UNIVERSIDADE SÃO FRANCISCO CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA DESEMPENHO EM REDES MPLS. Área de Redes. por. Thiago Dias Rabelo de Almeida

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1 UNIVERSIDADE SÃO FRANCISCO CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA DESEMPENHO EM REDES Área de Redes por Thiago Dias Rabelo de Almeida Debora Meyhofer Ferreira Orientadora Campinas (SP), outubro de 2009

2 UNIVERSIDADE SÃO FRANCISCO CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA DESEMPENHO EM REDES Área de Redes por Thiago Dias Rabelo de Almeida Relatório apresentado à Banca Examinadora do Trabalho de Conclusão do Curso de Engenharia Elétrica para análise e aprovação. Orientadora: Debora Meyhofer Ferreira Campinas (SP), outubro de 2009 i

3 Agradeço a Deus por iluminar meus caminhos e abençoar minhas escolhas. Aos meus pais, que me incentivaram e me deram força para a conclusão de mais esta etapa. A minha esposa que me incentivou e caminhou junto comigo para a realização deste trabalho. A todos, que contribuíram com incentivo, opiniões, sugestões, revisões, apoio. A minha orientadora professora Debora Meyhofer Ferreira, por sua paciência, amizade, constante incentivo e pelas valiosas sugestões. ii

4 SUMÁRIO LISTA DE ABREVIATURAS... v LISTA DE FIGURAS... vii LISTA DE TABELAS... viii RESUMO... ix ABSTRACT... x 1. INTRODUÇÃO OBJETIVOS Objetivo Geral Objetivos Específicos METODOLOGIA ESTRUTURA DO TRABALHO E rro! Indicador não definido FUNCIONAMENTO...ERRO! INDICADOR NÃO DEFINIDO. 2.2 ENGENHARIA DE TRÁFEGO Objetivos VANTAGENS FRAME RELAY INTRODUÇÃO ESPECIFICAÇÕES DO PROTOCOLO FRAME RELAY CARACTERÍSTICAS ESTRUTURA Circuitos virtuais Cabeçalho Frame Relay Parâmetros de tráfego Frame Relay Controle de Congestionamento Notificação Explícita de Congestionamento Notificação Implícita de Congestionamento Tipos de Interfaces ATM (ASYNCHRONOUS TRANSFER MODE) INTRODUÇÃO...17 iii

5 4.2. ESPECIFICAÇÕES DO PROTOCOLO ATM ESTRUTURA Modelo ATM Conexões Virtuais (Virtual Connections) Camada ATM Camada Física Camada ATM Camada AAL (ATM Adaptation Layer) Classes de serviços Controle de tráfego Gerenciamento de Tráfego Funções do Gerenciamento de Tráfego Interoperabilidade com a rede Frame Relay ANÁLISE COMPARATIVA DAS REDES Análise de funcionamento do backbone Análise de funcionamento do backbone ATM e Frame-Relay Análise comparativa dos custos de implantação das redes, ATM e FR Análise comparativa referentes aos serviços, ATM e FR Análise comparativa entre os tempos de respostas Resultado sobre a análise das tecnologias CONSIDERAÇÕES FINAIS REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS iv

6 LISTA DE ABREVIATURAS AAL ABR ARPA ATM BT BGP CAC CBR CDVT CIR CLP CoS DiffServ DRI FEC GCRA GFC HEC IETF IGP IP ISP ITU LAN LDP LER LFIB LSP LSR MBS ATM Adaptation Layer Available Bit Rate Advanced Research and Projects Agency Asynchronous Transfer Mode Burst Tolerance Border Gateway Protocol Connection Admission Control Constant Bit Rate Cell Delay Variation Tolerance Committed information rate Cell Loss Priority Class of Service Differentiated Services Defense Research Internet Forwarding Equivalency Class Generic Cell Rate Algorithm Generic Flow Control Header Error Check Internet Engineering Task Force Interior Gateway Protocols Internet Protocol Protocolo Internet Internet Service Provider International Telecommunication Union Local Area Network Label Distribution Protocol Label Edge Routers Label Forwarding Information Base Label Switched path Label Switch Routers Maximum Burst Size Multiprotocol Label Switching v

7 NAT OSI OSPF QoS PCR PVC PT RFC RNP RSVP SCR SEAL SVC SONET TCP/IP TDM TED ToS TP UBR UPC UNI VBR VC's VCI VP VPI VPN WAN Network Address Translation Open System Interconnection Open Shortest-Path-First Protocol Quality of Service Peak Cell Rate Permanent Virtual Circuit Payload Type Request for Comments Rede Nacional de Pesquisas ReSerVation Protocol Sustainable Cell Rate Simple and Efficient Adaptation Layer Switched Virtual Circuit Synchronous Optical Network Transmission Control Protocol/Internet Protocol Time Division Multiplexing TE Database Type of Service Transmission Path Unspecified Bit Rate Usage Parameter Control User-Network Interface Variable Bit Rate Virtual Circuits Virtual Channel Identifier Virtual Path Virtual Path Identifier Virtual Private Network Wide Area Network vi

8 LISTA DE FIGURAS Figura 1. visão geral...5 Figura 2. LSP (Label Switch Path)...5 Figura 3. Circuitos Virtuais...10 Figura 4. Estrutura do cabeçalho do Frame Relay...11 Figura 5. Gráfico demonstrativo de CIR, EIR, DE...13 Figura 6. Tratamento do congestionamento em redes frame Relay...15 Figura 7. Célula ATM (Cabeçalho)...19 Figura 8. Circuito Virtual ATM...20 Figura 9. Modelo Camada ATM...21 Figura 10. Camada AAL Tipo 3/ Figura 11. Categoria de serviços ATM...25 Figura 12. Aplicações Categorias e Serviços ATM...26 Figura 13. Parametros de Tráfego ATM...27 Figura 14. Ilustração do Algoritimo leaky bucket ou balde furado...29 Figura 15. Interoperabilidade das redes Frame-Relay e ATM...29 Figura 16. Interoperabilidade das redes Frame-Relay e ATM...30 vii

9 LISTA DE TABELAS Tabela 1. Técnicas de Controle de Congestionamento no Frame-Relay...14 viii

10 RESUMO ALMEIDA, Thiago Dias Rabelo de. Análise de Desempenho em Redes. Campinas, f. Trabalho de Conclusão de Curso, Universidade São Francisco, Campinas, Este trabalho apresenta uma visão geral das Redes mostrando as características principais e desempenho, realiza também uma analogia com outras tecnologias como Frame-Relay e ATM e um comparativo entre elas. Mostrando o crescimento acelerado da Internet e soluções disponíveis atualmente para garantir otimização e QoS para os inúmeros serviços oferecidos e utilizados pelo mercado de telecomunicações. Palavras-chave:, QoS, Internet ix

11 ABSTRACT This work presents an overview of networks showing the main features and performance, also performs an analogy with other technologies such as Frame Relay and ATM, and a comparison between them. Showing the rapid growth of the Internet and solutions currently available to ensure optimization and QoS for the many services offered and used by the telecommunications market. Keywords:, QoS, Internet x

12 1. INTRODUÇÃO O enorme crescimento da Internet nesses últimos anos esta gerando uma grande sobrecarga nas redes de provedores de serviços e operadoras. O problema não é apenas o crescimento acelerado de usuários, mas também a utilização de serviços com requisitos mais específicos, como voz e vídeo, que esta com utilização crescente. As aplicações utilizadas nas redes anteriormente precisavam apenas que os pacotes fossem encaminhados no modo Best Effort. Para as novas aplicações, isso não é mais suficiente. É necessário mais banda e garantia de serviço. Para conseguir a garantia de serviço proposta, além do aumento de banda disponível, é necessário, também, utilizar outras ferramentas para fornecer qualidade de serviço (QoS) e uma boa de engenharia de tráfego (TE), fazendo com que o custo não aumente de maneira excessiva. A tecnologia, desenvolvida inicialmente pela Cisco, é hoje o padrão de mercado que surgiu para endereçar estes problemas. permite aos provedores o oferecimento de um leque diferenciado de serviços aos seus clientes. Em resumo, é uma tecnologia de comutação de pacotes utilizada para transportar pacotes de um ponto a outro de uma forma rápida e - relativamente - simples, sem o overhead dos protocolos intermediários. A marcação DiffServ (Differeciated Services) permite, por sua vez, que cada tipo de tráfego receba um tratamento - leiase prioridade - diferenciado, por meio de marcações específicas (DiffServ Code Point ou DSCP) que identifiquem cada tipo de fluxo[1] OBJETIVOS Objetivo Geral Este trabalho tem como objetivo mostrar o cenário atual das tecnologias utilizadas no mercado de telecomunicações. O trabalho pretende mostrar a evolução, tendências das redes atuais e sua interoperabilidade junto com outras redes legadas, e montar um comparativo com as vantagens e desvantagens das tecnologias, frente a este contínuo crescimento de uso de Internet que requisita cada vez mais banda e serviçoes com garantia de qualidade. 1

13 Objetivos Específicos Realizar uma análise crítica sobre o desempenho das tecnologias de redes de telecomunicações oferecidas na atualidade em específico o, realizando um comparativo com as redes ATM e Frame Relay METODOLOGIA Para atingir o objetivo definido para o presente trabalho, foram efetuadas as seguintes atividades: 1. Levantamento bibliográfico sobre informações das tecnologias, ATM e FR; 2. Visão geral sobre a utilização destas tecnologias e sua interoperabilidade; 3. Discussão sobre os requisitos mínimos necessários para garantir a qualidade dos serviços oferecidos no mercado de telecomunicações. 4. Proposta para obtenção destes requisitos em uma comparação das tecnologias abordadas; 1.3. ESTRUTURA DO TRABALHO O trabalho está dividido da seguinte forma: O Capítulo 1 apresenta a Introdução geral sobre o assunto, assim como os objetivos e metodologia adotada para este trabalho. O Capítulo 2 apresenta o protocolo, seu funcionamento e vantagens O Capítulo 3 apresenta o protocolo Frame-Relay e seu funcionamento O Capítulo 4 apresenta o protocolo ATM e seu funcionamento O Capítulo 5 apresenta uma análise comparativa entres as tecnologias apresentadas neste trabalho. 2

14 2. (Multiprotocol Label Switching) é uma solução versátil para resolver os problemas enfrentados pelas redes atuais, escalabilidade, qualidade do serviço (QoS), gerenciamento e engenharia de tráfego. O surgiu como uma solução refinada para atender a gerenciamento de largura de banda e requisitos de serviço para a próxima geração de Internet Protocol (IP). aborda questões relacionadas a escalabilidade e encaminhamento (com base em métricas de qualidade de serviço QoS) e podem existir com o atual modo de transferência assíncrona (ATM) e frame relay-redes 2.1. FUNCIONAMENTO é baseado no Internet Engineering Task Force (IETF). No, ocorre a transmissão de dados pelo LSP (Label Switched path). LSPs são uma seqüência de rótulos em todo e cada nó ao longo do caminho, desde a origem até o destino. LSPs são estabelecidos, antes da transmissão de dados. Os rótulos, que estão abaixo dos protocolos específicos, são distribuídas usando LDP (Label Distribution Protocol) ou RSVP pelos protocolos de roteamento como BGP(Border Gateway Protocol) e OSPF. Cada pacote encapsula dados e carrega os rótulos durante todo percurso da origem ao destino. A alta velocidade de comutação de dados é possível porque o rótulo tem tamanho fixo e são inseridas no ínicio do cabeçalho dos pacotes ou células. Labels (Rótulos ou Etiquetas) - O rótulo, identifica o caminho que o pacote deve passar. O rótulo é transportado ou encapsulado em um cabeçalho de camada2, juntamente com o pacote. O roteador recebe e examina o pacote com seu conteúdo para verificar no rótulo qual é o seu próximo caminho. Uma vez que o pacote tenha sido marcado, o restante do transporte do pacote através do backbone é baseado na comutação de rótulo. Os rótulos tem apenas importância local, o que significa são válidos apenos no trecho entre um roteador e outro LSRs. Os dispositivos que participam do protocolo mecanismos podem ser classificados em roteadores de borda (LERs) e roteadores de comutação por rótulo (LSRs). 3

15 LSR (Label Switch Routers) são roteadores de comutação por rótulos e fica no núcleo de uma rede que participa na criação de LSPs(Label Switch Path) com função de encaminhar os pacotes baseado nos rótulos e a comutação de tráfego baseado no estabelecido caminhos. LER (Label Edge Routers) são roteadores de borda da rede de acesso a rede. LERs suporta conexões com várias outras redes como Frame Relay, ATM, Ethernet, onde este encaminha para o tráfego após estabelecer LSPs. O LER desempenha um papel muito importante na colocação e remoção dos rótulos, sempre que o tráfego entra ou sai de uma rede. FEC (Forwarding Equivalency Class) É uma representação de um grupo de pacotes que compartilham os mesmos requisitos para o seu transporte. Todos os pacotes em um grupo dessa natureza recebem o mesmo tratamento de rota para o destino. O FEC é feito apenas uma vez, quando o pacote entra na rede. FECs são baseadas em requisitos de serviço para um determinado conjunto de pacotes ou simplesmente para um endereço de prefixo. Cada LSR constrói uma tabela para especificar como um pacote deve ser encaminhado e esta tabela é chamada de LIB (Label Information Base). LDP (Label Distribution Protocol) é um protocolo para a distribuição do rótulo e informações vinculadas aos LSRs em uma rede. Ele é usado para mapear os rótulos ao FECs, o que, por sua vez, criam LSP. 4

16 Figura 1 visão geral 1 LSP (Label Switch Path) é o caminho que é formado para a passagem dos pacotes com as informações. O LSP é ajustado antes da transmissão de dados e o LSP é unidirecional, portanto é preciso ter dois LSPs para uma comunicação entre dois pontos. Figura 2 LSP (Label Switch Path). 1 Adaptado de [16] 5

17 2.2. ENGENHARIA DE TRÁFEGO Objetivos Minimizar o congestionamento na rede; Aumentar a confiabilidade da operação da rede; Permitir e policiar a aplicação de Qualidade de Serviço (QoS) ou CoS Classe de Serviço - A função da Engenharia de Tráfego, é garantir que recursos necessários à determinadas classes de serviço encontrem-se disponíveis, sempre que necessários Engenharia de Tráfego e seus componetes Information Distribution - Engenharia de Tráfego requer um conhecimento detalhado da topologia da rede, assim como conhecimento dinamico sobre a capacidade da rede. Isso pode ser implementado por meio de protocolos IGP com extensões específicas, de forma que atributos específicos de links (como largura de banda máxima, utilização de banda e banda reservada) sejam incluídos nos anúncios link state destes protocolos. Em uma rede, cada LSR (Label Switch Router) mantém uma base de dados chamada TED (TE Database), utilizada para calcular caminhos específicos pela rede. Path Selection Component - Baseado na topologia de rede e nos atributos de link presentes na TED, cada LSR calcula caminhos específicos para seus LSPs (Label Switching Paths). Estes caminhos podem ser strict ou loose. Uma rota Strict é aquela em que o LSR de ingresso especifica todos os LSRs para o LSP. A rota loose, por sua vez, tem apenas alguns LSR definidos no LSR de ingresso. Componente de Sinalização e definição da rota - A rota calculada pelo componente anterior não é dita funcional até que um LSP seja, de fato, estabelecido pelo componente de sinalização. Isso porque o componente de Path Selection utiliza as informações presentes na TED, que podem estar desatualizadas. O componente de sinalização, portanto, é responsável pela checagem de todas as informações necessárias durante o processo de definição de rota. Componente de encaminhamento de pacotes - Uma vez que o caminho seja estabelecido, o processo de encaminhamento é iniciado no LSR, baseado no conceito de comutação de labels. [1] 6

18 2.3. VANTAGENS DO O objetivo inicial do era trazer para a camada 3 a agilidade da camada 2. A comutação baseada em labels permite aos routers tomar decisões de encaminhamento baseadas somente no conteúdo de um simples identificador, ao invés de realizar uma complexa busca na tabela de roteamento baseada no endereço IP de destino. O traz uma série de outros benefícios para redes IP. O fato de pacotes serem roteados baseados em labels e não via endereço IP resulta em algumas vantagens importantes: Classificação dos pacotes baseados na origem do tráfego Pacotes podem ter labels prioritários designados, permitindo a implementação de QoS na rede Os routers LSR de uma rede não são impactados se regras de como um pacote deve ser alocado a um determinado FEC forem modificadas O payload dos pacotes nunca são examinados pelos routers LSR, garantindo um transporte mais eficiente da informação pela rede Em uma rede, um pacote pode ser forçado a seguir por um determinado caminho, ao invés de um caminho que seria seguido caso um protocolo de roteamento comum estivesse sendo utilizado. Isso pode ser útil em ocasiões onde engenharia de tráfego (TE) precisa ser aplicada, ou mesmo para garantir um determinado nível de serviço. Outra grande vantagem do é que a tecnologia é completamente independente dos protocolos utilizados nas camadas 2 ou 3, permitindo uma completa integração entre redes que rodem distintos protocolos nestas camadas. 7

19 3. FRAME RELAY 3.1. INTRODUÇÃO Protocolo de comunicações baseado em comutação de pacotes, que fornece um mecanismo de sinalização e transferência de dados dentro de uma rede. Os blocos de informação (frames) são encaminhados pela rede normalmente em circuitos virtuais permanentes, segundo a informação de endereçamento incorporada nos mesmos. Viabilizando a interligação de redes locais (LANs) e o acesso a sistemas centrais a velocidades de transmissão superiores às do X.25 e redes digitais (de 64Kbits/s até 2Mbits/s). O frame-relay é um protocolo orientado a conexão, operando no nível 2 do modelo OSI, com baixo retardo e com controle de erro nos nós. No fim da década de 80 e início da década de 90, vários fatores combinados demandaram a transmissão de dados com velocidades mais altas como: A migração das interfaces de texto para interfaces gráficas; O aumento do tráfego do tipo rajada (burst) nas aplicações de dados; O aumento da capacidade de processamento dos equipamentos de usuário; A popularização das redes locais e das aplicações cliente / servidor; A disponibilidade de redes digitais de transmissão; Considerando o modelo OSI para protocolos, o Frame Relay elimina todo o processamento da camada de rede (layer 3) do X.25. Apenas algumas funcionalidades básicas da camada de enlace de dados (layer 2) são implementadas, tais como a verificação de frames válidos, porém sem a solicitação de retransmissão em caso de erro. Desta forma, as funcionalidades implementadas nos protocolos de aplicação, tais como verificação de seqüência de frames, o uso de frames de confirmações e supervisão, entre outras, não são duplicadas na rede Frame Relay. Isto permite um trafego de quadros (frames) ou pacotes em alta velocidade (até 1,984 Mbps), com um atraso mínimo e uma utilização eficiente da largura de banda[6]. 8

20 3.2. ESPECIFICAÇÕES DO PROTOCOLO FRAME RELAY Existem quatro fonte de trabalho para a especificação do protocolo Frame Relay: Frame Relay Forum ANSI ITU-T Group of Four ou Vendor Forum A especificação original foi publicada pelo Group of Four em 1990 e era baseada nos padrões ANSI com algumas modificações. Frame Relay Forum também decidiu basear as suas recomendações nas especificações da ANSI [7] CARACTERÍSTICAS O Frame Relay é baseada no uso de Circuitos Virtuais (VC's). Um VC é um circuito de dados virtual bidirecional entre 2 portas quaisquer da rede, que funciona como se fosse um circuito dedicado. Existem 2 tipos de Circuitos Virtuais: O Permanent Virtual Circuit (PVC) e o Switched Virtual Circuit (SVC). O PVC é um circuito virtual permanente configurado pelo operador na rede através de um sistema de Gerência de Rede, como sendo uma conexão permanente entre 2 pontos. A rota através dos equipamentos de rede pode ser alterada ao passo que ocorrem falhas ou reconfigurações, mas as portas de cada extremidade são mantidas fixas. Já o SVC é um circuito virtual comutado, que é disponibilizado na rede de forma automática,conforme a demanda, sendo utilizado principalmente por aplicações de Voz que estabelecem novas conexões a cada chamada. O Frame Relay também possibilita a utilização de múltiplos canais lógicos em uma mesma linha de acesso, o que torna o mesmo ponto-multiponto. Isto significa que podemos, utilizando uma única linha dados em um ponto de concentração (cpd, por exemplo), acessar diversos pontos remotos. Cada ponto remoto é acessado através de um endereço lógico diferente, chamado DLCI. Outra característica interessante do Frame Relay é o CIR(Commited information rate). O Frame Relay é um protocolo de redes estatístico, voltado principalmente para o tráfego tipo rajada, 9

21 em que a sua infra-estrutura é compartilhada pela operadora de telefonia e, conseqüentemente, tem um custo mais acessível do que uma linha privada. Isto significa que quando um usuário de serviços de telecomunicações contrata uma linha Frame Relay com 128 Kb/s, não quer dizer que ele tenha alocado na rede da operadora esta banda todo o tempo, pois, já que a infraestrutura é compartilhada, haverá momentos em que ocorrerá congestionamentos. No ato da assinatura do contrato com a operadora, o usuário escolhe uma taxa de CIR, que pode ser de 25%, 50%, a que o usuário escolher, e no momento do congestionamento, a operadora garante que terá disponível a banda correspondente ao CIR. Por exemplo, se um usuário tem um Frame Relay de 128 KB/s com um CIR de 50%, caso a rede não esteja congestionada o mesmo poderá realizar uma rajada de tráfego a até 128 KB/s. Porém, caso haja congestionamento, esta banda vai sendo automaticamente reduzida até o valor de CIR, podendo este usuário no pior caso trafegar a 64 KB/s, que corresponde a 50% de 128 KB/s. Quando maior o CIR, maior o custo da linha 2 [8] ESTRUTURA Circuitos virtuais Os circuitos virtuais são comutados (SVC Switched Virtual Circuit) ou Permanentes (PVC Permanent Virtual Circuit). Os PVC são pré-determinados pelo gestor da rede e ficam desse modo dedicados a comunicação ponto a ponto entre dois locais conhecidos. Os SVC são estabelecidos conforme a necessidade comunicativa dos utilizadores. Figura 3. Circuitos Virtuais 2 2 Adaptado de [8]. 10

22 3.4.2 Cabeçalho Frame Relay A estrutura baseia-se no protocolo LAPD do HDLC. O cabeçalho foi alterado para incorporar o DLCI (Data Link Connection Identifier) e bits de congestão em vez dos campos de endereço. Figura 4 Estrutura do cabeçalho do Frame Relay 3 Flag: Sempre possui o valor (7Eh) e indica o início ou o final de um quadro; DLCI (Data Link Connection Identifier): Identifica o número do canal a ser usado na comunicação do DTE com o DCE. Note que esse campo possui no total 10 bits, sendo dividido em um campo de 6 bits e outro de 4 bits. C/R (Comando/Resposta): Informa se os dados contidos no quadro são um comando ou uma resposta. EA (Extended Address): Permite que o tamanho do cabeçalho seja aumentado em um ou dois bytes, usados para o endereçamento. Com isso, o número de endereços DLCI possíveis é aumentado consideravelmente. Note que há dois bits EA no cabeçalho, cada um indicando um byte adicional quando ativado. FECN (Forward Explicit Congestion Notification): Usado para sinalizar congestionamento BECN (Backward Explicit Congestion Notification): Usado para sinalizar congestionamento. DE (Discard Eligibility): Quando ativado, indica que o quadro possui preferência para ser descartado em situações de congestionamento [9]. 3 Adaptado de [9]. 11

23 Parâmetros de tráfego Frame Relay COMMITTED INFORMATION RATE (CIR) - é a taxa (em bps) que a rede aceita transferir informação, em um determinado circuito virtual, em condições normais de funcionamento, ou seja, o CIR é o throughtput (quantidade de informação) garantido pela rede (taxa contratada). Um acesso frame relay pode ter múltiplos circuitos virtuais (DLCI s), e o CIR deve ser configurado individualmente, pois ele definido por DLCI, é o tráfego entrante na rede, sendo possível que tenhamos dois valores para CIR ( um para cada sentido de transmissão) para cada circuito virtual da interface. COMMITTED BURST SIZE (Bc) - representa a quantidade máxima de dados (volume em bits) que a rede garante transportar em condições normais de operação durante um determinado período de tempo Tc. EXCESS BURST SIZE (Be) - representa a quantidade máxima de dados não contratado (volume em bits) acima do Bc (excesso), que a rede frame relay tentará entregar durante um determinado período de tempo Tc, caso haja disponibilidade de recursos. EXCESS INFORMATION RATE (EIR) - representa a taxa de informação não contratada (em bps), portanto acima do CIR, que a rede irá transportar caso haja disponibilidade de recursos. MEASUREMENT INTERVAL (Tc) - é o intervalo de tempo utilizado para medir taxas (throughput) e o tamanho das rajadas (bursts). [11] 12

24 Dados (Kbits) Bc + Be Bc Taxa de Acesso CIR EIR Descarte de todos os frames Frames com DE setado Frames normais Figura 5 Gráfico demonstrativo de CIR, EIR, DE 4 Tc T(segundos) Controle de Congestionamento As especificações ANSI são muito claras sobre os mecanismos usados para indicar a existência de congestionamento na rede. Existem dois tipos de mecanismos para minimizar, detectar e recuperar de uma situação de congestionamento, que também acaba por prover um controle de fluxo: Notificação de congestionamento explicíto; Controle de discarte; Notificação de congestionamento implícito e Esses mecanismos usam bits específicos contidos no cabeçalho de cada frame [10]. 4 Adaptado de [11] 13

25 Tabela 1 Técnicas de Controle de Congestionamento no Frame-Relay Notificação Explícita de Congestionamento FECN (Notificação de Congestionamento Explicito para Frente) - Quando os quadros passam através dos nós da rede, o bit FECN será marcado informando a condição de sobrecarga da rede, baseado na medida de utilização do buffer e do processador (a rede deve sempre tentar evitar o congestionamento marcando o bit FECN antes que se torne necessário o descarte de quadros, existem várias técnicas para determinar quando marcar o FECN, e a implementação depende do fabricante). Na recepção, a chegada de quadros cujo bit FECN está marcado significa a presença de congestionamento em algum ponto no caminho do circuito virtual. O congestionamento é comunicado às camadas mais altas (acima da camada 2 ou a camada de transporte) depois de ter recebido uma certa porcentagem de bit FECN observado um intervalo de tempo. O receptor então ajusta sua taxa de recebimento e imediatamente sinaliza o transmissor para diminuir a taxa de transmissão até a rede se normalizar novamente. Desta forma não há nenhuma notificação clara de congestionamento transmitida do nó congestionado para os usuários finais, ou seja receptor e 5 Adaptado de [10] 14

26 transmissor, os usuários finais retomam a operação normal utilizando inicialização gradual lenta baseada em temporizador ou outro mecanismo apropriado. BECN (Notificação de Congestionamento Explicito para Trás) - Trata-se de um mecanismo adicional ao FECN onde o nó, prevendo o congestionamento, marca o bit BECN dos quadros transportados na direção reversa (isto é, na direção do transmissor) no mesmo circuito virtual (note que o circuito virtual necessita ser bidirecional e ter algum dado passando na direção reversa). Recebendo o bit BECN, o transmissor deve imediatamente diminuir sua taxa e aumenta-la gradualmente com o tempo (mecanismo semelhante já foi descrito para o bit FECN). Se o usuário não prestar atenção ao indicador de BECN, as filas nos enlaces, ou dentro do nó, serão formadas e o congestionamento poderá ocorrer. Figura 6 Tratamento do congestionamento em redes frame Relay Notificação Implícita de Congestionamento Uma outra maneira para detectar o congestionamento é utilizar mecanismos existentes mais simplificados tais como temporizar recebimento de quadros, atrasos, throughput reduzido, detecção 6 Adaptado de [10]. 15

27 de perdas de quadros, etc. Em virtude da infra-estrutura confiável através da qual as redes operam, os usuários podem prever através destas informações que está ocorrendo congestionamento na rede, e tomar as devidas providências para a normalização do tráfego na rede. O princípio para todos os usuários é o mesmo da perda de quadro dentro da rede: Se um quadro é detectado como tendo sido perdido, o usuário deve reduzir seu throughput oferecido a 25% da taxa atual. Tendo reduzido sua taxa oferecida, o usuário pode aumentá-la por um fator de 0,125 vezes o CIR acordado depois de qualquer intervalo de medição acordado no qual nenhum dos quadros perdidos é detectado. Uma opção a mais é reduzir a taxa de crescimento a 0,0625 vezes o throughput acordado, uma vez que a taxa oferecida atinge a metade da taxa na qual a perda do quadro foi originalmente detectada. Deve ser notado que os mecanismos de controle de congestionamento descritos anteriormente são parte de um gerenciamento mais global, e desta forma são complementares, podendo ser usados concorrentemente. Novamente, caso não haja reação do usuário, a rede deve proteger-se descartando quadros de quaisquer circuitos adequados no evento que o congestionamento não é liberado. Concluindo, a responsabilidade e os procedimentos conjuntos entre o usuário terminal e a rede devem ser possíveis de serem verificados pela rede. A inicialização da recuperação do congestionamento é responsabilidade da rede. O usuário terminal deve auxiliar a rede continuando os procedimentos de prevenção. A recuperação de congestionamento é usada para ajudar a controlar a carga oferecida nas redes severamente congestionadas e mover desta situação para a condição sem congestionamento. BIT DE (Discard Eligibility) - Quando o nó congestionado começa a descartar quadros, ele dará preferência a descartar quadros que tiverem o bit DE de seu cabeçalho ativado. Os nós da rede Frame Relay irão ativar esse bit sempre que a taxa de transferência estiver acima do CIR (taxa de transferência média) estipulado para o canal, como havíamos explicado anteriormente. Os 16

28 dispositivos saberão que a rede está descongestionada assim que pararem de receber o bit FECN ou BECN ativados, voltando à sua velocidade normal de transmissão [10] Tipos de Interfaces As especificações levam em consideração dois tipos de interface para o protocolo frame relay: User Network Interface (UNI) e Network Network Interface (NNI). UNI : é a interface padrão entre o dispositivo do usuário e a rede de comunicação para o serviço frame relay. NNI : esta interface deve ser configurada sempre que houver a conexão entre duas redes frame relay. A interface NNI é para receber, processar e propagar as informações de sinalização de estado para que os usuários finais possam ter uma visão geral do estado de sua conexão, a qual poderá estar atravessando diversas redes frame relay diferentes [11]. 17

29 4. ATM (ASYNCHRONOUS TRANSFER MODE) 4.1. INTRODUÇÃO O modo de transferência assíncrono (ATM) procura se beneficiar do ganho estatístico de serviços cujos tráfegos possuam taxa variável, não perdendo de vista, com isto, a necessidade de se manter um desempenho razoável para aqueles serviços que possuam taxa contínua. No modo de transferência assíncrono, um canal é identificado pela posição fixa de seus slots dentro dos frames. No ATM, a banda passante é dividida em segmentos fixos de informação denominados células. Cada célula possui um cabeçalho de informação a fim de que o receptor possa identificar a qual canal esta célula pertence, e tomar as medidas cabíveis. Um canal não é mais identificado de maneira estática, por uma posição no tempo, mas sim de maneira dinâmica através das informações contidas nos cabeçalhos. Poderíamos nos perguntar o porquê do tamanho tão reduzido da célula ATM, mas várias vantagens são obtidas com esta decisão. Quanto maior o tamanho da célula maior o tempo de empacotamento, causando, desta maneira, maior atraso de transferência e afetando, principalmente, serviços sensíveis ao tempo de atraso, como vídeo e áudio. Para tais serviços, o alongamento do tempo de atraso provoca uma queda substancial da qualidade, ocasionando distorções e eco, por exemplo, para a transmissão de voz [13]. É possível implantar enlaces ATM com diferentes larguras de banda, a partir de 1,5 Mbps, ou com valores bem maiores saltando para 25 Mbps, 155 Mbps (OC3), 622 Mbps (OC12) ou 2,488 Gbps (OC48) ESPECIFICAÇÕES DO PROTOCOLO ATM Fontes de trabalho para a especificação do protocolo ATM: ATM Forum IETF ITU-T 18

30 4.3. ESTRUTURA Modelo ATM A célula é a menor unidade de informação em uma rede ATM e são de tamanhos fixos de 53 bytes, onde 5 bytes são utilizados para cabeçalho (header) e 48 bytes para informação (payload). Toda célula é identificada pelo seu cabeçalho, que contém principalmente informações para direcionar a célula dentro da rede ATM. Podemos representar o formato da célula ATM como mostra a figura a seguir:[14] Figura 7 Célula ATM (Cabeçalho) 7 O campo de Cabeçalho carrega as informações de controle do protocolo. Devido a sua importância, possui mecanismo de detecção e correção de erros para preservar o seu conteúdo. Ele é composto por 5 bytes com as seguintes informações: GFC (Generic Flow Control), com 4 bits, que identifica o tipo de célula para a rede, e o VPI propriamente dito, com 8 bits. VPI (Virtual Path Identifier), com 12 bits, representa o número da rota virtual até o destinatário da informação útil, e tem significado local apenas para a porta de origem. VCI (Virtual Channel Identifier), com 16 bits, representa o número do canal virtual dentro de uma rota virtual específica. Também se refere ao destinatário da informação útil e tem significado local apenas para a porta de origem. 7 Adaptado de [13] 19

31 PT (Payload Type), com 3 bits, identifica o tipo de informação que a célula contém: de usuário, de sinalização ou de manutenção. CLP (Cell Loss Priority), com 1 bit, indica a prioridade relativa da célula. Células de menor prioridade são descartadas antes que as células de maior prioridade durante períodos de congestionamento. HEC (Header Error Check), com 8 bits, é usado para detectar e corrigir erros no cabeçalho.[14] Conexões Virtuais (Virtual Connections) A tecnologia ATM é baseada no uso de conexões virtuais. O ATM implementa essas conexões virtuais usando 3 conceitos: TP (Transmission Path): é a rota de transmissão física (por exemplo, circuitos das redes de transmissão SDH/SONET) entre 2 equipamentos da rede ATM. VP (Virtual Path): é a rota virtual configurada entre 2 equipamentos adjacentes da rede ATM. O VP usa como infraestrutura os TP s. Um TP pode ter um ou mais VP s. Cada VP tem um identificador VPI (Virtual Paths Identifier), que deve ser único para um dado TP. VC (Virtual Channel): é o canal virtual configurado também entre 2 equipamentos adjacentes da rede ATM. O VC usa como infraestrutura o VP. Um VP pode ter um ou mais VC s, Cada VC tem um identificador VCI (Virtual Channel Identifier), que também deve ser único para um dado TP. Figura 8 Circuito Virtual ATM 8 8 Adaptado de [13] 20

32 A partir dessas conexões virtuais o ATM implementa todos os seus serviços. Em especial, o ATM implementa também os circuitos virtuais (VC) mais comuns, quais sejam: PVC (Permanent Virtual Circuit): esse circuito virtual é configurado pelo operador na rede através do sistema de Gerência de Rede, como sendo uma conexão permanente entre 2 pontos. Seu encaminhamento através dos equipamentos da rede pode ser alterado ao longo do tempo devido à falhas ou reconfigurações de rotas, porém as portas de cada extremidade são mantidas fixas e de acordo com a configuração inicial. SVC (Switched Virtual Circuit): esse circuito virtual disponibilizado na rede de forma automática, sem intervenção do operador, como um circuito virtual sob demanda, para atender, entre outras, as aplicações de Voz que estabelecem novas conexões a cada chamada. O estabelecimento de uma chamada é comparável ao uso normal de telefone, onde a aplicação de usuário especifica um número de destinatário para completar a chamada, e o SVC é estabelecido entre as portas de origem e destino Camada ATM Para representar exatamente o modelo ATM, duas camadas precisam ser definidas, a primeira chamada de Camada ATM e a outra chamada de ATM Adaptation Layers (AAL). Figura 9 Modelo Camada ATM 9 9 Adaptado de [13] 21

33 As obrigações dos três planos de comunicação são descritos pelo ITU-T da seguinte maneira: 1) Plano do usuário transporta os dados do usuário para aplicação, isso usa a física ATM e ATM camada de adaptação. 2) Plano de controle cuida do, estabelecimento, comunicação e queda da conexão do usuário. A ponto chave para isso é a sinalização. 3) Plano de gerenciamento incluí a camada de gerenciamento e o plano de gerenciamento. A camada de gerenciamento, monitora e coordena as tarefas de camadas individuais. O plano de gerenciamento monitora estas tarefas na rede Camada Física A camada física é a única camada do ATM que tem conexão física com outro sistema. No ATM não é especificado um meio de transporte particular. Os meios preferidos para utilização no centro da rede, isto é, para interligação entre switchs ATM é o SDH e o SONET, pois estas tecnologias garantem alta banda e baixa taxa de erro. O PDH e os métodos de transmissão assíncronos também podem ser utilizados Camada ATM A pricipal função da camada ATM é transportar e multeplexar as células ATM. Para fazer isto, a camada ATM adiciona ao cabeçalho da célula os dados recebidos da camada AAL (ATM Adaptation Layer). Estes cabeçalhos contem todas as informações sobre controle e endereçamento das células. As células com funções especiais, com as células de OAM, são marcadas como tais. O cabeçalho de dados é protegido contra erros usando um procedimento de CRC (Cyclic Redundancy Check), a camada ATM avalia as informações de VPI e VCI das células ATM de entrada Camada AAL (ATM Adaptation Layer) A camada AAL (ATM Adaptation Layer), como o próprio nome diz, é responsável por adaptar os dados das camadas superiores para o formato do campo de informação das células ATM. A camada AAL também determina os serviços a serem utilizados. A camada AAL reconstrói 22

34 a linha de dados original dos campos de informação e equaliza as variações de atrasos nas células. Adaptação de protocolos para camadas superiores também é função desta camada. Para atender as várias necessidades da comunicação de dados, quatro classes de serviços foram criadas. Os tipos de serviços são nomeados como: AAL1, AAL2, AAL3/4, e AAL5. AAL Tipo 1 - é utilizado para transportar aplicações que não permitem atraso e que necessitem de uma taxa constante, como sinais de voz e vídeo, e para emular caminhos PDH, como a estrutura E1 e DS1. A correção dos bits errados e de células perdidas e feita pelo campo SN (Numeração de Sequência). Dependendo da rede e da camada a correção e indicação de erro podem ou não ser usada. AAL Tipo 2 - é usado para serviços que não permitem atraso com taxa de bits variável, como vídeo e áudio compactado ou comprimido, como utilizado em sistemas celulares. AAL Tipo 3/4 - tem como função fazer a adaptação de circuitos chaveados para o formato de células ATM. A área de aplicação é interligando redes locais (LAN) e transmitindo dados usando ATM. Duas subcamadas adicionais são utilizada para descrver a função. A subcamada de convergência que é subdividida em Commom Part Convergence Sublayer (CPCS) que é a subcamada de convergência de caminho comum e a Service Specific Convergence Sublayer (SSCS) que é a subcamada de convergência de serviço específico. As informações são adicionadas das camadas superiores para as subcamadas SSCS e CPCS como na subcamada SAR. Esta informação é usada, por exemplo, para proteção contra erro e controle de fluxo. Figura 10 Camada AAL Tipo 3/4 10 AAL Tipo 5 - originalmente denominada SEAL (Simple and Efficiente Adaptation Laye), a AAL tipo 5 foi criada para necessidades especiais de Frame-Relay e TCP/IP. 10 Adaptado de [13] 23

35 Os dados vindo da SSCS são completados com informações adicionais. Isto assegura que o tamanho dos dados sempre sejam divisivel por 4. O tamanho do campo indica o número de bytes na SAR PDU (de 1 até no máximo 65535). Depois disso, os pacotes de dados formados desta maneira são representados na camada SAR por seguimentos de 48 bits Classes de serviços O tratamento dos diversos tipos de serviços do ATM é feito na camada AAL. Para tanto foram definidos tipos de serviços, baseado na qualidade de serviço esperada: CBR, VBR, ABR e UBR. CBR (Constant Bit Rate) é aplicado a conexões que necessitam de banda fixa (estática) devido aos requisitos de tempo bastante apertados entre a origem e o destino. Aplicações típicas deste serviço são: áudio interativo (telefonia), distribuição de áudio e vídeo (televisão, pay-perview, etc), áudio e vídeo on demand, e emulação de circuitos TDM. VBR (Variable Bit Rate) pode ser de tempo real ou não. Na modalidade tempo real (rt- VBR), é aplicado a conexões que tem requisitos apertados de tempo entre origem e destino, porém a taxa de bits pode variar. Aplicações típicas deste serviço são voz com taxa variável de bits e vídeo comprimido (MPEG, por exemplo). Não tempo real (nrt-vbr), o VBR pode ser utilizado com ou sem conexão, a destina-se a conexões que, embora críticas e com requisitos de tempo apertados, podem aceitar variações na taxa de bits. Aplicações típicas deste serviço são os sistemas de reserva de aviação, home banking, emulação de LAN s e interligação de redes com protocolos diversos (interação com redes Frame Relay, etc.). ABR (Available Bit Rate) é aplicado a conexões que transportam tráfego em rajadas que podem prescindir da garantia de banda, variando a taxa de bits de acordo com a disponibilidade da rede ATM. Aplicações típicas deste serviço também são as interligações entre redes (com protocolo TCP/IP, entre outros) e a emulação de LAN s onde os equipamentos de interfaces têm funcionalidades ATM. UBR (Unspecified Bit Rate) é aplicado a conexões que transportam tráfego que não tem requisitos de tempo real e cujos requisitos e atraso ou variação do atraso são mais flexíveis. 24

36 Aplicações típicas deste serviço também são as interligações entre redes e a emulação de LAN s que executam a transferência de arquivos e s. Figura 11 Categoria de serviços ATM Adaptado de [13] 25

37 Figura 12 Aplicações Categorias e Serviços ATM Controle de tráfego Os serviços ATM são classificados de acordo com vários critérios: - Tipo de serviço, caracterizado pelo parâmetro de tráfico. - Qualidade do serviço, caracterizado pelo parâmetro de QoS (Quality of Service). Os parâmetros de tráfego definem o tipo de serviço: Peak Cell Rate (PCR): Define a máxima taxa de bit que pode ser transmitida pela fonte. 12 Adaptado de [13] 26

38 Cell Delay Variation Tolerance (CDVT) Peak: É a tolerância na variação do atraso com referência a máxima taxa de bit transmitida. Sustainable Cell Rate (SCR): É a média máxima de taxa de células que pode ser transmitida pela fonte. Cell Delay Variation Tolerance (CDVT) Sustained: É a tolerância de atraso com relação a máxima média de taxa de células. Maximum Burst Size (MBS) / Burst Tolerance (BT): Tempo máximo ou número de células no qual a fonte pode transmitir o PCR. Minimum Cell Rate: Taxa mínima de célula garantida pela rede (pelo ABR). Figura 13 Parametros de Tráfego ATM Gerenciamento de Tráfego Para assegurar que a qualidade dada ao serviço será mantido dentro de toda rede ATM, é importante que a rede não esteja sobrecarregada. Uma conexão individualmente, não pode influenciar outras, para que não haja uma redução na qualidade. Controles e mecanismos de regulação foram introduzidos para permitir que diferentes canais virtuais trabalhem juntos sem problemas. Estas medidas são conhecidas como Gerenciamento de Tráfego (Traffic Management). 13 Adaptado de [13] 27

39 Funções do Gerenciamento de Tráfego Connection Admission Control (CAC) O controle de admissão de conexão checa durante o estabelecimento de uma conexão se a conexão pode manter o QoS solicitado e se não afetara as conexões já existentes dentro do contrato de tráfego. Usage Parameter Control (UPC) ou Policing: O parâmetro de controle de uso ou policiamento monitora se os parâmetros de tráfego contratados estão sendo respeitados. Células que não estiverem conforme contratada são marcadas de acordo, isto é, CLP-1. Cell Loss Priority Control O controle de prioridade de células perdidas assegura que as células marcadas com CLP-1 são rejeitadas caso seja necessário. Traffic Shaping É feito pelo terminal do usuário e alguns elementos de rede asseguram que a linha de células são transmitidas, conforme o tráfego contratado durante todo o tempo. GCRA (Generic Cell Rate Algorithm) O algorítimo de taxa de célula genérica, também conhecido como leaky bucket algorithm, é empregado pelo UPC e pelo Traffic Shaping. Os parâmetros de PCR, SCR, e MBS são controlados com o cuidado do GCRA. A princípio ele pode ser ilustrado como um balde furado. Supondo que o balde esta cheio de células ATM. O furo no balde é grande o suficiente par garantir que o balde não transborde quando células ATM, de acordo com o padrão, são recebidas. As células são marcadas (CLP-1) se ele chegar a uma certa capacidade. No algorítimo isto é feito usando contadores de células, este contador é incrementado a cada célula de entrada, a taxa de vazão no algorítimo é a taxa de decremento que reduz o valor do contador dentro de certos intervalos. Esta taxa é dada por uma taxa de células considerando 1/PCR, e dada por uma distância mínima entre entre duas células consecutivas. Este tempo entre células é determinado através do controle de tráfego ou configurado pelo provedor de rede e é chamado de CDVT (cell delay variation tolerance). Se o contador exceder determinado valor não estaram de acordo com o contratado. Quando isso acontecer as células podem ser marcadas (CLP-1) ou descartadas. Este algorítimo pode monitorar tanto o parâmetro de PCR e SCR ou somente um dos dois. 28

40 Figura 14 Ilustração do Algoritimo leaky bucket ou balde furado Interoperabilidade com a rede Frame Relay Para buscar aumentar a interoperabilidade do ATM com outros protocolos de dados, ATM Fórum e o FR Fórum desenvolveram padrões para interligar equipamentos dessas tecnologias através de PVC s. Foram padronizadas duas formas de interoperabilidade. A primeira, chamada de Frame Relay/ATM Network Interworking for PVC s, padroniza uma funcionalidade responsável pelo encapsulamento dos PVC s para que os mesmos possam ser transportados indistintamente nas redes da 2 tecnologias. Seu uso típico ocorre quando a rede Frame Relay tem com núcleo uma rede ATM, para otimizar ainda mais o uso de banda e a segurança. 14 Adaptado de [13] 29