Категории услуг протокола ATM и управление трафиком

Для поддержания требуемого качества обслуживания различных виртуальных соединений и рационального использования ресурсов в сети на уровне протокола ATM реализовано несколько служб, предоставляющих для обслуживания поль­зовательского трафика услуги различных категорий. Эти службы являются внут­ренними службами сети ATM, 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 ATM 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.

Веет на уровне протокола ATM определено пять категорий услуг: '•,:: х „ Ш CBR {Constant Bit Rate) — услуги для трафика с постоянной битовой скоростью; Л⁴ *

Ш. rtVBR (reaWm^ Variable Bit Rati}.—услуги для трафика с переменной битоаОй $кор<клыо>' * - требующего, соблюдения средней скоросгти передачк данных и синхронизации источника; и приемника: \ ^ ⁴ Л \ ^% -; V ⁴ Л Л

т n rtVBR (поп real-time Viable BitRate) — ycfl^ битовой ско­

ростью/ требующего соблюдения средней скорости передачи данных и не требующего, синхронизации источника и приемника;.; v v. л ^ / \

* ABR (Available Bit Rate) — услуга длятрафика о переменной битовой скоростью, требую-, _: щего соблюдения некоторой.минимальной, скорости передачи дйнньис. и не требующего _w.синхронизацииисточника и приемника;. '/. ' j /.

ш UBR {Unspecified Bit Rate)—услуги доя трафика-, не предъявляющего требований^ <жо-, ⁴ рости передачи данных й синхронизации источника и приемника, ^ '•⁴ ^ \ ^ -' -

Названия большинства категорий услуг совпадают с названием типов пользова­тельского трафика, для обслуживания которого они разработаны, но необходимо понимать, что сами службы уровня ATM и их услуги — это внутренние механиз­мы сети ATM, 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 передачи ячеек (PCR), являющуюся максимальной скоростью, кото­рую может поддерживать соединение без риска потерять ячейку, а также пара­метры QoS: величины максимальной задержки ячеек (CTD), вариации задержек 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 с меньшей, хотя уменьшение скорости приложением возможно, например, при передаче компрессированного голоса при выполнении 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 пульсаций — MBS. Максимальный размер пульсаций измеряется в количе­стве ATM-ячеек. 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 пульсациям (Burst Tolerance, ВТ). Сеть вычисляет этот период как производный от трех заданных значений PCR, SCR и MBS.

Если скорость PCR наблюдается в течение периода времени, большего чем ВТ, то ячейки помечаются как «нарушители» — устанавливается признак CLP ^e 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 ATM применяется так называемый обобщенный алгоритм контроля скорости ячеек, который может проверять соблюдение пользователем и сетью таких параметров, как PCR, CDV, SCR, 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 с максимальными усилиями (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 ATM, который действительно обеспечивает надежный транспорт для пульсирующего трафика за счеттого, что может находитьнеисяользуемые т- тервалы 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 задержек передачи ячеек или о параметрах пульсаций 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.

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 скорость 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 предназначена не для приложений реального времени, а для приложений, в которых поток дан­ных не очень чувствителен к задержкам в передаче.

При передаче трафика CBR, VBR и UBR явное управление перегрузками в сети отсутствует. Вместо этого используется механизм отбрасывания ячеек-наруши- телей, 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 администрирования ресурсов (Resource Management, RM). RM-ячейки, которые узел отправляет вдоль потока данных, называются ячейками прямого администрирования ресурсов (For­ward Resource Management, FRM), а ячейки, которые идут в обратном по отно­шению к потоку данных направлении, называются ячейками обратного админи­стрирования ресурсов (Backward Resource Management, 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 ATM. Затем конечная станция посылает через сеть сообщение, содержаще­еся в специальной ячейке BRM, говоря станции-отправителю 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 BRM-сообщения, насколько нужно снизить скорость передачи данных в сеть. Поэтому она просто снизит скорость до величины MCR, хотя, возможно, это и не обязательно. Кроме того, при большой протяженности сети коммутаторы вынуждены 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 точнее узнает о возмож­ной в данный момент скорости отправки данных в сеть.

В первой схеме узел-источник посылает в FRM-ячейке 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 снизить 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 FRM-ячейку, отправляет ее обратно в виде BRM-ячейки, причем он тоже может снизить запрашиваемую скорость. Получив ответ в BRM-ячейке, узел-источник точно узнает, какая скорость отправки ячеек в сеть для него дос­тупна.

Во второй схеме каждый коммутатор сети может работать и как источник, и как приемник. Как узел-источник он может сам генерировать FRM-ячейки и отправ­лять их по имеющимся виртуальным каналам. Как узел-приемник он может отправлять на основе получаемых FRM-ячеек BRM-ячейки 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 ATM используют различные механизмы для поддержания требуемого качества обслуживания. Помимо описанных в стандартах комитета ITU-T и форума ATM механизмов заключения соглашения на основе парамет­ров трафика и QoS с последующим отбрасыванием ячеек, не удовлетворяющих условиям соглашения, практически все производители оборудования ATM pea- лизуют в своих коммутаторах несколько очередей ячеек, обслуживаемых с раз­ными приоритетами.

Стратегия приоритетного обслуживания трафика основана на категориях услуг каждого виртуального соединения. До принятия спецификации ABR в большин­стве коммутаторов ATM была реализована простая одноуровневая схема обслу­живания, которая давала трафику CBR первый приоритет, трафику VBR — вто­рой, а трафику UBR — третий. При такой схеме комбинация услуг 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 ATM должны реализовать двух­уровневую схему обслуживания, которая бы удовлетворяла требованиям CBR, VBR 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 будет работать без потерь ячеек и не будет доставлять ABR-ячейки 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 ATM методами инжини­ринга трафика (ТЕ). Использование в сетях ATM (как и в сетях Frame Relay) техники виртуальных каналов создает хорошие предпосылки для решения зада­чи ТЕ. В технологии Frame Relay 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 виешних программных систем моделирования или оптимизации сети, а затем вручную реализовываться за счет установления постоянных виртуаль­ных каналов в соответствии с выбранными маршрутами.

В сетях ATM в выборе маршрута для виртуальных каналов и путей может участ­вовать протокол маршрутизации PNNI, который для прокладки новых виртуаль­ных каналов учитывает не только номинальную, но и доступную в данный мо­мент пропускную способность.

Пример

Рассмотрим крупную сеть ATM энергетической компании I-Energy. По масштабу и ре­шаемым задачам эта компания похожа на компанию ABC-Power, с которой мы познако­мились в главе 11. Напомним, что основными особенностями энергетической компании являются:

О рассредоточенность объектов (электростанций и распределительных станций) по большой территории, так что расстояния между узлами сети могут составлять де­сятки, а иногда и сотни километров;

О эффективное управление такой компанией требует наличия сервисов передачи данных различного типа, в том числе телефонных сервисов, специализированных диспетчерских голосовых сервисов, сервисов передачи телеметрической информа­ции в реальном масштабе времени, сервисов компьютерной системы управления предприятием.

Первые три вида сервисов являются чувствительными к задержкам, а третий манипу­лирует в основном эластичными данными. Как мы знаем, совместить трафик этих двух классов очень сложно для сети с коммутацией пакетов, решение такой задачи требует применения технологий, поддерживающих параметры QoS и резервирование полосы пропускания.

Вы, очевидно, помните, что компания ABC-Power не стала подвергать себя риску вне­дрения новейших технологий* обеспечивающих показатели QoS, а выбрала более тра­диционный вариант. Она развернула первичную сеть SDH с магистралью 622 Мбит/с и сетью доступа 155 Мбит/с. Затем образовавшиеся физические каналы (соединения SDH) были использованы для создания нескольких независимых наложенных сетей: компьютерной, телефонной, диспетчерской и телеметрии. При таком подходе каждая наложенная сеть (и, соответственно, ее сервисы) получает в свое распоряжение кана­лы фиксированной пропускной способности. Преимуществом здесь является то, что пропускная способность каждого канала всегда находится в полном распоряжении со­ответствующей сети, так что данные передаются с нужной скоростью и без задержек. Как мы знаем, это общие свойства метода коммутации каналов, который применяется в SDH. Помним мы и о «врожденных» недостатках этого метода, а именно невозмож­ности перераспределить пропускную способность каналов, даже если на протяжении какого-то времени она не используется той сетыо, которой была выделена.

Компания I-Energy решила пойти другим путем. Она не стала создавать первичную сеть SDH, а имеющимися в ее распоряжении «темными» оптическими волокнами со­единила коммутаторы ATM, установленные на всех объектах предприятия. Сеть ATM получилась крупномасштабной: более 40 узлов, общая протяженность оптического во­локна составила около 1500 км, а наиболее протяженный участок между соседними коммутаторами ATM оказался равен 126 км. Магистраль сети образована коммутато­рами ATM с интерфейсами 622 и 155 Мбит/с, а коммутаторы сети доступа оснащены в основном интерфейсами 2 Мбит/с, к которым присоединены учережден чес ко-про­изводственные АТС (УПАТС) корпоративной телефонной сети и IP-маршрутизаторы компьютерной сети. Устройства доступа диспетчерской сети и сети телеметрии под­ключаются к сети ATM не непосредственно, а через УПАТС.

Телефонная сеть I-Energy насчитывает шесть крупных офисных АТС емкостью от 500 до 2000 номеров. Кроме того, имеются 12 станций меньшей емкости и 38 совсем небольших станций, установленных в относительно «малонаселенных» подразделениях организации.

УПАТС подключаются к коммутаторам ATM каналами Е1. Для связи УПАТС верх­него уровня используются каналы PVC с полносвязной топологией. Двенадцать АТС следующего уровня имеют прямые каналы связи с тремя-четырьмя АТС верхнего уровня иерархии, а каждая из 38 станций самого нижнего уровня соединена с тремя- четырьмя УПАТС второго уровня. Все связи между УПАТС второго и третьего уров­ней также образованы с помощью PVC. Для обеспечения требуемых параметров QoS

все каналы PVC между УПАТС предоставляют услуги CBR с соответствующей вели­чиной резервируемой пропускной способности. Однако в отличие от соединений SDH ка­налы PVC сети ATM полностью потребляют выделенную им пропускную способность только в периоды времени, когда трафик CBR действительно имеет максимальную ин­тенсивность. Все остальное время неиспользуемая трафиком CBR пропускная способ­ность выделяется компьютерному трафику, который обслуживается как трафик UBR.

Выводы

Техника виртуальных каналов заключается в разделении операций маршрутизации и коммута­ции пакетов. Первый пакет таких сетей содержит адрес вызываемого абонента и прокладывает виртуальный путь в сети, настраивая промежуточные коммутаторы. Остальные пакеты проходят по виртуальному каналу в режиме коммутации на основании номера виртуального канала.

Достоинствами техники виртуальных каналов являются ускоренная коммутация пакетов по но­меру виртуального канала, а также сокращение адресной части пакета, а значит, и избыточно­сти заголовка. К недостаткам следует отнести невозможность распараллеливания потока дан­ных между двумя абонентами по параллельным путям, а также неэффективность установления виртуального пути для кратковременных потоков данных.

Сети Х.25 относятся к одной из наиболее старых и отработанных технологий глобальных се­тей. Трехуровневый стек протоколов сетей Х.25 хорошо зарекомендовал себя на ненадежных зашумленных линях связи, исправляя ошибки и управляя потоком данных на канальном и па­кетном уровнях.

Сети Frame Relay работают на основе постоянных виртуальных каналов, а служба коммутируе­мых виртуальных каналов стала применяться на практике только недавно. Сети Frame Relay создавались специально для передачи пульсирующего компьютерного трафика, поэтому при резервировании пропускной способности указывается средняя скорость передачи (CIR) и со­гласованный объем пульсаций (Вс).

Технология ATM является дальнейшим развитием идей предварительного резервирования про­пускной способности виртуального канала, реализованных в технологии Frame Relay. Техноло­гия ATM поддерживает основные типы трафика, существующие у абонентов разного типа: тра­фик CBR, характерный для телефонных сетей и сетей передачи изображения, VBR, характерный для компьютерных сетей, а также для передачи компрессированных голоса и изображения.

Для каждого типа трафика пользователь может заказать у сети значения нескольких пара­метров качества обслуживания — максимальную битовую скорость (PCR), среднюю битовую скорость (SCR), максимальную величину пульсаций (MBS), а также необходимость контроля временных соотношений между передатчиком и приемником, что важно для трафика, чувстви­тельного к задержкам.

Технология ATM сама не определяет новые стандарты для физического уровня, а пользуется существующими. Основным стандартом для ATM является физический уровень каналов техно­логий SONET/SDH и PDH.