Análisis de Rendimiento de una Red Experimental ATM Edición Única

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(1)Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey Campus Monterrey División de Electrónica, Computación, Información y Comunicaciones. Programa de Graduados en Electrónica, Computación, Información y Comunicaciones. Los miembros de este comité de tesis recomendamos que la presente tesis del Ing. Jaime Tapia Torres sea aceptada como requisito parcial para obtener el grado académico de: Maestro en Ciencias en Ingeniería Electrónica con especialidad en Telecomunicaciones Comité de tesis. Ramón M. Rodríguez Dagnino, Ph. D. Asesor. José R. Rodríguez Cruz, Ph. D.. M.C. Art. Sinodal. Aguilar Coutiño. Sinodal. Aprobada. . D. Director del programa SEPTIEMBRE 2002.

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(4) INSTITUTO TECNOLÓGICO Y DE ESTUDIOS SUPERIORES DE MONTERREY CAMPUS MONTERREY. PROGRAMA DE GRADUADOS EN ELECTRÓNICA, COMPUTACIÓN, INFORMACIÓN Y COMUNICACIONES. ANÁLISIS DE RENDIMIENTO DE UNA RED EXPERIMENTAL ATM. TESIS PARA LA MAESTRÍA EN CIENCIAS EN INGENIERÍA ELECTRÓNICA CON ESPECIALIDAD EN TELECOMUNICACIONES JAIME TAPIA TORRES. MONTERREY, N. L.. SEPTIEMBRE 2OO2.

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(6) INSTITUTO TECNOLÓGICO Y DE ESTUDIOS SUPERIORES DE MONTERREY CAMPUS MONTERREY PROGRAMA DE GRADUADOS EN ELECTRÓNICA, COMPUTACIÓN, INFORMACIÓN Y COMUNICACIONES. ANÁLISIS DE RENDIMIENTO DE UNA RED EXPERIMENTAL ATM. TESIS PARA LA MAESTRÍA EN CIENCIAS EN INGENIERÍA ELECTRÓNICA CON ESPECIALIDAD EN TELECOMUNICACIONES JAIME TAPIA TORRES. MONTERREY, N. L.. SEPTIEMBRE 2002.

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(8) Dedicatoria. A la familia Tapia Romero, Por un futuro lleno de alegría.. 111.

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(10) Agradecimientos A Dios, por darme la alegría de disfrutar de esta hermosa aventura a la que llamamos vida.. A mi patria, por darme la oportunidad y el orgullo de ser mexicano.. A Itza, por su amor, tiempo y comprensión.. A mis padres por su dedicación, paciencia y ejemplo.. A mis profesores, amigos y compañeros del CET, por ayudarme a crecer como ser humano y profesionista.. AI Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología y al Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey, por la oportunidad de cursar mis estudios de posgrado.. A todos ellos. Gracias.. IV.

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(12) Resumen El tema relacionado con los sistemas de redes de comunicación es extenso y complicado. Es necesario un exhaustivo estudio para pretender esquematizar y estimar el comportamiento que este tipo de redes presenta bajo un entorno de operación real.. Dentro del amplio mundo de las redes de comunicaciones, se encuentran aquellas consideradas como de alta velocidad, que son capaces de soportar el envío de información perteneciente a distintos géneros, tales como el visual, el audible, y los datos.. El trabajo presentado en esta tesis describe el funcionamiento que presenta una red de alta velocidad, la cual opera bajo una tecnología de ATM LAN Emulation, los elementos que la conforman, y sus diferentes maneras de implementarse. Así mismo, se presentan mediciones realizadas físicamente sobre una red experimental propuesta para este estudio, en donde se analiza el comportamiento de la misma bajo entornos experimentales que soportan el envío de vídeo en tiempo real.. Por último, se realiza una comparación entre los resultados obtenidos en esta tesis y los presentados en otros estudios, con el fin de hacer evidentes diferencias entre los sistemas y dispositivos de medición utilizados en las diferentes investigaciones, y proporcionar una adecuada justificación ante tales variaciones..

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(14) Contenido Capítulo 1. 1. Introducción. 1. 1.1. Objetivo. 2. 1.2. Justificación. 2. 1.3. Organización. 2. Capítulo 2. 3. Redes ATM. 3. 2.1. Transporte de celdas. 4. 2.2. Trayectorias virtuales y canales virtuales. 4. 2.3. Control de admisión de conexión. 6. 2.4. Control de tráfico. 6. 2.5. Estructura de la red y sus elementos. 6. Capítulo 3. 11. Conmutación. 11. 3.1. Generalidades. 11. 3.1.1. Conmutación y multiplexión. 11. 3.1.2. El multiplexor estadístico. 13. 3.1.3. Tipos de conmutación. 16. 3.1.3.1. Primera generación de conmutación. 16. 3.1.3.2. Segunda generación de conmutación. 17. 3.1.3.3. Tercera generación de conmutación. 18. 3.1.4 3.2. Matriz de conmutación. 19. Conmutación ATM. 3.2.1. 20. Requerimientos funcionales. 20. 3.2.1.1. Consideraciones en el plano de usuario. 20. 3.2.1.2. Consideraciones en el plano de control. 21. 3.2.1.3. Consideraciones en el plano de administración. 21. 3.2.1.4. Consideraciones en el control de tráfico. 24. 3.2.2 3.2.2.1. Arquitectura de los conmutadores ATM Módulos de entrada. 24 24. vi.

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(16) 3.2.2.2. Módulos de salida. 25. 3.2.2.3. Matriz de conmutación. 25. 3.2.2.4. Control de admisión de conexión. 26. 3.2.2.5. Administración del sistema. 26. 3.2.2.6. Colas de espera a la entrada ó a la salida. 27. 3.2.3. El conmutador LightStream 1010. 3.2.3.1. Funciones del sistema. 28 28. 3.2.3.1.1. Direccionamiento y operación Plug and Play. 29. 3.2.3.1.2. Señalización. 29. 3.2.3.1.3. Ruteo. 30. 3.2.3.1.4. Administración de tráfico. 30. 3.2.3.1.5. Soporte de operación, administración y mantenimiento. 31. 3.2.3.1.6. Emulación LAN. 31. 3.2.3.1.7. Concentrado de características. 31. Capítulo 4. 33. Pruebas y resultados. 33. 4.1. Descripción del equipo. 33. 4.2. Entorno del experimento. 35. 4.3. Desarrollo del experimento. 36. 4.3.1. Fase 1. 37. 4.3.2. Fase II. 41. 4.3.3. Fase III. 44. Capítulo 5. 63. Conclusiones. 63. Apéndice A Resultados numéricos obtenidos. 65. Apéndice B Acrónimos. 67. Vil.

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(18) Lista de Figuras Figura 2.1 Ejemplo de una red ATM. 3. Figura 2.2 Vista conceptual de canales y trayectorias virtuales. 4. Figura 2.3 Ilustración de las diferencias entre enlaces y conexiones virtuales. 5. Figura 2.4 Estructura generalizada de una red. 7. Figura 3.1 Esquemas de multiplexión. 12. Figura 3.2 Conmutación punto a multipunto. 13. Figura 3.3 Esquema del multiplexor estadístico. 14. Figura 3.4 Estructura general de un paquete de multiplexor estadístico. 15. Figura 3.5 Primera generación de conmutación. 17. Figura 3.6 Segunda generación de conmutación. 18. Figura 3.7 Tercera generación de conmutación. 19. Figura 3.8 Esquema general de un conmutador ATM. 20. Figura 3.9 Inclusión del módulo CAC. a) señalización que pasa a través de la matriz de conmutación, b) señalización que evita la matriz de conmutación. 22. Figura 3.10 Localización del módulo SM. a) celdas OAM que pasan a través de la matriz de conmutación, b) celdas OAM que evitan la matriz de conmutación. 23. Figura 3.11 Ejemplo de bloqueo HOL. 27. Figura 4.1 Esquema general de la red LAN utilizada para el experimento[10]. 35. Figura 4.2 Configuración particular de la red experimental. 36. Figura 4.3 Segmento analizado para la obtención de estadísticas. 37. Figura 4.4 Estadísticas de la red medidas en el segmento de interés. 38. Figura 4.5 Tasa de transmisión para el canal virtual aislado. 39. Figura 4.6 Estadísticas del canal virtual en observación. 39. Figura 4.7 Utilización del canal virtual en observación. 40. Figura4.8 Estadísticas de la red para la Fase II. 41. Figura 4.9 Tasa de transmisión para el canal virtual en observación. 42. Figura 4.10 Estadísticas del canal virtual utilizado para la Fase II. 42. Figura 4.11 Utilización del canal virtual en observación. 43. Figura 4.12 Compresión CellB a 160*120 pixels. 45. Figura 4.13 Compresión CellB a 320*240 pixels. 45. VIH.

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(20) Figura 4.14 Compresión CellB a 640*480 pixels. 46. Figura 4.15 Tasa de transmisión para CellB a 160*120 pixels. 46. Figura 4.16 Tasa de transmisión para CellB a 320*240 pixels. 47. Figura 4.17 Tasa de transmisión para CellB a 640*480 pixels. 47. Figura 4.18 Tasa de transmisión para JPEG a 320 *240 pixels. 47. Figura 4.19 Tasa de transmisión para CellB a 160*120 pixels utilizando el analizador de red. 48. Figura 4.20 Tasa de transmisión para CellB a 320*240 pixels utilizando el analizador de red. 48. Figura 4.21 Tasa de transmisión para CellB a 640*480 pixels utilizando el analizador de red. 49. Figura 4.22 Tasa de transmisión para JPEG a 320*240 pixels utilizando el analizador de red. 49. Figura 4.23 Comparación entre sniffer y Showme TV para CellB a 160* 120 pixels con poco movimiento. 50. Figura 4.24 Comparación entre sniffer y Showme TV para CellB a 320*240 pixels con poco movimiento. 50. Figura 4.25 Comparación entre sniffer y Showme TV para CellB a 640*480 pixels. 50. con poco movimiento. 50. Figura 4.26 Comparación entre sniffer y Showme TV para CellB a 160*120 pixels con videoconferencia. 51. Figura 4.27 Comparación entre sniffer y Showme TV para CellB a 320*240 pixels con videoconferencia. 51. Figura 4.28 Comparación entre sniffer y Showme TV para CellB a 640*480 pixels con videoconferencia. 51. Figura 4.29 Comparación entre sniffer y Showme TV para JPEG a 320*240 pixels con poco movimiento. 52. Figura 4.30 Comparación entre sniffer y Showme TV para JPEG a 320*240 pixels con videoconferencia. 52. Figura 4.31 Cliente LANE en una terminal [12]. 55. Figura 4.32 Datagrama UDP (cantidades expresadas en bits). 56. Figura 4.33 Cabecera IP (cantidades expresadas en bits). 56. Figura 4.34 Frame LAÑE Ethernet. 57. Figura 4.35 Frame de ATM sobre SONET (mapeo a STS-3c y cantidades expresadas en bytes). 57. IX.

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(22) Lista de Tablas Tabla 2.1 Valores de tasas de bit Tabla 3.1 Concentrado de características del LightStream 1010. 9 32. Tabla 4.1 Comparación de resultados para CellB entre los datos proporcionados por el software ShowMeTV y el analizador de red. 53. Tabla 4.2 Comparación de resultados para JPEG entre los datos proporcionados por el software ShowMeTV y el analizador de red. 54. Tabla 4.3 Secuencia de agregado de bits en un cliente LAÑE. 58. Tabla 4.4 Secuencia de agregado de bits en un cliente LANE considerando bits de relleno. 59. Tabla 4.5 Secuencia de agregado de bits CellB a 320*240 pixels con 15 fps y poco movimiento. 59. Tabla 4.6 Secuencia de agregado de bits CellB a 640*480 pixels con 25 fps y poco movimiento. 59. Tabla 4.7 Secuencia de agregado de bits CellB a 160*120 pixels con 20 fps y videoconferencia. 60. Tabla 4.8 Secuencia de agregado de bits CellB a 320*240 pixels con 5 fps y videoconferencia. 60. Tabla 4.9 Secuencia de agregado de bits CellB a 640*480 pixels con 30 fps y videoconferencia. 60. Tabla 4.10 Secuencia de agregado de bits JPEG a 320*240 pixels con 25 fps y poco movimiento ....60 Tabla A.l Resultados del software ShowMe TV con CellB a 160*120 pixels, datos en Kbps. 65. Tabla A.2 Resultados del software ShowMe TV con CellB a 320*240 pixels, datos en Kbps. 65. Tabla A.3 Resultados del software ShowMe TV con CellB a 640*480 pixels, datos en Kbps. 65. Tabla A.4 Resultados del software ShowMe TV con JPEG a 320*240 pixels, datos en Kbps. 66. Tabla A.5 Resultados del analizador de red con CellB a 160*120 pixels, datos en Kbps. 66. Tabla A.6 Resultados del analizador de red con CellB a 320*240 pixels, datos en Kbps. 66. Tabla A.7 Resultados del analizador de red con CellB a 640*480 pixels, datos en Kbps. 66. Tabla A.8 Resultados del analizador de red con JPEG a 320*240 pixels, datos en Kbps. 66.

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(24) Capítulo 3 Conmutación 3.1 Generalidades La conmutación puede ser entendida como la función que realiza uno o varios elementos dentro de una red para trasladar la información recibida desde varias entradas multiplexadas hacia determinadas salidas. La entidad encargada de realizar tal función es conocida como conmutador, que almacena, analiza y rutea las unidades de información (PDUs: Payload Data Unit) que llegan a los puertos de entrada, y los canaliza hacia su correspondiente puerto de salida.. De forma general, el conmutador está constituido de los siguientes elementos: •. Red de interconexión.. •. Controlador de entrada (IC) por cada línea.. •. Controlador de salida (OC) por cada salida. Debido a que varias unidades de información pueden competir simultáneamente por el mismo recurso de salida, ocasionando colisiones internas en el conmutador y posibles pérdidas de información, es necesario considerar dentro de los elementos del conmutador al buffer, con la intención de almacenar la información que está en conflicto y encaminarla hacia su puerto de salida una vez que el recurso se haya liberado.. 3.1.1 Conmutación y multiplexión Debido a la relación existente entre la conmutación y la multiplexión, es necesario distinguir los aspectos concernientes a cada función. La multiplexión se refiere a la forma en que se comparte un solo medio físico por varios flujos de información, provenientes de diferentes fuentes. Por su parte, un conmutador obtiene la información de diferentes entradas multiplexadas, y la envía a una salida apropiada. En suma el conmutador reposiciona información de una fuente multiplexada a una salida también multiplexada. Por lo tanto, básicamente la conmutación es una red interconectada de multiplexores[2].. La conmutación es proporcionada por la traslación de información multiplexada que puede seguir los siguientes esquemas de multiplexión: 11.

(25) Espacio. Tiempo. Frecuencia. Dirección. Código.. La representación gráfica de cada uno de estos esquemas se muestra en la figura 3.1. Espacio. Frecuencia. Tiempo. II ti fl. B. £2. X2 t3. _x_ nnn TI T2 T3. f4. Código. Dirección. AD. AD: Address multiplexingposition. Figura 3.1 Esquemas de multiplexión. Con referencia a la figura 3.1, podemos mencionar que cada unidad de información con una posición de multiplexión que entra al conmutador, es llevada hacia una unidad de información correspondiente en el lado de salida del conmutador, con una posición de multiplexión diferente[2], es decir, cada punto a la entrada corresponde a un punto en la salida. Si se considera el esquema de multiplexión de espacio mostrado en la figura anterior, es posible apreciar que para cada una de las entradas X corresponde una salida Y, no importando que dentro del conmutador se presenten cambios de dirección o cruce de líneas, considerándose este principio en los demás esquemas mostrados. A este tipo de conmutación se le conoce con el nombre de punto a punto. 12.

(26) Otra manera de realizar la conmutación es la llamada punto a multipunto, en donde una unidad de información a la entrada corresponde a múltiples salidas (función broadcast o multicast). En la figura 3.2 se hace una representación gráfica de este caso. Tomando como referencia el esquema de conmutación en espacio presentado en al figura 3.2, para una entrada X se presentan múltiples salidas Y, es decir, un flujo de información que llega al conmutador, se replicará para ser entregado a diferentes salidas y poder llegar a destinos diferentes. Este mismo principio es apreciado en los demás esquemas presentados en la figura. Espacio XI. nnn ti. Código {al,a4,a7}. Ü. t3. Dirección. {b3,b5,b8} {c2,cé,c9} {dO,d2,d8}. AD. AD: Address multiplexingposition. Figura 3.2 Conmutación punto a multipunto. 3.1.2 El multiplexor estadístico El multiplexor estadístico cuenta con un cierto número de líneas de entrada de un lado y una sola línea de alta velocidad del otro. Cada línea de entrada tiene un buffer asociado a ella. Se puede entonces decir que existen n líneas de entrada y k ranuras de tiempo disponibles en un paquete, donde k<n.. En el lado de entrada, el multiplexor revisa cada uno de los buffers, acumula información hasta que el paquete es llenado y posteriormente lo manda. 13.

(27) En la figura 3.3 se muestra un ejemplo de la forma de operación del multiplexor estadístico. En este esquema se presentan cuatro fuentes que producen datos en cuatro tiempos distintos (to, ti,t2, t3). Durante el primer tiempo, sólo se envían ranuras para A y B, en el segundo tiempo las ranuras enviantes son B y C, y así sucesivamente hasta completar todos los tiempos. Es posible apreciar que esta asignación interactiva de información nos proporcionan un ancho de banda extra durante la transmisión, haciendo posible el ahorro de este ancho de banda en la capacidad instalada del conductor que transporta la señal multiplexada. Cabe mencionar que la relevancia de la posición de cada ranura no es considerada, ya que los datos distribuidos en el paquete son acomodados de una manera impredecible, y es necesario el uso de información de direccionamiento para su correcta entrega.. La función más importante del multiplexor estadístico es la de manejar los datos transparentemente con el menor retardo posible. Debido a que cada canal de usuario es multiplexado dinámicamente, los paquetes de cada usuario deben ser acomodados de una manera tal que el receptor pueda interpretarlos adecuadamente, por tal motivo, se hace necesario el análisis de la estructura del paquete.. B V. r. Dato. I •. Aj. H 5]. B Bj. Segundo ciclo. Ancho de banda extra. I. Figura 3.3 Esquema del multiplexor estadístico 14. Dirección.

(28) Dependiendo de los bits de encabezado y del nivel de actividad de cada usuario, la longitud del paquete se verá afectada. Se puede considerar una estructura generalizada de un paquete como se muestra en la figura 3.4. Bajo este esquema, el encabezado está formado por caracteres bandera, de control, bytes de chequeo de redundancia cíclica (CRC), y bytes de direccionamiento mezclados entre los datos.. Es necesario considerar como aspecto importante dentro del tema de desempeño a la longitud del paquete. Dado que el receptor no puede obtener en su totalidad un paquete entrante hasta que el CRC pase el control de error, el hecho de que existan paquetes muy grandes ocasiona que los datos tengan que ser analizados durante períodos extensos de tiempo [3], y en consecuencia el retardo generado es considerable. B andera. 8 bits. C ontrol. Campo de datos de longitud variable. 16. Control. CRC. 8. Id. Figura 3.4 Estructura general de un paquete de multiplexor estadístico. Una fórmula general para obtener la longitud de un paquete puede ser derivada de la siguiente forma: Sea F. = Longitud del paquete (bits).. OH. = Encabezado en el paquete (bits).. L. = Carga de datos en el paquete (bit/s).. C. = Capacidad del enlace (Bit/s).. Asumiendo que L>C, se puede observar que L/C es el porcentaje de utilización, y 1 - L/C es la porción vacía del ancho de banda o el encabezado. Para convertir la porción de encabezado a bits se multiplica por la longitud del paquete.. 3.1. Despejando F 15.

(29) (C-L). 3.1.3 Tipos de conmutación Debido a que el tema en consideración en esta tesis es ATM, las técnicas de conmutación discutidas en este punto se limitan a la conmutación de paquetes, ya que es este esquema el que toma un carácter trascendente en la conmutación referente a las redes ATM.. A diferencia de la conmutación de circuitos, en este esquema de conmutación los paquetes que arriban a los puertos de entrada portan un campo destino, que les permite ser almacenados y posteriormente transmitidos. En consecuencia, el destino de un paquete entrante no está en función de su tiempo de arribo, por lo tanto, el conmutador analiza la cabecera del paquete para determinar su adecuado puerto de salida[4].. Para efectos de concordancia con los términos usados en el ambiente de los sistemas ATM, de ahora en adelante se le denominará celdas a los paquetes manejados por el conmutador.. Las diferentes formas de llevar a cabo la conmutación de paquetes pueden ser catalogadas en tres tipos o técnicas básicas. En esta tesis dichos tipos se consideran como generaciones de conmutación1 y se considera cada una de ellas a continuación.. 3.1.3.1. Primera generación de conmutación. Este tipo de conmutación también es conocido como memoria compartida, y consta simplemente de una computadora con múltiples tarjetas de línea, como se muestra en al figura 3.5. Constantemente el procesador monitorea las tarjetas de línea para saber si ha arribado una celda. Una vez que llega una celda, el procesador analiza la información de la cabecera, la compara con su tabla de ruteo, y destina la celda al apropiado buffer de salida.. 1. Se hace referencia a la palabra generación como concepto de evolución en la capacidad de conmutación, no en. el tipo de tecnología aplicada. 16.

(30) La ventaja de este tipo de conmutadores es su facilidad de construcción, pero su bajo rendimiento debido a los cuellos de botella ocasionados por las limitaciones" en la capacidad del procesador o el bus de entrada/salida lo hacen poco rentable. 3.1.3.2. Segunda generación de conmutación. La segunda generación de conmutación utiliza un concepto de medio compartido. Como se muestra en la figura 3.6, un bus de alta velocidad interconecta tanto las entradas como las salidas. Una computadora central asegura que solo una celda a la vez viaje a través del bus. El conmutador hace uso del VPI(Virtual Path Identifier)/VCI(Virtual Channel Identifier) de cada celda para encontrar la adecuada salida para cada una de ellas.. BusE/S Tarjeta de línea. Tarjeta de línea. Tarjeta de línea. Figura 3.5 Primera generación de conmutación. 2. Las limitaciones de cuello de botella en los conmutadores de primera generación cambian a medida que. cambia la tecnología de sus componentes.. 17.

(31) Control ador de bus. Figura 3.6 Segunda generación de conmutación. Es evidente que el problema de esta generación de conmutación es el cuello de botella ocasionado en el bus compartido, ya que si consideramos que cada tarjeta de línea tiene un ancho de banda de "b", tomando en cuenta N tarjetas de línea, entonces el bus debe de contar con una capacidad en ancho de banda de "bN".. Algunos conmutadores comerciales en la actualidad tales como el FORE Systems ASX 200, el GTE SPAnet, o el Cascade B-STDX 9000 utilizan este esquema de conmutación.. 3.1.3.3. Tercera generación de conmutación. En esta generación, el bus compartido utilizado en la segunda generación, es substituido por una matriz de conmutación. Cuando las celdas arriban a un puerto de entrada son etiquetadas con un identifícador de puerto de salida, por medio de un dispositivo denominado port mapper, al mismo tiempo que son dirigidas hacia la matriz de conmutación. Las celdas son automáticamente direccionadas hacia el correspondiente puerto de salida, es por eso que a la matriz de conmutación se le denomina como autoenrutable.. El cuello de botella en esta generación de conmutación depende de la posición que tomen los buffers dentro del conmutador, ya sea a la entrada o a la salida del mismo3. La figura 3.7 muestra la estructura de esta generación de conmutación.. 3. Este tema se discutirá más ampliamente en la sección 3.2.2.6. 18.

(32) N salidas 4•. 4>. 4>. 4. i. é. N entradas A. A. 4>. 4>. 41. •. Figura 3.7 Tercera generación de conmutación. 3.1.4 Matriz de conmutación La matriz de conmutación es el dispositivo que transfiere las celdas desde los puertos de entrada hasta los puertos de salida. Dentro de las estructuras más conocidas de matrices de conmutación se encuentra el arreglo denominado crossbar.. En la figura 3.7 se muestra un arreglo cuadrado de N entradas por N salidas. El número de puntos de cruce es igual a N 2 y se puede presentar cualquier combinación de N o menos conexiones simultáneas sin bloqueo[5]. El número "s" de etapas es igual a 1 y el número de puntos de cruce es:. C(l)=N2. 3.3. Además del arreglo crossbar4 existen otras configuraciones5 de matriz de conmutación que son modificaciones del crossbar ó presentan desarrollos distintos, siendo responsabilidad de los fabricantes comerciales elegir la más conveniente para cubrir sus necesidades.. Un amplio estudio de este tipo de arreglos es realizado en [5]. Una descripción detallada de estas configuraciones se presenta en [4]. 19.

(33) 3.2 Conmutación ATM 3.2.1 Requerimientos funcionales Para un completo análisis del conmutador ATM, se deben de tomar en consideración los planos conformantes del modelo de referencia B-ISDN (Broadband Integrated Services Digital Network). Los diferentes flujos de información que circulan en una red ATM tienen diferentes propósitos y sugieren diferentes requerimientos funcionales dentro del conmutador[6], aunado a requerimientos adicionales tales como el control de tráfico.. Para la representación gráfica de los requerimientos funcionales del conmutador ATM, se considera el modelo ejemplificado en la figura 3.8.. Módulo de entrada. Módulo de salida Matriz de Conmutación N*N. Módulo. Módulo de salida. de entrada. Figura 3.8 Esquema general de un conmutador ATM. 3.2.1.1. Consideraciones en el plano de usuario. La principal función de un conmutador ATM es la de transportar las celdas del usuario desde los puertos de entrada hacia los correspondientes puertos de salida. El proceso de conmutación concierne únicamente a la información que se encuentra en la cabecera de cada celda, ya que la carga útil de información del usuario (payload) viaja invariable a través de la red. El conmutador procesa la cabecera de las celdas que arriban a los puertos de entrada, analizando los VPI(Virtual Path Identifier)/VCI(Virtual Channel Identifier) que se encuentran en dichas cabeceras, para posteriormente encaminar las celdas a los apropiados puertos de salida. 20.

(34) Dentro del transporte de las celdas podemos considerar tres funciones básicas, como se muestra en la figura 3.8. En la primera función las celdas arriban a los módulos de entrada. La segunda función concierne al ruteo de las celdas en la matriz de conmutación para posteriormente pasar a la tercera función que se encuentra en los puertos de salida.. 3.2.1.2. Consideraciones en el plano de control. El plano de control consiste en la señalización de la Capa de Adaptación ATM (AAL). La información del control de conexión es transportada por celdas de señalización identificadas por sus campos VPI/VCI. A diferencia de las celdas del usuario, la carga útil (payload) de las celdas de señalización no es transparente a la red, y la información de señalización debe ser procesada e interpretada por el conmutador ATM[6]. El conmutador debe ser capaz de diferenciar y separar las celdas de señalización de las celdas del usuario para posteriormente ejecutar las funciones AAL e interpretar la información de señalización.. Para el tratamiento de las celdas de señalización, el conmutador cuenta con un módulo especial denominado CAC, cuya integración es presentada en la figura 3.9. Las celdas de señalización pueden pasar del CAC a la matriz de conmutación y posteriormente a los puertos de salida (figura 3.9-a), o viajar del módulo CAC directamente a los puertos de salida (figura 3.9-b), evitando con ello el procesamiento en la matriz de conmutación.. 3.2.1.3. Consideraciones en el plano de administración. El plano de control hace referencia a las funciones de control y monitoreo de la red ATM, con el objeto de mantener un adecuado funcionamiento de la misma. Las funciones de este plano no han sido definidas completamente, pero con base en los estándares que son utilizados en la actualidad podemos definir las siguientes como las funciones de administración necesarias para la conmutación ATM: •. Administración de fallas: detectar aislar y reportar fallas en el conmutador.. •. Administración de funcionamiento: monitorear, evaluar y reportar el comportamiento de los elementos del conmutador.. •. Administración de configuración: activar o desactivar componentes del conmutador.. •. Administración de seguridad: regular el acceso y el control de la base de datos del conmutador.. •. Administración de tráfico: monitorear y regular el tráfico para prevenir congestión.. •. Administración de contabilidad: medir la utilización de los recursos del conmutador. 21.

(35) Como se muestra en la figura 3.10, las funciones antes mencionadas son procesadas en un módulo denominado sistema de administración (SM). El bloque SM está encargado de soportar los procedimientos de operaciones y mantenimiento (OAM). De manera similar a las celdas de señalización, las celdas OAM arriban a los puertos de entrada del conmutador y son tratadas por la matriz de conmutación, para posteriormente pasar al bloque SM, como se muestra en la figura 3.10a), o evitar la matriz de conmutación y realizar un flujo ininterrumpido entre los puertos de entrada/salida y el módulo SM (figura 3.10-b)). Dentro de los procedimientos OAM, el conmutador es el encargado de generar celdas OAM y mezclarlas entre las celdas de usuario del flujo de salida. Red de señalización. CAC. Módulo de entrada. Modulo de salida Matriz de Conmutación. Módulo de. Módulo de salida. mitrada. Red de señalización. CAC. Módulo de entrada. Módulo de salida Matiiz de Conmutación. Módulo de entrada. Módulo de salida. Figura 3.9 Inclusión del módulo CAC. a) señalización que pasa a través de la matriz de conmutación, b) señalización que evita la matriz de conmutación 22.

(36) Otra función del módulo SM es la de soportar la interfaz interina de administración local (ILMI) para cada UNÍ (User to Network Interface). La ILMI permite a los usuarios obtener información de estatus y control acerca de los VPC/VCC a través de su propia UNI[6]. CAC. SM i. Módulo de entrada. Módulo de entrada. Módulo de salida. fe. Matriz de Conmutación. Módulo de salida. fe. SM. CAC Á i. fe fe. Módulo de entrada. Módulo de salida. fe. M a t e de Conmutación fe. Módulo de entrada. Módulo de salida. Figura 3.10 Localización del módulo SM. a) celdas OAM que pasan a través de la matriz de conmutación, b) celdas OAM que evitan la matriz de conmutación. 23.

(37) 3.2.1.4. Consideraciones en el control de tráfico. Las funciones de control de tráfico que debe soportar el conmutador ATM incluye el control de admisión de conexión, parámetros de control uso/red y el control de congestión. Las funciones Usage Parameter Control (UPC)/Network Parameter Control (NPC) deben ser desarrolladas en los puntos de ingreso del conmutador. Las funciones de control de congestión son consideradas como parte del módulo SM.. 3.2.2 Arquitectura de los conmutadores ATM Dentro de la arquitectura general que guardan los conmutadores ATM podemos encontrar diferentes bloques funcionales, que fueron mencionados brevemente en la sección 3.2.1 y son imprescindibles para el funcionamiento de tales conmutadores. Estos bloques son los siguientes: •. Módulos de entrada: para recibir las celdas y prepararlas para un adecuado direccionamiento a través de la matriz de conmutación (SF).. •. Módulos de salida: que prepara a las celdas para la transmisión.. •. Matriz de conmutación: para rutear las celdas entre los puertos de entrada y de salida, así como el manejo de las celdas de señalización y mantenimiento entre los diferentes bloques del conmutador.. •. Control de admisión de conexión: Para aceptar o rechazar conexiones y procesar e interpretar información de señalización.. •. Administración del sistema: Para realizar las funciones de administración y control de tráfico.. Cabe mencionar que la distribución de los componentes del conmutador presentada en esta tesis no es la única, y otras distribuciones son posibles e igualmente válidas. 3.2.2.1. Módulos de entrada. Dentro de las funciones de estos módulos se encuentran: •. Conversión de una señal óptica a una eléctrica.. •. Recuperación del flujo de bits.. •. Delineación de celdas.. •. Descarte de celdas vacías.. Para que las celdas entrantes estén listas para ser procesadas por la matriz de conmutación, los módulos de entrada deben realizar las siguientes operaciones sobre ellas: 24.

(38) Control de error en la cabecera de la celda por medio del campo HEC (Header Error Control). Validación y traducción de los valores de los VPI/VCI. Determinar el puerto de salida. Clasificación de las celdas de señalización para su posterior traslado al módulo de control de admisión de conexión (CAC). Clasificación de las celdas de administración y su posterior traslado al módulo de administración del sistema (SM). Agregar una etiqueta interna. Establecer parámetros de control uso/red para cada VPC/VCC.. Dentro de los puntos antes mencionados destaca la adición de una etiqueta a la celda, esto con el propósito de agregar información tal como puerto de salida destino, tolerancia a retardos, número de secuencia de celda, control de error para el payload, entre otros6. Debido a que las etiquetas existen solo durante la estancia de las celdas en el conmutador, es decisión del fabricante determinar la estructura de dichas etiquetas.. 3.2.2.2. Módulos de salida. Por razones obvias, se puede mencionar que los módulos de salida realizan las operaciones inversas a los módulos de entrada, pero el principal objetivo de los módulos de salida es el de preparar las celdas para la transmisión física.. 3.2.2.3. Matriz de conmutación. En general, la matriz de conmutación es la encargada de transferir las celdas entre los diferentes bloques que conforman el conmutador. De manera particular, la matriz de conmutación se encarga de rutear las celdas desde los módulos de entrada hasta los módulos de salida.. Además del ruteo de celdas, la matriz de conmutación puede realizar otras funciones tales como: •. Almacenamiento de celdas (buffering).. •. Multiplexión de tráfico.. •. Tolerancia a fallas.. 6. Una descripción detallada de los bloques aquí tratados se puede encontrar en [6]. 25.

(39) •. Operaciones de difusión broadcast o multicast.. •. Calendarización de celdas dependiendo de prioridades de retardo.. •. Aceptar o descartar celdas dependiendo de prioridades de pérdida.. •. Monitoreo de congestión.. 3.2.2.4. Control de admisión de conexión. El bloque CAC se encarga de todas aquellas funciones relacionas con las conexiones a nivel de VC/VP. Dichas funciones se mencionan a continuación: •. Protocolos de señalización en capas superiores.. •. Funciones de señalización AAL (ATM Adaptation Layer) para interpretar o generar celdas de señalización.. •. Interfaz con la red de señalización.. •. Negociación con los contratos de tráfico de los usuarios.. •. Asignación de recursos para los VPCs/VCCs.. •. Decisiones de admisión o rechazo para los requerimientos de VPCs/VCCs.. •. Generación de parámetros Usage Parameter Control (UPC)/Network Parameter Control (NPC).. 3.2.2.5. Administración del sistema. Dentro de las complejas operaciones que realiza el módulo de administración del sistema se encuentran: •. Operación y mantenimiento (OAM) de la capa física.. •. OAM de la capa ATM.. •. Administración de la configuración de los componentes del conmutador.. •. Control de seguridad de la base de datos del conmutador.. •. Mediciones de utilización de los recursos del conmutador.. •. Administración de tráfico.. •. Administración de la interacción usuario-red.. •. Soporte de la administración de la red.. 26.

(40) 3.2.2.6. Colas de espera a la entrada ó a la salida. Como se mencionó en la sección 3.1.3.3, uno de los problemas más importantes a resolver dentro del tema de la conmutación ATM es aquel relacionado a múltiples celdas que quieren utilizar al mismo tiempo una misma salida del dispositivo. Este problema nos lleva a pensar en el tema de colas de espera.. Para manejar el problema de competencia por el mismo recurso, se puede tomar en cuenta la inclusión de buffers a la entrada o a la salida del conmutador7.. Es ya comprobado que una utilización de buffers a la salida es preferible, ya que los buffers a la entrada ocasionan degradación en el desempeño (throughput) [7]. Para la demostración de esta conclusión se hace uso del siguiente ejemplo8. Considerando la figura 3.11 se puede reconocer un conmutador de 2 X 2 con buffers a la entrada. Supóngase que dos celdas localizadas a la cabeza de cada uno de los buffers desea salir por el puerto 2. Debido a que solo una de ellas puede ser atendida la otra queda en modo de espera. Supóngase que la celda de la entrada 2 es elegida para la transmisión, y la celda de la entrada 1 es bloqueada. Claramente podemos observar que la celda detrás de la celda bloqueada desea utilizar el puerto de salida 1, que en ese momento se encuentra libre, por lo tanto, las dos celdas se encuentran bloqueadas degradando el desempeño (throughput) del conmutador.. Bloqueada. t. El. SI. E2. S2. S aleccionada. Figura 3.11 Ejemplo de bloqueo HOL. 7. El esquema de buffers internos también es aplicado en varios tipos de conmutación. 27.

(41) A este fenómeno se le conoce como bloqueo HOL (Head of Line).. 3.2.3 El conmutador LightStream 1010 El LightStream 1010 es un conmutador de la compañía Cisco, desarrollado para trabajar con tecnología ATM, bajo ambientes LAN y/o backbone de un campus[8]. Está diseñado para soportar las últimas especificaciones del Foro ATM, y trabaja bajo el sistema operativo Cisco System's Internetwork (IOS™).. Este conmutador cuenta con un chasis de 5 ranuras (slots), donde la ranura central está designada para el módulo de procesamiento del conmutador ATM (ASP), que contiene 5 Mbps de memoria compartida y una matriz de conmutación sin bloqueo. El ASP soporta también un procesador de instrucciones reducidas de alto rendimiento (RISC), que hace la función de inteligencia central del dispositivo.. Las ranuras restantes están diseñadas para trabajar con módulos especiales denominados CAM. Cada CAM soporta módulos adaptadores de puerto (PAM) que pueden interactuar con diferentes interfaces de área amplia, computadoras y backbone[8].. El LightStream 1010 provee conexiones individuales ATM a estaciones de trabajo, servidores, otros conmutadores ATM y ruteadores, utilizando fibra óptica, par trenzado (UTP) y cable coaxial [8].. 3.2.3.1. Funciones del sistema. A continuación se realiza una descripción de las operaciones que soporta el dispositivo LightStream 1010, para conmutar las celdas ATM a través de una red.. Operaciones soportadas: •. Direccionamiento y operación Plug and Play.. •. Señalización.. •. Ruteo.. •. Administración de tráfico.. ' Una completa demostración matemática es realizada en [7]. 28.

(42) Soporte de operación, administración y mantenimiento. Emulación LAN. IP clásico sobre ATM. Administración de la red.. 3.2.3.1.1. Direccionamiento y operación Plug and Play. El LightStream 1010 está preconfigurado con prefijos de dirección ATM de Cisco. Estos prefijos son combinados con una de las direcciones de control de acceso al medio (MAC), con el fin de desarrollar un identificador de nodo único. Estos identificadores son utilizados para configurar el sistema de enlace final y para activar automáticamente la jerarquía de ruteo PNNI, llegando con esto a ofrecer una operación real de Plug and Play.. El conmutador también reconoce automáticamente cualquier tipo de módulo de puerto conectado al módulo portador, y si el PAM es del mismo tipo que el que estaba conectado anteriormente, automáticamente se restaurará cualquier configuración de interfaz específica y los PVCs que se hallan salvado en memoria. Cuando se presenta un reinicio de sistema (reboot), el conmutador restaurará cualquier tipo de información de configuración almacenada en memoria no volátil.. El LightStream 1010 hace uso del protocolo ILMI para reconocer automáticamente la naturaleza de cualquier nueva interfaz ATM, eliminando con esto cualquier configuración manual.. 3.2.3.1.2. Señalización. El LightStream tiene un soporte integrado del Foro ATM, cumpliendo con la señalización UNÍ 3.0/3.1. Todos los elementos del estándar UNÍ son soportados, incluyendo las capacidades de señalización punto a punto y punto-multipunto, así como también el protocolo ILMI. El ILMI utiliza el mecanismo SNMP a través del cual todas las interfaces identifican automáticamente cuál de sus interfaces es UNÍ o NNI; además de diferenciar enlaces entre una red privada y una red pública. Toda esta información es utilizada por los protocolos de ruteo ATM para descubrir y establecer una red de conmutadores LightStream 1010 [8].. La señalización UNÍ es utilizada, entre otras cosas, por los sistemas terminales ATM para informar al conmutador de la clase de calidad de servicio y características de tráfico deseadas para una nueva conexión, y la aceptación o rechazo de la petición de conexión. Con la integración del soporte de señalización ATM en el módulo ASP, se asegura un alto rendimiento junto con una buena confiabilidad, ya que no es necesario el uso de un procesador externo de señalización. 29.

(43) 3.2.3.1.3. Ruteo. El conmutador es capaz de soportar el ruteo de las peticiones de señalización a través de la red de conmutadores, utilizando distintos protocolos de ruteo. Dos estándares de protocolo de ruteo han sido desarrollados por el Foro ATM, el ESP (Interim Inter-Switch Signaling Protocol) y el PNNI (Private Network to Node Interface) versión 1. El LightStream puede trabajar con ambos protocolos, y el que está designado por omisión es el ESP.. IISP: este protocolo realiza una combinación de ruteo estático y señalización UNÍ, y es más apropiado para pequeñas redes de conmutadores.. PNNI: este protocolo ha sido diseñado para escalar grandes redes ATM, y puede soportar mecanismos para hacer posible la escalabilidad y la calidad de servicio basado en el ruteo de petición de conexiones.. Dentro de los atributos que soporta la implementación PNNI de Cisco se encuentran: •. Robustez administrativa.. •. Variación de retardo de celda pico a pico para conexiones CBR y VBR.. •. Retardo máximo de transferencia de celda para conexiones CBR y VBR.. •. Tasa de celda disponible por clase.. •. Máxima tasa de celda por interfaz.. •. Máxima tasa de pérdida para la prioridad de pérdida de la celda (CLP), en conexiones CBR y VBR.. •. Margen de tasa de celda.. •. Factor de variación.. 3.2.3.1.4. Administración de tráfico. El conmutador LightStream 1010 tiene la capacidad de manejar los siguientes mecanismos, para permitir calidad de servicio sobre demanda para todas las clases de tráfico ATM y todos los tipos de capa de adaptación ATM (AAL): •. Monitoreo de tráfico.. •. Múltiples niveles de prioridad. 30.

(44) •. Rechazo inteligente de paquetes.. •. Control de admisión de conexión.. •. Paso de tráfico.. Muchas de estas capacidades se encuentran concentradas en el módulo ASP.. 3.2.3.1.5. Soporte de operación, administración y mantenimiento. El LightStream tiene un soporte total sobre la operación, administración y mantenimiento (OAM) del flujo de las celdas ATM. Estos flujos son los flujos F4 usados en las rutas virtuales, y los flujos F5 usados en los canales virtuales. Tales flujos de celdas pueden ser enviados sobre la demanda o en forma periódica, con el fin de evaluar la integridad de la conexión.. En adición a estas operaciones estándar OAM, el conmutador 1010 es capaz de manejar pings OAM, con el objeto de evaluar la integridad de cualquier conmutador intermedio perteneciente a una conexión dada, desde cualquier punto que forme parte de la conexión.. 3.2.3.1.6. Emulación LAN. El conmutador LightStream es capaz de conmutar redes LAN sobre una red ATM, ofreciendo a los usuarios LAN servicios ATM. La emulación LAN (LAÑE) hace una extensión de la VLAN a través de la red, estableciendo conexiones entre clientes y servidores.. 3.2.3.1.7. Concentrado de características. Características. UNÍ NNI. PVCC. Diferentes tipos de conexión. PVPC SPVCC SPVPC SVCC 31.

(45) SVPC VP tunneling punto-punto punto-multipunto AOM Diferentes categorías de. CBR. servicio VBR i. ABR UBR. j. ILMI (UNÍ 3.0/3.1) ;. Señalización UNÍ Señalización NNI. IISP PNNI. LAÑE ver. 1.0 IP sobre ATM soporte de diferentes. 155 Mbps. interfaces. SONET fibra multimodo SONET fibra monomodo UTP. 45Mbps. coaxial DS-3. 34Mbps. coaxial E-3 SONET fibra monomodo OC-12. Tabla 3.1 Concentrado de características del LightStream 1010. 32.

(46) Capítulo 1 Introducción El Modo de Transferencia Asincrona (Asynchronous Transfer Mode) es una tecnología de conmutación (switching), basada en unidades de datos de un tamaño fijo de 53 bytes llamadas celdas[l].. ATM no está basado en un tipo específico de medio de transmisión sino que se ha diseñado para que sea compatible con el ya existente en las redes físicas actuales. Así, puede utilizarse sobre fibra óptica, par trenzado, cable coaxial y en todo tipo de sistemas. Asimismo, permite interfaces de operación en un rango amplio de velocidades. Este rango hace posible el desarrollo de aplicaciones de gran velocidad sin necesidad de cambiar la infraestructura de comunicación existente, y permitiendo una fácil migración desde los sistemas de velocidades más bajas utilizados actualmente.. En una red ATM las comunicaciones se establecen a través de un conjunto de dispositivos intermedios llamados conmutadores. Otras tecnologías LAN existentes en el mercado como Ethernet, Token Ring y FDDI usan frames de longitud variable o paquetes para transmitir datos de la fuente al destino. ATM por su parte, usa celdas de longitud fija de 53 bytes para transmitir datos, voz y vídeo sobre LANs y WANs.. La conmutación de paquetes, que utiliza el ancho de banda sólo cuando hay tráfico de datos, se desarrolló para gestionar el tráfico a ráfagas de datos. Sin embargo, los sistemas de conmutación de paquetes no se comportan de manera adecuada en el caso de tráfico bidireccional en tiempo real, como el vídeo interactivo. ATM supera esta limitación gracias a la utilización de celdas, que son paquetes de longitud fija (53 bytes) en lugar de emplear paquetes de longitud variable. De esta manera el procesamiento en cada nodo de conmutación ATM se simplifica haciendo que los retardos sean despreciables, además, el tráfico de voz y vídeo puede asegurarse con cabeceras de prioridad, permitiendo la posibilidad de mezclarse con datos sin disminuir la calidad de recepción.. El transporte de vídeo en las redes de computadoras es una de las necesidades primordiales en los requerimientos actuales de la comunicación a distancia, con el fin de optimizar tiempo y recursos de las instituciones. Existen varios tipos de compresión de vídeo que permiten ahorrar buenas cantidades de recursos en el costoso ancho de banda. Dada la importancia de este tipo de métodos de compresión, el presente trabajo hace estudio de los métodos CellB y JPEG, desarrollados por las empresas SUN y Join Photographic Expert Group respectivamente..

(47) 1.1 Objetivo El objetivo de esta tesis es el de establecer parámetros de medición en las tasas de transmisión de información en una red experimental ATM por medio de herramientas de hardware, y su posterior comparación con resultados obtenidos bajo otros mecanismos en investigaciones pasadas, con base en la realización de lecturas en un segmento de la red, bajo cargas de trabajo que consideran el transporte de vídeo, utilizando diferentes métodos de compresión tales como CellB y JPEG.. 1.2 Justificación En los últimos años se ha observado un rápido crecimiento en las redes de alta velocidad, dando pie con esto a desafíos y problemas en cuanto a su rendimiento se refiere.. Aunque en la actualidad existen varias soluciones propietarias para construir redes de alto rendimiento, las tecnologías que se pueden considerar como de propósito general, tal como ATM, están siendo ampliamente utilizadas por las industrias con el fin de implementar ambientes de redes computacionales que sean de alto rendimiento, y que puedan ser escalables.. Debido a las grandes expectativas que ATM ha formado, es necesario que se tengan parámetros y datos de medición que nos den la información sobre el desempeño de los ambientes que operen bajo ATM, así como comparar tales parámetros con datos obtenidos en anteriores investigaciones, y presentar una objetiva justificación para las diferencias entre mediciones realizadas en el pasado y las correspondientes a la presente tesis, en caso de que éstas se presenten.. 1.3 Organización La estructura general de esta tesis está diseñada con el propósito de que el lector encuentre en primera instancia una descripción de parámetros generales sobre ATM, que se utilizan en el capítulo de medición y análisis del rendimiento de la red bajo evaluación.. En el capítulo dos se mencionan aspectos esenciales dentro del tema de redes ATM, así como una descripción de los elementos que conforman tales redes. En el capítulo tres se desarrollan las generalidades de la conmutación y de la conmutación ATM, incluyendo la mención de las características del conmutador Cisco LightStream 1010. En el capítulo 4 se hace la descripción del entorno experimental utilizado en esta investigación, así como las mediciones realizadas a la red bajo observación. Por último se presentan conclusiones hechas con base en los resultados obtenidos en el experimento..

(48) Capítulo 2 Redes ATM En la actualidad es necesario integrar en un esquema único de comunicaciones los diferentes servicios ofrecidos por las redes, entendiendo como servicios a todos aquellos por los cuales el usuario paga. Este es el concepto primordial para la creación de una red integral de comunicaciones de banda ancha (Broadband Integrated Services Digital Network: B-ISDN) la cual conlleva al desarrollo del modo de transferencia asincrona (ATM) como el modo de transferencia capaz de soportar todos estos servicios.. Una red ATM puede ser considerada como una colección de dispositivos ATM (conmutadores, multiplexores, concentradores) conectados entre sí, con el propósito de proveer funciones de transporte de información de las capas ATM y física [2]. En la figura 2.1 se ejemplifica una red ATM.. Conmutador ATM. NNI Público //. TTVTT. Terminal A. U JNi. /. Conmutador ATM. /. \ \. /. / '. P úblico. \. Conmutador ATM NNI Publico. NNI \. NNI Público. Conmutador ATM. \ \. UNÍ \. NNI Privado NNI: Network to Network Intarface UNÍ: User to NetWork Interface.. \. \. Conmutador ATM. Figura 2.1 Ejemplo de una red ATM. Terminal B.

(49) 2.1 Transporte de celdas La red ATM realiza la función de transporte de celdas provenientes de la capa ATM, la cual a su vez recibe 48 bytes de información que son adicionados a una cabecera, y posteriormente encapsulados en una celda. El transporte de celdas ATM comprende los siguientes aspectos: •. Encapsular y desencapsular celdas.. •. Inserción y extracción de celdas vacías.. •. Procesamiento relacionado a las cabeceras de las celdas (traducción de VPI/VCI).. •. Multiplexión y concentración.. •. Control genérico de flujo en la UNÍ.. 2.2 Trayectorias virtuales y canales virtuales En una cierta interfaz existen conexiones de trayectoria virtual identificadas por sus propios VPI (Virtual Path Identifier) y multiplexadas en la misma conexión física. Junto con la trayectoria virtual existen conexiones de canal virtual, que cuentan con sus propios identificadores VCI (Virtual Channel Identifier) [1]. Lo anterior es mostrado gráficamente en la figura 2.2.. Trayectoria virtual. Capa física. Canal virtual Figura 2.2 Vista conceptual de canales y trayectorias virtuales. El establecimiento de una conexión desde una terminal a otra recae sobre el requerimiento de una serie de enlaces desde el origen hasta el destino. Al conjunto de enlaces de canal virtual establecidos entre dos puntos se le conoce con el nombre de conexión de canal virtual (VCC). El canal virtual es 4.

(50) identificado por medio de un identificador de canal virtual (VCI), que forma parte de la cabecera de la celda [1]. Una trayectoria virtual (VP) agrupa un conjunto de enlaces de canal virtual que tienen el mismo destino. Varios enlaces de trayectoria virtual en conjunto forman una conexión. Una trayectoria virtual es identificada por un identificador de trayectoria virtual (VPI) que forma parte de la cabecera de la celda.. Dentro de una conexión ya sea de canal o de trayectoria virtual, el VPI y VCI tienen un valor particular, pero éste cambiará dependiendo del correspondiente enlace como se muestra en la figura 2.3. Terminales de la conexión de canal virtual. Q. o. Conexión de canal virtual. 4Conexión de canal virtual. 1 1. Conmutador VP. Conexión de trayectoria virtual. Conexión de canal virtual. Conmutador VC. Conexión de trayectoria virtual w. o. w. Conexión de trayectoria virtual. O. Terminales de la conexión de trayectoria virtual Figura 2.3 Ilustración de las diferencias entre enlaces y conexiones virtuales. 1.

(51) 2.3 Control de admisión de conexión El transporte de las celdas en una red ATM al nivel de canales y trayectorias virtuales es orientado a conexión. Las funciones de control de conexión en este tipo de redes incluyen las siguientes operaciones: •. Intercambio y señalización de información.. •. Admisión o rechazo de la conexión.. •. Asignación de recursos y determinación del ruteo.. •. Asignación y remoción de VPI/VCI.. Durante el control de admisión de conexión (CAC), el usuario determina sus requerimientos de calidad de servicio y el tipo de tráfico que maneja, la red por su parte se encarga de proveer los VCC/VPC necesarios y la calidad de servicio apropiada. Si el contrato de tráfico es concordante para el usuario y la red, la red comienza la asignación de recursos y parámetros de tráfico necesarios para el establecimiento de la conexión.. El establecimiento o rechazo de una conexión es una de las herramientas que ATM utiliza para realizar un adecuado control del flujo de tráfico.. 2.4 Control de tráfico Con el objeto de mantener una adecuada calidad de servicio para todas las conexiones, la red utiliza diferentes mecanismos para mantener un control sobre el flujo de tráfico, y dentro de estos mecanismos se encuentra como uno de los principales el CAC sobre los VPC/VCC. Algunos ejemplos de mecanismos de control de tráfico se mencionan a continuación: •. Parámetro de control de uso (monitoreo y asignación de tasas de tráfico de entrada).. •. Notificación de congestión hacia adelante (utilizando el campo de tipo de carga útil: payload type "PT").. •. Descarte selectivo de celdas (de acuerdo con el bit CLP).. •. Prioridades implícitas de servicio.. 2.5 Estructura de la red y sus elementos Dentro de una red de banda ancha se pueden considerar dos redes separadas, la correspondiente al equipo del usuario y la porción que forma parte de la red pública. Como se muestra en la figura 2.4, la 6.

(52) frontera entre las dos redes antes mencionadas es el punto T, y la estructura general de la red es prácticamente la misma que en una N-ISDN, a excepción de los dispositivos correspondientes ATM. PuntoS. Punto T NCS. Ar*v. —. NSC. T T7X. - TE. •. \ \. GW. C. X. GW. Acceso alaRed. Red de usuario. A. /. GW. Núcleo de la Red Redpública. ACX: Conmutador VP.. TA: Adaptador terminal.. GW: Puerta de acceso (gateway).. TE1: Equipo terminal con interfaz B-ISDN.. LEX: Intercambio local.. TE2: Equipo terminal sin interfaz B-ISDN.. NSC: Centro especializado de red.. TEX: Intercambio de tránsito.. NT: Terminación de red. Figura 2.4 Estructura generalizada de una red. Los equipos terminales y los adaptadores son conectados a la red pública a través del bloque NTl. Dentro de algunas premisas del usuario se pueden considerar las correspondientes al bloque NT2 como son las funciones del PBX. El bloque NTl provee un conjunto mínimo de funciones referentes a la conexión del equipo del usuario con la red pública. Como es mencionado anteriormente, el punto de referencia T es el punto que divide una red pública de una red privada.. Debido a las regulaciones de algunos países, los bloques NTl y NT2 se implementan por separado, pero por razones económicas es conveniente desarrollarlos en la misma implementación..

(53) El bloque NT1 concerniente al lado de la red pública, puede ser conectado directamente al bloque LEX o a una unidad remota. La unidad remota puede proveer funciones de conmutación sin la necesidad de que el bloque LEX contenga dichas funciones. El LEX puede ser conectado directamente a un bloque TEX que hace las funciones de un conmutador VP.. La funcionalidad de las premisas del usuario de la red está dividida entre los bloques NT1 y NT2. NT1 contiene un mínimo de funciones requeridas por los usuarios, y es requerida para la terminación de cualquier línea de usuario. Aquellos usuarios que requieran más de una línea de acceso a la red pública necesitarán un bloque NT1 por cada conexión. Dentro de las funciones del NT1 se encuentran aquellas necesarias para mantener las terminaciones físicas de la línea de acceso del usuario, junto con la transparencia con respecto a la señalización con la red pública, y funciones relacionadas con la generación y recepción de celdas de mantenimiento.. Las puertas de acceso (gateways) proveen una conexión hacia otro tipo de redes. Estas pueden ser implementadas en cualquier parte de la red por ejemplo los bloques TEX, LEX, premisas de usuario o inclusive combinaciones de éstas.. Las interfaces estandarizadas son aquellas que se encuentran en los puntos T y S. Estas interfaces pueden soportar diferentes requerimientos de servicio a diferentes tasas de bit (CBR ó VBR), incluyendo servicios de banda ancha y banda angosta. Una implementación B-ISDN puede omitir el bloque NT2 lo que es equivalente a no contar con un PBX, en este caso los puntos T y S serían uno mismo. Los valores de tasa de bit pertenecientes a la interfaz T son los siguientes: •. 155.52 Mbit/s: Esta interfaz es bidireccional con la misma tasa de bit en ambas direcciones.. •. 622.08 Mbit/s: Que se presenta de dos posibles maneras, una con una tasa de bit de 622.08 Mbit/s en una dirección y 155.52 Mbit/s en la otra, y la segunda una interfaz simétrica a 622.08 Mbit/s.. Es necesario recordar que estas tasas de bit no están disponibles para el usuario, ya que la velocidad es reducida debido a factores tales como el retardo de servicio, los requerimientos de almacenamiento (buffering), señalización, celdas AOM y cabeceras de la capa AAL. Algunos parámetros de tasas de bit son mostrados en la tabla 2.1.. Como se observa en dicha tabla, la tasa más alta de transmisión se encuentra en la capa física, y se presenta un decremento en esta tasa para las celdas ATM. Esto se presenta debido a que la transmisión en la capa física contempla los bits de encabezado (overhead) que pertenecen a esta capa, y si dichos bits son descartados, la tasa de transmisión es menor para las celdas ATM. Siguiendo esta misma idea, el decremento en la carga útil del usuario también debe ser considerado, además de contemplar que la tasa de transmisión para las celdas ATM debe soportar celdas de señalización y.

(54) mantenimiento de la red, ocasionando un decremento mayor en la tasa de transmisión para la carga útil (payload).. Tasa de bit más baja (kWt/s) 155520. Tasa de bit de la capa física. Jrtáximajtaj^^^ Máxima tasa de bit para la carga útil de 135631 la celda (payload). Tabla 2.1 Valores de tasas de bit. Tasa de bit más alta _ 622080 __________^990JO_ 542526.

(55) 10.

(56) Capítulo 4 Pruebas y resultados Con base en el objetivo de la presente investigación, se toma como primicia el establecer parámetros de medición en un entorno de red soportado por tecnología ATM, con el propósito de poder caracterizar el comportamiento de este tipo de redes bajo diferentes cargas de trabajo, que contemplan el envío de información tipo vídeo.. En el presente capítulo se desarrollan los pormenores de las pruebas realizadas en el transcurso de esta tesis, bajo diferentes circunstancias, y con el equipo y el escenario que se describe a continuación.. 4.1 Descripción del equipo Estaciones de trabajo: Nombre:. Wiener. Tipo:. Sun UltraSparc 60. Sistema operativo:. SunOS 5.7. Memoria:. 512 MB RAM. Dirección IP:. 131.178.26.43. Dirección LAÑE:. 131.178.107.89. Nombre:. Gabor. Tipo:. Sun UltraSparc 60. Sistema operativo:. SunOS 5.6. Memoria:. 512 MB RAM. Dirección IP:. 131.178.26.38. Dirección LAÑE:. 131.178.107.88. 33.

(57) Tarjeta de red: ForeRunner 200E NIC (Network Interface Card). Coprocesador Intel i960. Arquitectura Marconi SAR ASIC. ATM UNÍ 3.0/3.1, LAÑE 1.0, RFC 1577. Proceso de celdas por especificación ITU 1361/ ANSÍ T1S1 5/92-002R3. Soporte para AAL5 (ATM Adaptation Layer 5). Cableado: Dúplex 62.5 \imJ\25 îm fibra multimodo (2,000m max, lOdB de pérdida por km.).. Conmutador: El conmutador empleado para este experimento es el Cisco LightStream 1010. Este es un conmutador modular a 5 Gbps, diseñado para uso en grupos de trabajo o un campus, dependiendo de la naturaleza de las interfaces empleadas. El conmutador 1010 tiene un chasis modular de 5 ranuras con la opción de fuentes de poder duales tolerantes a fallas y de carga compartida. La ranura central en el 1010 está dedicada a un módulo sencillo reemplazable ASP (ATM switch processor) que soporta memoria compartida de 5Gbps, una matriz de conmutación sin bloqueo, y un procesador RISC de alto desempeño. El módulo ASP puede ser escalable en campo, permitiendo al conmutador seguir con los cambios en las especificaciones ATM. Las ranuras restantes pueden soportar hasta cuatro módulos intercambiables (CAMs), cada uno con soporte para 2 módulos adaptadores de puerto (PAMs), permitiendo un máximo de 8 PAMs por conmutador. Los mecanismos de administración de tráfico pueden soportar ráfagas de tráfico de mejor esfuerzo, y entregar diferentes niveles de calidad de servicio. El mecanismo de control de congestión ABR (Available Bit Rate) permite al conmutador frenar fuentes de tráfico antes de que la congestión se vuelva excesiva. Soporta los protocolos Forum ATM para PNNI. Como aplicación de administración utiliza el ATM Director que puede ser integrado con plataformas de administración SNMP o totalmente independiente [9].. Una descripción más detallada de este tipo de conmutador es realizada en la sección 3.2.3.. Las mediciones realizadas en este experimento fueron obtenidas utilizando un dispositivo analizador de red Domino Internetwok Analyzer propiedad de Wandel & Goltermann9.. 9. Este tipo de dispositivo es comúnmente llamado sniffer. 34.

(58) 4.2 Entorno del experimento En la figura 4.1 se muestra un esquema general de la red del campus que sirve como base para la realización de este experimento. Podemos observar de manera aproximada el lugar que ocupa el conmutador LightStream 1010 en la red del campus y los enlaces que existen dentro de esta. El LightStream 1010 se encuentra situado en la parte derecha de la figura, y se encuentra enlazado con el resto del campus a través de una línea de fibra óptica con una tasa de transmisión de 155Mbps. La interconexión de los diferentes dispositivos que conforman la totalidad de la red se realiza mediante fibra óptica de diferentes capacidades.. En la parte inferior de la figura se muestran las velocidades en Mbps correspondientes a cada enlace dentro de la red tipo LAN del campus. Sanrribres. Académicos. 6,500 Nodos totales. 100 Nbpe 34 Mbps. MÍ ^ *9—éW. lGfcpS ifi hiaps ———— ,-• Sistanra L ITESH, SMKr 2-12 Mbps —_. internet. Figura 4.1 Esquema general de la red LAN utilizada para el experimento[10]. La configuración particular que tiene la red ATM en la que se realizan los experimentos es la mostrada en lafigura4.2.. 35.

(59) La fibra óptica utilizada para la interconexión mostrada en la figura 4.2, tiene las mismas características que la fibra que Ínterconecta al conmutador LightStream 1010 con el resto de la red LAN, obteniendo un ancho de banda de 155Mbps. Internet'1 Camp us. t Sabor. Wiener. LigfitStxeam 1010 ATM Switch. FO,SONET.155Mbps. FO.SONET.155Mbps. CORE. Figura 4.2 Configuración particular de la red experimental. 4.3 Desarrollo del experimento Las pruebas fueron desarrolladas en tres etapas o fases por separado, tomando en cuenta tres esquemas de experimentación. Cada una de las fases se describe en las siguientes secciones.. 1. El tipo de fibra utilizado es multimodo.. 36.

(60) 4.3.1 Fase I La primera fase experimental utiliza una transmisión de vídeo" originada por el software ShowMe TV propiedad de Sun Microsystems en la terminal denominada Gabor, y recibida por el software receptor del ShowMe TV en la terminal reconocida con el nombre de Wiener. Tal transmisión de vídeo opera bajo un sistema de difusión Multicast.. El segmento de red analizado durante las mediciones de ésta y las subsecuentes fases se muestra en la figura 4.3. Intemet/Campus. t iSabor. Wiener. LigitStream 1010 ATM Switch. CORE. Figura 4.3 Segmento analizado para la obtención de estadísticas. 11. El vídeo transmitido es un archivo de extensión .mov repetitivo de una duración aproximada de 15 segundos. 37.

(61) Los resultados obtenidos para este esquema experimental se representan en las figuras 4.4, 4.5, 4.6 y 4.7.. En la figura 4.4 se describe la cantidad de celdas por segundo recibidas en el segmento medido, realizando un muestreo del estatus del segmento bajo observación en intervalos de un segundo. Se mencionan también datos como el valor promedio de las celdas por segundo recibidas y la cantidad máxima y mínima de celdas observadas durante el tiempo en que se realiza la medición.. RX1. Network Histoiy Mean = 2112 Cells/Sec, Min = 0 Cells/Sec, Max = 3405 Cells/Sec. Time. Figura 4.4 Estadísticas de la red medidas en el segmento de interés. 38.

(62) Per Channel Rates Rece i ver 1. r T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T L '. i^^û>nu]iAin^M. y)inV)U>V)inu)»U)U)inifíU)V)V)iAU)ioinii)iûiioiAu:tfíifl»v)Winu?u?i. Time. Figura 4.5 Tasa de transmisión para el canal virtual aislado. Per Channel Traffic Monitor Receiver 1 VPI = 0 VCI - 151 Mínimum = 381.35 Máximum = 1356.88 Average = 948.24 1769.6. ~. 1659X1 1548.4 1437.8 1327.2 1216.6. § 1106.0 | 995.4 J 884.8 | «. 774.2 663.6 553.0 442.4 331.8. 221.2 110.6 0.0. Y ZL.. t*~. ZL. ZJZ O). 00. KA O. ZSZ ÍN. -^. Azsz. <^. ^5". ZL.. (D. • o i ó i ú i ó i ú i ó i ü i ó i c ñ ó i w ip ip ip ir> in ip ir> in in o o ' c ó c r i. c o. ó o ' c o c o. í o. c o c o. co ói. w ó». C O C O C O O T i c o P O f O - e i ; en ó i ó> ó j ó í ó í o J ó CO. 00. CO. Figura 4.6 Estadísticas del canal virtual en observación. 39. CO. ÓO. CO. i. CO 00.

(63) Per Channel Utilization Receiver 1 0.8%. 99.2%. Figura 4.7 Utilización del canal virtual en observación. Es posible apreciar en la figura 4.4 que el comportamiento presentado en el flujo de celdas recibidas es estable, y sólo se presentan variaciones en las partes en donde la transmisión de vídeo inicia o termina.. En la figura 4.5 se puede apreciar el comportamiento que sigue el vídeo transmitido durante el experimento. Las mediciones para esta figura se muestran a una tasa de Kbps, muestreando el segmento bajo observación durante cada segundo, y las mediciones son las correspondientes al canal virtual por el cual viaja el vídeo.. En esta gráfica, al igual que la anterior, es posible apreciar una estabilidad en la transmisión, presentándose crestas y valles que guardan un patrón similar, y corresponden al inicio y final del vídeo transmitido.. En la figura 4.6 se muestran los siguientes datos para el canal virtual aislado por el cual viaja el flujo de información: •. Tasa de transmisión mínima. 40.

(64) •. Tasa de transmisión máxima.. •. Promedio de transmisión.. •. Comportamiento del tráfico sobre el canal en observación.. En la figura 4.7 se muestra la utilización que tiene el canal virtual en observación sobre el ancho de banda del segmento que es de intere's para el experimento realizado en esta tesis. El porcentaje de utilización del canal se presenta en 0.8%, y corresponde aproximadamente a la cantidad de Kbps que en promedio son transmitidos en el transcurso de la duración de la medición.. 4.3.2 Fase II Durante esta fase experimental se utiliza el mismo software de transmisión y recepción de vídeo ShowMe TV. La variación en este punto estriba en el cambio de subred de las terminales emisora (Gabor) y receptora (Wiener), obteniendo con ello que el flujo de vídeo siga una ruta diferente a través de la LAN, y pase por equipos y tráfico distintos al de la Fase I antes de llegar al receptor. Cabe mencionar que el tipo de difusión utilizado en este esquema es el de Multicast, al igual que en la fase anterior.. Los resultados obtenidos son esquematizados en las figuras 4.8, 4.9, 4.10 y 4.11.. Network History RX1 Mean = 2287 Cells/Sec, Min - 753 Cells'Sec, Max = 3258 Cells/Sec. Figura4.8 Estadísticas de la red para la Fase II 41.