ATM交换机IP业务QoS的设计与实现*

2014-02-10王建兵夏洪君康宗绪

通信技术 2014年8期

关键词：测试仪中继队列

王建兵,李文,夏洪君,康宗绪

(1.重庆金美通信有限责任公司,重庆400030;2.中国电子系统设备工程公司研究所,北京100000)

ATM交换机IP业务QoS的设计与实现*

王建兵1,李文2,夏洪君1,康宗绪1

(1.重庆金美通信有限责任公司,重庆400030;2.中国电子系统设备工程公司研究所,北京100000)

ATM(异步转送模式)交换机由于执行了严格的基于连接的流量管理和拥塞控制,能为用户提供良好的QoS(服务质量)保证,在骨干网中得到了广泛应用。但是随着IP业务应用越来越广泛,如何解决IP Over ATM(基于ATM的IP数据传输)在各种情况的QoS,是ATM交换机设计面临的重要问题。文中以ATM交换机互连的以太网接口(IP接口)和中继接口(ATM接口)为例,对ATM交换机如何实现IP业务的QoS,提出了一套完整的设计和实现方案。

异步转送模式服务质量基于ATM的IP数据传输标签交换路径逐跳转发

0 引言

ATM交换机在骨干网中得到了广泛应用,但是随着IP的广泛应用,如何将这两种体制进行很好的结合,即IP OVER ATM[1];以及如何保证IP业务的QoS,是一个需要解决的重大问题。

本文讨论了如何利用ATM交换机PMC交换套片的帧交换能力,同时在以太网模块采用队列限流的方式,共同实现ATM交换机中IP业务在各种情况下QoS的整体解决方案。

1 IP Over ATM介绍

ATM上传统IP(CIPOA--classicalIPover-ATM)[2]又称IPOA,是ATM网络上传输IP数据包的标准。IPOA在传输IP数据包时把ATM网络看做是另一种物理网络(例如以太网、令牌环网以及X.25分组交换网等)。IPOA支持IP协议,适合于互联网和使用IP协议的局域网。在IPOA中,ATM网络被看成是提供替代局域网(LAN)的一个LAN段,或者是在传统LAN之间的主干和在IP路由器之间的专用电路(PVC)。IPOA所关注的两个重点是在AAL5上传送IP分组和ATM地址解析协议(ARP)的请求和应答。IPOA的协议体系如图1所示。在AAL5和IP两层之间增加了IPOA层,该层主要使用协议RFC1577和RFC1483,不仅可以支持ATM的PVC(永久虚电路),还可以支持ATM的SVC (交换虚电路)功能。IP数据包首先在IPOA层加上LLC头,然后递交给AAL5层在ATM网络中传输。

在IPOA网络中,与ATM网络相连的设备有主机、路由器和ARP服务器。这些设备组成若干个逻辑IP子网(LIS)。在一个LIS中,IP数据包通过ATM网络的PVC或者SVC上传输,当跨过不同的LIS时,必须通过一个路由器。每一个LIS中都有一个ARP服务器,它由ATM统一编址,负责IP地址和ATM地址的映射。当一个新的IP主机入网后,首先建立和ARP服务器的连接,在服务器上登记IP -ATM地址映射表,通过主机和ARP服务器之间的联系,这个映射表被动态更新。如果一个主机要向另一个主机发送IP数据包,首先向ARP服务器发出请求以获得目的主机的ATM地址,然后用该地址和目的主机建立ATM连接,就可通过该连接发送IP数据包了。

图1 IPOA协议体系Fig.1 IPOA protocol system

2 MPLS介绍

传统IP转发机制中[3],每个路由器都要分析包含在每个分组中的网络层字段,查询路由表,决定下一跳地址。多协议标记交换(MPLS)则简化了转发功能,在内部引入面向连接的机制而不是与连接无关的IP技术,为每个路由建立一条标记交换路径(LSP)。当数据包分组转发到出口时,出口边缘路由器(ER)仍要分析IP信头,确定下一个标记交换路径,但要以标记形式给数据包加上一个本地标记交换路径识别符,后续的节点只需沿着由标记确定的路径转发数据包即可,从而大大简化了转发过程,显著提高了性能和可扩展性。

MPLS网络由核心网络中的标记边缘路由器(LER)和标记交换路由器(LSR)组成。在网络边缘引入用于确定服务质量、区分业务和用户管理的新的先进功能,而网络主干则侧重于容量和性能。

ATM网络交换本身是基于标记的交换,ATM信元机制能非常有效地支持MPLS中的标记交换机制,这使得ATM交换可方便地用于LSR的转发功能。对于每一个LSP都要建立一个对应的ATM连接,标记对应于链路的VPI/VCI值。从ATM网络的入口到出口建立一个ATM连接,信元就直接流过ATM网络核心,不需要任何第3层转发。

3 ATM交换机中IP主要传送机制介绍

3.1 逐跳转发业务介绍

IP逐跳转发业务主要是指IP业务在ATM交换机中的传送采用基于路由的方式进行转发。与传统路由器的IP业务转发方式一致。IP逐跳转发的原理如下,交换机在开机后自动建立固定的PVC通道用于传送IP业务。交换机开机将在以太网模块和中央处理器模块之间建立一条PVC通道,用于IP业务和信令传送;在中继接口模块和中央处理器模块之间建立一条PVC通道用于交换机之间的IP信令和业务传送。

如图2所示,PC1到达PC2的IP业务传送过程如下,首先PC1的IP数据在到达ATM1的以太网模块后,IP包首先在ATM1的以太网模块进行IP包到ATM信元的转换,然后通过固定PVC通道到达中央处理器模块,重新组装成IP包进行路由查找和转发,如果是到ATM2的IP业务,IP包将在中央处理器完成IP包到信元的转换,通过ATM1的中央处理器和中继接口模块之间的PVC通道到达ATM2的中继接口模块;ATM2的中继接口模块通过固定通道将IP业务传送到ATM2的中央处理器,中央处理器完成ATM信元到IP包的转换,进行路由查找和转发,并通过ATM2的中央处理器将IP包重新转换为信元,通过中央处理器和以太网模块间的PVC通道传送到以太网模块,在ATM2的以太网模块处完成信元到IP包的转换后,以太网模块将IP包传送给PC2。

图2 IPOA逐跳转发过程Fig.2 IPOA nexthop forward

3.2 LSP业务介绍

为了保证IP业务的各种QoS,ATM交换机支持MPLS TE方式建立的LSP进行IP业务的传送。该方式的原理如下,交换机运行MPLS协议,在需要传输的终端之间建立LSP。IP包首先在以太网模块进行IP包到ATM信元的转换,然后通过LSP通道到达收端交换机的以太网模块还原为IP。其转发过程如图3所示。

图3 LSP转发过程Fig.3 LSP forward

4 ATM交换机中IP业务优先级介绍

4.1 优先级和IP业务对应策略

为了实现ATM交换机业务优先级和IP业务优先级的对应,我们将IP业务分为4类优先级业务[4]。在网络资源有限的情况下,尽可能地确保高级别业务首先使用网络资源,低级别业务在可能情况下尽可能地使用网络资源。当端口带宽被低优先级业务占用时,高优先级业务能自动抢占低优先级业务的带宽。优先级及业务的对应关系如表1所示。

表1 优先级和业务对应关系Table 1 IP data corresponding to priority

高优先级业务可以抢占低优先级业务,高优先级业务撤除后,低优先级业务可以自动恢复。

4.2 建立、撤销策略

由于ATM端口资源的限制,各种优先级业务的建立均需要分配资源,为了满足优先级和业务的对应策略,我们在交换机初始化端口时,将连接资源初始化成该端口带宽的4倍,如无线ATM群路带宽为8 Mbit/s,则需要将其初始化成32 Mbit/s,但在内部管理时,将其平均分配给4个优先级的队列,具体如表2所示,采用此策略既保证了各种优先级业务建立连接时的资源需求,实现高优先级业务建立时不受低优先级业务的影响;又能达到当有高优先级业务已经分配带宽后,低优先级业务能够通过其它路径建立连接,达到有效分流业务的目的。

表2 群路带宽分配策略Table 2 Trunk band assign policy

5 IP业务面临的问题

在ATM交换机设计中,IP业务采用传统的IPOA来实现,QoS主要采用MPLS[5]来保证。但是由于ATM交换采用信元进行交换,如果在入口端,即以太网模块不进行相应的限流处理,当输入IP数据业务大于预定的LSP带宽时,会出现雪崩效应。

另外由于ATM建立连接时需要资源,为了实现不同业务LSP的建立,我们为在中继端口分配的资源为带宽的4倍,因此会出现多条不同优先级业务的LSP总带宽超过中继接口带宽的情况。由于ATM的基本交换机制是信元,当业务发生拥塞时,将丢弃低优先级的信元,这样即使总的带宽在保证高优先级业务后有剩余,低优先级业务仍然基本全部丢失(雪崩效应)。

6 ATM交换中的QoS设计与实现

6.1 以太网模块队列策略

如图4所示,针对在ATM交换机中传送IP业务面临的问题,首先将以太网接口来的IP包在接口处理模块进行分流,将不同LSP的数据流(LSP入)映射到不同的队列中,每个队列的输出按照预定带宽进行输出(LSP出),从而实现在入口端(进入交换网络前)对IP业务进行整形,当LSP入的业务量超过预定业务量时,丢弃的将是整个IP包,从而避免雪崩效应。

图4 以太网模块队列设计Fig.4 ETH queue design

6.2 交换策略改进

本文的方案选用PMC套片作为交换网络,该交换网络支持信元交换和帧交换,帧交换采用AAL5封装。当采用帧交换,一旦出口出现拥塞,交换网络将按帧进行丢弃,从而避免雪崩效应。因此我们在ATM交换机中采用了两种交换机制,话音等实时业务采用信元交换,IP业务采用帧交换。

7 测试验证

7.1 以太网模块队列验证

搭建如图5所示验证平台并配置各设备。中继端口速率设置为8 Mbit/s,中继端口IP地址设置为无编号,绑定OSPF协议,启用MPLS协议,将ATM1的ETH1的接口地址与网络测试仪的ETH1设置在同一网段,ATM2的ETH1和网络测试仪的ETH2的地址设置为同一网段,设置OSPF对所有协议的重分布。在ATM1上建立ATM1以太网口1到ATM2的以太网1的单向LSP以承载网络测试仪ETH1-＞ETH2的数据,带宽为6 Mbit/s。

图5 以太网模块队列验证Fig.5 ETH queue test

以太网模块没有设计队列进行整形的测试结果如表3所示。

表3 以太网模块无队列测试Table 3 Test of ETH Having no queue

在以太网模块设计有队列进行整形的测试结果如表4所示。

表4 以太网模块有队列测试Table 4 Test of ETH having queue

从表3和表4对比可以看出,由于ATM交换机按信元进行交换,当以太网模块没有队列进行整形时,当输入IP数据超过LSP预定带宽时,接收端丢失数据将出现雪崩效应。当以太网模块设计了队列进行整形后,不管输入IP数据业务如何变化,接收端的数据始终能达到我们预想的结果。

7.2 帧交换验证

搭建如图6所示验证平台并配置各设备。中继端口速率设置为8 Mbit/s,中继端口IP地址设置为无编号,绑定OSPF协议,启用MPLS协议,将ATM1的ETH1的接口地址与网络测试仪的ETH1设置在同一网段,ETH2与网络测试仪的ETH3设置在同一网段;ATM2的ETH1和网络测试仪的ETH2的地址设置为同一网段,ATM2的ETH2和网络测试仪的ETH4的地址设置为同一网段;设置OSPF对所有协议的重分布。在ATM1上建立ATM1以太网口1到ATM2的以太网1的单向LSP以承载网络测试仪ETH1-＞ETH2的数据,带宽为5 Mbit/s,优先级为普通;在ATM1上建立ATM1以太网口2到ATM2的以太网2的单向LSP以承载网络测试仪ETH3＞ETH4的数据,带宽为5 Mbit/s,优先级为优先。

图6 帧交换验证Fig.6 Frame switching test

ATM交换机IP业务采用信元交换测试结果如表5所示。

从表5和表6对比可以看出,由于ATM交换机按信元进行交换,当输入到两条LSP的IP业务总带宽超过中继带宽时,低优先级业务LSP1丢失的数据将出现雪崩效应,不能达到有效利用剩余带宽的目的。而交换网络对IP业务采用帧交换后,当输入到两条LSP的IP业务总带宽超过中继带宽时,低优先级业务LSP1丢失的数据不会出现雪崩效应,能够有效利用剩余带宽传送IP业务。

表5 信元交换测试Table 5 Test of cell switching

ATM交换机IP业务采用帧交换测试结果如表6所示。

表6 帧交换测试Table 6 Test of frame switching

8 结语

本文提出了在交换机的入端,即以太网模块进行IP业务转发时通过队列对IP业务进行整形;同时利用ATM交换机的核心交换芯片的帧交换方式,在交换机中设计了采用混合交换的方法,成功地解决了ATM交换机中IP业务的QoS。文中IP业务QoS的实现方法在ATM交换机中通过了工程实现,具有一定通用性,可以满足不同IP业务的QoS需求,尤其是自主研发的以太网接入模块的IP整形技术,不仅对解决IP Over ATM有现实的意义,对如今流行的纯IP交换的QoS的解决,同样具有通用意义。

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HUANG Xi-wei,ZHU Xiu-chang.Broadband Communication Net[M],The First Page,BeiJing,People Post and Telecommunication Press,1999,533-534.

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ZHAI Hong-qiang,LIU Zhong-wei,YIN Chuan-ping, LIN Xiao-kang.ATM Technology and Its Development [J].Automation Electric Power Systems,2001,25(11): 67-71.

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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.

李文(1979—),男,硕士,工程师,主要研究方向为计算机网络及通信技术;

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

夏洪君(1973—),男,硕士,高级工程师,主要研究方向为计算机网络及通信技术;

XIA Hong-jun(1973-),male,M.Sci.,senior engineer, mainly engaged in computer and communication technology.

康宗绪(1972—),男,硕士,高级工程师,主要研究方向为计算机网络及通信技术。

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

Designment and Implementation of ATM Switching IP Data Priority

WANG Jian-bing1,LI Wen2,XIA Hong-jun1,KANG Zong-xu1
(1.Chongqing Jinmei Communication Co.,Ltd.Chongqing 400030,China; 2.Institute of China Electronics System Facility EngineerCo.,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 QoS(Quality of Service).But the serious problem of ATM switching designment is how to resolve the OoS of IP data with IP data widely used.The paper proposes one method for the OoS of IP data in ATM switching through the Ethernet interface and the relay interface.

ATM;QoS;IP OVER ATM;LSP;NEXT HOP FORWARD

TP393

1002-0802(2014)08-0905-05

10.3969/j.issn.1002-0802.2014.08.013