7-2 ATM 교환기술
7장. 멀티미디어와 ATM 전송기술
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ATM 교환방식 (1)
ATM 교환방식은 셀 라우팅을 위한 제어정보가 5바이트의 헤더에 들어있음
셀이 전송되기 전에 전송 측과 수신 측 사이에 셀이 전송될 경로를 가상채널 식별자(VCI)를 이용하여 미리 정해놓고, 데이터는 가상경로 속에 나누어져 있는 가상채널을 이용하여
전송
VCI 값이 변환되는 예
ATM 교환기가 셀 헤더의 VCI 값을 [1→2→5]로 순차적으로 변환하여 전송하는 과정
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ATM 교환방식 (2)
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ATM 교환방식
ATM 교환과 패킷 교환의 차이점
패킷 교환에서는 패킷의 크기가 가변적인 반면 ATM 교환에서 사용하는 ATM 셀은 53바이트로 고정되어 있음
패킷 교환 방식은 소프트웨어로 경로설정을 하므로 전송속도에 제한이 있으나, ATM
교환은 하드웨어에 의한 경로설정이 수행되므로 고속전송이 가능해짐
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ATM 서비스 범주 (1)
CBR(Constant Bit Rate) 서비스
일정한 데이터 전송률을 갖는 트래픽에 대한 서비스
ATM 네트워크는 사용자의 용량을 넘지 않는 범위에서 변함없는 처리율 보장
rt-VBR(real-time Variable Bit Rate) 서비스
엄격히 제한된 지연과 지연 변동을 요구하는 응용에 사용
가변적 데이터 전송률을 갖는 트래픽을 지원하는 것이므로 지원 가능한 최대 전송률과 고속의
버스트(burst) 전송률 항목에 의해 결정되는 서비스
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ATM 서비스 범주 (2)
nrt-VBR(non-real-time Variable Bit Rate) 서비스
지연 변동에 대한 한계값이 규정되지 않는 것만 제외하면 rt-VBR과 동일함
낮은 셀 손실률의 특성
UBR(Unspecified Bit Rate) 서비스
전송률에 대하여 보장되지 않음
이 서비스로 제공되는 셀은 언제라도 폐기될 수 있음
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ATM 서비스 범주 (3)
ABR(Available Bit Rate) 서비스
사용자에게 최소 용량을 보장함
사용자는 셀 손실의 위험을 최소화하여 최소 전송률 이상으로 데이터 전송이 가능함
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속성 - 트래픽 서술자 (1)
전송 측과 목적지의 연결에 대한 트래픽 특성을 설명함
해당 트래픽을 지원할 수 있을 때만 전송 측에 대한 연결을 설정
전송 측 트래픽 서술자
ATM 셀의 흐름에서 전송 측에 대한 트래픽 특성을 파악하기 위해 사용
PCR(Peak Cell Rat)
ATM 연결에서 소스에 의해 제공될 수 있는 트래픽의 상한값을 정의
CBR과 VBR 서비스에서 반드시 필요함
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속성 - 트래픽 서술자 (2)
전송 측 트래픽 서술자 (계속)
SCR(Sustainable Cell Rate)
ATM 연결의 평균 전송률에 대한 상한값을 정의
VBR 소스를 규정하기 위해 필요함
최대 버스트 크기(MBS: Maximum Burst Size)
PCR로 연속적으로 보낼 수 있는 최대 셀 수
SCR과 MBS는 반드시 VBR 소스에 대해 규정됨
최소 셀 전송률(MCR: Minimum Cell Rate)
네트워크에 요구된 최소 수용 전송률
ABR 서비스에 사용됨
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속성 - 트래픽 서술자 (3)
연결트래픽 서술자
소스 트래픽 서술자를 포함
CDVT와 승인(conformance)에 대한 정의를 포함
셀 지연 변이허용치(CDVT: Cell Transfer Delay Tolerance)
ATM의 슬롯, 물리층 오버헤드, 셀 다중화와 같은 ATM 계층 기능에 의한 지연 가변성의 한계를 나타냄
적합성 규정(CD)
UNI에서 연결 승인 셀을 명확하게 규정하기 위해 사용
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속성 - 서비스 품질 파라미터
제공되는 서비스의 품질(quality) 관점에서 ATM 연결에 따른 기능과 관련되는 속성
셀 손실률, 피크 대 피크 셀 지연 변이, 최대 셀 전달 지연 속성 등 포함
특정 연결에 있어 사용자가 특정한 QoS를 요구할 때 사용되는 파라미터
셀 손실률(CLR)
총 전송된 셀의 수와 손실된 셀의 비율
피크 대 피크(peak-to-peak) 셀 지연 변이(CDV: Cell Delay Variation)
셀 지연의 변동
최대 셀 전달 지연(maxCTD: Cell Transfer Delay)
연결에 대한 최대 요구 지연
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ATM 서비스 범주와 속성 (정리)
ATM 포럼에서는 ATM에서 제공하는 서비스 범주를 5가지로 정의
ATM 서비스 범주와 속성(service category attributes)에 대한 정리
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ATM 서비스 범주와 속성 (정리)
예:
CBR 서비스의 경우
PCR과 CDVT, Peak-to-peak CDV, CLR, 최대 셀 전달 지연maxCTD 등과 같은 속성은 지정
SCR, MBS, CDVT, MCR 등의 속성은 유용하지 않으며, 그 밖의 피드백 속성은 미지정임
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ATM 트래픽 혼잡제어
ATM 네트워크에의 혼잡제어 방식
ATM 네트워크는 일반적으로 수 Mbps에서 수
Gbps에 이르는 대용량을 요구하는 넓은 범위의 응용을 지원
ATM 네트워크의 응용은 CBR, VBR 등과 같은 다양한 특성을 갖는 트래픽 형태를 다룸
ATM에서 발생하는 트래픽에 대하여 일반적인 흐름제어 기법을 적용하는 것은 비효율적임
네트워크를 지나는 전파 지연과 비교해서 셀 전송 시간이 급속히 감소되기 때문에 신속한 피드백 정보 전송에 어려움이 있음
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ATM 트래픽 혼잡제어 (1)
시간 지연성과 전송속도의 영향
(예) 9,000km의 전송거리를 갖는 ATM
네트워크에서 전송속도로 150Mbps를 가정
셀 크기가 53(바이트)=53×8(비트)이고,
전송속도가 150(Mbps)=150×106(bps)이므로
하나의 셀이 네트워크에 접근하는 데 필요한 시간은 다음과 같이 계산
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ATM 트래픽 혼잡제어 (2)
시간 지연성과 전송속도의 영향 (계속)
만약 네트워크가 혼잡으로 인하여 버려진 셀과 그 이후의 모든 셀을 전송해야 한다면,
재전송 정보가 도착되기 전에 전송 측은 추가적으로 N개의 셀을 더 보냄
전송 측이 혼잡을 인식하여 응답하기까지 4Mbps 이상의 데이터가 더 보내지는 것
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셀 지연 변이(CDV) (1)
ATM에서 전송 오버헤드를 작게 설계함으로써 매우 빠른 셀 교환(스위칭)과 라우팅이 가능해지나
지연시간의 변이가 필연적으로 발생
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셀 지연 변이(CDV) (2)
중간 교환노드에서의 큐잉시간과 패킷헤더 분석에 필요한 시간 및 라우팅을 수행하는데 요구되는
처리시간 등이 다르기 때문에 지연시간의 변이가 발생
일정 데이터 속도로 전송되어야 하는 트래픽인 경우 이와 같은 셀 지연 변이 특성은 큰 문제가 될 수 있으나, ATM 네트워크의 셀 지연 변이는 패킷 교환 네트워크의 셀 지연 변이보다는 작음
(이유) ATM은 중간 교환노드에서 오버헤드의 처리를 최소화하고, 셀은 고정된 헤더 형태와 크기로 인해
오류제어나 흐름제어에 대한 영향이 최소화되며, 또한
고속의 ATM 네트워크를 구성하기 위해 ATM 스위치는 매우 높은 처리율을 제공하도록 설계되었기 때문
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ATM 트래픽 혼잡제어 (1)
혼잡제어란?
네트워크에서 혼잡이 발생하면, 셀이 버려지거나 영향을 받는 교환기에서
큐잉(queueing) 지연이 발생하므로 어느 순간에 네트워크에 의해 수용되는 총 트래픽 부하를 고려하여 최소한 혼잡이 발생하지 않도록 하는 것
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ATM 트래픽 혼잡제어 (2)
혼잡제어란? (계속)
실시간 서비스 범주에서 셀 전달 지연에 대한 확률밀도함수
셀 전달 지연시간이 최대 셀 전달 지연시간보다 커질 경우에 셀들이 손실되거나 정상적인 전송 어려움
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ATM Traffic Management
개요
Traffic Management Roles:
Maximize efficiency
Minimize data loss
Control traffic during times of heavy utilization
Control is based on:
Connection Admission Control (CAC)
Cell Routing
Network Resource Allocation
ATM Forum Traffic Management
Traffic Management
functions to prevent and control congestion across ATM networks and provide the QoS required.
Congestion Control
fluctuation in traffic flow and faults within the network
Traffic Management
Traffic Control
Congestion Control
Traffic Management forms:
Signaling Phase:
Connection Admission Control
PNNI’s Generic CAC (GCAC)
After Connection Setup
Usage Parameter Control
Priority Control
Traffic Shaping
Network Resource Management
Frame Discard
QoS related issues
Constant vs. variable bit rate
Degree of burstiness
Suitability for statistical multiplexing
Real-time delay constraints
Delay tolerance for non real-time applications
Degree of interactiveness
Loss tolerance
Priority requirements
Ability to use free bandwidth
Coding
Fairness
ATM Forum service categories:
Constant Bit Rate (CBR)
Real-time and non-real-time Variable Bit Rate (rt-VBR nrt-VBR)
Unspecified Bit Rate (UBR)
Available Bit Rate (ABR)
QoS Parameters:
Peak-to-peak Cell Delay Variation (ppCDV)
Maximum Cell Transfer Delay(Max CTD)
Mean Cell Transfer Delay (Mean CTD)
Cell Loss Ratio (CLR)
Source Traffic Descriptors
Peak Cell Rate (PCR)
Sustainable Cell Rate (SCR)
Maximum Burst Rate (MBR)
Minimum Cell Rate (MCR)
AAL-centric service classification
Application
Circuit Emulation, CBR
Real-time VBR
CO-data, user-network signaling nrt-VBR
CL-data,
Non-real-time
Adaptation AAL1 AAL5, AAL2 AAL5, AAL3/4
AAL5, AAL3/4
Traffic Profile CBR rt-VBR nrt-VRB, UBR,
ABR ABR, UBR
Connection Mode
Conection Oriented
Connection- less
Guaranteed Services (CBR,rt-VBR,nrt-VBR)
Admission control
Bandwidth reservation
UPC and policing
Scheduling (CBR)
Minimizing buffer size (CBR, rt-VBT)
Best Effort Services (UBR,ABR)
Buffer management
Discard techniques
Feedback
Slow start
CBR
ATM trunk loading by service category
ABR
ABR
Link BW
CBR PCR
CBR
VBR SCR ABR MCR
VPR PCR
VBR
Services (1)
Constant Bit Rate
Real-time applications which contain audio and video information
Constant bandwidth requirement
Low delay tolerance and acceptable CLR
Real Time Variable Bit Rate
Real-time applications which are bursty in nature
No pre-reserved bandwidth
Predetermined SCR and MBR
Non-Real-Time Variable Bit Rate
Less stringent requirement for CDV and CTD
Suitable for data services
Services (2)
Unspecified Bit Rate
Non-real-time applications with no guarantee of bounded delay
End system applications must handle cell loss and delay (best effort service)
Specifies only PCR and CDVT
Available Bit Rate:
Sources which may vary in transmission rate but need service guarantees
Require low cell loss but allow for some delay
Can specify a minimal bandwidth
Traffic and Congestion Control Functions
Network Resource Management
Connection Admission Control
Usage Parameter Control
Selective Cell or Packet discarding
Traffic Shaping and Scheduling
Explicit Forward Congestion Indication
VP Resource Management
The ABR Mechnism
Signaling Phase
ATM Source
ATM Switch Resource Management
Admission Control
Traffic Shaper Actual data
Traffic Policing Actual data
Traffic Shaping Leaky Bucket
Constrain Data Bursts Limit Peak Rate
Constrain Jitter
Traffic Phase
Usage Parameter Control Does traffic meet contract If Yes Pass
If No Set CLP bit
Discard cells with CLP=1 if necessary
Traffic and Congestion Control
Functions (2)
Preventive Congestion Control
Leaky Bucket Algorithm – congestion control at the entry of an ATM network
EFCI – feedback-based flow control
EPD and TPD – selective cell discarding
Reactive Congestion Control
Information propagates from ATM switches to ATM sources
Credit based or rate based
Rate based – uses bits in ATM header to inform the source about the networks condition
Credit based – a form of windowing mechanism
ABR Service:
The source must adapt to network availability and limit it’s output in order to receive an
acceptable QoS
The source must specify a PCR and MCR
The network will divide the available network resources among ABR connections
ABR: protocol operations
At setup the source specifies a number of
parameters: PCR,MCR, Initial Cell rate, Rate
Increase Factor, Rate Decrease Factor, Transfer Buffer Exposure, Fixed Round Trip Time.
The source sends RM cells in order to regulate it’s transmission rate
Relevant RM cell payload fields
Field Length Description
Protocol Id 8 Function of RM cell
Direction (DIR) 1 Direction of RM cell
BECN 1 If generated by a switch
Congestion Indication 1 If should not increase
No Increase 1 No increase no decrees
Explicit Cell Rate 16 New cell rate
Current Cell Rate 16 Used to calculate the acceptable rate Minimum Cell Rate 16 Minimum cell rate
CRC 10 Checksum for the RM cell payload
Switch Buffering and Traffic Management
Incoming traffic
CBR
Multi Guaranteed rt-VBR
Multi Best Effort ABR nrt-VBR UBR
Scheduler
Switch Matrix