Расчёт структурно-сетевых параметров мультисервисных систем телекоммуникаций

 

 

Рисунок 1.4 – Формат ячейки АТМ инерфейса NNI

 

Интерфейс обмена данными (DXI) АТМ позволяет осуществлять доступ к сети АТМ существующего оборудования (например, маршрутизаторов) без его модернизации. Физическими интерфейсами DXI обычно являются интерфейсы типа V.35 или высокоскоростного последовательного интерфейса HSSI. Формат данных соответствует протоколу HDLC. Мультиплексор доступа преобразует кадры HDLC в ячейки, при необходимости преобразует трафик для выполнения соглашения по трафику. Сопряжение с сетью АТМ производится по интерфейсу UNI. Схема подключения абонентского оборудования к сети ATM представлена на рисунке 1.5.

 

 

Рисунок 1.5 - Схема подключения абонентского оборудования к сети ATM

 

Основанный на кадрах интерфейс UNI (Frame-Based UNI - FUNI) очень похож на интерфейс DXI. Основное отличие состоит в том, что функция SAR выполняется сетью. Основной целью данного интерфейса является предоставление доступа к АТМ на скорости n´ 64 кбит/с. На этих скоростях стоимость доступа очень низка. При использовании доступа на основе ячеек эффективность ниже из-за заголовка ячейки, что делает доступ медленнее (и дороже) по сравнению с протоколами на основе кадров, таких как Frame Relay. Использование кадров HDSL в FUNI дает эффективность Frame Relay наряду с мощью сигнализации АТМ, которая в свою очередь включает поддержку SNMP и MIB. Схема подключения абонентского оборудования через интерфейс FUNI представлена на рисунке 1.6.

Интерфейс взаимодействия широкополосных сетей (B-ICI) в его  начальной версии являлся технологией мультиплексирования. Он определяет, каким образом две сети могут использовать технологию АТМ для мультиплексирования многочисленных служб для передачи по одной линии и, следовательно, осуществлять обмен информацией и согласование в порядке обслуживания. Основой B-ICI являются высокоскоростные цифровые потоки.

Стандартизированными  услугами B-ICI являются:

1) служба ретрансляции ячеек;

2) служба эмуляции соединения;

3) frame relay;

4) SMDS.

 

 

 

Рисунок 1.6 - Схема подключения абонентского оборудования через интерфейс FUNI

 

Пользователи сетей  “не видят” это интерфейса, но он является важным, поскольку позволяет  переносить межсетевой трафик.

Одной из ключевых идей АТМ  является гарантия качества обслуживания QoS (Quality of Service). Основные категории обслуживания:

1) категория постоянной скорости передачи (Constant Bit Rate - CBR) представляет собой эмуляцию соединения. В этом случае сеть АТМ должна переносить непрерывный поток бит (например, 64 кбит/с). В этом случае подразумевается малая задержка и малое изменение задержки;

2) категория переменной скорости передачи реального времени (Real-Time Variable Bit Rate - rt-VBR) определяет довольно жесткие требования к задержке, но относительно низкие требования к потере ячеек. Данная категория применима к типам трафика, чувствительным к задержке, но допускающим переменную скорость передачи;

3) категория переменной скорости передачи нереального времени (Non-Real-Time Variable Bit Rate - nrt-VBR) является дополнением категории rt-VBR. В этом случае значение задержки не является определяющим, но потери ячеек должны быть крайне малы. Примером такого типа трафика является электронная почта;

4) категория неспецифицированной скорости передачи (Unspecified Bit Rate - UBR) не предоставляет никаких гарантий в отношении потери ячеек или задержки, предоставляя лучшие значения из доступных;

5) категория доступной скорости передачи (Available Bit Rate - ABR) использует управление потоком. Основной целью этой категории обслуживания является малая вероятность потери ячеек в сети.

Для того, чтобы пакеты содержали адрес узла назначения, и в то же время процент служебной  информации не был большим по сравнению  с размером поля данных пакета, в  технологии ATM применен стандартный  для глобальных вычислительных сетей  прием - передача ячеек по виртуальным каналам. Техника коммутации данных в соответствии с номерами их виртуальных каналов давно использовалась в сетях Х.25, а затем нашла применение и в новых технологиях территориальных сетей – frame relay и АТМ.

Принцип коммутации пакетов на основе виртуальных каналов поясняется на рисунке 1.7. Конечные узлы не могут просто начать обмениваться данными, как это принято в большинстве протоколов канального уровня локальных сетей. Они должны перед обменом установить между собой логическое соединение. При установлении соединения между конечными узлами используется специальный тип пакета (запрос на установление соединения), который содержит многоразрядный адрес узла-адресата, а также номер виртуального соединения, присвоенного данному соединению в узле-отправителе, например, 37. Ячейки АТМ имеют поле номера виртуального соединения размером 3 байта, что позволяет коммутаторам и конечным узлам поддерживать одновременно очень большое количество виртуальных соединений.

 

 

	Порт	VPI/VCI	Порт	VPI/VCI
Видео	1	0/37	3	0/76
Данные	1	0/42	5	0/52
Видео	2	0/37	6	0/22
Речь	2	0/78	4	0/88

 

Рисунок 1.7 - Коммутация в сетях с виртуальными соединениями

 

Коммутация пакетов  происходит на основе идентификатора виртуального канала VCI (Virtual Channel Identifier), который назначается соединению при его установлении и уничтожается при разрыве соединения. Виртуальные соединения устанавливаются на основании длинных 20-байтовых адресов конечных станций. Такая длина адреса выбрана с расчетом на очень большие сети, вплоть до всемирных. Адрес имеет иерархическую структуру, подобную номеру в телефонной сети, и использует префиксы, соответствующие кодам стран, городов и т.п. Виртуальные соединения могут быть постоянными PVC (Permanent Virtual Circuit) и коммутируемыми SVC (Switched Virtual Circuit). Постоянные виртуальные соединения связывают двух фиксированных абонентов и устанавливаются администратором сети. Коммутируемые виртуальные соединения устанавливаются при инициации связи между любыми конечными абонентами.

Причины  выбора длины ячейки 53 байта:

1) задержка, возникающая при разбиении данных на пакеты. Рассмотрим обычный цифровой речевой сигнал (ИКМ) со скоростью передачи 64 кбит/с. Речевой сигнал кодируется 8000 отсчетами в секунду. Каждый отсчет представляется в виде слова длиной 8 бит, которое отражает амплитуду аналогового сигнала в данный момент времени. Следовательно, передача 8000 отсчетов по 8 бит в секунду требуют результирующей скорости 64 кбит/с. Рассмотрим задачу заполнения ячейки. Если ячейка имеет 48 байт нагрузки, то первый отсчет речевого сигнала будет находиться в частично заполненной ячейке в течение 40 периодов дискретизации и после этого будет направлен в сеть. То есть первый отсчет будет задержан на время около 5 мс, прежде чем ячейка будет направлена в сеть. Этот эффект называется “задержка, возникающая при разбиении данных на пакеты” или “задержка пакетизации” (“packetization delay”) и очень важен при работе с трафиком, требующим реального масштаба времени при передаче (изохронный трафик). Примером влияния задержки на качество передачи речи может служить ведение переговоров по спутниковому каналу (задержка около 250 мс в одну сторону). Наряду с неудобством ведения переговоров из-за снижения чувства контакта между абонентами возможно возникновение мешающих эхосигналов. Данные проблемы могут возникать и при небольшой задержке порядка 10..100 мс. Размер ячейки должен быть малым для обеспечения малого времени задержки. Однако, необходим некоторый заголовок ячейки для обеспечения ее доставки по назначению. На рисунке 1.8 показана зависимость процентной величины заголовка в пакете при использовании заголовка длиной 5 байт от размера (числа байт) нагрузки.

2) нельзя сильно уменьшать длину ячейки, чтобы не терять эффективность.

Следовательно, при выборе длины ячейки необходимо найти компромисс между приемлемой величиной задержки и достаточно высокой эффективностью. При использовании заголовка длиной 5 байт и 48 байт нагрузки размер заголовка составляет около 10%.

Кроме абсолютной величины задержки очень важным параметром является изменение величины задержки, называемый также “вариация задержки” или  “джиттер задержки” (delay variation). В качестве примера рассмотрим тестовый источник сообщений длиной 100 байт, которые необходимо передавать с помощью цифрового потока DS-3. Будем рассматривать не всю сеть, а только одно соединение. Предположим также, что данное соединение используют совместно с данным еще 100 источников сообщений.

 

 

Рисунок 1.8 - Зависимость процентной величины заголовка в пакете при использовании заголовка длиной 5 байт и задержки пакетизации от размера нагрузки.

 

Наилучшим случаем является тот, когда в момент появления сообщения от тестового источника отсутствуют сообщения от прочих источников. Сообщение направляется в линию практически без задержки.

Наихудшим является случай одновременной активности всех источников. При этом необходимо ждать, пока все прочие источники отправят свои ячейки: посылается одна ячейка; ожидается, пока свои ячейки отправят остальные 100 источников; посылается следующая ячейка и т.д.

Рассмотрим этот наихудший  случай. Если длина нагрузки в ячейке мала, то необходимо передавать много  ячеек и эффективность передачи мала. Если длина нагрузки в ячейке велика, то приходится долго ждать, пока прочие источники завершат передачу своих ячеек.

По мере увеличения длины  ячейки время ожидания доступа к  линии растет почти линейно. На рисунке 1.9 показана зависимость задержки на ожидание от длины нагрузки ячейки для малых длин ячеек.

 

 

Рисунок 1.9 - Зависимость задержки на ожидание от длины нагрузки ячейки для малых длин ячеек.

 

В Европе определяющим параметром являлась задержка, возникающая при  разбиении данных на ячейки. Европейские телефонные сети, в основном, не очень большие и на них практически не используется технология эхокомпенсации. Для европейских операторов нежелательно оборудовать сети эхокомпенсаторами, поэтому они предложили использовать небольшую длину нагрузки ячейки.

На сети Северной Америки  технология эхокомпенсации применяется  уже давно, поскольку ряд каналов  данной сети имеет значительную протяженность. Операторы североамериканской сети предпочитали сделать длину нагрузки в ячейке достаточно большой, чтобы не терять эффективность при достаточно большой доли заголовка в ячейке.

Таким образом сформировались две противоречивые точки зрения. Операторы Северной Америки предложили использовать 64 октета нагрузки и 5 октетов  заголовка. Европейские - 32 октета нагрузки и 4 октетов заголовка.

МСЭ-Т, являясь международной  организацией, выбрал компромиссное  решение: применять в ячейках  АТМ 48 октетов нагрузки и 5 октетов  заголовка.

Ролью уровней адаптации  АТМ (ATM Adaptation Layer - AAL) является обработка содержимого ячеек. Механизм обработки содержимого ячеек предполагает некоторый систематизированный подход к классификации различных типов услуг, которые могут поддерживаться сетью АТМ.

В таблице 1.3 приведены результаты работы МСЭ-Т по определению классов услуг. Таблица читается по столбцам. Класс А имеет следующие характеристики:

1) согласование синхронизации требуется. (Это означает, что требуется некоторое соглашение по тактовой частоте между конечными системами. Например, при передачи речи отсутствие взаимной синхронизации передающего и приемного оборудования может привести к значительному снижению качества. Обеспечение согласования синхронизации является функцией уровня адаптации. Напомним, что АТМ имеет асинхронную природу, поэтому решение единой синхронизации сети не подходит);

2) постоянная скорость потока;

3) требуется установление соединения.

Таким образом, класс  А эмулирует соединение через  сеть АТМ. Это очень важно для  приложений мультимедиа, поскольку  в настоящее время все методы и технологии передачи речи и видео ориентированы на использование соединений. Отсюда вытекает требование поддержки сетью АТМ услуги эмуляции соединений (circuit emulation service - CES).

Класс B имеет аналогичные  характеристики за исключением переменной скорости потока. В ряде случаев переменная скорость потока может хорошо отражать неравномерный тип трафика (например, случай компрессированного видеосигнала).

Классы C и D имеют переменную скорость потока, но не имеют согласования по синхронизации. Они ориентированы  на передачу данных и различие в них заключается в требовании установления соединения.

 

Таблица 1.3 - Классы услуг в сети ATM

Класс	A	B	C		D
Согласование синхронизации (End-to-end timing)	Требуется		Не требуется
Скорость потока (Bit rate)	Постоянная	Переменная
Вид соединения (Connection mode)	С установлением соединения			Без установления соединения

 

Примером разделения услуг на классы может быть:

1) класс А - передача речи со скоростью 64 кбит/с;