S-38.116 Teletietotekniikka
ATM-yhteyksien hallinta
Jussi Saastamoinen
39132 N
jsaastam@niksula.cs.hut.fi
Sisältö
ABR Available Bit Rate, käyttökelpoinen siirtonopeus
(ATM-kerroksen palveluluokka)
ATM Asynchronous Transfer Mode, asynkroninen toimintamuoto
BT Burst Tolerance, pursketoleranssi
CAC Connection Admission Control, yhteyden hyväksyntä
CBR Constant Bit Rate, vakiosiirtonopeus (ATM-kerroksen
palveluluokka)
CDV Cell Delay Variation, solujen viiveen vaihtelu
CDVT Cell Delay Variation Tolerance, solujen viiveen vaihtelun
toleranssi
CER Cell Error Ratio, soluvirhesuhde
CLP Cell Loss Priority, solun häviöprioriteetti
CLR Cell Loss Ratio, solujen häviösuhde
CMR Cell Misinsertion Rate, harhautuneiden solujen taajuus
CTD Cell Transfer Delay, solujen siirtoviive
EFCI Explicit Forward Congestion Indication, imoitus ruuhkasta
GFC Generic Flow Control, yleinen vuonohjaus (ATM-solun otsikon
kenttä)
HEC Header Error Control, otsikkovirheen tarkiste
MBS Maximum Burst Size, purskeen maksimipituus
MCR Minimum Cell Rate, minimisolunopeus
NPC Network Parameter Control, verkkoparametrien valvonta
verkkojen välillä
NRM Network Resource Management, verkkoresurssien hallinta
nrt-VBR non-real-time Variable Bit Rate, ei-reaaliaikainen muuttuva
siirtonopeus (ATM-kerroksen palveluluokka)
OAM Operations and Maintenance, käyttö ja kunnossapito
PCR Peak Cell Rate, huippusolunopeus
QoS Quality of Service, palvelun laatu
RM Resource Management, resurssien hallinta
rt-VBR real-time Variable Bit Rate, reaaliaikainen muuttuva
siirtonopeus (ATM-kerroksen palveluluokka)
SCR Sustainable Cell Rate, keskimääräinen solunopeus
SECBR Severely Errored Cell Block Ratio, pahoin häiriöllisten
solujaksojen suhde
UBR Unspecified Bit Rate, määrittelemätön siirtonopeus
(ATM-kerroksen palveluluokka)
UNI User Network Interface, käyttäjä-verkko -rajapinta
UPC Usage Parameter Control, yhteysparametrien valvonta
VBR Variable Bit Rate, muuttuva siirtonopeus (ATM-kerroksen
palveluluokka)
Tämä työ on tehty kurssille s-38.116 teletietotekniikka. Työn tarkoituksena on käsitellä lyhyesti ATM-liikenteessä käytettäviä virtuaaliyhteyksien hallintamenetelmiä.
ATM-verkon tarjoama palvelu vaihtelee sovellusten tarpeiden mukaan. Tämä luku käsittelee palvelua verkossa siirrettävän liikenteen ja toisaalta verkon suorituskyvyn kannalta.
Sovellusten vaihtelevan luonteen johdosta liikennelähteiden ominaisuudet poikkeavat toisistaan huomattavasti. Muuttuvanopeuksisten lähteiden liikenteelle voidaan jakaa kaistanleveyttä verkon resursseja säästäen hyödyntämällä tilastollista kanavointia.
ATM-verkon palvelun laatua mitataan solunsiirron nopeuden ja luotettavuuden perusteella. Solun siirrossa ilmeneviä viiveitä ja siirrossa tapahtuvien virheiden yleisyyttä kuvaamaan on määritelty laatuparametreja. Palvelun laadulle asetettavien vaatimusten ja liikenteellisten ominaisuuksien mukaan jaotellaan verkkopalvelut palveluluokkiin, joiden tarjoamat ominaisuudet poikkeavat toisistaan.
ATM-verkoissa siirretään hyvin erilaisten sovellusten lähettämää tietoa.. Miellettäessä sovellukset yhteyksille liikennettä generoivina liikennelähteinä voidaan ne jakaa kahteen pääryhmään: vakio- ja muuttuvanopeuksiseen liikenteeseen.
Kuva 1. Vakio- ja muuttuvanopeuksisen liikenteen ero
Vakionopeuksisella sovelluksella liikenteen nopeus pysyy vakiona koko yhteyden ajan. Hallittavuuden kannalta tällainen liikenne on erittäin yksinkertaista, koska vakionopeuksinen yhteys varaa koko yhteysajalle kiinteän osan kaistanleveydestä ja tavallisesti myös käyttää sen.
Muuttuvanopeuksinen lähde ei lähetä liikennettä jatkuvasti samalla nopeudella, vaan liikenne on luonteeltaan purskeista. Muuttuvanopeuksisen liikenteen purskeisuus vaihtelee sovelluksen lähettämän tietomäärän mukaan. Purskeisuutta mitataan yleisesti laskemalla purskeissa esiintyvän suurimman nopeuden eli huippunopeuden suhde keskimääräiseen nopeuteen, joka kuvaa koko yhteyden aikana lähetetyn liikenteen määrää. Erittäin suuri purskeisuus on tyypillistä perinteisten lähiverkkojen tiedonsiirrolle. Erilaisten sovelluksien purskeisuusarvoja on koottu taulukkoon 1.
Sovellus Siirtonopeus Purskeisuus
(Mbit/s)
Datan siirto (yhteydellinen) 1,5 ... 130 1 - 50
Datan siirto (yhteydetön) 1,5 ... 130 1
Videoneuvottelu 1,5 ... 130 1 - 5
TV-lähetys 30 ... 130 1
HDTV-lähetys 130 1
Taulukko 1. Esimerkkejä sovellusten purskeisuudesta Hän92
2.1.1 Tilastollinen
kanavointi
Verkon siirtokapasiteetin mahdollisimman tehokas hyödyntäminen edellyttää kaistanleveyden säästeliästä käyttöä. ATM-verkon liikennelähteillä on kaksi ominaisuutta, jotka huomioimalla siirtokapasiteetin tarve voidaan minimoida: kaikki liikennelähteet eivät ole samanaikaisesti aktiivisia ja kaikki aktiiviset liikennelähteet eivät lähetä samanaikaisesti huippunopeudella. Tilannetta, jossa verkkoon mitoitetaan enemmän mahdollisia käyttäjiä kuin välittäviä johtoja, kutsutaan liikenteen keskitykseksi. Tällöin oletetaan, että kaikki käyttäjät eivät ole samalla hetkellä aktiivisia. Liikennelähteiden muuttuvanopeuksisuutta voidaan puolestaan hyödyntää tilastollisen kanavoinnin avulla.
Kuva 2. Tilastollinen ja deterministinen kanavointi Sai94
ATM-verkon yhteyksille voidaan varata siirtokaistaa joko deterministisesti tai tilastollisesti. Deterministisessä kanavoinnissa kullekin yhteydelle varataan kaistanleveyttä yhteyden huippunopeuden perusteella. Tilastollisessa kanavoinnissa puolestaan yhteydelle varataan kaistanleveyttä vähemmän kuin sen huippunopeus vaatisi. Tilastollista kanavointia käytettäessä yhteyksien huippunopeuksien summa on näin suurempi kuin siirtokanavan kapasiteetti. Eri kanavointiperiaatteita ja tilastollisella kanavoinnilla saavutettavaa etua on havainnollistettu kuvassa 2.
Tilastollisen kanavoinnin avulla muuttuvanopeuksiset yhteydet voivat jakaa yhteisiä verkkoresursseja, kuten siirtoyhteyksien kapasiteettia ja verkkosolmujen puskureita. Jos kapasiteetin jako kaikille yhteyksille tapahtuisi deterministisesti, jäisi osa verkon resursseista hyödyntämättä eli ATM-verkon käyttöaste ei olisi korkea. Tilastollista kanavointia käyttämällä pystytään samoilla resursseilla palvelemaan useampia yhteyksiä.
2.2 ATM-verkon
suorituskyky
/a>
Palvelun laatu (QoS, Quality of Service) tarkoittaa käyttäjän tyytyväisyyttä johonkin tarjottuun palveluun kokonaisuutena. Palvelun laatuun vaikuttavat palvelun varmuus, käytettävyys, turvallisuus ja saatavilla oleva tuki.
Palvelun laatu liittyy käyttäjän kokemaan palvelun suorituskykyyn, joka riippuu palvelun toteuttavan verkon suorituskyvystä. Verkon suorituskyvylle asetetaan yhteyskäytäntöjen viitemallin mukaisesti kerroksittain vaatimuksia toiminnan nopeuden, tarkkuden ja luotettavuuden suhteen. Yhteyskäytäntöjen kerrokset käyttävät alempien kerrosten palveluja ja edellyttävät niiltä tiettyä palvelun laatua kyetäkseen täyttämään itselleen asetetut vaatimukset. I.350
ATM-verkon suorituskyky riippuu verkon yleisistä ominaisuuksista sekä ATM-kerroksen palvelun laadusta. Verkon yleisiin ominaisuuksiin voidaan vaikuttaa verkon suunnittelulla. Verkon käyttötarkoituksiin sopiva topologia ja onnistunut mitoitus ovat edellytyksiä resurssien käytön optimoinnille ja liikenteen hallinnalle. Verkon suunnittelulla kyetään vaikuttamaan verkon suorituskykyominaisuuksiin myös esimerkiksi minimoimalla yhteyksien käyttämien verkkosolmujen ja siirtoyhteyksien määrä, eristämällä erityyppiset liikennelähteet omille siirtoyhteyksille tai virtuaaliväylille ja yksinkertaistamalla verkon ohjausta virtuaaliväylien käytön avulla.
ATM-kerroksen palvelun laatua mitataan yhteyden suorituskykyä kuvaavilla parametreilla. Näiden laatuparametrien (QoS parameters) avulla määritellään verkon suorituskykytavoite. Verkko ja käyttäjä sopivat merkinannon avulla jokaiselle yhteyden suunnalle noudatettavat laatuparametrien arvot, ja verkko lupautuu tarjoamaan käyttäjän yhteydelle vähintään laatuparametreilla määritellyn tasoista palvelua. Verkko voi tukea yhtä tai useampaa arvoa kullekin laatuparametrille. Keinoja, joilla verkko pystyy saavuttamaan nimetyt laatuparametrien arvot, ovat yhteyden solujen sopiva reititys ja yksittäisten verkkoelementtien toteutuskohtaiset mekanismit.
Käyttäjä asettaa erilaisia vaatimuksia palvelun laadulle riippuen lähetettävän liikenteen luonteesta. Tekstitiedostoa siirrettäessä mahdollisimman pieni hylättyjen solujen määrä on tärkeää, mutta etenemisviive ja solujen viiveen vaihtelu eivät ole yhtä merkittäviä tekijöitä. Reaaliaikaisen sovelluksen, kuten videoyhteyden, kannalta sen sijaan viive ja sen vaihtelu ovat keskeisiä palvelun laatua mittaavia suureita. Yhteyden luonne ja tarpeet ratkaisevat, mitkä seuraavista laatuparametreista ovat tärkeitä. AF/TMS
· Solujen sirtoviive (CTD, Cell Transfer Delay),
· Solujen viiveen vaihtelu (CDV, Cell Delay Variation),
· Virheellisten solujen suhde (CER, Cell Error Ratio),
· Solujen häviösuhde (CLR, Cell Loss Ratio),
· Harhautuneiden solujen taajuus (CMR, Cell Misinsertion Rate),
· Pahoin häiriöllisten solujaksojen suhde (SECBR, Severely Errored Cell Block Ratio).
Laatuparametrit käsitellään seuraavaksi tarkemmin. Eri laatuparametreihin vaikuttavia tekijöitä on koottu taulukkoon 2. Etenemisviiveellä tarkoitetaan bittejä siirtävän fyysisen median aiheuttamaa viivettä. Kytkinarkkitehtuuriin vaikuttavat esimerkiksi kytkentämatriisin suunnittelu ja puskuroinnin käyttö. Taulukon kohta viat sisältää kytkinten ja siirtoyhteyden häiriöt, kuten laitteistovioista johtuvat puolenvaihdot, jotka saattavat aiheuttaa solujen menetyksiä.
Tekijä CER SECBR CLR CMR CTD CDV Etenemisviive Bittivirheet Kytkinarkkitehtuuri Puskurien koko Peräkkäisten solmujen määrä Liikennekuormitus Viat Resurssien varaus
Taulukko 2. Laatuparametreihin vaikuttavia tekijöitä AF/TMS
Solun siirtoviiveellä tarkoitetaan aikaa, joka kuluu solun lähdöstä mittauspisteestä solun saapumiseen toiseen mittauspisteeseen. Solun siirtoviive koostuu solun siirtämisestä fyysisella medialla, jonotuksesta siirtoyhteydellä sijaitsevilla kytkimillä ja kytkentään kuluvasta ajasta.
Solujen viiveen vaihtelu mittaa solujen siirtoviiveen vaihtuvuutta. Suureen mittaamiseen on määritelty kaksi tapaa, joiden perusteella voidaan erottaa toisistaan yhden mittauspisteen viivevaihtelu (one-point CDV) ja kahden mittauspisteen viivevaihtelu (two-point CDV).
2.3.3 Virheellisten solujen
suhde
Yhteyden virheellisten solujen suhde vertaa virheellisten solujen määrää kaikkien siirrettyjen solujen määrään. Virheelliset ja onnistuneesti siirretyt solut, jotka kuuluvat pahasti häiriöllisiin solujaksoihin, jätetään huomioimatta laskettaessa virheellisten solujen suhdetta seuraavan kaavan mukaisesti.
Solujen häviösuhde on yhteyden luotettavuutta kuvaava laatuparametri. Häviösuhteelle sovitaan yhteyttä luotaessa maksimiarvo, jonka alapuolella verkko sitoutuu pitämään menetettyjen solujen osuuden koko yhteyden ajan. Solujen häviösuhteen arvo lasketaan alla olevasta kaavasta. Myös tätä kaavaa käytettäessä on pahoin häiriöllisiin solujaksoihin kuuluvat solut jätettävä tarkastelun ulkopuolelle.
2.3.5 Harhautuneiden solujen
taajuus
Solujen harhautuminen aiheutuu useimmiten havaitsematta jääneestä otsikkovirheestä, jonka seurauksena solu lähetetään väärälle yhteydelle. Harhautuneiden solujen yleisyyttä mitataan, toisin kuin muita solunsiirron häiriöitä, taajuuden eikä suhteen avulla, koska harhautuneiden solujen määrään ei suoranaisesti vaikuta yhteydellä lähetettyjen solujen kokonaismäärä. Harhautuneiden solujen taajuus saadaan vertaamalla muiden kuin pahoin häiriöllisten solujaksojen harhautuneiden solujen määrää haluttuun ajanjaksoon.
2.3.6 Pahoin häiriöllisten solujaksojen
suhde
Solujaksolla tarkoitetaan samalla yhteydellä peräkkäin siirrettyjen solujen joukkoa. Käytännössä solujakson koko määräytyy lähetettävien OAM-solujen tiheyden perusteella. Solujaksoksi käsitetään yleensä kahden OAM-solun välissä siirrettävät informaatiosolut.
Solujaksoa pidetään pahoin häiriöllisenä, mikäli vastaanotetussa jaksossa havaitaan tietyn raja-arvon ylittävä määrä virheellisiä, menetettyjä tai harhautuneita soluja. Pahoin häiriöllisten solujaksojen suhde määritellään alla esitetyllä tavalla vertaamalla yhteyden pahoin häiriöllisten ja siirrettyjen solujaksojen määrää.
ATM-kerroksen palvelut jaetaan luokkiin liikenteellisten ominaisuuksien ja palvelun laadulle asetettavien vaatimusten perusteella. Liikenteen hallinnan toiminnot, kuten yhteyden hyväksymismenettelyt, verkkoresurssien hallinta ja yhteysparametrien valvonta, poikkeavat toisistaan eri palveluluokkien välillä.
Käyttämällä luokittelun perustana laatuparametreja voidaan verkkopalveluille määritellä seuraavat viisi luokkaa: AF/TMS
· vakiosiirtonopeus (CBR, Constant Bit Rate),
· reaaliaikainen muuttuva siirtonopeus (rt-VBR, real- time Variable Bit Rate),
· ei-reaaliaikainen muuttuva siirtonopeus (nrt-VBR, non-real-time Variable Bit Rate),
· määrittelemätön siirtonopeus (UBR, Unspecified Bit Rate) ja
· käyttökelpoinen siirtonopeus (ABR, Available Bit Rate).
2.4.1 Vakiosiirtonopeuksinen
luokka
Vakiosiirtonopeuksinen palveluluokka on tarkoitettu kiinteällä nopeudella lähettävien liikennelähteiden yhteyksille, jotka vaativat vakiomäärän kaistanleveyttä koko yhteyden ajaksi. Tarvittavaa kaistanleveyttä kuvataan huippusolunopeuden arvolla. Verkko takaa kaikille tämän luokan yhteyksille laatuparametrien avulla määritellyn palvelun laadun, mikäli huippusolunopeutta ei ylitetä. Vakiosiirtonopeuksisen luokan yhteyksille sovitaan solujen siirtoviiveestä, viiveen vaihtelusta ja solujen häviösuhteesta. Huippusolunopeuden noudattamista tarkkaillaan yhteysparametrien valvonnan avulla.
Reaaliaikaiset, viiveelle herkät palvelut sopivat hyvin vakiosiirtonopeuksiseen palveluluokkaan. Esimerkkejä tällaisista sovelluksista ovat ääni- ja videopalvelut.
2.4.2 Muuttuvasiirtonopeuksiset
luokat
Reaaliaikainen muuttuvasiirtonopeuksinen palveluluokka on tarkoitettu purskeisille liikennelähteille, joilla on tiukat viivevaatimukset. Luokan yhteyksille määritellään huippusolunopeuden lisäksi myös liikenteen nopeuden vaihtelua kuvaavat liikenneparametrit keskimääräinen solunopeus ja purskeen maksimipituus. Laatuparametreista ovat tässä luokassa käytössä solujen siirtoviive, viiveen vaihtelu ja solujen häviösuhde. Vakiosiirtonopeuksisesta liikenteestä poiketen voidaan luokan palveluissa hyödyntää tilastollista kanavointia ja säästää siten verkon resursseja.
Muuttuvanopeuksisille sovelluksille, jotka eivät ole reaaliaikaisia, on määritelty oma palveluluokkansa. Tämän luokan palveluille ei määritellä solujen siirtoviiveen eikä viiveen vaihtelun rajoja. Sen sijaan yhteyden solujen häviösuhteen maksimiarvosta sovitaan. Ei-reaaliaikaisen muuttuvanopeuksisen palveluluokan yhteyksille määritellään samat liikenneparametrit kuin vastaavassa reaaliaikaisessa luokassa, ja myös tämä luokka tukee tilastollista kanavointia.
2.4.3 Määrittelemättömän siirtonopeuden
luokka
Määrittelemättömän siirtonopeuden palveluluokka on ns. best effort -palvelu, joka pyrkii käyttämään verkon vapaita resursseja mahdollisuuksiensa mukaan. Luokan yhteyksille ei taata ennalta määrättyjä laatuparametrien arvoja, vaan verkko voi vapaasti valita tarjoamansa palvelun laadun. Myös yhteydenaikaiset palvelun laadun muutokset ovat mahdollisia. Liikenneparametreista yhteyksille määrätään ainoastaan huippusolunopeus, jonka valvonta ja käyttö yhteyden hyväksymismenettelyissä on valinnaista. Huippusolunopeuden määrittelyn avulla liikennelähde pystyy kuitenkin selvittämään yhteyden vaatiman kaistanleveyden vähimmäismäärän AF/TMS.
Viivettä sietävä, matalan prioriteetin liikenne soveltuu määrittelemättömän siirtonopeuden palveluluokkaan. Mahdollisia sovelluksia ovat perinteiset tietokoneiden tietoliikennepalvelut, kuten tiedostojen siirto ja sähköposti.
Tästä palveluluokasta käytetään myös nimeä saatavilla olevan siirtonopeuden luokka. ABR on tarkoitettu muuttuvasiirtonopeuksisille yhteyksille, joilla ei ole tiukkoja aikavaatimuksia. Luokan yhteyksille ei anneta mitään solujen siirtoviiveeseen tai sen vaihteluun liittyviä takeita. Määrittelemättömän siirtonopeuden luokasta poiketen ABR-yhteyksien solujen häviösuhde minimoidaan.
Liikenneparametreista ABR-yhteyksille on määritelty huippusolunopeus ja minimisolunopeus, joka voi olla myös nolla. Käyttäjän lähetysnopeus vaihtelee näiden rajojen puitteissa verkon kuormituksesta riippuen. Käyttäjän ABR-yhteyksien lähetysnopeutta hallitaan vuonvalvonnalla, jossa käytetään resurssienhallintasoluja (RM-cells, Resource Management). Lähteenä toimiva pää lähettää RM-soluja tietyin väliajoin varsinaisten informaatiosolujen välillä. Vastaanottopäässä RM-solut poimitaan soluvirrasta ja lähetetään takaisin lähteelle. RM-solut sisältävät tietoa verkon tilasta, esimerkiksi käytettävissä olevasta kaistanleveydestä tai uhkaavasta ruuhkatilanteesta.
Kuva 3. Esimerkki ABR-yhteyden vuonvalvonnan kontrollisilmukasta AF/TMS
Kuvassa 3 on havainnollistettu vuonvalvonnan periaatetta. Resurssienhallintasolujen edetessä ATM-verkossa sekä verkkoelementit että vastaanottopää muokkaavat solun kenttiä. Lähteen käyttämä nopeus määräytyy vastaanottajalta ja verkkoelementeiltä RM-solmujen välityksellä saadun informaation perusteella.
Yhteysparametrien valvonta on osa ATM-liikenteen ja ruuhkatilanteiden hallintaa. Valvonnalla pyritään varmistamaan, että käyttäjän yhteys noudattaa verkon ja käyttäjän välillä solmittua liikennesopimusta.
Yhteysparametrien valvonnalla tarkkaillaan liikenteen ominaisuuksia kuvaavien parametrien arvoja. Valvonnan toteutus on verkkokohtaista, mutta käytettävät algoritmit perustuvat yleensä joko Leaky Bucket -menetelmään tai ikkunointitekniikoihin. Käyttäjän liikenne voidaan pakottaa sopimuksen mukaiseksi valvontatoimilla, joita ovat solujen hylkäys tai merkintä ja liikennevirran muokkaus. Tässä luvussa määritellään yhteysparametrien valvonnassa käytettävät liikenneparametrit, selvitetään liikennesopimuksen sisältö sekä esitellään valvontatoimia ja -menetelmiä.
3.1 Liikenteen ja ruuhkan hallinnan
osa-alueet
Liikenteen ja ruuhkatilanteiden hallinnalla tarkoitetaan kaikkia verkon toimia, joilla pyritään välttämään ruuhkaa tai ruuhkan jo vallitessa estämään sen leviäminen ja minimoimaan sen vaikutukset [I.371]. Hallintamenetelmät voidaan jakaa ennaltaehkäiseviin ja reaktiivisiin menetelmiin. Puhuttaessa liikenteen hallinnasta viitataan yleensä ennaltaehkäiseviin menetelmiin, joiden tavoitteena on estää ruuhkatilanteen syntyminen. Nämä menetelmät, esimerkiksi yhteyden hyväksyntä, perustuvat liikenteen ominaisuuksien ennakoimiseen.
Ruuhkaksi kutsutaan B-ISDN:n yhteydessä verkkoelementtien tilaa, jossa verkko ei kykene täyttämään haluttuja suorituskykytavoitteita. Ruuhkatilanne voidaan erottaa ylikuormitustilanteesta, jossa suorituskyvyn heikkenemisestä huolimatta pystytään vielä saavuttamaan suorituskykytavoitteet. Ruuhkaa ja ylikuormitusta aiheuttavat liikenteen ennustamattomat tilastolliset vaihtelut sekä verkossa esiintyvät vikatilanteet. Ruuhkatilanteiden hallinta on reaktiivista liikenteen hallintaa. Sen avulla pyritään mukautumaan verkossa vallitsevaan ruuhkaan.
Palvelun laadun takaamiseksi käytettävät menetelmät ovat vapaasti palvelun tarjoajan valittavissa. Seuraavassa on lueteltu liikenteen hallinnan osa-alueita, joiden avulla palvelun laatuun kyetään vaikuttamaan: [I.371]
· verkkoresurssien hallinta,
· yhteyden hyväksymismenettelyt,
· nopea resurssien hallinta,
· liikenteen muokkaus,
· prioriteettien käyttö ja
· yhteysparametrien valvonta.
Ruuhkatilanteiden hallinnassa käytettäviä menetelmiä ovat:
· ruuhkan ilmaisu,
· vuonohjaus ja
· valikoiva solujen hylkääminen.
Verkkoresurssien hallinta (NRM, Network Resource Management) on perusta onnistuneelle liikenteen hallinnalle ja ruuhkan torjunnalle. Verkon resurssien käyttöä kyetään tehostamaan eristämällä erityyppiset liikennelähteet toisistaan omien siirtoyhteyksien tai virtuaaliväylien avulla. Eri palveluluokkien yhteydet voidaan erotella omille virtuaaliväylilleen verkon suorituskyvyn optimoimiseksi.
Yhteyden hyväksymismenettelyiden (CAC, Connection Admission Control) tarkoituksena on päättää, voidaanko verkkoon hyväksyä uusia yhteyksiä tai voidaanko yhteyksien ominaisuuksia muuttaa. CAC:n tehtävä on varmistaa, että sovittu palvelun laatu kyetään tarjoamaan niin uusille kuin olemassa oleville yhteyksille. CAC vastaa myös yhteyksien reitityksestä verkossa, tarvittavien verkkoresurssien hallinnasta ja yhteysparametrien valvonnan tarvitsemien liikenneparametrien asettamisesta. [Ruo94]
Nopealla resurssien hallinnalla tarkoitetaan liikennelähteen mahdollisuutta varata purskeille kaistanleveyttä resurssienhallintasolujen avulla. Halutessaan lähettää purskeen lähde pyytää siihen lupaa verkolta. Jos purske voidaan välittää kaikkien verkkoelementtien läpi, tarvittava kaistanleveys varataan, lähde saa vahvistuksen lähetyspyynnölleen ja lähettää purskeen sovitulla huippunopeudella.
Ruuhkan ilmaisuun käytetään solun otsikon PT-kentän ruuhkabittiä (EFCI, Explicit Forward Congestion Indication). Ruuhkautunut tai ylikuormitettu verkkoelementti voi tiedottaa käyttäjälle ruuhkatilanteesta asettamalla ruuhkautuneiden yhteyksien solujen otsikoihin EFCI-bitin. Saatuaan tiedon ruuhkatilanteesta käyttäjän päätelaite voi toimia tilanteeseen sopivalla tavalla, esimerkiksi rajoittaa ruuhkaisille yhteyksille lähetettävien solujen määrää. Näin palautuminen ruuhkatilanteesta nopeutuu.
Vuonohjauksella voidaan hallita välitettävää liikennettä joko yhteyden päästä päähän tai siirtoyhteyskohtaisesti verkkosolmujen välillä. Päästä päähän -menetelmien reagointikykyä hidastaa tiedon kulkuun liittyvä viive. Päätelaite saattaa ehtiä lähettää ruuhkautuneeseen verkkoon suuren määrän liikennettä ennen kuin saa tiedon ruuhkatilanteesta. ATM-solun otsikon GFC-kentän avulla voidaan ohjata päätelaitteiden lähetystä lyhytaikaisten ruuhkatilanteiden hallitsemiseksi. GFC-kenttää käytetään myös kaistan jakamiseen eri palvelun laatuluokkiin kuuluvien yhteyksien kesken. GFC on määritelty ainoastaan käyttäjä-verkko -rajapinnassa.
Yhteysparametrien valvontaa sekä valvontatoimiin liittyviä liikenteen muokkausta ja prioriteettien käyttöä käsitellään jatkossa yksityiskohtaisemmin.
Liikenneparametreja käytetään kuvaamaan lähteen liikenteellisiä ominaisuuksia. Kuvattava ominaisuus voi olla joko laadullinen tai määrällinen. Tällä hetkellä standardoituja liikenneparametreja ovat: [AF/TMS] [Aal95]
· huippusolunopeus (PCR, Peak Cell Rate),
· keskimääräinen solunopeus (SCR, Sustainable Cell Rate),
· pursketoleranssi (BT, Burst Tolerance),
· purskeen maksimipituus (MBS, Maximum Burst Size) ja
· minimisolunopeus (MCR, Minimum Cell Rate).
Huippusolunopeus on lyhimmän kahden solun välisen ajan käänteisarvo. PCR asettaa ylärajan taajuudelle, jolla yhteyden liikennettä voidaan välittää. Tämän arvon valvominen mahdollistaa verkolle suorituskykytavoitteiden saavuttamiseksi välttämättömien resurssien varaamisen. [I.371]
Yhteyden PCR:n avulla voidaan määritellä tarkasti ATM-kerrokselle lähetettävien solujen välinen lyhyin sallittu aika. ATM-kerroksen toiminteet, kuten solujen kanavointi, aiheuttavat soluviiveeseen kuitenkin satunnaista vaihtelua, joka on huomioitava valvottaessa PCR:n arvoa käyttäjäliitännässä.
Sallitulle viiveen vaihtelulle asetetaan yläraja soluviiveen vaihtelun toleranssin (CDVT, Cell Delay Variation Tolerance) arvolla. CDVT:n avulla kyetään yhteisparametrien valvonta-algoritmeissa huomioimaan solujen vaihteleva viive. CDVT määrää, kuinka paljon soluviive voi poiketa teoreettisesta arvosta ilman huippunopeuden ylityksestä seuraavia valvontatoimia. CDVT voidaan määritellä erikseen huippusolunopeudelle ja keskimääräiselle solunopeudelle.
3.2.2 Keskimääräinen solunopeus ja
pursketoleranssi
/a>
Muuttuvanopeuksista liikennettä kuvattaessa käytettäviä liikenneparametreja ovat huippusolunopeuden lisäksi keskimääräinen solunopeus ja pursketoleranssi. Keskimääräinen solunopeus on yläraja sille nopeudelle, jolla liikennelähde voi keskimäärin lähettää koko yhteyden aikana. Pursketoleranssi puolestaan luonnehtii muuttuvanopeuksisen liikenteen muotoa. Näiden liikenneparametrien avulla pystytään muuttuvanopeuksisille yhteyksille varaamaan vähemmän kaistanleveyttä kuin huippusolunopeus vaatisi, mikä tehostaa verkon resurssien hyödyntämistä.
Liikennesopimus on käyttäjän ja verkon välinen sopimus, jossa määritellään yhteyden liikenteelliset ominaisuudet. Liikennesopimus neuvotellaan merkinannon avulla yhteyden muodostusvaiheessa. Sopimuksen sisältö koostuu palvelun laatuluokasta ja yhteyden liikenteen kuvaajasta. Verkko sitoutuu sopimuksella tarjoamaan käyttäjän yhteydelle vähintään kyseisen laatuluokan parametreilla sovitun tasoista palvelua, mikäli käyttäjän lähettämä liikenne on yhteyden liikenteen kuvaajan mukaista.
Liikennelähteen vaatimat yhteyden ominaisuudet esitetään lähteen liikenteen kuvaajalla. Liikenneparametrit, jotka kuuluvat lähteen liikenteen kuvaajaan, määräytyvät palvelun laatuluokan perusteella. Lähteiden liikenteen kuvaajat muodostavat yhdessä soluviiveen vaihtelun toleranssin ja yhdenmukaisuusmääritelmän kanssa yhteyden liikenteen kuvaajan, joka sisältää kaiken yhteyden solujen valvonnan kannalta tarpeellisen tiedon. Liikenteen kuvaajien rakennetta sekä muiden liikennesopimukseen kuuluvien tekijöiden suhteita on havainnollistettu kuvassa 4. I.371
Kuva 4. Liikennesopimuksen sisältö
Yhdenmukaisuusmääritelmä kertoo, kuinka verkon on valvottava käyttäjän liikennettä. Yhteyden solujen yhdenmukaisuutta liikennesopimuksen määritelmien kanssa valvotaan tarkoitukseen kehitetyillä algoritmeilla. Yhteyden ensimmäinen solu alustaa käytettävän algoritmin, minkä jälkeen jokainen solu on joko yhdenmukaisuusmääritelmän mukainen tai sen vastainen. Solujen yhdenmukaisuuden perusteella ratkaistaan, onko yhteys liikennesopimuksen mukainen.
Yhteysparametrien valvonnalla tarkoitetaan toimia, joilla verkko tarkkailee ja säätelee käyttäjän liikennettä. Valvonta kohdistuu liikenteen määrään ja solujen reitityksen oikeellisuuteen. Valvonnalla pyritään suojaamaan verkon resursseja tarkoituksellisilta tai tahattomilta väärinkäytöksiltä, jotka saattavat heikentää verkon tarjoaman palvelun laatua. Liikennesopimuksessa määriteltyjen liikenneparametrien sallittujen arvojen ylitysten huomaaminen ja tapaukseen sopiviin toimiin ryhtyminen ovat yhteysparametrien valvonnan keskeiset tehtävät. I.371
Yhteyksien tarkkailua julkisessa tai yksityisessä käyttäjä-verkko -rajapinnassa kutsutaan yhteysparametrien valvonnaksi (UPC, Usage Parameter Control). Tarkoitettaessa yhteyksien valvontaa kahden verkko-operaattorin välisessä rajapinnassa puhutaan verkkoparametrien valvonnasta (NPC, Network Parameter Control). Nimitystä yhteysparametrien valvonta käytetään kuitenkin yleisesti myös laajemmassa merkityksessä, jolloin siihen katsotaan sisältyvän sekä UPC että NPC. AF/TMS
Yhteysparametrien valvonnan toimivuutta voidaan arvioida jakamalla valvonnan vaikutukset kahteen ryhmään. Valvonta saattaa aiheuttaa käyttäjän yhteydelle suoranaista palvelun laadun huononemista, ja toisaalta valvonta vaikuttaa resursseihin, joita verkko varaa yhteydelle. Valvonnalla on merkitystä myös kyseisten resurssien suojaamisen kannalta. Valvonnan suorituskyvyn mittaamiseen on määritelty kaksi parametria: I.371
· Vasteaika, jolla kuvataan valvonnan nopeutta. Vasteaika tarkoittaa liikennesopimuksen vastaisen tilanteen havaitsemiseen kuluvaa aikaa. Lyhyt vasteaika suojaa muita yhteyksiä sopimusta rikkovalta liikenteeltä estämällä sopimuksen vastaisten solujen aiheuttamien ruuhkatilanteiden syntymisen.
· Läpinäkyvyys, joka mittaa valvonnan tarkkuutta. Läpinäkyvyys kuvaa täsmällisyyttä, jolla valvonta kohdistaa toimensa liikennesopimuksen vastaisiin yhteyksiin ja jättää liikennesopimuksen kanssa yhdenmukaiset yhteydet niiden ulkopuolelle.
Valvonnan tarkkuus mittaa liikennesopimuksen mukaisille ja liikennesopimuksen vastaisille yhteyksille syystä tai aiheetta tehtyjä valvontatoimenpiteitä. Mitä tarkempaa valvonta on, sitä varmemmin tunnistetaan sopimusta rikkovat solut, ja sitä harvemmin joutuvat sopimuksen kanssa yhdenmukaiset solut kärsimään valvontatoimista. Virheelliset valvontatoimet voivat aiheutua: Shi93
· yhteysparametrien muunnosvirheistä algoritmien käyttämiksi parametreiksi,
· solujen viiveen vaihtelusta,
· käyttäjän väärin ilmaisemasta kaistanleveyden tarpeesta,
· liikenneparametrien arvojen erosta lähteessä ja verkossa tai
· todellisen liikennesopimuksen rikkomishetken ja havaitun rikkomishetken välisestä erosta.
Yhteysparametrien valvonnalla pyritään varmistamaan yhteyden yhdenmukaisuus liikennesopimuksen kanssa. Solutasolla valvonnan toteuttava algoritmi hyväksyy sopimuksen mukaisiksi toteamansa solut ja joko merkitsee tai hylkää sopimusta rikkovat solut.
ATM-soluille on määritelty kaksi prioriteettiluokkaa, joihin solut jaetaan otsikkonsa CLP-bitin perusteella. Valvottavasta liikenteestä voidaan erotella eri prioriteettiluokkien solut ja valvoa siten erikseen korkeamman prioriteetin liikennettä (CLP = 0), alemman prioriteetin liikennettä (CLP = 1) ja kokonaisliikennettä (CLP = 0 + 1). Solujen merkinnässä hyödynnetään prioriteettiluokkajakoa.
Solujen merkintä on sekä verkon että käyttäjän kannalta valinnainen valvontaominaisuus. Jos verkko tarjoaa merkintämahdollisuuden, voi käyttäjä päättää sen soveltamisesta yhteytensä soluihin yhteyden muodostusvaiheessa. Mikäli merkintää käytetään, muuntaa verkko kaikki liikennesopimuksen vastaiseksi toteamansa korkeamman prioriteetin solut alemman prioriteetin soluiksi. Soluja, joiden prioriteettia on laskettu, nimitetään merkityiksi soluiksi. Merkityt solut joko hyväksytään tai hylätään riippuen niiden yhdenmukaisuudesta kokonaisliikenteen tai alemman prioriteetin liikenteen kanssa. Merkintää käytetään muuttamaan korkeamman prioriteetin liikenteen sopimuksen vastainen solu alemman prioriteetin soluksi, joka on yhdenmukainen kokonaisliikenteen liikennesopimuksen kanssa. Merkinnällä ei voida muuttaa kokonaisliikenteen sopimuksen vastaista korkeamman prioriteetin solua yhdenmukaiseksi. Tämän vuoksi merkintää käytetään vain korkeamman prioriteetin liikennettä valvottaessa. AF/TMS
Kuvassa 5 esitetään yhteysparametrien valvonnan solutason toimintamahdollisuudet. Kuvan tapauksessa a käytetään solujen merkintää. B-kohdassa merkintä ei ole käytössä, joten päätös korkeamman prioriteetin solun hylkäämisestä voidaan tehdä suoraan sen perusteella, onko solu yhdenmukainen korkeamman prioriteetin liikenteen sopimuksen kanssa.
Kuva 5.Yhteyparametrien solutason valvontatoimet I.371
Prioriteettien käyttö mahdollistaa solujen valikoivan hylkäämisen, jonka tarkoituksena on suojella korkeamman prioriteetin liikennettä. Valikoiva hylkäys voidaan toteuttaa verkkosolmun puskureihin siten, että puskureiden täyttöasteen ollessa raja-arvoa suurempi ainoastaan korkeamman prioriteetin solut puskuroidaan, kun taas alemman prioriteetin solut hylätään. Solujen valikoivasta hylkäyksestä huolimatta verkon on täytettävä sekä priorisoidun että kokonaisliikenteen suorituskykytavoitteet.
Liikenteen muokkauksella voidaan muuttaa soluvirran liikenteellisiä ominaisuuksia. Liikenteen muokkaustapoja ovat huippusolunopeuden vähentäminen, purskeen maksimipituuden lyhentäminen, soluviiveen vaihtelun rajoittaminen ja solujen ajoitusjärjestelyt. AF/TMS
3.5 Valvonnassa käytettävät
algoritmit
Yhteysparametrien valvonta-algoritmit ovat verkkokohtaisia. Algoritmeille asetetaan kuitenkin yleisiä toimintavaatimuksia, joista tärkeimpiä ovat: I.371
· kaikkien liikennesopimusta rikkovien tilanteiden havaitseminen,
· tarkkailtavien liikenneparametrien toleranssien valintamahdollisuus,
· lyhyt vasteaika havaituille liikennesopimuksen rikkomuksille ja
· toteuttamisen yksinkertaisuus.
Useimmat yhteysparametrien valvonta-algoritmeista perustuvat joko Leaky
Bucket -mekanismiin tai ikkunointitekniikoihin, joista tunnetuimpia ovat
hyppäävä ikkunointi ja liukuva ikkunointi.
Leaky Bucket -algoritmi on saanut nimensä vuotavaa ämpäriä muistuttavasta toimintaperiaatteestaan. Menetelmää kuvataan yleisesti ämpärillä, jonka pohjassa on reikä. Yhteyden saapuva liikenne esitetään ämpäriin vaihtelevalla nopeudella kaadettavana nesteenä. Ämpärin pohjassa olevan reiän kautta tasaisena virtana pois valuva neste puolestaan kuvaa yhteyden valvottavaa nopeutta. Kun ämpäriin kaadetaan nestettä riittävän nopeasti, vuotaa osa nesteestä yli reunojen. Laidan yli tulviva neste, jonka määrä riipuu ämpärin tilavuudesta, kuvaa hylättävää liikennettä. Ajatusmallin ämpärin koko vastaa yhteyden purskesietoisuutta.
Kuva 6. Leaky Bucket -menetelmän toimintaperiaate
Kuvassa 6 on merkitty I:llä inkrementointiparametria, jonka ilmoittamalla määrällä ämpärin sisältö täyttyy jokaisen liikennesopimuksen mukaisen solun saapuessa. Raja-arvoa, jonka perusteella saapuvan solun yhdenmukaisuus ratkaistaan, on kuvattu L:llä.
Ämpärin sisältö pienenee yhdellä yksiköllä jokaista aikayksikköä kohden. Jos ämpärin sisältö on solun saapumishetkellä pienempi tai yhtä suuri kuin L:n arvo, todetaan solu liikennesopimuksen mukaiseksi. Solu, joka aiheuttaisi raja-arvon ylityksen on sopimuksen vastainen. Ämpärin tilavuus on kuvan tilanteessa L + I. AF/TMS
Hyppäävä ikkunointi -tekniikka (Jumping Window) jakaa yhteyden keston vakiopituisiin aikaväleihin, joita kutsutaan ikkunoiksi. Uusi ikkuna alkaa aina välittömästi edellisen ikkunan loppuessa. Algoritmin ikkunointiperiaatetta on havainnollistettu kuvassa 7.
Kuva 7. Hyppäävän ikkunoinnin toimintaperiaate Shi93
Algoritmi laskee jokaisen ikkunan aikana saapuvien solujen määrän. Jos ikkunan solumäärä ylittää sallitun maksimimäärän, joutuvat raja-arvon ylittämisen jälkeen saapuneet solut valvontatoimien alaisiksi. Solumäärän laskuri nollataan uuden ikkunan alkaessa, joten yksittäinen solu vaikuttaa laskurin arvoon korkeintaan käytettävää ikkunakokoa vastaavan ajan. Shi93
Liukuva ikkunointi (Moving Window) perustuu myös ikkunakohtaisen solumäärän laskemiseen. Hyppäävästä ikkunoinnista poiketen liukuvassa ikkunoinnissa aloitetaan uusi ikkuna jokaisen solun saapumishetkellä, mikä johtaa usean samanaikaisen ikkunan käyttöön. Kuva 8 esittää liukuvan ikkunoinnin soveltamisessa syntyviä limittäisiä ikkunoita.
Kuva 8. Liukuvan ikkunoinnin toimintaperiaate Shi93
Ikkunoiden sisällä saapuvien solujen määrää valvotaan samalla tavalla kuin hyppäävässä ikkunoinnissakin. Sallitun solujen maksimimäärän ylitys johtaa valvontatoimiin raja-arvon ylittäneiden solujen osalta. Liukuvassa ikkunoinnissa yksittäinen solu vaikuttaa solumäärän laskurin arvoon tasan ikkunakokoa vastaavan ajan.
ATM-verkon on oltava mahdollisimman joustava pystyäkseen sopeutumaan käyttäjien vaatimuksiin. Verkon tarjoamat palvelut jaetaan palveluluokkiin, joiden liikenteelliset ominaisuudet eroavat toisistaan. Verkon tarjoama palvelun laatu vaihtelee palveluluokittain.
Yhteyttä muodostettaessa solmitaan käyttäjän ja verkon välinen liikennesopimus, jossa sovitaan käyttäjän lähettämää liikennettä ja toisaalta verkon tarjoamaa palvelua kuvaavat raja-arvot. Laadun määrittelemiseen käytetään laatuparametreja ja liikenteen ominaisuuksien kuvaaminen tapahtuu liikenneparametrien avulla. Verkko tarkkailee ja tarvittaessa muokkaa käyttäjän liikennettä yhteysparametrien valvonnan avulla. Valvonnassa käytettävät algoritmit ovat verkkokohtaisia, mutta ne pohjautuvat yleensä joko Leaky Bucket -menetelmään tai ikkunointitekniikoihin. Lähteet
[Aal95 M. Aalto. 1995. ATM-verkon yhteysparametrien valvonnan
toteutus käyttäjäliitännässä. Diplomityö. Espoo, TKK,
Tietotekniikan osasto. 76 s.
[AF/TMS] ATM Forum. 1994. Traffic Management Specification Version 4.0
Draft 95-0013R9. ATM Forum, December 1995. 114 s.
[Hän92] R. Händel, M. Huber. 1992. Integrated Broadband Networks - An
Introduction to ATM-Based Networks, Addison-Wesley. 230 s.
[I.350] ITU-T Recommendation I.350. 1993. General aspects of quality
of service and network performance in digital networks,
including ISDNs. International Telecommunication Union. 13 s.
[I.371] ITU-T Recommendation I.371. 1993. Traffic control and
congestion control in B-ISDN. International Telecommunication
Union. 26 s.
[Ruo94] J. Ruohio. 1994. Yhteyden hyväksymismenettelyt ja
puhelunohjaus ATM-keskuksessa. Diplomityö. Espoo, TKK,
Sähkötekniikan osasto. 74 s.
[Sai94] H. Saito. 1994. Teletraffic technologies in ATM networks.
Norwood, Artech House. 174 s.
[Shi93] K. Shimokoshi. 1993. Evaluation of policing mechanisms for ATM
networks. IEICE Transactions on Communications, E76-B, 11, s.
1341-1351