ATM Asynchronous Transfer Mode. ATM princípio de funcionamento

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1 ATM Asynchronous Transfer Mode Comutação FEUP/DEEC Redes de Banda Larga MIEEC 2009/10 José Ruela ATM princípio de funcionamento O Modo de Transferência Assíncrono (Asynchronous Transfer Mode ATM) é uma tecnologia rápida de comutação de pacotes, orientada à conexão A unidade de transmissão e comutação designa-se célula (pacote de comprimento fixo e pequeno) As células são transportadas em Circuitos Virtuais (comutados ou permanentes) O processo de comutação é simplificado, uma vez que não são suportados nos nós da rede mecanismos complexos de controlo de erros e de fluxo Os fluxos de células de vários Circuitos Virtuais são multiplexados e competem pelos recursos da rede São necessárias filas de espera para arbitrar o acesso aos recursos partilhados (resolução de conflitos de curto prazo) Visto que uma rede ATM suporta serviços com diferentes características e diferentes requisitos de Qualidade de Serviço (QoS), são necessários mecanismos de controlo de tráfego que permitam diferentes tipos de reserva e atribuição de recursos aos fluxos em competição, com exploração de multiplexagem estatística quando tal for possível

2 ATM multiplexagem e comutação fonte a fonte b fila de espera fluxo multiplexado de células fonte c b c a c y c z y 1 M comutação espacial comutação de etiqueta 1 2 N k n n g m h k g Entrada Saída Porta CV Porta CV 1 a b c 2 1 N n n g cabeçalho dados a, b, c,... indicador de canal virtual t controlo de comutação t M y z c 1 N 2 k h m Tabela de translação de portas / canais virtuais ATM multiplexagem estatística É inerente ao modo de operação do ATM que a ocupação de células de um CV seja irregular (assíncrona), não obedecendo a um padrão pré-definido A multiplexagem e comutação de células ATM origina variações de débito e atraso, pelo que a ocupação de células num CV depende do próprio padrão de tráfego (débito constante ou variável) submetido ao CV, mas também da disponibilidade e modo de atribuição dos recursos objecto de competição A importância das variações instantâneas do débito e do atraso depende dos requisitos de Qualidade de Serviço; a existência de tráfego com débito variável possibilita a exploração de multiplexagem estatística A multiplexagem estatística permite aumentar a eficiência na utilização de recursos A multiplexagem estatística aumenta a probabilidade de conflitos no acesso a recursos, originando situações de sobrecarga que agravam os atrasos e podem mesmo originar perdas (overflow de buffers) O grau de multiplexagem estatística (ganho estatístico) resulta assim de um compromisso entre eficiência e QoS o que exige negociação de contratos por CV e uma caracterização rigorosa do tráfego e dos objectivos de QoS

3 ATM reserva e atribuição de recursos A necessidade de satisfazer diferentes requisitos de QoS exige que numa rede ATM se considerem classes de tráfego que serão objecto de tratamento diferenciado no que se refere à reserva e atribuição de recursos A reserva de recursos está associada ao processo de aceitação de uma chamada A atribuição de recursos é um processo dinâmico face ao tráfego em competição Podemos considerar genericamente três tipos de requisitos de QoS a que correspondem três possíveis estratégias diferentes de reserva de recursos Reserva determinística, que permite oferecer garantias estritas (e.g., atraso máximo não excedido) a serviços com requisitos de tempo real Reserva estatística, que permite oferecer garantias expressas em termos probabilísticos a serviços com débito variável sem requisitos de tempo real (e.g., garantia de débitos e atrasos médios, mas atraso máximo não controlado) Ausência de reserva, para serviços best-effort aos quais não são oferecidas quaisquer garantias As estratégias de atribuição de recursos procuram satisfazer os requisitos de QoS de cada classe de tráfego face ao tráfego instantâneo, à atribuição corrente de recursos às várias classes e à disponibilidade de recursos Transparência temporal Idealmente caracteriza a possibilidade de a rede transportar informação num tempo mínimo (atraso mínimo e variação do atraso nula) Esta propriedade é importante em serviços com requisitos de tempo real, caracterizados pela geração e envio de fluxos contínuos de informação (com débito constante ou variável), de modo a preservar as características temporais da informação trocada entre emissor e receptor Na prática traduz a possibilidade de a rede transportar informação com atrasos controlados (isto é, com controlo quer do atraso máximo quer da variação do atraso) O receptor pode assim compensar a variação do atraso (delay jitter), reconstituindo um fluxo contínuo com propriedades temporais idênticas às do fluxo gerado pelo emissor

4 Componentes do atraso Numa rede ATM existem vários factores que contribuem para o atraso, sendo alguns específicos da tecnologia ATM Atraso de propagação depende da distância Atraso de transmissão corresponde ao tempo de transmissão das células Atraso de comutação corresponde ao atraso nos comutadores Atraso fixo de comutação é inerente à arquitectura de comutação, mas em geral é pequeno (representa o atraso mínimo de comutação, que ocorre quando a fila de espera se encontra vazia) Atraso de fila de espera resulta da necessidade de usar filas de espera para arbitrar o acesso a recursos partilhados e reduzir a probabilidade de perda de pacotes; esta componente do atraso é variável e depende da carga na rede Atraso de empacotamento esta componente do atraso está presente em serviços de tempo real e representa o tempo necessário para acumular os bits a transmitir numa célula; depende do débito do serviço e do tamanho do campo de informação (payload) da célula Atraso de desempacotamento esta componente do atraso existe nos serviços de tempo real e resulta da necessidade de compensar a variação do atraso (delay jitter); a soma dos atrasos de desempacotamento e de fila de espera deve ser constante (coincidindo com o atraso máximo de fila de espera) Atraso em serviços de tempo real Probability Density 1 - Cell Transfer Delay Fixed Delay Peak-peak CDV maxctd Cells Delivered Late or lost

5 Controlo do atraso Os serviços de tempo real requerem controlo estrito do atraso por parte da rede A reserva de recursos e a atribuição de prioridade mais elevada no escalonamento permite usar filas de espera pequenas e garantir uma pequena probabilidade de perdas O atraso em fila de espera é tanto menor quanto menor for o tamanho da célula O atraso de empacotamento é tanto menor quanto menor for o tamanho da célula e maior o débito do serviço O serviço de voz constitui um caso crítico (por exemplo, a norma G.164 especifica a utilização de canceladores de eco quando o atraso excede 25 ms, numa direcção) Considerando o caso de um serviço de voz com um débito igual a 64 kbit/s e um payload da célula ATM de 48 octetos, o atraso de empacotamento é igual a 6 ms (este valor do atraso deve ser contabilizado na rede de acesso) Transparência semântica Idealmente caracteriza a possibilidade de a rede transportar informação sem erros, garantindo a sua integridade e fidelidade Na prática traduz a possibilidade de a rede transportar informação com um número de erros limitado, cujo valor aceitável depende do serviço Os serviços de dados requerem integridade da informação (transparência semântica) A estratégia de não recuperação de erros em redes ATM remete o controlo para os sistemas terminais, que efectuam retransmissão extremo-a-extremo Embora os atrasos não sejam críticos, é vantajoso reduzir a taxa de perdas na rede e evitar avalanches de retransmissões, pois a perda de uma única célula determina a perda do respectivo pacote (e a inutilidade das outras células do mesmo pacote) e a necessidade da sua completa retransmissão Os serviços de tempo real não toleram os atrasos inerentes a mecanismos de retransmissão extremo-a-extremo A taxa de perdas na rede deve ser controlada de acordo com os requisitos do serviço; do ponto de vista do serviço, pacotes entregues com atrasos que excedam um valor pré-definido são descartados pelo receptor, pelo que produzem o mesmo efeito que pacotes perdidos na rede

6 Perda de células em redes ATM Possíveis causas de perda de células em redes ATM Erros de transmissão Torna-se necessário definir uma estratégia de protecção do cabeçalho e/ou do payload da célula e possíveis acções A estratégia de protecção deve ter em conta os tipos de erros As consequências dos erros de transmissão dependem da estratégia de detecção e/ou correcção adoptada Uma consequência possível é naturalmente o descarte de células Erros de interpretação do cabeçalho podem causar perda e inserção errada de células (entrega num destino diferente do pretendido) Congestionamento nos nós da rede O overflow de buffers tem como consequência o descarte de células O descarte de células pode ser feito de forma selectiva e inteligente Atrasos na rede Para serviços de tempo real, células recebidas com atraso superior a um valor crítico são consideradas perdidas pelo serviço Erros de transmissão em redes ATM A estratégia de protecção de células adoptada em redes ATM foi definida tendo em conta o impacto dos erros de transmissão no cabeçalho e no payload das células Erros simples são erros não correlacionados, com frequência de ocorrência muito baixa (o que não impede que possam ocorrer numa célula múltiplos erros simples independentes) Não se justifica o overhead de detectar erros simples no payload, dada a sua muito baixa frequência de ocorrência A importância do cabeçalho da célula no seu encaminhamento justifica a detecção (e eventual correcção) de erros simples no cabeçalho, com o objectivo de evitar a entrega de células no destino errado (misrouting) Erros em burst ocorrem normalmente durante operações de manutenção; podem afectar o cabeçalho e o payload de uma célula e eventualmente de múltiplas células Não se justifica a detecção deste tipo de erros no payload, já que a célula será provavelmente descartada devido a erros no cabeçalho Não se justifica a complexidade da correcção do cabeçalho, pois para além do risco de correcção errada, o payload estará provavelmente afectado; é preferível detectar este tipo de erros e descartar a célula

7 Estratégia de protecção do cabeçalho O cabeçalho das células deve ser protegido para evitar encaminhamento errado (misrouting) Justifica-se um mecanismo de correcção de erros simples, pela simplicidade e vantagens que oferece Erros em burst devem ser detectados mas não corrigidos Uma tentativa de correcção pode agravar o problema, pois existe o risco de misrouting devido a uma correcção errada A correcção, mesmo se bem sucedida, seria possivelmente inútil, dada a elevada probabilidade de erro no payload Torna-se assim necessário um mecanismo que Detecte erros simples e os corrija (excepto em casos excepcionais) Detecte erros em burst e os distinga de erros simples, permitindo o descarte das células em vez duma tentativa de correcção Se adapte ao tipo de erro Detecção/correcção de erros no cabeçalho O cabeçalho das células é protegido por um código cíclico A ocorrência de erros no cabeçalho de células consecutivas, ainda que sejam erros simples, é tratada como no caso de um burst de erros Os erros simples apenas são corrigidos se ocorrerem em células não consecutivas ou na primeira célula de uma sequência (burst) de células com erro(s) no cabeçalho O sistema alterna entre dois estados (modos) Modo de correcção Na ausência de erros, o sistema encontra-se no modo de correcção Se for detectado um erro simples, o erro é corrigido, a célula é aceite e o sistema passa para o modo de detecção Se for detectado um erro múltiplo, o erro não é corrigido, a célula é descartada e o sistema passa para o modo de detecção Modo de detecção Enquanto forem detectados erros (simples ou múltiplos), as células são descartadas e o sistema mantém-se no modo de detecção Quando for detectada uma célula sem erro, esta é aceite e o sistema passa para o modo de correcção

8 Detecção/correcção de erros no cabeçalho célula sem erros célula válida célula com erro(s) célula rejeitada célula sem erros célula válida modo de correcção (normal) célula com 1 erro correcção cabeçalho célula válida célula com múltiplos erros célula rejeitada modo de detecção Consequências da estratégia de protecção Erros no payload Eventuais erros no payload não são detectados Uma célula que apenas tenha erro(s) no payload não será descartada e será entregue no destino correcto; a detecção e recuperação compete a protocolos de mais alto nível Erros no cabeçalho No caso de se tratar de erro simples, o erro é detectado e pode ser correctamente corrigido (se no modo de correcção), pelo que a célula será entregue no destino correcto No caso de se tratar de erro múltiplo Se o erro for detectado como erro múltiplo, não há qualquer tentativa de correcção e a célula é descartada O erro pode não ser detectado ou pode ser detectado como erro simples e corrigido erradamente Se o cabeçalho resultante for válido, a célula é mal encaminhada (misrouting) Se o cabeçalho resultante não for válido, a célula é descartada

9 Células erradas, perdidas e mal inseridas Célula errada Entregue no destino correcto, mas apenas com erro no payload Célula perdida Descartada pela rede Overflow Erro no cabeçalho detectado, mas tomada a decisão de não corrigir Erro no cabeçalho não detectado ou detectado e mal corrigido, mas cabeçalho inválido Descartada pelo destinatário Célula inútil para o serviço por ter excedido o atraso máximo Célula perdida / mal inserida Célula mal encaminhada (misrouting) Erro no cabeçalho não detectado ou detectado e mal corrigido, mas cabeçalho válido Campo de Informação das células ATM Na definição do campo de Informação (payload) das células ATM consideraram-se vários aspectos e diversos critérios na avaliação das possíveis alternativas Opção entre comprimento fixo ou variável Especificação da dimensão do payload (definição do valor máximo, no caso de se optar por comprimento variável) Na discussão que se segue apresentam-se e analisam-se argumentos que foram tidos em conta na decisão que veio a ser tomada pelo ITU-T

10 Payload fixo ou variável critérios Eficiência Pacotes de comprimento variável requerem um cabeçalho maior (suporte à função de delineação), mas a eficiência aumenta com o tamanho do pacote Ao fragmentar pacotes de dados para transporte em células ATM de comprimento fixo, a última célula ficará em geral parcialmente cheia As vantagens de pacotes de comprimento variável são marginais, se se considerar a necessidade de limitar o seu tamanho (em particular com o objectivo de reduzir os atrasos) A utilização de pacotes de muito pequena dimensão compromete a eficiência (visto o overhead do cabeçalho ser fixo) Considerando valores mínimos e máximos relativamente próximos acaba por não se tirar partido de usar comprimentos variáveis Fragmentação de pacotes em células A figura representa a eficiência associada ao processo de fragmentação de pacotes, em função do seu comprimento Considera-se uma célula ATM com 5 octetos de cabeçalho e 48 de payload Consideram-se tramas AAL5 que acrescentam 8 octetos ao pacote a fragmentar ATM (135,632) SONET/SDH (149,760) Physical (155,520) Throughput (Mbit/s) AAL User data (bytes)

11 Payload fixo ou variável critérios Velocidade de operação Processamento do cabeçalho Se o comprimento da célula for fixo, o tempo disponível para processar o cabeçalho é constante e conhecido (por exemplo, 2.7 s com células ATM com 53 octetos e transmissão a 155 Mbit/s) Se o comprimento for variável, o tempo crítico de processamento é definido pela dimensão do pacote mais pequeno Gestão de memória A gestão de memória é simples se as células tiverem comprimento fixo (a memória é atribuída em unidades do mesmo tamanho) A atribuição e gestão de blocos de memória é mais complexa com pacotes de comprimento variável Payload fixo ou variável critérios Tamanho de memória (filas de espera) O dimensionamento do espaço em memória requerido pelas filas de espera depende da carga na rede e da probabilidade de perda de pacotes aceitável; no caso de pacotes de comprimento fixo o dimensionamento da memória é simples (número de pacotes multiplicado pelo respectivo tamanho) No caso de pacotes de comprimento variável seria necessário conhecer a distribuição dos tamanhos dos pacotes e a combinação de serviços para um dimensionamento eficiente do espaço em memória; a alternativa simples e conservadora consiste em fazer o dimensionamento tendo em conta o comprimento máximo dos pacotes (o que provoca desperdício) Atraso A redução dos atrasos em fila de espera requer a redução do tamanho dos pacotes A necessidade de reduzir o tamanho dos pacotes reduz a sua possível gama de variação, pelo que se perdem os efeitos associados ao tamanho variável

12 Opção por payload fixo Pesando o compromisso entre os critérios de eficiência e de atraso, concluiu-se pela vantagem de reduzir os atrasos, sacrificando um aumento marginal da eficiência A consequente redução do tamanho dos pacotes implicaria uma gama de tamanhos relativamente pequena, caso se optasse por pacotes de comprimento variável Neste contexto, o ITU-T optou por uma dimensão fixa do payload das células ATM (e portanto das próprias células), dadas as vantagens adicionais Menor complexidade da gestão de memória e de buffers associados às filas de espera Requisitos de processamento conhecidos, pois o intervalo de tempo entre células é constante Uma vez tomada esta decisão, tornava-se necessário definir um valor para a dimensão do payload das células ATM Dimensão do payload critérios Eficiência Tamanhos elevados têm teoricamente a vantagem duma maior eficiência Como contrapartida, o processo de fragmentação de pacotes de dados causa um maior desperdício na ocupação da última célula Igualmente poderia obrigar ao envio de células parcialmente cheias, no caso de serviços de voz, para reduzir o tempo de empacotamento Complexidade de implementação Com o aumento do tamanho das células diminui a velocidade de processamento requerida, enquanto que com a redução do tamanho diminui a quantidade de memória necessária Atraso A diminuição do tamanho das células tem como consequência a diminuição do tempo de empacotamento, do tempo de comutação (forwarding) e do tempo de transmissão A fragmentação de pacotes longos permite reduzir os tempos de espera de pacotes curtos, permitindo maior flexibilidade na multiplexagem de vários tipos de tráfego

13 Dimensão do payload A eficiência e o tempo de processamento do cabeçalho são favorecidos com células de maior dimensão A necessidade de controlar os atrasos, especialmente os de empacotamento, requer células pequenas O serviço de voz (64 kbit/s) assumiu um papel importante na escolha da dimensão do payload Um tamanho de 32 octetos dispensaria o recurso a canceladores de eco Um tamanho de 64 octetos exigiria canceladores de eco ou o envio de células parcialmente cheias O ITU-T acabou por optar, como compromisso, por um tamanho do payload das células ATM de 48 octetos Funcionalidade do cabeçalho O cabeçalho das células ATM tem uma funcionalidade reduzida, com o objectivo de simplificar o processamento e assim aumentar a velocidade de comutação Principais funções associadas ao cabeçalho Identificação de conexões (circuitos) virtuais Protecção do cabeçalho (detecção e correcção de erros) Outras funções possíveis Delineação de células Indicação do tipo de célula Indicação de prioridades Controlo de acesso múltiplo

14 Identificação de circuitos virtuais Um circuito virtual tem associado um caminho fixo na rede Um circuito virtual forma-se pela concatenação de canais virtuais entre nós da rede Os identificadores de circuitos virtuais têm significado local, isto é, identificam os canais virtuais que formam o circuito virtual Numa rede ATM, circuitos virtuais diferentes podem partilhar o mesmo caminho (se estabelecidos entre os mesmos pontos de acesso) ou podem ter partes dos seus caminhos comuns Pode ser vantajoso tratar em conjunto grupos de canais virtuais que pertençam a circuitos virtuais com caminho ou parte do caminho comum; uma forma de conseguir este objectivo consiste em estruturar os identificadores de circuito virtual em duas partes VPI Virtual Path Identifier (Identificador de Caminho Virtual) VCI Virtual Channel Identifier (Identificador de Canal Virtual) Canais e Caminhos Virtuais Um Caminho Virtual (VP Virtual Path) constitui uma forma de agrupar (encapsular) Canais Virtuais (VC Virtual Channel), permitindo que sejam tratados em conjunto Esta estruturação e a exploração do conceito de VP requer dois tipos de equipamento de comutação Comutadores de VP (VP Switches) Comutam grupos de canais virtuais (não alteram o valor de VCI) Estes comutadores são tipicamente cross-connects Comutadores de VC (VC Switches) Comutam individualmente canais virtuais A comutação de VC implica que estes comutadores realizem igualmente comutação de VP Os canais virtuais são desencapsulados, comutados e novamente encapsulados noutro VP

15 Comutador de VP Comutador de VP e VC

16 Ligações / conexões de Canal Virtual Canal Virtual (Virtual Channel) Termo que designa uma capacidade de transporte unidireccional de células ATM relacionadas por um identificador comum (VCI / VPI) Ligação de Canal Virtual (Virtual Channel Link VCL) Meio de transporte unidireccional de células ATM de um canal virtual, entre um ponto em que um VCI é atribuído e outro em que esse valor é traduzido ou removido Um VCL termina em end-systems ATM ou em comutadores de VC Um VC Link é identificado num VPC por um VCI próprio Conexão Virtual (Virtual Channel Connection VCC) Concatenação de VC Links Definida entre VCC endpoints, isto é, pontos em que a camada ATM é acedida (a partir de AAL) Ligações / conexões de Caminho Virtual Caminho Virtual (Virtual Path) Termo que designa uma capacidade de transporte unidireccional de células ATM pertencentes a canais virtuais relacionados por um identificador comum (VPI) Ligação de Caminho Virtual (Virtual Path Link VPL) Meio de transporte unidireccional de células ATM de vários canais virtuais agrupados num VPC, entre um ponto em que um VPI é atribuído e outro em que esse valor é traduzido ou removido Um VPL termina em end-systems ATM ou em comutadores de VP Um VP Link é identificado por um VPI próprio Conexão de Caminho Virtual (Virtual Path Connection VPC) Concatenação de VP Links Definidaentre VPC endpoints em end-systems ou comutadores de VC (pontos em que um VCI é atribuído, traduzido ou removido)

17 Exemplo A figura representa três conexões virtuais (VCC) entre dois end-systems ATM As três conexões virtuais partilham o mesmo caminho Cada um dos VCC forma-se pela concatenação de VCL (realizada pelos comutadores VC) Cada grupo de VCL é encapsulado num VPC Um VPC pode encapsular VCLs de outras conexões virtuais (não representadas) AAL VCI = 1, 3, 4 VCI = 5, 1, 2 VCI = 3, 6, 1 AAL VC VC VC VC VP VP VP VP VP VPI = 2 VPI = 5 VPI = 3 VPI = 4 VPI = 6 VP VPL VPL VPL VPL VPL VPC VPC VPC VCL VCL VCL VCC Comutação de Caminhos Virtuais VPI=9 VCI=3, 4 VPI=7 VCI=1, 2, 3 comutador VP VPI=5 VCI=1, 2, 3 comutador VP VPI=8 VCI=1, 2, 3 VP in VP out 5 8 VP out VP in VPI=6 VCI=3, 4 VP in VP out 6 3 comutador VP VPI=3 VCI=3, 4

18 Gestão de Caminhos Virtuais O controlo de VPs envolve o cálculo de rotas, a atribuição de capacidade e a manutenção de informação de estado das conexões O estabelecimento de uma conexão / circuito virtual (VCC) pressupõe a existência de VPCs com capacidade disponível É necessário guardar a informação de estado do circuito virtual e o mapeamento dos valores VPI/VCI A comutação de VPs oferece diversas vantagens Encaminhamento mais eficiente novos VCs podem usar VPs existentes, sendo apenas necessário atribuir valores de VCI livres; pode ser necessário escolher entre VPs alternativos Comutação mais simples é necessário comutar apenas o valor VPI em todos os canais virtuais que partilham o mesmo VP A comutação conjunta de grupos de VCs permite Reencaminhamento mais fácil em caso de falhas Agrupamento de circuitos virtuais por Qualidade de Serviço Constituição de redes privadas virtuais VPs constituem um instrumento de gestão dos operadores, permitindo reduzir os custos com o controlo da rede as acções de gestão são aplicadas a grupos de conexões agregadas numa entidade única e não a um número elevado de conexões individuais Hierarquia de transmissão camada ATM nível canal virtual nível caminho virtual conexão de canal virtual (VCC) ligação VC (VCL) conexão de caminho virtual (VPC) ligação VP (VPL) camada física nível caminho transmissão nível secção digital nível secção regenerador caminho de transmissão secção digital secção regenerador ponto terminal do nível respectivo ponto intermédio do nível respectivo

19 Protecção do cabeçalho O cabeçalho das células ATM inclui um campo HEC (Header Error Control) de oito bits, com capacidade de correcção de erros simples e detecção de erros múltiplos O polinómio gerado pelos bits do cabeçalho é multiplicado por x 8 e dividido por x 8 + x 2 + x + 1 (polinómio gerador) Ao padrão resultante do resto da divisão é adicionado pelo emissor o padrão fixo Delineação de células Foram consideradas (e rejeitadas) várias alternativas para delineação de células ATM Inserção de flags e bit stuffing Uso de células vazias (idle) Uso de células regulares de sincronização Sem prejuízo de mecanismos específicos de algumas interfaces físicas, o método geral de delineação de células baseia-se na correlação entre os bits do cabeçalho a proteger e os bits do HEC; para aumentar a robustez do método, o payload da célula é sujeito a scrambling HECs incorrectos consecutivos bit a bit procura sincron. célula a célula HEC correcto HEC incorrecto HECs correctos consecutivos présincron. célula a célula = 7 = 6 (SDH) 8 (células)