РАСЧЕТ ХАРАКТЕРИСТИК СЕТЕЙ АТМ
Параметры скорости передачи. Как было указано во второй главе, в сети АТМ Данные могут передаваться практически с любой скоростью как постоянной, так и переменной. Группа параметров скорости передачи характеризует скорость передачи данных и ее изменение, а также отличает АТМ от других технологий первичной сети (PDH, SDH), где скорость передачи фиксирована.
Будем характеризовать каждый источник трафика скоростью, с которой он генерирует информацию. Генерирование информации в общем случае может быть представлено с помощью стохастического процесса В(t). Процесс передачи информации продолжается в течение времени сеанса связи Тс.
Стохастический процесс передачи информации можно охарактеризовать 4 соответствии с рекомендациями ITU — Т 1.311: — максимальной (пиковой) битовой скоростью:
'
Соотношение между средней скоростью и пиковой скоростью определяет коэффициент пачечности:
Средняя длительность пика τп определяет среднее время непрерывной передачи по пиковой скорости в течение сеанса связи (рис. 6.1).
Величина Тс обратна средней интенсивности поступления заявок на установление сеанса связи λc :
Величина рc = λ c τc, характеризует коэффициент загрузки каждого сеанса связи или каждого соединения.
Одним из ключевых понятий в описании широкополосных сетей является скорость передачи службы, определяемая в рекомендациях ITU-Т, как скорость передачи информации, доступная пользователю данной службы. В соответствии с этой характеристикой все службы можно разделить на две категории: с постоянной скоростью передачи (ПСП) и с изменяющейся скоростью передачи (ИСП).
Службы с ИСП могут быть разделены на службы стартстопного и непрерывного типов. Для стартстопных служб с ИСП характерно наличие в информационном потоке периодов активности и пауз (информационно-поисковые системы): скорость передачи в таких системах меняется скачком от нуля до В р. В службах с ИСП непрерывного типа скорость передачи в течение сеанса связи меняется плавно (цифровая видеотелефония со статистическим кодированием).
Службы с ПСП характеризуются тем, что на всей длительности сеанса связи скорость передачи информации В (пиковая скорость) остается постоянной (например, цифровая телефония без обнаружения пауз и использования статистического уплотнения).
Наиболее часто встречаются службы с ИСП стартстопного типа. Для трафика таких служб скорость передачи от абонента является дискретной случайной величиной, принимающей два значения. Максимальное значение, равное В скорость принимает с вероятностью Р, а минимальное значение Вmin— с вероятностью (1 — P).
Из рис. 6.1 следует, что
Р =τп /Тп,
где Тп— период активности, время между соседними состояниями активной передачи, т.е. передачи на пиковой скорости; τ п — длительность интервала активности, характеризующая среднее время состояния активности.
Среднее значение (математическое ожидание) битовой скорости В определяется соотношением
Скорость передачи ячеек, неравномерность трафика. Поскольку в сети АТМ-трафик передается в виде ячеек, т.е. имеет пакетную структуру, передача трафика может производиться блоками разной длины. Возникает задача определения степени неравномерности трафика.
К параметрам скорости передачи ячеек относятся:
— кратковременная допустимая пиковая скорость передачи данных (Peak Cell Rate, PCR), измеряемая количеством ячеек, генерируемых за единицу времени. Обозначим ее через λя [яч./с];
— средняя скорость передачи (Sustainable Cell Rate, SCR), поддерживаемая данным соединением и обеспечивающая приемлемый уровень качества для данного соединения: λm. [яч./с];
— минимальная скорость передачи (Minimum Cell Rate, MCR): Хmin[яч./с].
Хотя в теории можно встретить несколько параметров, характеризующих эту
неравномерность, в практике эксплуатации встречается один — максимальный размер блока (Maximum Burst Site, MBS) — максимальное количество ячеек, генерируемых источником на пиковой скорости: Lп.
Параметры скорости и неравномерности трафика показаны на рис. 6.2.
Вариация задержки. Для измерения параметров, характеризующих вариацию задержки пакетов, применяется две схемы: схема с одной точкой наблюдения (1 — CDV) и схема с двумя точками наблюдения (2 — CDV).
Особенность схемы измерения 1 — CDV (рис. 6.3, а) — предположение, что трафик передается с постоянной скоростью, равной пиковой PCR. В этом случае можно предположить, что интервал генерации каждой ячейки составляет Т= 1/PCR. На приемной стороне после приема первой ячейки потока (событие С0) прием второй ячейки ожидается в момент C1 = С0+Т, третьей ячейкой С2 = С1+ Т и т.д. Сравнивая время теоретического и реального приемов, получаем вариацию задержки с одной точкой наблюдения 1 — CDV. Как видно из рис. 6.3, этот метод измерения параметра 1 — CDV не учитывает влияние задержки при мультиплексировании ячейки на стороне передатчика. Такое измерение дает представление о качестве предоставления услуг по всей сети АТМ, но не позволяет характеризовать вариацию задержки для конкретного виртуального канала или пути. Этот параметр может быть полезен для общей характеристики услуг в сети АТМ.
Схема измерения неравномерности задержки с двумя точками наблюдения 2 — CDV показана на рис. 6.3, б.
Этот параметр служит для описания вариации задержки конкретного виртуального соединения. При измерении 2 — CDV используются специальные тестовые ячейки с загруженной информацией о времени их генерации. Таким образом, на стороне приемника оказывается точно известна задержка ячейки, а влияние передатчика компенсируется. Значение 2 — CDV вычисляется как разность двух значений задержки CTD. В отличие от 1 — CDV, характеризующего совокупный параметр вариации задержки, 2 — CDV определяет вариацию задержки для данного виртуального соединения. Он используется как параметр качества данного виртуального соединения и входит как обязательный в трафиковый контракт.
Учитывая, что параметр задержки переменный, для его характеристики используется среднее значение задержки CTD (Mean CTD). Поскольку качество некоторых услуг зависит не только от среднего, но и от максимального значения CTD, этот параметр также успешно характеризует систему передачи.
Параметры системы передачи. Базовыми параметрами системы передачи первичной сети считаются основные и производные параметры от параметра ошибки BER. Обычно они подразделяются на две подгруппы параметров: непосредственно связанные с регистрацией ошибок в системе передачи и связанные с готовностью канала системы передачи.
Не исключение и технология АТМ. Главное отличие здесь заключается в том, что трафик в сети АТМ передается в виде ячеек. В случае ошибки в ячейке она уничтожается на стороне приемника. Поэтому отдельные измерения битовых ошибок BER не характеризуют систему передачи. Для технологии АТМ имеет смысл рассматривать в качестве основного не параметр битовых ошибок BER, а параметр блоковых ошибок BLER, считая в качестве блока всю ячейку. С учетом замены BER на BLER параметры системы передачи АТМ аналогичны параметрам каналов PDH.
Итак, рассмотрим, какие параметры существенны для описания системы пере- дачи АТМ.
где Сer— количество некорректно переданных ячеек; С0 — общее количество переданных ячеек.
2. Процент блоков, пораженных ошибками (Severely Errored Block Ratio, SECBR)
где Cses — количество блоков переданных ячеек, пораженных ошибками.
Помимо ошибок при передаче ячеек, ячейки могут теряться в процессе передачи или неправильно вставляться (например, дублироваться). Приведенные ниже параметры характеризуют эти особенности передачи данных по сети АТМ.
3. Параметр потерянных ячеек (Cell Loss Rate, CLR):
4. Параметр ложно вставленных ячеек (Cell Misinsertion Rate, CMR)
где Cinsert — количество ложно вставленных ячеек.
5. Секунда готовности канала AS, или отношение готовности AR. Этот параметр определяет относительную долю времени готовности, аналогичен критерию для системы PDH. Для «секундной неготовности канала» считается секунда, в течение которой было отмечено боле 64 ошибок. Для проведения практических измерений обычно используется десятиминутные интервалы.
6. Среднее время восстановления соединения. В случае потери виртуального соединения в сети АТМ, оно может быть восстановлено не только вручную, но и автоматически (интерфейс PNN1). Поэтому для характеристики эффективности восстановления ВС резонно вводить параметр среднего времени восстановления соединения.
7. Параметр битовых ошибок BER характеризует качество создаваемых в системе передачи АТМ цифровых каналов связи. Для измерений BER псевдослучайную последовательность загружают в поток ячеек АТМ, выделяя для измерений VPI/VCI канал. На приемной стороне выполняется синхронизация по псевдослучайной двоичной последовательности и проводятся измерения. Еще раз подчеркнем, что параметр BER характеризует не систему передачи АТМ, а качество создаваемых в ней каналов, так что с точки зрения эксплуатации самой системы передачи АТМ этот параметр оказывается вторичным.
Для каждого класса трафика используются различные параметры качества, которые описываются в трафиковом контракте. Так что сам набор параметров оказывается зависящим от типа трафика и трафикового контракта.
Трафиковый контракт — соглашение между приложением и сетью АТМ по пропускной способности и задержкам в соединении до того момента, как оно будет установлено. Форум АТМ определил параметры качества обслуживания, которые должны согласовываться сетевыми устройствами при установлении соединения:
— параметр скорости передачи;
— задержка ячейки;
— вариация задержки ячейки;
— процент потерянных ячеек.
Голосовой трафик наиболее чувствителен к параметрам задержки и вариации задержки ячейки. Влияние же параметра потерянных ячеек на голосовой трафик несущественно. Это связано с тем, что при потере ячеек они не пересылаются отправителем повторно, так что несколько ухудшается качество связи. Влияние трех параметров на трафик, генерируемый видеоконференциями, аналогично.
Компьютерный трафик, возникающий при передаче больших объемов данных, практически не чувствителен к вариации задержки. Вариация задержки сглаживается наличием большой буферной памяти у получателя данных. Зато существенное значение приобретает доля потерянных пакетов. Большие пакеты данных не могут целиком поместиться в одну ячейку АТМ, поэтому разбиваются на отдельные фрагменты, которые затем упаковываются в ячейки. Отсюда следует, что потеря в сети хотя бы одной ячейки приводит к тому, что данные на принимающей стороне нельзя восстановить и требуется повторная передача данных.
Службы АТМ. Для поддержания требуемого качества обслуживания различных виртуальных соединений и рационального использования ресурсов в сети на уровнях протокола АТМ реализовано несколько служб, предоставляющих услуги различных категорий по обслуживанию пользовательского трафика. Эти службы являются внутренними службами сети АТМ, они предназначены для поддержания пользовательского трафика различных классов совместно с протоколами AAL (протоколами уровня адаптации АТМ), которые работают в конечных узлах сети, а службы распределены по всем коммутаторам сети. Услуги данных служб разбиты на категории, в общем соответствующих классам трафика, поступающего на вход уровня AAL конечного узла.
Услуги уровня АТМ заказываются конечным узлом через интерфейс UNI c 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 качества обслуживания. Эти параметры берутся из аналогичных параметров уровня AAL или же определяются по умолчанию в зависимости от категории услуги.
Как было указанно выше, всего на уровне АТМ определено пять категорий услуг, которые поддерживаются одноименными службами:
— CBR — услуги для трафика с постоянной битовой скоростью;
— rt-VBR — в реальном времени с переменной скоростью для трафика, требующего соблюдения средней скорости передачи данных и синхронизация источника и приемника;
— nrt-VBR — не в реальном времени с переменной скоростью для трафика, требующего соблюдения средней скорости передачи данных и не требующего синхронизации источника и приемника;
— UBR — с незаданной заранее скоростью для трафика, не предъявляющего требований к скорости передачи данных и синхронизации источника и приемника;
— АВR — с доступной скоростью для трафика, с переменной скоростью, требующего соблюдения некоторой минимальной скорости передачи и не требующего синхронизации источника и приемника.
Аудио- и видеоинформация требует передачи с постоянной скоростью, т.е. службы CBR. Та же информация, но сжатая при помощи алгоритма MPEG, требует передачи с постоянной скоростью или в реальном времени с переменной скоростью.
Наибольший практический интерес представляют службы CBR и ABR. Это связано с тем, что они позволяют выделять для каждого соединения достаточный объем ресурсов. Служба CBR использует зарезервированные ресурсы, а служба АВR функционирует на оставшихся ресурсах сети. Такая схема взаимодействия между этими двумя службами позволяет полностью загрузить сетевое оборудование.
В табл. 6.1 показана связь между службами и характерным для них трафиком. В табл. 6.2 приведены параметры, которые специфицированы для той или иной категории сервиса [67].
Обе службы VBR (nrt-VBR и rt-VBR) характеризуются двумя скоростями передачи: пиковой (I'CR), с которой можно передавать ограниченное число ячеек (не более заданной величины MBS), и средней скоростью (SCR), поддерживаемой неограниченно долго.
При этом передача регулируется таким образом, чтобы средняя скорость не превышала допустимую. Основное различие между передачей с переменной скоростью в реальном времени (rt-VBR) и передачей не в реальном времени (nrt-VBR) заключается в том, что первой службе должны задаваться дополнительные параметры качества обслуживания.
Служба UBR не дает никаких гарантий относительно качества обслуживания или полосы пропускания. Для ее использования требуется наличие протокола более высокого уровня, такого как TCP, который позволяет обнаруживать и исправлять ошибки. На этот же протокол возлагается обязанность регулировки скорости передачи в зависимости от количества потерянных пакетов.
Классы трафика. В АТМ совмещаются в одних и тех же каналах связи и в одном и том же коммутационном оборудовании компьютерный и мультимедийный графики таким образом, чтобы каждый тип трафика получил требуемый уровень обслуживания и не рассматривался как «второстепенный».
Разработчики технологии АТМ проанализировали всевозможные образцы трафика, создаваемые различными приложениями, и выделили четыре основных класса служб трафика, для которых разработали различные механизмы резервирования и поддержания требуемого качества обслуживания. Класс трафика качественно характеризует требуемые услуги по передачи данных через сеть АТМ.
Трафик службы класса А — равномерный поток, имеет характеристику: постоянная битовая скорость (Constant Bit Rate, CBR). Требуются временные соотношения между передаваемыми и принимаемыми данными. С установлением соединения. Примеры: голосовой трафик, трафик телевизионного изображения. Для элементарного голосового трафика известна верхняя граница скорости— 64 кбит/с, заказываемая скорость должна быть кратна 64 кбит/с. При передаче голоса задержки не должны превышать 100 — 150 мс, превышение порога задержек резко снижает качество воспроизводимого голоса. Вариация задержки голосовых ячеек не должна превышать 40 мс. При передаче изображения задержка не должна превышать 30 мс. Вероятность потерь ячеек менее 10 -3.
Трафик службы класса В — неравномерный поток, имеет характеристику: переменная битовая скорость (Varible Bit Rate, VBR). Требуются временные соотношения между передаваемыми и принимаемыми данными. С установлением соединения. Примеры: компрессированный голос, компрессированное видеоизображение. Вероятность потерь ячеек 10-8.
Трафик службы класса С — неравномерный поток, имеет характеристику: переменная битовая скорость (Varible Bit Rate, VBR). Не требуются временные соотношения между передаваемыми и принимаемыми данными. С установлением соединения. Примеры: трафик компьютерных сетей, в которых конечные узлы работают по протоколам с установлением соединения: Frame Relay, Х.25, LLС2, TCP. Вероятность потерь ячеек 10-6.
Трафик службы класса D — неравномерный трафик, имеет характеристику: переменная битовая скорость (Varible Bit Rate, VBR). Не требуются временные соотношения между передаваемыми и принимаемыми данными. Без установления соединения. Примеры: трафик компьютерных сетей, в которых конечные узлы работают по протоколам без установления соединения (IP, Ethernet, DNS, SNMP). Коэффициент пульсации, или пачечность (т.е. отношение максимальной мгновенной скорости к средней скорости) находится в пределах 10 — 100. Вероятность потерь ячеек 10-6.
Трафик службы класса Х. Тип класса и его параметры определятся пользователем.
В технологии АТМ для каждого класса службы трафика определен набор количественных параметров качества, которые приложение должно задать. Например, для службы трафика класса А необходимо указать постоянную скорость, c которой приложение будет посылать данные в сеть, а для службы трафика класса В — максимально возможную скорость, среднюю скорость и максимально возможную пульсацию. Для голосового трафика можно не только указать на возможность синхронизации между передатчиком и приемником, но и количественно задать верхние границы задержки и вариации задержки ячеек.
В табл. 6.3 показана взаимосвязь между классами служб трафика и службами, а в табл. 6.4 указаны типы протоколов уровня адаптации AAL, обеспечивающие передачу трафика каждого класса.
Протокол ААL1 обслуживает трафик класса А с постоянной битовой скоростью (CBR), 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 цифровые линии.
Протокол ААL2 был разработан для передачи трафика класса В, но при развитии стандартов он был исключен из стека протоколов АТМ; сегодня графики класса В передаются с помощью протокола AAL1, AAL3/4, AAL5.
Протокол ААLЗ/4 обрабатывает пульсирующий (пачечный) трафик — характерный для трафика локальных сетей — с переменной битовой скоростью VBR.
Протокол ААL5 является упрощенным вариантом 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 используется для передачи любого компьютерного трафика. Протокол ААL5 может поддерживать различные параметры качества обслуживания, кроме тех, которые связаны с синхронизацией пере дающей и принимающей сторон. Поэтому он используется для поддержки всех классов С и D.
6.3. Проектирование сетевых соединений
Исходные данные.
1. Топология точек доступа и узловых точек сети (вершины графа). υi (i =1,2, ..., т).
Точки доступа должны быть расположены в местах сосредоточения нагрузки.
2. Значение интенсивностей внешнего входящего трафика λ01 для каждого
узла и;. «0» означает некоторый виртуальный узел, находящийся за пределами сети. Это суммарная нагрузка (ячеек АТМ в секунду, т. е. приведенная к уровню АТМ), приходящая от всех внешних источников, подключенных к входным портам узла υi (не считая нагрузки, подходящей к внутренним портам узла).
Скорость передачи ячеек и пиковая битовая скорость. Формирование ячеек из битового потока происходит на подуровне сегментации SAR уровня адаптации AAL. Все протокольные блоки (ячейки),SAR — PDH содержат по 48 октетов. Однако лишь часть из них отводится для размещения полезной нагрузки. Остальные октеты содержат служебную информацию. Чем меньше число октетов содержит полезную нагрузку, тем большее число ячеек потребуется для ее размещения.
Увеличение числа ячеек характеризуется коэффициентом К я который определяет отношение общей длины ячейки Lя, равной 48 октетам, к длине ее информационной части
Кя=Lя/Lяи.
Значения указанных параметров существенно зависят от типов сообщений и видов абонентского трафика.
Типы сообщений и виды трафика. Отличительной особенностью сетей АТМ является возможность одновременной и независимой передачи сообщений различного типа.
Различают три основных типа передачи сообщений:
— передача речевых сообщений;
— передача видеосообщений;
— передача данных.
Каждому типу передаваемых сообщений соответствуют характерные для него виды трафика. Так, передача речевых сообщений по телефонным линиям может осуществляться без или с предварительным сжатием исходного цифрового сигнала. При этом характеристики трафика в каждой телефонной линии квартирного или делового секторов, а также в соединительных линиях учережденческих АТС могут существенно различаться.
При передаче видео сообщений различаются следующие виды трафика:
— неподвижное изображение;
— телефакс;
— факс цветной;
— видеотелефония;
— видеоконференция;
— передача изображений в различных компьютерных форматах;
— передача телевизионных изображений высокой четкости.
Передача данных имеет также характерные для нее виды трафика (табл. 6.6):
— трафик телекса;
— трафик телетекста;
— интерактивный обмен данными;
— передача больших массивов данных;
— трафик при поиске документов.
6.5. Оценка пропускной способности цифрового тракта АТМ
Требуемая пропускная способность цифрового тракта, мультиплексора или коммутатора АТМ определяется исходя из интенсивности суммарного потока ячеек, поступающих в указанный порт.
Допустим, что к
входящему порту узла υj поступает от
исходящего порта узла υi по линии еij поток ячеек от различных классов служб k (k = А, В,
С, В). 
Итак, при выбранном способе ограничения значений пропускной способности тракта, вероятность ее превышения зависит только от отношения среднеквадратичных отклонений интенсивностей потоков ячеек класса А и суммарного потока ячеек всех классов. Если, например, значения среднеквадратических отклонений для потоков ячеек всех классов принять одинаковыми, то
и свыше 2% ячеек могут перегружать пропускную способность тракта.
Полученные результаты содержат исходные данные для расчета пропускной
способности и других характеристик мультиплексоров и коммутаторов, на входные порты которых поступают рассмотренные выше потоки ячеек.
6.6. Расчет основных характеристик коммутатора
Пропускная способность коммутаторов и мультиплексоров. Одной из задач, решаемых коммутатором и мультиплексором АТМ, является выбор ячейки, которая должна быть послана следующей. Наиболее простым методом выбора является строгое следование схеме приоритетов. Например, если в буфере находятся ячейки, относящиеся к трафику с постоянной скоростью (CBR), они должны быть отправлены в первую очередь. Если же таких нет, то целесообразно передавать ячейки, относящиеся к службе rt-VBR. Если такие ячейки также отсутствуют, то передаются ячейки службы nrt-VBR и так далее, до тех пор, пока не будут обслужены все категории трафика (рис. 6.7).
