Tema 3: Modo de Transferencia Asíncrono, ATM

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1 Tema 3: Modo de Transferencia Asíncrono, ATM Tecnologías de red de transporte de operadora MÁSTER EN INGENIERÍA TELEMÁTICA Profesor: Juan José Alcaraz Espín 1 Objetivos, Contenido y Bibliografía Objetivo: Conocer los fundamentos de funcionamiento de ATM. Contenido: Introducción a ATM Los interfaces de ATM La celda ATM Funcionamiento de un switch (conmutación de VC y VP) Mapeo y alineamiento de celdas Capas de adaptación Categorías de servicio Control de tráfico Traffic Shaping Control de congestión ATM en UMTS Bibliografía (ver trabajos) 2

2 ATM: Introducción TDM: Con TDM cada usuario sólo puede transmitir en los time-slots asignados: ATM: Con ATM cada usuario puede transmitir cuando tiene datos disponibles Celda ATM 5 48 ATM: Orientado a conexión Bytes Conmutación de paquetes (paquetes de tamaño fijo llamados celdas) ATM: Introducción Ventajas de ser orientado a conexión Establecidas las conexiones, poco procesado en nodos Ventajas de la conmutación de paquetes Asignación dinámica de ancho de banda Ventajas de emplear celdas de tamaño fijo Mayor velocidad en el procesado de las celdas ATM es una tecnología de multiplexación y conmutación a altas velocidades, con bajo retardo y capaz de transportar cualquier tipo de tráfico.

3 ATM: Introducción Pila de protocolos de ATM User application (higher protocol layers) ATM adaptation layer ATM layer Physical layer Voz, datos IP, video Segmentación y reensamblado. Control extremo a extremo multiplexación de celdas y conmutación de circuitos / caminos virtuales SDH ó PDH Los interfaces de red ATM UNI UNI Token Ring NNI Red ATM NNI Originating node Upper Upper layers layers AAL AAL ATM layer Phy Phy ATM layer Phy Phy ATM network nodes ATM switching within the ATM layer Phy Phy ATM layer Phy Phy Phy Phy Terminating node Upper Upper layers layers AAL AAL ATM layer Phy Phy User to Network Interface (UNI) Network to Network Interface (NNI) User to Network Interface (UNI)

4 La celda ATM 53 bytes 5 bytes 48 bytes PDU- Header PDU-Payload Celda UNI UNI header format Cell = ATM-PDU NNI header format Celda NNI 4 bits 8 bits 16 bits 3 bits 1 8 bits 12 bits 16 bits 3 bits 1 8 bits GFC VPI VCI PT C L P HEC VPI VCI PT C L P HEC VPI: Virtual Path Identifier. Hasta 256 (UNI) o 4096 (NNI). VCI: Virtual Channel Identifier. Hasta PTI: Payload Type Identifier. 3 bits. (Identifica celdas de datos y de control) CLP: Cell Loss Priority. 1 bit. HEC: Es un CRC de toda la cabecera. 8 bits. Trayectos Virtuales y Canales Virtuales Bits Byte in header GFC* / VPI VPI VPI VCI VCI VCI PTI CLP HEC VPI y VCI son los indentificadores de conexiones virtuales. (sirven para conmutar las celdas hacia su destino) Multiplexación en capa ATM Conexión de capa física (e.g. STM-1) VPI 1 VPI 2 VCI 1 VCI 2 Multiplexación en AAL 2

5 Funcionamiento de un switch Port Entrada VPI/VCI Salida Port VPI/VCI El conmutador dirige las celdas según el VPI/VCI y el puerto de entrada. Los VPI/VCI se fijan al crear el VC, el operador en los PVCs y el conmutador en los SVCs (estrategia FIFO) En general los VPI/VCI de un circuito cambian en cada salto de la celda en la red Los VPI/VCI han de ser únicos para cada puerto (pueden reutilizarse en puertos diferentes). Se pueden conmutar grupos de VCI en bloque conmutando por VPI Conmutación de celdas A 29 Entrada Salida Port VPI/VCI Port VPI/VCI Entrada Salida Port VPI/VCI Port VPI/VCI B Entrada 30 Salida Port VPI/VCI Port VPI/VCI X Z Y W D Entrada C Salida Port VPI/VCI Port VPI/VCI Cada entrada en las tablas de los conmutadores es un VC; si la crea el operador es un PVC, si las crea un protocolo de señalización es un SVC

6 Conmutación de VC y VP VC Switch (ATM switch) VCI 1 VCI 2 VCI 3 VCI 4 VP Switch (Cross Connect) Port 1 VPI 1 VPI 3 VPI 2 VPI 2 Port 2 VCI 4 VCI 1 VCI 2 VPI 1 VPI 3 VCI 3 VCI 1 VCI 2 VPI 4 VPI 5 Port 3 VCI 1 VCI 2 Mapeo de celdas sobre la capa física bytes P P VC-4 VC-4 (Virtual container) O H bytes 5 48 P ATM cell

7 Alineamiento de celdas Cell delineation = encontrar los delimitadores de celdas en el receptor Flujo de bits recibido... Dónde empieza la celda? Metodo 1: puntero VC-4 P O H... ATM cell VC-4 (Virtual container) Alineamiento de celdas Metodo : Usando el byte HEC Se toman 4x8 bits consecutivos del flujo de bits entrante y se calcula el checksum Checksum = HEC byte? En general: m = 6 n = 7

8 La capa de adaptación: AAL Implementado en los nodos extremos únicamente (el enrutamiento se realiza en la capa ATM) CS CS SAR SAR Control de flujo, temporización, corrección de errores, gestión de celdas perdidas. Segmentación y reensamblado de datos para ser encapsulados en las celdas ATM. Hdr Data block Higher layer data SAR PDU Hdr Hdr ATM ATM cell cell payload ATM Layer PDU La capa de adaptación: AAL Service Specific Part Common Part (one per AAL) Service Specific Convergence Sublayer Common Part Part Convergence Sublayer Segmentation And And Reassembly Sublayer CS SAR

9 Funcionamiento general de AAL Mensaje generado por la aplicación (ej.: datagrama IP) Salida de la capa de convergencia (CS) Cabecera CS CS (ca) Cola CS CS (co) Cabecera SAR Relleno Cola SAR Salida de la capa de segmentación y reensamblado (SAR) S A R CS (ca) S A R S A R S A R S A R CS (co) S A R Salida de la capa ATM A S T A M R Cabecera ATM CS (ca) S A R A T M S A R Bytes S A R A T M S A R CS (co) S A R La capa de adaptación: AAL AAL 1 AAL 2 AAL 5 Tasa de bit constante, retardo pequeño, variaciones pequeñas del retardo (aplicaciones: transporte de voz PCM, emulación de circuitos PDH) Tasa de bit variable, retardo pequeño, variaciones pequeñas del retardo (aplicaciones: voz comprimida, video) Tasa de bit variable, aplicaciones no sensibles al retardo (Emulación de redes LAN, datos IP, señalización)

10 AAL1 User info (e.g. PCM speech) SAR-PDU header (1 byte) bytes bytes (or (or less) less) SAR-PDU HH Payload ATM cell CSI bit (Convergece sublayer indication) Señalización / reloj Sequence number (modulo 8) CRC field (CRC check de los 4 bits anteriores) Parity bit (parity check de los 7 bits anteriores) Qué conclusión podemos sacar de la cabecera? AAL1 Cuando se transmiten señales de tasa de bit pequeña, AAL 1 tiene un problema: O el retardo de encapsulamiento de datos es grande... h payload h payload h payload 64 kb/s TDM channel: 47bytes / 8000bytes/s = 5.9 ms... o la eficiencia de transmisión es pequña (celdas casi vacías) h payload h payload h payload

11 AAL1 Cuando se transmiten señales de tasa binaria pequeña y variable, la situación con AAL1 es aún peor: El retardo de encapsulamiento es aún mayor... h payload h payload h payload 8 kb/s speech encoding: 47bytes / 1000bytes/s = 47 ms)... o la eficiencia de transmisión es peor h payload h payload h payload => La solución la da AAL2, que permite encapsular datos de distintas comunicaciones en una misma celda AAL2 CID field (uniquely identifies user source) Length indicator (length of CPS packet) UUI field (service specific information) HEC (error check of CPS packet header only) CPS packet header (3 bytes) HH Payload CPS packet (CPS = Common Part Sub-layer) HH ATM cell N Start field (1 byte) HH ATM cell N+1 pad

12 AAL2 CPS-Packet CPS-Packet CPS-Packet CPS-Packet CPS-Packet CPS-Packet CPS-PDU CPS-PDU CPS-PDU Start Field PAD Field Cell Header ATM-SDU ATM-PDU = Cell CPS-PDU AAL2 Qué proporciona AAL2 cuando se transmiten varias señales de tasa pequeña/variable entre dos extremos: Bajo retardo de encapsulamiento y gran eficiencia de ancho de banda: Veamos cóm lo hace AAL 1 => bajo retardo implica baja eficiencia: h payload h payload h payload AAL 2 => multiplexa distintas comunicaciones h payload h payload h payload

13 AAL5 CPCS-SDU 8 bytes CPCS-PDU payload PAD CPCS-PDU trailer CPCS-PDU N x 48 bytes A-I 0 SAR-PDU payload SAR-PDU Qué ventajas / inconvenientes observamos en AAL5? A-I 0 SAR-PDU payload SAR-PDU ATM SDU A-I 0 SAR-PDU payload SAR-PDU A-I 1 SAR-PDU payload SAR-PDU Cell ATM-PDU header payload ATM-PDU = cell Se indica en el último bit del campo PTI (AAL Indicate Bit) AAL5 Qué ventajas / inconvenientes observamos en AAL5?

14 Categorías de servicio ATM Contrato oro Contrato plata Contrato Parámetros de tráfico PCR/CDVT SCR/BT MCR Calidad de Servicio Max. CTD Peak to Peak CDV CLR Red ATM Parámetros de tráfico: el usuario se compromete a no superarlos, la red a satisfacerlos Parámetros de Calidad de Servicio: la red se compromete a cumplirlos. Servicio CBR: Constant Bit Rate Capacidad reservada no aprovechable Capacidad del enlace CBR2 CBR1 CBR2 CBR1 CBR utiliza caudal fijo. Para cada VC se reserva un caudal determinado de forma estática, se use o no se use La mayoría de las aplicaciones no generan un caudal completamente constante; con CBR hay que reservar el máximo que se quiera utilizar, por lo que se desperdicia mucha capacidad del enlace.

15 Servicio VBR: Variable Bit Rate Capacidad no aprovechada Capacidad del enlace VBR CBR VBR CBR VBR permite un caudal variable (a ráfagas) con lo que mejora el aprovechamiento del enlace respecto a CBR. Dos variantes: VBR-rt (real time) y VBR-nrt (no real time) El usuario recibe garantías de QoS (especialmente en VBRrt) por lo que la capacidad se reserva. Pero si no la emplea queda libre para que la utilicen otros servicios menos exigentes. Servicio UBR: Unspecified Bit Rate Capacidad excedente utilizada por UBR Capacidad del enlace VBR CBR UBR UBR VBR CBR Celdas descartadas en caso de congestión UBR intenta aprovechar los huecos que deja VBR (CBR no deja huecos pues la reserva es total) No garantiza caudal mínimo ni tasa máxima de celdas perdidas No devuelve información sobre la congestión de la red Algunas aplicaciones soportan mal la pérdida de celdas

16 Servicio ABR: Available Bit Rate Tráfico ABR elástico con garantías VBR CBR ABR (PCR, MCR, CLR) Capacidad del enlace ABR VBR CBR La realimentación de la red evita la congestión y la pérdida de celdas ABR rellena los huecos de VBR de forma flexible como UBR, pero: Ofrece un caudal mínimo garantizado MCR (Minimum Cell Rate) La tasa de pérdidas se mantiene baja gracias a la realimentación sobre el grado de congestión en la red Las aplicaciones funcionan mejor al reducirse la pérdida de celdas Comparativa Categoría CBR VBR-rt VBR-nrt ABR UBR Características Simula línea punto a punto. Reserva estricta de capacidad. Caudal constante con mínima tolerancia a ráfagas. Asegura un caudal medio y un retardo. Permite ráfagas. Utiliza doble Leaky Bucket. Asegura un caudal medio pero no retardo. Permite ráfagas. Utiliza Leaky Bucket. Asegura un caudal mínimo, permite usar capacidad sobrante de la red. Incorpora control de congestión No asegura nada. Usa caudal sobrante.

17 Comparativa Servicio Garantizado Calidad de Servicio Best Effort CBR VBR-rt VBR-nrt ABR UBR+ UBR Mínima Complejidad de implementación Máxima UBR UBR+ CBR VBR-nrt VBR-rt ABR Parámetros de tráfico PCR (Peak Cell Rate) y CDVT (Cell Delay Variation Tolerance): Máximo caudal que permite el VC y tolerancia (pequeña) respecto a este caudal SCR (Sustainable cell rate) y BT (Burst Tolerance): Caudal medio máximo permitido y tolerancia a ráfagas (grande) respecto a este caudal MCR (Minimum Cell Rate): Caudal mínimo que la red considera que puede asegurar en ese VC

18 Parámetros de calidad de servicio Max. CTD (Maximum Cell Transfer Delay): máximo retardo que puede sufrir una celda (si llega más tarde se considera perdida). Peak-to-Peak CDV (Peak to Peak Cell Delay Variation): máxima fluctuación que puede sufrir el retardo en el envío de una celda. Equivalente al jitter CLR (Cell Loss Ratio): tasa máxima aceptable de celdas perdidas Ejemplo de CDV

19 Parámetros de calidad de servicio Función densidad de probabilidad de llegada de celdas 1 - α α<clr Mínimo Peak-to-Peak CDV Max CTD (Cell Transfer Delay) α Celdas perdidas o entregadas demasiado tarde El tiempo mínimo de transferencia depende de las características físicas de la red Parámetros por Categorías de Servicio Attribute Traffic parameters PCR/CDVT SCR, MBS MCR QoS parameters Max CTD Max pp CDV Other attributes Feedback ATM Layer Service Category CBR RT-VBR NRT-VBR ABR UBR n/a specified specified n/a specified unspecified specified specified unspecified unspecified CLR specified netw.sp. unspec. specified n/a n/a unspec.

20 Reparto de la capacidad de un enlace por categorías de tráfico ATM ABR MCR ABR PCR ABR UBR VBR PCR VBR SCR VBR Capacidad del enlace CBR PCR CBR Control de Admisión de Conexión (CAC) (CBR, VBR y ABR) Quiero un VC VBR-rt con: PCR/CDVT = A/B SCR/BT = C/D Max. CTD = E Pk-t-Pk CDV = F CLR = G CAC Puedo soportar esto de forma fiable sin perjudicar otros contratos? Petición de QoS garantizada NooSí, Acordar un Contrato de Tráfico Contrato to Red ATM

21 Traffic Policing o UPC (Usage Parameter Control, Control de Parámetros de Uso) Contrato Este usuario no está cumpliendo el contrato. Cual deberá ser la multa? OPCIONES: DEJAR PASAR MARCAR BIT CLP DESCARTAR APLICACIÓN REBELDE Red ATM Vigilancia de tráfico (traffic policing) Bit CLP UPC Celda Marcada C 0 B 0 A 0 B 1 A 0 Celda Descartada C DEJAR PASP ASARAR MARCAR BIT CLP DESCARTAR En caso de congestión la red puede descartar las celdas marcadas más tarde

22 Traffic Policing CBR Un leaky bucket con: Caudal de entrada: la velocidad de la interfaz física Caudal de salida: PCR Capacidad del bucket: se deduce a partir del CDVT Las celdas no conformes (que desbordan el bucket) son descartadas Traffic Policing CBR Doble leaky bucket con: Caudal de entrada: velocidad de la interfaz física Primer bucket : SCR/BT Segundo bucket : PCR/CDVT (como en CBR)

23 Algoritmo por defecto para VBR CLP = 1 Tráfico entrante CLP = 0 Primer cubo lleno CLP = 1 Segundo cubo lleno descartar Primer Cubo (BT) Segundo Cubo (CDVT) Vaciar al caudal de SCR en el VC Vaciar al caudal de PCR-SCR en el VC Conformado de tráfico: Traffic Shaping Quiero cumplir con mi contrato, por tanto suavizaré mi tráfico Adelante Datos reales Shaper Datos conformados El conformado de tráfico lo realiza el host (interfaz UNI) Altera las características del tráfico introducido en la red Se aplica el algoritmo del pozal agujereado Red ATM

24 Control de Congestión en ATM CBR y VBR aplican control preventivo aplicando control de admisión en el momento de la conexión y traffic policing (p. Ej. Token bucket) durante ésta. En UBR el único control consiste en descartar celdas cuando haya congestión. En ABR se prevé un mecanismo reactivo, con tres modos posibles: EFCI (Explicit Forward Congestion Indication). RR (Relative Rate) ER (Explicit Rate) Control de Congestión Reactivo Importante minimizar tiempo de reacción A Conmutador Realimentación Z B Los mecanismos de realimentación deben implementarse en hardware C Conmutador

25 Control de Congestión ABR: Modo EFCI (Explicit Forward Congestion Indication) Bit intermedio en campo PTI Emisor x x Receptor Celdas RM marcadas por Receptor Celda de datos Celda RM (Resource Management) Cuando el conmutador detecta congestión: 1. Pone el flag EFCI en las celdas de ida en ese VC 2. El receptor debe responder con celdas RM marcadas (se envía una celda RM cada n celdas de datos) 3. Como consecuencia el emisor debe bajar el ritmo Tiempo de reacción depende del tiempo de ida y vuelta del VC Control de Congestión ABR: Modo Tasa relativa (RR, Relative Rate) Emisor x Receptor Celdas RM marcadas por conmutador Cuando el conmutador detecta congestión: 1. Marca celdas RM (Resource Management) de retorno 2. Como consecuencia el emisor debe bajar el ritmo El tiempo de reacción es más corto que en modo EFCI

26 Control de Congestión ABR: Modo Tasa explícita (ER, Explicit Rate) Emisor Receptor 1. El emisor anota en las celdas RM el caudal posible 2. Los conmutadores pueden modificar el valor anotado, pero solo para disminuir su valor 3. El emisor ajusta su flujo al caudal indicado en las celdas RM que recibe Se utiliza en enlaces de área extensa Flujo de celdas ATM con control de congestión ACR Cuando CI=1 en la celda RM recibida la fuente debe reducir su ACR en RDFxACR hasta un mínimo igual a MCR PCR ICR ACR: Actual cell rate ER: Explicit rate ICR: Initial cell rate MCR: Minimum cell rate PCR: Peak cell rate RDF: Rate Decrease Factor RIF: Rate Increase factor MCR tiempo Cuando se recibe una celda RM con CI=NI=0 la fuente puede incrementar el ACR en RIFxPCR, hasta llegar a PCR En el modo ER, si el ACR en la celda RM recibida es mayor que ER la fuente debe reducir el ACR hasta MAX(MCR, ER)

27 Control de congestión ABR Modo Tasa Explícita El más sofisticado Ideal para redes WAN Eficiencia Modo Tasa Relativa Sencillo y eficiente Ideal para redes LAN/MAN Modo EFCI El más sencillo Alta latencia Coste/Complejidad Arquitectura de una red ADSL /26 VPI 8, VCI 32, PCR 2000/300 Kb/s VPI 8, VCI 32, PCR 512/128 Kb/s / / /26 Red telefónica Red ATM VPI 8, VCI 32, PCR 256/128 Kb/s Internet Router ADSL Ethernet 10BASE-T Bucle de abonado (conexión ADSL) Enlace ATM OC-3 (155 Mb/s) Circuito permanente ATM

28 ATM en UMTS ATM en UMTS DCH FP CPCH FP Transporte de voz PCH FP AAL2 ATM PHY NodoB RACH FP FACH FP DSCH FP Conexiones AAL2: Establecidas y liberadas bajo demanda por la RNC PVC CBR DCH FP CPCH FP PCH FP RACH FP FACH FP DSCH FP AAL2 ATM PHY RNC Trama de voz (1 cada 10 ms) Paquete AAL2 Celda ATM AAL2: 53 bytes 10 Bytes 3 Bytes 8 Bytes

29 ATM en UMTS ATM sobre E1 ATM Forum AF-PHY PHY (9/96) Celda ATM: 53 bytes Trama E1: 32 bytes TS 0: Señalización + Alineamiento TS 4 Cabecera ATM TS 16: Señalización TS 28 Cabecera ATM TS 20 Cabecera ATM TS 12 TS bits (32 Bytes) / 125 μsec ATM en UMTS ATM sobre NxE1: Inverse Multiplexing on ATM (IMA) ATM Forum AF-PHY PHY (2/99) PHY Enlace físico #0 PHY Flujo de celdas único procedente de la capa ATM IMA Group PHY PHY Enlace físico #1 Enlace físico #3 PHY PHY IMA Group Flujo de celdas original hacia la capa ATM IMA Virtual Link Tx: Celdas distribuidas por los enlaces en secuencia round-robin Rx: Celdas recombinadas en un único flujo ATM

30 ATM en UMTS ATM sobre E3 Celda ATM: 53 bytes ATM Forum AF-PHY PHY (8/95) Bytes de cabecera E3 59 bytes 530 bytes de carga ATM en UMTS ATM sobre Nx64 Kbit/s: : Fractional ATM ATM Forum AF-PHY PHY (10/99) Nx 8 bits / 125 μsec Mapeado de celdas ATM en la trama portadora de Nx64 Kbps Cabecera ATM Cabecera ATM E1 (32 bytes) / 125 μsec

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