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Tema 3: Modo de Transferencia Asíncrono, ATM

Tecnologías de red de transporte de operadoraMÁSTER EN INGENIERÍA TELEMÁTICAProfesor: 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

ATM: Introducción

Celda ATM

5 48

TDM:

ATM:

Con TDM cada usuario sólo puede transmitir en los time-slots asignados:

Con ATM cada usuario puede transmitir cuando tiene datos disponibles

ATM:

• Orientado a conexión

• Conmutación de paquetes (paquetes de tamaño fijo llamados celdas)

Bytes

ATM: IntroducciónVentajas de ser orientado a conexión

Establecidas las conexiones, poco procesado en nodos

Ventajas de la conmutación de paquetesAsignación dinámica de ancho de banda

Ventajas de emplear celdas de tamaño fijoMayor 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.

ATM: Introducción

Segmentación y reensamblado. Control extremo a extremo

multiplexación de celdas y conmutación de circuitos / caminos virtuales

SDH ó PDH

ATM adaptation layer

ATM layer

Physical layer

User application (higher protocol layers)

Voz, datos IP, video …

Pila de protocolos de ATM

Los interfaces de red ATM

TokenRing

UNI

NNI NNI

Red ATM

Upper layersUpper layersUpper layersUpper layers

AALAAL AALAAL

ATM layerATM layer ATM layerATM layer ATM layerATM layer

PhyPhy PhyPhy PhyPhy

Originating node ATM network nodes

User to Network Interface (UNI)

ATM layerATM layer

ATM switching within the ATM layer

PhyPhy PhyPhy PhyPhy

Terminating node

User to Network Interface (UNI)

Network to Network Interface (NNI)

UNI

La celda ATM

Celda UNI Celda NNI

• VPI: Virtual Path Identifier. Hasta 256 (UNI) o 4096 (NNI).

• VCI: Virtual Channel Identifier. Hasta 65536.

• 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.

PDU-PayloadPDU-

Header

5 bytes 48 bytes

Cell = ATM-PDU

53 bytes

UNI header format NNI header format

GFC VPI VCI PTCLP

HEC VPI VCI PTCLP

HEC

4 bits 8 bits 16 bits 3 bits 1 8 bits 12 bits 16 bits 3 bits 1 8 bits

Trayectos Virtuales y Canales Virtuales

8 7 6 5 4 3 2 1

GFC* / VPI VPI

VPI VCI

VCI

VCI

PTI

HEC

CLP

VPI y VCI son losindentificadores de conexiones virtuales.(sirven para conmutar lasceldas hacia su destino)

Conexión de capa física

(e.g. STM-1)

VPI 1

VPI 2

VCI 1VCI 2

Multiplexaciónen AAL 2

Multiplexación en capa ATM

Bits

Byte in header

Funcionamiento de un switch

• 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

22

33

29 6464

Salida

2929

45Entrada

Port

1

2

11

33

VPI/VCI

29

45

6464

2929

Port

2

1

33

11

VPI/VCI

45

29

2929

6464

11

Conmutación de celdas

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

AA

BB

DD

CC

EntradaEntrada SalidaSalidaPortPort VPI/VCIVPI/VCI PortPort VPI/VCIVPI/VCI

2 15 3 14

33 1414 22 1515


11 2929 33 4545

22 3030 44 1515

3 45 1 29

4 15 2 30


11 4545 22 1616

2 16 1 45

2929

3030

1010

1616

1515

45451414

4343


11 1616 22 4343

22 4343 11 1616

3 14 4 10

4 10 3 14

1

2

4 2

3

32

4

12

3

1

X Y

Z W

Conmutación de VC y VP

VCI 1 VCI 2 VCI 3 VCI 4

VPI 2VPI 2VPI 3VPI 3VPI 1VPI 1

VPI 2VPI 2

VPI 3VPI 3

VPI 5

VPI 1VPI 1

VPI 4

PortPort 11

PortPort 22

PortPort 33

VCI 1

VCI 2

VCI 1

VCI 2

VP Switch (Cross Connect)

VC Switch (ATM switch)

VCI 1

VCI 2

VCI 4

VCI 3

Mapeo de celdas sobre la capa física

P

P

VC-4 (Virtual container)VC-4 (Virtual container)POH ...

...

ATM cell

5 48

1 260 bytes

9 261 bytes

3

5

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

POH ...

VC-4 (Virtual container)ATM cell

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

La capa de adaptación: AAL

Implementado en los nodos extremos únicamente (el enrutamiento se realiza en la capa ATM)

Control de flujo, temporización, corrección de errores, gestión de celdas perdidas.

Segmentación y reensamblado de datos para ser encapsulados en las celdas ATM.

CSCS

SARSAR

HdrHdr

Data blockHdr

Higher layer data

SAR PDU

ATM Layer PDUATM cell payloadATM cell payload


Service Specific Convergence Sublayer

Service Specific Convergence Sublayer

Common Part Convergence Sublayer

Common Part Convergence Sublayer

Segmentation And Reassembly Sublayer Segmentation And

Reassembly Sublayer

CS

SAR

Common Part (one per AAL)

Service Specific Part

Funcionamiento general de AAL

CS(ca)

SAR

CS(co)

CS(ca)

SAR

SAR

SAR

SAR

SAR

CS(co)

ATM

SAR

SAR

SAR

SAR

CS(co)

ATM

SAR

CS(ca)

SAR

ATM

Mensaje generado por la aplicación

(ej.: datagrama IP)

Salida de la capa de convergencia (CS)

Salida de la capa de segmentación y

reensamblado (SAR)

Salida de la capa ATM

CabeceraCS

ColaCS

RellenoCabeceraSAR

ColaSAR

CabeceraATM

44-484853

Bytes

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)

AAL 1

AAL 2

AAL 5


AAL1

HH

User info (e.g. PCM speech)

PayloadPayload

SAR-PDU

ATM cell

11 33 33

SAR-PDU header (1 byte)

11

• 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)

47 bytes (or less)47 bytes (or less)

¿Qué conclusión podemos sacar de la cabecera?

AAL1

Cuando se transmiten señales de tasa de bit pequeña, AAL 1 tiene un problema:

payloadh payloadh payloadh

O el retardo de encapsulamiento de datos es grande ...

... o la eficiencia de transmisión es pequña (celdas casi vacías)

h h h

payload payload

64 kb/s TDM channel: 47bytes / 8000bytes/s = 5.9 ms

payload payload payload

payload

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 ...

... o la eficiencia de transmisión es peor

h h h


8 kb/s speech encoding: 47bytes / 1000bytes/s = 47 ms)

=> La solución la da AAL2, que permite encapsular datos de distintas comunicaciones en una misma celda


AAL2

HH

HHATM cell N

ATM cell N+1Start field (1 byte)

pad

CPS packet (CPS = Common Part Sub-layer)HH PayloadPayload

88 66 55 55 CPS packet header (3 bytes)

• 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)

Start Field

PAD Field

CPS-PacketCPS-Packet CPS-Packet CPS-Packet CPS-Packet CPS-Packet

CPS-PDU

CPS-PDU

CPS-PDU

CPS-PDU

ATM-SDUCell

Header

ATM-PDU = Cell

AAL2

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:



AAL 2 => multiplexa distintas comunicaciones

AAL5

ATM-PDU = cell

SAR-PDU

SAR-PDU

SAR-PDU

SAR-PDU

CPCS-SDU

CPCS-PDUpayload

PAD CPCS-PDUtrailer

CPCS-PDU

SAR-PDUpayload

SAR-PDUpayload

SAR-PDUpayload

SAR-PDUpayload

A-I0

A-I0

A-I0

A-I1

ATM SDU

ATM-PDUpayload

Cellheader

N x 48 bytes

Se indica en el último bitdel campo PTI

(AAL Indicate Bit)

8 bytes

¿Qué ventajas / inconvenientes

observamos en AAL5?

AAL5

¿Qué ventajas / inconvenientes observamos en AAL5?

Categorías de servicio ATM

• Parámetros de tráficoPCR/CDVT

SCR/BT

MCR

• Calidad de ServicioMax. CTD

Peak to Peak CDV

CLR

Contratooro

Contratoplata

ContratContratooRed ATM

Parámetros de tráfico: el usuario se compromete a no superarlos, la red a satisfacerlosParámetros de Calidad de Servicio: la red se compromete a cumplirlos.

Servicio CBR: Constant Bit Rate

• 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.

CBR1

CBR2CBR2

CBR1

•••

•••

Capacidaddel enlace

Capacidadreservada

no aprovechable

Servicio VBR: Variable Bit Rate

• 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 VBR-

rt) por lo que la capacidad se reserva. Pero si no la emplea queda libre para que la utilicen otros servicios menos exigentes.

CBR

VBRVBR

CBR

•••

•••

Capacidad noaprovechada

Capacidaddel enlace

Servicio UBR: Unspecified Bit Rate

• 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

CBR

VBR

VBR

CBRUBR

UBR

Celdas descartadas en caso de congestión

Capacidad excedenteutilizada por UBR

Capacidaddel enlace

Servicio ABR: Available Bit Rate

CBR

VBR

VBR

CBRABR

ABR

La realimentación de la red evita la congestión y la pérdida de celdas

Tráfico ABR elástico Tráfico ABR elástico con garantíascon garantías

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

(PCR, MCR, CLR)

Capacidaddel enlace

Comparativa

No asegura nada. Usa caudal sobrante.

Asegura un caudal mínimo, permite usar capacidad sobrante de la red. Incorpora control de congestión

Asegura un caudal medio pero no retardo. Permite ráfagas. Utiliza LeakyBucket.

Asegura un caudal medio y un retardo. Permite ráfagas. Utiliza doble LeakyBucket.

Simula línea punto a punto. Reserva estricta de capacidad. Caudal constante con mínima tolerancia a ráfagas.

Características

UBR

ABR

VBR-nrt

VBR-rt

CBR

Categoría

Comparativa

Servicio Garantizado

‘BestEffort’

CBR VBR-nrt ABR UBRVBR-rt UBR+

Mínima MáximaComplejidad de implementación

ABRUBR UBR+ CBR VBR-nrt VBR-rt

Calidad de Servicio

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 caudalSCR (Sustainable cell rate) y BT (Burst Tolerance): Caudal medio máximo permitido y tolerancia a ráfagas (grande) respecto a este caudalMCR (Minimum Cell Rate): Caudal mínimo que la red considera que puede asegurar en ese VC

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

Parámetros de calidad de servicio

Peak-to-Peak CDVMax CTD (Cell Transfer Delay) Celdas perdidas o

entregadas demasiado tarde

Mínimo

El tiempo mínimo de transferencia depende de las características físicas de la red

α < CLR

Función densidad de probabilidad de llegada de celdas

α

1 - α

Parámetros por Categorías de Servicio

Traffic parameters

QoS parameters

Other attributes

ATM Layer Service Category

CBR RT-VBR NRT-VBR UBRABR

PCR/CDVT

SCR, MBS

specified

Max CTD

Max pp CDV

Feedback

specified

specified

specified

specifiedunspecified

unspecified

unspecified

netw.sp.

n/a n/a

specifiedMCR n/a

Attribute

CLR specified unspec.

unspec.

n/a

Reparto de la capacidad de un enlace por categorías de tráfico ATM

CBR PCR

VBR SCR

VBR PCR

ABR MCR

Capacidad del enlace

VBR

ABR

UBR

CBR

ABR PCR

CBR

Control de Admisión de Conexión (CAC)(CBR, VBR y ABR)

Red ATM

Quiero un VC VBR-rt con:PCR/CDVT = A/BSCR/BT = C/DMax. CTD = EPk-t-Pk CDV = FCLR = G

CACCACPuedo soportar estode forma fiable sin

perjudicar otros contratos?

Petición de QoS garantizada

No o Sí, Acordar un

Contrato de TráficoContraContratoto

Traffic Policing o UPC (Usage ParameterControl, Control de Parámetros de Uso)

Red ATM

Este usuario no está cumpliendo el contrato.

¿Cual deberá ser la multa?

•• DEJAR PASARDEJAR PASAR•• MARCAR BIT CLPMARCAR BIT CLP•• DDESCARTARESCARTAR

OPCIONES:OPCIONES:

Contrato

APLICACIÓNAPLICACIÓNREBELDEREBELDE

Vigilancia de tráfico (traffic policing)

En caso de congestión la red puede descartar las celdas marcadas más tarde

00 00 00 1 00

CeldaCeldaMarMarcadacada

UPC

•• DEJAR PDEJAR PASASARAR•• MARMARCAR BIT CLPCAR BIT CLP•• DESCARTARDESCARTAR

Celda Descartada

ABC AB

C

Bit CLPBit CLP

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)

Algoritmo por defecto para VBR

Tráfico entrante

Vaciar al caudal de SCR en el VC

CLP = 0

PrimerPrimerCuboCubo(BT)(BT)

SegundoCubo

(CDVT)

CLP = 1

Primer cubo lleno

CLP = 1

Vaciar al caudal de PCR-SCR en el VC

Segundo cubo

lleno

descartar

Conformado de tráfico: Traffic Shaping

• 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

Datos conformadosDatos reales

Quiero cumplir con mi contrato,

por tanto suavizaré mi tráfico

Adelante

Sh

aper

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. Tokenbucket) 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

Realimentación

B

C

A

Z

Conmutador

Conmutador

Importante Importante minimizar tiempo de minimizar tiempo de

reacciónreacción

Los mecanismos de Los mecanismos de realimentación deben realimentación deben

implementarse en hardwareimplementarse en hardware

Control de Congestión ABR: Modo EFCI (Explicit Forward Congestion Indication)

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

ReceptorEmisor

Celdas RM marcadas por

Receptor

x x

Celda de datos

Celda RM (Resource Management)

Bit intermedio en campo PTI

Control de Congestión ABR: Modo Tasa relativa (RR, Relative Rate)

Emisorx Receptor

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

Celdas RM marcadas por conmutador

Control de Congestión ABR: Modo Tasa explícita (ER, Explicit Rate)

Emisor50

155 100

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

100

Flujo de celdas ATM con control de congestión

Actual cell rate

Explicit rate

Initial cell rate

Minimum cell rate

Peak cell rate

Rate Decrease Factor

Rate Increase factor

tiempo

ACR

PCR

ICR

MCR

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)

Cuando CI=1 en la celda RM recibida la fuente debe reducir su ACR en RDFxACR hasta un mínimo igual a MCR

ACR:

ER:

ICR:

MCR:

PCR:

RDF:

RIF:

Control de congestión ABR

Modo Tasa ExplícitaModo Tasa ExplícitaEl más sofisticadoEl más sofisticado

Ideal Ideal para redes WANpara redes WAN

Coste/Complejidad

Efi

cien

cia Modo Tasa RelativaModo Tasa Relativa

SSencilloencillo y eficientey eficienteIdeal Ideal para redes LANpara redes LAN/MAN/MAN

Modo Modo EFCIEFCIEl más sencilloEl más sencillo

Alta latenciaAlta latencia

Arquitectura de una red ADSL

Bucle de abonado (conexión ADSL)

Redtelefónica

Router ADSL

Ethernet 10BASE-T

VPI 8, VCI 32, PCR 2000/300 Kb/s

VPI 8, VCI 32, PCR 512/128 Kb/s

VPI 8, VCI 32, PCR 256/128 Kb/s

Circuito permanente ATM

Enlace ATM OC-3 (155 Mb/s)

Red ATM

80.24.166.129/26

80.24.166.172/26

80.24.166.173/26

80.24.166.174/26

Internet

ATM en UMTS

ATM en UMTS

NodoB RNC

ATM

AAL2

PHY

ATM

AAL2

PHY

CP

CH

FP

DC

H F

P

RA

CH

FP

FA

CH

FP

DS

CH

FP

PVC CBR

Conexiones AAL2:

Establecidas y liberadas bajo

demanda por la RNC

PC

H F

P

CP

CH

FP

DC

H F

P

RA

CH

FP

FA

CH

FP

DS

CH

FP

PC

H F

P

10 Bytes 3 Bytes

Transporte de voz

Celda ATM AAL2: 53 bytes

8 Bytes

Trama de voz (1 cada 10 ms) Paquete AAL2

ATM en UMTS

ATM ATM sobresobre E1 E1

ATM Forum AFATM Forum AF--PHYPHY--0064.000 (9/96)0064.000 (9/96)

256 bits (32 Bytes) / 125 μsec

TS 16: SeñalizaciónTS 0: Señalización + Alineamiento

Cabecera ATM

Cabecera ATM

TS 28 TS 4

Cabecera ATM

TS 20

TS 12

TS 5

Celda ATM: 53 bytes

Trama E1: 32 bytes

ATM en UMTS

IMA Group

PH

YPH

YP

HY

PH

Y

IMA Group

PH

YP

HY

Enlace físico #0

Enlace físico #1

Enlace físico #3Flujo de celdas único procedente de la capa ATM

Flujo de celdas original hacia la capa ATM

IMA Virtual Link

ATM ATM sobresobre NxE1: Inverse Multiplexing on ATM (IMA)NxE1: Inverse Multiplexing on ATM (IMA)


Tx: Celdas distribuidas por los enlaces en secuencia round-robinRx: Celdas recombinadas en un único flujo ATM

ATM en UMTS

ATM ATM sobresobre E3E3


530 bytes de carga

Celda ATM: 53 bytes

59 bytesBytes de cabecera E3

ATM en UMTS

ATM ATM sobresobre Nx64 Nx64 Kbit/sKbit/s: Fractional ATM: Fractional ATM


Nx 8 bits / 125 μsec

Cabecera ATM

Mapeado de celdas ATM en la trama portadora de Nx64 Kbps

E1 (32 bytes) / 125 μsec

Cabecera ATM

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