hledat:

QoS v ATM adaptérech

Technická zpráva TEN-155 CZ číslo 8/2000
k dispozici též ve formátech PDF, PostScript a XML.

Vladimír Smotlacha
27. listopadu 2000

Poznámka: tento text je aktualizovanou a rozšířenou verzí příspěvku na konferenci ATMTU 2000, Košice, září 2000.

QoS a ATM

Pojem QoS (Quality of Services) obecně znamená možnost definovat kvalitativní (např. typ služby) a kvantitativní (např. šířku pásma) požadavky na poskytovanou službu - přenosový kanál. Mezi důležité výhody technologie ATM patří skutečnost, že QoS je její nedílnou součástí a je tedy schopna splnit rozdílné nároky aplikací na vlastnosti sítě při sdílení téže infrastruktury. Některé aplikace jsou závislé např. na nízkém a konstantním zpoždění, jiným naopak nevadí případné větší zpoždění, ale netolerují ztrátu dat. Obecně je vyžadováno konzistentní a predikovatelné chování komunikačních kanálů.

Problematika implementace QoS v ATM je velmi rozsáhlá a složitá, ale pouze její část je relevantní pro rozhraní UNI (User-Network Interface) a tedy i pro koncová zařízení a na nich provozované aplikace.

Následující popis tří druhů parametrů ATM služeb:

• kategorie ATM služeb (Service Catagories)
• parametry povozu (Traffic Parameters)
• parametry QoS (QoS Parameters)

je proto zúžený z pohledu koncových zařízení.

Parametry ATM služeb

V ATM vrstvě je definováno celkem 5 kategorií služeb:

• CBR Constant Bit Rate
• rt-VBR Real-Time Variable Bit Rate
• nrt-VBR Non Real-Time Variable Bit Rate
• ABR Available Bit Rate
• UBR Unspecified Bit Rate

Uvedené kategorie jsou definovány pomocí parametrů provozu (Traffic parameters) a QoS parametrů.

Parametry provozu

Popisují vlastnosti generovaného toku dat. Koncové zařízení (aplikace) nemůže překračovat příslušné hodnoty, jinak hrozí zhoršení kvality přenosového kanálu (zpoždění, ztráta dat).

• PCR (Peak Cell Rate) maximální rychlost zdroje vyjádřená v ATM buňkách za vteřinu - cell/s (ATM buňka má velikost 53 B, z toho 48 B jsou data)
• SCR (Sustained Cell Rate) průměrná rychlost zdroje - cell/s
• MBS (Maximum Burst Size) nejvyšší počet buněk vyslaných rychlostí PCR
• MCR (Minimum Cell rate) nejnižší zaručená rychlost - cell/s

QoS parametry

Následující základní QoS parametry popisují vliv kanálu na přenášená data. Za dodržení jejich hodnot je tedy zodpovědná síť

• Peak-to-peak CDV (Cell Delay Variation) definice viz obr. 1
• maxCTD (Maximum Cell Transfer Delay ) definice viz obr. 1
• CLR (Cell Loss Ratio) poměr ztracené_buňky/vyslané_buňky

Kategorie ATM služeb

CBR

Služby typu CBR jsou určeny pro spojení vyžadující statickou šířku pásma, které je k dispozici po celou dobu. Toto pásmo je charakterizováno hodnotou parametru PCR.

Po vytvoření spojení jsou dohodnuté parametry QoS zajištěny pro každou buňku, která splňuje příslušný test konformity.

Kategorie CBR je používána zejména pro real-time aplikace vyžadující nízký rozptyl zpoždění (např. audio, video, emulace okruhů)

Zdroj může samozřejmě vysílat i nižší rychlostí. Pokud nějaká buňka je opožděna o více než dohodnuté maxCTD, předpokládá se její omezená důležitost pro aplikacii a síť proto může takovou buňku zrušit.

rt-VBR

Služba tohoto typu je určena pro real-time aplikace, tj. ty které vyžadují nízké zpoždění i nízkou variaci zpoždění a přitom se mění rychlost vysílaní zdroje (např. komprimovaný zvukový a obrazový signál). Spojení je charakterizováno parametry PCR, SCR a MBS. Předpokládá se její omezená důležitost pro aplikaci těch buněk, které jsou opožděny o více než dohodnuté maxCTD.

nrt-VBR

Služba nrt-VBR je určena pro aplikace, kdy lze zdroj signálu charakterizovat parametry PCR, SCR a MBS. Pro buňky splňující test konformity je zaručena nízká hodnota CLR. Nejsou definovány parametry pro zpoždění.

UBR

Tato služba je určena pro aplikace, které nemají real-time charakter. Nejsou garantovány žádné QoS parametry, jedná se o službu typu best-effort. Typickým příkladem použití služby kategorie UBR je komunikace mezi počítači. Předpokládá se, že případné řízení toku dat zajišťuje aplikace resp. vyšší vrstvy komunikačního protokolu.

ABR

Základní charakteristikou služby ABR je implementace mechanismu řízení toku (flow control), kdy ATM vrstva sítě přiděluje aplikaci dynamicky určitou šířku pásma, která je v rozmezí dohodnutých parametrů MCR a PCR. Je zajištěna nízká hodnota parametru CLR. Služba není určena pro real-time aplikace.

ATM adaptéry

ATM adaptér je koncové ATM zařízení určené k připojení do sběrnice počítače. Tyto adaptéry vyrábí řada firem a většinou představují proprietární řešení, které implementuje větší či menší část specifikací podle dokumentů IETF a ATM Fora.

Každý adaptér je vybaven ATM rozhraním podle specifikace UNI (User-Network Interface), kterým se připojí k ATM přepínači. Fyzicky se jedná např. o optický SC multi-mode konektor pro OC3 (155 Mb/s) resp. OC12 (622 Mb/s) nebo konektor RJ45 pro UTP kategorie 5 (155 Mb/s).

Z hlediska typu sběrnice byly k dispozici adaptéry PCI a Sbus.

Testované typy adaptérů

• ForeRunner 200E
• ForeRunner HE
• ENI-155p
• RapidFire 616x
• SunATM v2.1
• SunATM v.3

Testy byly provedeny v prostředí operačních systémů Solaris, Linux a WindowsNT. Výrobci dodávají ovladače a aplikační rozhraní jen pro některé typy komerčních operačních systémů. V Linuxu (projekt "ATM on Linux") jsou z dostupných adaptérů podporovány jen výrobky firem FORE a Efficient.

Fore 200E a Fore HE

Adaptéry firmy FORE (nyní Marconi) patří mezi nejrozšířenější. Příslušný software ForeThought je dodáván ve verzích pro Sparc (Solaris), SGI (IRIX) a Intel (MS Windows).

Kromě ovladačů obsahuje množství nástrojů a API standardu XTI nebo Winsock2. Jsou podporována spojení typu UBR, CBR, VBR a ABR. Dodávané nástroje umožňují definovat parametry PCR, SCR, MBS a MCR nejen pro CLIP (PVC) ale i pro LANE.

Nezávisle na výrobci jsou adaptéry FORE podporovány v Linuxu.

Typ Fore 200E má rychlost 155 Mb/s (OC3 nebo UTP) se sběrnicí PCI nebo Sbus. Nový typ Fore HE je vyráběn i ve verzi 622 Mb/s (OC12) se sběrnicí PCI.

Efficient ENI-155

Výrobce dodává ovladače jen pro MS Windows. Nezávisle jsou tyto adaptéry podporovány v Linuxu.

Olicom RapidFire 616x

Výrobce dodává ovladače jen pro MS Windows.

SunATM

Adaptéry firmy SUN jsou určeny pouze pro platformu Sparc se systémem Solaris. Pro rychlost 155 Mb/s existují verze OC3 a UTP pro sběrnici PCI a Sbus, verze 622 Mb/s (OC12) se rovněž vyrábí pro PCI i Sbus. Příslušné API je proprietární a řeší odděleně přenos dat a signalizaci (na úrovni zpráv protokolu Q.2931). Jsou podporovány třídy UBR, CBR a VBR. Parametry PCR, SCR a MBS lze definovat jen v rámci API.

ATM v Linuxu

Podporou ATM v Linuxu se zabývá projekt "ATM on Linux". API vychází z koncepce socketů podle BSD 4.3. Jsou podporována spojení tříd UBR a CBR. Implementace je stále ve fázi beta verze, ale je stabilní a prakticky použitelná. Nástroje umožňují definovat pro PVC parametr PCR, přes API je navíc možno specifikovat CDV.

Základní testy

Základní testy zahrnovaly

• ověření funkčnosti PVC, IP over ATM (CLIP) a emulace LAN (LANE)
• ověření použitelnosti nástrojů a konfiguračních nástrojů se zřetelem na možnost specifikovat typ služby a parametry toku dat
• změření skutečné hodnoty propustnosti v závislosti na definovaném PCR
• ověření ILMI a implementace signalizace UNI (3.0 a 3.1)

Ve všech případech bylo zjištěno, že adaptéry, jejich ovladače a konfigurační nástroje mají vlastnosti dle dokumentace. V těchto testech se nejednalo o skutečné testováni QoS, neboť byl aktivní vždy jen jeden kanál se specifikovaným parametrem PCR. Pro měření kapacity kanálů byl použit program Netperf. Vlastnosti signalizace byly ověřovány ATM analyzátorem RADCOM RC-200-C.

Testy vlastností QoS

Při testech QoS byla sledována možnost nastavit požadovaný typ služby a parametry toku dat. Všechny adaptéry podporují UBR včetně případné specifikace PCR. Ostatní třídy jsou implementovány nesystematicky a dokonce rozdílně v IP over ATM a LANE u téhož adaptéru. Např. konfigurační nástroje adaptérů FORE podporují UBR, CBR a ABR v CLIP ale UBR, CBR a VBR v LANE.

Nejjednodušším testem, který odhalí rozdílnou úroveň implementace QoS v ATM adaptéru, je měření současného toku dat ve dvou kanálech typu CBR nebo UBR s rozdílným PCR. Starší typy adaptérů (FORE 200E) v tomto testu zcela selžou: skutečná kapacita kanálu s vyšším PCR je degradována tím více, čím je větší poměr obou hodnot PCR. Například při 1. kanálu s PCR 100 Mb/s a 2. kanálu s PCR 2 Mb/s je dosažitelná kapacita 1. kanálu jen cca 6 Mb/s. Nové typy (FORE HE, ENI-155) nemají v tomto testu žádný problém a změřené parametry odpovídají požadovaným. Z porovnání výsledků v tabulce 3 je vidět, že podpora vlastností QoS je primárně závislá na konstrukci adaptéru, nikoliv na operačním systému či ovladači.

Implementace ABR

Ze všech testovaných adaptérů je třída ABR podporována jen u typu FORE HE a to pouze pro PVC. Protože tento adaptér (stejně jako ostatní) má signalizaci UNI3.0 a UNI3.1, nemůže být podporováno ABR pro SVC - to by vyžadovalo signalizaci UNI4.0. Při testech ABR byl systém zapojen podle obrázku 3.

Testování se zaměřilo na prokázání funkčnosti "flow control" přímo na úrovni ATM při různém stupni zatížení rozhraní NNI mezi dvěma přepínači LS1010. Test byl prováděn programem Netperf při použití protokolu UDP. Při testu byly vytvořeny tři kanály různých typů a parametrů. Z tabulky 4 je vliv "flow control" zcela zřejmý při porovnání kanálů ABR a UBR. K očekávané ztrátě ATM buněk kanálu UBR došlo vlivem saturace spoje mezi oběma přepínači.

Dalším ověřením bylo měření toku dat kanálem třídy ABR pomocí analyzátoru, jak ukazuje obrázek 4. Při tomto testu byl postupně zahajován přenos jednotlivými kanály tříd ABR, CBR a UBR. Paremetry těchto kanálů jsou stejné jako v předchozím testu s výjimkou kanálu CBR, kdy PCR bylo zvýšeno na 135 Mb/s.

Pořadí událostí v grafu na obrázku 4:

• T0 - začátek přenosu ABR (PCR 20 Mb/s, MCR 10 Mb/s)
• T1 - začátek přenosu CBR (PCR 135 Mb/s)
• T2 - začátek přenosu UBR (PCR 20 Mb/s)
• T3 - konec přenosu UBR
• T4 - konec přenosu CBR
• T5 - konec přenosu ABR

Z grafu je zřejmé, že systém udržel přenosové pásmo kanálu ABR v požadovaných mezích. Dále je vidět, že i kanál UBR byl schopen si zabrat určité pásmo - o pásmo, které nebylo pevně přiděleno, se přibližně rovným dílem podělily kanály ABR (nad úroveň MBR) a UBR.

Reálné využití ABR u adaptérů Fore HE je poněkud nepraktické, neboť vzhledem k omezení pouze na PVC je potřeba celý přenosový kanál sestavit "ručně". To je ještě komplikováno tím, že jsou parametry zadávány v jiných jednotkách (Kb/s) než na přepínačích (cell/s).

Aplikace využívající QoS

Při testech QoS je zajímavé si položit otázku, k čemu QoS v adaptérech, jako koncových prvcích ATM sítě, vlastně může být užitečné. Jednou z takových jednoduchých aplikací je FTP server, který poskytuje rozdílnou šířku pásma podle cílové sítě klienta. Výhoda takto koncipované aplikace je v tom, že přidělování šířky pásma provádí přímo server a není tedy nutná úprava konfigurace síťových prvků.

Adaptéry FORE obsahují konfigurační program lappqos, který dovoluje v LANE specifikovat třídu služby a její parametry v závislosti na typu protokolu, čísle socketu a cílové IP adrese. Tento nástroj tedy umožní modifikovat přidělené přenosové pásmo FTP serveru v závislosti na IP adrese klienta.

Pro pokusný FTP server byla definována rychlost 2 Mb/s a 10 Mb/s v závislosti na IP adrese cílové sítě.

Následující dva obrázky ukazují změřenou velikost provozu na ATM adaptéru v případě, kdy byl přenášen soubor o velikosti cca 25 MB nejprve po síti s omezením 2 Mb/s a o něco později byl tentýž soubor požadován klientem ze sítě s omezením 10 Mb/s. V prvém případě je měření provedeno s adaptérem FORE 200E, v druhém jde o adaptér FORE HE.

Z obrázku 5 je vidět, že při zahájení přenosu druhého souboru došlo ke zvýšení celkového provozu adaptéru FORE 200E jen na 4 Mb/s místo očekávaných 12 Mb/s. Po skončení přenosu prvního souboru pokračuje přenos druhého souboru plnou rychlostí 10 Mb/s. Nopak adaptér FORE HE se při tomto testu chovel podle očekávání (viz obrázek 6).

Je zřejmé, že oba adaptéry mají řešeno QoS jiným způsobem. Implementace v adaptéru FORE 200E je pro daný účel nepoužitelná.

Konfigurace testovacích zařízení

V testech byly použity stanice resp. servery následující konfigurace:

• Sun ULTRA 2, Solaris 2.7, Fore SBA-200E
• Sun ULTRA 1, Solaris 2.5.1, Fore SBA-200E
• Sun ULTRA 10, Solaris 2.5.1, Fore HE
• Sun Enterprise 450, Solaris 2.7, Fore HE a SunATM v3
• Sun SPARC 1000, Solaris 2.5.1, SunATM v2.1
• PC PII/330, Linux RedHat 6.0, ATM for Linux 0.59, Fore PCA-200E
• PC PII/330, Linux RedHat 6.0, ATM for Linux 0.59, Efficient ENI 155
• SGI O2, IRIX, Fore PCA-200E

Meření propustnosti bylo prováděno programem Netperf, pro ověřování signalizace a meření celkové zátěže linky byl použit analyzátor RADCOM RC-200-C.

Závěr

Všechny testované adaptéry jsou vhodné pro standardní případ použití v prostředí LANE příp. CLIP. Rovněž bez problémů umožňují používat PVC.

Bylo prokázáno, že implementace QoS u starších typů adaptérů je zcela nedostatečná. Tato nízká podpora je částečně a nedůsledně řešena v ovladači příslušného adaptéru. Naopak karta nové generace FORE HE v testech plně vyhověla. Tento adaptér má i funkční podporu služeb třídy ABR, i když pouze pro PVC.

Použitá literatura

[Gin98]	Ginsburg D.: ATM - solutions for enterprise internetworking. Addison-Wesley, 1998
[GiG99]	Giroux N., Ganti S.: Quality of Service in ATM Networks. Prentice-Hall, 1999
[ATM96]	The ATM Forum Technical Comittee: Traffic Management Specification (version 4.0). ATM Forum, 1996
[Alm96]	Almesberger W.: Linux ATM API (version 0.4). 1996