Erwin Rathgeb

Modeling and performance comparison of policing mechanisms for ATM networks

Asynchronous transfer mode (ATM) networks, as proposed by CCITT as the solution for the future broadband ISDN, will provide high flexibility with respect to the varying bandwidth requirements of the different services. They will also support variable bit rates within a connection. The packetized information transfer, without flow control between the user and the network, in combination with the asynchronous multiplexing principle, results in a need to control the individual cell stream during the entire duration of the calls to ensure an acceptable quality of service for all coexisting calls sharing the same network resources. This kind of control will be provided by introducing a policing or usage parameter control function. Basic design objectives and requirements for such a function are described. These requirements serve as a basis for the comparison of some of the mechanisms proposed so far, namely the leaky bucket, the jumping window, the triggered jumping window, the moving window, and the exponentially weighted moving average mechanisms. >

The MainStreetXpress core services node-a versatile ATM switch architecture for the full service network

Switching systems based on the ATM principle have outgrown the experimental stage, and are already used today in private and corporate networks, as well as in public wide area networks to provide regular service. ATM has the inherent ability to provide a common basis for transmission and switching functionality in both local and wide area networks. With the potential to support all services available today as well as those envisaged for the future, ATM holds a strong promise for network operators and end customers. To fully exploit this potential, ATM switch architectures are required which provide versatility and modularity in supporting services and protocols, independent scalability of data throughput and control performance over a wide range, and also reliability features adaptable to the respective application scenario. This paper describes in some detail how the MainStreetXpress core services node, which has evolved from the prototype described by Fischer et. al. (1991) to a mature central office ATM switch, addresses these issues and provides a future-proof architecture incorporating all of the features required in the B-ISDN era.

The MainStreetXpress 36190: a scalable and highly reliable ATM core services switch

Abstract This paper describes the architecture and some of the main features of the MainStreetXpress 36190 ATM core services switch. This switch has been designed from the start as a fully functional, central office class ATM switch which can be used already today to create the backbone layer for commercial ATM-based multi-service networks. Due to its modular hardware and software architecture, it provides the required flexibility with respect to interface requirements, signalling/control capabilities and service support. The architecture together with the ATM chip set specifically developed for this switch allows to extend the data throughput of the MainStreetXpress 36190 from 5 Gbit/s into the Tbit/s range by just scaling the central switch fabric. The call processing capability can be scaled well into the MBHCA range (Million Busy Hour Call Attempts) by taking advantage of the specifically developed multi-processor control platform. Full redundancy for all central hardware components and optional redundancy for interface boards and external transmission lines is provided. In combination with a comprehensive hardware/software maintenance and recovery concept based on the vast experience with the EWSD line of digital switches these capabilities provide the reliability and availability required for large ATM carrier networks. Together with the full line of MainStreetXpress components – ranging from network terminations and LAN service units via flexible access multiplexers/switches to scalable ATM multi-service switches and a variety of specific server types all controlled by a common network and service management – the MainStreetXpress 36190 provides carriers with the means to realize fully functional, cost effective ATM based multi-service platforms already today.

Grundlagen: Prinzipien, Netze und Protokolle

Zwei oder mehrere Instanzen (z.B. Menschen, Endgerate, Rechnerprogramme), die miteinander kommunizieren wollen, benotigen dazu einen physikalischen Kanal, uber den sie miteinander in Kontakt treten konnen. Dieser Kanal kann dauerhaft oder nur zeitweise zur Verfugung stehen und z.B. akustische, elektrische und optische Abschnitte umfassen, die von einem Kommunikationsnetz zur Verfugung gestellt werden.

Anwendungen, Dienste und Interworking

Wenn die Frage aufkommt, wofur man eine breitbandige KommunikationsInfrastruktur benotigt, werden zunachst meist futuristische und etwas exotisch anmutende Beispiele angefuhrt, die nicht selten zu der Frage verleiten „braucht man das wirklich?“. Bei einer eingehenderen Analyse dieses Themas wird schnell klar, das die „Killer-Anwendung“, die allein den mit enormen Kosten verbundenen Aufbau einer durchgangigen Breitband-Infrastruktur rechtfertigt, derzeit nicht in Sicht ist. Ebenso wird klar, das es zwei sehr deutlich getrennte potentielle Benutzergruppen gibt, die sehr unterschiedliche Anforderungen und Beweggrunde fur einen Einstieg in die Breitbandkommunikation haben, namlich diejenigen, die die neuen Kommunikationsmoglichkeiten geschaftlich nutzen wollen und die Privatteilnehmer. Die professionellen Anwender, d.h. Firmen aller Grosen, stellen eine Kosten/Nutzenrechnung auf, indem sie ihre bisherigen Kommunikationsprozesse mit den neuen Moglichkeiten und deren Kosten vergleichen. Ergeben sich dabei insgesamt signifikante Vorteile durch die Einfuhrung der breitbandigen Kommunikation, sind diese Anwender auch bereit, relativ hohe Gebuhren fur einen Breitbandanschlus zu zahlen und sind deshalb insbesondere in der Einfuhrungsphase fur die Netzbetreiber interessant. Die Privatteilnehmer hingegen, die zwar als einzelne den Netzbetreibern wesentlich weniger Gebuhren einbringen, stellen durch ihre enorme Zahl ein Potential dar, das erschlossen werden mus, um eine flachendeckende Infrastruktur zu rechtfertigen. Diese Teilnehmer, deren Interessen an der Breitbandkommunikation mehr auf dem Gebiet der Unterhaltung und des einfachen Zugriffs auf Dienstleistungen liegen, haben eine relativ niedrige absolute Obergrenze fur ihre Kommunikationsausgaben, die auch durch sehr attraktive Angebote nicht beliebig nach oben verschoben werden kann. Im folgenden sollen einige typische Anwendungen angesprochen werden, die eine Breitband-Infrastruktur erforderlich machen und in ihrer Gesamtheit auch die dabei entstehenden Kosten rechtfertigen konnen.

Managementkonzepte für Breitbandnetze

Vor allem in grosen Netzen stammen die Einrichtungen im Netz (Hard-und Software) aus den verschiedensten Entwicklungszeiten, von verschiedenen Herstellern und sind nach unterschiedlichsten Funktionen und Prinzipien konzipiert. Entsprechend sind auch die Bedien-und Wartungsfunktionen und die dazu verwendeten Bediensysteme sehr unterschiedlich. Dies bedeutet fur den Netzbetreiber, das er das Bedienpersonal auf unterschiedlichen Systemen schulen mus. Auserdem erfordern viele Bedienvorgange, z.B. das Einrichten eines Breitbandteilnehmers, der uber Zugangsmultiplexer oder andere Zugangsnetze an eine ATM-Vermittlungsstelle angeschlossen ist, oder das Einrichten eines virtuellen Pfades uber ein inhomogenes Netz hinweg, das die unterschiedlichen Bediensysteme der betroffenen Netzelemente getrennt angesprochen werden mussen, um den Vorgang auszufuhren. Da die Bedien-und Wartungskosten einen erheblichen Anteil an den uber die Lebensdauer eines Gerates summierten Kosten (Life Cycle Cost) haben, ist es fur die Netzbetreiber von enormer Bedeutung, die Bedien-und Wartungsfunktionen weitgehend zu vereinheitlichen und damit ihre Kostenposition zu verbessern.

Grundideen des Asynchronen Transfer Modus

Sowohl das heutige Telefonnetz als auch das Schmalband-ISDN beruhen auf dem Prinzip der Durchschaltevermittlung (Circuit Switching), bei dem das in Abb. 2.1 dargestellte synchrone Zeitmultiplexverfahren (Synchronous Time Division Multiplexing, STD) verwendet wird, um Ubertragungsleitungen fur mehrere Verbindungen gleichzeitig nutzen zu konnen. Bei den Ubertragungssystemen, die das synchrone Zeitmultiplexverfahren unterstutzen (s. Ab- schn. 11.4) werden auf den Ubertragungsleitungen Rahmen definiert, die sich periodisch wiederholen und auf deren Anfange sich die an der Ubertragung beteiligten Gerate synchronisieren konnen. Innerhalb dieser Ubertragungsrahmen werden Zeitschlitze definiert, die relativ zum Rahmenanfang durchnumeriert werden. Im Laufe des Verbindungsaufbaus werden einer Verbindung auf jedem Ubertragungsabschnitt im Netz bestimmte Zeitschlitze fest fur die gesamte Verbindungsdauer zur exklusiven Nutzung zugeordnet, die erst beim Verbindungsabbau wieder freigegeben werden, wie in Abb. 2.1 angedeu- tet. Durch diese feste Zuteilung kann die Zuordnung der in den Zeitschlitzen ubertragenen Daten zu einer Verbindung aufgrund der jeweiligen Zeitschlitznummer erfolgen (Position Multiplexing).

Netzstrukturen für das Informationszeitalter

Mit der Einfuhrung der ATM-basierten Breitbandnetze werden sich auch die Netzstrukturen im Vergleich zu den heutigen Netzen in vielen Bereichen grundlegend andern. Durch die neuen, sehr heterogenen Anforderungen und die Entwicklung hin zu einer universellen Netzplattform werden vermehrt sehr komplexe, dienstspezifische Funktionen in die Netze integriert werden, die je nach Anwendungsfall flexibel konfigurierbar sein mussen. Auf der anderen Seite ergeben sich — durch die nahezu unbeschrankte Skalierbarkeit der Netzelemente und die sehr flexiblen und machtigen Steuerungsmechanismen — erweiterte Moglichkeiten, um die Netzstruktur selbst zu vereinfachen und damit die Kosten fur Betrieb und Wartung zu optimieren.

Verkehrssteuerung und statistisches Multiplexen

In ATM-Netzen werden Netzressourcen von Verbindungen mit unterschiedlichen Dienstgute- und Bitratenanforderungen gemeinsam benutzt. Die Verkehrssteuerung mus dafur sorgen, das die hiermit verbundene wechselseitige Beeinflussung von Verbindungen nicht zu einer Beeintrachtigung der Ubertragungsgute auf der ATM-Schicht fuhrt. Gleichzeitig mus sie dafur sorgen, das die Netzressourcen effizient genutzt werden. In Abschn. 2.5 wurde ein Uberblick uber die Mechanismen gegeben, die der Verkehrssteuerung hierfur zur Verfugung stehen. Diese Mechanismen bilden ein hierarchisches System, das die Steuerung und Kontrolle des Verkehrsaufkommens auf verschiedenen zeitlichen Ebenen erlaubt. In der Literatur werden haufig drei Ebenen unterschieden (s. z.B. [117]), namlich die Zellebene, die Burstebene und die Verbindungsebene. Die Schwankungen des Verkehrsaufkommens auf diesen verschiedenen Ebenen resultieren aus unterschiedlichen Ursachen. Das Prinzip des asynchronen Multiplexens fuhrt zu kurzzeitigen Schwankungen des Zellaufkommens (Zellebene). Quellen, die nur zeitweilig aktiv sind (burstartige Quellen) oder die ihre Senderate laufend andern, bestimmen die Schwankungen des Verkehrsaufkommens auf der Burstebene. Das Verkehrsaufkommen auf der Verbindungsebene hangt von der Ankunftsrate neuer Verbindungen ab.

Architekturkonzepte und Schnittstellen für ATM und B-ISDN

Im Blaubuch von ITU-T (s. Abschn. 1.3), das 1988 erschienen ist, war erstmals die Empfehlung I.121 „Broadband Aspects of ISDN“ enthalten, die einige generelle Festlegungen fur die Breitbanderweiterung des ISDN, das B-ISDN, zusammenfaste. Ein Hauptpunkt dabei war die Festlegung, das der „Asynchrone Transfer Modus“ (Asynchronous Transfer Mode, ATM) die Basis fur das zukunftige B-ISDN darstellen sollte. Die Vorteile von ATM wurden u.a. darin gesehen, das ATM durch den zellbasierten, paketorientierten Transport einen sehr flexiblen Netzzugang ermoglicht, eine dynamische Zuteilung von Bandbreite mit einer sehr feinen Granularitat erlaubt, durch das Konzept der virtuellen Pfade eine einfache Moglichkeit bietet, Festverbindungen zu schalten und vor allem das ATM durch seine Unabhangigkeit von der Ausgestaltung der physikalischen Schicht eine Ubertragung uber unterschiedlichste Ubertragungssysteme erlaubt.