Modo de Transferencia Asíncrono

Modo de transferencia asíncrono Método de transferencia rápida de información digital de cualquier naturaleza Inventado por: Grupo de Estudio XVIII de la UIT Fecha de invención: 1980 Conectado a: Máquina computadora

Modo de transferencia asíncrono. Técnica rica y compleja, que se encuentra en proceso de evolución, a pesar de que sus principios fundamentales están bien establecidos. Su universalidad y gran flexibilidad la convierten en una técnica sumamente seductora, pudiéndose utilizar para todos los nuevos servicios, así como para los servicios ya existentes. En otras palabras, ATM está llamado a convertirse en el soporte de las futuras RDSI.

Historia

Su principal antecedente lo constituye la técnica ATD (Asynchronous Time Division), cuyas características median entre la Conmutación de Circuitos Tradicional y la Conmutación de Paquetes. La primera versión de esta técnica apareció en Europa, en el año 1980, y en ella se subdividía una cadena de bits en intervalos de 32 bytes, agregándosele a cada intervalo un campo de información de dirección. El término celda fue introducido para identificar al intervalo con el campo de dirección adicionado.

El ATD alcanzó su mayor influencia cuando el Grupo de Estudio XVIII de la UIT (antes CCITT) se trazó como objetivo la definición de un mecanismo de transferencia para la RDSI-B. ATM fue el nombre escogido por este Grupo de Estudio para identificar a la solución escogida.

Conceptos fundamentales del ATM

ATM es un método de transferencia rápida de información digital de cualquier naturaleza (voz, datos, imágenes) en forma de paquetes de longitud fija denominados celdas. La técnica es asíncrona en el sentido de que las celdas correspondientes a un canal de información aparecen sobre el enlace a intervalos irregulares, puesto que la multiplexación de varios canales no se realiza de forma rígida. En otras palabras, ATM es asíncrono a nivel informacional puesto que no existe ninguna relación entre el contenido de las cargas útiles y la posición temporal de las celdas. Hay que destacar que el múltiplex es síncrono a nivel físico.

Su propiedad más importante es la habilidad para garantizar a cada aplicación el ancho de banda que realmente necesita, a diferencia de otras técnicas donde el ancho de banda es fijo. Con esta técnica se pueden ofrecer enlaces dedicados entre 100 y 155 Mbit/s, y en algunos casos velocidades superiores, para cada usuario combina las características de funcionamiento en tiempo real de la Conmutación tradicional de circuitos con las capacidades de encaminamiento de la Conmutación de paquetes, pudiendo conseguir el proceso de Conmutación de Paquetes en tiempo real.

La técnica de conmutación de circuitos tradicional se caracteriza porque antes de efectuar una comunicación se requiere de una fase de establecimiento en la cual se intercambia información de señalización entre los terminales y la red o entre los nodos de la red. Por otro lado, en la técnica de conmutación de paquetes no existe fase de establecimiento. Aquí cada elemento de la red (terminal o nodo) transmite hacia el próximo elemento cuando esté libre alguno de los enlaces entre ellos.

En esta técnica existen dos modos de operación en dependencia del tipo de información de destino: Datagramas y Circuitos Virtuales. En el caso de los Datagramas, cada paquete llevará la información de su destino final, siendo tratados cada uno de ellos como una comunicación independiente. En cambio, en los Circuitos Virtuales se establece una trayectoria para cada comunicación, a través de la cual son encaminados todos los paquetes pertenecientes a dicha comunicación ATM, como en la Conmutación de Circuitos Tradicional, lleva su fase de establecimiento, donde la información de señalización tiene similar importancia. Sólo si el destino acepta la llamada, ésta se establece, dando lugar a la apertura de un canal que operará como Circuito Virtual Conmutado (SVC).

Es interesante señalar que ATM, aunque posee una capa física propia, puede utilizar la capa física que le ofrecen las redes plesiócronas (PDH) o las redes síncronas (SDH), lo cual permite preservar las infraestructuras ya instaladas.

Niveles del modelo ATM

Se definen tres niveles, los cuales se encuentran especificados desde 1988 por el CCITT, actual UIT-T. Estos niveles vienen representados de la siguiente forma:

• Nivel físico: Está compuesto por dos subniveles :
  • Dependiente del medio físico: Se encarga de adaptar las celdas ATM al medio físico que se utilizará para su transporte.
  • Convergencia de la transmisión: Organiza el mapeo de las celdas ATM sobre el medio físico y proporciona el mecanismo para delinear las celdas en el lado receptor.
• Nivel ATM: Es el nivel empleado por la red. Proporciona un mecanismo de transferencia común para los niveles superiores. Es aquí donde se efectúa el control de tráfico, la administración en el nivel de celda, el enrutamiento y el multiplexado, y realiza funciones de control como la corrección de errores del encabezamiento. Es transparente a la carga útil.
• Niveles de Adaptación de ATM (AALs): Son un grupo de cuatro protocolos estándares cuya función es convertir el tráfico existente en los niveles superiores en las celdas ATM y viceversa.

Las normas ATM definen cada una de las funciones o protocolos que son necesarios para el transporte de diferentes clases de tráfico. Estas funciones, que vienen suministradas dentro de las AALs, proporcionan la correspondencia entre el servicio que ve el usuario de la red ATM y la manera en que las celdas ATM son utilizadas para proporcionar dicho servicio. Por ejemplo, un servicio Frame Relay, requiere de una adaptación para convertir las tramas de longitud variable en secuencias de celdas ATM. Las tramas tienen que ser segmentadas en celdas en un extremo de la red, y nuevamente combinadas en las tramas originales en el extremo opuesto antes de ser pasadas al usuario.

Celdas ATM

La celda es la unidad de transferencia estandarizada por la UIT-T. Consta de dos partes, la carga útil, contenedor de 48 octetos (bytes) que transporta la información generada por un emisor, y el encabezamiento de 5 octetos, que contiene la información necesaria para la transferencia de la celda. Esta información define la capa ATM, inmediatamente por encima de la capa física. Se utilizan dos configuraciones del encabezamiento, según se considere el interfaz entre el usuario y la red (UNI: User Network Interface), o el interfaz entre nodos de una misma red o de redes diferentes (NNI: Network Node Interface). A continuación se muestra cada uno de los campos que lo conforman en ambas variantes de configuración.

La celda consta de dos campos independientes y complementarios, que identifican a la vez a la celda y a la conexión virtual a la que pertenece: el campo VPI y el VCI. Todas las celdas con igual identificador lógico siguen la ruta establecida por la conexión. De las dos partes componentes de una celda, sólo el encabezamiento es analizado y procesado por los nodos de la red para rutear los datos, es decir, para encaminar la carga útil, de forma transparente entre los terminales.

Transferencia de información en ATM

Multiplexación

La información proveniente de un usuario es agrupada dentro de formatos de celdas. Toda secuencia de celdas generada por este usuario tendrá el mismo valor en el campo de dirección del encabezamiento durante la comunicación, y esta secuencia constituirá un canal virtual. La tasa de transmisión del canal puede ser variable: será una medida de la actividad de la fuente y de la disponibilidad de recursos.

Las celdas provenientes de un número de usuarios o fuentes serán ubicadas en una cola por orden de aparición, y luego serán ubicadas a la salida de la cola según este mismo orden sobre un enlace de transmisión. Por lo tanto, la cola de espera es el órgano esencial que condiciona todas las propiedades del ATM. En realidad, una red ATM es una red de colas de espera.

Puesto que las colas tienen una longitud finita, si la tasa de información para ser multiplexada proveniente del grupo de fuentes excede la capacidad del enlace durante un tiempo determinado, puede producirse la pérdida indeseable de celdas. Aumentar las dimensiones de las colas puede traer consigo un aumento de las demoras del sistema. Si la actividad de la fuente es baja, tal que la cola se vacíe, entonces son insertadas celdas vacías en el enlace para mantener la continuidad del flujo de celdas. En la práctica debe garantizarse que la probabilidad de ocurrencia de una pérdida de celdas sea inferior a 10-10 , dependientemente del servicio considerado. Esta probabilidad depende de la longitud de la cola, del tiempo que demora una celda en ponerse en servicio sobre el enlace de transmisión, de la cantidad de celdas recibidas desde las fuentes durante el tiempo de servicio de una celda, y de la ley estocástica que rige la llegada de las celdas, la cual depende del tipo de servicio. De ahí que ATM no sea rigurosamente independiente del servicio transportado.

Mecanismo de conmutación

Un nodo de conmutación podrá ser o un Conmutador o un Transconector, y en cualquiera de los casos tendrá un número de cadenas ATM multiplexadas entrando y saliendo. Su función será la transferencia, de acuerdo a un campo de dirección particular codificado, desde una entrada particular multiplexada hacia una salida particular multiplexada (conmutación espacial), mientras coloca el código apropiado en el campo de dirección de las celdas para su uso en el próximo nodo de conmutación (conmutación asincrónica). Esta función es ejecutada de acuerdo a una tabla de traducción almacenada en el control del conmutador y mantenida durante todo el tiempo que dure la conexión virtual.

Antes de que tenga lugar la conmutación de las celdas, debe efectuarse una correcta delineación de las mismas en las entradas multiplexadas para permitir su extracción y el análisis de sus encabezamientos. Las celdas vacías que han sido insertadas durante un período de baja actividad de la fuente ahora son desechadas, lo cual constituye una importante característica de la conmutación ATM, puesto que la matriz no es sobrecargada con la manipulación de dichas celdas: el conmutador manipula sólo el tráfico real de los enlaces.

Características

Existen muchas arquitecturas de implementación posibles para la estructura interna de un nodo de conmutación ATM. Su elección depende de varios factores como son la capacidad máxima, los requerimientos de modularidad y crecimiento, los tipos de conexión para ser manipuladas (las conexiones punto a multipunto presentan problemas específicos) y la distribución general de funciones.

La arquitectura específica de distribución de los conmutadores incluye:

1. La topología de la estructura general : Bus, Anillo, Matrices Simples o Multietapas, etc.
2. El método de enrutamiento utilizado en la matriz de conmutación: Autoenrutamiento o enrutamiento controlado mediante tablas de traducciones.
3. La localización de las memorias o buffers dentro de los elementos de conmutación: buffereado de entrada, buffereado de salida y buffereado central.

Topología

Dependiendo de las características requeridas, un conmutador ATM puede ser implementado utilizando una variedad de posibles topologías. Existen dos partes básicas de la estructura de una red: el puerto y la interconexión, y la topología está determinada sobre la idea de proporcionar la interconexión entre dos puertos. Algunos ejemplos de topología son:

1. Bus, Anillo : El bus es la más simple disposición de conmutación, donde un número de puertos son colgados sobre un simple bus y se comunican utilizando un protocolo definido el cual puede utilizar intervalos de tiempo para cada uno o alguna forma de resolución por contiendas. El anillo es en efecto un bus de lazo cerrado ofreciendo la posibilidad de diferentes protocolos de acceso pero generalmente con similares limitaciones.
2. Matriz de N x M: Es un arreglo de simples elementos de conmutación ON/OFF proporcionando la posibilidad de coexistencia de muchos caminos entre N entradas y M salidas (análogamente a los conmutadores crossbar). Evita las limitaciones del bus y el anillo para extender el tráfico sobre un número de trayectos, pero la expansión del número de puertos puede traer como resultado muy grandes matrices de puntos de cruce.
3. Matrices multietapas: Si los elementos de conmutación con una capacidad PxQ son utilizados en lugar de simples funciones ON/OFF, entonces arreglos más complejos pueden ser construidos teniendo una variedad de características posibles. En general, tales redes pueden ser expandidas por adición de etapas para manipular un gran número de puertos, pero no haciendo una expansión en toda su extensión tan rápidamente como cuando a una matriz simple le son adicionados varios puertos. Con ellas también se ofrece una multiplicidad de trayectos entre cada par de entradas y salidas, lo cual reporta ventajas para el tráfico y la seguridad de la conexión. Los elementos individuales de estas matrices pueden ser implementados por sí mismos utilizando topologías tales como las descritas anteriormente.

Red conmutada

En este caso la red realiza el encaminamiento de los canales virtuales en función de los campos VPI y VCI. Cada canal puede ser conmutado dentro del mismo trayecto o hacia otro trayecto diferente. Los nodos se gobiernan en tiempo real por los usuarios, quienes establecen las conexiones que necesitan por medio de un Servidor de llamada, con el que dialogan utilizando un lenguaje de señalización específico. La función de este Servidor de llamada puede ser:

• Remota desde los nodos
• En la estación que controla los propios nodos

Esta dualidad de las conexiones ATM permite constituir una Red Mixta, en la que los nodos conmutan los trayectos virtuales bajo el control del NMC, y los canales virtuales en trayectos virtuales en función del tráfico generado por los usuarios y transportado por los canales virtuales.

Velocidad de una conexión

Dos celdas consecutivas pertenecientes a una misma conexión (con igual identificador lógico) se separan por un intervalo de tiempo que es una variable aleatoria x, y puede contener celdas vacías y/o celdas pertenecientes a otras conexiones del mismo multiplex. Suponiendo que el proceso sea estacionario, el valor medio E[x] permite definir la velocidad media como 1/E[x], y la varianza V[X] representa las variaciones de velocidad en torno al valor medio. El inverso 1/x del valor mínimo de x define la velocidad de cresta o velocidad máxima (instantánea) de la conexión, que puede ser igual a la velocidad física máxima del enlace de transmisión cuando este último transporta sólo una conexión virtual.

Parámetros de tráfico

En lo que se refiere a los parámetros de tráfico, en la práctica se utilizan tres pares de ellos:

1. (T,t): T es el intervalo de tiempo mínimo que separa dos celdas consecutivas emitidas por la misma fuente ; 1/T define en celdas por segundo la velocidad de cresta PCR, y ? es la tolerancia de fluctuación de fase CDV (Cell Delay Variation) en segundos sobre la velocidad de cresta.
2. (Ts,ts) : Ts es el intervalo de tiempo medio entre dos celdas consecutivas ; 1/Ts define la velocidad media SCR (Sustainable Cell Rate), y ?s es la tolerancia de fluctuación de fase sobre la velocidad de media.
3. (Tm,tm) : Tm es el intervalo de tiempo máximo entre dos celdas consecutivas ; 1/Tm define la velocidad mínima MCR (Minimal Cell Rate) garantizada por la red, y ?m es la tolerancia de fluctuación de fase asociada a esta velocidad.

Las tolerancias de fluctuación de fase permiten que las velocidades reales sean mayores que los valores declarados con los que están asociados, pero sólo durante el tiempo limitado de una ráfaga. De ahí que, los parámetros T, Ts y ?s puedan ser combinados para definir otro parámetro de uso: la longitud máxima de las ráfagas MBS (Maximal Burst Size).

Control de una conexión

En ATM, después que se tiene establecida una conexión, debe asegurarse que el flujo actual de celdas esté conforme a los parámetros negociados durante la admisión de la conexión. Para ello se requieren procedimientos de acondicionamiento de flujo sin los cuales los valores de QOS de estas conexiones pudieran verse afectados. Este acondicionamiento del flujo tiene dos componentes:

• Imposición de flujo (función de policía o controlador de los parámetros de uso). Es de carácter obligatorio y está ubicado justamente en la periferia de la red.
• Estrangulamiento del flujo. Es opcional y se ubica entre la fuente y la frontera de la red

Cuando no se respetan los valores de los parámetros de tráfico declarados al establecer una conexión, una cola de espera atravesada por esta conexión puede desbordarse y provocar pérdidas de celdas inaceptables en las demás conexiones que van en la misma cola. Por tanto, es imperativo controlar constantemente la velocidad de todas las conexiones en la entrada de la red (interfaz UNI), y hasta incluso entre dos redes pertenecientes a operadores diferentes (interfaz NNI), para poder proteger las conexiones que si cumplen con su declaración contra incumplimientos accidentales o intencionados.

Control de errores

En una red ATM los errores pueden ocurrir por tres razones:

• bits erróneos por imperfecciones en los equipos de transmisión y conmutación.
• pérdida de celdas por desbordamiento.
• inserción de celdas debido a bits erróneos en el encabezamiento.

La tasa de error de extremo a extremo debe encontrarse dentro de ciertos límites, en dependencia de la aplicación en uso. La red debe garantizar el valor mínimo de tasa de error que requieren los usuarios. Para ello es necesario garantizar la calidad de las líneas, la calidad de los nodos y una baja probabilidad de pérdidas de celdas mediante un correcto redimensionamiento en caso de avería. El control de errores en las celdas ATM, especialmente en la carga de las colas, está muy vinculado con la asignación de recursos y el control de congestión. Además, al ser una red orientada a la conexión, se garantiza un bajo índice de errores, eliminando la necesidad de un control de línea a línea, y posibilitando que se realice un sólo control de errores de extremo a extremo y que se brinde una relación de los errores por pérdida de celdas.

Parámetros de transferencia de información

• Razón de bits en error (BER): Es la relación entre el número de bits recibidos incorrectamente y el número total de bits enviados. En ATM puede ser aplicada sólo hacia el campo de información de la celda. Es de esperar que no sea mayor que la BER de las redes actuales, y debe mejorarse con la introducción de los sistemas ópticos.
• Razón de pérdida de celdas (CLR): Es la relación entre las celdas perdidas en un canal virtual y el número total de celdas de dicho canal virtual. Este es un parámetro de ejecución clave en una red ATM, y es un atributo de específico de este tipo de red.

• Razón de inserción de celdas (CIR): Esta es la relación entre las celdas insertadas y el número total de celdas entrando al canal virtual. Estas inserciones ocurren por errores de bit en el encabezamiento en el campo de dirección. Este problema es considerado más seriamente que la pérdida de celdas: para algunos servicios ello puede significar la pérdida del sincronismo en los terminales.
• Variación de demora de las celdas: Esta es la diferencia entre los valores de las demoras de tránsito de las celdas pertenecientes a un mismo canal virtual durante un período de tiempo predefinido. Será causada principalmente por variaciones en las demoras de las celdas en los nodos de la red, en particular en las colas y en los buffers de adaptación a la tasa de celdas, y puede ser aumentada cuando se utiliza la operación asincrónica dentro del nodo de la red.
• Demora de transferencia de extremo a extremo: Es el tiempo que demora transitar una vía de propagación entre dos interfaces S/T. Excluye el tiempo de ensamblaje/desensamblaje y no es aplicado a las celdas perdidas/desenrutadas. Por tanto, está confinada hacia la demora causada por los enlaces de transmisión y por las demoras de tránsito de los conmutadores.

Fuentes

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