Redes de Altas Prestaciones

Transcripción

1 1 Redes de Altas Prestaciones Tema 4 Protocolo ATM Curso 2010 ATM Modo de Transferencia Asíncrono Introducción. Conceptos Básicos Capas ATM Servico de Voz sobre ATM Gestión, Direccionamiento y Servicios Transporte Gestión del Tráfico y LAN Emulation

2 2 ATM Conceptos básicos Nuevas necesidades de la red La demanda de aplicaciones relacionadas con información multimedia, como ser la video-conferencia, audio-conferencia, video bajo demanda (VoD) o sistemas colaborativos (pizarras compartidas, teletrabajo, telemedicina, etc.) y su coexistencia con aplicaciones más clásicas (bases de datos, transferencias de ficheros, WWW, etc.). Requiere tecnologías de comunicaciones capaces de ofrecer elevadas prestaciones; relacionadas con la calidad de servicio (QoS) y con conceptos parametrizables como el ancho de banda y la velocidad de transmisión (throughput), el retardo de las transferencias (delay); la variabilidad en el retardo (jitter); la fiabilidad (reliability) de las transmisiones; las características de multidifusión a grupos dispersos de usuarios (multicast) y la posibilidad de gestionar múltiples clases de servicio o flujos de información en redes multiclass. ATM Conceptos básicos Características de ATM. Asincronous Transfer Mode Es un conmutador de celdas de banda ancha, de poca demora y de tecnología multipléxica. Se soporta en varios medios físicos tales como la Red Óptica Sincrónica (SONET) y la Jerarquía Digital Síncrona (SDH). Las celdas pueden ser enrutadas individualmente mediante el uso de los denominados canales virtuales y trayectos virtuales. En el terminal transmisor la información es escrita byte a byte en el campo de información de usuario de la celda y a continuación se le añade la cabecera. En el extremo distante, el receptor extrae la información también byte a byte de las celdas entrantes y, de acuerdo con la información de cabecera, la envía donde esta le indique, que puede ser un equipo terminal u otro módulo ATM para ser encaminada a otro destino. La red ATM crea una ruta o canal fijo entre dos puntos desde el momento en que comienza la transferencia de datos. Facilita el rastreo y la facturación de uso de datos a lo largo de una red ATM, pero no permite una adaptación efectiva ante los aumentos de tráfico repentinos en la red.

3 3 ATM Conceptos básicos Fundamentos de ATM. Celdas Todo tipo de información se transporta a través de la red en bloques llamados celdas. (48 bytes de datos más una cabecera de 5 bytes) Encaminamiento El flujo de información se produce a lo largo de rutas llamadas "canales virtuales" establecidas como una serie de punteros por la red. La cabecera de una celda contiene un identificador que vincula la celda al camino correcto que debe tomar para llegar a su destino. Las celdas de un canal virtual particular siempre siguen el mismo camino y se entregan en el destino en el mismo orden en el que llegaron al canal. Conmutación por hardware ATM está diseñado de tal forma que se emplean simples elementos de lógica en cada nodo para realizar la conmutación. En un enlace de 1 Gbps llega una nueva celda, y se transmite una celda cada 0.43 microsegundos. El tiempo de conmutación es mínimo. ATM Conceptos básicos Fundamentos de ATM. Conexiones lógicas Las conexiones lógicas se conocen como conexiones de canal virtual VCC. El Canal Virtual se puede establecer bien a partir de un PVC ("Permanent Virtual Connection") o de un SVC ("Switched Virtual Connection") dinámico. La gestión de SVC se hace con implementaciones del protocolo Q.93B. Direccionamiento Una dirección ATM de un extremo de la conexión se codifica bien como una dirección de 20 bytes basada en OSI NSAP (utilizada para direccionamiento en redes privadas, con tres formatos posibles) o como una dirección E.164 Public UNI (del estilo de los números telefónicos, usados para redes ATM públicas). Broadcast, Multicast En la actualidad no hay funciones de broadcast similares a las de las LANs. Pero sí existe una función de multicast. El término ATM para multicast es "conexión punto - multipunto". Aplicaciones Transmisión de voz (telefonía) Transmisión de video para teleconferencias Transmisión de video en demanda Educación a Distancia Encapsulamiento de trafico de otras redes

4 4 ATM Conexiones Lógicas y Físicas Conexiones Lógicas. Caminos virtuales (Virtual Path Connection) Arquitectura simplificada Incremento en performance Reducción en el proceso de celdas Servicios de red mejorados Canales virtuales (Virtual Channel Connection) Entre usuarios finales Entre usuario y redes Entre Redes ATM Formato

5 5 ATM Unidad de datos de Protocolo (PDU) Fundamentos de ATM. La unidad de datos de protocolos (PDU) de ATM es la CELDA. Cada celda tiene 53 bytes, 5 de ellos utilizados para la comunicación y transporte, los 48 restantes son ocupados por la capa AAL. El control de flujo se produce en la interfaz UNI C: Prioridad de pérdida de celdas GFC: Control de flujo genérico HEC: Control de errores de encabezado PT: Identificador del tipo de carga útil VCI: Identificador de canal virtual VPI: Identificador de trayecto ó camino virtual ATM Formas de Transmisión Transmisión de Celdas ATM Transmisión Síncrona: Tiempos fijos Asignación predefinida Sin subdivisiones en las tasas 155 Mbps 622 Mbps Transmisión Asíncrona Tiempos variables Asignación en demanda Con subdivisiones en las tasas 64 Kbps, hasta 622 Mbps

6 6 ATM Transmisión de Celdas SONET(Synchronous Optical NETwork) y SDH(Synchronous Digital Hierarchy) son respectivamente, los estándares Norteamericano e Internacional para las comunicaciones físicas basadas en fibra óptica. SONET, adoptado por el ANSI, define una "tasa base" (OC-1) a Mbps. Tasas más rápidas se definen a partir de la tasa base, y son referidas como niveles de portadora óptica (optical carrier). El número OC especifica el múltiplo de la base de la tasa de cada nivel. SDH también define una tasa base, reconocida como (STM-1) de Mbps. SONET Optical Carrier Level SONET Frame Format SDH level and Frame Format Payload bandwidth (kbit/s) Line Rate (kbit/s) OC-1 STS-1 STM-0 48,960 51,840 OC-3 STS-3 STM-1 150, ,520 OC-12 STS-12 STM-4 601, ,080 OC-24 STS-24 STM-8 1,202,688 1,244,160 OC-48 STS-48 STM-16 2,405,376 2,488,320 OC-96 STS-96 STM-32 4,810,752 4,976,640 OC-192 STS-192 STM-64 9,621,504 9,953,280 OC-768 STS-768 STM ,486,016 39,813,120 OC-1536 STS-1536 STM ,972,032 79,626,120 OC-3072 STS-3072 STM ,944, ,252,240 ATM Transmisión de celdas -SONET Estructura de un Frame STS-1. Secuencia de 810 Bytes (6.480 bits). Puede ser representado como una estructura de 90 columnas x 9 filas de 8 Bits. A 125 µs microsegundos (8000 frames por segundo), STS-1 tiene una tasa de Mpbs. El orden de transmisión es de fila por fila, de izquierda a derecha. 51,840,000 bps = (9) x (90 bytes/frame) x (8 bits / byte) x (8000 frame/s) Se conoce a esto como Tarifa de Señal STS-1, tarifa eléctrica utilizada para el transporte en una específica pieza de hardware. El equivalente óptico es OC-1 utilizado para el transporte a través de la fibra.

7 7 ATM Modelo de Capas Capa Física: Define los interfases físicos con los medios de transmisión y el protocolo de trama para la red ATM es responsable de la correcta transmisión y recepción de los bits en el medio físico apropiado. ATM es independiente del transporte físico. Las celdas ATM pueden ser transportadas en redes SONET, SDH, T3/E3, TI/EI o aún en modems de 9600 bps. Hay dos subcapas en la capa física que separan el medio físico de transmisión y la extracción de los datos. Capa ATM: Define la estructura de la celda y cómo las celdas fluyen sobre las conexiones lógicas en una red ATM, esta capa es independiente del servicio. El formato de una celda ATM es muy simple. Consiste de 5 bytes de cabecera y 48 bytes para información. Capa Adaptación: La única forma para que un protocolo de nivel superior se comunique sobre una red ATM es por medio de la capa ATM AAL("ATM Adaptation Layer"). La función de esta capa es realizar el mapeado entre las PDUs y las celdas. Hay cuatro tipos diferentes de AAL, AAL1, AAL2, AAL3/4 Y AAL5. Estos AALs ofrecen distintos servicios a los protocolos de nivel superior. Segmentación y reensamblaje, Procesamiento de errores de transmisión, Control de tiempo y flujo ATM Capas

8 8 ATM Capas, tráfico, operaciones Capa física: Puede ser portadora SONET ó SDH, DS2, E3, tecnología cobre, Fibra sin SONET, T1 Implementaciones AAL A nivel usuario La red ATM no se ocupa de las operaciones AAL Tráfico ATM Tráfico UNI se identifica con 2 valores en el encabezado (VCI, VPI) Los servicios se obtienen como PVC o SVC ATM Estructura de Red Estructura de una red ATM. Conexiones UNI (interfaces propias) Conexiones NNI (interfaces propias) LANE LAN Emulation Standard PNNI 1.0 Private Network to Network Interface Phase 0 Protocol

9 9 ATM Capas AAL AAL1. Orientado a conexión (Clase A) Para tráfico constante, apoya el bitrate constante (CBR) Administra protocolo de subcapa: Número de secuencia, Protección, Bit paridad AAL2. Diseñado para voz ó video comprimido (Clase B), apoya a la variable de tiempo del bitrate (Variable Bit Rate, VBR-RT) Administra protocolo de subcapa: Número de secuencia, Protección, Bit paridad AAL3/4 Para Datos (Clase C y Clase D), apoya al VBR, tráfico de datos, circuitos orientados a la conexión, tráfico asíncrono Combinadas en una sola capa. Realiza también operaciones de resecuenciamiento e identificación de celdas AAL5 Optimizado para tráfico de Datos, adecuados para soportar la interconexión con la mayoría de los protocolos de conexión en red, tales como Frame Relay, SMDS, Ethernet e IP. Utiliza menos bits de sobrecarga que en AAL3-4 Sin campos longitud ni CRC por celda. ATM - Direccionamiento Está a cargo de la capa ATM Realiza el mapeo de direcciones de capa de red a direcciones ATM Existen varios formatos de direccionamiento desarrolados, típicamente se utiliza E.164 del ITU (Número RDSI de 8 bytes) AFI: Identifica el tipo de dirección (45, 47, y 39 para E.164, ICD, y DCC ) DCC: código de país. DFI: identificación de dominio/ proveedor AA: Administración de autoridad RD: dominio de ruteo Area: identificador de área ESI: identificador del sistema final (mac Address IEEE 802) Sel: identificador NSAP (Network Service Access Point ) ICD: designador de código internacional E.164: número similar al esquema ISDN

10 10 ATM Estableciendo conexiones Mediante Protocolos Q.93b, Q.2931 Creación de un VP/VC mediante un VPI=0,VCI=5 Se asignan VPI (0-255) y VCI ( ) libres. ATM Medios soporte Framing Data Rate (Mbps) Fibra MM Fibra SM DS X E X DS-3 45 X E3 34 X STS-1 51 X Cable Coaxil UTP-3 UTP-5 STP SONET STS3c (OC3c) 155 X X X X SDH STM1 SONET STS12c (OC-12c) 622 X X SDH STM4 SONET STS48c (OC-48c) 2400 X X SDH STM16 SONET STS192c (OC-192c) 9900 X SDH STM64 SONET STS768c (OC-768c) X SDH STM256 TAXI 4B/5B 100 X 8B/10B 155 X X

11 11 ATM - Gestión de Servicio Clase de Servicio. Categorías CBR (Tasa de Bit constante, clase A): sin chequeo de errores ni control de flujo VBR (Tasa de Bit variable, clase B): RT-VBR: Para aplicaciones tiempo real (videoconferencias) NRT-VBR: no tiempo real, admite variaciones del retardo, sin descartes. UBR (Tasa de bit no especificada): se aceptan todos los tipos, sin descartes. ABR (Tasa de bit disponible): el flujo es regulado por la red. Garantiza un ancho de banda mínimo, y si es posible admite ráfagas. ATM - Gestión de Servicio Calidad de Servicio Parámetros de velocidad de datos PCR: TASA DE CELDAS MÁXIMA SCR: TASA DE CELDAS SOSTENIDA (PROMEDIO) MCR: TASA DE CELDAS MÍNIMA ACEPTABLE CVDT: TOLERANCIA A VARIACIONES EN RETARDO DE CELDA Parámetros de la red (negociables) CLR: TASA DE PÉRDIDA DE CELDAS CTD: RETARDO DE TRANSFERENCIA (FUENTE A DESTINO) CDV: VARIACIÓN EN RETARDO DE CELDA (EN DESTINO) Parámetros de la red (No negociables) CER: TASA DE CELDAS ERRÓNEAS SECBR: FRACCIÓN DE BLOQUES DE N CELDAS CON M Ó MÁS CELDAS ERRÓNEAS. CMR: FRACCIÓN DE CELDAS ENTREGADAS A DESTINO INCORRECTO

12 12 ATM - Gestión de Servicio Calidad de Servicio Medea+ PlaNetS Proyecto europeo, proporcionando un término común para la evaluación de las prestaciones de las comunicaciones en red. Coexisten aplicaciones sin requisitos de retardo con otras aplicaciones con estrictas restricciones de máximo retardo. Cuatro diferentes clases de aplicaciones han sido definidas, donde cada clase se distingue por sus propios valores de máximo retardo. Clases: Conversación: caracterizada por la más alta prioridad y los requerimientos de menor retardo y jitter. Flujo de datos (streaming). Servicios Interactivos. Aplicaciones secundarias: la más baja prioridad y mayor permisividad de retardo y jitter. ATM - Gestión de Servicio Calidad de Servicio Medea+ PlaNetS Beneficios: La posibilidad de pre-calcular el máximo retardo y jitter de la comunicación; y para cada una de las clases de aplicaciones. La solución propuesta es implementada con un simple scheduler que conoce la longitud de las colas de paquetes. La conformidad de los nodos de la comunicación es fácilmente comprobable. Una mayor QoS, tanto para el sistema como para el usuario final. La posibilidad de obtener esquemas prácticos de control de acceso (CAC en inglés).

13 13 ATM - Gestión de Servicio Calidad de Servicio UPnP Forum Tecnología desarrollada que permite a los dispositivos en una red formar comunidades y compartir servicios. Cada dispositivo se ve como colección de uno o más dispositivos y servicios empotrados no necesitando establecer ninguna conexión preliminar o persistente para comunicarse con otro dispositivo. Existe un punto de control que descubre los dispositivos y sincroniza su interacción. Quality of Service v2.0, Octubre 2006, donde la especificación no define ningún tipo de dispositivo, sino un Framework de UPnP QoS formado básicamente por tres distintos servicios: QosDevice, QosPolicyHolder, QosManager. ATM - Gestión de Servicio Calidad de Servicio UPnP Forum

14 14 ATM - Gestión de Servicio Calidad de Servicio UPnP Forum ATM Servicio de Voz VoATM habilita a un switch ATM el envío de tráfico de voz sobre la red ATM. La prioridad de tipos de datos se implementa a través de parámetros QoS. Fragmentación de celdas de 53 bytes. Compresión: no es necesaria en redes ATM puras, si en las híbridas. Supresión ruido, desarrollada en redes híbridas. El header es de 5 bytes siempre. Uso del protocolo AAL2 VBR, recomendación ITU-T , es usado para el transporte de voz.

15 15 ATM - Lan Emulation LANE Standard que permite integrar redes LAN (Ethernet) con dispositivos ATM. Utiliza encapsulado de MAC (OSI L2) Los dispositivos conectados a una ELAN parezcan estar sobre el mismo segmento de red. Los switches ATM administran el tráfico que pertenece a la misma ELAN, y los routers manejan el tráfico entre ELAN s. ATM - Lan Emulation Componentes LANE LAN emulation client (LEC): nodo que soporta LANE, como ser una placa de red (NIC), switches LAN con ATM uplinks, todos requieren la implementación de un LEC. LEC emula una interface ethernet a los protocolos de alto nivel ATM. Realiza el envío de datos, resolución de direcciones, registración de direcciones MAC con el LANE server y las comunica a otras LECs via VCCs LAN emulation configuration server (LECS): administra una BD de ELANs y las direcciones ATM de los LESs que controlan las ELANs. Acepta consultas desde los LECs y les responde con la dirección ATM DEL LES que atiende la apropiada ELAN/VLAN. Esta BD es mantenida por el administrador de Red. LAN emulation server (LES): Es el punto central de control de todas los LECs. LES mantiene un enlace punto-a-multipunto a todos los LECs, para el envío de información de control Broadcast and unknown server (BUS): es un punto central para la distribución de broadcast y multicast. ATM es una tencología punto-a-punto sin soporte "any-to-any" ó "broadcast". LANE resuelve este problema centralizando el soporte en el BUS. Cada LEC debe tener seteado un Multicast Send VCC al BUS. El BUS agrega entonces los LEC como parte de este VCC punto-a-multipunto. Actúa además como un Server Multicast. LANE está definida sobre la capa AAL5.

16 16 ATM - Lan Emulation Componentes LANE Ejemplo de ELAN Name y LES ATM Address ADMINISTRACION MARKETING c c c c Una ELAN provee comunicación a nivel Capa 2 entre los usuarios de la misma ELAN. Varias ELAN pueden correr sobre la misma red ATM. Para comunicar usuarios de distintas ELAN es necesario un ROUTER. Es posible mapear una ELAN a una VLAN en switches Capa 2 mediante La ELAN es controlada por un par simple de ELAN/BUS y por el mapeo de la ELAN al LES de su dirección ATM. ATM Procesadores en NIC, comparativa Tecnología Ancho de banda Gb/s Paquetes pequeños (64B) (Kp/s) Paquetes grandes (1518B) (Kp/s) Tiempo por paquete pequeño (microseg.) Tiempo por paquete grande (microseg) 10Base-T Base-T OC OC Base-T OC OC OC Un microsegundoes la millonésima parte de un segundo, 10-6 s