Sieci ATM. Plan wykładu

Transkrypt

1 Sieci ATM Janusz Kleban Instytut Elektroniki i Telekomunikacji Politechnika Poznańska Plan wykładu Ewolucja sieci telekomunikacyjnych Wymagania komunikacyjne aplikacji multimedialnych Standardy ATM Klasyfikacja usług szerokopasmowych Architektura sieci ATM Technika ATM Model odniesienia protokołów BISDN Warstwa adaptacji ATM Klasyfikacja ruchu ATM Mechanizmy zapewnienia QoS w ATM Sieci ATM Janusz Kleban 2 Sieć telekomunikacyjna przekształcała się z sieci analogowej przez zintegrowaną sieć cyfrową IDN (Integrated Digital Network) aż do sieci cyfrowej z integracją usług ISDN (Integrated Services Digital Network). Okazało się jednak, że ta sieć nie jest w stanie sprostać zapotrzebowaniu na szybkość transmisji. Końcowym etapem ewolucji sieci szerokopasmowych z integracją usług ma być sieć BISDN (Broadband Integrated Services Digital Network) oparta na technice ATM (Asynchronous Transfer Mode). Podstawowym teletransmisyjnym systemem transportowym dla sieci BISDN jest SDH (Synchronous Digital Hierarchy). Sieci ATM Janusz Kleban 3

2 Sieci szerokopasmowe są projektowane pod kątem możliwości świadczenia usług multimedialnych. Telekomunikacyjne usługi multimedialne to taka kategoria łączności, która umożliwia zdalne przekazywanie wiadomości między odbiorcami za pomocą co najmniej dwóch środków przekazu, takich jak mowa, ruchomy obraz, tekst, grafika itp. Usługi tego typu są powszechnie kojarzone z takimi pojęciami jak: biblioteka wideo, programy edukacyjne, telezakupy, usługi bankowe, wideotelefonia, wideokonferencja, poczta elektroniczna, gry komputerowe, wideo na żądanie, serwis informacyjny i reklamowy itd. Sieci ATM Janusz Kleban 4 Rodzaje usług dla użytkowników domowych Usługi rozrywkowe: rozsiewcza CATV (broadcast/cabletv) oraz radio; oglądanie dokumentów np. stron WWW, za darmo lub za opłatą; wideo na żądanie (video on demand); gry na żądanie (games on demand); telewizja na żądanie (TV on demand); osobiste wideo (personal video); dostęp do teledysków (music video jukebox). Sieci ATM Janusz Kleban 5 Edukacja: nauczanie na odległość (distance learning); wideo edukacyjne (educational video); gry edukacyjne (educational games); biblioteka interakcyjna (interactive library); biblioteka multimedialna (multimedia library). Sieci ATM Janusz Kleban 6

3 Zakupy i transakcje: zakupy (grocery shopping); dostarczanie zamawianych posiłków (food delivery); zdalne załatwianie spraw bankowych (bank at home); płacenie rachunków (bill payment); usługi maklerskie (brokerage services); oferty turystyczne i sprzedaż biletów (travel sales); loteria i zakłady hazardowe (lottery/betting). Sieci ATM Janusz Kleban 7 Praca w domu: interakcyjne kursy (interactive training); wideokonferencja (video conferencing); zdalny dostęp do sieci LAN (remote LAN access); telepraca (telecommuting) i dostęp do sieci korporacyjnych. Sieci ATM Janusz Kleban 8 Przeglądanie prasy i dostęp do informacji: książka telefoniczna (yellow pages); wiadomości interakcyjne (interactive news); wiadomości sportowe (sport news); informacje finansowe (financial information); prognoza pogody (weather); informacje turystyczne (travel information); wiadomości lokalne (community news); reklamy (advertising). Sieci ATM Janusz Kleban 9

4 Cechy aplikacji multimedialnych: typ przenoszonej informacji: zależna od czasu (wideo, audio, animacje); wymagania dystrybucyjne: aplikacja czasu rzeczywistego (wideotelefon, wideokonferencja, gry sieciowe itd.); asymetria połączeń; wymagana jest większa przepływność kanałów od sieci do abonenta, niż od abonenta do sieci; typ połączeń: punkt-punkt, punkt-grupa (multicast), grupa-grupa; Sieci ATM Janusz Kleban 10 generowanie zmiennych w czasie strumieni bitów, ruch przenoszony w sieci jest ruchem zbitkowym (zgęstkowym); zazwyczaj wysokie wymagania co do szerokości pasma transmisyjnego; duża wrażliwość na opóźnienie przesyłanego sygnału; wrażliwość na błędy transmisyjne, wymagana jest mała stopa błędów. Sieci ATM Janusz Kleban 11 Techniki stosowane w sieciach LAN, MAN, WAN a transmisja multimedialna Wady sieci komputerowych utrudniające świadczenie usług multimedialnych: zmienne opóźnienie w dostarczaniu pakietów do odbiorców wynikające między innymi z potrzeby obsłużenia pakietów przez urządzenia sieciowe analizujące nagłówek (router, przełącznik) i opóźnienia transmisyjnego; rywalizacyjne metody dostępu do medium transmisyjnego w LAN; Sieci ATM Janusz Kleban 12

5 Techniki stosowane w sieciach LAN, MAN, WAN a transmisja multimedialna realizowany przez oprogramowanie wybór drogi dla pakietu spowalniający ich przesyłanie; zmienna wielkość ramek i pakietów wpływająca ujemnie na jakość transmisji multimedialnej; dyskryminacja jednych pakietów w stosunku do innych w celu zapewnienia żądanej jakości obsługi; komplikuje to sterowanie siecią; Sieci ATM Janusz Kleban 13 Techniki stosowane w sieciach LAN, MAN, WAN a transmisja multimedialna brak możliwości zapewnienia odpowiednio dużej szybkości transmisji; zastępczo stosuje się metody zmniejszania szybkości transmisji przez wprowadzenie kompresji przesyłanych danych; zwiększenie dostępnego pasma może odbywać się jedynie na drodze zmiany techniki na Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, FDDI, ATM itd. Sieci ATM Janusz Kleban 14 Techniki stosowane w sieciach LAN, MAN, WAN a transmisja multimedialna Tradycyjne sieci LAN, MAN i WAN oraz protokoły komunikacyjne zostały zaprojektowane w taki sposób, aby zapewnić integralność przesyłanej wiadomości; nie gwarantują one odpowiednio małego czasu dostarczenia pakietu do odbiorcy. Sieci ATM Janusz Kleban 15

6 Sieci BISDN Decydujące decyzje dotyczące filozofii BISDN podejmowano w latach Początkowe standardy pojawiły się w Niebieskiej Księdze CCITT w 1988 r. W grudniu 1990 r. grupa XVIII zatwierdziła 13 zaleceń tworząc tym samym zarys rodziny zaleceń opisujących różne aspekty BISDN. Są to następujące zalecenia: I terminologia sieci szerokopasmowych; I szerokopasmowe aspekty ISDN; I charakterystyka funkcjonalna ATM; I.211 -aspekty usług BISDN; Sieci ATM Janusz Kleban 16 I ogólne aspekty sieci BISDN; I model odniesienia protokołów ISDN i jego zastosowanie; I architektura funkcjonalna BISDN; I specyfikacja warstwy ATM; I opis funkcji warstwy adaptacyjnej ATM; I specyfikacja warstwy adaptacyjnej ATM; I styk użytkownika z siecią; I styk UNI, specyfikacja warstwy fizycznej; I podstawowe funkcje eksploatacyjne i utrzymaniowe dostępu do sieci BISDN oraz warstwy ATM. Sieci ATM Janusz Kleban 17 Usługi transmisyjne dla abonentów sieci BISDN: pełny dupleks z szybkością Mbit/s; usługa asymetryczna: od abonenta do sieci z szybkością Mbit/s i w przeciwnym kierunku z szybkością Mbit/s; pełny dupleks z szybkością Mbit/s. Sieci ATM Janusz Kleban 18

7 Ze względu na ogromne znaczenie standardów ATM dla rozwoju sieci publicznych i prywatnych, firmy komercyjne: Adaptive, Northern Telekom, Sprint i Cisco Systems utworzyły w sierpniu 1991 roku organizację o nazwie ATM Forum, której głównym celem było zapewnienie integralności rozwiązań proponowanych dla sieci publicznych i prywatnych, oraz przyspieszenie przemysłowego rozwoju techniki ATM. Sieci ATM Janusz Kleban 19 Wśród organizacji opracowujących standardy dla sieci ATM należy jeszcze wymienić ANSI (American National Standards Institute) w Ameryce oraz ETSI (European Telecommunications Standards Institute) w Europie. Obie te instytucje skupiają się na problemach wynikających z technicznych oraz prawnych uregulowań w każdym regionie. Sieci ATM Janusz Kleban 20 Kategorie usług szerokopasmowych (zalecenie I.211): usługi interakcyjne; usługi dystrybucyjne. Usługi interakcyjne dzielimy na usługi: konwersacyjne; związane z przesyłaniem wiadomości; umożliwiające korzystanie z wiadomości przechowywanych w bazie danych. Usługi dystrybucyjne dzielimy na usługi: świadczone bez indywidualnej kontroli procesu realizacji; uwzględniające możliwość ingerencji w przebieg realizacji danej usługi. Sieci ATM Janusz Kleban 21

8 Lokalizacja komutatorów oraz styków w sieci ATM Sieci ATM Janusz Kleban 22 Ogólna struktura komórki ATM Sieci ATM Janusz Kleban 24 Struktura nagłówka komórki na styku UNI Sieci ATM Janusz Kleban 25

9 Graficzna reprezentacja zależności między ścieżką wirtualną i kanałem wirtualnym Sieci ATM Janusz Kleban 26 Zalety wynikające ze stosowania ścieżek wirtualnych: Uproszczenie architektury sieci. Funkcje transportowe sieci mogą być rozdzielone na funkcje odnoszące się do indywidualnych połączeń logicznych VCC (Virtual Channel Connection) i na funkcje odnoszące się do grup połączeń logicznych VPC (Virtual Path Connection). Zwiększenie jakości i niezawodności działania sieci. Sterowanie sieciowe obsługuje mniejszą liczbę zagregowanych połączeń logicznych. Sieci ATM Janusz Kleban 27 Skrócenie czasu zestawiania połączenia. Na skutek zarezerwowania całej pojemności VP, dla dalszych połączeń, nowe kanały VC będą zestawiane przez zrealizowanie prostych funkcji sterujących w końcowych punktach VPC; nie jest wymagana dodatkowa obsługa połączeń w węzłach tranzytowych. Zestawienie nowego kanału VC w ramach istniejącej ścieżki VP wymaga minimalnej ilości czasu. Zwiększenie zakresu usług sieciowych. Połączenie ścieżek wirtualnych (VPC) jest wykorzystywane wewnętrznie w sieci, ale jest również widziane przez użytkownika końcowego. Dzięki temu może on, definiując odpowiednie ścieżki wirtualne, tworzyć sieci wydzielone oraz zamknięte grupy użytkowników. Sieci ATM Janusz Kleban 28

10 Model odniesienia protokołów BISDN Sieci ATM Janusz Kleban 30 Klasyfikacja usług BISDN Klasa usług Zależność czasowa Przepł. bitowa Tryb połączenia Przykłady usług Typ usług AAL Klasa A Wymagana Stała Zorient. połącz. Wideo CBR, emulacja DS1 AAL-1 Klasa B Wymagana Zmien. Zorient. połącz. Wideo VBR, pakietowe wideo AAL-2 Klasa C Klasa D Nie wymagana Nie wymagana Zmien. Zmien. Zorient. połącz Połączeniowa trans. danych, Frame Relay, X.25 Bezpołączeniowa transmisja danych, SMDS, IP Bezpołącz. AAL- 3/4,5 AAL- 3/4,5 Sieci ATM Janusz Kleban 31 Przetwarzanie danych w warstwie AAL Sieci ATM Janusz Kleban 32

11 Format jednostki SAR-PDU w warstwie AAL-1: SN-Serial Number, SNP-Sequence Number Protection, CSI-Convergence Sublayer Indication, SC-Sequence Count, CRC-Cyclic Redundancy Check, P-Parity Sieci ATM Janusz Kleban 33 Przykład multipleksacji w warstwie AAL-1 Sieci ATM Janusz Kleban 34 Segmentacja jednostki CS-PDU w warstwie AAL-2 Sieci ATM Janusz Kleban 35

12 Jednostka SAR-PDU w warstwie AAL-2 Sieci ATM Janusz Kleban 36 Realizacja usługi przesyłania wiadomości (AAL3/4): a) jedna jednostka AAL-SDU tworzy jedną jednostkę SSCS-PDU; b) wiele jednostek AAL-SDU tworzy jedną jednostkę SSCS-PDU; c) jedna jednostka AAL-SDU dzielona jest na wiele SSCS-PDU Sieci ATM Janusz Kleban 37 Realizacja usługi strumieniowej (AAL3/4): a) jedna jednostka AAL-SDU tworzy jedną SSCS-PDU; b) jedna jednostka AAL-SDU jest dzielona na wiele SSC-PDU Sieci ATM Janusz Kleban 38

13 Formaty jednostek warstwy AAL-3/4 Sieci ATM Janusz Kleban 39 Przykład multipleksacji w warstwie AAL-3/4 Sieci ATM Janusz Kleban 40 Formaty jednostek w warstwie AAL-5: a) jednostka CPCS-PDU: PAD-Padding, LI-Length Indication, CPCS-UU User-to-User indication, CPI-Common Part Indication; b) jednostka SAR-PDU Sieci ATM Janusz Kleban 41

14 Segmentacja jednostki CS-PDU w warstwie AAL-5 Sieci ATM Janusz Kleban 42 Przykład multipleksacji w warstwie AAL-5 Sieci ATM Janusz Kleban 43 Proces segmentacji pakietów MPEG-2 Sieci ATM Janusz Kleban 44

15 Klasyfikacja ruchu ATM CBR (Constant Bit Rate) - usługi charakteryzujące się małym opóźnieniem i generujące stały strumień bitów np. emulacja kanału rozmównego, transmisja radiowa, wideokonferencja, telewizja, VoD. VBR (Variable Bit Rate) - usługi generujące ruch zmienny w czasie. Jest to najbardziej znacząca kategoria usług, gdyż kluczową zaletą techniki ATM jest elastyczny, zgodny z zapotrzebowaniem przydział pasma dla poszczególnych usług. Sieci ATM Janusz Kleban 45 RT-VBR (Real-Time VBR) usługi, w ramach których realizuje się statystyczną multipleksację przy dopuszczeniu określonego, kontrolowanego poziomu strat komórek; ta klasa usług jest szczególnie interesująca dla źródeł generujących ruch zbitkowy np. sygnał wideo przy zastosowaniu kompresji; NRT-VBR (Non-Real-Time VBR) usługi bez istotnych wymagań opóźnieniowych, transportowany jest zmienny w czasie strumień bitów; przeznaczony dla aplikacji o zmiennym zapotrzebowaniu na pasmo i zmiennym opóźnieniu np. przenoszenie ruchu Frame Relay, aplikacje wymagające krótkiego czasu odpowiedzi: rezerwacja miejsc w samolotach i pociągach, transakcje bankowe itp. Sieci ATM Janusz Kleban 46 UBR (Unspecified Bit Rate) usługa podobna do NRT-VBR; użytkownik nie przesyła parametrów, generowanego przez siebie ruchu, stąd w przypadku natłoku przydzielone mu pasmo będzie podlegało stopniowej redukcji. Usługa nie zapewnia jakichkolwiek gwarancji jakościowych stąd może być wykorzystana do transmisji danych nie wymagających określenia dopuszczalnego opóźnienia lub zmienności opóźnienia. Kontrolowanie natłoku może być realizowane przez komutatory w warstwie ATM lub przez protokoły wyższych warstw. Usługa tego typu może zapewniać łączność między sieciami LAN i WAN, które korzystając z własnych mechanizmów potrafią sterować generowanym ruchem. Sieci ATM Janusz Kleban 47

16 ABR (Available Bit Rate) - jest klasą usług typu best effort, użytkownik może wynegocjować takie zasoby sieci, jakie są aktualnie dostępne podając minimalne i maksymalne wymagania na szybkość transmisji komórek. Specjalnie dla tego typu połączeń został opracowany przez ATM Forum mechanizm unikania natłoku wykorzystujący komórki zarządzające zasobami - RM (Resource Management Cells). Pasmo przydzielone użytkownikowi może się zmieniać podczas trwania połączenia w zależności od natłoku panującego w sieci. Z tego względu usługa ta nie jest odpowiednia dla aplikacji czasu rzeczywistego. Usługa ABR może być wykorzystana do realizacji takich aplikacji, jak poczta elektroniczna, transfer plików, itp. Sieci ATM Janusz Kleban 48 Jakość usług telekomunikacyjnych QoS (Quality of Service) jest definiowana (zgodnie z zaleceniami ITU-T G.106 i E. 800) jako efekt sprawności wykonania usługi, który wyznacza poziom zadowolenia użytkownika. Na podstawie powyższej definicji widzimy, że wymagana jakość usług powinna odpowiadać punktowi widzenia abonenta i tak powinna być postrzegana przez operatora sieci. W związku z tym jakość usług można utożsamić z jakością obsługi. Sieci ATM Janusz Kleban 49 Mechanizmy QoS w ATM 1. Sterowanie przyjmowaniem zgłoszeń (Connection Admission Control - CAC): zespół działań podejmowanych przez sieć w celu określenia, czy nowe zgłoszenie może zostać przyjęte do obsługi, czy powinno być odrzucone. Funkcja jest wykorzystywana w momencie zestawiania nowego połączenia oraz w procesie renegocjacji warunków połączenia. Przyjęcie nowego zgłoszenia do obsługi uwarunkowane jest dostępnością zasobów sieciowych pozwalających na zestawienie drogi połączeniowej przez sieć i utrzymanie żądanych parametrów QoS. Sieci ATM Janusz Kleban 50

17 2. Kontrolowanie parametrów generowanego ruchu (Usage Parameter Control - UPC): proces działający na styku UNI, którego głównym zadaniem jest kontrolowanie ruchu generowanego przez źródło w danym połączeniu ATM. Funkcja UPC kontroluje zarówno strumienie użytkowników, jak i strumienie generowane przez systemy zarządzające i utrzymaniowe (OAM). Sprawdza również prawdziwość identyfikatorów VPI i VCI tzn. sprawdza, czy wartości tych identyfikatorów są związane z aktywnym połączeniem VCC. Sieci ATM Janusz Kleban Kontrolowanie priorytetu komórek (Cell Loss Priority Control - CLP): funkcja niszcząca komórki z bitem CLP=1, w przypadku zatoru w węźle sieci. Jest to odpowiednik UPC, ale działający wewnątrz sieci (na styku NNI). 4. Priorytety ruchu (Priority Control): funkcja pozwalająca operatorowi na ustanowienie różnych priorytetów, dla różnych usług na podstawie żądanych parametrów QoS. Sieci ATM Janusz Kleban Kształtowanie ruchu (Traffic shaping): funkcja kontrolująca i dopasowująca charakterystykę strumienia komórek, wprowadzanego do kanału wirtualnego, do parametrów wynegocjowanych w fazie zestawiania połączenia. Mechanizm ten zapewnia, że źródło nie transmituje komórek z większymi wartościami chwilowymi lub średnimi, niż te, które zostały przydzielone przez sieć. Sieci ATM Janusz Kleban 53

18 6. Sterowanie przepływem ze sprzężeniem zwrotnym (Feedback Control): mechanizm wymiany informacji między siecią i źródłem w celu zmiany szybkości generowania komórek. Źródło danych jest powiadamiane o fakcie wystąpienia w sieci natłoku i na tej podstawie podejmuje stosowne działania. 7. Sterowanie przepływem dla usług ABR (ABR flow control): funkcja informacyjna, dająca wiedzę o dostępnym aktualnie paśmie sieci i opóźnieniach w niej panujących, mająca wpływ na szybkość generowania komórek przez źródło ABR. Sieci ATM Janusz Kleban 54 Parametry związane z ruchem i QoS PCR (Peak Cell Rate) maksymalna wartość szybkości generowania komórek ATM, które mają być transportowane przez dane połączenie ATM; CDV (Cell Delay Variation) zmienność opóźnienia w napływaniu komórek w odniesieniu do maksymalnej szybkości transportowania komórek; parametr może być mierzony w danym punkcie w stosunku do nominalnej odległości między komórkami, lub między węzłem nadawczym i odbiorczym; parametr sygnalizuje tworzenie się zgęstek komórek; Sieci ATM Janusz Kleban 55 SCR (Sustainable Cell Rate) dla danego czasu połączenia, parametr definiuje graniczną wartość średniej szybkości transmisji komórek w połączeniu ATM; MBS (Maximum Burst Size) dla danego punktu pomiarowego jest to maksymalny wzrost szybkości generowania komórek w odniesieniu do parametru SCR; parametr określa wybuchowość ruchu poprzez wskazanie wielkości paczek (zgęstek) komórek; MCR (Minimum Cell Rate) minimalna gwarantowana szybkość transmisji komórek; parametry lub klasa QoS Sieci ATM Janusz Kleban 56

19 Przykładowe deskryptory ruchu CLR (Cell Loss Ratio) stosunek liczby komórek zgubionych tzn. takich, które nie dotarły do miejsca przeznaczenia, do liczby komórek nadanych. CER (Cell Error Ratio) stosunek liczby błędnych komórek tzn. takich, które dotarły do miejsca przeznaczenia z błędem w polu informacyjnym, do liczby komórek odebranych, wyrażonej jako suma liczby komórek przesłanych poprawnie i liczby komórek błędnych. Sieci ATM Janusz Kleban 57 SECBR (Severely Errored Cell Block Ratio) - współczynnik odzwierciedla prawdopodobieństwo przekłamania bloku komórek, przez który rozumiemy N kolejno transmitowanych komórek w danym połączeniu. Jest to stosunek liczby bloków znacznie przekłamanych (tzn. komórki mają błędy w polu informacyjnym, albo zostały zagubione, albo pojawiają się komórki z innego połączenia wirtualnego) do liczby bloków transmitowanych. Przez blok znacznie przekłamany rozumiemy blok, w którym przekłamanych lub straconych zostało M komórek. Sieci ATM Janusz Kleban 58 CMR (Cell Misinsertion Rate) -współczynnik obrazujący intensywność pojawiania się, w okresie obserwacji, źle skomutowanych komórek, czyli takich, które nie zostały wysłane przez źródło danych a docierają do odbiorcy ze względu na błąd w węźle komutacyjnym lub ze względu na błędną interpretację nagłówka. CDV (Cell Delay Variation) zmienność opóźnienia w przekazywaniu komórek od końca do końca; może przyjmować wartości z pewnego przedziału. Zmienność opóźnienia wynika z multipleksacji wielu połączeń w jednym łączu fizycznym oraz z kolejkowania komórek w węzłach komutacyjnych. Sieci ATM Janusz Kleban 59

20 CDVT (Cell Delay Variation Tolerance) parametr określający tolerancję zmienności opóźnienia - CDV dla wynegocjowanego połączenia ATM. Jest definiowany w stosunku do PCR i ogranicza możliwość tworzenia zgęstek komórek. CTD (Cell Transfer Delay) opóźnienie w przekazywaniu komórek od nadawcy do odbiorcy. Sieci ATM Janusz Kleban 60