Основные принципы построения сети ATM

Соглашение по трафику, управление соединением и административное управление трафиком

Все указанные в заголовке характеристики представляют группу функций управления, которые вместе гарантируют, что соединение получит соответствующий уровень обслуживания. Для того чтобы обеспечить гарантированное качество обслуживания для каждого соединения, сеть должна найти ресурсы для каждого нового соединения. В частности, сеть должна гарантировать, что новые соединения виртуальных каналов или путей будут подключены к портам, имеющим достаточную производительность и достаточную буферную память, чтобы обработать поступившее соединение. При этом должны быть использованы алгоритмы, гарантирующие выполнение заданных показателей в части задержек по времени и потерь ячеек.

Управление соединением (Connection Admission Control - CAC) - эта функция сети, которая определяет, должен ли запрос о новом соединении быть принят или быть отклонен.

Если запрос принят, пользователь и сеть, как говорят, вступают в соглашение по трафику. Соглашение для каждого соединения содержит категорию обслуживания ATM, описание трафика и параметры качества обслуживания. Процедура управления соединением обращается к описанию предложенного для данного запроса трафика и параметрам качества обслуживания и определяет:

• имеются ли достаточные ресурсы по всему маршруту от источника до пункта назначения, чтобы обеспечить требуемые показатели для нового соединения,
• не ухудшаются ли характеристики для уже установленных соединений.

Алгоритмы CAC не определены стандартами и выбираются каждым сетевым оператором самостоятельно.

Гарантии качества обслуживания действительны, только если пользовательский трафик соответствует соглашению по трафику для данного соединения. Управление использованием параметров (Usage Parameter Control -UPC) - процесс управления приоритетом трафика, он предотвращает поступление избыточного трафика, если все ресурсы сети исчерпаны. Этот процесс выполняет соглашение по трафику для данного пользовательского интерфейса (UNI). В соответствии с этим соглашением определяется, какая ячейка может обрабатываться, соответствует ли она соглашению (конформна) или не соответствует соглашению (неконформна) для этого соединения. Алгоритм базовой скорости ячеек (GCRA – Generic Cell Rate Algorithm) следит за выполнением характеристик трафика. Он эквивалентен алгоритму "дырявого ведра", рассмотренному далее в разделе "Стратегия безопасности", и может использоваться для определения, соответствует ли ячейка указанным в соглашении пиковой скорости и допустимому разбросу времени задержки (CDVT– Cell Delay Variation Tolerance).

Ячейки, которые не соответствуют соглашению по трафику, маркируются в заголовке значением бита приоритета потери ячейки (Cell Loss Priority) - . Когда сеть перегружена, ячейки с установленным значением отбрасываются первыми. Таким образом, неконформные ячейки могут быть потеряны с большей вероятностью. Заметим, что общий поток ячеек обозначается .

Алгоритм "дырявого ведра" может быть модифицирован, чтобы проверять не только пиковую скорость и допустимый разброс времени задержки (CDVT), но и поддерживаемую скорость (SCR) и максимальный размер пачки (MBS).

Говорят, что соединение подчиняется соглашению, если процент не конформных ячеек не превышает порога, указанного сетевым оператором. Пока соединение подчиняется соглашению, сеть будет обеспечивать заданное в соглашении качество обслуживания. Если соединение не подчиняется соглашению, сеть может не выполнять качество обслуживания, указанное в соглашении.

Формирование трафика (traffic shaping) - механизм, который позволяет источникам гарантировать, что их трафик соответствует соглашению на соединение.

При формировании трафика алгоритм "дырявое ведро" используется, чтобы выделить неконформные ячейки, которые затем записываются в буфер и передаются позже; таким образом, все ячейки, вводимые в сеть, будут конформны. Механизм "маркированного ведра", используемый для формирования трафика, будет показан далее в разделе "Стратегия безопасности".

Перегрузка может возникнуть в сети, даже если все ячейки, которые вводят в сеть, не соответствуют соглашению на соединение. Такая перегрузка возникает, когда в один момент времени поступает много ячеек от различных соединений. Цель контроля перегрузок состоит в том, чтобы обнаружить начало перегрузки и активизировать механизмы для уменьшения отрицательного воздействия и продолжительности перегрузки. Сети ATM используют два типа контроля перегрузок.

Система с потерями (open-loop control) ячеек включает в себя удаление ячеек со значением бита приоритета потери ячейки CLP=1 во время периодов перегрузки. Начало перегрузки может быть зафиксировано по факту достижения порога объема буферной памяти буферов в коммутаторах и мультиплексорах. Сброс низкоприоритетных ячеек помогает поддерживать качество обслуживания, которое было записано для ячеек с высоким приоритетом.

Второй класс управления перегрузками - система с возвратом данных (closed loop control) - использует явную обратную связь от сети до источников. Этот тип управления соответствует соединениям с доступной битовой скоростью (ABR), которые по определению содержат передатчики, чью входную скорость можно адаптировать к возможностям сети.

Краткие итоги

• ATM объединяет возможности двух технологий - коммутации пакетов и коммутации каналов. ATM преобразует все виды нагрузки в поток ячеек (cell) длиной 53 байта.
• Эталонная модель протоколов BISDN содержит три плоскости: плоскость пользователя (U-plane), плоскость управления (C-plane) и плоскость менеджмента - административного управления (M-plane), и четыре уровня: верхний (прикладной) уровень, уровень адаптации, ATM-уровень.
• Уровень адаптации ATM преобразует блоки данных пользователя (SDU - Service Data Unite) в 48-байтовые блоки, которые переносятся ATM-ячейками. Задача устройства AAL: преобразовать информацию, разбить на блоки и предоставить для передачи через уровень ATM, который позволяет системе передать все характерные особенности данного приложения (например, тактовые последовательности).
• ATM-уровень занимается только последовательной передачей ATM-ячеек, полученных от уровня AAL, в установленном по сети соединении (установлением соединения занимается плоскость управления). ATM-уровень принимает 48-байтовые блоки информации от AAL и дополняет их 5-байтовым заголовком, формируя ячейку (ATM).
• ATM обеспечивает постоянное виртуальное соединение (Permanent Virtual Connection - PVC) и коммутируемые виртуальные соединения (Switch Virtual Connection - SVC). PVC работает как постоянная арендованная между сторонами пользователей линия.
• Исходящий пользователь должен взаимодействовать с сетью с помощью интерфейса "пользователь-сеть" (user-network interface - UNI). В пределах одной сети станции взаимодействуют согласно интерфейсу "сеть-сеть" (network-network interface - NNI). Станции, которые принадлежат разным сетям, взаимодействуют по интерфейсу широкополосной межсетевой связи (Broad Band Intercarrier Interface - B-ICI).
• Физический уровень для обеих рассматриваемых плоскостей разделяется на два подуровня. Подуровень, зависящий от физической среды (PMD - Physical Medium Dependent), нижний из двух подуровней, относится к описанию деталей передачи бит через конкретную среду. Подуровень согласования с системой передачи (TCS - Transmission Convergence Sublayer) устанавливает границы ATM-ячеек в потоке бит; генерирует и контролирует контрольную сумму; вставляет и удаляет "свободные" ATM-ячейки в формат, предназначенный для передачи по заданной физической среде.
• Различные заголовки ATM-ячеек предназначены для использования в интерфейсах "пользователь-пользователь" (UNI), "сеть-сеть" (NNI). Поля этого заголовка: общее поле управления потоком (Generic Flow Control - GFC), идентификатор виртуального пути (IVP - Identifier Virtual Path), идентификатор виртуального канала (IVC - Identifier Virtual Channel), полезная нагрузка.
• Виртуальное соединение - это логическое соединение, организуемое между отправителем и получателем. Принадлежность ячейки к виртуальному соединению (Virtual Channel Connection - VCC) распознается по номеру виртуального соединения, состоящему из номера виртуального канала (Virtual Channel - VC) и виртуального пути (Virtual Path - VP).
• Пакетный коммутатор выполняет две главных функции: маршрутизация и установление соединения. Функция маршрутизации использует алгоритмы для выбора пути к каждому пункту назначения и хранит необходимую для этого информацию в таблицах маршрутизации. Функция установления соединения обрабатывает каждый входящий пакет от входного порта и передает его к соответствующему порту вывода на основе информации, хранящейся в таблице маршрутизации.
• Коммутационная система, использующая буферные накопители, представляет собой координатный коммутатор, способный подключить любой из N выходов буферного накопителя к любому из N выходов. Если выход свободен, то пакет передается, а оставшиеся пакеты остаются в буфере. Таким образом, координатный (матричный) коммутатор с памятью на входе уменьшает требования к скорости работы коммутатора.
• Буферизация на входе порождает проблему, называемую блокировкой заголовком очереди (HOL - Head of Line blocking), при которой первый пакет сдерживает другие последующие пакеты сзади него.
• Баньянный коммутатор обычно составлен из коммутационных элементов , связанных таким способом, что существует единственный путь от каждого входа до каждого выхода. Маршрутизация проводится децентрализованно методом самопоиска с использованием двоичных адресов.
• Гарантированное качество обслуживания обеспечивается сетью, в соответствии с заранее согласованными параметрами. Три параметра не могут быть предметом соглашения с пользователем: коэффициент ошибок по ячейкам (Cell Error Ratio - CER), коэффициент ложной вставки (Cell Misinsertion Rate - CMR), коэффициент блоков ячеек с серьезными ошибками (Severely Errored Block Ratio - SEBR).
• Три параметра могут быть согласованы между пользователем и сетью перед установлением связи: коэффициент потерь ячеек (Cell Loss Ratio - CLR), задержка передачи ячейки (Cell Transfer Delay - CTD), среднее квадратическое отклонение задержки ячеек (Cell Delay Variation - CDV).
• В соглашении между пользователем и поставщиком услуги должен быть оговорен характер трафика. Для этой цели в описании (дескрипторе) трафика предназначены следующие основные параметры трафика, за которыми осуществляется контроль: пиковая скорость ячеек (Peak Cell Rate - PCR), поддерживаемая скорость (SCR - Sustainable Cell Rate), максимальный размер пачки (Maximum Burst Size - MBS), минимальная скорость ячейки (Minimum Cell Rate - MSR), допустимый разброс времени задержки (Cell Delay Variation Tolerance - CDVT).
• ATM-форумы определили 5 классов категорий обслуживания: постоянная скорость передачи - Constant Bit Rate (CBR), переменная скорость передачи в реальном масштабе времени - Real Time Variable Bit Rate (VBRrt), переменная скорость передачи - Nonreal Time Variable Bit Rate (VBRnt), доступная скорость передачи - Available Bit Rate (ABR), неопределенная скорость передачи - Unspecified Bit Rate.
• Процедура управления соединением (CAC) обращается к описанию предложенного для данного запроса трафика и параметрам качества обслуживания и определяет:
  • имеются ли достаточные ресурсы по всему маршруту от источника до пункта назначения, чтобы обеспечить требуемые показатели для нового соединения;
  • не ухудшаются ли характеристики для уже установленных соединений.
• Управление использованием параметров (Usage Parameter Control - UPC) - процесс управления приоритетом трафика, предотвращает поступление избыточного трафика, если все ресурсы сети исчерпаны.
• Система с потерями (open-loop control) ячеек включает в себя удаление ячеек со значением бита приоритета потери ячейки во время периодов перегрузки. Система с возвратом данных (closed-loop control) использует явную обратную связь от сети до источников.

Задачи и упражнения

1. Предположим, что вместо ATM для BISDN был бы принят режим передачи, который обеспечивал бы соединение на постоянной битовой скорости, и эта скорость была бы кратна 64 Кбит/с. Какие процедуры нужны были бы для мультиплексирования и коммутации? Почему BISDN не принял этот режим передачи?
2. • Сравните возможности управления производительностью виртуальных путей ATM и SDH .
   • Могут ли виртуальные пути ATM быть приспособлены для того, чтобы обеспечить устойчивость к отказам, так же как кольца SDH?
3. Зависит ли работа сети ATM от задержек в сети? Рассмотрите работу сети ATM в условиях перегрузок с большой задержкой. Как это влияет на размер буферов в ATM-коммутаторах? Оцените количество требуемых буферов в коммутаторах.
4. Сравните характеристики аренды линий с временной коммутацией и ATM с постоянным соединением каналов (с точки зрения пользователя и с точки зрения оператора).
5. Предположим, имеется обратный мультиплексор, который получает на входе высокоскоростной цифровой поток и разделяет его на ряд низкоскоростных потоков, которые передаются параллельно по линии к одному и тому же пункту назначения. Объясните, что требуется от обратного демультиплексора, чтобы получить исходный ATM-поток.
6. Предположим, что ATM-коммутатор имеет 32 входных порта и 32 выходных порта.
   • Сколько соединений может обеспечить (теоретически) такой коммутатор?
   • Какие требования должны быть к таблице поиска для поддержки большого числа соединений?
   • (дополнительный вопрос) Выполните поиск с помощью ассоциативной памяти и объясните, как это может помочь при адресации в таблице поиска.
7. Объясните, может ли контрольная сумма заголовка быть использована для того, чтобы определить границу ячейки в непрерывной последовательности. Какова вероятность, что пятиоктетные блоки будут достаточны для обнаружения ошибок в заголовке? Предположим, что биты с равной вероятностью принимают значения 0 и 1. Какова вероятность, что два случайных блока имеют по 5 октетов, которым соответствуют два последовательных заголовка?
8. В заголовке ATM при стыке "пользователь-сеть" (UNI) имеется поле управления потоком (GFC) . Предположим, что несколько терминалов имеют доступ к одной и той же ATM-сети.
   • Объясните, почему управление потоком требует регулировать трафик от терминалов сети. Объясните как поле управления потоком (GFC) используется в этой задаче.
   • Объясните как поле управления потоком (GFC) может быть использовано в качестве подадреса для обеспечения доступа точки ко многим точкам. Порождает ли такое использование конфликт с требованием управления потоком?
9. Цель контроля ошибок заголовка (HEC) — защитить заголовок от ошибок, которые могут привести в результате к неправильной адресации и неправильной доставке ячеек. Циклический остаточный код используется для коррекции одиночных ошибок и обнаружения (но не коррекции) всех двойных ошибок, которые произойдут в заголовке.
   • Предположим, что битовые ошибки случайны и что вероятность ошибки
   • Найдите вероятность того, что заголовок: не содержит ошибок; содержит одиночную ошибку; содержит двойную ошибку; содержит более двух ошибок. Определите эту вероятность для p= 10-3, 10-6, 10-9.
10. Какая разница между коэффициентом ошибок по ячейкам (CER) и коэффициентом потерь ячеек (CLR)? Почему один из них может быть согласован для установления соединения, а другой нет?
11. Почему при подсчете коэффициента ошибок по ячейкам (CER) и коэффициента потерь ячеек (CLR) отбрасываются блоки с серьезными ошибками (SEBR)?
12. Объясните, как организация очереди влияет на показатели коэффициента потерь ячеек (CLR) и на задержку при передаче ячеек (CTD).
13. Поясните, что происходит при потере одиночной ячейки в длинном пакете в ситуации, в которой используется протокол передачи с автоматическим запросом на повтор передачи. Что происходит при такой потере? Насколько повышает такой повтор характеристики передачи?
14. Рассмотрите последовательность ячеек потока ATM, переносящих речь в виде информации ИКМ от одиночного источника.
    • Какие особенности имеет описание такой нагрузки? И какие характеристики "дырявого ведра" нужны для формального описания этого потока?
    • Предположите теперь, что соединение ATM переносит поток ячеек от M источников речи. Какие особенности имеет описание для результирующего составного потока? Как можно измерить такой поток?
15. Рассмотрите последовательность ячеек потока ATM, переносящих речь в виде информации ИКМ от одиночного источника в предположении. (используется метод исключения пауз).
    • Какие особенности имеет описание такой нагрузки? И какие характеристики "дырявого ведра" нужны для формального описания этого потока?
    • Предположите теперь, что соединение ATM переносит поток ячеек от M источников речи. Какие особенности имеет описание для результирующего составного потока? И как можно измерить такой поток?
16. Предположим, что пакеты постоянной длины (размер равен М ячейкам) приходят от источника, который работает по ATM-соединению и что такие пакеты разделяются показательными случайными временами T. Каково соответствующе описание трафика для этой последовательности ячеек и каковые характеристики "дырявого ведра"? Какая ситуация ведет к неконформным ячейкам?
17. Объясните, почему выбран набор описаний трафика и параметров качества обслуживания (QoS) для каждой из категорий обслуживания ATM.