“Tecnologías de Transporte”

Parte II

Prof. Dr. Ing. Gustavo Hirchoren

Material basado en “Data and Computer Communications”, Sixth Edition, William Stallings

Bibliografía

“Data and Computer Communications”, Sixth Edition, William Stallings. Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall, 2000.

“ISDN and Broadband ISDN, with Frame Relay and ATM”, William Stallings. Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall, 1999.

Bibliografía

“Voice Over IP”, Uyless Black. Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall PTR, 2000.

B-ISDNN-ISDN: opera en modo circuito. Utiliza TDM

sincrónico o determinísticoB-ISDN: inicialmente se pensó en extender el

funcionamiento de la N-ISDN incorporando nuevos canales (H2: 30-45 Mbps y H4: 120-140 Mbps) pero esto fue rechazado

La transferencia síncrona versus la asíncrona tiene las siguientes desventajas: No es una interface flexible Muchas aplicaciones son de naturaleza “bursty” El uso de múltiples tasas de datos altas complica el

sistema de switching (N-ISDN sólo conmuta 64 kbps)

TDM sincrónico y TDM asincrónico o estadístico

B-ISDN: opera en modo paquete utilizando TDM asincrónico o estadístico (ATDM) surge el modo de transferencia asíncrona (ATM)

Características de ATM Utiliza paquetes de tamaño fijo y pequeño

(celdas)Toma ventaja de la confiabilidad y alta

velocidad de las redes digitales modernas para proveer conmutación rápida de celdas. No realiza control de flujo ni control de error link por link

Es orientado a conexión

Arquitectura del protocolo B-ISDN

Planos del modelo de referencia Plano de Usuario

Provee transferencia de información de usuario

Plano de Control Provee el manejo de la señalización

Plano de Management Layer management Plane management

Canales virtuales y trayectos virtuales “Virtual channel connections (VCC)”

Análogas a circuitos virtuales en X.25 o conexiones lógicas en Frame Relay

Se pueden establecer entre usuario-usuario, usuario-red y red-red

En ATM se ha introducido un segundo sublayer: “Virtual path connections” (VPC) que tienen las siguientes ventajas: Menor procesamiento y tiempo de establecimiento

de conexión Arquitectura de red simplificada Mejor performance de red y confiabilidad

Conexiones lógicas ATM

Celdas ATM Tamaño fijo de 53 bytesHeader de 5 octetosCampo de información de 48 octetosCeldas pequeñas reducen retardo de cola

para celdas de alta prioridad Celdas pequeñas pueden ser conmutadas

más eficientemente Más simple implementar la conmutación

de celdas pequeñas en hardware

Formato de celda ATM

Formato de header “Generic flow control”

Sólo en la interface usuario - red (UNI)

“Virtual path identifier”“Virtual channel identifier”“Payload type”

ej. distinguir info de usuario de gestión de red

“Cell loss priority”“Header error control” (HEC): permite

detectar y corregir hasta un error en el header

Transmisión de celdas ATM Interfaz física basada en celdas:

No se usa trama Stream continuo de celdas de 53 octetos Delineación de celdas basada sobre campo

“header error control” 25.6 Mbps

Interfaz física basada en SDH / SONET: 51.84 Mbps: STM-0 / STS-1 155.52 Mbps: STM-1 622.08Mbps: STM-4

Diagrama de estados para delineación de celdas

Interfaz física basada en SDH Impone estructura sobre stream ATM

Ej. a 155.52 Mbps usa trama STM-1 (STS-3)

Puede transportar payloads ATM y STM

Conexiones específicas pueden ser de conmutación de circuitos usando un canal con STM

STM-1 Payload para transmisión de ATM sobre SDH

Gestión de tráfico en redes ATM Alta velocidad, tamaño pequeño de celda,

bits de overhead limitadosMétodos de control de tráfico y congestión

están todavía evolucionando Requerimientos:

Mayoría del tráfico no permite control de flujo La realimentación es lenta debido al reducido

tiempo de transmisión de celda comparado con el retardo de propagación

Rango amplio de demanda de aplicaciones

Gestión de tráfico en redes ATM Aplicaciones pueden generar patrones de

tráfico muy diferentes Aplicaciones diferentes requieren diferentes

servicios de la red (servicio sensible al retardo para voz y video y servicio sensible a la pérdida para datos)

Muy alta velocidad de conmutación y transmisión

Efectos latencia/velocidad ATM a 150Mbps ~2.8x10-6 segundos

para insertar una celdaTiempo para atravesar la red depende del

retardo de propagación y del retardo de conmutación

Para simplicidad vamos a ignorar el retardo de conmutación y considerar el retardo de propagación como dos tercios de la velocidad de la luz

Efectos latencia/velocidad Si la fuente y destino están sobre las

costas opuestas de USA el “round-trip propagation delay” es ~ 48 x 10-3

segundosHasta que la notificación de celda perdida

alcanza la fuente ésta transmitió 7.2x106 bits

Por lo tanto las técnicas de control de congestión reactivas no son adecuadas para ATM

Variación de retardo de celdaVoz y video sobre ATM se transmiten como

un flujo continuo de celdasRetardo a través de la red debe ser pequeño

y no variable Para CBR (“ constant bit rate”) la tasa de

entrega de celdas debe ser constante Hay siempre alguna variación en el retardo

de tránsitoSe retrasa la entrega de celdas a la aplicación

en el destino para lograr una tasa de entrega constante

Reensamble temporal de celdas CBR

Contribución de la red a la variación de retardo de celda Redes de Packet switching

Retardos de cola y tiempo de decisión de ruteo

Redes Frame relay Efectos de la red pero en menor medida

Redes ATM Efectos menores que en Frame Relay Protocolo ATM fue diseñado para minimizar el

overhead de procesamiento en los conmutadores Conmutadores ATM tienen muy alto “throughput” Unico factor que conduce a variación de retardo de

celda es la congestión carga total aceptada por la red no debe causar congestión

Variación de retardo de celda en la UNI Aún si una aplicación genera datos a una tasa

constante Debido al procesamiento que ocurre en las tres

capas del modelo ATM Entrelazado de celdas de diferentes conexiones Entrelazado de celdas de OAM Si las celdas se transmiten usando SDH el overhead

de la trama se inserta en la capa física retrasando los bits de la capa ATM

Ninguno de esos retardos se puede predecir agregando un elemento aleatorio en el intervalo de tiempo entre la recepción de los datos en la capa ATM y la transmisión de esos datos en una celda en la UNI

Orígenes de variación de retardo de celda (I.371)

Control de tráfico y de congestiónControl de tráfico y de congestión de la

capa ATM debe soportar un conjunto de clases de QoS suficiente para todos los servicios de red

No debe confiar en protocolos AAL que son específicos de la red ni en protocolos de capas más altas que son específicas a la aplicación

Debe minimizar la complejidad de la red y de los terminales y maximizar la utilización de la red

Tiempos de respuesta consideradosTiempo de inserción de celda “Round trip propagation time”Duración de conexión Largo término

La estrategia de control de tráfico se basa en: Determinar si una dada nueva conexión ATM se

puede acomodar Coincidir con el usuario sobre los parámetros de

performance que serán soportados

Gestión de tráfico y técnicas de control de congestión Gestión de recursos usando trayectos

virtuales Control de admisión de conexión (CAC)Control de parámetros de uso (UPC)Descarte selectivo de celdas “Traffic shaping”

Gestión de recursos usando trayectos virtualesSeparar los flujos de tráfico de acuerdo a

las características del servicio Aplicación usuario-usuario Aplicación usuario-red Aplicación red-red

Trata con: “Cell loss ratio” (CLR) “Cell transfer delay” (CTD) “Cell delay variation” (CDV)

Configuración de VCCs y VPCs

Alocando VCCs dentro de VPCTodos los VCCs dentro del VPC deben

experimentar una performance de red similar

Opciones para alocación: Sumar las demandas pico Utilizar multiplexado estadístico

Control de admisión de conexión (CAC)Primera medida de defensaUsuario especifica características del tráfico para

una nueva conexión (VCC o VPC) y solicita una QoS

Red acepta la conexión si y sólo si estima que puede satisfacerla manteniendo la QoS de las conexiones ya establecidas

Contrato de tráfico “Peak cell rate” (PCR) “Cell delay variation” (CDV) “Sustainable cell rate” (SCR) “Burst tolerance”

Control de parámetros de uso (UPC)Monitorear conexiones para asegurar que

el tráfico esté conforme al contratoProtege los recursos de red de una

sobrecarga sobre una conexiónSe puede realizar tanto a nivel de VPC

como de VCCControla PCR y CDVControla SCR y “Burst tolerance”Descarta o marca celdas que no cumplen

el contrato de tráfico

Conformación del tráfico (“Traffic Shaping”)Suaviza un flujo de tráfico y reduce las

ráfagas de celdasAlgoritmo “Token Bucket”

Algoritmo “Token Bucket”

Categorías de servicios ATMReal-time: requiere retardo y jitter de

retardo pequeños “Constant bit rate” (CBR) Ej.: emulación de

circuitos “Real time variable bit rate” (rt-VBR) Ej.: voz o

video comprimido

Non-real time “Non-real time variable bit rate” (nrt-VBR) “Available bit rate” (ABR) “Unspecified bit rate” (UBR)

nrt-VBRPara aplicaciones en las que sea posible

caracterizar el flujo de tráfico esperadoEntonces la red puede proveer QoS en cuanto

a pérdida y retardoLos sistemas terminales especifican:

Peak cell rate Sustainable or average rate Burstiness

Para aplicaciones que tienen requerimientos críticos de tiempo de respuesta, ej. reservas de aerolíneas, transacciones bancarias, etc.

UBREn cualquier instante de tiempo puede

haber una cierta capacidad disponible en la red ATM debido a que: No se dedican todos los recursos de la red a

tráfico CBR y VBR El tráfico VBR presenta naturaleza “bursty”

Este servicio es adecuado para aplicaciones que pueden tolerar retardos variables y celdas perdidas Ej. tráfico basado en TCP

Se provee “best-effort service”

ABRLas aplicaciones especifican “peak cell

rate” (PCR) y “minimum cell rate” (MCR) La red maneja los recursos de manera tal

que todas las aplicaciones ABR reciben por lo menos su MCR

Cualquier capacidad adicional disponible se comparte entre todas las fuentes ABR

La red envía una realimentación explícita a las fuentes

Ej.: interconexión de LAN’s

Servicios ATM

Gestión de tráfico ATM-ABR Algunas aplicaciones (tráfico Web,

transferencia de archivos, etc) no tienen características de tráfico bien definidas

Una posibilidad es usar la técnica “best effort” Permite compartir la capacidad no usada en una

forma no controlada. Si ocurre congestión se descartan celdas causando

retransmisiones Es el modo de operación usado en el servicio UBR La desventaja es su ineficiencia

En cambio ABR utiliza un control a lazo cerrado

Gestión de tráfico ATM-ABR Conexiones ABR comparten la capacidad

disponibleLa tasa de celdas/seg de cada conexión varía

entre su “minimum cell rate” (MCR) y su “peak cell rate” (PCR)

La red provee realimentación a las fuentes ABR tal que un flujo ABR está limitado a la capacidad disponible Buffers absorben el tráfico generado durante el

retardo de realimentación

Se garantiza una baja “cell loss ratio” (CLR). Es la mayor diferencia entre ABR y UBR

Mecanismos de realimentaciónTasas de transmisión:

“Allowed cell rate” (ACR) “Minimum cell rate” (MCR) “Peak cell rate” (PCR) “Initial cell rate” (ICR)

Comienza con ACR=ICRSe ajusta ACR en base a la realimentación de la

red Celdas de gestión de recursos (celdas RM) contienen:

“Congestion indication bit” (CI)“No increase bit” (NI)“Explicit cell rate” (ER)

Variaciones en “Allowed Cell Rate” (ACR)

Flujo de celdas de datos y RM sobre una conexión ABR

Mecanismos de un switch ATM para proveer control de tasaMarcar EFCI (“explicit forward congestion

indication”) En una celda “Forward RM” usando el campo PT

del header de celda ATM Provoca que el destino active el bit CI en una

celda “Backward RM”

Marcar tasa relativa Marcar directamente el bit CI o el bit NI de una

celda RM También un switch puede generar directamente

una celda BRM con el bit CI o el bit NI activado

Mecanismos de un switch ATM para proveer control de tasaMarcar tasa explícita

El switch puede reducir el valor del campo ER de una celda FRM o BRM

El destino, si está experimentando congestión, puede también setear el bit CI o el bit NI o reducir el valor del campo ER

“ATM Adaptation Layer”Permite el soporte de protocolos de

transferencia de información no basados en ATM

Servicios de la capa de adaptación Segmentación y re-ensamble Temporización Manejar errores de transmisión Manejar celdas perdidas y mal insertadas Control de flujo

Protocolos AAL“Convergence sublayer” (CS)

Soporte para aplicaciones específicas

“Segmentation and re-assembly sublayer” (SAR) Empaqueta y desempaqueta información

recibida del CS en celdas

Cuatro tipos AAL Tipo 1: CBR AAL Tipo 2: rt-VBR AAL Tipo 3/4: nrt-VBR AAL Tipo 5: nrt-VBR

Protocolos AAL

AAL Tipo 1 SN: número de secuencia de 3 bits. Primer bit: bit CSI

(indicador del sublayer de convergencia), lleva la SRTS (etiqueta de tiempo residual síncrona) en las celdas con SN impar

SNP: protección de número de secuencia AAL1 - Modo de transferencia de datos no estructurado:

AAL Tipo 1 AAL1 - Modo de transferencia de datos estructurado:

Por ej. para transmisión de tramas de 2 Mbps, 34 Mbps, 140 Mbps

En las celdas con SN par se roba un byte a los datos para utilizar como puntero al byte de comienzo de los datos estructurados. Lleva un valor entre 0 y 93 (este último indica que no hay comienzo de bloque en esos 93 bytes)

AAL Tipo 2El objetivo es proveer un mecanismo para

enviar paquetes pequeños (tales como los de voz) sobre una red ATM para tener: Bajo retardo No enviar celdas parcialmente llenas

AAL 2 soporta el multiplexado de múltiples conexiones en una celda

Los paquetes multiplexados pueden ser de longitud variable, útil para acomodar codificadores de tasa de bit variable

AAL Tipo 2

AAL Tipo 2Los campos en los 48 bytes se agrupan en:

start field, CPS-packet header, payload y PADCPS-packet header

CID: identifica al usuario del canal. El valor 0 no está permitido porque octetos con todos ceros se reserva para el padding. Los valores de 1 a 7 están reservados para gestión

LI: es uno menos que el número de octetos en el payload del paquete

UUI: envía información transparentemente HEC: permite detectar errores en el CPS-packet

header

AAL Tipo 2Start Field

OSF (0-47): indica el offset medido en número de bytes entre el fin del start field y el primer comienzo de un header de paquete, o en su ausencia al comienzo del campo PAD, o el valor 47 indica que no hay límite de comienzo

SN: bit usado para numerar en módulo 2 las celdas P: bit usado por el receptor para detectar errores en

el start field

PAD: relleno con todos ceros, si fuera necesario

Nota: puede haber varios paquetes en una celda

VoATM usando AAL 2

VoATM usando AAL 2Consideremos un gateway de voz sobre ATM

(VoATM) que utiliza el codificador G.729A con tramas de 10 bytes que son encapsuladas con un header de RTP de 4 bytes

ATM-SDU contendrá el campo start field y luego se carga con paquetes de 17 bytes que pertenecen a distintas comunicaciones, hasta completar los 48 bytes

Un paquete puede estar distribuido a lo largo de varias celdas

Es posible multiplexar también voz y datos

AAL Tipo 3/4

AAL Tipo 3/4 - Overhead en CSCPI: indicador de parte común (todos ceros)Btag, Etag: etiquetas de comienzo y fin, son

iguales entre sí, y el valor se va incrementando en uno

BASize: tamaño de alocación de buffer En “Message mode”: igual al campo Length En “Stream mode”: mayor o igual al campo Length

PAD: relleno (0-3 bytes) para lograr múltiplo de 4 bytes

AL: alineamiento (todos ceros)Length: longitud del campo de información

AAL Tipo 3/4 - Overhead en SARST: tipo de segmento (BOM, COM, EOM,

SSM)SN: número de secuencia módulo 16MID: identificación de multiplexado,

identifica la CPCS PDULI: indicador de longitud de datos en el

payload (en caso de ser menor a 44 bytes el resto se rellena)

CRC: CRC-10 calculado sobre la entera SAR PDU para detección de error

AAL Tipo 5

AAL Tipo 5 - Overhead en CSPAD: relleno (0-47 bytes) para lograr

múltiplo de 48 bytesUU: user-user, para enviar información CPI: indicador de parte común, reservado

para uso futuroLength: número de bytes en el campo de

datosCRC-32: calculado sobre la entera CPCS

PDU para detección de error

AAL Tipo 5El sublayer SAR no agrega overheadAAL 5 es conocido como “SEAL” (“simple

efficient adaptation layer”)Es el protocolo de la capa de adaptación

más usado para datos (IP sobre ATM, Frame Relay sobre ATM, etc)

Ejemplo de Transmisión AAL 5