Введение в систему управления трафиком

С резким увеличением количества пользователей в сети и появлением трафика разных приложений вопрос о необходимости введения системы управления стал чрезвычайно актуальным.

Система управления трафиком очень похожа на систему управления автомобильным движением в большом городе. Для них обеих типичны практически одни и те же проблемы: это и регулирование потоков, и предоставление приоритета тому или иному транспорту, и наличие нарушителей правил движения. Правила движения для автомобилей стали актуальны после резкого увеличения числа участников движения. Та же ситуация и с управлением трафиком.

И пользователи, и администраторы в равной мере обеспокоены эффективностью создаваемой сетевой инфраструктуры. После долгого планирования, анализа взаимных требований и предложений, выбора стратегического производителя и одобрения проекта руководством главным становится вопрос: насколько удовлетворительной будет работа сети по истечении некоторого времени после ее внедрения?

Больше всего проблем возникает при попытке объединить множество однофункциональных сетей в одну гибкую, многосервисную сеть. Еще трудней добиться того, чтобы созданная сеть сегодня и в обозримом будущем могла решать абсолютно все возникающие проблемы. Специалисты по сетям отдают себе полный отчет в сложности, если не сказать неразрешимости, подобной задачи, поскольку организации меняют свою структуру, рабочие группы формируются и исчезают, производство перепрофилируется и т. д. и т. п. В свою очередь, изменения претерпевают и приложения, ориентированные на работу в сети. Пользовательские рабочие станции начинают предоставлять услуги по обработке сообщений, видеоинформации, телефонии и т. д.

В этой связи многосервисная сеть должна создаваться таким образом, чтобы она могла гарантировать приемлемый уровень обслуживания для каждого приложения. В противном случае пользователи будут высказывать недовольство такой комбинированной сетью и потребуют возвращения к отдельным специализированным сетям.

Как показывает текущее состояние Internet, обработка всего трафика как имеющего одинаковый приоритет может иметь серьезные последствия, особенно при ограниченной пропускной способности. Некоторые сетевые потоки рассчитаны на предсказуемую задержку и высокую пропускную способность. Однако, если они имеют тот же приоритет, что и все остальные потоки, задержка может оказаться непредсказуемой, а пропускная способность — недостаточной из-за того, что другие приложения "злоупотребляют" ресурсами сети. Положение ухудшается и из-за того, что многие новые приложения неэффективно используют сетевые ресурсы, благо современные сети имеют значительную пропускную способность.

Непомерные "аппетиты" обычных приложений требуется ограничить для предоставления "зеленой линии" высокоприоритетным приложениям. Такая технология получила обобщенное название обеспечения качества услуг (Quality of Service, QoS).

Методология обеспечения качества услуг вводит в широкую практику использование методов распределения по категориям и задания приоритетов потокам, благодаря чему трафик с высоким приоритетом получает необходимые сетевые ресурсы в соответствии с запрошенными характеристиками вне зависимости от требований к пропускной способности трафика менее важных приложений.

Однако здесь специалист по сетям сталкивается с вопросом: какую именно технологию обеспечения качества услуг выбрать? Это может быть организация приоритетных очередей в маршрутизаторах, использование протокола RSVP, обращение к возможностям ATM и т. д. Но следует отметить, что качество услуг необходимо далеко не всегда, даже в случае разнотипного трафика. В частности, имеющуюся пропускную способность можно распределить "силовыми" методами — каждому, так сказать, по потребностям.

В данной статье основной упор будет сделан на механизмы обеспечения качества услуг в сетях ATM. Однако сначала мы попытаемся взглянуть на этот вопрос "с высоты птичьего полета", дабы обобщить требования к качеству обслуживания, рассмотреть имеющиеся альтернативные подходы к реализации данных требований, а затем дать общие рекомендации.

КАЧЕСТВО ОБСЛУЖИВАНИЯ В ATM

Технология ATM способна поддерживать различные уровни качества услуг для каждого установленного соединения. Для того чтобы гарантировать заданные характеристики для новых и уже открытых соединений, сеть ATM реализует определенные механизмы контроля и управления потоками, а также предотвращения перегрузок — все вместе они собирательно называются управлением трафиком. Управление трафиком позволяет сети ATM гарантировать определенное качество обслуживания для индивидуальных соединений и защитить уже открытые соединения от снижения их производительности.

Технология ATM позволяет поддерживать работу различных типов приложений, будь то видео, голос, данные или их комбинация, по одной и той же сетевой инфраструктуре. Это очень специфичная особенность, так как требования разных приложений к сетевым ресурсам могут отличаться весьма существенно. Например, приложения электронной почты не налагают никаких ограничений на время доставки сообщений получателю. В таком случае все, что требуется приложению, — это выделение ему минимальной пропускной способности, когда необходимо прислать письма. Другим примером может быть приложение для проведения видеоконференций в реальном времени. Оно требует не только значительной пропускной способности, но также и минимизации времени доставки ячеек с фрагментами видеоизображений до получателя. Кроме того, приложение не будет работать корректно, если ячейки поступают к получателю через нерегулярные интервалы времени. В данном случае к сети предъявляются очень жесткие требования по многим параметрам. Все эти рассуждения говорят о важности проблемы управления трафиком в сети ATM.

Для успешной поддержки различных приложений и качества обслуживания в сети ATM конечным пользователем и сетью должны быть приняты некоторые допущения.

• Сеть ATM имеет возможность открывать новые соединения и предоставлять требуемое ими качество услуг (в зависимости от наличия ресурсов) без негативного влияния на уже открытые соединения. В противном случае запрос на установление нового соединения отклоняется.
• Пользовательское приложение и сеть заключают во время установления соединения некое соглашение по поводу характеристик трафика этого приложения, в том числе относительно максимальной и минимальной скорости передачи ячеек и качества услуг.
• Сеть ATM имеет право отбрасывать ячейки, если из-за них трафик через данное соединение выходит за ранее согласованные параметры. Отбраковка ячеек с соответствующей меткой может быть произведена в любой момент.
• Сеть ATM предоставляет доступ и тем пользователям, кто претендует на использование незадействованных на данный момент сетевых ресурсов. Однако при обнаружении перегрузки либо некоторые ячейки будут отбрасываться, либо пользователь получит запрос с требованием о снижении скорости передачи ячеек в сеть.

Перечисленные допущения формируют базу для реализации технологий и методов, применяемых для управления трафиками в сетях ATM. Цели управления трафиком ATM достаточно просты:

• поддержка разнообразных типов трафика на различных скоростях;
• удовлетворение требований к качеству услуг для каждого соединения;
• оптимизация использования сетевых ресурсов;
• предоставление конечному пользователю необходимой производительности сети.

Управление трафиком как общую систему можно условно разделить на три составляющие:

1. систему составления и заключения соглашения об уровне сервиса между пользователем и сетью по необходимому объему и качеству предоставляемых услуг;

2. систему единого управления потоками ячеек от различных пользователей;

3. систему контроля параметров трафика.

При этом каждая из приведенных составляющих системы управления трафиком может, в свою очередь, состоять из нескольких компонентов, отвечающих за выполнение конкретных функций. Рисунок 1 показывает обобщенную функциональную схему системы управления трафиком.

Рисунок 1. Обобщенная функциональная схема системы управления трафиком.

Контроль за параметрами трафика, состоящий из системы контроля за действиями пользователей и системы контроля за сетью, определяется как совокупность действий сети по предотвращению перегрузок, а контроль за перегрузками — как совокупность мер по уменьшению длительности состояния перегрузки и минимизации его последствий. Выполнение контрольных функций производится в четко определенное время и в четко определенном месте сети. Например, проверка превышения потоком ячеек максимальной скорости OC-3 выполняется на входящем коммутаторе ATM, причем она должна занимать меньше 3 мкс, так как передача одной ячейки со скоростью 155 Мбит/с осуществляется за 2,73 мкс.

Исходя из выделенных основных составляющих системы управления трафиком, основные задачи этой системы можно определить следующим образом.

1. Заключение контракта с сетью относительно характеристик трафика таким образом, чтобы требования приложения были удовлетворены в максимальной степени.

2. Оптимальное выделение и управление ресурсами сети для гарантированного выполнения заключенного контракта.

3. Предотвращение перегрузок.

Обобщая приведенные задачи, мы можем сказать, что вся система управления трафиком направлена на обеспечение работы всех пользователей без наступления перегрузок в сети. Перегрузка определяется как состояние, в котором компоненты сети ATM — будь то коммутаторы, физические каналы связи или конечные станции — не могут обеспечить требуемых характеристик для всех открытых соединений, в результате основные показатели качества услуг начинают резко снижаться. При этом перегрузки могут иметь как локальный, так и глобальный характер, и их причинами могут служить:

• взрывообразное увеличение объемов входного трафика;
• наступление нештатной ситуации на приемной стороне;
• недостаточный объем буферной памяти коммутаторов;
• малая производительность промежуточных устройств;
• различные аварии оборудования.

Вариантов реализации механизмов предотвращения перегрузок существует достаточно много. Одни методы предполагают выделение максимальной пропускной способности для соединений, хотя это может привести к нерациональному использованию сетевых ресурсов. Другие методы полагаются на буферную память коммутаторов, но при этом стоимость и сложность самих коммутаторов значительно повышаются. Третьи вовлекают в свою работу и сеть, и получателя данных для формирования извещений отправителю с просьбой о снижении им скорости отправки ячеек в сеть при превышении заданных пороговых значений. И, естественно, ячейки могут отбрасываться на входе в сеть, если они способны вызвать перегрузку из-за превышения согласованной скорости передачи. Организациями по стандартизации определены основные механизмы (методы) управления трафиком. Эти механизмы описаны в документе ATM Forum Traffic Management 4.0 и в рекомендации I.371 комитета ITU.

Следует отметить, что система управления трафиком должна функционировать на всем пути следования ячеек пользователя. На входе в сеть ATM — для согласования реальных характеристик трафика с контрактом, в середине сети — для сглаживания искажений, вносимых сетевыми устройствами, и на выходе из сети — для восстановления исходного формата трафика.

Можно сказать, что основная цель управления трафиком состоит именно в оптимизации использования сетевых ресурсов, в обеспечении качества услуг для существующих соединений, в предотвращении наступления состояния перегрузки в сети и в ограничении ее последствий. Для выполнения поставленных целей организации по стандартизации определили и описали в своих стандартах механизмы управления трафиком. Некоторые из них просты в реализации и подходят для всех предоставляемых сервисов ATM, а другие более сложны и зависят от конкретного набора сервисных услуг. Основные механизмы управления трафиком таковы:

1. CAC (Connection Admission Control) — контроль за установлением соединения;

2. UPC (Usage Parameter Control)/NPC (Networks Parameter Control) — контроль за использованием пропускной способности сети;

3. Traffic Shaping — формирование трафика;

4. Priority Control — контроль приоритетов;

5. ABR Flow Control — контроль потока ABR;

6. Frame Discard — отбраковка пакетов;

7. Selective Cell Discard — выборочная отбраковка ячеек.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ КОНТРАКТА

Перед рассмотрением основ составления контракта относительно характеристик трафика мы хотели бы сделать небольшое отступление и коснуться соглашений об уровне сервиса (Service Level Agreement, SLA). По сути все они могут рассматриваться как некие контракты, заключаемые между двумя сторонами, согласно которым одна из этих 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 перечне количественных и качественных характеристик предоставляемых услуг.

Для сетей frame relay и IP первые SLA были предложены в 1996 году компанией Intermedia Communications. В основе этих соглашений лежали четыре показателя:

1. гарантированная доступность сети;

2. доставка кадров;

3. задержка при передаче;

4. время восстановления сети.

По мере того как все большее число операторов связи стали заключать подобные соглашения, SLA все более уточнялись и распространялись на различные классы услуг.

Для технологии ATM аналогом SLA может служить трафик-контракт, свой для каждого виртуального соединения. Выполнение трафик-контракта контролируется интерфейсом UNI, а его содержание определяется, в основном, следующими пунктами:

• ожидаемый от сети уровень качества услуг;
• параметры трафика, т. е. характеристики потока ячеек;
• контрольные правила и инструкции по интерпретации параметров трафика.

Трафик-контракт пользователя определяется набором параметров качества услуг. В общем случае трафик-контракт должен содержать соглашения по следующим пунктам.

• Параметры потока ячеек отправителя в зависимости от услуг.
• Предоставляемое сетью качество услуг.
• Правила проверки соответствия реальных параметров трафика заявленным.
• Определение типа соединения, предоставляемого для транспортировки трафика.

Форум ATM определил три основных параметра качества услуг, которые должны согласовываться сетевыми устройствами при установлении соединения: задержка при передаче ячеек (Cell-Transfer Delay, CTD), вариация задержки (Cell-Delay Variation, CDV) и процент потерянных ячеек (Cell-Loss Ratio, CLR) (см. Рисунок 2).

Рисунок 2. Параметры качества обслуживания в сети ATM.

Параметр CTD характеризует максимальную задержку в сети при передаче ячеек от отправителя к получателю. Конкретная задержка складывается из задержек при передаче по линии связи между устройствами и задержек на каждом из промежуточных коммутаторов в ATM.

Параметр CDV определяется разницей во времени между максимальной и минимальной задержкой при доставке ячеек от отправителя к получателю. Вариация задержки зависит от процедуры мультиплексирования в один физический канал связи потоков ячеек, принадлежащих множеству виртуальных соединений, и непостоянства задержки, вносимой очередями коммутаторов ATM.

Параметр CLR определяется отношением числа потерянных ячеек к общему числу переданных ячеек. Данный параметр зависит от физического канала связи и алгоритмов управления перегрузками, применяемых в коммутаторах ATM.

Для примера мы покажем степень влияния параметров качества услуг на различные типы сетевого трафика в сети ATM (Таблица 1).

Передача речи характеризуется значительной чувствительностью к величине задержки. Это связано с тем, что возникновение даже небольших задержек в сети требует применения специальных методов подавления эха. Большие задержки приводят к полной непригодности системы из-за невозможности понимания абонентами речи друг друга. Вариация задержки также оказывает значительное влияние на голосовой трафик. Увеличение размеров буферов в такой системе приводит к росту задержки в сети. Процент потерянных ячеек при таком виде трафика не столь существенен, так как потерянные ячейки повторно отправителем не передаются, хотя данное обстоятельство и приводит к ухудшению качества связи. Влияние этих трех параметров на трафик приложений для видеоконференций аналогично.

Трафик приложений доставки видео по требованию характеризуется меньшей чувствительностью к величине задержки, так как отправитель должен иметь возможность реагировать на команды удаленного управления. Следует отметить, что и в этом случае уменьшение вариации задержки приводит только к положительным результатам. Как и в первых трех случаях, процент потерянных ячеек оказывает малое влияние на данный вид трафика.

Особое место занимает трафик, генерируемый при передаче больших объемов данных. При этом величина задержки практически не имеет значения по причине нерегулярного характера трафика и наличия больших временных окон для организации повторной передачи. Вариация задержки сглаживается наличием большой буферной памяти у получателя данных. Зато большое значение имеет процент потерянных ячеек: 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 приемной стороне не смогут быть восстановлены.

ПАРАМЕТРЫ ТРАФИКА

Спецификация управления трафиком определяет различные параметры, которые используются для описания характера трафика. Совместно с параметрами качества услуг они определяют категории сервиса. (Такая категория сервиса, как ABR, описывается с помощью ряда специальных параметров. Они обобщенно называются параметрами обратной связи.) Таблица 2 содержит описание основных параметров трафика.

КАТЕГОРИИ СЕРВИСА В СЕТЯХ ATM

Исходя из приведенных выше параметров трафика и параметров качества услуг, Форум ATM определил пять категорий сервиса: передачу с постоянной скоростью (служба CBR — Constant Bit Rate), передачу с переменной скоростью в реальном времени (служба rtVBR — real-time Variable Bit Rate), передачу с переменной скоростью не в реальном времени (служба nrtVBR — non-real-time Variable Bit Rate), передачу с не заданной заранее (неопределенной) скоростью (служба UBR — Unspecified Bit Rate) и передачу с доступной скоростью (служба ABR — Available Bit Rate).

Наибольший практический интерес представляют службы CBR и ABR, так как они позволяют выделять для каждого виртуального соединения достаточный объем сетевых ресурсов. При этом служба CBR использует для своей работы гарантированные ресурсы, а служба ABR задействует оставшиеся невостребованные ресурсы сети. Такое взаимоотношение между двумя службами позволяет полностью загружать сетевое оборудование.

Таблица 3 показывает, какие службы АТМ для передачи какого трафика предназначены, а Таблица 4 — какие параметры трафика и качества обслуживания определены для каждой службы.

Профиль трафика с постоянной скоростью можно упрощенно изобразить на графике, определяющем зависимость скорости передачи от времени (см. Рисунок 3). Ввиду того, что скорость такого трафика предсказуема, он является наиболее простым типом трафика с точки зрения гарантии необходимых значений параметров качества обслуживания, причем механизма обратной связи ему не требуется.

Рисунок 3. Профиль трафика CBR.

Оба варианта служб VBR (nrtVBR и rtVBR) характеризуются двумя скоростями передачи: пиковой скоростью (PCR), с которой отправитель может передавать ограниченное число ячеек (но не более заданной величины MBS), и нормальной скоростью (SCR), с которой ячейки могут передаваться неограниченно долго (см. Рисунок 4). При этом передача данных регулируется таким образом, чтобы средняя скорость не превышала допустимую. Иными словами, количество ячеек в области Б должно быть всегда меньше или равно количеству пустых ячеек (служащих для поддержания нормальной скорости) в области 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 услуг.

Рисунок 4. Профиль трафика VBR.

Служба UBR не предоставляет гарантий относительно качества услуг или пропускной способности. Использование этой службы предполагает наличие протокола более высокого уровня, например такого, как ТСР, чтобы он мог обнаружить и исправить ошибки при передаче. Кроме того, TCP позволяет регулировать скорость передачи в зависимости от количества потерянных пакетов.

Текущая версия пользовательского интерфейса UNI 3.0/3.1 дает возможность приложениям запрашивать определенную категорию сервиса во время установления виртуального соединения. Для его успешной работы приложению необходимо указать желаемые характеристики трафика во время запроса определенной категории. К их числу относятся: пиковая и средняя скорости передачи ячеек, терпимость приложения к переменной задержке и т. д. Категории сервиса, которые устанавливаются административно, определяют конкретные значения качества услуг и параметров трафика. При этом сеть будет игнорировать любой запрос на установление соединения, если запрашиваемое качество услуг не может быть поддержано. Приложение может повторить свой запрос позже, с указанием тех же самых или иных параметров качества услуг. Следует отметить, что после установления соединения согласованные параметры не могут быть изменены.

Новая версия пользовательского интерфейса ATM — UNI 4.0 — предоставляет пользователям возможность указывать конкретные значения параметров качества услуг в рамках, определенных для каждой категории сервиса. Отличие состоит в том, что приложение уже не ограничено предопределенными сетевым администратором параметрами качества услуг. Такое решение, помимо всего прочего, призвано сгладить проблемы совместимости между различными провайдерами услуг ATM, так как администраторам разных сетей не потребуется заранее согласовывать параметры качества услуг; данная задача будет возлагаться на конкретные приложения.

СВЯЗЬ МЕХАНИЗМОВ УПРАВЛЕНИЯ ТРАФИКОМ В ТЕХНОЛОГИИ ATM

Систему единого управления потоками ячеек можно представить в более уточненном, хотя и не полном, виде (см. Рисунок 5).

Рисунок 5. Система управления потоками ячеек.

Контроль за установлением соединения (CAC) реализует процедуру доступа в сеть и определяет саму возможность установления запрошенного соединения. Данный механизм использует параметры, указанные в трафик-контракте. Если ресурсов достаточно и запрошенное качество услуг может быть предоставлено, а качество услуг других соединений не пострадает, то сеть разрешает установить соединение. Если любое из перечисленных условий не выполняется, то запрос на соединение отклоняется. Контроль за установлением соединения осуществляется на каждом коммутаторе в пути от отправителя к получателю. Рисунок 6 иллюстрирует общую схему функционирования описанного механизма.

Рисунок 6. Схема функционирования механизма CAC.

Таблица 5 показывает пример возможной реализации механизма контроля за установлением соединения. Третья колонка содержит добавочную пропускную способность, выделенную службе для гарантирования параметров качества услуг. Эта пропускная способность не будет использоваться службой, так как среднее количество посылаемых ячеек будет всегда меньше, чем выделенная пропускная способность.

Контроль за расходованием пропускной способности сети (UPC) определяется как набор выполняемых сетью действий по мониторингу и контролю за трафиком. Данный механизм проверяет корректность VPI/VCI, обеспечивает контроль за согласованным трафик-контрактом и, если это необходимо, осуществляет маркировку или отбраковку любых ячеек, передача которых может привести к нарушению достигнутых соглашений. Иными словами, UPC реализует проверку соответствия параметров поступившего трафика оговоренным в трафик-контракте параметрам. Функционально механизм контроля за использованием пропускной способности обычно реализуется первым коммутатором на входе в сеть с помощью одного или двух алгоритмов под названием "дырявое ведро" (Leaky Bucket) (алгоритм описан в рекомендации I.371 комитета ITU). Такое название он получил потому, что принцип действия алгоритма демонстрируется на примере ведра с отверстием в днище фиксированного размера. Ячейки попадают в это ведро, а затем "протекают" в сеть. При переполнении ведра избыточные ячейки маркируются как подлежащие удалению.

Тест на определение соответствия запускается каждый раз, когда ячейка поступает в сеть. Если ячейка не приводит к превышению заданных параметров, то она передается дальше; в противном случае ячейка либо отбрасывается до поступления в сеть, либо надлежащим образом помечается (с помощью бита CLP в заголовке).

Для организации тестирования на соответствие алгоритм "дырявого ведра" использует комбинации параметров качества услуг и основных параметров трафика. Следует отметить, что серия тестов может быть реализована с помощью одного или более "дырявых ведер", имеющих различные параметры. Количество "дырявых ведер" зависит от типа трафика и "жесткости" заключенного договора. Например, при проверке трафика для соединений с постоянной скоростью передачи коммутатору достаточно одного "дырявого ведра", в то время как для соединений с переменной скоростью ему потребуется два.

Механизм NPC предназначен для проверки параметров контроля потока ячеек через интерфейс NNI, иными словами, через интерфейс между сетями. При этом им используются те же методы, что и в UPC.