REDES ATM

1
REDES ATM
La capa física
2
Introducción

• El modelo de comunicaciones ATM (Asynchronous
  Transfer Mode) es un modelo que como la torre OSI
  o TCP/IP esta basado en capas. En este modelo
  solo existen 3 capas (Física, ATM, y Adaptación
  (AAL)) aunque alguna de ellas a su vez esta
  dividida en subcapas.

3

• La tecnología ATM comprende un tendido físico
  (cable coaxial, enlace de microondas, o cable de
  fibra óptica), elementos de conmutación (switch),
  concentradores de acceso (HUB), dispositivos de
  adaptación (routers, codecs, etc), y dispositivos
  de interfaz (tarjetas de comunicación, cámaras de
  video, etc).
• El modo más corriente de acceso a ATM es la
  fibra óptica, un cable de silicio del grosor de
  un cabello humano, por el cual viaja un rayo
  láser de alta densidad o un haz infrarrojo, que
  transmite los bits (ceros o unos).
• Para transmitir datos o señales de audio o video
  sobre un cable de fibra óptica, es necesario
  digitalizar previamente la señal. De eso se
  encarga un procesador situado en el interior del
  dispositivo de interfaz, sea una cámara de video,
  etc.

4
LA CAPA FÍSICA
La Capa Física es un conjunto de reglas respecto
al HW que se emplea para transmitir datos. Entre
los aspectos que se cubren en este nivel están
los voltajes utilizados, la sincronización de la
transmisión y las reglas para establecer el
"saludo" inicial de la conexión de comunicación.
5
LA CAPA FÍSICA

• La capa Física de ATM, presenta las siguientes
  funciones
• Convierte bits en celdas (células).
• Controla la transmisión y recepción de bits en el
  medio físico.
• Sigue el rastro de limites de celdas ATM.
• Empaqueta la celda dentro del tipo apropiado de
  frame para el medio físico utilizado.

6
Funcionalidad del nivel Físico

• Estado de Inactividad En este estado se detecta
  ausencia de actividad en el medio, por lo que en
  nivel físico se encuentra en estado de
  inactividad de recepción.
• Estado de Recepción de bits de información sin
  violación de la codificación Este es el estado
  normal durante la transferencia.
• Estado de Recepción de símbolos de control Con
  violación de la codificación, corresponde a los
  estados de sincronización, delimitación,
  absorción o transmisión anómala

7
Funcionalidad del nivel Físico

• Estado de Inactividad Sin transmisión propia.
  En el caso de comunicaciones broadcast, consiste
  en un estado de silencio o aislamiento, mientras
  que en las comunicaciones secuenciales
  corresponde a un estado de repetición.
• Estado de Transmisión de la Información
  Correspondiente a la codificación, es el estado
  normal de la fase de transferencia de
  información.
• Estado de Transmisión de Información de Control
  Corresponde a las fases de sincronización,
  delimitación, absorción.

8
Células ATM

• El modelo ATM se basa en la idea de transmitir la
  información en pequeños paquetes de tamaño fijo
  llamados células (o celdas). Estas células tienen
  un tamaño fijo de 53 bytes, de los cuales los 5
  primeros están destinados al encabezado y los 48
  siguientes a datos    

9
Células ATM
    El encabezado de las células, se estructura
como sigue    

10
Células ATM
     
    Los primeros cuatro bytes identifican la
célula, y el quinto (HEC) es la suma de
comprobación de un byte, sobre los 4 primeros
bytes de la cabecera, no de la carga útil
(datos).Debido a que el chequeo solo se produce
sobre los bits de cabecera, a este chequeo se le
llama HEC (Header Error Control).  

11
Conmutadores ATM
En una red de conmutación de circuitos, hacer una
conexión realmente significa establecer una
trayectoria física del origen al destino a través
de la red.
12
Conmutadores ATM
En una red de circuitos virtuales como ATM,
cuando se establece un circuito, lo que realmente
sucede es que se escoge una ruta desde el origen
al destino y todos los conmutadores (esto es, los
enrutadores) a lo largo del camino crean entradas
de tabla para poder enrutar cualquier paquete por
ese circuito virtual.
13
Conmutadores ATM
Los conmutadores también tiene la oportunidad
para reservar recursos para el nuevo circuito. La
figura muestra un circuito virtual desde el host
H1 al host H5 a través de los conmutadores
(enrutadores) A,E,C y D.
14
Conmutadores ATM
La Línea punteada muestra un circuito virtual
que está definido sencillamente por entradas de
tabla dentro de los conmutadores.
15
Conmutadores ATM
Cuando un paquete llega, el conmutador
inspecciona el encabezado del paquete para
averiguar a cuál circuito virtual pertenece. A
continuación, busca ese circuito virtual en sus
tablas para determinar a cuál línea de
conmutación debe enviar el paquete.
16
Conmutadores ATM
Ahora se presentara una breve introducción a los
principios de diseño de conmutadores de células
ATM. El modelo general para un conmutador de
células ATM se muestra en la figura
17
Conmutadores ATM
Hay cierto número de líneas de entrada y cierto
número de líneas de salida, casi simpre la misma
cantidad (porque las líneas son bidireccionales).
18
Conmutadores ATM
Los conmutadores ATM generalmente son síncronos
en el sentido de que, durante un ciclo, se toma
una célula de cada línea de entrada (si está
presente), se pasa a la estructura de conmutación
interna y finalmente se transmite por la línea de
salida apropiada.
19
Conmutadores ATM
Las células llegan a la velocidad de ATM,
normalmente cerca de 150 Mbps. Esto corresponde a
un poco más de 360,000 células/seg, lo cual
significa que el tiempo de ciclo del conmutador
tiene que ser de cerca 2.7 µseg.
20
Conmutadores ATM
Un conmutador comercial podría tener desde 16
hasta 1024 líneas de entrada, lo cual significa
que debe estar preparado para aceptar y comenzar
a conmutar un lote de 16 a 1024 células cada 2.7
µseg.
21
Conmutadores ATM
El hecho de que las células sean de longitud
fija y corta (53 bytes) hace posible construir
tales conmutadores.
22
Conmutadores ATM
Todos lo conmutadores de ATM tienen dos metas
comunes 1. Conmutar todas las células con una
velocidad de desecho lo más baja posible. 2 .
Nunca reordenar las células en un circuito
virtual.
23
Conmutadores ATM
La meta 1 dice que se permite suprimir células en
emergencias, pero que la tasa de pérdida deberá
ser lo más pequeña posible. La meta 2 dice que
las células que llegan a un circuito virtual en
cierto orden deben salir también en ese orden,
sin excepciones. Esta restricción hace que el
diseño de conmutadores sea mucho más difícil,
pero lo requiere el estándar ATM.
24
Conmutadores ATM
Un problema que se presenta en todos los
conmutadores ATM es qué hacer si las células que
llegan a dos o más líneas de entrada quieren ir
al mismo puerto de salida en el mismo ciclo.
25
Conmutadores ATM
Resolver este problema es uno de los aspectos
clave del diseño de todos los conmutadores ATM
26
Conmutadores ATM
La figura (a) describe la situación al inicio
del ciclo 1, en el cual han llegado células por
las cuatro líneas de entrada, destinadas para las
líneas de salida 2, 0, 2 y 1, respectivamente.

27
Conmutadores ATM
Debido a que hay un conflicto para la línea 2,
únicamente se puede escoger una de las células.
Suponga que se elige la que está en la línea de
entrada 0.

28
Conmutadores ATM
Al inicio del ciclo 2, mostrado en la figura
(b), han salido tres células pero la célula de la
línea 2 ha sido retenida y han llegado a dos
células más. Es hasta el inicio del ciclo 4 (d)
que todas las células han dejado el conmutador.

29
Conmutadores ATM
El problema con las colas de entrada es que
cuando se tiene que retener una célula se bloquea
el avance de cualquier célula que venga detrás de
ella, aun si ésta se pudiera conmutar a otro
lugar.

30
Conmutadores ATM
Este efecto se denomina bloqueo de cabecera de
línea y es algo más complicado que lo que se
muestra aquí, pues en un conmutador con 1024
líneas de entrada puede ser que los conflictos no
se noten hasta que las células ya han atravesado
el conmutador y están peleando por la línea de
salida.

31
Conmutadores ATM
Un diseño alternativo que no sufre bloqueo de
cabecera de línea hace el encolocamiento en el
extremo de salida, como se muestra en la figura.

32
Conmutadores ATM
Aquí tenemos el mismo patrón de llegada de
células, pero ahora cuando dos células quieren ir
a la misma línea de salida en el mismo ciclo,
ambas pasan a través del conmutador

33
Conmutadores ATM
Una de ellas se pone en línea de salida, y la
otra se encola en la línea de salida, como en la
figura (b).

34
Conmutadores ATM
Aquí se requieren únicamente tres ciclos, en
lugar de cuatro, para conmutar todos los
paquetes. Karol et al. (1987) ha demostrado que
en general el encolamiento de salida es más
eficiente que el de entrada.

35
CAPA FÍSICA

• La función de la capa física es el transporte
  de las células ATM
• La capa ATM se divide en dos subcapas

Subcapa dependiente del medio físico (PMD )
Subcapa de Convergencia de Transmisión ( TC)
36
Subcapa dependiente del medio físico (PMD).

• La subcapa PMD lleva a cabo funciones que
  dependen del medio físico, sea eléctrico u
  óptico, como son la transmisión y temporización
  de bits.

37
Subcapa de Convergencia de Transmisión (TC)

• La subcapa TC es responsable de todas las
  funciones relacionadas con la transmisión de las
  células, como son el desacoplo de la velocidad de
  las células, el control de errores de cabecera
  (HEC, Header Error Control), la delimitación de
  las células a las tramas de transmisión y la
  generación y recuperación de tramas.

38
Subcapa de Convergencia de Transmisión (TC)

• Transmisión de células (En las subcapas TC)
• Cuando la capa TC recibe una célula, calcula su
  HEC y termina de completar la cabecera de la
  célula ATM, así la capa TC tomará una secuencia
  de células con su HEC correspondiente y las
  transformara en una corriente de bits igualando
  con ella la corriente de bits del medio físico.

39
Subcapa de Convergencia de Transmisión (TC)

• Recepción de células (En la subcapa TC)
• La capa TC en la recepción tendrá que convertir
  un flujo de bits en una corriente de células. ATM
  siempre mantiene un flujo constante de celdas de
  53 bits ,por tanto el receptor deberá
  sincronizarse con el flujo de Bits, hasta que
  localice el principio de una celda, para a partir
  de ahí muestreara los siguientes 424 bits como la
  siguiente celda.

40
Subcapa de Convergencia de Transmisión (TC)

• Problemas en la sincronización

• Las celdas ATM no tienen porque ir enmarcadas ni
  precedidas de ningún código de inicio de celda, y
  cuando el receptor recibe el primer bit este no
  tiene porque ser el de inicio de celda

41
Subcapa de Convergencia de Transmisión (TC)

• Solución

• El truco esta en utilizar el HEC.
• El receptor guarda un registro de
  desplazamiento de 40 bits, entrando los bits por
  la izquierda y saliendo por la derecha.
• La capa TC entonces inspecciona esos 40 Bits
  para ver si son potencialmente una cabecera de
  celda, así los últimos 8 bits serán el HEC del
  resto.
• Si no se cumple la condición se moverán un bit
  hacia la derecha para dejar paso al siguiente bit
  de entrada.

42
Subcapa de Convergencia de Transmisión (TC)

• Solución

•  Este mecanismo no seria muy fiable, pues hay una
  alta probabilidad de encontrarnos HEC que no
  corresponden a la cabecera de la célula, pero se
  robustece con la siguiente maquina de estados.  
   

43
JERARQUIAS DIGITALES EN REDES DE BANDA ANCHA

• Para comprender la operación de la capa física,
  particularmente en las redes públicas ATM, es
  conveniente hacer una digresión sobre la
  evolución de las jerarquías de las estructuras
  digitales.
• Los sistemas de transmisión actuales tienen una
  serie de limitaciones muy significativas cuando
  se desea universalizar su utilización para gran
  capacidad de ancho de banda, hasta los Gbps y
  todo tipo de tráfico
•   

44
JERARQUIAS DIGITALES EN REDES DE BANDA ANCHA

• Como consecuencia de las limitaciones de los
  sistemas actuales, surge el concepto de Jerarquía
  Digital Síncrona, JDS o su acrónimo en inglés,
  SDH (Synchronous Data Hierarchy)
•   

45
LA JERARQUIA DIGITAL SINCRONA SDH  
Velocidad básica en JDS 155,52 Mbps
Matriz de 270 columnas Y 9 filas donde
transmite La información

La operación de 27098000 (Nyquist)
Transmisión secuencial Primera fila hacia las
demás
46
LA JERARQUIA DIGITAL SINCRONA SDH  

• En la estructura de 2709 octetos se distinguen
  fundamentalmente los siguientes campos
• Las 9 primeras columnas constituyen lo que se
  denomina Función Auxiliar de Sección o Transport
  Overhead
• Detección de errores, canal de comunicación
  para gestión de red y señalización de
  mantenimiento.
•   

47
LA JERARQUIA DIGITAL SINCRONA SDH  

• También incluye apuntadores que indican la
  posición de los diversos canales, sean síncronos
  o plesiócronos, dentro de la estructura.
• En la Función Auxiliar de Sección está contenida
  la SOH, Section OverHead, constituida por los
  octetos de las filas 1 a 3 y 5 a 9, columnas 1 a
  9
• Los octetos de la fila 4 de las columnas 1 a 9
  constituyen los apuntadores que indican el
  comienzo de la POH, Path OverHead, o Función
  Auxiliar del Trayecto.
•   

48
Capas Físicas en Redes ATM

• Entre las capas de redes ATM propuestas
  encontramos
• ATM sobre SDH
• STM- 4 (622,08 bits)
• STM-1 (155,52 Mbps)
• ATM a 100 Mbps sobre FDDI (TAXI)
• ATM a 25,6 Mbps

49

• ATM sobre PDH
• E1 (2,048 Mbps)
• DS1 (1,548 Mbps)
• DS2 (6,312 Mbps)
• E3 (34,368 Mbps)
• E4 (139,264 Mbps)
• DS3 (44,736 Mbps)

50
Capa Física ATM a 25,6 Mbps

• Ejemplo de ATM en entornos privados.
• El objetivo, minimizar el coste de la circuitería
  electrónica, para llevar la tecnología ATM a
  nivel de las estaciones de trabajo y así tener
  una arquitectura escalable, tanto en velocidad
  como en entornos LAN, MAN y WAN.

51
También

• No requiere el uso de tramas.
• Las células se transportan continuamente por
  el medio físico una vez que se han codificado
  adecuadamente.
• Este esquema es conocido como Interfaz
  Basada en Células.

52
Subcapa dependiente del Medio Físico

• La misión es transportar señales por medio
  físico, incluyendo la temporización de bit.
• La velocidad de transmisión es de

25,6 Mbps
53

• El medio físico es par trenzado, utilizando dos
  pares por enlaces (para emisión y recepción).
• Es utilizable UTP de categoría 3 ó 5 como STP.

54
Subcapa de convergencia de transmisión

• Las células se transportan continuamente, sin
  que exista una estructura de trama asociada a
  intervalos regulares de tiempo.

El receptor no dispone de un reloj externo la
información del reloj puede derivarse de la señal
recibida o ser proporcionada directamente por el
equipo de usuario.
55

• Las funciones son las siguientes
• Codificación/Decodificación.
• Codificación/Decodificación de línea MRZI.
• Delimitación de células.
• Generación y verificación del HEC, Control de
  Error de Cabecera.
• Adaptación de las velocidades de células entre
  las capas ATM y Física
• Funciones de transmisión periódica para servicios
  isócronos.

56
Capa física ATM sobre STM-1 a 155,52 Mbps

• Las estructuras de transporte actuales se
  basan normalmente en la Jerarquía Digital
  Plesiócrona, PDH, que se desplazan hacia
  estructuras basadas en SDH.

57
Subcapa dependiente del medio

• El medio físico puede ser óptico o eléctrico,
  ambos utilizan dos circuitos por enlace, uno para
  cada sentido de la transmisión, con una velocidad
  binaria de 155,52 Mbps.
• Se vela por la temporización de bit y la
  recuperación del reloj en el receptor

155,52 Mbps
58

• La distancia máxima es de
• Se puede utilizar cable coaxial de 75 ohmios o
  cables de pares de categoría 5, UTP o STP.

100 a 200 mts.
59

• El medio óptico permite entre
• utilizándose fibra monomodo , SMF.
• El código de línea es NRZ, con lo que la
  velocidad de línea es también de 155,52 Mbaudios.
• El reloj se deriva de la señal recibida de
  línea.

800 a 2000 mts.
60
Subcapa de Convergencia de Transmisión

• Las células se transportan en una estructura
  SDH.
• El flujo se transporta en el Contenedor 4
  (C-4), que se empaqueta en el Contenedor Virtual
  4 (VC-4), conjuntamente con el POH.
• El VC-4, coincide en dimensiones con la Unidad
  Administrativa 4 (AU 4), pero no necesariamente
  alineado con ella.

61

• Funciones de la subcapa de convergencia
• Generación y recuperación de tramas.
• Aleatorización y desaleatorización para
  extracción del reloj.
• Delimitación de células mediante el uso del HEC.
• Generación y Verificación del HEC.
• Desacoplo de velocidades.

62

• Al transportar flujos ATM de velocidad inferior
  se incluye la función de multiplexación de los
  contenedores.

63
Tipos de Interfaces de la Capa Física

• Podemos mencionar a modo de ejemplo tres tipos de
  interfaz
• Interfaz de la capa Física DS-1.
• Interfaz de la capa Física DS-3.
• Interfaz de la capa Física SONET.

64
Interfaz de la Capa Física DS-1

• El enmarcamiento de los datos del usuario depende
  de la situación de la red y las aplicaciones de
  usuarios.
• El enmarcamiento se hace a cada 193 bits de
  posición.

65
Interfaz de la Capa Física DS-3

• Las funciones de esta capa es agrupada dentro de
  las Subcapas PMD y TC.
• Especificación PMD Esta subcapa está pactada con
  el criterio del medio físico (par trenzado, cable
  coaxial) definido en ANSI T1.107a y GR-499-CORE.

66

• Especificación TC Esta subcapa es independiente
  de las características del medio de transmisión.
• La función principal de esta subcapa es generar
  y procesar algún overhead de los octetos
  contenidos en el frame DS-3.

67
Generación y verificación del HEC. Enmarcamiento
PLCP y delineación de célula. Utilización del
POH. Cronometraje del PLCP. Nibble stuffing.
SubCapa TC
SubCapa PMD
Bit timing y codificación de línea. Medio Físico.
Funciones de la Capa Física DS-3
68
Interfaz de la Capa Física SONET

• El formato SONET es desarrollado para definir una
  jerarquía óptica de sincronización que es
  bastante flexible para llevar diferentes tipos de
  cargas.
• Las funciones de esta capa son agrupar las
  subcapas PMD y TC.

69

• Especificación de las subcapas PMD y TC
• Especificación PMD Esta subcapa está de acuerdo
  con los criterios de medio físico de SONET.

70

• Especificación TC Esta subcapa es independiente
  de las características del medio de transmisión.

71
Generación/Verificación de la secuencia
HEC. Ensamblar y Desamblar Células. Delineación
de Células (HEC).
Función específica ATM
Subcapa TC
Identificación de la señal de ruta (C2).
Justificación de Frecuencia/Procesamiento
puntero. Multiplexión. Ensamblado y
Desamblado. Transmisión del frame
generación/recuperación.
SONET
Subcapa PMD
Codificación del Bit tiempo/línea. Medio Físico.
Funciones de la capa Física SONET