Virtual Path Identifier

Virtual Path Identifier (VPI) — это идентификатор виртуального пути, числовой код, используемый в технологии асинхронного режима передачи (Asynchronous Transfer Mode, ATM) для маршрутизации и коммутации ячеек (cell) в сети. VPI является частью адресации ATM-соединения и совместно с идентификатором виртуального канала (Virtual Channel Identifier, VCI) однозначно определяет логический канал связи между двумя конечными точками сети. VPI представляет собой поле в заголовке ATM-ячейки длиной 8 или 12 бит, в зависимости от типа интерфейса (пользователь-сеть или сеть-сеть).

Структура и назначение

В технологии ATM данные передаются в виде фиксированных по размеру ячеек (53 байта: 5 байт заголовка и 48 байт полезной нагрузки). Заголовок ячейки содержит несколько полей, среди которых ключевыми для адресации являются VPI и VCI. VPI указывает на виртуальный путь (Virtual Path, VP) — совокупность виртуальных каналов (Virtual Channels, VC), которые имеют общий маршрут через сеть ATM. VCI, в свою очередь, идентифицирует конкретный виртуальный канал внутри этого пути.

Таким образом, VPI обеспечивает агрегированную маршрутизацию: коммутаторы ATM могут обрабатывать целые группы каналов (виртуальные пути) как единое целое, не анализируя каждый отдельный VCI. Это снижает нагрузку на коммутационное оборудование и упрощает управление трафиком.

Формат поля VPI

• На интерфейсе пользователь-сеть (UNI, User-Network Interface): VPI занимает 8 бит (1 байт), что позволяет адресовать до 256 виртуальных путей (0–255).
• На интерфейсе сеть-сеть (NNI, Network-Network Interface): VPI занимает 12 бит, что расширяет адресное пространство до 4096 виртуальных путей (0–4095). Это необходимо для магистральных сетей с большим числом транзитных соединений.

Поле VCI, независимо от типа интерфейса, всегда имеет длину 16 бит, что даёт до 65536 виртуальных каналов в каждом виртуальном пути.

Принцип работы

При установлении ATM-соединения (например, при звонке по телефону или передаче данных) сеть выделяет пару VPI/VCI для каждого сегмента пути. Ячейка, отправленная от источника, содержит в заголовке VPI и VCI, соответствующие данному соединению на текущем участке. Коммутаторы ATM, анализируя VPI, принимают решение о том, на какой порт и с каким новым VPI/VCI направить ячейку дальше. Этот процесс называется коммутацией виртуальных путей (VP switching) или коммутацией виртуальных каналов (VC switching).

• Коммутация на уровне VP: Коммутатор изменяет только VPI, оставляя VCI неизменным. Это позволяет быстро перенаправлять целые группы каналов.
• Коммутация на уровне VC: Коммутатор изменяет и VPI, и VCI, что требуется для более гибкой маршрутизации отдельных соединений.

VPI и VCI имеют локальное значение: они действительны только на конкретном физическом интерфейсе (кабеле, порте) между двумя соседними устройствами. При переходе на следующий участок сети значения VPI/VCI могут быть изменены (перемаршрутизированы).

Типы соединений ATM

В ATM выделяют два основных типа виртуальных соединений, для которых используются VPI/VCI:

• Постоянные виртуальные каналы (PVC, Permanent Virtual Circuit): Настраиваются администратором вручную и существуют постоянно. VPI/VCI для PVC фиксированы.
• Коммутируемые виртуальные каналы (SVC, Switched Virtual Circuit): Устанавливаются динамически по сигнальному протоколу (например, Q.2931). VPI/VCI назначаются временно на время сеанса связи.

Также существует понятие полупостоянного виртуального пути (SPVP, Soft Permanent Virtual Path), который настраивается административно, но может быть перестроен сетью при сбоях.

Применение VPI в сетях

VPI является фундаментальным элементом архитектуры ATM, которая в 1990-х — начале 2000-х годов широко применялась в магистральных сетях операторов связи, в системах цифрового телевидения (например, ADSL-модемы, использующие ATM), а также в некоторых корпоративных сетях. Хотя ATM в значительной степени вытеснена технологиями Ethernet и IP/MPLS, VPI/VCI-адресация продолжала использоваться в сетях доступа (например, в технологии GPON, где ATM применяется на транспортном уровне, хотя в современных GPON всё чаще используется Ethernet).

Примеры использования

• ADSL: В сетях ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) модем устанавливает ATM-соединение с DSLAM (Digital Subscriber Line Access Multiplexer). Для идентификации этого соединения используются VPI и VCI. Например, для российских провайдеров часто встречались значения VPI=0, VCI=35 или VPI=8, VCI=35. Эти параметры необходимо было вводить в настройки модема.
• GPON (Gigabit Passive Optical Network): В оптических сетях GPON ATM используется для передачи данных в восходящем потоке (от абонента к станции). ONT (Optical Network Terminal) использует VPI/VCI для идентификации своего трафика. В GPON VPI имеет длину 12 бит, VCI — 16 бит.
• Магистральные сети операторов: До внедрения MPLS (Multiprotocol Label Switching) ATM был основной технологией для построения магистралей, где VPI/VCI обеспечивали качество обслуживания (QoS) и изоляцию трафика разных клиентов.

Сравнение с другими технологиями

По своей сути VPI аналогичен метке MPLS (метка маршрутизации) в технологии MPLS. В обоих случаях используется короткий идентификатор для быстрой коммутации пакетов/ячеек. Однако в MPLS метка имеет длину 20 бит (около 1 миллиона значений), а VPI — 8–12 бит. Кроме того, MPLS работает с пакетами переменной длины (IP-пакетами), а ATM — с фиксированными ячейками. В современных сетях MPLS практически полностью вытеснил ATM в магистралях, но VPI/VCI остались в технологиях доступа, где ATM был заложен архитектурно.

Ограничения и недостатки

• Ограниченное адресное пространство: 8-битный VPI на UNI даёт только 256 путей, что может быть недостаточно для крупных агрегаторов.
• Сложность конфигурации: Ручная настройка VPI/VCI для PVC требует от администратора знания топологии сети и координации с соседними узлами.
• Избыточность в современных сетях: ATM-ячейки имеют фиксированный размер, что приводит к избыточности при передаче данных, особенно при малых пакетах (например, VoIP). Это снижает эффективность использования полосы пропускания по сравнению с Ethernet.

Источники

1. Стандарт ITU-T I.361 — B-ISDN ATM Layer Specification.
2. Стандарт ATM Forum — ATM User-Network Interface Specification, Version 3.1.
3. Книга: «ATM: Networks and Interworking» by David E. McDysan, Darren L. Spohn.
4. Документация по настройке ADSL-модемов (ZyXEL, D-Link, Huawei) — раздел «VPI/VCI».
5. Технические описания технологии GPON (ITU-T G.984.3).