ATM - Asynchronous Transfer Mode por Fernando Luís Dotti vide referências bibliográficas para fontes utilizadas nestas transparências 1 Sumário n n n n n n Introdução Nível Físico Nível ATM Serviços em redes ATM Nível AAL Gerência de Tráfego 2 1 Introdução - Motivação n Comunicação: – – – – – – n Rádio rede telefônica cable TV rede de telefonia celular redes de dados … --> CUSTOS 3 Introdução - Motivação n Comunicação: – operadoras mais comuns: companhias de telefonia – adaptações da rede telefônica para dados – faixa de mercado -> dados n --> Rede não apropriada 4 2 Introdução - Motivação n Custos: – Por que não condensar tudo em uma infraestrutura única ? – --> Integração de Serviços n Rede apropriada – remodelar 5 Introdução - Motivação n ISDN (ou RDSI) – Integrated Service Digital Network. – ISDN original baseada em redes de telefonia digital para canais de voz: amostras de 8 bits com freqüência de 8kHz - canais básicos de 64 kbit/s – diferentes combinações de canais para diferentes necessidades 6 3 Introdução - Motivação n B-ISDN (ou RDSI-FL) – BroadBand-Integrated Service Digital Network. – Tem o objetivo de fornecer de uma forma padronizada serviços como: - vídeo sob demanda interconexão de LANs televisão ao vivo vídeo conferência telefonia. 7 Introdução - Histórico n n n n n 1984: Proposta de padronização em telecomunicações - ISDN ISDN = uma rede que provê conectividade digital fim a fim para suportar uma grande variedade de serviços, na qual usuários tem acesso por um conjunto limitado de padrões de interface usuário-rede. B-ISDN = canais de transmissão capazes de suportar altas taxas. CCITT selecionou ATM como o paradigma para o BISDN Jun/89: escolhido 48+5 8 4 Introdução - Histórico - ATM Forum (1991) n n fabricantes de computadores juntaram-se as companhias telefônicas Membros: – – – – – – n mais de 700 organizações provedores de equipamentos de rede fabricantes de semicondutores provedores de serviços universidades usuários As especificações são submetidas ao ITU-T para aprovações. Ftp://ftp.atmforum.com/pub/specs 9 Introdução - Problema n Tipos de tráfegos a considerar para uma rede integrada: – todos ! n aplicações sensíveis e insensíveis a – tempo, vazão e perda de pacotes – combinações: • sem atraso, perda ok, vazão garantida • sem perda, atraso ok, vazão garantida • ... n n variedade de dispositivos de comunicação multiserviço - ou multimídia 10 5 Introdução - Problema n Tráfego elástico: – pode ajustar-se, em largos intervalos, a mudanças no atraso e vazão, ainda satisfazendo as necessidades da aplicação n Tráfego inelástico: – dificilmente se adapta a mudanças de atraso e vazão – parâmetros “rígidos”: vazão, atraso, variança no atraso, perda de pacotes 11 Introdução - Por que ATM ? n n n n n n Uma tecnologia surgida de um consenso internacional ATM é um método de comunicação usado para LANs e WANs Acomoda tráfego inelástico (multimídia temporeal) e elástico - uma rede para todo tráfego QoS considerada desde o projeto da rede ATM é disponível sobre várias velocidades compatibilidade com os atuais cabeamentos 12 6 Introdução - Por que ATM ? n n n capacidade de migração incremental (garantida pelas padronizações) gerenciamento de rede simplificado por usar a mesma tecnologia para todos os níveis da rede em LANs, MAN, WAN public/private) Projeto escalável e flexível em: – largura de banda – distância geográfica – número de usuários 13 ATM 14 7 ATM n n n Modo de transferência para implementar B-ISDN Modo de transferência: maneira de transmitir e comutar informação em uma rede Proposta: prover canais de alta velocidade para a transferência de qualquer tipo de informação – uso de pequenos pacotes de tamanho fixo, chamados células – ATM é um comutador de pacotes de alta velocidade 15 ATM - Arquitetura Plano de Gerenciamento Sub-plano de gerenciamento de camadas Plano de Controle Níveis Superiores Plano de Usuário Níveis Superiores dependentes do tipo de Serviço ou Aplicação Nível de Adaptação ou AAL Subnível AAL de Convergência CS (Convergence Sublayer) Classes que dependem do tipo de Serviço Nível de Rede ATM Subnível ATM de Canal Virtual, VC (Virtual Channel) Subnível AAL de Segmentação e Remontagem SAR (Segmentation and Reassembling) Subnível ATM de Rota Virtual, VP (Virtual Path) Nível Físico PM Subnível de Convergência de Transmissão, TC (Trans. Conv.) Subnível PM Dependente do Meio, PMD (Physical Medium Dependent) 16 8 ATM - Arquitetura n User Plane – Transferência de informações do usuário n Control Plane – Funções de controle; estabelecer, supervisionar e liberar uma conexão. n Management Plane – Layer Management – gerência de recursos e parâmetros associados aos protocolos das camadas; OAM. – Plane Management – gerência de funções associadas ao sistema como um todo, proporcionando 17 coordenação entre os planos. ATM - Camada Física n Dividida em 2 subcamadas – physical medium e transmission convergence Plano de Gerenciamento Sub-plano de gerenciamento de camadas Plano de Controle Níveis Superiores Plano de Usuário Níveis Superiores dependentes do tipo de Serviço ou Aplicação Nível de Adaptação ou AAL Subnível AAL de Convergência CS (Convergence Sublayer) Classes que dependem do tipo de Serviço Nível de Rede ATM Subnível ATM de Canal Virtual, VC (Virtual Channel) Subnível AAL de Segmentação e Remontagem SAR (Segmentation and Reassembling) Subnível ATM de Rota Virtual, VP (Virtual Path) Nível Físico PM Subnível de Convergência de Transmissão, TC (Trans. Conv.) Subnível PM Dependente do Meio, PMD (Physical Medium Dependent) 18 9 ATM - Camada Física n Dividida em 2 subcamadas – physical medium • bit timing - geração e recepção de sinal apropriado para o meio de transmissão – transmission convergence • • • • geração e recuperação de frame delineação de célula geração verificação de HEC desacoplamento de taxa de células - insere células vazias se tráfego não alcança taxa do sistema de transmissão 19 ATM - Camada Física n Analogia – interface de rede – A camada física e de enlace do OSI corresponde a física no ATM 20 10 ATM - Camada Física n SONET (“Synchronous optical network”) – Taxas de transmissão definidas como múltiplos de 51.840 MB/s (OC-1 channels) – Um canal OC-3 é capaz de carregar 3 canais OC-1, ou 155.520 MB/s. OC-12 = 622.080 MB/s n SDH (“Synchronous Digital Hierarchy”) – baseado no SONET – canais de 155.520 MB/s ou 622.080 MB/s 21 ATM - Camada Física n SDH – síncrono • transferência mesmo sem dados – eqtos trocam frames de tamanho fixo em intervalos fixos de tempo – SDH a 155.520 Mbit/s • frame de 9 x 270 bytes a 8 kHz = 155.520 Mbit/s • úteis: 9 x 260 a 8 kHz = 149.260 Mbit/s 22 11 ATM - Camada Física n Hierarquia Digital Síncrona SDH/SONET Designação SONET (ANSI) STS-1 (OC-1) STS-3 (OC-3) STS-9 (OC-9) STS-12 (OC-12) STS-18 (OC-18) STS-24 (OC-24) STS-36 (OC-36) STS-48 (OC-48) Designação SDH Taxa (ITU-T) [Mbit/s] 51,84 STM-1 155,52 STM-3 466,56 STM-4 622,08 STM-6 933,12 STM-8 1244,16 STM-12 1866,24 STM-16 2488,32 STS: Sinchronous Transport Signal ANSI: American Nacional Standard Institute Taxa útil [Mbit/s] 50,112 150,336 451,008 601,344 902,016 1202,688 1804,o32 2405,376 STM: Sinchronous Transport Module OC: Optical Carrier 23 ATM - Camada Física 90 bytes 3 bytes 87 bytes 1 byte SOH Section over Head (3 bytes) SPE - Synchronous Payload Envelope H1 Total de 9 bytes LOH Line over Head (6 bytes) H2 H3 POH Path over Head Exemplo de STS –1 (51,84 Mbit/s) 24 12 ATM - Camada Física 270 bytes 9 bytes SPE do STS-3 (261 bytes) SOH Section over Head (3 bytes) Total de 9 bytes LOH Line over Head (6 bytes) SPE de STS-1 SPE de STS-1 SPE de STS-1 Exemplo de STS –3 (155,52 Mbit/s) 25 ATM - Camada Física n Existem, entretanto, interfaces com taxas abaixo dessas: 100; 51.84; 45; 34; 25.6; 6; 2; 1.5 Mbit/s. 26 13 ATM - Camada ATM Plano de Gerenciamento Sub-plano de gerenciamento de camadas Plano de Controle Níveis Superiores Plano de Usuário Níveis Superiores dependentes do tipo de Serviço ou Aplicação Nível de Adaptação ou AAL Subnível AAL de Convergência CS (Convergence Sublayer) Classes que dependem do tipo de Serviço Nível de Rede ATM Subnível ATM de Canal Virtual, VC (Virtual Channel) Subnível AAL de Segmentação e Remontagem SAR (Segmentation and Reassembling) Subnível ATM de Rota Virtual, VP (Virtual Path) Nível Físico PM Subnível de Convergência de Transmissão, TC (Trans. Conv.) Subnível PM Dependente do Meio, PMD (Physical Medium Dependent) 27 ATM - Camada ATM n n n n Tecnologia baseada em comutação (“switched based technology”) O serviço ATM é também chamado “cellrelaying” A mensagem é segmentada em tamanho fixo de 53 bytes. As células são transmitidas através de conexões de circuitos virtuais; 28 14 ATM - Camada ATM n n n n Transmissão, chaveamento, recepção controle de congestionamento inserção e retirada de headers das células translação de endereços 29 ATM - Camada ATM n Serviço datagrama 30 15 ATM - Camada ATM n n Serviço de circuito virtual usado em ATM 31 ATM - Camada ATM 32 16 ATM - Camada ATM Níveis Superiores AAL REDE ATM Protocolo de Adaptação ATM fim a fim Níveis Superiores AAL ATM ATM ATM ATM FISICO FISICO FISICO FISICO Nó 2 Equipamento Terminal (TE) Equipamento Terminal (TE) Nó 1 Interface UNI Interface NNI Interface UNI 33 ATM - Camada ATM n Célula – pequeno pacote, tamanho fixo – circuito virtual estabelecido no início - decisão da rota apenas uma vez – atribuição de label – uso de label ao invés de endereços - economia – chaveamento em alta velocidade 34 17 ATM - Camada ATM UNI NNI 35 Tannenbaum: “... gfc ... bug in the standard...” ATM - Camada ATM Canal 1 Canal ... 2 Canal n Canal 1 Canal ... Canal ... 2 Síncrono Canal 1 Canal 5 Não usado Canal 1 Canal 7 5 Assíncrono 36 18 ATM - Camada ATM Campos do cabeçalho ATM n GFC – Generic Flow Control. 4 bits. – Usado pelo mecanismo de controle de fluxo na UNI. É um bug no padrão [TAN97, p. 515]; O controle de fluxo não existe, raramente usado [HAN97, p. 88]. n VPI – Virtual Path Identifier. 8 bits. – Usado para direcionar células dentro da rede ATM (roteamento). n VCI – Virtual Channel Identifier. 16 bits. – Mesma função da anterior. 37 ATM - Camada ATM Campos do cabeçalho ATM n PT – Payload Type. 3 bits. – Tipo de dados sendo carregado pelas células. – Separa dados de controle e sinalização, dos dados do usuário. – Usado para manutenção de um circuito virtual (ou funções de adaptações de serviço). – O tipo de célula é fornecido pelo usuário, e as informações sobre o congestionamento são fornecidas pela rede. – Ex.: uma célula enviada com o PTI 000 pode chegar com 010 em caso de ocorrência de situação de 38 congestionamento ao longo do caminho. 19 ATM - Camada ATM Codificação do Payload Type Identifier- PTI (3bits) PTI 000 001 010 011 100 101 Tipo de Célula Célula de Usuário Células OAM Operation Administration & Maintenance 110 Célula RM Resource Management 111 Reservado Significado Célula não experimentou Célula continuação de uma SAR-SDU congestionamento Última Célula de uma SAR-SDU Célula experimentou Célula continuação de uma SAR-SDU congestionamento Última Célula de uma SAR-SDU Célula OAM associada ao fluxo F5 (nível de segmento de VCC ) Célula OAM associada ao fluxo F5 (fim a fim de uma VCC) Célula com informação de gerenciamento de recursos ( Ex. banda a nível de enlace ou, no serviço ABT - ATM Block Transfer, como delimitador de bloco) Uso futuro 39 ATM - Camada ATM Campos do cabeçalho ATM n CLP – Cell Loss Priority. 1 bit. – Se = 1 a célula tem baixa prioridade. Se = 0, tem alta prioridade e é menos provável para ser descartada. n HEC – Header Error Correction. 8 bits. – Checksum para os 4 octetos do cabeçalho. – É processado na camada física. 40 20 ATM - Camada ATM n Abstrações – Caminhos virtuais – Canais virtuais – Links – Conexões 41 ATM - Camada ATM Terminologia na Conexão de uma Rota Virtual/Canal Virtual Canal Virtual VC Virtual Channel VCI Virtual Channel Identifier Virtual Channel Link VCL VCC Virtual Channel Connection Termo genérico para descrever o transporte unidirecional de células ATM associado a um único identificador VC (VCI) Identificador de um determinado enlace VC para um dado VP Enlace formado desde um ponto de designação VCI até um ponto onde este VCI é traduzido Concatenação de diversos VCLs entre dois pontos que podem ser usuário/usuário, usuário/rede ou rede/rede 42 21 ATM - Camada ATM Rota Virtual VP VPI VPL VPC Virtual Path Termo genérico para descrever o transporte unidirecional de células ATM em VCs associados a um único identificador VP (VPI) Virtual Path Identifier Identifica um enlace particular VP Virtual Path Link Um grupo de enlaces VCs, identificado por um VPI, desde o ponto de designação até o ponto de tradução deste VPI . Virtual Path Connection Concatenação de VPLs que se estende desde o ponto de designação dos VCIs até o ponto onde são traduzidos ou removidos. VPCs podem se estender entre usuário/usuário, usuário/rede ou rede/rede. 43 ATM - Camada ATM 44 22 ATM - Camada ATM A VCC 1 VP Switch (Cross Connect) VC Switch A VC Switch B VPC a VPC c VPC e VCC 2 VPL w (VPI k) e VCL r (VCI 1) B VCC 3 C VPC d VPC c VPC b VPL x (VPI l) e VCL s (VCI f) VCC 4 VPL y (VPI m) e VCL t (VCI g) VPC d VPC e X VPC f VCC 3 VCC x Y VPC g VCC y VC Switch C VPL z (VPI n ) e VCL u (VCI h) Z VCC 2 45 ATM - Camada ATM VP Switch VC Switch Porta Porta Porta Porta 46 23 ATM - Camada ATM n Resumindo VPI e VCI - [HAN97, p. 91] – O VPI é usado para distinguir diferentes links VP que são multiplexados na camada ATM dentro do mesma camada física numa interface. – Diferentes links VC dentro de um identificados pelos seus VCIs individuais VPC são – Dois VCs pertencentes a diferentes VPs na mesma interface podem ter valores VCIs idênticos. Conseqüentemente VCI e VPI são necessários para identificar corretamente um VC. 47 ATM - Camada ATM n Canais comutados (SVC – switched virtual channel), alocados conforme a demanda (ex.: chamadas telefônicas) n Canais permanentes (PVC – Permanent Virtual Channel), em geral alocados por uma entidade administrativa de forma estática; permanecem conectados por meses ou anos 48 24 ATM - Camada ATM n assegura que a célula seja enviada sobre a conexão correta (chaveamento – em função dos identificadores de conexão) n equivale a camada de rede (entretanto, muitas instalações usam a camada ATM como de enlace, porque o IP vai em cima dela) n monitora a taxa de transmissão n garante “cell sequence integrity” 49 ATM - Camada ATM n trata do formato da célula e conexões fim a fim n multiplexação/desmultiplexação de células; n Tradução de VPI/VCI da célula - é executado nos switches ATM; n adiciona/remove os 5 bytes de cabeçalho para a carga útil; n responsável pelo endereçamento global; n Endereço tem 20 bytes (ex.: autoridade adm., país, nº ISDN, nº único) 50 25 ATM - Camada ATM n OAM - Operation And Maintenance – usa fluxos de células: fluxos F1 a F5 • fluxos F1 a F3 para o nível físico de ATM • fluxos F4 e F5 para a camada ATM – F4 e F5: • monitora desempenho: monitoração contínua ou periódica • detecta/localiza falhas: monitoração contínua ou periódica • proteção de sistema: reação à falha, bloqueando sistema ou chaveando para sistema reserva • informação sobre desempenho ou falha: resposta a pedidos de informação 51 ATM - Camada ATM Tipos de Fluxos OAM Conexão de Canal Virtual n OAM Nível ATM F5 Conexão de Rota Virtual F4 Conexão de Rota de Transmissão Nível Físico F3 Conexão de Linha Digital F2 Secção entre Regeneradores Ponto de Terminação de Conexão F1 52 Ponto de Concatenação de Conexão Concatenação 26 ATM - Camada ATM 0 0 0 0 VPI qualquer VPI qualquer VCI Cabeçalho VCI n OAM VCI PTI x HEC Tipo de OAM Tipo de Função 360 bits Campo específico de Função 0x0 0x0 100 101 Payload Type Identifier (PTI, 3 bits) Fluxo OAM tipo F4, de segmento* Fluxo OAM tipo F4, fim a fim** Fluxo OAM tipo F5, de segmento*** Fluxo OAM tipo F4, fim a fim*** * VCI deve ser igual a : 0000000000000011 (3) ** VCI deve ser igual a : 0000000000000100 (4) *** VCI qualquer x : Indica bit disponível para o protocolo Payload 48 bytes 6 bits reservados CRC de 10 bits 53 ATM - Camada ATM n OAM Tipo de Célula OAM Valor dos Tipo de função OAM (4bits) (4bits) 4 bits Gerenciamento de 0001 Sinal de Indicação de Alarme Falhas Falha de recepção remota Loopback de células OAM Teste de continuidade Gerenciamento 0010 Monitoramento de ida de Performance Monitoramento de volta Monitoramento/Relatório Ativação/Desativação 1000 Monitoramento de Performance Verificação de continuidade Valor dos 4 bits 0000 0001 0010 0100 0000 0001 0010 0000 0001 54 27 ATM - Camada ATM n Sinalização - capacidades de Sinalização são usadas para: – estabelecer, manter e liberar ATM VCCs e VPCs para transferência de informação. – negociar (ou renegociar) as características de tráfego de uma conexão. – Logicamente separar canais de sinalização de canais de usuário (VC) – Mensagens de sinalização serão transmitidas fora de banda em “signaling virtual channels” (SVCs) dedicados 55 ATM - Camada ATM n Estabelecimento de conexão – – – – protocolo Q.2931 - ITU - control plane metasinalização: VP 0 , VC 5 uma vez estabelecido o SVC: uso de mensagens mensagens: • • • • • • setup call proceeding connect connect ack release release completed 56 28 ATM - Camada ATM n Estabelecimento de conexão Source host Switch 1 Switch 2 Switch 3 destination host setup setup setup Call proceeding setup Call proceeding Call proceeding connect connect connect Connect ack connect Connect ack Connect ack Connect ack release release Release completed release Release completed release Release completed Release completed 57 ATM - Camada ATM n Estabelecimento de conexão (resumo [TAN, p. 452]) a) o host envia uma mensagem em um circuito virtual especial. b) a rede responde, confirmando o recebimento c) solicitação chega ao host destino, que aceita a chamada recebida – Até que a aceitação (CONNECT) chegue a origem, todos os comutadores confirmam em direção ao destino. n n A conexão permite que a rede garanta a QoS por limitar o número de VCs - controle de admissão Multicast (ADD PARTY): anexa um outro destino ao circuito virtual retornado pela chamada anterior (grupo de multicast). 58 29 PLANO de CONTROLE Serviços de Sinalização (Protocolos de Nível Superior) GERENCIAMENTO de CAMADAS Serviços de Gerenciamento de Camadas (Protocolos de Nível Superior) PLANO de USUÁRIO Serviços de Usuário (Protocolos de Nível Superior) ATM - Camada ATM Serviço 1 Interações Locais Funções de Gerenciamento de VC de segmento (Fluxo OAM – F5) Serviço 2 SAPs e CEPs ATM SAPs Conexões do tipo B Funções de Gerenciamento de VC fim a fim (Fluxo OAM – F5) VCCs ⇒ VCI e VPI Funções de Gerenciamento de Recursos (Fluxo RM) Funções de Gerenciamento de VP de segmento (Fluxo OAM – F4) Codificação por VCI e VPI Conexões do tipo A Funções de Gerenciamento de VP fim a fim (Fluxo OAM – F4) Codificação por PTI Funções de Sinalização (Metasinalização – MS) ENTIDADE ATM PHY SAP e CEP Funções de Gerenciamento de Rota Física (Fluxo F3) Rota de Transmissão Ponto Final Rota de TransmissÃo Funções de Gerenciamento de Linha Física (Fluxo F2) Linha Digital Ponto final de Seção Digital Seção de Regeneração Funções de Gerenciamento de Seção de Regeneração (Fluxo F1) Ponto final Seção de Regeneração Enlace de Fibra Ótica 59 ATM - Camada ATM n Multiplexação ATM e causas do CDV Conexão A AAL 1 48 bytes 48 bytes Conexão B AAL 1 VBR Conexão C AAL 5 48 bytes Nível AAL A A A A Célula OAM B B B Nível ATM C C Célula RM C C C Nível Físico A C C B C Redundância do Nível Físico C C A Célula RM A Célula OAM B B A Célula Idle 60 30 ATM - Camada ATM Diferentes serviços convergem para conexões virtuais distintas em um mesmo meio físico Taxa Taxa Taxa Tempo CBR Canal virtual com taxa de bit constante (baixa) Tempo CBR Canal virtual com taxa de bit constante (alta) Taxa Tempo VBR Canal Virtual com taxa de bit varável Tempo ABR Canal virtual com taxa de bit em rajada (Avaiable Bit Rate) Nível AAL segmentação e remontagem Nível ATM multiplexação e rede de transporte MUX Célula ATM Nível Físico STM Sinchronous Transfer Mode (SDH/SONET) 61 ATM - Caracterização de Serviços n n Diferentes serviços - diferentes características de tráfego - conexões com diferentes requisitos Parâmetros de Qualidade de Serviço – QoS-NP (network parameters) • parâmetros de desempenho requeridos da rede • Um conjunto de destes parâmetros forma um Descritor de Qualidade de Serviço – Parâmetros fixos da rede - não negociáveis – QoS-UP (user parameters) • parâmetros relacionados com a carga a ser oferecida pela fonte • Um conjunto de destes parâmetros forma um Descritor de Tráfego da Fonte 62 31 ATM - Caracterização de Serviços n Parâmetros de QoS da rede (NP-Network Parameters) – QoS refere-se a uma coleção de parâmetros de desempenho, cujos valores são pertinentes a velocidade ou características de precisão/confiabilidade da conexão ATM. – parâmetros de controle de chamada • atraso de conexão, • atraso de desconexão, • probabilidade de aceitação da conexão – parâmetros associados à transferência da informação • negociados com a rede no momento da abertura da conexão 63 ATM - Caracterização de Serviços n n Parâmetros da fase de transferência QoS-NP: descrevem as características da rede e são medidas no receptor (3) – Cell Loss Ratio (CLR) • O percentual de células perdidas. CLR = Lost Cells / Transmitted Cells. – Cell Transfer Delay (CTD) • tempo médio de transição da origem para destino. Inclui atrasos de propagação, atraso de fila em vários switches intermediários. – Cell Delay Variation (CDV) • mede a uniformidade com que as células são entregues. É a medida de variância de CTD. 64 32 ATM - Caracterização de Serviços n Parâmetros da fase de transferência n Parâmetros fixos da rede - não negociáveis – Cell Error Rate (CER) • fração de células chegando com bits errados – Severely Errored Cell Block Ratio (SECBR) • em bloco de N células M chegam com erro - fração M/N – Cell Missinsertion Rate (CMR) • células entregues a destino errado devido a erro não detectado no cabeçalho 65 ATM - Caracterização de Serviços n QoS-UP - user parameters – parâmetros que rede exige contrapartida do usuário comportamento do usuário – Peak Cell Rate (PCR) • taxa instantânea máxima de um usuário – Cell Delay Variation Tolerance (CDVT) • tolerância máxima do CDV durante rajada – Sustainable Cell Rate (SCR) • taxa média de células em um intervalo de tempo grande – Maximum Burst Size (MBS) • numero máximo de células que podem ser enviadas em PCR, ponta a ponta, sem violar SCR – Burst Tolerance (BT) • tamanho máximo da rajada de células enviadas em PCR – Minimum Cell Rate (MCR) • taxa mínima desejada 66 33 ATM - Caracterização de Serviços TIPO DE PARÂMETRO DE Abreviatura QoS Descritor de tráfego Parâmetros relacionados com a carga a ser oferecida pelo usuário (Rule based Parameters) Observação Peak Cell Ratio Taxa máxima que usuário pretende transmitir células MBS (ou CBS) Maximum Burst Size (Cell Burst Size) Número máximo de células que podem ser enviadas, ponta a ponta, na taxa de pico PCR CDVT Cell Delay Variation Tolerance Sustainable Cell Rate Especifica quanto de variação pode ser tolerado pela rede na chegada das células durante uma rajada (PCR) Limite superior da taxa média de células medido sobre um intervalo de tempo grande Tamanho máximo de rajada que pode ser transmitida na taxa de pico (função de PCR, SCR e MBS) É a taxa mínima de células por segundo que o usuário considera aceitável Atraso médio entre fonte e destino (ver figura 3.1) PCR QoS-UP Significado SCR BT Burst Tolerance MCR Minimum Cell Rate CTD Cell Transfer Delay CDV Cell Delay Variation Medida da uniformidade de chegada das células (ver figura 3.1) CLR Cell Loss Ratio CER Cell Error Rate Fração de células que não chegaram para o total de células enviadas Fração de células que chegam com um ou mais bits errados em relação ao total enviado. É a fração de um bloco de N células das quais M ou mais células estão com erro. (fração = M/N) 67 errado, Número de células/s que são entregues a um destino devido a erro de cabeçalho não detectado. QoS-NP Descritor de qualidade de serviço Parâmetros de desempenho da rede (Statistical parameters) PARÂMETROS FIXOS DA REDE (não negociáveis) SECBR CMR Severely Errored Cell Block Ratio Cell Missinsertion Rate ATM - Caracterização de Serviços n QoS-NP - CLR, CTD, CDV CLR = Lost Cells / Transmitted Cells – Células perdidas, incluindo: • células que não chegaram - razão: transbordo de buffers no caminho • células recebidas, mas com cabeçalho inválido • células com conteúdo corrompido por erros – células transmitidas: • número de células conformes - de acordo com descritor de tráfego 68 34 ATM - Caracterização de Serviços n QoS-NP - CLR, CTD, CDV – tempo médio de transição da origem para destino. Incluindo: • parte fixa: atrasos de propagação • parte variável: atraso de fila em vários switches intermediários n QoS-NP - CLR, CTD, CDV – mede a uniformidade com que as células são entregues. – É a medida de variância de CTD. 69 ATM - Caracterização de Serviços n QoS-NP - CLR, CTD, CDV – função densidade de probabilidade do tempo de chegada de células • maxCTD leva a um α=probabilidade de perda Probabilidade de Chegada P(atraso <= maxCTD) P(atraso > maxCTD) 1-α α Células perdidas ou entregues muito tarde Células entregues CDV M ínimo atraso fixo Tempo de Transferência CTD maxCTD C D V : Cell Delay Variation CTD: Cell Transfer Delay α é a probabilidade de que células excedam o valor máximo de atraso 70 35 ATM - Caracterização de Serviços QoS-UP - PCR, CDVT, SCR, MBS, BT, MCR n – PCR: taxa máxima que usuário pretende/pode transmitir • especificado em células por segundo • inverso (1/PCR) = intervalo teórico mínimo entre chegadas de células de uma conexão – CDVT: • parâmetro levado em consideração na verificação de conformidade de tráfego, devido à inserção de CDV, durante PCR P(2) P(2) δ Legenda: P = 1/PCR Diferença < CDVT MBS: Maximum Burst Size δ: unidade tempo (tempo de inserção de célula) célula 71 ATM - Caracterização de Serviços QoS-UP - PCR, CDVT, SCR, MBS, BT, MCR n – rajada(burst): envio de MBS células à taxa PCR – ao longo do tempo, rajadas tem que respeitar SCR, logo, se faz necessário um espaçamento entre rajadas – o cálculo deste espaçamento considera BT – Exemplo: P (2) MBS (4) δ Legenda: P = 1/PCR S = 1/SCR ?? MBS: Maximum Burst Size δ: unidade tempo (tempo de inserção de célula) célula 72 36 ATM - Caracterização de Serviços QoS-UP - PCR, CDVT, SCR, MBS, BT, MCR n MBS x S = tempo necessário para mandar MBS células em SCR = intervalo de tempo, desde o início da última rajada, para o início da próxima rajada (4x5 = 20) P (2) S=5 MBS (4) ?? δ Legenda: P = 1/PCR S = 1/SCR MBS: Maximum Burst Size δ : unidade tempo (tempo de inserção de célula) célula 73 ATM - Caracterização de Serviços QoS-UP - PCR, CDVT, SCR, MBS, BT, MCR n quanto esperar a partir do início da última célula da rajada? BT+S BT=(MBS-1)(S-P) P (2) MBS (4) δ BT (9) S (5) Tempo entre duas rajadas consecutivas aceitável (S+BT) Legenda: P = 1/PCR S = 1/SCR BT: Burst Tolerance) MBS: Maximum Burst Size δ: unidade tempo (tempo de inserção de célula) célula 74 37 ATM - Caracterização de Serviços n Categorias de serviços definidas pelo ATM Forum – real time services • constant bit rate (CBR) • variable bit rate (rt-VBR) – non real time • variable bit rate (nrt-VBR) • available bit rate (ABR) • unspecified bit rate (UBR) 75 ATM - Caracterização de Serviços n constant bit rate (CBR) – real time – aplicação requer • taxa fixa e contínua de vazão • atraso máximo limitado – comum para : áudio e vídeo não comprimidos 76 38 ATM - Caracterização de Serviços n variable bit rate (rt-VBR) – real time – mesmos requisitos de aplicações que CBR só que com taxas variáveis – bursts - variações bruscas, picos – exemplo: • vídeos comprimidos – permite maior flexibilidade que CBR • a rede pode estatisticamente multiplexar maior número de conexões sobre mesma capacidade e ainda manter a qualidade 77 ATM - Caracterização de Serviços n variable bit rate (nrt-VBR) – para aplicações “non real time” – melhorar qualidade em termos de perdas e atraso – especifica: taxa de pico, taxa média e um parâmetro indicando o tipo de burst que pode ocorrer – rede pode alocar recursos para diminuir atraso e perdas – pode ser usado para aplicações com requisitos temporais (apesar de nrt) 78 39 ATM - Caracterização de Serviços n unspecified bit rate (UBR) – rede usada por tráfegos CBR e os dois tipos de VBR – resto: • capacidade total não usada • variação do VBR indica que em determinados momentos a rede não usa toda capacidade – esta capacidade pode ser disponibilizada para serviços UBR – serviços que toleram variações de atraso e algumas perdas (tráfego TCP) – não há comprometimento da rede - best effort service 79 ATM - Caracterização de Serviços n available bit rate (ABR) – melhoria do UBR – especificação de taxa de pico (peak cell rate - PCR) e de taxa mínima (minimum cell rate - MCR) – capacidade não usada pode ser usada por UBR 80 40 ATM - Caracterização de Serviços SERVIÇO→ → PARAM.↓ ↓ CLR Cell Loss Rate QoS NP QoS UP CBR constant bit rate VBR variable bit rate (real-time) VBR variable bit rate (non-real-time) ABR Avaiable bit rate especificado UBR Unspecified bit rate não especificado CTD Cell Transfer especificado não especificado Delay CDV Cell Delay especificado não especificado Variation PCR/CDVT PCR/CDVT PCR/CDVT PCR/CDVT TD Traffic SCR/BT MCR/ACR Descriptors FC Flow Control não sim não (congestion) LEGENDA: PCR: Peak Cell Rate BT: Burst Tolerance CDVT: Cell Delay Variation Tolerance MCR: Minimum Cell Rate 81 SCR: Susteinable Cell Rate ACR: Allowed Cell Rate ATM - Caracterização de Serviços n Categorias de serviços definidas pelo ATM Forum Célula ATM 82 41 ATM - Controle de Tráfego 83 ATM - Controle de Tráfego n Seja: R: taxa em Mbit/s P: tempo de propagação em ms L: comprimento dos dados (pacotes ou células) a=P.R/L ou seja, o número de células que estão na “tubulação”, desde a fonte até o destino, em um dado instante n Temos: variação do fator a em relação a diversas arquiteturas de redes [STA 95] Rede LAN Ethernet Rede de Pacotes X.25 Frame Relay Meio Dist. [km] P [ms] T [Mbit/s] L [bit] Par de fios 2,5 B 1000 a 0,013 10 12000 0,01 5,55 0,064 4096 0,08 0,17 E1 1000 5,55 2,048 64000 Anel de fibra - FDDI Fibra 50 0,277 100 64000 0,43 Rede MAN - DQDB CATV 200 1,11 155 424 406,1 ATM STM1 1000 5,55 155 424 2030,7 ATM STM4 1000 5,55 622 424 8149,0 84 42 ATM - Controle de Tráfego Assim: n – técnicas de controle utilizadas em outras redes não são válidas para redes ATM de longa distância – Realimentação lenta - tempo de inserção reduzido, comparado a tempo de propagação Ainda: n – maioria dos tráfegos não são receptivos a ctle. fluxo como dizer p/ fonte de vídeo enviar com menor taxa? – aplicações muito diversas - esquemas simples de controle penalizam algum extremo 85 ATM - Controle de Tráfego n Estratégia de controle de tráfego – dimensão temporal • • • • longo termo: gerenciamento de recursos tempo de duração de conexão: Controle de Admissão de Conexão tempo de propagação ida/volta: gerência/aloc. rápida de recursos tempo de inserção de células: Usage Parameter Control (UPC) e Controle de Prioridade (CLP) – dimensão espacial Interface NNI Interface UNI Fonte de Tráfego Switch ATM Traffic Shaper Domínio de Usuário UPC-Usage Parameter Control Scheduler Switch ATM (EFCI) Explicit Congestion Indication Destino Scheduler 86 Domínio de Rede 43 ATM - Controle de Tráfego • Controle de parâmetros de Uso e de Rede (UPC/NPC), • Conformação de tráfego (Traffic shaping), • Controle de prioridade (CLP), • Controle de admissão de conexão (CAC), • Controle genérico de fluxo (EFCI) 87 ATM - Controle de Tráfego n Usage Parameter Control Network Parameter Control (NPC) (UPC) e – assegurar que células entram na rede de acordo com contrato de tráfego – controle do parâmetros QoS-UP • • • • • • PCR CDVT SCR MBS BT MCR - CBR e VBR - CBR e VBR - VBR - VBR - VBR - em ABR – rule based parameters: são verificados segundo regras definidas 88 44 ATM - Controle de Tráfego n UPC e NPC – mecanismo de controle de UPC baseado em Balde Furado - Leaky Bucket • balde com capacidade para K células • servido por taxa de vazão LCR (leak cell rate) >= PCR • cada célula que chega balde++ se balde cheio, célula declarada não conforme pode ser perdida ou marcada com CLP=1 (Cell Loss Priority) 89 ATM - Controle de Tráfego n UPC e NPC – mecanismo de controle de UPC baseado em Balde Furado - Leaky Bucket Fonte Destino Rede ATM +1 Mecanismo UPC K Buffer Overflow? Não LCR Célula conforme Sim Celula não conforme: - descarta ou - marca CLP=1 Algoritmo do balde furado (Leaky Bucket) LEGENDA K: capacidade máxima do balde LCR: cell leak rate 90 45 ATM - Controle de Tráfego n UPC e NPC – mecanismo de controle de UPC baseado em Balde Furado - Leaky Bucket – LCR - limite superior para taxa média de células – LCR e capacidade K - define limite superior para tamanho máximo da rajada durante PCR, ou MBS K=((MBS-1)(PCR-LCR))/PCR – monitorar PCR: LCR=PCR – monitorar SCR: LCR~=SCR; e ter buffer grande para absorver rajadas 91 ATM - Controle de Tráfego n UPC e NPC – balde furado pode ser empregado para monitorar parâmetros específicos de QoS • baldes furados em paralelo – ex: • monitorar SCR: LCR~=SCR; com buffer grande para absorver rajadas • monitorar PCR: LCR=PCR; com buffer pequeno 92 46 ATM - Controle de Tráfego n UPC e NPC – Generic Cell Rate Algorithm (GCRA) • baseado no balde furado – GCRA(Incremento, Limite) – aplicado a PCR • I -> T = 1/PCR (T= Intervalo mínimo entre células) • L-> τ = CDVT (τ: tempo de variação entre células) antecipação máxima que pode acontecer c/ célula 93 ATM - Controle de Tráfego n UPC e NPC - GCRA(T,ττ) T T Célula 1 Célula3 Célula 2 δ T τ 2T Tempo 2T Tempo τ (a) Líquido T+τ Nível máximo de líquido do balde T Escoamento linear 0 T (b) (a) processo de chegada de células (b) modelo do balde furado - capacidade máxima corresponde a “líquido” equivalente ao tempo T+τ 94 47 ATM - Controle de Tráfego n UPC e NPC - GCRA(T,ττ) τ T T (a) Célula 3 esperada para: TAT3 = ta(k) + T Célula 1 Célula 2 ta(k-1) ta(k) T (( b )) T Célula 1 ta(k-1) ta(k) T ( c) T Célula 1 Célula 3 esperada para TAT3 = TAT2 +T Célula 2 ta(k-1) LEGENDA: 1/PCR T: τ : 1/CDVT TAT : Teoretical Arrival Time ta(k): tempo de chegada da célula Célula 3 esperada para TAT3 = ta(k) + T Célula 2 ta(k) Célula 3 esperada para TAT3 =TAT2 = ta(k-1) + T T (( d )) Célula 1 ta(k-1) Célula 2 Célula 2 chegou antes: TAT > ta(k) + τ Célula não conforme (descartada) 95 ta(k) ATM - Controle de Tráfego n Conformação de Tráfego (traffic shaping) – conforma fluxo na saída da fonte para atingir exigências do contrato de tráfego – usa algoritmo do balde furado, como UPC – Para PCR • pode ser usado para compensar efeitos do CDV na taxa de PCR • em vez de marcar ou descartar células, atrasa-as para mandá-las no tempo apropriado – Para VBR usa conformador de balde furado duplo (Dual Leaky Buket Shaper - DLBS) • um conforma PCR • outro conforma SCR, considerando BT 96 48 ATM - Controle de Tráfego n Cell Loss Priority (CLP) – célula fora do contrato de tráfego é descartada ou tem CLP setado para 1 – células com CLP=1 estão sujeitas a descarte em outro ponto da rede – usuário pode negociar com rede 2 níveis de prioridade • célula CLP=0 conforme tráfego (CLP=0) passa adiante • célula CLP=0 não conforme tráfego (CLP=0) mas conforme (CLP=1) é marcada e passada adiante • célula CLP=0 não conforme tráfego (CLP=0) nem conforme (CLP=1) é descartada • célula CLP=1 conforme tráfego (CLP=1) passa adiante • célula CLP=1 não conforme tráfego (CLP=1) é descartada 97 ATM - Controle de Tráfego n Controle de Admissão de Conexão (CAC) Ganho Estatístico = Nro.Conex.admitidas com multiplex. Estatística Nro.Conex.admitidas baseadas em PCR – conexões frequentemente não enviam em PCR – métodos para CBR: considerando ou não CDV – métodos para VBR: • REM - Rate Envelope Multiplexing (multiplexação envoltória de taxa(?)) • Rate Sharing 98 49 ATM - Controle de Tráfego n Controle de Admissão de Conexão (CAC) – métodos para VBR: REM • principalmente para VBR-rt • presume buffer pequeno usado na conexão VBR • procura estimar CLR baseado na taxa agregada (?) e na taxa de transmissão do enlace • conexão admitida se CLR estimado menor que exigido na conexão – métodos para VBR: RS • principalmente em VBR(-nrt) • uso de buffers para amortecer CLR em caso de rajadas 99 ATM - Controle de Tráfego n Controle de Admissão de Conexão (CAC) – métodos de CAC para VBR – podem usar estimativa de Largura de Banda Efetiva • • • • estimativa baseada na relação PCR/SCR LBE entre PCR e SCR para buffers pequenos: LBE próximo de PCR para buffers grandes: LBE próximo de SCR • propriedades: aditiva e independência ==> simplicidade de CAC • aditiva: cálculo de LBE para n conexões seja a soma da LBE de cada conexão • independência: valor da LBE de uma conexão depende somente de seus parâmetros 100 50 ATM - Controle de Tráfego n Controle por realimentação Explicit Forward Congestion Indication (EFCI) – – – – Serviço ABR (Available Bit Rate): ajustar taxa à rede utilizar capacidade ociosa da rede para usuários com tráfego elástico modula taxa de transmissão entre PCR e MCR declarados laço fechado - realimentação • monitora rota e recebe informação sobre taxa possível – ajuste de taxa da fonte – realimentação binária (bit indica se existe ou não congestionamento e fonte tem que baixar taxa segundo regra pré-definida) ou explícita (rede indica taxa praticável) 101 ATM - Controle de Tráfego n Controle por realimentação Explicit Forward Congestion Indication (EFCI) – Serviço ABR (Available Bit Rate): ajustar taxa à rede 50 Mbit/s 150 Mbit/s Sistema Fonte 20 Mbit/s Switch Nó 20 Mbit/s congestionado 50 Mbit/s disponível 20 Mbit/s Switch Switch 20 Mbit/s Nó congestionado 20 Mbit/s disponível Sistema Destino 20 Mbit/s Célula de Dados Célula RM 102 51 ATM - Camada AAL n Serviços genéricos AAL – – – – – n Manipulação de erros na transmissão segmentação e remontagem de mensagens manipulação de condições de perda controle de fluxo controle de temporização variação de seu comportamento conforme serviço específico 103 ATM - Camada AAL n Classificação de serviços – relação temporal entre origem e destino deve ser mantida ? – requer cbr ? – Orientado a conexão ou não ? 104 52 ATM - Camada AAL n ITU-T propôs uma classificação de serviço (classe A, B, C e D) que é específico para a AAL. – Inicialmente - um protocolo para cada classe: Type 1,2,3 e 4 – depois fusão de 3 e 4 = 3/4 – depois type 5 – hoje não existe “relação forte” entre as classes de serviços (A;B;C;D) e os tipos de protocolos AAL (1;2;3/4;5). n Os pontos finais de cada conexão devem concordar sobre que AAL eles irão usar, mas a 105 rede não necessita preocupar-se com isso. ATM - Camada AAL n AAL 5 – mais simplificado e mais eficiente do que o AAL 3/4 – usado também para aplicações de dados – foi introduzido em razão de seu baixo overhead – usos: frame-relay e IP over ATM 106 53 ATM - Camada AAL n Classe A: serviço Constant Bit Rate (CBR). – Exs.: Emulação de circuito (ex.: sinal 2Mbit/s ou 45 Mbit/s), voz a 64Kbit/sec, vídeo a taxa de bit constante. AAL1 dá suporte. n Classe B: serviço Variable Bit Rate (VBR-rt). – Exs.: Vídeo e áudio a taxa de bit variável, telefonia. AAL2 suporta estas aplicações que requerem um limite de atraso na entrega (“required timing relationship”). 107 ATM - Camada AAL n Classe C: servico Connection-oriented data service - VBR-nrt – Transferência de dados orientado a conexão. Este serviço tem VBR mas sem limite de atraso na entrega (nrt). Este tipo permite a transferência de frames de dados de usuário de 1 a 65.535 octetos. AAL 3/4 suporta-a. n Classe D: serviço Connectionless data service ABR, UBR – Ex.: switched multimegabit data service – SMDS, aplicações de rede sem conexão. AAL 3/4 e AAL5 suportam esta classe de serviço; estas AALs são de interesse para redes IP 108 54 ATM - Camada AAL n Subníveis: – Segmentation and reassembly (SAR) • Divide todos os tipos de dados em 48 bytes; inserindo ou extraindo informação na carga útil – Convergence sublayer (CS) • Proporciona que os serviços da camada ATM sejam adaptados para os requerimentos das camadas mais altas a AAL 109 ATM - Camada AAL Subníveis: Plano de Gerenciamento Sub-plano de gerenciamento de camadas Plano de Controle Níveis Superiores Plano de Usuário Níveis Superiores dependentes do tipo de Serviço ou Aplicação Nível de Adaptação ou AAL Subnível AAL de Convergência CS (Convergence Sublayer) Classes que dependem do tipo de Serviço Nível de Rede ATM Subnível ATM de Canal Virtual, VC (Virtual Channel) Subnível AAL de Segmentação e Remontagem SAR (Segmentation and Reassembling) Subnível ATM de Rota Virtual, VP (Virtual Path) Nível Físico PM Subnível de Convergência de Transmissão, TC (Trans. Conv.) Subnível PM Dependente do Meio, PMD (Physical Medium Dependent) 110 55 ATM - Camada AAL 111 ATM - Camada AAL 112 56 ATM Camada AAL 113 ATM Camada AAL 114 57 ATM Camada AAL 115 n Agradecimento a Juergen Rochol por ceder várias e várias figuras Bibliografia n [ROC01] ROCHOL, Juergen. Caracterização e Conformação de Fluxos de Tráfego ATM no Ambiente do Usuário. Tese de Doutorado. UFRGS. 2001. n [JAI96] JAIN, R., "Congestion Control and Traffic Management in ATM Networks: Recent Advances and A Survey", Computer Networks and ISDN Systems, November 1996. n [SIU95] SIU, Kai-Yeung, JAIN, Raj. A brief overview of ATM: Protocol Layers, LAN Emulation, and Traffic Management. ACM Computer Communications Review, April 1995. n [TAN97] TANENBAUM, Andrew S. Computer Networks. 3a ed. Prentice Hall. 1997. 116 58 Bibliografia n ATM Forum. http://www.atmforum.com n Lista. http://cell-relay.indiana.edu/cell-relay/ n “Brief Tutorial”: http://www-ipg.umds.ac.uk n [AMO98] AMOSS, John, MINOLI, Daniel. IP Applications with ATM. McGraw-Hill. 1998. n [CAV92] CAVANAUGH, John D., SALO, Timothy J. Internetworking with ATM WANs. Minnesota Supercomputer Centre, Inc. December 14, 1992. n [HAN97] HANDEL, Rainer, HUBER, Manfred N., SCHRÖDER, Stefan. ATM Networks - Concepts, Protocols and Applications. 3 ed. Addison-Wesley. 1997. 117 59