Simulación de un Conmutador ATM

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(1)

Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey Campus Monterrey

Monterrey, Nuevo León a Febrero de 2005.

Lic. Arturo Azuara Flores:

Director de Asesoría Legal del Sistema

Por medio de la presente hago constar que soy autor y titular de la obra titulada “Simulación de un Conmutador ATM”, en los sucesivo LA OBRA, en virtud de lo cual autorizo al Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey (EL INSTITUTO) para que efectúe la divulgación, publicación, comunicación pública, distribución y reproducción, así como la digitalización de la misma, con fines académicos o propios al objeto de EL INSTITUTO.

El Instituto se compromete a respetar en todo momento mi autoría y a otorgarme el crédito correspondiente en todas las actividades mencionadas anteriormente de la obra.

De la misma manera, desligo de toda responsabilidad a EL INSTITUTO por cualquier violación a los derechos de autor y propiedad intelectual que cometa el suscrito frente a terceros.

PEDRO MENA ANGELITO

(2)

Simulación de un Conmutador ATM

Title

Simulación de un Conmutador ATM

Authors

Mena Angelito, Pedro

(3)

Abstract

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 multicasting. 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.

Discipline

Ingeniería y Ciencias Aplicadas / Engineering & Applied

Sciences

Item type

Tesis

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(4)

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Dr. Rogerio Enríquez Caldera

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Ingeniería y Ciencias

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Campus Morelos

Rights

Open Access

Downloaded

18-Jan-2017 07:14:30

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(6)

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

(7)

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

(8)

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 hermanos

Blanca, Miguel,

 Fernando

 y

 mí

 abuelita,

(9)

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.

P a p á , Mamá, les agradezco que me ñauan alentado a continuar  h a s t a 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 extra­asesorías, 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 e­mail, tan valiosa para

trabajar con SMURP H..

(10)

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  j o r n a d a s de diarias acerca del amor, las mujeres u la

vida.

A mi gran amigo Héctor, por su  a p o y o y por ver la vida casi desde la

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

A mis  a m i g o s de Fesno # 1, en  e s p e c i a l a  G e r a r d o , 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:  E s m e r a l d a , Juanita, Gaby

S a l i n a s , Gaby Rivera,  M a d e r a , Moo, Poncho, Miguelón, Miguel de

O l a r t e , Chandomí,  A l f r e d o ,  F e r ,  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  p a r t e , por el apoyo que me ka

(11)

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!

(12)

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.

(13)

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

(14)

3.3.1 La celda UNI y NNI 31 3.3.2 Segmentación de celda 35 3.3.3 Multicanalización asincrona 36 3.3.4 Multicanalización 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 4.1 Descripción 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

(15)

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

(16)

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

(17)

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

(18)

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

(19)

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

(20)

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

(21)

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.

(22)

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 cuasi­síncrona.

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

(23)

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

(24)

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

(25)

encabezado de sección (SOH, Section Overhead) que incluye una "palabra de alineamiento" para identificar el inicio de la trama e información adicional requerida para administración vde la capa de sección y

adaptación a las capas de ruta [SEXT92].

La carga útil de una trama síncrona es acomodada dentro de contenedores virtuales de orden alto (HVC, Higher order Virtual Container) los cuales constan de encabezado y carga útil, 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].

(26)

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.

(27)

• 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 r ÍDS-1.

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)

M

IM

(STE M /N Sección Sección Línea Ruta ) Sección

1

1

Tei Línea

D

(28)

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 dispositivo 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.

(29)

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 intra­oficina, 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

(30)

2.4 Propuestas de SONET/SDH

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

1. Establecer un formato de multicanalización estándar usando como bloques de construcción cualquier número de señales de 51.84 Mbps. Debido a que cada bloque de construcción puede transportar una señal DS-3, se define como el estándar para cualquier sistema de transmisión de gran ancho de banda que se desarrolle.

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

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

4. Definir un formato de multicanalización síncrona para transportar señales digitales de bajo nivel (pertenecientes a la PDH). La estructura síncrona simplifica la interfaz a los conmutadores digitales, conmutadores digitales con conexión de cruzada (digital cross-connect switch) y multicanalizadores

"add/drop".

5. Establecer una arquitectura flexible capaz de dar soporte a aplicaciones futuras tal como B-ISDN con una variedad de servicios de diferentes velocidades de transmisión.

(31)

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

(32)

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.

(33)

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

(34)

- 270 Bytes

Encabezado de Sección

Encabezado de línea \

A j B | °l H . °, °1 °n z . A , h1 BZ 2 l »l h < * ! * 2 £, °2 H2 K , D5 °. °1, ZJ * 2 " 2 Z2 * 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

(35)

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

(36)

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

(37)

contenedor de orden 2 aún no tiene un uso definido, mientras que el contenedor de orden 1 puede ser utilizado para transportar señales PDH de 1.544 Mbps o 2.048 Mbps.

A su vez las TU son multicanalizadas en grupos de unidades tributarlas (TUG, Tributary Unit Group), que posteriormente son multicanalizadas en los contenedores de orden alto, que junto con un relleno de bits si es necesario, son alineadas en unidades administrativas (AU, Administrative Unit). Estas últimas son multicanalizadas en grupos de unidades administrativas (AUG, Administrative Unit Groups), que serán multicanalizadas dentro de un STM-N. Este proceso puede ser visualizado en la figura 2.11.

1.5/2 Mbps 34/45 Mbps 140 Mbps

C-1,0-3, C-4

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

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

AUG SOH STM-1 STM-N

XN

: Contenedor

: Contenedor virtual de orden N : Encabezado de ruta : Unidad tributaria de orden N : Grupo de TUs de orden N : Unidad administrativa : Grupo de AUs

: Encabezado de sección. : Trama síncrona de orden 1 : Trama síncrona de orden N : N unidades a multicanalizar

(38)

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.

(39)

Encabezado de Sección Encabezado de Línea. ¡•'rammiiig A l 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

(40)

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].

(41)

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 STS­1 (de un STS­N) con Ja función de coordinar Ja

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

protección [SEXT92].

(42)

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

v

Son utilizados para comunicación entre líneas como parte de un canal de 576 Kbps usado para transmitir mensajes de control, monitoreo y alarmas, en la misma manera en que se utilizan los DCCs en el encabezado de sección.

Bytes de uso reservado (Zly Z2)

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

Byte E2

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

Encabezado de ruta

En cada trama de 9x90 bytes, se reserva una columna dentro de la carga útil que es utilizada por el encabezado de ruta. Los bytes Jl, B3, C2 y Gl pueden ser clasificados dentro de la primera recomendación (capa del cliente) ó dentro de la segunda (independientes de la carga útil) de las recomendaciones mencionadas en la sección 2.5.3. El byte F2 es clasificado en la tercera recomendación, mientras que el byte H4 es usado en distintas maneras por diferentes capas del cliente, que pueden ubicarse dentro de la primero o la segunda recomendación. Los bytes Z3 a Z5 son reservados para uso futuro, y pueden ser asignados a cualquiera de las otras tres recomendaciones existentes.

Tratamiento de ruta (byte J1)

Este byte desempeña una función de trazamiento y validación de ruta, transmitiendo una palabra de 64 bytes con la finalidad de verificar la conexión al dispositivo emisor por parte del equipo terminador de ruta (PTE, path-termitating equipment) receptor.

(43)

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

(44)

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

(45)

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

*+

ii

|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**

n

i i

i i

' \

i

H

(46)

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.

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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 integrado y como una infraestructura.

3.1 Evolución hacia ATM

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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

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

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

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

estandarización de ATM han suprimido el reordenamiento de celdas en ATM (celdas con un orden secuencial previo), lo cual implica una forma de almacenamiento temporal (buffering) simple, que puede ser satisfecha con estructuras de memoria FIFO en lugar de RAM. Sin embargo el requisito de celdas ordenadas hace más difícil algunos aspectos de diseño de los conmutadores [PART93].

3.3 Teoría de operación

Toda información que ha de ser transmitida en una red ATM debe ser dividida o segmentada en paquetes denominados celdas, las cuales constan de 48 bytes de información denominada carga útil, acompañada a información referente al destino, al tipo de celda y a su prioridad, agrupada en un encabezado de celda de 5 bytes. Por el tipo de interfaces definidas en ATM (UNÍ y NNI) existen dos tipos de formatos de encabezados destinados a identificar el tipo de conexión que ha de procesar el conmutador para cada celda específica, a continuación se presenta el formato de cada una de ellas.

3.3.1 La celda UNÍ y NNI

La figura 3.2 (a) muestra la estructura de la celda de 53 bytes definida para la interfaz UNÍ, y la (b) muestra la interfaz NNI, consistiendo de 48 bytes de carga útil y 5 bytes de encabezado. El encabezado de la celda NNI tiene un formato similar al de la UNÍ, salvo dos excepciones: no contiene un campo de control de flujo

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

reservados para el campo de prioridad de pérdida de celda (CLP, Cell Loss Priority), en el encabezado de celda NNI están asignados a un incremento del campo del identificador de canal virtual (VPI, Virtual Path Identifier). El encabezado de celda indica la dirección lógica de ésta mediante dos identificadores: el

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

UNÍ y NNI; y el VPI, ocupando 8 bits en el encabezado de la celda UNÍ y 12 en el de la celda NNI. Estos identificadores son muy importantes, dado que los conmutadores ATM harán su trabajo (conmutar celdas) en base a ellos, examinándolos en cada celda que llega a sus puertos de entrada. Si solo se conmuta en base al VPI de las celdas, se está realizando una conexión denominada conexión de ruta virtual (VPC, Virtual Path Connection), pero si se conmuta en base a ambos identificadores (VPI/VCI) se efectúa una conexión

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llamada conexión de canal virtual (VCC. Virtual 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

Figure

Fig. 2.1 Principios de multicanalización síncrona
Fig. 2.1 Principios de multicanalización síncrona p.25
Figura 2.7 Estructura lógica de las tramas SONET STS-N

Figura 2.7

Estructura lógica de las tramas SONET STS-N p.33
Figura 2.9 Equivalencia entre tramas SONET y SDH

Figura 2.9

Equivalencia entre tramas SONET y SDH p.34
Figura 2.10 Formación de un STM-4

Figura 2.10

Formación de un STM-4 p.36
Figura 2.11 Multicanalización de señales de tasa menor a las SDH

Figura 2.11

Multicanalización de señales de tasa menor a las SDH p.37
Figura 2.12 Encabezado de la trama SONET

Figura 2.12

Encabezado de la trama SONET p.39
Figura 2.13 Posición relativa del SPE dentro de la trama STS-1

Figura 2.13

Posición relativa del SPE dentro de la trama STS-1 p.44
Figura 2.14 Principio de la utilización de los apuntadores

Figura 2.14

Principio de la utilización de los apuntadores p.45
Figura 3.2 Estructuras de celdas ATM UNÍ y NNI

Figura 3.2

Estructuras de celdas ATM UNÍ y NNI p.51
Figura 3.4 Mapeo de celdas ATM en un VC-4

Figura 3.4

Mapeo de celdas ATM en un VC-4 p.55
Tabla 3.1 Terminología de Rutas Virtuales/Canales Virtuales

Tabla 3.1

Terminología de Rutas Virtuales/Canales Virtuales p.58
Figura 3.8 Relación capa a capa jerárquica ATM

Figura 3.8

Relación capa a capa jerárquica ATM p.59
Figura 3.10 Conmutadores VP y VC

Figura 3.10

Conmutadores VP y VC p.61
Tabla 3.2 Modelo de Capas y Subcapas B-ISDN/ATM

Tabla 3.2

Modelo de Capas y Subcapas B-ISDN/ATM p.70
Tabla 3.3 Tipos de protocolos de las capas de adaptación ATM

Tabla 3.3

Tipos de protocolos de las capas de adaptación ATM p.75
Figura 3.17 Modelo del protocolo de las subcapas AAL

Figura 3.17

Modelo del protocolo de las subcapas AAL p.76
Figura 3.18 Realización de PDUs en la subcapa CS

Figura 3.18

Realización de PDUs en la subcapa CS p.77
Figura 3.20 AAL tipo 3/4

Figura 3.20

AAL tipo 3/4 p.80
Figura 3.21 (b) Estructura de un SAR-PDU tipo 3/4

Figura 3.21

(b) Estructura de un SAR-PDU tipo 3/4 p.82
Figura 3.23 Ejemplo de transmisión del tipo AAL 5

Figura 3.23

Ejemplo de transmisión del tipo AAL 5 p.84
Figura 3.24 Multicasting vía servidor multicast

Figura 3.24

Multicasting vía servidor multicast p.88
Figura 3.25 Multicasting vía conexiones punto a multipunto overlay

Figura 3.25

Multicasting vía conexiones punto a multipunto overlay p.88
Figura 3.27 Conmutador multicast ATM 4 x 4 en cascada

Figura 3.27

Conmutador multicast ATM 4 x 4 en cascada p.89
Figura 3.26 Conmutador multicast ATM 4 x 4

Figura 3.26

Conmutador multicast ATM 4 x 4 p.89
Figura 4.2 Máquina de estados del proceso Output

Figura 4.2

Máquina de estados del proceso Output p.97
Figura 4.3 Máquina de estados del proceso Source

Figura 4.3

Máquina de estados del proceso Source p.99
Figura 4.4 Máquina de estados del proceso Destination

Figura 4.4

Máquina de estados del proceso Destination p.100
Figura 4.5 Máquina de estados de la generación del patrón tráfico de datos

Figura 4.5

Máquina de estados de la generación del patrón tráfico de datos p.103
Figura 4.6 Máquina de estados de la generación del patrón tráfico de video

Figura 4.6

Máquina de estados de la generación del patrón tráfico de video p.104
Figura 4.9 Gráfica de retraso-rendimiento del conmutador simuladoen esta tesis y del conmutador con buffers en las salidas.

Figura 4.9

Gráfica de retraso-rendimiento del conmutador simuladoen esta tesis y del conmutador con buffers en las salidas. p.114