Traffic-Management und Dienstgütesicherung in ATM-Netzwerken
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Traffic-Management und Dienstgütesicherung
in ATM-Netzwerken
Stefan Marr
Seminar Rechnernetze 2006
Hasso-Plattner-Institut für Softwaresystemtechnik
stefan.marr@hpi.uni-potsdam.de
Abstract tätskritische Anwendungen, wie z.B. der
professionellen Übertragung von verlustfrei
Die Mechanismen zum Traffic-Managment und der komprimierten Videodaten in Echtzeit, aber auch
Dienstgütesicherung, welche in der ATM Spezifikati-
dem bereits erwähnten Betrieb von Backbones.
on definiert sind, werden vorgestellt. Dazu werden die
Um die optimale Auslastung und den effizien-
ATM Dienstkategorien näher erläutert und darauf
ten Betrieb eines solchen Hochgeschwindig-
aufbauend die für ATM relevanten Dienstgüteparame-
keitsnetzwerkes sicherzustellen, bedarf es geeig-
ter eingeführt. Auf dieser Grundlage werden die
neter Verfahren und Messgrößen zur Verwaltung
Funktion des Verkehrsvertrags und anschließend die
und Überwachung des Verkehrs in diesem Netz-
weiterführenden Methoden zur Verwaltung des Netz-
verkehrs vorgestellt. Die Möglichkeiten des Netzwerks werk. Die dazu unternommenen Aktivitäten
dem Sender explizit Informationen zur verfügbaren werden gemeinhin unter dem Begriff Traffic-
Bandbreite zu übermitteln und die Frameunter- Management zusammengefasst. Genauer gesagt
stützung für ATM sind ebenfalls beschrieben. Zum versteht man unter Traffic-Management die Pro-
Abschluss wird der konzeptionelle Zusammenhang der zesse zur Überwachung und Analyse von
einzelnen Mechanismen im Router veranschaulicht Verkehr in einem Netzwerk. Die Verfahren zur
und ein Vergleich der Traffic-Management Fähigkeiten Reaktion auf Änderungen des Verkehrs oder der
von ATM und TCP/IP durchgeführt. Umgebungsbedingungen, sowie die Sicherstel-
lung der optimalen Netzwerkleistung gehören
Keywords: ATM, Verkehrsverwaltung, Dienstgü- ebenfalls dazu. Diese Thematik geht eng einher
te, Netzwerke, Traffic-Management, mit dem Aspekt der Dienstgüte bzw. Quality of
Zellratensteuerung Service (QoS), welcher für die Einhaltung bzw.
Gewährleistung von bestimmten Parametern bei
der Übertragung von Daten über ein Netzwerk
1. Einleitung steht.
Mit dem Asynchronous Transfer Mode kurz ATM In dieser Ausarbeitung werden die Fähigkei-
steht seit 1989 ein Übertragungsverfahren für Da- ten und Verfahren vorgestellt, die von ATM zur
ten aller Art zur Verfügung, dass mit Verfügung gestellt werden um Traffic-
verschiedenen Eigenschaften aufwartet, mit den Management und Dienstgütesicherungen in ei-
es auch mit dem in heutiger Zeit sehr verbreiteten nem Hochgeschwindigkeitsnetzwerk zu
Ethernet konkurrieren kann. Der historischen realisieren.
Entwicklung und auch den mit ATM-Hardware Da ATM besonders für den Einsatz in
verbundenen Kosten geschuldet, kommt dieses Breibandnetzen entwickelt wurde und es vorge-
Verfahren heute jedoch fast nur noch in großen sehen worden war, dass über diese Netze jegliche
Internet-Backbones zum Einsatz. Art von Daten-, Audio- oder auch Videomaterial
Im Gegensatz zu z.B. Ethernet wird in einem übertragen können werden soll, wurde dieser
ATM-Netz mit Zellen fester Länge (53 Byte) gear- Problematik besonders viel Aufmerksamkeit ge-
beitet, worauf auch die grundlegenden schenkt. Ziel war es, eine möglichst effiziente
technischen Unterschiede beruhen. Ein sehr her- Auslastung der Kapazitäten zu erreichen und da-
ausragendes Merkmal von ATM sind die bei trotzdem alle vereinbarten Qualitätsmerkmale
Fähigkeiten im Bereich Traffic-Management und garantieren zu können.
Dienstgütesicherung, was dieses Verfahren auch Ein Überblick zu ATM allgemein und den
heute noch sehr interessant macht für sehr quali- technischen Besonderheiten wird in [8] gegeben.Diese Ausarbeitung soll sich ausschließlich mit Rate (rt-VBR) unterschieden. CBR wird für die
den in ATM-Netzen verfügbaren Mechanismen Übertragung von Datenströmen mit festen Daten-
zum Traffic-Management und der Dienstgütekon- raten verwendet, wie sie z.B. bei
trolle beschäftigen. Dafür wird in den folgenden unkomprimierten Video- oder Audiodaten auftre-
Abschnitten auf die in ATM-Netzwerken messba- ten. Für solche Anwendungen sind geringe
ren Größen und die in [1] vorgesehenen Übertragungsverzögerungen (Cell Transfer Delay -
Mechanismen in diesen Netzen eingegangen. CTD) und eine geringe Verzögerungsvarianz (Cell
Zu erst werden dazu die ATM Dienstkatego- Delay Variation - CDV) wichtig.
rien eingeführt und ihr jeweiligen Einsatzgebiete Für z.B. komprimierte Audio- oder Videoda-
benannt, um daran anschließend die für die Kate- tenströme ist rt-VBR gedacht. Hier sind ebenfalls
gorien und die Datenverkehrscharakterisierung geringe Übertragungsverzögerungen und auch
im Allgemeinen relevanten Größen einzuführen. eine geringe Verzögerungsvarianz entscheidend.
Im Abschnitt 4 wird der ATM Verkehrsvertrag Im Gegensatz zu CBR ist die Datenrate jedoch
näher betrachtet, da die in ihm getroffenen Ver- über die Zeit veränderlich.
einbarungen für eine Verbindung die Grundlage Der größere Bereich der Datenströme hat nicht
für die Traffic-Management-Mechanismen dar- so hohe Anforderungen an CTD und CDV und
stellen, welche im fünften Abschnitt beschrieben eher Burst-Charakter. Die Daten werden also
werden. Hier bilden vor allem auch die Zellraten- schwallartig ans Netzwerk geliefert. Ähnlich zu
steuerung für Available Bit Rate-Dienste, die rt-VBR gibt es Non-Real-Time Variable Bit Rate (nrt-
Verfahren für die Guaranteed Frame Rate sowie VBR). In diese Kategorie fallen Dienste mit hohen
die Darstellung des Zusammenhangs der einzel- Anforderungen an die Antwortzeit z.B. Bank-
nen Mechanismen einen Schwerpunkt. Transaktionen oder EMail. Zu den Anforderun-
Um die Besonderheiten von ATM gegenüber gen gehören eine geringe Zellverlustrate (Cell Lose
den Traffic-Management-Fähigkeiten des sehr Ratio - CLR) und geringe CTD.
verbreiteten TCP/IP hervorzuheben, werden die- Mit Available Bit Rate (ABR) steht eine Katego-
se im 6. Abschnitt verglichen. Darauf folgt eine rie für Standarddatenverkehr wie beispielsweise
kurze Zusammenfassung sowie ein Abkürzungs- Dateiübertragungen zur Verfügung. Hier sind
verzeichnis im Anhang. keine Anforderungen an CLR und CTD gegeben.
Diesen Diensten kann eine minimale Zellrate ga-
2. ATM Dienstkategorien rantiert werden und darüber hinaus haben sie die
Möglichkeit freie Kapazitäten zu nutzen.
ATM Netzwerke sind dazugedacht verschiedens- Relativ neu ist Guaranteed Frame Rate (GFR) zur
te Arten von Datenströmen transportieren zu Unterstützung von IP-Backbones. Ziel ist es hier
können und diesen auch die benötigte Dienstgüte Frame-basierte Datenströme optimal transportie-
bereitzustellen. Um den verschiedenen Ansprü- ren zu können. Diese können z.B. von einem LAN
chen, die unterschiedliche Arten von Datenströme an einen ATM-Router gelangen. Um die Perfor-
an die Netzparameter wie Zellverlust und Verzö- mance hier zu optimieren, werden die Pakete
gerungszeiten haben, gerecht werden zu können, bzw. Framegrenzen beachtet und diese z.B. für
sind gemäß [4] für ATM sechs verschiedene Kate- Gegenmaßnahmen bei Netzüberlast mit einbezo-
gorien von Datenströmen definiert worden. gen. Wie bei ABR wird eine minimale
Im Bereich der Echtzeit-Dienste wird zwischen Transferrate garantiert und darüber hinaus kön-
Constant Bit Rate (CBR) und Real-Time Variable Bit 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.
Abb. 1 ATM Dienstkategorien
-2-Über die optionale Erweiterung von UBR in [2] der Schwankung der Verzögerung zwischen dem
ist es möglich die Charakteristik eines UBR- Eintreffen von zwei aufeinander folgenden Zellen
Verkehrsstroms differenzierter zu beschreiben. einer bestimmten Verbindung. Diese beruht auf
Dazu wird ihm eine sogenannte Behavior Class der Verwendung von Zellen fester Größe und den
zugeordnet. Über diese Angabe soll das Netzwerk damit verbundenen Zeitschlitzen, in den einzelne
die Möglichkeit haben, die Gewährung von Zellen versendet werden. Durch das versenden
Dienstgüteparametern auch an UBR- von zusätzlichen OAM-Zellen 1 , kommt es zu Ver-
Verbindungen differenzierter handhaben zu kön- zögerungsschwankungen im Nutzdatenstrom. Bei
nen. Details sind hier jedoch der für die Dienstgütesicherung wichtigen peak-to-
implementationsabhängig und nicht spezifiziert. peak CDV handelt es sich um die Variation der
Mit [3] ist es für UBR-Dienste zudem optional Verzögerung der Zellen, die kleiner ist als die
möglich eine minimale gewünschte Zellrate an- maxCTD.
zugeben, diese wird jedoch vom Netzwerk nur zu Unabhängig davon gibt es noch die Größe der
Optimierungszwecken genutzt und nicht garan- Cell Delay Variation Tolerance (CDVT). Sie wird
tiert. meist direkt an der Netzwerkschnittstelle des
In Abb. 1 wurde das Verhalten der einzelnen Nutzers (User-Network Interface – UNI) festgelegt
Dienstkategorien zueinander einmal veranschau- und der vom Nutzer erzeugte Verkehr muss die-
licht. Bei den CBR-Diensten ist klar das konstante sen CDVT-Bereich einhalt, um die QoS-Garantien
Ausnutzen der Kapazität über die Zeit zu erken- in Anspruch nehmen zu können.
nen. Bei VBR hingegen variiert diese Auslastung Mit der Cell Lose Ratio (CLR) wird das Verhält-
über die Zeit. Bei ABR und GFR ist eine optionale nis der verlorenen zu den übertragenen Zellen in
Minimum Cell Rate (MCR) als gestrichelte Linie zu einem bestimmten Intervall angegeben.
erkennen und bei UBR ist klar zu erkennen, dass Die obere Grenze der Zellübertragungsrate
es sich um die best-effort Kategorie handel und wird mit Hilfe der Peak Cell Rate (PCR) angege-
somit nur überschüssige Kapazitäten ausge- ben. PCR ist dabei als PCR = 1/T definiert, mit T
schöpft werden können. als minimaler Abstand zwischen zwei Zellen.
Ähnlich dazu ist die Sustainable Cell Rate
3. ATM Dienstgüte-Parameter (SCR), welche die obere Grenze der durchschnitt-
lichen Zellrate einer ATM Verbindung bezeichnet.
Die im vorangegangenen Abschnitt dargestellten Diese Angabe wird z.B. für VBR-Dienste benötigt,
Kategorien von Diensten fordern vom Netzwerk um eine effiziente Aufteilung der verfügbaren
recht unterschiedliche Eigenschaften und Werte Resourcen zwischen mehreren VBR-Diensten zu
die sichergestellt werden sollen. ermöglichen, ohne die PCR reservieren zu müs-
In diesem Abschnitt sollen daher nach [4,5,7] sen und damit Bandbreite zu verschwenden. Die
die für ATM spezifizierten Größen dargestellt SCR sollte demnach auch kleiner sein als die PCR,
werden, mit den man die Qualität eines Dienstes um nützlich zu sein.
messen und anhand dieser Informationen die ge- Eine weitere wichtige Größe zum Charakteri-
wünschten Parameter sicherstellen kann. sieren von Datenströmen ist die Maximum Burst
Unter Cell Transfer Delay (CTD) versteht man Size (MBS). Diese steht für die maximale Anzahl
die Verzögerung bei der Übertragung einer Zelle von Zellen, die mit PCR hintereinander weg über-
gemessen vom Versand des ersten Bits bis zum tragen werden können. Mit der Minimum Cell Rate
Empfang des letzten Bits. Durch das Design von (MCR) wird für ABR und GFR die minimal zu
ATM kommt es durch das Netzwerk selbst nur zu garantierende Zellrate angegeben. Speziell für
vernachlässigbaren Verzögerungen, da die GFR ist außerdem eine Maximum Frame Size
Verarbeitungs- und Übertragungsverzögerungen (MFS) spezifiziert. Die MFS ist die Anzahl der
minimal sind. Der überwiegende Teil von Verzö- Zellen, die ein Frame maximal lang sein darf.
gerung entsteht durch Überlast von Netzknoten. Im folgenden Abschnitt werden die hier defi-
Als Dienstgüte-Parameter wird mit der maxCTD nierten Größen verwendet um eine Vereinbarung
die gewünscht Obergrenze für diese Verzögerung zwischen Nutzer und Netzwerk über Dienstgüte-
festgelegt. Zellen, welche die maxCTD nicht ein- parameter treffen zu können.
halten, sollen entweder verworfen oder als
verspätet markiert zugestellt werden. 1 Operation and Maintenance-Zellen nach [4] S. 360
Die Cell Delay Variation (CDV) ist das Ausmaß
-3-4. Der Verkehrsvertrag zu erfüllen. An diesem Punkt bleibt jedoch anzu-
merken, dass die auch QoS Commitments
In ATM Netzwerken gibt es zu jeder Verbindung genannten Garantien von Natur aus probabilis-
einen sogenannten Verkehrsvertrag bzw. Traffic tisch sind. Die Parameter können vom Netzwerk
Contract. Mit Hilfe des Verkehrsvertrags werden nur näherungsweise erfüllt werden. Dies liegt
die Charakteristiken des Datenverkehrs über eine einerseits an der Tatsache, dass die Genauigkeit
Leitung beschrieben und gleichzeitig die Dienst- für die Angabe der Parameter deutlich höher ist,
güteanforderungen an das Netzwerk festgelegt. als die Genauigkeit mit der sie gemessen werden
Mit diesem Mechanismus ist es also möglich, die können und andererseits variiert die Dienstgüte
für einen Dienst benötigten Parameter dem über die Zeit, bedingt durch die Zufälligkeit des
Netzwerk direkt mitzuteilen. Mit den enthaltenen Datenverkehrs selbst. Die genaue Einhaltung der
Daten kann das Netzwerk die optimalen Einstel- Parameter kann nur über längere Zeiträume be-
lungen für die Verbindung, zu der dieser Vertrag stimmt werden und teilweise, abhängig von der
gehört, sowie für alle anderen Verbindungen un- Dienstkategorie, nur für Kategorien von Verbin-
ter Einhaltung derer Verträge, bestimmen. dungen und nicht für einzelne Verbindungen
Darüber hinaus kann mit Hilfe dieser Daten über ein ATM-Netzwerk.
im Voraus entschieden werden, ob die Kapazität
des Netzwerks die beantragte Verbindung noch
ermöglicht, oder ob dadurch die bereits zugesi-
5. Mechanismen zum Traffic-
cherten Eigenschaften von bestehenden Management
Verbindungen beeinträchtigt würden. Die Aktio- Die zur Sicherung der Dienstgüte nahe liegends-
nen zum Treffen dieser Entscheidung werden bei ten Mechanismen sind mit CAC und UPC bereits
ATM mit Connection Admission Control (CAC) be- gegeben. Durch diese Prüfung ist das Netzwerk
zeichnet und ermöglichen aufbauend auf den für übermäßiger Überlastung in gewissen Gren-
Verkehrsvertrag ein präventives Verkehrsmana- zen geschützt, da Verbindungen nur zugelassen
gement. werden, wenn die nötigen Resourcen vorhanden
Die Daten des Verkehrsvertrags werden im sind. Darüber hinaus ist in ATM noch ein Mecha-
sogenannten Connection Traffic Descriptor angege- nismus zur Resourcenverwaltung mit Hilfe von
ben. Dieser besteht aus dem Source Traffic virtuellen Pfaden spezifiziert, welcher im Folgen-
Descriptor, welche je nach Dienstkategorie der den beschrieben werden soll.
Verbindung die jeweils passenden Parameter ent- Da sich nun aber nicht alle Dienstkategorien
hält. Dazu zählen PCR, SCR, MBS, MCR und z.B. mit einer Bandbreitenobergrenze beschreiben
MFS. Zum Connection Traffic Descriptor gehören lassen, werden noch reaktive Mechanismen benö-
außerdem die Angabe der CDVT und eine Con- tigt, um auftretende Überlastsituation zu
formance Definition. erkennen und die Auswirkungen zu minimieren.
Mittels eines implementationsabhängigen Al- Die entsprechenden von ATM zur Verfügung ge-
gorithmus wird über die Conformance Definition stellten reaktiven Verfahren werden ebenfalls in
jede Zelle, die über ein UNI kommt, untersucht. diesem Abschnitt vorgestellt.
Der Mechanismus zum Überwachen der Zellen
selbst wird Usage Parameter Control (UPC) ge-
5.1. Resourceverwaltung mit virtuellen
nannt. Auch in idealen Situationen gibt es Zellen,
die nicht den Bedingungen entsprechen die ver- Pfaden
einbart wurden. Das Netzwerk ist jedoch nur Die Verwendung von Virtual Path Connections
verpflichtet, für konforme Zellen die gewählte (VPCs) ermöglicht eine effizientere Resourcen-
Dienstgüte sicherzustellen. Die Konformität wird verwaltung. So lässt sich die Implementierung
mit dem Generic Cell Rate Algorithm (GCRA) defi- von CAC vereinfachen, in dem für eine VPC
niert. Der GCRA bestimmt letztendlich für jede Bandbreite reserviert wird, die dann auf einzelne
einzelne Zelle die Zellrate und prüft, ob diese Virtual Channel Connections (VCCs) verteilt wer-
noch innerhalb der Toleranz liegt. Eine genaue den kann, wie dies in Abb. 2 angedeutet ist. Hier
Beschreibung des Algorithmus ist in [4] S. 372f sind die VCCs die gestrichelten Linien innerhalb
nachzulesen. der VPCs.
Für die konformen Zellen gilt es nun, für das Dies hat den Vorteil, dass beim Prüfen durch
Netzwerk die garantierten Parameter bestmöglich den CAC nur noch an den Netzwerkknoten, an
-4-den die jeweils verwendeten VPCs enden, geprüft diese Zellen weniger wichtig sind und zuerst
werden muss, ob die Dienstgüte sichergestellt verworfen werden sollen. Die Zellen werden
werden kann und nicht wie sonst an jedem ein- entweder direkt von der Anwendung als weniger
zelnen Knoten. In der Abbildung endet z.B. der wichtig markiert oder aber durch den UPC-
VPC b am VC-Switch und die enthaltenen VCCs Mechanismus, wenn sie nicht den vereinbarten
werden über den VPC c weiter geführt. An den Bedingungen entsprechen. Zellen mit CLP = 0,
VP-Switches muss hier nun nicht geprüft werden, werden bevorzugt behandelt und als wichtiger
sondern nur an der einen Stelle, an der der Pfad angesehen. Dies sind meist Steuerinformationen,
endet. Diese Bandbreitenreservierung hat natür- oder aber auch Zellen, die sich für die Dienstgüte-
lich den Nachteil, dass die Bandbreite eventuell sicherung qualifiziert haben.
nicht komplett ausgeschöpft wird. Ein weiterer
Vorteil ist die Möglichkeit Gruppen von Verbin- 5.3. Traffic Shaping
dungen zu priorisieren, wenn diese nach
Dienstkategorien geordnet sind. Wenn es noch zu keiner Überlastung gekommen
Mit Hilfe von VPCs ist es außerdem möglich ist, aber die Verkehrscharakteristik nicht optimal
die Effizienz von Traffic-Management- zu den gegebenen Resourcen passt, wie dies be-
Nachrichten zu steigern, da z.B. nur noch eine sonders bei sehr Burst-lastigen Verkehrsströmen
Überlastmitteilung für den gesamten Pfad über- auftritt, wird Traffic Shaping eingesetzt, um Ver-
tragen werden muss, und nicht eine für jede VCC. kehrsströme zu glätten und Zellklumpungen zu
Die virtuellen Pfade stellen sich dem Netzwerk reduzieren. Dies kann außerdem zu einer Redu-
somit insgesamt wie normale Verbindungen dar. zierung der durchschnittlichen CTD und zu einer
So sind für sie unteranderem die Dienstkategorie faireren Verteilung der Resourcen führen.
und die gewünschte Dienstgüte zu spezifizieren. Laut Spezifikation ([1]) ist die Verwendung
Diese Angaben sollten dann auch abhängig von von Traffic Shaping der ATM Implementierung
den VCCs die durch diesen VPC geführt werden überlassen. Nach [4] eignet sich für eine solche
sollen bestimmt werden, um die Dienstgüte für Implementierung z.B. ein Token Bucket-
die VCCs zu sichern. Algorithmus.
5.4. Explicit Forward Congestion
Indication (EFCI)
Mit EFCI ist es möglich, in Situationen, in denen
Überlast bei einem Netzwerkknoten auftritt den
Empfänger der Zellen darüber zu informieren,
dass es auf dem Pfad den die Daten genommen
haben zu Überlastungen gekommen ist. Dazu
werden gemäß [4] im Zellkopf die ersten beiden
Bits des Payload-Feldes auf den Wert 01 gesetzt.
Abb. 2 Virtuelle Pfade und Virtuelle Kanäle [4]
Sollte ein Zwischenknoten die so markierte Zelle
erhalten, darf er diesen Wert nicht mehr ändern.
5.2. Selektiver Zellverwurf
Da laut Spezifikation [1] dieses Verfahren für
Eine der ersten Folgen von Überlast in einem CBR, VBR, GFR und UBR optional ist, sollte sich
Netzwerk ist, dass Daten durch überlaufende Puf- darauf nicht verlassen werden. Die Funktionswei-
fer verloren gehen. Bei ATM ist aus diesem se von EFCI in Verbindung mit ABR wird im
Grund ein selektiver Zellverwurf (Selective Cell nächsten Abschnitt genauer erläutert.
Discard) implementiert. Damit ist es möglich dem
Netzwerk eine Information darüber zu geben, wie 5.5. ABR Zellratensteuerung mit
wichtig eine Zelle ist, bzw. mit dieser Information Resource Management Zellen
die Entscheidung zu beeinflussen, welche Zellen
bei Überlast zuerst verworfen werden dürfen. Bei den Dienstkategorien CBR und VBR sind der
Zur Differenzierung zwischen Zellen wird Verkehrsvertrag und der UPC-Mechanismus die
über das Cell Lose Priority-Bit (CLP) im Zellkopf Grundlage zur Einhaltung der vereinbarten
ihre Wichtigkeit für die Anwendung angegeben. Dienstgüteparameter. Bei diesem Verfahren wird
Eine Kennzeichnung mit CLP = 1, sagt aus, dass ausschließlich über eine Definition der Verkehrs-
-5-charakteristika und das Markieren von nicht- dort als BRM Zellen markiert zurückgeschickt zu
konformen Zellen gearbeitet, jedoch keine Rück- werden. Dieser Vorgang ist in Abb.3 dargestellt.
meldungen über die Auslastung des Netzwerks Das eigentliche Verfahren funktioniert nun so,
verwendet. Diese Herangehensweise wird also dass der Sender eine Allowed Cell Rate (ACR) hat
open-loop bezeichnet. und diese dynamisch anpasst. Die Anpassungen
Dieser Ansatz ist jedoch nicht nutzbar, wenn werden anhand der empfangenen RM-Zellen
der Verkehr wie dies bei UBR und ABR der Fall vorgenommen. In diesen RM-Zellen sind ver-
ist, maximal über eine PCR spezifiziert werden schiedene Informationen gekapselt. Mit dem
kann. Im Falle von UBR wird hier der best-effort Congestion Indication Bit (CI) wird erkannte
Ansatz verwendet und anhand der Zellverluste Überlast signalisiert, woraufhin der Sender dann
die Situation im Netzwerk abgeleitet. Dieses Vor- seine Datenrate senken soll. Mit dem No Increase
gehen ist vergleichbar mit den Bit (NI) wird der Sender aufgefordert die Daten-
Überlastmechanismen von TCP. rate nicht weiter zu erhöhen und über das Explicit
Mit einem closed-loop, also einem auf Feedback Cell Rate Feld (ER), kann das Netzwerk sogar eine
basierenden Ansatz, geht ABR an dieser Stelle ein Angabe machen, wie hoch die Übertragungsrate
Stück weiter und verwendet vom Netzwerk di- des Senders sein darf, wobei der Sender in diesem
rekt gegebenen Informationen, um die Fall die vereinbarte Minimum Cell Rate (MCR)
Übertragungsrate eines Dienstes dynamisch an- nicht unterschreiten muss. Die Details sind [4] S.
zupassen. Damit ist es möglich, fairere 381 sowie in [1] 5.10 zu finden.
Resourcenverteilung und geringe Zellverlustraten Die RM-Zellen, die für diesen Mechanismus
sicherzustellen. verwendet werden, sind selbst normale ATM Zel-
Damit ABR das Ziel erreicht, die verfügbare len, die als Nutzlast Daten über die aktuelle
Bandbreite optimal auszunutzen, ohne dabei an- Verbindung enthalten, so werden z.B. die ER,
dere Dienstkategorien zu beeinträchtigen, nutzt Current Cell Rate, Minimum Cell Rate sowie wei-
es also direkte Rückmeldungen vom Netzwerk. ter Informationsbits, wie z.B. die bereits
Bei den hohen Übertragungsraten, die mit ATM erwähnten übermittelt.
möglich sind, führt dieses Vorgehen zu dem Gesendet werden die RM-Zellen größtenteils
Problem, dass die Rückmeldungen des Netz- vom Datensender selbst und zwar alle Nrm - 1
werks unter umständen so lang dauern, dass die Zellen, wobei normalerweise Nrm = 32 gilt. Der
versendeten Zellen das Netzwerk überlasten, be- Sender setzt dabei das CI-Bit auf 0. Außerdem
vor eine Rückmeldung am Sender ankommt. Dies werden diese Zellen meist mit dem Bit für keine
bedeutet, dass die Netzwerkknoten entsprechend Überlast und mit der ER auf die gewünschten
große Puffer benötigen, um die Zellverlustraten Zellrate gesetzt verschickt. Auf dem Weg zum
niedrig zu halten. Für die Anwendungen bedeu- Empfänger können diese Angaben nun durch
tet dies, dass sie tolerant gegenüber unerwarteten Zwischenknoten angepasst werden. Wenn an ei-
Zellverzögerungen sowie Anpassungen ihrer nem Zwischenknoten Überlast eintritt, kann
Übertragungsrate sein müssen. dieser dies an der FRM-Zelle durch Setzen von CI
oder NI kennzeichnen und z.B. die ER anpassen.
Anschließend sendet er die FRM weiter Richtung
Empfänger. Da es mitunter zu lange dauern
könnte, bis die Information den Sender erreicht,
ist außerdem die Möglichkeit vorgesehen, dass
Zwischenknoten von sich aus BRM-Zellen erstel-
len und direkt zum Sender schicken. Die vom
Abb. 3 ATM Resource Management Zellen [4] Zwischenknoten erstellten BRM-Zellen enthalten
ATM bedient sich zur Realisierung dieses Me- dieselben Informationen, müssen aber nicht erst
chanismus sogenannter Resource Management den kompletten Weg zum Empfänger zurückle-
(RM) Zellen. Dabei wird hier zwischen Forward gen, um dann zum Sender zu gelangen, damit
Resource Management Zellen (FRM) und Backward dieser darauf reagieren kann. Es wird an dieser
Resource Management Zellen (BRM) unterschieden. Stelle also vor allem Zeit gespart. Dieser Mecha-
FRM Zellen werden direkt vom Sender ver- nismus wird nach [6] unter dem Namen Backward
schickt und legen den Weg über die Explicit Congestion Notification geführt.
Zwischenknoten zum Empfänger zurück, um Wenn eine FRM-Zelle den Empfänger erreicht,
-6-schickt er diese im Normalfall unverändert aber eine oder mehr Zellen des Frames als nicht kon-
als BRM-Zelle gekennzeichnet zurück. Sollte er form eingestuft werden, der komplette Frame als
jedoch davor Datenzellen die mit dem ECFI-Bit nicht konform eingestuft wird. Zur Überprüfung
gekennzeichnet waren erhalten haben, setz er zu- wird mit dem F-GCRA, also Frame Generic Cell
sätzlich noch das CI-Bit an der RM-Zelle. Auf Rate Algorithm ein optimierter GCRA eingesetzt,
dem Rückweg ist es den Zwischenknoten eben- mit dessen Hilfe die Einhaltung der im Verkehrs-
falls möglich die BRM-Zellen noch zu ändern, um vertrag vereinbarten Parameter geprüft werden
auf Überlast hinzuweisen und somit relativ kann. Außerdem wird mit dem F-GCRA geprüft,
schnell den Sender zu einer Anpassung seiner ob die Maximum Frame Size nicht überschritten
Übertragungsrate zu bringen. wird.
Zur differenzierten Behandlung werden die
5.6. GFR Traffic-Management Frames letztendlich in drei Stufen eingeteilt, für
die jeweils andere bzw. keine Garantien zur
Für die Guaranteed Frame Rate-Dienste gibt es Dienstgüte gegeben werden. Als nicht konform
ebenfalls einige zusätzliche Mechanismen zum werden die Zellen bezeichnet, die gegen eine Ver-
Traffic-Management. Insgesamt ist GFR jedoch einbarung des Verkehrsvertrags verstoßen. Sie
genau so simpel wie UBR und bietet je nach werden entweder gleich verworfen oder aber mit
Netzkonfiguration keine Traffic Policing bzw. CLP = 1 als weniger wichtig markiert.
Traffic Shaping Mechanismen an. Auch eine Ga- Die zweite Stufe sind die zwar konformen,
rantie für die Übertragung von Frames gibt es aber nicht für die Dienstgüteparameter qualifi-
nicht. Es kann also je nach Netzauslastung zu zierten Zellen. Dies sind die Zellen, die noch nicht
Frameverlust kommen, besonders wenn die Zell- gegen die vereinbarten Parameter verstoßen, aber
rate über der vereinbarten minimalen Zellrate schon über der MCR liegen. Für sie wird die
liegt. Diese ist jedoch analog zu ABR durch das Übertragung im best-effort Sinn realisiert. Für die
Netzwerk garantiert. dritte Stufe, den konformen und qualifizierten
Der Vorteil bei GFR gegenüber den anderen Zellen, wird die vereinbarte Dienstgüte komplett
Dienstkategorien liegt in der Beachtung von sichergestellt.
Framegrenzen. Als Frame wird hierbei nach [1] Der zur Einteilung verwendete F-GCRA inter-
eine AAL Protocol Data Unit bezeichnet. Die Gren- pretiert einen Frame als einen Burst von Zellen.
zen eines Frames lassen sich über das Payload Dementsprechend muss die Toleranz gegenüber
Type Feld im Zellkopf ermittelt. Durch diese zu- Zellbursts an die vereinbarten Parameter ange-
sätzliche Information über den Aufbau des passt werden. Für alle Frames, welche die MFS
Verkehrsstroms kann besser auf z.B. Überlastsitu- einhalten und innerhalb der Minimum Cell Rate
ationen reagiert werden. So ist es nun möglich, übertragen werden, muss also sichergestellt sein,
wenn eine Zelle verworfen werden muss, den dass sie innerhalb der Burst Toleranz liegen. Die
kompletten Frame zu verwerfen. Die restlichen Details zum F-GCRA können unter anderem aus
Zellen des Frames müssen also nicht bis zum [4] S. 394f entnommen werden.
Empfänger übertragen werden. Da ATM keinen Das Ergebnis der Prüfung mit dem F-GCRA
Mechanismus für selektive Neuübertragung be- wird jeweils nur von der ersten Zelle des Frames
reitstellt, müssen in jedem Fall alle Zellen des bezogen. Wenn diese als qualifiziert gilt, wird der
Frames neu übertragen werden, wenn dies durch komplette Frame als zur Sicherstellung der
eine höhere Schicht angefordert wird. Durch das Dienstgüte qualifiziert betrachtet. Das Netzwerk
Verwerfen des kompletten Frames steigert sich kann nun abgestuft je nach Überlast zuerst die
somit die Effizienz der Übertragung. nicht konformen Zellen und falls dies nicht aus-
Die allgemeinen Mechanismen wie die UPC reicht um eine faire und den Vereinbarungen mit
werden natürlich ebenso unterstützt. Sie werden allen anderen Verbindungen entsprechende
allerdings auf die Beachtung von Frames hin op- Resourcenverteilung sicherzustellen, auch die
timiert. So wird die Cell Lose Priority bei jeder nicht qualifizierten Frames bzw. die Zellen dieser
Zelle eines Frames auf den gleichen Wert gesetzt Frames verwerfen.
und nicht für jede Zelle unterschiedlich. Der ver-
wendete UPC-Algorithmus ermittelt für jede
Zelle des Frames die Conformance und markiert
sie darauf hin. Dabei gilt die Regel, dass wenn
-7-5.7. Umsetzung des Traffic-
Managements im Router
In diesem Abschnitt wird der konzeptionelle
Aufbau einer Traffic-Management-Einheit in ei-
nem ATM-Router skizziert, um den
Zusammenhang zwischen den einzelnen Mecha-
nismen zu veranschaulichen. Abb. 4 reduziert den
dargestellten Sachverhalt allein auf die relevanten
Elemente. Auf die Darstellung von anderen we-
sentlichen Komponenten eines ATM-Routers
wurde auf Grund der Übersichtlichkeit verzichtet.
In dieser Form wird sich daher diese Traffic-
Management-Einheit sicher auch nicht implemen-
tieren lassen, da wichtige Aspekte, wie z.B.
Switching und Routing noch integriert werden Abb. 4 Konzeptioneller Aufbau einer Traffic-
Management-Einheit in einem ATM-Router
müssten, um eine sinnvolle und effizient arbei-
tende Einheit zu bilden.
Die dargestellte Einheit arbeitet nun mit den 6. ATMs Traffic-Management im
auf der linken Seite eingehenden ATM-Zellen Vergleich zu TCP/IP
und der Cell and Path Identifer untersucht die Zel-
Der Vergleich zwischen ATM und TCP/IP ist si-
len als erstes auf ihre Bedeutung für den Router.
cher nicht in allen Fällen angebracht, da ATM
Falls es sich um eine Zelle zum Verbindungsauf-
weniger auf der für TCP/IP typischen Protokoll-
bau handelt, wird der CAC bemüht um die
ebene eingesetzt wird und eher als Protokoll für
Parameter für einen Datenstrom aufzunehmen
die Sicherungsschicht Verwendung findet.
und zu überprüfen, ob das Netz sie unter den ak-
Trotzdem sollen an dieser Stelle kurz die beiden
tuellen Bedingungen einhalten kann.
Ansätze verglichen werden, um die Unterschiede
Handelt es sich nicht um einen Verbindungs-
zu verdeutlichen.
aufbau, wird im Fall von GFR noch geprüft, ob
ATM hat mit seinen Dienstkategorien und
die Zelle zum aktuellen Frame gehört. Außerdem
dem Traffic Contract sehr ausgefeilte Mechanis-
werden an dieser Stelle die Informationen zur
men zur Kategorisierung und Beschreibung von
Zugehörigkeit zu einer bestimmten VPC/VCC
Datenströmen. Dies ist beim IP nicht in dem Maße
aufgenommen um diese in die weitere Verarbei-
der Fall. Hier stehen sowohl in IPv4 als auch in
tung einbeziehen zu können. Anschließend prüft
IPv6 nur rudimentäre Möglichkeiten zur Verfü-
die UPC unter Verwendung des (F-)GCRA die
gung. Bei IPv4 gibt es im Header die Möglichkeit
Einhaltung des Traffic Contracts, markiert die
über 3 Bits kodiert im Type of Service-Feld angaben
Zelle bei Bedarf und übergibt sie dem Buffer Ma-
zur Art des Datenstroms zu machen, zu dem das
nagement. Falls ABR eingesetzt wird, können
aktuelle Paket gehört. Eine genaue Angabe der
gegebenenfalls BRM-Zellen über den RM-Agent
Charakteristika des Datenstroms ist jedoch nicht
generiert und an Sender zurückgeschickt werden,
möglich. Mit IPv6 ändert sich dies nicht grundle-
oder FRM-Zellen mit entsprechenden Informatio-
gend. Hier ist eine mit 8Bit etwas erhöhte
nen versehen werden um diese in Richtung
Differenzierung möglich und über das Flow Label
Empfänger weiterzuleiten.
die Kennzeichnung von Datenströmen aus Pake-
Im Buffer-Management werden zu den Grund-
ten vorgesehen, es werden jedoch keine weiteren
funktionen die Funktionalitäten zum selektiven
Beschreibungsmechanismen eingeführt. Dadurch
Zellverwurf und Traffic-Shapping implementiert,
ist das Wissen über einen Datenstrom deutlich
um auf Überlast reagieren zu können.
geringer, als dies bei ATM der Fall ist und es kön-
Anschließend werden die Zellen, die weiter
nen weniger Traffic-Management-Verfahren zur
geroutet werden sollen an den Queuing und
Optimierung angewendet werden.
Scheduling Mechanismus des Routers übergeben
um versandt zu werden. Auf TCP-Ebene kommt der Mechanismus der
Flow-Control hinzu. Damit kann der Empfänger
eines Datenstroms dem Sender indirekt signali-
-8-sieren, dass er die Übertragungsrate anpassen z.B. IP keinen Nutzen aus den Fähigkeiten ziehen
soll. In TCP ist dazu für den Empfänger vorgese- können und zusätzlich ihre eigenen Mechanismen
hen, dass er dem Sender über das Setzen der anbringen. Dies ist auch einer der Hauptgründe,
Fenstergröße auf Null, das weitere Senden verbie- weshalb ATM zunehmend von anderen Techno-
ten kann, solange bis er alle einkommenden logien verdrängt wird und auch im Backbone-
Daten verarbeiten konnte, um die Fenstergröße Bereich unter Druck gerät.
dann wieder zurückzusetzen und dem Sender das
weitere Senden zu gestatten. 7. Zusammenfassung
ATM ermöglicht über das Angeben einer
Explicit Cell Rate in RM-Zellen hier eine direkte ATM bietet mit den hier vorgestellten Verfahren
Steuerung der Übertragungsrate. Des Weiteren ist umfangreiche Möglichkeiten zum Traffic-
für die unterschiedlichen Dienstkategorien klar Managment und zur Dienstgütesicherung. Mit
definiert, was mit Zellen passiert, die nicht den der Herangehensweise Dienste in Kategorien ein-
vereinbarten Parametern entsprechen. Dies ist zuordnen und daran bestimmte
also ein weiterer klarer Vorteil der ATM- Verkehrscharakteristiken zu knüpfen, hat der
Mechanismen. Nutzer die Möglichkeit die für seine Bedürfnisse
Im Fall von Überlast im Netz bieten sowohl passenden Dienstgüteparameter relativ einfach zu
TCP als auch ATM ähnliche Lösungen. Bei TCP bestimmen.
gibt es mit der Explicit Congestion Notification ei- Über den Verkehrsvertrag ist es darüber hin-
nen zur ATM EFCI vergleichbaren Mechanismus. aus möglich Parameter vorzugeben, die vom Netz
Zusätzlich reagieren die meisten TCP- aber auch vom Dienst eingehalten werden sollen.
Implementierungen jedoch auch auf indirekte Die Daten aus dem Vertrag werden auch zur Ent-
Anzeichen für Überlast. So werden Paketverluste scheidung genutzt, ob das Netz die angeforderte
als Indikator verwendet um die Übertragungsge- Verbindung noch bewältigen kann. Mit der Usage
schwindigkeit anzupassen. Dies ist in der Form Parameter Control zusammen stehen ATM somit
bei ATM nicht der Fall. Jedoch gibt es im ABR- geeignete präventive Sicherungsmaßnahmen zur
Modus mit der Verwendung von BRM-Zellen Überlastvermeidung zur Verfügung.
eine etwas effizientere Lösung der Zustellung von Außerdem werden auch die gängigen Verfah-
expliziten Überlastinformationen, da die Zwi- ren wie selektiver Zellverwurf, Traffic Shaping
schenknoten direkt den Sender adressieren. und Explicit Forward Congestion Indication un-
Im Bereich des Traffic Policing gibt es bei ATM terstützt und zusätzlich ATM typische Vorteile
mit der UPC strikte Vorgaben, wie es realisiert wie die Verwendung virtueller Pfade zur effizien-
werden soll, wohingegen bei TCP dazu keine ten Resourcenverwaltung genutzt.
Vorgaben gemacht werden. Für Traffic Shaping Für die ABR Dienstkategorie steht ein closed-
hängen die verfügbaren Mechanismen in beiden loop Feedbackmechanismus bereit, der über peri-
Fällen jedoch stark von der Implementierung im odisch ins System eingebrachte Resource
Router ab und sind in den Standards nur grob Management Zellen dem Sender die Möglichkeit
vorgegeben. Im Grunde sind hier die Möglichkei- gibt anhand von Überlastmeldungen oder der
ten jedoch gleichwertig, sowohl die von TCP als expliziten Vorgabe einer Übertragungsrate sein
auch die von ATM. Sendeverhalten an die verfügbare Bandbreite an-
Aus Sicht der verfügbaren Traffic- zupassen.
Management und Dienstgütesicherungsmecha- Mit der zuletzt betrachteten
nismen, hat ATM klar das größere Potenzial. Bei Guaranteed Frame Rate Dienstkategorie wurde in
TCP/IP sind diese Möglichkeiten deutlich einge- ATM zudem die Möglichkeit eingeführt, auch auf
schränkter und nicht so ausgefeilt. In Hinsicht auf die Bedürfnisse von Frame-basierten Protokollen
die Komplexität hat dies natürlich erhebliche auf höheren Schichten im Stack-Model einzuge-
Auswirkungen. So verursachen die von ATM un- hen und hier die Mechanismen geschickt zu
terstützten Mechanismen natürlich eine deutlich optimieren um eine effizientere Übertragung in
höhere Komplexität der Routersysteme und da- Überlastsituationen zu erreichen.
mit auch höhere Anforderungen in Betrieb und Insgesamt sind die Fähigkeiten von ATM un-
Konfiguration. Dies ist besonders in den Fällen ter dem hier betrachteten Aspekt des Traffic-
nachteilig, wo ATM als reine Sicherungsschicht Managements und der Dienstgütesicherung deut-
verwendet wird und überliegende Protokolle, wie lich umfangreicher, als diese z.B. bei TCP/IP sind.
-9-Aus diesem Grund hat ATM in verschiedenen Abkürzungsverzeichnis
Nischenbereichen weiterhin seine Daseinsberech-
tigung, auch wenn der Trend immer mehr zu ABR Available Bit Rate
einer Vereinheitlichung der Netze in Richtung IP ACR Allowed Cell Rate
geht, welches auf Grund der Unterschiede auf ATM Asynchronous Transfer Mode
technischer Ebene seine eigenen Vorteile hat. BRM Backward Resource Management
CAC Connection Admission Control
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- 10 -Sie können auch lesen
