ATM Asynchronous Transfer Mode

1. Corso di laurea specialistica in Economia Informatica ATM AsynchronousTransfer Mode Corso di “Reti di calcolatori e sicurezza” Anno accademico 2005/2006 Mariangela Valeri

2. Asynchronous Transfer Mode: ATM Anni 1980/1990: iniziano ad essere sviluppati i primi standard. Erano predominanti due tipi di reti: reti telefoniche e le reti per dati . Per questo fu naturale progettare una tecnologia di rete che fosse appropriata per il trasporto audio e video in tempo reale, oltre a testo, e-mail e file d’immagini.

3. Asynchronous Transfer Mode: ATM • Due comitati per la standardizzazione: • ITU-T: International Telecomunication Union -Telecommunication Sector , esso ha promosso fortemente ATM in quanto ha adottato gli sforzi degli operatori telefonici che tendevano alla creazione di uno standard per la B-ISDN • ATM Forum : una organizzazione di standardizzazione nata per volontà di industrie manifatturiere del settore informatico e delle reti di calcolatori

4. Asynchronous Transfer Mode: ATM • IETF (Internet Engineering Task Force) ovvero l'ente standardizzatore di Internet. Questo perchè negli ultimi anni , nonostante carenze negli standard, le reti ATM sono divenute una realtà, per cui si e sentito il bisogno di standardizzare il loro uso in Internet

5. ATM: Obiettivi Trasporto integrato,end-to-end di dati, voce e video capace di: • Rispettare i requisiti di isocronia e Quality of Service imposti dalla trasmissione di traffico voce e video superando così il paradigma di “Best-effort” di Internet • Rispondere alla variabile domanda di banda nel tempo di utenza • Basso costo ed alta velocità nel trattare elevate quantità di dati • Adattabilità ai molteplici servizi supportati

6. ATM: Caratteristiche • La tecnica di trasporto ATM è orientata alla connessionee acommutazione di pacchetto • L’ATM usa pacchetti di lunghezza fissa di 53 byte detti celledi cui 5 d’intestazione e 48 di “carico utile”. • L’ATM usa canali virtuali detti circuiti virtuali • L’ATM non prevede la ritrasmissione su base da link a link delle celle. • L’ATM ha più modelli di servizio: CBR, VBR, ABR, UBR • Fornisce il controllo della congestione solo all’interno del servizio ABR

7. Instaurazione della comunicazione 1. Un host invia un messaggio di Setup allo switch cui è connesso segnalando quale e' l'host da raggiungere e quale e' la QoS richiesta. 2. Lo switch risponde con una procedura di Call Proceeding e chiama le funzioni di routing per determinare dove inoltrare la richiesta di connection setup. • Utilizzo di parametri • CAC (Connession • Admission Control) • UPC (Usage Parameter Control) 3. Una volta che l'ultimo switch ha comunicato la richiesta all'host finale , quest'ultimo può o meno accettare la connessione. Se la rifiuta invia indietro un Releasealtrimenti un Accept .

8. La struttura delle celle • Nello stabilire la struttura e la lunghezza delle celle si tenne conto di: • Efficienza di trasmissione - più grande è il pacchetto, più elevato è il ritardo. Più piccolo è il pacchetto, più elevato è il carico aggiunto all'informazione in percentuale • Ritardo - di transito del pacchetto, di attesa in coda ad ogni nodo di commutazione, fluttuazioni varie, pacchettizzazione e depachettizzazione,ecc • Complessità implementativa.

9. La struttura delle celle La celle ATM hanno una dimensione di 53 byte di cui 5 d’intestazione e 48 di dati.

10. L’intestazione delle celle • GFC - Generic Flow Control: campo necessario per il controllo della congestione. Opera ad un livello cosi basso il controllo della congestione. • VPI/VCI - Virtual Path Identifier/Virtual Channell Identifier: servono per l'instradamento, ovvero una volta determinato l'indirizzo ATM a cui mi devo connettere questi identificativi sono utilizzati dagli switch del collegamento per instradare i pacchetti • PT - Payload Type: Identifica se la cella ATM e di traffico utente o di traffico di management • CLP - Cell Loss Priority: se vale 1 la cella può essere scartata in caso di congestione dello switch • HEC - Header Error Control: è il risultato di un codice ciclico applicato solo sull'header della cella.

11. VPI/VCI • Le celle sono trasportate su di un VC all’interno del VP dalla sorgente alla destinazione. • La comunicazione inizia con la creazione del circuito (call setup) prima dell’invio dei dati. Al termine della trasmissione e si ha l’eliminazione del circuito(teardown). • Ogni cella trasporta un identificativo di circuito virtuale (VCI: VC Identifier). Non è presente, nella cella, nessun identificativo della destinazione. • Ogni switch lungo il percorso sorgente-destinazione mantiene informazioni di “stato” per tutte le connessioni che lo attraversano. Le risorse del canale e dello switch (capacità trasmissiva, buffer) possono essere dedicate ad un particolare VC. Prestazioni paragonabili a quelle di un circuito dedicato! • Circuiti Virtuali Permanenti – Permanent VC (PVC) Per connessioni di lunga durata. Tipicamente impiegati per collegare in modo “permanente” due router IP • Circuiti Virtuali Commutati – Switched VC (SVC):creazione dinamica di circuiti dedicati ad una singola comunicazione

12. VPI/VPC

13. HEC • Tecnica di rilevamento errori basata su codici di controllo a ridondanza ciclica (CRC) o codici polinomiali. • Vede la stringa di bit che deve essere spedita come un polinomio i cui coefficienti sono i valori 0 e 1. • Si considera il blocco di dati, D, costituito da d bit che il nodo che spedisce vuole inviare a quello che riceve. Sender e reciver si mettono d’accordo su uno schema di r+1 bit generatore (G) • Per un certo blocco di dati ,D, il sender sceglierà r bit addizionali R che appenderà a D in modo che risulti uno schema d+r esattamente divisibile per G usando l’aritmetica modulo 2. • Quindi il receiver dividerà i d+r bit ricevuti per G. Se il resto è diverso da zero, il receiver saprà che siè verificato un errore.

14. Modelli di servizio ATM • CBR Costant Bit Rate: la sorgente emette dati con una temporizzazione fissata ed una quantità di bit fissata. Si richiede che la rete trasporti tutti i dati con la temporizzazione giusta. • VBR Variable Bit Rate • VBR RT Variable Bit Rate Real Time: la sorgente emette dati a scadenze fissate ma con quantità di dati aleatorie di cui pero' si possono avere parametri statistici (media, varianza) • VBR NRT Variable Bit Rate Non Real Time: la sorgente emette dati a scadenze non fissate in quantità non fissata . Anche qui si possono avere dati statistici. • ABR Available Bit Rate: come VBR NRT solo che non viene richiesta una certa QoS bensì fatta una indicazione e ci si accontenta di un best effort controllando però lo stato della rete ed evitando la congestione • UBR Unspecified Bit Rate: non viene fatta una indicazione e la rete non segnala neppure l'avvenuto dropping di una cella ne cerca di evitare forti delay.

15. Il controllo della congestione del servizio ABR Con il servizio ABR le celle sono trasmesse dalla sorgente alla destinazione attraverso una serie di commutatori. Inframezzate tra le celle di dati vi sono anche celle RM (Resource Management cells). Sono usate per trasportare le informazioni relative alla congestione tra gli host e i commutatori.

16. Il controllo della congestione del servizio ABR Approccio basato sulla velocità: il sender calcola la velocità massima a cui può spedire e si regola in accordo a questa velocità. L’ABR ha tre meccanismi per segnalare info relative alla congestione dai commutatori al receiver. • Bit EFCI. (Explicit Forward Congestion Indication) contenuto in ogni cella di dati. Il commutatore di una rete congestionata può porlo a 1 per segnalare la congestione all’host di destinazione • Bit CI (Congestion Identication) e NI contenuti nelle celle RM possono essere impostati a 1 da un commutatore della rete congestionata. NI posto a 1 indica che la congestione è moderata. CI posto a 1 indica che la congestione è grave. • Impostazione di ER (Explicit Rate) a due bit. Contenuto nelle celle RM. Un commutatore congestionato può abbassare il valore contenuto nel campo ER di una cella RM. Cosi il campo ER può essere impostato al valore minimo supportabile da tutti i commutatori presenti nella rete.

17. Il controllo della congestione del servizio ABR • Controlla il bit ECFI • Pone il bit di CI della cella RM a 1 • Invia indietro al sender la cella RM EFCI=1 ER=01 ER=01 Cella dati Cella RM

18. ATM: Architettura • La pila protocollare dell’ATM è costituita da tre strati.

19. ATM: Architettura • Lo strato fisico dell’ATM si occupa della tensione, della temporizzazione dei bit e della strutturazione (framing) nel mezzo fisico. • Lo strato ATM è il nucleo dello standard ATM. Definisce la struttura delle celle ATM. • Lo strato di adattamento dell’ATM(AAL) corrisponde approssimativamente allo strato di trasporto nella pila protocollare di Internet. L’ATM comprende molti tipi diversi di AAL per supportare differenti tipi di servizi.

20. Pila Protocollare di Internet su ATM • L’ATM è usato molto comunemente come tecnologia dello strato di collegamento entro regioni localizzate di Internet. Per permetter di interfacciare il TCP/IP con L’ATM è stato sviluppato uno speciale tipo di AAL l’AAL5 prepara i datagram IP per il trasporto.

21. Strato fisico dell’ATM Lo strato fisico è formato da due sottostrati: • Il sottostrato PMD (Physical Medium Dependent) dipende dal mezzo fisico del link. Svolge funzioni di sincronizzazione, codifica e trasmissione dei bit che formano le celle. Esistono due classi di sottostrati PMD. Quelli che hanno una struttura a frame che stabilisce la sincronizzazione dei bit fra sender e receiver alle due estremità del link (SONET/SDH,T1, T2-fibra ottica diversi tassi: OC-1 51,84 Mbit/s;OC-3 155,52 Mbit; 0C-12 622,08Mbit/s) responsabili della generazione e del delineamento dei frame. E quelli che non l’hanno. • Il sottostrato TC(Trasmission Convergence)dal lato che spedisce del link ha il compito di accettare le celle dallo strato ATM e di preparale per la trasmissione sul mezzo fisico. Dal lato che riceve del link ha il compito di raggruppare in celle i bit che arrivano dal mezzo fisico e di passare le celle allo strato ATM. Anche lo strato TC dipende dal mezzo fisico. Esegue la correzione degli errori nell’intestazione (HEC).

22. Strato ATM • Lo strato ATM definisce la struttura della cella e il significato dei campi all’interno di questa struttura. • Esamina l’ header delle celle ricevute ed in base al suo contenuto opera il de/multiplexing dei diversi canali virtuali, attua meccanismi di control flow e prende le decisioni di routing. • Gestione del traffico e delle risorse di rete, volte a garantire la QoS e ad impedire che sorgenti malfunzionanti non rispettino i parametri concordati.

23. Strato di adattamento dell’ATM (AAL) • Lo scopo dell’AAL è di permettere ai protocolli esistenti (es. IP) e alle applicazioni (es. video a tasso costante di bit) di funzionare sopra l’ATM. • Implementato solo alle estremità di una rete ATM. Queste estremità potrebbero essere un sistema di host o un router IP. Rispetto a queste situazioni è simile allo strato di trasporto.

24. Strato di adattamento dell’ATM (AAL) • Esistono vari tipi di AAL che dipendono dalle varie classi di servizio che essi supportano: • AAL1: per servizi a tassi costanti di bit (CBR) ed emulazione di circuito; • AAL2: per servizi a tasso variabile di bit (VBR); • AAL5: per dati (es. datagram IP)

25. Struttura dell’AAL • L’AAL ha due sottostrati CS e SAR: • Il sottostrato di convergenza (CS) è fra l’applicazione dell’utente e il SAR. I dati provenienti dagli strati superiori sono prima incapsulati in una parte comune del CS (CPCS Common Part Convergence Sublayer) nel CS. Questa PDU può avere un’intestazione CPCS e una coda trailer. La CPCS-PDU è troppo grande per entrare nel carico utile di una cella. • IL sottostrato di segmentazione e riassemblaggio (SAR) suddivide le CPCS-PDU e aggiunge i bit di intestazione AAL e del trailer per formare il carico utile della cella ATM.

26. AAL5 • L’AAL5 è usato per trasportare i datagram IP sulla rete ATM • Con AAL5 l’intestazione e il trailer sono vuoti • Tutti i 48 byte del carico utile della cella ATM sono utilizzati per trasportare pezzi della CPCS-PDU. Un datagram IP occupa il carico utile della CPCS-PDU • IL PAD assicura che la CPCS-PDU sia multiplo di 48 byte; il campo lenght dentifica le del carico utile in modo che il PAD possa essere rimosso dal receiver 0-65535 0-47 2 4

27. AAL5 Cell header Cell format • Alla sorgente il SAR taglia la CPCS-PDU in segmenti di 48 byte • Un bit del campo PT che normalmente è 0 viene posto a 1 per l’ultima cella della CPCS-PDU.Alla destinazione ATM lo strato ATM indirizza le celle a un buffer del sottostrato SAR. • Le intestazioni delle celle sono rimosse e il bit di PT AAL_indicate è usato per delineare le CPCS-PDU. Poi vengono passate al CS, viene estratto il carico utile e passato allo strato superiore.

28. IP su ATM

29. IP su ATM • IP classico IP su ATM ATM network Ethernet LANs

30. IP su ATM • Ciascun interfaccia del router collegata alla rete ATM dovrà avere due indirizzi. L’interfaccia del router avrà un indirizzo IP mentre il router un indirizzo ATM che è del tipo: CC-49-DE-D0-AB-7D un indirizzo LAN Router di ingresso Router di uscita

31. Operazioni del router di ingresso • Esamina l’indirizzo di destinazione del datagram . • Indicizza la sua tabella di instradamento e determina l’indirizzo IP del router di uscita. • L’ATM è visto come un altro protocollo dello strato di collegamento. Deve essere determinato l’indirizzo fisico del router del salto successivo. • Impiego del protocollo ARP. Il router di ingresso indicizza una tabella ATM ARP con l’indirizzo IP del router di uscita e ne determina l’indirizzo ATM • L’IP del Router d’ingresso passa il datagram allo strato AAL5 dell’ATM insieme all’indirizzo ATM del router di uscita.

32. Operazioni del router di ingresso • Il datagram è incapsulato in una CPCS-PDU. • La CPCS-PDU è suddivisa in pezzi di 48 byte e ciasuna parte è inserita nel carico utile di una cella ATM • Nell’ultima cella il terzo bit PT viene posto a 1. • L’AAL5 passa allora passa le celle allo strato ATM • L’ATM imposta i campi VCI e CLP e passa ciascuna cella al sottostratoTC. • TC calcola HEC e lo inserisce nel campo HEC, poi inserisce i bit delle celle nel sottostrato PMD.

33. Operazioni della rete ATM • La rete ATM muove ciascuna cella attraverso la rete fino all’indirizzo ATM di destinazione. • A ciascun commutatore fra la sorgente e la destinazione la cella viene rielaborata dagli strati fisico e ATM. IL VCI è tradotto e l’HEC ricalcolato.

34. Operazioni del router di uscita • Le celle arrivano all’indirizzo di destinazione in un buffer AAL che è stato riservato per il VC. • La CPCS-PDU viene ricostruita usando il bit AAL_indicate. • Alla fine il datagram IP è estratto e passato verso l’alto della pila protocollare allo strato IP.

35. Bibliografia • Rfc 2515 • Rfc 1932 • Rfc 1483 • Rfc 1577 • James F. Kurose, Keith, Ross. “Internet e Reti di calcolatori” .McGraw-Hill.