1

Aula 13 Comutação ATM

Prof. Dr. S. Motoyama

2

ATM - Histórico

• 1988 CCITT aceita que o ATM seja o sistema detransferência para rede de faixa larga B-ISDN.

• 1989 Define o tamanho da célula 5 + 48 = 53 bytes.

• 1991 ATM Forum é fundado por indústrias detelecomunicações e de computação. Atualmente temmais de 500 membros.

• 1993 Em março a International Telecommunication Union alterou o CCITT e substitui-o pela ITU-T.

B-ISDN Broadband Integrated Services Digital Network CCITT Comité Consultatif International Télégraphique et TéléphoniqueITU-T International Telecommunications Union - Telecommunication Standardization Section

3

ATM: Tecnologia de comutação

• Permite alocação dinâmica de faixa através demultiplexagem estatística.

• Suporta serviços múltiplos: voz, dados, vídeo, etc.

• Projetada para meios de transmissão digitais de altodesempenho: fibra óptica.

• Orientado a conexão.

• Independe da tecnologia de transmissão.

• Incorpora naturalmente o aumento das taxas detransmissão.

4

ATM: células

• Transmissão mediante pequenos pacotes chamados células.

cabeçalho: 5 bytes dados de usuário: 48 bytes

• As células têm tamanho fixo de 53 bytes e são comutadas individualmente.

– Células pequenas - Vantagens:• Mais apropriado para tráfego de voz (menor “Overhead”);• Atraso Médio e jitter menores;• Menor complexidade dos comutadores:

– Células grandes => Buffers grandes;– Células Grandes - Vantagens:

• Maior Eficiência.

• ITU-T escolheu 48: compromisso entre 32 e 64 bytes.

5

ATM : Princípios Básicos

• Não há recuperação de erros de transmissão pela rede na camada ATM:– Na ocorrência de erros a célula é perdida.

• Não há sincronismo entre a rede de transporte e afonte.– As células não ocupam posições fixas no tempo.

– Um canal é identificado através de um rótulo nocabeçalho da célula.

6

ATM: Características

Características

Comutação de células:Células de comprimento fixocom 53 Bytes

Orientado a conexão: Canal dedicado

Independente do nível físico:Fibra Ótica, Cabo Coaxial, Par TrançadoVelocidades : Mbit/s a Gbit/s

Benefícios

Permite comutação por hardwareAtrasos pequenos Atende a vários tipos de tráfego

Comutação simplesQualidade de serviço definida na conexão

Suporta necessidades de usuários diversosCusto compatível com a velocidade

7

Modelo de Referência ATM

• Plano de Controle:Realiza a sinalização necessária àconexão e desconexão dechamadas.

• Plano de Usuário:Responsável pelo transporte da informação incluindo recuperaçãode erro, controle de fluxo, etc.

• Plano de Gerência dos PlanosGerencia os elementos de rede.Não usa estrutura de camadas.

• Plano de Gerência das CamadasControla o fluxo de informações deoperação e manutenção relativo acada camada. Gerencia os recursose os parâmetros associados às entidades de protocolo.

AAL ATM Adaptation LayerATM Assynchronous Transfer Mode

Gerência deCamadas

Controle

AALAAL

Camadas Superiores

Camadas Superiores

ATM

FÍSICA

Gerência de Plano

Usuário

8

Funções das Camadas

• Camada FísicaTransmissão, recuperação de relógio e sincronismo dequadro, delineamento das células, verificação de CRC docabeçalho das células, conversão elétrica/ótica, etc.

• Camada ATMMultiplexação e demutiplexação das células, adição eremoção dos cabeçalhos das células, controle de fluxo,detecção de células inválidas, comutação e encaminhamentodas células baseado em informações do cabeçalho realizado pelos comutadores, etc.

• Camada AALCompatibilidade do serviço à camada ATM. Segmenta emonta as unidades de informação do serviço (mensagens) emcélulas; detecta células fora de seqüência, etc.

9

Interação entre Camadas do ATM

• Três Camadas inferiores:Camada Física (PHY), Camada ATM, Camada de Adaptação (AAL)

• Camadas Superiores: Não padronizado. AAL Camada de

adaptaçãoao ATM

CamadaATM

CamadaFísica

Conversão aoformato ATM

(48 Bytes)(segmentação)

remontagem

Acréscimodo cabeçalho de 5 bytes

retirada docabeçalho de 5 bytes

Conversãopara a

camada Física

egeração

ouverificação

do HEC

AAL ATM Adaptation Layer HEC Header Error Check

10

Formato da Célula na Interface Usuário RedeUNI

VCI

GFC VPI

VPI VCI

VCI PT CLP

HEC

Carga Útil

5 Bytes

UNI

48 bytes

GFC: Controle de Fluxo 4 bits VPI: Identificador de Caminho VirtualVCI: Identificador de Canal Virtual

O par VPI e VCI formam o número do circuitovirtual

= VPI + VCI = 8 + 16 = 24 bitsGFC usado localmente para controle de fluxo ou controle de acesso

UNI User Network Interface GFC Generic Flow Control VPI Virtual Path Identifier VCI Virtual Channel Identifier PT Payload Type CLP Cell Loss PriorityHEC Header Error Check

11

Cabeçalho da Célula na Interface Usuário Rede NNI

CLP Prioridade de Eliminação 1 bitCLP = 1 => Eliminado primeiro

HEC Controle de Erro 8 bits

PT Tipo de Informação transportada pela célula 3 bits

Bit 1 e 2

00 Dados de Usuário sem congestionamento

01 Dados de Usuário comcongestionamento

10 Relativo a fluxo de AAL5 11 Gerenciamento

VCI

VPI

VPI VCI

VCI PT CLP

HEC

Carga Útil

NNI

5 Bytes

48 bytes

UNI User Network Interface CLP Cell Loss Priority PT Payload TypeHEC Header Error Control GFC Generic Flow Control

12

Cabeçalho da Célula na Interface Nó RedeNNI

Cabeçalho

5 48 bytes

Tipo de Informação Reservado CLP

VCI 16 bitsIdentificador do Canal Virtual

HEC 8 bitVerificação doCabeçalho por CRC

Carga ÚtilCélula ATM

Cabeçalho

VPI 12 bitsIdentificador doCaminho Virtual

PTIdentificação do Circuito Virtual:

= VPI + VCI = 12 + 16 = 28 bitsNNI Network Network Interface CLP Cell Loss Priority HEC Header Error ControlVCI Virtual Channel Identifier PT Payload Type VPI Virtual Path Identifier

13

Conexão ATM: Circuito Virtual

• Rede orientada a conexão:

VC1

VC2 VC2

VC2

• Realiza as conexões em modo circuito virtual;Aloca um mesmo caminho para todas as células durante a conexão.Os Caminhos são definidos durante a aceitação da chamada.Nós intermediários examinam apenas o número do circuito virtual,para realizar o encaminhamento.É possível o encaminhamento “multicast” (um para muitos).

Nó 1

Nó 2

Nó 3

Nó 4

14

Cabeçalho: Circuito Virtual

• O cabeçalho não contém as informações de usuários finais:

Contém apenas as informações que são traduzidas em próximos caminhos e circuitos a seguir. São utilizadas tabelas de comutação.As tabelas de comutação são definidas pela gerência, na fase deconexão. VCI, VPI de entrada por certa rota => novo VPI, VCI de saída por outra rota.VPI + VCI = 8 + 16 = 24 bits => 224 = 16.777.216O número de endereços não é suficiente para uma alocação individualizada por terminal na rede mundial.

• Solução é adotar uma identificação para a rota em cada enlace da rede.

15

Princípios da Comutação ATM

• Função da Comutação:Recepção das células que chegam nas portas de entrada eretransmissão nas portas de saída, mantendo a ordem dascélulas em cada conexão.

• Tabelas de comutação:

Válidas apenas durante a conexão ;

Definem uma relação lógica decomutação nó a nó, permitindo que cada célula seja encaminhada a seu destinofinal.

m

k

nn

K

Porta Rótulo

n k

Porta i

Porta n

16

Segmentação e remontagem• ATM Adaptation Layer (AAL)

– AAL 1 e 2 designados para aplicações que precisam de velocidade garantida (por exemplo, voz, vídeo)

– AAL 3/4 designado para dados do pacote– AAL 5 é um padrão alternativo para dados do pacote

■ ■ ■ ■ ■ ■

AAL

ATM

AAL

ATM

17

AAL 3/4

• Convergence Sublayer Protocol Data Unit (CS-PDU)

– CPI: Common Part Indicator (campo versão)– Btag/Etag: tag de início e fim– BAsize: dica sobre quantidade de espaço de buffer a alocar– Len - comprimento: tamanho da PDU inteira

CPI Btag BASize Pad 0 Etag Len

8 16 0─24 8 8 16< 64 KB8

User data

18

Formato de célula

– Tipo• BOM: início da mensagem• COM: continuação da mensagem• EOM: fim da mensagem• SSM: mensagem de único segmento

– SEQ: seqüência do número – MID: identificador de multiplexação de várias PDUs– Tamanho: número de bytes da PDU nesta célula

Cabeçalho ATM Tamanho CRC-1040 2 4

SEQ MIDTipo Payload352 (44 bytes)10 6 10

19

AAL5• Formato CS-PDU

– Preenchimento: para que o fim sempre caia no final da célula ATM– Tamanho: tamanho da PDU (apenas dados)– CRC-32 (detecta células faltando ou desordenadas)

CRC-32

< 64 KB 0─47 bytes 16 16

ReservadoPreenchimento Tamanho

32

Dados

0 0 1

Campo Tipo do cabeçalho:0 Indica continuação1 Indica fim damensagem.

20

Comutadores ATM:Estruturas Básicas

21

Características do ComutadorATM

H H H H H H

Comutador

ATM

E N T R D A S

SAIDAS

• A comutação é feita usando a informação do cabeçalhoda célula (VPI e VCI).

• Em cada slot de tempo o comutador deve encaminhar uma célula de uma entrada para a saída desejada.

22

Requisitos do Comutador ATM

• O comutador deve descartar pouquissimas células;mesmo em situação de pior caso onde haja umtráfego misturado e carregado.

• O comutador deve manter a sequência das célulasdentro de uma VCC.

23

Estratégias de Armazenamento

• Necessidade de armazenamento: duas ou mais células,em um ciclo, podem se encaminhar a uma mesma saída.

• Procedimentos para solução de conflito:

1. Descarte das células excedentes2. Colocar um buffer em cada enlace de entrada.

Buffer na entrada (input buffering).3. Colocar um buffer em cada enlace de saída.

Buffer na saída (output buffering).4. Colocar buffers nos enlaces de entrada e de saída.5. Colocar buffers nos estágios intermediários.6. Utilizar uma memória compartilhada.

24

Comutador ATM: Memória Compartilhada

G e r e n c i a m e n t od e

B u f f e r

M e m ó r i aC o m p a r t i l h a d a

P / S

P / S

P / S

S a id a 1

S a id a 2

S a id a N

E n t r a d a N

E n t r a d a 2

E n t r a d a 1

S / P C o n v e r s o r

B a r r a m e n t oP a r a le l o

B a r r a m e n t oP a r a le l o

Um buffercentralizado

Estrutura Genérica

25

Memória Compartilhada (cont.)

A memória compartilhada é dividida em espaços separados paracada saída. O cabeçalho é lido e a célula é armazenada no espaçoapropriado a cada saída.

No barramento de saída, são criados os quadros de comprimentoF que são divididos em N minislots. Cada célula é lida da mémoriacompartilhada para a sua respectiva saída durante o intervalo deF/N. Não há conflito na saída.

A memória compartilhada pode ter alocação dinâmica. Haverámelhor ocupação da memória, pois uma saída pode ter poucascélulas e uma outra saída ter muitas.

26

Buffer na Saída - (Output Buffering)

Conceito

2

2

2

1

22

11

2

2

2 1

Início do 1- ciclo Início do 2- ciclo

Início do 3- ciclo Início do 4- ciclo

Matrizde

Comu-tação

Matrizde

Comu-tação

Matrizde

Comu-tação

Matrizde

Comu-tação

27

Buffer na entrada - (input buffering)Conceito

X Y X indica o enlace de saidaY indica ordem de chegada das células

Situação de bloqueio no inicio do 3° ciclo: a célula 1-a não pode serencaminhada; 2-a bloqueia a passagem. HOLB - head of line blocking. Limita a vazão

em 58%.

2-a

1-b 2-b

2-a

1-a

2-b

1-a

2-a

1-b

2-a2-a

1-a

2-b

Início do 1- ciclo Início do 2- ciclo

1

11

1

2

22

2

Início do 3- ciclo Início do 4- ciclo

Matrizde

Comu-tação

Matrizde

Comu-tação

Matrizde

Comu-tação

Matrizde

Comu-tação

28

Comutação Auto-roteávelRede Banyan

• A rede Banyan é baseada em topologia árvore

• Árvore binária multiestágio 1 por 8

1

2

3

4

5

6

7

8

estado direto

estado cruzado

29

Elemento de Comutação (2x2) para Rede banyan

Comutação orientada por bit em cada elemento

Convenção:Bit zero na entrada:

Toma a direção da saída superior do elementoBit um na entrada:

Toma a direção da saída inferior do elemento.

0

0

1

1

30

Topologias da Rede BanyanEmbaralhamento na saídaEmbaralhamento na saída

N

12

34

56

78

Embaralhamento na entrada e saída

31

Rede banyan: Comutação de duas células

0

1

2

3

4

5

6

7

1

6110

110

001

001

32

Rede banyan: Rotas com Colisão

0

1

2

3

4

5

6

7

2

5

0

6

7

3

4

1

33

Rede banyan: Rotas sem colisão0

1

2

3

4

5

6

7

3

0

1

2

4

5

6

7

34

ExercícioSeja a matriz de comutação mostrada na figura abaixo.

a) Dois pacotes chegam simultaneamente nas entradas 0 e 3. Cada pacote é direcionado para a saída 6. Desenhe o caminho para cada pacote e comente.

b) Suponha agora que um pacote na entrada 0 é direcionado à saída 4 e um outro pacote na entrada 2 é direcionado à saída 5, simultaneamente. Desenhe o caminho para cada pacote e comente.

000001

010011

100101

110111

0 1

2 3

4 5

6 7