5. előadás A hálózati réteg feladatai Aszinkron Átviteli Mód (ATM)

1. 5. előadásA hálózati réteg feladataiAszinkron Átviteli Mód (ATM)

2. A hálózati réteg feladatai - útvonalkeresés és forgalom menedzsment

3. Áttekintés, fogalmak • az útvonalválasztás feladata, fogalma • útvonalválasztás klasszikus csomagkapcsolásos és kapcsolat orientált hálózatokban • főbb útvonalválasztási alapelvek • az útvonalválasztás megvalósítása • forgalom menedzsment, hívásengedélyezés

4. Útvonalkeresés • a feladat: a felhasználó adatforgalmát a másik végpontig irányítani, esetleg több hálózaton keresztül

5. Útvonalkeresés • eddig: az adatkapcsolati réteg két végpont közötti átvitelt biztosít • új kihívások az útvonalválasztás során • a hálózati topológia ismerete/megismerése • az - valamilyen szempontból - optimális útvonal kiválasztása • szolgálatási minőség biztosítása az útvonalon

6. Útvonalkeresés: klasszikus csomagkapcsolás • útvonalválasztás és csomagtovábbítás: csomagonként • az egyes csomagok nem biztos hogy ugyanazon az útvonalon haladnak • ezért: a két végpontban mechanizmus szükséges a csomagok sorrendhelyes vételéhez • Internet: a TCP protokoll végzi ezt • a csomagonkénti feldolgozás nagy késleltetést okozhat • flexibilis, nagy kihasználtságot eredményez • robosztus: egy közbülső csomópont kiesése nem akadályozza meg a kommunikációt

7. Útvonalkeresés: összeköttetés-orientált • tipikusan: ATM • a kommunikáció előtt összeköttetés épül fel • minden adat ugyanazon az útvonalon halad • az útvonalválasztásra a kapcsolat felépítésekor (egyszer) kerül sor • hátrány: kevésbé jó kihasználtság • előny: a sorrendhelyes adatátvitel • kevésbé robosztus: egy csomópont kiesése a rajta keresztül haladó forgalmat érinti

8. Egyéb szempontok • komplex feladat: a kapcsolat fenntartása, üzenetek sorba rendezése • a csomagkapcsolt elvű IP a komplexitást a végpontokba, a transzport rétegbe helyezi • az összeköttetés orientált ATM a hálózatba, a hálózati csomópontokba helyezi a komplexitást • az IP megoldás olcsóbb

9. Útvonalválasztási alapelvek Központi útvonalválasztás • a hálózat topológiáját központi egység tárolja • az útvonalak meghatározása itt történik • nagy mennyiségű adat tárolása, mozgatása • a központi egység késleltetve szerez tudomást a topológia változásairól, nagy hálózatban nem hatékony • előny: a topológia felderítésére nem szükséges külön algoritmusokat alkalmazni

10. Útvonalválasztási alapelvek Elosztott útvonalválasztás • az egyes csomópontok csak a szomszédaikat ismerik • az útvonalválasztáshoz először a topológia felderítésére van szükség • nincs központi egység, flexibilis, tetszőleges méretű hálózatban • a topológia felderítése időt vesz igénybe és terheli a hálózatot

11. Útvonalválasztási alapelvek Statikus útvonalválasztás • két végpont között minden esetben ugyanazon útvonalon halad az adat • nem veszi figyelembe a hálózat forgalmát, szuboptimális útvonal Dinamikus útvonalválasztás • az útvonal kiválasztását a hálózat változó paraméterei (forgalom) is befolyásolják • az optimális útvonalak a hálózat állapotától függnek • a hálózati információt állandóan frissíteni kell

12. Útvonalválasztási alapelvek Bufferelt útvonalválasztás • a csomópontokban a csomagok várakozhatnak egy tárolóban • lassabb algoritmusok esetén előnyös Buffer nélküli útvonalválasztás • a csomópontok nem tárolják a csomagokat • a csomagot azonnal továbbítani kell (még ha nem optimális útvonalat is eredményez) • „forró krumpli” algoritmusok

13. Útvonalválasztási alapelvek Hierarchikus útvonalválasztás • a csomópontok különböző hierarchikus csoportokba osztva • útvonalválasztás csoportonként, a felsőbb hierarchiájú csoportoktól kezdve

14. Az útvonalválasztási probléma Gráfelméleti feladat • adott topológián melyik az optimális útvonal A-ból B-be? • az élek (fizikai összeköttetések) súlyozva • additív mértékkel: az adott paraméter az útvonal mentén összeadódik késleltetés, csomagvesztési valószínűség logaritmusa • „bottleneck” mérték: az útvonal mentén a legkisebb érték a meghatározó pl. elérhető sávszélesség • gráfelméleti algoritmusok: Dijkstra, Bellmann-Ford Megvalósítási feladat • hogyan lehet a topológiát felderíteni • hogyan kell a topológia információt tárolni

15. Az útvonalválasztási probléma A topológia felderítése • elárasztás (flooding): minden csomópont HELLO üzenetet küld a szomszédainak, így minden csomópontban rendelkezésre áll a topológiai térkép, az üzenetek tartalmazzák hogy melyik csomópontokon haladtak keresztül • az összeköttetések vizsgálatához ECHO üzeneteket küldenek a csomópontok, ebből késleltetési viszonyokra lehet következtetni, tartalmazhat terheltségi információt is • az így felderített topológia alapján routing táblák: adott feladó és címzett esetén a legrövidebb úthoz melyik szomzédos csomópontnak kell továbbítani a csomagot • a feltérképezés adott időközönként ismétlődik

16. Útvonalválasztási eljárások ATM • PNNI (Public Network to Network Interface, nyilvános hálózati interfész) útvonalválasztás IP • OSPF (Open Shortest Path First, legrövidebb útvonal) • a jövőben: QOSPF, szolgáltatás minőségi kritériumokat figyelembe vevő útvonalválasztás

17. Forgalom menedzsment • a különböző alkalmazások különböző minőségi elvárásokat támaszthatnak a hálózattal szemben (késleltetés, sávszélesség, adatvesztés, stb.) • ha a hálózat garantálja ezeket, nem minden forgalmat engedélyezhet (hogy a többi felhasználó igényeit ki tudja elégíteni) • a hívásengedélyezés (CAC, Connection Admission Control) során a hálózat eldönti, hogy adott igényű forgalmat beenged-e a hálózatba

18. Hívásengedélyezés • nincs buffer a hálózati csomópontban: cellavesztési valószínűségre korlát: a pillanatnyi összforgalom kisebb legyen mint a kapacitás, illetve egy maximális értéknél nagyobb valószínűséggel ne legyen nagyobb az összforgalom • a források ismeretében tervezhető • buffer a csomópontban: késleltetési és csomagvesztési paraméterek is tervezhetők • forgalom formázás: a forrás ne generáljon „váratlan” adatfolyamot, a minőségi paraméterek biztosíthatóvá váljanak • a szolgáltatási minőségről, hívásengedélyezésről és forgalom formázásról bővebben az ATM -nél lesz szó

19. Aszinkron Átviteli Mód (ATM)

20. Az előadás kivonata • bevezetés, fogalmak • az ATM-ről általánosan • az ATM felépítése, működése • szolgáltatási minőség az ATM -ben • az Internet Protokoll és az ATM együttműködése • kétirányú többpont-többpont kapcsolatok ATM -ben

21. Legfontosabb fogalmak • összeköttetés orientáltság • virtuális út, virtuális kapcsolat • ATM kapcsolás • szolgáltatási minőség, szolgáltatási osztályok • ATM adaptációs réteg • IP ATM felett: természetes mód • LAN emuláció

22. Szabványosítás • a nyolcvanas évek: igény egy egységes nemzetközi távközlési szabványra, amely mindenféle lehetséges átviteli igényt kielégít • ITU-T nyilvános hálózati ATM szabvány • ATMforum: cégekből álló szervezet, a szabványok, ajánlások kidolgozója

23. Mi az ATM? • Asynchronous Transfer Mode (Aszinkron Átviteli Mód) • CCITT - ITU- T definíció: „Olyan átviteli módszer, amely az információt fix méretű cellákba rendezve továbbítja; aszinkron abban az értelemben, hogy egy felhasználó információs cellái nem periodikusan keletkeznek.”

24. Mi az ATM? • technológiailag: a csomagkapcsolás továbbfejlesztése (összeköttetés-orientált) • összeköttetés orientált: garantálható sávszélesség és késleltetés • csomagkapcsolás: rugalmas, szakaszosan érkező forgalom hatékony kezelése • kapcsolási és multiplexálási technika • rövid, 53 byte -os csomagok (5 byte fejléc) • egységes csomagformátum minden adattípusra • mindenféle szolgáltatást támogat (kép, videó, hang, adat), lehetőség jövőbeli alkalmazások átvitelére

25. Mi az ATM? • szolgáltatási minőség (Quality of Service, QoS) biztosítása • statisztikus multiplexálás, börsztös források támogatása • jó hálózat kihasználtság • nagy átviteli sebesség, gyors kapcsolás • LAN, WAN technika, ATM to the desktop

26. Az ATM hálózat elemei • ATM kapcsolók: az ATM cellák irányítását végzik a hálózatban, részt vesznek az összeköttetések felépítésében, lebontásában • ATM végpontok: ATM adapter kártyával ellátott készülékek: munkaállomások, routerek, LAN kapcsolók, videó berendezések, stb. • két kapcsoló között: ATM hálózati interfész (Network to Network Interface, NNI) • végpont és kapcsoló között: felhasználó és hálózat közti interfész (User to Network Interface, UNI)

27. control adat felsőbb rétegek vezérlési sík felsőbb rétegek felhasználói sík ATM adaptációs réteg (AAL) ATM réteg fizikai réteg Protokoll architektúra

28. Az egyes rétegek feladatai ATM adaptációs réteg: • átviteli hibák javítása • a felsőbb rétegekből érkező adategységek feldarabolása vagy összeillesztése • időzítési feladatok (ahol szükséges) ATM réteg: • kapcsolatok felépítése, fenntartása, lebontása • ATM cellák továbbítása a hálózatban Fizikai réteg: • a fizikai összeköttetés biztosítása • tipikusan SDH/SONET, vezetéknélküli (pl. Hiperlan2)

29. Az ATM cella 48 byte hasznos adat (payload), 5 byte fejléc GFC VPI • Legfontosabb: • VPI: Virtual Path Identifier, Virtuális Útvonal Azonosító • VCI: Virtual Channel Identifier, Virtuális Csatorna Azonosító • HEC: Header Error Control, hibavédő kódolás VPI VCI VCI VCI PTI HEC CLP 48 byte

30. Virtuális összeköttetések • fizikai összeköttetés, virtuális út (Virtual Path, VP), virtuális csatorna (Virtual Channel, VC)

31. Virtuális összeköttetések A-B: VP4,VP1,VP4; VC1, VC6 A-C: VP4, VP8; VC2

32. Kapcsolatok típusai Állandó összeköttetések (Permanent Virtual Channel, PVC, Permanent Virtual Path, PVP) • manuálisan felépített és fenntartott, manuálisan konfigurált, a rendszer üzemeltetője által lebontott kapcsolat • lebontásig folyamatosan fennáll • hasznos ha hosszú idejű, állandó kapcsolatra van szükség • pl. web-server, bérelt vonal jellegű kapcsolatok • nehézkes, nehezen bővíthető vagy nem jó kihasználtság

33. Kapcsolat típusok Kapcsolt összeköttetések (Switched VC, SVC, Switched VP SVP): • hívásfelépítési mechanizmus során jön létre, a hívás végén a kapcsolat lebontási procedúrával megszűnik • hatékony erőforrás-kihasználás, igény szerinti összeköttetések • jelentős jelzésátviteli igény Soft PVC: • hívásfelépítési eljárással épül fel, manuálisan kell lebontani

34. Kapcsolat típusok VP alagutak (VP Tunnel): • egyes esetekben a hálózat nem támogatja a dinamikus kapcsolatfelépítést, illetve ATM magánhálózatokat kell nyilvános ATM hálózaton keresztül összekötni • egy állandó azonosítóval megjelölt permanens VP halad az adott hálózaton keresztül • az állandó VP -n (mint egy alagúton) kapcsolt VC -k épülnek fel és bomlanak le • a kapcsolatok felépítéséhez, lebontásához szükséges jelzések is az adott PVP -n haladnak • egyfajta bérelt vonal szolgáltatás

35. Kapcsolat típusok VP alagút a nyilvános hálózaton keresztül

36. Az ATM kapcsolás • ATM kapcsolókban táblázatok • a táblázatokban bemeneti port, VPI, VCI összerendelések • a kapcsoló a táblázat alapján eldönti, hogy adott bemeneti porton érkező, adott VPI, VCI azonosítójú cellát melyik kimenetre kell küldenie • a cella VPI, VCI mezőit a táblázatnak megfelelően átírja • a VP kapcsolók érintetlenül hagyják a VCI mezőt, illetve a kapcsolás is csak a VPI alapján történik • a VC kapcsolók mindkét mezőt megváltoztatják, illetve mindkét mezőt figyelembe veszik a kapcsolásnál

37. ATM kapcsolás

38. Az ATM kapcsolás

39. ATM szolgáltatási osztályok Állandó bitsebességű (Constant Bit-Rate, CBR) kapcsolatok • a forrás állandó sebességgel generálja adatait • áramkörkapcsolt átvitel emulálására szolgál (pl. 64 kbps beszéd, 128 kbps ISDN, stb.) • általában valós idejű kapcsolatok (beszéd, n*64 kbps videó, videókonferencia) • az ATM cellák késleltetésére, a késleltetés ingadozására (jitter) érzékeny kapcsolatok • kisebb mértékű cellavesztést tolerálnak

40. ATM szolgáltatási osztályok Valós idejű, változó bitsebességű (real time Variable Bit-Rate, rt VBR) • a bitsebesség nem állandó • a forrás az adatokat „csomókban” (börszt) generálja • változó bitsebességgel kódolt videó-, vagy beszéd átvitele • valós idejű: késleltetésre, késleltetés ingadozásra érzékeny • kisebb mértékű cellavesztést tolerál • mivel várhatóan egyszerre nem az összes forrás ad maximális bitsebességgel: statisztikus multiplexelés • statisztikus multiplexelés: a csúcs átviteli sebességek összegénél kisebb kapacitású összeköttetésen is át lehet vinni több forrás forgalmát

41. Statisztikus multiplexelés kapacitás

42. ATM szolgáltatási osztályok Nem valós idejű, változó bitsebességű (nrt VBR) • a késleltetés ingadozására nem érzékeny • ezért forgalomszabályozás van: a forrás forgalmát a hálózatba való beengedés előtt formázzák Elérhető bitsebességű (Available Bit-Rate, ABR) • egy minimális átviteli sebesség garantált • torlódástól függően a forrás szabályozza forgalmát Nem meghatározott sebességű (Unspecified Bit-Rate, UBR) • a forrásról nincs semmi információ • a hálózat nem garantál semmit • best effort jellegű szolgáltatás, IP az ATM felett

43. ATM szolgáltatás minőségi paraméterek • MCTD (Maximum Cell Transfer Delay): a legnagyobb cellakésleltetés a két végpont között • ppCDV (peak to peak Cell Delay Variation): a cellakésleltetés maximális ingadozása • CLR (Cell Loss Ratio): cellavesztési arány, az átvitel során elveszett (pl. hibás fejléc miatt törölt) ATM cellák aránya

44. ATM forgalmi paraméterek • PCR (Peak Cell Rate): a forrás legnagyobb átviteli sebessége • SCR (Sustainable Cell Rate): hosszú idő alatti átlagos átviteli sebesség • MCR (Minimum Cell Rate): legkisebb átviteli sebesség • MBS (Maximum Burst Size): az egy csomóban érkező maximális adatmennyiség, maximális börsztméret • CDVT (Cell Delay Variance Tolerance): a forrás mennyire képes tolerálni a cellakésleltetés ingadozását

45. Szolgáltatási osztályok és paraméterek paraméter CBR rt VBR nrt VBR ABR UBR PCR i i i i i SCR - i i - - MBS - i i - - MCR - - - i i, n CDVT i i i i i MCTD i i n n n ppCDV i i n n n CLR i i i n n i: a paraméter garantálható, ill. a jellemző ismert n: a paraméter nem biztosított

46. ATM forgalom menedzsment • a forrás és a hálózat között forgalmi szerződés • a forrás nem lépi túl a szerződésben vállalt értékeket: forgalom formázás „lyukas vödör” (leaky bucket) algoritmussal • a kapcsolók figyelik a források forgalmát • amelyik megszegi a szerződést, annak cellái eldobhatók torlódás esetén (CLP=1)

47. Az ATM adaptációs réteg • ATM adaptációs réteg (ATM Adaptetion Layer, AAL) • több féle szabványos AAL, a különböző adattípusoknak megfelelően • AAL 1 típus: állandó bitsebességű (Constant Bit Rate, CBR) forrásokhoz, pl. telefonbeszélgetés • az ATM cella 48 byteos hasznos része a következőket tartalmazza: SN: Sequence Number, a cella sorszáma SNP: Sequence Number Protection, a sorszám mező védelmére

48. Az ATM adaptációs réteg • AAL 2 típus: összeköttetés-orientált VBR alkalmazásokhoz (pl. videotelefon) ST: Segment Type; jelzi, hogy a csomag az üzenet eleje, vége vagy belseje RES/MID: Reserved, illetve Multiplexing Identifier; több forrás adata azonos VCC -n keresztül továbbítódik LI: Length Indicator; az adatmező „hasznos” byte -jainak száma CRC: hibavédő kódoláshoz

49. Az ATM adaptációs réteg • AAL 3/4 típus: VBR alkalmazásokhoz SN: Sequence Number SNP: Sequence Number Protection IT: Information Type RES/MID: Reserved/Multiplexing Identifier LI: Length Indicator CRC: Cyclic Redundancy Check

50. Az ATM adaptációs réteg • AAL 5 típus: az AAL 3/4 egyszerűsített változata, tipikusan IP és LAN forgalom szállításához PAD: változó hosszúságú mező, hogy a CS keret nx48 byte legyen trailer: 32 bites CRC + kerethossz A keret utolsó ATM celláját a fejléc PT mezőjének 1 értéke jelzi