CC BY
22
Profesor dr Milojko Jevtović,
dipl. inž.
Elektrotehnicki fakultet, Banja Luka
PRESLIKAVANJE PARAMETARA KVALITETA USLUGA NA PROTOKOLE ATM MRE@A
UDC: 004.738
Rezime:
Preslikavanje parametara kvaliteta usluga (Quality of Service — QoS) jedan je od bitnih elemenata u koncepciji ATM (Asynchronous Transfer Mode) širokopojasnih mre'a. U radu su opisani parametri QoS-a (verovatnoce pogrešnih ramova i celija, propusni opseg, kašnjenje ce-lija, varijacija kašnjenja) koji sepreslikavaju naprotokole ATMmre'a. Preslikavanje se izvodi između korisnickog i aplikacionog QoS-a, a aplikacioni QoS se preslikava na QoS prenosa i komutacije, odnosno na ATM protokole, tzv. protokole ATM adaptacionog sloja i, konacno, preslikava se (mapira) na ATM mre'neperformanse (ATMsloj). Analiza procesapreslikavanja parametara kvaliteta usluga znacajna je sa stanovišta korisnika usluga ATM mre'a pri izboru klasa usluga koje ce koristiti u komunikaciji preko date ATM mre'e.
Kljucne reci: kvalitet usluga (QoS), preslikavanje, asinhroni naan transfera (ATM), proto-koli, ATM telekomunikacione mre'e, QoS parametri, protokoli ATM-a.
QUALITY OF SERVICE MAPPING TO ATM NETWORK PROTOCOLS
Summary:
Quality of service mapping is one of the crucial elements in ATM concept of wide networks. In this paper QoS parameters mapping to ATM network protocols are described. Mapping is made between QoS user and QoS application, and application QoS is mapped to QoS transfer and commutation i.e. to ATM protocols — ATM adaptation layer protocols and finally it is mapped to ATM network performances. Analysis of this QoS mapping parameters process is very important for ATM users when they are choosing classes of service that can be used in communication process through ATM network.
Key words: Quality of Service (QoS), mapping, Asynchronous Transfer Mode (ATM), protocols, ATM communication networks, QoS parameters, ATM protocols.
Uvod
Telekomunikacione {irokopojasne ATM (Asynchronous Transfer Mode) mre'e realizuju se radi obezbeđenja isto-vremenog prenosa govornih, video i audio signala, tekstualnih i grafickih poruka, mirne slike i podataka, odnosno da obez-bede prenos multimedijalnih poruka. Za svaki pomenuti tip poruka od ATM mreže zahteva se određeni nivo kvaliteta usluga (Quality of Service - QoS). Multimedijal-
na komunikacija nametnula je potrebu za uvođenjem zahteva za kvalitet usluga [1]. Kvalitet usluga definisan je za digitalne telekomunikacije ITU-T preporukom I.350. Ovom preporukom - standardom, QoS se defini{e kao združeni efekat per-formansi usluge koji određuje nivo zado-voljstva korisnika datom uslugom. S obzi-rom na to da je zadovoljstvo korisnika uslugom subjektivna velicina, potrebno je da se utvrde objektivni parametri. Ti parametri kvaliteta su kvantitativne velicine, a
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 6/2005.
553
mogu se neposredno meriti u tacki u kojoj korisnik direktno pristupa usluzi [2].
Tehnika asinhronog nacina prenosa (ATM), primenjena pri multipleksiranju, prenosu i komutaciji, omogu}ila je da se formiraju {irokopojasne telekomunikaci-one mreže sa novom mrežnom arhitektu-rom i mogu}nostima realizacije novih mrežnih usluga, ukljucuju}i multimedi-jalnu komunikaciju.
Arhitektura ATM protokola
Arhitektura ATM protokola, sa de-taljnije predstavljenim protokolima ATM adaptacionog sloja, prikazana je na slici 1.
Funkcija fizickog sloja jeste da omogu}i prenos signala, tj. ATM }elija, preko medijuma prenosa (metalni kabl, opticki kabl, radio-relejni linkovi).
ATM sloj ili protokol sadrži identi-fikatore virtuelnih kanala (VCI) i virtuel-nih puteva (VPI), omogu}ava prenos, ge-nerisanje i izdvajanje zaglavlja }elije, kao i multipleksiranje i demultipleksira-nje }elija sa razlicitim VPI/VCI [1].
ATM adaptacioni sloj (AAL sloj) namenjen je za realizaciju razlicitih usluga, prilagođavaju}i format korisnickih informacija strukturi }elije. Sloj ALL sa-drži vi{e tipova protokola koji podržava-ju određene klase usluga.
Sl. 1 — Arhitektura ATM protokola (AAL sloj):
AAL — ATM adaptacioni sloj (ATM Adaptation Layer); A, B, C, D — klase usluga definisane ITU-T;„X“„ Y“ — klase usluga pri promenljivoj bitskoj brzini; „N/A“ — klase usluga koje se odnose na signalizaciju AAL; SVC—komutirani — virtuelm kanali ili komutirana virtuelna kola; SVC class — SVC klase usluga; VBR — promenljiva bitska brzina (Variable Bit Rate); SSCS — podsloj specificne usluge (Service Specific Convergence Sublayer); SAR — segmentacija i reasembliranje (Segmentation and Reassembly); TCP/IP—protokol upravljanja prenosom/medumreini protokol (Transmission Control Protocol/Internet); CLNS — mreme usluge (Connection less network services)
554
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 6/2005.
Protokol AAL-1 koristi se za prenos signala primarnog multipleksa E1 i T1.
Protokol AAL-2 razvijen je za prenos signala sa promenljivom bitskom br-zinom, kao sto su signali multimedijalnih poruka, prenos komprimovanih video i audio signala, pri cemu se koriste razlicite tehnike kompresije.
Protokol AAL-3/4 namenjen je za prenos podataka po uspostavljenoj vezi. AAL-3/4 podržava razlicite protokole, uključujući TCP/IP komplet protokola.
Protokol AAL-4 primenjuje se za prenos podataka bez prethodne uspostave veze.
Protokol AAL-5 opisuje se kao jed-nostavan i efikasan protokol za prenos po-dataka po uspostavljenoj vezi.
Za razliku od drugih telekomunikaci-onih mreža, sirokopojasne ATM mreže omogućavaju garantovani kvalitet usluga pri prenosu multimedijalnih poruka. Kod ATM mreža QoS se definise kao tehnika koja se odnosi na skup parametara za opi-sivanje ATM karakteristika, koje karakte-risu saobraćaj na datom virtuelnom putu ATM mreže. U ovom slucaju parametre kvaliteta cine: verovatnoća gubitka ćelije, broj pogresno prenetih ćelija, verovatnoća pojave pogresno ubacenih ćelija, kasnje-nje ćelija u prenosu, varijacija kasnjenja ćelija i verovatnoća bitske greske.
Karakteristike ATM saobraćaja
ATM saobraćaj cini protok ćelija kroz telekomunikacionu mrežu. Krajnje odredi-ste ćelije navedeno je u njenom zaglavlju. To zaglavlje analizira se u svakom ATM cvoru mreže, a ćelija se usmerava u toku prenosa preko virtuelnih kanala, koji defi-
nisu put poruke od izvora do odredista. ATM veze ne zahtevaju striktno defnisan kanal već je konkretna ATM veza podrža-na određenim kapacitetom kanala koji je potreban u datom momentu [3].
ATM mreža dodeljuje korisniku propusni opseg za razlicite bitske proto-ke, odnosno onaj propusni opseg koji se korisniku (u zahtevanom trenutku) može staviti na raspolaganje.
Zahtev za novu vezu mreža prihvata se samo ukoliko traženi kvalitet usluge može biti osiguran, a kvalitet ranije uspo-stavljenih veza ocuvan, tj. bez narusava-nja ugovorenog kvaliteta sa drugim kori-snicima.
Kasnjenje signala
Klasicne digitalne mreže, zasnovane na komutaciji kola-kanala, pri prenosu govornih signala, unose kasnjenje reda 450 p,s po jednom cvoru ili manje. Pri kasnjenju većem od 25 p,s moraju se pri-menjivati tehnike ponistavanja eha (odje-ka). Kasnjenje veće od 75 p,s primetno je za ucesnike u razgovoru. Kasnjenja govornih signala veća od 200 p,s unose znatno smanjenje kvaliteta govora pri prenosu, a ako su veća od 450 p,s, među sagovornicima dijalog nije moguć.
Kasnjenja u ATM mreži su reda 6 p,s za funkciju segmentacije i reasembli-ranja (Segmentation And Reasembling -SAR), odnosno deljenje poruke na ćelije i ponovno sastavljanje celovite poruke. Ako se koriste postupci ponistavanja va-rijacije kasnjenja signala, unosi se dodat-no kasnjenje reda 2 p,s. Takođe, kasnjenje unose i razliciti medijumi prenosa ATM signala.
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 6/2005.
555
Zagusenje u ATMsaobraćaju
Problem zagusenja u saobraćaju na-staje kada je broj dolaznih ćelija veći od kapaciteta bafera određenog komutacionog cvora ili prenosnog puta između cvorova. Formiraju se redovi cekanja, cime se unosi kasnjenje u prenosu. Problem je kako izbe-ći prepunjavanje redova cekanja u pristupu baferima komutacionih cvorova, onda kada protok premasi kapacitet raspoloživih kanala.
Jedan od nacina resavanja problema zagusenja jeste da se izvrsi korektno di-menzioniranje kapaciteta bafera u komu-tacionim cvorovima. Takođe, resenje je u kontroli i upravljanju saobraćajem, pri-menom mera kao sto su: upravljanje pri-stupom mreži, oblikovanje saobraćaja, nadgledanje saobraćaja u cvorovima i kontrola zagusenja.
Brzine prenosa ATM signala
Da bi se podržale razlicite korisnicke potrebe i zadovoljile nove komunikacione usluge, a u prvom redu multimedijalna komunikacija, ATM mreža treba da omo-gući prenos poruka razlicitim bitskim br-zinama, odnosno protocima, kao sto su:
- konstantan bitski protok CBR
(Constant Bit Rate),
- promenljivi bitski protok VBR (Variable Bit Rate),
- raspoloživi bitski protok ABR
(Avilable Bit Rate),
- neodređeni bitski protok UBR
(Unspecified Bit Rate).
Svaka od navedenih bitskih brzina namenjena je za realizaciju razlicitih kla-sa usluga.
Zahtevani kvalitet
Osnovni parametri kvaliteta koje treba da obezbedi telekomunikaciona mreža, a koji se zahtevaju za prenos go-vora, video signala i podataka, prikazani su u tabeli 1.
Tabela 1
Zahtevani kvalitet u prenosu govora, video signala i podataka
Zahtevani kvalitet Govorni signali Video signali Podaci
Propusni opseg uzak sirok varijabilan
Osetljivost na kasnjenje velika srednja varijabilna
Osetljivost na greske mala relativno mala velika
Usnopljenost poruka u prenosu ne postoji ne postoji velika
Pri prenosu govorni signal zahteva uzak propusni opseg, veoma je osetljiv na kasnjenje, nije osetljiv na bitske greske i prenosi se kontinualno.
Video signal u prenosu zahteva si-rok propusni opseg, umereno je osetljiv na kasnjenje, a osetljivost na greske mu je relativno mala.
Podaci za prenos zahtevaju varijabi-lan propusni opseg, osetljivost na kasnje-nje je varijabilna, dok im je osetljivost na greske velika. Poseduju osobinu naletno-sti, odnosno usnopljen karakter informa-cija pri prenosu.
Zahtevi za kvalitet prenosa signala preko ATM mreža definisani su standar-dima Međunarodne unije za telekomuni-kacije (ITU-T), koji se odnose na siroko-pojasne mreže [4].
Performanse ATM mreže karakteri-su sledeći mrežni parametri kvaliteta:
- verovatnoća gubitka ćelija CLR (Cell Loss Ratio) - odnos broja izgublje-nih prema zbiru broja izgubljenih i uspe-sno prenetih ćelija;
556
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 6/2005.
- brzina ubacivanja ćelija CIRa (Cell Insertion Rate) - broj ubacenih će-lija (u nizu primljenih ćelija u posmatra-nom intervalu vremena) u jedinici vre-mena;
- verovatnoća ubacivanja ćelija CIR (Cell Insertion Ratio) - odnos broja ubacenih ćelija prema zbiru broja ubacenih i broja otpremljenih ćelija;
- verovatnoća prosecno pogresnih ćelija SCR (Severely Cell Ratio) - odnos broja prosecno pogresnih ćelija prema broju uspesno prenetih ćelija;
- kapacitet prenosa ćelija CTC (Cell Transfer Capacity) - maksimalan broj uspesno prenetih ćelija u jedinici vremena, na posmatranoj vezi;
- kasnjenje u prenosu ćelija CTD (Cell Transfer Delay) - aritmeticka sred-nja vrednost kasnjenja odredenog broja ćelija;
- varijacija kasnjenja ćelija CVD (Cell Variation Delay) - ukupno kasnjenje u prenosu i komutaciji izmedu dva odredista u mreži;
- verovatnoća bitske greske BER (Bit Error Rate) - odnos broja pogresnih bita prema broju ukupno primljenih (prenetih) bita u posmatranom intervalu.
Svi navedeni parametri kvantitativ-no su definisani preporukama ITU-T.
Preslikavanje QoS zahteva na
ATM protokole
Sirokopojasne mreže od samog pocetka su osmisljene, definisane i projektovane tako da korisnicima omoguće razlicite usluge i zahteve za QoS u istoj ATM mreži. Tradicional-
no, po prirodi poruka, prenos podataka, govornih i video signala zahteva razlicit QoS. ATM je razvijen s ciljem da podrži sva tri tipa saobra-ćaja u jednoj istoj mreži. Pored razlici-te QoS podrske, ATM omogućava ve-oma dobru efikasnost u korisćenju ras-položivog kapaciteta kanala i obezbe-duje dobru procenu zahtevanog kapaciteta za svaku vrstu saobraćaja. Efi-kasno upravljanje kvalitetom usluga osnovna je prednost ATM tehnike prenosa, multipleksiranja i komutacije. Upravljanje QoS-om ostvaruje se pri-menom slojevite strukture ATM adap-tacionih slojeva AAL (ATM Adaptation Layer), odnosno ATM protokola, upravljanjem pristupom i uoblicava-njem ponudenog saobraćaja.
U ATM mrežama QoS se obezbedu-je korisćenjem virtuelnih kanala (VC) i virtuelnih puteva (VP) koji se usposta-vljaju sistemom signalizacije No 7, pre pocetka prenosa poruka u formatu ćelija. Izmedu izvora i odredista uspostavlja se logicka - virtuelna veza, preko koje se prenose sve ćelije koje pripadaju istoj poruci.
Pri uspostavi veze uzimaju se u ob-zir parametri kvaliteta koji se odnose na zahtevani QoS, odnosno komunikaciju u realnom vremenu. To se postiže preslika-vanjem odredenih klasa usluga - CoS (Class of Service) na AAL slojeve, odno-sno ATM protokole.
U tabeli 2 prikazano je preslikavanje parametara QoS na odgovarajuće AAL slojeve. Za svaku klasu data su dva imena, koje je ranije definisao ITU-T i njihovi ekvivalenti koje je defmisao ATM forum.
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 6/2005.
557
Tabela 2
Preslikavanje QoS na AAL protokole
ITU-T ATM forum Klasa A CBR Klasa B VRR (RT) Klasa C VBR (NRT) Klasa D UBR Klasa Y ABR
Bitska brzina konstantna varij abilna varijabilna varij abilna varijabilna
Sinhroni- zacija; vrem. odnosi zahteva se zahteva se ne zahteva se ne zahteva se ne zahteva se
Tip veze konekciono orijentisana konekciono orijentisana konekciono orijentisana bez uspostave veze bez uspostave veze
Garancija QoS gubici, kasnjenje, prop. opseg gubici, kasnjenje, prop. opseg gubici, kasnjenje, prop. opseg nema gubici, propusni opseg
AAL protokoli AAL-1 AAL-2 AAL-3/4 ili AAL-5 AAL-3/4 ili AAL-5 AAL-3/4 ili AAL-5
U tabeli 2 prikazane su razlicite klase usluga sa razlicitim zahtevima u pogledu QoS-a. Svaka od klasa usluga podržava odre|ene aplikacije koje nose odre|ene zahteve za kvalitet. Aplikacioni QoS zahtevi preslikavaju se na parametre kvaliteta koji moraju biti vidljivi i regi-strovani kao velicine sa kvantitativnim vrednostima, koje se mogu podesavati u odrelenim granicama.
Klasa CBR podržava aplikacije koje se obavljaju u realnom vremenu i imaju stoga ogranicenja u pogledu kasnjenja i varijacije kasnjenja. Primeri za ovakve aplikacije su prenos govornih signala i emulacija kanala za prenos multipleksnih E1/T1 signala.
Parametri kvaliteta usluga su: kasnjenje ćelije u prenosu (CTD - Cell Transfer Delay), varijacija kasnjenja ćeli-ja (CVD - Cell Variation Delay) i vero-vatnoća gubitka ćelija (Cell Loss Rate).
Za usluge klase CBR koriste se me-hanizmi koje poseduje protokol AAL-1 za obezbelenje parametara kvaliteta. On omogućava prenos signala sa konstant-nom bitskom brzinom i isporuku signala na odrediste istom bitskom brzinom. Da bi protokol AAL-1 omogućio pomenute
usluge, mora da poseduje niz funkcija, kao sto su: segmentacija i reasembliranje, postupci sa varijacijom kasnjenja i ubace-nim ćelijama, ekstrakcija digitskog takta u prijemniku i obrada pogresnih bita.
Protokol AAL-1 ima i druge funkci-onalne performanse. Da bi obezbedio za-dovoljavajuću vrednost parametara kvaliteta CTD, protokol AAL-1 poseduje funkcionalnu mogućnost koja je poznata kao struktuirani transfer podataka (STD). STD pruža mogućnost da se dolazni niz bita iz predajnika smesta u SAR PDU (Protocol Data Unit) pejlod i otprema bez cekanja da se kompletna ćelija popu-ni bitima. Na ovaj nacin stvorena je mo-gućnost resavanja problema kasnjenja pri prenosu paketizovanih govornih signala.
Varijacija kasnjenja ćelija (CVD) resava se korisćenjem bafera u prijemniku. SAR PDU pejlod skladisti se u ba-feru koji se stalno puni novim podacima. Pejlodi pristižu sa malom varijacijom bit-ske brzine. Bafer prijemnika prazni se konstantnom brzinom. Kada se isprazni AAL-1 CS mora ubacivati prazne bite, a CS mora prekidati ulaz ćelija u bafer u slucaju kada je prepunjen. U tom slucaju AAL-1 omogućava primenu dve metode koje prijemniku obezbeluju informaciju o velicini kasnjenja, a to su metoda sin-hrone rezidentne vremenske markice (SRTS) i metoda adaptivnog takta.
Svi ATM protokoli, izuzimajući AAL-5, sadrže brojac sekvence ćelija, cija je svr-ha da se na osnovu sadržaja brojaca u prijemniku detektuje greska, odnosno gubitak ćelije. AAL-1 protokol poseduje mehani-zme za korekciju pojedinacnih gresaka i ot-krivanje visestrukih bitskih gresaka.
Klasa VBR ima dve potklase: RT VBR (Real-Time VBR), koja se realizuje u realnom vremenu, i NRT VBR (Non-
558
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 6/2005.
Real Time VBR), tj. VBR koji se ne od-vija u realnom vremenu.
RT VBR je namenjen za aplikacije ko-je imaju stroga ograni~enja u kasnjenju sig-nala, kao sto je to slu~aj sa video uslugama.
QoS parametri za RT VBR su mak-simalno kasnjenje ćelija u prenosu i am-plituda varijacije kasnjenja ćelija.
Protokol AAL-2 namenjen je za reali-zaciju usluge klase B, kao sto je, na primer, prenos komprimovanih audio i video sig-nala. Ova usluga se odlikuje time sto se prenos obavlja po uspostavljenoj vezi pro-menljivom brzinom, a postoji velika ose-tljivost na gubitak bitske sinhronizacije.
Zbog primenjene kompresije izvor konstantne bitske brzine postaje varijabi-lan, a trenutna bitska brzina zavisi od ste-pena kompresije signala. Na primer, ako je stepen kompresije video signala 10:1, generise se samo 10% bita u odnosu na broj bita bez kompresije. Zato se ne mo-gu u potpunosti puniti SAR PDU pejlodi. Da bi se izbeglo kasnjenje zbog ~ekanja i potpuno napunili SAR PDU pejlodi, protokol AAL-2 mora biti opremljen meha-nizmima za delimi~no popunjavanje po-lja SAR PDU. Zbog toga AAL-2 SAR PDU protokol poseduje polje L1 koje predstavlja indikator dužine. Polje L1 na-menjeno je za ozna~avanje parcijalne za-uzetosti korisni~kog polja ćelije, a na taj na~in izbegava se unosenje kasnjenja.
NRT VBR namenjen je za aplikacije koje su mnogo manje osetljive na vari-jaciju kasnjenja kroz mrežu. Među takve aplikacije spada usluga prenosa podataka (prenos datoteka).
QoS parametri za NRT VBR usluge su: srednja vrednost bitskog protoka, CTD - kasnjenje u prenosu ćelija i CLR - verovatnoća gubitka ćelija.
Prenos podataka je, po svojoj priro-di, osetljiv na greske, a poseduje osobinu naletnosti. Za prenos podataka preko ATM mreže koriste se protokoli AAL--3/4 i AAL-5. Protokol AAL-3/4 podrža-va prenos podataka sa promenljivom du-žinom blokova koji se pri otpremi mora-ju segmentirati na ćelije, a u prijemu rea-semblirati u izvorni oblik. Ovaj protokol ima mogućnost da u komunikaciji podrži vise korisnika istovremeno. Protokol AAL-3/4 poseduje polje MID (identifi-kator multipleksa) koje omogućava mul-tipleksiranje vise istovremenih segmena-ta PDU pejloda - jednim AAL-3/4.
Svaki PDU promenljive dužine u AAL predajniku obeležava se sadržajima polja MID. PDU pejlodi se u isto vreme segmentiraju, kako bi se izbeglo nepri-hvatljivo kasnjenje nekog od pejloda koji se multipleksiraju. Korisćenjem polja MID PDU pejlodi se u~esljavaju, ~ime se obezbeđuje njihov efikasan prenos.
Klasa ABR je relativno nova i speci-fi~na za ATM mreže. Ona podržava aplikacije koje mogu da podnesu promenu bit-skog protoka bez nepovoljnog uticaja na funkcionalnost date aplikacije. Ovakav po-stupak prenosa obezbeđuje „best effort“ kvalitet usluge, koji obezbeđuju IP mreže.
QoS parametar za klasu ABR je ve-rovatnoća gubitka ćelije. Za realizaciju ove klase usluga preko ATM mreže koriste se protokoli AAL-3/4 i AAL-5.
Klasa UBR je usluga sli~na ABR, ali je prenos ovom klasom manje pouzdan. Na-menjena je za aplikacije koje su veoma tole-rantne po pitanju kasnjenja, a ne izvrsavaju se u realnom vremenu. Klasa UBR nema nikakvih garancija za kvalitet usluga. Za re-alizaciju ove klase usluga, preko ATM mre-že, koriste se protokoli AAL-3/4 i AAL-5.
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 6/2005.
559
Preslikavanje QoS parametara na ATM mrežne performanse
Preslikavanje QoS parametara jedan je od bitnih elemenata u koncepciji siro-kopojasnih mreža [1]. Najpre se preslikavanje izvodi izmedu korisnickog QoS-a i aplikacionog QoS-a. Zatim se aplikacioni QoS preslikava na QoS prenosa i komu-tacije, odnosno ATM protokole i konac-no se preslikava (mapira) na ATM mre-žne performanse.
Preslikavanjem QoS parametara na ATM mrežne performanse obezbeduje se garantovani kvalitet usluga s kraja na kraj veze u ATM mreži. Garantovani kvalitet, u zavisnosti od tipa usluge, obezbeduju ATM protokoli.
U tabeli 3 prikazani su razliciti uzro-ci degradacije QoS-a, i metode koje omo-gućavaju da se sa komunikacionim proto-kolima na razlicitim slojevima otklone uzroci narusavanja kvaliteta usluga.
Tabela 3
Uzroci degradacije kvaliteta i metode otklanjanja uzroka
Komunikac. protokoli Uzroci degradacije i metode poboljsanja kvaliteta
Protokoli visih slojeva korekcija gresaka; retransmisija slojevito kodovanje poruka kasnjenje pri kodovanju džiter kodovanja
AAL protokoli prepunjavanje bafera; odbacivanje zakas. ćelija; ubacivanje praznih ćelija odbacivanje ubacenih ćelija kasnjenje kod asembliranja i otpreme džiter pri otpremi; džiter pri asembliranju ćelija
ATM sloj prepunjavanje bafera kasnjenje zbog cekanja u redovima džiter zbog cekanja u redovima
Fizicki sloj bitske greske (u pejlodu) bitske greske u zaglavlju; korekcija gresaka odbacivanje ćelija sa greskama kasnjenje prilikom propagacije džiter u pristupu na UNI interfejsu
Tip otkaza pogresna ćelija izgubljena ćelija ubacena ćelija kasnjenje ćelija džiter ćelija
Aplikacioni podsistem obezbeduje funkcije kao sto su: upravljanje multi -medijalnim pozivom i posluživanje po-ziva, sinhronizacija medija, upravljanje izlazno-ulaznim modulima i obrada aplikacija.
Prenosni i komutacioni podsistem obezbeduje upravljanje vezom, upravljanje propusnim opsegom i bitskim proto-kom. Prenosni i komutacioni podsistemi cine mrežu i odreduju ATM mrežne performanse, a ukljucuju protokol ATM slo-ja i ATM adaptacione slojeve, odnosno AAL protokole.
S vrha do dna arhitekture ATM protokola raspodeljene su funkcije kojima se obezbeduje zahtevani QoS, odnosno ot-klanjaju uzroci koji su izazvali degrada-ciju kvaliteta usluga.
QoS parametri podr'ani AAL proto-kolima i njihove granične vrednosti
QoS parametri AAL-a predstavljaju QoS zahteve koji su potrebni visim nivo-ima protokola, odnosno uslugama koje ti protokoli podržavaju pri komunikaciji preko ATM mreže. To znaci da se QoS
560
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 6/2005.
parametri protokola razlikuju prema vrsti usluge koju podržavaju. QoS zahtevi predstavljaju se kao grani~ne vrednosti QoS parametara AAL-a. Zadatak AAL-a jeste da obezbedi odgovarajući traženi QoS za svaku vrstu usluge. Time će se eliminisati razlika izmedu QoS AAL-a i QoS ATM sloja, odnosno protokola.
Konvergentni podsloj (Convergences Sublayer - CS) ATM adaptacio-nog sloja (AAL protokoli) podeljen je na dva podsloj a, i to: konvergentni podsloj specifi~ne usluge (Service Specific Convergence Sublayer) SS CS i zajedni~ki deo konvergentnog podsloj a (Common Part Convergence Sublayer) CP CS.
Svaki od SS CS, odnosno CP CS usmerava se prema odredenom ATM adaptacionom sloju, odnosno AAL pro-tokolu, kako je to prikazano na slici 2.
Sloj AAL protokola podeljen je na dva podsloja, i to na: podsloj segmentaci-je i reasembliranja - SAR i konvergentni podsloj - CS.
Podsloj CS zavisi od vrste usluge, a omogućava AAL uslugu korisćenjem AAL SAR protokola. Treba imati u vidu da poruka od visih slojeva (govor, video signal, podaci, multimedijalna poruka,
bitski niz E1/T1 signala, itd.) dolazi u formatu odredenog rama (frame), koji se segmentira u smeru predaje signala preko ATM mreže, a reasemblira u smeru prije-ma signala od ATM mreže (slika 3). Na taj na~in omogućava se prenos SAR seg-menata protokolom jedinice podataka (Protocol Data Unit - PDU). Jedinica po-dataka DU smestena je u pejlod ATM će-lije. U zavisnosti od tipa usluge, DU ima odredenu dužinu izraženu brojem bajtova koji ne može biti veći od 48.
S obzirom na to da se QoS zahtevi predstavljaju kao grani~ne vrednosti QoS parametara AAL-a, važno je da se odrede grani~ne vrednosti AAL QoS parameta-ra. U principu, QoS parametri AAL-a mogu se razlikovati prema vrsti usluge koju podržavaju.
Definisanje opstik QoS parametara
AAL-a
Ovi parametri kvantitativno se mo-gu standardizovati ili definisati za kon-kretnu vrstu usluge.
Granična vrednost verovatnoće po-gresnik ramova (Frame Error Ratio -FER-Bound). Ram korisni~ke poruke
Protokoli viSih slojeva
јГ Servisno specifični Konvergentni f SSCS jr podsloj N Zajednttki deo ATM adaptadoni I CS ^ CP CS sloj (AAL protokoli) Ж Podsloj segmentacije i reasembliranja SAR
Sl. 2 — Struktura podslojeva AAL protokola
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 6/2005.
561
Sl. 3 — Segmentiranje ramova na jedinicepodataka (SAR PDU)
predstavlja SDU koji je primljen od protokola viseg sloja. FER se definise kao odnos broja ramova sa greskama Rg pre-ma zbiru broja primljenih ramova bez gresaka Ri i broja ramova sa greskama:
FER = Rg/(Rg + Ri)
Granicna vrednost FERmax definise se izrazom:
FER < FERmax gde je:
FER - verovatnoća pogresnih ramova podržana AAL-om,
FERmax - granicna vrednost verovatno-će pogresnih ramova odredena protoko-lom viseg sloja.
U ovom slucaju koristi se FER, tj. ve-rovatnoća pogresnih ramova umesto vero-vatnoće pogresnih bita BER (Bit Error Rate) zbog toga sto protokol svakog sloja upravlja svojim SDU, a QoS parametri moraju biti bazirani na jedinici podataka usluge, a ne na verovatnoći bitske greske.
PDU SAR predstavlja ram cija je dužina mnogo veća od velicine SAR
PDU, kako je to prikazano na slici 2. U procesu preslikavanja QoS parametara posmatra se SAR PDU, pa se prema tome FER odnosi na SAR ram.
Korisćenje FER može biti problema-ticno u slucaju usluga prenosa video sig-nala i govora, kod kojih pojava rama sa greskom može dovesti do gubitka sinhro-nizacije, a time i do mogućnosti ozbiljne degradacije kvaliteta video signala ili multimedijalne poruke. To se ne odnosi na slucaj kada se koristi tehnika slojevitog kodovanja video signala, kod koje se sva-ka komponenta video signala može preno-siti odvojeno sa sopstvenim QoS zahtevi-ma. U tom slucaju komponente signala koje sadrže informacije o sinhronizaciji mogu biti prenosene sa strožim QoS-om u odnosu na druge video signale.
Minimalna granicna vrednost pro-pusnog opsega (Troughput Bound -Wmin) date veze predstavlja vrednost bitske brzine koja se sigurno može ostva-riti datom vezom, a definise se relacijom:
W > Wmin
562
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 6/2005.
gde je:
W - propusni opseg obezbeđen AAL-om, Wmin - granicna vrednost propusnog, određena protokolom vi{eg sloja.
Protokol AAL mora obezbediti Wmin vi{em sloju, sve vreme trajanja veze. Postoji vi{e razloga za preslikava-nje zahteva za propusni opseg. Propusni opseg koji se zahteva od korisnika usluge ne uzima u obzir prema{enja koja mogu nastati zbog upravljackih informacija, a koje zahteva skup protokola po pojedi-nim nivoima. Retransmisija kod prenosa podataka smanjuje efektivni propusni opseg, a zahtevani propusni opseg može bi-ti znatno smanjen tehnikama kompresije govornih i video signala.
Granicna vrednost kasnjenja ramo-va (Frame Delay Bound - Dmax) defini-{e se relacijom:
Di < Dmax, za svako i gdeje:
Di - ka{njenje sa kojim je i-ti ram otpre-mljen od vi{eg nivoa i isporucen na odre-di{te,
Dmax - najveća granicna vrednost ka-{njenja.
Granicna vrednost varijacije kasnjenja ramova (Frame Delay Variation Bound - Jmax) defini{e se relacijom:
Ji = Di—D < Jmax, za svako i gdeje:
D - idealno ili ciljno karnjenje dobijeno pomoću AAL protokola,
Ji - džiter i-tog rama otpremljenog od vi-{eg nivoa i isporucenog na odredi{te, Jmax - najveća granicna vrednost džitera.
QoS parametri podr'ani ATM
slojem i njihove granicne vrednosti
Na ATM sloju defini{u se sledeći QoS parametri i njihove granicne vrednosti:
- granicna vrednost verovatnoće gu-bitka ćelija (Cell Loss Ratio Bound -CLRmax) specifican je parametar ATM--a, a nastaje kao rezultat prepunjavanja bafera u ATM komutacionim sistemima. Prepunjavanje se javlja usled nagomila-vanja saobraćaja;
- granicna vrednost propusnog op-sega (Throughput Bound - W’min). Zah-tevi za propusni opseg defini{u se preko Wmin parametra. U ATM sloju granicna vrednost propusnog opsega defmi{e se kao minimalna {irina propusnog opsega za datu vezu;
- granicna vrednost ka{njenja i dži-tera (Cell Delay and Jitter Bound -D’max, J’max) u ATM sloju ima istu de-fmiciju kao u AAL-u, uzimajući u obzir da se ove vrednosti odnose na ćelije, a ne na ramove;
- granicna vrednost verovatnoće ubacivanja ćelija (Cell Insertion Rate Bound - CIR). Ubacivanje ćelija nastaje kao posledica gre{aka koje nastaju u za-glavlju ATM ćelije. ATM komutacioni sistemi otkrivaju i odbacuju ćelije koje imaju gre{ku u zaglavlju, a ALL proto-koli svojim funkcijama takođe otkrivaju gre{ke u zaglavlju. CIR se obicno ne tre-tira kao QoS parametar, zbog toga {to je neznatan u poređenju sa CLR, tj. vero-vatnoćom gubitka ćelija.
Preslikavanje QoS parametara sa
SAR podsloja na ATM sloj
AAL je podeljen na SAR podsloj i konvergentni podsloj (CS). Konvergentni
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 6/2005.
563
podsloj zavisi od vrste usluge i omoguća-va AAL uslugu u AAL SAR. Da bi se dobili uopsteni rezultati vezani za presli-kavanje nezavisno od tipa AAL protokola, pretpostaviće se da AAL ne koristi CS, već ima SAR PDU. To je struktura kao kod AAL-1 protokola.
Preslikavanjem se formiraju granic-ne vrednosti mrežnih parametara (NP) -CLRmax, W’min, D’max, J’max, korisće-njem granicnih vrednosti AAL QoS parametara - FERmax, Wmax, Dmax i Jmax. NP parametri su, u sustini, parametri ATM sloja.
Granicna vrednost verovatnoće gu-bitka ćelija CLRmax data je sledećom re-lacijom:
CLR(SAR) = CLR(AMT) = CLR (prema-{enja) (1)
gde je:
CLR (SAR) - CLR od SAR podsloja, CLR (ATM) - CLR na ATM sloju,
CLR (premasenje) - verovatnoća gubitka ćelije prouzrokovana prepunjavanjem ba-fera.
Verovatnoća pojave rama sa greskom na SAR podsloju izracunava se iz sledeće relacije:
FER = ^ P (pogre{an ram M = m)
M
P (M = m)
= S[! - 0 -PeT] P(M = m)
M
= ^ m pe P(M=m),
M
(uz pretpostavku da je pe<<1 (2)
= pe ^ m P(M=m) = pe E
M
gde je:
pe - verovatnoća pojave greske SAR PDU na SAR podsloju,
M - slucajna promenljiva koja oznacava broj SAR PDU u jednom ramu,
P (M = m) - verovatnoća pogresnog rama, E - dužina rama.
Verovatnoća greske SAR PDU nije direktno povezana sa CLR (SAR) zbog toga sto se mora uzeti u obzir bilo koji mehanizam zamene SAR PDU. Tako, na primer, ako su detektovane izgubljene ćelije i zamenjene praznim ćelijama da bi se sacuvala celina broja bita, time se, ta-kode, unose greske u pejlodu. Zbog toga se CLR (SAR) mora uzeti sa odredenim faktorom korekcije. Imajući to u vidu, verovatnoća greske SAR PDU izracuna-va se iz sledeće relacije:
pe = CLR(SAR) + aCLR(SAR) (3)
gde je 1 < a < 376 korekcioni faktor koji zavisi od mehanizama zamene izgubljene ćelije. U slucaju video usluga a može da zavisi od primenjene tehnike kodovanja, od-nosno kompresije video signala. U slucaju kada nema zamene uzima se da je a = 376.
CLR (premasenje), koje mora ga-rantovati ATM mreža, može se izracuna-ti iz sledeće relacije:
CLRmax = CLR (prema{enje) = p/a — 376/aBER (4)
Granicna vrednost propusnog opse-ga W'min odreduje se iz relacije:
W'min = 35/47 W min (5)
564
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 6/2005.
Ova relacija odnosi se na protokol AAL-1 i prenos E1/T1 signala primarnog multipleksa. Ako se koristi SDH prenos, granicna vrednost propusnog opsega mora biti pove}ana zbog prema{enja koje unosi SDH ram.
Granicne vrednosti kasnjenja celije i d'itera D'max i J'max moraju biti ga-rantovane ATM slojem, odnosno proto-kolom. S druge strane, pomenute velicine zavise od velicine prijemnog bafera pri-jemnika entiteta AAL-a (tzv. playout ba-fer). Ugovorene granicne vrednosti AAL-ovim entitetima na postoje}oj vezi mogu kasnije biti promenjene u strože granicne vrednosti ka{njenja i manje stroge granicne vrednosti džitera.
Granicna vrednost ka{njenja D’max u ATM sloju uslovljena je procesom for-miranja SAR podsloja (slika 1), a odre-duje se iz relacije:
D'max = Dmax — I (M-1) — dmax (playout)
(6)
gde je:
I - interval izmedu SAR PDU-ova, kada je ram podeljen na PDU-ove,
M - broj PDU-ova u jednom ramu, dmax (playout) - maksimalno ka{njenje u playout baferu.
Granicna vrednost za ATM NP (ka-{njenje zbog obrazovanja redova ceka-nja) data je slede}om relacijom:
D'max(NP) = D'max — Dp (7)
gde je Dp pokazatelj ka{njenja, ukljucuju-}i ka{njenje propagacije, procesiranja, itd.
Granicna vrednost džitera na ATM sloju J’max nije uslovljena procesom SAR podsloja, {to znaci da se može od-rediti iz izraza:
J'max = Jmax + Jmin (playout) (8)
gde je Jmin (playout) minimalna vrednost džitera nastala zbog ka{njenja u playout baferu.
Granicna vrednost džitera za ATM NP (džiter zbog obrazovanja redova ce-kanja) izracunava se iz relacije:
J'max = Jmax + Jmin (UNI) (9)
gde je sa Jmin (UNI) oznacen maksimalni džiter ATM }elija na interfejsu korisnika mreža (User Network Interface - UNI).
Postavlja se pitanje - kako se podr-žavaju parametri kvaliteta usluga koji su preslikani na ATM protokole. Re{enje se nalazi u kontroli i upravljanju saobra}a-jem, merama kao {to su:
- upravljanje pristupom mreži (Con-venction Admission Control - CAC);
- oblikovanje saobra}aja (Traffic Shaping - TS);
- posluživanje saobra}aja (Traffic Policing - TP);
- kontrola zagu{enja (Congestion Control - CC).
CAC funkcija odnosi se na odluku o tome da li dozvoliti formiranje traženih VPI/VCI sa zahtevanim protocima, u zavi-snosti od toga da li mreža može da zadovo-lji QoS sa zahtevanom klasom usluga, a da se pri tome ne ugrozi QoS postoje}ih veza.
TS obavlja funkcije interfejsa kori-snik - ATM mreža (UNI). Saobra}aj se oblikuje tako da odgovara parametrima dogovorenim u trenutku uspostavljanja veza, odnosno u skladu sa algoritmima za brzinu generisanja }elija (Genetic Cell Rate Algorittam).
TP na ulazu u komutacioni cvor proverava da li se protok }elija nalazi u
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 6/2005.
565
dogovorenim granicama. ATM komuta-cioni cvor ima dve mogućnosti: da odba-ci ćelije koje se na ulazu ne mogu prosle-diti ili da njihov prioritet postavi (CLP = 1) na visok nivo.
CC funkcije obavljaju ATM komu-tacioni cvorovi unutar mreže sa ciljem da se izbegne zagusenje saobraćaja. CC me-toda zasniva se na uvodenju povratne sprege kojom se ćelije sa izlaza vraćaju na ulaz komutacionog polja.
Zaključak
U radu je analizirano preslikavanje parametara kvaliteta usluga na ATM
adaptacione protokole, kao i preslikavanje parametara kvaliteta na ATM mrežne per-formanse. Pomoću protokola adaptacio-nog sloja ATM mreže obezbeđuje se rea-lizacija razlicitih klasa usluga. Pokazano je da preslikavanje QoS-a omogućava ga-rantovani kvalitet usluga s kraja na kraj veze u ATM, odnosno B-ISDN mreži.
Literatura:
[1] Jevtović, M.: Multimedijalne telekomunikacije; ISBN 86903281-6-4; Grafo-Zig, Beograd, 2004.
[2] Jevtović, M.: Kvalitet usluga telekomunikacionih mreža, ISBN 86-903281-1-4; Grafo-Zig, Beograd, 2002.
[3] Jevtović, M.: Telekomunikacione ATM mreže, Grafo-Zig, Beograd, 2001.
[4] Standardi Međunarodne unije za telekomunikacije, prepo-ruke ITU-T za sirokopojasne mreže (B-ISDN).
566
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 6/2005.
Tabela 3
Uzroci degradacije kvaliteta i metode otklanjanja uzroka
Komunikac. protokoli Uzroci degradacije i metode pobolj{anja kvaliteta
Protokoli vi{ih slojeva korekcija gre{aka; retransmisija slojevito kodovanje poruka ka{njenje pri kodovanju džiter kodovanja
AAL protokoli prepunjavanje bafera; odbacivanje zakas. }elija; ubacivanje praznih }elija odbacivanje uba~enih }elija ka{njenje kod asembliranja i otpreme džiter pri otpremi; džiter pri asembliranju }elija
ATM sloj prepunjavanje bafera ka{njenje zbog ~ekanja u redovima džiter zbog ~ekanja u redovima
Fizi~ki sloj bitske gre{ke (u pejlodu) bitske gre{ke u zaglavlju; korekcija gre{aka odbacivanje }elija sa gre{kama ka{njenje prilikom propagacije džiter u pristupu na UNI interfejsu
Tip otkaza pogre{na }elija izgubljena }elija uba~ena }elija ka{njenje }elija džiter }elija
Sl. 1 — Arhitektura ATM protokola (AAL sloj):
AAL — ATM adaptacioni sloj (ATMAdaptation Lauer); A, B, C, D — klase usluga definisane ITU-T;„X“„ Y“ — klase usluga pri promenljivoj bitskoj brzini; „N/A“ — klasa usluga koje se odnose na signalizaciju AAL; SVC — komutirani — virtuelni kanali ili komutirana virtuelna kola; SVC class — SVC klase usluga; VBR — promenljiva bitska brzina (Variable Bit Rate); SSCS — podsloj specificne usluge (Service Specific Convergence Sublayer); SAR — segmentacija i reasembliranje (Segmentation and Reassembly); TCP/IP — protokol upravljanja prenosom/medumreini protokol (Transmission Control Protocol/Internet); CLNS — mreine usluge (Connection less network services)
Sl. 2 — Struktura podslojeva AAL protokola
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 6/2005.
567
Sl. 3 — Segmentiranje ramova na jedinicepodataka (SAR PDU)
568
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 6/2005.
