Аналіз методів керування трафіком ABR в мережах АТМ з використанням імітаційного моделювання
New method of ABR traffic control in ATM networks based on application of forecasting model, predicting the switch buffers load is suggested. The simulation model of ATM network for the university was elaborated and various simulation experiments were carried out. The efficiency of various ATM traff...
Gespeichert in:
| Datum: | 2019 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russisch |
| Veröffentlicht: |
The National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute"
2019
|
| Online Zugang: | https://journal.iasa.kpi.ua/article/view/171070 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | System research and information technologies |
| Завантажити файл: |  |
Institution
System research and information technologies| _version_ | 1866302393385222144 |
|---|---|
| author | Zaychenko, Yu. P. Hamudi, Muhammed-Ali Azzam |
| author_facet | Zaychenko, Yu. P. Hamudi, Muhammed-Ali Azzam |
| author_sort | Zaychenko, Yu. P. |
| baseUrl_str | http://journal.iasa.kpi.ua/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2019-06-24T12:52:05Z |
| description | New method of ABR traffic control in ATM networks based on application of forecasting model, predicting the switch buffers load is suggested. The simulation model of ATM network for the university was elaborated and various simulation experiments were carried out. The efficiency of various ATM traffic control methods were analyzed. |
| first_indexed | 2025-07-17T10:25:11Z |
| format | Article |
| fulltext |
© Ю.П.Зайченко, Мухаммед-Али Аззам Хамуди, 2005
42 ISSN 1681–6048 System Research & Information Technologies, 2005, № 2
TIДC
ПРОБЛЕМНО І ФУНКЦІОНАЛЬНО
ОРІЄНТОВАНІ КОМП’ЮТЕРНІ СИСТЕМИ ТА
МЕРЕЖІ
УДК 683. 519
АНАЛИЗ МЕТОДОВ УПРАВЛЕНИЯ ТРАФИКОМ ABR В
СЕТЯХ АТМ С ПРИМЕНЕНИЕМ ИМИТАЦИОННОГО
МОДЕЛИРОВАНИЯ
Ю.П. ЗАЙЧЕНКО, МУХАММЕД-АЛИ АЗЗАМ ХАМУДИ
Предложен новый метод управления трафиком ABR в сетях АТМ на основе
построения модели, прогнозирующей загрузку буферов коммутаторов сети
АТМ. Разработана имитационная модель корпоративной сети АТМ универси-
тета. Выполнено моделирование ее работы с различными методами управле-
ния трафиком, включая предложенный. Проведен анализ их эффективности.
ВВЕДЕНИЕ
Одной из проблем проектирования компьютерных сетей с технологией
АТМ является анализ и выбор систем управления трафиками категорий
CBR,VBR и ABR. Разработка и внедрение системы управления трафиками
позволяет обеспечить необходимые показатели качества передачи, наилуч-
шим образом управлять имеющимися ресурсами при установлении новых
соединений, что, в конечном счете, влияет на эффективность функциониро-
вания сети, ее производительность и качество обслуживания абонентов. Со-
временная компьютерная сеть АТМ — очень сложная система, в которой
одновременно передаются разные виды информации (аудио, видео и данные
с различными показателями качества (QoS)). На функционирование системы
непосредственно влияет организация управления трафиками CBR,VBR и
ABR, управление работой коммутаторов, в частности способ организации
буферов и метод управления очередями. Поскольку построение аналитиче-
ских моделей для комплексного исследования влияния этих факторов на
QoS невозможно, единственный способ решения указанной проблемы —
разработка имитационной модели.
Цель данной работы — описание детализированной имитационной мо-
дели (ИМ) корпоративной сети АТМ, исследование и анализ на основе ИМ
методов управления потоками и способов управления буферами коммутато-
ров АТМ, включая предложенный новый метод управления на основе про-
гнозирования.
В работе описана ИМ сети АТМ. Рассматривается корпоративная ком-
пьютерная сеть АТМ, состоящая из хост-ЭВМ, конечного оборудования
Анализ методов управления трафиком ABR в сетях АТМ …
Системні дослідження та інформаційні технології, 2005, № 2 43
пользователей — АП, узлов связи (УС) — коммутаторов АТМ и каналов
связи (КС) соответствующей пропускной способности.
Конечное оборудование и хост-ЭВМ являются генераторами входных
пакетов-трафиков разных категорий сервиса передачи информации:
• с постоянной скоростью (аудио и видеоинформация) —CBR;
• с переменной скоростью (сжатых видео и аудио) — VBR;
• с доступной информацией данных — ABR.
Каждый iУС характеризуется векторами CBR
iH , VBR
iH , и ABR
iH , ко-
торые отвечают категориям трафика CBR,VBR и ABR.
Особенности технологии АТМ — введение следующих показателей
качества соответствующих категорий: CTD — средняя задержка ячеек,
CDV — вариация средней задержки, CLR — вероятность потери ячеек.
Каждой категории сервиса соответствуют свои значения .SoQ Для пе-
редачи трафика CBR используется постоянная полоса в канале, независимо
от того, идет передача информации или нет. Остаток полосы выделяется для
смеси трафиков VBR и ABR. Трафик VBR является более приоритетным и
обслуживается в первую очередь, а остаток полосы канала занимает трафик
ABR.
1. УПРАВЛЕНИЕ ТРАФИКОМ
Важная функция коммутаторов АТМ и систем управления сетью — управ-
ление трафиком. Управление трафиком ABR осуществляется на основе ме-
ханизма обратной связи, с помощью которого контролируется скорость
передачи источника в соответствии с изменением характеристик сети. Ме-
ханизм обратной связи реализуется специальными ячейками, которые назы-
вают RM-ячейками или ячейками управления ресурсами.
Существует несколько методов и подходов к управлению трафиком
ABR. Наиболее известны подходы rate-based и credit-based [3].
1.1.1. Кредитная схема
Эта схема предусматривает управление потоком на каждом участке каждо-
го виртуального соединения. На принимающих портах коммутаторов ATM
под конкретное виртуальное соединение резервируются определенные объ-
емы буферной памяти. Таким образом источник трафика как бы получает
кредит на передачу определенного числа ячеек, которую он может осущест-
вить, не дожидаясь какой-либо управляющей информации. Число ячеек оп-
ределяется объемами выделенных буферов. При возникновении перегрузки
и переполнении буферной памяти одного из коммутаторов он посылает
управляющее сообщение на предыдущий коммутатор с требованием пре-
кратить передачу данных по «перегруженному» соединению. Тот прекраща-
ет передачу и начинает накапливать поступающие данные в своем буфере.
Это продолжается до тех пор, пока не исчезнет перегрузка на первом участ-
ке, и коммутатор не пришлет разрешение на возобновление передачи. Отме-
тим, что при такой схеме управления перегрузками для каждого виртуаль-
ного соединения должен быть выделен индивидуальный буфер.
Ю.П.Зайченко, Мухаммед-Али Аззам Хамуди
ISSN 1681–6048 System Research & Information Technologies, 2005, № 2 44
Кредитная схема управления перегрузками может предотвратить поте-
рю ячеек, что очень важно для работы некоторых приложений. Она позво-
ляет максимально эффективно использовать полосу пропускания канала и,
кроме того, дает возможность проходящим по одному физическому каналу
виртуальным соединениям работать на разных скоростях.
Рассмотренная схема не получила широкого распространения, так как
ее применение требует серьезной доработки оборудования ATM для подде-
ржки индивидуальных буферов и сложных алгоритмов динамического рас-
чета буферного пространства при установлении коммутируемых виртуаль-
ных соединений (SVC). Кредитная схема не была одобрена Форумом ATM и
не вошла в стандарты по управлению трафиком.
1.1.2. Скоростные схемы
Существует несколько скоростных схем управления перегрузками, и все они
предусматривают использование обратной связи для информирования ис-
точника о том, с какой скоростью в данный момент он может передавать
ячейки по каждому виртуальному соединению [3, 5].
FECN и BECN
FECN (Forward Explicit Congestion Notification) — одна из скоростных схем
управления перегрузками, использующая отрицательную обратную связь.
Когда коммутатор ATM испытывает перегрузку, он выставляет в проходя-
щих через него ячейках бит EFCI (находится в поле PTI заголовка ячейки),
информируя тем самым приемник о перегрузке по конкретному виртуаль-
ному соединению. Получив сообщение о перегрузке, приемник направляет
эту информацию источнику трафика.
В свою очередь, источник принимает решение о снижении скорости
передачи по «перегруженному» виртуальному соединению.
Рассмотрим принцип работы схемы FECN. Испытывающий перегрузку
коммутатор устанавливает во всех ячейках, проходящих по виртуальному
соединению VC1, биты EFCI, равные единице, и тем самым информирует
приемник о перегрузке по этому соединению. Получив данную информа-
цию, приемник, чтобы проинформировать источник трафика о перегрузке,
высылает ему специализированные ячейки управления ресурсами RM
(Resource Management). Получив ячейки RM, источник начинает снижать
скорость передачи по соединению VC1.
По аналогичному принципу работает и схема BECN (Backward Explicit
Congestion Notification), но в ней предусмотрено, что информацию о пере-
грузке направляет источнику трафика непосредственно сам испытывающий
ее коммутатор (рис.1). Очевидным преимуществом схемы BECN является
более быстрая и, следовательно, более эффективная реакция на перегрузку.
Но, с другой стороны, при использовании этой схемы каждый транзитный
коммутатор ATM должен уметь генерировать ячейки RM и вставлять их в
проходящий поток данных.
В схемах FECN и BECN коммутатор ATM считается перегруженным,
если очередь ячеек на обслуживание (коммутацию) превысит определенное
пороговое значение. Получив информацию о перегрузке, источник должен
начать снижение скорости передачи трафика, направляемого через перегру-
Анализ методов управления трафиком ABR в сетях АТМ …
Системні дослідження та інформаційні технології, 2005, № 2 45
женный участок сети. Это снижение происходит до тех пор, пока продолжа-
ет поступать информация о перегрузке. Как только появление ячеек RM с
информацией о перегрузке прекратится, и они не будут поступать в течение
определенного интервала времени, источник может начать увеличение ско-
рости передачи вплоть до ее максимального значения (PCR).
Если ячейки RM, направляющиеся к источнику трафика с информацией
о перегрузке, сами попадают в перегруженный поток, то, вполне возможно,
они никогда не смогут доставить эту информацию. Кроме того, чрезмерно
перегруженный коммутатор ATM может быть не в состоянии не только об-
служивать транзитный трафик, но и генерировать ячейки RM. В обеих ситу-
ациях сеть будет лишена информации о перегрузках. Это может усугубить
положение дел в сети, ведь при отсутствии ячеек RM источник трафика
начнет увеличивать скорость передачи, приближая ее к максимальной
(PCR).
Таким образом, при использовании схем FECN и BECN появляется по-
тенциальная возможность возникновения аварийной ситуации. Поэтому
Форум ATM разработал более устойчивые схемы, например, схему, осно-
ванную на алгоритме пропорционального управления скоростью (Propor-
tional Rate Control Algorithm — PRCA) [3,6,8].
1.2. Алгоритм EPRCA
В отличие от предыдущих схем алгоритм EPRCA основан на принципе по-
ложительной обратной связи, что позволяет избежать описанных выше про-
блем. При использовании EPRCA источник трафика увеличивает скорость
передачи только тогда, когда получает разрешение на это от приемника. В
противном случае, т. е. при отсутствии такого разрешения, источник должен
последовательно снижать скорость пропорционально числу передаваемых
ячеек.
Алгоритм EPRCA (Enhanced PRCA )работает следующим образом.
Источник трафика посылает все информационные ячейки с битом
EFCI, равным нулю. Через каждые N таких ячеек источник посылает ячейку
RM, содержащую значения желаемой (обычно равна PCR) и текущей (ACR)
скоростей передачи (рис. 2). Испытывающий перегрузку коммутатор ATM
подсчитывает собственное значение скорости ACR (ACR*), которое зависит
от того, какой объем трафика он может обработать в данный момент, и
вставляет это значение в проходящую через него ячейку RM.
Рис. 1. Принципы работы схемы BECN: ячейки RM; поток дан-
ных с EFCI=1; с EFCI=0
Ю.П.Зайченко, Мухаммед-Али Аззам Хамуди
ISSN 1681–6048 System Research & Information Technologies, 2005, № 2 46
Получив эту ячейку, приемник отправляет ее обратно источнику, а тот
корректирует свою скорость в соответствии с новым значением скорости
ACR*. Таким образом, проходя по кругу, ячейка RM «собирает» информа-
цию о наличии ресурсов со всех промежуточных коммутаторов и возвраща-
ется обратно к источнику со значением наименьшей доступной скорости для
данного виртуального канала.
Алгоритм EPRCA, как и алгоритм PRCA, обязывает источник трафика
снижать скорость передачи при отсутствии ячеек RM, что избавляет сеть от
возможных перегрузок. Он не имеет недостатков PRCA, так как скорость
передачи трафика от источника не зависит от числа ячеек с 1EFCI = , а зада-
ется в явном виде при передаче управляющей ячейки RM. Алгоритм EPRCA
включен в принятый Форумом ATM стандарт ATM Traffic Management
[3, 8, 9].
1.3. Метод управления соединениями класса ABR на основе прогнози-
рующей модели
Под управлением трафиком ABR будем подразумевать управление темпом
загрузки–выгрузки буферов коммутаторов АТМ посредством изменения
скоростей передачи информации, составляющей трафик ABR.
Для пояснения введем некоторые определения, сформируем условие
применимости и цели управления предлагаемого метода.
Под соединением будем понимать виртуальный канал, установленный
между узлом-отправителем и узлом-адресатом. Под трактом — участок сети
между ее коммутаторами. Под интегральным потоком (в отличие от просто
потока) — поток, включающий в себя трафики ABR и VBR от нескольких
источников, обслуживаемых одним коммутатором.
Цель управления состоит в распределении скоростей передачи источ-
никами трафика ABR таким образом, чтобы для каждого j -го источника
обеспечить скорость jV , удовлетворяющую соотношению jjj VVV maxmin ≤≤ ,
где jVmin и jVmax — соответственно минимальная и максимальная скорости
передачи информации, которые сеть гарантирует j -му источнику.
При этом суммарная скорость всех потоков, проходящих через тракт,
не должна превышать пропускной способности тракта. Распределение ско-
Рис. 2. Принципы работы схемы ERPCA: ячейки RM (PСR, ACR);
данные и ячейки RM (PCR, ACR); ячейки RM (PCR, ACR*);
данные и ячейки RM (PCR, ACR*)
Анализ методов управления трафиком ABR в сетях АТМ …
Системні дослідження та інформаційні технології, 2005, № 2 47
ростей должно быть справедливым для всех потоков, а производительность
сети должна быть максимальной.
Будем считать, что коммутаторы представляют собой устройства,
имеющие возможность хранить в дополнительной области памяти статисти-
ческие значения определенных далее параметров, а также рассчитывать
прогнозируемые значения с помощью рекуррентного МНК.
К числу переменных, характеризующих состояние сети и необходимых
для решения задачи прогнозирования и управления применительно к j -му
коммутатору, относятся:
• скорость каждого i -го входного потока информации сервисов VBR
и ABR, обрабатываемого соответствующим коммутатором в текущий мо-
мент времени t
iV ;
• суммарная скорость потоков информации сервисов VBR и ABR, об-
рабатываемых коммутатором в текущий момент времени ∑
=
=
n
i
t
i
t VV
1
;
• приращение суммарной скорости потоков информации сервисов
VBR и ABR за текущий интервал времени 1−−=∆ ttt VVV ;
• загрузка буфера коммутатора на текущий момент времени th , %;
• приращение загрузки буфера коммутатора за текущий интервал вре-
мени.
На основе этих статистических данных, собранных за определенный
период времени каждым коммутатором, синтезируются прогнозирующие
модели рекуррентным МНК, где прогнозируемыми переменными служат
приращения загрузки буферов коммутаторов (%) на момент времени, когда
управляющая ячейка прибудет к источнику. Если для какого-либо буфера
спрогнозированные приращения загрузки сигнализируют об их перегрузке в
этот момент времени, то рассчитывается величина снижения скорости сум-
марных трафиков ABR применительно к данному коммутатору с использо-
ванием тех же прогнозирующих моделей.
Прогноз для каждого коммутатора осуществляется по модели, имею-
щей структуру
tttt haVaVaah ∆+∆++=∆ +
3210
1 . (1)
Выбор линейного вида зависимости в ),( vvfh ∆=∆ в модели (1) опре-
деляется самой «физикой» процесса поступления ячеек в буфер. Число этих
ячеек пропорционально скорости передачи V, поэтому изменение размера
очереди h∆ (в первом приближении) пропорционально изменению текущей
скорости V∆ , а величина снижения суммарных трафиков ABR в случае
прогнозирования перегрузки буфера коммутатора за интервал времени рас-
считывается по формуле
tttt h
a
a
V
a
a
h
aa
a
V ∆−−∆+=∆ +
2
3
2
11
22
0 1 . (2)
Если 0>∆ tV , то нам необходимо повысить суммарные скорости
трафиков ABR, если 0<∆ tV — то понизить.
Ю.П.Зайченко, Мухаммед-Али Аззам Хамуди
ISSN 1681–6048 System Research & Information Technologies, 2005, № 2 48
Выбирая 1+∆ th , можно вычислить снижение суммарной скорости тра-
фиков ABR, которое приведет к снижению загрузки буфера коммутатора за
интервал времени на эту же величину 1+∆ th .
Величину 1+∆ th будем выбирать таким образом: понизим (уcловно) все
скорости потоков сервиса ABR до скоростей min,iV и вычислим понижение
скоростей min,i
t
i
t
i VVw −=∆ . Найдем суммарное понижение скорости
∑
=
∆=∆
n
i
t
i
t ww
1
.
Вычислим значение 1+∆ th по выражению (1), при этом вместо tV∆
подставим tw∆ , вместо th∆ подставим 0, а значение tV оставим без изме-
нений.
Выберем значение 1+∆ th так, чтобы оно было меньше вычисленного по
выражению (1).
Подставив выбранное значение 1+∆ th в выражение (2), определим
tV∆ — величину необходимого понижения суммарной скорости потоков
сервиса ABR.
Справедливо понизим все скорости потоков сервиса ABR.
1. Вычислим
m
Vd
t∆
= , где m — количество соединений ABR, прохо-
дящих через узел.
2. Будем пробовать понижать скорости всех соединений ABR на вели-
чину d . Если для некоторых потоков это не удастся из-за того, что пони-
женная таким образом скорость станет меньше min,iV , то скорости таких со-
единений следует понизить только до min,iV , а значения, на которые не
удалось понизить скорость, — суммировать во временную переменную
*V∆ .
3. Если 0* =∆V , или все скорости соединений уже понижены до
min,iV , то работа алгоритма понижения скоростей заканчивается, в против-
ном случае *V∆ переобозначим в tV∆ и переходим к п. 1.
Напомним, что все наши рассуждения относятся к одному конкретному
тракту, коммутатору и его буферу, а также, разумеется, к соответствующим
потокам.
Поскольку в сети в общем случае несколько коммутаторов, то алгоритм
управления сводится к корректировке скорости, указанной в обратной
RM-ячейке, каждым коммутатором, который принадлежит участку сети ме-
жду источником и адресатом. Значение скорости прогнозируется на время
t∆ , необходимое для преодоления обратной RM-ячейкой участка пути от
текущего коммутатора до источника. При прохождении ячейки через ком-
мутаторы выбирается минимальная из всех спрогнозированных скоростей.
Анализ методов управления трафиком ABR в сетях АТМ …
Системні дослідження та інформаційні технології, 2005, № 2 49
Процесс управления скоростями передачи информации источниками
приводит к загрузке и выгрузке буферов коммутаторов. Алгоритм прираще-
ния суммарной скорости ABR-соединений аналогичен алгоритму пониже-
ния.
1. Вычислим tV — суммарную скорость трафиков ABR и VBR.
2. Вычислим tVPR −= — разность между пропускной способностью
тракта передачи информации P и значением V .
3. Вычислим
m
Rd = , где m — количество потоков ABR.
4. Будем пробовать повышать скорости потоков ABR на величину d .
Если для некоторых потоков это не удастся, потому что такая скорость ста-
нет большей max,iV , то скорости таких соединений повысить только до
max,iV , а значения, на которые не удалось повысить скорость, — суммиро-
вать во временную переменную *R .
5. Если 0=R , или все скорости соединений уже повышены до max,iV ,
то алгоритм повышения скоростей останавливается, в противном случае *R
переобозначим в R и переходим к п. 2.
Управление перегрузкой в сети АТМ по комбинированному принципу
обеспечивает в большинстве ситуаций управление по предварению и только
в случае ошибок прогноза — по отклонению, что в конечном итоге приво-
дит к более высокому качеству управления.
2. ОПИСАНИЕ ИМИТАЦИОННОЙ МОДЕЛИ
2.1. Входные данные
Топология сети:
• yn — число узлов; kn — каналов, CBRn — генераторов CBR-
трафиков; VBRn — генераторов VBR-трафиков.
Параметры объектов, участвующих в имитационной модели:
• для узла:
идентификатор, объем входящего и исходящего буферов;
• для канала:
идентификатор, идентификаторы двух узлов, связанных данным каналом,
пропускная способность канала;
• для соединений класса CBR:
идентификатор, идентификаторы узла-отправителя и узла-адресата,
скорость передачи информации (яч/с).
• для соединений класса VBR:
идентификатор, идентификаторы узла-отправителя и узла-
адресата, минимальная скорость передачи информации (яч/с),
средняя скорость передачи (яч/с), максимальная скорость переда-
чи (яч/с).
Параметры сети:
Ю.П.Зайченко, Мухаммед-Али Аззам Хамуди
ISSN 1681–6048 System Research & Information Technologies, 2005, № 2 50
максимально допустимое количество соединений, проходящих
через коммутатор (максимальное количество строчек в таблице
маршрутизации для узла);
длина пакета (яч).
Параметры для соединений ABR:
максимальный объем данных для передачи (пакетов);
максимальная скорость передачи (яч/с);
средняя скорость передачи (яч/с);
интенсивность попыток генерации новых ABR-соединений
(1/1000 с);
величина тайм-аута (если соединение не получило первую обрат-
ную управляющую ячейку, оно будет удалено из сети).
Для метода прогнозирования переполнений задаются такие параметры:
объем выборки;
порог (в процентах от объема буфера), при превышении спрогно-
зированным значением которого коммутатором будут генериро-
ваться out-of-rate управляющие ячейки.
2.2. Имитационный алгоритм
В качестве метода имитации избран итерационный метод с учетом особых
состояний. Его идея состоит в том, что при создании каналов и генераторов
трафиков определяется время, когда они могут работать: для канала — вре-
мя передачи ячейки из одного узла в другой, а для источника трафика – пе-
редачи ячейки в буфер узла (источника). Такой подход дает возможность
учесть ситуации, когда несколько каналов или источников передают данные
одновременно [1, 2].
В процессе имитации каждую сотую долю секунды (момент t∆ ) сраба-
тывает таймер, определяющий состояние сети. Соответственно, источники
трафиков, которым разрешено в этот момент передавать, генерируют ис-
ходные ячейки.
За базовую принята модель, в которой каналы используют интервал
времени, равный 1/100 с. Канал передает ячейки во входной буфер коммута-
тора, и он после этого выполняет обработку ячеек. Ячейки, не поместив-
шиеся во входной буфер, отбрасываются.
Описание k-й итерации
Шаг 1. Срабатывает таймер. Текущее время системы — текt .
Шаг 2. Из множества UCBR источников CBR-трафиков выбираются те
k , время передачи ячеек t которых равняется текt . Каждый источник гене-
рирует ячейки в 1/10 заданной скорости и передает их в буфер узла-
источника.
Шаг 3. Выполняется аналогично шагу 2, но для VBR-трафиков. В от-
личие от CBR-трафика количество сгенерированных ячеек выбирается слу-
чайно по равномерному закону распределения в пределах минимальной и
максимальной заявленных скоростей. Поскольку при установлении трафик-
контракта между пользователем категории VBR и сетью определяются па-
раметры трафика (минимальная скорость MCR и пиковая скорость передачи
Анализ методов управления трафиком ABR в сетях АТМ …
Системні дослідження та інформаційні технології, 2005, № 2 51
ячеек PCR, которую пользователь не может превышать), то в текущий мо-
мент времени пользователь может передавать с любой скоростью V в ин-
тервале [MCR, PCR], а так как поведение пользователя априорно неизвест-
но, то принимается равномерное распределение выбора пользователем
скорости из данного интервала (в соответствии с известным принципом ин-
детерминизма Лапласа).
Шаг 4. Аналогично выбирается множество источников АВR-трафиков.
Количество сгенерированных ячеек зависит от текущей разрешенной
скорости.
Шаг 5. Из kn каналов выбираются те k каналов, время освобождения
которых 1t или 2t равняется текt .
Шаг 6. Для каждого из k каналов по каждому свободному направле-
нию выполняется следующее:
6.1. Из буфера исходного узла выбираются те ячейки, которые по таб-
лице маршрутизации должны быть переданы по данному каналу, после чего
они перемещаются в буфер узла-адресата. Если ячейка является обратной
RM-ячейкой, то выполняется корректировка скорости, с которой соедине-
нию разрешено передавать в данный момент в зависимости от выбранного
метода управления.
Проверяется, подлежит ли ячейка сбрасыванию (имеется ли запись в
таблице сбрасываемых ячеек узла-адресата о ячейках с такими параметрами
VCI, VPI и ID пакета) и переполнен ли буфер на узле-адресате.
6.1.1. Когда одно из условий выполняется, ячейка отбрасывается и
счетчик отброшенных ячеек на узле–адресате увеличивается на 1. Если
ячейка отброшена из-за переполненности буфера, а не в ходе проверки не-
обходимости сброса остатков пакета, то по заголовку ячейки выясняются ее
параметры VCI, VPI и номер пакета, а затем заносятся в таблицу сбрасывае-
мых ячеек. Таким образом данные о пакете, остаток которого необходимо
сбросить, сохраняются в специальной таблице коммутатора, на котором со-
стоялся сброс. Поскольку прием всех поступивших ячеек и пакетов под-
тверждается получателем соответствующей квитанцией, то в случае сброса
и потери ячейки средствами протокола TCP обеспечивается ее повторная
передача. Но это уже не влияет на значение показателя CLR (интенсивности
потери ячеек), оцениваемого с помощью имитационного моделирования.
6.1.2. В противном случае проверяется, нет ли на узле-адресате записи
о том, что ячейки предыдущего пакета с такими же индикаторами VCI и VPI
должны быть сброшены. При положительном результате эта запись из таб-
лицы удаляется.
Шаг 7. Для каждого узла, входной буфер которого является непустым,
выполняются такие операции:
7.1. Анализируются все ячейки во входном буфере. Если, согласно таб-
лице маршрутизации, ячейка прибыла к конечному адресату, то она остается
во входном буфере. В противном случае изменяются поля VCI и VPI в соот-
ветствии с локальной таблицей маршрутизации узла, и ячейка направляется
в исходящий буфер.
7.2. Ячейки, адресованные этому узлу и оставшиеся во входящем буфе-
ре, обрабатываются следующим образом:
Ю.П.Зайченко, Мухаммед-Али Аззам Хамуди
ISSN 1681–6048 System Research & Information Technologies, 2005, № 2 52
7.2.1. Если ячейка является CBR или VBR-ячейкой, то переходим к ша-
гу 7.2.6.
7.2.2. Иначе проверяется, не является ли эта ячейка RM. Если так, то
немедленно генерируется обратная ячейка, которая помещается в исходя-
щий буфер данного узла, и переходим на шаг 7.2.6.
7.2.3. В противном случае проверяется, не является ли эта ячейка об-
ратной RM-ячейкой. В этом случае соответствующий источник ABR-
трафика вносит коррективы относительно дальнейшей скорости передачи в
соответствии с содержанием поля ER в этой ячейке.
7.2.4. Если ячейка оказалась обычной (т. е. не RM), то проверяются но-
мера пакета и ячейки в пакете у последней принятой этим соединением
ячейки. Если предыдущий пакет не был получен полностью, то источнику
отсылается служебная ячейка, несущая в себе информацию о том, что весь
пакет необходимо отправить заново.
7.2.5. Если ячейка оказалась первой обратной RM-ячейкой, то в зави-
симости от указанных в ней допустимых параметров скорости ожидающему
разрешения на передачу ячеек соединению класса ABR устанавливается
разрешение или запрет на начало передачи пакетов, и происходит перевод
соединения в активное состояние. В случае запрета увеличивается индика-
тор числа отказанных соединений ABR, статус текущего соединения изме-
няется на RTD-ready to die.
7.2.6. Если получена последняя ячейка пакета, то индикатор получен-
ных пакетов увеличивается на 1.
7.2.7. Если получены все пакеты, предусмотренные соединением к пе-
редаче, то увеличивается счетчик успешно завершенных соединений, а ста-
тус этого соединения изменяется на RTD.
7.2.8. Из заголовка полученной ячейки считывается поле «время созда-
ния» и сравнивается с текущим состоянием системы. Считаем время пере-
дачи ячейки:
создтекпер ТТT −= , (3)
где перT — промежуток времени за который ячейка была передана адресату;
текТ — текущий момент времени, в котором находится система; создТ —
момент времени, в котором система находилась при создании ячейки.
7.2.9. Таким образом получаем время передачи данной ячейки. Далее
рассчитываем показатель средней задержки для текущего соединения
1
*
яч
перячсрн
ср +
+
=
n
ТnТ
Т , (4)
где н
срT — новое значение показателя средней задержки ячеек текущего со-
единения; срT — показатель средней задержки ячеек текущего соединения;
ячn — количество успешно переданных ячеек; перT — время передачи дан-
ной ячейки. После этого количество принятых ячеек увеличивается на 1.
Шаг 8. Выбираются все соединения класса АВR, статус которых равня-
ется RTD, после чего они все уничтожаются в сети. Под уничтожением под-
Анализ методов управления трафиком ABR в сетях АТМ …
Системні дослідження та інформаційні технології, 2005, № 2 53
разумевается удаление всех оставшихся служебных ячеек, принадлежащих
этому виртуальному соединению, а также информации о нем из таблиц
коммутаторов, участвовавших в передаче информации.
Важной функцией управления трафиком в сети АТМ является управле-
ние обслуживанием ячеек в буферах коммутаторов. Для этого используется
дисциплина приоритетного обслуживания с соответствующими приорите-
тами. Наивысшим приоритетом пользуются ячейки СBR, затем ячейки тра-
фика VВR. Наименьший приоритет имеют ячейки трафика AВR. Для об-
служивания ячеек в памяти коммутатора АТМ создаются три очереди: для
категорий сервиса СBR, VВR и AВR. Внутри очереди используется дисцип-
лина FIFO. Возможны следующие варианты организации очереди:
1) раздельные очереди для трех категорий сервиса;
2) для каждого виртуального соединения;
3) общая очередь.
Алгоритм размещения ячейки в буфер
Определяется тип буфера: распределенный или общий.
При общем режиме буферизации проверяется, есть ли свободное место
в буфере, и если так, то в его конец добавляется ячейка.
При динамическом режиме буферизации с перераспределением рас-
сматривается, есть ли в буфере АВR свободное место. В случае утверди-
тельного ответа в объеме буфера для АВR трафиков выделяется место для
сохранения ячейки с высшим приоритетом (CBR или VBR). После освобож-
дения эта часть буфера возвращается в буфер для АВR-соединений.
В случае использования динамического режима буферизации коммута-
тор отсылает ячейки согласно приоритетам по классам трафика.
2.3. Реализация алгоритмов управления
2.3.1. Rate-based
Управление осуществляется редактированием соответствующего поля об-
ратных RM-ячеек, которые проходят весь путь от адресата виртуального
соединения к источнику. На каждом коммутаторе, входящем в тракт соот-
ветствующего виртуального соединения, рассчитывается допустимая ско-
рость, после чего выбирается минимальное значение между рассчитанным
значением и прописанным в обратной RM-ячейке.
( ))1(1
ABRCBRисп
,
i
i
іт
j KS
n
V +−= , (5)
где jV — скорость, с которой разрешено передавать j -му ABR-трафику;
iS — пропускная способность текущего канала; iK ABRCBRисп + — коэффи-
циент использования i-го канала CBR и VBR трафиками; imn , – количество
виртуальных соединений класса ABR, проходящих через коммутатор m и
канал i в сторону передачи данных текущего виртуального соединения.
Ю.П.Зайченко, Мухаммед-Али Аззам Хамуди
ISSN 1681–6048 System Research & Information Technologies, 2005, № 2 54
2.3.2. Управление на основе прогнозирования переполнения буферов
коммутаторов
В отличие от предыдущего метода, где управление производилось с помо-
щью обратных RM-ячеек, которые отсылаются адресатом в ответ на при-
шедшую прямую RM-ячейку (соответственно, компоненты сети никак не
могут быть инициаторами регулировки скорости соединений), в этом мето-
де коммутаторы могут самостоятельно генерировать обратные RM-ячейки, в
случае, если коммутатором будет спрогнозировано переполнение буфера.
Также отличием от предыдущих двух методов является регулирование
скоростей передачи не по текущим значениям, а с упреждением, используя
для прогнозирования МНК.
Как указывалось в разделе 2.2, прогнозирующая модель, используемая
в этом методе, выглядит таким образом:
tttt haVaVaah ∆+∆++=∆ +
3210
1 . (6)
Соответственно, расчет величины изменения суммарных трафиков
ABR, проходящих через узел, осуществляется по формуле (2).
Время t , на которое делается прогноз, вычисляется, исходя из длины
пути от коммутатора до адресата управляющей ячейки.
В случае, когда спрогнозированное коммутатором значение превышает
заданный порог, коммутатор самостоятельно генерирует управляющие
ячейки, передающие скорости, с которыми соединениям разрешено переда-
вать данные.
3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
Цель данной работы — не только реализация имитационной модели, но и
проведение сравнительного анализа реализованных методов управления,
способов организации буферов, а также анализ различных топологий сети.
Моделируемая сеть имеет топологию, идентичную топологии корпора-
тивной сети НТУУ «КПИ» (рис. 3). Номера узлов соответствуют учебным
корпусам и общежитиям университета.
В табл. 1 приведены результаты имитационного моделирования. На их
основе делался анализ перечисленных выше методов. Для каждого метода
управления трафиком ABR проводились испытания на каждом из типов бу-
феризации с варьированием интенсивностью АВR-соединений (максималь-
ным количеством виртуальных соединений, которым разрешено проходить
через один коммутатор).
3.1. Анализ методов управления соединениями класса ABR
Исходя из представленных в работе [11] данных, анализировать здесь метод
управления соединениями Credit-based не имеет смысла. Напомним, что
проведенные ранее исследования показали: метод Credit-based намного ус-
тупает методу Rate-based по таким ключевым показателям, как средняя за-
держка и процент отброшенных ячеек. Поэтому проведем сравнительный
анализ метода Rate-based и метода прогнозирования переполнения буферов
коммутаторов.
Анализ методов управления трафиком ABR в сетях АТМ …
Системні дослідження та інформаційні технології, 2005, № 2 55
Ю.П.Зайченко, Мухаммед-Али Аззам Хамуди
ISSN 1681–6048 System Research & Information Technologies, 2005, № 2 56
Построим графики, отображающие эффективность использования ка-
налов — количество успешно переданных пакетов (рис. 4).
23
Рис. 3. Структура моделируемой сети
0
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
Раздельный буфер Общий буфер
R/b, разд., 10 R/b, разд., 15 R/b, разд., 45
Прогн., разд., 10 Прогн., разд., 15 Прогн., разд., 45
Рис. 4. График количества успешно переданных пакетов: R/b — базовый метод
Rate-based; прогн. — метод с прогнозированием; разд. — раздельный буфер
Анализ методов управления трафиком ABR в сетях АТМ …
Системні дослідження та інформаційні технології, 2005, № 2 57
Как видно из рис.4, при использовании более эффективного метода бу-
феризации с раздельными буферами эффективность метода прогнозирова-
ния выше существующего метода Rate-based.
Построим диаграмму, совмещающую данные о проценте отброшенных
ячеек в сети (рис. 5).
Как следует из рис. 5, метод управления с прогнозированием перепол-
нения буферов коммутатора намного эффективнее справляется с увеличени-
ем интенсивности соединений класса ABR чем используемый Rate-based.
Косвенным доказательством, подтверждающим это, является показатель
процента служебных ячеек в сети, представленный в правой части диаграм-
мы на рис. 5, где в среднем этот показатель выше, чем при использовании
метода Rate-based. Рассмотрим показатель средней задержки в сети (рис. 6).
0
5
10
15
20
25
% отбр. яч % служ. яч
R/b, разд., 10 R/b, разд., 15 R/b, разд., 45
Прогн., разд., 10 Прогн., разд., 15 Прогн., разд., 45
Отброшенные ячейки,% Служебные ячейки,%
Рис. 5. Графики отброшенных и служебных ячеек в сети при использовании раз-
дельных буферов, %: R/b — базовый метод Rate-based; прогн. — метод с прогнози-
рованием; разд. — раздельный буфер
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
Раздельный буфер Общий буфер
R/b, 10 R/b, 15 R/b, 45 Прогн., 10 Прогн., 15 Прогн., 45
Рис. 6. Графики средней задержки ячеек в сети, мс
Раздельный буфер Общий буфер
Ю.П.Зайченко, Мухаммед-Али Аззам Хамуди
ISSN 1681–6048 System Research & Information Technologies, 2005, № 2 58
Здесь и далее величины задержек приводятся в мс.
Как следует из диаграмм рис. 6, метод управления с прогнозированием
оказывается предпочтительнее метода для раздельного буфера по классам
соединений.
Исходя из сказанного выше, имеет смысл рассмотреть детальнее метод
управления соединениями класса ABR на основе прогнозирования перепол-
нения буферов коммутаторов.
Рассмотрим графики средней задержки сети для разных интенсивнос-
тей соединений ABR (рис. 7, 8).
Очевидно, что интенсивность соединений ABR практически не влияет
на среднюю задержку в сети. Метод одинаково эффективно справляется как
с интенсивностью в 10 соединений, так и в 45.
Рис. 7. График мгновенных значений средней задержки в сети. Интенсивность со-
единений ABR — 10 ед/с
Рис. 8. График мгновенных значений средней задержки в сети. Интенсивность
соединений ABR — 45 ед/с
ср
задT
Анализ методов управления трафиком ABR в сетях АТМ …
Системні дослідження та інформаційні технології, 2005, № 2 59
Очевидно, что интенсивность соединений ABR практически не влияет
на среднюю задержку в сети. Метод одинаково эффективно справляется как
с интенсивностью в 10 соединений, так и в 45.
Посмотрим, каким образом влияет на эффективность метода варьиро-
вание значения порога заполненности буфера коммутатора. Результаты из-
мерений для значений порога 50, 80 и 90% приведены в табл.2.
Т а б л и ц а 2 . Результаты экспериментов при варьировании порогов за-
полнения буфера
Метод прогнозирования
Порог, % №
п/п Название параметра
50 80 90
1 2 3 4 5
1 Количество трафиков в сети 11 10 11
2 Средняя задержка сети, 1/100 с 115,11 211,0 275,8
3 Средняя задержка сети по соединениям
класса CBR, 1/100 с 4,40 4,13 2,63
4 VBR, 1/100 с 8,14 7,49 10,16
5 ABR, 1/100 с 266,44 438,78 576,12
6 Общий процент отброшенных ячеек 0,21 0,33 1,57
7 Процент служебных ячеек в сети 11,77 9,25 9,92
8 Процент отброшенных ячеек по отношению
к трафикам ABR 0,48 0,74 3,14
9 Процент служебных ячеек по отношению к
трафикам ABR 23,90 18,77 18,30
10 Отказано в создании соединений ABR 86 94 91
11 Успешно закончили работу соединения
ABR 7 7 7
12 Удалены по тайм-ауту соединения ABR 21 16 16
13 Успешно передано пакетов 2541 3014 3605
По полученным данным построим совместный график трех ключевых
показателей качества: средняя задержка в сети, количество успешно пере-
данных пакетов и процент отброшенных ячеек. Для наглядности сведем по-
лученные результаты в один график (рис. 9).
Очевидно, что все показатели повышаются с приближением порога к
100% объема буферов коммутаторов. При этом, если зависимости средней
задержки и количества успешно переданных пакетов от значения порога
заполненности буфера имеют линейный характер, то процент отброшенных
ячеек больше похож на экспоненциальную зависимость.
ВЫВОДЫ
Метод управления на основе прогнозирования переполнения буферов ком-
мутаторов более эффективный по сравнению с методом Rate-based по таким
показателям, как процент отброшенных ячеек и количество успешно передан-
ных пакетов. Этот метод позволяет также более гибко настраивать сеть на
достижение оптимальных показателей средней задержки для конкретной сети,
процента отброшенных ячеек и количества успешно переданных пакетов
путем варьирования значения порога заполненности буферов коммутаторов.
Ю.П.Зайченко, Мухаммед-Али Аззам Хамуди
ISSN 1681–6048 System Research & Information Technologies, 2005, № 2 60
Необходимо заметить, что использование этого метода подразумевает
наличие у коммутаторов возможности реализации метода МНК для прогно-
зирования значений заполненности буферов, а также дополнительной памя-
ти для хранения статистических данных, что намного усложняет организа-
цию коммутатора и повышает его стоимость.
ЛИТЕРАТУРА
1. Максимей И.В. Имитационное моделирование на ЭВМ. — М: Радио и связь,
1988. — 232 с.
2. Шеннон Р. Имитационное моделирование систем — искусство и наука. — М:
Мир, 1978. — 418 с.
3. Кульгин М. Технологии корпоративных сетей: Энциклопедия. — СПб.: Питер,
1999. — 704 с.
4. Назаров А.Н., Симонов А.Н. АТМ: технология высокоскоростных сетей. — М.:
Экотрендз, 1997. — 232 с.
5. Кучерявый А., Моисеев С., Пяттаев В. Технология АТМ на российских сетях
связи. — М.: Радио и связь, 2002. — 240 с.
6. Олифер В.Г.,Олифер Н.А. Компьютерные сети. Принципы, технологии,
протоколы. — СПб.: Питер, 2001. — 672 с.
7. Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение.
Изд. 2. — СПб.: Вильямс, 2003. — 410 с.
8. Алленов О.М. Защита от перегрузок в сетях ATM // Сети и системы связи. —
1998. — № 5. — С. 36–48.
9. Charny A., Clark D., Jain R. Congestion Control with Explicit Rate Indication //
Proc. IEEE International Conference on Communications (ICC’95), June 1995.
— Р. 46–54.
10. Зайченко О.Ю., Зайченко Ю.П., Зайчикова О.В. Аналіз методів керування тра-
фіком в мережах АТМ // Наук. вісті НТУУ «КПІ». — 2002. — № 3. —
С. 12–17.
11. Зайченко О.Ю., Зайченко Ю.П., Круглов Д.Ю. Імітаційне моделювання корпо-
ративної мережі АТМ із різними методами управління трафіками. — Наук.
вісті НТУУ «КПІ». — 2003. — № 2. — С. 56–63.
Поступила 05.11.2004
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
Средняя задержка *10 Количество успешно
переданных пакетов % отбр. яч. *100
Рис. 9. Сводная диаграмма значений ключевых показателей при варьировании порога
заполненности буфера: — порог заполнения буфера 50 %; — 80 %; — 90 %
|
| id | journaliasakpiua-article-171070 |
| institution | System research and information technologies |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-07-17T10:25:11Z |
| publishDate | 2019 |
| publisher | The National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute" |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | journaliasakpiua/9b/32fd02a6da15161cf488aee59cd7289b.pdf |
| spelling | journaliasakpiua-article-1710702019-06-24T12:52:05Z ABR traffic control analysis in ATM networks using simulation model Анализ методов управления трафиком ABR в сетях АТМ с применением имитационного моделирования Аналіз методів керування трафіком ABR в мережах АТМ з використанням імітаційного моделювання Zaychenko, Yu. P. Hamudi, Muhammed-Ali Azzam New method of ABR traffic control in ATM networks based on application of forecasting model, predicting the switch buffers load is suggested. The simulation model of ATM network for the university was elaborated and various simulation experiments were carried out. The efficiency of various ATM traffic control methods were analyzed. Предложен новый метод управления трафиком ABR в сетях АТМ на основе построения модели, прогнозирующей загрузку буферов коммутаторов сети АТМ. Разработана имитационная модель корпоративной сети АТМ университета. Выполнено моделирование ее работы с различными методами управления трафиком, включая предложенный. Проведен анализ их эффективности. Запропоновано новий метод керування трафіком ABR в мережах АТМ на основі побудови моделі, що прогнозує завантаження буферів комутаторів АТМ. Створено імітаційну модель корпоративної мережі АТМ університету. Виконано моделювання роботи мережі з різними методами керування трафіком, у тому числі із запропонованим. Проведено аналіз ефективності методів. The National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute" 2019-06-24 Article Article application/pdf https://journal.iasa.kpi.ua/article/view/171070 System research and information technologies; No. 2 (2005); 42-60 Системные исследования и информационные технологии; № 2 (2005); 42-60 Системні дослідження та інформаційні технології; № 2 (2005); 42-60 2308-8893 1681-6048 ru https://journal.iasa.kpi.ua/article/view/171070/170749 Copyright (c) 2021 System research and information technologies |
| spellingShingle | Zaychenko, Yu. P. Hamudi, Muhammed-Ali Azzam Аналіз методів керування трафіком ABR в мережах АТМ з використанням імітаційного моделювання |
| title | Аналіз методів керування трафіком ABR в мережах АТМ з використанням імітаційного моделювання |
| title_alt | ABR traffic control analysis in ATM networks using simulation model Анализ методов управления трафиком ABR в сетях АТМ с применением имитационного моделирования |
| title_full | Аналіз методів керування трафіком ABR в мережах АТМ з використанням імітаційного моделювання |
| title_fullStr | Аналіз методів керування трафіком ABR в мережах АТМ з використанням імітаційного моделювання |
| title_full_unstemmed | Аналіз методів керування трафіком ABR в мережах АТМ з використанням імітаційного моделювання |
| title_short | Аналіз методів керування трафіком ABR в мережах АТМ з використанням імітаційного моделювання |
| title_sort | аналіз методів керування трафіком abr в мережах атм з використанням імітаційного моделювання |
| url | https://journal.iasa.kpi.ua/article/view/171070 |
| work_keys_str_mv | AT zaychenkoyup abrtrafficcontrolanalysisinatmnetworksusingsimulationmodel AT hamudimuhammedaliazzam abrtrafficcontrolanalysisinatmnetworksusingsimulationmodel AT zaychenkoyup analizmetodovupravleniâtrafikomabrvsetâhatmsprimeneniemimitacionnogomodelirovaniâ AT hamudimuhammedaliazzam analizmetodovupravleniâtrafikomabrvsetâhatmsprimeneniemimitacionnogomodelirovaniâ AT zaychenkoyup analízmetodívkeruvannâtrafíkomabrvmerežahatmzvikoristannâmímítacíjnogomodelûvannâ AT hamudimuhammedaliazzam analízmetodívkeruvannâtrafíkomabrvmerežahatmzvikoristannâmímítacíjnogomodelûvannâ |