保证ATM网络的服务质量 (QoS)

John M. Giles 2002/08/21

　　异步传输模式(ATM)网络较之其他分组交换网络如帧中继和X.25的一个优点是它的高可预见性。在ATM网上传送的信元具有固定大小，不同于可变长度的帧。这使得ATM网络交换机能将用户信元与其他网络的用户业务结合处理，并仍能够符合端到端网络时延偏差的严格容限。

　　ATM网络所具有的确定业务优先级别和预计信元净荷到达时间的能力使得网络能够向用户提供数据业务和语音视频业务。

　　过去，各个公司向电话公司租用中继线以满足其语音和视频业务的需要，用户可以100％地使用租用线路的容量。这种方案代价高而且不具备任意两点间的连网能力。

　　ATM网络提供了基于网络实际利用的低成本解决方案并能够通过虚拟连接在一个单独的下接网络上提供点到点网络连接。只要服务提供者能够保证提供与租用线路相同的业务质量，用户就能够以较低的成本将语音和电视会议业务移植到ATM网络上来。

　　本文将讨论公用网络业务提供者所提供的业务种类和相关的业务合同参数。对于每一种业务和业务合同参数的组合，都可进行特定的测试以确定ATM电路是否达到了业务合同中规定的QoS水平。我们还将讨论一些具体的ATM QoS测试方法。

ATM论坛的业务分类

　　业务分类描述了对网络上每一条虚拟电路的高水准要求。业务的分类具体规定了对于特定的应用需求，各种ATM网络元素如何确定业务的优先级别。

　　恒定比特率(CBR)业务: 这种业务在发送点与接收点之间提供持续的比特流。业务提供者确保在整个虚电路上向用户提供所预定的固定比特的可用带宽。这种业务对于需要持续数字信息流的交互式数字语音和视频应用是理想的。一些应用实例包括电话会议，电话业务，远端教学和付费电视。

　　可变比特率(nrt-VBR和rt-VBR)业务: 非实时可变比特率业务(nrt－VBR)适于对时限没有过高要求且具有突发性特点的业务。这类业务的典型例子是企业级LAN业务。一些应用实例有订票系统和银行交易系统。实时可变比特率(rt－VBR)业务适于突发性业务，但要求严格的时限。一些应用实例有SNA业务，分组化语音业务和某些类型的多媒体检索系统。

　　不确定比特率(UBR)业务: 这种业务不保证可用带宽。用户只能使用未被占用的带宽，数据的传输建立在"最大努力"的基础上。该业务仅适于非时间敏感性的数据应用。具体应用有电子邮件，远程终端和文件传送。

　　可用比特率(ABR)业务: 该业务利用流控制机制调节业务源的比特率。业务传输只能在网络反馈所限定的速率上进行。ABR和UBR的区别是当虚电路上发生阻塞时，ABR业务将降低传输速率，而UBR业务将被网络通道上发生阻塞的交换机丢弃。应用实例有LAN仿真和 LAN互连业务。

流量合同参数

　　公用ATM网络业务提供者向用户提供规定了具体门限的合同参数。这些门限参数影响服务价格，具体参数包括:

　　峰值信元率(PCR): 指业务提供者所能保证的虚电路的最大带宽。超过这一速率发送的信元将被入口 ATM交换机丢弃或加上可以丢弃的标志。带有可丢弃标志的ATM信元可能会被网络中任何遇到阻塞的交换机丢弃。对于CBR业务来说，这一参数代表虚电路保证达到的恒定带宽。

　　持续信元速率(SCR): 仅适于VBR业务，SCR参数规定了虚电路上用户的VBR业务在任一时刻的最小可用带宽。

　　最大突发尺寸(MBS): 仅适于VBR业务，MBS参数规定了在PCR速率下且仍然满足业务合同要求所能传输的最大信元数量。

　　信元时延偏差容限(CDVT): 适于时间敏感型业务，规定了两个端站之间信元时延偏差(CDV)的最大允许容限。

　　进行QoS测试时，测试仪需要模拟一致的业务类型和业务合同水平，这是很重要的，这样能够保证测试水平。

ATM QoS的测试

　　ATM QoS测试主要适用于时间敏感型的应用。如果业务提供者不能向用户保证ATM虚 电路能够提供与租用线路质量相当的语音和视频业务，那么用户将不会转向ATM交换业务-即使这一业务更便宜。为了处理这一问题，ATM论坛规定了对QoS的测试。下面是QoS测试的内容:

　　信元时延偏差(CDV): 由于排队时延，各个信元在ATM网络中交换所需的时间略有不同，这将产生信元间到达时间的微小差别。当这一差别由于信元在到达目的地之前要经过多次交换而被放大时，所产生的抖动会影响语音和视频信息净荷的接收质量。如果信元过早到达(产生聚集)，将会超过PCR指标而造成信元的丢弃。如果信元到达过迟(产生间断)，将很大地影响音频和视频的质量。目前两类CDV测试已经标准化：CDV 1-点测试和CDV 2-点测试。

　　1－点CDV测试和信元提前到达的时间有关。接收端检查信元的实际到达时间比预计到达时间(1/PCR)是否有提前或滞后，这是信元汇聚情况的指示。这一测试仅适于CBR业务，但可以在任何两个网络元素间进行，并不仅限于端到端的测试。高于PCR的信元平均提前达到时间则表示出现了问题。

　　2－点CDV测试与网络中端到端的实际测量时延有关。与1－点CDV测试不同，这一测试适用于任何类型的业务并且考虑了信元丢失，错误和误插的影响。最先测量到的信元时延(CTD)与最后测量到的CTD的差异表现为峰峰值。国际电联(ITU)推荐的DS1和DS3语音电路仿真业务的最大CDV指标是峰峰值250毫秒。对于MPEG视频或HDTV业务， 推荐的最大CDV峰峰值为1毫秒。

　　信元传输时延(CTD): CTD表示信元的第一个比特离开发送站点的时间和信元的最后一个比特到达接收站点的时间之差。这对于恒定比特速率的应用是一个重要的数值，因为如果信元穿越网络耗时过长，就会被接收站点判定为丢失或发生延误，重新组装的整个包也将被丢弃。这将影响语音或话音的质量。ITU建议语音或电视会议应用的最大CTD指标是130毫秒，对于流动视频应用，该项指标是1秒。

　　信元丢失率(CLR): CLR是传输过程中丢失的信元数量与所传输的全部信元数量之比。信元可能因为以下原因而无法到达目的地:目的地错误;交换机严重阻塞;发送站点的突发流量超过合同限度造成信元丢弃;信元传送耗时过长，超过最大CTD，到达太晚而无法处理。这一错误总是要么出现于所有信元，要么不出现。其结果是或者没有一个信元抵达目的地或者几乎所有信元都在时限内到达。ATM虚电路允许的最大CLR是10E－7，或者说每传输1000万个信元允许丢失1个信元。

　　信元误插率(CMR): CMR是发生误插的信元数量与测试时间的比值。误插的信元是被送往错误地址的信元。发生的原因通常是：当信元的信头被破坏，目的地址对交换机来说可能仍然是有效的，于是信元按照被破坏的信头中的地址进行传送。而误插信元的接收者并不认为其净荷是合法数据。这将导致在ATM层组装的全部数据包被丢弃。这种错误是少见的。 拇指定律说明CMR的出现概率比CLR少10倍。 ATM论坛和ITU规定的后3种QoS测试为信元误码率，严重误码秒和严重误码信元块比。这些标准已经于最近提出但还没有被交换机厂商广泛采用。

　　业务种类，合同参数和QoS测试的关系 讨论了ATM业务提供者的合同中每一个参数的定义，可以看出，所提供的虚电路几乎可以适应任何对网络带宽有要求的实际应用的需要(见表1)。

表1. 合同参数关系表明了与每一业务类别相关的合同参数和QoS的测试。

ATM QoS的测试方法

　　当开通一项ATM业务后，业务提供者将通过标准的传输介质如DS1，DS3或OC3提供业务。这些介质支持由低到高的比特率以适应用户流通量的要求并收取不同费用。测试仪必须适应所选择的不同接口类型并首先能够进行物理层和ATM层的一致性测试以保证ATM信元能够在用户和边缘交换机间可靠地传送。

　　为了确定ATM电路是否能够保障QoS，测试仪必须能够发送与ATM业务类型相同的ATM业务流量并且能以合同规定的最大比特率发送。配置测试仪，使其模拟终端用户想要在虚电路上发送的业务流量，可以测试接收的ATM信元流以确定QoS的结果是否可以接受。

　　一个物理端口可以提供多个虚电路，记住这一点是很重要的，所以必须生成多个ATM信元流来模拟同时加于交换机端口上的负载。这样QoS性能的测试可在加有负载的任何虚电路上进行 。

　　如果QoS性能测试不在加有负载的虚电路上进行，可以在实际应用时按照合同规定自行测量。然而，当所有的虚电路都被占用，边缘交换机或其他网络部件就会出现阻塞。结果是当链路上执行用户的重要应用时，在一般的QoS限度下测试通过的电路可能会出现严重问题。

　　如果3个PVCs都是恒定比特率类型的业务，则PCR的总和不能超过1.024Mbps。如果3个PVCs都是可变比特率的应用，SCR的总和不能超过1.024Mbps，PCR的总和不能超过1.35Mbps。如果端用户要求更大的带宽，则需要DS3接口，部分DS3接口，ATM反复用器(IMA)或OC3物理接口。

　　永久虚电路(PVC)上的端到端测试能够通过两种方法来完成。第一，将测试仪接在PVC通道的两端进行两次测试，两台测试仪分别作为流量的发送和接收端。这一方法的好处是可以对PVC通道的两个方向分别进行测试。

　　第二，在PVC通道的远端设置物理或虚环路，这样单独一台测试仪可同时作为流量的发送者和接收者（见图2）。 图2、环回测试设置，涉及中心局和远端局的PVCs端口

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