ATM

El modo de transmisión asíncrono

El contexto: tramas contra celdas

Modo de Transferencia Asíncrona

Las nuevas necesidades de comunicaciones aparecidas en la década de los 80 orientaron las comunicaciones hacia la conmutación de paquetes en alta velocidad para contar simultáneamente con las ventajas de las redes de circuitos y las redes de paquetes. La nueva tecnología debería ser capaz de proporcionar anchos de banda variables, ser transparente a los protocolos utilizados y soportar una gama amplia de servicios con soluciones específicas de velocidad, sincronización y latencia. Con éstas especificaciones aparecieron dos tecnologías de acceso en la interface usuario/red: Frame Relay y Cell Relay, la primera para transmitir datos especialmente y la segunda para transmitir cualquier tipo de tráfico. Las dos reclaman para sí lo mejor de ambos mundos, esto es la predictibilidad de las redes de circuitos y la flexibilidad de las redes de paquetes. .

ATM proporciona las mejores características de las redes de paquetes y de las redes de circuitos conmutados.

Frame Relay (FRL)

Envía unos paquetes de tamaño variable, de 4Kbs a 8Kbs, denominados tramas. Esta tecnología garantiza un uso eficiente del ancho de banda disponible y es apta para transmitir datos o imágenes estáticas. Sin embargo resulta inapropiado para datos isocrónicos debido a que el tamaño grande y variable de sus tramas no permite garantizar un retardo de entrega constante. El frame relay se presenta como un sólido interfaz de usuario al optimizar los recursos disponibles aunque no debería contemplarse como una arquitectura de red.

Cell Relay (ATM)

Envía unos paquetes de 53 bytes denominados células. El pequeño tamaño de los paquetes garantiza un mínimo retardo aunque supone un incremento del overhead: cuanto más pequeño es el paquete, más proporción hay de cabeceras y más pérdida de ancho de banda. Las ventajas obtenidas es una baja latencia que permite transportar datos isocrónicos y una eficiente conmutación hardware gracias al tamaño constante de los paquetes.

ATM soporta cualquier tipo de tráfico proporcionando QoS específica para cada uno de ellos.

ATM: Una Introducción (2)

Breve historia de ATM

La primera referencia del ATM (Asynchronous Transfer Mode) tiene lugar en los años 60 cuando un norteamericano de origen oriental perteneciente a los laboratorios Bell describió y patentó un modo de transferencia no síncrono. Sin embargo el ATM no se hizo popular hasta 1988 cuando el CCITT decidió que sería la tecnología de conmutación de las futuras red ISDN en banda ancha (rec I.121). En aquella histórica fechas los valedores del ATM tuvieron primero que persuadir a algunos representantes de las redes de comunicaciones que hubieran preferido una simple ampliación de las capacidades de la ISDN en banda estrecha. Conseguido este primer objetivo y desechando los esquemas de transmisión síncronos, se empezaron a discutir aspectos tales como el tamaño de las células. Por un lado los representantes de EEUU y algún otro país proponían un tamaño de células grande de unos 128 bytes: `cuanto mayor es el tamaño de las células menor es el overhead parámetro muy importante cuando se desean transmitir datos' era su argumento. Sin embargo los representantes de los países europeos el tamaño ideal de las células era de 16 bytes, y señalaron que un tamaño de célula de 128 bytes provocaría retardos inaceptables de hasta 85 ms. Este retardo no permitiría la transmisión de voz con cierto nivel de calidad a la vez que obligaba a instalar canceladores de eco.

Después de muchas discusiones ambas partes habían hecho una concesión: el lobby norteamericano proponían 64 bytes y el lobby europeo 32 bytes que básicamente coincidían con los representantes de las redes de datos y las redes de voz respectivamente. Ante la falta de acuerdo en la reunión del CCITT celebrada en Ginebra en Junio de 1989 se tomó una decisión salomónica: “Ni para unos ni para otros. 48 bytes será el tamaño de la célula”. Para la cabecera hubo posicionamientos similares, y el definitivo tamaño de 5 bytes también fue un compromiso.

Un extraño número primo 53 (48+5) sería el tamaño definitivo, en octetos, de las células ATM. Un número que tuvo la virtud de no satisfacer a nadie pero que suponía un compromiso de todos grupos de interés y evitaba una ruptura de consecuencias imprevisibles.

Arquitectura de un nodo ATM

El ATM puede ser considerado como una tecnología de conmutación de paquetes en alta velocidad con unas características particulares:

• Los paquetes son de pequeño y constante tamaño (53 bytes).

• Es una tecnología de naturaleza conmutada y orientada a la conexión.

• Los nodos que componen la red no tienen mecanismos para el control de errores o control de flujo.

• El header de las células tiene una funcionalidad limitada.

Simplificando al máximo podemos ver que una red ATM está compuesta por nodos de conmutación, elementos de transmisión y equipos terminales de usuarios. Los nodos son capaces de encaminar la información empaquetada en células a través de unos caminos conocidos como Conexiones de Canal Virtual. El routing, en los nodos conmutadores de células, es un proceso hardware mientras que el establecimiento de conexiones y el empaquetamiento/ desempaquetamiento de las células son procesos software.

La Capa de Adaptación a ATM adapta y segmenta el flujo de tráfico en celdas de 48 bytes. La capa ATM añade los 5 bytes de overhead, y los pasa a la Capa Física, que convierte las celdas en señales eléctricas u ópticas.

Jerarquía de transmisión

Bajo un punto de vista basado exclusivamente en la transmisión, el ATM se puede

dividir en tres niveles que se combinan de forma jerárquica de modo que cada capa superior puede tener uno o varios de los elementos inferiores.

• Canal Virtual (VC)

Así llamada a la conexión unidireccional entre usuarios. Importante resaltar la unidireccionalidad: si dos usuarios quisieran estar conectados en Full Duplex deberán utilizar dos canales. Los VC, además de transportar datos entre usuarios, también son utilizados para transportar la señalización y la gestión de la red.

• Trayecto Virtual (VP)

Se entiende al conjunto de canales virtuales que atraviesan multiplexadamente un tramo de la red ATM. Los VP facilitan la conmutación de los canales virtuales, pues conectan tramos enteros de la red ATM. De no existir por cada conexión entre usuarios obligaría a reelaborar todas las tablas de routing de los nodos atravesados lo cual supondría un incremento del tiempo necesario para establecer una conexión.

• Sección Física (PS)

Conecta y proporciona continuidad digital entre los diferentes elementos que componen la red controlando el flujo de bits. Debe mantener en óptimas condiciones las señales físicas, eléctricas u ópticas regenerándolas cuando

resultan afectadas por atenuaciones, ruido o distorsiones.

Modelo de referencia ATM

Bajo una perspectiva arquitectónica el ATM se divide en tres niveles que ocupan las capas 1 y parte de la 2 del modelo de referencia OSI:

• Nivel de adaptación ATM (AAL)

Se encarga de las relaciones con el mundo externo. Acepta todo tipo de información heterogénea y la segmenta en paquetes de 48 bytes a la velocidad que fue generada por los usuarios. Sólo se encuentra en los puntos terminales de la red. Según el modelo OSI maneja, en el nivel 2, las conexiones entre la red ATM y los recursos no ATM pertenecientes a los usuarios finales.

• Nivel Modo de Transferencia Asíncrona (ATM)

encargado de construir las cabeceras de las células ATM, responsable del routing y el multiplexado de las células a través de los Canales y Rutas Virtuales. También es misión suya el control del flujo de datos y la detección de errores ocurridos en la cabecera aunque no en los datos.

• Nivel físico (PL)

Es el nivel inferior encargado de controlar las señales físicas, ya sean ópticas o eléctricas, e independizarlas de los niveles superiores de protocolo adaptándolas al medio de transmisión y codificación utilizado. Puede soportar diversas configuraciones punto-a-punto y punto-a-multipunto. En una red ATM se distinguen dos tipos de nodos: los terminales que proporcionan los puntos de acceso a los usuarios finales y los nodos de conmutación responsables dentro de la red del routing de las células.

ATM: Una Introducción (3)

Nivel de Adaptación ATM (AAL)

Responsable de las relaciones con el mundo externo, por esta razón el nivel AAL sólo se encuentra en los nodos terminales de la red. Su misión es la de aceptar la información adaptando los niveles superiores de comunicación noATM a los formatos ATM. Son funciones del nivel AAL:

• adaptación a la velocidad de los usuarios,

• segmentación de los datos en células de 48 bytes (sin cabecera ATM)

• detección células erróneas y perdidas,

• mantenimiento del sincronismo entre terminales.

El Nivel de Adaptación ATM adapta cada tráfico a su velocidad inicial, segmenta/reensambla la información en trozos de 48 bits, detecta celdas erróneas o perdidas, y mantiene el sincronismo entre los usuarios conectados.

Estructura de la Capa AAL

Internamente el AAL se divide en dos partes:

1.El subnivel de Convergencia (CS)

Es capa más externa y ejecuta funciones como la detección y demultiplexión de datos, detección de células perdidas y mantenimiento del sincronismo de la conexión.

2.El subnivel Segmentación y Reensamblado (SAR)

Esta capa segmenta los datos en células y las envía al nivel ATM para que les ponga la cabecera. El proceso inverso se verifica al lado opuesto cuando recibe células y reconstruye la información original.

Calidad de servicio (QoS).

La información que llega a un nodo terminal ATM es captada, segmentada y dispuesta en células con las cabeceras adecuadas para cada tipo de tráfico. Este servicio proporcionado por el nivel AAL se denomina QoS que queda definido por tres parámetros:

caudal, define el volumen de información que puede ser enviada en un período

de tiempo. Si el tráfico es constante, el parámetro es único: velocidad pico; pero

si el tráfico es a ráfagas, está expresado por tres parámetros de conexión: velocidad pico, velocidad media y duración de la ráfaga.

retardo, definido por su media y su varianza que relaciona el retardo global

medio de toda la transmisión y la variación entre los retardos individuales que afectan a cada célula.

nivel de seguridad, se refiere a la tolerancia de un determinado tipo de tráfico a la pérdida de células que puede ocurrir durante períodos de congestión.

La Capa ATM

Este nivel es el auténtico núcleo sobre el que se vértebra la tecnología del cell relay. Sus funciones, fundamentales y comunes a cualquier nodo, se encargan de la manipulación de células ejecutándose los siguientes procesos:

1.construcción/extracción de cabeceras

2.routing entre los nodos

3.multiplexión y de multiplexión de células

Formato de las Células ATM

Son estructuras de datos de 53 bytes compuestas por dos campos principales:

1.- Header, sus 5 bytes tienen tres funciones principales: identificación del canal, información para la detección de errores y si la célula es o no utilizada. Eventualmente puede contener también corrección de errores, número de secuencia...

2.- Payload, tiene 48 bytes fundamentalmente con datos del usuario y protocolos AAL que también son considerados como datos del usuario.

Dos de los conceptos más significativos del ATM, Canales Virtuales y Rutas Virtuales, están materializados en dos identificadores en el header de cada célula (VCI y VPI) ambos determinan el routing entre nodos. Existen dos formatos de células: la UNI (User Network Interface) utilizado en el interfaz red/usuario y la NNI Network Interface) cuando circulan por la red.

El formato de las celdas tal y como ha sido definido por el forum ATM.

Conexiones y Routing

Los conmutadores de VP modifican los identificadores VPI para redirigir las rutas de entrada hacia una salida específica. Un conmutador de VP no analiza ni modifica el campo VCI, ya que al operar en un nivel inferior conmuta todos los Canales asociados a dicha Ruta. Los conmutadores de VC aplican un mayor nivel de complejidad ya que manejan atributos como nivel de errores, calidad servicio, ancho de banda o servicios relacionados con la tarificación. Las tablas de routing de cada nodo pueden estar ya predefinidas, o bien deben construirse dinámicamente en el tiempo del establecimiento de las conexiones realizadas mediante el protocolo Q.2931 similar al Q.931 utilizado en el ISDN para banda estrecha.

Una Ruta Virtual puede ser Permanente (PVP) o Conmutada (SVP). Si es conmutada, es decir si se ha establecido explícitamente para una comunicación, todos sus Canales Virtuales (VC) asociados son dirigidos a través de ese camino y no será necesario conmutarlos. Si el VP es permanente es probable que sólo conecte troncales de la red por lo que los VC deberán ser conmutadas en algún nodo de la red. El routing de Canales y Rutas Virtuales es realizado mediante etiquetas, nunca con direcciones explícitas. Por ejemplo un nodo de conmutación debe leer el identificador VCI = i de cada célula que entra por el puerto K y de acuerdo con su tabla de routing, la envía por el puerto Q modificando el header al escribir VCI = j.

La capa ATM es el núcleo real de la tecnología. Se ocupa de añadir y extraer las cabeceras, mantener los identificadores de conexión para realizar el encaminamiento entre nodos, y de multiplexar y demultiplexar las celdas a través del medio físico, manteniendo un secuenciamiento correcto de las celdas.

ATM: Una Introducción (4)

El Nivel Físico

El nivel físico realiza dos funciones fundamentales: el transporte de células válidas y la entrega de la información de sincronismo

Estructura del nivel Físico

Se divide en dos capas:

1.El subnivel Convergencia de la Transmisión (TC)

Encargado de adaptar la velocidad y de crear el datastream para su posterior transmisión al medio físico. El proceso inverso se realiza en el otro extremo de la red donde el TC destino debe extraer las células del datastream recibido, comprobar su corrección y entregarlas finalmente al

nivel superior ATM. Las células incorrectas o vacías se desechan.

2.El subnivel Medio Físico (PM)

Es el encargado de la transmisión de bits y de la sincronización de señales.

Dos velocidades estandarizadas por el ITU son 155,52 Mbit/s y

622,08 Mbit/s; mientras que el ATM Forum ha estandarizado interfaces con

velocidades a 25 Mbit/s, 44,736 Mbit/s, 100 Mbit/s y 155,52 Mbit/s.

El Nivel Físico debe adaptar la secuencia de celdas a la estructura y a la velocidad del canal de transmisión utilizado.

Datastream del medio de transmisión

El servicio portador de la red encargado de transportar la información hasta los usuarios puede ser de dos modelos:

1.Basado en células,

es la forma nativa utilizado en redes locales. Consiste en la transmisión

directa de la secuencia de células ATM sobre el medio de transmisión que puede ser fibra y cable de diversas categorías. Dependiendo del estándar utilizado deben ser insertadas señales de delineación, sincronismo de las

células.

2.Basados en tramas plesiócronas o PDH,

las células se agrupan en una trama plesiócrona que incluye funciones de mantenimiento. El estándar utilizado se deriva del IEEE 802.6 utilizado por el DQDB en redes metropolitanas.

3.Basados en tramas síncronas o SDH,

en este caso las células son empaquetadas en frames síncronos denominados STM transmitidos a velocidades ópticas múltiplos de 155,52 Mbit/s. Estas estructuras transportan también información de sincronismo y el overhead necesario para el transporte. La ventaja de los frames STM es que ofrecen un mecanismo estandarizado para realizar la multiplexión de los canales a medida que los enlaces aumentan o disminuyen su capacidad de transporte.

El ITU-T seleccionó la SDH como una de las bases para el B-ISDN para el transporte y multiplexión de señales a través de una red óptica. Es importante señalar que el SDH no es en sí mismo una red de comunicaciones, ni forma parte del ATM, sino el más bajo nivel de transporte de la red también utilizable por otras redes de transmisión como Frame Relay o SMDS.

Estructura e interrelación de las PDUs (Protocol Data Units).

B-ISDN Y ATM

Existe cierta confusión entre ATM y B-ISDN, y a menudo se usa incorrectamente un término por el otro. La diferencia es clara:

1.- El ATM es una tecnología para la conmutación de células en alta velocidad utilizable en múltiples entornos, LAN, MAN y WAN.

2.- El B-ISDN es una red de área extensa (WAN) que utiliza el N-ISDN como modelo de referencia y señalización; el ATM como tecnología de conmutación y el SDH como estándar de transporte dentro de la red.

Es decir, otros tipos de redes como por ejemplo una LAN puede también utilizar la tecnología ATM pero no han de utilizar necesariamente ni el SDH y ni el modelo de referencia ISDN.

CONCLUSIONES

Tal y como reza el más extendido tópico de las redes digitales, el ATM dará soporte tanto a los servicios tradicionales en datos como para las más modernas aplicaciones multimedia en audio y vídeo. Inicialmente especificado para las grandes redes públicas ya ha ampliado su radio a entornos metropolitanos y locales. Si con una sola palabra quisiéramos resumir el impacto que puede provocar el ATM esa palabra sería integración. Se trata de una tecnología altamente escalable capaz de manejar desde una WAN de grandes dimensiones, hasta de controlar el mismo bus interno de un ordenador personal. Una tecnología que puede simultáneamente transportar una videoconferencia y distribuir un paquete de software a escala mundial.

La conclusión más importante puede ser que ATM significa integración, dada su alta escalabilidad, dado que puede ser implementada tanto en WANs grandes o en el bus interno de un PC. ATM puede adaptar, dado a las poderosas funcionalidades proporcionadas por su AAL, cualquier tipo de tráfico, permitiendo la reserva de recursos y completa QoS, que son características no soportadas por muchas otras tecnologías de conmutación en el mercado.

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