Механизм управления трафиком

Механизм управления трафиком рассмотрим на примере управления трафиком в технологии АТМ, где указанные механизмы используются в наиболее полном объеме [9].

8.1. Классы трафика

В АТМ выделено четыре класса трафика:

Класс А – характеризуется постоянной скоростью передачи, критичен к задержкам, и ориентирован на установление соединения. Пример: голос.

Класс В – передается с переменной скоростью, критичен к задержкам, передается по установленному соединению. Пример: "сжатый голос", "сжатое видео".

Класс С – передается с переменной скоростью, не критичен к задержкам, передается по установленному соединению. Пример: компьютерные данные, передаваемые в Х.25 и Frame Relay.

Класс D – передается с переменной скоростью, не критичен к задержкам, передается без соединения. Пример: трафик данных, который передается по сетям без установления соединения (IP сеть, трафики локальных сетей).

Для количественного описания трафика и требований к качеству обслуживания трафика применяются следующие параметры:

• Параметры скорости;

• Параметры неравномерности трафика;

• Временные параметры передачи ячеек;

• Параметры системы передачи АТМ.

К параметрам скорости относятся:

• Пиковая скорость передачи (PCR), максимальная скорость генерации ячеек источником;

• Средняя скорость передачи (SCR), которая поддерживается соединением для обеспечения приемлемого качества обслуживания;

• Минимальная скорость передачи (MCR) – это скорость, которая будет поддерживаться соединением при негарантированном качестве обслуживания.

К параметрам неравномерности трафика относится параметр: размер пачки MBS – это максимальное количество ячеек, генерируемых источником на пиковой скорости.

Соотношение между параметрами скорости и параметром неравномерности трафика покажем на рис. 8.1.

Рис. 8.1 Соответствие между параметрами скорости и параметром неравномерности трафика.

Пиковая скорость источника равна PCR=1/T, {яч/с}, где T - интервал между соседними ячейками.

Средняя скорость соединения SCR=MBS/T_n,{яч/с}, где T_n - минимальный интервал между пачками.

Тогда длительность пачки T_B=(MBS-1)T, {с}

К временным параметрам передачи ячеек относятся:

2. Задержка передачи ячеек CDT – это время необходимое, для передачи ячейки от источника до получателя, является случайной величиной;

3. Вариация задержки CDV – это отклонение от средней задержки ячейки.

К параметрам системы передачи АТМ относятся:

• Доля потерянных ячеек CLR, определяется отношением числа потерянных ячеек к общему числу переданных ячеек в соединении;

• Доля ошибочных ячеек CER, определяется отношением некорректных ячеек к общему числу переданных ячеек в соединении;

• Доля ложно вставленных ячеек CMR, определяется отношением количества ложно вставленных ячеек к общему количеству переданных ячеек в соединении;

• Процент блоков пораженных ошибками SECBR, определяется отношением количества блоков ячеек, пораженных ошибками, к общему количеству переданных блоков;

• Секунды готовности канала AS определяют долю времени готовности виртуального канала. Секундой неготовности канала считается секунда, в течении которой было обнаружено более 64 ошибок. Временем не готовности канала считается интервал времени пораженный ошибками более чем на . Секунды готовности определяются как разность между интервалом наблюдения и секундами неготовности канала. Обычно в качестве интервала наблюдения берется интервал 10 мин.

В трафиковом контракте, который описывает качество обслуживания, гарантированное провайдером, указываются следующие параметры:

• параметр скорости передачи,

• задержка,

• вариация задержки,

• доля потерянных ячеек.

8.2. Службы АТМ

Для поддержки требуемого качества обслуживания, было разработано пять служб АТМ:

1. CBR – служба для передачи трафика с постоянной скоростью;

2. rt VBR – служба для передачи в реальном масштабе времени с переменной скоростью;

3. nrt VBR – служба для передачи в нереальном масштабе времени с переменной скоростью;

4. UBR – служба с заранее незаданной скоростью передачи;

5. ABR – служба с доступной скоростью передачи.

Покажем в таблице соотношение между службами и параметрами в таблице 8.1

Таблица 6.

Соотношение между службами и параметрами.

Параметры/службы	CBR	rtVBR	nrtVBR	UBR	ABR
Вариации задержки (CDV)	Х	Х
Задержка (CTD)	Х	Х
Доля потерянных ячеек (CLR)	Х	Х	Х		Х
Пиковая скорость (PCR)	Х	Х	Х
Средняя скорость (SCR)		Х	Х
Минимальная скорость (MCR)					Х

8.3. Форматы ячеек АТМ

Для совмещения разнородного трафика в одной сети была выбрана фиксированная длина пакета 53 байта. Покажем на рисунке структуру пакета АТМ на сетевом интерфейсе NNI.

Рис. 8.2 формат заголовка на интерфейсе NNI.

Идентификатор виртуального пути (VPI) и идентификатор виртуального канала (VCI) образуют адресное поле ячейки. Эти идентификаторы занимают большую часть заголовка ячейки.

Идентификатор типа нагрузки (PTI) определяет тип ячейки: ячейка пользователя; ячейка управления и обслуживания (OAM), которая используется для передачи параметров качества; ячейка динамического управления полосой пропускания; свободная ячейка.

Ячейки управления и обслуживания вставляют регулярно в пользовательский поток ячеек (например, каждая 32 ячейка – это ячейка ОАМ) и обеспечивают контроль и передачу параметров QoS.

Ячейки динамического управления полосой пропускания используются в службе ABR и информируют источник о свободных ресурсах сети.

Поле приоритета потери ячеек (занимает 1 бит) CLR устанавливается в единицу для тех ячеек, которые не прошли тест (контроль) на использование зарезервированной полосы пропускания. Контроль осуществляется на основании алгоритма дырявого ведра. Ячейки с битом CLR, установленным в единицу, будут сбрасываться коммутатором АТМ локально, т.е. только по состоянию его собственных очередей.

HEC – поле контрольной суммы, выполняет две функции:

1. позволяет обнаруживать и исправлять ошибки в заголовки кратностью не более 2-х. ошибки более высокой кратности не исправляются, и ошибочные ячейки сбрасываются коммутатором АТМ.

2. обеспечивает синхронизацию ячеек. Если несколько подряд ячеек, семь и более, имеют неправильную контрольную сумму, то это говорит о том, что была неправильно определена граница ячеек, и требуется подстройка цикла для определения правильной границы ячеек.

8.4. Механизмы управления потоком

Для управления трафиком АТМ с целью поддержки качества обслуживания используются следующие механизмы:

• контроль за установлением соединения;

• контроль за использованием полосы пропускания;

• формирование трафика;

• контроль приоритета;

• механизм отбрасывания пакетов и ячеек.

Контроль за установлением соединения отвечает за доступ в сеть АТМ. При этом принимается решение, будет ли установлено соединение или будет получен отказ. Решение об установлении соединения принимается на основе требуемой пиковой скорости запрашиваемого соединения и пиковых скоростей существующих соединений, также на основе требований к качеству обслуживания соединений (существующих и запрашиваемого). Соединение устанавливается, если имеется свободная полоса пропускания, необходимая для резервирования под пиковую скорость нового соединения, и если параметры качества обслуживания в уже установленных соединениях не пострадают.

Резервирование полосы пропускания означает, что данная полоса может быть использована только соответствующим соединением независимо от активности источника. Может быть реализовано несколько механизмов контроля за установлением соединения. Например, для трафика CBR, с высоким качеством обслуживания резервируется полоса, равная трем пиковым скоростям. Возможно резервирование полосы, равной двум пиковым скоростям, и выделение еще одной полосы, равной пиковой скорости, для совместного использования с другими типами трафика на приоритетной основе.

Контроль за использованием полосы пропускания реализует проверку соответствия параметров поступающего трафика с параметрами, зафиксированными в контракте. Этот контроль осуществляется на граничном коммутаторе на входе в сеть и использует алгоритм «дырявого ведра». Для ячеек АТМ, которые приводят к превышению оговоренной скорости передачи, бит CLP устанавливается в единицу. Далее ячейки с битом CLP равным единице сбрасываются коммутатором в случае перегрузки. Состояние перегрузки коммутаторов определяет локально по состоянию своих очередей.

Для реализации алгоритма «дырявого ведра» в коммутаторе АТМ поддерживается счетчик для данного соединения, который определяет число поступивших байт данного соединения на контролируемом интервале. Ячейка, которая приводит к переполнению счетчика на контролируемом интервале, отмечается битом CLP=1. Таким образом, в коммутаторе АТМ контролируется пиковая и средняя скорости соединения, поэтому используется алгоритм двойного ведра.

Рассмотрим действие алгоритма «дырявого ведра» более подробно. Определим некоторый интервал времени T, который назовем циклом анализа.

Выделим по оси времени момент t_k=kT, соответствующие началу каждого k -го цикла. В начале каждого цикла устанавливаются нулевые показания счетчика. Рассмотрим работу алгоритма на k -м цикле анализа.

Допустим, что в каждый момент времени t на счетчик поступают ячейки с интенсивностью λ(t). Если оговоренная интенсивность поступления ячеек равна μ, то из показаний счетчика постоянно вычитаются единицы, с интенсивностью μ. При нулевых показаниях счетчика дальнейшее вычитание не производится.

Таким образом, показания счетчика на интервале времени от t_k до t, будет определяться соотношением

,

(8.1)

где

(8.2)

График изменений показания счетчика для k -го цикла приведена на рисунке.

Рис. 8.3 график изменения показателей счётчика числа ячеек на k-ом цикле

Ячейки, приводящие к переполнению установленных максимальных значений Q_m показаний счетчика отмечаются битом CLP=1.

8.4.1. Формирование трафика

Механизм формирования трафика позволяет сформировать входящий трафик пользователя, заранее согласованный с требованиями в контракте. Для формирования трафика могут использоваться следующие механизмы:

снижение пиковой скорости передачи, т.е. отправитель работает на меньшей пиковой скорости, чем та, которая указана в контракте.

Уменьшение длины пачки. Отправитель ограничивает размер пачки до значения меньшего, чем указанного в контракте. В этом случае снижается и вероятность нарушения контракта.

Буферизация ячейки. Ячейка, нарушавшая контракт устанавливается в дополнительный буфер и ожидает там обработки, до тех пор, пока не разгрузится выходной интерфейс. Ячейки, передаваемые с выходного интерфейса, гарантированно не нарушают контракт.

Механизмы формирования трафика не являются обязательными.

8.4.2. Контроль приоритетов

Механизм контроля приоритетов решает задачу выбора из очереди ячейки, которая должна быть поставлена следующей. В коммутаторах АТМ используется приоритетная схема обслуживания очередей, согласно которой наивысшем приоритетом обладают ячейки CBR трафика, а наименьшим – UBR. Ячейки меньшего приоритета могут обслуживаться только в том случае, если обнулены все ячейки более высоких приоритетов. Очевидным недостатком этой схемы является нехватка ресурсов для низкоприоритетного трафика в случае перезагрузки.

Альтернативной приоритетной схемой является схема с взвешенным распределением полосы пропускания. В этом случае каждому трафику или службе назначается доля пропускной способности выходного интерфейса, которая гарантированно предоставляется трафику в случае перегрузки. Планировщик циклически обнаруживает очереди, и за каждый цикл опроса очередей из каждой очереди считывается количество ячеек, которое соответствует назначенному весу или проценту. Если очередь пустая, то ресурс для нее не выделяется и обслуживается следующая очередь, т.е. при циклическом процессе ресурс выделяется динамически.

8.5. Контроль потока ABR

Чтобы уменьшить потери при передаче трафика данных при перезагрузке, в 1996 г. была введена еще одна служба: служба ABR. Эта служба предусматривает алгоритм управления потоком с обратной связью. С помощью этого алгоритма сеть уведомляет источник о своих свободных ресурсах (о свободной полосе пропускания, т.е. желательной скорости передачи, или о буферном пространстве коммутатора). Источник введет передачу и, наряду с ячейками данных, посылает служебные ячейки. На 32 ячейки данных – 2 служебные. Служебные ячейки прямого направления содержат желательную скорость передачи источника. При прохождении служебных ячеек по сети каждый коммутатор АТМ может изменить желательную скорость передачи, указанную с служебных ячейках, исходя из собственной нагрузки. Приемник также может изменить, т.е. уменьшить эту скорость. Приемник преобразует служебные ячейки прямого направления в служебные ячейки обратного направления и передает их источнику. При обратном следовании каждое устройство также может изменить скорость передачи. Таким образом, источник в служебных ячейках получит ту скорость передачи, с которой сеть может его обслужить. Эта скорость соответствует самому медленному устройству на пути следования ячеек. Рассмотренная схема называется скоростной, она поддерживается всеми коммутаторами АТМ.

Альтернативой скоростной схеме является кредитная схема. В этой схеме устройства сообщают по обратной схеме не скорость, а кредит, т.е. свое свободное буферное пространство. В этом случаи источник передает ровно столько информации, сколько может принять приемник. В этой схеме полностью исключаются потери ячеек. Однако кредитная схема является более сложной, поэтому для ее реализации требуется раздельное введение очередей под каждое соединение.

Фактически в оборудовании АТМ могут использоваться обе схемы на различных участках сети. Например, на магистральном участке – скоростная схема, на граничном участке с пользователем – кредитная схема. Такой подход совместного использования схем имеет следующие преимущества:

• обратная связь становится более короткой, и, следовательно, сеть быстрее реагирует на перезагрузки;

• обеспечивает более гибкое управление потоком.

На границе индивидуальный трафик пользователя является пульсирующим, и поэтому целесообразно использовать кредитную схему. На магистральном участке передается агрегированный трафик многих пользователей, он является более регулярным, и можно использовать скоростную схему.

Рис. 8.4 Совместное использование различных схем управления потоком

VS – виртуальный отправитель, передает служебные ячейки.

VD – виртуальный получатель, получает служебные ячейки и преобразует их в служебные ячейки обратного направления.

8.6. Механизмы отбрасывания ячеек

Если службы CBR и VBR обеспечивают доставку трафика с гарантией, то службы ABR и UBR доставляют трафик с максимальным усилием, т.к. трафик обслуживается по остаточному принципу. В этом случае полностью избежать потери ячеек не удается, но можно потери ячеек свести к минимум, используя адаптивное управление буфера в коммутаторе. Существует два алгоритма отбрасывания ячеек: статический и адаптивный.

В статическом алгоритме решение о сбросе ячеек принимается по состоянию очереди данного соединения и не учитывается состояние очередей других соединений. В этом случае буферное пространство используется не эффективно.

При адаптивном методе решение о сбросе ячеек принимается с учетом состояния очереди данного соединения и состояния буферного пространства службы.

Рис. 8.5 График решения о сбросе ячеек при адаптивном методе управления.

Если точка принятия решения лежит выше кривой сброса (1), то ячейка не сбрасывается, в противном случае (2) ячейка сбрасывается.

8.7. Методы сброса пакета

При передачи пакетов по сети АТМ, в случае перегрузки, ячейки пакета могут быть сброшены коммутатором АТМ. При потере хотя бы одной ячейки пакета приемник TCP не принимает пакет и осуществляется повторная передача пакета TCP источником. Поэтому, если теряется хотя бы одна ячейка пакета, то нет смысла передавать остальные ячейки пакета, потому что это бесполезная трата ресурсов. В службе UBR предусмотрен механизм сброса остатков пакета, который удаляет остаток пакета при обнаружении потери одной ячейки.

Кроме того, в службе UBR применяется механизм защиты от перезагрузок RED, который также использует сброс ячеек. Решение о сбросе ячейки основывается на средней длине очереди, а не текущей длине очереди. Это позволяет отличить серьезную перегрузку от кратковременного всплеска. Кроме того, в алгоритме RED учитываются два порога. Если вычисленная средняя длина очереди меньше первого порога, то ячейки не сбрасываются. Если средняя длина очереди больше первого, но меньше второго, то ячейки сбрасываются с возрастающей частотой при изменении очереди от первого порога ко второму. И если длина очереди достигает второго порога, то осуществляется 100% сброс ячеек.

Дата добавления: 2015-08-05