保證ATM網絡的服務質量 (QoS)

John M. Giles 2002/08/21

　　異步傳輸模式(ATM)網絡較之其他分組交換網絡如幀中繼和X.25的一個優(yōu)點是它的高可預見性。在ATM網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網絡交換機能將用戶信元與其他網絡的用戶業(yè)務結合處理，并仍能夠符合端到端網絡時延偏差的嚴格容限。

　　ATM網絡所具有的確定業(yè)務優(yōu)先級別和預計信元凈荷到達時間的能力使得網絡能夠向用戶提供數據業(yè)務和語音視頻業(yè)務。

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

　　ATM網絡提供了基于網絡實際利用的低成本解決方案并能夠通過虛擬連接在一個單獨的下接網絡上提供點到點網絡連接。只要服務提供者能夠保證提供與租用線路相同的業(yè)務質量，用戶就能夠以較低的成本將語音和電視會議業(yè)務移植到ATM網絡上來。

　　本文將討論公用網絡業(yè)務提供者所提供的業(yè)務種類和相關的業(yè)務合同參數。對于每一種業(yè)務和業(yè)務合同參數的組合，都可進行特定的測試以確定ATM電路是否達到了業(yè)務合同中規(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)務分類

　　業(yè)務分類描述了對網絡上每一條虛擬電路的高水準要求。業(yè)務的分類具體規(guī)定了對于特定的應用需求，各種ATM網絡元素如何確定業(yè)務的優(yōu)先級別。

　　恒定比特率(CBR)業(yè)務: 這種業(yè)務在發(fā)送點與接收點之間提供持續(xù)的比特流。業(yè)務提供者確保在整個虛電路上向用戶提供所預定的固定比特的可用帶寬。這種業(yè)務對于需要持續(xù)數字信息流的交互式數字語音和視頻應用是理想的。一些應用實例包括電話會議，電話業(yè)務，遠端教學和付費電視。

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

　　不確定比特率(UBR)業(yè)務: 這種業(yè)務不保證可用帶寬。用戶只能使用未被占用的帶寬，數據的傳輸建立在"最大努力"的基礎上。該業(yè)務僅適于非時間敏感性的數據應用。具體應用有電子郵件，遠程終端和文件傳送。

　　可用比特率(ABR)業(yè)務: 該業(yè)務利用流控制機制調節(jié)業(yè)務源的比特率。業(yè)務傳輸只能在網絡反饋所限定的速率上進行。ABR和UBR的區(qū)別是當虛電路上發(fā)生阻塞時，ABR業(yè)務將降低傳輸速率，而UBR業(yè)務將被網絡通道上發(fā)生阻塞的交換機丟棄。應用實例有LAN仿真和 LAN互連業(yè)務。

流量合同參數

　　公用ATM網絡業(yè)務提供者向用戶提供規(guī)定了具體門限的合同參數。這些門限參數影響服務價格，具體參數包括:

　　峰值信元率(PCR): 指業(yè)務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交換機丟棄或加上可以丟棄的標志。帶有可丟棄標志的ATM信元可能會被網絡中任何遇到阻塞的交換機丟棄。對于CBR業(yè)務來說，這一參數代表虛電路保證達到的恒定帶寬。

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

　　最大突發(fā)尺寸(MBS): 僅適于VBR業(yè)務，MBS參數規(guī)定了在PCR速率下且仍然滿足業(yè)務合同要求所能傳輸的最大信元數量。

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

　　進行QoS測試時，測試儀需要模擬一致的業(yè)務類型和業(yè)務合同水平，這是很重要的，這樣能夠保證測試水平。

ATM QoS的測試

　　ATM QoS測試主要適用于時間敏感型的應用。如果業(yè)務提供者不能向用戶保證ATM虛 電路能夠提供與租用線路質量相當的語音和視頻業(yè)務，那么用戶將不會轉向ATM交換業(yè)務-即使這一業(yè)務更便宜。為了處理這一問題，ATM論壇規(guī)定了對QoS的測試。下面是QoS測試的內容:

　　信元時延偏差(CDV): 由于排隊時延，各個信元在ATM網絡中交換所需的時間略有不同，這將產生信元間到達時間的微小差別。當這一差別由于信元在到達目的地之前要經過多次交換而被放大時，所產生的抖動會影響語音和視頻信息凈荷的接收質量。如果信元過早到達(產生聚集)，將會超過PCR指標而造成信元的丟棄。如果信元到達過遲(產生間斷)，將很大地影響音頻和視頻的質量。目前兩類CDV測試已經標準化：CDV 1-點測試和CDV 2-點測試。

　　1－點CDV測試和信元提前到達的時間有關。接收端檢查信元的實際到達時間比預計到達時間(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，但可以在任何兩個網絡元素間進行，并不僅限于端到端的測試。高于PCR的信元平均提前達到時間則表示出現(xiàn)了問題。

　　2－點CDV測試與網絡中端到端的實際測量時延有關。與1－點CDV測試不同，這一測試適用于任何類型的業(yè)務并且考慮了信元丟失，錯誤和誤插的影響。最先測量到的信元時延(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)務的最大CDV指標是峰峰值250毫秒。對于MPEG視頻或HDTV業(yè)務， 推薦的最大CDV峰峰值為1毫秒。

　　信元傳輸時延(CTD): CTD表示信元的第一個比特離開發(fā)送站點的時間和信元的最后一個比特到達接收站點的時間之差。這對于恒定比特速率的應用是一個重要的數值，因為如果信元穿越網絡耗時過長，就會被接收站點判定為丟失或發(fā)生延誤，重新組裝的整個包也將被丟棄。這將影響語音或話音的質量。ITU建議語音或電視會議應用的最大CTD指標是130毫秒，對于流動視頻應用，該項指標是1秒。

　　信元丟失率(CLR): CLR是傳輸過程中丟失的信元數量與所傳輸的全部信元數量之比。信元可能因為以下原因而無法到達目的地:目的地錯誤;交換機嚴重阻塞;發(fā)送站點的突發(fā)流量超過合同限度造成信元丟棄;信元傳送耗時過長，超過最大CTD，到達太晚而無法處理。這一錯誤總是要么出現(xiàn)于所有信元，要么不出現(xiàn)。其結果是或者沒有一個信元抵達目的地或者幾乎所有信元都在時限內到達。ATM虛電路允許的最大CLR是10E－7，或者說每傳輸1000萬個信元允許丟失1個信元。

　　信元誤插率(CMR): CMR是發(fā)生誤插的信元數量與測試時間的比值。誤插的信元是被送往錯誤地址的信元。發(fā)生的原因通常是：當信元的信頭被破壞，目的地址對交換機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行傳送。而誤插信元的接收者并不認為其凈荷是合法數據。這將導致在ATM層組裝的全部數據包被丟棄。這種錯誤是少見的。 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，嚴重誤碼秒和嚴重誤碼信元塊比。這些標準已經于最近提出但還沒有被交換機廠商廣泛采用。

　　業(yè)務種類，合同參數和QoS測試的關系 討論了ATM業(yè)務提供者的合同中每一個參數的定義，可以看出，所提供的虛電路幾乎可以適應任何對網絡帶寬有要求的實際應用的需要(見表1)。

表1. 合同參數關系表明了與每一業(yè)務類別相關的合同參數和QoS的測試。

ATM QoS的測試方法

　　當開通一項ATM業(yè)務后，業(yè)務提供者將通過標準的傳輸介質如DS1，DS3或OC3提供業(yè)務。這些介質支持由低到高的比特率以適應用戶流通量的要求并收取不同費用。測試儀必須適應所選擇的不同接口類型并首先能夠進行物理層和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)務類型相同的ATM業(yè)務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)務流量，可以測試接收的ATM信元流以確定QoS的結果是否可以接受。

　　一個物理端口可以提供多個虛電路，記住這一點是很重要的，所以必須生成多個ATM信元流來模擬同時加于交換機端口上的負載。這樣QoS性能的測試可在加有負載的任何虛電路上進行 。

　　如果QoS性能測試不在加有負載的虛電路上進行，可以在實際應用時按照合同規(guī)定自行測量。然而，當所有的虛電路都被占用，邊緣交換機或其他網絡部件就會出現(xiàn)阻塞。結果是當鏈路上執(zhí)行用戶的重要應用時，在一般的QoS限度下測試通過的電路可能會出現(xiàn)嚴重問題。

　　如果3個PVCs都是恒定比特率類型的業(yè)務，則PCR的總和不能超過1.024Mbps。如果3個PVCs都是可變比特率的應用，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通道的兩端進行兩次測試，兩臺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PVC通道的兩個方向分別進行測試。

　　第二，在PVC通道的遠端設置物理或虛環(huán)路，這樣單獨一臺測試儀可同時作為流量的發(fā)送者和接收者（見圖2）。 圖2、環(huán)回測試設置，涉及中心局和遠端局的PVCs端口

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