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ITESM CAMPUS MORELOSINSTITUTO TECNOLÓGICO Y DE ESTUDIOS SUPERIORES DE MONTERREY

DIVISIÓN DE INGENIERÍA Y CIENCIAS

MAESTRÍA EN CIENCIAS COMPUTACIONALES

SIMULACIÓN DE UN CONMUTADOR ATM

TESIS QUE PARA OBTENER EL GRADO DE:

MAESTRO EN CIENCIAS COMPUTACIONALESESPECIALIDAD EN SISTEMAS DISTRIBUIDOS

PRESENTA:

PEDRO MENA ANGELITO

ASESOR:

DR. ROGERIO ENRIQUEZ CALDERA

MAYO DE 1998

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SIMULACIÓN DE UN CONMUTADOR ATM

Aprobaron:

Dr. Rogelio Enríquez CalderaProfesor e Investigador del ITESM-Morelos

Asesor de Tesis

M.C Carlos Felipe García HernándezInvestigador del Instituto de Investigaciones Eléctricas

Revisor de Tesis

MyC. Francisco González Horta-Profesor del ITESM-Morelos

Revisor de Tesis

Dr. Roberto Valdivia BeutelspacherProfesor e Investigador del ITESM-Morelos

Revisor de Tesis

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nos

enido

Acepta, oh Dios, este pequeño ofrecimiento,recíbe en tus manos por siempre victoriosasproducto de incontables jornadas laboriosas:a precio de adquirir conocimiento.

Dedicatorias

Amados padres míos: Pedro y Blanca,ustedes han sido mi principal motivación parafinalizar este trabajo, junto con mis herma

Blanca, Miguel, Fernando y mí abuelita,y el corazón me apresura a dedicarles el fruto obt

que es tanto de ustedes, como mío.

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Agradecimientos

Te agradezco Dios mío, que me hayas permitido culminar este trabajo,

sorteando todo tipo de obstáculos que Tú bien conoces, dotándome de je,

paciencia, esperanza, y el mejor apoyo de una familia unida y amorosa.

Papá , Mamá, les agradezco que me ñauan alentado a continuar hasta el

final, por el respaldo moral u económico, este último, producto de aranaes

sacrificios, u el primero, bastión para orientarme nada (a culminación de

este trabajo, bajo la Sabiduría de sus atinados consejos, Migue, Nando,

Yudih y Abue, gracias por estar siempre conmigo, y por formar tos siete

una gran familia.

Dr Rogerio, le agradezco todo el tiempo invertido en las asesorías, pero

Sobre todo el invertido en a q u e l l a s diarias extra-asesorías, que sirvieron para

confirmar el carácter de científico, afirmando primero a la persona.

Agradezco a mis revisores de tesis, Dr. Roberto Valdivia, M. C. Carlos

F. García, M. C. Francisco González, por sus valiosos comentarios en la

presentación de los resultados de la tesis, que contribuyeron a enriquecer el

aporte de este trabajo.

Al Dr. Pawel Gburzinsky, por su asesoría vía e-mail, tan valiosa para

trabajar con SMURP H..

A mis compañeros u amigos de Amarantos # 1, Elías y Gabriel, por el

apoyo brindado (económico y compu tac iona l durante el periodo de la

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maestría (y más allá), con quienes además he compartido grandes momentos,

enmarcados por todos los sucesos que acontecen a los jóvenes de nuestra edad,

expuestos en largas jornadas de diarias acerca del amor, las mujeres u la

vida.

A mi gran amigo Héctor, por su apoyo y por ver la vida casi desde la

misma óptica que yo, esto último motivo de largos momentos de reflexión.

A mis amigos de Fesno # 1, en espec ia l a Gerardo, por su excelente sentido

del humor u por la amistad forjada desde entonces.

A Erika y Santa, por los momentos tan gratos compartidos, impregnados de

sinceridad u compañerismo.

A mis demás compañeros nuevos y viejos: Esmera lda , Juanita, Gaby

Sa l inas , Gaby Rivera, Madera , Moo, Poncho, Miguelón, Miguel de

Olar te , Chandomí, A l f r e d o , Fer, S a l v a d o r ' , Edgar, Samuel, Víctor,

Edgardo, (Edmundo, Amilcar, Julián, y a todos aquellos compañeros que

no kan visto su nombre escrito en esta h o j a , sépanlo que sí lo está en mi

memoria.

A Giovani, por su ayuda para instalar SMURP H, a Jerónimo y a

todos los compañeros del CEC, y de la biblioteca.

Al pueblo del que orgullosamente soy par t e , por el apoyo que me ka

brindado a travéz del CONACyL para realizar este pos t -grado .

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Papá, no llores, que sólo sé que de dolor se lloray por primera vez te escucho palabra temblorosa,gran líder, político, y maestro de la prosa,amigo del discurso, gran alma generosaque fundas escuela que del cerro ahora,Ni ausencia eterna, ni adversidad te dobla,he visto al dolor huir de tí calladamente,sin cosechar de tus ojos la lagrima presente

y es hasta hoy que huyen en torrente,cuando sé, que también de felicidad se llora.

Por cumplir tan bien con la tarea queDios te ha encomendado,

¡Gracias, Mamá!

¡Gracias Papá!

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RESUMEN

Se presenta al Modo de Transferencia Asincrono (ATM, Asynchronous Transfer Mode) como un

estándar de comunicación en desarrollo importante a finales de siglo, con el objetivo de proveer el

transporte de datos digitales (audio, video y texto) multimedios a altas velocidades. Se analizan

algunos de los problemas más importantes aún no resueltos para el estándar, especialmente aquellos

relativos al control de la congestión y multicasíing.

Se examina la técnica SONET/SDH como medio de transporte que utilizará ATM en el modelo de

referencia de la red digital de servicios integrados de banda amplia (B-ISDN, Broadband Integrated

Services Digital Network). Se describe el modelo de referencia B-ISDN y la integración de ATM

dentro del modelo como la tecnología de conmutación y transmisión elegida para los servicios

ofrecidos por B-ISDN.

Debido a la libertad que aún concede el estándar incompleto de ATM en cuanto a la especificación de

la implementación de redes de este tipo, cuestiones tales como detalles de estrategias de

almacenamiento temporal (buffering) utilizadas para tratar la contención de celdas que experimenta

un conmutador y políticas de admisión de llamadas, que caracterizan a un conmutador ATM, no

tienen una representación a través de valores simples o símbolos con un significado universal. En esta

tesis se diseña un modelo de un conmutador ATM basado en el modelo de un conmutador con buffers

asociados a los puertos de entrada, con una velocidad de conmutación mayor que la velocidad del

enlace, detallando el proceso y describiendo sus consideraciones fundamentales. Se realiza una

simulación de dicho modelo mediante un lenguaje de especificación de protocolos denominado

SMURPH. Se presentan y analizan los resultados obtenidos de dicha simulación, los cuales,

comparados con los obtenidos para el modelo de conmutador con buffers asociados a los puertos de

salida, muestran que el modelo sujeto de esta tesis es una buena alternativa para su implementación

en hardware.

1

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CONTENIDO

Resumen iContenido iiLista de figuras ivLista de tablas viSiglas y abreviaturas vii

Capítulo 1. Introducción

1.1 Situación actual 11.2 Motivación 11.3 Objetivo 21.3 Estructura de la tesis 2

Capítulo 2. SONET/SDH como medio de transporte para ATM

Introducción 32.1 Evolución hacia SONET/SDH 32.2 Arquitectura de capas de SONET/SDH 72.3 Estándares SONET/SDH 9

2.3.1 FASE I 92.3.2 FASE II : 102.3.3 FASE III.. 10

2.4 Propuestas de SONET/SDH 112.5 Formato de la trama SONET/SDH 12

2.5.1 Formato básico de la trama 132.5.2 Equivalencia en la formación de tramas de SONET y de SDH 152.5.3 Estructura de multicanalización de SONET/SDH 162.5.4 Clasificación de los encabezados SONET/SDH 192.5.5 Encabezados de las tramas SONET/SDH 19

2.6 Ajuste de apuntadores 242.7 Sumario 27

Capítulo 3. Modo de Transferencia Asincrono

Introducción 283.1 Evolución hacia ATM 283.2 Modelo conceptual ATM 293.3 Teoría de operación 31

ii

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3.3.1 La celda UNI y NNI 313.3.2 Segmentación de celda 353.3.3 Mult icanal ización asincrona 363.3.4 Mult icanal ización estadística 37

3.4 Conceptos básicos en redes ATM 373.4.1 Operación básica de conmutadores ATM 403.4.2 Señalización y direccionamiento en ATM 45

3.5 B-ISDN/ATM 483.5.1 Modelo de referencia 483.5.2 Capa física 523.5.3 Capa ATM 523.5.4 Capa de adaptación ATM (AAL) 533.5.5 Las capas ATM y las capas del modelo de referencia OSI 66

3.6 Problemas a resolver en ATM 663.6.1 Control de la congestión y QoS 663.6.2 Multicasting en ATM 68

3.7 Perspectivas ATM 713.8 Sumario 71

Capítulo 4. Simulación de un conmutador ATM

Introducción 734.1 Descripción funcional del modelo 74

4.1.1 Conmutador 744.1.2 Nodo terminal 754.1.3 Establecimiento de la conexión 75

4.2 Estructura genérica de un nodo ATM en el modelo 764.2.1 Conmutador ATM genérico 774.2.2 CPEs (nodos terminales) 80

4.3 Descripción de celdas, buffers y patrones de tráfico 834.4 Políticas de admisión de llamada y estrategias de almacenamiento temporal 864.5 Implementación del conmutador ATM 874.6 Procedimiento de señalización 894.7 Resultados del modelo simulado y su discusión 954.8 Sumario 97

Capítulo 5. Conclusiones y trabajos futuros

5.1 Conclusiones 985.2 Trabajos futuros 100

Referencia bibliográfica 101

iii

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LISTA DE FIGURAS

2.1 Principios de multicanalización síncrona

2.2 Arquitectura de cuatro capas SONET/SDH

2.3 Jerarquía lógica SONET/SDH

2.4 Jerarquía física SONET/SDH

2.5 Evolución de las tramas de SONET y de SDH

2.6 Formato de la trama SONET STS-1

2.7 Estructura lógica de las tramas SONET STS-N

2.8 Contenedor virtual de orden 4

2.9 Equivalencia en la formación de tramas de SONET y de SDH

2.10 Formación de un STM-4

2.11 Multicanalización de señales de tasa menor las SDH

2.12 Encabezado de la trama SONET

2.13 Posición relativa del SPE dentro de la trama STS-1

2.14 Principio de la utilización de los apuntadores

3.1 Interfaces UNI y NNI de ATM

3.2 Estructura de celdas ATM UNI y NNI

3.3 Proceso de detección de error

3.4 Mapeo de celdas ATM en un VC-4

3.5 Multicanalización ATM

3.6 Jerarquía de transporte ATM

3.7 Conexiones ATM

3.8 Relación capa a capa jerárquica ATM

3.9 Operación básica de conmutadores ATM

3.10 Conmutadores VP y VC

3.11 Establecimiento de conexión ATM

3.12 Ubicación del protocolo de establecimiento de la conexión en el modelo de capas ATM

3.13 Establecimiento de la conexión

3.14 Modelo de referencia B-ISDN/ATM

3.15 Localización de los protocolos de BISDN

3.16 Clases de servicios ATM/B-ISDN

iv

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3.17 Modelo del protocolo de las subcapas AALV

3.18 Realización de PDUs en la subcapa CS

3.19 Formato SAR-PDU AAL 1

3.20 AAL tipo 3/4

3.21 (a) Estructura del CPCS-PDU tipo 3/4

3.21 (b) Estructura de un SAR-PDU tipo 3/4

3.21 (c) Ejemplo de transmisión del tipo AAL 3/4

3.22 Estructura SAR y CS del tipo AAL 5

3.23 Ejemplo de transmisión del tipo AAL 5

3.24 Multicasting vía servidor multicast

3.25 Multicasting vía conexiones punto a multipunto overlay

3.26 Conmutador multicast ATM 4x4

3.27 Conmutador multicast ATM 4x4 en cascada

4.1 Máquina de estados del proceso Input

4.2 Máquina de estados del proceso Output

4.3 Máquina de estados del proceso Source

4.4 Máquina de estados del proceso Destination

4.5 Máquina de estados de la generación del patrón de tráfico de datos

4.6 Máquina de estados de la generación del patrón de tráfico de video

4.7 Conmutador con buffers en las entradas

4.8 Intercambio de mensajes de señalización entre los elementos simulados

4.9 Gráfica de retraso-rendimiento del conmutador simulado en esta tesis y del conmutador con

buffers en las salidas

V

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LISTA DE TABLAS

2.1 Jerarquías digitales cuasi-síncronas internacionales en Kbps

2.2 Equivalencia entre las tasas SONET y SDH

3.1 Terminología de Rutas Virtuales/Canales Virtuales

3.2 Modelo de Capas y Subcapas B-ISDN/ATM

3.3 Tipos de protocolos de las capas de adaptación ATM

4.1 Medidas estadísticas arrojadas por la simulación del modelo de la red ATM

vi

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SIGLAS Y ABREVIATURAS

ABRAALATMAUB-ISDNBOMCBDSCBRCCITT

CDTCDVCLPCMISECOMCPCSCPCSUUCPICRCCSCSIDCCDQDBEOMFDDIFDMFMFSKGFCHECHVCIPITITU-T

LANLANELILTELVCMIDMPEGNICNNIOAM&POCOSI

Available Bit RateATM Adaptation LayerAsynchronous Transfer ModeAdministrative UnitBroadBand Integrated System Digital NetworkBegining of MessageConnetionless Broadband Data ServicesConstant Bit RateComité Consultatif International Télégraphique etTéléphoniqueCell Delay TimeCell Delay VariationCell Loss PriorityCommon Management Information Service ElementsContinuation of MessageCommon Part Convergence SublayerCPCS User-to-UserCommon Part IndicatorCyclic Redundance CodeConvergence SublayerConvergence Sublayer IndicatorData Communication ChannelDistributed Queued Dual BusEnd of MessageFiber Distributed Data InterfaceFrecuency División MultiplexingFrecuency ModulationFrecuency Shift KeyingGeneric Flow ControlHeader Error ControlHigher-order Virtual ContainerInternet ProtocolInformation TypeInternational Telecomunication Union -TelecomunicationSectorLocal Area NetworkLAN EmulationLength IndicatorLine Terminating EquipmentLower-order Virtual ContainerMultiplexing IdentifierMotion Pictures Experts GroupNetwork Interface CardNetwork-Network InterfaceOperation, Administration, Maintenance and ProvisioningOptical Carrier, u Optical ChannelOpen System Interconnection

vii

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PCMPDHPOHPTEPTPVCQoSSAALSARSCSDHSDTSMDSSNSOHSONETSPESSCSSTESTMSTSSVCTDMUBRUDTUNIVBRVCVCCVCIVPVPCVPIVTWAN

Pulse Code ModulationPlesynchronous Digital HierarchyPath OverheadPath Terminating EquipmentPayload TypePermanent Virtual ConnectionQuality of ServiceSignaling AALSegmentation and ReassemblySecuence CounterSynchronous Digital HerarchyStructured Data IndicatorSwitched Multimegabit Data ServiceSecuence NumberSection OverheadSynchronous Optical NetworkSynchronous Payload EnvelopeService Specific Convergence SublayerSection Terminating EquipmentSynchronous Transpon ModuleSynchronous Transpon SignalSwitched Virtual ConnectionTime División MultiplexingUnespecifíed Bit RateUnstructured Data IndicatorUser-Network InterfaceVariable Bit RateVirtual Container ó Virtual ChannelVirtual Channel ConnectionVirtual Chanel IdentifíerVirtual PathVirtual Path ConnectionVirtual Path Identifíer

" Virtual TributaryWide Area Network

viii

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CAPITULO 1Introducción

1.1 Situación actual

La evolución en los sistemas de comunicaciones ha desembocado en un proceso de desarrollo de un estándar

conocido como modo de transferencia asincrono (ATM, Asynchronous Transfer Mode). La idea detrás de

ATM es la de dar soporte de transmisión (típicamente a través de tecnologías síncronas como SONET/SDH),

y ofrecer un medio de conmutación (a través de relevo de celdas) a una sola red capaz de integrar

eficientemente servicios que contemplen transmisión de información de formatos como lo son voz, datos y

video. Para lograr este ambicioso propósito, se está realizando una gran cantidad de investigación en varias

universidades del mundo, y a su vez existen organismos involucrados en el proceso de la estandarización

como la ITU-T y el foro ATM [MCLE96].

Algunas de las directrices que se están siguiendo en la investigación actual de ATM son las siguientes:

técnicas de compresión de información, algoritmos de asignación de ancho de banda (estáticos y dinámicos),

predicción del tráfico sobre los enlaces ATM, estrategias de almacenamiento temporal en los conmutadores

ATM, y herramientas para desarrollar modelos para la simulación de estas redes.

1.2 Motivación

Existe una gran cantidad de literatura dedicada a ATM, donde se plantean algunos de los problemas a los

que se enfrentan los investigadores involucrados en el desarrollo de ATM. Uno de ellos es la investigación

del desempeño de las redes ATM, en particular, a través de la simulación de modelos de dichas redes, debido

principalmente a la aún no completamente definida solución específica de los asuntos relativos a la

implementación de tales redes. Por ejemplo, el número de parámetros que caracterizan un conmutador ATM

es grande, y algunos de ellos, como las políticas de admisión de llamadas y las estrategias de

almacenamiento temporal (buffering) no son fácilmente representables por valores simples o símbolos con

1

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un significado universal [DOBO95]. De ahí el valor experimental tan difundido de las simulaciones por

sofocare que ahora ha motivado el desarrollo de esta tesis. v

1.3 Objetivo

Estructurar un modelo de un conmutador ATM y su simulación, con una arquitectura basada en el modelo

de conmutadores asociados a los puertos de entrada y presentar el resultado de la simulación en términos del

retraso-rendimiento que experimenta el tráfico'en el modelo.

1.4 Estructura de la tesis

Capítulo 2. Este capítulo comprende a SONET/SDH como medio de transporte para ATM, junto con los

conceptos propios de SONET/SDH.

Capítulo 3. En este capítulo se ofrece una cobertura general de ATM, incluyendo conceptos básicos,

terminología y teoría de operación de ATM. Contempla, a su vez, conceptos de redes ATM y la ubicación de

ATM dentro del modelo de referencia B-ISDN, así como una descripción de éste último.

Capítulo 4. El capítulo contempla las consideraciones del diseño de un modelo de conmutador ATM y su

simulación, así como los resultados arrojados por la misma.

Capítulo 5. Este capitulo presenta las conclusiones de la tesis y nombra una serie de sugerencias que podrían

implementarse como trabajos futuros.

2

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CAPITULO 2SONET/SDH como medio de transporte para ATM

Introducción

En este capítulo se explicará a SONET/SDH como medio de transporte para la tecnología de conmutación

ATM, y se dará la razón de porqué utilizar un método de transmisión síncrono como medio de transporte

para una tecnología asincrona como lo es ATM.

Dentro de SONET/SDH se contempla la naturaleza misma de este estándar de transmisión y la

característica que tiene al dar soporte de transporte no sólo a las nuevas tecnologías de conmutación, sino

también a las existentes como a las señales pertenecientes al estándar de la jerarquía digital cuasi-síncrona.

2.1 Evolución hacia SONET/SDH

Se pueden distinguir tres factores claves que motivaron el desarrollo de SONET/SDH:

• El primer factor es el creciente uso de la fibra óptica y su probada capacidad de transmisión de

información en sistemas de comunicación [PART93], (entiéndase como redes de comunicación de

información), que motivó a realizar una investigación en señalización para desarrollar y proponer un

nuevo estándar de multicanalización más adecuado a la fibra óptica que los existentes en ese

momento (como el DS3 con una velocidad de 44.736 Mbps).

• El segundo factor surge al tomar en consideración la necesidad de transmitir en una señal óptica la

información "portada" por señales pertenecientes a la Jerarquía Digital Cuasi-síncrona (PDH,

Plesynchronous Digital Hierarchy), a través de multicanalización por división en el tiempo; en otras

3

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palabras, hacer que SONET/SDH operara en un ambiente de señales PDH, pero sin renunciar a su

naturale/.a síncrona. v

• El tercer factor es consecuencia de los dos primeros, al contar con una red de comunicaciones con el

gran ancho de banda ofrecido por la fibra óptica, surge la posibilidad de ofrecer nuevos servicios de

red muy interesantes como la asignación de ancho de banda por tiempo definido, o las aplicaciones

multimedia ejecutándose en red y para dar soporte a técnicas de conmutación como BISDN-ATM.

Con base en su investigación de señalización para fibra óptica, Bell Core, en Estados Unidos, propuso un

esquema de transmisión que consistía originalmente en un módulo básico de transmisión con estructura

matricial de 13 renglones por 60 columnas para transmitir señales digitales mediante una técnica

denominada Multicanalización por División en el Tiempo (TDM, Time División Multiplexing), al cual

denominó Red Óptica Síncrona (SONET, Synchronous Optical Network) [BALL89]. Por su parte, en aquél

entonces el CCITT, ahora conformado en la Unión Internacional de Telecomunicaciones (ITU, International

Telecommunications Union), examinó la propuesta de Bell Core y, a partir de ésta y de los entonces

nacientes estándares para transmisión de banda amplia, emitió una serie de recomendaciones (G.707, G708,

G.709) donde propuso como módulo de transmisión básico una matriz de 9 renglones por 270 columnas de

bytes, con un encabezado que abarca 9 columnas y el resto (261) es para carga útil [SEXT92]. A esta unidad

básica de transmisión se la ha denominado Módulo de Transporte Síncrono (STM, Synchronous Transpon

Module), el cual, transmitido cada 125 (J.s, produce una velocidad de transmisión de 155.52 Mbps, que es la

base de una jerarquía de señales que el entonces CCITT denominó SDH, Jerarquía Digital Síncrona

(Synchronous Digital Hierarchy). El estándar SONET hubo de ser modificado para establecer cierto grado de

compatibilidad con la SDH, siendo ahora la unidad de transmisión una matriz de 9 renglones por 90

columnas de bytes, reservando 3 columnas para encabezado, denominada Señal de Transporte Síncrono - 1

(STS-1, Synchronous Transport Signal), con una tasa de transferencia de 51.84 Mbps, manteniendo una

relación factor 3 con el STM de la SDH. Una vez que una cadena de bits STS pasa de su representación

eléctrica a óptica, se designa como OC (portadora óptica en la literatura -Optical Carrier-, aunque algunos

autores lo denominan canal óptico, Optical Channel).

Principios de multicanalización síncrona

Antes de hablar de los principios de la multicanalización síncrona, es necesario referirnos a la Jerarquía

Digital Cuasi-Síncrona y al desarrollo paralelo de las redes digitales tal como las conocemos, cuya base es

4

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una trama síncrona de 125 |0.s, heredada de la Modulación por Impulsos Codificados, (PCM, Pulse-Code

Modulation) para señales de voz. Este desarrollo ha sido tomado como base para Ja propuesta de ISDN y de

un gran número de servicios proporcionados en canales de tramas síncronas de 64 Kbps.

Antes de entrar de lleno a SONET/SDH, se examinarán los principios que dieron origen a la

multicanalización síncrona, mencionándose primero los parámetros más importantes y fundamentales de las

telecomunicaciones digitales (que datan desde las primeras etapas de la telefonía), que son: la velocidad de

muestreo de 8 KHz y la asignación de 8 bits por muestra codificada en PCM. Así, tenemos que un canal

transmitiendo 8 bits en una trama con una velocidad básica de 125 .̂s, produce un caudal de 64 Kbps,

constituida como tasa básica de transmisión de un canal digital [SEXT92].

El siguiente paso es examinar la denominada PDH, que tomó como base los canales de 64 Kbps (canales

codificados en PCM) y multicanalizó cierto número de ellos en lo que denominó, Señal Digital de tasa

primaria 1 (DS-1, Digital Signal primary rate 1). Cabe mencionar aquí que el número de canales que eligió

multicanalizar Estados Unidos en un DS-1 fue de 24 (1.544 Mbps), mientras que en Europa se decidió

multicanalizar 30 canales (2.048 Mbps) [STAL93].

Nivel Jerárquico

DS-0

DS-1

DS-2

DS-3

DS-4

Norte América

64

1544

6312

44736

139264

Europa

64

2048

8448

34368

139264

Japón

64

1544

6312

32064

97728

Trans-Atlántico

64

2048

6312

44736

139264

Tabla 2.1 Jerarquías digitales cuasi-síncronas internacionales en Kbps.

La manera en que la PDH multicanaliza las señales de tasa primaria es a través de estructuras de tramas de

bytes insertadas derivadas de la ya mencionada trama básica de 125 |0,s, que también es la base de la ISDN y

de un amplio rango de servicios transmitidos por canales de 64 Kbps en tramas síncronas [SEXT92]. La

SDH utiliza el mismo principio de insertamiento, definiendo nuevas capas administrativas derivadas de la

inserción de bytes directo a las señales síncronas de tramas de 125 (J.s [HERM91].

Entonces, la base del formato de transmisión de la capa de sección en la multicanalización síncrona (125 (is)

consiste de información de la capa del cliente a ser transportada que es denominada "carga útil" y de un

5

Page 21: ITESM - repositorio.tec.mx

encabezado de sección (SOH, Section Overhead) que incluye una "palabra de alineamiento" para identificar

el inicio de la trama e información adicional requerida para administración vde la capa de sección y

adaptación a las capas de ruta [SEXT92].

La carga útil de una trama síncrona es acomodada dentro de contenedores virtuales de orden alto (HVC,

Higher order Virtual Container) los cuales constan de encabezado y carga úti l , ésta última está constituida

por contenedores virtuales de orden bajo (LVC, Lower order Virtual Container), que tienen también la

estructura de encabezado y carga útil. Estos formatos son denominados virtuales porque solo existen como

entidades lógicas dentro de un módulo de transporte síncrono, y contenedores porque en su carga útil portan

información de la capa del cliente. La designación orden alto u orden bajo refleja la relación cliente-servidor

entre las capas de ruta de orden alto y orden bajo. Una capa de red con HVCs puede actuar como servidor de

otra que trabaje con LVCs (cliente) pero no viceversa. Todos los contenedores virtuales son constituidos de

acuerdo al mismo principio recursivo para formar carga útil y encabezado de ruta, concepto que se ilustra en

la figura 2.1 [SEXT92].

Fig. 2.1 Principios de multicanalización síncrona

6

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2.2 Arquitectura de capas de SONET/SDH

V

La arquitectura de SONET/SDH está constituida por 4 capas: física o fotónica, de sección, de línea y de ruta

(figura 2.2), donde cada capa asegura la transmisión correcta de la capa inferior [PALA92]. Las capas de

sección, de línea y de ruta, corresponden aproximadamente a las capas del encabezado presentado en una

trama de SONET/SDH [SPOH93].

RUTA

LINEA

SECCIÓN

FÍSICA

Trans

Funci

Sincrc

Multi

Protec

Admi

Interf

Funciones de Apuntadores

Sincronización

Multicanalización de canales

Protección de conmutación

Administra interfaces a la capa física

Figura 2.2 Arquitectura de cuatro capas SONET/SDH

Descripción de las 4 capas de la arquitectura SONET/SDH, estructuradas en una

jerarquía lógica [STAL95]:

• Capa Física: También denominada capa fotónica; incluye la especificación del tipo de fibra óptica a

ser utilizado por la red y detalles técnicos como la potencia mínima requerida y las características de

dispersión de los lásers emisores y la sensibilidad requerida de los receptores. Los ejemplos más

comunes de la interfaz física incluyen fibra óptica de dispersión desplazada de 1550 nm y fibra de

vidrio convencional de 1300 nm [PALA92]. Esta capa también incluye las diversas interfaces

eléctricas que constituyen los tributarios virtuales dentro de una trama STS-1.

• Capa de Sección: Esta capa construye las tramas SONET/SDH a partir de interfaces de SONET/SDH

de niveles menores al actual, o bien de interfaces eléctricas, las cuales convierte a señales ópticas,

además de proveer algunas funciones de monitoreo.

7

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• Capa de Línea: Esta capa es responsable de la sincronización, multicanalización de la información

en las tramas SONET/SDH, funciones de protección y mantenimiento, y dala conmutación.

• Capa de Ruta: Esta capa se encarga del transporte de la información a la velocidad de señal

apropiada, y del manejo de la función de los apuntadores.

En el desarrollo subsecuente de este capítulo, estos conceptos serán explicados a detalle cuando se contemple

el encabezado de una trama SONET/SDH (sección 2.5.5); la figura 2.3 muestra la jerarquía lógica de

SONET/SDH.

Servicios

iÍDS-1.

r

Capa de Ruta

Capa de Línea

Capa de Sección

Capa Física

DS-3. celdas)SPEs

Bloques STS-N

Trama

Láser

Terminal Regenerador Multicanalizador

Figura 2.3 Jerarquía lógica SONET/SDH

A continuación se presenta la realización física de la jerarquía lógica [STAL95].

Terminal

Terminales

MultSO(Fl

^^•M^

^^^^•M

•B^^^M

icanalizador Multicanalizador MulticanalizadorNET/SDH Add-drop SONET/SDHHE + LTE) (LTE) (PTE + LTE)

Repetidor RepetidorG

s Sección

STb)

MIM

(STE

M/N

Sección Sección

Línea

Ruta

)

Sección

1

1Tei

Línea

D

Figura 2.4 Jerarquía física SONET/SDH

8

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Físicamente una sección (figura 2.4) es el bloque de construcción tísico básico y representa un tramo de

cable óptico entre dos equipos transmisores/receptores ópticos. Para distancias cortas, el cable puede ser

tendido directamente entre dos equipos de los ya mencionados, pero para distancias mayores es necesario

utilizar equipos repetidores (regeneradores). Este disposit ivo acepta un flujo digital de información en sus

entradas y regenera y repite cada bit en sus salidas, además de ciertos esquemas de sincronización y

cronometraje que el mismo maneja. Una línea es una secuencia de una o más secciones tal que la señal

interna o la estructura de canales de la señal permanece constante. Una línea es terminada por equipos

terminales y conmutadores/multicanalizadores que puedan añadir o separar canales. Por último, una ruta

conecta equipos terminales, es decir, establece un circuito terminal a terminal. En una ruta, los datos son

ensamblados al inicio de ésta, y no son accedidos o modificados hasta que llegan a su equipo terminal de

destino, donde son desensamblados.

2.3 Estándares SONET/SDH

El estándar SONET/SDH ha sido introducido en tres fases, cada una introducida con base a su antecesora,

agregando sobre ella niveles adicionales de control de: operaciones, administración, mantenimiento y

aprovisionamiento (OAM&P, Operations, Administration, Maintenance, and Provisioning) [SPOH93].

2.3.1 FASE I

Esta fase define las características de la interfaz óptica tales como velocidades y formatos de transmisión. En

esta fase se definen las especificaciones de hardware para transmisiones de información punto a punto.

Además da soporte al requerimiento inicial de interconexión (compatibilidad transversa, mid-span fiber

meet) a nivel de carga útil de una portadora óptica n-aria; y por último define el estándar de los canales de

comunicación de información (DCC, Data Communications Channels) con sus funciones básicas y sienta las

bases de la segmentación de la información en tramas.

9

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2.3.2 FASE II

V

Esta fase toma en cuenta la necesidad de interconexión entre equipo de distintos fabricantes y su objetivo es

proporcionar capacidades de conectividad y administración entre ellos. Esta fase define:

• Procedimientos de OAM&P.

• Sincronización.

• Interconectividad de SONET/SDH a B-ISDN.

• Ajuste de apuntadores para wander yjitter.

• Interfaces eléctricas para el concepto denominado oficinas centrales.

• Canales de operación "embebida" (embedded).

• Elementos de servicios de información de administración común (CMISE).

• Capacidades "add/drop" de los multicanalizadores en conexiones punto a punto.

• Protocolos DCC.

Esta fase también define la interfaz óptica intra-oficina, que permite conectar equipo a la oficina central.

Esta interfaz está limitada de 20 m a 20 km y opera a velocidades OC-1, OC-3 y OC-12.

2.3.3 FASE IH

La fase III añade a la fase II todas las OAM&P requeridas para la interconexión tal como la administración

de red adicional, con funciones de monitoreo de desempeño, y funciones de control como son: conjuntos de

mensajes estándares DCC y esquemas de direccionamiento para identificar e interconectar elementos de red

SONET/SDH. Esto permite el paso de información DCC entre elementos SONET de distintos fabricantes;

también incorpora protección de conmutación.

10

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2.4 Propuestas de SONET/SDH

Aquí presentamos las propuestas principales de SONET/SDH [BELL91 ]:

1. Establecer un formato de multicanalización estándar usando como bloques de construcción cualquier

número de señales de 51.84 Mbps. Debido a que cada bloque de construcción puede transportar una

señal DS-3, se define como el estándar para cualquier sistema de transmisión de gran ancho de banda

que se desarrolle.

2. Establecer un estándar de señales ópticas para interconectar equipo de distintos fabricantes.

3. Extender las capacidades de OAM&P como parte del estándar.

4. Definir un formato de multicanalización síncrona para transportar señales digitales de bajo nivel

(pertenecientes a la PDH). La estructura síncrona simplifica la interfaz a los conmutadores digitales,

conmutadores digitales con conexión de cruzada (digital cross-connect switch) y multicanalizadores

"add/drop".

5. Establecer una arquitectura flexible capaz de dar soporte a aplicaciones futuras tal como B-ISDN con

una variedad de servicios de diferentes velocidades de transmisión.

11

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2.5 Formato de la trama SONET/SDH

V

La figura 2.5 representa gráficamente la evolución de la trama de SONET (STS) y la concepción de su

equivalente europea, la SDH (STM).

2 Columnas de encabezado

58 Columnas decarga útil

SONET STS (1986)

9 Columnas de encabezado

3 Columnas de encabezado 9 Renglones

87 Columnas de carga útil

13 Renglones SONET STS (1988)

9 Renglones

261 Columnas de carga útil del STM

Figura 2.5 Evolución de las tramas de SONET y de SDH

Se examina primero la parte concerniente a SONET, dado que fue concebida antes que la SDH. De la figura

2.5 podemos ver que la propuesta original consistía de una estructura de trama matricial de 60 columnas por

13 renglones, de los cuales 2 columnas eran reservadas para encabezado (OH, overhead) y las restantes 58

columnas eran utilizadas para almacenar la carga útil (payload), la cual podía transportar una señal DS-3 o

28 DS-1 usando 26 bytes cada una con dos columnas de bytes de relleno fijo para ajustarse a la capacidad de

la sección de carga útil. Esta fue la primera versión de la señal de transporte síncrona nivel 1 (STS-1), con

una velocidad de 49.92 Mbps. Los subsecuentes niveles superiores de señal eran formados intercalando los

módulos básicos mediante un mecanismo de concatenación de STS-1 para mantener la integridad en la

secuencia de bits en las secciones de carga útil de dichos niveles, denominándose STS-N, donde la N indica

cuántas tramas STS-1 se ha concatenado.

En Europa, tomando como base la propuesta de SONET y analizando los requerimientos de la jerarquía

PDH y la estandarización emergente para banda amplia, se presentó una trama matricial de 9 renglones por

270 columnas, con 9 columnas para encabezado y 261 para carga útil. Este es el módulo de transporte

síncrono nivel 1 (STM-1) con una velocidad de transmisión de 155.52 Mbps [SEXT92].

12

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Para mantener compatibilidad con el estándar europeo, el STS-1 se modificó para ser actualmente un bloque

de 810 bytes, que transmitido cada 125 |u.s, da una velocidad básica de 51.84 Mbps, que visto lógicamente es

una matri/ de 9 renglones por 90 columnas, y la transmisión es renglón por renglón, de izquierda a derecha

y de arriba a abajo [STAL95].

2.5.1. Formato básico de la trama

La trama de SONET/SDH está comprendida por 3 elementos de encabezado (sección, línea y ruta)

correspondientes a la arquitectura de capas de SONET/SDH, y un Envase de Carga Útil Síncrono (SPE,

Synchronous Payload Envelope), como se puede ver en la figura 2.6 [SPOH93].

90 Bytes

9 Renglones

r

•̂ ^-

Encabezadode Sección

(3 renglones)

Encabezadode Linea

(6 renglones)

OHde

Ruta

Envase de cargaútil síncrono

3 Col. 1 Col. 86 Col.

125 us-^ . »^

Figura 2.6 Formato de la trama SONET STS-1

El encabezado de ruta puede ocupar cualquier columna de la carga útil; si aparece sólo en la primera trama

de 90x9, entonces se trata de un canal SONET concatenado [PART93]. La figura 2.7 muestra la estructura

lógica de un STS-N.

13

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9 Renglones

90 ColumnasTramas

Figura 2.7 Estructura lógica de las tramas SONET STS-N

Los bloques de construcción de las tramas (tributario virtual - VT, Virtual Tributary- para SONET, y

contenedor virtual - VC, Virtual Container- para SDH) son colocados en contenedores que se pueden

considerar como estructuras de agrupamiento jerárquicas, donde cada nivel de la jerarquía tiene su

capacidad de carga útil, su apuntador asociado y un encabezado de ruta. El contenedor y su encabezado de

ruta conforman un contenedor virtual (VC) que en asociación con su apuntador forman una unidad

administrativa (AU). El contenedor virtual de orden 4 (VC-4) es equivalente a la carga útil del STM-1,

como podemos observar en la figura 2.8.

261 bytes

9 bytes

Encabezadode sección

Encabezadode línea

ContenedorVirtual-4

(VC-4 = C-4+POH)Encabezado

de Ruta

Figura 2.8 Contenedor virtual de orden 4

14

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- 270 Bytes

Encabezadode Sección

Encabezadode línea \

A j

B|

°l

H.

°,

°1

°nz .

A ,

h 1

B Z

2l

»l

h <

*!

*2£ ,

°2

H2K ,

D5

°.

°1,

Z J

*2

"2

Z 2

*2

" 2

*2

C1

^1D3

H3Ka

°6DSD,¡

EJ

X

X

H3

X

X

H3 (a)

AUG#1, AU3*1

(g)

Figura 2.9 Equivalencia entre tramas SONET y SDH

2.5.2 Equivalencia en la formación de tramas de SONET y de SDH

La figura 2.9 (a) muestra la estructura del encabezado que ha sido definido para transmisiones sobre fibra

óptica. Otros medios de transmisión tales como radio punto a punto ó satélite, podrían utilizar los bytes

definidos en el encabezado de las distintas capas destinados a usos futuros para determinados propósitos

específicos del medio de transmisión. El área sombreada de la figura representa la carga útil de un STM,

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capaz de transportar un grupo de unidades adininisiranvas (Al (n. concepto'explicado en la siguiente

sección.

En las figuras 2.9 (b), (d) y (O, vemos la representación de estructuras de señales STM-1, STM-4 y STM-16

respectivamente. La correspondiente representación de estas mismas señales en formato SONET podemos

observarlas en las figuras 2.9 (c), (e) y (g).

2.5.3 Estructura de multicanalización de SONET/SDH.

Este punto se explicará desde la perspectiva de la SDH, dada la similitud del concepto entre el estándar

americano y el europeo (ANSÍ SONET y ETSI SDH) [BLAC94].

En la tabla 2.2 se observan las velocidades de transmisión de los niveles definidos para SONET y SDH. Ya

se ha comentado que la manera en que se logran las velocidades de transmisión superiores al nivel 1, es por

insertamiento de bytes de N tramas STM-1 para formar un STM-N. En la figura 2.10 vemos la construcción

de un STM-4.

Trama SDH STM-N-

STM-1-

STM-4---

STM-16

Trama SONETSTS-NSTS-1STS-3STS-9

STS-12STS-1 8STS-24STS-36STS-48

TramaOC-NOC-1OC-3OC-9

OC-12OC-1 8OC-24OC-36OC-48

Tasa Mbps

51.84155.52466.56622.08933.121244.161866.242488.32

Tabla 2.2 Equivalencia entre las tasas SONET y SDH.

16

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125 \is

4x261 bytes

STM-1 STM-1 STM-1 STM-1 STM-4

4x155.52 Mbps Insertamiento de bvtes= 622.08 Mbps

Figura 2.10 Formación de un STM-4

SDH prevé el transporte de señales de menor velocidad de la siguiente manera [BLAC94].

Además del VC-4 se han estandarizado otros 3 contenedores virtuales de orden menor, que pueden ser

multicanalizados en el VC-4. Estos contenedores son utilizados para dar cabida al transporte de señales cuya

velocidad de transmisión está por debajo de la del nivel básico de transmisión STM-1. La localización de un

VC de orden menor dentro del STM-N final, está dada, como se habrá notado, por dos apuntadores. Un VC

de orden menor más un apuntador para señalar su ubicación dentro del VC-4, forman una unidad tributaria

(TU, Tributary Unit).

La unidad tributaria de orden N (TU-N) está constituida por un contenedor virtual de orden N (VC-N) y un

apuntador asociado a él. La operación de conformar una TU a través de VCs, involucra una operación

denominada "relleno de bits ", con la finalidad de acomodar el ancho de banda de la señal VC en

concordancia con las estandarizadas para las TU [SPOH93]. Un VC-N, a su vez, está constituido por un

contenedor de orden N (C-N) y un encabezado de ruta asociado al mismo. El uso que se hace del contenedor

de orden 3 es para proporcionar transporte a señales de la PDH del orden de 34.368 Mbps o 44.736 Mbps. El

17

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contenedor de orden 2 aún no tiene un uso definido, mientras que el contenedor de orden 1 puede ser

utilizado para transportar señales PDH de 1.544 Mbps o 2.048 Mbps.

A su vez las TU son multicanalizadas en grupos de unidades tributarlas (TUG, Tributary Unit Group), que

posteriormente son multicanalizadas en los contenedores de orden alto, que junto con un relleno de bits si es

necesario, son alineadas en unidades administrativas (AU, Administrative Unit). Estas últimas son

multicanalizadas en grupos de unidades administrativas (AUG, Administrative Unit Groups), que serán

multicanalizadas dentro de un STM-N. Este proceso puede ser visualizado en la figura 2.11.

1.5/2 Mbps 34/45 Mbps 140 Mbps

C-1,0-3, C-4

VC-1, VC-2, VC-3, VC-4

POH

TU-1.TU-2, TU-3, TU-4

TUG-2, TUG-3

AU-4

AUG

SOH

STM-1

STM-N

XN

: Contenedor

: Contenedor virtual de orden N

: Encabezado de ruta

: Unidad tributaria de orden N

: Grupo de TUs de orden N

: Unidad administrativa

: Grupo de AUs

: Encabezado de sección.

: Trama síncrona de orden 1

: Trama síncrona de orden N

: N unidades a multicanalizar

Figura 2.11 Multicanalización de señales de tasa menor a las SDH

18

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2.5.4 Clasificación de los encabezados SONET/SDH

V

Los tipos de encabezados descritos en las recomendaciones para SONET/SDH podemos clasificarlas en

cuatro categorías [SEXT92]:

1°. Encabezados específicos de la carga útil introducidos como parte de una función de adaptación y por

tanto característicos de una relación cliente servidor. Algunos ejemplos son: apuntadores de unidades

tributarias (TU), indicadores de justificación, y bytes indicadores de multi-tramas (STM-N).

2°. Encabezados independientes de la carga útil introducidos como parte de la función de terminación de

ruta y por lo tanto característicos de la capa misma e independientes de cualquier relación cliente

servidor. Ejemplos: bytes de monitoreo de error mediante paridad de bit intercalado (BIP, bit

interleaved parity), trazamiento de ruta y bytes de etiqueta de señal.

3°. Encabezados de capa auxiliar que se encargan de proveer conexiones de enlaces en una capa auxiliar

de red. Como ejemplo tenemos los bytes de canales de comunicación de información (DCC) y bytes

de cable de orden de ingeniería (EOW, engineering order wire).

4°. Encabezados aún no asignados que están reservados en la estructura de la trama pero que no tienen

designada aún una función específica. Ejemplos: bytes de crecimiento y bytes reservados. Cuando se

les asigne una función específica es probable que caigan en una u otra de las categorías descritas

previamente.

2.5.5 Encabezado de las tramas SONET/SDH

Para propósitos de ejemplificar las funciones del encabezado de las tramas, las describiremos tomando el

encabezado de las tramas SONET (9 renglones por 3 columnas), dado la equivalencia que tienen los

encabezados de ambos estándares [BOIS94]. La figura 2.12 muestra el encabezado de las tramas SONET y

los campos que lo integran.

19

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Encabezadode

Sección

Encabezado

de

Línea.

¡•'rammiiigAl

BIP-8Bl

DCCDI

ApuntadorHl

BIP-8B2

DCCD4

DCCD7

DCCDIO

Uso futuroZl

I'rommingA2

OrdenvireEl

DCCD2

ApuntadorH2

APS 'Kl

DCCD5

DCCD8

DCCDll

Uso futuro72

STS-IDCl

UsuarioFl

DCCD3

ApuntadorH3

APSK2

DCCD6

DCCD9

DCCD12

OrderwireE2

TraceJl

BIP-EB3

EtiquetaC2

EstadoGl

UsuarioF2

Multi-tramaH4

Uso futuroZ3

Uso futuroZ4

Uso futuroZ5

Encabezado de sección. Encabezado de Ruta.

Figura 2.12 Encabezado de la trama SONET

Encabezado de Sección

Son 9 bytes que ocupan los primeros tres renglones de las primeras tres columnas de una trama. Los

bytes del encabezado de sección son usados por el equipo SONET/SDH para realizar funciones de control

y señalización entre ellos.

Identificación de inicio de tramas (bytes Al y A2)

Los bytes Al y A2 forman juntos una palabra de alineamiento de la trama (FAW, frame alignment

word), cuyo patrón de bits es siempre 11110110 y 00101000 respectivamente (F6 y 28 hexadecimal) y su

propósito es identificar el inicio de cada trama STS-1, aún de aquellas que forman parte de un STS-N.

Por las funciones que desempeña, también se encarga de detectar la pérdida de sincronía en la recepción

de las tramas en los equipos de sección.

20

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Byte identificador de STS (Byte Cl)

V

Este byte tiene el propósito de identificar cada trama STS-1 de todas las que componen una señal STS-N,

mediante un único valor asignado a cada trama de nivel básico. El valor de Cl es asignado a cada señal

STS-1 antes de que sea intercalada en una STS-N, y su valor refleja el lugar que ocupará dentro de ésta.

El orden de la numeración comienza desde O hasta N-l .

Monitoreo de errores del encabezado de sección (byte Bl)

Este byte es utilizado para monitorear el encabezado de sección mediante paridad de bit intercalado

(BIP, Bit Interleaved Parity). El BIP es un mecanismo de verificación de paridad de los bytes del

encabezado, que es calculado por el emisor y puesto en el byte Bl de la siguiente trama. El receptor

calcula la paridad del encabezado de sección de la trama mediante el mismo mecanismo y lo compara

con el valor recibido y, cualquier discrepancia es interpretada como evidencia de un bloque erróneo. Para

un STS-N, sólo el bloque inicial (STS-1) contiene un encabezado Bl significativo. Por los 8 bits del

encabezado Bl, el método de verificación recibe el nombre de BIP-8.

Bytes El y Fl

El byte El es un canal de voz (64 Kbps) denominado ordenvire, que tiene el propósito de ser accedido en

los regeneradores donde se podría conectar a equipo de voz o a equipo PCM.

El byte Fl, denominado canal de usuario, cuya función es asignada por los proveedores del equipo de red

(fabricante) en la manera en que lo juzguen apropiado [BLAC94].

Canales de comunicación de información -DCC- (bytes DI, D2, y D3)

En las transmisiones SONET/SDH se reservan canales para transmitir información de administración de

la red (tales como alarmas, control, mantenimiento y estado del monitoreo general) entre los elementos

de la misma, denominados canales de comunicación de información (DCC). Cada sección de una red

SONET/SDH usa un canal de 192 Kbps (bytes DI, D2, y D3) para llevar a cabo tales funciones

[SPOH93].

21

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Encabezado de línea

V

Los 18 bytes que ocupa el encabezado de línea están localizados en los últimos seis renglones de \as tres

primeras columnas de la trama SONET. Este encabezado es procesado por todo el equipo excepto por los

regeneradores de una red SONET/SDH.

Apuntadores de desplazamiento (bytes Hl, H2)

Hl y H2 son apuntadores que indican el desplazamiento (en bytes) del inicio del SPE dentro de la carga

útil de la trama, es decir, indican su posición relativa dentro de la trama. El funcionamiento de los

apuntadores será explicado a detalle más adelante en la sección 2.6.

Apuntador de acción (byte H3)

Este apuntador es usado para ajuste de frecuencias entre el reloj local y la fase de la señal de entrada, si

hay necesidad de hacer una justificación. Este concepto será explicado más adelante en la sección 2.6.

Monitoreo de errores de encabezado de línea (byte B2)

Verificación de paridad BIP-8 calculado para todos los bytes del encabezado de línea.

Conmutación con protección automática -APS- (bytes Kl y K2)

Los bytes Kl y K2 son asignados a) primer STS-1 (de un STS-N) con Ja función de coordinar Ja

conmutación con protección a través de un conjunto de conmutadores organizados como un grupo de

protección [SEXT92].

APS permite que cuando ocurre un fallo en líneas ópticas y/o en equipo de interfaz, la red conmute hacia

una medio alterno, es decir, establezca una ruta alterna para completar su transacción.

22

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Canales de comunicación de información -DCC- (bytesD4 a DI2)

v

Son utilizados para comunicación entre líneas como parte de un canal de 576 Kbps usado para transmitir

mensajes de control, monitoreo y alarmas, en la misma manera en que se utilizan los DCCs en el

encabezado de sección.

Bytes de uso reservado (Zly Z2)

Estos bytes están reservados para operaciones aún no definidas en el estándar SONET/SDH.

Byte E2

Es un canal para comunicación de voz entre los nodos de red.

Encabezado de ruta

En cada trama de 9x90 bytes, se reserva una columna dentro de la carga útil que es utilizada por el

encabezado de ruta. Los bytes Jl, B3, C2 y Gl pueden ser clasificados dentro de la primera

recomendación (capa del cliente) ó dentro de la segunda (independientes de la carga útil) de las

recomendaciones mencionadas en la sección 2.5.3. El byte F2 es clasificado en la tercera recomendación,

mientras que el byte H4 es usado en distintas maneras por diferentes capas del cliente, que pueden

ubicarse dentro de la primero o la segunda recomendación. Los bytes Z3 a Z5 son reservados para uso

futuro, y pueden ser asignados a cualquiera de las otras tres recomendaciones existentes.

Tratamiento de ruta (byte J1)

Este byte desempeña una función de trazamiento y validación de ruta, transmitiendo una palabra de 64

bytes con la finalidad de verificar la conexión al dispositivo emisor por parte del equipo terminador de

ruta (PTE, path-termitating equipment) receptor.

23

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Monitoreo de error (byte B3)

\

BIP-8 calculado sobre todos los bits del encabezado de ruta y colocado en el byte B3 en forma similar a la

que se efectúa en los encabezados de sección y de línea.

Etiqueta de ruta (byte C2)

Es una etiqueta de señal que porta información sobre la construcción de la carga útil de una trama. Esta

etiqueta puede ser utilizada para proporcionar información a la red SONET/SDH de los distintos

sistemas de comunicación que se están empleando (SMDS, FDDI o algún otro) como capa del cliente, lo

cual puede ser identificado como una función de identificación de protocolos para protocolos de capas

superiores.

Estado de ruta

El byte Gl utilizado como encabezado perteneciente a la primera categoría, transporta señales de

mantenimiento y diagnóstico tal como la indicación de errores de bloques y violaciones en la verificación

de paridad BIP-8.

El byte H4 es un byte indicador de multi-trama (STS-N), que permite identificar ciertos tipos de carga

útil dentro de la trama, como por ejemplo, identificar una señal tributaria. También puede ser usado

para mostrar un bit de señalización DSO, o como apuntador a una celda ATM [BLAC94]. El byte F2 se

desempeña como canal de usuario y puede ser considerado como proveedor de un enlace de conectividad

en alguna capa de usuario (fabricante de equipo de red en este caso) [SEXT92]. Por otra parte, en el

encabezado de ruta también se han reservado bytes cuyo uso aún no está definido y que son designados

como bytes de uso futuro, etiquetados como Z3, Z4 y Z5.

2.6 Ajuste de apuntadores

En una red SONET/SDH todos los nodos son sincronizados mediante relojes de referencia con una precisión

especificada en 10" [BOIS94]; sin embargo, debido a las diferencias en tiempo de propagación (a causa de

la distinta longitud entre los segmentos de fibra óptica) las señales que llegan a estos distintos nodos pueden

24

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tener alguna diferencia de tase. SONET/SDH soluciona este problema utilizando apuntadores que permiten

que el SPE "flote" dentro de la trama (figura 2.13), lo cual significa que un SPE puede ocupar en parte dos

tramas síncronas. El apuntador es un valor que indica un desplazamiento para localizar el inicio de un SPE

(primer byte) dentro de una trama, conocido como posición relativa. SONET/SDH puede inter-operar con

redes que operan con diferentes relojes de sincroni/.ación a velocidades de transferencia ligeramente

diferentes de las establecidas para SONET/SDH, que conduce a problemas de variación de fase de señal;

estos problemas de variación de fase de señal son solucionados mediante apuntadores y el SPE "flotante", lo

que permite la existencia de operaciones asincronas dentro de una red síncrona [BLAC941.

Las operaciones de apuntadores SONET/SDH son conocidas como técnicas de justificación negativa, cero, o

positiva [BOIS94].

Trama O9 renglones

Trama 19 renglones

3 Columnas87 Columnas

EZJ

Encabezado de rota

87 Columnas

125 us 9 renglones

250 us

Figura 2.13 Posición relativa del SPE dentro de la trama STS-1

Justificación negativa, cero y positiva [BOIS94J

Cuando la posición relativa de un SPE dentro de una trama cualquiera, perteneciente al flujo síncrono de

tramas no varía, el valor del apuntador tampoco, lo cual es conocido como justificación cero ó sin

justificación. Debido a las causas antes mencionadas, el inicio de un SPE puede ser adelantado ó retrasado

25

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con respecto a su valor inicial dentro de la trama, lo cual implica la necesidad de modificar el valor del

apuntador de tal manera que se refleje el avance o el retraso en el contenido del misjno.

En el caso de un avance, cuando el reloj local tiene una frecuencia mayor a la del reloj del nodo emisor de la

señal transportada, se hace uso del byte etiquetado como H3 dentro del encabezado de línea, el cual tiene el

propósito de transmitir la velocidad adicional correspondiente al avance, mientras el apuntador (bytes Hl y

H2 del encabezado de línea) es enterado de una justificación negativa, que ocasionará una reducción en 1 de

su valor en la siguiente trama, para retener la información de la fase del tributario.

En el caso de un retraso, se inserta un byte de relleno en la carga útil y se avisa al apuntador de la

justificación positiva. En la siguiente trama, el valor del apuntador es incrementado en 1.

La figura 2.14 muestra el funcionamiento de los apuntadores, donde vemos que un avance produce un

desplazamiento del SPE a la izquierda, mientras que un retraso conduce a un desplazamiento a la derecha,

ambos con valor de 1 byte.

Encabe/ado Carga úiü Encabezado Carga útil

Apuntador

Apuntador

Apuntador(Indicación dejustificación

negativa)

Apuntadordecremenlado

en 1

30 (0) |

30 (0) |

30 (-) |

29 (0) ||

1

H

1

i

*+ i i| i|

i

^ |

Apuntador

Trama i

Apuntador

Trama i + 1

Apuntador(Indicación dejustificación

positiva)

Trama i + 2

incrementadoen I

Trama i + 3

30 (ü) I

30 (0) |

30 (+) i

31(0) |1

!

i

NI

i

u

3** ni ii i' \

iH

Figura 2.14 Principio de la utilización de los apuntadores

26

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2.7 Sumario.

V

En este capítulo se ha descrito de manera general a SONET/SDH. comen/.ando con una breve descripción

del estado actual del ambiente de transmisión (señales cuasi-síncronas) en el momento en que se introduce

SONET/SDH como una nueva técnica de transmisión, con la capacidad de proponer un esquema diferente y

además inter-operar con las técnicas existentes en el momento de su introducción. Se han presentado los

principios de la multicanalización síncrona, que han hecho posible la concepción de ésta técnica. Se han

analizado las propuestas de SONET/SDH y el modelo de capas, así como su estandarización en tres fases.

Se ha explicado el proceso de formación de las tramas SONET/SDH, así como el encabezado de éstas

(sección, línea y ruta), y se ha descrito el mecanismo de los apuntadores para permitir que SONET/SDH sea

el soporte de transmisión de una tecnología de conmutación como es ATM.

27

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CAPITULO 3Modo de Transferencia Asincrono

Introducción

Este capítulo presenta al Modelo de Transferencia Asincrono (ATM) como el siguiente estándar en las

telecomunicaciones mundiales. Para ello están involucrados en este trabajo organismos internacionales de

estandarización como ITU-T, ANSÍ, ETSI y el Foro ATM, en un esfuerzo sin precedentes en la historia de

las telecomunicaciones.

El capítulo comienza con una breve introducción e historia de ATM (evolución hacia ATM); se presentan

los conceptos básicos de ATM, la terminología y la teoría de operación empleada en el estándar, el bloque de

construcción básico de ATM (celdas) y la manera de enrularlas (VPI, VCI). El trabajo se enfoca después en

conceptos de redes ATM como los bloques de construcción básica de las mismas (VP, VC) y el significado

de este tipo de conexiones (VPC, VCC), además del direccionamiento y señalización requeridos. Después se

enfoca en el modelo de capas BISDN/ATM y se da una descripción de las características de las capas física,

ATM y AAL, además de una comparación con el modelo de referencia OSI.

Enseguida se analizan los retos con los que se tienen que enfrentar los estandarizadores de ATM,

principalmente en cuestiones de administración y control de la congestión para ATM. El capítulo presenta

por último a ATM desde algunos puntos de vista muy interesantes y diversos: como una interfaz y protocolo,

como una tecnología, como acceso integrado y como una infraestructura.

3.1 Evolución hacia ATM

Cuando la ITU-T comenzó a estandarizar una red digital que integrara servicios de banda amplia, era

necesario escoger el soporte para el transporte integrado de tráfico. El primer candidato que se consideró fue

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la conmutación de circuitos. Se definieron canales de tasa fija y se supusieron servicios para ser

transportados en ellos. Sin embargo, al considerar el avance en las técnicas de compresión de señales, la

verdadera naturaleza multi-tasa de los nuevos servicios, y la falta de flexibilidad de la conmutación de

circuitos para adaptarse a estas nuevas características, esta técnica fue rechazada. El segundo candidato fue

la conmutación de paquetes, que también fue rechazada debido al tamaño variable de los paquetes y la

velocidad de los enlaces que no reunirían los requerimientos necesarios para soportar voz y video en todos

los casos [BOIS94].

Así las cosas, fue necesario definir un nuevo modo de transferencia, y se empezó a trabajar en un mecanismo

de conmutación y multicanalización "universal" para soportar el transporte integrado de tráfico multi-tasa

[VETT95]. Entonces, se diseñó un nuevo modo que aprovechara las ventajas de los dos primeros candidatos

sin conservar sus desventajas. Se decidió dividir la información en paquetes "pequeños" de longitud fija

(celdas), las cuales proveían un modo de conmutación único independiente de la naturaleza de la

información transportada, que es, isócrona en el caso de voz y video, y asincrona en el caso de datos

[BOIS94].

En ATM la longitud corta y fija de la celda permite diseñar conmutadores de celdas de alto rendimiento tan

simples como los de conmutación de circuitos, además compartiendo con este método la orientación a

conexión. La conmutación de celdas permite el establecimiento de conexiones virtuales a través del

encabezado de celdas, por lo que se dice que ATM tiene la flexibilidad de la conmutación de paquetes. La

velocidad es acoplada a las características de la fuente de información, en lugar de que sea impuesta por el

enlace [BOIS94].

3.2 Modelo conceptual ATM

Objetivos de la estandarización de ATM [PART93]:

1. ATM organizado en una jerarquía. Como ATM es considerado como parte de B-ISDN, existen dos tipos

de interfaz de equipo de red dentro del modelo: interfaz red usuario (UNÍ, User-Network Interface), e

interfaz red a red, (NNI, Network-Network Interface); conceptos derivados de la interfaz entre redes

públicas y redes privadas. El estándar para UNÍ está casi completamente definido, mientras que para NNI

aún falta que se emitan las recomendaciones pertinentes.

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NNI es una intcrfaz de conexión entre dos conmutadores ATM próximos, mas precisamente, sin embargo,

una NNI es un enlace lógico o físico sobre el cual dos conmutadores ATM intercambian el protocolo NNI.

Se ha contemplado que el tipo de interfaz UNÍ sea de dos categorías: pública y privada [BLAC94]:

• UNÍ pública: Define la interfaz ATM entre una red ATM pública y un conmutador ATM privado.

• UNÍ privada: Define la interfaz ATM entre un usuario final y un conmutador ATM privado.

La figura 3.1 presenta una configuración de referencia de las interfaces UNÍ pública y privada, y de NNI.

Figura 3.1 Interfaces UNÍ y NNI de ATM

2. ATM como servicio orientado a conexión. ATM es una tecnología orientada a conexión, lo cual quiere

decir que la transferencia de la información entre dos equipos terminales comienza inmediatamente

después de establecerse una conexión (canal ATM) mediante un proceso de establecimiento de llamada, y

no antes [ALLE95]. En cada canal ATM están involucrados identificadores de ruta y de canal, conceptos

que serán tratados más adelante en la sección 3.3.1.

3. ATM operará a índices de error bajos. Debido a la naturaleza de ráfaga de algunos patrones de tráfico

que transportará ATM, puede suceder que un conmutador se vea saturado y tenga la necesidad de

desechar una ráfaga completa de celdas. Para mantener un índice de error bajo en este tipo de

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situaciones, ATM asigna prioridades a las celdas, y así conserva un índice de pérdida comparable al de la

fibra óplica (índice de error de hit de 10 i: o mejor) [PART93]. v

4. Conexiones de muy bajo cosió. Para lograr este objetivo los organismos involucrados en la

estandarización de ATM han suprimido el reordenamiento de celdas en ATM (celdas con un orden

secuencial previo), lo cual implica una forma de almacenamiento temporal (buffering) simple, que puede

ser satisfecha con estructuras de memoria FIFO en lugar de RAM. Sin embargo el requisito de celdas

ordenadas hace más difícil algunos aspectos de diseño de los conmutadores [PART93].

3.3 Teoría de operación

Toda información que ha de ser transmitida en una red ATM debe ser dividida o segmentada en paquetes

denominados celdas, las cuales constan de 48 bytes de información denominada carga útil, acompañada a

información referente al destino, al tipo de celda y a su prioridad, agrupada en un encabezado de celda de 5

bytes. Por el tipo de interfaces definidas en ATM (UNÍ y NNI) existen dos tipos de formatos de encabezados

destinados a identificar el tipo de conexión que ha de procesar el conmutador para cada celda específica, a

continuación se presenta el formato de cada una de ellas.

3.3.1 La celda UNÍ y NNI

La figura 3.2 (a) muestra la estructura de la celda de 53 bytes definida para la interfaz UNÍ, y la (b) muestra

la interfaz NNI, consistiendo de 48 bytes de carga útil y 5 bytes de encabezado. El encabezado de la celda

NNI tiene un formato similar al de la UNÍ, salvo dos excepciones: no contiene un campo de control de flujo

genérico (GFC, Generic Flow Control), y los cuatro bits que en el encabezado de la celda UNÍ están

reservados para el campo de prioridad de pérdida de celda (CLP, Cell Loss Priority), en el encabezado de

celda NNI están asignados a un incremento del campo del identificador de canal virtual (VPI, Virtual Path

Identifier). El encabezado de celda indica la dirección lógica de ésta mediante dos identificadores: el

identificador de canal virtual (VCI, Virtual Channel Identifier), que ocupa 16 bits del encabezado de celdas

UNÍ y NNI; y el VPI, ocupando 8 bits en el encabezado de la celda UNÍ y 12 en el de la celda NNI. Estos

identificadores son muy importantes, dado que los conmutadores ATM harán su trabajo (conmutar celdas)

en base a ellos, examinándolos en cada celda que llega a sus puertos de entrada. Si solo se conmuta en base

al VPI de las celdas, se está realizando una conexión denominada conexión de ruta virtual (VPC, Virtual

Path Connection), pero si se conmuta en base a ambos identificadores (VPI/VCI) se efectúa una conexión

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llamada conexión de canal virtual (VCC. Vi r tua l Channcl Connection). Este tipo de conexiones pueden ser

establecidas en ATM vía circuitos virtuales permanentes (PVC. Permanent Virtual Circuit), o a través de

protocolos de señalización (en demanda) como circuitos virtuales conmutados (SVC, Switched Virtual

Circuit) [BLAC94] y [DYSA96]. Estos conceptos serán explicados más adelante en este capítulo.

53 bytes

2 3 4 5 - * -48 bytes

8 - 5 4 - 1 8 - 5 4 - 1 4-2 1 8 - 1

GFC - Control de flujo genérico PT - Tipo de carga útilVPI - Identificador de ruta virtual CLP - Prioridad de pérdida de celdaVCI - Identificador de canal virtual HEC - Control de error del encabezado

(a) Estructura de celda ATM UNÍ

53 bytes

1 2 3 4 5 - * -48 bytes

Encabezado Carga útil

VPI VPI vci vci vci PT PLP HEC Carga útil

8 - 1 8 - 5 4 - 1 8 - 1 8 - 5 4 - 2 1 8 - 1

VPI - Identificador de ruta virtual PT - Tipo de carga útilVCI - Identificador de canal virtual CLP - Prioridad de pérdida de celda

HEC - Control de error del encabezado

(b) Estructura de celda ATM NNI

Figura 3.2 Estructuras de celdas ATM UNÍ y NNI

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Todos los campos del encabezado de ambas celdas tienen el mismo objetivo, salvo la existencia de un campo

GFC en el encabezado de la celda UNÍ. A continuación se describen los campos del encahexado de celda

ATM.

Control de flujo genérico (GFC, Generic Flow Control). Ocupa cuatro bits del encabezado de una celda

ATM y tiene la función de proporcionar información al multicanalizador para controlar la competencia de

que son objeto los recursos troncales compartidos en base a la utilización de un control de patrones de tráfico

selectivo. El código preestablecido es 0000, indicando que la interfaz no tiene un esquema GFC, que en

términos del estándar es llamada no controlada. Si el contenido del GFC no es el predeterminado, entonces

la interfaz tiene un esquema de GFC y es denominada controlada. Este campo podría ser utilizado también

para control control de acceso al medio (MAC, Media Access Control), cuando múltiples terminales

comparten el mismo bus para conectarse a una UNÍ [DYSA96].

Prioridad de pérdida de celda (CLP, CellLoss Priority). Ocupa un bit del encabezado de celda e indica la

prioridad de descartamiento de una celda en situaciones de congestionamiento de red o de un nodo

particular. Un valor de O indica una celda de alta prioridad (menos probable de ser descartada), y un valor de

1 indica una celda de baja prioridad (más probable de ser descartada), valores utilizados para mantener un

índice bajo de pérdida de celdas de alta prioridad, es decir, garantizar la calidad de ser\>icio (QoS, Quality of

Service) de ciertos tipos de tráfico sensitivos a la pérdida de celda, por ejemplo la transmisión de datos de

computadoras [DYSA96]

Las celdas con valor O son descartadas cuando ya no queda otra alternativa disponible para mantener la QoS

negociada en los parámetros de tráfico. Este campo puede ser usado por el sistema terminal para enterarse si

existe congestión en la red, insertando una celda a la red asignándole un CLP con valor de 1 y, si no existe

congestión, la celda llegará sin ningún problema a su destino. Cuando un conmutador está recibiendo celdas

que violan el contrato de tráfico, las marca sus campos CLP con 1 y si puede manejarlas, las manda al

siguiente nodo, pero si éste o los siguientes nodos experimentan congestión, dichas celdas serán descartadas

para mantener las celdas que no violan el contrato de tráfico [STAL95].

Tipo de carga útil (PT, Payload Type). Es un campo de tres bits que identifica a las celdas de información

de usuario de las celdas de información de administración y control [DYSA96]. La información de usuario

es indicada por un valor de O en el primer bit del PT, el segundo bit indica si se ha experimentado

congestión en la red en el caso de que la celda sea de información de usuario y, el tercer bit es conocido

como indicación Usuario ATM a Usuario ATM (AAU) y podría ser utilizado para transportar información

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de usuarios terminales por los protocolos de las capas de adaptación ATM (AA.L, ATM AxlaplaUott Layer")

[STAL95]. Cualquier elemento de red que experimenta congestión, al recibir una pélela de usuario, modifica

el valor del PT de la siguiente manera [GAIT96]:

• Cuando se recibe 000 o 010, la celda se transmite con 010.

• Cuando se recibe 001 o 011, la celda se transmite con O l í .

Control de error del encabezado (HEC, Header Error Control). Verificación de errores del encabezado. Es

capaz también de corregir un único error d.e 1 bit en el encabezado. Si se presentan varios errores de

encabezado, la celda recibida se descarta porque podría ser destinada a un usuario no deseado, o podría

efectuarse una operación errónea inadvertidamente [DYSA96].

El proceso de verificación de errores se realiza de la siguiente manera y se ilustra en la figura 3.3 [STAL95]:

1. El emisor calcula un código de error en base a todos los campos del encabezado.

2. El emisor inserta el código resultante dentro del encabezado como un campo más, y transmite la

celda.

3. El receptor calcula un código de error (usando el mismo algoritmo que el emisor) sobre todos los bits

del encabezado de la celda recibida.

4. El receptor compara el código de error que calculó y lo compara con el que recibió en el campo HEC

del encabezado de la celda. Si ambos códigos coinciden, se asume que no han ocurrido errores, si no

coinciden, se ha detectado un error.

Transmisor

M

ReceptorE1

M«E M

o Comparar

M = MensajeE, E' = Código de detección de errorf = Función del código de detección de error

Figura 3.3 Proceso de detección de error

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El código de detección de errores empleado es la verificación de redundancia cíclica (CRC, Cyclic

Redundancy Check). v

3.3.2 Segmentación de celda

ATM contempla dos opciones de estructuras de transmisión a nivel de capa física para multicanalizar celdas

de varias conexiones lógicas [STAL95].

La primera opción es utilizar un flujo continuo de celdas sin imponer ninguna estructura de

multicanalización de tramas en la interfaz. El receptor es responsable de asegurarse que está recibiendo y

formando celdas de 53 bytes, lo cual es denominado sincronización basada en celdas o celda por celda. Esta

tarea es efectuada usando el campo HEC. Mientras el cálculo del HEC no indique errores, se asume que la

delincación de celdas se está llevando a cabo correctamente. Cuando se detecta una cadena de errores, esta

indica que el receptor no está conservando el delineamiento de celdas y se efectúa un procedimiento de

búsqueda para recuperar el alineamiento [STAL95].

La otra opción es acomodar las celdas en la sección de carga útil de una trama síncrona tal como

SONET/SDH, como puede observarse en la figura 3.4. Cuando se acomodan las celdas ATM en un VC-4,

éste no puede transportar un número entero de celdas porque su capacidad no es un múltiplo de 53. Por

tanto, una celda puede ocupar en parte dos VC-4, lo que significa que la delincación de celdas dentro del

VC-4 no tendrá la misma posición relativa en el tren de tramas SONET/SDH. Sin embargo, se puede hacer

uso del byte H4 del encabezado de ruta, el cual proporciona un indicador de posición de celda, que en forma

de número binario refleja la distancia en bytes desde el byte H4 hasta el primer byte de la primer celda

localizada después de él. Este indicador de posición de celda podría ser usado para ayudar en la delineación

de celdas en el equipo receptor [SEXT92].

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5 Bytes Encabezado

53 Bytes Celda ATM

POH Indicador deposición de celda

* M!

4¡!Mapeo de flujos deceldas ATM en VC-4

r~i u •—i•....iTI 71 .1 J

H4

E

T 7

%T

TramaVC-4

260 Bytes Contenedor VC-4

X X1 1 1 1 1

Indicador de posición de celdabyte H4

1 2 3 4 5 6 7 8XX - No se utilizan en B-ISDN, pero DQDB lleva una señal de estado del enlace

Figura 3.4 Mapeo de celdas ATM en un VC-4

3.3.3 Multicanalización asincrona

Este tipo de multicanalización es efectuado por ATM, y tiene por principio que un canal se divida en ranuras

de tiempo, en las que cada ranura representa una cantidad de ancho de banda, que están disponibles para

cualquier usuario que esté listo para transmitir, y si no lo hay, se manda una celda vacía (idle cell), concepto

que ilustra la figura 3.5. Esto implica una asignación dinámica de ancho de banda entre los usuarios que

necesitan transmitir en el mismo enlace o canal [DYSA96].

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Ranurade

tiempoocupada

Ranurade

tiempono usada

H Canal 1 h Canal 1 H Canal 5 H Canal nousado

h Canal 1 H Canal 7 H Cana: 5

| | Encabezado | | Carga útil H Encabezado

Figura 3.5 Multicanalización ATM

3.3.4 Multicanalización estadística

Es un tipo de la multicanalización asincrona, y se basa en la ley de los grandes números, la cual establece lo

siguiente:

"Dado un gran conjunto de flujos no relacionados, la cantidad total de ancho de banda requerido para

satisfacer todos los flujos permanece casi constante, aunque los flujos individuales pueden variar

substancialmente la cantidad de tráfico que envían" [PART93].

Consideremos un gran número de aplicaciones (cientos) enviando información sobre la misma línea, y en

determinado momento, probablemente algunas cuantas aplicaciones incrementarán la cantidad de ancho de

banda que utilizan, mientras otras cuantas reducirán la cantidad de ancho de banda utilizada. Estos cambios

probablemente balancearán (aproximadamente) unas operaciones con otras, para mantener el ancho de

banda total casi constante.

Esta ley ofrece una forma potencial para soportar garantías de servicios. Si la red "conoce" las estadísticas

aproximadas del tráfico que está manejando, está en condiciones de determinar si puede o no satisfacer la

calidad de servicio requerida para otra conexión [PART93].

3.4 Conceptos básicos en redes ATM

ATM contempla una jerarquía de transporte que puede ser vista como el modelo de capas de la figura 3.6.

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Capas superiores v

Capa ATM

Capa física

Nivel de canal virtual

Nivel de ruta virtual

Nivel de ruta de transmisión

Nivel de sección digital

Nivel de sección de regeneración

Figura 3.6 Jerarquía de transporte ATM

La capa física está dividida en tres niveles:

• Ruta de transmisión: Se extiende entre un conjunto de dispositivos de red ATM (como

conmutadores o repetidores) interconectados punto a punto, es decir, es el conjunto de enlaces físicos

entre ellos, y contiene una o más rutas virtuales [DYSA96] y [ALLE95].

• Sección digital: Se extiende entre elementos de red que ensamblan y desensamblan un flujo continuo

de bits o bytes. Comprende segmentos donde existen conmutadores.

• Sección de regeneración: Es una porción de una sección digital y su tarea es regenerar una señal de

entrada en la salida para tramos de la ruta de transmisión muy largos, donde sin la regeneración no

sería posible entregar la señal intacta.

La capa ATM contempla dos niveles: canal virtual (VC, Virtual Channel) y ruta virtual (VP. Virtual Path).

conceptos ilustrados en la figura 3.7.

VC

ve

VC

VC = Canal virtual

VP = Ruta virtual

.-r-^~ü ) ]

O ), i— (-} ^ iU_,_J/

Ruta de transmisión

Figura 3.7 Conexiones ATM

38

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Un VC es establecido entre dos usuarios terminales a través de la red, y sobre' esa conexión se puede

intercambiar un flujo de celdas de velocidad variable en forma "full dúplex". Estos panales virtuales también

son usados para intercambio usuario - red (señalización de control) e intercambio red a red (administración y

enrutamiento) [STAL95].

Un VP es un agrupamiento de canales virtuales que tienen los mismos puntos finales. Por tanto todas las

celdas que fluyen en todos los canales virtuales en una única ruta virtual son conmutadas juntas. El concepto

de ruta virtual fue desarrollado en respuesta a la tendencia en las redes de alta velocidad en las que el costo

de control de red se está incrementando en mayor proporción al costo total de la red [BURG91]. Como la

ruta virtual agrupa conexiones que tienen que seguir el mismo camino en una sola unidad, las acciones de

control y administración de red tienen que realizarse a un pequeño número de grupos en lugar de a un gran

número de conexiones individuales [STAL95].

Canal Virtual (VC)

Enlace de Canal Virtual

Identificador de Canal Virtual (VCI)

Conexión de Canal Virtual (VCC)

Ruta Virtual (VP)

Enlace de Ruta Virtual

Identificador de ruta virtual (VPI)

Conexión de ruta virtual (VPC)

Término genérico utilizado para describir transporte unidireccional de celdasATM asociadas por un único valor identificador.

Un medio de transporte unidireccional de celdas ATM entre un punto dondese es asignado un valor VCI y el punto donde el valor es modificado oterminado.

Identifica un enlace VC particular para un VPC dado.

Una concatenación de enlaces VC que se extiende entre dos puntos dondela capa de adaptación es accedida. Los VCCs tienen el propósito detransferir información usuario a usuario, usuario a red, o red a red. Paraceldas pertenecientes a el mismo VCC, se preserva la integridad en lasecuencia de celdas.

Término genérico usado para describir transporte unidireccional de celdasATM que pertenecen a canales virtuales que están asociados por un valoridentificador único y común.

Un grupo de enlaces VC, identificados por un valor común de VPI, entre unpunto donde un valor VPI es asignado y el punto donde ese valor esmodificado o terminado.

Identifica un enlace VP particular.

Una concatenación de enlaces VP que se extiende entre el punto donde losvalores VCI son asignados y el punto donde esos valores son modificados oremovidos. Los VPCs tienen el propósito de transferir información usuario ausuario, usuario a red, o red a red.

Tabla 3.1 Terminología de Rutas Virtuales/Canales Virtuales

Consideremos que un dispositivo de red ATM puede ser, genéricamente, un punto terminal o un punto de

conexión intermedio para un VP o VC. Así las cosas, una lista ordenada de VCs forma o integra una

conexión de canal virtual (VCC, Virtual Channel Connection) y, similarmente, una conexión de ruta virtual

(VPC, Virtual Path Connection) está integrada por una lista ordenada de VPs. Estos tipos de conexiones son

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establecidas entre dos puntos terminales ATM. Los significados de esta terminología están representados en

la tabla 3.1 y la figura 3.8 muestra estos conceptos dentro de la jerarquía capa a caga.

CapaATM

CapaFísica

Nivel de canalvirtual

Nivel de rutavirtual

Nivel de ruta detransmisión

Nivel desección digital

Nivel desección de

regeneración

Sección deregeneración

Punto de conexión terminal de los nivelescorresDóndientes

O Punto de conexión de los nivelescorrespondientes

Figura 3.8 Relación capa a capa jerárquica ATM

VCs y VPs determinan también los tipos de conmutadores ATM.

3.4.1 Operación básica de conmutadores ATM

Un conmutador ATM tiene la tarea principal de recibir en un puerto de entrada una celda a través de un

enlace con un valor VCI o VPI establecido, localizar el valor de la conexión en una tabla de traslación local

para determinar el o los puertos de salida de la conexión y los nuevos valores VPI/VCI de la conexión en ese

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enlace, para después re t ransmit i r la celda sobre ese enlace de salida con los iderttiíícadores de conexión

apropiados [ALLE95]. Esta operación se i lustra en la figura 3.9.

Entradas

Puerto VPI/VCI

Salidas

Puerto VPI/VCI

1 1 29 2 45 I

45

ConmutadorATM

Figura 3.9 Operación básica de conmutadores ATM

Los conmutadores VP marcan el final de los enlaces VP. Un conmutador VP traslada los VPIs de entrada a

los correspondientes VPIs de salida de acuerdo al destino establecido del VPC al cual pertenece el VP;

mientras que los VCIs permanecen sin cambios.

Los conmutadores VC marcan el final de los enlaces VC y, por tanto, necesariamente el de los VP. Esto

significa que un conmutador debe realizar operaciones de conmutación sobre rutas y canales virtuales,

acompañadas de la traslación de VPI y VCI [STAL95]. La figura 3.10 representa ambas operaciones.

41

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Puntoterminal VPC

VCI21

VCI22

VCI21

VCI22

?1— , —

VPI

aJjJ-VPI1

22| .

VPI3

?3 "— U— H ?4 :VPI "2 I -

VPI 2

VPI 3

VCI21

VCI 22

Conmutador VP

(a) Representación de un conmutador VP/VC

VCI24

VCI 2fi

VCI24VCI 21

VCI 22

(b Representación de un conmutador VP

Figura 3.10 Conmutadores VP y VC

Las tablas de traslación de los conmutadores son establecidas antes de la transmisión de información de

usuario por un mecanismo externo durante el establecimiento de la conexión. La manera en que son

establecidas estas tablas determinan los dos tipos de conexiones fundamentales ATM:

Conexión virtual permanente (PVC, Permanent Virtual Connection). Esta conexión es establecida por un

mecanismo externo, normalmente el administrador de red (procedimientos administrativos [UPP95]), que

programa a un conjunto de conmutadores entre dos equipos terminales ATM con valores VPI/VCI

apropiados. El proceso de establecimiento de la conexión puede ser usado para este fin, pero aún así el PVC

siempre requerirá de configuración manual. Este concepto es similar al de una línea dedicada en redes de

42

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conmutación de circuitos (como la red telefónica).

\

Conexión virtual conmutada (SVC, Switched Virtual Connection). Esta es una conexión que se establece

"automáticamente" a través de un protocolo de señalización, sin requerir de la intervención manual como en

las PVCs, y por esto es probable que sea el tipo de conexión más ampliamente utilizada en ATM [ALLE95],

La figura 3.11 muestra el proceso de establecimiento de la conexión SVC entre dos usuarios.

Conectar a B

Conectar a B

Sistematerminal A

Sistematerminal B

Figura 3.11 Establecimiento de conexión ATM

Ventajas y desventajas de las técnicas empleadas por los conmutadores

Básicamente se fabrican dos tipos de conmutadores, dependiendo de las técnicas de conmutación, las cuales

son: store-and-forward, y cut-through.

Store-and-forward (Almacenamiento y reenvío). Un conmutador que emplea la técnica store-and-forward

almacena en buffers una trama entera que recibe por algún puerto de entrada, y después emite dicha trama

[LO95].

43

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Ventajas

\• Verifica la existencia de errores y puede descartar tramas al teradas

• Filtra y administra tráfico a nivel de paquete (capa de red)

• Cuando las tramas llegan al conmutador en flujo, se puede reducir el impacto del retraso, dado

que solo la primera trama experimentará el retraso debido al almacenamiento y reenvío, mientras

que las tramas subsecuentes pueden ser recibidas y almacenadas mientras el conmutador está

enviando la trama precedente

Desventajas

• El retraso de transmisión de tramas se incrementa proporcionalmente al tamaño de la trama

• Se introduce un retraso de transmisión mayor que el de la técnica cut-through

Cut-through. Un conmutador implementado con la técnica cut-through empieza a reenviar una trama justo

después de leer el encabezado y determinar el puerto de salida [LO95] [HOWA97] [JOHN98].

Ventajas

El retraso de transmisión de tramas es consistentemente pequeño

Desventajas

• El costo por puerto es mayor que el del otro tipo de conmutador

• Recurre a la técnica store-and-forward cuando se manejan tramas de multidifusión. cuando se

transfiere información entre puertos de diferentes velocidades, cuando se manejan tramas con

distintos formatos de protocolos, y cuando el puerto está ocupado

• Puede transmitir tramas que presenten errores

44

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J.4.2 Señalización y direccionamiento ATM

V

Como ATM es una tecnología orientada a conexión, es necesario definir un proceso de establecimiento y

control de las conexiones entre los usuarios de la red; a este proceso se le denomina señalización.

La señalización ATM puede ser de dos tipos, dependiendo de la interfaz sobre la que se efectúa:

1. Señalización UNÍ.

2. Señalización NNI.

El primer caso es el único estandarizado (no hay estándar NNI aún), para el cual existen dos propuestas muy

similares, el protocolo de la ITU-T denominado Q.2931, y el protocolo del Foro ATM Q.93B [ENGE95]. La

figura 3.12 muestra la ubicación de estos protocolos en un modelo de capas, y refleja el intercambio de

información a través de los enlaces red-usuario.

USUARIO RED

LEnlace físico

Figura 3.12 Ubicación del protocolo de establecimiento dela conexión en el modelo de capas ATM.

El proceso de establecimiento de la conexión punto a punto entre dos usuarios se ilustra en la figura 3.13. El

nodo emisor envía un mensaje SETUP al conmutador al que tiene acceso (interfaz UNÍ). Este mensaje

contiene información sobre la llamada, incluyendo descripción del tráfico (por ejemplo: tasa fija, ancho de

banda), que capa de adaptación (AAL) se va a utilizar y la dirección del receptor [KADO95]. El conmutador

reconoce el mensaje SETUP y emite un mensaje CALL PROCEEDING al emisor, que además contiene los

valores VPI/VCI asignados a la conexión por el conmutador.

45

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Emisor

Inicio dellamada

llamadaestablecida

SETUP

CALLPROCEEDING

CONNECT

CONNECTACK

RED

SETUP

CALL

Receptor

llamadarecibida

PROCEEDING

CONNECT

CONNECTACK

llamadaaceptada

Figura 3.13 Establecimiento de la conexión Q.93B

El mensaje SETUP se propaga por la red hasta el conmutador que tiene la interfaz UNÍ con el nodo receptor

(de acuerdo a la dirección de éste), notificándole mediante un mensaje SETUP que hay una petición de

establecimiento de conexión. El receptor reconoce la recepción del mensaje, emite a su conmutador un

mensaje CALL PROCEEDING, mientras decide si acepta o no el establecimiento de la conexión; si acepta

envía un mensaje CONNECT a su conmutador, el cual regresa al receptor un mensaje CONNECT ACK

mientras propaga el mensaje CONNECT hasta el conmutador interfazado al nodo emisor, y este conmutador

lo entrega al emisor a través de su interfaz UNÍ. El receptor reconoce la recepción del mensaje mediante un

mensaje CONNECT ACK que transmite a su conmutador.

Si el receptor decide no aceptar la conexión, la respuesta es un mensaje RELÉASE COMPLETE que indica

que la conexión no ha sido aceptada [PART93]. Estas negociaciones de establecimiento de conexión se

efectúan intercambiando estos mensajes por una conexión preestablecida: VPI=0 y VCI=5 [ALLE95].

Como para todo protocolo de señalización, se necesita un esquema de direccionamiento para identificar a los

emisores y receptores de las conexiones.

Las redes públicas ATM tendrán un esquema de direccionamiento similar al de la red telefónica,

contemplado en el estándar E. 164 de la ITU-T [HEIN92]. Sin embargo, debido a que este esquema es para

redes públicas, se necesitó proponer uno para las redes privadas, y el foro ATM evaluó fundamentalmente

46

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dos modelos de dircccionamiento [ALLE95]:

V

1. H¡ modelo/>eer

2. El modelo overlay

El modelo peer propone usar los esquemas de direcciones de los protocolos de capa de red existentes (tal

como IP, IPX, etc.) dentro de las redes ATM, por lo que una petición de señalización ATM utilizaría este

tipo de direcciones, lo mismo que los puntos terminales ATM serían identificados por este mismo esquema.

Este modelo debe su nombre al trato que hace de la capa ATM justo como si fuera del tipo de las capas de

red existentes.

El modelo overlay interpreta a la capa ATM como independiente de cualquier protocolo de capa de red

existente, definiendo una estructura de direccionamiento completamente nueva. Sin embargo, todos los

protocolos existentes tendrían una forma de operar sobre las redes ATM. Esto hace ver a esta propuesta

como una sub red, u overlay, de ahí el nombre del modelo. Este modelo requeriría también la definición de

un nuevo protocolo para enrutamiento ATM.

El modelo peer no requeriría un procedimiento de resolución de direcciones y podría utilizar algún protocolo

de enrutamiento existente; sin embargo, aunque este modelo simplificaría el esquema de direccionamiento

de los puntos terminales, complicaría el trabajo de los conmutadores, porque éstos deberían soportar tablas

de direcciones para todos los protocolos existentes. Por lo que la decisión se inclinó hacia el modelo overlay.

Robert Engel presenta una solución orientada a objetos para los protocolos de señalización, con el objetivo de

permitir la flexibilidad y extensibilidad de nuevas especificaciones en los estándares ATM. La solución

consiste de un conjunto de clases que se agrupan para formar una trama de trabajo (framework) extensible y

flexible [ENGE95].

Tsong-Ho Wu analiza arquitecturas de red para el transporte de señalización, clasificándolas en [WU95]:

• Señalización cuasi-asociada.

• Señalización asociada.

• Híbrido de las dos anteriores.

Robert R. Henry propone un "mecanismo de tren", con una "locomotora" partiendo dentro de la red en la

47

Page 63: ITESM - repositorio.tec.mx

UNÍ. En cada conmutador es desviada al controlador del conmutador, hasta que se establece la conexión (si

es aceptada), o se libera [HENR95]. <.

3.5 B-ISDN/ATM

B-ISDN significa red digital de servicios integrados de banda ancha (Broadband - Integrated Services

Digital Network), concepto desarrollado en torno al surgimiento y creciente demanda de servicios de alta

velocidad de bit (especialmente servicios de imágenes y video), y a la evolución de la tecnología para

soportar esos servicios. Las bases del desarrollo de B-ISDN son [STAL95]:

• Sistemas de transmisión basados en fibra óptica que puedan ofrecer canales de transmisión de

información a alta velocidad y bajo costo para redes troncales (públicas) y para las líneas de los

subscriptores.

• Circuitos microelectrónicos que puedan ofrecer bloques de construcción para conmutación,

transmisión y equipo de subscriptores a bajo costo y alta velocidad.

• Monitores y cámaras de video de alta calidad que puedan ser ofrecidas a bajo costo.

Estos avances tecnológicos sugieren un siguiente paso: la integración de ellos de tal manera que existan

facilidades de comunicación global con las siguientes características [STAL95]:

• Intercambio mundial entre cualesquiera dos subscriptores en cualquier medio o combinación de

medios.

• Adquisición y compartimiento de cantidades masivas de información proveniente de fuentes

múltiples, en múltiples medios, entre subscriptores en un ambiente electrónico compartido.

• Distribución de una amplia variedad de material cultural, de entretenimiento y educacional para el

hogar u oficina, virtualmente en demanda.

3.5.1 Modelo de referencia

Ahora que conocemos las razones del surgimiento de B-ISDN, conozcamos el modelo de referencia

propuesto sobre el que se desarrollan actualmente los estándares de la industria de las telecomunicaciones.

El modelo puede ser visto en forma gráfica como un cubo (figura 3.14), en cuya cara frontal encontramos las

capas del modelo, que son: Capa Física, Capa ATM, capa de adaptación AAL (AAL, ATM Adaptation

48

Page 64: ITESM - repositorio.tec.mx

Layer), y Capas Superiores. En la cara superior del modelo se ubican tres planos: de Administración, de

Control, y de Usuario. En las caras laterales encontramos los dos tipos de operaciones efectuadas por el

plano de Administración: Administración de Capas y Administración de planos. Vemos que B-ISDN hace

uso de ATM como tecnología de transporte y conmutación [MCLE96].

Ptono de odmlnlstradón

Ptono da control

Copos Superiores

Plano de usuario

Copas Superiores

Capa de adoptación RIAA

GapaflTM

Capa física

Figura 3.14 Modelo de referencia B-ISDN/ATM

Examinemos los planos a los que hace referencia el modelo, y conozcamos para qué está previsto que

funcionen [STAL92], [BLAC94] y [DYSA96],

• Plano de usuario: Responsable de la transferencia de información de usuario y de control asociada a

ésta, como control de flujo y control y recuperación de error.

• Plano de control: Es responsable del establecimiento, administración y liberación de llamadas

(señalización direccionamiento y enrutamiento). Provee los medios para soportar los tipos de

conexión SVC y PVC, que pueden ser VCC o VPC punto a punto o punto a multipunto, o multipunto

a multipunto.

• Plano de administración: Se encarga de la administración entre planos y capas. La administración

de capas tiene interfaces a las capas Física, ATM, AAL y Capas Superiores, sobre las que realiza

operaciones de OAM relativas a los recursos y parámetros residentes en sus entidades de protocolos.

La administración de planos efectúa funciones de coordinación y de administración entre todos los

planos, considerando al sistema como un todo.

49

Page 65: ITESM - repositorio.tec.mx

Los protocolos que probablemente operarán sobre estos tres planos se muestran en la 'figura 3.15

\\\\\

Plano de control N l̂ano de usuarios. Plano de AdmoriNv

Q.93B / Q.2931

_, ' ' SSCF

^ SSCOP

^ i . AALCP

TCP/IP, FTP, etc.

AAL

LMI, SNMP, CMIP

AAL

ATM

SDH.SONET, DS1, E1

Figura 3.15 Localización de los protocolos de BISDN

Del lado izquierdo de la figura 3.15 tenemos el plano de control y el protocolo de señalización que en él

residirá. Abajo de este plano se encuentra la señalización de la capa de adaptación ATM (SAAL, Signaling

ATM Adaptation Layer), que soporta el transporte de mensajes (Q.2931 o Q.93B) del protocolo de

señalización entre dos cualesquiera máquinas que estén utilizando SVCs. SAAL se divide en tres subcapas.

las cuales no están completamente definidas, pero en general tienen las siguientes funciones [BLAC94]:

• Parte común AAL (AALCP, AAL Common Parí). Detecta errores en el tráfico transportado sobre

cualquier interfaz que esté utilizando procedimientos del plano de control.

• Parte orientada a conexión específica del servicio (SSCOP, Service Specific Connection-Oriented

Part). Soporta la transferencia de tráfico de longitudes variables a través de la interfaz, y provee

funciones de recuperación sobre unidades de datos del sen'icio (SDU, Service Data Units) que

presentan errores.

• Función de coordinación específica del servicio (SSCF, Service Specific Coordination Function).

Proporciona la interfaz a la capa superior próxima (Q.2931 o Q.93B).

50

Page 66: ITESM - repositorio.tec.mx

En medio de la figura 3.15 tenemos el plano de usuario, que contiene protocolos específicos de usuario y de

aplicaciones. Estos protocolos sólo serán habilitados ya sea sí: v

a) El plano de control ha establecido exitosamente una conexión, o

b) La conexión fue pre-provisionada (permanente).

Por último, a la derecha de la figura 3.15 tenemos Aplano de administración, que realiza sus funciones a

través de la interfaz de administración local (LMI, Local Management Interface), del protocolo de

administración de red simple (SNMP, Simple Network Management Protocol), o del protocolo de

información de administración común (CMIP, Common Management Information Protocol) de OSI. Estos

dos protocolos podrían estar también en el plano de usuarzio.

Después de conocer los planos del modelo de referencia, enfoquemos ahora nuestra atención en las capas del

mismo. El estándar B-ISDN/ATM incluye una descripción de las funciones efectuadas por estas capas, las

cuales se muestran en la tabla 3.2, emitidas en la recomendación 1.321 del ITU-T.

Nombre de la Capa

Capas Superiores

AAL

Subcapa deConvergencia CS

SubcapaSAR

ATM

F1S1CA

Subcapa deConvergencia deTransmisión (TC)

MedioFísico (PM)

Funciones desempeñadas

Funciones de las Capas Superiores

Parte Común (CP)

Específica de servicio (SS)

Segmentación y Reensamble (SAR)

Control de Flujo GenéricoGeneración/Extracción del Encabezado de CeldaTraslación de VPI/VCI de CeldaMulticanalización/Demulticanalización de Celdas

Desacoplamiento de la tasa de celdaDelineación de CeldasAdaptación a la Trama de TransmisiónGeneración/Recuperación de la Trama deTransmisión

Sincronización de BitMedio Físico

Admon

de

CaPas

Tabla 3.2 Modelo de Capas y Subcapas B-ISDN/ATM

51

Page 67: ITESM - repositorio.tec.mx

3.5.2 Capa FísicaV

La capa física está constituida por dos subcapas:

Subcapa del medio físico (PM, Physical Media). Se encarga de recibir/transmitir un flujo continuo de bits

mediante una interfaz al medio físico con información asociada al cronometraje para sincronizar las

operaciones de transmisión y recepción, además de pasar el flujo de bits a la subcapa de convergencia de

transmisión [DYSA96] y [STAL95].

Subcapa de convergencia de transmisión (TC, Transmission Convergence). Extrae e inserta celdas en las

tramas de la PDH o SDH y las pasa a la capa ATM, o las recibe de ésta y las pasa a la subcapa PM, mediante

las siguientes funciones:

• Recuperación y regeneración de tramas de transmisión. Como la transmisión de la capa física se

efectúa por medio de tramas, a este función concierne la generación y mantenimiento de la estructura

de tramas apropiada para una velocidad de transmisión dada.

• Adaptación de tramas de transmisión. Esta subcapa es responsable de "empaquetar" en las tramas

las celdas que recibe de la capa ATM (en flujos).

• Delincación de celdas. Para propósitos de transmisión, el flujo de bits podría ser sometido a una

operación de mezclado con algún código específico (scrambled). Esta capa se encarga de mantener los

límites de las celdas para que pueda ser efectuado el proceso inverso al mezclado en el receptor

(descrambled).

• Verificación del encabezado de celda y generación de secuencia del HEC. Se encarga de generar

y verificar el código de control de error del encabezado (HEC).

• Desacoplamiento de la velocidad de transmisión de celdas. Incluye la supresión e inserción de

celdas vacías para adaptar la velocidad de celdas ATM válidas a la velocidad de la carga útil del

sistema de transmisión.

3.5.3 Capa ATM

La capa ATM es independiente del medio físico, pasa y acepta celdas a/de la capa AAL, cuyas funciones

principales son:

• Multicanalización y demulticanalización de las conexiones lógicas que pueden ser mantenidas através de una interfaz.

52

Page 68: ITESM - repositorio.tec.mx

• Traslación cíe VPI y VCI. Tiene la t'uneión de conmutar celdas de acuerdo a'los valores VPI/VCI, y

t rasladarlos a sus nuevos valores en cada conmutador de acuerdo a la conexión^ lógica establecida.

• Extracción/generación del encabezado de celda. Se encarga de recibir la carga úti l de la capa AAL

y de generar un encabezado para formar la celda ATM. cuando la operación es transmitir. Cuando se

recibe una celda de la capa física, se le extrae el encabezado y se pasa la carga útil a la capa AAL.

• Control de flujo genérico. Genera información de control de flujo que coloca en el encabezado de

celda.

3.5.4 Capa de adaptación ATM (AAL)'

Como se nota en la figura del modelo de referencia, las capas superiores residen sobre la AAL. Los

protocolos de las capas superiores pasan la información a ATM en unidades de datos del protocolo (PDU,

Protocol Data Unit), pero como la longitud de estos PDUs no es necesariamente la misma que la del PDU de

ATM (celdas), se debe de alguna manera segmentar dichos PDUs en celdas ATM. Así que el propósito de la

capa de adaptación es el de segmentar la información de las capas superiores (tales como datagramas,

muestras de voz, tramas de video) en una serie (flujo) de celdas que puedan ser enviadas sobre las

conexiones ATM y reconstruidas a su formato original en el equipo terminal receptor [PART93].

La recomendación 1.362 del ITU-T define los principios básicos y la clasificación de las funciones AAL,

agrupándolas en cuatro clases de servicios, basadas en la necesidad de mantener una relación de

sincronización entre emisor y receptor [STAL95], para indicar si la velocidad de bit es constante o variable

[DYSA96], y si la transferencia es orientada a conexión o no. Las cuatro clases son [VETT95]:

• Clase A. Servicio de tasa de bit constante (CBR, Constant Bit Rate) con sincronización terminal a

terminal orientado a conexión.

• Clase B. Servicio de tasa de bit variable (VBR, Variable Bit Rate) con sincronización terminal a

terminal, orientado a conexión.

• Clase C. Servicio VBR, no requiere sincronización terminal a terminal, orientado a conexión.

• Clase D. Servicio VBR, no requiere sincronización terminal a terminal, sin conexión

(connectionless).

El foro ATM ha definido, a su vez, cuatro clases de servicios, los cuales son [AXNE95]:

• Clase A. Esta clase es caracterizada por tráfico CBR, que consiste de un flujo continuo de bits a una

tasa constante, es altamente sensitivo al retraso e intolerante a la pérdida de celdas.

53

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• Clase B y C. El tráfico de estas clases se define como VBR, maneja ráfagas de información y puede

provenir de aplicaciones de voz o de video que ut i l izan compresión. El tráfico clase B es VBR en

tiempo real (RT-VBR), donde el retraso terminal a terminal es crítico (por ejemplo en video

conferencia interactiva), mientras que el tráfico clase C es VBR que no es en tiempo real (NRT-

VBR), donde el retraso no es muy crítico (por ejemplo video grabado, cintas de entrenamiento, y

mensajes de correo de video).

• Clase D. El tráfico clase D se divide en dos sub-clases: tasa de bit disponible (ABR. Available Bit

Rate), y tasa de bit no especificada (UBR, Unespecified Bit Rate).

El tráfico ABR es el único capaz de variar las tasas de celda en base al nivel de la congestión

experimentado por la red. Este tipo de tráfico puede efectuar una utilización del 90% o más del canal

[MCLE96].

El tráfico UBR ofrece un servicio del "mejor esfuerzo", y por tanto no garantiza en lo más mínimo la

calidad de servicio, a causa de que no garantiza ninguna tasa de celda específica. UBR utiliza el canal

eficientemente, pero tiene la desventaja de que no prevé ningún tipo de garantía de calidad de servicio

[MCLE96].

Ventajas y desventajas de los servicios orientados a conexión y sin conexión

Servicio orientado a conexión [COME97][KORN95]

Ventajas

• Facilidad de contabilizar el tiempo que dura la conexión

• Capacidad de informar de inmediato a las computadoras sobre la desconexión de un enlace

• Cuando existe una falla se detecta de inmediato y la aplicación puede informar a los administradores

o usuarios

• Garantiza que la información enviada por un proceso será recibida por el proceso destino

• La información es recibida exactamente en el orden en que fue enviada

• La información es recibida sin haber sido alterada

54

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Desventajas

• El tiempo para establecer y terminar una conexión a veces es mayor que el de envío de datos

• Es establecido estrictamente entre dos puntos terminales, no permite envío a múl t ip les destinos

Servicio sin conexión [COME97][KORN95]

Ventajas

• Menor sobrecarga inicial (las computadoras envían datos de inmediato)

• No acapara recursos de ancho de banda

• Permite enviar paquetes a múltiples destinos

Desventajas [COME97][KORN95]

• No garantiza la entrega de mensajes

• No asegura que los mensajes se reciban en el mismo orden en que se enviaron

• No asegura que la información se reciba libre de errores

• Una falla puede pasar inadvertida, se continúa el envío de paquetes a pesar de ella

La ITU-T numeró los protocolos AAL que proporcionan estas clases de servicios, como se muestra en la

figura 3.16.

Atributo

Relación de sincroníaentre fuente y destinoTasa de bit

Modo de conexión

AAL(s)

Ejemplo(s)

Clase de Servicio

Clase A Clase B

Requerida

Constante

Clase C Clase D

No requerida

Variable

Orientado a conexión

AAL1

DS1.E1Emulaciónnx64 Kbps

AAL2

Paquetes videoo audio

AAL3/4ÓAAL5

Frame RelayX.25

Sin conexión

AAL3/4ó AAL5

IP, SMDS

Figura 3.16 Clases de servicios ATM/B-ISDN

55

Page 71: ITESM - repositorio.tec.mx

Tipo 1

Tipo 2

Tipo 3/4

TipoS

Servicios suministrados

Transferencia de SDUs con tasade bit constante (CBR)

Transferencia de información desincronización entre fuente ydestino

Transferencia de la estructura dea información entre fuente ydestino

Indicación de información erróneao perdida no recuperada por eltipo 1

Transferencia de SDUs con tasade bit variable (VBR)

Transferencia de información desincronización entre fuente ydestino

Indicación de información erró-nea o perdida no recuperada porel tipo 2

Servicio modo mensaje

Servicio modo flujo

Operación asegurada

Operación no asegurada

Servicio modo mensaje

Servicio modo flujo

Operación asegurada

Operación no asegurada

Total de funciones

Segmentación y reensamble

tflanejo de la variación delretraso de celda

Manejo del retraso de ensamblede la carga útil de la celda

vtanejo de celdas perdidas yequivocadamente insertadas

Recuperación de la frecuenciadel reloj fuente en el receptor

Recuperación de la estructurade la información fuente en elreceptor

Monitoreo y manejo de erroresde bit del PCI

Monitoreo de errores de bit deinformación de usuario yposible acción correctiva

Segmentación y reensamble

Manejo de la variación delretraso de celda

Manejo de celdas perdidas yequivocadamente insertadas

Recuperación de la frecuenciadel reloj fuente en el receptor

Recuperación de la estructurade la información fuente en elreceptor

Monitoreo y manejo de erroresde bit de encabezado y cola

Monitoreo de errores de bit deinformación de usuario y posi-ble acción correctiva

Funciones SAR

Mapeo entre CS PDU y'SAR PDU

ndicación de existenciade función CS

Numeración de secuen-cia

arotección de error

Para estudios futuros

Segmentación y reen-samble

Detección de error

Integridad de secuencia

Multicanalización

Manejo de informaciónde congestionamiento

Manejo de informaciónde prioridad de pérdida

Segmentación y reen-samble

Detección de error

Integridad de secuencia

Multicanalización

Manejo de informaciónde congestionamiento

Manejo de informaciónde prioridad de pérdida

Funciones CS

Manejo de la varia-ción del retraso decelda

Manejo de celdasperdidas y equivo-cadamente inserta-das

Para algunos servi-cios, recuperación delreloj en el receptor

Transferencia de laestructura de lainformación

Corrección de errordelantera para voz yvideo de alta calidad

Reporte del estado deejecución terminal aterminal

Para estudios futuros

Detección y manejo deerror

Indicación del tamañodel buffer de asigna-ción

Detección y manejo deerror

Relleno

Manejo de informa-ción de congestiona-miento

Manejo de informa-ción de prioridad depérdida

Tabla 3.3 Tipos de protocolos de las capas de adaptación ATM

56

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AAL 1 soporta servicios clase A, AAL 2 soporta servicios clase B [KAWA91]. Sin embargo, desde que esta

clasificación se publicó y aprobó, ha experimentado un número de cambios, y dada la similaridad entre AAL

3 y AAL 4, se han unido ambos protocolos para formar el AAL 3/4, que posteriormente fue considerado

inapropiado para la mayoría de las aplicaciones, debido al tamaño del encabezado, que provocó que la

industria de las telecomunicaciones experimentara grandes dificultades en la implantación [DYSA96], lo

cual motivó que la ITU-T desarrollara la AAL 5 en su lugar, que al inicio se denominó capa de adaptación

eficiente y simple. AAL2 es aún algo difusa, y no está estandarizada [PART93]. La tabla 3.3 muestra los

detalles funcionales definidos de los 4 tipos de protocolos.

Protocolos AAL

La capa AAL está organizada en dos subcapas lógicas: subcapa de convergencia (CS, Convergence

Sublayer), y subcapa de segmentación y reensamble (SAR, Segmentation and Reassembly). Cabe mencionar

que para algunas aplicaciones estas funciones serán nulas [ARMI94].

Subcapa CS. Esta subcapa define sus funciones de acuerdo al servicio que preste a las capas superiores (es

dependiente del servicio). Estas funciones son utilizadas por cada tipo de protocolo AAL y su inclusión

depende del servicio solicitado, es decir, para cada tipo de protocolo (AAL1 al AAL5) realizará funciones

diferentes [HÁND91]. Esta subcapa se divide en dos componentes: subcapa de convergencia específica del

servicio (SSCS, Service Specific Convergence Sublayer) y parte común de la subcapa de convergencia

(CPCS, Common Part Convergence Sublayer). La SSCS puede ser nula en algunos servicios; siempre debe

implantarse junto con la SAR [DYSA96]. Las aplicaciones se comunican con la capa AAL en el punto de

acceso al servicio (SAP, Service Access Point) AAL. Las subcapas AAL comunican sus PDUs entre ellas, y

la SAR pasa sus PDUs a la capa ATM a través del SAP ATM, como se ilustra en la figura 3.17.

Pinto de acceso al servicio ATM

AAL

_/

PrimthesAAL-PDU

Subcapa de ConvergenciaEspecífica de Servicio (SSCS)

-Puede ser nula

Parte comúi AAL (CP)

Primitivas

v CPCS-PDU v

Parte Común de la Subcapade Convergencia (CPCS)

Primitivas

CPCS-PDU

SSCS

CPCS

Segmert ación y Reensamble(SAR)

PrimíivasSAR-PDU

\"\

CS

SAR

Puito de acceso al servicio ATM

Figura 3.17 Modelo del protocolo de las subcapas AAL57

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La función general de esta subcapa (en particular puede variar para cada tipo de protocolo AAL) realiza las

siguientes tareas: recibe un PDU de longitud variable de las capas superiores, genera información de control

del protocolo (control de errores, de sincronización, manejo del retraso y pérdida de celdas), que añade como

encabezado y cola del PDU recibido, formando un PDU de la subcapa CS, que pasará a la subcapa SAR

[HÁND91], como se muestra en la figura 3.18.

Subcapa SAR Se encarga de segmentar los PDUs que recibe de la subcapa CS y empaquetarlos en unidades

de 48 bytes para transmisión, y desempaquetarlos en el equipo receptor. De acuerdo al tipo de protocolo al

que esté dando servicio, esta subcapa añadirá un encabezado y cola dentro de los 48 bytes del PDU

[STAL95], como se muestra en ¡a figura 3.18.

convergencia

CS

CAPA

AAL

Subcapa desegmentación y

reensamble

SAR

1 SDU 1

' '

1 PCI ~H SDU r*H PCI 1

1 PCI 1 SDU | PCI 1

/ '« A/ ~~ PDU de longitud variable "" \

/ \

L \i i i i i i48 bytes """ 48 bytes "" 48 bytes "" 48 bytes """ ~~ 48 bytes ""

M Encabezado PCI = Información de control del— orotocolo

1 Cola

Figura 3.18 Realización de PDUs en la subcapa CS

AAL tipo 1

La operación de esta capa está relacionada con fuentes a una tasa de bit constante. La subcapa SAR tiene la

única responsabilidad de "empaquetar" los bits en las celdas para transmisión y "desempaquetarlos" en el

58

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receptor. Un PDU AAL 1 se forma lomando 47 bytes de carga ú t i l y agregándole un byte de encabezado, que

tiene un campo de número de secuencia (SN. Sequence Numbcr). un campo de protección del número de

secuencia (SNP. Sequence Number Protection). cada uno ocupando cuatro bits del encabezado. El primer bit

del SN es llamado indicación de subcapa de convergencia (CSI, Convergence Sublayer Indication), e indica

si existe o no un apuntador de un byte (por lo que la carga útil puede ser de 46 o 47 bytes), que identifica los

límites de los bloques de información organizados en bytes. El SN es un contador (módulo 8) incrementado

una vez para cada celda. Es usado para detectar interrupción en la secuencia de celdas debido a errores o

pérdidas. Un bit del SN es usado para identificar dos tipos de operación:

1. Transferencia de información no estructurada (UDT, Unstructured Data Transfer), que es un

flujo de bits.

2. Transferencia de información estructurada (SDT, Structured Data Transfer), que es un flujo de

bytes con una longitud de bloque fija.

El SNP ocupa cuatro bits, y los primeros tres son un CRC calculado sobre el SN. El último bit es de paridad,

calculado sobre los primeros siete bits y colocado en el octavo bit. El receptor puede usar esta información

para detectar errores (y corregir un sólo error de bit) en el SN.

La subcapa de convergencia se encarga de la sincronización del audio y video. La figura 3.19 muestra el

PDU de AAL 1 [BOIS94], [PART93], [STAL95], y [BLAC94].

48 bytes

4 bits

i SN

tCSI

SNSNPCSI

4 bits 8 bits

SNÉ> Apuntadori (opcional)

tParidad

w

47 o 46 bytes

Carga útil

= Número de secuencia (1 bit CSI, 3 bits contador de secuencia)= Protección del número de secuencia= Indicación de la subcapa de convergencia

(O = no apuntador, 1 = apuntador)

Figura 3.19 Formato SAR-PDU AAL1

59

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AAL tipo 2*,

Este tipo de AAL y los subsecuentes tratan con información VBR. El tipo 2 está contemplado para trabajar

con aplicaciones que requieren sincronización pero no requieren una tasa de bit constante como audio y

video clase B. Una especificación inicial para los protocolos tipo 2 ha sido retirada, y la versión actual de la

recomendación 1.363 sólo lista los servicios de la tabla 3.3 [STAL95].

AAL tipo 3/4

Dado que no hay distinción práctica entre formar tramas para un protocolo orientado a conexión (AAL 3) o

formarlas para uno sin conexión (AAL 4), se decidió unir los tipos 3 y 4 en uno solo: AAL 3/4 [PART93].

AAL 3/4 prevé dos tipos de servicios [STAL95]:

1. El servicio puede ser orientado a conexión, o sin conexión. En el primer caso se hace uso de

conexiones lógicas sobre una conexión ATM única. En el segundo, los PDUs de las capas superiores

(o SDU), son presentados a la capa SAR con un tratamiento independiente para cada bloque.

2. El servicio puede operar en modo mensajes o modo flujo. El primer modo es para dar servicio a

protocolos y aplicaciones relativas al modelo OSI que manejan transferencia de información en

tramas, comoframe relay o el servicio LAPD (Link Access Procedure on the D channel) de B-ISDN,

donde el SDU puede ser transmitido en una o varias celdas. El segundo modo de servicio es para

soportar la transferencia de información continua de baja velocidad con requerimientos de retraso

bajos (como PCM); el SDU se presenta a la capa AAL en bloques de tamaño fijo (pueden ser tan

pequeños como un byte), y se transfiere un bloque por celda.

La subcapa SAR es común para todos los tipos de servicios tipo 3/4 [BOIS94]; la relación entre las subcapas

la podemos ver en la figura 3.20.

60

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Subcapa de convergencia CS

Subcapa de convergencia específica de servicioSSCS

/_Parte común de la subcapa de convergencia

CPCS

Subcapa de segmentación y reensambleSAR

AAL tipo3/4

PFigura 3.20 AAL tipo 3/4

Las funciones efectuadas por la CPCS son [BOIS94]:

• Delimitación del SDU de la CPCS.

• Detección de errores (opcionalmente los SDUs de la CPCS pueden ser transmitidos a las capas

superiores con una indicación de error, si no se decide descartarlos).

• Información del receptor sobre la memoria requerida para recibir el SDU de la CPCS.

• El envío de un mensaje de interrupción (abort.)

El encabezado y cola de un SDU del CPCS son [BOIS94]:

• Un campo de identificación de la parte común (CPI, Common Parí Identification), que

proporciona información para interpretar los campos siguientes. Ocupa un byte.

• Btag y Etag. Son indicadores de inicio y fin del SDU de la CPCS, que evitan que ocurra

concatenación accidental de dos SDUs de la CPCS que podría resultar en la pérdida de celdas que

están en el final del primer datagrama y en el inicio del segundo. Ocupan un byte cada uno.

• BAZise. Indicador del tamaño del SDU de la CPCS, que habilita al receptor para disponer una

memoria de almacenamiento temporal (buffer) con espacio suficiente para almacenarlo. Ocupa dos

bytes.

• AL. Relleno para alinear el SDU de la CPCS en longitudes de 32 bits.

• Length. Indicador de longitud de la carga útil del SDU de la CPCS.

La subcapa SAR añade un encabezado y cola de cuatro bytes para asegurar la segmentación y reensamble de

61

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las PDUs de la CS, por lo que la carga útil de una celda se reduce a 44 bytes. Los campos del encahc/.ado y

cola son [BOIS94]:

• Tipo de segmento (ST, Segment Type). Indicador del tipo de segmento: inicial, intermedio, final del

mensaje, o mensaje compuesto por un solo segmento.

• Número de secuencia (SN, Sequence Number). Número de secuencia para detectar celdas perdidas

o insertadas.

• Prioridad (P, Priority). Indicador de prioridad, permitiendo la transmisión de un PDU de la SAR de

alta prioridad antes que los de prioridad normal.

• Identificador de multicanalización (MED, Multiplexing Identification). Identificador de

multicanalización, permitiendo la identificación de celdas que pertenecen a diferentes mensajes

multicanalizados en la misma conexión virtual.

• Indicador de longitud (LI, Length Indicator). Indicador de longitud que da el número de los bytes

de carga útil en la celda.

• CRC. Código de verificación cíclica calculado sobre todo el PDU de la SAR [STAL95].

La figura 3.21 muestra gráficamente los PDUs de la SAR y CS con todos los campos descritos anteriormente

(fig a y b), así como la transformación sufrida en cada subcapa desde que llega el PDU de las capas

superiores hasta que se le acomoda en el formato de celda ATM (fig c).

^r * ̂ *CPI Btag BASize Carga útil CPCS-SDU

Mbytelbyte 2 bytes

L u\ /\ 44 bytes /

\ / CPI :\ / Btag :\ / BASize :

1 1 1 1 1 1 Carga útil SAR-PDU | | U ^ ;

Length :

,„-''

PAD

dentil

^^~

AL1 bytí

_^~ ̂ ^~

Etag Len1 byte 2 by

1

3thes ^J

cador de parte comúnEtiqueta de nicioTamaño del bufferReilenoAlineación

Longitud del CS-SDU

SAR-PDU

Figura 3.21 (a) Estructura del CPCS-PDU tipo 3/4

62

Page 78: ITESM - repositorio.tec.mx

ST2 bit

SN4 bits

P1

MID9 bits

Información44 x 8 = 352 bits

U6 bits

CRC10 bits

48 bytes

ST : Tipo de segmentoSN : Número de secuenciaP : PrioridadMID : Identificación de multicanalizaciónLl : Identificador de longitudCRC : Verificación de redundancia cíclica

Figura 3.21 (b) Estructura de un SAR-PDU tipo 3/4

BOM SAR-H

CPCS-H

PDU decapas superiores

Carga úMCPCS-PDU CPCS-TCPCS-PDU

CargaSAR-PDU Útil

COM SAR-H

SAR-T

SAR-PDU Carga

COM SAR-H

SAR-T

SAR-PDU Cargaútil SAR-T

I SAR-PDU

SAR-PDU

SAR-PDU

SAR-PDU

CeldaATM

EOM SAR-HSAFJ-PDU

1 útilCargja

i SAR-T

ATM-H Carga útil de celda ATM

CPCS = Parte común de la subcapa de convergenciaSAR = Segmentación y reensamblePDU = Unidad de datos del protocoloCPCS-H = Encabezado CPCSCPCS-T = Cola CPCSSAR-H = Encabezado SARSAT-T = Cola SARATM-H = Encabezado ATMP = RellenoBOM = I nielo de mensajeCOM = Continuación de mensajeEOM = Final de mensaje

Figura 3.21 (c) Ejemplo de transmisión del tipo AAL 3/4

63

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AAL tipo 5V

AAL 5 fue propuesta por la industria de la computación con la finalidad de proveer un soporte de

comunicación más eficiente que el de la AAL 3/4 mediante estos objetivos [PART93] y [STAL95]:

• Reducir el tiempo de procesamiento de encabezado efectuado por los protocolos

• Reducir el encabezado de transmisión

• Asegurar la adaptabilidad de los protocolos de transporte existentes (como FDDI)

La CPCS de AAL5 sólo añade una cola de 8 bytes a la última celda del total de celdas del mensaje, con los

siguientes campos:

• Indicación usuario a usuario (CPCSUU, 1 byte). Usado para transferir transparentemente

información usuario a usuario

• CRC (4 bytes). Detecta errores de bits en el PDU de la CPCS

• Indicador de parte común (1 byte). Indica la interpretación de los campos restantes en el PDU de la

CPCS

• Longitud (2 bytes). Longitud del campo de carga útil del PDU de la CPCS

La función de la subcapa SAR es la de poner en el campo PT del encabezado de celda ATM un bit (el último

del PT) con el que indica si la celda es el final del paquete. Así la computadora receptora únicamente

almacena las celdas hasta que recibe una con el bit indicador de fin de paquete accionado. Cuando se recibe

la última celda, se verifican el CRC y la longitud de la celda, y entonces el paquete es comunicado a la

aplicación en la computadora. La figura 3.22 muestra los formatos SAR y CS de AAL 5.

ATM-HCarga útil de celda ATM

Estructura SAR AAL 5

Carga útil de celda ATM CPCS-UU CPI Len CRC- 32

Estructura CS AAL 5 (Sólo la última celda del mensaje)

CPCS-UU = indicación usuario a usuario CPCS (1 byte)CPI = Indicador de parte común (1 byte)Len = Longitud (bytes)CRC = Verificación de redundancia cíclica (4 bytes)ATM H = Encabezado ATM

Figura 3.22 Ejemplo de transmisión del tipo AAL 5

64

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Mientras que la f igura 3.23 muestra un ejemplo de transmisión AAL 5. El PDU de la CPCS incluyendo

relleno y cola son divididas en bloques de 48 bytcs, cada bloque es transmitido en una\única celda ATM.

PDU de capas superiores

Carga útil CPCS-PDU

1

P CPCS-T

AAUOSAR-PDU Carga

útil

AAUOSAR-PDU Carga

útil

AAUOSAR-PDU Carga

útil

AAU 1SAR PDU Carga

útil

SAR-PDU

SAR-PDU

SAR-PDU

SAR-PDU

ATM-HCarga útil de celda

ATMCeldaATM

CPCS = Parte común de la subcapa de convergenciaSAR = Segmentación y reensamblePDU = Unidad de datos del protocoloCPCS-T = Cola CPCSATM-H = Encabezado ATMP = RellenoAAU = Indicación usuario a usuario

Figura 3.23 Ejemplo de transmisión del tipo AAL 5

65

Page 81: ITESM - repositorio.tec.mx

3.5.5 Las capas ATM y las capas del modelo de referencia OSIV

Las capas ATM no tienen una equivalencia directa con las capas de] modelo OSI. La capa ATM realiza

operaciones que en el modelo OSI se efectúan en las capas 2 y 3 (capas de enlace de datos y de red). La capa

AAL combina características de las capas 2, 4 y 5 del modelo OSI (capas de enlace de dalos, transporte, y

sesión).

3.6 Problemas a resolver en ATM

La estandarización de ATM ha ido evolucionando conforme a los requerimientos de los servicios que

ofrecerá B-ISDN, y los organismos involucrados en dicha tarea se han tenido que enfrentar con nuevos retos,

de los cuales algunos prácticamente ya están solucionados, algunos están en una fase de propuestas y

experimentación, y algunos todavía no se han considerado. A continuación se presentan algunos de los retos

de la estandarización [ARMI94] y [DYSA96]:

1. La administración del ancho de banda del enlace entre los diversos requerimientos de los servicios de

usuario de B-ISDN para crear mecanismos de especificación y negociación de la calidad de servicio

(QoS) suministrada a cada conexión virtual.

2. La especificación de un protocolo de señalización para permitir la asignación dinámica de conexiones

virtuales.

3. Completar la especificación de la operación multicast en ATM.

3.6.1 Control de la congestión y QoS

Estos dos puntos están muy relacionados porque existen algunos tipos de tráfico, como el video VBR, que

experimenta periodos de ráfagas (control de la congestión) y además es sensitivo al retraso (QoS). Los

esquemas de control de la congestión y QoS pueden ser clasificados de acuerdo al nivel en que operan

(conexión o celda), y si actúan de manera preventiva o correctiva.

Esquemas de control preventivo

Estos esquemas se enfocan en evitar las condiciones bajo las cuales el tráfico ATM causará congestión.

66

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Nivel de admisión a la conexión.

\• Multicanalización determinística. La suma de los picos de ancho de banda de las conexiones

aceptadas no debe exceder la capacidad del enlace físico.

• Multicanalización estadística. Permite que la suma de los picos de ancho de banda excedan la

capacidad física del canal. La idea es que el promedio de velocidad de todas las conexiones no

excederá la capacidad física del enlace.

Nivel de celda.

Se efectúa a través de funciones de negociación para "conformar tráfico" (traffic shaping), y hacerlo

aceptable por la red. Estas funciones actúan en varios puntos de la red para asegurar que el tráfico

transportado en una conexión particular no exceda los límites acordados durante la fase de admisión de la

conexión.

• Leaky bucket. Este modelo contempla que las celdas lleguen a un punto de negociación y sean

pasadas a través (leaked) de él a una velocidad máxima establecida. Si la tasa de llegada de celdas

excede este índice, las celdas que lo excedan serán almacendas en un buffer (bucket), con el paso

(leaking) regular de celdas actuando para liberar eventualmente el bucket. Si persiste la diferencia

entre la velocidad de las celdas que llegan y la velocidad de paso (leak rale), el bucket se encontrará

lleno y las celdas subsecuentes serán simplemente descartadas. Si la velocidad de llegada de las celdas

es menor que la velocidad de paso, y se asume un buffer vacío, las celdas tendrán un paso directo

[ARMI94].

• Control de admisión de ráfaga. También denominado asignación de ancho de banda rápido o

protocolo de reservación rápida. En principio, una fuente establece un contrato para enviar una ráfaga

de información (a una velocidad determinada); una vez que la ráfaga ha sido transportada, la red

libera los recursos asociados. Esta propuesta se enfoca al tráfico de ráfaga tolerante al retraso pero

sensible a la pérdida de celdas.

Esquemas de control correctivo

Estos esquemas pueden considerarse como complemento de los esquemas preventivos; deben ser capaces de

modificar el tráfico de celdas después de iniciada la transmisión de tal manera que minimice la duración e

impacto de las condiciones de sobrecarga temporal.

67

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Dominique Gaíti presenta un esquema de manejo de tráfico "inteligente" a través del bit CLP del encabezado

de celda, con indicadores explícitos de congestión hacia adelante y hacia atrás [GAIT06].

3.6.2 Multicasting en ATM

Esta operación consiste en dar facilidades de red a un usuario cualquiera para enviar, en una sola operación,

un mensaje a varios usuarios [KIRC96].

Se tiene contemplado realizar las conexiones multicast como una conexión virtual normal desde el emisor,

propagar las celdas a través de la red hasta un conmutador que dé servicio a un grupo multicast donde el

conmutador recibirá las celdas, hará una copia de ellas para cada puerto conectado hacia cada elemento del

grupo multicast y transmitirá las celdas a cada elemento del grupo multicast. Desafortunadamente hasta

ahora no se ha estandarizado la administración de este tipo de enlaces.

En los últimos años se han analizado diversas propuestas en artículos referentes a este tema. Diversas

alternativas se presentan en [KIRC96], [ALLE95], [LOCK94], [MOHA95], [LJ95], [GARC95], [KUMA96],

[LIU94], [FLIE93] y [WEI92]. En este trabajo describiremos las siguientes:

• Multicasting a través de rutas virtuales.

Consiste en establecer un enlace VP multipunto a multipunto entre todos los nodos de un grupo

multicast, cada nodo con un distinto VCI dentro del VP. El valor VCI identificaría a cada celda

permitiendo el intercalamiento de ellas. Este mecanismo no existe (asignar valores VCs a cada nodo),

por lo que no es una solución viable.

• Servidor multicast.

Cualquier nodo dentro de un grupo multicast que desea transmitir establece una conexión punto a

punto con un dispositivo externo conocido como servidor multicast (resecuenciador). El servidor

multicast establece una conexión punto a multipunto con los miembros del grupo; después de

establecidas las conexiones, el servidor multicast recibe las celdas a través de la conexión punto a

punto y, entonces, las retransmite a través de la conexión punto a multipunto. Como lo muestra la

figura 3.24.

68

Page 84: ITESM - repositorio.tec.mx

Secusnciodorde paquetes

Figura 3.24 Multicasting vía servidor multicast

Conexiones punto a multipunto averíala (sobrecargadas).

En este esquema, todos los nodos del grupo multicast establecen conexiones punto a multipunto con

todos los demás nodos del grupo, lo que significa que llega a ser una hoja en las conexiones

equivalentes de todos los demás nodos, por tanto todos los nodos pueden transmitir/recibir hacia/de

todos los otros nodos. Esto se puede ver en la figura 3.25.

Figura 3.25 Multicasting vía conexiones punto a multipunto overlay

De estos esquemas, los dos últimos son los actualmente empleados por los protocolos de capas superiores,

pero hasta ahora no existe una solución ideal para realizar estas operaciones en ATM.

69

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• Conmutadores con soporte mullicas! integrado.

En estos conmutadores la rcplicación y enrutamicnto de celdas ocurre dentrq del conmutador, de la

siguiente manera: cuando llega una celda multicast, se hacen las copias (replicación) de celdas

requeridas, las celdas se recirculan (re-aceptadas en los puertos de entrada), y entonces son tratadas

como celdas normales (unicast) y enruladas hacia su destino. Estas dos operaciones (replicación y

enrutamiento) tienen que efectuarse al doble de la velocidad normal del conmutador, para que cuando

llegue una celda nueva a éste, haya completado ambas fases. Esto se ilustra en la figura 3.26.

Controladoresde los puertos

de entrada

Conmutador Controladoresde los puertos

de salida

Figura 3.26 Conmutador multicast ATM 4 x 4

• Conmutadores en cascada.

Estos conmutadores trabajan como cualquier otro conmutador normal, pero existe un mecanismo

externo de replicación conectado a el, lo que permite al conmutador ocuparse sólo del enrutamiento

de las celdas figura 3.27.

Controladores Dispositivo Controladores Conmutador Controladoresde multicast Multicast de los puertos de los puertos

de entrada de salida

Figura 3.27 Conmutador multicast ATM 4 x 4 en cascada

70

Page 86: ITESM - repositorio.tec.mx

3.7 Perspectivas ATM

ATM tiene distintos significados para distintas especialidades de las telecomunicaciones, algunas de estas

perspectivas incluyen a ATM como [DYSA96]:

Como ¡nterfaz y protocolo. ATM se define como interfaz y protocolo diseñado para conmutar tráfico VBR

y CBR sobre un medio de transmisión común. Frecuentemente se denomina a la pila de protocolo B-ISDN

como ATM.

Como una tecnología. Comprendida de hardware y software que conforma los estándares de protocolos para

efectuar funciones de multicanalización y conmutación en una red. La tecnología ATM toma la forma de

tarjetas de interfaz, multicanalizadores, y conmutadores.

Acceso integrado económico. Están apareciendo en escena proveedores de servicio ATM públicos

ofreciendo servicios basados en ATM habilitados para los usuarios.

Como una infraestructura. Puede ser el núcleo de una infraestructura de red. El hardware ATM y software

asociado pueden proveer la tecnología backbone para una red de comunicaciones avanzada. Se visualiza a

ATM como la arquitectura que será la plataforma del futuro para las redes de comunicaciones. Además

provee una estructura muy escalable (LAN-WAN), en términos de velocidad de interfaz, capacidad de

conmutación, extensión de la red y direccionamiento.

3.8 Sumario

Este capítulo se ha descrito la tecnología ATM, como parte del modelo B-ISDN, además de presentar los

conceptos de operación de redes ATM (VP, VC), los bloques de construcción básica de esta tecnología

(celdas), basada en los principios de la conmutación de paquetes, pero con la singularidad de que estos

paquetes son de tamaño fijo (53 bytes), de los cuales se reservan 5 bytes para encabezado, explicando la

manera en que se añade esta información y los campos que lo componen, además de especificar el propósito

de cada uno de ellos. Se han descrito las capas del modelo ATM, se ha explicado su función, recalcando la

71

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CAPITULO 4Simulación de un conmutador ATM

Introducción

En este capítulo se explicarán los detalles considerados para estructurar un modelo y su simulación de un

conmutador ATM, basados en el modelo propuesto por Wlodek Dobosiewicz, el cual fiíe concebido con un

diseño orientado a objetos en tres módulos principales: arquitectura, protocolo de comunicación, y patrones

de tráfico [DOBO95]. El resultado de la simulación se expresa en términos del retraso que experimenta el

tráfico en la red. Debido a la característica de diseño orientado a objetos, se ha tomado este modelo como

base para modelar una arquitectura de conmutador con buffers en los puertos de entrada con un factor de

aceleración en la velocidad de conmutación con respecto a la velocidad del enlace. Se realizó la simulación y

se presentarán los resultados obtenidos.

Karol, Hluchyj y Morgan mostraron que el retraso en los conmutadores con buffers en las entradas es mayor

que el experimentado por los conmutadores con buffers en las salidas [KARO87]. Demostraron que un

conmutador con buffers en las entradas, en condiciones de congestionamiento, sólo puede transmitir

aproximadamente un 58% del total del tráfico que recibe, mientras que el conmutador con buffers en las

salidas alcanza a transmitir aproximadamente el 90% del tráfico que recibe. Esto trabaja perfectamente en

teoría, pero realizar conmutadores con buffers en las salidas es un verdadero reto tecnológico, a un precio

muy elevado y con una capacidad de almacenamiento en buffers bastante reducida, en comparación con el

otro tipo de conmutador [DENZ95]. Este factor ha provocado la búsqueda de soluciones alternas, siendo una

de ellas la mejora de los conmutadores con buffers en las entradas acelerando la velocidad de conmutación

de este tipo de equipos. El conmutador simulado en esta tesis comprende buffers en las entradas, y muestra

un rendimiento comparable al del conmutador con buffers en las salidas.

73

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El modelo ha sido programado en SMURPH1 (a System tbr Modeling Unsiotted Real-timc Phenomcnai

[GBUR94], y tiene la finalidad de "reflejar lo más cercanamente posible la sincronización de tocios los

eventos de transmisión/recepción de celdas ATM que ocurren en la correspondiente red física" [DOBO95].

4.1 Descripción funcional del modelo

Aquí presentaremos las consideraciones de diseño del modelo, asumiendo las siguientes características de los

componentes del modelo.

4.1.1 Conmutador

Consiste de un número de puertos de entrada y de salida (se asume que el número es el mismo para

ambos puertos); reglas de señalización (protocolo de establecimiento de la conexión y políticas de

admisión de llamadas); un esquema de almacenamiento temporal (buffering) y las políticas que describen

cómo y cuándo las celdas que llegan serán almacenadas, y que ocurre cuando el buffer del conmutador

está completamente lleno.

Cada puerto de salida tiene asignada cierta tasa de transmisión, la cual es un atributo del enlace que

conecta dicho puerto con algún puerto de entrada de otro conmutador. Cada canal ATM está

representado por un par de enlaces unidireccionales que conectan el mismo par de conmutadores pero en

direcciones opuestas.

1 SMURPH es un lenguaje de especificación de protocolos orientado a objetos basado en C++, construido sobre un simulador manejado por

eventos (evem-driven) que provee un ambiente virtual para ejecutar protocolos expresados en ese lenguaje [DOBO95],

74

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4.1.2 Nodo terminal

Un nodo terminal representa un equipo con premisas de usuario (CPE, Customer Prcmises Equipment)

interconcctado a la suh-rcd de comunicación2. Cada CPE consta de un único par de puertos conectados

con un conmutador a través de un canal ATM, es decir, empleando un par de enlaces. Se ha modelado un

conmutador con dos CPEs conectados a él, que mantienen una topología estática (no cambia durante la

simulación), por lo que se asume que los VPs son también estáticos sobre el intervalo de tiempo

simulado; consecuentemente el modelo no maneja la conmutación a través de VPIs.

Todo el tráfico que fluye en la red (información de usuario y señalización) se origina en los CPEs y tiene

como destino algún CPE determinado.

4.1.3 Establecimiento de la conexión

Para cada CPE destino que es accesible desde algún conmutador dado, éste último mantiene un

determinado número de rutas a través de las cuales puede ser accedido el CPE deseado. La decisión para

elegir la ruta de acceso a algún CPE determinado se realiza durante el proceso del establecimiento de

llamada, de acuerdo al algoritmo de admisión asociado con el conmutador. Si ninguna ruta ofrece

suficiente ancho de banda para satisfacer los requerimientos de la petición de conexión, la conexión es

rechazada, y se notifica al CPE emisor con un mensaje de rechazo pertinente.

El modelo asume que todos los mensajes de señalización intercambiados durante el establecimiento de

llamada son mensajes de una celda. El algoritmo del establecimiento de llamada implantado en el

modelo representa un subconjunto del estándar Q.93B [DOBO95].

" De acuerdo con la terminología OSI [TANE91 ]

75

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Una simplificación utilizada en el modelo es la eliminación de la conmutación VCI explícita, la cual reduce

la cantidad de procesamiento requerido para cada celda que llega al conmutador, yvse realiza sin afectar la

sincronización de todos los eventos relevantes [DOBO95]. Para cada conexión que va a ser establecida, se

selecciona un VCI global de un conjunto central de identificadores disponibles y se utiliza para etiquetar

todas las celdas relativas a la conexión establecida. Cuando se establece una conexión, cada conmutador

designa una entrada de su tabla interna que asocia al par de puertos involucrados en la operación con el

identificador VCI de la conexión. Como el VCI es global, no hay necesidad de cambiarlo cuando una celda

se transfiere de un conmutador a otro, y a la vez identifica a la conexión en cada conmutador a lo largo de la

ruta.

4.2 Estructura genérica de un nodo ATM en el modelo

Un nodo ATM genérico (porque es la clase base de cualquier nodo ATM, ya sea un conmutador o un CPE)

se define en SMURPH tomando las siguientes consideraciones:

Se declaran dos arreglos de apuntadores Port que representan los puertos de entrada (IPorts) y salida

(Oports) del nodo. Se declara un arreglo Neighbors que mantiene el número identificador de los nodos

accesibles desde el nodo en cuestión a través de los correspondientes puertos de salida. Nports da el

número de pares de puertos que tiene el nodo. El método setup inicializa los arreglos del nodo y toma

como argumento el número de pares de puertos que tendrá dicho componente de red. El código de este tipo

de nodos es el siguiente:

station ATMNode {Port **IPorts, **OPorts;Long *Neighbors;int NPorts;void setup (int np) {

int i ;NPorts = np;IPorts = new Port* [NPorts];OPorts = new Port* [NPorts];Neighbors = new Long [NPorts];for (i = 0; i < NPorts; i++) {IPorts [i] = NULL;OPorts [i] = NULL;Neighbors [i] = NONE;

76

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4.2.1 Conmutador ATM genérico\

El modelo del conmutador ATM se define de la siguiente manera: se declara un arreglo VCITablc, que es la

tabla interna del conmutador que mantiene el par de puertos (entrada y salida) asociados con el VCI global

que representa a la conexión que está atendiéndose en el conmutador. Así, cuando una celda llega por un

puerto de entrada con un determinado VCI, el conmutador verifica la tabla y releva la celda al

correspondiente puerto de salida que indica la entrada de la tabla para tal conexión. Se define un arreglo

Arrivals que es un arreglo de apuntadores Mailbox. Cada conmutador realiza sus funciones a través de

procesos, y el objeto Mailbox es un buzón en el que se depositan señales que despertarán a un proceso en

respuesta a algún evento esperado por el mismo, y es un medio de comunicación entre procesos. Una señal

en el elemento i del arreglo representa una celda en espera de ser transmitida por el puerto de salida /'.

Existen los métodos csetup, enter y acquire que describen funciones desempeñadas por el conmutador que

serán descritas más adelante, y se declaran como virtuales para que den la posibilidad de ser re-especificadas

de acuerdo al tipo de conmutador modelado. El método csetup es llamado cuando una celda de señalización

llega al conmutador, y tiene la función de llevar a cabo el protocolo del establecimiento de la conexión. El

primer argumento del método es la celda de señalización misma, mientras que el segundo es el índice del

puerto por el que arribó la celda. Los dos métodos siguientes llevan a cabo las operaciones de la estrategia de

almacenamiento del buffer. El método enter se utiliza para almacenar en el buffer celdas que recién llegan

al conmutador por un puerto de entrada. El primer argumento es la celda de entrada que va a ser depositada

en el buffer de entrada asociado con el puerto, el cual es identificado por el segundo argumento. El método

acquire obtiene una celda del buffer indicado por el argumento para ser transmitida. A continuación se lista

el código del conmutador genérico:

station Switch : ATMNode {short VCITable [MAXCONNECTIONS] [2];virtual void csetup (Cell*, int) { };virtual void enter (Cell*, int) { };virtual CBuf *acquire (int) {

return NULL;};Mailbox **Arrivals;void setup (int np) {

int i ;ATMNode::setup (np);Arrivals = new Mailbox* [np];for (i = 0; i < MAXCONNECTIONS; i++)VCITable [i][0] = VCITable [i][1] = NONE;

for (i = 0 ; i < np; i + +) Arrivals [i] = créate Mailbox (O);

Cada conmutador realiza sus funciones a través de conjuntos de dos procesos asociados con los puertos de

entrada y salida respectivamente: Input y Output. A continuación se describen las funciones del

77

Page 92: ITESM - repositorio.tec.mx

primer proceso. Cuando el proceso es creado, su método setup recibe el índice del'puerto de entrada al que

va a dar servicio el proceso, el cual mantiene un apuntador a dicho puerto (S es un atributo estándar que

apunta a la estación a la que pertenece el proceso). Un proceso realiza sus funciones describiendo una

máquina de estados (figura 4 .1) , que en este caso son dos: WaitCell y Enter. El proceso inicia siempre

en el primer estado (WaitCell), donde espera la llegada de una celda en el puerto de entrada, que percibirá

mediante un evento BOT. Cuando esto sucede, el proceso transita al estado Enter, donde la celda es

almacenada en el buffer asociado al puerto de entrada. Habiendo realizado esta operación, el proceso regresa

al estado WaitCell (operación skipto) para esperar otra celda.

Skipto WailCell

Figura 4.1 Máquina de estados del proceso Input

A continuación se presenta el código del proceso Input

process Input (Switch) {Port *IPort;int Plndx;void setup (int pn) {

IPort = S->IPorts [PIndx = pn]};states {WaitCell, Enter};perform;

Input::perform {state WaitCell:IPort->wait (BOT, Enter);

state Enter:S->enter (TheCell, PIndx);skipto WaitCell;

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Page 93: ITESM - repositorio.tec.mx

Los puertos de salida del conmutador son administrados por una colección de procesos Output, con un

proceso asociado a cada puerto de salida. El proceso Output tiene dos estadost Acquire y Xdone

(figura 4.2). En el primer estado, donde el proceso inicia, ejecuta el método accruire del conmutador.

tratando de adquirir una celda lista para ser transmitida en el buffer; si esta operación no tiene éxito, el

proceso se queda "dormido" en espera de una señal en el buzón (Mailbox) asociado a él, que le indique

que existe una celda lista para transmisión. Cuando esto es cierto, examina el tipo de celda, si no es una

celda de información (lo cual quiere decir que se trata de una celda de señalización) llama al método de

establecimiento de la conexión csetup. De otra manera, se trata de una celda de información , que con

base en el campo VCI de la celda, ésta es conmutada y transmitida por el correspondiente puerto de salida

(operación transmit), y cuando esta operación ha finalizado, el proceso transita al estado Xdone, donde

el proceso libera el espacio del buffer utilizado por la celda y regresa al estado Acquire para seguir con el

procedimiento desde el inicio. Más adelante se describirá la implantación final del conmutador (sección 4.5).

OPon -> inmsmii

procedí Acquire

Figura 4.2 Máquina de estados del proceso Output

A continuación se presenta el código de dicho proceso:

process Output (Switch) {int PIndx;Port *OPort;CBuf *SBuf;Mailbox *Arrival;void setup (int pn) {Arrival = S->Arrivals [PIndx = pn]

};States {Acquire, XDone);perform;

79

Page 94: ITESM - repositorio.tec.mx

Output::perform {int op;state Acquire:

if (SSuf = S->acquire (PIndx)) {if (SBuf->cell()->Type != DTC){

S->csetup (SBuf->cell(), PIndx);SBuf->free ();proceed Acquire;

}else {

if (op = S->VCITable [SBuf->cell()->VCI][O]op = S->VCITable [SBuf->cell()->VCI][1];

if (op != NONE){OPort = S->OPorts [op] ;OPort->transmit (SBuf->cell (), XDone);

== PIndx)

else Arrival->wait (NEWITEM, Acquire)

state XDone:OPort->stop ();SBuf->free ();proceed Acquire;

4.2.2 CPEs (nodos terminales)

Los CPEs tienen un solo par de puertos cada uno y no realizan funciones de conmutación. El CPE,

EndNode es un tipo de estación descendiente de ATMNode. El método setup de la estación CPE sólo

llama al método setup del supertipo con el argumento igual a 1, lo cual crea una estación con un solo par

de puertos. CurrentCell es un almacenamiento temporal para una celda que ha de ser transmitida.

CTimeout es una constante que representa el intervalo de tiempo después del cual una petición de conexión

aún no establecida se considera perdida. Su definición es la siguiente:

station EndNode : ATMNode {Cell CurrentCell;TIME CTimeout;void setup ();

};void EndNode::setup () {

ATMNode::setup (1);};

Cada nodo terminal ejecuta dos procesos: Source, el cual adquiere celdas para transmisión y las envía al

enlace; mientras que el otro proceso, recibe las celdas que llegan al CPE. El primer proceso consta de dos

estados (figura 4.3), el primero es NewCell, donde se trata de adquirir una celda para transmisión (a través

de getPacket). Si esta operación tiene éxito, el proceso inicia la transmisión de la celda para transitar

después al estado xdone (el cual es similar al del proceso Output del conmutador) donde efectúa una

operación reléase para indicar al generador de tráfico que la celda ha sido transferida, y después regresa

al estado NewCell; si no hay ninguna celda a ser transmitida, el proceso se suspende hasta que es

80

Page 95: ITESM - repositorio.tec.mx

"'despertado" por un evento ARRIVAL emitido por el generador de tráfico indicando que hay un mensaje

para ser transmitido, y el proceso transita al estado NewCell v

OPort ->transmit

IgetPackctOPort -> stopCuncntCeU •> relcasc

proceed NewCell

Figura 4.3 Máquina de estados del proceso Source

El código del proceso Source es el siguiente:

process Source (EndNode) {Port *OPort;Cell *CurrentCell;void setup () {

OPort = S->OPorts [0];CurrentCell = &(S->CurrentCell);

};states {NewCell, XDone};perform {

state NewCell:if (Client->getPacket (CurrentCell, PayloadSize, PayloadSize,CellSize - PayloadSize))OPort->transmit (CurrentCell, XDone);

elseClient->wait (ARRIVAL, NewCell);

state XDone:OPort->stop ();CurrentCell->release () ;proceed NewCell;

El proceso Destination consta de dos estados (figura 4.4), WaitCell, donde espera la llegada de una

celda recibida por el puerto de entrada al cual da servicio, y cuando esto sucede, transita al otro estado del

proceso, Receiver, cuando el último bit de la celda es recibido por el puerto; si es una celda de

señalización, se notificará al generador de tráfico, el cual generará una respuesta que indicará si acepta o no

la conexión. En caso de una celda de información de usuario, sólo se notifica al generador de tráfico de la

81

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recepción de la celda. Después de que sucede cualquiera de los dos casos, el proceso regresa al estado

WaitCell para esperar otra recepción. v

EOT

Clicnl -> rcccivc

Skipio WaitCell

Figura 4.4 Máquina de estados del proceso Destination

El proceso Destination está formado por el siguiente código:

process Destination (EndNode) {Port *IPort;Long MySId;void setup () {MySId = S->getId ();IPort = S->IPorts [0];

};states {WaitCell, Receive};perform;

};Destination:rperform {

state WaitCell:IPort->wait (EOT, Receive);

state Receive:if (TheCell->Type != DTC) TheCell->Receiver = (int) MySId;Client->receive (TheCell, ThePort);skipto WaitCell;

82

Page 97: ITESM - repositorio.tec.mx

4.3 Descripción de celdas, buffers y patrones de tráfico

Un mensaje en el modelo está representado por la siguiente estructura:

message ATMMessage {int VCI,

Type;Long SeqNum;FLAGS Attributes;

El atributo VCI identifica la conexión a la qué pertenece el mensaje, el atributo Type identifica a los

mensajes de información de usuario de los de señalización. SeqNum se usa para identificar el número de

secuencia (serie) del mensaje. Attributes describe algunas características especiales del mensaje (como

su prioridad de pérdida) para que pueda ser identificado y procesado de forma especial. Las propiedades

globales de un mensaje y sus características generales (longitud, proceso de llegada, sensibilidad al retraso)

son descritas en los patrones de tráfico, que son objetos que modelan a los clientes en la red. En SMURPH la

unión de tales clientes se representa por un objeto único conocido como Client. La función de las capas

AAL (convertir mensajes en celdas ATM) se implementa dentro de los patrones de tráfico. En consecuencia,

en este modelo un generador de tráfico provee a la red de celdas para ser transmitidas a su destino.

Una celda ATM se describe de la siguiente manera en el modelo:

packet Cell {int VCI,

Type;Long SeqNum;FLAGS Attributes;void setup (Message *m) {

VCI = ((ATMMessage*) m) -> VCI;Type = ((ATMMessage*) m) -> Type;SeqNum = (((ATMMessage*) m) -> SeqNum) ++;Attributes = ((ATMMessage*) m) -> Attributes;

} ;};

Todos los atributos se heredan de ATMMessage. El método setup es llamado con un argumento que

apunta al mensaje de donde se adquiere la celda. Cada segmentación de celda de un mensaje provoca un

incremento en el número de secuencia (SeqNum) del mensaje, atributo que será utilizado para marcar una

celda en la serie de celdas en que se segmentará el mensaje.

Cuando una celda llega a un conmutador, éste la almacena temporalmente en un buffer antes de que pueda

ser retransmitida. La estrategia de almacenamiento temporal es el factor más importante que afecta el

rendimiento de un conmutador después de haber establecido una conexión [DENZ95], A continuación se

83

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presenta un tipo de buffer de celda genérico, que será empleado para definir más "adelante la estructura

completa del huffer, de acuerdo a la estrategia particular del modelo.

class CBuf {char CellHolder [sizeof (Cell)];public:inline void load (Cell *c) { *((Cell*) CellHolder) = *c; } ;inline Cell *cell () { return (Cell*) CellHolder; };virtual void free () { };

};

CellHolder mantiene un espacio donde se puede almacenar una celda. El método load coloca una celda

en el buffer (pasada como argumento), mientras que el método cell regresa un apuntador a la celda que se

encuentra almacenada en el buffer. El método f ree libera el buffer. Como se puede observar, esta clase sólo

mantiene la descripción de una localidad del buffer, por lo que debe ser "extendida" para formar un tipo de

buffer completo, como una estructura de lista, conjuntos o algún otro tipo jerárquico.

Patrón de tráfico de datos

La generación del patrón de tráfico de datos es representada por una máquina de estados (figura 4.6). El

inicio de la máquina de estados está marcado en el estado Wait, donde se espera un evento de generación de

archivo, el cual provoca una transición hacia el estado Genérate, donde ocurren los eventos de escoger el

receptor, marcar el VCI que será utilizado en la sesión de transferencia, especificar el ancho de banda que se

utilizará para la conexión, y crear un proceso denominado HandShake, el cual se encarga de emitir la

petición de conexión hacia el conmutador conectado al CPE. Cuando el proceso HandShake termina

(HandShake == DEATH), la máquina transita hacia el estado GenMessage, se genera el archivo de datos (el

mensaje que lo representa), y se segmenta en celdas, las cuales son marcadas con sus respectivos VCIs y con

la indicación de que son celdas de datos (en este punto se avisa al proceso Source del CPE, y este comienza a

transmitir las celdas). Cuando el proceso Source ha terminado de transmitir, ocurre un evento SIGNAL y se

transita hacia el estado MessageSent. En este estado, se espera la ocurrencia de uno de dos eventos: un

mensaje de reconocimiento representado por un evento SIGNAL (en cuyo caso habrá una transición hacia el

estado GotReply), o un tiempo en espera de reconocimiento superior al esperado (ATimeout), en cuyo caso

habrá una transición hacia el estado GenMessage. En el estado GotReply, se verifica el tipo de

reconocimiento, que puede ser positivo (ACK), o negativo (NACK). En el caso de que el reconocimiento

recibido sea un NACK, significa que existió algún error o errores en la transmisión del archivo, y se transita

hacia el estado GenMessage para retransmitir el archivo. En el caso de un ACK se crea un proceso

HandShake para cerrar la conexión. Cuando el proceso HandShake ha terminado (HandShake == DEATH),

existe una transición hacia el estado Disconnect, donde se libera el VCI utilizado por la conexión, y

84

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posteriormente se transita hacia el estado Wait para continuar con el procedimiento dependiendo de si es

escogido el mismo CPE para transmitir. ,

FreeVCI

HandShake (CST, ACK)getVCI

BandWidlh

HandShake = DEATH

HandShake (DSC.DAK)

HandShake == DEATH

gcnMSGVCIDTC

SIGNAL

Figura 4.5 Máquina de estados de la generación del patrón tráfico de datos

Patrón de tráfico de video

El patrón de tráfico de video es más simple que el de datos, debido a que no se tiene la necesidad de utilizar

los reconocimientos (excepto en el proceso de conexión/desconexión), porque no existe la retransmisión de

tramas de video. La máquina de estados que representa al patrón de tráfico de video se puede ver en la figura

4.6. El estado inicial es Hibernate, donde se permanece hasta el momento en que se inicia la sesión de video

(StartTime), y se transita hacia el estado Connect, donde se establece la conexión con la asistencia del

proceso HandShake, se asigna un VCI determinado y se especifica el ancho de banda necesario para la

conexión. Cuando se ha establecido la conexión (HandShake == DEATH), se transita hacia el estado

FirstFrame. En este estado se genera y transmite la primer trama de video, se marca con su VCI, también

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como celda de datos (DTC), y se marca con una prioridad de celda baja (RED), esto dignifica que las tramas

de video tienen mayor posibilidad de ser descartadas que las de datos cuando exista*congestión. Después de

cierto tiempo de espera (genMIT) en el que se supone se han transmitido las celdas obtenidas de la primer

trama, se transita hacia el estado NextFrame, donde se continúa generando las siguientes tramas (con los

mismos atributos que los de la primera) hasta que se ha alcanzado la última (Fcount >= NFrames). Cuando

ésta evaluación es cierta, se genera el proceso de desconexión (HandShake), y cuando éste termina

(HandShake == DEATH), se transita hacia al estado Disconnect, donde se libera el VCI utilizado y se

termina la sesión de video, transitado hacia Hibernate.

HandShake (CST, ACK)gelVCl

BandWidth

procccd Hibcmatc genMIT

jcnMSGVCIDTC

FCount >=NFnuncsHandShake (DSC.DAK)

RED

HandShake — DEATH

Figura 4.6 Máquina de estados de la generación del patrón tráfico de video

4.4 Políticas de admisión de llamada y estrategias de almacenamiento temporal

Un conmutador tiene un conjunto de buffers con una estructura de cola FIFO3 asociados a cada puerto de

entrada. Cuando una celda de información llega al conmutador, es almacenada al final de la estructura FIFO

1 Primero en entrar, primero en salir (First Input First Output)

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del puerto de entrada por el que arribó. La estrategia de almacenamiento del modelo maneja dos tipos de

celdas para designarles prioridades de pérdida de celdas: celdas rojas y celdas verdes. Las celdas rojas son

de baja prioridad ( t i enen una mayor posibilidad de ser descartadas en caso de congestión), y las verdes son

de alta prioridad ( t i enen menor posibilidad de descartamiento que las rojas). Cuando no hay espacio en el

buffer para alojar una celda recién llegada, la última celda de la estructura FIFO es descartada, de acuerdo a

su prioridad. El conmutador tratará de descartar primero una celda roja, y solo si no hay tales celdas,

considerará el descartamiento de una celda verde.

4.5 Implementación del conmutador ATM

La figura 4.7 muestra la estructura del conmutador del modelo simulado en esta tesis; se trata de un

conmutador con buffers en los puertos de entrada con una velocidad de conmutación dos veces superior a la

velocidad del enlace según la propuesta de Roen Guérin [GUÉR97].

Figura 4.7 Conmutador con buffers en las entradas

Una parte del código que compone al conmutador describe operaciones relativas al establecimiento de

conexiones, cuyas peticiones son registradas en un arreglo del tipo CReqPool que mantiene las peticiones

pendientes que está manejando el conmutador. Los tres métodos que realizan las operaciones de señalización

(csetup, admit y cancel) serán explicados en la siguiente sección.

Se declara un arreglo InputBuf f er que representa al conjunto de buffers asociados a los puertos de

entrada. La estrategia de almacenamiento temporal es descrita por los métodos enter y acquire. El

primer método es utilizado por el proceso Input del conmutador para colocar una celda recién llegada en

87

Page 102: ITESM - repositorio.tec.mx

el buffer FIFO asociado con el puerto. El segundo método es utilizado por el proceso Output del

conmutador para extraer la primer celda del buffer correspondiente al puerto de entrada para después

conmutarla y transmitirla.

A continuación presentamos el código que compone al conmutador simulado:

station ASwitch : Switch {InputBuffer **Buffers;int *RouteSize;Long **Routes,

*Used,*Bandwidth;

CReqPool *Connections;TIME CTimeout;void setup (int np) {Connections = new CReqPool;Buffers = new InputBuffer* [np];RouteSize = new int [np];Routes = new Long* [np];Used = new Long [np];Bandwidth = new Long [np];for (int i = 0; i < np; i++) Used [i] = O ;Switch::setup (np);

};void csetup (Cell*, int);int admit (Cell*);void cancel (Cell*, int);void enter (Cell *cl, int BIndx) {

InputBuffer *Buf;Buf = Buffers [BIndx];if (Buf->Fill == Buf->Capacity) {

if (Buf->Red . purge () == NO)Buf->Green . purge ();

(Buf->Fill) --;}if (flagSet (cl->Attributes, DROP))Buf->Red . put (el);

elseBuf->Green . put (el);

if ((Buf->Fill) ++ == 0) Arrivals [BIndx] -> put ()};CBuf *acquire (int pi) {CBuf *rc, *gc;TIME rt, gt;InputBuffer *Buf;Buf = Buffers [pi];ge = Buf -> Greenre = Buf -> Redif (ge && (gt < rtBuf->Green . remove ();(Buf->Fill) --;return ge;

} else if (re) {Buf->Red . remove ();(Buf->Fill) --,-return re;

} elsereturn NULL;

};

head (gt) ,-head (rt);

(gt == rt) && flip ())) {

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4.6 Procedimiento de señalización

V

El procedimiento de establecimiento de conexión del modelo es una variante simplificada del protocolo

Q.93B, que es soportado mayormente por el método csetup del conmutador. En el modelo se suponen

mensajes de señalización ocupando una única celda para este propósito[DOBO95].

Un conmutador, en determinado momento, puede manejar cierto número de peticiones de conexión, cada

una en alguna fase determinada de su evolución, 'y mantenidas en una lista de peticiones. Una petición de

conexión está descrita por \a siguiente estructura:

class CReq {public:Long Bandwidth;int VCI,

IPIndx,OPIndx;

int Status;ReSender *RS;CReq *next;inline CReq (int ve, Long bd, int ip, int op, ReSender *r) {Bandwidth = bd; VCI = ve; IPIndx = ip; OPIndx = op; RS = r;Status = CR_PENDING;

};};

Bandwidth indica los requerimientos de ancho de banda de una petición de conexión determinada. Este

requerimiento es llevado en el campo SegNum de la celda de señalización. VCI, IPIndx y OPIndx,

indican el VCI de la conexión, el índice del puerto de entrada por el que fue aceptada la petición, y el índice

del puerto de salida por el que la conexión procederá hasta llegar a su destino respectivamente. Status

indica la fase en que se encuentra determinada petición de conexión, la cual puede ser PENDING,

ESTABLISHED o CLEARING. El atributo RS es un apuntador a un proceso ReSender (asociado a la

petición de conexión) que tiene la finalidad de re-emitir periódicamente una celda de señalización al

próximo conmutador a lo largo de la ruta de la conexión, hasta que se recibe una confirmación del siguiente

conmutador. El atributo next es un apuntador para enlazar las peticiones de conexión manejadas por el

conmutador y formar una lista de peticiones, la cual se describe a través de la siguiente clase:

class CReqPool {CReq *Head;public:CReqPool () { Head = NULL; };inline void store (int ve, Long bd, int ip, int op, ReSender *r) {CReq *cr = new CReq (ve, bd, ip, op, r) ;cr->next = Head;Head = cr;

};inline CReq *find (int ve, int op) {

for (CReq *cr = Head; cr != NULL; cr = cr->next)if (cr->VCI == ve && cr->OPIndx == op) return cr;

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return NULL;};inline CReq *pending (int ve, int ip) {

for (CReq *cr = Head; cr != NULL; cr = cr->rext)if (cr->VCI == ve && cr->IPIndx == ip ¿i

cr->Status != CR_CLEARING) return cr;return NULL;

};void purge (int, int);

void CReqPool::purge (int ve, int op) {CReq *cr, *cq;for (cr = Head, cq = NULL; cr != NULL; cq = cr, cr = cr->next)

if (cr->VCI == ve && cr->OPIndx == op) {if (cq == NULL)Head = cr->next;

elsecq->next = cr->next;

delete cr;return;

}excptn ("CReqPool->purge: descripción de petición no encontrada"

El método store crea una descripción de petición de conexión nueva de acuerdo a la lista de argumentos y la

almacena en la lista de peticiones. El método find localiza una petición de la lista de acuerdo al VCI y al

índice del puerto de salida. El método pending es usado para localizar la petición que se encuentra en estado

PENDING o ESTABLISHED y concuerda con los argumentos VCI y puerto de entrada. El método purge

remueve de la lista de descripciones la petición indicada.

Las peticiones de establecimiento de conexión se originan en los CPEs y se propagan a través de la red

estableciendo una ruta desde el CPE fuente hasta el CPE destino. A lo largo del procedimiento de

establecimiento de la ruta, un conmutador debe decidir si acepta la petición de conexión recibida, y si la

decisión es afirmativa, debe asignar al canal de salida que será usado como el próximo enlace de la ruta de

conexión. Cuando un CPE destino puede ser accedido desde varios puertos de salida, se escoge uno de entre

ellos y se aparta para la conexión determinada.

Cada conmutador mantiene en el arreglo Routes la lista de CPEs destinos que pueden ser accedidos desde un

determinado puerto de salida. Las conexiones son aceptadas o rechazadas en base al ancho de banda

disponible de los puertos de salida, cada uno de los cuales tiene un número fijo de unidades de ancho de

banda asociado con el. Cuando se acepta una conexión, el ancho de banda usado del puerto de salida

asociado a la conexión aumenta el número de unidades especificado en la descripción de la petición de

conexión. Una conexión nueva sólo es aceptada si existe un puerto de salida en el conmutador con el

suficiente ancho de banda disponible para satisfacer los requerimientos de la conexión y que además ofrezca

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una rula al CPH destino. La admisión de llamadas está a cargo del método admit del conmutador, cuyo

código es el siguiente: ^

int ASwitch::admit (Cell *sc) {int i, j, op;Long ub, tb;for (ub = 0 , i = 0; i < NPorts; i++)

if (Connections->find (sc->VCI, i) == NULL &&(tb = Bandwidth [i] - Used [i]) > ub}

for (j = 0 ; j < RouteSize [i]; j++)if (Routes [i] [j] == sc->Receiver) {ub = tb;op = i ;

break;

if (ub < sc->SeqNum)return NONE;

else {Used [op] += sc->SeqNum;return op;

El método admit busca (ciclo exterior) de entre todos los puertos de salida el que tenga el máximo ancho de

banda disponible y además ofrezca una ruta al CPE destino. El método se asegura de que el puerto no ha

sido escogido antes para la conexión (primera parte del if). De esta manera el conmutador puede explorar

rutas alternas ignorando las que fueron intentadas, pero que no procedieron en algún lugar a lo largo de la

ruta. En el ciclo interno se verifica si el CPE destino aparece en la lista Routes asociada con el puerto de

salida ;'. Si no se cumple el requerimiento de ancho de banda, el método regresa NONE para indicar un fallo;

de otra manera el método reserva el ancho de banda de la conexión incrementando en ancho de banda usado

por el puerto de salida, y regresa el índice del puerto de salida seleccionado.

El proceso de desconexión se lleva a cabo mediante el método cancel:

void ASwitch::cancel (Cell *sc, int ip) {CReq *cr;cr = Connections->pending (sc->VCI, ip);assert (cr, "cancel: Conexión no encontrada");Used [cr->OPIndx] -= sc->SeqNum;

};

Este método es llamado en respuesta a una petición de desconexión recibida por el conmutador, y libera los

recursos de ancho de banda asociados con la conexión.

El procedimiento de establecimiento de la conexión se efectúa a través del método csetup, que puede verse

como un autómata de estados finitos manejado por el tipo de celdas de señalización. El intercambio de

mensajes de señalización entre los elementos simulados se muestra en la figura 4.8.

91

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Los tipos de celdas de señalización manejados por el modelo son las siguientes:V

CST : Petición de establecimiento de llamada (cali setup)ACK : Confirmación de establecimiento de llamada (indica establecimiento de conexión)CNK : Rechazo de llamadaDSC : Petición de desconexión (se origina en el emisor)DAK : Confirmación de desconexión (indica que la conexión ha sido liberada)

CST, DSC, ACK, CNK, DAK CST, DSC, ACK. CNK. DAK

CST, DSC. ACK, CNK, DAK CST, DSC, ACK, CNK, DAK

Figura 4.8 Intercambio de mensajes de señalización entre los elementos simulados

Se utiliza un proceso ReSender para re-emitir periódicamente una celda de señalización hasta que el

conmutador recibe una respuesta determinada. El proceso consiste de un único estado, Sena, donde

transmite la celda de señalización por el puerto de salida designado, y espera Timeout unidades de tiempo,

para continuar después con la operación de transmitir otra copia de la celda. Esta operación se realiza

indefinidamente hasta que el método csetup elimina al proceso cuando recibe la respuesta esperada. El

proceso se implementa de la siguiente manera:

process ReSender (ASwitch) {Transmite *Envia;int OPIndx;CBuf SCBuf;TIME Timeout;void setup (Cell *c, int op, TIME tm){

SCBuf . load (c);OPIndx = op;Timeout = tm;

};states {Send, Sleep};perform {

state Send:Envia = créate Transmite (SCBuf.cell(), OPIndx);Timer->wait (Timeout, Send);

92

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El método csetup consiste de fragmentos de código que representan respuestas á los dist intos tipos de

celdas de señalización, y su implantación es la siguiente: v

void ASwitch::csetup (Cell *sc, int ip) {int op;Transmite *Envia;ReSender *rs;CReq *cr;switch (sc->Type) {case CST:

if (cr = Connections->pending (sc->VCI, ip)) {if (cr->Status == CR_ESTABLISHED) {sc->Type = ACK;Envia = créate Transmite (se, ip) ;

}} else if ((op = admit (se)) != NONE) {rs = créate ReSender (se, op, CTimeout);Connections->store (sc->VCI, sc->SeqNum, ip, op, rs) ;

} else {sc->Type = CNK;Envia = créate Transmite (se, ip) ;

}return;

case ACK:cr = Connections->find (sc->VCI, ip) ;assert (cr, "csetup: ACK para una petición de conexión

desconocida");if (cr->Status == CR_PENDING) {cr->RS->terminate ();cr->StatUS = CR_ESTABLISHED;Envia = créate Transmite (se, cr->IPIndx);

VCITable [cr->VCI][0] = cr->OPIndx;VCITable [cr->VCI][1] = cr->IPIndx;

}return;

case CNK:cr = Connections->find (sc->VCI, ip) ;assert (cr, "csetup: NAK para una petición de conexión desconocida

") ;if (cr->Status == CR_PENDING) {cancel (se, cr->IPIndx);cr->RS->terminate ();cr->Status = CR_CLEARING;sc->Type = DSC;cr->RS = créate ReSender (se, ip, CTimeout);if ((op = admit (se)) != NONE) {sc->Type = CST;rs = créate ReSender (se, op, CTimeout) ,-Connections->store (sc->VCI, sc->SeqNum, cr->IPIndx, op, rs);cr->IPIndx = NONE;

} else {sc->Type = CNK;Envia = créate Transmite (se, cr->IPIndx);

}}return;

case DAK:if ((cr = Connections->find (sc->VCI, ip)) != NULL && cr->Status ==CR_CLEARING) {cr->RS->terminate ();if (cr->IPIndx != NONE) Envia = créate Transmite (se, cr->IPIndx) ,-Connections->purge (sc->VCI, ip);

}return;

case DSC:if (cr = Connections->pending (sc->VCI, ip)) {cancel (se, ip);

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if (cr->Status == CR^PENDING)cr->RS->terminate ( ) ;

elseVCITable [cr->VCI][0] = VCITable [cr->VCI][1] = ÍJONE;

cr->Status = CR_CLEARING;cr->RS = créate ReSender (se, cr->OPIndx, CTimeout);} else {sc->Type = DAK;Envía = créate Transmite (se, ip) ;

}return;

El método csetup toma como argumentos un apuntador a la celda de señalización y el índice del puerto de

entrada en el cual llegó la celda. Si la celda es tipo CST, el método verifica si existe en la lista de peticiones

una descripción de la petición de conexión en cuestión. Si este es el caso y la conexión ya está establecida, la

petición de establecimiento representa una reacción de tiempo de espera de respuesta superado por parte del

originador, que aún no recibe confirmación del establecimiento de la conexión (la celda de confirmación se

perdió o aún no llega). Entonces, se transfiere la celda al emisor pero cambiada a tipo ACK (confirmación de

conexión) con todos sus atributos intactos.

Si la conexión aún no se ha establecido, pero su descripción está presente en la lista de descripción de

peticiones, significa que la petición de establecimiento de la conexión está siendo procesada por el

conmutador, el cual se encuentra esperando una respuesta del vecino próximo en la ruta. En este caso la

celda CST es ignorada y el conmutador emitirá una confirmación tan pronto como su vecino le envíe la

confirmación esperada.

Si la celda CST es la primera petición de cierta conexión que recibe el conmutador, se ejecuta el método

admit para asignar una ruta a la conexión y verifica si existe el suficiente ancho de banda para satisfacer

los requerimientos de la conexión. Si se cumplen ambos requerimientos, admit regresa el índice del puerto

de salida para la conexión, indicando que la conexión ha sido aceptada. Después se crea un proceso

ReSender para propagar la celda CST a lo largo de la ruta y se suma la descripción de la petición de

conexión a la lista particular del conmutador.

Por último, si admit regresa NONE, significa que el conmutador no puede aceptar la conexión. El

conmutador emite una celda CNK para indicar al CPE fuente que la conexión ha sido rechazada.

En caso de que la celda recibida por un conmutador sea del tipo ACK (confirmación de conexión), el

conmutador localiza la descripción de la petición de establecimiento de conexión en su lista particular de

94

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descripciones. Para que dicha celda tenga significado, el estado de la petición de conexión debe ser

PENDING. El estado de la petición se cambia a ESTABLISHED y el proceso ReSender que propagó la

celda CST es eliminado. Se propaga la celda ACK hasta el emisor (operación Envía) y se registra al par de

puertos asociados a la conexión en el arreglo VCITable. Con estos datos, el conmutador es capaz de

relevar celdas de información transmitidas sobre la ruta de la conexión. La función de los otros estados de

setup puede ser deducida fácilmente siguiendo el código del método.

4.7 Resultados del modelo simulado y su discusión

SMLJRPH provee métodos para medir el rendimiento de una red especificada en ese lenguaje. Los métodos

representan medidas estadísticas (del retraso del tráfico) que son muestreadas discretamente por SMURPH.

Los parámetros que maneja y que hemos utilizado en la simulación son los siguientes:

• El valor mínimo del retraso

• El valor máximo del retraso

• El valor de la media

• La varianza y desviación estándar.

La tabla 4.1 contiene los resultados que se han obtenido a través de la simulación, y la figura 4.9 muestra los

resultados en una gráfica de retraso-rendimiento, donde se observa que el rendimiento del conmutador

simulado en esta tesis es comparable al del conmutador con buffers en las salidas bajo condiciones de tráfico

similares.

Estadísticas del retraso experi-mentado por el tráfico en cadaconmutadorRetraso mínimoRetraso máximoRetraso promedioVarianza del retrasoDesviación estándar del retraso

Conmutador con buffers en lospuertos de salida

(en segundos)2.28928 E\W3.3784 E103

1.92844 11 43 El O'3

1. 245850439 E10-6

1.1 16176706 E103

Conmutador con buffers en lospuertos de entrada con factor deaceleración de 2 (en segundos)

2.78928 El O-4

3.4284 E103

1.981712 E103

1. 192105043 E10-6

1. 09 183563 E 10 5

Tabla 4.1 Medidas estadísticas arrojadas por la simulación del modelo de la red ATM.

95

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-i 1 1 1 1 1 r

' Conmutador con buffers en las salidas- Conmutador simulado con buffers en las entradas y acelerado

O 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1Rendimiento

Figura 4.9 Gráfica de retraso-rendimiento del conmutador simuladoen esta tesis y del conmutador con buffers en las salidas.

De estos resultados podemos inferir que:

A pesar de que los conmutadores con buffers en los puertos de salida tienen un mejor desempeño que los de

buffers en las entradas, los primeros son un reto tecnológico para implementar en hardware, además de que

la tecnología actual ofrece una reducida capacidad de la estructura FIFO para este tipo de conmutadores, y el

precio es muy elevado en comparación a los segundos conmutadores, cuya implementación es relativamente

sencilla y económica [DENZ95].

De ahí el renovado interés en el concepto clásico de buffers FIFOs asociados a los puertos de entrada para

construir los conmutadores ATM, a pesar de sus deficiencias [GUER97]. La simulación presentada en esta

tesis corrobora que con un factor de aceleración "moderado" (cuando más al doble) aplicado a la velocidad

de conmutación con respecto a la del enlace, el desempeño de un conmutador con buffers asociados a los

puertos de entrada puede aproximarse al desempeño de aquellos con buffers asociados a los puertos de

salida.

96

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4.8 SumarioV

En este capitulo se han discutido los detalles de implcmentación del modelo simulado, que consta de tres

partes: arquitectura, protocolo de señalización y patrones de tráfico. El modelo de conmutador simulado es

un conmutador con buffers en la entradas y con una velocidad de conmutación del doble que la del enlace al

que está conectado el conmutador. También se dan los resultados para un conmutador con buffers en las

salidas. Los resultados son presentados en la tabla 4.1 y son discutidos.

97

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CAPITULO 5Conclusiones y trabajos futuros

5.1 Conclusiones

Una de las consideraciones finales de esta investigación es que ATM tiene mucho que demostrar para llegar

a ser el estándar de las telecomunicaciones globales mundiales, principalmente ante los sistemas actuales de

comunicación y en cuestión de la relación costo/beneficio. Se han invertido muchas horas de investigación

en dicha tecnología, y aún no existe un estándar completo para poder empezar a cambiar las viejas

estructuras de comunicación basadas en la red telefónica. Sin embargo, todo apunta a que esta tecnología

afrontará con éxito los retos que tiene adelante, algunos de los cuales han sido expuestos en esta

investigación.

Existen en el mercado algunos conmutadores y equipo de red denominados "propietarios", que algunos

fabricantes se han animado a comercializar, asumiendo que ciertas partes aún no incompletas del estándar

funcionarán de tal o cual manera, por lo cual ya existen redes ATM locales, pero su costo es prohibitivo para

el gran número de usuarios de redes, mas se espera que esta desventaja sea abatida tan pronto como los

trabajo de estandarización y la popularidad de este equipo vaya en aumento. Se aclara aquí que estos

fabricantes no son solo entusiastas de una moda en las telecomunicaciones, sino que sus investigadores,

junto con un gran número de investigadores de universidades en todo el mundo y de algunos cuerpos de

estandarización como el foro ATM y la ITU-T, están realizando un esfuerzo verdaderamente encomiable

para hacer de las promesas de ATM una realidad, accesible para todo usuario de los nuevos y viejos servicios

contemplados en la red digital de servicios integrados de banda amplia. Probablemente con la llegada del

nuevo milenio podamos celebrar también el nacimiento público de ATM (por ejemplo ATM WAN),

incubada desde la década pasada en oscuros rincones de laboratorios de universidades y compañías de

telecomunicaciones.

98

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A continuación se presentan algunas particularidades que describen a ATM:

• Tecnología orientada a conexión

• La unidad de transmisión es un paquete de longitud fija de 53 bytes denominado celda

• El enrutamiento de las celdas se hace en base a identificadores VPI/VCI

• No es dependiente del medio de transmisión, pero se prefiere la fibra óptica

• Utiliza a SONET/SDH como complemento para la capa física de B-ISDN

• La administración de conexiones se realiza mediante conexiones virtuales permanentes y conexiones

virtuales conmutadas

• La señalización se describe de acuerdo a la interfaz en la que opera: NNI o UNÍ

• Provee asignación de ancho de banda en demanda.

• Define una serie de capas de adaptación para soportar diferentes clases de servicios

• Provee operaciones de detección de error limitadas

• No prevé servicios de retransmisión

Existen varias propuestas para el diseño de conmutadores ATM con respecto a la estrategia de

almacenamiento temporal que utilizarán, mas dos son las principales:

la . Conmutadores con buffers asociados a los puertos de entrada.

2a . Conmutadores con buffers asociados a los puertos de salida.

Se ha demostrado en la literatura que los segundos tienen un mejor desempeño que los primeros, pero

desafortunadamente su fabricación es aún un gran reto tecnológico y económico. Este ha sido un factor que

ha provocado que los investigadores busquen soluciones alternas, volviendo la atención a los conmutadores

de la primera propuesta, mejorándolos (a tal grado que han conseguido un desempeño aproximado al de los

de la segunda propuesta) elevando la velocidad de conmutación (cuando más dos veces) sobre la velocidad

del enlace.

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En esta tesis se ha presentado un modelo que simula una red con base al conmutador con buffers asociados a

los puertos de entrada. El modelo ha sido desarrollado con base al propuesto por Wlodek Dobosiewicz, de tal

manera que pudiera estar cercano a una implementación física que pudiera comprobar los resultados

arrojados por la simulación. Básicamente el diseño se ha concebido pensando en las siguientes partes

funcionales de una red ATM:

• Conmutador

• Nodo terminal

• Celdas, buffers y patrones de tráfico

• Políticas de admisión de llamadas y estrategias de almacenamiento temporal

• Procedimiento de señalización

Se ha desarrollado la simulación por software en un lenguaje de especificación de protocolos denominado

SMURPH, la cual corrobora que con un factor de aceleración "moderado" (cuando más al doble) aplicado a

la velocidad de conmutación con respecto a la del enlace, el desempeño de un conmutador con buffers

asociados a los puertos de entrada puede aproximarse al desempeño de aquellos con buffers asociados a los

puertos de salida.

5.2 Trabajos futuros

• Implementar la conmutación VP en el modelo de la red ATM presentado en esta tesis, así como la

topología de la misma (todos los nodos de la red) y verificar su impacto en el rendimiento de toda la

red.

• Simular distintos patrones de tráfico dentro del modelo presentado en este trabajo.

• Realizar una simulación en alguna arquitectura paralela que ofrezca mayor capacidad de

procesamiento para distintos modelos de redes ATM.

• Implementación de una red ATM para realizar experimentos del retraso del tráfico.

• Utilizar las herramientas de simulación de software, como SMURPH, como apoyo de futuros cursos

sobre redes, donde se pudiera verificar, entender e incluso proponer una serie de protocolos de

señalización, arquitecturas de redes y patrones de tráfico.

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