“Tecnologías de Transporte” Parte II

1. “Tecnologías de Transporte” Parte II Prof. Dr. Ing. Gustavo Hirchoren

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

3. 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.

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

5. B-ISDN • N-ISDN: opera en modo circuito. Utiliza TDM sincrónico o determinístico • B-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)

6. 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)

7. 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

8. Arquitectura del protocolo B-ISDN

9. 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

10. 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

11. Conexiones lógicas ATM

12. Celdas ATM • Tamaño fijo de 53 bytes • Header de 5 octetos • Campo de información de 48 octetos • Celdas 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

13. Formato de celda ATM

14. 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

15. 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

16. Diagrama de estados para delineación de celdas

17. 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

18. STM-1 Payload para transmisión de ATM sobre SDH

19. Gestión de tráfico en redes ATM • Alta velocidad, tamaño pequeño de celda, bits de overhead limitados • Métodos 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

20. 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

21. Efectos latencia/velocidad • ATM a 150Mbps  ~2.8x10-6 segundos para insertar una celda • Tiempo 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

22. 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 segundos • Hasta 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

23. Variación de retardo de celda • Voz y video sobre ATM se transmiten como un flujo continuo de celdas • Retardo 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 tránsito • Se retrasa la entrega de celdas a la aplicación en el destino para lograr una tasa de entrega constante

24. Reensamble temporal de celdas CBR

25. 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

26. 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

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

28. Control de tráfico y de congestión • Control 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

29. Tiempos de respuesta considerados • Tiempo 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

30. 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”

31. Gestión de recursos usando trayectos virtuales • Separar 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)

32. Configuración de VCCs y VPCs

33. Alocando VCCs dentro de VPC • Todos los VCCs dentro del VPC deben experimentar una performance de red similar • Opciones para alocación: • Sumar las demandas pico • Utilizar multiplexado estadístico

34. Control de admisión de conexión (CAC) • Primera medida de defensa • Usuario 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”

35. Control de parámetros de uso (UPC) • Monitorear conexiones para asegurar que el tráfico esté conforme al contrato • Protege los recursos de red de una sobrecarga sobre una conexión • Se puede realizar tanto a nivel de VPC como de VCC • Controla PCR y CDV • Controla SCR y “Burst tolerance” • Descarta o marca celdas que no cumplen el contrato de tráfico

36. Conformación del tráfico (“Traffic Shaping”) • Suaviza un flujo de tráfico y reduce las ráfagas de celdas • Algoritmo “Token Bucket”

37. Algoritmo “Token Bucket”

38. Categorías de servicios ATM • Real-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)

39. nrt-VBR • Para aplicaciones en las que sea posible caracterizar el flujo de tráfico esperado • Entonces la red puede proveer QoS en cuanto a pérdida y retardo • Los 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.

40. UBR • En 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”

41. ABR • Las 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

42. Servicios ATM

43. 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

44. Gestión de tráfico ATM-ABR • Conexiones ABR comparten la capacidad disponible • La 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

45. Mecanismos de realimentación • Tasas de transmisión: • “Allowed cell rate” (ACR) • “Minimum cell rate” (MCR) • “Peak cell rate” (PCR) • “Initial cell rate” (ICR) • Comienza con ACR=ICR • Se 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)

46. Variaciones en “Allowed Cell Rate” (ACR)

47. Flujo de celdas de datos y RM sobre una conexión ABR

48. Mecanismos de un switch ATM para proveer control de tasa • Marcar 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

49. Mecanismos de un switch ATM para proveer control de tasa • Marcar 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

50. “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