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Reti di Calcolatori II

ATM

21/05/2009 corso Reti II 1/

Simon Pietro [email protected]

Dipartimento di Informatica e SistemisticaUniversità di Napoli Federico II

Slide a cura di Vittorio [email protected]

ATM: Asynchronous Transfer Mode

� Tecnologia a commutazione di pacchetto (packet switching) ad alta capacità� Nasce dall’integrazione di servizi e requisiti prestazionali relativi a telefonia

e data networking• A broadband Integrated Service Vision(B-ISDN - rete digitale per servizi

integrati ad ampia banda)� L’unità di trasmissione è la cella, che ha una dimensione di 53 byte (5 byte


� L’unità di trasmissione è la cella, che ha una dimensione di 53 byte (5 byte intestazione +48 byte dati).

� Supporta il concetto di percorsi e canali virtuali. L’Header di ciascuna cella ATM contiene due campi: il VPI (Virtual Path Identifier) e il VCI (VirtualChannel Identifier)

� Gli apparati ATM vanno classificati come switch anche se supportano un protocollo di routing, il P-NNI (Private Network to Network Interface), utilizzato per la costruzione dei percorsi virtuali

Perché ATM?

� Le reti per la telefonia supportano un singolo livello di qualità del servizio

� Internet, invece, non supporta affatto la qualità del servizio, tuttavia costituisce uno strumento flessibile ed economico

� Le reti ATM supportano differenti livelli di qualità del servizio offerti


ad un costo ragionevole, e vengono introdotte con l’obiettivo di sostituire sia la rete telefonica che Internet

ATM vs reti telefoniche sincrone

� Le reti telefoniche sfruttano il paradigma circuit-switching• Le reti ATM utilizzano il paradigma packet-switching, o anche cell-

switching� Nelle reti per la telefonia la velocità di trasmissione è sempre un

multiplo di 64 kbps• Con i servizi ATM è possibile ottenere qualsiasi velocità di trasmissione,


• Con i servizi ATM è possibile ottenere qualsiasi velocità di trasmissione, e variare la velocità nel tempo

� Con le attuali reti per la telefonia tutti i circuiti ad alta velocità sono installati a mano• ATM consente di sfruttare connessioni a differenti velocità, e di eseguire

un rapido set-up del servizio da fornire

ATM vs Data Networks

� ATM è basata sul concetto di circuito virtuale: il percorso (ed eventualmente le risorse sul percorso) vengono riservate prima della trasmissione• IP è connection-less (non orientato alla connessione) e non consente di

riservare risorse sul percorso end-to-end• RSVP(ReSource reserVation Protocol) è un nuovo protocollo di


• RSVP(ReSource reserVation Protocol) è un nuovo protocollo di segnalazione per Internet

� Celle ATM: dimensione piccola e fissa determinata dal compromesso tra i requisiti delle applicazioni voce e delle applicazioni dati• I pacchetti IP hanno dimensione variabile

ATM vs Data Networks (cont’d)

� ATM fornisce il QoS routing combinato alla segnalazione• Internet fornisce il routing “best-effort” (ottenuto dalla combinazione di

RIP/OSPF/IS-IS/BGP-4), con il solo scopo di fornire connettività� Indirizzamento:

• ATM utilizza per la segnalazione indirizzi globali NSAP di 20 byte, ed etichette locali di 28 bit nelle celle


etichette locali di 28 bit nelle celle• IP usa indirizzi globali di 32 bit in tutti i pacchetti

� ATM fornisce sofisticati meccanismi per il management• Il meccanismo di controllo di congestione offerto dalla suite TCP/IP è

basato sulla perdita dei pacchetti (packet-loss-based)

Interfacce ATM


� UNI = User-Network Interface(privata e pubblica)� NNI = Network Node Interface(privata e pubblica)� B-ICI = Broadband Inter-Carrier Interface� DXI = Data Exchange Interface

Modello di riferimento del protocollo B-ISDN


Gli strati ATM


� Adaptation layer(strato di adattamento): mappa le applicazioni (es: voce, dati) sulle celle ATM

� ATM layer (strato ATM): Trasmissione/Switching/Ricezione/Controllo di Congestione/Gestione degli header delle celle

� Physical layer(strato fisico): SONET, etc.

Le funzioni dello strato fisico di ATM

� Trasporta le celle ATM su un canale di comunicazione e definisce specifiche di tipo meccanico (connettori, ecc.)• Physical Medium Sub-layer(sottostrato fisico intermedio):

Esegue funzioni intermedie tipo il trasferimento di bit, l’allineamento di bit, ecc.

• Transmission Convergence Sub-layer(sottostrato per la convergenza

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• Transmission Convergence Sub-layer(sottostrato per la convergenza della trasmissione):Mappa le celle nel formato della frame dello strato fisico (es: DS1, STS3) in corrispondenza del processo di trasmissione, e delinea le celle ATM dei bit stream in ricezione

I sottostrati dell’AAL

� Segmentation and Reassembly Sublayer(SAR – sottostrato di segmentazione e riassemblaggio)• Esegue la segmentazione dei dati utente di alto livello in celle da 48 byte in

corrispondenza del sender, ed il riassemblaggio in corrispondenza del receiver� Convergence Sublayer(CS - sottostrato di convergenza)

• Determina la Class of Service(CoS– classe di servizio) per il traffico in entrata• Fornisce uno specifico servizio ad un Network Service Access Point(NSAP-

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• Fornisce uno specifico servizio ad un Network Service Access Point(NSAP-punto di accesso ad un servizio di rete)

L’AAL5

Common Part Convergence Sublayer (CMCS)

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AAL 5

Percorsi Virtuali e Canali Virtuali

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� Gerarchia di connessione a due livelli:• Virtual Circuit (VC – Canali Virtuali)• Virtual Path (VP – Percorsi Virtuali)

Circuiti Virtuali: etichetta e logica per la segnalazione

� Due diversi modi per utilizzare i pacchetti:• Trasportare l’intero indirizzo destinazione nell’header• Trasportare solo un identificativo, la label(etichetta)

� Le etichette hanno un significato logico, gli indirizzi un significato globale

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� Protocollo di segnalazione: mappa indirizzi globali o percorsi (sequenze di indirizzi) su etichette locali

VPI/VCI: assegnazione ed uso

� Tutti i pacchetti devono seguire lo stesso percorso� Gli switch memorizzano informazioni relative allo stato del Virtul

Circuit Identifier• Es: informazioni per la QoS

� Segnalazione � separazione tra dati e controllo� Identificativi piccoli possono essere ricercati (matching esatto) in

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� Identificativi piccoli possono essere ricercati (matching esatto) in tempi brevi• È complicato fare lo stesso con gli indirizzi IP (prefissi troppo lunghi)

� Il set-up deve precedere il trasferimento dei dati• Ritardo per i messaggi brevi

VPI/VCI: assegnazione ed uso (cont’d)

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Struttura della cella ATM

� GFC– Generic Flow Control(4 bit)

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• Controlla il flusso di dati che attraversa la User-Network Interface (UNI), consentendo a diversi dispositivi ATM di essere collegati alla medesima interfaccia di rete

� VPI – Virtual Path Identifier(8 bit)• Contiene l’indirizzo del percorso virtuale per la connessione end-to-end

� VCI – Virtual Channel Identifier(16 bit)• Un puntatore che identifica il canale virtuale che il sistema sta

utilizzando su un particolare percorso

Struttura della cella ATM (cont’d)

� PTI – Payload Type Identifier(3 bit)• Indica il tipo di traffico contenuto all’interno della cella (informazioni

utente oppure controllo)� CLP– Cell Loss Payload(1 bit)

• Indica se una cella può essere o meno eliminata in caso di congestione• 1 � droppable; 0 � non droppable

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• 1 � droppable; 0 � non droppable� HEC– Header Error Control(8 bit)

• Controllo di errore per errori che interessano il bit singolo, e rilevazione di errore per errori che coinvolgono molteplici bit

� Payload– User Information

Concetti di ATM: pacchetti con dimensione fissa

Vantaggi� Semplice hardware per il buffering

• I pacchetti in arrivo e in partenza richiedono una porzione di buffer di dimensione fissa

� Semplice schedulazione delle linee• Ogni cella occupa una porzione di banda di dimensione costante

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• Ogni cella occupa una porzione di banda di dimensione costante� Semplice realizzare switch per il processing parallelo di pacchetti

Svantaggi� Overhead per la trasmissione di piccole quantità di dati� Costo per la segmentazione ed il riassemblaggio

Concetti di ATM: pacchetti di piccola dimensione

� Più è piccola la cella, tanto meno l’endpoint dovrà attendere per riempirla

� Più è piccola la cella, tanto più grande sarà l’overhead per l’header� Risultato del compromesso � 48 byte + 5 byte di header = 53 byte

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Categorie di Servizio

� CBR(Constant Bit Rate): l’utente dichiara il rate richiesto• Throughput, ritardo e variazione del ritardo sono garantiti

� VBR (Variable Bit Rate): l’utente dichiara rate medio e rate massimo• Rt-VBR (Real Time) � Massimo ritardo garantito• Nrt-VBR (non-Real Time)

� ABR (Available Bit Rate)

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� ABR (Available Bit Rate)• La sorgente segue il feedback della rete• Massimo throughput con minima perdita

� UBR (Unspecified Bit Rate)• L’utente invia dati ogni volta che vuole. Non c’è feedback. Non ci sono

garanzie. Le celle possono essere scartate durante una congestione

Categorie di servizio e allocazione delle risorse

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Frame Rate Garantito

Guaranteed Frame Rate(GFR)� UBR con Minimum Cell Rate(MCR)� Il traffic-shaping è basato sulla frame� Tutte le celle della frame hanno lo stessoCLP(Cell Loss Priority)� Le frame complete vengono accettate oppure scartate nello switch

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Segnalazione ATM e QoS routing (PNNI)

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Segnalazione ATM e QoS routing (PNNI)

Stack protocollare per la segnalazione ATM

� Segnalazione AAL (SAAL)• Service Specification Coordination Function(SSCF): fornisce

l’intefaccia• Service Specification Connection-Oriented Protocol(SSCOP): recupero

da errori e perdite• AAL Common Part(AAL CP): rilevazione di errore

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• AAL Common Part(AAL CP): rilevazione di errore

Tipi di connessione ATM

� Permanente e switchato� Point-to-point� Banda simmetrica oppure asimmetrica (Uni- o Bi-direzionale)� Point-to-multipoint: flusso dati in un’unica direzione

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Set-up e rilascio della connessione ATM

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Gerarchia di indirizzi in ATM

� Formati multipli� Tutti gli indirizzi hanno dimensione pari a 20 byte� Left-to-right� Prefisso di 13 byte � 104 possibili livelli di gerarchia

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Routing ATM: PNNI

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� Private Node-to-Network Interface• Il protocollo funziona tra nodi della medesima rete …

� Private Network-to-Network Interface• … e tra nodi appartenenti a reti o AS differenti

Caratteristiche di PNNI

� È un protocollo di signaling che fornisce meccanismi per supportare la scalabilità ed il routing QoS based• Trova il percorso utilizzando delle tecniche di neighbor discovery

� È un protocollo di routing link-state dinamico e gerarchico• Assiste la composizione di circuiti virtuali switchati

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Parametri di QoS

� Parametri relativi alle caratteristiche del mittente:• Peack Cell Rate(PCR)• Sustained Cell Rate(SCR)• Minimum Cell Rate(MCR)• Cell Variation Delay Tolerance (CVDT)

� Parametri misurati dal ricevente:

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� Parametri misurati dal ricevente:• Cell Loss Ratio(CLR)• Cell Transit Delay(CTD)• Cella Delay Variation(CDV)

� Parametri relativi alle caratteristiche della rete• Cell Error Ratio (CER)• Severely-Errored Cell Block Ratio (SECBR)• Cell Misinsertion Rate (CMR)

Funzione densità di probabilità

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Gestione del traffico: ATM

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Funzioni per la gestione del traffico

� Connection Admission Control(CAC): è possibile supportare banda richiesta e qualità del servizio?

� Traffic Shaping� Usage Parameter Control(UPC): monitora e controlla il traffico in

entrata alla rete

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� Network Resource Management:schedulazione, accodamento, prenotazione delle risorse del percorso virtuale

� Selective Cell Discarded:• Cell Loss Priority (CLP) = 1 � le celle devono essere scartate• Frame Discarding

� Feedback Control

Leaky Bucket: le basi per il Policing

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� Generic Cell Rate Algorithm(GCRA)• Esegue lo shaping del traffico• Esegue il policing del traffico: verifica che gli utenti inoltrano traffico

rispettando i limiti specificati• Due implementazioni: scheduling virtuale e leaky bucket

Explicit Rate

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� La sorgente invia una cella RM ogni n celle � La cella RM contiene un Explicit rate� La destinazione restituisce la cella RM alla sorgente� Gli switch modificano il rate abbassandolo� La sorgente si adegua al rate di trasmissione indicato dagli switch

IP over ATM

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IP over ATM

LAN Emulation

� ATM può essere d’aiuto per risolvere problemi di banda di vecchie reti LAN

� È necessario che ci sia compatibilità con le frame IEEE 802.X� LAN Emulation� ATM e le LAN classiche differiscono tra loro

• Le LAN classiche utilizzano trasferimento dati connectionless mentre

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• Le LAN classiche utilizzano trasferimento dati connectionless mentre ATM è connection-oriented

• Le LAN classiche utilizzano l’indirizzamento MAC, mentre ATM utilizza un indirizzamento stile telefonico (20 bytes)

� La LAN emulation (LANE) definisce le regole con cui è possibile emulare le caratteristiche delle LAN classiche su ATM

LAN Emulation (cont’d)

� Il driver per la LAN Emulation rimpiazza il driver Ethernet e passa i

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� Il driver per la LAN Emulation rimpiazza il driver Ethernet e passa i pacchetti di livello rete al driver ATM

� Ogni host ATM è assegnato ad un indirizzo Ethernet� Il Server per la LAN Emulation traduce indirizzi Ethernet in indirizzi

ATM� Gli host eseguono il set-up di un circuito virtuale e scambiano

pacchetti� Tutto il software che gira su Ethernet può girare su LANE

Architettura LANE

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� Il problema del broadcasting• Le LAN sono basate sul broadcasting, mentre ATM è una rete di tipo

connection-oriented• Gli indirizzi LAN sono cablati nelle interfacce

� Due possibili soluzioni• Una connessione completa con canali virtuali punto-multipunto • Utilizzare un approccio basato sull’uso di server di connessione

Tre differenti server

Bridge

LAN EmulationClient [LEC]

Workstation

LAN EmulationClient (LEC)

LAN Emulation Server(LES)

Broadcast and UnknownServer (BUS)

LAN EmulationConfiguration Server

(LECS)

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� LAN Emulation Configuration Server (LECS)� LAN Emulation Server (LES)� Broadcast /Unknown Server (BUS)

Legacy LAN LUNI Interface

Sottorete logica IP

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� È una tecnica proposta dall’IETF per supportare IP su ATM all’iterno di una singola Logical IP Subnet(LIS)

� Una LIS è un gruppo di host IP che condividono il medesimo identificativo di rete IP e la medesima subnet mask, e che comunicano tra loro attraverso connessioni ATM

IP over ATM

� Di quanti canali virtuali c’è bisogno per n protocolli?• Packet Encapsulation [RFC 1483]

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• Packet Encapsulation [RFC 1483]� In che modo trovare indirizzi ATM a partire da indirizzi IP?

• Address Resolution [RFC 1577]� Come gestire il multicast?

• MARS [RFC 2022]� In che modo possiamo attraversare n sottoreti su una rete ATM di

grosse dimensioni?• NHRP

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