O nível Rede nas redes ATM

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1 O nível Rede nas redes ATM Introdução Características do nível Rede nas redes ATM Formato das células Gestão de ligações Formato dos endereços Encaminhamento Comutação Categorias de serviço Qualidade de serviço Modelação de Tráfego e policiamento Controlo de congestão ATM Adaptation Layer (AAL) Redes locais ATM IP sobre ATM MPLS (MultiProtocol Label Switching)

2 Introdução As camadas de protocolos na rede ATM não coincidem com as camadas do Modelo OSI. Nível Nível Subnível Funcionalidades OSI ATM 3/4 AAL CS Fornece uma interface uniforme SAR Segmentação e reagrupamento 2/3 Gestão circuitos virtuais: ATM comunicações origem a destino encaminhamento endereçamento a nível global Controlo fluxo Multiplexagem células Extracção/geração cabeçalho células 2 Desacoplamento do ritmo das células Físico TC Tratamento Checksum cabeçalho ATM Geração células 1 PMD Sincronização ao nível do bit Acesso à rede física As funcionalidades de nível rede (segundo o modelo OSI) estão distribuídas pelas camadas ATM e AAL (ATM Adaptation Layer). Por vezes o ATM é visto como um nível lógico porque fornece o serviço de rede sobre o qual se correm outros protocolos: Emulação de redes locais sobre ATM (LAN Emulation); Protocolo IP sobre ATM (IP over ATM). Mas o ATM não tem a características mais importante de um protocolo de nível lógico: usado num único troço de rede. 2

3 Características do nível Rede nas redes ATM O nível ATM é orientado à ligação: no tipo de serviço fornecido ao nível AAL; na estrutura interna da rede. O elemento básico do nível ATM é o circuito virtual representa uma ligação ponto-a-ponto a outra máquina (também pode ser uma ligação Multicast). Os circuitos virtuais são unidireccionais. O nível ATM não garante a fiabilidade das comunicações. Apenas garante que as células nunca chegam fora de ordem para cada circuito virtual. Como o protocolo ATM é usado sobre fibra óptica tem taxas de erro muito baixas - basta realizar a recuperação de erros no nível transporte. - para tráfego tempo-real (áudio e vídeo) é preferível ignorar os erros. O nível ATM define dois níveis hierárquicos de ligação: - vários circuitos virtuais entre dois pontos da rede podem-se agrupar num caminho virtual. Caminho virtual Circuito virtual Caminho transmissão Um circuito virtual é identificado por dois números: VPI+VCI - VPI: Identificador de caminho virtual (Virtual Path Ident.) - VCI: Identificador de circuito virtual (Virtual Circuit Ident.) 3

4 Formato das células ATM O nível ATM distingue entre dois tipos de interface: UNI (User-Network Interface) NNI (Network-Network Interface) O UNI define a interface entre uma máquina e a rede ATM geralmente entre um cliente e a rede da operadora. O NNI define a interface entre dois comutadores ATM (switch em Inglês). Em ambos os casos as células de 53 bytes incluem um cabeçalho com 5 bytes, mas com um formato ligeiramente diferente: Cabeçalho UNI GFC VPI VCI PTI C L P HEC Cabeçalho NNI VPI VCI PTI C L P HEC GFC (Generic Flow Control) não está definido VPI/VCI Identificador de circuito virtual Existem alguns circuitos virtuais reservados para sinalização: VPI 0 / VCI 5 reservado para estabelecimento de ligações Os valores de VPI e VCI podem ser diferentes para cada troço de um circuito virtual são modificados em cada comutador. 4

5 PTI (Payload Type Identifier) Define o tipo de dados que a célula contém: Bit 0: Funções de Gestão Bit 1: Explicit Forward Congestion Indication Bit 2: Sinalização de utilizador PTI Significado 000 Dados utilizador, sem congestão, tipo Dados utilizador, sem congestão, tipo Dados utilizador, com congestão, tipo Dados utilizador, com congestão, tipo Informação manutenção (entre comutadores adjacentes) 101 Informação manutenção (entre comutadores origem e destino) 110 Gestão de recursos (usado para controlo de congestão em ABR) 111 Reservado para uso futuro O bit 1 pode ser modificado pelos comutadores quando a célula atravessa uma zona da rede com congestão. CLP (Cell Lost Priority) distingue entre tráfego de alta prioridade (0) e tráfego e baixa prioridade (1) O CLP é usado para definir quais são as primeiras células a serem descartadas HEC (Header Error Correction) Checksum do cabeçalho. O HEC permite corrigir um bit errado (mais frequentes numa fibra óptica) e detectar 90% dos erros com vários bits. 5

6 Estabelecimento de ligações ATM O ATM suporta circuitos virtuais permanentes e circuitos virtuais comutados. Um circuito virtual permanente está sempre disponível. Um circuito virtual comutado tem de ser estabelecido antes de se poder transferir dados. A sinalização para o estabelecimento de ligação de um circuito virtual comutado não faz parte do nível ATM. É realizada pelo plano de controlo, utilizando o protocolo Q.2931 ou PNNI. O pedido de criação de circuito virtual pode ser enviado através do circuito virtual VPI 0 VCI 5 (reservado para sinalização), criando-se um novo circuito virtual (VPI VCI). Alternativamente, pode ser criado um caminho virtual permanente para uma rede de destino (VPI), criando-se novos circuitos virtuais (VCI) dinamicamente através desse VPI. Máquina Origem Comutador #1 Comutador #2 Máquina Destino Setup Call proceeding Connect Connect ack Setup Call proceeding Connect Connect ack Setup Connect Connect ack A máquina de origem envia uma mensagem Setup com o endereço de destino que é encaminhada através dos comutadores até à máquina de destino, confirmada por uma mensagem Call proceeding nos comutadores intermédios. A aceitação do destino é propagada no sentido inverso (Connect), definindo-se VPI-VCI para os circuitos virtuais correspondentes aos dois sentidos. 6

7 O ATM também suporta o estabelecimento de circuitos virtuais Multicast são enviadas mensagens ADD_PARTY para adicionar máquinas ao grupo. Terminação de ligação Máquina Origem Comutador #1 Comutador #2 Máquina Destino Release Release complete Release Release complete Release Release complete Formato dos endereços ATM Os endereços ATM podem ter três formatos. Os dois formatos mais usados são baseados nos endereços OSI, com 20 bytes, organizados geograficamente (por países) ou por organização internacional, com a seguinte estrutura: Formato País ou Organização Def. Resto End. Dependendo do tipo definido no quarto byte, o resto do endereço pode incluir: autoridade (3 bytes); domínio (2 bytes); área (2 bytes); endereço (6 bytes); e mais alguns itens adicionais. O terceiro formato corresponde a um número de telefone RDIS (CCITT E.164) de 15 dígitos decimais. 7

8 Encaminhamento Em 1996 o ATM Forum definiu o protocolo PNNI (Private Network-to-Network Interface), que define um algoritmo de encaminhamento baseado no algoritmo de estado de linha. A principal novidade do PNNI é o suporte de um número alargado de níveis hierárquicos (até 105). O nível hierárquico mais baixo define um grafo constituído pelos comutadores ATM e pelas linhas físicas. Nos níveis hierárquicos superiores, cada nó agrupa um conjunto de nós e de linhas no nível hierárquico abaixo (Peer Group). Estes nós são virtuais e correm num dos comutadores. PG(A) Ligação a PG(B) A.1.2 A.1.1 PG(A.1) A.1 A.2 PG(A.2) A.3 PG(A.3) A.3.1 A.3.2 A.3.3 Ligação a PG(B) A.1.3 A.2.2 A.2.1 A.2.3 A.3.4 A.2.4 Em cada grupo há um nó líder que recebe a topologia de cada membro do grupo e a publicita para outros grupos externos. São calculadas tabelas de encaminhamento para cada nó de todos os níveis hierárquicos. O resumo dos endereços acessíveis é enviado pelo líder para cada membro do grupo Cada nó sabe a topologia completa do grupo e informação sumariada sobre os níveis acima. 8

9 Comutação Embora o identificador de ligação tenha dois componentes (VPI + VCI), a comutação de células nos comutadores ATM normalmente é realizada apenas usando o VPI. O VCI apenas é usado na ligação final aos utilizadores. Vantagens: As tabelas de encaminhamento apenas são usadas na primeira ligação entre dois comutadores; as restantes apenas alocam um novo VCI; A comutação de células é mais eficiente pois apenas olha para 12 bits (VPI) em vez de 28 bits (VPI+VCI); Torna mais fácil modificar a rota da ligação, Braga em caso de falha de uma linha. Por exemplo, Porto caso a linha Coimbra-Porto falhasse, Aveiro Coimbra bastaria modificar uma entrada na tabela de ligações activas de Coimbra e do Porto para desviar a totalidade das ligações de Lisboa Lisboa Setúbal para o Porto; Torna simples a criação de redes privadas virtuais as empresas podem alocar VCIs dentro do VPI reservado para uma ligação. Em Lisboa as entradas da ligação representada seriam: Orig. Linha Entr. VPI entr. VCI entr. Dest. Linha Saída VPI saída VCI Saída UNL PORT PORT UNL Em Coimbra seriam: Origem Linha entrada VPI Entrada Destino Linha saída VPI saída LISBOA 1 3 PORTO 2 1 PORTO 2 1 LISBOA 1 3 Para passar a enviar as células por Aveiro bastaria trocar a linha e o VPI de saída em Coimbra. 9

10 Categorias de serviço O ATM define cinco categorias de serviço: Classe Descrição Exemplo CBR Ritmo constante Circuito E1 RT-VBR Ritmo variável; tempo real Videoconferência NRT-VBR Ritmo variável; s/tempo real Multimédia ABR Ritmo disponível Navegação na Web UBR Ritmo não especificado FTP CBR (Constant Bit Rate) Transmissão a ritmo constante, emulando os circuitos síncronos existentes na rede telefónica. RT-VBR (Real Time-Variable Bit Rate) Transmissão a ritmo variável, com atraso e jitter baixo, adaptado à transmissão de áudio e vídeo comprimido em tempo real (e.g. MPEG). NRT-VBR (Non Real Time-Variable Bit Rate) Transmissão a ritmo variável, com atraso baixo. Neste caso é tolerada alguma variação do atraso no tempo (e.g. correio electrónico de vídeo). ABR (Available Bit Rate) Transmissão de tráfego bursty, com largura de banda mal definida. Permite reservar um limite mínimo de largura de banda, mas usar a totalidade da disponível na rede. A rede informa quando há congestão. UBR (Unspecified Bit Rate) Transmissão de tráfego com a filosofia melhor esforço existente na Internet não há garantias nem informação acerca de congestão na rede fornecida ao utilizador. A escolha da categoria de serviço é influenciada pelo custo. Característica CBR RT-VBR NRT-VBR ABR UBR Largura de banda garantida Sim Sim Sim Opc. Não Suporta tráfego tempo-real Sim Sim Não Não Não Suporta tráfego com bursts Não Não Sim Sim Sim Controlo de congestão Não Não Não Sim Não 10

11 Qualidade de serviço Quando é criado um circuito virtual é definido um contrato de qualidade de serviço (para cada sentido) entre o cliente e o operador de rede com três componentes: descrição do tráfego a enviar; características de serviço de rede negociáveis; requisitos mínimos para a rede. O ATM define um conjunto de parâmetros de QoS negociados entre o cliente e a rede. Parâmetro Acrónimo Significado Peak cell rate PCR Ritmo máximo a que as células podem ser enviadas Sustained cell rate SCR Ritmo médio de envio das células num intervalo longo Minimum cell rate MCR Ritmo mínimo aceitável de envio Cell delay variation CDVT Jitter (variação do intervalo entre células enviadas) máximo aceitável tolerance Cell loss ratio CLR Fracção de células perdidas ou recebidas tarde demais Cell transfer delay CTD Atraso máximo no envio de células Cell delay variation CDV Variância do atraso no envio de células Cell error rate CER Fracção de células entregues com erro Severely-errored SECBR Fracção de blocos danificados cell ratio Cell misinsertion rate CMR Fracção de células entregues no destino errado PCR, SCR e MCR descrevem o ritmo que o utilizador pretende transmitir. O quociente PCR/SCR define o nível de burstiness do tráfego. Estes valores dependem da categoria de serviço seleccionado: CBR: PCR = SCR ABR: MCR largura de banda garantida Se MCR= 0 então ABR é igual a UBR 11

12 O CDVT define a variação presente no tempo de transmissão das células. Para um ritmo perfeito de PCR, cada célula é transmitida em intervalos de 1/PCR µseg. O CVDT controla a variação máxima em relação a este valor, sendo utilizado para configurar a modelação de tráfego. CLR, CTD, CDV descrevem características da rede e são medidas no receptor. CTD é escolhido de maneira a o número de células rejeitadas (α) ser inferior a α α Mínimo CTD CDV Células perdidas ou atrasadas CER, SECBR e CMR são características da rede e não são negociáveis. Comparação entre modelo de QoS na Internet (intserv) e em ATM RSVP Reserva separada do estabelecimento do caminho Receptor envia pedido de reserva Libertação por temporização obriga a refrescamento periódico QoS pode mudar dinamicamente ATM Reserva concorrente com o estabelecimento da ligação Emissor envia pedido ligação Libertação de ligação explícita QoS é estático para uma ligação (excepto ABR) Receptores heterogéneos QoS uniforme para todos os receptores 12

13 Modelação de tráfego e policiamento O ATM usa o algoritmo GCRA (Generic Cell Rate Algorithm) para modelar o tráfego e validar se é conforme com dois parâmetros negociados (PCR e CDVT). O GCRA usa dois parâmetros: T = 1/PCR : intervalo mínimo entre células; L = CDVT : avanço máximo permitido a uma célula. T L 1 t 2 t 1 2 Caso Máximo: célula 2 chega T seg após célula 1 T Célula 3 esperada em t 2 +T t 1 1 t 2 2 Emissor lento: célula 2 chega > T seg T Célula 3 esperada em t 2 +T t 1 1 t 2 2 Emissor rápido: célula 2 chega > T-L seg T Célula 3 esperada em t 1 +2T t Emissor demasiado rápido: célula 2 chega < T-L seg Celula 2 não conforme Célula 3 esperada em t 1 +T Se uma célula chega L µseg antes do próximo instante esperado então não é conforme com o negociado. A célula pode ser: descartada; pode-se mudar o bit CLP para prioridade baixa tornandoa das primeiras a ser descartada em caso de congestão. A opção é da operadora de telecomunicações. 13

14 O GCRA tem um comportamento semelhante a um algoritmo de balde furado (leaky bucket) com ρ= 1 unidade/µseg, com uma capacidade C=T+L unidades, onde cada célula conforme incrementa T unidade no balde. No caso de um emissor que envia as células depressa demais (com um intervalo T-ε e com L= 2ε): T-ε 1 T-ε 2 T-ε 3 T-ε Não conforme 4 5 ε 2ε 3ε 4ε T+L Limite balde T 0 t A célula 4 não é conforme, provocando o ultrapassar do limite do balde. Se δ for o tempo de transmissão de uma célula, então o número máximo de células conformes (N) que podem ser transmitidas seguidas (burst máximo) é: ( N 1 ) δ = T L N = 1 + L ( T δ ) NT + Numa rede ATM com ligações OC3 (155,52Mbps) com PCR= células/sec obtém-se δ= 8*53/155,52= 2,73 µseg. logo N= 7 células. O GCRA pode ser usado com um token bucket para modelar o tráfego de maneira a satisfazer o SCR (valor médio). 14

15 Controlo de congestão São usadas 3 estratégias de controlo de congestão: Controlo de admissão CBR, VBR e UBR não têm mecanismos dinâmicos de controlo de congestão. Durante o estabelecimento de uma ligação, é testado se a rede tem recursos suficientes para suportar o tráfego (descrito por PCR, SCR, MCR e CDVT). A ligação é rejeitada caso não exista nenhum caminho com recursos suficientes. Os utilizadores são agrupados em classes e os recursos divididos por cada classe de maneira a garantir que ligações menos exigentes não são prejudicadas por ligações que exigem largura de banda mais elevada (e.g. vídeo) Reserva de recursos Para algumas categorias de serviço, também são reservados recursos durante o estabelecimento da ligação garantindo a QoS durante o tempo da ligação (e.g. CBR, VBR). Em VBR se SCR<<PCR então pode haver problemas caso todas as ligações tenham o pico no mesmo instante. Em UBR não há reserva de recursos. Controlo de congestão baseado em ritmo Em ABR o utilizador reserva um ritmo mínimo (MCR), mas utiliza o ritmo máximo disponível em cada instante. É usado um mecanismo de controlo de ritmo para adaptar o utilizador às condições de congestão da rede. 15

16 Houve várias propostas rejeitadas: (*) burst antecedido de pacote de reserva temporária de recursos; (*) pacotes de choke; (*) eliminação de pacotes inteiros após a detecção de congestão; (*) créditos de transmissão. Foi seleccionado um mecanismo de controlo de ritmo: Em ABR cada emissor tem um ritmo de transmissão instantâneo ACR (Actual Cell Rate) com um valor entre MCR e PCR. Cada emissor ABR, de k em k células transmite uma célula de controlo RM (Resource Management). A célula RM passa pelo mesmo caminho que as células de dados, do emissor até ao receptor, e no caminho inverso. Direcção dos dados Emissor Receptor Percurso das células RM Comutador ATM Cada célula RM tem originalmente o ritmo a que o emissor gostaria de transmitir (possivelmente PCR). Cada comutador pode modificar o valor de RM para o ritmo máximo suportado reduzindo-o em caso de congestão (até um mínimo de MCR). O bit PTI do último pacote de dados recebido no receptor é devolvido ao emissor nos dados do pacote RM, sinalizado um comutador congestionado no caminho. Opcionalmente, um comutador ATM pode gerar uma célula RM para um emissor em caso de congestão. O bit CLP não é usado para controlo de congestão ABR. 16

17 ATM Adaptation Layer (AAL) Um utilizador da rede ATM usa a interface AAL para comunicar. O subnível SAR do nível AAL suporta a segmentação e reagrupamento de pacotes, permitindo o transporte de pacotes de tamanho variável. Existem várias categorias de serviço, suportadas por diferentes protocolos AAL: AAL1 tráfego CBR AAL2 tráfego RT-VBR AAL3/4 e AAL5 - tráfego de dados sem requisitos de tempo real A camada AAL vai ser estudada em detalhe na secção referente ao nível transporte. 17

18 Redes locais ATM PROBLEMA: como oferecer um serviço sem ligação LAN sobre uma rede orientada à ligação. O ATM Forum propôs uma solução baseada na emulação dos serviços e funcionalidades existentes nas LANs. Cada máquina cria um circuito virtual para todas as outras máquinas pertencentes à rede. O envio de um pacote é realizado através do serviço AAL na ligação à máquina de destino. Máquina LES faz Resolução endereços BUS faz difusão Para realizar difusão na LAN é usado um servidor BUS (Broadcast/Unknown Server), que tem uma ligação para todos os membros da LAN. Para realizar a resolução de endereços LAN (e.g. Ethernet, etc.) para endereços ATM é usado o servidor LES (LAN Emulation Server), com uma base de dados centralizada. Quando uma máquina arranca, acede ao servidor LECS (LAN Emulation Configuration Server) configurado estaticamente - obtendo o endereços do servidor LES e BUS. Em seguida, contacta estes servidores, criando dinamicamente os circuitos virtuais. A Gigabit Ethernet esvaziou o mercado das LANs ATM. 18

19 IP sobre ATM Muitos dos núcleos da rede Internet usam tecnologia ATM devido à grande largura de banda suportada por esta tecnologia. O IETF definiu um modelo de IP sobre ATM semelhante à emulação de LANs. A resolução de endereços é realizada por um servidor ATMARP (equivalente ao LES). Para permitir uma maior escalabilidade, endereços ATM são agrupados em vários grupos designados de LIS (Logical IP Subnet). Dentro de cada LIS todas as entidades estão ligadas entre si por circuitos virtuais, podendo comunicar entre si. A ligação entre LIS é realizada através de roteadores. Para além do IP sobre ATM existem vários grupos de trabalho do IETF e ATM Forum que visam melhorar o desempenho deste protocolo. Os mais significativos são: Multiprotocol over ATM (MPOA); Multiprotocol Label Switching (MPLS). 19

20 MPLS (MultiProtocol Label Switching) O MPLS nasceu a partir da normalização de um conjunto de protocolos proprietários (IP Switching, Tag Switching, etc.) resultantes da tentativa de optimizar o encaminhamento IP numa rede ATM. O principal problema do IP sobre ATM é a necessidade de ter ligações NxN entre todos os membros do grupo. O MPLS cria um mecanismo dinâmico para a associação de circuitos virtuais a endereços IP e à QoS pedida. O MPLS optimiza em cada roteador o procedimento de envio de pacotes para o próximo roteador na rede (Forwarding), associando o endereço IP de destino (e a QoS) a uma etiqueta (label). LER LSR LSR LER R LER MPLS R R Quando o pacote IP entra na rede MPLS é classificado e marcado com a etiqueta no router de entrada (LER = Label Edge Router). Caso ainda não exista nenhum circuito para esse IP, ou seja pedida uma característica de QoS não suportada, é criado um novo circuito virtual através da rede MPLS e é atribuída uma nova etiqueta à nova ligação. O pacote é enviado na rede através do circuito virtual criado nos routers intermédios (LSR = Label Switching Routers) definido pela etiqueta (Label Switching) até ao router no limite da rede MPLS (LER), que volta a realizar o encaminhamento do pacote através do endereço IP e da QoS. 20

21 O protocolo MPLS é independente do protocolo de nível rede e do protocolo de nível "lógico" que suporta a transmissão. As etiquetas são identificadores de tamanho fixo que definem um circuito virtual até um destino. O valor da etiqueta depende do protocolo de nível lógico - no caso duma rede ATM corresponde ao identificador de um circuito virtual VPI-VCI. Cabeçalho nível lógico Mini Cabeçalho MPLS Cabeçalho nível rede Dados nível rede Os pacotes incluem um pequeno cabeçalho MPLS de 32 bits, com a etiqueta de 20 bits, permitindo utilizar comutação de circuitos em redes cujos pacotes não a suportam. Existem vários métodos para criar etiquetas: baseado em topologia durante o processamento normal de protocolos de encaminhamento (e.g. OSPF, BGP); baseado em pedido durante o processamento de pacotes de controlo de pedido (e.g. RSVP); baseado em tráfego após a recepção de um pacote para um destino não suportado. 21

22 A distribuição de etiquetas pode ser feita embebendo as etiquetas nos protocolos de encaminhamento existentes (e.g. BGP, RSVP, PIM), ou através do protocolo de distribuição de etiquetas LDP (Label Distribution Protocol), normalizado pelo IETF. O LDP corre em alguns roteadores (LSR) e inclui: descoberta de LSRs; mensagens para gerir sessões entre roteadores LDPs; mensagens para anúncio/cancelamento de etiquetas; mensagens de notificação. A grande vantagem introduzida pela utilização de MPLS é que parte significativa da comutação de pacotes passa a ser feita por circuitos virtuais permitindo uma realização em hardware com maior velocidade de comutação. TCP UDP IP Fwd MPLS Fwd Físico Outras vantagens são: suporta diferenciação de tráfego por QoS (podem existir tráfegos predefinidos para diferentes tipos de tráfego); suporta escalabilidade da rede em relação a IP sobre ATM; integra IP em ATM reutilizando os comutadores existentes; cria sistemas inter-operáveis, facilitando a evolução para redes ópticas de comutação óptica (IP sobre SDH ou IP sobre WDM, com ritmos até Terabit/s ). 22

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