Parametric Evaluation

El modo de transferencia asíncrono o ATM (Asynchronous Transfer Mode) es un estándar adoptado por la ITU-T (International Telecommunication Union-Telecommunication

Standardization Sector) en 1985 para soportar la red digital de servicios integrados de banda

ancha o B-ISDN (Broadband Integrated Services Digital Network). La tecnología ATM permite la integración de los servicios orientados y no orientados a conexión. La integración de estos servicios en una única red, reduce enormemente los costes en infraestructura y en personal de operación y mantenimiento en las operadoras de telecomunicaciones.

La tecnología ATM se basa en la multiplexación y conmutación de celdas o pequeños paquetes de longitud fija, combinando los beneficios de la conmutación de circuitos (capacidad garantizada y retardo de transmisión constante), con los de la conmutación de paquetes (flexibilidad y eficiencia para tráfico intermitente). Proporciona ancho de banda escalable, que va desde los 2 Mbps a los 10 Gbps. ATM es más eficiente que las tecnologías síncronas, tales como la multiplexación por división en el tiempo o TDM (Time Division

Multiplexing) en la que se basan la Jerarquía Digital Plesiócrona (PDH, Plesiochronous

Digital Hierarchy) y la Jerarquía Digital Síncrona (SDH, Synchronous Digital Hierarchy).

Puesto que ATM es asíncrono, las ranuras temporales están disponibles bajo demanda con información identificando la fuente de la transmisión contenida en la cabecera de cada celda ATM (Black, 1998).

Las principales características de ATM son: opera en modo orientado a conexión, tiene una baja sobrecarga de información en la cabecera que permite altas velocidades de conmutación, tiene un campo de información relativamente pequeño que reduce el tamaño de las colas y el retardo en las mismas y utiliza paquetes de longitud fija que simplifica la conmutación de datos a alta velocidad.

1.2.2 Dispositivos ATM

Una red ATM está formada por conmutadores ATM y puntos finales ATM, ver figura 1.6. El conmutador ATM es responsable del tránsito de celdas a través de la red ATM: acepta las celdas que le llegan de un punto final ATM o un conmutador ATM, lee y actualiza la información en la cabecera de la celda, y rápidamente conmuta la celda a una interfaz de salida hacia su destino. Un punto final ATM o sistema final, contiene un adaptador de interfaz a la red ATM, el cual sí lee los bytes de datos de la celda. Ejemplos de puntos finales son: las estaciones de trabajo, routers, unidades de servicio digitales, conmutadores LAN, y codificadores y decodificadores de vídeo.

Los conmutadores ATM soportan dos tipos primarios de interfaces:

UNI (User to Network Interface): La interfaz UNI conecta sistemas finales ATM (tales como servidores y routers) a un conmutador ATM.

NNI (Network to Network Interface): Conecta dos conmutadores ATM.

Figura 1.6 Red ATM con switch públicos y privados

Los dispositivos ATM utilizan un formato de direcciones NSAP (Network Service Access

direcciones E.164 del ITU-T, semejante a números telefónicos, para las redes públicas B- ISDN. Cada sistema ATM necesita de una dirección ATM, independiente de los protocolos de nivel superior como IP o IPX (Oca, 2004).

1.2.3 Celda ATM.

La transferencia de información en ATM, a diferencia de la de otras técnicas de conmutación de paquetes, como X.25 o Frame Relay, utiliza paquetes de longitud corta y fija, denominados celdas. Cada celda consta de 53 octetos o bytes, tamaño que consigue el mejor equilibrio entre la eficiencia de transmisión de datos y los requerimientos de retardo para el tráfico de voz y vídeo. Los 5 primeros bytes contienen la información de la cabecera y los 48 bytes restantes la información de usuario.

La cabecera ATM tiene dos formatos, el UNI y el NNI. La cabecera UNI es utilizada para la comunicación entre los puntos finales ATM y los conmutadores ATM, ver figura 1.7, mientras que la cabecera NNI es utilizada para la comunicación entre conmutadores ATM, ver figura 1.8.

Figura 1.7 Cabecera ATM UNI

Figura 1.8 Cabecera ATM NNI

-Identificador de canal virtual o VCI (Virtual Channel Identifier) e identificador de camino virtual o VPI (Virtual Path Identifier). Identifican el siguiente destino de la celda cuando pasa a través de varios conmutadores ATM. Un camino virtual o VP (Virtual Path) no es más que la multiplexación de diversos flujos de tráfico sobre un mismo medio de transmisión, y es identificado por el VPI. Un camino de transmisión es un conjunto de VPs. En ATM cada uno de estos VPs es más tarde multiplexado en un cierto número de canales virtuales o VCs

(Virtual Channels), identificados mediante los VCIs. Un VP es, por lo tanto, un conjunto de

VCs, cada uno de los cuales es conmutado de forma transparente a través de la red ATM en base a un VPI común. Los VCIs y VPIs sólo tienen un significado local a lo largo de un enlace en particular y se hace una correspondencia, cuando sea apropiado, en cada conmutador.

- Identificador del tipo de carga o PTI (Payload Type Identifier). Indica en el primer bit si la celda contiene datos de usuario o datos de control. Si la celda contiene datos de usuario, el segundo bit indica congestión, y el tercer bit indica si la celda es la última en una serie de celdas que representan una única trama AAL5.

- Prioridad de pérdida de celda o CLP (Cell Loss Priority). Indica si la celda debe ser descartada en el caso de que haya congestión en su tránsito por la red. Si el CLP es igual a 1, la celda debe ser descartada antes que las celdas de la misma conexión con el CLP igual a 0.

- Campo de control de errores o HEC (Header Error Check). Calcula el código de redundancia cíclica sobre la cabecera de la celda. Se utiliza para localizar errores en la cabecera y corregirlos, si el número de ellos no es mayor que 2; en caso contrario, cuando existan más de 2 errores, la celda se descarta.

- Campo de control de flujo genérico o GFC (Generic Flow Control). La cabecera UNI, a diferencia de la NNI, no soporta el GFC (Systems, 2012).

1.2.4 Multiplexación en ATM

Un examen más cercano del protocolo ATM y cómo opera ayudará a explicar cómo los circuitos virtuales, las rutas virtuales, los conmutadores y los servicios que ellos acarrean se afectan entre sí. La figura 1.9 muestra una conexión ATM, consiste de "celdas" de información contenidas en un circuito virtual (VC). Estas celdas provienen de diferentes fuentes representadas como

generadores de bits a tasas de transferencia constantes como la voz y a tasas variables tipo ráfagas (bursty traffic) como los datos. Cada celda compuesta por 53 bytes, de los cuales 48 (opcionalmente 44) son para trasiego de información y los restantes para uso de campos de control (cabecera) con información de "quién soy" y "donde voy"; es identificada por un "virtual circuit identifier" VCI y un "virtual path identifier" VPI dentro de esos campos de control, que incluyen tanto el enrutamiento de celdas como el tipo de conexión. La organización de la cabecera (header) variará levemente dependiendo de sí la información relacionada es para interfaces de red a red o de usuario a red. Las celdas son enrutadas individualmente a través de los conmutadores basados en estos identificadores, los cuales tienen significado local ya que pueden ser cambiados de interface a interface.

Figura 1.9 Proceso de conexión ATM

La técnica ATM multiplexa muchas celdas de circuitos virtuales en una ruta (path) virtual colocándolas en particiones (slots), similar a la técnica TDM. Sin embargo, ATM llena cada slot con celdas de un circuito virtual a la primera oportunidad, similar a la operación de una red conmutada de paquetes. La figura 1.10 describe los procesos de conmutación implícitos, los VC switches y los VP switches (Oca, 2004).

Figura 1.10 Proceso de conmutación

Los slots de celda no usados son llenados con celdas "idle", identificadas por un patrón específico en la cabecera de la celda. Este sistema no es igual al llamado "bit stuffing" en la multiplexación asíncrona, ya que se aplica a celdas enteras.

1.2.5 Protocolo ATM

El protocolo ATM consiste de tres niveles o capas básicas (ver figura 1.11). La primera capa llamada capa física (Physical Layer), define las interfaces físicas 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. A diferencia de muchas tecnologías LAN como Ethernet, que especifica ciertos medios de transmisión, (10 base T, 10 base 5, etc.) ATM es independiente del transporte físico. Las celdas ATM pueden ser transportadas en redes SONET (Synchronous Optical Network), SDH (Synchronous Digital Hierarchy), T3/E3, TI/EI o aún en modems de 9600 bps (Cisco, 2000). Hay dos subcapas en la capa física que separan el medio físico de transmisión y la extracción de los datos:

Figura 1.11 Capas del modelo ATM

La subcapa PMD (Physical Medium Depedent) tiene que ver con los detalles que se especifican para velocidades de transmisión, tipos de conectores físicos, extracción de reloj, etc., Por ejemplo, la tasa de datos SONET que se usa, es parte del PMD. La subcapa TC

(Transmission Convergence) tiene que ver con la extracción de información contenida desde

la misma capa física. Esto incluye la generación y el chequeo del HeaderError Correccion

(HEC), extrayendo celdas desde el flujo de bits de entrada y el procesamiento de celdas "idles" y el reconocimiento del límite de la celda. Otra función importante es intercambiar información de operación y mantenimiento con el plano de administración.

La segunda capa es la capa ATM. Ello 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. Las celdas son transmitidas serialmente y se propagan en estricta secuencia numérica a través de la red. El tamaño de la celda ha sido escogido como un compromiso entre una larga celda, que es muy eficiente para transmitir largas tramas de datos y longitudes de celdas cortas que minimizan el retardo de procesamiento de extremo a extremo, que son buenas para voz, vídeo y protocolos sensibles al retardo. A pesar de que no se diseñó específicamente para eso, la longitud de la celda ATM acomoda convenientemente dos Fast

Packets IPX de 24 bytes cada uno.

La tercera capa es la ATM Adaptation Layer (AAL). La AAL juega un rol clave en el manejo de múltiples tipos de tráfico para usar la red ATM, y es dependiente del servicio.

Específicamente, su trabajo es adaptar los servicios dados por la capa ATM a aquellos servicios que son requeridos por las capas más altas, tales como emulación de circuitos,

(circuit emulation), vídeo, audio, framerelay, etc. La AAL recibe los datos de varias fuentes

o aplicaciones y las convierte en segmentos de 48 bytes (Shaaban, 2000).

La capa de Adaptación de ATM yace entre el ATM layer y las capas más altas que usan el servicio ATM. Su propósito principal es resolver cualquier disparidad entre un servicio requerido por el usuario y atender los servicios disponibles del ATM layer. La capa de adaptación introduce la información en paquetes ATM y controla los errores de la transmisión. La información transportada por la capa de adaptación se divide en cuatro clases según las propiedades siguientes:

1) Que la información que está siendo transportada dependa o no del tiempo.

2) Tasa de bit constante/variable.

3) Modo de conexión.

La capa de adaptación de ATM define 5 clases de servicios que se describen a continuación, profundizando en el protocolo AAL-5, como el más empleado por la tecnología.

 AAL-1

 AAl-2

 AAl-3

 AAL-4

 AAl-5

La capa de adaptación se divide en dos subcapas:

1) Capa de convergencia (convergence sublayer (CS)) :

En esta capa se calculan los valores que deben llevar la cabecera y los payloads del mensaje. La información en la cabecera y en el payload depende de la clase de información que va a ser transportada.

Esta capa recibe los datos de la capa de convergencia y los divide en segmentos formando los paquetes de ATM. Agrega la cabecera que llevara la información necesaria para el reensamblaje en el destino.

AAL1:

AAL-1 se usa para transferir tasas de bits constantes que dependen del tiempo. Debe enviar por lo tanto información que regule el tiempo con los datos. AAL-1 provee recuperación de errores e indica la información con errores que no podrá ser recuperada.

ALL 2:

AAL-2 se usa para transferir datos con tasa de bits variable que dependen del tiempo. Envía la información del tiempo conjuntamente con los datos para que esta pueda recuperarse en el destino. AAL-2 provee recuperación de errores e indica la información que no puede recuperarse.

AAL 3:

AAL-3 se diseña para transferir los datos con tasa de bits variable que son independientes del tiempo. AAL-3 puede ser dividido en dos modos de operación:

1) Fiable: En caso de pérdida o mala recepción de datos estos vuelven a ser enviados. El control de flujo es soportado.

2) No fiable: La recuperación del error es dejado para capas más altas y el control de flujo es opcional.

ALL 4:

AAL-4 se diseña para transportar datos con tasa de bits variable independientes del tiempo. Es similar al AAL3 y también puede operar en transmisión fiable y o fiable. AAL-4 provee la capacidad de transferir datos fuera de una conexión explícita. AAL 2, AAL 3/4 y AAL 5 manejan varios tipos de servicios de datos sobre la base de tasas de bits variables tales como

Switched Multimegabit Data Service (SMDS), Frame Relay o tráfico de redes de área local

(LAN). AAL 2 y AAL 3 soportan paquetes orientados a conexión. (El término orientado a conexión describe la transferencia de datos después del establecimiento de un circuito virtual).

AAL-5:

El protocolo AAL-3/4 estandarizado para servicios orientados a la conexión y sin conexión no es adecuado para comunicación de datos a altas velocidades, debido a que es un protocolo pesado producto del encabezamiento.

AAL-5 es una variante del AAL-3/4, siendo simplificada y capaz de procesar datos a altas velocidades, siendo esta su característica fundamental. Si se considera que los protocolos de los niveles superiores tienen una cuidadosa administración de la conexión y que el nivel ATM introduce errores mínimos, entonces no se requieren de los encabezamientos y colas de los sub-niveles SAR y CPCS. Un servicio orientado a la conexión no se requiere el campo MID, dado que el VCI/VPI está disponible celda a celda. Luego podemos decir que el AAL-5 fue introducido para:

1. Reducir el encabezamiento de procesamiento.

2. Reducir el encabezamiento de transmisión.

3. Asegurar la adaptabilidad a los protocolos de transporte existentes.

Obsérvese en la figura 1.12 como es realizado el proceso de segmentación y reensamblado en AAL-5, donde solo en el sub-nivel CPCS se le añade una parte en la cola y la unidad CPCS PDU es segmentada en el sub-nivel SAR en bloques de 48 octetos sin ningún encabezamiento o cola (Shaaban, 2000).

Figura 1.12 Capa AAL-5

Comparándose AAL-5 con el AAL-3/4 encontramos los siguientes elementos:

 AAL-5 utiliza 8 octetos para la AAL-SDU idéntico al AAL-3/4

 AAL-5 utiliza 0 octetos por celda ATM mientras AAL-3/4 usa 4.

En la figura 1.13 se muestra la estructura de la CPCS-PDU para el AAL-5, observándose que en la misma desaparece el encabezamiento y por tanto la facilidad de medida del buffer

(Basize), por lo que si considera necesario por el receptor pre-localizar un buffer para el reensamblado, esta información tiene que ser pasada al nivel superior.

Figura 1.13 Estructura de la CPCS-PDU en AAL-5

En la cola de la estructura de la CPCS PDU nos encontramos con:

- Indicación de Usuario a Usuario (CPCS-UU, 1 Octeto),lo cual permite llevar información de forma transparente entre usuarios (multiplexado, secuencia, etc.).

- Indicador de Parte Común (CPI, 1 octeto), indica cuando o no la correspondiente unidad de datos es una parte común y puede también indicar la unidad de la longitud de conteo LI.

- Indicador de Longitud (Length, 2 Octetos), indica la longitud real de la carga de la unidad de datos CPCS PDU sin relleno.

- CRC (4 octetos), el mismo transporta un código CRC-32 para la unidad de datos, incluyendo la carga, el relleno (PAD) y los primeros cuatro octetos de la cola.

La carga del nivel superior es rellenada (PAD) tal que la unidad de datos CPCS PDU sea un múltiplo de 48 octetos. Luego la Unidad de datos de segmentación y reensamble SAR PDU consta de 48 octetos de carga, transportando una porción de la CPCS PDU.

La debilidad del AAL-5 de no disponer de un encabezamiento del protocolo tiene varias implicaciones:

1. No hay número de secuencia y por tanto todos los SAR-PDU que van arribando se consideran que arriban en secuencia ordenada.

Por lo que para dar solución a este problema, entonces el nivel ATM tiene que distinguir entre estos casos usando el bit de indicación de usuario a usuario (AAU), en el campo que indica el tipo de carga (PT). Luego una CPCS PDU que consta de varios (consecutivos) SAR PDU, serán ensamblados en diferentes celdas ATM, luego la primera y todas las que le sigan, excepto la última , tendrán el bit de indicación AAU a “0”. Solo la última celda tendrá el bit AAU fijado a “1”.

2. No tener el campo MID significa que no es posible intercalar (interleave) celdas de diferentes CPCS PDU

3. No tener un campo indicador de longitud LI, significa que la entidad SAR no distingue entre la carga de la CPCS PDU y el llenado de la última SAR PDU.

Por lo que no hay forma para que la entidad SAR encuentre la cola (trailer) de la última SAR PDU.

Para evitar esta situación es requerido que la carga (payload) de la CPCS PDU sea rellenada (PAD) de tal forma que el último Bit de la cola del CPCS CPDU coincida con el último Bit

En la figura 1.14 se muestra un ejemplo de transmisión AAL-5, obsérvese que la CPCS PDU incluye relleno cola, siendo dividida en bloques de 48 octetos, siendo cada bloque transmitido como una celda simple. Es importante destacar que en muchas ocasiones el subnivel de servicios específicos SSCS no es utilizado (se le denomina de forma nula) en muchos casos con AAL-5.

Los servicios que pueden ser ofrecidos basados en AAL-5 incluyen: FR, ATM (DXI) de

ATM Forum, IP (Internet), así como también la transferencia de video codificado en MPEG-

2 (Slideshare, 2010).

Figura 1.14 Ejemplo de Transmisión de AAL-5

1.2.6 Problemas en ATM

A diferencia de los mecanismos de control extremo a extremo que utiliza TCP en internet

working, la capacidad de Gbit/seg de la red ATM genera un juego de requerimientos

necesarios para el control de flujo.

Las condiciones de congestión en las redes ATM están previstas para que sean extremadamente dinámicas requiriendo de mecanismos de hardware lo suficientemente rápidos para llevar a la red al estado estacionario, necesitando que la red en sí, éste activamente involucrada en el rápido establecimiento de este estado estacionario. Sin embargo, esta aproximación simplista de control reactivo de lazo cerrado extremo a extremo en condiciones de congestión no se considera suficiente para las redes ATM.

Fórum UNI / a cinco Q o S referenciados en los AALS. El objetivo de estas sub clases de servicio es agrupar características de servicio como requerimiento de ancho de banda similares, sensibilidad a la pérdida de datos y retardos para un correcto manejo de los datos en los puertos de acceso ATM, etc. Estos parámetros pueden incluir el Sustained Cell Rate

(SCR), el Minimum Cell Rate (MCR), el Peak Cell Rate (PCR) y/o el Burst Tolerance (BT). Para soportar todas las diferentes clases de servicios definidos por los estándares el switch

ATM debe ser capaz de definir éstos parámetros en base a cada VC o cada VP y debe proveer amortiguadores (buffers) para absorber las ráfagas de tráfico (UIT-T, 2003).

1.3 Definición de Conmutación Multi-Protocolo mediante Etiquetas (MPLS,