Traffic Management und Dienstgütesicherung in ATM-Netzwerken

Traffic-Management und Dienstgütesicherung in ATM-Netzwerken

Stefan Marr

Seminar Rechnernetze 2006

Hasso-Plattner-Institut für Softwaresystemtechnik

Abstract

Die Mechanismen zum Traffic-Managment und der Dienstgütesicherung, welche in der ATM Spezifikati- on definiert sind, werden vorgestellt. Dazu werden die ATM Dienstkategorien näher erläutert und darauf aufbauend die für ATM relevanten Dienstgüteparame- ter eingeführt. Auf dieser Grundlage werden die Funktion des Verkehrsvertrags und anschließend die weiterführenden Methoden zur Verwaltung des Netz- verkehrs vorgestellt. Die Möglichkeiten des Netzwerks dem Sender explizit Informationen zur verfügbaren Bandbreite zu übermitteln und die Frameunter- stützung für ATM sind ebenfalls beschrieben. Zum Abschluss wird der konzeptionelle Zusammenhang der einzelnen Mechanismen im Router veranschaulicht und ein Vergleich der Traffic-Management Fähigkeiten von ATM und TCP/IP durchgeführt.

Keywords: ATM, Verkehrsverwaltung, Dienstgü- te, Netzwerke, Traffic-Management, Zellratensteuerung

1. Einleitung

Mit dem Asynchronous Transfer Mode kurz ATM steht seit 1989 ein Übertragungsverfahren für Da- ten aller Art zur Verfügung, dass mit verschiedenen Eigenschaften aufwartet, mit den es auch mit dem in heutiger Zeit sehr verbreiteten Ethernet konkurrieren kann. Der historischen Entwicklung und auch den mit ATM-Hardware verbundenen Kosten geschuldet, kommt dieses Verfahren heute jedoch fast nur noch in großen Internet-Backbones zum Einsatz.

Im Gegensatz zu z.B. Ethernet wird in einem ATM-Netz mit Zellen fester Länge (53 Byte) gear- beitet, worauf auch die grundlegenden technischen Unterschiede beruhen. Ein sehr her- ausragendes Merkmal von ATM sind die Fähigkeiten im Bereich Traffic-Management und Dienstgütesicherung, was dieses Verfahren auch heute noch sehr interessant macht für sehr quali-

tätskritische Anwendungen, wie z.B. der professionellen Übertragung von verlustfrei komprimierten Videodaten in Echtzeit, aber auch dem bereits erwähnten Betrieb von Backbones.

Um die optimale Auslastung und den effizien- ten Betrieb eines solchen Hochgeschwindig- keitsnetzwerkes sicherzustellen, bedarf es geeig- neter Verfahren und Messgrößen zur Verwaltung und Überwachung des Verkehrs in diesem Netz- werk. Die dazu unternommenen Aktivitäten werden gemeinhin unter dem Begriff Traffic- Management zusammengefasst. Genauer gesagt versteht man unter Traffic-Management die Pro- zesse zur Überwachung und Analyse von Verkehr in einem Netzwerk. Die Verfahren zur Reaktion auf Änderungen des Verkehrs oder der Umgebungsbedingungen, sowie die Sicherstel- lung der optimalen Netzwerkleistung gehören ebenfalls dazu. Diese Thematik geht eng einher mit dem Aspekt der Dienstgüte bzw. Quality of Service (QoS), welcher für die Einhaltung bzw. Gewährleistung von bestimmten Parametern bei der Übertragung von Daten über ein Netzwerk steht.

In dieser Ausarbeitung werden die Fähigkei- ten und Verfahren vorgestellt, die von ATM zur Verfügung gestellt werden um Traffic- Management und Dienstgütesicherungen in ei- nem Hochgeschwindigkeitsnetzwerk zu realisieren.

Da ATM besonders für den Einsatz in Breibandnetzen entwickelt wurde und es vorge- sehen worden war, dass über diese Netze jegliche Art von Daten-, Audio- oder auch Videomaterial übertragen können werden soll, wurde dieser Problematik besonders viel Aufmerksamkeit ge- schenkt. Ziel war es, eine möglichst effiziente Auslastung der Kapazitäten zu erreichen und da- bei trotzdem alle vereinbarten Qualitätsmerkmale garantieren zu können.

Ein Überblick zu ATM allgemein und den technischen Besonderheiten wird in [8] gegeben.

Diese Ausarbeitung soll sich ausschließlich mit den in ATM-Netzen verfügbaren Mechanismen zum Traffic-Management und der Dienstgütekon- trolle beschäftigen. Dafür wird in den folgenden Abschnitten auf die in ATM-Netzwerken messba- ren Größen und die in [1] vorgesehenen Mechanismen in diesen Netzen eingegangen.

Zu erst werden dazu die ATM Dienstkatego- rien eingeführt und ihr jeweiligen Einsatzgebiete benannt, um daran anschließend die für die Kate- gorien und die Datenverkehrscharakterisierung im Allgemeinen relevanten Größen einzuführen. Im Abschnitt 4 wird der ATM Verkehrsvertrag näher betrachtet, da die in ihm getroffenen Ver- einbarungen für eine Verbindung die Grundlage für die Traffic-Management-Mechanismen dar- stellen, welche im fünften Abschnitt beschrieben werden. Hier bilden vor allem auch die Zellraten- steuerung für Available Bit Rate-Dienste, die Verfahren für die Guaranteed Frame Rate sowie die Darstellung des Zusammenhangs der einzel- nen Mechanismen einen Schwerpunkt.

Um die Besonderheiten von ATM gegenüber den Traffic-Management-Fähigkeiten des sehr verbreiteten TCP/IP hervorzuheben, werden die- se im 6. Abschnitt verglichen. Darauf folgt eine kurze Zusammenfassung sowie ein Abkürzungs- verzeichnis im Anhang.

2. ATM Dienstkategorien

ATM Netzwerke sind dazugedacht verschiedens- te Arten von Datenströmen transportieren zu können und diesen auch die benötigte Dienstgüte bereitzustellen. Um den verschiedenen Ansprü- chen, die unterschiedliche Arten von Datenströme an die Netzparameter wie Zellverlust und Verzö- gerungszeiten haben, gerecht werden zu können, sind gemäß [4] für ATM sechs verschiedene Kate- gorien von Datenströmen definiert worden.

Im Bereich der Echtzeit-Dienste wird zwischen

Constant Bit Rate (CBR) und Real-Time Variable Bit

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Rate (rt-VBR) unterschieden. CBR wird für die Übertragung von Datenströmen mit festen Daten- raten verwendet, wie sie z.B. bei unkomprimierten Video- oder Audiodaten auftre- ten. Für solche Anwendungen sind geringe Übertragungsverzögerungen (Cell Transfer Delay - CTD) und eine geringe Verzögerungsvarianz (Cell Delay Variation - CDV) wichtig.

Für z.B. komprimierte Audio- oder Videoda- tenströme ist rt-VBR gedacht. Hier sind ebenfalls geringe Übertragungsverzögerungen und auch eine geringe Verzögerungsvarianz entscheidend. Im Gegensatz zu CBR ist die Datenrate jedoch über die Zeit veränderlich.

Der größere Bereich der Datenströme hat nicht so hohe Anforderungen an CTD und CDV und eher Burst-Charakter. Die Daten werden also schwallartig ans Netzwerk geliefert. Ähnlich zu rt-VBR gibt es Non-Real-Time Variable Bit Rate (nrt- VBR). In diese Kategorie fallen Dienste mit hohen Anforderungen an die Antwortzeit z.B. Bank- Transaktionen oder EMail. Zu den Anforderun- gen gehören eine geringe Zellverlustrate (Cell Lose Ratio - CLR) und geringe CTD.

Mit Available Bit Rate (ABR) steht eine Katego- rie für Standarddatenverkehr wie beispielsweise Dateiübertragungen zur Verfügung. Hier sind keine Anforderungen an CLR und CTD gegeben. Diesen Diensten kann eine minimale Zellrate ga- rantiert werden und darüber hinaus haben sie die Möglichkeit freie Kapazitäten zu nutzen.

Relativ neu ist Guaranteed Frame Rate (GFR) zur Unterstützung von IP-Backbones. Ziel ist es hier Frame-basierte Datenströme optimal transportie- ren zu können. Diese können z.B. von einem LAN an einen ATM-Router gelangen. Um die Perfor- mance hier zu optimieren, werden die Pakete bzw. Framegrenzen beachtet und diese z.B. für Gegenmaßnahmen bei Netzüberlast mit einbezo- gen. Wie bei ABR wird eine minimale Transferrate garantiert und darüber hinaus kön- nen freie Kapazitäten genutzt werden.

Für die übrig bleibenden Kapazitäten gibt es noch die Kategorie der Unspecified Bit Rate (UBR). Diese Dienste werden auch als best-effort services bezeichnet. In diesem Bereich spielen Zellverluste und Verzögerungen keine große Rolle. Genutzt wird dies für Datenübertragungen wie News- Feeds, Dateiübertragungen oder Nachrichtenü- bermittlung. Hier werden keine Anforderungen an das Netz gestellt und es werden meist Mecha- nismen auf höheren Schichten eingesetzt um die Datenintegrität zu gewährleisten.