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Giorgio Ventre » 11.ATM


Reti ATM

  • L’header ATM
  • Lo stack protocollare di ATM
  • Il livello fisico
  • L’architettura degli switch ATM
  • Il livello adattamento di ATM
  • IP over ATM

Asyncronous Transfer Mode (ATM)

  • Il termine Asynchronous in ATM è in contrasto col Synchronous Transfer Mode (STM) che fu proposto per primo e che era basato sulla gerarchia SONET/SDH
  • Transfer Mode si riferisce d una tecnica di telecomunicazione

Asyncronous Transfer Mode (ATM)

  • ATM è stato standardizzato dall’ITU-IT (CCITT) nel 1988 come il transfer mode di B-ISDN
  • Può trasportare una grossa varietà di tipi di traffico:
    • Voce
    • Video
    • Dati
  • A velocità che arrivano fino a 2,4 Gbps

Asyncronous Transfer Mode (ATM)

  • Questi differenti tipi di traffico richiedono differenti requisiti di Quality-of-Service (QoS):
    • Packet loss (percentuale di pacchetti persi)
    • End-to-end delay (ritardo punto-punto)
  • ATM, a differenza di IP, può fornire un differente livello di QoS per ogni connessione

Architettura di ATM

Assunzioni

  • ATM è una metodologia di trasferimento cell-based e connection oriented ( orientata alla connessione)
  • ATM può allocare banda in maniera dinamica
  • ATM può gestire in maniera dinamica le specifiche per la QOS
  • ATM utilizza la fibra ottica, e apparati di elevata qualità che garantiscono una probabilità di errore molto bassa
  • I dispositivi che devono essere collegati ad una rete ATM possono anche essere molto semplici, ad esempio come un telefno
  • ATM è organizzata come una gerarchia, come le attuali reti telefoniche

ATM, i principi fondamentali

  • La connessione dell’utente con la rete ATM viene realizzata utilizzando una User Network Interface (UNI), mentre connessioni tra reti vengono realizzate utilizzando Network Network Interface.
  • Ogni canale è identificato da un Virtual Channel Identifier (VCI) e da un Virtual Path Identifier (VPI)
  • La bassa probabilità di errore genera errori di sorgente molto pericolosi. Esempio: può verificarsi la caduta di una cella a causa di una temporanea congestione di uno switch ATM
  • Per consentire la connessione tra dispositivi semplici, le reti devono eseguire molteplici funzioni e devono offrire servizi addizionali

Architettura ATM

Pacchetti Vs Celle

  • Una cella è una entità dato di dimensione piccola e costante
  • Lo scheduling risulta quindi più efficiente e manegevole

Architettura ATM

Dai pacchetti alle Celle

  • La transizione dai pacchetti alle celle potrebbe essere inefficiente
  • Le celle perse possono provocare un impatto critico

Architettura ATM

  • Informazioni sulle celle: perché 48 bytes?
    • 48 Bytes = 384 bits = 6 msec di un PCM audio a 64 Kbps
  • Con 48 bytes di payload, bisogna utilizzare uno schema di indirizzamento molto piccolo ed efficiente
  • Solo 5 byte addizionali sono riservati per l’indirizzamanto, il controllo ed il check sui campi dell’header
    • dimensione della cella = 5 + 48 = 53 bytes

Architettura ATM

  • Lo switching viene eseguito in modalità per-connection
    • Connection ID nell’header della cella
    • Switching cut-through
    • Switching basato sull’hardware
  • Le connessioni vengono identificate da due elementi
    • Virtual Channel Identifier (VCI)
    • Un concetto per descrivere il trasporto di celle unidirezionale
    • Virtual Path Identifier (VPI)
    • Un concetto per descrivere un insieme di virtual channel
    • Entrambi gli identificatori hanno validità locale

Architettura ATM


Alcune caratteristiche di ATM

  • Rete a commutazione di pacchetto orientata alla connessione
  • Dimensione della cella fissata di 48+5 bytes
  • Nessuna protezione dagli errori sulla connessione link-by-link
  • Nessun controllo di flusso sulla connessione link-by-link
  • Consegna delle celle nell’ordine con cui vengono trasmesse
Dimensione della cella fissata di 48+5 bytes

Dimensione della cella fissata di 48+5 bytes


La struttura della cella ATM


I campi dell’header della cella ATM

  • GFC: (Generic Flow Control)
  • Connection Identifier: VPI/VCI
  • Payload type indicator: (PTI)
  • Cell loss priority (CLP)
  • Head error priority (HEC)

Connessioni ATM

  • I valori VPI/VCI hanno una validità locale. Sono validi solo per un singolo hop
  • Una connesisone su più hop è associata a differenti valori VPI/VCI per ogni hop
  • Ogni switch gestisce una switching table. La tabella mantiene per ogni connessione i valori di VPI/VCI di ingresso e uscita ed i porti di ingresso e uscita

ATM Switching


ATM Switching

  • Virtual Path Switching
    • Configurazione degli End-to-end Virtual Channel Connection (VCC)
    • I VC associati a VP vengono switchati in maniera globale senza processare il VC individuale e senza cambiare il VCI
    • I Virtual Circuit possono essere permanenti o switchati

ATM Switching

  • Virtual Circuit Switching
    • In questo caso sia VPI che VCI vengono trasformati dallo switch
    • In teoria, possono essere eseguiti solo dei VPI switching

Sostituzione dell’etichetta


PVC e SVC

  • A seconda di come è configurata la connessione, può essere
    • Permanent Virtual Circuit (PVC)
    • Switched Virtual Circuit (SVS)
  • I PVC vengono configurati amministrativamente. Rimangono settati per molto tempo
  • Gli SVC sono configurati a tempo reale utilizzando la segnalazione di ATM. La durata è arbitraria

Head Error Control (HEC)

  • ATM HEC: Header Error Correction & Detection
    • Basato su un campo di 8 bit dell’header
    • Consente di rilevare errori sul singolo bit o su un insieme di bit
    • L’errore su un errore singolo può essere corretto _ Cell recovered (cella recuperata)
    • Errori multipli _ cell discarded (cella scartata)
    • Basato sul codice di Hamming: Bose – Chaduri – Hocquengem (BHC)
    • 40 bit di header richiedono 6 bit per l’error recovery di un bit
    • Con 8 bit è possibile rilevare fino all’84% di errori su più bit

Il stack protocollare di ATM


Architettura del protocollo

  • Protocol Reference Model
    • U-Plane: Lo User Plane provvede al trasferimento di informazioni relative all’applicazione utente
    • C-Plane: I protocolli del Control Plane interagiscono con la chiamata ed il controllo di connessione per lo switching
  • M-Plane: il Management Plane fornisce funzioni per la gestione e lo scambio di informazioni tra U-Plane e C-Plane

Reti ATM

  • User Network Interface (UNI)
    • Protocollo adattato per definire la connessione tra utenti ATM (end-station) e switch della rete ATM
  • Network Network Interface (NNI)
    • Una sottorete di UNI definisce l’interfaccia tra i nodi della rete (switch)

Reti ATM

  • Per operazioni OAM è necessario invocare l’AAL
    • Ragion per cui è necessario avere caratteristiche AAL anche negli switch per interagire con i comandi dello C-Plan e dell’M-Plane
  • Per alcuni messaggi AOM, il SAR non è richiesto
    • Questo è il caso di messaggi contenuti all’interno di un’unica cella ATM

ATM e il modello OSI

  • ATM non si mappa direttamente sui livelli del modello OSI
    • Il livello ATM esegue operazioni ritrovabili tipicamente nei livelli 2 e 3 del modello OSI
    • L’AAL combina caratteristiche dei livelli 4, 5 e 7 del modello OSI
    • Di conseguenza, è difficile separare funzioni in modo che l’intenetworking sia eseguito in maniera efficiente
    • Esempio: TCP/IP su ATM

Livelli e Sottolivelli di ATM – Livello Fisico

  • Phisical Medium Dependent (PMD) sublayer
    • Definisce la velocità attuale a cui il traffico ATM può essere trasmesso su uno specifico physical medium
  • Transmission Convergence (TC) Sublayer
    • Protocollo di deadline per la preparazione di celle da trasmettere sul physical medium definito dal PMD
    • Le funzioni differiscono in accordo al physical medium

Il sottolivello Trasmission Convergence (TC)

  • Generazione e verifica della cella di HEC
  • Disaccoppiamento della velocità di cella
  • Generazione e recupero della frame di trasmissione
  • Delineamento della cella
    • È l’estrazione della cella dal bit stream ricevuto dal sottolivello PMD

Il livello ATM

  • Il livello ATM si occupa del trasferimento di informazioni end-to-end, cioè, dall’end-device di trasmissione all’end-device di ricezione
  • Il livello ATM è una rete a commutazione di pacchetto oriantata alla connessione point-to-point, con pacchetto di dimensione fissa (definito cella)
  • La commutazione di cella viene eseguita a livello ATM
  • Le celle vengono consegnte al destinatario nell’ordine con cui sono state trasmesse

Nessun controllo di errore o di flusso su ogni hop

  • La probabilità che una cella venga perduta o consegnata erroneamente ad un end –device è bassa
  • Il recupero di dati trasportati da celle perdute o corrotte viene eseguito da protocolli di livello più alto, ad esempio TCP
  • Quando TCP/IP lavora su ATM, la perdita o il danneggiamento del payload di una singola cella si traduce nella ritrasmissione di un’intera PDU TCP

Indirizzamento

  • Ogni end-device ATM ed ogni switch ATM possiede un indirizzo ATM univoco
  • Reti private e pubbliche utilizzano differenti indirizzi ATM. Le reti pubbliche utilizzano indirizzi E.164 e le reti private utilizzano il formato NSAP OSI
  • Gli indirizzi ATM sono differenti da quelli IP

Qualità del servizio in ATM

  • Ogni connessione ATM è associata ad una categoria per la QoS
  • Ogni categoria per la QoS è associata con un insieme di parametri di traffico ed un insieme di parametri per la QoS
  • La rete ATM garantisce la QoS negoziata per ogni connessione

QoS in ATM


Cell Loss Rate

  • Tale parametro è molto popolare in relazione alla QoS, ed è stato il primo ad essere utilizzato ampiamente nele reti ATM
  • È semplice da quantificare, differentemente da altri parametri tipo jitter e cell transfer delay
  • È utilizzato ampiamente come indice per il dimensionamento degli swith ATM, ed in algoritmi per l’admission control

Jitter

Si riferisce alla variabilità dei tempi di interarrivo a destinazione

Si riferisce alla variabilità dei tempi di interarrivo a destinazione


Cell Transfer Delay (CTD)

  • È il tempo necessario a trasferire una cella dall’end-device trasmittente all’end-device ricevente. Comprende:
    • Fixed Cell Transfer Delay
      • Ritardo di propagazione, ritardo fisso introdotto dal sistema di trasmizzione, tempo fisso necessario per il processing dello switch
    • Variable Cell Transfer Delay, noto come la variazione del peak-to-peak cell delay
      • Ritardo di accodamento negli switch

Maximum Cell Transfer Delay (max CTD)

Limite superiore statistico dell’end-to-end transfer delay

Limite superiore statistico dell'end-to-end transfer delay


Cell Error Ratio (CER) e Cell Misinsertion Rate (CMR)

  • Il CER di una connessione è rapporto tra il numero di celle affette da errore sul numero totale di celle trasmesse dalla sorgente. Una cella affetta da errore è una cella consegnata con un payload errato
  • CMR è la probabilità che una cella venga consegnata ad una destinazione sbagliata, calcolata su un periodo di tempo prefissato

Flow Specification


QoS in ATM

  • La QoS può essere garantita solo se vengono implementati meccanismi per controllo del traffico
    • Virtual Path Traffic Management
    • Connection Admission Control
    • Flow Control
      • Usage Parameter Control (UPC
      • Network Parameter Control (NPC)
    • Priority Control
    • Traffic Shaping
    • Fast Resource Management
    • Congestion Control

QoS in ATM

Connection Admission Control (CAC)

  • Meccanismo eseguito nella fase di configurazione della chiamata per decidere se una connessione VC/VP può essere accettata
    • L’utente specifica le caratteristiche del traffico
      • Peak cell rate
      • Average cell rate
      • Burstiness
      • Peak duration
    • … e la QoS richiesta
    • La rete valuta la possibilità di offrire la QoS richiesta in funzione dell’attuale livello di occupazione delle risorse

QoS in ATM

  • Flow Control
    • Può essere eseguito sia a livello UNI che a livello NNI
    • Controllo sulla validità dei valori di VPI/VCI
    • Monitoraggio del volume di traffico
  • Tre meccanismi basilari per punire comportamenti malevoli
    • Connection release
    • Cell discarding
    • Cell tagging
  • Efficace se combinata con meccanismi di Traffic Shaping

L’architettura dello switch ATM


L’architettura della memoria condivisa dello switch ATM


  • Se la velocità di trasmissione di ogni link di ingresso e uscita è V, lo switch può mantenersi sul maximum arrival rate se la banda di memoria è 2NV
  • La capacità totale di memoria è di B celle
  • Ogni lista i è associata ad uno spazio minimo dedicato e ad un limite superiore Bi con Bi < B, quindi ΣBi > B

Perdita di celle nella memoria condivisa di uno switch

  • La perdita di una cella avviene quando la cella arriva quando la memoria condivisa è piena, quindi, contiene B celle
  • La perdita di una cella può anche verificarsi se una cella con destination output port arriva quando il numero totale di celle accodate per il medesino destination output port è Bi (sempre che il numero totale di celle nell amemoria condivisa sia minore di B)

Non-blocking output buffering switch

  • In uno switch non bloccante, lo switching non genera blocchi interni o esterni
  • Un buffering switch di output deve bufferizzare solo sulle sue porte di output
  • Uno switch con memoria condivisa con ouput buffering è non bloccante
Un buffering switch di output deve bufferizzare solo sulle sue porte di output

Un buffering switch di output deve bufferizzare solo sulle sue porte di output


Algoritmi di scheduling

  • Consideriamo uno switch non bloccante con output buffering. Ogni buffer di output tiene celle appartenenti a differenti connessioni
  • Ognuna di queste connessioni è associata ad una categoria per la QoS
  • Le celle appartenenti a tali connessioni sono raggruppate un code, una per ogni categoria di QoS, e tali code sono servite utilizzando specifici algoritmi di scheduling

Proprietà statiche

  • Priorità tra le code
  • La coda a priorità più elevata è sempre la prima ad essere servita, poi la seconda e così via
  • Aging (invecchiare)
  • Purging (espellere)

Algoritmo Early deadline first (EDF)

  • Ad ogni cella è assegnata una deadline non appena entra nel buffer. Lo scheduler serve le celle in accordo con le deadline, in modo tale che la cella con la deadline più prossima sarà la prima ad essere servita
  • Celle appartenenti ad applicazioni sensibili al ritardo, come ad esempio voce o video, possono essere servite per prime assegnando loro deadline vicine all’istante di arrivo

Lo scheduler round-robin

  • Ogni buffer di output è composto da un numero specifico di code logiche
  • Lo scheduler serve una cella per ogni coda utilizzando la tecnica round-robin
  • Le code vuote vengono saltate
  • Può essere utilizzato il round robin pesato per servire un differente numero di celle per ogni coda

Classi di traffico ATM

  • Differenti classi di applicazioni richiedono differenti protocolli adaptation layer
    • Constant Bit Rate Applications
    • Variable Bit Rate Applications
    • Conection-oriented Data Applications
    • Connectionless Data Applications

Classi di servizio originali

  • TestoITU-T Traffic Classes
    • Class A: CBR – Connection oriented – Timing relationship e2e req.
    • Class B: VBR – Connection oriented – Timing relationship e2e req
    • Class C: VBR – Connection oriented – No timing req.
    • Class D: VBR – Connectionless – No timing req.
  • ATM Forum Traffic Classes
    • Class X: ABR & UBR

Classi di Servizio e Allocazione di Risorse


Calssi di Servizio e Garanzie di QoS

  • ATM Forum Service Categories (in ordine di priorità)
    • CBR: assured steady supply of bndwdt at PCR values
    • VBR: assured supply of bndwdt at ACR with rt and nrt reqs
    • ABR: bndwdt to keep the application running
    • UBR: bndwdt as vailable with no assurance

Attributi per: CBR, RT-VBR, NRT-VBR, UBR

  • CBR
    • Attributi della classe: PCR, CDVT
    • Attributi di QoS: peak-to-peak CDV, MaxCTD, CLR
  • rt-VBR
    • Attributi della classe: PCR, CVDT, SCR, MBS, CVDT
    • Attributi di QoS: peak-to-peak CDV, MaxCTD, CLR
  • nrt-VBR
    • Attributi della classe: PCR, CDVT, SCR, MBS, CDVT
    • Attributi di QoS: CLR
  • UBR
    • PCR è specificato ma probabilmente non sarà soggetto a CAC e policing
    • non viene segnalato alcun parametro di QoS

Attributi per ABR e GFR

  • ABR
    • Attributi della classe: PCR, CDVT, MCR
    • Attributi di QoS: CLR (possibile, dipende dalla rete)
    • Altri attributi: messaggi di feedback
  • GFR
    • Attributi di classe: PCR, CDVT, MCR, MBS, MFS
    • Attributi di QoS: CLR (possibile, dipende dalla rete)

Il livello adattamento di ATM

  • Lo scopo dell’AAL è quello di isolare livelli alti dalle caratteristiche specifiche del livello ATM
  • L’AAL è composto da:
    • Sottolivello convergence
    • Sottolivello segmentation-and-reassembly

Il livello adattamento di ATM


Headers e Trailers


Livello di adattamenti di ATM 1 (AAL 1)

  • Questo livello di adattamento può essere utilizzato per applicazioni tipo:
    • Circuit emulation services
      • Emula un circuito TDM point-to-point su ATM
    • Constant-bit rate audio
      • Utilizzato per fornire una interconnesione tra due PBX su una rete ATM privata o pubblica

Il SAR encapsulation per l’AAL 1


Formato della cella AAL 1


Livelli e Sottolivelli ATM – AAL ATM

AAL 2

  • Variable Bit Rate (VBR); traffico sensibile al tempo
  • Consente la trasmessione di una cella prima che payload sia completo, al fine si soddisfare i requisiti di tempo dell’applicazione
  • Le specifiche sono state completate solo nel 1997
  • Sul sender, l’AAl 2 esegue il multiplexing di diversi stream sulla stessa connessione ATM
  • Sul receiver, esegue il demultiplexing dei dati dalla connessione

Livelli e Sottolivelli ATM – AAL ATM

AAL 3/4

  • Bursty (VBR) connection-oriented traffic (AAL3)
    • Messaggi di errore, trasferimento di file di grosse dimensioni tipo CAD o Data Backup
  • Bursty (VBR) connectionless traffic (AAL4)
    • LAN. Frame Relay
  • Error detection su ogni cella
  • Supporto al cell multiplexing – AAL 3/4 hanno lo stesso SAR

Formato della cella AAL 3/4


Livelli e Sottolivelli ATM – AAL ATM

AAL 5

  • Livello di adattamento semplice ed efficiente (versione semplificata dell’AAL3/4, utilizza un header di 5 byte)
    • Per traffico VBR connectionless o connection-oriented
  • LAN ad alta velocità
  • Considera che potocolli di più alto livello si occupino di eseguire l’error recovery
  • Considera che solo un messaggio alla volta attraversa la UNI ATM
    • Non supporta il cell multiplexing

Controllo di Chiamata e di Connessione


LAN Emulation

  • ATM può essere d’aiuto per risolvere problemi di banda di vecchie reti LAN
    • Incrementa il segmento di banda cambiando l’architettura della LAN
    • Incrementa il numero di segmenti LAN
    • Utilizza una tecnologia che può separare traffico e fornire più banda aggregata
  • È necessario che ci sia compatibilità con le frame IEEE 802.X

LAN Emulation

  • ATM e le LAN classiche differiscono tra loro
    • Le LAN classiche utilizzano trasferimento dati connectionless mentre ATM è connection-oriented
    • Le LAN classiche possono distribuire informazioni su media distribuiti
    • Le LAN classiche utilizzano l’indirizzamento MAC, mentre ATM utilizza un indirizzamento stile telefonico (20 bytes)
  • La LAN emulation (LANE) definisce le regole con cui è possibile emulare le caratteristiche delle LAN classiche su ATM

LAN Emulation

  • LANE consente l’esecuzione su ATM di tutte le applicazioni LAN ed i protocolli esistenti
  • LANE consente l’utilizzo di ATM come backbone per l’interconnesione di LAN classiche
  • LANE consente la diretta interconnessione di server/workstatio ATM con systemi che si trovino su una LAN
  • LANE consente la separazione di molteplici LAN emulate sulla medesima rete ATM

MultiProtocol Label Switching

  • Un modello di overlay per IP-su-ATM
  • Routing Vs Switching
  • Label MPLS
  • Label Switched Path
  • Il traffic Engineering
  • Resource reSerVation Protocol
  • Contenuti protetti da Creative Commons
  • Feed RSS
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Progetto "Campus Virtuale" dell'Università degli Studi di Napoli Federico II, realizzato con il cofinanziamento dell'Unione europea. Asse V - Società dell'informazione - Obiettivo Operativo 5.1 e-Government ed e-Inclusion