμενο προορισμό, πρέπει να τηρεί κάποια προτεραιότητα σε αυτή την διεργασία, ώστε πακέτα με ανάγκες υψηλού εύρους ζώνης ή/ και χαμηλής καθυστέρησης να εξυπηρετούνται πριν από τα πακέτα απλών υπηρεσιών ( πχ ηλεκτρονικού ταχυδρομείου). Για να το κάνει αυτό όμως, χρειάζεται έναν τρόπο για να ξεχωρίζει τα πακέτα του ενός είδους από τα άλλα. Θα μιλήσουμε λεπτομερέστερα για αυτούς τους τρόπους στο κεφάλαιο που ακολουθεί. Πρέπει όμως να τονίσουμε εδώ ότι ένας από τους λόγους που το ΙΡ κυριάρχησε σαν πρωτόκολλο στα δίκτυα υπολογιστών είναι και η απλότητα των εργασιών που χρειάζεται να εκτελεί ένας ΙΡ router. Η δυνατότητα επέκτασης (scalability) των δικτύων ΙΡ βασίζεται ακριβώς σε αυτό το χαρακτηριστικό: η εργασία που πρέπει να επιτελεί ένας 4

8 ΙΡ router είναι απλή, και ανεξάρτητη από το πλήθος των ροών στις οποίες συμμετέχουν τα πακέτα που δρομολογεί Ασύγχρονος τρόπος μεταφοράς (ΑΤΜ) Τα δίκτυα ΙΡ, παρά την ευρεία διάδοση που γνωρίζουν, δεν είναι σε θέση στην παρούσα κατάσταση τους να δώσουν ποιότητα υπηρεσίας στις ροές που εξυπηρετούν. Το BISDN (Broadband Integrated Services Digital Network), το δίκτυο δηλαδή που σχεδιάστηκε για να μπορεί να υποστηρίξει μεταφορά πληροφορίας όλων των ειδών, δεν θα μπορούσε να βασιστεί στο ΙΡ. Μεταφορά δεδομένων όπως η φωνή και η ψηφιακή κινούμενη εικόνα απαιτούν δικτυακό υπόστρωμα με ικανότητες παροχής εγγυημένων χαρακτηριστικών διαύλου. Για το σκοπό αυτό, το B-ISDN χρησιμοποιεί μια καινούργια ευρείας αποδοχής τεχνολογία δικτύων που γνωρίζει μεγάλη ανάπτυξη, το ATM είναι μια μέθοδος μεταφοράς πληροφορίας που προσπαθεί να συνδυάσει τα πλεονεκτήματα της μεταγωγής πακέτου με αυτά της μεταγωγής κυκλώματος. Πριν δούμε πως ακριβώς γίνεται αυτό, είναι αναγκαία μια περιγραφή των δυο τρόπων μεταφοράς πληροφορίας. Η μεταγωγή κυκλώματος είναι η πρώτη μέθοδος μεταφοράς πληροφορίας που υποστήριξαν τα τηλεπικοινωνιακά δίκτυα. Για την επικοινωνία δυο τερματικών, έπρεπε να σχηματιστεί αγώγιμος δρόμος μεταξύ τους μέσω των ενδιάμεσων μεταγωγέων. Ουσιαστικά, κατά την εγκατάσταση του κυκλώματος οι μεταγωγείς έκλειναν τους απαραίτητους διακόπτες ώστε να ενωθούν τα κατάλληλα κομμάτια της διαδρομής. Από την στιγμή που το κύκλωμα αυτό σχηματιζόταν, τα δυο τερματικά μπορούσαν να επικοινωνήσουν χρησιμοποιώντας το εύρος ζώνης του αγώγιμου δρόμου. Ωστόσο, αν υπήρχαν περίοδοι σιωπής το εύρος ζώνης της σύνδεσης έμενε αχρησιμοποίητο, ακόμα και αν υπήρχαν άλλοι συνδρομητές του δικτύου που επιθυμούσαν να επικοινωνήσουν. Το αποτέλεσμα ήταν η προφανής σπατάλη των συνολικά διαθέσιμων πόρων του δικτύου. Σχήμα 2: Μεταγωγή κυκλώματος και μεταγωγή πακέτου 5

9 Για να αντιμετωπιστεί το πρόβλημα, εισήχθηκε στα δίκτυα η τεχνολογία μεταγωγής πακέτου. Η πληροφορία ενθυλακώνεται μέσα σε αυτοδύναμα πακέτα που περιέχουν πληροφορία δρομολόγησης. Τα πακέτα προωθούνται από μεταγωγέα σε μεταγωγέα μέχρι να φτάσουν στον τελικό τους προορισμό. Έτσι, οι μεταγωγείς που προηγουμένως σχημάτιζαν αγώγιμους δρόμους με μηχανικούς διακόπτες, στη μεταγωγή πακέτου απλά προωθούν τα πακέτα δεδομένων προς την κατάλληλη κατεύθυνση. Αν μεσολαβούν Ν μεταγωγείς μεταξύ των τερματικών, οι πρώτοι Ν-1 προωθούν τα πακέτα προς το κατάλληλο επόμενο μεταγωγέα, ενώ ο τελευταίος ολοκληρώνει την δρομολόγηση, στέλνοντας το πακέτο προς τον τερματικό σταθμό προορισμού. Η σύνδεση των τερματικών από την μια άκρη στην άλλη δεν είναι επομένως φυσική, αλλά λογική. Η αξιοποίηση του διαθέσιμου εύρους ζώνης αυξάνει κατακόρυφα με την μεταγωγή πακέτου: Όταν ένας τερματικός σταθμός δεν εκπέμπει, το δίκτυο μπορεί να χρησιμοποιήσει τους πόρους του για τους υπόλοιπους χρήστες. Τα δίκτυα ΑΤΜ είναι δίκτυα μεταγωγής πακέτου. Το βασικό χαρακτηριστικό τους είναι η χρήση ασύγχρονου τρόπου διαίρεσης χρόνου για την πολύπλεξη (multiplexing) της μεταφερόμενης πληροφορίας. Τα δεδομένα ενθυλακώνονται σε πακέτα σταθερού μεγέθους, τα ΑΤΜ cells. Όλα τα πακέτα έχουν μέγεθος 53 οκτάδων, από τις οποίες 48 μεταφέρουν πραγματική πληροφορία δεδομένων και 5 αποτελούν την επικεφαλίδα του πακέτου. Τα cells δρομολογούνται μέσω ειδικών μηχανών που ονομάζονται μεταγωγείς ΑΤΜ (ATM switches). Οι μεταγωγείς χρησιμοποιούν την πληροφορία που υπάρχει στην επικεφαλίδα των πακέτων ΑΤΜ για να αποφασίσουν την περαιτέρω πορεία τους. Πιο συγκεκριμένα, τα πεδία της επικεφαλίδας ΑΤΜ είναι τα ακόλουθα: Σχήμα 3: Επικεφαλίδα ATM Όνομα πεδίου GFC (Generic Flow Control) VPI, VCI (Virtual Path and channel Identifier) Λειτουργία Χρησιμοποιείται για την υλοποίηση ελέγχου συμφόρησης στο δίκτυο. Υπάρχει μόνο στα cells που μεταφέρουν πληροφορία από τους τερματικούς σταθμούς ΑΤΜ στους μεταγωγείς και αντιστρόφως. Απουσιάζει από τα cells που στέλνονται από μεταγωγέα σε μεταγωγέα Τα πεδία αυτά καθορίζουν την πληροφορία δρομολόγησης του πακέτου που χρησιμοποιεί ο μεταγωγέας για να προωθήσει το πακέτο προς την κατάλληλη πόρτα εξόδου 6

10 PT (Payload Type) CLP (Cell Loss Priority) HEC (Header Error Control) Το περιεχόμενο αυτού του πεδίου χρησιμοποιείται για να ξεχωρίζουν τα πακέτα με πληροφορία χρήστη από αυτά με πληροφορία που αφορά τις εσωτερικές διεργασίες του δικτύου Αν το πεδίο αυτό έχει την τιμή 1, ο μεταγωγέας απορρίπτει το cell σε περίπτωση συμφόρησης του δικτύου. Η τιμή τίθεται από το δίκτυο σε 1, όταν το τερματικό παραβιάζει το συμβόλαιο εύρους ζώνης που έχει ζητηθεί κατά την εγκατάσταση της σύνδεσης Το πεδίο αυτό χρησιμοποιείται για τον έλεγχο της ορθότητας της επικεφαλίδας. Ο έλεγχος γίνεται μέσω ειδικού αλγόριθμου CRC (Cyclic Redundancy Check) Οι μεταγωγείς αποφασίζουν για την πόρτα εξόδου ενός cell βασιζόμενοι στα περιεχόμενα των πεδίων VPI και VCI. Στέλνοντας το πακέτο στην πόρτα εξόδου, ταυτόχρονα αλλάζουν τα VPI και VCI της επικεφαλίδας του κατάλληλα, ώστε το πακέτο να φτάσει τελικά στον μεταγωγέα στον οποίο είναι συνδεδεμένος ο τερματικός σταθμός προορισμού. Για να μπορεί να γίνει αυτό, ο κάθε μεταγωγέας πρέπει προφανώς να διατηρεί πίνακες αντιστοιχιών, που ουσιαστικά καθορίζουν για κάθε ζευγάρι τιμών εισόδου VPI/VCI, την πόρτα εξόδου και τις καινούργιες τιμές VPI/VCI. Πως όμως ενημερώνονται αυτοί οι πίνακες ώστε τα πακέτα να φτάνουν τελικά στον προορισμό τους; Την απάντηση στο ερώτημα δίνει η διαδικασία της σηματοδοσίας (signaling, [1]), που προηγείται της εγκατάστασης κάθε ΑΤΜ σύνδεσης, και εκτός από τις υπόλοιπες ευθύνες της, ενημερώνει και τους πίνακες των ενδιάμεσων μεταγωγέων. Είναι αυτή ακριβώς η διαδικασία που καθιστά το ΑΤΜ απαγορευτικό για μεγάλο αριθμό τερματικών. Ο λόγος είναι η αύξηση του υπολογιστικού φόρτου για τις στοίβες σηματοδοσίας που τρέχουν στους μεταγωγείς καθώς αυξάνονται τα τερματικά με τα οποία είναι συνδεδεμένοι. Ειδικά οι μεταγωγείς κορμού, θα έπρεπε να είναι σε θέση να εξυπηρετούν αιτήσεις για εγκαταστάσεις συνδέσεων με εκθετικά αυξανόμενους ρυθμούς. Το ΑΤΜ αντιμετωπίζει δηλαδή προβλήματα επεκτασιμότητας (scalability). Είναι πλέον κοινά αποδεκτό ότι σαν τρόπος μεταφοράς της πληροφορίας, το ΑΤΜ έχει πολύ λίγες πιθανότητες να φτάσει σύντομα στο τερματικό του απλού χρήστη. Σε ότι αφορά τα πρωτόκολλα που θα τρέχουν τα τερματικά των χρηστών στο κοντινό μέλλον, φαίνεται ότι αναμφισβήτητος νικητής είναι το ΙΡ, στην τωρινή ή σε κάποια μελλοντική του έκδοση. Εκεί όμως που το ΑΤΜ είναι απαραίτητο είναι στα δίκτυα κορμού (backbone networks). Τα δίκτυα αυτά είναι που στην ουσία μαζεύουν και μεταφέρουν την πληροφορία των τοπικών υποδικτύων. Στην μορφή των καναλιών προ- εγκατεστημένων συνδέσεων (Permanent Virtual Channels), το ΑΤΜ ήδη μεταφέρει μεγάλο ποσοστό της κίνησης του διαδικτύου, ενθυλακωμένο βέβαια σε ΑΤΜ cells. 7

11 2.1.3 Διαφοροποιημένες υπηρεσίες Στην αναφορά μας στο πρωτόκολλο ΙΡ (2.1.1) είδαμε ότι για να ενισχυθεί ένας δρομολογητής διαδικτύου με στοιχεία ποιότητα υπηρεσίας, πρέπει να μπορεί να ξεχωρίζει τα πακέτα που δικαιούνται καλύτερων υπηρεσιών από τα υπόλοιπα. Εφόσον το κάθε πακέτο ΙΡ είναι αυτοδύναμο, πρέπει προφανώς αυτή η διαλογή να μπορεί να γίνει βασισμένη σε χαρακτηριστικά της επικεφαλίδας των πακέτων [2]. Μελετώντας την επικεφαλίδα του ΙΡ διακρίνουμε δυο πεδία που μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε αυτή τη διαλογή: Το πεδίο τύπου υπηρεσίας [3]. Εξετάζοντας το Σχήμα 1, διαπιστώνουμε ότι το πεδίο αυτό δεν χρησιμοποιείται από τους απλούς δρομολογητές ΙΡ. Τα πεδία διευθύνσεων και θυρών πηγής και προορισμού. Τα πεδία προορισμού χρησιμοποιούνται ήδη από τους routers για την διεκπεραίωση της δρομολόγησης των πακέτων Η αρχιτεκτονική διαφοροποιημένων υπηρεσιών (Differentiated Services) επέλεξε το πεδίο τύπου υπηρεσίας για να υλοποιήσει την διαλογή των πακέτων. Διαφορετικές τιμές αυτού του πεδίου σημαίνουν διαφορετική μεταχείριση του πακέτου από τους δρομολογητές, διαφορετική δηλαδή προτεραιότητα στην δρομολόγηση του. Στο αρχικό πρότυπο (standard) του ΙΡ, το πεδίο τύπου υπηρεσίας ορίστηκε για να επιτρέπει στον κόμβο πηγής να επιλέγει το είδος υπηρεσίας που επιθυμεί.. Συγκεκριμένες τιμές θα σήμαιναν διαφορετικές υπηρεσίες: μεταφορά αρχείων, ψηφιοποιημένη φωνή, τηλεσυνδιάσκεψη, κλπ. Το ΙΡ standard όμως δεν περιγράφει το πώς θα τίθεται αυτό το πεδίο, με αποτέλεσμα να μένει αχρησιμοποίητο από τις περισσότερες τρέχουσες υλοποιήσεις στοιβών πρωτοκόλλων. Το ποιος θα ορίζει την τιμή αυτού του πεδίου είναι πολύ σημαντικό πρόβλημα. Αν αφήσουμε τη στοίβα πρωτοκόλλων ή τις εφαρμογές του τερματικού να ορίζουν αυτή την τιμή, εμφανίζεται κίνδυνος παραποίησης. Ένας κακών προθέσεων χρήστης με σημαντικές γνώσεις πάνω στο λειτουργικό σύστημα του τερματικού θα μπορούσε να αλλάξει τη στοίβα πρωτοκόλλων ή τις εφαρμογές του μηχανήματος του, ώστε όλα τα πακέτα του τερματικού του να μαρκάρονται ως πακέτα υπηρεσίας υψηλής προτεραιότητας. Αυτό θα είχε ως αποτέλεσμα την άδικη προτεραιότητα των δικών του πακέτων μέσα στο δίκτυο. Από την άλλη μεριά, αν θελήσουμε το δίκτυο να μαρκάρει τα πακέτα των χρηστών, θα πρέπει το δίκτυο να έχει γνώση σηματοδοσίας: Θα πρέπει δηλαδή να ξέρει με κάποιο τρόπο ποια πακέτα να μαρκάρει με την υπηρεσία Χ και ποια με την υπηρεσία Υ. Ένα δεύτερο θέμα, είναι αυτό που αφορά την εξυπηρέτηση των πακέτων. Αν θέσουμε μια ιεραρχία στις τιμές του πεδίου υπηρεσίας [4], ορίζουμε μεν προτεραιότητες ανάμεσα σε διαφορετικές υπηρεσίες, αλλά πουθενά δεν υπάρχουν προτεραιότητες ανάμεσα σε διαφορετικές υπηρεσίες αλλά διαφορετικού εύρους ζώνης. Για παράδειγμα, πακέτα δεδομένων που ανήκουν σε ροή τηλεσυνδιάσκεψης των 64 Kbps έχουν την ίδια προτεραιότητα με πακέτα ροής τηλεσυνδιάσκεψης των 640 Κbps. Προφανώς οι δυο ροές έχουν διαφορετικό αντίκτυπο στους πόρους του δικτύου, πρέπει επομένως να έχουν και διαφορετική αντιμετώπιση- αν όχι δικτυακή, τουλάχιστον οικονομική. Η αρχιτεκτονική διαφοροποιημένων υπηρεσιών λύνει και τα δυο προβλήματα, μεταφέροντας στο δίκτυο την ευθύνη ανάθεσης τιμής στο πεδίο τύπου 8

12 υπηρεσία. Πριν από την αποστολή των πακέτων προηγείται κάποια μορφή σηματοδοσίας εκτός δικτύου- π.χ. μέσω τηλεφωνική συνομιλίας του χρήστη του τερματικού και του διαχειριστή του δικτύου- που σκοπό έχει να δώσει στο δίκτυο την πληροφορία της ταυτότητας των πακέτων: σε ποια υπηρεσία ανήκουν και ποιο είναι το συμβόλαιο εύρους ζώνης στο οποίο πρέπει να υπακούουν. Όταν ένα πακέτο μπαίνει στο δίκτυο, ο συνοριακός δρομολογητής (border router) αναλαμβάνει να θέσει την τιμή του πεδίου υπηρεσίας. Σχήμα 4: Λειτουργίες δρομολογητών διαφοροποιημένων υπηρεσιών Για να θέσει την τιμή αυτή ο συνοριακός δρομολογητής ελέγχει πρώτα το συμβόλαιο εύρους ζώνης στο οποίο πρέπει να υπακούουν τα πακέτα της συγκεκριμένης ροής (Policing, Marketing). Σύμφωνα με τις πληροφορίες που έχουν μεταδοθεί κατά την διάρκεια της σηματοδοσίας, ο δρομολογητής χρησιμοποιεί αλγόριθμους όπως το διαρρέον δοχείο (Leaky Bucket [5] για να διαπιστώσει αν το συγκεκριμένο πακέτο υπακούει ή όχι στις συμβάσεις του συμβολαίου του, μαρκάρεται σαν πακέτο υψηλής προτεραιότητας. Αλλιώς μένει με κενό το συγκεκριμένο πεδίο και προωθείται από τον δρομολογητή μαζί με την υπόλοιπη κίνηση best-effort. Με άλλα λόγια, στις αρχιτεκτονικές διαφοροποιημένων υπηρεσιών συμβαίνει κάτι ανάλογο με τα εισιτήρια των αεροπορικών εταιρειών: κάποιοι πελάτες αγοράζουν τα ακριβά εισιτήρια της πρώτης θέσης, όπου απολαμβάνουν καλύτερων υπηρεσιών από τους υπόλοιπους.οι απλού εισιτηρίου επιβάτες έχουν φθηνότερο εισιτήριο, αλλά δεν απολαμβάνουν τις υπηρεσίες των μελών της πρώτης κλάσης. Σε αντίθεση με τους επιβάτες των αεροπλάνων όμως, τα πακέτα υψηλής προτεραιότητας φτάνουν πιο γρήγορα στον προορισμό τους από τα απλά πακέτα. Σίγουρα πάντως και στα δυο παραδείγματα, οι σχεδιαστές των συστημάτων πρέπει να λαμβάνουν υπόψη ότι η μεγάλη πλειοψηφία των πελατών τουλάχιστον αρχικά είναι πελάτες των φτηνών υπηρεσιών. Πρέπει εδώ να τονίσουμε το μεγάλο πλεονέκτημα των Differentiated Services: Η διεργασία που απαιτεί μεγάλο υπολογιστικό φόρτο είναι η αστυνόμευση 9

13 (policing) και το μαρκάρισμα (marking) των πακέτων. Η δουλειά αυτή γίνεται στους συνοριακούς δρομολογητές. Οι εσωτερικοί δρομολογητές του δικτύου απλά διαβάζουν την τιμή του πεδίου τύπος υπηρεσίας και κατατάσσουν το πακέτο σε μια από τις ουρές εξόδου διαφορετικής προτεραιότητας η κάθε μία. Αυτή η μετακίνηση των υπολογιστικά δύσκολων διεργασιών στην άκρη του δικτύου, δίνει εντυπωσιακή επεκτασιμότητα στα δίκτυα διαφοροποιημένων υπηρεσιών. Ο αναγνώστης πρέπει να θυμάται ότι είναι αυτή ακριβώς η δυνατότητα που ανέδειξε το ΙΡ σε κυρίαρχο πρωτόκολλο στο διαδίκτυο. Η ύπαρξη της εδώ λοιπόν, είναι πολύ σημαντική. Συνοψίζοντας, στις αρχιτεκτονικές διαφοροποιημένων υπηρεσιών, μόνο οι συνοριακοί δρομολογητές ελέγχουν και μαρκάρουν τα πακέτα. Οι υπόλοιποι τα κατηγοριοποιούν με βάση την τιμή του πεδίου υπηρεσίας σε διαφορετικές ουρές εξόδου, και δρομολογούν πρώτα τα πακέτα των ουρών υψηλής προτεραιότητας. Τα πακέτα που δεν υπακούουν στα συμβόλαια κίνησης τους, μαρκάρονται από τους συνοριακούς δρομολογητές ως best- effort Ενοποιημένες υπηρεσίες Όπως και οι διαφοροποιημένες υπηρεσίες, οι ενοποιημένες υπηρεσίες (integrated services) προσπαθούν να δώσουν ποιότητα υπηρεσίας στο συνηθισμένο best- effort διαδίκτυο. Για να το πετύχουν αυτό, ορίζουν πολλαπλές κατηγορίες κίνησης (traffic classes) οι οποίες έχουν διαφορετικές απαιτήσεις από το δίκτυο σε ότι αφορά την ποιότητα υπηρεσίας [6]. Έτσι, πέραν της υπάρχουσας best effort κλάσης ορίζονται δυο νέες κατηγορίες κίνησης: η ελεγχόμενου φορτίου κλάση (Control Load Service) και η εγγυημένης υπηρεσίας (Guaranteed Service). Η κλάση ελεγχόμενου φορτίου παρέχει σχεδόν την ίδια ποιότητα υπηρεσίας τόσο κάτω από συνθήκες υπερφόρτωσης δικτύου όσο και κάτω από συνθήκες ελαφριάς κίνησης στο δίκτυο. Η βασική διαφορά σε σχέση με την υπάρχουσα κλάσης του Διαδικτύου (best- effort) είναι ότι η αύξηση της τηλεπικοινωνιακής κίνησης μέσα στο δίκτυο δεν επιδεινώνει την ποιότητα υπηρεσίας των ροών που υπόκεινται στη κλάση ελεγχόμενου φορτίου. Αντίθετα, μια best effort ροή θα υπόκειντο σε συνεχή και σταδιακή χειροτέρευση της προσφερόμενης ποιότητας υπηρεσίας με την αύξηση του φόρτου του δικτύου. Η κατηγορία ελεγχόμενου φορτίου είναι κατάλληλη για υπηρεσίες πολυμέσων οι οποίες μπορούν να ανεχθούν μικρές απώλειες πακέτων και καθυστερήσεις αρκεί αυτό να γίνεται μέσα σε λογικά πλαίσια. Για παράδειγμα, η υπηρεσία ψηφιακής τηλεόρασης κατ επιλογή χρήστη (Video On Demand) θα μπορούσε να χρησιμοποιήσει τη συγκεκριμένη κλάση αρκεί το τερματικό του δέκτη να έχει το κατάλληλο μέγεθος απομονωτή (buffer) ώστε να μπορεί να κρατήσει ψηφιακά δεδομένα, το χρονικό μήκος των οποίων πρέπει να είναι μεγαλύτερο από τη μέγιστη καθυστέρηση που μπορεί να εισάγει το δίκτυο. Αντίθετα, για την υπηρεσία μετάδοσης φωνής μεταξύ δυο συνομιλητών, όπου η μέγιστη διαφορά φάσης δεν πρέπει να είναι μεγαλύτερη των 125ms, η κατηγορία ελεγχόμενου φορτίου είναι ακατάλληλη. Τα πακέτα μιας ροής που υπόκεινται στη κλάση εγγυημένης φθάνουν στον προορισμό τους μέσα σε ένα προκαθορισμένο χρονικό διάστημα ενώ παράλληλα δεν πρόκειται να απορριφθούν λόγω υπερχείλισης των απομονωτών των δρομολογητών του δικτύου. Τα παραπάνω βέβαια ισχύουν εφόσον η πηγή της συγκεκριμένης ροής 10

14 στέλνει πακέτα στο δίκτυο σύμφωνα με τις παραμέτρους κίνησης που έχουν συμφωνηθεί νωρίτερα. Ωστόσο, η κλάση εγγυημένης υπηρεσίας δεν ελέγχει την ελάχιστη ή την μέση καθυστέρηση μιας ροής, ούτε ελαχιστοποιεί τη διακύμανση της μέσης χρονικής απόστασης μεταξύ διαδοχικών πακέτων της συγκεκριμένης ροής (jitter).η κλάση εγγυημένης υπηρεσίας προορίζεται για υπηρεσίες πολυμέσων με αυστηρότατες απαιτήσεις σε χρόνο παράδοσης των ψηφιακών δεδομένων. Τέτοιες εφαρμογές είναι ορισμένες εφαρμογές μεταφοράς ήχου ή κινούμενης εικόνας όπου το μέγεθος των απομονωτών στους από κωδικοποιητές είναι σταθερό και μικρό και έτσι κάθε καθυστερημένο πακέτο απορρίπτεται. Μια περιγραφή των χαρακτηριστικών της κίνησης που θα γεννάει μια εφαρμογή πολυμέσων που θέλει να χρησιμοποιήσει η υπηρεσία ελεγχόμενου φορτίου ή εγγυημένης υπηρεσίας πρέπει πάντοτε να στέλνεται στο δίκτυο. Αν μια αίτηση για μια νέα ροή γίνει αποδεκτή από το δίκτυο, τότε οι δρομολογητές του δικτύου δεσμεύοντας τους κατάλληλους πόρους, διασφαλίζουν ότι τα πακέτα της συγκεκριμένης ροής θα βλέπουν την ίδια ποιότητα υπηρεσίας ανεξάρτητα από το φόρτο του δικτύου. Σε συνθήκες χαμηλού φόρτου τα πακέτα της ροής αυτής βλέπουν ουσιαστικά την ίδια ποιότητα υπηρεσίας με ροές που ανήκουν στη κλάση best effort. Ωστόσο, η διαδικασία της σηματοδοσίας που προηγείται κάθε εγκατάστασης σύνδεσης δημιουργεί έντονα προβλήματα επεκτασιμότητας στις ενοποιημένες υπηρεσίες. Πριν εγκατασταθεί μια νοητή σύνδεση, προηγείται σηματοδοσία μέσω ενός συνόλου πρωτοκόλλων. Τα πρωτόκολλα όμως αυτής της σηματοδοσίας τρέχουν σε όλους τους ενδιάμεσους δρομολογητές, και όχι μόνο στους συνοριακούς, όπως στις αρχιτεκτονικές διαφοροποιημένων υπηρεσιών. Τα πρωτόκολλα αυτά ( με πιο διάσημο το RSVP- Resource Reservation Protocol) δεσμεύουν πόρους στους ενδιάμεσους δρομολογητές υλοποιώντας ουσιαστικά μια σύνδεση εγγυημένου εύρους ζώνης. Το πρόβλημα έχει να κάνει με το πώς συμπεριφέρεται ένα τέτοιο δίκτυο καθώς το πλήθος των δρομολογητών και των τερματικών αυξάνεται. Οι αρχιτεκτονικές ενοποιημένων υπηρεσιών αντιμετωπίζουν το ίδιο πρόβλημα με τις αρχιτεκτονικές ΑΤΜ: όλοι οι δρομολογητές πρέπει να κρατούν πληροφορία για κάθε ξεχωριστή ροή πακέτων ΙΡ που απαιτεί ποιότητα υπηρεσίας και περνά από μέσα τους. Αυτό είναι απαραίτητο για να μπορούν να κόβουν τα πακέτα που δεν υπακούουν τα συμβόλαια της ροής στην οποία ανήκουν. Αν δεν το έκαναν αυτό, τα πακέτα αυτά θα απορροφούσαν εύρος ζώνης από τα νόμιμα πακέτα των άλλων ροών. Το να κρατάς όμως πληροφορία για κάθε ροή και να εκτελείς αλγόριθμους αστυνόμευσης ροών σε κάθε δρομολογητή είναι διαδικασία με εκθετικούς ρυθμούς αύξησης στην απαιτούμενη υπολογιστική ισχύ. Με άλλα λόγια, για δεδομένη υπολογιστική ισχύ δρομολογητών, το πλήθος των πελατών είναι πεπερασμένο και πολύ μικρότερο από αυτό που επιτυγχάνεται με τεχνολογίες όπως αυτές των διαφοροποιημένων υπηρεσιών. Η κατάσταση μάλιστα στις ενοποιημένες υπηρεσίες είναι χειρότερη από αυτήν του ΑΤΜ. Στο ΑΤΜ το μέγεθος των πακέτων είναι σταθερό (53 οκτάδες). Αυτό επιτρέπει ειδικό σχεδιασμό στο hardware των μεταγωγέων, που εκμεταλλεύεται αυτό το γεγονός για να μπορεί να δρομολογεί cells πιο γρήγορα. Στις ενοποιημένες υπηρεσίες όμως, το πακέτο είναι ένα τυπικό πακέτο ΙΡ. Το μέγεθος του επομένως, μπορεί να είναι όσο μεγάλο θέλει η στοίβα πρωτοκόλλων που το έστειλε, μέχρι και 64Κ. Πρόκειται δηλαδή για μεταβλητό μέγεθος. Μοιραία λοιπόν, οι ενοποιημένες υπηρεσίες στην αρχική τους μορφή φαίνεται να εγκαταλείπουν το προσκήνιο της ερευνητικής δραστηριότητας σε ότι αφορά θέματα ποιότητα υπηρεσίας. Μόνο κάποια από τα πρωτόκολλα που αναπτύχθηκαν 11

15 για αυτές συνεχίζουν να χρησιμοποιούνται με κάποιες αλλαγές. Στο δεύτερο μέρος της πτυχιακής για παράδειγμα, όπου αναπτύσσεται ένα ενιαίο σύστημα διαφοροποιημένων και ενοποιημένων υπηρεσιών, το πρωτόκολλο δέσμευσης πόρων RSVP [7] χρησιμοποιείται ως βασικό πρωτόκολλο σηματοδοσίας IP over ATM Classical IP over ATM Η πρώτη προσπάθεια δημιουργίας προτύπου για την διοχέτευσης κίνησης ΙΡ σε δίκτυα ΑΤΜ έγινε από την Internet Engineering Task Force (IETF). Τον Ιανουάριο του 1994 κατέληξαν στο RFC 1577, που περιγράφει το Classical IP over ATM [8]. Το πρότυπο αυτό έχει πλέον υλοποιηθεί σε πολλά προϊόντα σχετικά με ΑΤΜ, όπως τερματικούς σταθμούς και μεταγωγείς (switches). Η ευρεία αποδοχή του εξάλλου εξασφαλίζει την επιτυχή επικοινωνία προϊόντων διαφορετικών κατασκευαστών. Το πρωτόκολλο αυτό δίνει την δυνατότητα υποστήριξης ΙΡ πρωτοκόλλων όπως το UDP και το TCP καθώς και των εφαρμογών που τα χρησιμοποιούν πάνω από τα δίκτυα ΑΤΜ. Με αυτόν τον τρόπο, οι τελικοί χρήστες του δικτύου μπορούν και χρησιμοποιούν τις ευρέως γνωστές εφαρμογές διαδικτύου, όπως WWW Browsers, FTP clients, κλπ απολαμβάνοντας την ποιότητα υπηρεσίας που εγγυάται το δίκτυο ΑΤΜ. Το Classical IP over ATM είναι εύκολο στην κατανόηση και τη χρήση από διαχειριστές δικτύων που γνωρίζουν το ΙΡ. Το πρωτόκολλο μπορεί και τρέχει πάνω από προ- εγκατεστημένες συνδέσεις ΑΤΜ (Permanent Virtual Connections, PVCs) καθώς και δυναμικές συνδέσεις (Switched Virtual Connections, SVCs). Υποστηρίζει επίσής λογικά υποδίκτυα ΙΡ (Logical IP Subnets, LISs) και επιτρέπει στους διαχειριστές των δικτύων την ανάθεση εύρους ζώνης από το ΑΤΜ δίκτυο για το καθένα από αυτά. Για να είναι δυνατή η εκτέλεση του ΙΡ, ενός πρωτοκόλλου χωρίς σύνδεση, πάνω από το βασισμένο σε συνδέσεις ΑΤΜ, χρειάζεται ένας μηχανισμός που θα αντιστοιχεί διευθύνσεις ΙΡ σε διευθύνσεις ΑΤΜ. Χρειάζεται επίσης κάποιος αλγόριθμος που θα αποφασίζει το πότε πρέπει να εγκατασταθεί μια καινούργια σύνδεση (SVC) ανάμεσα στους σταθμούς εργασίας. Το πρότυπο ορίζει και τους δυο μηχανισμούς, καθώς επίσης και τον τρόπο ενθυλάκωσης των πακέτων ΙΡ μέσα σε AAL5 πακέτα ΑΤΜ. Ένα πολύ σημαντικό χαρακτηριστικό όλων αυτών των μηχανισμών, είναι ότι ορίζονται μόνο για το λογικό υποδίκτυο ΙΡ (LIS). Η επικοινωνία σταθμών που ανήκουν σε διαφορετικά λογικά υποδίκτυα, πρέπει να περνάει αναγκαστικά μέσα από δρομολογητές ΙΡ. Ενώ αυτό φαίνεται φυσιολογικό για τα συνηθισμένα δίκτυα ΙΡ, για δίκτυα Classical IP over ATM υπάρχει η δυνατότητα εγκατάστασης μιας σύνδεσης ΑΤΜ μεταξύ των τερματικών, αφού αυτά συνδέονται έτσι και αλλιώς στο ΑΤΜ δίκτυο. Το πρότυπο όμως δεν υποστηρίζει τέτοιου είδους συνδέσεις ανάμεσα σε τερματικά διαφορετικών υποδικτύων. Η υλοποίηση του Classical IP over ATM είναι σχετικά εύκολη διεργασία. Ειδικά για την περίπτωση των προεγκατεστημένων συνδέσεων, ο κάθε σταθμός εργασίας έχει έναν πίνακα που αντιστοιχεί διευθύνσεις ΙΡ σε κανάλια ΑΤΜ (PVCs). Ο πίνακας αυτός ρυθμίζεται για το κάθε τερματικό από τον διαχειριστή του δικτύου. Με αυτό τον τρόπο, η στοίβα πρωτοκόλλων του τερματικού πρέπει απλώς να υποστηρίζει την διεργασία ενθυλάκωσης των πακέτων ΙΡ και αποστολής τους στην 12

16 ατάλληλη σύνδεση, με τη χρήση του προηγούμενου πίνακα. Γίνεται εύκολα αντιληπτό όμως ότι οι ρυθμίσεις αυτών των πινάκων θα γίνουν γρήγορα τόσο πολλές που ο διαχειριστής του δικτύου θα έχει πραγματικά πρόβλημα με την συντήρηση του δικτύου. Η χρήση δυναμικών συνδέσεων (SVCs), λύνει αυτό το πρόβλημα, εναποθέτοντας την δημιουργία των κατάλληλων συνδέσεων στη στοίβα πρωτοκόλλων. Για να το κάνει αυτό, το Classical IP over ATM υποστηρίζει την έννοια του εξυπηρετητή αντιστοίχισης διευθύνσεων ΑΤΜ (ATMARR server, ATM Andress Resolution Protocol server). Κάθε λογικό υποδίκτυο ΙΡ έχει και έναν τέτοιο εξυπηρετητή. Οι τερματικοί σταθμοί χρησιμοποιούν τον ATMARP server για να μαθαίνουν δυναμικά όποτε χρειάζονται την ΑΤΜ διεύθυνση του κόμβου σηματοδοσίας για να εγκαταστήσουν μια δυναμική σύνδεση ΑΤΜ με τον σταθμό που θέλουν. Ο μηχανισμός αυτός θυμίζει λίγο την διαδικασία ARP που εκτελείται στα συνηθισμένα, βασισμένα σε Ethernet δίκτυα, για αυτό και ονομάζεται ATMARP.Ο ίδιος ο εξυπηρετητής μπορεί να είναι ξεχωριστό μηχάνημα του δικτύου, ή απλώς μια ακόμη διεργασία των μεταγωγέων ΑΤΜ που συνθέτουν το δίκτυο. Για να μπορεί ο εξυπηρετητής να απαντά στις ερωτήσεις που δέχεται, πρέπει προφανώς να έχει πλήρη γνώση της δομής του λογικού υποδικτύου. Η ενημέρωση του γίνεται αυτόματα, γιατί κάθε σταθμός που ανήκει στο LIS, όταν ξεκινά επικοινωνεί με τον ATMARP server και καταχωρεί τα στοιχεία που τον αφορούν. Ο τρόπος με τον οποίο ο κάθε σταθμός γνωρίζει τη διεύθυνση του ATMARP server, δεν έχει καθοριστεί από το πρωτόκολλο, αλλά συνήθως είναι θέμα ρύθμισης του κάθε τερματικού ( όπως ακριβώς γίνεται στα κλασσικά ΙΡ δίκτυα για τον ορισμό του δρομολογητή τον οποίο χρησιμοποιεί το κάθε τερματικό). Πιο συγκεκριμένα, αμέσως μετά την επικοινωνία με τον εξυπηρετητή, ο σταθμός δέχεται μια αίτηση που λέγεται αντίστροφο (reverse) ATMARP, με την οποία ο ATMARP server ζητά την ΙΡ διεύθυνση του συγκεκριμένου κόμβου. Η απάντηση καταχωρείται σε εσωτερικούς πίνακες του εξυπηρετητή, βάσει των οποίων στέλνονται οι απαντήσεις στα μελλοντικά ερωτήματα των άλλων σταθμών. Οι καταχωρήσεις αυτές σβήνονται αυτόματα μετά από ένα διάστημα, έτσι ώστε να είναι δυνατές οι αυτόματες αλλαγές στην τοπολογία του δικτύου όποτε αυτό χρειάζεται. Είναι ευθύνη του κάθε τερματικού να κρατά ανοικτό το κανάλι επικοινωνίας με τον εξυπηρετητή, ή να το ξανανοίγει κατά διαστήματα, ώστε να ανανεώνει τις εγγραφές που το αφορούν. Έχοντας μια γενική εποπτεία του πρωτοκόλλου αυτού, είναι προφανές ότι οι βασικές λειτουργίες δρομολόγησης των πακέτων, παραμένουν οι ίδιες. Το ΙΡ απλώς βλέπει το στρώμα ΑΤΜ σαν ένα ακόμα μέσο μετάδοσης. Κίνηση που παράγεται από το Classical IP over ATM μπορεί να βγει άμεσα από το LIS και να μπει στο κανονικό διαδίκτυο, αφού όλες οι απαραίτητες δομές (επικεφαλίδες) για την δρομολόγηση του πακέτου είναι στην κανονική τους θέση. Προφανώς, για να αλλάξει το φυσικό μέσο μετάδοσης, κάποιος από τους δρομολογητές θα έχει πόρτες (interfaces) σε δυο διαφορετικά φυσικά μέσα, π.χ. ΑΤΜ και Ethernet. Από την στιγμή πάντως που το πακέτο ΙΡ εξαχθεί από την AAL5 ενθυλάκωσή του, μπορεί αμέσως να διοχετευθεί στο συνηθισμένο Internet. Έτσι, παρακολουθώντας μια ΙΡ σύνδεση που περνά ή καταλήγει μέσα σε ένα LIS, θα δούμε τα πακέτα ΙΡ να φτάνουν στον συνοριακό δρομολογητή, από την πόρτα Ethernet π.χ. και στη συνέχεια να ενθυλακώνονται μέσα σε πακέτα AAL5 και να προωθούνται μέσω των ΑΤΜ switches. Τελικά, βήμα- βήμα θα φτάσουν στο σταθμό προς τον οποίο προοριζόταν, ή σε κάποιον άλλο συνοριακό δρομολογητή από τον οποίο θα ξαναβγούν στο κανονικό διαδίκτυο. Είναι σημαντικό να παρατηρήσουμε ότι στο επίπεδο ΙΡ, ολόκληρο το LIS είναι ένα βήμα, ανεξάρτητα από το πόσοι μεταγωγείς ΑΤΜ υλοποιούν αυτό το τελικό βήμα. 13

17 Το Classical IP over ATM παρέχει νέες δυνατότητες στους διαχειριστές των δικτύων, συγκρινόμενο με το βασισμένο σε Ethernet IP. Μια σημαντική διαφορά είναι η δυνατότητα παροχής επιλεκτικής ποιότητας υπηρεσίας σε κάποιες συνδέσεις, κάτι εντελώς αδύνατο για το Ethernet. Ο διαχειριστής του δικτύου είναι σε θέση να χρησιμοποιήσει τις δυνατότητες του φυσικού υποστρώματος ΑΤΜ, ώστε συνδέσεις που απαιτούν υψηλούς ρυθμούς μεταγωγής να είναι δυνατές. Με τον όρο συνδέσεις δεν εννοούμε εδώ τις ροές ΙΡ, αλλά τις ΑΤΜ συνδέσεις μεταξύ των κόμβων ενός LIS. Επιπρόσθετα, η τοπολογία ενός δικτύου ΙΡ βασισμένου σε Ethernet έχει άμεση σχέση με την φυσική τοποθέτηση των μηχανημάτων, κάτι που δεν ισχύει για τα LIS. Το ίδιο το Ethernet ως μέσο που παρέχει δυνατότητες broadcasting, απαιτεί φυσικές συνδέσεις μέσω hubs- ή coaxial συνδέσεων των σταθμών που ανήκουν στο ίδιο broadcast domain. Αντίθετα,οι σταθμοί που ανήκουν όχι από φυσικής αλλά από λογικής απόψεως στο ίδιο σύνολο, μπορούν να ανήκουν στο ίδιο LIS σε ένα δίκτυο Classical IP over ATM. Ας δούμε ένα παράδειγμα λειτουργίας του πρωτοκόλλου. Σχήμα 5: Παράδειγμα λειτουργίας Classical IP over ATM Στο λογικό υποδίκτυο (LIS) του σχήματος, μια εφαρμογή του τερματικού 1 στέλνει ένα πακέτο ΙΡ προς το τερματικό 2. Υποθέτουμε ότι η στοίβα πρωτοκόλλου του τερματικού 1 δεν έχει ξαναδεί τη συγκεκριμένη διεύθυνση προορισμού, αυτήν δηλαδή του τερματικού 2. Ρωτά λοιπόν (1) τον εξυπηρετητή ATMARP για την διεύθυνση ΑΤΜ που αντιστοιχεί σε αυτή. Παίρνοντας την απάντηση (2), το τερματικό 1 χρησιμοποιεί την στοίβα σηματοδοσίας για να ανοίξει ένα κανάλι ΑΤΜ (3) με το τερματικό 2. Αφού το κανάλι ανοίξει, το πακέτο στέλνεται στο τερματικό 2. Μόλις το τερματικό 2 στείλει με τη σειρά του πακέτο ΙΡ προς το τερματικό 1, επειδή πρώτη φορά βλέπει την συγκεκριμένη διεύθυνση χρησιμοποιεί τον ATMARP server για να μάθει την διεύθυνση ΑΤΜ αυτού που έστειλε το πακέτο (4). Μετά την λήψη της απάντησης, τα δυο τερματικά επικοινωνούν πλέον ελεύθερα χωρίς την παρέμβαση του εξυπηρετητή ATMARP. 14

18 Οι δυναμικές συνδέσεις που εγκαθίστανται κατά την διάρκεια σεναρίων σαν και αυτό που περιγράψαμε πρέπει κάποτε να κοπούν, για λόγους οικονομίας πόρων στο δίκτυο και στα τερματικά. Επειδή το ΙΡ είναι πρωτόκολλο χωρίς σύνδεση, δεν υπάρχει τρόπος αυτόματης διακοπής της σύνδεσης όταν π.χ. κλείσουν οι εφαρμογές που την χρησιμοποιούσαν. Έτσι, υπάρχει ένα συγκεκριμένο χρονικό διάστημα μετά από το οποίο οι συνδέσεις πέφτουν αν δεν έχει περάσει πακέτο που να τις χρησιμοποιεί. Το διάστημα αυτό είναι της τάξης των 15 λεπτών. Πρέπει να τονίσουμε εδώ το σημαντικό μειονέκτημα του Classical IP over ATM που αναφέρθηκε και πιο πάνω: όλες οι διεργασίες που περιγράψαμε, λειτουργούν μέσα στα όρια ενός LIS. Οποτεδήποτε πρέπει να περάσει κίνηση ΙΡ από ένα λογικό υποδίκτυο σε ένα άλλο, η κίνηση αυτή πρέπει να περάσει μέσα από ένα δρομολογητή που να τα συνδέει. Από πλευράς ασφάλειας και διαχείρισης του δικτύου αυτό είναι πλεονέκτημα, αφού Πύρινα Τείχη (firewalls) καθώς και λογισμικό διαχείρισης μπορούν να εγκατασταθούν στους δρομολογητές, ξέροντας ότι όλη η κίνηση που μπαίνει / φεύγει από το υποδίκτυο περνάει από αυτό το σημείο.με δεδομένο όμως ότι το κύριο πρόβλημα σήμερα είναι η αξιοποίηση του διαθέσιμου εύρους ζώνης, αποκτούν ιδιαίτερο ενδιαφέρον πρωτόκολλα που θα επέτρεπαν την χρήση του υποστρώματος ΑΤΜ για την απ ευθείας σύνδεση δυο σταθμών που ανήκουν σε διαφορετικά LISs αλλά που μπορούν να ενωθούν με μια σύνδεση ΑΤΜ. Αυτό θα είχε θετικά αποτελέσματα στην επίδοση του δικτύου, αφού λιγότερες συνδέσεις σημαίνει λιγότερα βήματα (hops) για τα πακέτα και κατ επέκταση μεγαλύτερες ταχύτητες. Επιπρόσθετα, θα γινόταν οικονομία στους πόρους του δικτύου αφού οι συνδέσεις μεταξύ των δρομολογητών θα μπορούσαν να αντικατασταθούν με μια απ ευθείας ΑΤΜ μεταξύ των δυο κόμβων (Σχήμα 6). Προς το παρόν, η καλύτερη δυνατή λύση για τους διαχειριστές τέτοιων δικτύων είναι η τοποθέτηση των εξυπηρετητών για τις διάφορες υπηρεσίες ( π.χ. ηλεκτρονικό ταχυδρομείο, αποθήκευση αρχείων, κλπ) σε θέσεις κοινά προσπελάσιμες από όλα τα LIS. Υπενθυμίζουμε εδώ ότι περιορισμοί φυσικής τοποθέτησης δεν υφίστανται, οπότε είναι θέμα ρυθμίσεων το να γίνουν αυτοί οι εξυπηρετητές μέλη όλων των λογικών υποδικτύων. Με αυτό τον τρόπο η κίνηση των ΙΡ πακέτων δεν περνάει από τους δρομολογητές, και η συνολική επίδοση του δικτύου αυξάνεται. Σχήμα 6: Δυνατότητες που παραβλέπει το Classical IP over ATM 15

19 LAN Emulation (LANE) Τον Ιανουάριο του 1995, περίπου ένα χρόνο μετά το RFC 1577 της IETF που περιέγραφε το Classical IP over ATM, η ATM Forum δημοσίευσε την έκδοση 1.0 της προδιαγραφής LAN Emulation (LANE [9]). Όπως και το Classical IP over ATM, το LANE έχει σκοπό την μεταφορά δικτυακής πληροφορίας υπαρχόντων πρωτοκόλλων πάνω από δίκτυα ΑΤΜ. Ενώ όμως το RFC 1577 στόχευε αποκλειστικά στο πρωτόκολλο ΙΡ, το LANE υποστηρίζει κίνηση επιπέδου MAC (Medium Access Control Layer). Έτσι μπορεί και μεταφέρει δεδομένα δικτύων Ethernet ή Token Ring, που με τη σειρά τους περιέχουν κίνηση οποιουδήποτε σχετικού πρωτοκόλλου (IP, IPX, κλπ). Όπως και το 1577, το LANE προστατεύει σημαντικά την επένδυση σε υπάρχον λογισμικό δικτύων, αφού οι εφαρμογές που έχουν αναπτυχθεί δεν χρειάζονται καμιά αλλαγή τα πρωτόκολλα που χρησιμοποιούν συνεχίζουν να τρέχουν στα τερματικά [10]. Παρόλο που ο σκοπός και των δυο προτύπων είναι παρεμφερής, το διαφορετικό επίπεδο (layer) στο οποίο στοχεύουν, προκαλεί σημαντικές διαφοροποιήσεις. Το LANE, για να υποστηρίξει τις αιτήσεις του υποεπιπέδου προσπέλασης μέσου ( MAC Layer), αναγκάζεται να προδιαγραφεί τρεις εξυπηρετητές (servers) [11]. Το RCF 1577 όπως είδαμε νωρίτερα χρειάζεται μόνο έναν, τον ATMARP server. Επιπρόσθετα, το LANE μπορεί να χειρίζεται πακέτα υποεπιπέδου MAC μόνο, που σημαίνει ότι τα πακέτα ΙΡ που είναι μεγαλύτερα από το μέγιστο μήκος ενός πακέτου MAC πρέπει να σπάσουν σε μικρότερα πακέτα. Έτσι σπαταλείται υπολογιστική δύναμη στα τερματικά για τις διεργασίες κατάτμησης και συναρμολόγησης, αλλά και πόροι του δικτύου, αφού όσο περισσότερα πακέτα χρησιμοποιούνται για την μεταφορά της πληροφορίας, τόσο περισσότερο εύρος ζώνης δαπανάται για τις επικεφαλίδες των πακέτων. Ωστόσο, το LANE είναι σε θέση να παρέχει υπηρεσίες που δεν μπορεί να δώσει το Classical IP over ATM, όπως για παράδειγμα η υποστήριξη broadcast πακέτων. Ο πρώτος και απόλυτα απαραίτητος εξυπηρετητής για τα ιδεατά LANs που κατασκευάζει το LAN Emulation είναι ο LAN emulation server (Les). O εξυπηρετητής αυτός είναι είτε ένας ξεχωριστός host είτε κομμάτι ενός μεταγωγέα ΑΤΜ, που αναλαμβάνει να μεταφράζει διευθύνσεις υποεπιπέδου προσπέλασης μέσου (MAC L ayer) σε διευθύνσεις ΑΤΜ. Όλα τα τερματικά ΑΤΜ του ιδεατού LAN πρέπει να συνδεθούν με τον εν λόγω εξυπηρετητή όταν εκκινούν, και να καταχωρήσουν την ψευδό- MAC μαζί με την ΑΤΜ διεύθυνση τους. Ο δεύτερος εξυπηρετητής είναι ο Broadcast/Unknown server (BUS). Εφόσον το πρότυπο εξομοιώνει στην ουσία ένα LAN, εμφανίζεται η ανάγκη αποστολής broadcast πακέτων- μια υπηρεσία που χαρακτηρίζει έντονα τα δίκτυα Ethernet. O BUS αναλαμβάνει αυτήν ακριβώς την διεργασία: την αποστολή των broadcast πακέτων σε όλα τα μέλη του ιδεατού LAN. Την ίδια διαδικασία εκτελεί και για πακέτα των οποίων είναι άγνωστος ο παραλήπτης (η ATM διεύθυνση τους δηλαδή). Όπως και ο προηγούμενος εξυπηρετητής έτσι και ο BUS μπορεί να είναι είτε ένας ξεχωριστός host είτε κομμάτι ενός ATM μεταγωγέα. Ο τελευταίος server είναι ο LAN Emulation Configuration Server (LECS).Αυτός ο εξυπηρετητής είναι προαιρετικός, και στην ουσία δίνει τις ΑΤΜ διευθύνσεις των δυο άλλων σε όλα τα τερματικά που ενδιαφέρονται. Για παράδειγμα, όπως στα συνηθισμένα τερματικά ΙΡ πρέπει να ρυθμιστεί η διεύθυνση του Gateway, έτσι και στα τερματικά LANE πρέπει να οριστεί η διεύθυνση του LECS, ώστε το τερματικό να μπορεί στη συνέχεια να πάρει τη διεύθυνση των LES και BUS. Ένας δεύτερος τρόπος ανεύρεσης του LECS είναι μέσω του Interim Local Management 16

20 Interface (ILMI [2]). Σε αυτή την περίπτωση, το τερματικό στέλνει ένα ειδικό μήνυμα ILMI στο μεταγωγέα ΑΤΜ με το οποίο ρωτάει τη διεύθυνση του LECS. Ας δούμε ένα παράδειγμα λειτουργίας του LANE. Σχήμα 7: Παράδειγμα λειτουργίας LAN Emulation Στο ιδεατό LAN του σχήματος, μια εφαρμογή που τρέχει στο τερματικό 1, στέλνει ένα ΙΡ πακέτο προς το τερματικό 2. Όταν το πακέτο φτάσει στο υποεπίπεδο MAC της στοίβας πρωτοκόλλων του τερματικού 1, διαπιστώνεται ότι δεν είναι γνωστή η διεύθυνση MAC της ζητούμενης ΙΡ διεύθυνσης. Στέλνεται λοιπόν ένα broadcast πακέτο ARP. Και τα δυο τερματικά γνωρίζουν τις ΑΤΜ διευθύνσεις των LES και BUS, γιατί κατά τη διάρκεια της εκκίνησης τους συνδέθηκαν με τον LECS και τις ζήτησαν ( Βήμα 1 του σχήματος). Το broadcast πακέτο οδηγείται επομένως στον BUS (Βήμα 2). Ο BUS προωθεί τα broadcast μηνύματα σε όλα τα μέλη του virtual LAN, επομένως και στο Τερματικό 2 (Βήμα 3). Το Τερματικό 2 απαντά στην αίτηση ARP παρέχοντας την δική του ψευδοδιεύθυνση MAC (Βήμα 4). Στο σημείο αυτό, το Τερματικό 1 έχει την διεύθυνση του Τερματικού 2. Όχι όμως την ΑΤΜ διεύθυνση του, αλλά την ιδεατή διεύθυνση MAC. Επικοινωνεί λοιπόν με τον LAN Emulation Server (LES) ζητώντας την ΑΤΜ διεύθυνση που αντιστοιχεί σε αυτή τη MAC (Βήμα 5) Ο LES γνωρίζει αυτές τις αντιστοιχίες, γιατί όλα τα μέλη του ιδεατού LAN όταν εκκινούν επικοινωνούν μαζί του και καταχωρούν τις ΑΤΜ και ψευδό- MAC διευθύνσεις τους. Μετά την απάντησή του LES, το Τερματικό 1 έχει 17