Ez a rész H. Perros Connection Oriented Networks (Wiley) könyvéhez adott slide-gyűjtemény alapján készült

ATM-hálózatok/1 Ez a rész H. Perros „Connection Oriented Networks” (Wiley) könyvéhez adott slide-gyűjtemény alapján készült Tartalom „ „ „ „ „ „ „

Az ATM fő jellemzői Az ATM header Az ATM protokoll-stack A fizikai réteg ATM kapcsológép-architektúrák ATM adaptációs rétegek IP over ATM

A következő rész (ATM/2): torlódásvezérlés ATM hálózatokban

1

Classification of communication networks Communication networks

Switched communication networks

Broadcast communication networks •Ethernet •Packet radio network •Satellite network

Circuit-switched networks

Packet-switched networks

•Telephone network •Wavelength-routing network

Connection-oriented networks •X25 •ATM •Frame relay •MPLS

Connectionless networks •IP network

2

Asynchronous Transfer Mode (ATM) - aszinkron átviteli mód (1.) † „Asynchronous” a SONET/SDH-n alapuló Synchronous Transfer Mode (STM) ellentéte † „Transfer Mode” – átviteli mód, általános megjelölés

3

Asynchronous Transfer Mode (ATM) - aszinkron átviteli mód (2.) † Az ATM-et az ITU-T (a CCITT utódja) szabványosította 1988-ban, a B-ISDN átviteli módjaként † Fő célkitűzések:

„ különböző típusú forgalmak átvitelére tervezték: † Beszéd † Video † Adat

„ Tág átvitelisebesség-tartomány: néhányszor 64 kbit/s-tól 2.4 Gbit/s-ig

† Az ATM ma: a távközlő hálózatokban széleskörűen használt, de a felhasználó általában nem „látja” (pl. gerinchálózatokban) 4

Asynchronous Transfer Mode (ATM) - aszinkron átviteli mód (3.) † Különböző forgalom-típusok különböző szolgáltatás-minőséget (Quality-of-Service – QoS) igényelnek. Ilyen QoS elvárások pl.: „ Csomagvesztés „ End-to-end késleltetés

† Az ATM az IP hálózatoktól eltérően minden összeköttetéshez specifikus QoS-t képes biztosítani 5

Az ATM fő jellemzői † Összeköttetés-orientált, csomagkapcsolt hálózati architektúra † Konstans csomagméret (cella), 48+5 byte Header

Payload

5 bytes

48 bytes

† Nincs link-enkénti hibavédelem † Nincs forgalomszabályozás (flow control) linkenként † Sorrendhelyes cellatovábbítás 6

Az ATM cella struktúrája

kétféle van: kicsit különbözik a felhasználó-hálózat közötti (UNI) ill. A hálózaton belüli (NNI) interfészen NNI cellaformátum

UNI cellaformátum 1

2

3

4

5

6

7

1 2

4 5

. . .

53

1

2

3

4

5

6

7

8

1

GFC

VPI

VPI

VCI

3 B y t e

8

VPI 2 3

VCI VCI

PTI HEC

Information payload

CLP

B 4 y t e 5

. . .

VCI

VPI VCI VCI

PTI

CLP

HEC

Information payload

53

7

Mezők az ATM cella fejrészében † GFC – Generic Frame Control „ Az UNI-ra kapcsolódó több végberendezést vezérli

† Összeköttetés-azonosító: VPI/VCI „ Együttesen: címke

† Payload type indicator (PTI) † Cell loss priority (CLP) † Head error control (HEC)

8

ATM összeköttetések † Az ATM-összeköttetéseket a

„ virtual path identification (VPI, virtuális útazonosító) és a „ virtual channel identification (VCI- virtuális csatorna-azonosító) pár definiálja † VPI mező: „ 256 virtuális út a UNI interface-en és „ 4096 virtuális út az NNI interface-en † VCI mező: „ maximum 65.536 VCI

9

ATM összeköttetések (folyt.) † A VPI/VCI értékek lokális érvényűek, azaz két szomszédos csomópont közötti viszonylatra vonatkoznak † Több pont-pont kapcsolatból álló összeköttetésen ugrásonként különböző VPI/VCI értékeket használunk † Az ATM kapcsológépek switching táblázatokat tartanak fenn. Ezek minden összeköttetésre vonatkozóan összerendelik a bejövő és kimenő VCI/VCI értékeket és az input/output portokat

10

„Label swapping” C

VPI=30 VCI=41 1

VPI=40 VCI=62 A 2

ATM switch 1

4

3

30 41 1 30 53 4 40 62 2 10 89 3

VPI=30 VCI=53

4

ATM switch 2

VPI=10 VCI=89

VPI=100 VCI=53 5

D

30 53 4 100 53 5

1

ATM switch 3 6

10 89 1 50 77 6

VPI=50 VCI=77 B

11

PVC-k és SVC-k † Az összeköttetés lehet „ Permanent Virtual Circuit (PVC – állandó virtuális áramkör), vagy „ Switched Virtual Circuit (SVC – kapcsolt virtuális áramkör)

† A PVC-ket a rendszermenedzsment állítja be, hosszú ideig fennmaradnak † Az SVC-ket az ATM-jelzésrendszer segítségével építi fel a hálózat, valódi időben, tetszőleges időtartamra

12

Payload Type Indicator †

A PTI értelmezése (1. bit, 2. bit, 3. bit)

†

000 magasabb 001 010 011 100 101 110 111

† † † † † † †

Felh. adat, nincs torlódás, SDU type=0 (SDUrétegbeli adategység) Felh. adat, nincs torlódás, SDU type=1 Felh. adat, van torlódás, SDU type=0 Felh. adat, van torlódás, SDU type=1 Szegmensenkénti OAM flow-related cella End-to-end OAM flow-related cella RM cella Reserved

13

Head Error Control (HEC) Multiple bit error detected (cell discarded

No error detected (No action)

Correction mode

No error detected

Detection mode

(cell discard) Error detected

Single bit error detected (correction)

14

Az ATM protokoll-stack voice

Video

Data

ATM adaptation layer ATM layer Physical layer

Az ATM adaptációs rétegen és a fizikai rétegen belül további alrétegek vannak 15

A fizikai réteg † A fizikai réteg az ATM cellákat továbbítja két szomszédos ATM réteg között † Két alrétegből áll „ transmission convergence (TC) sublayer – konvergencia-alréteg „ physical medium-dependent (PMD) sublayer – fizikaiközeg-függő alréteg

16

A konvergencia-alréteg (TC sublayer) † Fejrész-ellenőrző kód (HEC) előállítása és ellenőrzése „ Megvalósítja a HEC álllapotgépet † Decoupling of cell rate „ Üres cellák beiktatásával biztosítja a folyamatos bitfolyamot † Keret-generálás és visszaállítás „ Pl. SDH esetén † Cell delineation „ A cellák előállítása a PMD-től kapott bitfolyamból (cellahatárok megkeresése)

17

Cell delineation: a cellák előállítása a PMD alrétegtől kapott bitfolyamból

hunt

Incorrect HEC for α cells Sync Incorrect HEC

Correct HEC

Correct HEC for δ cells

Presync

18

Physical medium dependent (PMD) – fizikaiközeg-függő alréteg „ Időzítési funkció † Az adó és a vevő PMD alrétegek közötti szinkronizáció biztosítása

„ Kódolás/dekódolás † A PMD végezhet bitenkénit továbítást vagy alkalmazhat blokkonkénti kódolást, amilyen pl. a 4B/5B és 8B/10B kódolás

19

ATM fizikairéteg-interfészek † † † † † †

SONET/SDH Plesiochronous digital hierarchy (PDH) Nx64 kbps ATM inverz multiplexelés (IMA) Asymmetric digital subscriber line (ADSL) ATM Passive Optical Network (APON)

20

Az ATM réteg † Az ATM layer az információ végponttól-végpontig való továbbításával foglalkozik † A továbbiakban megvizsgáljuk a fő funkcióit

21

Összeköttetés-orientált csomagkapcsolás † Az ATM-réteg összeköttetés-alapú pont-to-pont csomagkapcsolt hálózat, fix hosszúságú csomagokkal † Az összeköttetést a VPI/VCI címkék sorozata azonosítja, lehet pont-point vagy pont-multipont † A cellákat sorrendhelyesen továbbítja 22

ATM réteg: cellakapcsolás

Application

End-device

Application

ATM switch

ATM switch

End-device

23

Nincs linkenkénti hibavédelem és flow control † A cellavesztés vagy a téves célbajuttatás valószínűsége alacsony † Az adatok visszaállítása elveszett vagy hibás cellák esetén a magasabb rétegbeli protokollok (pl. TCP) feladata † Ha TCP/IP van ATM felett, az egyedi cellák elveszése vagy meghibásodása a teljes TCP PDU ismétlését vonja maga után 24

Címzés † Minden ATM végkészüléknek és ATM kapcsolónak egyedi ATM címe van † A magán és nyilvános hálózatokban eltérő ATM címzést alkalmaznak „ Nyilvános hálózatokban: E.164 szerinti címzés „ Magánhálózatokban: OSI NSAP formátum

† Az ATM címek különböznek az IP címektől

25

Szolgáltatásminőség - Quality of service † Minden ATM összeköttetéshez QoS kategória kapcsolódik † Minden QoS kategóriához forgalmi paraméterek és QoS paraméterek társulnak † Az ATM hálózat garantálja a megállapodás szerinti QoS-t minden összeköttetés számára

26

Szolgáltatási kategóriák az ATM-ben † Constant bit rate (CBR), † Real time variable bit rate (RT-VBR), † Non-real time variable bit rate (NRTVBR), † Available bit rate (ABR), † Unspecified bit rate (UBR), and † Guaranteed frame rate (GFR) 27

Torlódásszabályozás - Congestion control † A torlódásszabályozás az ATM hálózatokban lehetővé teszi a szolgáltatók számára hogy annyi forgalmat vigyenek át, amennyit csak lehet, a felhasználók által kért szolgáltatásminőség betartása mellett † A congestion control call admission controlt és policing-mechanizmusokat alkalmaz

28

ATM kapcsológép-architektúra

CPU

Input queues

Output queues 1

...

...

Incoming links

1

N

Outgoin links

N

Switch fabric

29

Osztott memóriás ATM kapcsolóarchitektúra (1.) A leggyakoribb ATM-kapcsoló-típus Shared memory

1

1

...

...

N

N

30

Osztott memóriás ATM kapcsolóarchitektúra (2.) † Az osztott memória sorokba van szervezve, minden kimeneti portra van egy sor („linked list”) † Ha minden bejövő és kimenő link sebessége V, a kapcsológép akkor tudja kezelni a maximálisan beérkező forgalmat, ha a memória átbocsátóképessége 2NV † A teljes memóriakapacitás B cella (B igen nagy lehet a modern kapcsolókban) † Az i-edik porton max Bi cella állhat sorban, BiB lehet

31

Cellavesztés az osztott memóriás kapcsológépben † Cellavesztés következik be, ha a cella abban az időpillanatban érkezik, amikor az osztott memória tele van, azaz B cellát tartalmaz † Cellavesztés akkor is bekövetkezhet, ha akkor érkezik a továbbításnak megfelelő iedik kimeneti portra, amikor az erre a portra sorbanálló cellák száma Bi (akkor is, ha a teljes cellamenyiség az osztott memóriában kisebb, mint B) 32

Nem-blokkoló kimeneti tárolós kapcsológép † A nem blokkoló (non-blocking) kapcsológépben a kapcsolómátrix nem okoz belső vagy külső blokkolást † A kimeneti tárolós kapcsológép csak a kimeneti portjain pufferelt ...

...

output ports

† Az osztott memóriás kapcsológép nemblokkoló kimeneti pufferelés esetén 33

Scheduling-algoritmusok † Nem-blokkoló kapcsológép, kimeneti puffereléssel, minden puffer különböző összeköttetésekhez tartozó cellákat tartalmaz † Minden egyes összeköttetéshez saját szolgáltatásminőség- (QoS) kategória tartozik † Összeköttetésenként (szolgáltatásminőségkategóriánként) külön sorokba csoportosítjuk a cellákat, és a sorokat megfelelő scheduling algoritmus szerint szolgáljuk ki

34

Statikus prioritások CBR

†

Prioritások a sorok között

†

Mindig a legnagyobb prioritású sort szolgáljuk ki először, majd az utána következőt s.í.t.

†

Életkor: ha a sor már régen nem volt kiszolgálva, megnöveljük a prioritását

RT-VBR

From switch fabric

NRT-VBR ABR

UBR

Output port

35

„Early Deadline First” (EDF) algoritmus † Minden cellához határidőt rendelünk a pufferbe való érkezéskor † A scheduler a cellákat határidejük szerint szolgálja ki, azaz a legkorábbi határidejűeket legelőször † A késleltetés-érzékeny alkalmazásokhoz (beszéd, video) tartozó cellák elsőbbségi kiszolgálását azzal lehet biztosítani, hogy a beérkezési idejükhöz közel eső határidőket rendelünk

36

A „round-robin” scheduler † Minden kimeneti puffert valahány db logikai sorként szervezünk meg † A scheduler körbejárásos módszerrel kiszolgál minden sorból egy-egy cellát † Az üres sorokat átugorjuk † Súlyozott körbejárásos scheduling-ot valósíthatunk meg azáltal, hogy soronként változó számú cellának biztosítunk kiszolgálást 37

Az ATM adaptációs réteg † Az AAL célja, hogy izoláljuk a magasabb rétegeket az ATM réteg specifikus jellemzőitől † Az AAL két alrétege a „ convergence (konvergencia) alréteg és a „ segmentation-and-reassembly (SAR – szegmentáló és újra-összegyűjtő) alréteg

38

Az AAL alrétegei SAP

Convergence Sublayer

Service Specific Convergence Sublayer (SSCS) Common Part Sublayer (CPS)

Segmentation and Reassembly SAP

39

ATM Adaptation Layer 1 (AAL 1) † Ez az AAL pl. az alábbi alkalmazásokhoz használható jól: „ circuit emulation services (áramköremulációs szolgáltatás) † Pont-pont, TDM jellegű áramkör ATM felett

„ Állandó bitsebességű hangátvitel † Két alközpont (PBX) közötti kapcsolatot lehet biztosítani ezáltal magán- vagy nyilvános ATM hálózaton 40

SAR az AAL 1 számára

payload

SAR Header SN

CSI Sequence. count 1 bit

3 bits

SNP

47 bytes

CRC-3 3 bits

Parity 1 bit

41

A konvergencia-alréteg (CS) funkciói az AAL 1 esetén (1.) 1. Cellakésleltetés-ingadozás kezelése

„ A sorbanállási késleltetések következtében a cellaérkezési-időközök ingadoznak (jitter) Sender cell i

cell i-1

t

t i-1 i Inter-departure gaps

Receiver cell i+1

ATM cloud

cell i-1

cell i

cell i+1

si-1

si Inter-arrival gaps

„ A CS a vett adatot pufferbe írja, majd az információt állandó bitsebességgel továbbítja az alkalmazásnak

42

A konvergencia-alréteg (CS) funkciói az AAL 1 esetén (2.) 2. A sequence count kezelése „ Elveszett vagy hibásan beiktatódott cellák „ A hibásan bekerült cellák törlődnek „ Az AAL felhasználói bitfolyam integritásának fenntartásához az elveszett cellák helyén „mű” SAR-PDU payload-okat iktatunk be

3. Hibajavítás (FEC- forward error correction) „ Szükséges lehet video és jóminőségű audio esetén „ Kombinálható bit-interleaving-gel a nagyobb hibavédelem érdekében 43

A konvergencia-alréteg (CS) funkciói az AAL 1 esetén (3.) 4. Időzítési információ átvitele a. Synchronous residual time stamp (SRTS): a CS a CSI mezőben (egymás követő cellák sorozatának felhasználásával) megadja a vevőnek a hálózati közös óra és az adó órájának a különbségét b. Adaptív órajel módszere: ha nem áll rendelkezésre hálózati óra 44

A konvergencia-alréteg (CS) funkciói az AAL 1 esetén (4.) 5. Strukturált és strukturálatlan adatátvitel Két CS-PDU formátumot definiáltak: a. CS-PDU non-P format: 47 byte hasznos információ b. CS-PDU P format: 1-byte header és 46 byte hasznos információ s Header: 7-bites pointer (SDT pointer) és 1 paritásbit 45

Áramkör-emulációs szolgáltatások (1.) UNI IWF A CBR User A

UNI ATM network

IWF B CBR User B

† Strukturált és strukturálatlan adatátvitel egyaránt használt az áramkör-emulációs szolgáltatásban (Circuit Emulation Services - CES), amely T1/E1 összeköttetést emulál ATM felett † A CES-t az interworking function (IWF) valósítja meg 46

Áramkör-emulációs szolgáltatások (2.) † Strukturálatlan szolgáltatás „ A teljes DS1/E1 jelet bitenként behelyezzük a CS-PDU non-P formátum 47-byte-os hasznos részébe, amelyet aztán egy ATM cella visz át 47 byte -> 376 bit -> kevesebb, mint 2 DS-1 frame (193 bit/frame)

47

Áramkör-emulációs szolgáltatások (3.) † Strukturált átvitel „ Nx64 kbit/s („fractional T1/E1”) átvitelére szolgál „ A „fractional T1/E1” N byte-os blokkokat generál 125 μsec-onként. Az ilyen blokkot strukturált blokknak nevezzük „ Az N byte-os blokkokat egymásutáni cellák továbbítják a CS-PDU non-P és P formátumaiban 48

Áramkör-emulációs szolgáltatások (4.) † Az SDT pointer „ Az SDT pointer a CS-PDU P formatjában ezeknek a blokkoknak a határainak azonosítására szolgál

49

Példa: 20 byte-os blokkok Seq, count 0 20

Seq, count 1 20

6

Seq, count 4 13

20

13

7

Seq, count 5 20

14

Seq, count 0 6

14

Seq, count 2

6

20

20

20

20

20

1

19

7

13

20

7

20

14

Seq, count 7 20

20

13

7

Seq, count 2 20

20

20

Seq, count 6

Seq, count 1 20

Seq, count 3

Seq, count 3 14

6

20

20

50

1

ATM Adaptation Layer 2 (AAL 2) † Késleltetés-érzékeny, kis bitsebességű alkalmazások számára, mint amilyen a beszéd és a beszédsávban továbbított adat (fax, modem) † Az AAL 2-t arra szánták, hogy két távoli nyilvános, vagy magántelefonhálózatot ATM-en keresztül kapcsoljanak össze 51

† Az adóoldalon az AAL 2 több stream-et multiplexál össze ugyanarra az ATM összeköttetésre † A vevőoldalon demultiplexálás egyedi folyamokká 52

Az SSCS és CPS alrétegek † Az AAL 2 szolgáltatásokat a konvergencia-alréteg nyújtja, amely további két alrétegre oszlik: „ Service Specific Convergence Sublayer (SSCS) „ Common part sublayer (CPS).

53

Az AAL 2 funkcionális modellje (adóoldal) † Minden stream-et külön SSCS szolgálja ki, amelyhez adott CID van rendelve AAL-SAP

SSCS SSCS CID=Z SSCS CID=Y CID=X

CPS

ATM-SAP 54

SSCS AAL 2 trönköléshez † Speciális SSCS-t fejlesztettek ki: “ATM trunking using AAL 2 for narrowband services” † Ref.: Perros: Chapter 12

55

CPS-csomagok és CPS-PDU-k † A küldő SSCS timert alkalmaz annak eldöntésére mikor adja át az adatot a CPSnek † Az SSCS-től származó adat CPS-packet-be kerül † A különböző SSCS-ból származó CPScsomagok CPS-PDU-ba kerül, amely pontosan 48 byte hosszú és az ATM cella viszi 56

CPS-packet-ek becsomagolása CPS-PDU-kba CPS-packets

CPS-PDUs

1

2

1

3

2

3

4

3

5

4

5

ATM cells

57

A CPS-packet és a CPS-PDU struktúrája 1

2

3 4

3

6

7

CID

1 2

5

PPT

8

1 1

2

P S N

3 4

5

6 7 8

OSF

LI HEC

UUI

CPS-PDU payload CPS-packet payload 48 CPS-packet

PAD CPS-PDU

58

Mezők a CPS-packet-ben † Channel identifier (CID) - 8 bit: „ „

Csatorna-azonosító. Ugyanaz az értéke mindkét irányban A CID-ek hozzárendelése az „AAL negotiation procedures” (ANP) alkalmazásával történik

† Packet payload type (PPT) - 2 bit: „ Jelzi, hogy beszédet vagy hálózat-menedzsmenttel kapcsolatos adatot tartalmaz † Length indicator (LI) - 6 bit: Default max. érték a CPS-packet payload-ra 45 byte † Header error control (HEC) - 5 bit † User-to-user-indication (UUI) - 3 bit: „ Peer-to-peer információ transzparens átvitelére szolgál 59

CPS-PDU mezők Offset field (OSF) (6 bit) † A CPS-packet kezdetének azonosítására szolgál. Az első új CPS-packet-re mutat a CPS-PDU payload-ban † Új CPS-packet hiányában a pad kezdetére mutat † A 47-es érték az jelenti, hogy nem kezdődik CPS-packet a CPS-PDUban 60

Példa

20

48

20 #1

27

35

21 #2

9 20 #3 #4 padding

#2 OSF =0

26 #3

20

OSF=21

OSF=9

61

ATM adaptation layer 5 (AAL 5) † Igen népszerű AAL az egyszerűsége miatt † A felhasználói PDU beágyazásra kerül, majd fragmentálásra, mindegyik fragment-et egy ATM cella hordozza † Az AAL 5 esetében is: „ Convergence sublayer (CS) † SSCS † CPS

„ Segmentation and reassembly (SAR).

62

CPS † Nem biztosított („non-assured”) átviteli működést nyújt † A felhasználói PDU-k max. hossza 65,535 byte lehet † A CPS-PDU-k hibái detektálhatók a vevőoldalon. Nincs hibajavítás, a hibás CS-PDU-król jelzés megy a felsőbb rétegeknek 63

CPS encapsulation User-PDU

† Pad: 0...47 byte, ezáltal a teljes CPS-PDU 48 byte egésszámú többszöröse lesz. A felhasználói PDU max. hossza 65,535 byte † CPS User-to-user indication (CPS-UU): 1 byte-os mező † Common part indicator (CPI): 1 byte-os mező későbbi felhasználásra † Length: 2 byte-os mező, amely megadja a CPS-PDU payload hosszát † CRC pattern: 4 byte, amely a számított FCS-t tartalmazza 64

SAR alréteg - adó † Az SAR a CPS-PDU-t 48 byte-os szegmensek sorozatává szegmentálja † Nincs további beágyazás † Minden szegmens egy-egy ATM cella payload-jaként kerül továbbításra † Az utolsó cella PTI-je SDU=1.

65

SAR sublayer - vevő † SAR tárolja az ATM cellák tartalmát mindaddig, amíg 1. fel nem tűnik egy cella SDU=1-gyel a PTI mezőben † Ellenőrzi a CRC-t és továbbítja a PDU-t az alkalmazásnak, jelezve, hogy helyes-e, vagy nem

2. tele lesz a puffer † Továbbítja a PDU-t az alkalmazásnak azzal a jelzésse, hogy a puffer tele lett 66

Classical IP and ARP over ATM † Az IETF által javasolt technika IP ATM feletti átvitelére egyetlen logikai IP subnetben (LIS). † A LIS IP hostok csoportja, amelyeknek közös az IP hálózati címük és subnet maszkjuk, és amelyek közvetlenül kommunikálnak egymással ATM öszeköttetéseken keresztül

67

Logikai IP alhálózat (LIS) Host-ok csoportja ugyanazzal a hálózati címel és subnet mask-kal IP cím: 193.14.0.0

A transzport hálózatot ATM switch-ekkel helyettesítjük

68

Classical IP

Computer

Computer

TCP IP CIP AAL ATM PHY

TCP IP CIP AAL ATM PHY ATM switch

IP packet

IP packet

CS-PDU

CS-PDU

SAR

SAR

ATM

ATM

69