Адаптивное управление буферами в коммутаторах

Когда ячейки поступают на выходной порт коммутатора с интенсивностью, превышающей пропускную способность канала связи, они помещаются в буфер коммутатора (точнее, в буфер порта). Для того чтобы поддерживать требуемый уровень качества обслуживания для каждого виртуального соединения, коммутатор должен эффективно управлять своим буфером и другими ресурсами.

Обобщенно службы ATM можно разделить на два основных класса: службы с гарантией (CBR, nrtVBR и rtVBR) и службы, доставляющие трафик с «максимальным усилием» (ABR и UBR). Для служб первого класса требуется необходимое количество сетевых ресурсов и свободной буферной памяти в коммутаторах. С другой стороны, они не будут «просить лишнего». Службы второго класса, поддерживающие доставку с «максимальным усилием» (best effort), получают ресурсы по остаточному принципу, но, с другой стороны, они жестко конкурируют между собой за общий пул буферного пространства и свободную часть полосы пропускания.

Потери ячеек можно свести к минимуму, однако полностью устранить их невозможно, даже с очень эффективной архитектурой коммутаторов ATM. При насыщении буферов коммутаторов ячейки начнут отбрасываться, так как коммутатор не сможет обрабатывать их с той скоростью, с которой они поступают. При этом основная проблема состоит в том, чтобы решить, какие именно ячейки следует отбрасывать. Решение следует принимать с учетом того, что требования отдельных виртуальных соединений к буферной памяти постоянно вступают в противоречие с необходимостью обеспечения справедливого доступа к буферу для всех соединений. Поэтому основные правила при отбрасывании ячеек следующие: качество обслуживания должно быть обеспечено для каждого виртуального соединения; ресурсы между отдельными соединениями должны распределяться справедливо; буферную память следует использовать эффективно.

Большинство коммутаторов ATM реализует статический алгоритм отбрасывания ячеек, в основе которого лежат фиксированные граничные условия (рис. 15.13). Суть метода состоит в том, что в зависимости от размера всего буфера жестко определяется максимальное число ячеек одного соединения, которое может находиться в буфере. По его достижении ячейки этого соединения начинаются отбрасываться. Однако такой алгоритм не способен обеспечить равномерное распределение ресурсов между соединениями, а буферное пространство используется неэффективно. Ячейки отбрасываются коммутатором без учета сервиса потока, к которому они принадлежат, и без учета занятости буфера.

Но может использоваться и другой алгоритм сброса ячеек – адаптивный. Если возвращаться к графическому представлению, то его можно изобразить в виде некоторой кривой. Форма этой кривой выбирается для каждого виртуального соединения в отдельности для оптимизации производительности и обеспечения трафик-контракта. При использовании адаптивного метода решение о сбросе ячеек учитывает текущие условия и основывается на рассмотрении двух факторов: количестве ячеек, находящихся в буфере для каждого соединения, и количестве ячеек, отведенном под соответствующую службу (рис. 15.14).

При построении адаптивной кривой сброса различают четыре службы – CBR, nrtVBR, rtVBR и ABR/UBR (рис. 15.15). Это помогает управлять сбросом как на уровне ячеек, так и на уровне пакетов. Кроме того, могут формироваться кривые, которые влияют на индикацию EFCI для службы ABR.

Для того чтобы продемонстрировать, как адаптивные кривые сброса ячеек обеспечивают разделение ресурсов для отдельных виртуальных соединений, рассмотрим пример с тремя виртуальными соединениями службы UBR. Предположим, все три соединения имеют одинаковые требования к качеству обслуживания (рис. 15.16).

Хотя все виртуальные соединения одной службы используют единую адаптивную кривую, каждое из них работает в своей области графика, и решения о сбросе для них принимаются независимо. Эти области определяются с учетом задействованного буферного пространства. В рассматриваемом примере ячейки в виртуальном соединении 3 передаются на малой скорости и занимают совсем немного буферной памяти. В результате соединение «попало» в ту область кривой, в которой поступающие ячейки сохраняются в буфере. Виртуальные соединения 1 и 2 работают на более высоких скоростях и каждое из них занимает достаточно много буферного пространства, что приводит к их смещению в такую область кривой, в которой все входящие ячейки отбрасываются коммутатором. Таким образом достигается индивидуальный подход к каждому виртуальному соединению.

Интеграция с АТМ

Технология ATM за свою короткую историю успела испытать как всплеск интереса к ней в момент ее появления, так и некоторое охлаждение или даже разочарова­ние. Последнее отчасти вызвано тем фактом, что эта технология, призванная обеспечить высокую производительность и решить проблемы, свойственные тради­ционным технологиям, при попытке своего внедрения порождала массу проблем. Вот некоторые из них: сложный и долгий процесс настройки коммутируемых виртуальных соединений, недостаточная эффективность при передаче трафика TCP/IP, большие накладные расходы на границах между локальными сетями и ATM.

Большое время установления коммутируемого виртуального соединения сводит на нет все преимущества высокой пропускной способности ATM. При установ­лении большого числа соединений в крупной корпоративной сети происходит как бы суммирование соответствующих времен. Учитывая, что при установ­лении соединений часть полосы пропускания не используется по прямому на­значению, а занята служебной информацией, можно представить, что останется от полосы пропускания, например в 155 Мбит/с, при установлении нескольких тысяч коммутируемых виртуальных соединений.

Две другие проблемы связаны с механизмом упаковки данных в ячейки и сопутствующими накладными расходами на передачу служебной информации.

После некоторого охлаждения пользователей по отношению к технологии ATM ее место заняла другая технология — IP-коммутация. Метод, легший в ее основу, предложила компания Ipsilon; он сводился к увеличению производи­тельности обработки IP-трафика за счет широких возможностей коммутации сетей ATM. Идея состоит в объединении «общих» дейтаграмм в поток. Марш­рутизатор считывает заголовок первой дейтаграммы и по этой информации определяет маршрут передачи, не тратя время на остальные дейтаграммы. При этом трафик организовывается специальным образом для передачи через комму­таторы третьего (сетевого) уровня. В результате существенные недостатки тра­диционных маршрутизаторов практически полностью устранялись.

Однако в настоящее время стало понятно, что IP-коммутация не сможет полностью заменить технологию ATM, так как она не обеспечивает качество обслуживания и необходимый резерв пропускной способности. Новым реше­нием, базирующимся на концепции IP-коммутации, стала технология МРОА. Она позволяет по-новому использовать коммутацию в обычных сетях ATM и обеспечить высокую производительность и масштабируемость. Это решение позволяет либо совсем отказаться от традиционных маршрутизаторов, либо использовать их, чтобы задействовать уже существующую инфраструктуру.

Для лучшего понимания технологии МРОА в эту главу включен раздел, в котором коротко рассмотрена реализация коммутации третьего уровня веду­щими производителями. Механизм кратчайшей маршрутизации, реализованный в МРОА, потенциально более мощен, чем IP-коммутация. Кроме того, МРОА может взаимодействовать со всеми типами локальных сетей и предоставляет одну из разновидностей сетевой маршрутизации, которая объединяет и поддер­живает существующие сетевые протоколы. Эта технология позволяет объеди­нить существующие подсети с магистралями ATM без назначения новых. IP-адресов.

Существуют еще две технологии, которые существенно продвигают ATM к интеграции с существующими сетями. Это — классический IP и эмуляция локаль­ных сетей — LANE. Первая технология позволяет в полной мере воспользовать­ся возможностями ATM для передачи IP-трафика и может применяться для связи подсетей или рабочих групп, которые используют IP в качестве транспорт­ного протокола. При этом допускается наличие нескольких подсетей, работаю­щих независимо друг от друга и связанных между собой через маршрутизатор. Однако в этом случае качество обслуживания не предоставляется. Как служба канального уровня, LANE может обрабатывать как маршрутизируемые (TCP/IP, IPX), так и немаршрутизируемые (NetBIOS, SNA) протоколы. При этом LANE объединяет преимущества ATM с достоинствами существующих технологий ло­кальных сетей (Ethernet, Token Ring и т. д.), обеспечивая высокопроизводитель­ную коммутацию в пределах рабочих групп.

Протокол IP поверх ATM

Стек протоколов TCP/IP хорошо знаком сетевым специалистам. Но с появлени­ем ATM возник вопрос: «Не отказаться ли полностью от TCP/IP и не взять ли на вооружение ATM?» Жизнь показала, что правильнее всего — объединить до­стоинства этих двух технологий.

За прошедшее время стек TCP/IP не только не утратил своей популярности, но и с каждым годом завоевывает все новые позиции. Основные причины успеха TCP/IP заключаются в доступности его спецификаций и открытости архитекту­ры. TCP/IP поддерживается практически всеми операционными системами и сетевыми продуктами. Другого своего конкурента, протокол IPX компании No­vell, TCP/IP превосходит по масштабируемости, так как TCP/IP одинаковохорошо работает как в небольших сетях с несколькими пользователями, так и в крупных сетях масштаба предприятия.

К сожалению, из-за того, что стандарт на протокол TCP/IP разработан доста­точно давно, он не может удовлетворить все современные требования, например передачу видеоинформации в реальном времени, так как не поддерживает резер­вирование части полосы пропускания. Правила обработки информации в прото­коле TCP/IP одинаковы для всех приложений, будь то электронная почта или видеоконференции. В любом случае данные имеют одинаковый приоритет при обработке и передаются с одной и той же скоростью — несмотря на то, что, очевидно, данные последнего приложения более приоритетны. Кроме того, про­токол не учитывает, что для передачи информации критичной к задержкам, соответствующие пакеты должны пересылаться в строго определенной последо­вательности и в первую очередь.

Технология ATM имеет значительные преимущества по сравнению с про­токолом IP: благодаря ориентации на установление логического соединения между абонентами она гарантирует эффективную и устойчивую работу и тем самым идеально подходит для передачи по сети аудио- и видеоинформации. Протокол IP целесообразно интегрировать с ATM только в том случае, если большинство компьютеров в организации не подключены напрямую к сети ATM. Такая ситуация в настоящее время типична, так как ATM, в основном, применяется для построения магистрали, связывающей отдельные локальные сети организации.

Поиском решения упомянутых проблем протокола IP занимаются рабочие группы IETF, но пройдет некоторое время до принятия соответствующих стан­дартов. В любом случае протокол TCP/IP и его модернизации будут широко применяться в сетях с ATM.