ATM交換機IP業務優先級的設計與實現

王建兵,康宗緒,李 文,王 凱,劉 文

(1.重慶金美通信有限責任公司,重慶400030;2.中國電子系統設備工程公司研究所,北京100000; 3.信息化部檔案館,北京100000)

ATM交換機IP業務優先級的設計與實現

王建兵1,康宗緒1,李 文2,王 凱1,劉 文3

(1.重慶金美通信有限責任公司,重慶400030;2.中國電子系統設備工程公司研究所,北京100000; 3.信息化部檔案館,北京100000)

ATM交換機由于執行了嚴格的基于連接的流量管理和擁塞控制,能為用戶提供良好的QoS保證,在骨干網中得到了廣泛應用。但如何解決IP業務優先級與ATM優先級的對應關系,及建立和撤除機制,是ATM交換機設計面臨的重要問題。以ATM交換機無線ATM接口為例,對ATM交換機如何實現IP業務優先級與ATM優先級的對應,及建立和釋放策略等方面,提出了一套完整的設計和實現方案。

業務優先級 服務質量 多協議標簽轉發協議 標簽轉發路徑

0 引 言

ATM交換機在骨干網得到了廣泛應用,但是隨著IP的廣泛應用,如何將這兩種體制進行很好的結合,即IP OVER ATM[1];以及IP業務如何很好地利用ATM交換基于連接的優先級控制,是一個需要解決的問題。

文中討論了如何利用ATM交換機的核心交換芯片的四級優先級隊列,實現ATM交換機中IP業務優先級與交換芯片四級優先級隊列的對應關系,及帶寬分配策略等,提出了IP業務優先級在ATM交換機中的設計和實現的一種方法。

1 實現方案

1.1 ATM業務類型劃分及優先級介紹

ITU-T(International Telecommunications Union)根據3類參數將所有業務劃分為4種類型[2]。第1類參數指信源和信宿之間的時間關系,即信息傳輸是否需要實時進行;第2類參數指信息傳輸的比特率,即信息傳輸的速率是否為恒定的;第3類參數指連接方式,即發送接收端通信是否采用面向連接方式。根據這三組參數不同的組合分為四類業務,具體如表1所示。

表1 業務種類劃分Table 1 Data type

A、B、C和D四類業務在ATM交換機中對應的業務類型又分別叫CBR(Constant Bit Rate)、RT_ VBR(Real time-Variable Bit Rate)、NRT_VBR(No Real time-Variable Bit Rate)和UBR(Unspecified Bit Rate)業務。

CBR業務具有恒定比特率和面向連接特征,通信雙方具有時鐘同步特點。例如在ATM網絡上傳輸64 kbit/s話音業務,由于雙方必須保證實時編解碼,所以網絡上傳輸必須采用面向連接的方式(對所有信息傳輸只能在建立連接的基礎上才能減少路由選擇的開銷并且事先可以保證足夠的傳輸帶寬)和雙方時鐘同步(時鐘信息可以傳播,便于信息實時再現);另外信息傳輸碼率為64 kbit/s,所以必須采用恒定比特率。可以看到CBR業務非常類似電路交換網絡提供的特點,所以在ATM網絡中提供的這類業務又稱“電路仿真(Circuit Simulation).業務”。

RT_VBR業務具有面向連接特征,通信雙方具有時鐘同步的特點,但是信息傳輸可以是變比特率的。CBR和RT_VBR業務的不同點是業務是否具有恒定比特率,顯然RT_VBR業務具有更大的自由度,能夠適合恒定質量的壓縮信息如音頻、視頻傳送,但是這種業務類型對網絡的資源管理、流量監測和控制提出了更高的要求。

NRT_VBR業務具有面向連接特征,但通信雙方沒有時鐘同步要求,傳送速率是可變的。適合于面向連接的數據和信令傳送。

UBR業務具有面向非連接特征,通信雙方沒有時鐘同步要求,傳輸速率是可變的。適合傳送面向非連接的數據。

根據業務類型的信元丟棄策略,在ATM交換機中根據其對信元丟失率的和實時性要求,將4種業務分別對應為:特高優先級(最高)、高優先級(特優)、中優先級(優先)和低優先級(普通)[3]這4類。當端口出現擁塞時,交換網絡將優先丟棄低優先級的業務,保證高優先級的業務。

1.2 優先級和IP業務對應策略

為了實現ATM交換機業務優先級和IP業務優先級的對應,我們將IP業務分為4類優先級業務。在網絡資源有限的情況下,盡可能地確保高級別業務首先使用網絡資源,低級別業務在可能情況下盡可能地使用網絡資源。當端口帶寬被低優先級業務占用時,高優先級業務能自動搶占低優先級業務的帶寬。優先級及業務的對應關系如表2所示。

表2 優先級和業務對應關系Table 2 IP data corresponding to priority

高優先級業務可以搶占低優先級業務,高優先級業務撤除后,低優先級業務可以自動恢復。

1.3 建立、撤銷策略

由于ATM端口資源的限制,各種優先級業務的建立均需要分配資源,為了滿足優先級和業務的對應策略,我們在交換機初始化端口時,將連接資源初始化成該端口帶寬的4倍,如無線ATM群路帶寬為2 048 kbit/s,則需要將其初始化成8 192 kbit/s,但在內部管理時,將其平均分配給4個優先級的隊列,具體如表3所示,采用此策略既保證了各種優先級業務建立連接時的資源需求,實現高優先級業務建立時不受低優先級業務的影響;又能達到當有高優先級業務已經分配帶寬后,低優先級業務能夠通過其它路徑建立連接,達到有效分流業務的目的。

表3 群路帶寬分配策略Table 3 Trunk band assign policy

2 測試驗證

2.1 高優先級搶占低優先級業務驗證和分析

搭建如圖1所示驗證平臺并配置各設備。各中繼端口速率設置為2 048 kbit/s,中繼端口IP地址設置為無編號,綁定OSPF協議,啟用MPLS協議[4],設置OSPF對所有協議的重分布。

圖1 IP業務搶占測試Fig.1 IP data seize test

在ATM1上建立ATM1到ATM2的雙向LSP以承載PC1-＞PC4的數據,優先級為普通,帶寬為1 500 kbit/s,在ATM1上查詢相應LSP的建立信息,PC1-＞PC4的LSP能夠建立成功;在ATM1上建立ATM1到ATM2的雙向LSP以承載PC1-＞PC3的數據,優先級為優先,帶寬為1 500 kbit/s,兩條連接的總帶寬達到3 000 kbit/s,超過群路能夠提供的帶寬(ATM1到ATM2的群路帶寬為2 048 kbit/s), ATM1上查詢相應LSP的建立信息,PC1-＞PC3的LSP能夠建立成功,滿足在建立階段高優先級業務搶占低優先級業務的策略。PC1作為FTP服務器, PC4作為客服端,從PC1下載文件,在PC4下載文件過程中,PC3作為客服端,從PC1下載文件,直到下載完成。比較兩臺PC的下載情況發現,當PC3從PC1開始下載文件時,PC4的下載速度變慢,并且PC3的下載速度比PC4速度快,當PC3下載完成之后,PC4下載速度恢復。

在ATM1上拆除PC1-＞PC4的LSP,PC1-＞PC3的LSP保持;在ATM1上建立ATM1到ATM2的雙向LSP以承載PC1-＞PC4的數據,優先級為特優,帶寬為1 500 kbit/s,兩條連接的總帶寬達到3 000 kbit/s,超過群路能夠提供的帶寬(ATM1到ATM2的群路帶寬為2 048 kbit/s),在ATM1上查詢相應LSP的建立信息;PC1-＞PC4的LSP能夠建立成功,滿足在建立階段高優先級業務搶占低優先級業務的策略。PC1作為FTP服務器,首先PC3作為客服端,從PC1下載文件,在PC3下載文件過程中, PC4作為客服端,從PC1下載文件,直到下載完成。比較兩臺PC的下載情況發現,當PC4從PC1開始下載文件時,PC3的下載速度變慢,并且PC4的下載速度比PC3速度快,當PC4下載完成之后,PC3下載速度恢復。

在ATM1上拆除PC1-＞PC3的LSP,PC1-＞PC4的LSP保持;在ATM1上建立ATM1到ATM2的雙向LSP以承載PC1-＞PC3的數據,優先級為最高,帶寬為1 500 kbit/s,兩條連接的總帶寬達到3 000 kbit/s,超過群路能夠提供的帶寬(ATM1到ATM2的群路帶寬為2 048 kbit/s),ATM1上查詢相應LSP的建立信息,PC1-＞PC3的LSP能夠建立成功,滿足在建立階段高優先級業務搶占低優先級業務的策略。PC1作為FTP服務器,首先PC4作為客服端,從PC1下載文件,在PC4下載文件過程中, PC3作為客服端,從PC1下載文件,直到下載完成,比較兩臺PC的下載情況發現,當PC3從PC1開始下載文件時,PC4的下載速度變慢,并且PC3的下載速度比PC4速度快,當PC3下載完成之后,PC4下載速度恢復。

通過以上三次從低到高不同優先級連接的建立及業務試驗(1次普通和優先,1次優先和特優,1次特優和最高),證明了連接建立時,在已經建立了低優先級業務連接后,需要建立1條高優先級業務,且高優先級業務和低優先級業務的總帶寬超過了鏈路的總帶寬時,高優先級業務仍然能建立成功;而且證明了當他們同時傳送業務時,高優先級業務能夠被優先傳送的原則。

2.2 低優先級業務繞行測試驗證和分析

搭建如圖2所示驗證平臺并配置各設備。各中繼端口速率設置為2048kbit/s,中繼端口IP地址設置為無編號,綁定OSPF協議。

圖2 IP業務繞行測試Fig.2 IP data round test

在ATM1和ATM2的中繼端口啟用MPLS協議,ATM3的中繼端口不啟用MPLS協議。在ATM1上建立ATM1到ATM2的雙向LSP以承載PC1-＞PC2的數據,優先級為優先,帶寬為1 500 kbit/s,在ATM1上查詢相應LSP的建立信息,PC1-＞PC2的LSP能夠建立成功;在ATM1上建立ATM1到ATM2的雙向LSP以承載PC1-＞PC3的數據,優先級為普通,帶寬為1 500 kbit/s,兩條連接的總帶寬達到3 000 kbit/s,超過群路能夠提供的帶寬(ATM1到ATM2的群路帶寬為2 048 kbit/s),在ATM1上查詢相應LSP的建立信息,PC1-＞PC3的LSP不能建立成功,滿足在高優先級業務已經占領帶寬的情況,低優先級業務不能建立成功的策略。

將ATM3的中繼端口啟用MPLS協議,在ATM1上重新建立ATM1到ATM2的雙向LSP以承載PC1-＞PC3的數據,優先級為普通,在ATM1上查詢相應LSP的建立信息,發現PC1-＞PC3的LSP能夠建立成功,且在ATM3上能夠查到PC1-＞PC3上的LSP建立信息。此時將PC1作為FTP服務器,PC2和PC3作為客服端,同時從PC1下載文件,直到下載完成。比較兩臺PC的下載情況,發現兩臺PC機的下載速度相當。證明了當有高優先級業務搶占帶寬的條件下,如果有多條路徑到達目的地,低優先級業務能夠繞行建立,達到有效分流業務的目的。

3 結 語

文中提出了利用ATM交換機的核心交換芯片的四級優先級隊列,創新性地提出了一種端口資源分配方法,既能滿足交換機通過MPLS建立LSP時的建立和撤銷策略,又能實現端口帶寬擁塞時滿足各種業務的優先級關系。文中IP業務優先級的實現方法在ATM交換機中通過了工程實現,具有一定通用性,可以滿足不同優先級業務的QoS需求。

[1]趙志剛,呂慧顯,錢積新.IP技術和ATM技術探討[J].信息與控制,2002,31(01):30-34.

ZHAO Zhi-gang,LU Hui-xian,QIAN Jin-xin.Discussion of IP Technology and ATM Technology[J],Information And Control,2002,31(1):30-34.

[2]黃錫偉,朱秀昌.寬帶通信網絡[M].北京:人民郵電出版社,1999:144-147.

HUANG Xi-wei,Broadband Communication Net[M]. ZHU Xiu-chang,Beijing,People Post and Telecommunication Press,1999,144-147.

[3]趙明,趙海,高怡臣.能夠提供QoS保證的固定優先級調度[J].計算機工程與應用,2009,45(14):46-48.

ZHAO Ming,ZHAO Hai,GAO Ye-chen.Fixed Priority Coordination That Can Provide QoS[J].Computer Engineer And Application,2009,45(14):46-48.

[4]王從軍.基于ATM的流量工程研究[J].通信技術, 2009,42(12):140-141.

WANG Chong-jun.Research of Traffic Engineer based on ATM[J].Communications Technology,2009,42 (12):140-141.

WANG Jian-bing(1973-),male,M.Sci., senior engineer,mainly engaged in computer and communication technology.

康宗緒(1972—),男,碩士,高級工程師,主要研究方向為計算機網絡及通信技術;

KANG Zong-xun(1972-),male,M.Sci.,senior engineer, mainly engaged in computer and communication technology.

李 文(1979—),男,碩士,工程師,主要研究方向為計算機網絡及通信技術;

LI Wen(1979-),male,M.Sci.,engineer,mainly engaged in computer and communication technology.

王 凱(1976—),男,碩士,高級工程師,主要研究方向為計算機網絡及通信技術;

WANG Kai(1976-),male,M.Sci.,senior engineer, mainly engaged in computer and communication technology.

劉 文(1982—),女,碩士,工程師,主要研究方向為指揮自動化。

LIU Wen(1982-),female,M.Sci.,engineer,mainly engaged in command automatization.

Designment and Implementation of ATM Switching IP Data Priority

WANG Jian-bing1,KANG Zong-xu1,LI Wen2,WANG Kai1,LIU Wen3
(1.Chongqing Jinmei Communication Co.,Ltd.Chongqing 400030,China;2.Institute of China Electronics System Facility Engineer Co.,Beijing 100000,China;3.Muniment Room of Information Department,Beijing 100000,China)

ATM Switching is widely used in the trunk network,because of its strict traffic management and congestion control,which can offer good Quality of Service.But the serious problem of ATM switching designment is how to resolve priority of the IP data corresponding to priority of ATM and method of setting up and removing.The chapter proposes a whole scheme of design and realization for how to make the priority of the IP data corresponding to the priority of ATM,as well as the method of setting up and removing the interface of wireless ATM.

data priority;QoS;MPLS;LSP

TP393.0

A

1002-0802(2014)05-0540-04

10.3969/j.issn.1002-0802.2014.05.017

王建兵(1973—),男,碩士,高級工程師,主要研究方向為計算機網絡及通信技術;