Использование протокола RSVP в сетях с DS

Протокол RSVP позволяет приложениям сообщать о требованиях потока к сети. Он используется для определения объема этих требований. Но протокол RSVP имеет некоторые ограничения, которые препятствуют его развертыванию в Internet в целом:

q В настоящее время только небольшое число устройств поддерживает протокол RSVP. Их число, как ожидается, будет расти, однако большинство существующих приложений не сможет поддерживать этот протокол без существенных доработок;

q Многие приложения, хотя и требуют предоставления QoS, не способны точно выразить эти требования при использовании IS-модели.

На рис. 14.4 показан пример, в котором два клиента распределенной сети, поддерживающие протокол RSVP, связаны магистралью с DS через Internet. Маршрутизаторы R2 и R3 – это граничные маршрутизаторы, которые служат в качестве переводчиков требований QoS с языка сети IS на язык сети DS и наоборот. В нашем примере граничные маршрутизаторы не используются для выполнения резервирования RSVP. Они осуществляют функции входного контроля домена DS. Услуги, определенные в сети DS, должны быть доступны непрерывно по сети для того, чтобы произвести подмену резервирования потока протоколом RSVP соответствующим обслуживанием, предоставляемым в домене DS. Маршрутизаторы в сети DS должны предоставить набор параметров, которые, по своей сути, соответствуют ресурсам, зарезервированным протоколом RSVP. Это необходимо приложениям, поддерживающим протокол RSVP, для того, чтобы назначать определенные сервисные уровни для их потоков трафика в сети с предоставлением DS.

Маршрутизаторы R1 и R4 – специальные маршрутизаторы, которые работают как в RSVP/IS-области сети, так и в области сети с предоставлением DS. Эти маршрутизаторы как бы разделены на две половины. Одна поддерживает протокол RSVP и связана с пользовательской сетью. Другая половина поддерживает сети с предоставлением DS и связана с Internet. Первая половина должна, по крайней мере, частично поддерживать протокол RSVP. Маршрутизатор должен обрабатывать сообщения PATH и RESV, но этого не требуется для того, чтобы поддерживать классификацию пакета и сохранение состояния RSVP. Вторая половина маршрутизатора обеспечивает управление доступом для сети с DS. Если сервисное соглашение между пользовательской сетью и Internet является статическим, то функция управления доступом может быть реализована в виде простой таблицы, которая и определяет необходимые параметры QoS. Если сервисное соглашение имеет динамическую форму, то управление доступом связывается с аналогичными функциями в пределах данной сети с предоставлением DS для того, чтобы принять решение о доступе в зависимости от имеющейся пропускной способности сети.

В рассмотренном примере обмен сообщениями протокола RSVP используется для обеспечения контроля за доступом на определенные сервисные уровни сети с предоставлением DS из сети с предоставлением IS. Сообщения протокола RSVP несут описание параметров QoS сети IS. На границе между сетями IS и DS граничные маршрутизаторы переносят требуемые для сетей IS параметры QoS на соответствующие уровни обслуживания сетей DS. Пользовательский трафик сможет пройти после того, как его пропустит граничный маршрутизатор, контролирующий доступ в сеть DS. Это произойдет в том случае, если маршрутизатор сможет предоставить необходимое качество обслуживания в сети DS. Если сообщение о резервировании протокола RSVP из сети IS достигает граничного маршрутизатора, дескриптор потока RSVP будет преобразован в режим РНВ, который представляет соответствующий сервисный уровень в сети DS. Граничный маршрутизатор добавляет в конец сообщения о резервировании протокола RSVP значение режима РНВ. Отправляющая рабочая станция помечает все уходящие пакеты этим значением режима РНВ. Такой подход позволяет поддерживать параметры QoS, гарантированные приложениям протоколом RSVP, в интрасетях, если они связаны между собой через Internet каналами с предоставлением DS.

Управление трафиком в АТМ

Технология ATM поддерживает различные уровни сервиса и качества обслуживания устанавливаемых соединений. Для того чтобы гарантировать определенные параметры соединения в ATM, введены механизмы контроля за трафиком, управления перегрузками и их предотвращения, которые обобщенно называются управлением трафиком. Управление трафиком позволяет сети ATM предоставлять определенное качество обслуживания соединениям и защищать существующие соединения от перегрузок и снижения производительности. Технология ATM может поддерживать работу различных приложений (в том числе аудио и видео) на одной и той же сетевой инфраструктуре. Это весьма специфичная особенность, так как требования разных приложений к сетевым ресурсам могут отличаться очень существенно. Например, приложения электронной почты не указывают временных границ доставки сообщений получателю. В этом случае не требуется выделять никаких других сетевых ресурсов, кроме минимальной полосы пропускания, доступной в каждый момент времени. Другим примером может быть видеоконференция в реальном времени. Она требует не только широкой полосы пропускания, но и минимизации времени доставки ячеек, содержащих видеоизображение, получателю. Кроме того, приложение не будет корректно работать, если ячейки приходят к получателю неравномерно по времени. В этом случае к сети предъявляются очень серьезные требования по многим характеристикам. Именно эти особенности ATM привели к необходимости создания системы управления трафиком.

Напомним основные моменты, определяющие работу соединения:

q Сеть ATM устанавливает соединение только в том случае, если это не повредит уже существующим соединениям (не ухудшит их параметры). Если существует вероятность некоторого отрицательного влияния, то запрос на установление нового соединения должен отклоняться;

q При установлении соединения приложение и сеть заключают своего рода контракт. Сеть обязуется гарантировать приложению требуемые параметры. В контракт входят параметры, характеризующие максимальную и минимальную скорость передачи ячеек и качество обслуживания;

q Сеть ATM имеет право отбрасывать или помечать ячейки, которые «не укладываются» в согласованные условия. Эти действия по «наведению порядка» выполняются в момент поступления ячеек в сеть;

q Если отбрасывание ячеек недопустимо, пользователю посылается предложение снизить скорость передачи ячеек в сеть.

В этом, по сути, и состоит управление трафиком в ATM. Оно должно:

q Поддерживать множество типов трафика на различных скоростях;

q Соответствовать требованиям качества обслуживания каждого приложения в каждом соединении;

q Оптимизировать использование сетевых ресурсов;

q Обеспечить конечного пользователя ATM и сеть необходимой производительностью.

Организации по стандартизации определили основные функции управления трафиком. Они описаны в документе ATM Forum Traffic Management 4.0 и в рекомендации 1.371 комитета ITU.

Систему управления трафиком можно условно разделить на три составляющие:

q подсистему заключения сервисного соглашения между пользователем и сетью по необходимому объему и качеству предоставляемых услуг;

q подсистему управления потоками ячеек от различных пользователей;

q подсистему контроля параметров трафика.

Некоторые из этих подсистем состоят из компонентов, отвечающих за выполнение конкретных функций (рис. 15.1).

Система контроля параметров трафика состоит из системы контроля за пользователем и системы контроля за сетью. Смысл выполняемых ею действий сводится к предотвращению перегрузок. Если перегрузки избежать не удается, она старается сократить время длительности перегрузки. Контроль производится в четко определенное время и в четко определенном месте сети. Например, проверка превышения потоком ячеек максимальной скорости ОСЗ выполняется на входящем коммутаторе ATM за время, не превосходящее 2.73 мкс (время передачи одной ячейки со скоростью 155 Мбит/с).

Исходя из выделенных основных составляющих системы управления трафиком, можно определить основные задачи этой системы:

q Заключение выполняемого сетью трафик-контракта, удовлетворяющего максимально возможному объему требований пользователя;

q Оптимальное выделение ресурсов сети и управление ими для гарантированного выполнения заключенного трафик-контракта;

q Предотвращение перегрузок.

Обобщая перечисленные задачи, можно сказать, что вся система управления трафиком направлена на обеспечение «комфортной» работы всех пользователей и предотвращение перегрузок в сети.

Перегрузка определяется как состояние, в котором компоненты сети ATM, будь то коммутаторы, физические каналы связи или конечные станции, не могут поддерживать согласованные параметры существующих соединений. То есть, основные показатели качества обслуживания могут резко снизиться. При этом перегрузки могут иметь как локальный, так и глобальный характер. Причинами перегрузок могут служить:

q Резкое увеличение объема входного трафика;

q Нештатная ситуация на принимающей стороне;

q Недостаточный объем буферной памяти коммутаторов;

q Недостаточная производительность промежуточных устройств;

q Поломка оборудования.

Механизмов предотвращения перегрузок существует достаточно много. Одни технологии основаны на выделении максимальной полосы пропускания для соединений, хотя это может привести к нерациональному использованию сетевых ресурсов. Другие технологии используют буферную память коммутаторов – при этом повышается стоимость коммутаторов. Третьи активно работают с сетью и получателем данных, формируя извещения с просьбой снизить скорость отправки ячеек в сеть. Ячейки могут отбрасываться на входе в сеть, если они способны вызвать перегрузку за счет превышения согласованной скорости передачи. Существуют и другие методы предотвращения перегрузок.

Система управления трафиком должна функционировать на всем пути движения ячеек от пользователя:

q на входе в сеть ATM – для согласования реальных характеристик трафика с трафик-контрактом;

q в середине сети – для сглаживания искажений, вносимых сетевыми устройствами;

q на выходе из сети – для восстановления исходной формы трафика.

Организации по стандартизации определили некоторые механизмы управления трафиком. Некоторые из них просты в реализации и подходят для всех сервисов ATM, а другие более сложны и зависят от конкретного набора сервисных услуг. Основные механизмы управления трафиком следующие:

q САС (Connection Admission Control) – контроль за установлением соединения;

q UPC (Usage Parameter Control)/NPC (Networks Parameter Control) -контроль за использованием полосы пропускания сети;

q Traffic Shaping – формирование трафика;

q Priority Control – контроль приоритетов;

q ABR Flow Control – контроль потока ABR;

q Frame Discard – отбрасывание пакетов;

q Selective Cell Discard – выборочное отбрасывание ячеек.

Трафик-контракт

Существует несколько типов соглашений об уровне сервиса (Service Level Agreement, SLA). По сути, все они представляют собой некий контракт, заключаемый между двумя сторонами, по которому одна из сторон (провайдер услуг, информационный отдел, администратор сети и т. д.) обязуется предоставить другой стороне (организации, рабочей группе, конкретному пользователю и т. д.) определенный уровень сервиса в своей сети. Разница между типами SLA – в количественных и качественных характеристиках предоставляемых услуг.

Для сетей Frame Relay и сетей, работающих с протоколом IP, первые SLA были предложены в 1996 году компанией Intermedia Communications. В основе этих соглашений лежали четыре показателя:

q гарантированная работоспособность сети;

q доставка кадров;

q задержка при передаче;

q время восстановления сети.

По мере того как все большее число операторов связи стали заключать сервисные соглашения, SLA все более уточнялись и применялись для различных, классов услуг.

Для технологии ATM аналогом SLA служит трафик-контракт. Для каждого виртуального соединения существует свой, индивидуальный трафик-контракт. Выполнение трафик-контракта осуществляется через интерфейс UNI. В контракт входят:

q ожидаемый от сети уровень качества обслуживания;

q характеристики потока ячеек;

q контрольные правила и инструкции, которые используются для интерпретации параметров трафика;

q тип соединения.

Форум ATM определил три основных параметра качества обслуживания, которые должны согласовываться сетевыми устройствами при установлении соединения:

q время задержки при передаче ячеек (Cell-Transfer Delay, CTD);

q вариация времени задержки (Cell-Delay Variation, CDV);

q процент потерянных ячеек (Cell-Loss Ratio, CLR) (рис. 15.2).

Параметр CTD – это максимальная задержка в сети при передаче ячеек между отправителем и получателем. В нее вносят свой вклад задержки при передаче и задержки, вносимые очередями на коммутаторах ATM.

Параметр CDV – это разница между максимальным и минимальным временем доставки ячеек от отправителя к получателю. На параметр CDV влияет процедура мультиплексирования потоков ячеек множества виртуальных соединений в один физический канал связи и непостоянство задержек в очередях на коммутаторах ATM.

Параметр CLR – это отношение числа потерянных ячеек к общему числу переданных ячеек. На данный параметр влияет уровень ошибок физического канала связи и алгоритмы управления перегрузками, применяемые в коммутаторах ATM.

Существуют также и другие параметры, которые не согласовываются при заключении трафик-контракта. Для примера покажем степень влияния параметров качества обслуживания на различные типы сетевого трафика (табл. 15.1).

Таблица 15.1. Влияние параметров качества обслуживания на сетевой трафик

Голосовое взаимодействие характеризуется значительной чувствительностью к параметру CTD. Большие задержки при данном трафике приводят к полной неработоспособности системы из-за невозможности речевого обмена между абонентами. Параметр CDV также имеет значительное влияние на голосовой трафик. При этом увеличение буферной памяти приводит к увеличению вариации времени задержки. Влияние параметра CLR на такой трафик несущественно. Это связано с тем, что при потере ячеек они не передаются отправителем повторно, так что просто несколько ухудшается качество связи. Влияние этих трех параметров на трафик, генерируемый видеоконференциями, аналогично.

Трафик приложений, обеспечивающих доставку видео по требованию, характеризуется меньшей чувствительностью к параметру CTD, так как в этом случае отправитель должен уметь реагировать на команды удаленного управления. Следует отметить, что и в этом случае уменьшение параметра CDV приводит только к положительным результатам. Как и в первых трех случаях, параметр CLR незначительно влияет на данный вид трафика.

Особое место занимает трафик, возникающий при передаче больших объемов данных. При этом параметр CTD практически не учитывается по причине нерегулярности трафика и наличия больших временных окон для организации повторной передачи. Вариация задержки сглаживается наличием большой буферной памяти у получателя данных. Зато существенное значение приобретает параметр CLR; большие пакеты данных не могут целиком поместиться в одну ячейку ATM, поэтому они 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 будет восстановить.

Параметры трафика

Спецификация управления трафиком определяет различные параметры, которые используются для описания трафика. Совместно с параметрами качества обслуживания они определяют категории сервиса. Существуют также и другие специальные параметры для описания категории сервиса ABR. Они обобщенно называются параметрами обратной связи. В табл. 15.2 приведено описание основных параметров трафика.

Таблица 15.2. Основные параметры трафика

Категории сервиса

Исходя из приведенных выше параметров трафика, Форум ATM определил пять категорий сервиса, а именно, передачу:

q с постоянной скоростью (служба CBR);

q в реальном времени с переменной скоростью (служба rtVBR);

q с переменной скоростью не в реальном времени (служба nrtVBR);

q с незаданной заранее скоростью (служба UBR);

q с доступной скоростью (служба ABR).

В данном случае понятие категория сервиса имеет более широкое толкование, чем термин служба. Например, аудио- и видеоинформация требуют передачи с постоянной скоростью, то есть службы CBR. Та же самая информация, но сжатая при помощи алгоритма MPEG, требует передачи с постоянной скоростью или в реальном времени с переменной скоростью. Для передачи данных используется любая из перечисленных выше категорий сервиса в зависимости от требований конкретных прикладных программ.

Наибольший практический интерес представляют службы CBR и ABR. Это связано с тем, что они позволяют выделять для каждого соединения достаточный объем ресурсов. При этом служба CBR использует гарантированные ресурсы, а служба ABR функционирует на оставшихся ресурсах сети. Такая схема взаимодействия между этими двумя службами позволяет полностью загрузить сетевое оборудование.

В табл. 15.3 показана связь между службами и характерным для них трафиком. В табл. 15.4 приведены параметры, которые специфицированы для той или иной категории сервиса.

Таблица 15.3. Типы трафика и служб

Таблица 15.4. Параметры, ассоциированные со службами

Профиль трафика с постоянной скоростью можно упрощенно показать на графике, определяющем зависимость скорости передачи от времени (рис. 15.3). Скорость такого трафика очевидным образом предсказуема. Он является наиболее простым типом, для которого могут быть гарантированы необходимые значения параметров качества обслуживания, а механизм обратной связи не требуется.

Обе службы VBR (nrtVBR и rtVBR) характеризуются двумя скоростями передачи: пиковой скоростью (PCR), с которой можно передавать ограниченное число ячеек (не более заданной величины MBS), и нормальной скоростью (SCR), поддерживаемой неограниченно долго (рис. 15.4). При этом передача регулируется таким образом, чтобы средняя скорость не превышала допустимую. Иными словами, количество ячеек, входящих в область Б, должно быть всегда меньше или равно количеству пустых ячеек (использующихся для поддержания нормальной скорости), поставляемых областью А. Обратная связь здесь также не используется. Основное различие между передачей с переменной скоростью в реальном времени (rtVBR) и передачей не в реальном времени (nrtVBR) заключается в том, что для первой службы 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.