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的一個優(yōu)點是它的高可預(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)先級別和預(yù)計信元凈荷到達(dá)時間的能力使得網(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。這種方案代價高而且不具備任意兩點間的連網(wǎng)能力。

　　ATM網(wǎng)絡(luò)提供了基于網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)上提供點到點網(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)先級別。

　　恒定比特率(CBR)業(yè)務(wù): 這種業(yè)務(wù)在發(fā)送點與接收點之間提供持續(xù)的比特流。業(yè)務(wù)提供者確保在整個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)用實例包括電話會議，電話業(yè)務(wù)，遠(yuǎn)端教學(xué)和付費電視。

　　可變比特率(nrt-VBR和rt-VBR)業(yè)務(wù): 非實時可變比特率業(yè)務(wù)(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(wù)。這類業(yè)務(wù)的典型例子是企業(yè)級LAN業(yè)務(wù)。一些應(yīng)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(wù)適于突發(fā)性業(yè)務(wù)，但要求嚴(yán)格的時限。一些應(yīng)用實例有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，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信元可能會被網(wǎng)絡(luò)中任何遇到阻塞的交換機(jī)丟棄。對于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。

　　信元時延偏差容限(CDVT): 適于時間敏感型業(yè)務(wù)，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(jìn)行QoS測試時，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QoS的測試。下面是QoS測試的內(nèi)容:

　　信元時延偏差(CDV): 由于排隊時延，各個信元在ATM網(wǎng)絡(luò)中交換所需的時間略有不同，這將產(chǎn)生信元間到達(dá)時間的微小差別。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，所產(chǎn)生的抖動會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-點測試和CDV 2-點測試。

　　1－點CDV測試和信元提前到達(dá)的時間有關(guān)。接收端檢查信元的實際到達(dá)時間比預(yù)計到達(dá)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(wù)，但可以在任何兩個網(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)到時間則表示出現(xiàn)了問題。

　　2－點CDV測試與網(wǎng)絡(luò)中端到端的實際測量時延有關(guān)。與1－點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(wù)的最大CDV指標(biāo)是峰峰值250毫秒。對于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(dá)接收站點的時間之差。這對于恒定比特速率的應(yīng)用是一個重要的數(shù)值，因為如果信元穿越網(wǎng)絡(luò)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(zhì)量。ITU建議語音或電視會議應(yīng)用的最大CTD指標(biāo)是130毫秒，對于流動視頻應(yīng)用，該項指標(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。信元可能因為以下原因而無法到達(dá)目的地:目的地錯誤;交換機(jī)嚴(yán)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(dá)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(jié)果是或者沒有一個信元抵達(dá)目的地或者幾乎所有信元都在時限內(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(shù)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(dāng)信元的信頭被破壞，目的地址對交換機(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)任何對網(wǎng)絡(luò)帶寬有要求的實際應(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(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，可以在實際應(yīng)用時按照合同規(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，在一般的QoS限度下測試通過的電路可能會出現(xiàn)嚴(yán)重問題。

　　如果3個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(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(shè)置，涉及中心局和遠(yuǎn)端局的PVCs端口

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