(QoS) in ATM-Netzen

ONLINE 99
ONLINE‘99
Quality-of-Service (QoS)
in ATM-Netzen:
Messungen und Bewertung heutiger
Switches
Dipl.-Ing. Kai-Oliver Detken
LLeiter
it Competence
C
t
Center
C t F
Future
t
K
Knowledge
l d (CC
(CC-FK)
FK)
OptiNet GmbH,
Düsseldorf,, den 01.-04.02.99
OptiNet GmbH
Kai-Oliver Detken
Inhalt
a des Vortrags
o ags
• Definition
D fi iti der
d Meßparameter
M ß
t
• Qua
Quality-of-Service
y o Se v ce versus
ve sus Class-of-Service
C ass o Se v ce
• ATM-Messungen
–
–
–
–
Streßtests
Verkehrsmanagement
Non-Blocking
Physikalische Jitter
• Leistungsfähigkeit heutiger Switches
• Zusammenfassung
OptiNet GmbH
Kai-Oliver Detken
QoS Definition
QoS-Definition
• V
Vor dem
d
Et
Etablieren
bli
einer
i
V
Verbindung
bi d
wird
i d ein
i TTraffic
ffi
Contract zwischen dem Teilnehmer und dem Netz
abgeschlossen.
• Traffic Contract garantiert Einhaltung der Parameter.
• Verkehrs- und Performance-Parameter:
–
–
–
–
–
–
Peak Cell Rate (PCR)
Sustainable Cell Rate (SCR)
Mean Cell Rate (MCR)
(
)
Cell Delay Variation (CDV)
Cell Loss Ratio (CLR)
Cell Error Ratio (CER)
• Nachteilige Beeinflussung durch Übertragungsfehler,
Pufferkapazitäten, Netzlast, virtuelle
Pfad/Kanalkapazität und Durchschaltverzögerung
OptiNet GmbH
Kai-Oliver Detken
Garantierter QoS
• Dienstgütegarantie auf einer etablierten Verbindung.
Verbindung
• Beim Aufsetzen einer Verbindung werden Verkehrsparameter ausgehandelt, die eingehalten werden
müssen.
• Connection Admission Control (CAC) ist für das Traffic
Management zuständig.
zuständig
• Traffic Shaping zur verbesserten Netzauslastung.
• Tagging
gg g zur Entlastung
g der Switches.
• Early Packet Discard (EPD) zum Verwerfen von Zellen
bei Überlastungen.
• Leaky-Bucket
L k B k t Al
Algorithmus
ith
zur iintelligenten
t lli
t Steuerung
St
von Überbelastungen über die Peak Cell Rate (PCR).
• Dual-Leaky-Bucket
y
für Parameter PCR und MCR für
VBR-Verkehr.
OptiNet GmbH
Kai-Oliver Detken
QoS bei ATM: Verkehrsklassen
ITU-QoS-Klassen
Bitratentyp
Klasse 1
Klasse 2
Klasse 3
CBR, rt-VBR, DBR
nrt-VBR, ABR, ABT,
SBR
nrt VBR ABR,
nrt-VBR,
ABR SBR
-
UBR
-
-
OptiNet GmbH
Anwendungen
ATM-Forum-QoSKlassen
Standleitung / CBR Video Klasse 1
Paketierte Audio/Video- Klasse 2
verbindungen
Verbindungsorientierte
Klasse 3
Datendienste (z.B. Frame
Relay)
Verbindungslose Daten- Klasse 4
d
dienste
((z.B.: IP))
Übertragung ohne defi- nierte Parameter
Kai-Oliver Detken
Verkehrsarten von ATM
Bit/s
CBR
Bit/s
VBR
Bit/s
ABR
PCR
t
OptiNet GmbH
t
t
Kai-Oliver Detken
CoS Verkehrsarten nach 802.1p
802 1p
Dezimall
7
6
5
4
3
2
1
0
Binär
111
110
101
100
011
010
001
000
OptiNet GmbH
Verkehrsarten
k h
Reserviert
Interactive Voice
Interactive Multimedia
Controlled Load Applications (oder Streaming Multimedia)
Excellent Effort (oder Business Critical)
Standard
Background (z.B. Backup)
Best Effort (Default)
Kai-Oliver Detken
CoS Problematik
CoS-Problematik
• Einteilung in Prioritätsklassen ist möglich, wird
aber nur von neuen Switches unterstützt.
unterstützt
• Problem entsteht, wenn alle die gleiche Priorität
eingestellt haben.
• Erweiterung des Frames kann ebenfalls zu
Inkompatibilitäten führen.
• Mapping
M
i mitit TOS
TOS-Feld
F ld im
i IP
IP-Header
H d ist
i t bislang
bi l
nicht vorgesehen (Layer 3 und Layer 2).
• Herstellerlösungen sind nicht kompatibel mit
den abschließenden Standards
OptiNet GmbH
Kai-Oliver Detken
Zielsetzung der Messungen
• Kennenlernen der verfügbaren Produkte im
LAN/WAN-Bereich.
• Kooperationen mit den jeweiligen Herstellern.
• Test der vorgestellten Leistungsmerkmale.
• Sammeln von Erfahrung mit dem Umgang
unterschiedlicher Switches.
• Bewertung
B
der
d TTestergebnisse
b
für
f spätere PProjekte.
k
• Veröffentlichung der Ergebnisse im ATM-Handbuch
des Hüthig-Verlags.
Hüthig Verlags
• Zusammenfassung der Ergebnisse in einem
Endbericht für Kundeninteressenten.
Kundeninteressenten
OptiNet GmbH
Kai-Oliver Detken
ATM Messungen
ATM-Messungen
VerbindungsV
bi d
aufbau
ATM-Analysator
ATMSwitch
VerbindungsV
bi d
aufbau
QoS-Test
QoS-Test
ATM-Analysator
O.191-Testzelle
Header = 5 Byte
G
F
C
OptiNet GmbH
VPI VCI PT
C
L
P
Nutzzellen = 48 Byte
H
E
C
S T
Unused
N S
R
E
S
CRC
GFC
Generic Flow Control
SN
Sequence Number
VPI
Virtual Path Identifier
UN
Unused
VCI
Virtual Channel Identifier
CRC
Cyclic Redundancy Check
PT
Payload Type
TS
Timestamp
CLP
Cell Loss Priority
RES
Reserved
HEC
Header Error Control
Kai-Oliver Detken
O 191-Testzellenfelder
O.191
Testzellenfelder
• O
O.191
191 beschreibt ein Diagnosemodell zur
Performance-Analyse.
• Performance-Messungen
e o a ce Messu ge au
auf Zellen-Basis
e e as s handelt
a de
und somit auf der ATM-Schicht.
• Die Funktionalität und Leistungsfähigkeit der
einzelnen Anpassungsschichten (AAL) müßte man
separat betrachten.
• Sequence
S
Number
N b (SN):
(SN) SN ist ffür d
die E
Erfassung
f
der Zellenverluste (Cell Loss) und Zellenintegrität
(Cell Integrity) verantwortlich.
verantwortlich
• Time Stamp (TS): Messung der Zellenverzögerung
(Cell Delay), Zellen
Zellen-Jitter
Jitter (Cell Jitter), Zellverteilung
(Cell Distribution).
OptiNet GmbH
Kai-Oliver Detken
Switching mit 2 Ports
• Betrachtung der ATM-Switches als Black-Box.
• Die Switches werden lokal betrachtet, d.h. als
isolierte Elemente betrieben.
• Feststellung der Latenzzeiten mit geringer Belastung.
• Kritische
K
h LLastsituationen d
des SSwitches
h werden
d
Multiplex- und Demultiplexbetrieb mit
unterschiedlichen Dienstklassen (CBR,
(CBR VBR und UBR)
betrieben.
p
• Dadurch lassen sich unterschiedliche Verkehrsprofile
am Switch untersuchen, um die Leistungsfähigkeit
beurteilen zu können.
OptiNet GmbH
Kai-Oliver Detken
Switching zwischen 4 Ports
ATM-Switch
Generator
CBR/VBR/UBR
Out
In
In
Out
STM-1
Analysator
In
Out
STM-1
Switching Fabric
In
Out
Wandel & Goltermann
ABT-20
OptiNet GmbH
In
Out
STM-1
Kai-Oliver Detken
Switching zwischen 4 Ports
• Im zweiten Schritt wird der Datenstrom auf die
mögliche Nettoübertragungsrate eines STM-1Datenstroms von 149,8 MBit/s erhöht.
• Messung von CBR-Verkehr.
• Die Time-Outs bzw. Zellenverzögerung der Switches
werden
d durch
d hd
die h
höhere
h
B
Belastung
l
weiter erhöht.
h h
• Latenzzeiten stellen allerdings nur ein Problem für
Echtzeitapplikationen dar.
dar
• Für eine Abschätzung wurde die Cell Delay Variation
((CDV)) gemessen,
g
, die mit einem Jitter vergleichbar
g
ist.
• ILMI-Protokoll wurde ausgeschaltet, da beide
Meßgeräte (ABT-20, ANT-20) dies nicht
implementiert hatten.
OptiNet GmbH
Kai-Oliver Detken
Switching zwischen 4 Ports
ATM-Switch
Generator
CBR/VBR/UBR
Out
In
In
Out
STM-1
Analysator
In
Out
STM-1
Switching Fabric
In
Out
Wandel & Goltermann
ABT-20
OptiNet GmbH
In
Out
STM-1
Kai-Oliver Detken
Switching mit Verkehrsmanagement
• Switch-Mechanismen
S it h M h i
für
fü das
d Verkehrsmanagement:
V k h
t
– Separate Pufferwarteschlangen für hohe Priorität des
Datenverkehrs.
– Usage Parameter Controls (UPCs), um Bandbreite zu reservieren.
– Cell Loss Priority (CLP), um Datenverkehr zu kennzeichnen, der
verworfen werden kann.
kann
– Proprietäre Fairness-Algorithmen, um dedizierte Bandbreite für
spezielle Verbindungen bereitstellen zu können.
• P
Pufferwarteschlangen
ff
hl
für
f PPrioritätsvergabe
b in den
d Switches.
S
h
• UPC ist Teil des Traffic Management 4.0 und besteht aus
Algorithmen zur effektiven Bandbreitenzuteilung.
Bandbreitenzuteilung
• Leaky-Bucket-Algorithmus für VBR-Verkehr: Überwachung
der Peak Cell Rate ((PCR)) und Sustainable Cell Rate ((SCR).
)
• CLP für Tagging von ATM-Zellen.
OptiNet GmbH
Kai-Oliver Detken
Switching mit Verkehrsmanagement
ATM-Switch
Generator
VBR/UBR
Out
In
In
Out
STM-1
Analysator
In
Out
Wandel & Goltermann ANT-20
Switching
Fabric
STM-1
Switching
Fabric
Generator
Out
In
CBR
In
Out
STM-1
A l
Analysator
Wandel & Goltermann ABT-20
OptiNet GmbH
In
Out
Kai-Oliver Detken
Head of Line Blocking
Head-of-Line-Blocking
• H
Head-of-Line-Blocking
d f Li Bl ki zeigt
i t Grenzen
G
der
d SwitchS it h
Architektur auf, da Datenverkehr von unabhängigen
Ports einen Rückstau ermöglichen
g
kann.
• Möglichkeiten einer Switch-Architektur:
–
–
–
–
ATM-Switches mit Eingangsspeicher
ATM-Switches
ATM
Switches mit Ausgangsspeicher
ATM-Switches mit zentralem Speicher
ATM-Switches mit verteiltem Speicher
• Bei ATM-Switches mit Eingangsspeichern ist die
Blockierungswahrscheinlichkeit am größten.
• Bei ATM-Switches mit Ausgangsspeicher kann man ein
ähnliches Verhalten feststellen: erfolgt Speicherfüllung
schneller als Leerung folgt Datenverlust.
• Zentralspeicher: Verteilung der Ressourcen im Switch.
Switch
OptiNet GmbH
Kai-Oliver Detken
Head of Line Blocking
Head-of-Line-Blocking
ATM-Switch
Generator
CBR/VBR/UBR
Out
In
In
Out
STM-1
Switching
Fabric
Analysator
In
Out
Wandel & Goltermann ANT-20
STM-1
Switching
Fabric
Generator
Out
In
CBR
In
Out
STM-1
Switching
Fabric
Analysator
In
O t
Out
Wandel & Goltermann ABT-20
STM-1
7,448 MBit/s
7,448 MBit/s
149,8 MBit/s
OptiNet GmbH
Kai-Oliver Detken
Physikalische Jitter
Jitter-Messungen
Messungen
• D
Der Engpaß
E
ß der
d LLeistungsfähigkeit
it
fähi k it hängt
hä t nicht
i ht nur von der
d
Performance der Switches und der Endgeräte, sondern
auch entscheidend von dem Eigen-Jitter
g
der Switches.
• In großen Netzen addiert sich die Anzahl der Einzel-Jitter.
• Die Jitter-Übertragungsfunktion stellt fest, inwieweit ein am
Ei
Eingang
vorhandener
h d
Jitt
Jitter an d
den A
Ausgang weitergegeben
it
b
wird.
• Die Jitter
Jitter-Verträglichkeit
Verträglichkeit zeigt an, ob Störereignissen wie
Bitfehler, Bit-Slips oder Alarmen durch zulässige JitterWerte verursacht werden.
• Die Messung
M
von Jitter ermöglicht
l h eine Beurteilung
l
über
b die
d
Fehlertoleranz eines Systems oder des gesamten Netzes.
• Spätere Systemausfälle können dadurch vermieden werden.
werden
OptiNet GmbH
Kai-Oliver Detken
Physikalische Jitter
Jitter-Messungen
Messungen
OptiNet GmbH
Kai-Oliver Detken
Getestete ATM
ATM-Switches
Switches
• Bay Networks:
– Centillion 100 (Edge Device) mit ATM-Modul ATMSpeed
MDA MCP
– Centillion
C tilli 1600 mitit OC
OC-3
3 Modul
M d l 155M
155M-SMFS
SMFS
• Cabletron Systems:
– 6A000-02 mit ATM-Modul 6E132-25
– 9A000 mit ATM-Modul NM-4/155MMSCC
• Olicom: CrossFire OC-9100 mit OC3-Modul
• FORE Systems: ASX-200BX
ASX 200BX mit ATM-Modul
ATM Modul NMNM
4/155MMSCSL
• Newb
Newbridge
dge Networks:
Ne wo s CS3000 mit ATM
M OC
OC-3
3
Modul
• Madge (LANNET): Meritage 1000 mit OC-3 Modul
• CISCO: Lightstream 1010 mit OC-3 Modul
OptiNet GmbH
Kai-Oliver Detken
2/4-Port-Messung,
/
o
essu g, Mean.
ea . C
CTD..
Mean. CTD
2-Port-Messung mit 74,88 MBit/s
140
4-Port-Messung mit 74,88 MBit/s
130
4-Port-Messung mit 149,46 MBit/s
120
4-Port-Messung
g mit 149,46 MBit/s
(10-Stunden-Dauertest)
110
100
90
80
111
60
Bay
C100
OptiNet GmbH
Bay
C1600
37
7
Olicom
OC-9100
Cabletron
9A000
Cabletron
6A000
FORE
ASX-200BX
Newbridge
CS3000
15
Madge
M 1000
Kai-Oliver Detken
CISCO
LS-1010
88
86
44
51
66
81
81
88
79
52
45
15
15
10
15
25
52
70
78
39
9
45
32
20
55
30
77
72
89
89
84
66
40
89
84
97
50
111
128
70
2/4-Port-Messung
2/4
Port Messung, Cell Loss
Zellenverluste bei voller Nettodatenrate
60
Cell Loss
50
Cell Error
40
64
Cell Misinsertion
30
30
20
9
10
0
Bay
C 100
OptiNet GmbH
0
0
Bay
C 1600
Olicom
OC-9100
Cabletron
9A000
Cabletron
6A000
0
0
0
FORE*
ASX-200BX
Newbridge
CS3000
Madge
M 1000
Kai-Oliver Detken
0
CISCO
LS-1010
2/4 Port Messung Auswertung
2/4-Port-Messung-Auswertung
• 10-Stunden-Messung
S d M
ging an die
d Grenze der
d Belastung.
l
• Olicom hielt 3 Tage ohne einen einzigen Meßfehler
aus!
• Laufzeitschwankungen stiegen bei der 10-StundenMessung beim Centillion 1600 und Meritage 1000
deutlich.
• Alle Switches ließen keine größeren
Laufzeitschwankungen (2-pt.
(2 pt CDVpp) zu
zu.
• Zellenverluste bzw. Cell Misinsertion trat bei den
Switches von Cabletron ((6A000 und 9A000)) auf!
• Meßfehler entstand bei Centillion 1600 und Meritage
1000 (Wandel & Goltermann).
• Zellenfehler
Z ll f hl kö
können V
Verluste
l t großer
ß PPakete
k t verursachen.
h
OptiNet GmbH
Kai-Oliver Detken
3-Port-Messung
3
Port Messung UBR
UBR-CBR
CBR, Cell Loss
Cell Loss
* Überbuchung eingestellt
1 000 000
100 000
245 084
681 901
226 439
100 044
307 335
100
243 137
1000
243 137
10 000
OptiNet GmbH
0
Bay
C1600
0
Olicom
OC-9100
UBR mit 142,5 MBit/s
Messung 2
CBR 2 mit 7,7880 MBit/s
Messung 2
0
Cabletron
9A000
3
0
Bay
C100
5
10
Cabletron
6A000
0
FORE
ASX-200BX
0
Newbridge
CS3000
0 0
Madge*
M 1000
Kai-Oliver Detken
0
CISCO
LS-1010
3-Port-Messung
3
Port Messung UBR
UBR-CBR
CBR, CTD
Mean. CTD
150
140
130
UBR mit 142,0 MBit/s
Messung 1
UBR mit 142,5 MBit/s
Messung 2
CBR mit 7,7880 MBit/s
Messung 1
CBR 2 mit 7,7880 MBit/s
Messung 2
120
110
100
157
80
157
90
70
106
60
Bay
C100
OptiNet GmbH
Bay
C1600
Olicom
OC-9100
Cabletron
9A000
Cabletron
6A000
FORE
ASX-200BX
10
Newbridge
CS3000
Madge
M 1000
CISCO
LS-1010
Kai-Oliver Detken
50
29
29
16
27
45
22
25
10
44
45
54
56
26
28
42
41
42
51
46
27
29
39
33
20
34
48
30
50
69
6
69
6
69
6
40
69
6
85
92
50
3-Port-Messung
3
Port Messung CBR
CBR-CBR
CBR
Cell Loss
* Prioritätsvergabe
1 000 000
** Überbuchung wurde abgelehnt
*** SECB
100 000
0*
Bay
C100
Bay
C1600
209 390
45 856
24 634
2 743
234 303
3
0**
0**
Olicom
OC-9100
Cabletron
9A000
Cabletron
6A000
FORE
ASX-200BX
83 113 + 47 173***
10
0 + 9 661***
19 075
100
3 490
1 000
252 949
10 000
0
Newbridge
CS3000
Madge
M 1000
CBR mit 142,5 MBit/s
CBR mit 7,7880
7 7880 MBit/s
OptiNet GmbH
Kai-Oliver Detken
0**
CISCO
LS-1010
Auswertung 3
3-Port-Messung
Port Messung
• Madges Meritage 1000 schaffte bei eingestellter
Überbuchung (bis zu 1000% möglich laut Hersteller) beide
CBR-Verkehrsströme ohne Verluste durchzuschalten!!!
• Centillion 1600, ASX-200BX und LS-1010 verweigerten
eine Überbuchungskonfiguration.
• Alle anderen Switches versuchten beide CBR-Datenströme
CBR Datenströme
durchzuschalten und mußten beide mehr oder weniger
stark verwerfen.
• Einführung von VBR-Verkehr veranlaßte den Centillion
1600 ebenfalls die Konfiguration abzulehnen!
• CBR-Verkehr
CBR V k h wurde
d grundsätzlich
d ät li h b
beii allen
ll SSwitches
it h
geschützt.
• Überbelastungen
g führten zur Abschaltung
g des Ports beim
6A000 Switch von Cabletron (RESET notwendig).
OptiNet GmbH
Kai-Oliver Detken
Non-Blocking-Messung
Non
Blocking Messung, Cell Loss
Cell Loss
60
Überbuchung
wurde
abgelehnt
10
0*
Bayy
C100
Bayy
C1600
0
Olicom
OC-9100
0
Cabletron
9A000
0
Cabletron
6A000
Überbuchung
wurde
abgelehnt
FORE
ASX-200BX
0
Newbridge
g
CS3000
0
53
3 523 + 5 165**
0
g
Madge
M 1000
CBR mit 149,46 MBit/s auf Port 4
CBR mit 7,448 MBit/s auf Port 2
CBR mit 7,448 MBit/s auf Port 4
OptiNet GmbH
21 + 196 940**
2
0 + 82 091**
199 + 82 077**
57
7 836 + 7 707**
459 8
844 + 1 531 380**
643 581 + 182 290**
35
5 194 + 8 303**
0 + 640**
1 634
4 134 + 147 318**
20
28 + 203 281**
2
30
792 + 642**
40
899 289 + 116 710**
50
75 369 + 235**
7
* Priorität
** SECB
Kai-Oliver Detken
CISCO
LS-1010
Auswertung Non
Non-Blocking-Messung
Blocking Messung
• Puffer
ff versuchen
h erst die
d Überbelastung
Üb b l
zu handhaben
h dh b und
d
verwerfen dann ganze Zellenblöcke (SECB).
• Überbuchung wurde wieder bei FORE Systems (ASX-200BX)
und Bay Networks (Centillion 1600) abgelehnt.
• CISCO (LS-1010) ließ sich durch einen Trick überlisten:
geringere Datenrate eingestellt und mit höherer gesendet.
• Madge (Meritage 1000) wurde wieder mit Überbuchung
eingestellt Dadurch entstand das Head-of-Line-Blocking.
eingestellt.
Head of Line Blocking
• Der Cabletron Switch 6A000 schaltete wieder seinen Port
ab und konnte nur durch einen RESET auf UP gesetzt
g
werden.
• ASX-200BX konnte durch großen Speicher länger
Üb l t
Überlastungen
standhalten.
t dh lt
OptiNet GmbH
Kai-Oliver Detken
Zusammenfassung
• CBR-Verkehr besaß immer eine höhere
Priorität gegenüber VBR und UBR.
• Rt-VBR und
d nrt-VBR waren nicht
h überall
b ll zu
unterscheiden.
• Non-Blocking-Messung
N Bl ki M
verlief
li f b
beii allen
ll
Switches (bis auf Meritage 1000) erfolgreich.
• Zellenverluste bei normaler Vollast traten bei
zwei Switches auf (9A000, 6A000)!
• Latenzzeiten waren alle höher als die
Herstellerangaben es auswiesen.
• Konfiguration war teilweise sehr umständlich.
OptiNet GmbH
Kai-Oliver Detken
Dankeschön für ihre
Aufmerksamkeit
E-Mail:
E
M il [email protected]
d tk @ ti t d
Business URL: http://www.optinet.de
Private URL: http://kai.nord.de
OptiNet
O
tiN t GmbH
G bH
Goebelstraße 46
D-28865 Lilienthal
Tel.: 04298/9365-0
/
Fax: 04298/9365-22
OptiNet GmbH
Kai-Oliver Detken