49271 (Технологія ATM та алгоритм RED)

“ Технологія ATM та алгоритм RED ”

Зміст

Технологія ATM та її характеристики……………………………………3 ст.

Алгоритм RED: червоне світло для зайвих пакетів………….………..5 ст.

RED в мережах TCP/IP………………………………………….…….5 ст.

RED в мережах ATM…………………………………………………………6 ст.

Що ж таке ATM? ATM або Asynchronous Transfer Mode (Режим асинхронної передачі) – це технологія комутації пакетів, що формує ядро Broadband ISDN або Broadband Integrated Services Digital Network (Багатофункціональна цифрова мережа) і забезпечує передачу цифрових, голосових і мультимедійних даних одночасно через одні і тіж лінії. Спочатку швидкість передачі була визначена 155 Мбіт/с, потім 662 Мбіт/с і планується до 2.488 Гбіт/c. ATM використовується як в локальних, так і глобальних мережах, успішно застосовується для зв’язку локальних мереж, сильно віддалених одна від одної.

Загальні характеристики ATM:

1. Лінії зв’язку – оптичні, локальні і довгі. Довгі лінії можуть бути виділеними (арендуємими) та коммутаційними.

2. Забезпечення паралельної передачі. Кожний вузол може мати виділене з’єднання з будь-яким іншим вузлом.

3. Робота завжди на максимальній швидкості.

4. Використання пакетів фіксованої довжини - чарунка по 53 байти.

5. Коррекція помилок і маршрутизації на апаратному рівні (частково завдяки фіксованому розміру чарунок).

6. Одночасна передача даних, відеоінформації та голосу. Фіксований розмір чарунок забезпечує рівномірний голосовий потік.

7. Легкість балансування завантаження. Комутація пакетів дозволяє при необхідності підвищення пропускної можливості встановити множину віртуальних ланцюгів між передатчиком та приймачем.

Типи фізичних інтерфейсів. Інтерфейс користувача UNI (User Network Interface), визначений ATM-форумом, допускає різні типи фізичного інтерфейсу:

• SONET або Synchronous Optical Network (Стандарт ANSI для оптоволоконних мереж), ОС-3, STS-3 або STM-1 в термінології CCITT (Consultative Committee on International Telephone and Telegraph – Міжнародний комітет стандартизації телефонного і телеграфного зв’язку), 155.52 Мбіт/с

• DS3, 44.736 Мбіт/с

• 100 Мбіт/с з кодуванням 4В/5В

• 155 Мбіт/c з кодуванням 8В/10В

Всі ці інтерфейси використовують оптоволокно, хоча розробляються варіанти стандартів на витковій парі UTP-3 або Unshielded Twisted Pair (Неекранована виткова пара проводів).

Сервіси. Для різних видів інформації (голос, відеоінформація, дані), що передаються за допомогою ATM, визначені такі класи сервісів:

• клас A використовується для передачі з постійною швидкістю потоку даних (Constant Bit Rate – CBR). Він забезпечує емуляцію комутуємого каналу, підходить для голосових даних.

• клас B використовується для передачі з змінною швидкістю потоку даних (Variable Bit Rate – VBR), наприклад, для відеоконференцій.

• клас C використовується для передачі даних з встановленням з’єднання (ABR).

• клас D використовується для передачі даних без встановлення з’єднання (UBR).

Як формується чарунка? Для кожного класу сервісу встановлені протокольні блоки даних PDU (Protocol Data Unit), які є блоками даних для чарунок. Кожний PDU містить 48 октетів – груп по 8 біт (разом 48 байт), що використовуються для заголовку, концевика і власне даних (Payload в термінології ATM). Інші 5 октетів чарунки (разом 5 байт) складають заголовок ATM. В нього входять 4 біта загального керування потоком, 8 біт ідентифікатора вітуального шляху VPI (Virtual Path Identifier), 16 біт ідентифікатора віртуального каналу VCI (Virtual Channel Identifier), 3 біта вказівника типу даних (Payload Type), 1 біт CLP (Cell Loss Priority) та 8 біт HEC (Header Error Control). Біт CLP визначає можливість відкидання даної чарунки у випадку напруженого рівня трафику.

В ATM розрізняють 3 плани (групи діяльності):

• план керування, на якому встановлюються і обслуговуються виклики і з’єднання

• план користувачів, на якому відбувається звичайний обмін даними

• план менеджменту, який координує всі 3 плани і керує ресурсами

Як же відбувається передача? Потоки даних від різних типів сервісів (голос, відеоінформація, дані і чарунки від ATM-станцій) оброблюються сервісами відповідних класів і “розфасовуються” у 48-октетні PDU, які вкладаються у чарунки і мультиплексуються у потік чарунок для передачі. (Саме слово мультиплексування означає комбінування окремих сигналів в єдину швидкісну передачу). За допомогою ATM в носій передаються чарунки з багатьох джерел. Вони можуть змішуватись, проте кожна має свою цільову адресу, а саме: чарунки містять ідентифікатори віртуальних каналів і шляхів, які використовуються для досягнення адресата призначення (перші 5 октетів чарунки). ATM-комутатор використовує інформацію ідентифікаторів для направлення чарунок у відповідний порт. Потік чарунок кодується і передається через фізичне середовище передачі ATM-мережі. При мультиплексації сигнали надходять по порядку через регулярні проміжки часу. Тобто – всі чарунки за часом і розміром однакові. На приймальному боці відбуваються зворотні перетворення і потоки даних передаються на вихід відповідним сервісам.

Плюси ATM.

• ATM комбінує мультиплексацію і комутацію пакетів в одному універсальному методі передачі даних. Він підтримує передачу даних в локальних мережах, а також передачу голосової і відеоінфомації. Так як чарунки мають невеликий розмір, вони обробляються швидко. Затримка на перемикання пакетів невелика. Це має важливе значення для передачі мови і відео, які дуже залежать від часу.

• ATM – це транспортний протокол, який працює на підрівні MAC рівня зв’язку даних. Завдяки цьому він може працювати над багатьма топологіями фізичного рівня, на відміну від FDDI (Fiber Distributed Data Interface – використовується для міжмережної передачі даних, використовує топологію подвійного кільця). ATM не базується на якомусь конкретному протоколі. Він може відображати будь-який вид пакету в 53-байтову чарунку і передавати її по кабелю або глобальній мережі.

• ATM може використовуватися в якості фізичного носія для організації глобальних мереж SONET, які телефонні компанії використовують в телефонних лініях і мережних комунікаціях.

• Стандарт ATM не обмежений швидкістю передачі як FDDI (працює зі швидкістю 100 Мбіт/с).

• Малий розмір чарунок не потребує спеціальної обробки як в FDDI.

Алгоритм RED: червоне світло для зайвих пакетів

Якщо вже було згадано про біт CLP (Cell Loss Priority), який визначає можливість відкидання даної чарунки у випадку напруженого трафіку, то доречною буде і розповідь про так званий алгоритм RED або Random Early Detection (Своєчасне знаходження перевантаження).

Дуже широко застосовується для передачі трафіка локальних мереж і Internet зазначений вище тип сервісу UBR (клас D), що зумовлено його простою реалізацією. До трафіка не пред’являються які-небудь жорсткі вимоги і мережа просто передає стільки даних користувача, скільки може. Відповідно “поведінка” трафіка в мережі ATM стає неконтрольованою, що призводить до небажаних наслідків, таких як перевантаження і втрата даних.

Для поліпшення функціональних можливостей UBR в нього було введено ряд механізмів керування трафіком, в тому числі EPD (раннє відкидання пакетів) та PPD (відкидання залишків пакетів). Даний тип сервісу отримав назву UBR+. Крім того існує ще так званий алгоритм RED. Спочатку він був запропонований для пакетних мереж: він добре себе зарекомендував при роботі с протоколом TCP.

RED в мережах TCP/IP

TCP – протокол, що орієнтований на з’єднання, в зв’язку з чим він має ряд особливостей. TCP починає свою роботу з процедури встановлення з’єднання і узгодження (синхронізації) основних параметрів, таких як розмір вікна підтвердження та максимальний розмір пакету. Після синхронізації TCP відразу посилає стільки пакетів, скільки допускає розмір вікна підтвердження.

Подібний вибух навантаження не є небезпечним для швидкісних мереж. Проте в комплексних мережах, де можуть існувати низькошвидкісні ділянки і перевантажені комутатори, непередбачена поява великої кількості пакетів може призвести до істотного зниження пропускної здатності (що зумовлено втратами трафіка і наступною його ретрансляцією). В сучасних реалізаціях протоколу TCP уникнути цих неприємностей дозволяє механізм Slow Start.

У випадку використання Slow Start протокол TCP, після синхронізації пакетів, спочатку відсилає один пакет, потім (коли отримано підтвердження на його доставку) – два, чотири, і так до тих пір, поки кількість пакетів, що передаються одночасно, не буде відповідати розмірам вікна підтвердження. При втраті хоча б одного з пакетів джерело починає процедуру Slow Start знову. В різних реалізаціях TCP (TCP Tahoe, TCP Reno) кількість пакетів, з якої починається передача, і коефіцієнт збільшення кількості пакетів можуть динамічно залежати від часу поширення пакетів (Round-trip time – RTT). Це дає можливість адекватно реагувати на стан мережі.

Алгоритм RED дозволяє контролювати навантаження мережі за допомогою вибіркового випадкового знищення деяких пакетів, що спонукає протоколи, схожі на TCP, зменшувати швидкість передачі. При втраті хоча б одного пакету протокол TCP починає процедуру Slow Start спочатку: це знижує об’єм трафіку, що надходить в мережу. Найдоцільніше не чекати повного перевантаження мережі (тоді буде видалений весь трафік), а вже на підступах до небезпечної ділянки вибірково знищувати окремі пакети, інформуючи тим самим джерела навантаження про поточну пропускну здатність мережі.

Крім того, алгоритм RED в мережах TCP/IP допомагає позбавитись від проблеми, відомої під назвою “тотальна синхронізація”. Вона виникає, коли декілька джерел, що працюють через один і той же перевантажений сегмент мережі, дізнаються про втрати пакетів. Як наслідок, ці джерела одночасно зменшують швидкість, а потім одночасно її нарощують, що призводить до нового перевантаження і втрачання пакетів. Таким чином, стан мережі періодично змінюється від простою до перевантаження.

RED дозволяє запобігти тотальній синхронізації, вибірково знищуючи пакети певних джерел. А оскільки за чисто ймовірнисних причин великі пакети знищуються частіше ніж малі, то можна сподіватися на справедливий розподіл смуги пропуску. Звичайно, селективне знищення пакетів приводить до подібного результату, тільки коли джерело має який-небудь інтелектуальний механізм контролю за швидкістю передачі.

RED в мережах ATM.

Все вищезазначене відноситься і к роботі протоколу TCP через ATM. Тому алгоритм RED можна ефективно використовувати для керування передачею трафіка TCP/IP в мережах ATM. Крім того, в мережах ATM він використовується в якості механізму керування трафіком, що доповнює вже існуючі методи.

Керування трафіком є ключовим компонентом стабільної роботи ATM-мереж. В загальному випадку є два типи керування: превентивний та адаптивний.

Превентивний контроль базується на дотриманні трафік-контракту. Джерело трафіка повинно відповідати заздалегідь визначеним рамкам якості обслуговування за допомогою, наприклад, широковідомих механізмів контролю Leaky Bucket та Virtual Scheduling. Превентивний контроль застосовується в основному для CBR (сервіс класу A) та VBR (сервіс класу B), в яких характеристики трафіку відомі або піддаються прогнозуванню.

Адаптивний контроль заснований на використанні вільної смуги пропуску. Звичайно він реалізується для ABR (сервіс класу C) та UBR (сервіс класу D), які не мають жорстких вимог до якості обслуговування. Адаптивний контроль здійснюється за допомогою зворотнього зв’язку між джерелом та комутатором ATM, який може бути явним (для передачі інформації про перевантаження використовуються спеціальні чарунки, як в ABR) або прихованим (поведінка джерела трафіка змінюється у відповідності до змін поведінки мережі).

Алгоритм RED в мережах ATM використовує прихований зворотній зв’язок для повідомлення про перевантаження шляхом вибіркового знищення чарунок користувача. Замість того, щоб чекати перевантаження і переповнення буферу, наслідком чого стане знищення всіх даних, що надходять, RED знищує частину чарунок. Їх кількість і частота знищення визначаються параметром, що має назву ймовірність знищення. Цей параметр розраховується кожен раз у відповідності до поточного стану ресурсів ATM-комутатора, тобто фактично визначається довжиною черги на обслуговування трафіка в ATM-мережі.

Середня довжина черги (QueueLength) визначається так: