保證ATM網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量 (QoS)

John M. Giles 2002/08/21

　　異步傳輸模式(ATM)網(wǎng)絡(luò)較之其他分組交換網(wǎng)絡(luò)如幀中繼和X.25的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它的高可預(yù)見性。在ATM網(wǎng)上傳送的信元具有固定大小，不同于可變長度的幀。這使得ATM網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)能將用戶信元與其他網(wǎng)絡(luò)的用戶業(yè)務(wù)結(jié)合處理，并仍能夠符合端到端網(wǎng)絡(luò)時(shí)延偏差的嚴(yán)格容限。

　　ATM網(wǎng)絡(luò)所具有的確定業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)別和預(yù)計(jì)信元凈荷到達(dá)時(shí)間的能力使得網(wǎng)絡(luò)能夠向用戶提供數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和語音視頻業(yè)務(wù)。

　　過去，各個(gè)公司向電話公司租用中繼線以滿足其語音和視頻業(yè)務(wù)的需要，用戶可以100％地使用租用線路的容量。這種方案代價(jià)高而且不具備任意兩點(diǎn)間的連網(wǎng)能力。

　　ATM網(wǎng)絡(luò)提供了基于網(wǎng)絡(luò)實(shí)際利用的低成本解決方案并能夠通過虛擬連接在一個(gè)單獨(dú)的下接網(wǎng)絡(luò)上提供點(diǎn)到點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)連接。只要服務(wù)提供者能夠保證提供與租用線路相同的業(yè)務(wù)質(zhì)量，用戶就能夠以較低的成本將語音和電視會(huì)議業(yè)務(wù)移植到ATM網(wǎng)絡(luò)上來。

　　本文將討論公用網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)提供者所提供的業(yè)務(wù)種類和相關(guān)的業(yè)務(wù)合同參數(shù)。對(duì)于每一種業(yè)務(wù)和業(yè)務(wù)合同參數(shù)的組合，都可進(jìn)行特定的測試以確定ATM電路是否達(dá)到了業(yè)務(wù)合同中規(guī)定的QoS水平。我們還將討論一些具體的ATM QoS測試方法。

ATM論壇的業(yè)務(wù)分類

　　業(yè)務(wù)分類描述了對(duì)網(wǎng)絡(luò)上每一條虛擬電路的高水準(zhǔn)要求。業(yè)務(wù)的分類具體規(guī)定了對(duì)于特定的應(yīng)用需求，各種ATM網(wǎng)絡(luò)元素如何確定業(yè)務(wù)的優(yōu)先級(jí)別。

　　恒定比特率(CBR)業(yè)務(wù): 這種業(yè)務(wù)在發(fā)送點(diǎn)與接收點(diǎn)之間提供持續(xù)的比特流。業(yè)務(wù)提供者確保在整個(gè)虛電路上向用戶提供所預(yù)定的固定比特的可用帶寬。這種業(yè)務(wù)對(duì)于需要持續(xù)數(shù)字信息流的交互式數(shù)字語音和視頻應(yīng)用是理想的。一些應(yīng)用實(shí)例包括電話會(huì)議，電話業(yè)務(wù)，遠(yuǎn)端教學(xué)和付費(fèi)電視。

　　可變比特率(nrt-VBR和rt-VBR)業(yè)務(wù): 非實(shí)時(shí)可變比特率業(yè)務(wù)(nrt－VBR)適于對(duì)時(shí)限沒有過高要求且具有突發(fā)性特點(diǎn)的業(yè)務(wù)。這類業(yè)務(wù)的典型例子是企業(yè)級(jí)LAN業(yè)務(wù)。一些應(yīng)用實(shí)例有訂票系統(tǒng)和銀行交易系統(tǒng)。實(shí)時(shí)可變比特率(rt－VBR)業(yè)務(wù)適于突發(fā)性業(yè)務(wù)，但要求嚴(yán)格的時(shí)限。一些應(yīng)用實(shí)例有SNA業(yè)務(wù)，分組化語音業(yè)務(wù)和某些類型的多媒體檢索系統(tǒng)。

　　不確定比特率(UBR)業(yè)務(wù): 這種業(yè)務(wù)不保證可用帶寬。用戶只能使用未被占用的帶寬，數(shù)據(jù)的傳輸建立在"最大努力"的基礎(chǔ)上。該業(yè)務(wù)僅適于非時(shí)間敏感性的數(shù)據(jù)應(yīng)用。具體應(yīng)用有電子郵件，遠(yuǎn)程終端和文件傳送。

　　可用比特率(ABR)業(yè)務(wù): 該業(yè)務(wù)利用流控制機(jī)制調(diào)節(jié)業(yè)務(wù)源的比特率。業(yè)務(wù)傳輸只能在網(wǎng)絡(luò)反饋所限定的速率上進(jìn)行。ABR和UBR的區(qū)別是當(dāng)虛電路上發(fā)生阻塞時(shí)，ABR業(yè)務(wù)將降低傳輸速率，而UBR業(yè)務(wù)將被網(wǎng)絡(luò)通道上發(fā)生阻塞的交換機(jī)丟棄。應(yīng)用實(shí)例有LAN仿真和 LAN互連業(yè)務(wù)。

流量合同參數(shù)

　　公用ATM網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)提供者向用戶提供規(guī)定了具體門限的合同參數(shù)。這些門限參數(shù)影響服務(wù)價(jià)格，具體參數(shù)包括:

　　峰值信元率(PCR): 指業(yè)務(wù)提供者所能保證的虛電路的最大帶寬。超過這一速率發(fā)送的信元將被入口 ATM交換機(jī)丟棄或加上可以丟棄的標(biāo)志。帶有可丟棄標(biāo)志的ATM信元可能會(huì)被網(wǎng)絡(luò)中任何遇到阻塞的交換機(jī)丟棄。對(duì)于CBR業(yè)務(wù)來說，這一參數(shù)代表虛電路保證達(dá)到的恒定帶寬。

　　持續(xù)信元速率(SCR): 僅適于VBR業(yè)務(wù)，SCR參數(shù)規(guī)定了虛電路上用戶的VBR業(yè)務(wù)在任一時(shí)刻的最小可用帶寬。

　　最大突發(fā)尺寸(MBS): 僅適于VBR業(yè)務(wù)，MBS參數(shù)規(guī)定了在PCR速率下且仍然滿足業(yè)務(wù)合同要求所能傳輸?shù)淖畲笮旁獢?shù)量。

　　信元時(shí)延偏差容限(CDVT): 適于時(shí)間敏感型業(yè)務(wù)，規(guī)定了兩個(gè)端站之間信元時(shí)延偏差(CDV)的最大允許容限。

　　進(jìn)行QoS測試時(shí)，測試儀需要模擬一致的業(yè)務(wù)類型和業(yè)務(wù)合同水平，這是很重要的，這樣能夠保證測試水平。

ATM QoS的測試

　　ATM QoS測試主要適用于時(shí)間敏感型的應(yīng)用。如果業(yè)務(wù)提供者不能向用戶保證ATM虛 電路能夠提供與租用線路質(zhì)量相當(dāng)?shù)恼Z音和視頻業(yè)務(wù)，那么用戶將不會(huì)轉(zhuǎn)向ATM交換業(yè)務(wù)-即使這一業(yè)務(wù)更便宜。為了處理這一問題，ATM論壇規(guī)定了對(duì)QoS的測試。下面是QoS測試的內(nèi)容:

　　信元時(shí)延偏差(CDV): 由于排隊(duì)時(shí)延，各個(gè)信元在ATM網(wǎng)絡(luò)中交換所需的時(shí)間略有不同，這將產(chǎn)生信元間到達(dá)時(shí)間的微小差別。當(dāng)這一差別由于信元在到達(dá)目的地之前要經(jīng)過多次交換而被放大時(shí)，所產(chǎn)生的抖動(dòng)會(huì)影響語音和視頻信息凈荷的接收質(zhì)量。如果信元過早到達(dá)(產(chǎn)生聚集)，將會(huì)超過PCR指標(biāo)而造成信元的丟棄。如果信元到達(dá)過遲(產(chǎn)生間斷)，將很大地影響音頻和視頻的質(zhì)量。目前兩類CDV測試已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化：CDV 1-點(diǎn)測試和CDV 2-點(diǎn)測試。

　　1－點(diǎn)CDV測試和信元提前到達(dá)的時(shí)間有關(guān)。接收端檢查信元的實(shí)際到達(dá)時(shí)間比預(yù)計(jì)到達(dá)時(shí)間(1/PCR)是否有提前或滯后，這是信元匯聚情況的指示。這一測試僅適于CBR業(yè)務(wù)，但可以在任何兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)元素間進(jìn)行，并不僅限于端到端的測試。高于PCR的信元平均提前達(dá)到時(shí)間則表示出現(xiàn)了問題。

　　2－點(diǎn)CDV測試與網(wǎng)絡(luò)中端到端的實(shí)際測量時(shí)延有關(guān)。與1－點(diǎn)CDV測試不同，這一測試適用于任何類型的業(yè)務(wù)并且考慮了信元丟失，錯(cuò)誤和誤插的影響。最先測量到的信元時(shí)延(CTD)與最后測量到的CTD的差異表現(xiàn)為峰峰值。國際電聯(lián)(ITU)推薦的DS1和DS3語音電路仿真業(yè)務(wù)的最大CDV指標(biāo)是峰峰值250毫秒。對(duì)于MPEG視頻或HDTV業(yè)務(wù)， 推薦的最大CDV峰峰值為1毫秒。

　　信元傳輸時(shí)延(CTD): CTD表示信元的第一個(gè)比特離開發(fā)送站點(diǎn)的時(shí)間和信元的最后一個(gè)比特到達(dá)接收站點(diǎn)的時(shí)間之差。這對(duì)于恒定比特速率的應(yīng)用是一個(gè)重要的數(shù)值，因?yàn)槿绻旁┰骄W(wǎng)絡(luò)耗時(shí)過長，就會(huì)被接收站點(diǎn)判定為丟失或發(fā)生延誤，重新組裝的整個(gè)包也將被丟棄。這將影響語音或話音的質(zhì)量。ITU建議語音或電視會(huì)議應(yīng)用的最大CTD指標(biāo)是130毫秒，對(duì)于流動(dòng)視頻應(yīng)用，該項(xiàng)指標(biāo)是1秒。

　　信元丟失率(CLR): CLR是傳輸過程中丟失的信元數(shù)量與所傳輸?shù)娜啃旁獢?shù)量之比。信元可能因?yàn)橐韵略蚨鵁o法到達(dá)目的地:目的地錯(cuò)誤;交換機(jī)嚴(yán)重阻塞;發(fā)送站點(diǎn)的突發(fā)流量超過合同限度造成信元丟棄;信元傳送耗時(shí)過長，超過最大CTD，到達(dá)太晚而無法處理。這一錯(cuò)誤總是要么出現(xiàn)于所有信元，要么不出現(xiàn)。其結(jié)果是或者沒有一個(gè)信元抵達(dá)目的地或者幾乎所有信元都在時(shí)限內(nèi)到達(dá)。ATM虛電路允許的最大CLR是10E－7，或者說每傳輸1000萬個(gè)信元允許丟失1個(gè)信元。

　　信元誤插率(CMR): CMR是發(fā)生誤插的信元數(shù)量與測試時(shí)間的比值。誤插的信元是被送往錯(cuò)誤地址的信元。發(fā)生的原因通常是：當(dāng)信元的信頭被破壞，目的地址對(duì)交換機(jī)來說可能仍然是有效的，于是信元按照被破壞的信頭中的地址進(jìn)行傳送。而誤插信元的接收者并不認(rèn)為其凈荷是合法數(shù)據(jù)。這將導(dǎo)致在ATM層組裝的全部數(shù)據(jù)包被丟棄。這種錯(cuò)誤是少見的。 拇指定律說明CMR的出現(xiàn)概率比CLR少10倍。 ATM論壇和ITU規(guī)定的后3種QoS測試為信元誤碼率，嚴(yán)重誤碼秒和嚴(yán)重誤碼信元塊比。這些標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)于最近提出但還沒有被交換機(jī)廠商廣泛采用。

　　業(yè)務(wù)種類，合同參數(shù)和QoS測試的關(guān)系 討論了ATM業(yè)務(wù)提供者的合同中每一個(gè)參數(shù)的定義，可以看出，所提供的虛電路幾乎可以適應(yīng)任何對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬有要求的實(shí)際應(yīng)用的需要(見表1)。

表1. 合同參數(shù)關(guān)系表明了與每一業(yè)務(wù)類別相關(guān)的合同參數(shù)和QoS的測試。

ATM QoS的測試方法

　　當(dāng)開通一項(xiàng)ATM業(yè)務(wù)后，業(yè)務(wù)提供者將通過標(biāo)準(zhǔn)的傳輸介質(zhì)如DS1，DS3或OC3提供業(yè)務(wù)。這些介質(zhì)支持由低到高的比特率以適應(yīng)用戶流通量的要求并收取不同費(fèi)用。測試儀必須適應(yīng)所選擇的不同接口類型并首先能夠進(jìn)行物理層和ATM層的一致性測試以保證ATM信元能夠在用戶和邊緣交換機(jī)間可靠地傳送。

　　為了確定ATM電路是否能夠保障QoS，測試儀必須能夠發(fā)送與ATM業(yè)務(wù)類型相同的ATM業(yè)務(wù)流量并且能以合同規(guī)定的最大比特率發(fā)送。配置測試儀，使其模擬終端用戶想要在虛電路上發(fā)送的業(yè)務(wù)流量，可以測試接收的ATM信元流以確定QoS的結(jié)果是否可以接受。

　　一個(gè)物理端口可以提供多個(gè)虛電路，記住這一點(diǎn)是很重要的，所以必須生成多個(gè)ATM信元流來模擬同時(shí)加于交換機(jī)端口上的負(fù)載。這樣QoS性能的測試可在加有負(fù)載的任何虛電路上進(jìn)行 。

　　如果QoS性能測試不在加有負(fù)載的虛電路上進(jìn)行，可以在實(shí)際應(yīng)用時(shí)按照合同規(guī)定自行測量。然而，當(dāng)所有的虛電路都被占用，邊緣交換機(jī)或其他網(wǎng)絡(luò)部件就會(huì)出現(xiàn)阻塞。結(jié)果是當(dāng)鏈路上執(zhí)行用戶的重要應(yīng)用時(shí)，在一般的QoS限度下測試通過的電路可能會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重問題。

　　如果3個(gè)PVCs都是恒定比特率類型的業(yè)務(wù)，則PCR的總和不能超過1.024Mbps。如果3個(gè)PVCs都是可變比特率的應(yīng)用，SCR的總和不能超過1.024Mbps，PCR的總和不能超過1.35Mbps。如果端用戶要求更大的帶寬，則需要DS3接口，部分DS3接口，ATM反復(fù)用器(IMA)或OC3物理接口。

　　永久虛電路(PVC)上的端到端測試能夠通過兩種方法來完成。第一，將測試儀接在PVC通道的兩端進(jìn)行兩次測試，兩臺(tái)測試儀分別作為流量的發(fā)送和接收端。這一方法的好處是可以對(duì)PVC通道的兩個(gè)方向分別進(jìn)行測試。

　　第二，在PVC通道的遠(yuǎn)端設(shè)置物理或虛環(huán)路，這樣單獨(dú)一臺(tái)測試儀可同時(shí)作為流量的發(fā)送者和接收者（見圖2）。 圖2、環(huán)回測試設(shè)置，涉及中心局和遠(yuǎn)端局的PVCs端口

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