Redes ATM: Canais e Caminhos Virtuais

Engenharia Elétrica
Modalidade Eletrônica

EE218 – Redes de
Telecomunicações III

ATM
© Antônio M. Alberti 2010

2

ATM
Definição
Principais Características
Componentes de uma Rede ATM
Interfaces
Canais Virtuais
Caminhos Virtuais
Caminhos Virtuais x Canais Virtuais
Classificação dos Circuitos Virtuais
Estabelecimento dos Circuitos Virtuais
Arquitetura de Protocolos
Camada de Adaptação, ATM e Física


1

3

ATM Definição
ATM (Asynchronous Transfer Mode ou Modo de
Transferência Assíncrono).
Modo de Transferência é o termo usado pelo ITU-T para
descrever a tecnologia que cobre os aspectos de
transmissão, multiplexação e comutação.

O Modo de Transferência Assíncrono é uma tecnologia que
utiliza pequenos pacotes de tamanho fixo, chamados de
células, para transmitir, multiplexar e comutar tráfegos de
voz, vídeo, imagens e dados sobre uma mesma rede de alta
velocidade.

O ATM é uma tecnologia de comutação de pacotes baseada
em circuitos virtuais.


4
ATM

Utiliza pequenos pacotes de tamanho fixo (53 bytes),
chamados de células, para transportar voz, dados e vídeo
sobre uma mesma rede de alta velocidade.

A funcionalidade do cabeçalho (5 bytes) das células ATM é
mínimo.

O campo de informações das células ATM é relativamente
pequeno (48 bytes).
Este valor otimiza os fatores conflitantes:
Atraso na rede.
Eficiência de transmissão.
Complexidade de implementação.


2

5

ATM Principais Características
Realiza a adaptação do fluxo de informações para cada
tipo de serviço.

Utiliza conexões virtuais para transportar dados entre uma
fonte e um destino, sobre um mesmo enlace físico.

De forma geral, não realiza nenhum controle de erro e de
fluxo na camada de enlace (serviço não orientado a
conexão e sem confirmação).


6
ATM

Prove um serviço de transmissão orientado a conexão.
Uma conexão deve ser estabelecida na rede antes que
qualquer informação seja transmitida entre duas estações.

Prove suporte à qualidade de serviço.
Cada conexão pode ter os seus próprios pré-requisitos de
qualidade de serviço.

O suporte de QoS por conexão habilita as redes ATM a
atender qualquer tipo atual de tráfego sobre uma mesma
rede.


3

7

ATM Principais Características
Possibilita a alocação dinâmica de largura de faixa.
A alocação de largura de faixa é feita sob demanda.

É independente da tecnologia de transporte de células.
Em principio qualquer meio físico/tecnologia pode ser
utilizada para transportar células ATM.

É geograficamente escalonável.
Pode ser utilizado tanto em redes locais (LANs), como em
redes metropolitanas (MANs) e de longa cobertura (WANs).


8
ATM

Componentes de uma Rede ATM
Uma rede ATM consiste essencialmente de quatro
equipamentos distintos:
Terminais Banda Larga (Hosts)
Comutadores (Switches)
Dispositivos de Borda (Edge Devices)
Enlaces (Links)

IBM Interphase 5575 PCI – 155 Mbps Alcatel Omni PS5-250

4

9

ATM Interfaces
As seguintes interfaces foram definidas para o ATM:
UNI – User-to-Network Interface
NNI – Network-to-Network Interface
DXI – Data Exchange Interface
FUNI – Frame User-to-Network Interface
B-ICI – Broadband Intercarrier Interface


10
ATM

Canais Virtuais
Uma conexão de canal virtual (VCC – Virtual Channel
Connection) é um circuito virtual onde o encaminhamento
das células é feito baseado no valor dos campos VPI e VCI
de cada célula.

Um canal virtual (VC – Virtual Channel) entre dois pontos
em uma VCC é chamado de enlace de canal virtual (VCL –
Virtual Channel Link).

Portanto, uma VCC é uma concatenação de um ou mais
VCs.


5

11

ATM Canais Virtuais
Cada VCL é identificado por um único VCI.

Portanto, o VCI é um identificador local que pode ser
inserido, trocado ou removido em cada VCL de um VCC.

Um VPC pode conter vários VCCs, assim como um VPL
pode conter vários VCLs.


12
ATM

Canais Virtuais
VCs, VCCs e VCLs.
Comutador ATM Comutador ATM
Usuário Final Usuário Final
ATM ATM
VPI=5 Tabela de VPI=6 Tabela de VPI=7
VCI=32 Encaminha- VCI=34 Encaminha- VCI=36
2 mento 2 2 mento 2
1 1 1 1
0 0 0 0

VCL VCL VCL

VC A VC B VC C

VCC ou Circuito Virtual

VC - Virtual Channel VCC - Virtual Channel Connection VCL - Virtual Channel Link


6

13

ATM Caminhos Virtuais
Uma conexão de caminho virtual (VPC – Virtual Path
Connection) é um circuito virtual onde o encaminhamento
das células é feito baseado no valor dos campos VPI de
cada célula.

Um caminho virtual (VP – Virtual Channel) entre dois
pontos em uma VPC é chamado de enlace de caminho
virtual (VPL – Virtual Path Link).

Portanto, uma VPC é uma concatenação de um ou mais
VPs.


14
ATM

Caminhos Virtuais
O campo VPI das células ATM é atribuído, trocado ou
removido em cada VPL.

Cada VPL é identificado por um único VPI.

Portanto, o VPI é um identificador local que pode ser
inserido, trocado ou removido em cada VPL de um VPC.


7

15

ATM Caminhos Virtuais
VPs, VPCs e VPLs.
ATM ATM
2 mento 2 2 mento 2
1 1 1 1
0 0 0 0

VPL VPL VPL

VP A VP B VP C

VPC

VP - Virtual Path VPC - Virtual Path Connection VPL - Virtual Path Link


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ATM

Caminhos Virtuais x Canais Virtuais
Cada canal virtual é associado a um caminho virtual.

VCL
VPL VCL
VCL

VPL - Virtual Path Link
VCL - Virtual Channel Link

VCC
VPC VCC
VCC

VPC - Virtual Path Connection
VCC - Virtual Channel Connection


8

17

ATM Caminhos Virtuais x Canais Virtuais
Funcionamento do Comutador
Comutador
Porta 1 Porta 2
Matriz
Célula ATM de
Comutação
VPI=5 VPI=5 VPI=8 VPI=7
VCI=33 VCI=32 VCI=37 VCI=35

Enlace físico Tabela de
Encaminhamento

Ponto de vista físico

Porta 1 Comutador Porta 2

VP 5 VP 7
VC 32 VCC 1 VC 35
VC 33 VCC 2 VC 36

VC 34 VCC 3 VC 37

VP 6 VP 8

Ponto de vista lógico


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ATM

Encaminhamento das Células ATM
O encaminhamento das células ATM através da rede é
baseado em dois elementos:
Cabeçalho das Células ATM
Identificam o circuito virtual a que as células pertencem através de dois
identificadores virtuais:
• Identificador de Caminho Virtual (VPI – Virtual Path Identifier)
• Identificador de Canal Virtual (VCI – Virtual Channel Identifier)

Tabela de Encaminhamento
Relaciona o circuito virtual com as portas de entrada, saída e com os
identificadores virtuais presentes no cabeçalho das células ATM.


9

19

ATM Encaminhamento das Células ATM
Tabela de Encaminhamento x Identificadores Virtuais

Circuito Virtual 1
ATM ATM
2 mento 2 2 mento 2
1 1 1 1
0 0 0 0
Portas Portas Portas Portas
Entrada Saída Entrada Saída

Tabela de Encaminhamento Tabela de Encaminhamento

Entrada Saída Entrada Saída
Circuito Circuito
Virtual Virtual
Porta VPI VCI Porta VPI VCI Porta VPI VCI Porta VPI VCI

1 2 5 32 2 6 34 1 2 6 34 2 7 36



20
ATM

Classificação dos Circuitos Virtuais
Os circuitos virtuais ATM podem ser classificados de
acordo com a forma como são estabelecidos no tempo:
Conexões Virtuais Permanentes
PVCs – Permanent Virtual Connections

Conexões Virtuais Chaveadas
SVCs – Switched Virtual Connections

Conexões Virtuais Semi Permanentes
SPVCs – Soft Permanent Virtual Connections


10

21

ATM Estabelecimento dos Circuitos Virtuais
Por ser uma tecnologia de comutação de pacotes baseada
em circuitos virtuais o ATM:
É orientado a conexão.

Utiliza uma rota fixa para encaminhar todas as células ATM
de um mesmo circuito virtual.

Estabelece os circuitos virtuais através do encaminhamento
de mensagens de sinalização.

Utiliza um protocolo de roteamento para enviar as
mensagens de sinalização.


22
ATM

1. Setup
As mensagens de sinalização são encaminhadas pela rede
utilizando-se um protocolo de roteamento. Elas possuem o
endereço ATM do destinatário e o contrato de tráfego. A
rede verifica em cada nó se pode aceitar o novo circuito
virtual.
Mensagem de
Sinalização
ATM ATM

SETUP SETUP
SETUP


11

23

2. Call Proceding
O destinatário indica para a rede que o procedimento de
estabelecimento do circuito virtual teve inicio. A rede
também avisa o usuário fonte.
Mensagem de
Sinalização
ATM ATM

SETUP SETUP
SETUP
CALL CALL
PROCEDING PROCEDING


24
ATM

3. Connect
O destinatário indica para a rede que aceita o novo circuito
virtual. A rede também avisa o usuário fonte.
Circuito Virtual 1
ATM ATM
Tabela de Tabela de
Encaminha- Encaminha-
mento mento

SETUP SETUP
SETUP
CALL CALL
PROCEDING PROCEDING
CONNECT
CONNECT CONNECT


12

25

4. Connect Acknowledge
A rede envia uma mensagem para o destinatário ATM
avisando que o circuito virtual está completo.
Circuito Virtual 1
ATM ATM
Tabela de Tabela de
mento mento

SETUP SETUP
SETUP
CALL CALL
PROCEDING PROCEDING
CONNECT
CONNECT CONNECT

CONNECT ACK CONNECT ACK


26
ATM

5. Data
O usuário fonte inicia a transmissão de dados no formato
de células ATM.
Circuito Virtual 1
ATM ATM
Tabela de Tabela de
1 1 1
mento mento

SETUP SETUP Célula ATM
SETUP
Cabeçalho
CALL CALL identifica o
PROCEDING PROCEDING Circuito Virtual 1.
CONNECT
CONNECT CONNECT

CONNECT ACK CONNECT ACK

DATA


13

27

ATM Classificação dos Circuitos Virtuais
Comutador ATM

Usuário Final ATM Usuário Final ATM

- Ponto a ponto
- Unidirecional/Bidirecional
Usuário Final ATM

Comutador ATM

Usuário Final ATM

Usuário Final ATM

- Ponto para multiponto
- Unidirecional


28
ATM

Camada de Adaptação ATM
Camada ATM
Camada Física
Plano de Gerenciamento

Plano de Plano de
Gerenciamento de Planos
Gerenciamento de Camadas

Controle Usuário

Protocolos de Camadas
Sinalização ATM Superiores da Rede

Camada de
Camada de
O Modelo de Adaptação ATM de
Adaptação ATM
Sinalização
Referência de
Protocolos foi
Camada ATM
apresentado pelo
ITU-T na
Recomendação Camada Física
I.321.


14

29

ATM / Arquitetura de Protocolos Camada de Adaptação ATM
A AAL atua na adaptação do fluxo de informações das
camadas superiores à camada ATM e vice-versa.

A AAL funciona como uma camada de ligação entre os
serviços oferecidos pela camada ATM e os serviços
solicitados pelas camadas superiores da rede.

A fim de atender diferentes tipos de serviço, a AAL suporta
múltiplos protocolos.


30
ATM / Arquitetura de Protocolos

Camada de Adaptação ATM
A Recomendação I.362 classifica os serviços a serem
atendidos pela a AAL e define protocolos designados para
atender cada classe de serviço.
Aspecto Classe A Classe B Classe C Classe D
Relacão temporal Requerida Requerida Não requerida Não requerida
entre fonte e destino
Taxa de bits Constante Variável Variável Variável

Modo de conexão Orientado a Orientado Orientado a Não orientado a
conexão a conexão conexão conexão
Protocolo AAL 1 AAL 2 AAL ¾ e AAL 5 AAL ¾ e AAL 5


15

31

Arquitetura de Protocolos / AAL Subcamadas
A AAL é dividida em duas subcamadas:
Subcamada de Convergência (CS – Convergence Sublayer)
Subcamada de Segmentação e Remontagem (SAR –
Segmentation and Reassembly Sublayer)


32
Arquitetura de Protocolos / AAL

Subcamada de Convergência
Descreve os serviços e funções necessárias para a
conversão entre protocolos ATM e não ATM.
A Recomendação I.362 divide novamente esta
subcamada em:
Subcamada de Convergência de Serviços Específicos
(SSCS – Service Specific Convergence Sublayer)
Foi projetada para suportar aspectos específicos de um aplicativo.

Subcamada de Convergência de Serviços Comuns (CPCS –
Common Part Convergence Sublayer)
Foi projetada para suportar funções genéricas comuns a mais de um
tipo de aplicativo.


16

33

Arquitetura de Protocolos / AAL Subcamada de Segmentação e Remontagem
É responsável pela fragmentação das CPCS-SDUs de
informação em SAR-PDUs na fonte, e pela remontagem
dessas SAR-PDUs em CPCS-PDUs no destino.

A SAR acrescenta cabeçalhos e trailers nos fragmentos da
CPCS-SDU e encaminha as SAR-PDUs de 48 bytes para
a camada ATM.

No destino, cada campo de informação da célula é
extraído na camada ATM e convertido para o PDU
apropriado.


34

Estrutura Geral das Subcamadas
Transmissão AAL-SDU

SSCS-PDU SSCS-PDU
AAL-SDU
Header Trailer

SSCS-PDU SSCS-PDU
Header
Payload
Header
SSCS-PDU
© Antônio M. Alberti 2004 SSCS

CPCS-PDU CPCS-PDU
CPCS-SDU
Header Trailer

CPCS-PDU CPCS-PDU CPCS-PDU
Header Payload Trailer
CPCS-PDU
CPCS

SAR-PDU SAR-PDU
SAR-SDU
Header Trailer

SAR-PDU SAR-PDU SAR-PDU
SAR-PDU
SAR


17

35

Arquitetura de Protocolos / AAL Estrutura Geral das Subcamadas
Recepção AAL-SDU

SSCS-PDU SSCS-PDU
AAL-SDU
Header Trailer

SSCS-PDU SSCS-PDU
Header
Payload
Header
SSCS-PDU
© Antônio M. Alberti 2004 SSCS

CPCS-PDU CPCS-PDU
CPCS-SDU
Header Trailer

CPCS-PDU CPCS-PDU CPCS-PDU
CPCS-PDU
CPCS

SAR-PDU SAR-PDU
SAR-SDU
Header Trailer

SAR-PDU SAR-PDU SAR-PDU
SAR-PDU
SAR


36

AAL 1 – Protocolo da SAR
48 bytes
4 bits 4 bits 47 bytes

SN SNP SAR-PDU Payload

SN = Sequence Number
SNP = Sequence Number Protection

Campo SN
Divide-se em dois sub-campos:
Convergence Sublayer Indicator (CSI) – 1 bit utilizado para indicar se as
funções de recuperação de sincronismo e recuperação de estrutura
serão necessárias no receptor.

Sequence Count (SC) – 3 bits que carregam uma numeração de
seqüência utilizada para detecção de perda e inserção de células.


18

37

Arquitetura de Protocolos / AAL AAL 1 – Protocolo da SAR
Campo SNP
Divide-se em dois sub-campos:
Cyclic Redundancy Check (CRC) – Serve para proteger o campo SN.
Utiliza um código CRC de 3 bits. Permite a detecção e correção de
erros simples no campo SN.

Bit de Paridade Par – Serve para proteger os 7 bits do cabeçalho
(CSI+SC+CRC). Utiliza 1 bit de paridade par.


38

AAL 1 – Protocolo da CS
Modo Não Estruturado
Não reconhece a estrutura do quadro de um sinal sendo
transportado.
Os sinais são transportados de forma transparente pelo
ATM.
4 bits 4 bits 47 bytes

SN SNP CPCS-SDU
SAR-PDU
48 bytes


19

39

Arquitetura de Protocolos / AAL AAL 1 – Protocolo da CS
Modo Estruturado
Reconhece a estrutura do quadro de um sinal sendo
transportado.
Utiliza um ponteiro (P) para identificar o inicio da estrutura.
Este ponteiro é armazenado no primeiro byte do payload da
SAR-PDU.
O restante da SAR-PDU é preenchido com informações do
usuário.

4 bits 4 bits 1 byte 46 bytes

SN SNP P CPCS-SDU
SAR-PDU
48 bytes


40

AAL 1 – O Serviço de Emulação de Circuitos
O Cenário de Utilização:

Comutador Comutador

ATM
VCC CBR
AAL1 AAL1

E1 E1
PABX

São Paulo Rio de Janeiro


20

41

Arquitetura de Protocolos / AAL Serviço de Emulação de Circuitos Não Estruturado
Exemplo de CPCS
CPCS- CPCS- CPCS-
Amostras de voz: SDU SDU SDU
Transmissão (1 byte por amostra)
Se as amostras
forem retiradas
de um quadro E1, Fila de CPCS- CPCS- CPCS-
CPCS-SDUs SDU SDU SDU
tem-se uma
amostra a cada
T = 125/32 µs = SAR 4 bits 4 bits 47 bytes

3.9 µs. SAR- SN SNP CPCS-SDU
PDU
48 bytes

ATM Célula ATM

Header SN SNP CPCS-SDU

5 bytes 48 bytes

42

Serviço de Emulação de Circuitos Não Estruturado
Exemplo de CPCS
CPCS- CPCS- CPCS-
Entrega das SDU SDU SDU
Recepção amostras no
Se as amostras destinatário.

forem entregues
a um quadro E1, Fila de CPCS- CPCS- CPCS-
CPCS-SDUs SDU SDU SDU
é necessário se
entregar 8000
bytes por SAR 4 bits 4 bits 47 bytes

segundo = SAR- SN SNP CPCS-SDU

256 kBytes/seg = PDU
48 bytes
2,048 Mbps.
ATM Célula ATM

Header SN SNP CPCS-SDU

5 bytes 48 bytes

21

43

ATM / Arquitetura de Protocolos Camada ATM
A camada ATM é responsável por um grande número de
funções, dentre as quais podemos destacar:
Geração e extração dos cabeçalhos das células.
Multiplexação e demultiplexação de AAL-PDUs em células
ATM.
Comutação das células ATM.
Discriminação das células ATM.
Gerenciamento de tráfego.
Gerência da rede.


44
ATM / Arquitetura de Protocolos

Camada ATM
7 6 5 4 3 2 1 0 bits 7 6 5 4 3 2 1 0

GFC VPI 1 VPI

VPI VCI 2 VPI VCI

VCI 3 VCI

VCI PT CLP 4 VCI PT CLP

HEC 5 HEC

Campo de Informações 6-53 Campo de Informações
octetos
Célula UNI Célula NNI

Campos do Cabeçalho da Célula ATM:
Controle de Fluxo Genérico (GFC - Generic Flow Control)
Identificador de Caminho Virtual (VPI - Virtual Path Identifier)
Identificador de Conexão Virtual (VCI - Virtual Channel Identifier)
Tipo de Carga (PT - Payload Type)
Prioridade de Perda de Célula (CLP - Cell Loss Priority)
Controle de Erro do Cabeçalho (HEC - Header Error Control)

22

45

Arquitetura de Protocolos / Camada ATM Formato das Células ATM
Identificador de Caminho Virtual
Serve para identificar o caminho virtual que está sendo
utilizado pelas células de uma determinada conexão ATM.

Possui 8 bits na UNI e 12 bits na NNI, o que permite que
mais conexões possam ser estabelecidas no interior da
rede.

Permite identificar até 28 (256) caminhos virtuais na UNI e
212 (4096) caminhos virtuais na NNI.


46
Arquitetura de Protocolos / Camada ATM

Formato das Células ATM
Identificador de Conexão Virtual
Serve para identificar a conexão virtual que está sendo
utilizado pelas células de uma determinada conexão ATM.

Possui 16 bits em ambas as interfaces.

Permite identificar até 216 (65536) conexões virtuais.


23

47

Tipo de Carga
Este campo de 3 bits é usado para indicar qual o tipo de
carga que está sendo transportada em uma célula ATM.
Valor binário Significado
000 Célula de dados de usuário. Congestionamento não experimentado. AUU= 0.
001 Célula de dados de usuário. Congestionamento não experimentado. AUU = 1.
010 Célula de dados de usuário. Congestionamento experimentado. AUU = 0.
011 Célula de dados de usuário. Congestionamento experimentado. AUU = 1.
100 Célula associada ao fluxo OAM F5 de segmento
101 Célula associada ao fluxo OAM F5 fim a fim
110 Célula de gerenciamento de recursos
111 Reservado para funções futuras

AUU = ATM-user-to-ATM-user indication


48

Prioridade de Perda de Célula
Este bit é usado para sinalizar quando uma célula está de
acordo com um contrato de tráfego preestabelecido (CLP =
0) ou passível de ser descartada quando ocorre um
congestionamento na rede (CLP = 1).


24

49

Controle de Erro do Cabeçalho
Permite detectar e corrigir erros no cabeçalho das células.

Utiliza códigos de conferência de redundância cíclica (CRC
– Cyclic Redundancy Codes).

Na transmissão, o código CRC é calculado sobre os 32 bits
do cabeçalho da célula a serem protegidos e armazenado
no campo HEC.


50

Controle de Erro do Cabeçalho (cont.)
Na recepção, um novo código CRC é calculado e
comparado com o código presente no campo HEC.

Se ambos os códigos forem iguais, é assumido que nenhum
erro ocorreu durante a transmissão.

Se os códigos forem diferentes, é assumido que
houveram erros.


25

51

ATM / Arquitetura de Protocolos Camada ATM
Categorias de Serviço
Taxa de Bits Constante
CBR – Constant Bit Rate
Taxa de Bits Variável em Tempo Real
rt-VBR – Real-Time Variable Bit Rate
Taxa de Bits Variável não em Tempo Real
nrt-VBR – Non-Real-Time Variable Bit Rate
Taxa de Bits Disponível
ABR – Available Bit Rate
Taxa de Bits Não Especificada
UBR – Unspecified Bit Rate
Taxa de Frame Garantida
GFR – Guaranteed Frame Rate


52

Camada Física
A camada física é responsável pela transmissão das
células entre dois equipamentos ATM através de um
enlace físico específico.

Comutador ATM

Usuário Final ATM Usuário Final ATM


26

53

Arquitetura de Protocolos / Camada Física Interfaces Físicas
Em principio o ATM pode usar qualquer meio
físico/tecnologia capaz de carregar suas células.
Descrição Taxa (Mbps) Especificação
ATM 25.6 Mb sobre UTP-3 25.6 ATM Forum
51.84 Mb SONET STS-1 sobre UTP-3 51.84 ATM Forum
TAXI 100 Mb sobre MMF 100 ATM Forum
155 Mb FibreChannel sobre MMF 155.52 ATM Forum
155 Mb SONET STS-3c sobre SMF/MMF 155.52 ITU-T I.432
155 Mb SONET STS-3c sobre UTP-3 155.52 ATM Forum
155 Mb SONET STS-3c sobre UTP-5 155.52 ATM Forum
DS-1 1.544 ITU-T G.804
DS-3 44.736 ITU-T G.703
E1 2.048 ATM Forum
E3 34.368 ATM Forum
E4 139.264 ATM Forum
622 Mb SONET STS-12c 622.08 ATM Forum


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