S-38.145 Liikenneteorian perusteet K-99 9. Liikenteen- ja ruuhkanhallinta ATM:ssä Osa 1: lect9.ppt 1 Sisältö Johdanto Virtuaaliyhteydet Solut ja niiden välitys Palveluluokat Liikennesopimus Liikenteen- ja ruuhkanhallinta 2 1
ATM ATM (Asynchronous Transfer Mode) on ITU-T:n (eli ns. telemaailman) standardoima laajakaistaisen monipalveluverkon (B- ISDN, Broadband Integrated Services Digital Network) siirtomuoto kehitystyö alkoi 80-luvulla mukaan kehitystyöhön tuli v. 1991 perustettu ATM Forum (joka pyrkii ottamaan paremmin huomioon ns. tietokonemaailman vaatimukset) Kehityksen taustalla tarve integroida eri palvelut yhteen verkkoon perinteisesti eri käyttötarpeisiin erilliset tietoliikenneverkot puhelinverkot, dataverkot, telex-verkko, ohjelmansiirtoverkot (broadcast) kukin on sopinut juuri sille suunniteltuun käyttötarpeeseen eivät ole tarjonneet muita palveluita on kuitenkin yksinkertaisempaa hallita ja operoida yhtä integroitua verkkoa Jotta tähän päästään, on kuitenkin tehtävä kompromisseja ATM-tekniikkaa ei ole kehitetty nimenomaisesti jotakin perussovellutustyyppiä varten lähtökohtana kuitenkin vahvasti reaaliaikaisten palvelujen toteutus sisältää piirteitä piirikytkentäisestä tekniikasta, jotka parantavat pakettitekniikan soveltuvuutta reaaliaikaisiin sovellutuksiin 3 ATM:n periaatteet Solukytkentä (kiinteänmittaiset paketit eli solut) Joustavuus: mahdollistaa sekä liikenteellisesti että laatuvaatimuksiltaan erilaisten palvelujen yhdistämisen samaan verkkoon kuten puhe data (interaktiivinen/jakelutyyppinen) video (reaaliaikainen/ei-reaaliaikainen) Palveluille tarvittaessa laatutakeet palveluluokat: CBR, VBR-rt, VBR-nrt, ABR, GFR, UBR Skaalautuvuus: WAN/LAN Nopeus sekä välityksessä että tiedonsiirrossa => laajakaistaisuus 4 2
ATM:n tekniset perusvalinnat yhteydellinen => resursseja voidaan varata ennalta yhteydenmuodostuksen yhteydessä => yhteydelle voidaan taata sen haluama laatu pakettikytkentä => statistinen multipleksointi eli tilastollinen kanavointi => tukee erilaisia siirtonopeuksia (jopa vaihtelevia) paketti kiinteänmittainen ja lyhyt, siis solu (cell) => solukytkentä => solujen välitys nopeaa 5 Solukytkentä yhteyspohjainen => tiedonsiirtoa edeltää yhteydenmuodostusvaihe, jonka aikana (virtuaali)yhteys (virtual connection, VC) rakennetaan valmiiksi päästä-päähän informaatio pilkotaan kiinteänpituisiksi soluiksi (cell), joihin tulee vain lokaalit osoitetiedot (VPI/VCI) => overheadia, mutta vähemmän kuin globaaleja osoitteita käytettäessä paketit siirretään verkon läpi ennalta muodostettua virtuaaliyhteyttä pitkin, siis samaa reittiä => järjestys säilyy resurssien ennaltavaraus mahdollinen, riippuu palveluluokasta tehdäänkö vai ei tarjoaa mahdollisuuden hyvinkin erilaisten liikennevirtojen integroimiseksi samaan verkkoon A 2 1 4 4 1 1 1 1 B 6 3
ATM paketti- ja piirikytkentäisen tekniikan yhdistelmänä * lyhyet paketit 53 B X.25 * kiinteämittaiset paketit * virtuaalipiiripohjainen * ei virheentarkistuksia 7 Internet ja ATM Kaksi eri lähestymistapaa laajakaistaisiin monipalveluverkkoihin Internet ATM Internet Juuret pakettiverkko- ja reititintekniikkaan perustuvassa tietokoneiden välisessä kommunikaatiossa (computer communications) Alunperin tarkoitettu ei-reaaliaikaisten viestien välittämiseen tiedostojen siirto tietokoneiden etäkäyttö sähköposti Palvelun laatu on tässä maailmassa ollut tuntematon käsite palvelua on tarjottu best effort -periaatteella Erittäin laaja levinneisyys Tulee työpöydälle asti Tietokoneisiin ja niiden sovellutuksiin on rakennettu tarvittava protokollatuki 8 4
Sisältö Johdanto Virtuaaliyhteydet Solut ja niiden välitys Palveluluokat Liikennesopimus Liikenteen- ja ruuhkanhallinta 9 Virtuaaliyhteydet Koska ATM on pakettivälitteinen, yhteydet ovat virtuaalisia (VC, virtual connection) ATM tarjoaa kahdenlaisia virtuaaliyhteyksiä: virtuaalikanavayhteyksiä (VCC, Virtual Channel Connection) virtuaalipolkuyhteyksiä (VPC, Virtual Path Connections) Yhteyden identifioi solun otsikossa olevat VPI (virtual path identifier) ja VCI (virtual channel identifier) kentät VCC:n identifioi pari VPI/VCI (UNI: 16,777,216 ja NNI: 268,435,456 mahdollista arvoa) VPC:n identifioi pelkkä VPI (UNI: 256 ja NNI: 4096 mahdollista arvoa) VPI ja VCI kentillä vain lokaali merkitys (ne yleensä vaihtuvat ATM-kykimessä, kun solu välitetään linkiltä toiselle) => epäsuorat osoitteet => verkon skaalautuvuus Jokainen VCC siis kuuluu johonkin VPC:hen Kääntäen: jokainen VPC kuljettaa joukon VCC:itä, jotka voidaan tarvittaessa välittää ATM-kytkimessä yhtenä nippuna 10 5
Virtuaalipolut ja -kanavat Physical link VP1 VP2 VC11 VC12 VC21 VC22 VC23 11 Yhteydenmuodostus Yhteyksien luontiin on kaksi tapaa (vrt. puhelinverkko): kytkentäiset yhteydet (SVC, switched virtual connection): käyttäjä luo tarvittaessa merkinannon (signalling) avulla (puoli)kiinteät yhteydet (PVC, (semi)permanent virtual connection): verkon operaattori luo verkonhallinnan (network management) avulla Yhteydenmuodostukseen liittyy seuraavia ohjaustoimintoja: merkinantoinformaation vaihto ja prosessointi yhteyksien hyväksyminen tai hylkääminen (eli pääsynvalvonta) resurssien allokointi ja reitin päättäminen VPI/VCI-tunnusten antaminen ja poistaminen 12 6
Miksi virtuaalipolkuja? nopeuttaa yhteydenmuodostusta (jos virtuaalipolku ulottuu useamman fyysisen linkin yli) eri palveluluokkien (CBR, VBR,...) liikenne voidaan erottaa toisistaan yleensäkin palvelun laatu- ja tasovaatimukseltaan (QoS/GoS) erilaiset liikenneluokat voidaan erottaa toisistaan mahdollista erilaisten loogisten verkkojen luonnin helpottaa verkon hallintaa VC Switch VP Crossconnect VC Switch Physical Link Physical Link VCC VPC 13 Miksi ei virtuaalipolkuja? virtuaalipolut tavallisesti staattisia ja vakionopeuksisia (siis CBR-tyyppisiä) tilastollinen kanavointi mahdollista vain virtuaalipolkujen sisällä, ei niiden välillä tilastollisen kanavoinnin tuottama hyöty pienenee 14 7
Sisältö Johdanto Virtuaaliyhteydet Solut ja niiden välitys Palveluluokat Liikennesopimus Liikenteen- ja ruuhkanhallinta 15 Solu solu = kiinteänmittainen ja lyhyt paketti pituus = 53 tavua otsikko = 5 tavua sisältäen kentät GFC, generic flow control (4 bittiä, vain UNI-rajapinnassa) VPI, virtual path identifier (8/12 bittiä = 256/4096 VPC:tä per linkki) VCI, virtual channel identifier (16 bittiä = 65536 VCC:tä per VPC) PT, payload type (3 bittiä) CLP, cell loss priority (1 bitti) HEC, header error control (8 bittiä) informaatiokenttä = 48 tavua kompromissi: Eurooppa oli 32 tavun kannalla, USA 64 tavun kannalla kuljetetaan läpinäkyvästi ei virheenkorjausta Huom. VPI/VCI: 24/28 bittiä = 16,777,216/268,435,456 VCC:tä per linkki 5 48 53 16 8
Solujen välitys ATM-kytkimessä (1) 17 Solujen välitys ATM-kytkimessä (2) Huom. VPI-taulu on porttikohtainen Huom. Lisäksi ulosmenoportin numero 18 9
Sisältö Johdanto Virtuaaliyhteydet Solut ja niiden välitys Palveluluokat Liikennesopimus Liikenteen- ja ruuhkanhallinta 19 Liikennelähteiden luonne ATM-verkon liikenne muodostuu eri yhteyksillä kulkevista soluista Soluja tuottavat erilaiset sovellutukset, jotka ovat muodostaneet näitä yhteyksiä Solujen tuottajia sanotaan liikennelähteiksi (traffic sources) Riippuu tietysti ko. sovellutuksesta, millaista liikennettä ko. lähde tuottaa esim. puhetta lähettäessään lähde generoi soluja vakionopeudella jos puheen koodauksessa huomioidaan tauot, soluja tuotetaan on-off-tyyppisesti vaihtuvalla nopeudella reaaliaikaista videokuvaa lähetettäessä tasalaatuisesti, soluja tuotetaan (lähes) jatkuvasti vaihtuvalla nopeudella reaaliaikainen videokuva voidaan kuitenkin lähettää myös vakionopeudella, mutta tällöin kuvan laatu vaihtelee ei-reaaliaikainen videokuva taas voidaan puskuroinnin avulla lähettää tasalaatuisena vakionopeudella dataa taas voidaan lähettää lähes millä nopeudella tahansa (tietysti käyttäjälle sitä parempi, mitä nopeammin) Solujen generointinopeus (ja siten tarvittava kaista (so. bittinopeus)) voi siis vaihdella paitsi eri yhteyksien välillä myös yhden yhteyden aikana 20 10
Sovellutusten asettamat palvelun laatuvaatimukset Palvelun laatua voidaan tarkastella sekä kutsu- että solutasolla yhteystason palvelun laadusta käytetään nimitystä palvelun taso (GoS, grade of service) erotuksena solutason palvelun laadusta (QoS, quality of service) Yhteystasolla tärkein palvelun tasoa kuvaava parametri on yhteyden kokema esto (ts. tn, että yhteyttä ei hyväksytä) käytetystä palvelusta riippumatta, käyttäjät tietysti haluaisivat, että esto olisi mahdollisimman pieni verkon operaattori voi vaikuttaa asiaan verkon oikealla mitoituksella Solutason palvelun laatu taas riippuu ko. palvelusta Reaaliaikaisten palvelujen tapauksessa, kuten puheenvälitys ja videoneuvottelu, tärkeimpiä laatuparametreja ovat solujen päästä-päähän viive ja (erityisesti) vaihtelut tässä viiveessä sen sijaan solujen katoaminen tai korruptoituminen ei ole niin vaarallista Datan siirrossa viiveellä ja etenkään sen vaihtelulla ei ole suurta merkitystä, mutta solujen katoaminen tai korruptoituminen tuottaa ongelmia 21 Yhteyden määrittely: palveluluokat ja liikennesopimus Liikennelähteiden luonteen ja niiden asettamien palvelun laatuvaatimusten vaihtelun vuoksi yhteydet jaetaan ATM:ssä palveluluokkiin (service categories) yhteyttä muodostettaessa valitaan paitsi palveluluokka tehdään myös ns. liikennesopimus (traffic contract), jossa spesifioidaan tarkemmin ko. yhteyden liikennettä ja palvelun laatuvaatimusta kuvaavat parametrit (jotka ovat palveluluokkakohtaisia) Palveluluokat (ATM Forumin TMS 4.1:n mukaan) vakiosiirtonopeus (CBR, constant bit rate) reaaliaikainen muuttuva siirtonopeus (VBR-rt, variable bít rate, real time) ei-reaaliaikainen muuttuva siirtonopeus (VBR-nrt, variable bít rate, non-real time) käytettävissäoleva siirtonopeus (ABR, available bit rate) kehyskohtainen siirtonopeustakuu (GFR, guaranteed frame rate) määrittelemätön siirtonopeus (UBR, unspecified bit rate) Huom. ITU-T:n vastaavassa spesifikaatiossa I.371 palveluluokasta käytetään nimitystä ATM transfer capability 22 11
Palvelun laadun takaavat palveluluokat VAKIOSIIRTONOPEUS (CBR) tarkoitettu liikennelähteille, jotka tarvitsevat tietyn vakiokaistanleveyden koko yhteyden ajaksi reaaliaikaiset sovellukset, jotka tarvitsevat tiukasti sidotun viiveen ja pienen viiveen vaihtelun sekä lähettävät vakionopeuksista liikennettä (saa lähettää myös alemmalla nopeudella) esimerkiksi piirikytkennän emulointi REAALIAIKAINEN MUUTTUVA SIIRTONOPEUS (VBR-rt) tarkoitettu liikennelähteille, jotka tarvitsevat reaaliaikaista (tiukat viive- ja viiveiden vaihtelurajat) mutta vaihtuvanopeuksista yhteyttä reaaliaikasovellukset kuten ääni- ja videosiirto, jotka lähettävät purskeista liikennettä EI-REAALIAIKAINEN MUUTTUVA SIIRTONOPEUS (VBR-nrt) tarkoitettu ei-reaaliaikaisille vaihtuvanopeuksisille liikennelähteille, joiden lähettämä liikenne voidaan kuvata huippunopeuden, ylläpidettävän nopeuden ja purskeen maksimipituuden avulla viiveistä ei anneta muuta tietoa kuin keskimääräinen viive sopii vasteaikakriittiseen datasiirtoon, esimerkiksi lentoyhtiöiden varausjärjestelmiin 23 Best effort palveluluokat KÄYTETTÄVISSÄOLEVA SIIRTONOPEUS (ABR) tarkoitettu ei-reaaliaikaisille sovelluksille, joille riittää tietty minimikaistanleveys (voi olla myös 0 bit/s) liikennelähteiden tulee kyetä säätämään lähetysnopeuttaan verkon ohjaamana ei viivetakuita mutta tavoitteena on pieni soluhukka sopii datasiirtoon ja hajautettuihin tiedostopalveluihin KEHYSKOHTAINEN SIIRTOTAKUU (GFR) tarkoitettu ei-reaaliaikaisille sovelluksille. takaa kiinnitetyn minimisiirtonopeuden kehystasolla, tämän lisäksi vapaana olevaa siirtokapasiteettia käytetään best effort -tyyppisesti tavoitteena hylätä/siirtää kokonaisia (AAL5-)kehyksiä solujen sijaan MÄÄRITTELEMÄTÖN SIIRTONOPEUS (UBR) tarkoitettu liikennelähteille, jotka eivät tarvitse jatkuvaa yhteyttä, eivätkä ole herkkiä suurillekaan viiveille liikennelähteelle sovitaan huippunopeus, mutta se ei ole mitenkään taattu verkon puolesta, sillä nopeus voidaan laskea jopa 0 bit/s sopii esim. sähköpostiin ja tiedostojen siirtoon ja yleensä TCP/IP-liikenteelle, jossa on käytössä TCP-kerroksen vuonohjaus 24 12
Sisältö Johdanto Virtuaaliyhteydet Solut ja niiden välitys Palveluluokat Liikennesopimus Liikenteen- ja ruuhkanhallinta 25 Liikennesopimus (1) ATM-VERKKO ON YHTEYDELLINEN ennen siirron alkua muodostetaan virtuaalinen yhteys verkon läpi (kytkin kytkimeltä) kussakin kytkimessä päivitetään VPI/VCI-muunnoksen tekevät osoitetaulut VERKKO JA KÄYTTÄJÄ (PÄÄTELAITE) TEKEVÄT LIIKENNESOPIMUKSEN tapahtuu automaattisesti merkinannon yhteydessä koskee liikennettä UNI-rajapinnassa YHTEYSKOHTAISESTI SOVITAAN millaista liikennettä käyttäjä saa lähettää verkkoon millaisen palvelun laadun verkko takaa käyttäjälle miten sopimusta valvotaan 26 13
Liikennesopimus (2) Liikennesopimus Yhteyden liikenteen kuvaaja Palvelun laatuluokka CDVT Lähteen liikenteen kuvaaja PCR SCR Yhteensopivuusmääritelmä CTD CDV CLR BT/MBS MCR 27 Liikenneparametrit HUIPPUSOLUNOPEUS (PCR, peak cell rate) lähteen suurin sallittu lähetysnopeus (solua/s) vastaa lyhimmän kahden peräkkäisen solun välisen ajan käänteisarvoa 1/T määritellään kaikille yhteyksille YLLÄPIDETTÄVISSÄ OLEVA SOLUNOPEUS (SCR, sustainable cell rate) suurin nopeus (solua/s), jolla lähde voi lähettää ikuisesti ilman verkon yhteysparametrien valvonnan puuttumista asiaan SCR antaa ylärajan pitkän aikavälin keskiarvolle määritellään VBR-palveluluokkien yhteyksille PURSKEEN MAKSIMIKOKO (MBS, maximum burst size) suurin määrä soluja, jotka voidaan lähettää maksiminopeudella ilman, että liikennesopimuksen ylläpidettävää nopeutta (SCR) rikotaan määritellään VBR- ja GFR-palveluluokkien yhteyksille MINIMISOLUNOPEUS (MCR, minimum cell rate) taattu vähimmäisnopeus, jolla lähde saa lähettää koko yhteyden keston ajan määritellään ABR- ja GFR-palveluluokan yhteyksille 28 14
Laatuparametrit SOLUN SIIRTOVIIVE (CTD, cell transfer delay) suurin sallittu päästä-päähän siirtoviive käytetään myös nimitystä maxctd siirtoviive on summa mittauspisteiden välillä olevien kytkentälaitteiden aiheuttamasta käsittelyviiveestä (kytkentä- ja jonotusviiveet) ja lähetysviiveestä sekä mittauspisteiden välisen fyysisen etäisyyden aiheuttamasta viiveestä (signaalin etenemisviive) määritellään reaaliaikaisille palveluluokille (CBR, VBR-rt) SOLUN SIIRTOVIIVEEN VAIHTELU (CDV, cell delay variance) suurimman sallitun ja pienimmän mahdollisen päästä-päähän siirtoviiveen erotus (so. jonotusviiveiden summa) käytetään myös nimitystä huipusta-huippuun viiveenvaihtelu (peak-to-peak CDV) määritellään reaaliaikaisille palveluluokille (CBR, VBR-rt) SOLUHUKKASUHDE (CLR, cell loss ratio) CLR = menetetyt solut / lähetetyt solut määritellään CBR- ja VBR-palveluluokille, voidaan myös haluttaessa määritellä ABRpalveluluokalle 29 maxctd ja peak-to-peak CDV siirtoviiveen jakauma 1 - α α aika kiinteä viive vaihteleva viive (CDV) maksimi viive (CTD) 30 15
CDVT SOLUVIIVEEN VAIHTELUN TOLERANSSI (CDVT, cell delay variation tolerance) ottaa huomioon käyttäjästä riippumattoman solujen rypästymisen lähteen ja liikennettä valvovan UPC:n välillä 31 ATM-kerroksen palveluluokat ja parametrit LIIKENNEPARAMETRIT: ATM-KERROKSEN PALVELULUOKKA CBR rt-vbr nrt-vbr UBR ABR GFR PCR, CDVTPCR + + + + + + SCR, MBS, CDVTSCR - + + - - + MCR - - - - + + CDVT,MFS - - - - - + LAATUPARAMETRIT: Huipusta huippuun CDV + + - - - - maxctd + + - - - - CLR + + + - +/- - MUUT OMINAISUUDET: Ohjaustieto - - - - + - 32 16
Sisältö Johdanto Virtuaaliyhteydet Solut ja niiden välitys Palveluluokat Liikennesopimus Liikenteen- ja ruuhkanhallinta 33 Pääsynvalvonta Pääsynvalvonta (Connection Admission Control, CAC) on ATM-verkon tärkein liikenteenhallinnan (traffic management) toimenpide Perus-ATM-verkossa ei ole linkkitason vuonohjausmekanismeja Kuitenkin ns. ABR-palvelu toteutetaan takaisinkytkentätyyppisen vuonohjauksen avulla Pääsynvalvontaan liittyvät elementit: Käyttäjä määrittelee liikenteen luonteen halutun palvelutason (QoS) Verkko päättelee, onko liikenteen kuljettamiseen tarvittavat resurssit olemassa Myönteisessä tapauksessa käyttäjä ja verkko tekevät liikennesopimuksen verkko varaa tarvittavat resurssit tekee kunkin kytkimen VPI/VCI-translaatiotauluihin tarvittavat lisäykset Verkko määrittelee liikenneparametrit, joita mitataan ja valvotaan valvontatoiminnosta käytetään nimeä UPC (Usage Parameter Control) Kielteisessä tapauksessa yhteyspyyntö hylätään (johtaa siis kutsuestoon) 34 17
Liikenteenhallinta Kun yhteys on hyväksytty verkon tulee säilyttää sovittu palvelun laatutaso käyttäjän tulee noudattaa sovittuja liikenneparametreja Liikenteen tilastollinen luonne voi kuitenkin johtaa ruuhkan syntymiseen Verkko voi turvautua useisiin mekanismeihin sovittujen QoS-tasojen turvaamiseksi Kutsutasolla CAC on tärkein liikenteenhallinnan toimenpide myös reitityksellä voidaan tasata verkon kuormaa tähän liittyy myös virtuaalipolkujen hallinta Solu- ja pursketasolla tulevat kysymykseen mm. UPC eksplisiittinen ruuhkanilmaisu (PT-kentän avulla) selektiivinen solujen tuhoaminen (CLP-bitin mukaan) implisiittiset palveluprioriteetit 35 Best Effort -palvelut palvelun laadun takaaminen johtaa verkon alhaiseen käyttöasteeseen käyttämätön kapasiteetti tarjotaan "best effort" -palveluina (ABR ja UBR) reiluus (fairness) on tärkeä kysymys kaista C ABR,GFR,UBR VBR CBR aika 36 18
AAL = ATM Adaptation Layer ABR = Available Bit Rate ATM = Asynchronous Transfer Mode B-ISDN= Broadband Integrated Services Digital Network BT = Burst Tolerance CAC = Call Admission Control CBR = Constant Bit Rate CDV = Cell Delay Variation CDVT = Cell Delay Variation Tolerance CLP = Cell Loss Priority CLR = Cell Loss Ratio CTD = Cell Transfer Delay GFC = Generic Flow Control GFR = Guaranteed Frame Rate GoS = Grade of Service HEC = Header Error Control LAN = Local Area Network MBS = Maximum Burst Size MCR = Minimum Cell Rate MFS = Maximum Frame Size NNI = Network-to-Network Interface PCR = Peak Cell Rate PT = Payload Type PVC = Permanent Virtual Connection QoS = Quality of Service SCR = Sustainable Cell Rate SVC = Switched Virtual Connection TOS = Type of Service UBR = Unspecified Bit Rate UNI = User-to-Network Interface UPC = User Parameter Control VBR = Variable Bit Rate VBR-rt = VBR real-time VBR-nrt = VBR non-real-time VC = Virtual Channel VCC = Virtual Channel Connection VCI = Virtual Channel Identifier VP = Virtual Path VPC = Virtual Path Connection VPI = Virtual Path Identifier WAN = Wide Area Network 37 19