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“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