Asignación óptima del ancho de banda para redes ATM considerando QoS

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(1)“ASIGNACIÓN OPTIMA DEL ANCHO DE BANDA PARA REDES ATM CONSIDERANDO QOS”. TESIS DE MAESTRIA PRESENTADA POR: ING. CATALINA HERRERA DUQUE COD. 200119011 ING. JOHANNA CAROLINA RODRÍGUEZ GUZMAN COD. 200117438. DIRIGIDA POR: PhD. NESTOR MISAEL PEÑA TRASLAVIÑA. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. DEPARTAMENTO DE INGENIERIA ELECTRICA Y ELECTRÓNICA PROGRAMA DE MAGÍSTER BOGOTA DICIEMBRE DE 2002.

(2) IEM-2002-II-07. . RESUMEN. En ésta tesis se introducen diferentes métodos para estimar la reserva de recursos para redes ATM a partir de las características del tráfico y de la red, en principio se hace una recopilación de las principales características de una red ATM, luego se calcula la reserva óptima que asigna un ancho de banda off-line siguiendo un proceso propuesto por diferentes autores basado en condensar la información de un tráfico de tasa variable en una serie de puntos; posteriormente se evalúa un nuevo proceso que asigna el ancho de banda dinámico on-line para terminar con la propuesta de un nuevo método off/on-line en el que se presenta una asignación de ancho de banda dinámica, pero con un punto de partida óptimo (resultado offline), aprovechando de la mejor manera los recursos.. 1. CATALINA HERRERA DUQUE JOHANNA CAROLINA RODRIGUEZ G.

(3) IEM-2002-II-07. . INDICE GENERAL Pag.. INTRODUCCIÓN. .............................................................................................8. 1. OBJETIVOS Y JUSTIFICACION. ..................................................................9. 1.1. OBJETIVOS GENERALES.........................................................................9 1.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS ......................................................................9 1.3. JUSTIFICACIÓN.................................................................................... 10 2. BREVE MARCO TEORICO. ......................................................................... 12. 2.1. ATM [CiscoATM02], [Hernández01], [Siu95] ..................................... 12 2.1.1. Jerarquía De Transmisión De Las Redes ATM.......................................... 15 2.1.1.1. Canal Virtual (VC)................................................................................ 16 2.1.1.2. Trayecto Virtual (VP) ........................................................................... 16 2.1.1.3. Sección Física (PS) .............................................................................. 16 2.1.2. Modelo De Referencia ATM ..................................................................... 17 2.1.2.1. Nivel de Adaptación ATM (AAL)............................................................ 17 2.1.2.2. Nivel Modo de Transferencia Asíncrona (ATM) ...................................... 18 2.1.2.3. Nivel Físico (PL) .................................................................................. 19 2.1.3. Composicion De Una Celda ATM ............................................................. 20 2.1.4. Aplicaciones Típicas De ATM .................................................................. 21 2. CATALINA HERRERA DUQUE JOHANNA CAROLINA RODRIGUEZ G.

(4) IEM-2002-II-07.  2.2.. CALIDAD DE SERVICIO [Fahmy99], [Hernández01], [Boudec98],. [Yokotani01] ................................................................................................ 22 2.2.1. QoS En Diferentes Tecnologías ............................................................... 24 2.2.1.1. Foros ATM y FRAME RELAY.................................................................. 25 2.2.1.2. IEEE................................................................................................... 25 2.2.1.3. IETF ................................................................................................... 26 2.2.2. Implementación De QoS......................................................................... 27 2.2.2.1. Implementación En Las Aplicaciones .................................................... 28 2.2.2.2. Implementación En Las Estaciones De Trabajo De La Red ..................... 28 2.2.2.3. Implementación En El Equipo............................................................... 28 2.2.3. Parámetros De QoS................................................................................ 29 2.2.3.1. Bandwidth (Ancho de Banda)............................................................... 29 2.2.3.2. Latency (Latencia)............................................................................... 29 2.2.3.3. Jitter .................................................................................................. 30 2.2.3.4. Packet Error Rate (PER)....................................................................... 30 2.3. CALIDAD DE SERVICIO EN REDES ATM .............................................. 30 2.3.1. Componentes De La Gestión De Tráfico................................................... 31 2.3.1.1. Contrato De Tráfico ............................................................................. 32 2.3.1.1.1. Categorías De Servicio ...................................................................... 32 2.3.1.1.1.1. Servicio CBR.................................................................................. 32 2.3.1.1.1.2. Servicio VBR.................................................................................. 33 2.3.1.1.1.3. Servicio ABR.................................................................................. 33 2.3.1.1.1.4. Servicio UBR ................................................................................. 33 2.3.1.1.1.5. Servicio GFR.................................................................................. 34 2.3.1.1.2 Parámetros De La Calidad De Servicio................................................. 34 2.3.1.1.2.1. Cell Loss Ratio (CLR) ..................................................................... 35 2.3.1.1.2.2. Cell Transfer Delay (CTD) .............................................................. 35 3. CATALINA HERRERA DUQUE JOHANNA CAROLINA RODRIGUEZ G.

(5) IEM-2002-II-07.  2.3.1.1.2.3. Cell Delay Variation (CDV).............................................................. 35 2.3.1.1.2.4. Cell Error Ratio (CER) .................................................................... 35 2.3.1.1.2.5. Severely Errored Cell Block Ratio (SECBR)....................................... 36 2.3.1.1.2.6. Cell Misinsertion Rate (CMR) .......................................................... 36 2.3.1.1.3. Modelo Del Tráfico ........................................................................... 37 2.3.1.1.3.1. Peak Cell Rate (PCR)...................................................................... 37 2.3.1.1.3.2. Sustainable Cell Rate (SCR)............................................................ 38 2.3.1.1.3.3. Maximum Burst Size (MBS) ............................................................ 38 2.3.1.1.3.4. Minimum Cell Rate (MCR) .............................................................. 39 2.3.1.1.4. Ajuste Del Tráfico............................................................................. 39 2.3.1.2. Control De Admisión De Conexiones (CAC) ........................................... 40 2.3.1.3. Control De Congestión......................................................................... 40 3. TRAZAS MPEG [Hernández01], [Izquierdo99], [Rose95. -II] ................ 41. 3.1. TRAZAS USADAS................................................................................... 43 4. RESERVA DE ANCHO DE BANDA. ............................................................. 44. 4.1 INSERCION DEL TRAFICO A LA RED .................................................... 44 4.2 MÉTODO DE ASIGNACIÓN DEL ANCHO DE BANDA OFF-LINE TENIENDO EN CUENTA QOS........................................................................ 48 4.3 METODO DE ASIGNACIÓN DEL ANCHO DE BANDA ON-LINE ............. 57 5. PROPUESTA:. METODO D. E ASIGNACION DEL ANCHO DE BANDA. OFF/ON -LINE ............................................................................................... 66 6. RESULTADOS EXPERIMENTALES 7. NUEVAS LINEAS DE TRABAJO 8. CONCLUSIONES 9. REFERENCIAS. ............................................................ 68 ................................................................. 81. ....................................................................................... 82 .......................................................................................... 84. ANEXO : LISTA DE ABREVIATURAS. ............................................................ 91. 4. CATALINA HERRERA DUQUE JOHANNA CAROLINA RODRIGUEZ G.

(6) IEM-2002-II-07. . LISTA DE FIGURAS Pág. Figura 2.1. Red tanto publica como privada ATM [CiscoATM02] ............................14 Figura 2.2. Formas de conmutación utilizadas por ATM [CiscoATM02]..................15 Figura 2.3. VCs concatenados para crear VPs [CiscoATM02] ..................................16 Figura 2.4. Modelo de referencia OSI vs. Modelo de referencia ATM [CiscoATM02] .................................................................................................................................17 Figura 2.5. Nivel AAL [CiscoATM02]...........................................................................18 Figura 2.6. Nivel Físico [CiscoATM02]........................................................................19 Figura 2.7. Integracion de capas del modelo ATM [CiscoATM02] ..........................20 Figura 2.8. Celda ATM [CiscoATM02] ........................................................................21 Figura 2.9. Ancho de Banda utilizado por ciertas aplicaciones................................22 Figura 2.10. Triángulo de QoS ...................................................................................23 Figura 2.11. Factores que afectan la calidad percibida............................................24 Figura 2.12. Diferencias entre las clases de servicio [Hernández01] .....................34 Figura 2.13. Densidad de la probabilidad del retraso [Hernández01]....................37 Figura 2.14. Tráfico CBR [Hernández01] ..................................................................38 Figura 2.15. Tráfico VBR [Hernández01] ..................................................................38 Figura 2.16. Parámetros para cada tipo de servicio [Hernández01] ......................39 Figura 4.1 Algoritmo leaky bucket. ............................................................................44 Figura 4.2. Cálculo de acumulado en el buffer (celdas)...........................................45 Figura 4.3 Selección del ó apropiado.........................................................................46 Figura 4.4 Tráfico LAMBS1500....................................................................................47 5. CATALINA HERRERA DUQUE JOHANNA CAROLINA RODRIGUEZ G.

(7) IEM-2002-II-07.  Figura 4.5 valores de ói en función del tiempo para una tasa ñ de 1Mb/s. .........48 Figura 4.6 Cálculo de la reserva óptima ....................................................................52 Figura 4.7 Relación entre A(t), A*(t) y E*(t)..............................................................54 Figura 4.8 Descripción del método on-line................................................................59 Figura 4.9 Relación entre T y st .................................................................................60 Figura 4.10 Comportamiento de E(Pc,Pd) (*: parámetro calculado mayor que el deseado, -: parámetro calculado menor que el deseado)..................................62 Figura 4.11 Algoritmo de control ...............................................................................64 Figura 5.1 Método off/on-line .....................................................................................67 Figura 6.1 Descripción del simulador .........................................................................69 Figura 6.2 Envolvente empírica (-) y puntos envolventes (*) de RACE..................72 Figura 6.3 Asignación de ancho de banda para RACE usando los métodos on-line (-) y off/on-line (*).................................................................................................73 Figura 6.4 Retardo máximo de RACE usando los métodos on-line (-) y off/on-line (*). ...........................................................................................................................74 Figura 6.5 Parámetro CLR para RACE, método on-line (-), método off/on-line (*) (Gráfica logaritimica)..............................................................................................75 Figura 6.6 Clasificación de las trazas según su ancho de banda promedio para el método on-line........................................................................................................78 Figura 6.7 Clasificación de las trazas según su ancho de banda promedio para el método off/on-line..................................................................................................79 Figura 6.8 Histograma comparativo ancho de banda promedio on-line (barras negras) vs. off/on-line (barras blancas) ...............................................................80. 6. CATALINA HERRERA DUQUE JOHANNA CAROLINA RODRIGUEZ G.

(8) IEM-2002-II-07. . LISTA DE TABLAS Pág.. Tabla 4.1 Valores de retardo máximo recomendados. .............................................49 Tabla 4.2 Valores de CLR recomendados...................................................................58 Tabla 6.1 Resultados de 16 trazas MPEG-I................................................................76 Tabla 6.2 Clasificación del video según su ancho de banda promedio, método online. ..........................................................................................................................77 Tabla 6.3 Clasificación del video según su ancho de banda promedio, método off/on-line................................................................................................................78 Tabla 8.1. Categorías de las trazas según el ancho de banda promedio utilizado 83. 7. CATALINA HERRERA DUQUE JOHANNA CAROLINA RODRIGUEZ G.

(9) IEM-2002-II-07. . INTRODUCCIÓN La actual demanda de aplicaciones relacionadas con información multimedia, como son la video-conferencia, audio-conferencia, video bajo demanda o sistemas como teletrabajo, telemedicina, etc. y su coexistencia con aplicaciones más clásicas (bases de datos, transferencias de archivos, paginas web (www), etc.), requiere tecnologías de comunicaciones capaces de ofrecer elevadas prestaciones. Estas elevadas prestaciones están directamente relacionadas con la calidad de servicio (QoS) y concretamente con conceptos como el ancho de banda y la velocidad de transmisión (throughput), el retardo de las transferencias (delay); la variabilidad en el retardo (jitter); la fiabilidad (reliability) de las transmisiones y la posibilidad de gestionar múltiples clases de servicio o flujos de información en redes que lo soporten. Para que las redes de comunicaciones puedan ofrecer estas prestaciones es necesario optimizar la calidad de servicio de la red modificando en lo posible los diferentes parámetros que la determinan. Es por ello que para esta investigación se propone desarrollar un método que realice una adecuada asignación del ancho de banda en redes ATM, ya que esta tecnología es según la ITU la más apropiada para usar en las redes RDSI en banda ancha respetando dos parámetros de la calidad de servicio como son el retardo máximo entre emisor y receptor y la tasa de pérdida de celdas.. 8. CATALINA HERRERA DUQUE JOHANNA CAROLINA RODRIGUEZ G.

(10) IEM-2002-II-07.  1. OBJETIVOS Y. JUSTIFICACION. 1.1. OBJETIVOS GENERALES v Determinar los aspectos claves del protocolo de bajo nivel más adecuado para la transmisión multimedia: ATM. v Reconocer porque la calidad de servicio es un factor primordial en todos los campos aplicables a la vida cotidiana. v Enfocar el término calidad de servicio (QoS) a las redes ATM v Entender los modelos existentes que caracterizan la asignación de ancho de banda en un red ATM e identificar posibles problemas en dichos modelos. v Realizar una propuesta de un método de asignación de ancho de banda que optimice la calidad de servicio. 1.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS v Identificar como afectan cada uno de los parámetros de la calidad de servicio, la asignación del ancho de banda de la red. v Comprender el proceso evolutivo de los modelos que caracterizan el tráfico, utilizados para asignar ancho de banda en una red ATM. v Identificar claramente el problema de asignar un ancho de banda eficiente, que mantenga una calidad de servicio pero que minimice el desperdicio de recursos en redes ATM. v Comparar los métodos utilizados para la asignación de ancho de banda, analizar sus rendimientos y comparar resultados. v Evaluar los esquemas actuales utilizados en la asignación de ancho de banda y analizar su rendimiento para proponer una solución mejorada. CATALINA HERRERA DUQUE 9. JOHANNA CAROLINA RODRIGUEZ G.

(11) IEM-2002-II-07. . 1.3. JUSTIFICACIÓN Las empresas (sean de servicio o no) reconocen a la calidad de servicio como una variable estratégica esencial, fuente de ventaja competitiva en el mercado. El servicio es en sí mismo, un valor empresarial y personal que surge como herramienta primordial para lograr la satisfacción del cliente y obtener su lealtad. Solo si las empresas son capaces de brindar "ese valor", obtendrán la preferencia del cliente y mejoraran su posición en el mercado. En todo intento de mantención o mejoramiento de calidad de servicio el problema de su medición es principal y complejo. Es necesario entonces, desarrollar procedimientos que permitan un monitoreo de la calidad de servicio, sobre una base metodológica sólida, y que permitan resultados positivos. La calidad de servicio es la medida de la satisfacción de las expectativas del consumidor en relación al servicio recibido, que para. nuestro caso se traduce. como la capacidad de una red para entregar un servicio específico a un tipo concreto de tráfico. Los consumidores (en general) evalúan la calidad de servicio a través de cinco dimensiones: tangibilidad, confiabilidad, capacidad de respuesta, seguridad y empatía. Aplicado a las redes de comunicaciones la calidad de servicio se mide en términos de tiempo de entrega de los paquetes de información (retraso), la tasa de pérdida de información, el ancho de banda, eficiencia en el uso de la red, la tasa de errores o retransmisiones.. 10. CATALINA HERRERA DUQUE JOHANNA CAROLINA RODRIGUEZ G.

(12) IEM-2002-II-07.  Día a día la tecnología avanza y el objetivo de cualquier proveedor de red debe ser el de tener una calidad de servicio óptima, ya que las aplicaciones que van surgiendo requieren cada vez mas de un gran ancho de banda con tiempos de respuesta mínimos, lo cual indica que se debe realizar una comunicación siempre y cuando la red pueda cumplir con la calidad de servicio ofrecida. El tráfico multimedia suele tener alta variabilidad en la tasa de transmisión, lo que implica que para garantizar la calidad de servicio se hagan unas reservas elevadas de recursos, lo que puede resultar muy costoso en cierto tipo de redes. Pero debido a la alta variabilidad de este tráfico, en muchos momentos estos recursos no son utilizados (generando un desperdicio). La disminución de la reserva puede implicar un incumplimiento de la calidad de servicio especificado, pero al mismo tiempo puede llevar a minimizar el desperdicio de recursos. Uno de estos recursos en particular es el ancho de banda, por lo que ésta investigación se centra en el problema de asignar un ancho de banda eficiente, que mantenga una calidad de servicio pero que minimice el desperdicio de recursos en redes ATM. 11. CATALINA HERRERA DUQUE JOHANNA CAROLINA RODRIGUEZ G.

(13) IEM-2002-II-07. . 2. BREVE MARCO TEORICO En esta sección se presentan los conceptos básicos de ATM, Calidad de Servicio y finalmente como se maneja la Calidad de Servicio en las redes ATM. 2.1. ATM [CiscoATM02], [Hernández01], [Siu95] La primera referencia del ATM (Asynchronous Transfer Mode) tiene lugar en los años 60 cuando un norteamericano de origen oriental perteneciente a los laboratorios Bell describió y patentó un modo de transferencia no síncrono. Sin embargo el ATM no se hizo popular hasta 1988 cuando el ITU decidió que sería la tecnología de conmutación de las futuras redes RDSI en banda ancha. El modo de transferencia asíncrono (ATM) es una técnica orientada a paquetes, en la que el flujo de información se organiza en bloques de tamaño fijo y pequeño (53 bytes), que reciben el nombre de celdas que se transfieren usando la técnica de multiplexación asíncrona por división en el tiempo. Es un modo de transferencia orientado a la conexión, es decir, una conexión necesita ser establecida entre dos puntos con un protocolo de señalización antes de cualquier transferencia de datos. La información de señalización va por un canal virtual diferente, evitando así cualquier problemática que pudiera surgir y se garantiza la secuencia de entrega de las celdas transmitidas por el mismo canal virtual. No existe protección contra errores ni control de flujo en la transferencia de información entre los enlaces, estos se realizan extremo a extremo entre los terminales de manera transparente a la red, aunque existe un control del tráfico y la congestión en la red. Es asíncrono ya que las celdas no deben ser periódicas. 12. CATALINA HERRERA DUQUE JOHANNA CAROLINA RODRIGUEZ G.

(14) IEM-2002-II-07. . La cabecera de las celdas tiene como funcionalidad identificar las celdas pertenecientes a la misma comunicación, es decir, al mismo circuito virtual. En una red ATM las comunicaciones se establecen a través de un conjunto de dispositivos intermedios llamados switches. Transmisiones de diferentes tipos, incluyendo video, voz y datos pueden ser mezcladas en una transmisión ATM que puede tener rangos de 155 Mbps a 2.5Gbps. Esta velocidad puede ser dirigida a un usuario, grupo de trabajo o una red entera, porque ATM no reserva posiciones específicas en una celda para tipos específicos de información. Su ancho de banda puede ser optimizado identificando el ancho de banda bajo demanda. El propósito de ATM es el de permitir a los usuarios mucha más flexibilidad para seleccionar cualquier ancho de banda que desee para favorecer su aplicación, permitiéndose así un mejor aprovechamiento de éste, ya que podremos asignar diferente cantidad para diferentes aplicaciones que manejen un mayor o menor volumen de información ( Correo electrónico vs. Aplicaciones multimedia ). La mayor parte de la base instalada de equipo de usuario tienen puertas con anchos de banda diseñados para competir con los sistemas de comunicación para los cuales se conecta. El propósito de ATM es el de permitir más opciones para diseñadores de equipo de usuario, así que el ancho de banda de los. puertos. puede ser más cercanamente competitivo a los requerimientos de las aplicaciones de usuario.. 13. CATALINA HERRERA DUQUE JOHANNA CAROLINA RODRIGUEZ G.

(15) IEM-2002-II-07. . To WAN. Public ATM network. Private ATM network Figura 2.1. Red tanto publica como privada ATM [CiscoATM02]. Otro propósito de ATM es el de permitir al usuario variar el ancho de banda durante el curso de una comunicación. Esto debe de hacer notar que todas las formas de comunicación en su forma pura requieren una variación de ancho de banda dinámico.. Las voces contienen pausas entre palabras, fax e imagen. congelada, contienen áreas con más detalles que otras y el video tienen más rango de información cuando las escenas involucran más movimiento. ATM proporciona las mejores características de las redes de paquetes y de las redes de circuitos conmutados como formas de conmutación.. 14. CATALINA HERRERA DUQUE JOHANNA CAROLINA RODRIGUEZ G.

(16) IEM-2002-II-07. . Conmutación de circuitos. Tiempo real Muy transparente Baja Latencia Sencillo, predecible. Conmutación de paquetes. ATM. Multiplexado estadístico Recursos compartidos Caudal variable Eficiente, flexible. Tiempo real Transparente multiplexado estadístico Recursos compartidos Flexible, eficiente. Figura 2.2. Formas de conmutación utilizadas por ATM [CiscoATM02]. 2.1.1. Jerarquía De Transmisión De Las Redes ATM Bajo un punto de vista basado exclusivamente en la transmisión, el modelo de red ATM se puede dividir en tres niveles que se combinan de forma jerárquica de modo que cada capa superior puede tener uno o varios de los elementos inferiores.. 15. CATALINA HERRERA DUQUE JOHANNA CAROLINA RODRIGUEZ G.

(17) IEM-2002-II-07.  2.1.1.1. Canal Virtual (VC) Así llamada a la conexión unidireccional entre usuarios. Importante resaltar la unidireccionalidad: si dos usuarios quisieran estar conectados en Full Duplex deberán utilizar dos canales. Los VC, además de transportar datos entre usuarios, también son utilizados para transportar la señalización y la gestión de la red. 2.1.1.2. Trayecto Virtual (VP) Se entiende al conjunto de canales virtuales que atraviesan multiplexadamente un tramo de la red ATM. Los VP facilitan la conmutación de los canales virtuales, pues conectan tramos enteros de la red ATM. De no existir por cada conexión entre usuarios obligaría a reelaborar todas las tablas de enrutamiento de los nodos atravesados lo cual supondría un incremento del tiempo necesario para establecer una conexión. 2.1.1.3. Sección Física (PS) Conecta y proporciona continuidad digital entre los diferentes elementos que componen la red controlando el flujo de bits. Debe mantener en óptimas condiciones las señales físicas, eléctricas u ópticas regenerándolas cuando resultan afectadas por atenuaciones, ruido o distorsiones.. VC. VC. VC. VC. Figura 2.3. VCs concatenados para crear VPs [CiscoATM02]. 16. CATALINA HERRERA DUQUE JOHANNA CAROLINA RODRIGUEZ G.

(18) IEM-2002-II-07. . 2.1.2. Modelo De Referencia ATM Bajo una perspectiva arquitectónica el ATM se divide en tres niveles que ocupan las capas 1 y parte de la 2 del modelo de referencia OSI:. OSI reference modal Control plane. User plane. Aplication Presentation Session Transport. Higher Layers. Higher Layers. ATM adaptation layer. Network Data link. ATM layer. Physical. Phisical layer. Figura 2.4. Modelo de referencia OSI vs. Modelo de referencia ATM [CiscoATM02]. 2.1.2.1. Nivel de Adaptación ATM (AAL) Se encarga de las relaciones con el mundo externo. Acepta todo tipo de información heterogénea y la segmenta en paquetes de 48 bytes a la velocidad que fue generada por los usuarios. Sólo se encuentra en los puntos terminales de la red. Según el modelo OSI maneja, en el nivel 2, las conexiones entre la red ATM y los recursos no ATM pertenecientes a los usuarios finales.. 17. CATALINA HERRERA DUQUE JOHANNA CAROLINA RODRIGUEZ G.

(19) IEM-2002-II-07.  El Nivel de Adaptación ATM adapta cada tráfico a su velocidad inicial, segmenta /reensambla la información en trozos de 48 bits, detecta celdas erróneas o perdidas, y mantiene el sincronismo entre los usuarios conectados.. Figura 2.5. Nivel AAL [CiscoATM02]. Sources Circuit Emulation. Variable Rate. Data Transfer. Minimiun Overhead. 2.1.2.2. Nivel Modo de Transferencia Asíncrona (ATM) Encargado de construir las cabeceras de las celdas ATM, responsable del enrutamiento y el multiplexado de las celdas a través de los Canales y Rutas Virtuales. También es misión suya el control del flujo de datos y la detección de errores ocurridos en la cabecera aunque no en los datos.. 18. CATALINA HERRERA DUQUE JOHANNA CAROLINA RODRIGUEZ G.

(20) IEM-2002-II-07. . 2.1.2.3. Nivel Físico (PL) Es el nivel inferior encargado de controlar las señales físicas, ya sean ópticas o eléctricas, e independizarlas de los niveles superiores de protocolo adaptándolas al medio. de. transmisión. y. codificación. utilizado.. Puede. soportar. diversas. configuraciones punto-a-punto y punto-a-multipunto. En una red ATM se distinguen dos tipos de nodos: los terminales que proporcionan los puntos de acceso a los usuarios finales y los nodos de conmutación responsables dentro de la red del enrutamiento de las celdas.. Figura 2.6. Nivel Físico [CiscoATM02]. 19. CATALINA HERRERA DUQUE JOHANNA CAROLINA RODRIGUEZ G.

(21) IEM-2002-II-07. . Figura 2.7. Integracion de capas del modelo ATM [CiscoATM02]. 2.1.3. Composicion De Una Celda ATM Son estructuras de datos de 53 bytes compuestas por dos campos principales: 1.- Encabezado: Sus 5 bytes tienen tres funciones principales: identificación del canal, información para la detección de errores y si la celda es o no utilizada. Eventualmente puede contener también corrección de errores, número de secuencia, etc. 2.- Payload:. Tiene 48 bytes fundamentalmente con datos del usuario y. protocolos AAL que también son considerados como datos del usuario.. 20. CATALINA HERRERA DUQUE JOHANNA CAROLINA RODRIGUEZ G.

(22) IEM-2002-II-07.  La Capa de Adaptación a ATM adapta y segmenta el flujo de tráfico en celdas de 48 bytes. La capa ATM añade los 5 bytes del encabezado, y los pasa a la Capa Física, que convierte las celdas en señales eléctricas u ópticas. 5. 48. Header. Payload. Figura 2.8. Celda ATM [CiscoATM02]. 2.1.4. Aplicaciones Típicas De ATM ATM debe ser capaz de llevar servicios de banda ancha alta, tales como Televisión de alta definición (HDTV High Definition Television) así como los servicios más convencionales de Banda ancha baja tales como la voz. Son aplicaciones típicas de ATM las siguientes: v Intercambio de información en tiempo real. v Interconexión de Redes de Área Local (LAN) que requieran un gran ancho de banda. v Interconexión de PBX v Acceso a Internet de alta velocidad. v Videoconferencia. v Voz con compresión y supresión de silencios. 21. CATALINA HERRERA DUQUE JOHANNA CAROLINA RODRIGUEZ G.

(23) IEM-2002-II-07.  v Distribución de Audio/ Vídeo.. 2.2. CALIDAD DE SERVICIO [Fahmy99], [Hernández01], [Boudec98], [Yokotani01] La Calidad de Servicio se traduce como la capacidad de una red para entregar un servicio específico a un tipo concreto de tráfico, utilizando diferentes tecnologías de transporte, tales como Frame Relay, Modo de Transferencia Asíncrono (ATM), Jerarquía Digital Síncrona (SDH), etc. El soporte de la QoS puede dar lugar a la reserva de un ancho de banda, a un tráfico con prioridades, a una prevención de la congestión, etc.. Figura 2.9. Ancho de Banda utilizado por ciertas aplicaciones. 22. CATALINA HERRERA DUQUE JOHANNA CAROLINA RODRIGUEZ G.

(24) IEM-2002-II-07.  La Calidad de Servicio o QoS (Quality of Service) determina la prioridad y velocidad de la transmisión, con un mínimo, una media y un máximo. QoS garantiza que las aplicaciones prioritarias cuenten con la cantidad de banda ancha (bandwidth) que necesitan. Así por ejemplo, el usuario puede solicitar una conexión que no baje nunca de 50Mbps y que no sea mayor de 100Mbps. De ésta manera, los paquetes de información llegarán a su destino intactos, completos y a tiempo. La selección de cuáles paquetes tienen prioridad está determinada por un mecanismo de regulaciones en la red. Normalmente, la calidad de servicio es expresada por medio de parámetros que se negocian. Las necesidades dependerán del tipo de aplicación y. pueden variar. durante la transmisión. La calidad del servicio vendrá determinada por el punto de vista que se tome. Desde el punto de vista del emisor o receptor los requerimientos están relacionados casi exclusivamente con el tiempo de entrega de los paquetes de información (retraso), la tasa de pérdida de información y el ancho de banda. Otros puntos de vista tomados en cuenta pueden ser la eficiencia en el uso de la red, la tasa de errores o retransmisiones.. Capacidad baja. Transmisor Trafico alto. Emisor. Receptor. QoS alto. Figura 2.10. Triángulo de QoS. 23. CATALINA HERRERA DUQUE JOHANNA CAROLINA RODRIGUEZ G.

(25) IEM-2002-II-07. . v El emisor quiere enviar trafico en cualquier momento con carga alta, y con ráfagas de conexión altas. v El receptor espera un retardo bajo y una tasa de procesamiento alta v Como los enlaces son costosos, los proveedores quieren minimizar la infraestructura. La percepción subjetiva de la calidad se ve influenciada por varios factores, y varia de acuerdo a la tarea a realizar. Así, por ejemplo en la figura 2.11. se muestra una representación de algunos de estos factores para un sistema de video conferencia.. Figura 2.11. Factores que afectan la calidad percibida. 2.2.1. QoS En Diferentes Tecnologías La Calidad de Servicio se debe utilizar solamente dentro un esquema estándar. Pero, ¿cómo se garantiza la interoperatividad y la continuidad de las inversiones si 24. CATALINA HERRERA DUQUE JOHANNA CAROLINA RODRIGUEZ G.

(26) IEM-2002-II-07.  el equipo y las funciones no están normalizadas?. Hay cuatro organizaciones de especificaciones técnicas que están redactando los borradores de la mayoría de las especificaciones de QoS: ATM Forum, Frame Relay Forum, Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) e Internet Engineering Task Force (IETF). 2.2.1.1. Foros ATM y FRAME RELAY En el caso de redes ATM y Frame Relay con Calidad de Servicio implícita, la QoS se implementa configurando parámetros (ancho de banda garantizado, pico de ancho de banda, retrasos, etc.) y definiendo canales virtuales que no tienen en cuenta la importancia del tráfico transportado. Los elementos de red (terminales, centrales, etc.) aseguran que el canal utilizado tiene suficientes recursos para transportar las aplicaciones. 2.2.1.2. IEEE Los estándares 802.x se aplican principalmente a Redes de Área Local (LAN), tales como Ethernet, Token Ring y Fiber Distributed Data Interface (FDDI). El estándar 802.1 Q/P indica como un elemento de red puede clasificar el tráfico de nivel 2 para asignarle una prioridad. Para cumplir esto, se ha definido un nuevo formato de trama que utiliza 12 bits para designar las Redes Virtuales de Área Local (VLAN) y 3 bits (u 8 niveles) para clasificar los tramas. Las estaciones de trabajo, servidores, routers y centrales pueden enviar o modificar una trama con uno de esos ocho valores. Este nuevo formato de trama requiere una tarjeta de interfaz específica.. 25. CATALINA HERRERA DUQUE JOHANNA CAROLINA RODRIGUEZ G.

(27) IEM-2002-II-07. . 2.2.1.3. IETF El IETF trabaja con la especificación de la capa 3 del OSI, y en concreto sobre IP. Se pueden distinguir cuatro categorías principales de QoS: marcado, reserva dinámica de recursos, etiquetado, seguimiento. * Marcado, la técnica más antigua, consiste en insertar información de prioridad de red en cada trama utilizando el campo Tipo de Servicio (TOS). La definición del TOS lo hace posible al pedir que la red utilice simultáneamente el costo más bajo, el tránsito más rápido y el máximo ancho de banda. * Reserva dinámica de recursos, mejor conocida por la sigla RSVP (Resource reSerVation Protocol), es un protocolo de señalización. Consiste en una petición de reserva que utiliza las tablas estándar de enrutamiento. No es posible suministrar ancho de banda a un canal cuando se utiliza enrutamiento dinámico. Los recursos sólo se reservan después de que el destino ha dado su acuerdo. Esta reserva se mantiene mediante un diálogo de control. * Etiquetado, conocido por la sigla MPLS (Multi-Protocol Label Switching), permite al equipo enviar cualquier tipo de tráfico (IP, IPX, etc.) con una etiqueta común al mismo puerto de salida. MPLS utiliza tablas sincronizadas con las tablas de enrutamiento.. 26. CATALINA HERRERA DUQUE JOHANNA CAROLINA RODRIGUEZ G.

(28) IEM-2002-II-07. . * Seguimiento, conocido por la sigla COPS (Common Open Policy Server), utiliza un servidor de reglas (Policy Decision Point) y centrales (Policy Enforcement Point) que funcionan en modo cliente/ servidor. Cuando la central recibe una petición se pone en contacto con el servidor para su validación. 2.2.2. Implementación De QoS Las especificaciones técnicas por sí mismas no suministran Calidad de Servicio, sólo hacen posible la asignación de valores relativos de prioridades. No suministran una solución. La QoS sólo se puede alcanzar implementándolas de una forma coordinada en red, en el equipo, en la gestión de red, en las estaciones de trabajo y en las aplicaciones. Por analogía con el enrutamiento, que necesita la definición de un esquema de direccionamiento y el protocolo de cálculo de ruta, la implementación de la QoS requiere el acuerdo con la topología funcional y los métodos de señalización utilizados. La elección del método de señalización tiene poca importancia; sólo se tiene en cuenta la QoS esperada. La QoS se debe elegir de acuerdo con las limitaciones de la aplicación y con las características físicas de la red. Por ejemplo, para una conexión a larga distancia y de baja velocidad, el ancho de banda debe ser supervisado atentamente, mientras que en una red troncal de alta velocidad se necesita reducir los retrasos. En todos los casos, las aplicaciones a utilizar y sus limitaciones se tienen que identificar o evaluar antes de implementar la QoS. Esto permite identificar las partes de una red que necesitan mejorarse dentro del esquema de una actualización por pasos.. 27. CATALINA HERRERA DUQUE JOHANNA CAROLINA RODRIGUEZ G.

(29) IEM-2002-II-07. . 2.2.2.1. Implementación En Las Aplicaciones Actualmente, la mayoría de las aplicaciones ignoran la Calidad de Servicio. La próxima generación puede utilizar las nuevas interfaces API (Application Programming Interface) en sistemas operativos como los de Microsoft. Sin embargo, si todos los usuarios de una red piden tratamiento prioritario, puede ser imposible satisfacer sus peticiones. Por lo tanto, es necesario asegurar que las peticiones están bien fundadas; este es el papel de las funciones de supervisión.. 2.2.2.2. Implementación En Las Estaciones De Trabajo De La Red Las estaciones de trabajo pueden utilizar todas las técnicas de QoS. Sin embargo, sólo las nuevas interfaces de red, construidas desde principios de 1999, soportan el 802.1Q/P, así como su nuevo formato de trama. Una petición QoS a nivel de estación de trabajo puede tener dos orígenes: o llega desde la aplicación, o bien está implícita en la naturaleza de la estación de trabajo (servidor, etc.). 2.2.2.3. Implementación En El Equipo Para implementar QoS, el equipo debe suministrar todas o alguna de las siguientes funciones: clasificación; formateado del tráfico entrante y saliente; gestión de colas; modificación de los campos asociados a la QoS y ajuste a las tecnologías QoS; conservación de la QoS mediante marcación de los datos codificados de las cabeceras de trama cuando se implementan las Redes Privadas Virtuales (VPN);. 28. CATALINA HERRERA DUQUE JOHANNA CAROLINA RODRIGUEZ G.

(30) IEM-2002-II-07.  mantenimiento de la QoS cuando se aplica la Traducción de Dirección de Red (NAT); autenticación de la petición de reserva.. 2.2.3. Parámetros De QoS Un aspecto a tener en cuenta es que la Calidad de Servicio puede estar determinada por un número de parámetros, o por una combinación de esos parámetros. Por lo tanto, no todas las Calidades de Servicio estarán definidas de la misma manera para todos los servicios. A continuación se describen los de uso más generalizado, que son, a su vez, los más utilizados en transmisiones tales como voz, audio, video, etc. 2.2.3.1. Bandwidth (Ancho de Banda) Es el mayor volumen de datos soportado por una tecnología de red. El ancho de banda indica la máxima capacidad teórica de una conexión, pero, debido a que el ancho de banda teórico es aproximado, hay factores negativos como el retardo de la transmisión que pueden causar un deterioro de la calidad. 2.2.3.2. Latency (Latencia) Es el retardo en una transmisión. Cuando nos referimos a un enrutador, la latencia es el tiempo transcurrido desde que un paquete es enviado hasta que es recibido.. 29. CATALINA HERRERA DUQUE JOHANNA CAROLINA RODRIGUEZ G.

(31) IEM-2002-II-07.  2.2.3.3. Jitter Es la distorsión de la señal al ser propagada por la red, donde la señal varía desde su referencia original y los paquetes no llegan a su destino en orden consecutivo o en un tiempo base, por tanto, varían en latencia. Refiriéndonos a redes, jitter es la distorsión de los tiempos de llegada de los grupos de paquetes comparados con los tiempos entre paquetes de la transmisión original. 2.2.3.4. Packet Error Rate (PER) Es la tasa con la que la aplicación del usuario final recibe un paquete que difiere del paquete tal como fue enviado en su origen. El Packet Error Rate puede diferir de la tasa a la cual el medio causa errores de paquetes, esto es debido a mecanismos tales como el reenvío de paquetes y el error de conexión que pueden usarse para reducir el error básico de paquetes. 2.3. CALIDAD DE SERVICIO EN REDES ATM La calidad de servicio en redes ATM está definida básicamente en la recomendación ITU-T I.356 y en el Foro ATM: “Traffic Management Specification” Ver 4.0/4.1, debido a esta estandarización, este tipo de redes pueden interoperar con los equipos de distintos fabricantes. Esa calidad de servicio se mide principalmente con los siguientes parámetros:. 30. CATALINA HERRERA DUQUE JOHANNA CAROLINA RODRIGUEZ G.

(32) IEM-2002-II-07.  caudal, define el volumen de información que puede ser enviada en un período de tiempo. Si el tráfico es constante, el parámetro es único: velocidad pico; pero si el tráfico es a ráfagas, está expresado por tres parámetros de conexión: velocidad pico, velocidad media y duración de la ráfaga. retardo, definido por su media y su varianza que relaciona el retardo global medio de toda la transmisión y la variación entre los retardos individuales que afectan a cada celda. nivel de seguridad, se refiere a la tolerancia de un determinado tipo de tráfico a la pérdida de celdas que puede ocurrir durante períodos de congestión. La calidad de servicio es negociable, contando las especificaciones de ATM con diferentes niveles de servicio. La negociación que hace la red es mediante la gestión de tráfico, el propósito es limitar la cantidad de tráfico a transmitir en la red, ya que si la red no puede brindar a un determinado tráfico la calidad de servicio acordada previamente no lo debe aceptar. 2.3.1. Componentes De La Gestión De Tráfico Para realizar esa gestión de tráfico, se determinan ciertos componentes que se deben tener en cuenta:. 31. CATALINA HERRERA DUQUE JOHANNA CAROLINA RODRIGUEZ G.

(33) IEM-2002-II-07. . 2.3.1.1. Contrato De Tráfico Cuando se necesita transmitir algún tipo de información, el transmisor negocia un contrato de tráfico con la red. El contrato especifica el tipo de tráfico que se va a transmitir, la categoría del servicio y la calidad de servicio que se debe mantener durante la conexión. Este contrato representa un compromiso mutuo mientras que el transmisor siga transmitiendo datos de la forma acordada en el contrato, la red está obligada a mantener la calidad así como tiene derecho a no transmitir más si el transmisor se sale del perfil de transmisión acordado previamente.. 2.3.1.1.1. Categorías De Servicio El ATM Forum ha estipulado 5 categorías de servicio: 2.3.1.1.1.1. Servicio CBR Tasa de bit constante. Se garantiza el ancho de banda requerido por esto tiene una ínfima probabilidad de pérdida de celdas y un retardo bajo y predecible. El tiempo entre celdas es constante y está caracterizado por el parámetro de tasa pico (PCR: Peak Cell Rate). Este tipo de tráfico es apropiado para aplicaciones en tiempo real sensibles a variaciones y pérdidas de información.. 32. CATALINA HERRERA DUQUE JOHANNA CAROLINA RODRIGUEZ G.

(34) IEM-2002-II-07.  2.3.1.1.1.2. Servicio VBR Tasa de bit variable. Está diseñado para las aplicaciones de video o aplicaciones similares. El tráfico está caracterizado por la tasa de transmisión media en un periodo especifico (SCR: Sustained Cell Rate) y la tasa pico (PCR). En este tipo de servicio se tienen dos subcategorías: rt-VBR (real time Variable Bit Rate) que tiene requerimientos estrictos de retraso y nrt-VBR (non real time Variable Bit Rate) que no tiene requisitos y se puede almacenar en la red. 2.3.1.1.1.3. Servicio ABR Tasa de bit disponible. En este tipo de servicio los nodos terminales participan activamente en la gestión del tráfico. La red informa cual es su capacidad y estado y los nodos terminales transmiten de acuerdo a esa información intentando evitar pérdidas de celdas. Se garantiza una mínima tasa de bits y el control de flujo del nivel de celdas. Recomendado para la transferencia de archivos. 2.3.1.1.1.4. Servicio UBR Tasa de bit no especificada. No se ofrecen garantías de ningún tipo. Estas conexiones comparten el ancho de banda no usado por el resto de tipos de servicio, sin ningún tipo de retroalimentación por parte de la red. Es apropiado para enviar mensajes cortos. Es un servicio tipo “best-effort” (la transmisión se efectúa con los "mejores esfuerzos").. 33. CATALINA HERRERA DUQUE JOHANNA CAROLINA RODRIGUEZ G.

(35) IEM-2002-II-07. . 2.3.1.1.1.5. Servicio GFR Frame Relay garantizado. Todavía está en discusión. Garantiza la mínima tasa de bits, y el control del nivel de paquetes rechazados.. Figura 2.12. Diferencias entre las clases de servicio [Hernández01]. En la figura 2.12. no se describe el GFR por estar todavía en discusión. 2.3.1.1.2 Parámetros De La Calidad De Servicio La calidad de servicio en ATM se especifica de acuerdo a un conjunto de parámetros requeridos para la conexión entre emisor y receptor. Estos parámetros se dividen en dos grupos dependiendo de donde sean negociados o impuestos. Los negociados entre el transmisor y la red son: CLR, CTD, CDV y los impuestos por la red son: CER, SECBR, CMR.. 34. CATALINA HERRERA DUQUE JOHANNA CAROLINA RODRIGUEZ G.

(36) IEM-2002-II-07. . 2.3.1.1.2.1. Cell Loss Ratio (CLR) Tasa de pérdida de celdas. Es la relación entre el número total de celdas perdidas y el número total de celdas transmitidas en una población de interés. Las celdas perdidas o transmitidas con muchos errores se deben excluir de este calculo.. 2.3.1.1.2.2. Cell Transfer Delay (CTD) Retardo de transferencia de celdas. Es el tiempo promedio de tránsito desde el emisor al receptor. (MAX-CTD: donde las celdas que exceden el máximo retraso son consideradas perdidas). 2.3.1.1.2.3. Cell Delay Variation (CDV) Variación del retardo de las celdas. Medida de la uniformidad en la entrega de las celdas. (P2P-CDV: diferencia entre el máximo y mínimo retraso que una celda puede experimentar) 2.3.1.1.2.4. Cell Error Ratio (CER) Tasa de errores de celdas. Relación entre el número total de celdas con errores y el número total de celdas transferidas con éxito.. 35. CATALINA HERRERA DUQUE JOHANNA CAROLINA RODRIGUEZ G.

(37) IEM-2002-II-07.  2.3.1.1.2.5. Severely Errored Cell Block Ratio (SECBR) Tasa de bloques de celdas con muchos errores. Cociente entre el número total de bloques de celdas con muchos errores y el número total de bloques. Este parámetro proporciona una forma de cuantificar ráfagas de fallos de transferencia de celdas y evitar que estas ráfagas influyan sobre valores observados del CER, CLR, CMR y los parámetros de disponibilidad asociados. 2.3.1.1.2.6. Cell Misinsertion Rate (CMR) Velocidad. de. inserción. incorrecta. de. celdas.. Número. total. de. celdas. incorrectamente insertadas observado durante un tiempo específico dividido por la duración del intervalo de tiempo. Los parámetros CTD y CDV son importantes porque son tomados en cuenta para el tráfico de datos en tiempo real. En la siguiente figura se muestra la probabilidad de que una celda llegue a un tiempo t. Tomando en cuenta que dada una celda, esta llegue a su destino a través de una ruta con determinados switches, existe un tiempo de retardo mínimo en la propagación de esta celda y de conmutación en cada switch. Sin embargo, hay que tomar en cuenta que no todas las celdas harán el recorrido en este tiempo mínimo. Entonces, usando una función de densidad de probabilidad sobre la llegada de las celdas, se puede establecer un valor para CTD y así establecer un lapso de tiempo en el cual una celda puede llegar tarde a su destino y se puede considerar que de todas maneras llego a tiempo. Normalmente, CDV se escogerá tal que alfa (∝), que representa las celdas que llegaron tarde, sea del orden de 10-10 o menos. 36. CATALINA HERRERA DUQUE JOHANNA CAROLINA RODRIGUEZ G.

(38) IEM-2002-II-07. . 1-alfa. MINIMO. Alfa (pérdida por celdas que llegan tarde) Max-CTD Max-CTD. CDV CTD. Figura 2.13. Densidad de la probabilidad del retraso [Hernández01]. 2.3.1.1.3. Modelo Del Tráfico Los parámetros de tráfico describen las características de tráfico de una conexión ATM. Estas redes caracterizan el tráfico usando los siguientes parámetros: PCR, SCR, MBS y MCR. 2.3.1.1.3.1. Peak Cell Rate (PCR) Tasa pico de celdas. Máximo flujo de celdas con que el emisor envía datos. Su inversa representa el tiempo mínimo entre paquetes. Su unidad es celdas/ segundo. La figura 2.14 muestra un PCR contratado de 1/3 de la tasa de la línea.. 37. CATALINA HERRERA DUQUE JOHANNA CAROLINA RODRIGUEZ G.

(39) IEM-2002-II-07. . 1 celda/tasa linea. 1 celda/PCR. Tiempo. Figura 2.14. Tráfico CBR [Hernández01]. 2.3.1.1.3.2. Sustainable Cell Rate (SCR) Velocidad de celda sostenible. Tasa promedio de celdas esperadas o requeridas sobre un largo intervalo de tiempo. Su valor siempre se especifíca junto al valor MBS. 2.3.1.1.3.3. Maximum Burst Size (MBS) Tamaño máximo de ráfaga. Como su nombre lo indica representa el factor de ráfagas de la conexión. Especifica el número de celdas que pueden ser transmitidas por una fuente a la tasa pico (PCR) cumpliendo con el valor SCR negociado. En la figura 2.15. se muestra una transmisión con un PCR = ½ de la tasa de enlace y SCR = ¼ con un MBS de 5 celdas. La conexión puede enviar como máximo cinco celdas en diez unidades de slot. Alternativamente puede enviar una celda cada cuatro pero sin aprovechar la capacidad de emitir ráfagas.. MBS/SCR. 1 celda/SCR. 1 celda/PCR. 1 celda/tasa linea. Tiempo. Figura 2.15. Tráfico VBR [Hernández01]. 38. CATALINA HERRERA DUQUE JOHANNA CAROLINA RODRIGUEZ G.

(40) IEM-2002-II-07.  2.3.1.1.3.4. Minimum Cell Rate (MCR) Velocidad mínima de celda. Es el mínimo número de celdas por segundo que el emisor considera aceptable. Límite inferior a la velocidad de celda autorizada para fuentes ABR; se especifica conexión por conexión (ABR). En la siguiente tabla se muestran cada uno de los parámetros necesarios para cada tipo de servicio.. Figura 2.16. Parámetros para cada tipo de servicio [Hernández01] 2.3.1.1.4. Ajuste Del Tráfico Para asegurar que la red va a transportar el tráfico al que le puede brindar la calidad de servicio estipulada en el contrato de tráfico se implementan los mecanismos de conformación y comprobación del tráfico (traffic-shaping, trafficpolicing y soft-policing). El algoritmo usado se denomina Generic Cell Rate Algorithm (GCRA). Cuando una celda no se ajusta al tráfico especificado puede ser degradada (baja su clase), descartada o aceptada (siempre y cuando no influya en el resto de conexiones). Para evitar la pérdida de celdas, la fuente de tráfico realiza un conformado del tráfico, lo que implica el retraso de ciertas celdas hasta que se ajusten a las especificaciones. 39. CATALINA HERRERA DUQUE JOHANNA CAROLINA RODRIGUEZ G.

(41) IEM-2002-II-07. . 2.3.1.2. Control De Admisión De Conexiones (CAC) Cuando el tráfico está definido la red aplica un CAC para decidir si se puede admitir con la calidad de servicio exigida con los recursos disponibles en la red. Si la conexión es aceptada, la transmisión puede comenzar. Se define como el conjunto de acciones ejecutadas por la red durante la fase de establecimiento de la comunicación (o durante la fase de renegociación) para determinar si puede aceptarse o habrá de rechazarse una petición de conexión de canal virtual/ trayecto virtual (o si puede acomodarse una petición de reasignación). La elección de un trayecto a través de la red forma parte del control de admisión de la conexión por la red. 2.3.1.3. Control De Congestión Gestiona que se eliminen las celdas de una manera no traumática. En la RDSI-BA, la congestión se define como un estado de los elementos de red (por ejemplo, conmutadores, concentradores, repartidores y enlaces de transmisión) en el cual la red no es capaz de satisfacer los objetivos de calidad de servicio de red negociados para las conexiones ya establecidas y/ o para las peticiones de nuevas conexiones. En general, la congestión puede ser causada por: fluctuaciones estadísticas imprevisibles de los flujos de tráfico; condiciones de avería dentro de la red.. 40. CATALINA HERRERA DUQUE JOHANNA CAROLINA RODRIGUEZ G.

(42) IEM-2002-II-07. . 3. TRAZAS MPEG [Hernández01], [Izquierdo99], [Rose95. -II]. Grupo de Expertos de Imágenes en Movimiento (Moving Picture Experts Group), ISO/UIT. MPEG se ocupa de definir las normas para la compresión de datos de imágenes en movimiento. Su trabajo continúa el de JPEG, añadiendo la compresión inter-campo, compresión extra potencialmente disponible en base a las similitudes entre cuadros sucesivos de imágenes en movimiento. En un principio se planificaron cuatro normas MPEG, pero la inclusión de HDTV en MPEG-2 ha hecho que MPEG-3 sea ahora redundante. MPEG-4 se emplea para diversas aplicaciones inconexas; el principal interés de la industria de la televisión se centra en MPEG-1 y MPEG-2. MPEG-1 y MPEG-2 definen técnicas para comprimir vídeo digital en factores que van de 25:1 a 50:1. La compresión se consigue usando cinco técnicas distintas: 1. El uso de una transformación basada en la frecuencia llamada Transformación Discreta. de. Coseno. (Discrete. Cosine. Transform,. DCT).. 2. Cuantización, una técnica para perder información selectiva (ocasionalmente conocida. como. compresión. con. pérdida). de. forma. tolerable.. 3. Codificación de Huffman, una técnica de compresión sin pérdida que usa tablas de. código. basadas. en. estadísticas. acerca. de. los. datos. codificados.. 4. Codificación predictiva compensada por el movimiento, en la cual se calculan las diferencias en lo que ha cambiado entre una imagen y la que le ha precedido y sólo. las. diferencias 41. se. codifican.. CATALINA HERRERA DUQUE JOHANNA CAROLINA RODRIGUEZ G.

(43) IEM-2002-II-07. . 5. Predicción bidireccional, en la cual algunas imágenes se predicen a partir de las imágenes. que. las. preceden. y. siguen. inmediatamente.. La compresión MPEG se realiza reduciendo la redundancia espacial y temporal del vídeo original. Las redundancias espaciales son. reducidas por medio de. transformadas y codificación por entropía, y las temporales por medio de la predicción de las tramas (cuadros) futuras usando vectores de movimiento. Esto se consigue usando tres tipos de tramas: •. Tramas I: compresión de una trama individualmente, basado en la transformada discreta del coseno (DCT) y codificación por entropía.. •. Tramas P: se usa un esquema de codificación similar a las tramas I, pero con la adición de la compensación por movimiento con respecto a las tramas I o P anteriores.. •. Tramas B: son similares a las tramas P, excepto que la compensación puede ser respecto a las tramas I o P anteriores, las siguientes o la interpolación entre ellas.. Normalmente, las tramas I requieren más bits que las tramas P. Las tramas B son de menor tamaño. Debido a la técnica de codificación MPEG, las tramas son dispuestas en una secuencia periódica determinada, esto es, “IBBPBB” o “IBBPBBPBBPBB”, que se denomina GOP (Group of pictures). Este esquema de codificación conduce a una variedad de propiedades estadísticas que son propias de este tráfico.. 42. CATALINA HERRERA DUQUE JOHANNA CAROLINA RODRIGUEZ G.

(44) IEM-2002-II-07. . 3.1. TRAZAS USADAS A lo largo de esta tesis se utilizan las trazas MPEG-1 provenientes del conjunto de secuencias estudiadas por O.Rose de la Universidad de Wurzburg [Rose95-II]. Estas secuencias han sido codificadas usando el MPEG-encoder (versión 1.3) de Berkeley. La codificación es de 25 cuadros por segundo y utiliza codificación VBR. La. mayoría. de. los. tráficos. usados. tienen. 40000. cuadros,. que. son. aproximadamente media hora de vídeo.. 43. CATALINA HERRERA DUQUE JOHANNA CAROLINA RODRIGUEZ G.

(45) IEM-2002-II-07. . 4. RESE RVA DE ANCHO DE BANDA 4.1 INSERCION DEL TRAFICO A LA RED La descripción de cómo se va a introducir el tráfico en la red se realiza por medio de algoritmos de regulación, los mas comunes son el leaky bucket y el token bucket. 4.1.1 Algoritmo leaky bucket Este algoritmo fue introducido por Turner (Turner 1986) y desde entonces ha sido el más utilizado para describir la manera en la cual se introduce el tráfico en la red. Este algoritmo simula un cubo que gotea tráfico a la red de forma regulada, donde los parámetros característicos son: la capacidad del cubo ó (celdas) y la tasa de drenaje ñ (celdas/seg), como el observado en la figura 4.1.. LEAKY BUCKET Tráfico no regulado. MPEG VBR. Cubo de capacidad ó (celdas). Flujo regulado a tasa ñ (celdas/seg) RED. Figura 4.1 Algoritmo leaky bucket.. 44. CATALINA HERRERA DUQUE JOHANNA CAROLINA RODRIGUEZ G.

(46) IEM-2002-II-07.  Siempre que el cubo (figura 4.1) tenga contenido se envía a la red con tasa ñ, toda celda entrante se introduce en el cubo y en el caso de que el cubo esté lleno, la celda se pierde; entonces se limita la tasa de transmisión del tráfico al valor de ñ. Este algoritmo puede ser considerado como una cola con disciplina de servicio FIFO imaginaria con un buffer de tamaño ó (celdas ) y con una tasa de drenaje constante ñ (celdas/seg). Relación entre ó y ñ Sea ói el acumulado en el buffer (celdas) al final del periodo i y Bi el número de celdas que llegan al buffer en el periodo i, donde cada periodo corresponde a la duración de la transmisión de un cuadro (como se tiene una tasa de 25 cuadros por segundo, cada periodo será de 40 ms) entonces:. Final periodo i-1 (parámetro de QoS). Bi-1. ói-1 0.04*ñ Final periodo i. Bi. ói 0.04*ñ. Figura 4.2. Cálculo de acumulado en el buffer (celdas). 45. CATALINA HERRERA DUQUE JOHANNA CAROLINA RODRIGUEZ G.

(47) IEM-2002-II-07.  Como se muestra en la figura 4.2, el número de celdas (1 celda = 53 bytes (ATM Forum 1999), (Cisco Systems (ATM ) 2002)) acumulado en el buffer al final del periodo i es la suma de las celdas que había en el buffer al final del periodo i-1 (ói1. ) con las celdas que han llegado al buffer al final del periodo i (Bi) menos las. celdas que fueron atendidas y que por lo tanto abandonaron el buffer al final del periodo i (dado por la tasa de atención (ñ celdas/seg) por la duración de cada periodo = 40 ms). Y como la tasa de atención que es constante puede ser mayor a ói-1 + Bi, la ecuación final sería el máximo entre cero y la suma de los parámetros explicados anteriormente (1) (Reibman et al. 1995). σ i = max{0, σ i −1 + Bi − 0.04 ρ }. (1). Por lo tanto se puede escoger la capacidad del buffer ó, de tal manera que al final de cualquier periodo, ocurra que ói ≤ ó, con el objetivo de que no haya pérdida de celdas (ver la figura 4.3). Entonces la capacidad del buffer requerida se obtiene hallando el ói necesario para cada uno de los n periodos durante la transmisión y tomando el máximo de todos los ói, por lo tanto:. σ ( ρ ) = max σ i. (2). 0 <i ≤ n. Celdas en el buffer. ó4= ómáx. 0 1 2 3 4 .... Periodo. ... n. Figura 4.3 Selección del ó apropiado.. 46. CATALINA HERRERA DUQUE JOHANNA CAROLINA RODRIGUEZ G.

(48) IEM-2002-II-07. . En la figura 4.4 se representa el tráfico denominado LAMBS1500 el cuál equivale a los primeros 1500 cuadros MPEG de la película “El silencio de los inocentes” y en la figura 4.5 se muestran los valores de ói en función del tiempo para una tasa ñ de 1Mb/s.. x 10. 4. trafico Lambs. 9 8. tamaño del cuadro (bits). 7 6 5 4 3 2 1 0 0. 500. 1000. 1500. Número de cuadro. Figura 4.4 Tráfico LAMBS1500. 47. CATALINA HERRERA DUQUE JOHANNA CAROLINA RODRIGUEZ G.

(49) IEM-2002-II-07. . x 10. 4. Valor de sigma en función del número de cuadro. 5 4.5. acumulado en el cubo(bits). 4 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 0. 500. 1000. 1500. Número de cuadro. Figura 4.5 valores de ói en función del tiempo para una tasa ñ de 1Mb/s.. 4.2 MÉTODO DE ASIGNACIÓN DEL ANCHO DE BANDA OFF-LINE TENIENDO EN CUENTA QOS. Este método asume que se conoce previamente el tráfico a transmitir, ya que la reserva depende de los parámetros específicos de este tráfico y de la red; su desarrolló inició a mediados de los 90, con la teoría de flujo para redes de tiempo real, enfocándose básicamente en aplicaciones como la transmisión bajo demanda.. 48. CATALINA HERRERA DUQUE JOHANNA CAROLINA RODRIGUEZ G.

(50) IEM-2002-II-07.  4.2.1 Parámetro de QoS de diseño Con el fin de calcular la reserva del ancho de banda en la red se tiene en cuenta el retardo máximo entre emisor y receptor como parámetro de la calidad de servicio (ver tabla 4.1) (Recomendación ITU-T I.356 2000).. Tabla 4.1 Valores de retardo máximo recomendados.. _______________________________ Retardo Calidad de servicio ______ ms _______________________________ 0-150 Aceptable 150-400 Causa algún impacto 400 en adelante Inaceptable _______________________________. El retardo máximo que experimentará la información al ser transmitida por la red depende tanto de los parámetros del leaky bucket como de los parámetros de los elementos de la red (enrutador, subred, etc.). Este retardo está compuesto por un retardo determinado que depende de las características típicas de los elementos de la red y por un retardo de cola que se halla con los parámetros de la calidad de servicio y depende de ó, ñ y la tasa de transmisión que requiere la aplicación (R). Las características de los elementos de red determinan dos términos de error: C y D, que representan como la implementación de estos elementos se desvía del modelo del flujo de tráfico simulado (leaky bucket).. 49. CATALINA HERRERA DUQUE JOHANNA CAROLINA RODRIGUEZ G.

(51) IEM-2002-II-07.  La C (celdas) es un término de error dependiente de la tasa de transmisión, representa el retardo que la información transmitida puede experimentar debido a los parámetros de transmisión de flujo. La variable D (seg) es independiente de la tasa de transmisión y representa el peor retardo que experimentará el flujo en cada elemento de la red. Para una red con más de un nodo Ctot y Dtot resultan de la suma de C y D en todos los nodos. Para modelos de redes donde se forma eventualmente una cola y se transmiten los datos en forma de paquetes, D es igual al MTU del nodo (unidad máxima de transferencia del equipo de la red) dividido por el ancho de banda (BW) del enlace en el nodo (Shenker et al.1997), por lo tanto para una red con mas de un nodo, se tiene: k. MTU j. j =1. BW j. Dtot = ∑. (3). Dónde k es el número de nodos de la red. Para el calculo de este parámetro no se está teniendo en cuenta la latencia de la red (tiempo mínimo de duración de la información en un dispositivo) ya que en la práctica este parámetro es muy cercano a cero y por lo tanto, para efectos de la simulación, tiende a cero (Shenker et al. 1997). Para este modelo de red C es igual a M, y para una red que tiene varios nodos, Ctot sería igual a: (4). Ctot = kM. Teniendo en cuenta lo anterior y según lo especificado en el RFC 2212 (Shenker et al. 1997) el retardo emisor receptor está dado por las siguientes ecuaciones, para p > R ≥ ñ: 50. CATALINA HERRERA DUQUE JOHANNA CAROLINA RODRIGUEZ G.

(52) IEM-2002-II-07. . d=. σ − M p − R M + Ctot * + + Dtot R p−ρ R. (5). d=. M + Ctot + Dtot R. (6). para ñ < p ≤ R:. Dónde p es la tasa pico (PCR en ATM (ATM Forum 1999), (Hernández 2001), (Recomendación ITU-T I.371 2000)) que es la tasa máxima a la que la fuente inyecta las ráfagas de tráfico a la red; σ y ρ son los parámetros de leaky bucket; M es el mínimo MTU (Atkinson 1994), (Cisco Systems (MTU) 2002) de todos los nodos que componen la red y R es la tasa de servicio deseado (reserva de ancho de banda) que debe ser mayor o igual a ρ porque esto reducirá el tiempo de retardo. Cuando no se conoce la tasa pico (p) se asume que esta tiende a infinito y por tanto la ecuación del retardo máximo (5), (6) se simplifica a (Shenker et al. 1997): d=. σ + Ctot + Dtot R. (7). Como se necesita la reserva en función del retardo máximo, de la ecuación anterior (7) se despeja la reserva, así: R=. σ + Ctot d − Dtot. (8). De la ecuación anterior (8) se observa que la reserva depende directamente de los parámetros de Leaky bucket que se utilicen, así que es muy variable y se obtienen resultados muy diferentes según la tasa de transmisión que se asigne, debido a esto se realiza un procedimiento para encontrar la reserva óptima. 51. CATALINA HERRERA DUQUE JOHANNA CAROLINA RODRIGUEZ G.

(53) IEM-2002-II-07.  4.2.2 Descripción del método En varios artículos estudiados: (Hernández 2001), (Liebeherr et al. 1996), (Wrege et al. 96), proponen calcular la envolvente empírica del tráfico a transmitir con el objeto de obtener una información condensada, obteniendo unos puntos envolventes que junto con el retardo máximo (parámetro de QoS) y la caracterización de la red permiten optimizar la reserva del ancho de banda como se ve en la figura 4.6, en esta investigación se lleva a cabo este procedimiento.. TRAFICO MPEG. CARACTERIZACION. RETARDO MÁXIMO. ENVOLVENTE EMPIRICA. (parámetro. DE LA RED (ATM). de QoS) PUNTOS ENVOLVENTES. RESERVA OPTIMA (RO). Figura 4.6 Cálculo de la reserva óptima. 52. CATALINA HERRERA DUQUE JOHANNA CAROLINA RODRIGUEZ G.

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