DocsTec-2092

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ITESM CAMPUS MORELOS
INSTITUTO 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 COMPUTACIONALES
ESPECIALIDAD EN SISTEMAS DISTRIBUIDOS
PRESENTA:
PEDRO MENA ANGELITO
ASESOR:
DR. ROGERIO ENRIQUEZ CALDERA
MAYO DE 1998
SIMULACIÓN DE UN CONMUTADOR ATM
Aprobaron:
Dr. Rogelio Enríquez Caldera
Profesor e Investigador del ITESM-Morelos
Asesor de Tesis
M.C Carlos Felipe García Hernández
Investigador del Instituto de Investigaciones Eléctricas
Revisor de Tesis
MyC. Francisco González Horta
-Profesor del ITESM-Morelos
Revisor de Tesis
Dr. Roberto Valdivia Beutelspacher
Profesor e Investigador del ITESM-Morelos
Revisor de Tesis
nos
enido
Acepta, oh Dios, este pequeño ofrecimiento,
recíbe en tus manos por siempre victoriosas
producto de incontables jornadas laboriosas:
a precio de adquirir conocimiento.
Dedicatorias
Amados padres míos: Pedro y Blanca,
ustedes han sido mi principal motivación para
finalizar 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.
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
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 .
Papá, no llores, que sólo sé que de dolor se llora
y por primera vez te escucho palabra temblorosa,
gran líder, político, y maestro de la prosa,
amigo del discurso, gran alma generosa
que 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 que
Dios te ha encomendado,
¡Gracias, Mamá!
¡Gracias Papá!
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
CONTENIDO
Resumen i
Contenido ii
Lista de figuras iv
Lista de tablas vi
Siglas y abreviaturas vii
Capítulo 1. Introducción
1.1 Situación actual 1
1.2 Motivación 1
1.3 Objetivo 2
1.3 Estructura de la tesis 2
Capítulo 2. SONET/SDH como medio de transporte para ATM
Introducción 3
2.1 Evolución hacia SONET/SDH 3
2.2 Arquitectura de capas de SONET/SDH 7
2.3 Estándares SONET/SDH 9
2.3.1 FASE I 9
2.3.2 FASE II : 10
2.3.3 FASE III.. 10
2.4 Propuestas de SONET/SDH 11
2.5 Formato de la trama SONET/SDH 12
2.5.1 Formato básico de la trama 13
2.5.2 Equivalencia en la formación de tramas de SONET y de SDH 15
2.5.3 Estructura de multicanalización de SONET/SDH 16
2.5.4 Clasificación de los encabezados SONET/SDH 19
2.5.5 Encabezados de las tramas SONET/SDH 19
2.6 Ajuste de apuntadores 24
2.7 Sumario 27
Capítulo 3. Modo de Transferencia Asincrono
Introducción 28
3.1 Evolución hacia ATM 28
3.2 Modelo conceptual ATM 29
3.3 Teoría de operación 31
ii
3.3.1 La celda UNI y NNI 31
3.3.2 Segmentación de celda 35
3.3.3 Mult icanal ización asincrona 36
3.3.4 Mult icanal ización estadística 37
3.4 Conceptos básicos en redes ATM 37
3.4.1 Operación básica de conmutadores ATM 40
3.4.2 Señalización y direccionamiento en ATM 45
3.5 B-ISDN/ATM 48
3.5.1 Modelo de referencia 48
3.5.2 Capa física 52
3.5.3 Capa ATM 52
3.5.4 Capa de adaptación ATM (AAL) 53
3.5.5 Las capas ATM y las capas del modelo de referencia OSI 66
3.6 Problemas a resolver en ATM 66
3.6.1 Control de la congestión y QoS 66
3.6.2 Multicasting en ATM 68
3.7 Perspectivas ATM 71
3.8 Sumario 71
Capítulo 4. Simulación de un conmutador ATM
Introducción 73
4.1Descripción funcional del modelo 74
4.1.1 Conmutador 74
4.1.2 Nodo terminal 75
4.1.3 Establecimiento de la conexión 75
4.2 Estructura genérica de un nodo ATM en el modelo 76
4.2.1 Conmutador ATM genérico 77
4.2.2 CPEs (nodos terminales) 80
4.3 Descripción de celdas, buffers y patrones de tráfico 83
4.4 Políticas de admisión de llamada y estrategias de almacenamiento temporal 86
4.5 Implementación del conmutador ATM 87
4.6 Procedimiento de señalización 89
4.7 Resultados del modelo simulado y su discusión 95
4.8 Sumario 97
Capítulo 5. Conclusiones y trabajos futuros
5.1 Conclusiones 98
5.2 Trabajos futuros 100
Referencia bibliográfica 101
iii
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
3.17 Modelo del protocolo de las subcapas AAL
V
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
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
SIGLAS Y ABREVIATURAS
ABR
AAL
ATM
AU
B-ISDN
BOM
CBDS
CBR
CCITT
CDT
CDV
CLP
CMISE
COM
CPCS
CPCSUU
CPI
CRC
CS
CSI
DCC
DQDB
EOM
FDDI
FDM
FM
FSK
GFC
HEC
HVC
IP
IT
ITU-T
LAN
LANE
LI
LTE
LVC
MID
MPEG
NIC
NNI
OAM&P
OC
OSI
Available Bit Rate
ATM Adaptation Layer
Asynchronous Transfer Mode
Administrative Unit
BroadBand Integrated System Digital Network
Begining of Message
Connetionless Broadband Data Services
Constant Bit Rate
Comité Consultatif International Télégraphique et
Téléphonique
Cell Delay Time
Cell Delay Variation
Cell Loss Priority
Common Management Information Service Elements
Continuation of Message
Common Part Convergence Sublayer
CPCS User-to-User
Common Part Indicator
Cyclic Redundance Code
Convergence Sublayer
Convergence Sublayer Indicator
Data Communication Channel
Distributed Queued Dual Bus
End of Message
Fiber Distributed Data Interface
Frecuency División Multiplexing
Frecuency Modulation
Frecuency Shift Keying
Generic Flow Control
Header Error Control
Higher-order Virtual Container
Internet Protocol
Information Type
International Telecomunication Union -Telecomunication
Sector
Local Area Network
LAN Emulation
Length Indicator
Line Terminating Equipment
Lower-order Virtual Container
Multiplexing Identifier
Motion Pictures Experts Group
Network Interface Card
Network-Network Interface
Operation, Administration, Maintenance and Provisioning
Optical Carrier, u Optical Channel
Open System Interconnection
vii
PCM
PDH
POH
PTE
PT
PVC
QoS
SAAL
SAR
SC
SDH
SDT
SMDS
SN
SOH
SONET
SPE
SSCS
STE
STM
STS
SVC
TDM
UBR
UDT
UNI
VBR
VC
VCC
VCI
VP
VPC
VPI
VT
WAN
Pulse Code Modulation
Plesynchronous Digital Hierarchy
Path Overhead
Path Terminating Equipment
Payload Type
Permanent Virtual Connection
Quality of Service
Signaling AAL
Segmentation and Reassembly
Secuence Counter
Synchronous Digital Herarchy
Structured Data Indicator
Switched Multimegabit Data Service
Secuence Number
Section Overhead
Synchronous Optical Network
Synchronous Payload Envelope
Service Specific Convergence Sublayer
Section Terminating Equipment
Synchronous Transpon Module
Synchronous Transpon Signal
Switched Virtual Connection
Time División Multiplexing
Unespecifíed Bit Rate
Unstructured Data Indicator
User-Network Interface
Variable Bit Rate
Virtual Container ó Virtual Channel
Virtual Channel Connection
Virtual Chanel Identifíer
Virtual Path
Virtual Path Connection
Virtual Path Identifíer
" Virtual Tributary
Wide Area Network
viii
CAPITULO 1
Introducción
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
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
CAPITULO 2
SONET/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
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
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
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 encabezadoy 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
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
• 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
i
ÍDS-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
Mult
SO
(Fl
^^•M^
^^^^•M
•B^^^M
icanalizador Multicanalizador Multicanalizador
NET/SDH Add-drop SONET/SDH
HE + LTE) (LTE) (PTE + LTE)
Repetidor Repetidor
G
s Sección
STb)
MIM
(STE
M
/N
Sección Sección
Línea
Ruta
)
Sección
1
1
Tei
Línea
D
Figura 2.4 Jerarquía física SONET/SDH
8
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
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
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
unavariedad de servicios de diferentes velocidades de transmisión.
11
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 de
carga 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
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
•̂ ^-
Encabezado
de Sección
(3 renglones)
Encabezado
de Linea
(6 renglones)
OH
de
Ruta
Envase de carga
útil 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
9 Renglones
90 Columnas
Tramas
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
Encabezado
de sección
Encabezado
de línea
Contenedor
Virtual-4
(VC-4 = C-4+POH)
Encabezado
de Ruta
Figura 2.8 Contenedor virtual de orden 4
14
- 270 Bytes
Encabezado
de Sección
Encabezado
de línea \
A j
B|
°l
H.
"í
°,
°1
°n
z .
A ,
h 1
B Z
2l
»l
h <
"í
*!
*2
£ ,
°2
H2
K ,
D5
°.
°1,
Z J
*2
"2
Z 2
*2
" 2
*2
C1
^1
D3
H3
Ka
°6
DS
D,¡
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,
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 SONET
STS-N
STS-1
STS-3
STS-9
STS-12
STS-1 8
STS-24
STS-36
STS-48
Trama
OC-N
OC-1
OC-3
OC-9
OC-12
OC-1 8
OC-24
OC-36
OC-48
Tasa Mbps
51.84
155.52
466.56
622.08
933.12
1244.16
1866.24
2488.32
Tabla 2.2 Equivalencia entre las tasas SONET y SDH.
16
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
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 unSTM-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
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
Encabezado
de
Sección
Encabezado
de
Línea.
¡•'rammiiig
Al
BIP-8
Bl
DCC
DI
Apuntador
Hl
BIP-8
B2
DCC
D4
DCC
D7
DCC
DIO
Uso futuro
Zl
I'romming
A2
Ordenvire
El
DCC
D2
Apuntador
H2
APS '
Kl
DCC
D5
DCC
D8
DCC
Dll
Uso futuro
72
STS-ID
Cl
Usuario
Fl
DCC
D3
Apuntador
H3
APS
K2
DCC
D6
DCC
D9
DCC
D12
Orderwire
E2
Trace
Jl
BIP-E
B3
Etiqueta
C2
Estado
Gl
Usuario
F2
Multi-trama
H4
Uso futuro
Z3
Uso futuro
Z4
Uso futuro
Z5
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
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
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
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 byteH4 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
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
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 O
9 renglones
Trama 1
9 renglones
3 Columnas
87 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
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 de
justificación
negativa)
Apuntador
decremenlado
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 de
justificación
positiva)
Trama i + 2
incrementado
en I
Trama i + 3
30 (ü) I
30 (0) |
30 (+) i
31(0) |
1
!
i
N
I
i
u
3** ni i
i i
' \
i
H
Figura 2.14 Principio de la utilización de los apuntadores
26
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
CAPITULO 3
Modo 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 integradoy 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
31
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 útil
VPI - Identificador de ruta virtual CLP - Prioridad de pérdida de celda
VCI - 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 útil
VCI - 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
32
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 camposdel 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
33
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
Receptor
E1
M«E M
o Comparar
M = Mensaje
E, E' = Código de detección de error
f = Función del código de detección de error
Figura 3.3 Proceso de detección de error
34
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].
35
5 Bytes Encabezado
53 Bytes Celda ATM
POH Indicador de
posición de celda
* M!
4¡!
Mapeo de flujos de
celdas ATM en VC-4
r~i u •—i
•....iTI 71 .1 J
H4
E
T 7
%T
Trama
VC-4
260 Bytes Contenedor VC-4
X X
1 1 1 1 1
Indicador de posición de celdabyte H4
1 2 3 4 5 6 7 8
XX - 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].
36
Ranura
de
tiempo
ocupada
Ranura
de
tiempo
no usada
H Canal 1 h Canal 1 H Canal 5 H Canal no
usado
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.
37
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
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 celdas
ATM asociadas por un único valor identificador.
Un medio de transporte unidireccional de celdas ATM entre un punto donde
se es asignado un valor VCI y el punto donde el valor es modificado o
terminado.
Identifica un enlace VC particular para un VPC dado.
Una concatenación de enlaces VC que se extiende entre dos puntos donde
la capa de adaptación es accedida. Los VCCs tienen el propósito de
transferir información usuario a usuario, usuario a red, o red a red. Para
celdas pertenecientes a el mismo VCC, se preserva la integridad en la
secuencia de celdas.
Término genérico usado para describir transporte unidireccional de celdas
ATM que pertenecen a canales virtuales que están asociados por un valor
identificador único y común.
Un grupo de enlaces VC, identificados por un valor común de VPI, entre un
punto donde un valor VPI es asignado y el punto donde ese valor es
modificado o terminado.
Identifica un enlace VP particular.
Una concatenación de enlaces VP que se extiende entre el punto donde los
valores VCI son asignados y el punto donde esos valores son modificados o
removidos. Los VPCs tienen el propósito de transferir información usuario a
usuario, 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
39
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.
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
Sección de
regeneración
Punto de conexión terminal de los niveles
corresDóndientes
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
40
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
Conmutador
ATM
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
Punto
terminal VPC
VCI21
VCI22
VCI21
VCI22
?1— , —
VPI
aJjJ-
VPI
1
22
| .
VPI
3
?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
VCI24
VCI 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
conmutación de circuitos (como la red telefónica).
\
Conexión virtual conmutada (SVC, Switched Virtual Connection). Esta es una conexión que se establece
"automáticamente"