ATM (Modo de Transferencia Asíncrona): Conceptos y Funcionamiento

ATM (Modo de Transferencia Asíncrona)

Conceptos

- Operación por conmutación de paquetes de longitud fija. El tamaño fijo y pequeño de las celdas (53 octetos) permite el uso de nodos de conmutación a velocidades muy altas.

- Las celdas se componen de cabecera (5 octetos) y campo de información (48 octetos).

- La asignación del ancho de banda (celdas) se realiza bajo demanda en función de la actividad de la fuente y de los recursos disponibles en la red.

- Posee dos niveles jerárquicos para las conexiones:

• VP: Trayectos virtuales (Virtual Paths)
• VC: Canales virtuales (Virtual Channels)

Características de las Celdas ATM

- Las cabeceras tienen una funcionalidad reducida: Identificar el par VP/VC garantizando su correcto enrutamiento y detectar y corregir errores en las mismas (un error de un solo bit en la cabecera puede provocar la pérdida de la celda).

- Las celdas se transmiten a intervalos regulares. Si no hay información, se transmiten celdas vacías (celdas idle).

- Orientado a conexión. Las conexiones pueden establecerse mediante procedimientos de señalización en el plano de control o pueden ser permanentes o semipermanentes.

- La señalización y la información de usuario viajan por canales virtuales distintos.

- El término asíncrono se refiere al hecho de que las celdas asociadas a una misma conexión se presentan temporalmente sin ninguna periodicidad, dependiendo del tráfico generado por la fuente.

- No se realiza control de errores en el campo de datos y el control de flujo lo realiza fundamentalmente el DTE. Se maximiza la eficiencia.

- Proporciona transparencia temporal. Por ello permite la transferencia de señales isócronas.

- Se garantiza que las celdas llegan a su destino en el mismo orden en que fueron transmitidas.

Interfaces ATM

- UNI: Interfaz que conecta los dispositivos de usuario con la red ATM.

- NNI: Define el interfaz entre nodos ATM.

Campos de la Cabecera ATM

- GFC (4 bits). Control de flujo genérico.

- VPI (8 o 12 bits). Identificador de camino virtual.

- VCI (16 bits). Identificador de canal virtual.

- PT. (Payload Type). Indica el contenido de la carga útil (datos de usuario, información de gestión, información de operación y mantenimiento).

- CLP (Cell Loss Priority) (1 bit). Campo de prioridad. Las celdas con este bit a 1 son las primeras en ser descartadas en caso de congestión.

- HEC (8 bits). Campo de control de errores en la cabecera.

Planos de la Arquitectura ATM

- Plano de Usuario. Está estructurado en capas que suministran la transferencia de información de usuario. La componente esencial es la capa ATM. Común a todos los servicios y medios físicos empleados, su misión es ofrecer la funcionalidad básica para el transporte de celdas. Esta capa se complementa con la capa de adaptación ATM, cuyo objetivo es proporcionar las funcionalidades necesarias para los diversos tipos de servicios soportados, y con la capa física para la adecuación a los distintos medios físicos y estructuras de transporte.

- Plano de Control. También está estructurado en capas. Controla la llamada y gestiona las conexiones. Activa circuitos virtuales conmutados estableciendo, controlando y liberando la comunicación. No es necesario en las conexiones virtuales permanentes.

- Plano de Gestión. Realiza funciones de gestión relacionadas con todo el sistema y suministra coordinación entre todos los planos. Se ocupa de la gestión global tanto a nivel de plano como de capa. No está estructurado en capas.

Calidad de Servicio (QoS)

Conjunto de parámetros objetivos que caracterizan la calidad de servicio ofrecida por la red al usuario:

Transparencia Semántica

• Tasa de error en la celda (Cell Error Rate, CER). Celdas erróneas / Celdas transmitidas.
• Tasa de celdas perdidas (Cell Loss Rate, CLR). Celdas perdidas / Celdas transmitidas.
• Tasa de celdas mal insertadas (Cell Misinsertion Rate, CMR). Celdas mal insertadas / intervalo temporal.
• Tasa de bloques de celdas severamente erróneas (Severely Errored Cell Block Ratio, SECBR). Bloque de celdas severamente erróneas / Número de bloques de celdas transmitidos.

Transparencia Temporal

• Retardo máximo de transferencia de la celda (Maximum Cell Transfer Delay, maxCTD).
• Variación pico-pico del retardo de la celda (CDV Peak-to-Peak, CDVpp). El CDV es la varianza del retardo de celda. El CDVT es la tolerancia CDV.

Parámetros de Tráfico

Definen de qué modo una fuente puede introducir tráfico a la red a través de una conexión virtual.

Los parámetros de tráfico junto con la calidad de servicio se utilizan para capturar las características de una conexión ATM. Los parámetros son:

• Tamaño máximo de la ráfaga (Maximum Burst Size, MBS). Especifica el tamaño máximo de la ráfaga de celdas que puede ser introducida a la red. El parámetro BT (Burst Tolerance) está relacionado con el anterior.
• Tasa de pico de celda (Peak Cell Rate, PCR). Especifica la tasa máxima de introducción de celdas en la red. PCR = 1/T siendo T la distancia mínima entre celdas.
• Tasa sostenida de celda (Sustainable Cell Rate, SCR). Especifica la tasa promedio de introducción de celdas en la red.
• Tasa mínima de celda (Minimum Cell Rate, MCR). Especifica la tasa mínima de introducción de celdas en la red.

Clases de Servicios

Los organismos de estandarización han definido un conjunto de clases de servicios que pueden ser utilizadas en los contratos de conexión.

Servicios en Tiempo Real

• CBR (Constant Bit Rate). Se utiliza para conexiones que requieren un ancho de banda constante, relación temporal origen destino (CTD, CDV) y transparencia semántica (CLR). La fuente emite celdas a tasa de pico PCR (que coincide con la tasa media) durante toda la conexión. Es adecuado para fuentes de audio y vídeo a tasa constante.
• VBR-rt (Variable Bit Rate-real time). Utilizado por aplicaciones que requieren unos retardos acotados en la red (CTD, CDV) con un ancho de banda que varía a lo largo de la conexión. Los descriptores de tráfico son el PCR, SCR y el MBS.

Servicios en Tiempo No Real

• VBR-nrt (Variable Bit Rate-non real time). Utilizado por aplicaciones que definen conexiones insensibles al retardo, de tasa variable. Los descriptores son PCR, SCR y MBS. (FR maneja VBR-nrt).
• UBR (Unspecified Bit Rate). Velocidad binaria no especificada. Se utiliza en aplicaciones que no requieren garantía de servicio, son tolerantes a pérdidas e insensibles a retardos. Conceptualmente, se puede asemejar a la idea de datagrama. No exige QoS. La tasa de servicio depende en todo momento de la disponibilidad de la red. El correo electrónico y la transferencia de ficheros utilizan servicios UBR.
• ABR (Available Bit Rate). Se garantiza un bajo valor para las pérdidas de celdas a costa de no proporcionar ninguna garantía respecto a la variación de retardo. Los descriptores son MCR y PCR.

Gestión de Tráfico en ATM

La gestión de tráfico tiene por objeto optimizar los recursos de la red, suministrar la calidad de servicio para las conexiones ya establecidas y limitar o evitar la congestión.

La calidad de servicio y la integración de diversas aplicaciones se obtiene en base al:

• Contrato de tráfico suscrito entre el usuario y la red al inicio de la conexión.
• La disponibilidad de recursos para incorporar una nueva conexión.
• Un control de policía que garantiza el cumplimiento del contrato.
• Comportamiento justo y equitativo de la red.

Los organismos de estandarización proponen los siguientes mecanismos de gestión de tráfico:

• Gestión de recursos (quién y en qué instante puede transmitir una celda).
• Control de admisión de conexiones (CAC).
• Control de uso de los parámetros (UPC) (control de policía).
• Descarte selectivo de celdas.
• Suavizado de tráfico.
• Indicación de congestión explícita hacia delante.
• Control de flujo ABR.

Control de Admisión (CAC)

Se define como el conjunto de acciones tomadas por la red en la fase de establecimiento de la conexión (o de renegociación) para determinar si una conexión (VPI/VCI) puede ser admitida.

La conexión será admitida si existen recursos suficientes en la red para establecer la conexión con la calidad requerida por el servicio.

Al admitir una nueva conexión debe mantenerse la calidad del servicio de las conexiones que ya estaban activas.

Una vez realizada la conexión, la red realiza una monitorización mediante la función de policía (UPC).

Control de Uso de los Parámetros (UPC)

Permite controlar que el tráfico real del usuario se corresponde con el negociado en el contrato de tráfico. El propósito principal es proteger los recursos de la red de los comportamientos maliciosos así como no intencionados, que pueden afectar la calidad de los servicios de otras conexiones, mediante la detección de violaciones de los parámetros negociados.

Los parámetros de control son los mismos que los empleados en el CAC.

La función de policía no debe interferir con el tráfico cursado por la red. No debe provocar retardos apreciables y debe ser simple.

Se pueden definir distintos mecanismos de control de policía. Uno de los más conocidos es el denominado Generic Cell Rate Algorithm (GCRA) basado en el leaky bucket.

Las funciones de policía no realizan ningún tipo de acción si no se viola el contrato de tráfico. En caso de incumplimiento de pueden realizar diversas acciones: descartar o marcar con menor prioridad celdas que violan el contrato, liberar la comunicación, etc.

El control de policía se puede dar tanto a nivel de circuito virtual como a nivel de camino virtual. El más importante es el control a nivel de camino virtual, ya que la red en general asigna los recursos en base a caminos virtuales, y dentro de cada camino virtual reparte los recursos entre los circuitos virtuales.

Descarte Selectivo de Celdas

El objetivo es descartar, en caso de que el sistema no disponga de recursos suficientes, las celdas con menor prioridad para proteger el servicio proporcionado a las celdas de mayor prioridad.

Alisamiento de Tráfico

Se utiliza como complemento a los mecanismos de control de policía (GCRA) para alisar el flujo de tráfico y reducir la aparición de ráfagas.

En contraste con el GCRA leaky bucket, que simplemente monitoriza el tráfico, rechaza o descarta las celdas no conformes, el alisamiento de tráfico controla el flujo de las celdas conformes.

Indicación de Congestión Explícita hacia Delante

Trabaja esencialmente de la misma forma que en las redes FR.

Control de Flujo ABR

Las conexiones ABR se reparten la capacidad instantánea no utilizada por las conexiones CBR/VBR. Por tanto ABR incrementa la utilización de los recursos de la red sin afectar la QoS de CBR/VBR.

Los recursos disponibles para ser utilizados por una conexión ABR varían dinámicamente. La red habilita un mecanismo de realimentación hacia las fuentes ABR para que estas limiten su flujo a la capacidad disponible y evitar así la pérdida de celdas por congestión.

Capa de Adaptación AAL. Funcionalidades

Proporciona la conversión de la información a un formato adecuado para ser transportado por la red de transporte ATM. Los PDUs de los niveles superiores se mapean sobre las celdas ATM.

Generalmente la capa de adaptación se aplica en los extremos de la red de transporte.

Realiza la segmentación y reensamblado de los mensajes.

Realiza tareas de recuperación de errores y de relojes.

Se divide en dos subcapas:

• A) Segmentación y reensamblado (SAR) En emisión la subcapa SAR segmenta los mensajes en celdas y en recepción reensambla las celdas en mensajes.
• B) Convergencia (CS) Es dependiente del servicio. Realiza tareas de multiplexación de servicios, recuperación de relojes, identificación de los mensajes y gestión de errores. Se divide en dos subcapas:
  • Subcapa de convergencia de la parte común (CPCS)
  • Subcapa de convergencia específica del servicio (SSCS)

Se distinguen cuatro tipos distintos de AAL (AAL1, AAL2, AAL3/4, AAL5) formadas por las respectivas SAR y CPCS.

AAL1

Suministra un conexión virtual a tasa constante y relación temporal entre origen y destino.

Subcapa SAR añade cabecera de 1 byte: número de secuencia (SN) y campo de protección del número de secuencia (SNP), que suministra facilidades de detección y corrección de errores.

La numeración de las celdas permite la detección de pérdidas o celdas mal insertadas.

Subcapa de convergencia CPCS: recibe información a tasa constante y la segmenta en bloques de 47 octetos. Controla las celdas perdidas o mal insertadas. Monitoriza errores en el campo de información de usuario aplicando medidas correctoras. Recupera la estructura de datos y el reloj en recepción y controla las variaciones de retardo.

AAL2

Suministra servicios de tasa variable que requieren sincronización entre la fuente y el receptor.

Subcapa SAR: El campo de datos del SAR-PDU es de longitud variable, motivado por el tamaño variable del CS-PDU (SAR-SDU). La SAR-PDU tiene una cabecera donde se indica el número de secuencia del segmento y su posición en el mensaje y una cola donde se indica la longitud útil del campo de datos y se incluye un campo detector y corrector de errores.

Subcapa de convergencia CS recupera el reloj para los servicios VBR y corrige errores.

AAL3/4

Suministra servicios de datos fiables, de tasa variable, orientados o no a conexión, que no requieren sincronización entre la fuente y el receptor (no sensibles a retardos).

Puede manejar paquetes o tramas de longitud variable y distribuirlos en una conexión bidireccional punto-punto, punto-multipunto.

Permite multiplexar varias conexiones AAL sobre ATM a través de un identificador de multiplexado (MID). Todas las SAR-PDU con el mismo identificador corresponden a la misma CS-PDU.

Subcapa SAR: La SAR-PDU segmenta CPCS-PDU añadiendo una cabecera donde se indica el número de segmento, la posición de éste dentro del mensaje (inicio, continuación o final) y el identificador de multiplexado. Así mismo incluye una cola que contiene el tamaño real de la información de usuario (octetos) y un código detector de errores que se aplica sobre la SAR-PDU.

Subcapa de convergencia CS: convierte los flujos de tasa y longitud variable en formatos aptos para ser segmentados y reensamblados por la SAR AAL3/4. Añade una cabecera y cola que incluyen información adicional acerca de la CPCS-PDU, campos que permiten el reensamblado correcto, campos de relleno y un campo que indica la longitud del campo de información.

AAL5 (SEAL)

Las funcionalidades de AAL5 son similares a AAL3/4 pero con unas facilidades de multiplexado inferiores y menor información lateral. Se elimina la cabecera y la cola de la SAR-PDU siendo la SAR-PDU = SAR-SDU. El control de errores es gestionado íntegramente en la subcapa de convergencia mediante un campo detector y corrector de errores.

Ventajas de ATM respecto a FR

• Alta velocidad de conmutación.
• Maximiza la eficiencia.
• Gran ancho de banda.
• Mayor control sobre la QoS.
• Gran flexibilidad.

Aplicaciones de ATM

- ATM ha sido diseñada para transportar tráfico de datos a alta velocidad.

- También realiza tareas de:

• Interconexión de redes de área local en entornos locales.
• Transporte de área extensa para las redes existentes.
• Emulación de sistemas o elementos de interconexión.

- El transporte de datos sobre la red ATM se puede realizar a través de dos mecanismos:

• Extremo a extremo, utilizando la red ATM como un subred de los protocolos de alto nivel.
• De igual a igual, interactuando el nivel de red del servicio a transportar con la arquitectura ATM.

Servicio Cinco (Telefónica)

Servicio integrado de transmisión de voz, datos e imágenes.