Засоби управління трафіком на канальному рівні в технології АТМ

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вступ

У плані забезпечення QoS серед технологій канального рівня найвигідніше виглядає технологія ATM (Asynchronous Transfer Моdе - режим асинхронної передачі), оскільки в стандарт АТМ вже під час його створення було включено набір функцій якості обслуговування. Мережі АТМ за своєю суттю здатні передавати різноманітні типи інформації (дані, мова, відео) і забезпечувати необхідний рівень якості обслуговування, не потребуючи при цьому додаткових механізмів QoS - усі необхідні функції вже реалізовані в самій технології АТМ.

Стандартами в області якості обслуговування в АТМ є специфікація форуму АТМ «Специфікація управління трафіком» (Traffic Management Specification, Version 4.1, AF-TM-0121.000, March 1999, надалі TMS 4.1) і ряд рекомендацій ITU-T серії I (I.356 B-ISDN ATM layer cell transfer performance, I.371 Traffic control and congestion control in B-ISDN).

1. Параметри трафіка та параметри QoS у мережах АТМ

В АТМ-мережі, як в будь-якій мережі, реалізація гарантованої якості обслуговування потребує попереднього укладання договору між користувачем і оператором про якість обслуговування - трафік-контракту. Обов'язковими елементами будь-якого трафік-контракту є опис трафіка та вимог щодо якості обслуговування з використанням стандартизованих параметрів (TMS 4.1, I.371, I.356). При цьому окремо виділяються параметри трафіка, що описують його характеристики, та параметри QoS, що відображає вимоги аплікації-джерела до якості обслуговування.

У рамках мереж АТМ специфікацією TMS 4.1 визначаються шість параметрів, що характеризують службу QoS, з яких тільки частина є договірними, тобто узгоджуються між кінцевими користувачами й оператором.

До договірних параметрів QoS належать:

1. Параметри надійності

- коефіцієнт втрати чарунок (Cell Loss Ratio, CLR);

2. Параметри затримки:

- максимальна затримка передачі чарунок (Maximum Cell Transfer Delay, maxCTD);

- варіація затримок чарунок (Peak-to-peak Cell Delay Variation, CDV).

Параметри QoS, що не обов'язково узгоджуються в трафік-контракті, але є вимірюваними, характеризують рівень наданої якості обслуговування і можуть задаватися додатково. Це такі параметри надійності:

- коефіцієнт помилок в чарунках·(Cell Error Ratio, CER);

- коефіцієнт блоків чарунок з великою кількістю помилок (Severely Errored Cell Block Ratio, SECBR);

- коефіцієнт неправильної вставки чарунок (Cell Misinsertion Rate, CMR).

Параметри трафіка описують характеристики трафіка джерела. Для конкретного з'єднання параметри трафіка об'єднуються в дескриптор відправника трафіка (source traffic descriptor), який у свою чергу є частиною дескриптора трафіка по з'єднанню (connection traffic descriptor).

На найнижчому ступені описаної ієрархії знаходяться параметри трафіка, що відображують властиві трафіка джерела характеристики. Вони можуть бути як якісними, так і кількісними. Специфікацією TMS 4.1 як параметрами трафіка визначено показники:

- пікова швидкість передачі чарунок (Peak Cell Rate, PCR);

- середня швидкість передачі чарунок (Sustained Cell Rate, SCR);

- мінімальна швидкість передачі чарунок (Minimum Cell Rate, MCR);

- максимальна величина пульсацій (Maximum Burst Size, MBS);

- максимальний розмір фрейма (Maximum Frame Size, MFS).

Рекомендація ITU-T I.371 використовує як параметр трафіка припустиму величину сплеску (Intrinsic Burst Tolerance, IBT) замість MBS. Насправді ці показники пропорційно зв'язані.

2. Категорії обслуговування та QoS-класи в АТМ

У мережах АТМ уводиться два взаємодоповнюючих поняття: поняття QoS-класу відповідно до рекомендації ITU-T I.356 і поняття категорії обслуговування у відповідності зі специфікацією АТМ-форума TMS 4.1 (або еквівалентного йому поняття послуги переносу, визначеного в рекомендації ITU-T I.371).

Визначення п'яти QoS-класів задається в I.356 шляхом указівки чисельних меж для таких параметрів якості обслуговування, як CTD, CDV, CLR, CER, CMR, SECBR, які було отримано для гіпотетичного ланцюга довжиною 27 500 км. У такий спосіб розподіл на QoS-класи реалізується відповідно до необхідних параметрів якості обслуговування.

Специфіка технології АТМ така, що задання тільки QoS-класу не досить: необхідно вказати категорію обслуговування, яку потрібно застосовувати до даного трафіка. Категорії обслуговування уводяться відповідно до характеристик трафіка і QoS-вимог. Такі функції як маршрутизація, управління доступом, розподіл ресурсів структуруються по-різному для різних категорій. Категорії відрізняються дескриптором трафіка.

Упровадження різних категорій обслуговування є зручним як з погляду користувача, так і з погляду оператора: користувач може вибирати ту категорію, що найкраще узгоджується з заданим набором аплікацій, а оператор має можливість застосувати статистичне мультиплексування.

Форумом АТМ (TMS 4.1) специфіковано шість категорій обслуговування, які можна розділити на дві групи:

1. Група обслуговування трафіка реального часу:

- обслуговування з постійною бітовою швидкістю (Constant Bit Rate, CBR);

- змінна швидкість передачі в режимі реального часу (Real-Time Variable Bit Rate, rt-VBR), типу 1, 2, 3;

2. Група обслуговування для звичайних потоків трафіка:

- перемінна швидкість передачі не в режимі реального часу (Non-Real Time Variable Bit Rate, nrt-VBR) типу 1, 2, 3;

- доступна швидкість передачі (Available Bit Rate, ABR);

- невизначена бітова швидкість (Unspecified Bit Rate, UBR) типу 1, 2;

- гарантована швидкість передачі фреймів (Guaranteed Frame Rate, GFR), тільки для зв'язку через віртуальний канал.

Відповідно до рекомендації ITU-T I.371 регламентуються послуги переносу (ATM transfer capabilities, АТС), які трохи відрізняються та які поділяються на :

1. Послуги переносу з відкритим контуром управління (Open-loop controlled), тобто без зворотного зв'язку:

- детермінована швидкість передачі (Deterministic transfer capability, DBR);

- статистична швидкість передачі (Statistical bit rate transfer capability, SBR) типу 1, 2, 3;

- гарантована швидкість передачі фреймів (Guaranteed Frame Rate, GFR);

2. Послуги переносу з замкнутим контуром управління (closed-loop controlled), тобто зі зворотним зв'язком:

- перенос блоку АТМ (ATM block transfer, ABT), розрізняють перенос блоку АТМ із затримкою ABT/DT (delayed transmission), негайний перенос блоку АТМ ABT/IT (immediate transmission);

- доступна швидкість передачі (Available Bit Rate, ABR) типу 1, 2, 3.

Між категоріями обслуговування, які уведено форумом АТМ, і послугами переносу, регламентованими ITU-T, існують як збіги, так і розбіжності. Для деяких категорій, визначеним АТМ-форумом, існують еквівалентні послуги переносу, але з іншою назвою: CBR відповідає DBR, VBR - SBR. Загалом розбіжності та збіги полягають у такому:

1. АТМ-форум уводить по три різновиди для категорії rt-VBR (rt-VBR.1, rt-VBR.2, rt-VBR.3) і nrt-VBR (nrt-VBR.1, nrt-VBR.2, nrt-VBR.3), у той час як у рекомендації ITU-T I.371 визначено три різновиди для SBR, що не працює в режимі реального часу, (SBR.1, SBR.2, SBR.3) і тільки одна для SBR, що працює в режимі реального часу (SBR.1).

2. АТМ-форум уводить категорію UBR, для якої немає аналога в рекомендації I.371.

3. Послузі переносу ABT, визначеною рекомендацією I.371, немає еквівалента серед категорій обслуговування з TMS 4.1.

4. Послуги ABR і GFR визначаються як у рекомендації I.371, так і в TMS 4.1.

3. Управління трафіком в АТМ

У відповідності до специфікації форуму АТМ TMS 4.1 і рекомендації ITU-T I.371 управління трафіком передбачає набір дій, націлених на недопущення в мережі стану перевантаження, а як тільки воно з'являється - на зниження інтенсивності, тривалості і розмірів області перевантажень, тобто мінімізацію наслідків. Головна задача управління трафіком полягає в тому, щоб створити такі умови, у яких мережа виконуватиме свої функції щодо обслуговування трафіка і забезпечення необхідного QoS, а другорядна мета - оптимізація використання мережних ресурсів.

Рекомендація I.371 формулює вимоги до механізмів управління трафіком і перевантаженнями й їхні основні функції. Вимоги до механізмів управління трафіком і перевантаженнями на рівні АТМ полягають у такому:

1. Управління трафіком і перевантаженнями має підтримувати набір QoS-класів рівня АТМ, достатній для організації всього спектра послуг мережі АТМ;

2. Механізми управління трафіком і перевантаженнями не мають залежати від протоколів рівня AAL і протоколів вищих рівнів;

3. Необхідно сформувати такий раціональний набір механізмів управління трафіком і перевантаженнями, при якому складність мережі та кінцевих систем була б мінімальна, а коефіцієнт використання мережних ресурсів - максимальним.

Функції, що формують базу (каркас) управління трафіком і перевантаженнями, можуть використовуватися в різних комбінаціях у залежності від категорії обслуговування. Основними функціями управління є:

- управління мережними ресурсами (Network Resource Management, NRM) з використанням віртуальних шляхів (Virtual Paths);

- управління доступом до з'єднання (Connection Admission Control, САС);

- управління ресурсами (Resource Management, RM) з використанням спеціальних однойменних чарунок;

- управління користувальницькими/мережними параметрами (Usage/Network Parameter Control, UPC/NPC). Тут функція UPC зв'язана з інтерфейсом UNI, а функція NPC - інтерфейсом INI;

- управління пріоритетами (Priority Control, PC);

- відкидання фреймів (Frame Discard);

- профілювання трафіка (Traffic Shaping);

- явне пряме повідомлення про перевантаження (Explicit Forward Congestion Indication, EFCI).

У документації TMS 4.1 та I.371 указуються, але не розглядаються такі важливі питання управління трафіком, як управління чергами (Scheduling control) і ремаршрутизація (re-routing). Окремо виділяється управління потоком трафіка для категорії обслуговування ABR (ABR Flow Control, TMS 4.1), що пов'язано зі специфікою даної категорії.

Місце деяких функцій управління в мережі показано на рис. 1.

трафік чарунка ресурс канальний

Рисунок 1- Функції управління в мережі АТМ

Механізм управління доступом до з'єднання САС на підставі відповідності трафік-контракта наявним ресурсам мережі приймає рішення про прийняття або відхилення даного запиту на АТМ-з'єднання. Запит на з'єднання приймається тільки в тому випадку, якщо є доступні ресурси мережі (на кожному мережному елементі уздовж усього шляху доставки чарунок) в обсязі, що відповідає необхідній категорії обслуговування, заданим параметрам трафіка і параметрам QoS, а також якщо при цьому не погіршується якість вже існуючих з'єднань. Механізм САС крім прийняття рішення про можливість обслуговування запиту, що тільки-но надійшов, визначає його дескриптор трафіка по з'єднанню, необхідний надалі для UPC, а також резервує необхідні мережні ресурси. Рекомендація I.371 визначає задачу вибору шляхів через мережу також як частину функції САС.

З механізмом САС тісно пов'язана функція управління користувальницькими параметрами UPC, яка забезпечує відстеження трафіка, що надходить, і встановлює його відповідність до трафік-контракту. Головна задача функції UPC полягає в захисті мережних ресурсів від випадкових або навмисних порушень, що можуть негативно відбитися на якості обслуговування вже встановлених з'єднань. Ця задача вирішується шляхом відстеження порушень договірних параметрів, наприклад, перевищення пікової швидкості, та застосування відповідних дій.

Для ефективного й успішного виконання своїх функцій механізм UPC має відповідати таким вимогам:

- мати можливість виявляти в трафіку неприпустимі ситуації;

- мати можливість швидко й адекватно реагувати на порушення параметрів;

- бути простим у реалізації.

На сьогоднішній день не існує загальноприйнятого, рекомендованого до застосування механізму UPC. Мережа може використовувати будь-який відомий метод UPC, що виконує описані функції.

Механізм UPC реалізує перевірку таких характеристик, як розмір сплеску і швидкість трафіка. Управління UPC також відомо як розмежування потоків даних за допомогою вузлів. Розмежування потоків даних запобігає виникненню перевантаження, шляхом недопускання в мережу надлишкового трафіка у тому випадку, якщо всі мережні ресурси вже задіяні. Метод, який використовується для такого запобігання, полягає у відкиданні чарунок або в установці біта CLP в чарунках, чиї параметри виходять за межі трафік-контракта.

Виконуючи маркування чарунок (встановлення або скидання біта CLP), механізм UPC по суті здійснює управління пріоритетами, визначаючи, яким чином чарунки будуть обслуговані по відношенню одна до одної в термінах пріоритетності у відкиданні. У загальному випадку управління пріоритетами визначає порядок в обслуговуванні пакетів і в термінах пріоритетності в часі - черговість обробки.

Як правило, складовим елементом UPC є загальний алгоритм передачі чарунок (Generic Cell Rate Algorithm, GCRA, рекомендація ITU-T I.371). Алгоритм GCRA визначає чи відповідає чарунка контрактові трафіка для даного з'єднання. Для маркування або відкидання чарунок механізм GCRA може використовувати значення швидкостей PCR і SCR. GCRA базується на застосуванні алгоритму подвійного «дірявого відра».

Механізми профілювання трафіка (Traffic Shaping), до яких належить GCRA, є невід'ємною частиною будь-якої мережі, що надає послуги з гарантованою якістю обслуговування. Метою даних механізмів є підвищення продуктивності мережі поряд з виконанням QoS-вимог і/або забезпечення відповідності вхідного трафіка наступному інтерфейсові. Місце й умови застосування процедур вирівнювання визначаються оператором мережі. Найрозповсюдженіший варіант - використання вирівнювання трафіка як частини UPC. Як правило, алгоритмічну основу даних процедур складають алгоритм «дірявого відра» і його модифікації, наприклад, алгоритм подвійного «драного відра» як у механізмі GCRA.

Функція управління мережними ресурсами NRM забезпечує розподіл мережних ресурсів, логічно відокремлюючи з'єднання відповідно до характеристик обслуговування. В ролі інструмента NRM виступає віртуальний шлях (Virtual Path Connection, VPC). VPC відіграє важливу роль як у розв'язанні задач управління трафіком, так і задач управління ресурсами. Коли мова йде про управління трафіком, використання VPC

- допомагає спростити процедуру САС;

- здійснює управління пріоритетами при поділі типів трафіка з різними вимогами до QoS;

- ефективно розповсюджує повідомлення, необхідні для роботи схем управління трафіком, наприклад, з метою індикації перевантаження в мережі прості повідомлення розсилаються усіма VСС, що входять до складу VPC;

- дозволяє застосувати агреговане обслуговування, наприклад, функції UPC/NPC, до агрегованого трафіка.

При управлінні ресурсами використання VPC дозволяє спростити процедуру установки індивідуальних VСС за рахунок резервування пропускної здатності для VPC у цілому.

Поряд з функцією NRM існує функція RM (I.371, TMS 4.1), що базується на використанні на рівні АТМ однойменних RM-чарунок, які асоційовані з АТМ-з'єднанням та застосовуються для динамічного розподілу (перерозподілу) ресурсів у цьому з'єднанні. Функція RM працює в масштабі часу поширення з одного кінця з'єднання в інший і назад (round-trip propagation) і в рекомендації I.371 називається Fast Resource Management. Формат RM-чарунки докладно описаний у специфікації TMS 4.1. Використання RM-чарунок особливо актуальне для категорій обслуговування АВТ (I.371) і АВR, де в останній категорії джерело підстроює швидкість передачі під стан мережі. За допомогою RM-чарунок інформація про стан мережі (в термінах доступної смуги) та про перевантаження, що виникло або наближається, надходить до джерела.

Управління ресурсами за допомогою RM-чарунок є за своєю суттю управлінням зі зворотним зв'язком (feedback). Іншим різновидом зворотного зв'язку в АТМ є використання біта явного прямого повідомлення про перевантаження EFCI, що знаходиться в полі ідентифікатора типу даних (Payload Type Identifier, PTI) заголовка чарунок користувача. Метою його використання є індикація перевантаження або можливості її виникнення в з'єднанні, через яке проходить чарунка. Біт EFCI встановлюється мережним елементом, що знаходиться або в стані перевантаження, або близькому до нього. Використання біта EFCI у випадку перевантаження дозволяє протоколам вищих рівнів знизити швидкість передачі, можливо без утрати даних.

На відміну від EFCI-біта, що несе тільки якісну інформацію про необхідність зниження швидкості, існують схеми зворотного зв'язку з явною указівкою швидкості (Explicit Rate Feedback Schemes). У специфікації TMS 4.1 описані такі різновиди даних методів управління швидкістю:

- удосконалений алгоритм контролю за пропорційною швидкістю (Enhanced Proportional Rate Control Algorithm, EPRCA);

- явна указівка швидкості для запобігання перевантаження (Explicit Rate Indication for Congestion Avoidance, ERICA);

- запобігання перевантаженню з використанням пропорційного управління (Congestion Avoidance using Proportional Control, CAPC);

- явна швидкість на підставі алгоритму оцінки необхідної смуги (Explicit Rate based on bandwidth Demand Estimate Algorithm).

Всі алгоритми явної указівки швидкості передбачають використання RM-чарунок. Відзначимо, що всі механізми управління зі зворотним зв'язком розглядаються тільки в контексті категорії обслуговування АВR (TMS 4.1).

У мережі АТМ також може виникнути ситуація, пов'язана з необхідністю відкидання чарунок або їхньої групи при перевантаженні мережі. Можна виділити три стратегії відкидання пакетів (чарунок) в мережах АТМ:

- вибіркове відкидання чарунок (Selective Cell Discard, SCD);

- часткове відкидання пакетів (Partial Packet Discard, PPD);

- раннє відкидання пакетів (Early Packet Discard, EPD).

Механізм SCD створений для цільового вибору чарунок, призначених для відкидання, перешкоджаючи тим самим наростанню навантаження в мережі. Умовою відкидання при виявленні перевантаження є невідповідність чарунок АТМ-з'єднанню і/або їхній низький пріоритет (CLP=1). Нагадаємо, функція обмеження трафіка замість відкидання чарунки, що не відповідає трафік-контракту, може понизити його пріоритет установкою CLP=1. Механізм SCD покликаний захистити, наскільки це можливо, трафік з більш високим пріоритетом (CLP=0). Відкидання відбувається у випадку фактичного переповнення буфера.

Механізми часткового і раннього відкидання, PPD і EPD відповідно, враховують, що кожна чарунка є складовою частиною пакета. Якщо відкидається чарунка, яка належить великому за розміром пакету, то подальше пересилання чарунок, які також належать цьому пакетові, не має сенсу: у кінцевому пункті збирання неможливе, пакет у будь-якому випадку необхідно передавати заново, а ресурси витрачаються дарма. Функція PPD враховує даний факт, і у випадку відкидання чарунки, що є частиною пакета, відкидає всі наступні чарунки, що також належать ушкодженому пакету. Недоліком даного підходу є те, що відкидання відбувається тільки при фактичному переповненні буфера. У результаті частою стає ситуація, коли відкидання чарунки і наступної частини пакета відбувається тоді, коли частину чарунків пакета вже передано або поставлено в чергу на передачу. Тобто функція PPD здійснює часткове відкидання пакета, а частина чарунок ушкоджених пакетів усе-таки передається, створюючи додаткове навантаження на перевантажений канал.

Даний недолік усунутий у функції раннього відкидання пакета EPD, що у випадку виявлення можливості перевантаження відкидає пакет не частково, а цілком. Чарунки допускаються в чергу на передачу тільки в тому випадку, якщо вільного обсягу буфера досить для постановки в чергу всіх чарунок одного пакета, а не їхньої частини. Якщо буфер близький до переповнення, і всі чарунки одного пакета не можна помістити в чергу, пакет відкидається цілком. Іншими словами, механізм EPD або передає весь пакет, або відкидає всі чарунки пакета. Використання EPD підвищує ефективність роботи VBR і АВR-з'єднань, на які він і розрахований.

Практично усі виробники обладнання ATM реалізують у своїх комутаторах кілька черг чарунок, що обслуговуються з різними пріоритетами. Стратегія пріоритетного обслуговування трафіка заснована на категоріях послуг кожного віртуального з'єднання. До прийняття специфікації ABR у більшості комутаторів ATM була реалізована проста однорівнева схема обслуговування, що давала трафіку CBR перший пріоритет, трафіку VBR -- другий, а трафіку UBR -- третій. За такої схеми комбінація послуг CBR і VBR може потенційно заморозити трафік, що обслуговується іншим класом служб. Така схема не буде правильно працювати з трафіком ABR, тому що не забезпечить його вимоги щодо мінімальної швидкості передачі чарунок. Для забезпечення цієї вимоги має бути виділена деяка гарантована смуга пропущення.

Щоб підтримувати службу ABR, комутатори ATM мають реалізувати дворівневу схему обслуговування, яка б задовольняла вимогам CBR, VBR і ABR. За цією схемою комутатор надає деяку частину своєї пропускної здатності кожному класові служб. Трафік CBR одержує частину пропускної здатності, необхідну для підтримки пікової швидкості (PCR), трафік VBR одержує частина пропускної здатності, необхідну для підтримки середньої швидкості (SCR), а трафік ABR одержує частину пропускної здатності, яку достатньо для забезпечення вимоги щодо мінімальної швидкості чарунок (MCR). Це гарантує, що кожне з'єднання працюватиме без втрат чарунок і не буде доставляти ABR-чарунки за рахунок трафіка CBR або VBR. На другому рівні цього алгоритму трафік CBR і VBR може забрати всю пропускну здатність мережі, що залишилася, якщо це необхідно, тому що з'єднання ABR вже одержали свою мінімальну пропускну здатність, що їм гарантувалася.

Размещено на Allbest.ru