Виртуальные цепи и виртуальные пути, структура ячеек АТМ

  Главная       Учебники - Компьютеры      Сети связи (экзаменационные билеты с ответами)

 поиск по сайту

 

 

 

 

 

 

 

 

 

содержание   ..  1  2  3  4  5  6  7  8  9  10    ..

 

 

 

 

33.  

Виртуальные цепи и виртуальные пути, структура ячеек АТМ

 

Основные принципы технологии АТМ

Сеть АТМ 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 АТМ пользуются 20-байтными адресами конеч­ных узлов для маршрутизации трафика на основе техники виртуальных каналов. Для частных сетей АТМ определен протокол маршрутизации PNNI (PrivateNNI), с помощью которого коммутаторы могут строить таблицы маршрутизации авто­матически. В публичных сетях АТМ таблицы маршрутизации могут строиться администраторами вручную, как и в сетях Х.25, или поддерживаться протоколом PNNI.

Коммутация пакетов происходит на основе идентификатора виртуального кана­ла (Virtual Channel IdentifierVCI), который назначается соединению при его ус­тановлении и уничтожается при разрыве соединения. Адрес конечного узла АТМ, 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 установление соединения, как и в случае агреги­рованных IP-адресов в соответствии с техникой CIDR. В публичных сетях АТМ обычно используются адреса в стандарте Е.164, что делает простым взаимодей­ствие этих сетей с телефонными сетями.

Виртуальные соединения могут быть постоянными (Permanent Virtual CircuitPVC) и коммутируемыми (Switched Virtual CircuitSVC). Для ускорения ком­мутации в больших сетях используется понятие виртуального пути — Virtual Path, который объединяет виртуальные каналы, имеющие в сети АТМ общий маршрут между исходным и конечным узлами или общую часть маршрута между некото­рыми двумя коммутаторами сети. Идентификатор виртуального пути (Virtual Path IdentifierVPI) является старшей частью локального адреса и представляет со­бой общий префикс для некоторого количества различных виртуальных кана­лов. Таким образом, идея агрегирования адресов в технологии АТМ применена на двух уровнях — на уровне адресов конечных узлов (работает на стадии уста­новления виртуального канала) и на уровне номеров виртуальных каналов (ра­ботает при передаче данных по имеющемуся виртуальному каналу).

Соединения конечной станции АТМ с коммутатором нижнего уровня опреде­ляются стандартом UNI (User Network Interface). Спецификация UNI определя­ет структуру пакета, адресацию станций, обмен управляющей информацией, уровни протокола АТМ, способы установления виртуального канала и способы управления трафиком.

Стандарт АТМ не вводит свои спецификации на реализацию физического уров­ня. Здесь он основывается на технологии SDH/SONET, принимая ее иерархию скоростей. В соответствии с этим начальная скорость доступа пользователя сети — это скорость STM-1 155 Мбит/с. Магистральное оборудование АТМ ра­ботает и на более высоких скоростях STM-4 622 Мбит/с и STM-16 2,5 Гбит/с. На скорости 155 Мбит/с можно использовать не только волоконно-оптический кабель, но и неэкранированную витую пару категории 5. На скорости 622 Мбит/с допустим только волоконно-оптический кабель, причем для глобальных сетей это одномодовый кабель, а для локальных — как одномодовый, так и многомодовый (в зависимости от скорости и расстояния). Работа на сверхвысоких скоро­стях существенно удорожает оборудование АТМ из-за сложности реализации операций разбиения пакетов на ячейки и сборки ячеек в пакеты в интерфейсных заказных БИС коммутаторов.

Имеются и другие физические интерфейсы к сетям АТМ, отличные от SDH/SONET. К ним относятся интерфейсы Т1/Е1 и Т3/Е3, распространенные в гло­бальных сетях, и интерфейсы локальных сетей — интерфейс с кодировкой 4В/5В со скоростью 100 Мбит/с (FDDI) и интерфейс со скоростью 25 Мбит/с, предложенный компанией IBM и утвержденный АТМ Forum. Кроме того, для скорости 155,52 Мбит/с определен так называемый физический уровень «cell-based», то есть уровень, основанный на ячейках, а не на кадрах SDH/SONET. Этот вариант физического уровня не использует кадры SDH/SONET, а отправ­ляет по каналу связи непосредственно ячейки формата АТМ, что сокращает на­кладные расходы на служебные данные, но несколько усложняет задачу синхро­низации приемника с передатчиком на уровне ячеек.

Все перечисленные выше характеристики технологии АТМ не свидетельству­ют о том, что это некая «особенная» технология, а скорее представляют ее как типичную технологию глобальных сетей, основанную на технике виртуальных каналов. Особенности же технологии АТМ лежат в области качественного об­служивания разнородного трафика и объясняются стремлением решить задачу совмещения в одних и тех же каналах связи и в одном и том же коммуникацион­ном оборудовании компьютерного и мультимедийного трафика таким образом, чтобы каждый тип трафика получил требуемый уровень обслуживания и не рас­сматривался как «второстепенный».

Трафик вычислительных сетей имеет ярко выраженный асинхронный и пульси­рующий характер. Компьютер посылает пакеты в сеть в случайные моменты вре­мени, по мере возникновения в этом необходимости. При этом интенсивность посылки пакетов в сеть и их размер могут изменяться в широких пределах — на­пример, коэффициент пульсации трафика (отношения 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.

Мультимедийный трафик, передающий, например, голос или изображение, ха­рактеризуется низким коэффициентом пульсации, 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 с диамет­рально противоположными характеристиками хорошо видна на рис. 17.14.

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) 18 мс. 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 АТМ, состоит в передаче любого вида тра­фика — компьютерного, телефонного или видео — пакетами фиксированной и очень маленькой длины в 53 байта. Пакеты АТМ 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 АТМ 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 количества виртуальных соединений каждым портом коммутатора глобальной (может быть, всемирной) сети АТМ. Размер ячейки АТМ является результатом компромисса между телефонистами и компьютерщиками — первые настаивали на размере поля данных в 32 байта, а вторые — в 64 байта.

Чем меньше пакет, тем легче имитировать услуги каналов с постоянной битовой скоростью, которая характерна для телефонных 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 АТМ обычно переносит 48 замеров голоса, которые делаются с ин­тервалом в 125 мкс. Поэтому первый замер должен ждать примерно 6 мс, прежде чем ячейка будет отправлена по сети. Именно по этой причине телефонисты бо­ролись за уменьшения размера ячейки, так как 6 мс — это задержка, близкая к пределу, за которым начинаются нарушения качества передачи голоса. При вы­боре размера ячейки в 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 АТМ 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 АТМ проанали­зировали всевозможные образцы трафика, создаваемые различными приложе­ниями, и выделили 4 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 АТМ. 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 голос 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 пульсации. Разработчики технологии АТМ решили выделить два различных типа трафика в отношении этого параметра — трафик с постоянной битовой скоростью (Constant Bit RateCBR) и трафик с переменной битовой скоростью (Variable Bit RateVBR).

К разным классам были отнесены трафики, порождаемые приложениями, ис­пользующими для обмена сообщениями протоколы с установлением соединения и без установления соединения. В первом случае данные передаются самим при­ложением достаточно надежно, как это обычно делают протоколы с установле­нием соединения, поэтому от сети АТМ высокой надежности передачи не требу­ется. А во втором случае приложение работает без установления соединения и восстановлением потерянных и искаженных данных не занимается, что предъяв­ляет повышенные требования к надежности передачи ячеек сетью АТМ.

В результате было определено пять классов трафика, отличающихся следующи­ми качественными характеристиками:

-        наличием или отсутствием пульсации трафика, то есть трафики CBR или VBR;

-        требованием к синхронизации данных между передающей и принимающей сто­ронами;

-        типом протокола, передающего свои данные через сеть АТМ, — с установле­нием соединения или без установления соединения (только для случая пере­дачи компьютерных данных).

Основные характеристики классов трафика АТМ приведены в табл. 17.1.

 

Таблица 17.1. Классы трафика АТМ

Класс трафика

Характеристика

А

Постоянная битовая скорость — Constant Bit RateCBR

Требуются временные соотношения между передаваемыми и принимаемыми данными

С установлением соединения

Примеры: голосовой трафик, трафик телевизионного изображения

В

Переменная битовая скорость — Variable Bit RateVBR

Требуются временные соотношения между передаваемыми и принимаемыми данными

С установлением соединения

Примеры: компрессированныи голос, компрессированное видеоизображение

С

Переменная битовая скорость — Variable Bit RateVBR

He требуются временные соотношения между передаваемыми и принимаемыми данными

С установлением соединения

Примеры: трафик компьютерных сетей, в которых конечные узлы работают по протоколам с установлением соединений: frame relay, Х.25, LLC2, TCP

D

Переменная битовая скорость — Variable Bit RateVBR

He требуются временные соотношения между передаваемыми и принимаемыми данными

Без установления соединения

Примеры: трафик компьютерных сетей, в которых конечные узлы работают по протоколам без установления соединений (IPEthernetDNSSNMP)

Х

Тип трафика и его параметры определяются пользователем

 

Очевидно, что только качественных характеристик, задаваемых классом трафи­ка, для описания требуемых услуг недостаточно. В технологии АТМ для каждо­го класса трафика определен набор количественных параметров, которые прило­жение должно задать. Например, для трафика класса А необходимо указать постоянную скорость, с которой приложение будет посылать данные в сеть, а для трафика класса В — максимально возможную скорость, среднюю скорость и максимально возможную пульсацию. Для голосового трафика можно не толь­ко указать на важность синхронизации между передатчиком и приемником, но и количественно задать верхние границы задержки и вариации задержки ячеек.

В технологии АТМ поддерживается следующий набор основных количествен­ных параметров:

-        Peak Cell Rate (PCR) — максимальная скорость передачи данных;

-        Sustained Cell Rate (SCR) — средняя скорость передачи данных;

-        Minimum Cell Rate (MCR) — минимальная скорость передачи данных;

-        Maximum Burst Size (MBS) — максимальный размер пульсации;

-        Cell Loss Ratio (CLR) — доля потерянных ячеек;

-        Cell Transfer Delay (CTD) — задержка передачи ячеек;

-        Cell Delay Variation (CDV) — вариация задержки ячеек.

Параметры скорости измеряются в ячейках в секунду, максимальный размер пульсации — в ячейках, а временные параметры — в секундах. Максимальный размер пульсации определяет количество ячеек, которое приложение может пе­редать с максимальной скоростью PCR, если задана средняя скорость. Доля по­терянных ячеек является отношением потерянных ячеек к общему количеству отправленных ячеек по данному виртуальному соединению. Так как виртуаль­ные соединения являются дуплексными, то для каждого направления соедине­ния могут быть заданы разные значения параметров. В технологии АТМ принят не совсем традиционный подход к трактовке термина «качество обслуживания» (QoS). Обычно качество обслуживания трафика ха­рактеризуется параметрами пропускной способности (здесь это PCRSCRMCRMBS), параметрами задержек пакетов (CTD и CDV), а также параметрами на­дежности передачи пакетов (CLR). В АТМ характеристики пропускной способности называют параметрами трафика и не включают их в число параметров качества обслуживания QoS, хотя, по существу, они таковыми являются. Параметрами QoS в АТМ являются только параметры CTDCDV и CLR. Сеть стара­ется обеспечить такой уровень услуг, чтобы поддерживались требуемые значения и для параметров трафика, и для задержек ячеек, и для доли потерянных ячеек.

Соглашение между приложением и сетью АТМ называется трафик-контрактом. Основным его отличием от соглашений, применяемых в сетях frame relay, явля­ется выбор одного из нескольких определенных классов трафика, для которого наряду с параметрами пропускной способности трафика могут указываться па­раметры задержек ячеек, а также параметр надежности доставки ячеек. В сети frame relay класс трафика один, и он характеризуется только параметрами про­пускной способности.

Необходимо подчеркнуть, что задание только параметров трафика (вместе с па­раметрами QoS) часто не полностью характеризует требуемую услугу, поэтому задание класса трафика полезно для уточнения нужного характера обслужива­ния данного соединения сетью.

В некоторых случаях специфика приложения такова, что ее трафик не может быть отнесен к одному из четырех стандартных классов. Для этого случая введен еще один класс X, который не имеет никаких дополнительных описаний, а пол­ностью определяется теми количественными параметрами трафика и QoS, кото­рые оговариваются в трафик-контракте.

Если для приложения не критично поддержание параметров пропускной спо­собности и QoS, то оно может отказаться от задания этих параметров, указав признак «Best Effort» в запросе на установление соединения. Такой тип трафика получил название трафика с неопределенной битовой скоростью — UnspecifiedBit RateUBR.

После заключения трафик-контракта, который относится к определенному вир­туальному соединению, в сети АТМ работает несколько протоколов и служб, обеспечивающих нужное качество обслуживания. Для трафика UBR сеть выде­ляет ресурсы «по возможности», то есть те, которые в данный момент свободны от использования виртуальными соединениями, заказавшими определенные па­раметры качества обслуживания.

Технология АТМ изначально разрабатывалась для поддержки как постоянных, так и коммутируемых виртуальных каналов (в отличие от технологии frame relay, долгое время не поддерживающей коммутируемые виртуальные каналы). Автоматическое заключение трафик-контракта при установлении коммутируе­мого виртуального соединения представляет собой весьма непростую задачу, так как коммутаторам АТМ необходимо определить, смогут ли они в дальнейшем обеспечить передачу трафика данного виртуального канала наряду с трафиком других виртуальных каналов таким образом, чтобы выполнялись требования ка­чества обслуживания каждого канала.

 

34.  Протоколы уровня адаптации АТМ (AAL1, AAL2, AAL3/4, AAL5).

Уровень адаптации (АТМ Adaptation LayerAAL) представляет собой набор протоколов AAL1-AAL5, которые преобразуют сообщения протоколов верхних уровней сети АТМ в ячейки АТМ нужного формата. Функции этих уровней дос­таточно условно соответствуют функциям транспортного уровня модели OSI, например функциям протоколов TCP или UDP. Протоколы AAL при передаче пользовательского трафика работают только в конечных узлах сети, как и транс­портные протоколы большинства технологий.

Каждый протокол уровня AAL обрабатывает пользовательский трафик опреде­ленного класса. На начальных этапах стандартизации каждому классу трафика соответствовал свой протокол AAL, который принимал в конечном узле пакеты от протокола верхнего уровня и заказывал с помощью соответствующего прото­кола нужные параметры трафика и качества обслуживания для данного вирту­ального канала. При развитии стандартов АТМ такое однозначное соответствие между классами трафика и протоколами уровня AAL исчезло, и сегодня разре­шается использовать для одного и того же класса трафика различные протоколы уровня AAL.

Уровень адаптации состоит из нескольких подуровней. Нижний подуровень AAL называется подуровнем сегментации и реассемблирования (Segmentation AndReassemblySAR). Эта часть не зависит от типа протокола AAL (и, соответствен­но, от класса передаваемого трафика) и занимается разбиением (сегментацией) сообщения, принимаемого AAL от протокола верхнего уровня, на ячейки АТМ, снабжением их соответствующим заголовком и передачей уровню АТМ для от­правки в сеть.

Верхний подуровень AAL называется подуровнем конвергенции (Convergence SublayerCS). Этот подуровень зависит от класса передаваемого трафика. Про­токол подуровня конвергенции решает такие задачи, как обеспечение временной синхронизации между передающим и принимающим узлами (для трафика, тре­бующего такой синхронизации), контроль и возможное восстановление би­товых ошибок в пользовательской информации, контроль целостности переда­ваемого пакета компьютерного протокола (Х.25, frame relay).

Протоколы AAL для выполнения своей работы используют служебную инфор­мацию, размещаемую в заголовках уровня AAL. После приема ячеек, пришед­ших по виртуальному каналу, подуровень SAR протокола AAL собирает послан­ное по сети исходное сообщение (в общем случае разбитое на несколько ячеек АТМ) с помощью заголовков AAL, которые для коммутаторов АТМ являются прозрачными, так как помещаются в 48-битном поле данных ячейки, как и пола­гается протоколу более высокого уровня. После сборки исходного сообщения протокол AAL проверяет служебные поля заголовка и концевика кадра AAL и на их основании принимает решение о корректности полученной информации.

Ни один из протоколов AAL при передаче пользовательских данных конечных узлов не занимается восстановлением потерянных или искаженных данных. Максимум, что делает протокол AAL, — уведомляет конечный узел о таком со­бытии. Так сделано для ускорения работы коммутаторов сети АТМ в расчете на то, что случаи потерь или искажений данных будут редкими. Восстановление потерянных данных (или игнорирование этого события) отводится протоколам верхних уровней, не входящим в стек протоколов технологии АТМ.

Протокол AALобычно обслуживает трафик класса А с постоянной битовой скоростью (Constant Bit RateCBR), который характерен, например, для цифро­вого видео и цифровой речи и чувствителен к временным задержкам. Этот тра­фик передается в сетях АТМ таким образом, чтобы эмулировать обычные выде­ленные цифровые линии. Заголовок AAL1 занимает в поле данных ячейки АТМ один или два байта, оставляя для передачи пользовательских данных соответст­венно 47 или 46 байт. В заголовке один байт отводится для нумерации ячеек, чтобы приемная сторона могла судить о том, все или не все посланные ячейки дошли до нее. При отправке голосового трафика временная отметка каждого за­мера известна, так как они следуют друг за другом с интервалом в 125 мкс, по­этому при потере ячейки можно скорректировать временную привязку байтов следующей ячейки, сдвинув ее на 125х46 мкс. Потеря нескольких байтов заме­ров голоса не так страшна, так как на приемной стороне воспроизводящее обору­дование сглаживает сигнал. В задачи протокола AAL1 входит сглаживание не­равномерности поступления ячеек данных в узел назначения.

Протокол AALбыл разработан для передачи трафика класса В, но при разви­тии стандартов его исключили из стека протоколов АТМ, и сегодня трафик класса В передается с помощью протокола AAL1, AAL3/4 или AAL5.

Протокол AAL3/4 обрабатывает пульсирующий трафик — обычно характерный для трафика локальных сетей — с переменной битовой скоростью (Variable BitRateVBR). Этот трафик обрабатывается так, чтобы не допустить потерь ячеек, но ячейки могут задерживаться коммутатором. Протокол AAL3/4 выполняет сложную процедуру контроля ошибок при передаче ячеек, нумеруя каждую со­ставляющую часть исходного сообщения и снабжая каждую ячейку контрольной суммой. Правда, при искажениях или потерях ячеек уровень не занимается их восстановлением, а просто отбрасывает все сообщение — то есть все оставшиеся ячейки, так как для компьютерного трафика или компрессированного голоса по­теря части данных является фатальной ошибкой. Протокол AAL3/4 представля­ет собой результат слияния протоколов AAL3 и AAL4, которые обеспечивали поддержку трафика компьютерных сетей соответственно с установлением соеди­нения и без установления соединения. Однако ввиду большой близости исполь­зуемых форматов служебных заголовков и логики работы протоколы AAL3 и AAL4 были впоследствии объединены.

Протокол AALявляется упрощенным вариантом протокола AAL4 и работает быстрее, так как вычисляет контрольную сумму не для каждой ячейки сообще­ния, а для всего исходного сообщения в целом и помещает ее в последнюю ячей­ку сообщения. Первоначально протокол AAL5 разрабатывался для передачи кад­ров сетей frame relay, но теперь он чаще всего применяется для передачи любого компьютерного трафика. Протокол AAL5 может поддерживать различные пара­метры качества обслуживания, кроме тех, которые связаны с синхронизацией передающей и принимающей сторон. Поэтому он обычно используется для под­держки всех классов трафика, относящегося к передаче компьютерных данных, то есть классов С и D. Некоторые производители оборудования с помощью про­токола AAL5 обслуживают трафик CBR, оставляя задачу синхронизации трафи­ка протоколам верхнего уровня.

Протокол AAL5 работает не только в конечных узлах, но и в коммутаторах сети АТМ. Однако там он выполняет служебные функции, не связанные с передачей пользовательских данных. В коммутаторах АТМ протокол AAL5 поддерживает служебные протоколы более высоких уровней, занимающиеся установлением коммутируемых виртуальных соединений.

Существует определенный интерфейс между приложением, которому требуется передать трафик через сеть АТМ, и уровнем адаптации AAL. С помощью этого интерфейса приложение (протокол компьютерной сети, модуль оцифровывания голоса) заказывает требуемую услугу, определяя тип трафика, его параметры, а также параметры QoS. Технология АТМ допускает два варианта определения параметров QoS: первый — непосредственное задание их каждым приложением, второй — назначение их по умолчанию в зависимости от типа трафика. Послед­ний способ упрощает задачу разработчика приложения, так как в этом случае выбор максимальных значений задержки доставки ячеек и вариации задержек перекладывается на плечи администратора сети.

Самостоятельно обеспечить требуемые параметры трафика и QoS протоколы AAL не могут. Для выполнения соглашений трафик-контракта требуется согла­сованная работа коммутаторов сети вдоль всего виртуального соединения. Эта работа выполняется протоколом АТМ, обеспечивающим передачу ячеек различ­ных виртуальных соединений с заданным уровнем качества обслуживания.

 

 

35.  Сервисные категории трафика в АТМ-сетях: CBRVBRABRUBR.

Категории услуг протокола АТМ и управление трафиком

Для поддержания требуемого качества обслуживания различных виртуальных соединений и рационального использования ресурсов в сети на уровне протокола АТМ реализовано несколько служб, предоставляющих услуги различных ка­тегорий (service categories) по обслуживанию пользовательского трафика. Эти службы являются внутренними службами сети АТМ, они предназначены для поддержания пользовательского трафика различных классов совместно с прото­колами AAL. Но в отличие от протоколов AAL, которые работают в конечных узлах сети, данные службы распределены по всем коммутаторам сети. Услуги этих служб разбиты на категории, которые в общем соответствуют классам трафика, поступающим на вход уровня AAL конечного узла. Услуги уровня АТМ заказываются конечным узлом через интерфейс UNI с помощью протокола Q.2931 при установлении виртуального соединения. Как и при обращении к уровню AAL, при заказе услуги необходимо указать категорию услуги, а также параметры трафика и параметры QoS. Эти параметры берутся из аналогичных параметров уровня AAL или же определяются по умолчанию в зависимости от категории услуги.

Всего на уровне протокола АТМ определено пять категорий услуг, которые под­держиваются одноименными службами:

-        CBR — услуги для трафика с постоянной битовой скоростью;

-        rtVBR — услуги для трафика с переменной битовой скоростью, требующего соблюдения средней скорости передачи данных и синхронизации источника и приемника;

-        nrtVBR — услуги для трафика с переменной битовой скоростью, требующего соблюдения средней скорости передачи данных и не требующего синхрониза­ции источника и приемника;

-        ABR — услуги для трафика с переменной битовой скоростью, требующего со­блюдения некоторой минимальной скорости передачи данных и не требую­щего синхронизации источника и приемника;

-        UBR — услуги для трафика, не предъявляющего требований к скорости пере­дачи данных и синхронизации источника и приемника.

Названия большинства категорий услуг совпадают с названием типов пользова­тельского трафика, для обслуживания которого они разработаны, но необходимо понимать, что сами службы уровня АТМ и их услуги — это внутренние механиз­мы сети АТМ, которые экранируются от приложения уровнем AAL.

Услуги категории CBR предназначены для поддержания трафика синхронных приложений — голосового, эмуляции цифровых выделенных каналов и т. п. Когда приложение устанавливает соединение категории CBR, оно заказывает пиковую скорость трафика ячеек PCR, являющуюся максимальной скоростью, которую может поддерживать соединение без риска потерять ячейку, а также параметры QoS: величины максимальной задержки ячеек CTD, вариации задержки ячеек CDV и максимальной доли потерянных ячеек CLR.

Затем данные передаются по этому соединению с запрошенной скоростью — не с большей и, в большинстве случаев, не меньшей, хотя уменьшение скорости приложением возможно, например, при передаче компрессированного голоса с помощью услуги категории CBR. Любые ячейки, передаваемые станцией с боль­шей скоростью, контролируются первым коммутатором сети и помечаются при­знаком CLP = 1. При перегрузках сети они могут просто отбрасываться сетью. Ячейки, которые запаздывают и не укладываются в интервал, оговоренный пара­метром вариации задержки CDV, также считаются мало значащими для прило­жения и отмечаются признаком низкого приоритета CLP = 1.

Для соединений CBR нет ограничений на некоторую дискретность заказа скорости PCR, как, например, в каналах Т1/Е1, где скорость должна быть кратна 64 кбит/с.

По сравнению со службой CBR, службы VBR требуют более сложной процедуры заказа соединения между сетью и приложением. В дополнение к пиковой скоро­сти PCR приложение VBR заказывает еще и два других параметра: длительно поддерживаемую скорость — SCR, которая представляет собой среднюю ско­рость передачи данных, разрешенную приложению, а также максимальный раз­мер пульсации — MBS. Максимальный размер пульсации измеряется в количе­стве ячеек АТМ. Пользователь может превышать скорость вплоть до величины PCR, но только на короткие периоды времени, в течение которых передается объем данных, не превышающий MBS. Этот период времени называется терпимостью к пульсации (Burst Tolerance, ВТ). Сеть вычисляет этот период как производный от трех заданных значений PCRSCR и MBS.

Если скорость PCR наблюдается в течение периода времени, большего чем ВТ, то ячейки помечаются как нарушители — устанавливается признак CLP=1.

Для услуг категории rtVBR задаются и контролируются те же параметры QoS, что и для услуг категории CBR, а услуги категории nrtVBR ограничиваются поддержанием параметров трафика. Сеть также поддерживает для обеих катего­рий услуг VBR определенный максимальный уровень доли потерянных ячеек CLR, который либо задается явно при установлении соединения, либо назнача­ется по умолчанию в зависимости от класса трафика.

Для контроля параметров трафика и QoS в технологии АТМ применяется так называемый обобщенный алгоритм контроля скорости ячеек — Generic Cell RateAlgorithm, который может проверять соблюдение пользователем и сетью таких параметров, как PCRCDVSCR, ВТ, CTD и CDV. Он работает по модифициро­ванному алгоритму «дырявого ведра», применяемому в технологии frame relay.

Для многих приложений, которые могут быть чрезвычайно «взрывными» в от­ношении интенсивности трафика, невозможно точно предсказать параметры тра­фика, оговариваемые при установлении соединения. Например, обработка тран­закций или трафик двух взаимодействующих локальных сетей непредсказуемы по своей природе — изменения интенсивности трафика слишком велики, чтобы заключить с сетью какое-либо разумное соглашение.

В отличие от CBR и обеих служб VBR, служба UBR не поддерживает ни пара­метры трафика, ни параметры качества обслуживания. Служба UBR предлагает только доставку «по возможности» без каких-либо гарантий. Разработанная спе­циально для превышения полосы пропускания, служба UBR представляет собой частичное решение для тех непредсказуемых «взрывных» приложений, которые не готовы согласиться с фиксацией параметров трафика.

Главными недостатками услуг UBR являются отсутствие механизмов управле­ния потоком данных и неспособность принимать во внимание другие типы тра­фика. Несмотря на перегрузку сети, соединения UBR будут продолжать передачу данных. Коммутаторы сети могут буферизовать некоторые ячейки поступающе­го трафика, но в некоторый момент буферы переполняются, и ячейки теряются. А так как для соединений UBR не оговаривается никаких параметров трафика и QoS, то их ячейки отбрасываются в первую очередь.

Служба ABR подобно службе UBR предоставляет возможность превышения по­лосы пропускания, но благодаря технике управления трафиком при перегрузке сети она дает некоторые гарантии сохранности ячеек. ABR — это первый тип служб уровня АТМ, который действительно обеспечивает надежный транспорт для пульсирующего трафика за счет того, что может находить неиспользуемые интервалы в общем трафике сети и заполнять их своими ячейками, если другим категориям служб эти интервалы не нужны.

Как и в службах CBR и VBR, при установлении соединения категории ABR ого­варивается значение пиковой скорости PCR. Однако соглашение о пределах из­менения задержки передачи ячеек или о параметрах пульсации не заключается. Вместо этого сеть и конечный узел заключают соглашение о требуемой мини­мальной скорости передачи MCR. Это гарантирует приложению, работающему в конечном узле, небольшую пропускную способность, обычно минимально необ­ходимую для того, чтобы приложение работало. Конечный узел соглашается не передавать данные со скоростью, выше пиковой, то есть PCR, а сеть соглашается всегда обеспечивать минимальную скорость передачи ячеек MCR.

Если при установлении соединения ABR не задаются значения максимальной и минимальной скоростей, то по умолчанию считается, что PCR совпадает со ско­ростью линии доступа станции к сети, а MCR считается равной нулю.

Трафик соединения категории ABR получает гарантированное качество услуг в отношении доли потерянных ячеек и пропускной способности. Что касается за­держек передачи ячеек, то хотя сеть и старается свести их к минимуму, но гаран­тий по этому параметру не дает. Следовательно, служба ABR не предназначена для приложений реального времени, а предназначена для приложений, в кото­рых поток данных не очень чувствителен к задержкам в передаче.

При передаче трафика CBRVBR и UBR явное управление перегрузками в сети отсутствует. Вместо этого используется механизм отбрасывания ячеек-наруши­телей, а узлы, пользующиеся услугами CBR и VBR, стараются не нарушать ус­ловия контракта под угрозой потери ячеек, поэтому они обычно не задействуют дополнительную пропускную способность, даже если она в данный момент дос­тупна в сети.

Служба ABR позволяет воспользоваться резервами пропускной способности сети, так как сообщает конечному узлу о наличии в данный момент избыточной пропускной способности с помощью механизма обратной связи. Этот же меха­низм может помочь службе ABR снизить скорость передачи данных конечным узлом в сеть (вплоть до минимального значения MCR), если сеть испытывает перегрузку.

Узел, пользующийся услугами ABR, должен периодически посылать в сеть на­ряду с ячейками данных специальные служебные ячейки управления ресур­сами — Resource ManagementRM. Ячейки RM, которые узел отправляет вдоль потока данных, называются прямыми ячейками RM — Forward Resource Mana­gement(FRM), а ячейки, которые идут в обратном по отношению к потоку дан­ных направлении, называются обратными ячейками RM — Backward ResourceManagement (BRM).

Существует несколько петель обратной связи. Самая простая петля обратной связи — между конечными станциями. При ее наличии коммутатор сети изве­щает конечную станцию о перегрузке с помощью специального флага в поле прямого управления перегрузками (флаг EFCI) ячейки данных, переносимой протоколом АТМ. Затем конечная станция посылает через сеть сообщение, со­держащееся в специальной ячейке управления BRM исходной станции, говоря ей о необходимости снизить скорость посылки ячеек в сеть.

В этом способе конечная станция несет основную ответственность за управление потоком, а коммутаторы играют пассивную роль в петле обратной связи, только уведомляя станцию-отправитель о перегрузке.

Такой простой способ имеет несколько очевидных недостатков. Конечная стан­ция не узнает из сообщения BRM, на какую величину нужно уменьшить ско­рость передачи данных в сеть. Поэтому она просто понизит скорость до мини­мальной величины MCR, хотя, возможно, это и не обязательно. Кроме того, при большой протяженности сети коммутаторы должны продолжать буферизовать данные все время, пока уведомление о перегрузке будет путешествовать по сети, а для глобальных сетей это время может быть достаточно большим, и буферы могут переполниться, так что требуемый эффект достигнут не будет.

Разработаны и более сложные схемы управления потоком, в которых коммута­торы играют более активную роль, а узел-отправитель узнает более точно о воз­можной в данный момент скорости отправки данных в сеть.

В первой схеме узел-источник посылает в ячейке FRM явное значение скорости передачи данных в сеть, которую он хотел бы поддерживать в данное время. Ка­ждый коммутатор, через который проходит по виртуальному пути это сообще­ние, может уменьшить запрашиваемую скорость до некоторой величины, кото­рую он способен поддерживать в соответствии с имеющимися у него свободными ресурсами (или оставить запрашиваемую скорость без изменения). Узел назна­чения, получив ячейку FRM, превращает ее в ячейку BRM и отправляет в обрат­ном направлении, причем он тоже может уменьшить запрашиваемую скорость. Получив ответ в ячейке BRM, узел-источник точно узнает, какая скорость от­правки ячеек в сеть для него в данный момент доступна.

Во второй схеме каждый коммутатор сети может работать как узел-источник и узел назначения. Как узел-источник он может сам генерировать ячейки FRM и отправлять их по имеющимся виртуальным каналам. Как узел назначения он может отправлять на основе получаемых ячеек FRM ячейки BRM в обратном направлении. Такая схема является более быстродействующей и полезной в про­тяженных территориальных сетях.

Как видно из описания, служба ABR предназначена не только для прямого под­держания требований к обслуживанию конкретного виртуального соединения, но и для более рационального распределения ресурсов сети между ее абонента­ми, что в конечном итоге также приводит к повышению качества обслуживания всех абонентов сети.

Коммутаторы сети АТМ используют различные механизмы для поддержания требуемого качества услуг. Кроме описанных в стандартах ITU-T и АТМ Forumмеханизмов заключения соглашения на основе параметров трафика и пара­метров QoS, а затем отбрасывания ячеек, не удовлетворяющих условиям согла­шения, практически все производители оборудования АТМ реализуют в своих коммутаторах несколько очередей ячеек, обслуживаемых с различными приори­тетами.

Стратегия приоритетного обслуживания трафика основана на категориях услуг каждого виртуального соединения. До принятия спецификации ABR в большин­стве коммутаторов АТМ была реализована простая одноуровневая схема обслу­живания, которая давала трафику CBR первый приоритет, трафику VBR второй, а трафику UBR — третий. При такой схеме комбинация CBR и VBR может по­тенциально заморозить трафик, обслуживаемый другим классом служб. Такая схема не будет правильно работать с трафиком ABR, так как не обеспечит его требования к минимальной скорости передачи ячеек. Для обеспечения этого тре­бования должна быть выделена некоторая гарантированная полоса пропускания.

Чтобы поддерживать службу ABR, коммутаторы АТМ должны реализовать двух­уровневую схему обслуживания, которая бы удовлетворяла требованиям CBRVBR и ABR. По этой схеме коммутатор предоставляет некоторую часть своей пропускной способности каждому классу служб. Трафик CBR получает часть пропускной способности, необходимую для поддержания пиковой скорости PCR, трафик VBR получает часть пропускной способности, необходимую для поддер­жания средней скорости SCR, а трафик ABR получает часть пропускной способ­ности, достаточную для обеспечения требования минимальной скорости ячеек MCR. Это гарантирует, что каждое соединение может работать без потерь ячеек и не будет доставлять ячейки ABR за счет трафика CBR или VBR. На втором уровне этого алгоритма трафик CBR и VBR может забрать всю оставшуюся про­пускную способность сети, если это необходимо, так как соединения ABR уже получили свою минимальную пропускную способность, которая им гарантировалась.

Отдельной задачей, которую нужно решать для поддержки корректной работы описанных служб и, соответственно, обеспечения заданного уровня QoS для всех классов трафика, является оптимизация работы сети АТМ методами инжи­ниринга трафика (ТЕ). Использование в сетях АТМ (как и в сетях frame relay) техники виртуальных каналов создает хорошие предпосылки для решения зада­чи ТЕ. Однако каких-либо автоматизированных процедур для динамического выбора маршрутов следования виртуальных путей в целях обеспечения сбалан­сированной загрузки ресурсов сети пока не существует. Вся работа по оптимизации маршрутов должна выполняться предварительно, с помощью каких-либо внешних программных систем моделирования или оптимизации сети, а затем вручную реализовываться за счет установления постоянных виртуальных кана­лов PVC в соответствии с выбранными маршрутами. Тем не менее, сама возможность оптимизации загрузки сети путем рационального выбора путей следова­ния виртуальных сетей является очень привлекательной, в особенности для операторов связи, которым необходимо соблюсти баланс между объемами пере­даваемого трафика и качеством предоставляемых услуг.

 

 

 

 

содержание   ..  1  2  3  4  5  6  7  8  9  10    ..