О возможности «Безджиттерной» передачи трафика реального времени в сетях Ethernet

Коннов М.Н., Механов В.Б. О ВОЗМОЖНОСТИ «БЕЗДЖИТТЕРНОЙ» ПЕРЕДАЧИ ТРАФИКА РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ В СЕТЯХ ETHERNET

В современных телекоммуникациях большое распространение приобретает обмен трафиком реального времени (РВ) (мультимедийные данные, метки времени, телеметрия, команды телеуправления и др.) по сетям с коммутацией кадров. В отличие от передачи обычных кадров, задержка кадров РВ-кадров и ее разброс (джиттер) становятся существенным фактором, определяющим возможность работы приложений реального времени. Поэтому для трансляции трафика реального времени сеть должна поддерживать функции качества обслуживания (QoS). Кардинально проблема обеспечения QoS решается в технологии АТМ, однако высокая стоимость АТМ существенно уменьшает возможность ее широкого применения. Прогресс телекоммуникационных технологий: переход на коммутацию кадров, виртуализация сетей, введение меток приоритетов кадров, управление полосой пропускания и др., позволяет реализовать функции QoS в рамках популярной и недорогой технологии Ethernet [1].

В настоящей работе рассматривается механизм управления трафиком реального времени, позволяющий значительно уменьшить величину джиттера. Механизм может быть достаточно просто быть реализован в коммутаторах Ethernet, поддерживающих функции VLAN и службы QoS.

Задержка передачи кадра в каждом звене сети Ethernet складывается из четырех составляющих: задержка распространения, вызванная конечной скоростью распространения сигнала в среде передачи (меди, оптоволокне) ;

задержка коммутации в сетевых устройствах, когда требуется время для продвижения кадра из входного в выходной порт;

задержка сериализации, связанная с последовательной (побитной) передачей кадров в выходных портах;

задержка в очереди, возникающая при задержке кадров из-за перегрузки сети.

Основной причиной джиттера является задержки в очереди, размеры которых определяются характером сетевого трафика и носят случайный характер. Известные механизмы QoS для уменьшения задержки очереди используют приоритезацию трафика. Однако этого недостаточно: РВ-кадр даже имеющий высший

приоритет все равно вынужден ожидать освобождения своего порта назначения в том случае, когда на момент его поступления порт уже был занят передачей ранее поступившего кадра с меньшим приоритетом.

Авторами предложен способ, позволяющий в сетях с пакетной коммутацией ограничить или даже полностью исключить джиттер РВ-кадров за счет их специальной обработки - организации на канальном уровне OSI так называемого «виртуального тайм-слота» (ВТС) [2]. На время ВТС коммутатор не должен начинать передачу в порт каких - либо иных кадров, кроме принадлежащих трафику реального времени. Таким образом, гарантируется задержка кадра в каждом узле при любой его загрузке. Положение ВТС привязывается к моменту идентификации очередного кадра, как принадлежащего к классу РВ. Необходимыми условиями реализации ВТС являются: поддержка протоколов IEEE 802.1 q /p,

РВ-кадрам назначен наивысший приоритет,

полоса, выделяемая в каждом порту для РВ-трафика, исключает накопление РВ-кадров, доля РВ-трафика относительно невелика.

В коммутаторах уровня Ethernet возможны два варианта организации ВТС, условно называемых с «пост-блокировкой» и «пре-блокировкой» в зависимости от способа задания временного положения ВТС. Укрупненная структурная схема коммутатора с поддержкой ВТС приведена на рисунке 1.

Рисунок 1

При формировании ВТС с пост-блокировкой передняя граница виртуального тайм-слота определяется моментом приема и распознания РВ-кадра, после чего он задерживается в буфере на фиксированное время ТБЛ , определяемое временем передачи самого «длинного» кадра данных. При этом блокируется

начало передачи любых кадров. При снятии блокировки через выходной порт передается РВ-кадр, как имеющий высший приоритет, после чего ведется передача остальных кадров данных. Формирование ВТС показано на рисунке 2, алгоритм обработки кадров приведен на рисунке 3, для задания интервала блокировки используется специальный таймер, запускаемый РВ-кадром.

Вх. порт ____________________ч

Вх. порт ! КД2 \ 1 -I4 1 J"\ 1 \

Вых. порт ! кді 1 ''[ШВІ:! *1 КД2 I

1 |'\ N Тбл ) ,

Момент снятие блокировки

Рисунок 2

ВТС имеет фиксированное положение и длительность, равную ТБЛ + Трв , где ТрВ - время передачи его через исходящий порт. С учетом формата кадра Ethernet и наличия межкадрового интервала значе-

ния TW и TPB можно определить следующим образом: TEJ1 = 8(41 + MTU)TIE ; TPB = 8(41 + NPB)TIE , гДе

MTU < 1500 - установленное в сети максимальное значение поля данных кадра (в байтах), NPB -

длина РВ-кадра (в байтах), TIE время передачи одного бита (соответственно 100, 10 или 1 нс для,

обычного, Fast и Gigabit Ethernet).

Рассмотренный вариант управления трафиком позволяет исключить джиттер, но приводит к дополнительной задержке РВ-кадра в каждом узле на время Tji , поэтому его рационально использовать в сетях, РВ-трафик в которых критичен к джиттеру, но сама задержка не имеет важного значения. Характерным примером возможного применения можно назвать синхронизации телекоммуникационных систем по протоколу стандарта IEEE 158 8, который обеспечивает синхронизацию часов реального времени и их последующую динамическую подстройку посредством обмена специальными сообщениями по каналам Ethernet [3]. На качество синхронизации влияет топология сети и равномерность трафика. В сети с большим числом устройств и высокой загрузкой точность трансляции синхронизации будет значительно хуже. Поэтому для передачи синхроинформации сейчас используют отдельную сеть. Применение коммутаторов с поддержкой ВТС с пост-блокировкой позволит совместить в единой сети Ethernet как передачу синхроинформации, так и обмен обычными данными.

Рисунок 3

При формировании ВТС с пре-блокировкой положение ВТС определяется на один шаг вперед прогнозируемым моментом поступления следующего РВ-кадра, при этом интервал блокировки устанавливается таким, чтобы ожидаемый РВ-кадр после распознания мог немедленно транслироваться в освобожденный к этому времени выходной порт. Формирование ВТС показано на рисунке 4, алгоритм обработки кадров приведен на рисунке 5.

Вх. порт [:КРВ.1:: f"\ 1 [::КРВ2:: 1 T 1 к

Вх. порт С / 1 1 *

1 КД1 'і! -V '—К

Вых. порт ^ тЩ с* КД1 V* Ш2:] V КД2

Момент снятие / блокировки 1 *

\ Момент снятие блокировки

Рисунок 4

Рисунок 5

К моменту поступления очередного РВ-кадра порт заблокирован, после распознания РВ-кадра он помещается высокоприоритетную очередь, затем принудительно сбрасывается блокировка и кадр транслируется в выходной порт. Одновременно запускается таймер, задающий интервал , который определяет положение следующего ВТС. Интервал блокировки задается другим таймером, значения интервала блокировки ТБЛ = 8(41 + MTU)TlE + ТрВ , увеличение ТБЛ по сравнению с первым вариантом формирования ВТС объясняется необходимостью перезапуска таймеров, если очередной РВ-кадр будет потерян (например, сброшен предыдущем коммутатором из-за ошибки).

Приведенный алгоритм сводит задержку в звене до минимальной величины при нулевом джиттере, однако он реализуем только в том случае, если последовательность РВ-кадров представляет поток с заранее известным периодом. Приложениями метода управления трафиком с формированием ВТС с пре-блокировкой могут быть названы сети с передачей высококачественных мультимедийных данных, передача (в первую очередь, мультикастная) синхронизирующих и запускающих сигналов, потока команд телеуправления (например, опроса датчиков) в сетях индустриального Ethernet, в измерительных системах стандарта LXI (расширение LAN для проведения измерений) [4].

ЛИТЕРАТУРА

1. Филимонов А. Построение мультисервисных сетей Ethernet - Спб: издательство «БХВ-Петербург»,

2007 .

2. Коннов М.Н., Механов В.Б. Об одном механизме передачи трафика реального времени в сетях с пакетной коммутацией. Труды Международной научно-технической конференции "Современные информационные технологии" - Пенза, 2010

3. Телегин С. Протокол PTP для синхронизации сетей NGN. Вопросы применения // Первая миля,

200 9, №5-6

4. Дренкоу Г. LXI - новое поколение измерительных систем // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология,

Бизнес, 2006. № 6