6.4 Tecnologias de Redes Alargadas

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1 Capítulo Tecnologias de Redes Alargadas 1 Tecnologias de redes alargadas X.25 Frame Relay ATM 2 1

2 X.25 3 X.25 Tecnologia base das primeiras redes públicas de comutação de pacotes (ex. Telepac em Portugal) A recomendação X.25 do ITU-T define os protocolos na interface de acesso para estabelecer e manter as conexões entre um equipamento terminal e uma rede pública de comutação de pacotes 4 2

3 Dispositivos Existem três categorias de dispositivos numa rede X.25: DTE data terminal equipment Sistemas terminais (computadores, terminais) que comunicam através da rede X.25 DCE data circuit-terminating equipment Dispositivos de comunicação (modems, comutadores de pacotes), fornecendo o interface entre os DTEs e uma PSE PSE packet switching exchange Centrais comutadoras da rede de comutação de pacotes Transportam os dados entre os DTEs através da rede X.25 5 Estabelecimento de sessão e circuitos virtuais As sessões X.25 são estabelecidas quando um dispositivo DTE contacta outro para pedir uma sessão de comunicação O dispositivo DTE que recebe o pedido pode aceitar ou rejeitar a conexão Se o pedido é aceite, os dois sistemas iniciam uma transferência de dados full-duplex, podendo qualquer uma das partes terminar a conexão Um circuito virtual é uma conexão lógica criada para assegurar uma comunicação fiável entre dois dispositivos Um circuito virtual denota a existência de um caminho lógico bidireccional entre dois dispositivos DTEs através da rede X.25 Fisicamente, a conexão pode passar através de uma série de nós intermédios (DCEs e PSEs) 6 3

4 Serviço de Circuitos Virtuais Os Circuitos Virtuais podem ser de dois tipos Comutados (SVC - Switched Virtual Circuits) Conexões temporárias usadas para transferências de dados esporádicas Cada vez que dois dispositivos DTEs queiram comunicar, torna-se necessário estabelecer, manter e finalizar uma sessão Permanentes (PVC - Permanent Virtual Circuits) Conexões estabelecidas permanentemente, usadas em transferências de dados frequentes Existem uma sessão permanentemente activa (durante um período definido contratualmente entre o cliente e a concessionária de comunicações), podendo ser iniciadas as transferências de dados sem mais demoras 7 Multiplexagem de Circuitos Virtuais X.25 Vários circuitos virtuais (conexões lógicas) podem ser multiplexados num único circuito físico (conexão física) Os circuitos virtuais são depois desmultiplexados no final, sendo os dados encaminhados para os destinos apropriados Um DTE pode estabelecer até 4095 circuitos virtuais simultâneos com outros DTEs através de uma única ligação física DTE-DCE Cada pacote contém um campo que permite identificar a que circuito virtual pertence 8 4

5 Protocolos Nível Físico Interface física entre o equipamento terminal (DTE) e um equipamento de terminação de Rede (DCE) Nível de ligação de dados (nível trama) LAPB - Link Access Procedures Balanced (variante do HDLC em modo ABM) Especifica os procedimentos para estabelecer, manter e terminar uma ligação de dados que permite o envio fiável de tramas, sujeito a mecanismos de controlo de erros e de fluxo entre nós Nível de rede (nível pacote) Oferece um Serviço de Circuitos Virtuais extremo-a-extremo Especifica os procedimentos para estabelecer, manter e terminar circuitos virtuais e transferir pacotes de dados nos circuitos virtuais Protocolo X.25 PLP possui mecanismos de controlo de erros e de fluxo 9 Conclusão São muito complexas, sendo por isso bastante lentas, uma vez que têm de suportar mecanismos para assegurar a integridade da transmissão de dados e o controlo de fluxo por circuito virtual Isto resulta numa considerável sobrecarga, pois em cada nó intermediário, o protocolo de controlo de ligação lógica envolve a troca de tramas de dados e de confirmação Não havendo garantia absoluta de a rede ser capaz de cumprir esses objectivos, os sistemas terminais suportam adicionalmente protocolos de controlo de erro que, operando extremo-a-extremo, acabam por duplicar algumas funções da rede Velocidades de 1200 bps a 64 Kbps Taxação em função do tempo e do volume de dados Em desuso devido à alta relação custo/desempenho 10 5

6 Frame Relay 11 Frame Relay Para ultrapassar as dificuldades do X.25, e aproveitando a evolução tecnológica no sentido de redes mais fiáveis e com menores erros, surgiram mais tarde as redes Frame Relay, que retiraram muita da complexidade e redundância existente nas redes X.25 Sinalização da chamada é transportada numa ligação lógica diferente da de dados não há necessidade de nós intermédios processarem mensagens de controlo Multiplexagem de CV ocorre na camada 2 É eliminada uma camada de processamento Não é suportado controlo de sequência, erro e de fluxo nó a nó Controlo é realizado fim-a-fim pelas camadas superiores É uma opção atractiva que compete com linhas dedicadas e com as próprias redes X.25 A expressão Frame Relay é usada para designar serviços baseados na comutação (rápida) de tramas, isto é, unidades de dados de comprimento variável transportadas na camada de ligação de dados 12 6

7 Princípios de Funcionamento A simplificação do processo de comutação resulta de alguns factores Eliminação de procedimentos pesados de controlo de erro e de fluxo nos nós da rede, remetendo-os para a periferia ou para o equipamento terminal (se necessário) Com as taxas de erro muito baixas possíveis em sistemas de transmissão digital deixa de fazer sentido realizar controlo de erro no interior da rede É deixada ao equipamento terminal a responsabilidade de recuperação de erros (extremo-a-extremo), dependendo dos requisitos das aplicações (elevada fiabilidade e alguma tolerância a atrasos em aplicações de dados vs tempo de resposta crítico e alguma tolerância a perdas em aplicações com requisitos de tempo real) Tal simplificação torna possível comutação de alta velocidade, condição necessária para a exploração da elevada capacidade disponível em sistemas de transmissão digital 13 Dispositivos Existem duas categorias de dispositivos numa rede frame relay: DTE data terminal equipment Sistemas terminais (computadores, terminais) que comunicam através da rede frame relay DCE data circuit-terminating equipment Dispositivos de comunicação (normalmente comutadores de pacotes) fornecendo serviços de relógio e comutação na rede. 14 7

8 Características Dois níveis protocolares Nível físico - baseado na RDIS Nível de quadro - LAPF (variante do HDLC) Velocidades de n x 64 Kbps Circuitos Virtuais Comutados (SVC) Circuitos Virtuais Permanentes (PVC) Possibilidade de garantia de um débito mínimo a cada SVC ou PVC através do CIR (Comitted Information Rate) 15 Frame-Relay vs. X

9 Funções do nível 2 Subnível control Funções presentes nos sistemas terminais que incluem funções de confirmação e controlo de fluxo Subnível core O núcleo do LAPF disponibiliza um subconjunto da camada de ligação de dados e realiza outras tarefas Delimitação de tramas e assegura o alinhamento ao nível do octeto e a transparência Multiplexa e endereça os canais virtuais Trata a congestão 17 Estrutura da trama Trama LAPF subnível core Campo de Endereço da Trama LAPF DLCI sup/inf: especifica o DLCI (Data Link Connection Identifier) que pode mudar em nó FECN: Forward Explicit Congestion Notification BECN: Backward Explicit Congestion Notification DE: Discard Elegibility (se colocado a 1 trama de 2ª classe ) 18 9

10 Circuitos virtuais Os circuito virtuais fornecem um caminho lógico bidireccional entre dois dispositivos DTEs através da rede de comutação de pacotes São identificados por um identificador de conexão de ligação de dados (DLCI data-link connecion identifier) Estes são normalmente atribuídos pelo fornecedor do serviço (empresa de telecomunicações, por ex.) Os seus valores têm apenas significado local, podendo ser modificado à medida que a trama atravessa as várias ligações que constituem o circuito virtual 19 Circuitos virtuais comutados e permanentes Existem dois tipos de circuitos virtuais no frame relay: Circuito virtual comutado (SVCs) Conexões temporárias usadas para transferências de dados esporádicas Cada vez que dois dispositivos DTEs queiram comunicar, torna-se necessário estabelecer, manter e finalizar uma sessão Uma sessão de comunicação através de um SVC consiste em quatro estados distintos: Estabelecimento de chamada é estabelecido um circuito virtual entre dois DTEs Transferência de dados os dados são transmitidos entre os DTEs através do circuito virtual Inactivo a conexão entre DTEs está activa, mas não há transferência de dados. Se um SVC ficar neste estado por um período determinado, a chamada pode ser finalizada Finalização de chamada o circuito virtual entre DTEs é finalizado Circuito virtual permanente (PVCs) Conexões estabelecidas permanentemente, usadas em transferências de dados frequentes Os DTEs podem iniciar a transferência de dados quando necessitarem, pois está um circuito virtual permanentemente activo Uma sessão de comunicação através de um PVC consiste em dois estados distintos: Transferência de dados os dados são transmitidos entre os DTEs através do circuito virtual Inactivo a conexão entre DTEs está activa, mas não há transferência de dados. A chamada não será finalizada mesmo que um PVC fique neste estado por largos períodos 20 10

11 Encaminhamento das tramas O encaminhamento das tramas é baseado nos valores DLCI Em cada trama que chegue é analisado o campo de FCS Quando um erro é detectado, a trama é abandonada 21 Controlo de tráfego em Frame Relay (1) Um dos aspectos principais de Frame Relay é a possibilidade de definir parâmetros para controlo de tráfego Cada PVC tem associado 2 parâmetros: CIR (Commited Information Rate) Débito (em bps) que a rede garante suportar para um determinado Circuito Virtual EIR (Excess Information Rate) Débito (em bps) que a rede pode aceitar suportar e que pode exceder o CIR (espécie de tolerância em momentos de baixa carga na rede) CIR (Committed Information Rate) Débito actual CIR + EIR (Débito máximo possível) Transmitir se for possível 0 Transmissão garantida Não transmitir, descartar tudo Capacidade do acesso 22 11

12 Controlo de tráfego em Frame Relay (2) Numa rede congestionada, se um nó não consegue transmitir as tramas, fazendo com que a memória disponível nas filas de espera se esgote, torna-se necessário o descarte das novas tramas que cheguem Qualquer transmissão de dados que exceda a CIR está vulnerável ao descarte em caso de congestão, pois as tramas que excedem a CIR são as primeiras a serem descartadas A CIR fornece uma forma de discriminação entre tramas, determinando quais as que são descartadas em caso de congestão A discriminação é indicada através do bit DE (discard eligibility) na trama LAPF No nó de comutação frame relay, ao chegar uma trama, pode ocorrer o seguinte: Se a taxa a que o utilizador envia os dados é inferior ao CIR, a trama é retransmitida Se a taxa é superior ao CIR, a trama é retransmitida com o bit DE activado Isto faz com que em caso de congestão, esta trama possa ser descartada Se a taxa exceder o valor máximo estabelecido, então a trama é descartada de imediato 23 Controlo de congestão O controlo de congestão é feito com base em mecanismos de auto-disciplina e de responsabilidade conjunta: da rede em melhor posição para monitorizar o grau de congestão e indicando o estado de congestão aos terminais envolvidos de modo a que estes tomem a iniciativa de reduzir o tráfego injectado do utilizador em melhor posição para controlar a congestão, limitando o fluxo de tráfego 24 12

13 Parâmetros adicionais Além do CIR, existem dois parâmetros adicionais, atribuídos em conexões permanentes e negociados em conexões comutadas: Bc commited burst size A quantidade máxima de dados que a rede acorda em transmitir, em condições normais, num dado intervalo de tempo T Be excess burst size A quantidade máxima de dados acima de Bc, que a rede tenta transferir, em condições normais, num dado intervalo de tempo T B c = CIR * T B e = EIR * T B c / CIR = B e / EIR 25 Sinalização explícita de congestão Os bits de notificação explícita de congestão podem ser activados pela rede em resposta a uma situação de congestão nos circuitos virtuais afectados FECN alerta para a existência de congestão na mesma direcção da trama BECN alerta para a existência de congestão no sentido oposto á direcção da trama 26 13

14 Termos e definições Virtual Circuit (VC) Ligação entre 2 dispositivos FR Permanent Virtual Circuit (PVC) Circuito virtual predefinido (pelo operador de telecomunicações, por exemplo) Switched Virtual Circuit (SVC) Circuito virtual estabelecido dinamicamente Data Link Connection Identifier (DLCI) Identificador de circuito virtual Committed Information Rate (CIR) Débito (em bps) que a rede aceita suportar para um determinado Circuito Virtual Excess Information Rate (EIR) Débito (em bps) que a rede tenta suportar e que pode exceder o CIR Committed Burst (Bc) Máxima quantidade de dados que a rede aceita transferir num intervalo de tempo T (em condições normais) Excess Burst Size (Be) Máxima quantidade de dados que a rede tenta transferir num intervalo de tempo T (em condições normais) O débito inferior a Bc + Be pode ser transmitido ou não; O débito superior a Bc + Be é descartado Forward Explicit Congestion Notification (FECN) Bit activado pelo nó de comutação que detecta congestão e enviado no sentido da transmissão Backward Explicit Congestion Notification (BECN) Bit activado pelo nó de comutação que detecta congestão e enviado no sentido oposto ao da transmissão Discard Eligible (DE) bit activado pelo DTE ou pelo nó de comutação (se o utilizador excedeu o CIR e se é detectada congestão na rede) 27 Conclusão Desvantagem Não garante fiabilidade na transferência de dados Vantagens Aumento da capacidade de comutação (overheads reduzidos) aumento do débito (até 45Mbps) e redução do tempo de atraso (latência) Combina as vantagens da comutação de circuitos (atraso reduzido) com as vantagens da comutação de pacotes Possibilidade de negociar CIR Regra simples Se existe um problema, os dados são descartados a recuperação recai em protocolos de camadas superiores Aplicações Interligação de LANs, aplicações que necessitam de alto débito, Substituto natural do X.25, nomeadamente a aplicações que requerem Circuitos Virtuais Comutados (SVC) Substituição de circuitos dedicados utilizando Circuitos Virtuais Permanentes (PVC) Redução significativa dos custos 28 14

15 Controlo de tráfego em FR Exemplo (1) Linha de acesso 2048 kbps CIR=1024 kbps, EIR=384 kbps, T=1s B c = bits, B e = bits Tramas de 6400 bytes (51200 bits) Caso 1: tráfego constante de 2048 kbps (40 tramas/s) Caso 2: tráfego constante de 1408 kbps (27,5 tramas/s) Caso 3: tráfego constante de 1024 kbps (20 tramas/s) 29 Controlo de tráfego em FR Exemplo (2) Caso 1 Tramas/s enviadas 40 Tramas/s com DE=0 20 Tramas/s com DE=1 7,5 Tramas/s descartadas 12,5 2 27,5 20 7,

16 ATM Asynchronous Transfer Mode 31 Conceito de ATM Desenvolvida pela ITU-T, cenário de evolução para a B-ISDN (RDIS de banda larga) Destinada à utilização em LANs, MANs e WANs Tecnologia cara quando comparada com tecnologias concorrentes Tecnologia atraente para ambientes MAN e WAN pois: Utiliza de forma eficiente e dinâmica os recursos da rede Permite a integração de tráfego de características diferentes Permite garantir qualidade de serviço Versão muito simplificada de transferência em modo de pacote não é suportado controlo de fluxo nem correcção de pacotes perdidos, adoptando-se ainda pacotes de comprimento fixo (células) para permitir a operação a grande velocidade Baseada na comutação de células de 53 bytes (5 de cabeçalho + 48 de dados) limita os atrasos de empacotamento e nas filas de espera reduz a complexidade das filas de espera simplifica as estruturas de comutação 32 16

17 Integração de todos os serviços numa só rede 33 Célula ATM 34 17

18 Canais virtuais e caminhos virtuais VPI + VCI = etiqueta Só têm significado local a um dado comutador (não têm significado extremo-aextremo) Canal virtual - Virtual Channel canal de comunicação elementar unidireccional associado a uma conexão de circuito virtual permite o transporte de células ATM entre dois pontos terminais referenciado no cabeçalho de cada célula pelo VCI - Virtual Circuit Identifier Caminho virtual - Virtual Path concatenação de canais virtuais referenciado no cabeçalho da célula pelo VPI - Virtual Path Identifier 35 Caminho virtual Desenvolvido para facilitar a manipulação de circuitos virtuais com a mesma origem e destino Pode suportar até canais virtuais Estabelecimento e manutenção de uma comunicação exige a execução de um número considerável de operações Estabelecimento de tabelas de encaminhamento em todos os nós Processamento de etiquetas Tratamento de parâmetros de tráfego e qualidade de serviço 36 18

19 Comutador ATM 37 Encaminhamento de células num comutador ATM 38 19

20 Analogia didáctica Paralelo entre o fluxo de informação numa rede ATM e o fluxo de veículos entre cidades Considerando a célula um veículo, as estradas seriam os VPs e as pistas, diferenciadas pela velocidade, os VCs Para um carro ir da cidade A para C, pode ir directo, através de VP1 na pista VC5 que garante alta velocidade Um autocarro poderá usar a mesma estrada, VP1, porém uma pista mais lenta, VC3, por exemplo Pode haver a possibilidade de passar pela cidade B Neste caso teria que usar uma outra estrada, VP2, e uma pista VC3, agora rápida, se for um carro ou VC5, agora lenta, se for um autocarro De notar que o mesmo VCI foi usado para representar pista lenta e rápida, porém em estradas, VPs, diferentes Da cidade B até C, outra estrada, VP, seria usada e assim outras pistas, VCs, poderiam ser utilizadas ou não 39 Níveis protocolares Nível Físico Recebe e organiza as células ATM vindas da camada superior e faz transporte de células de e para o meio físico Nível ATM Endereçamento, comutação e encaminhamento de células ATM de acordo com os campos VCI e VPI do cabeçalho Nível AAL (ATM Adaptation Layer) apenas existe nos sistemas terminais esta camada cuida dos diferentes tipos de tráfego. Existem diferentes tipos de Camada de Adaptação para diferentes tipos de tráfego devido às diferentes características de transmissão de um tráfego específico funções de segmentação e reassemblagem para interface com as camadas superiores Existem 4 AAL: AAL1, AAL2, AAL3/4 e AAL

21 Relação entre modelos 41 Divisão funcional da AAL Sub-camada de Convergência (Convergence Sublayer) Dependente do serviço Melhoria do serviço ATM para servir as aplicações Garantia de entrega Multiplexagem Integridade das mensagens Sub-camada de Segmentação e Reassemblagem (Segmentation And Reassembly Sublayer) Segmentação de mensagens para a carga das células Reunificação da carga das células nas mensagens 42 21

22 Classes de serviço ATM (1) Serviços em tempo real Constant bit rate (CBR): orientado à ligação, tráfego síncrono (e.g. voz ou vídeo não comprimido) Real-time variable bit rate (rt-vbr): orientado à ligação, tráfego síncrono (e.g. voz ou vídeo comprimido) Serviços sem relação temporal Non-real-time variable bit rate (nrt-vbr): orientado à ligação, tráfego assíncrono (e.g. X.25, frame relay) Available bit rate (ABR): orientado à ligação, tráfego assíncrono (e.g. Web, ftp) Unspecified bit rate (UBR): sem ligação, redes locais (e.g. trafego LAN, mail) 43 Classes de serviço ATM (2) 44 22

23 Classes de serviço ATM (3) Classe A Serviço Constant Bit Rate CBR serviços de voz (64Kbit/s), vídeo não comprimido e linhas alugadas para redes privadas. AAL1 Classe B Serviço Variable Bit Rate VBR serviços de voz e vídeo comprimidos AAL2 Classe C Serviço de Dados Orientados a Conexão Transferência de dados orientada à conexão e geralmente aplicações de rede onde a conexão é estabelecida antes da transferência de dados. AAL3/4 e AAL5, ambos podem ser usados nesta classe de serviços Classe D Serviço de Dados não Orientados a Conexão serviços de tráfego de datagramas e em geral, aplicações de rede onde nenhuma conexão é estabelecida anteriormente à transferência AAL3/4 e AAL5, ambos podem ser usados nesta classe de serviços 45 Classes de serviço e protocolos AAL 46 23

24 Avaliação Vantagens: Débitos até 622 Mbps utilização eficiente e dinâmica dos recursos da rede Integração de tráfego de características diferentes adequada ao suporte de aplicações com necessidades de QoS adequada aos backbones das redes locais e à ligação de servidores adequada a ambientes WAN e MAN Desvantagens: pouco adequada a LANs (custo, complexidade de configuração e gestão ) 47 24