Redes y servicios Frame Relay y ATM.

Redes y servicios Frame Relay y ATM.
José Ramón Gállego – Profesor colaborador de Ingeniería Telemática Noviembre 2007

Índice -Introducción -Frame Relay -ATM -MPLS

Índice -Introducción -Frame Relay -ATM -MPLS Topología Encaminamiento
Arquitectura de protocolos Trama FR Evolución Transferencia de datos FR Gestión de tráfico y control de congestión Ventajas de FR Aplicaciones y Ejemplo de un operador: Telefónica Enlaces interesantes -ATM -MPLS

Índice -Introducción -Frame Relay -ATM -MPLS Conceptos generales
Topología Encaminamiento Celda ATM Evolución Transferencia de datos ATM Gestión de tráfico y control de congestión Ventajas de ATM Ejemplo de un operador: Telefónica Enlaces interesantes -MPLS

Arquitectura Protocolos de distribución de etiquetas Aplicaciones Ejemplo de un operador: Telefónica Enlaces interesantes

Índice -Introducción -Frame Relay -ATM -MPLS

Introducción Red Móvil Pasarela de Acceso a Red Fija Acceso PYME
Internet Red de Transporte Acceso a Internet PYME Red de Acceso Proveedor de Acceso a Red Residencia Particular Red Corporativa

Introducción Internet Red de Transporte QoS Red FR Red ATM Red FR

Introducción Frame Relay
Objetivo Inicial: transmisión de datos cost-efficient para tráfico de datos entre LANs sobre una WAN No es ideal para voz y vídeo, pero puede usarse en ciertas circunstancias. Servicios tales como MPLS, VPN o DSL/Cable-módem pueden acabar con FR. Su utilidad se puede encontrar en zonas rurales sin DSL/Cable-módem para interconexión de LANs en ese entorno

Introducción ATM Objetivo Inicial: Unificar redes de conmutación de circuitos y redes de conmutación de paquetes en un mismo mecanismo de transporte basado en celdas de pequeño tamaño marcadas con identificadores de CV. Diseñada por la comunidad de telecomunicaciones más que por la de informáticos: trataba de reunir los últimos avances para crear una tecnología que pretendía abarcar desde LAN hasta WAN ÉXITO PARCIAL: ampliamente extendido en WANs, pero se emplea como transporte de tráfico IP. No es una tecnología única que integre LANs y redes públicas (en parte por su complejidad)

Introducción ATM Argumento en contra de su uso integrador
Las tecnologías LAN pueden cambiar y no todas se van a adaptar al modelo de red óptica síncrona de ATM. Es necesario un protocolo de nivel de red que unifique sobre niveles de enlace ATM y no-ATM y para eso ya tenemos IP  No tiene sentido implementar ATM en el nivel de red Aspectos positivos-útiles: Muchos de los conceptos técnicos de ATM se han adaptado a MPLS. Muy útil en las redes DSL para multiplexar tráfico. Se sigue empleando como red de transporte que integra las jerarquías PDH/SDH y la conmutación de paquetes en una misma infraestructura.

Introducción Si tenemos un número N de nodos:
Necesitamos N-1 conexiones por nodo. Necesitamos N*(N-1)/2 conexiones totales (conexiones bidireccionales) La velocidad de cada línea es difícil de modificar

Introducción Switch o conmutador Red de Transporte

Índice -Introducción -Frame Relay -ATM -MPLS Topología Encaminamiento
Arquitectura de protocolos Trama FR Evolución Transferencia de datos FR Gestión de tráfico y control de congestión Ventajas de FR Aplicaciones y Ejemplo de un operador: Telefónica Enlaces interesantes -ATM -MPLS

Topología de una red Frame Relay
Red de Transporte Circuito Virtual Switch FR Líneas punto a punto Se pueden añadir circuitos sin establecer nuevas líneas ni modificar el número de interfaces en los router Los caudales se pueden modificar por configuración de los conmutadores

Circuito Virtual

- Dos tipos de circuitos virtuales: Permanentes (PVC) Conmutados (SVC) Red de Transporte Circuito Virtual Líneas punto a punto - Se pueden añadir circuitos sin establecer nuevas líneas ni modificar el número de interfaces en los router - Los caudales se pueden modificar por configuración de los conmutadores

Circuito Virtual

Encaminamiento en una red Frame Relay
DLCI = 4 Red de Transporte DLCI = 7 B Z DLCI = 0  DLCI = 1 El DLCI 0 se utiliza para señalización (establecimiento, mantenimiento y liberación de SVC)   A X DLCI = 4 DLCI = 7 C Tabla de encaminamiento de VCs en A: DLCI = 5 DLCI: Data Link Connection Identifier Puerto DLCI Circuito  1  7 Rojo W  4  7 Azul

Circuito Virtual

Tabla de direccionamiento IP: Y Máquina IP Máscara DLCI = 4 W Red de Transporte X DLCI = 7 X B Z Y  DLCI = 1   A X DLCI = 4 DLCI = 7 Tabla de correspondencia IP/DLCI: C DLCI = 5 Máquina IP Destino DLCI W 5 X 4 X 1 W Y 4

Arquitectura de protocolos
El modelo de referencia de protocolos Frame Relay se compone de tres planos: Plano de Control (Plano C): Se encarga de la señalización y del establecimiento y liberación de las conexiones. Plano de Usuario (Plano U): Se encarga de la transferencia de información entre usuarios. Plano de Gestión (Plano G): Se encarga del control y gestión de las operaciones de red. Se divide en gestión de planos y gestión de capas. S/T

Plano de control La señalización de control se da sobre el canal D para controlar el establecimiento y terminación de conexiones virtuales en modo conmutación de tramas, sobre los canales D,B,o H. A nivel de enlace el protocolo LAPD (Q.921) se utiliza para proporcionar un servicio de control de enlace de datos fiable, con control de errores y de flujo, entre el usuario y la red sobre el canal D. Dicho servicio se utiliza para intercambiar mensajes de señalización de control Q931/Q933.

Plano de usuario La transmisión de información entre usuarios finales se efectúa con el protocolo LAPF definido en Q.922 (versión adaptada de LAPD) y sólo las funciones esenciales de este protocolo son utilizadas por Frame Relay (LAPF core): Delimitación, alineación y transparencia de tramas. Multiplexación y demultiplexación de tramas utilizando el campo de dirección. Inspección de la trama para comprobar que no es demasiado corta o demasiado larga y que está formada por un número entero de octetos. Detección de la transmisión de errores. Funciones de control de congestión.

Las funciones anteriores proporcionan los servicios mínimos para la transmisión de las tramas de enlace desde una usuario a otro, sin tener en cuenta el control de flujo o control de errores. Constituyen un subnivel del nivel de enlace. Por encima, el usuario puede elegir funciones adicionales extremo a extremo a nivel de enlace o de red, que no forman parte del servicio RDSI frame relay ofrecido. Basado en las funciones centrales (core), RDSI ofrece retransmisión de tramas como un servicio de nivel dos, orientado a conexión , con las siguientes propiedades: Preservación del orden de las tramas transmitidos desde un extremo de la red al otro. Tramas no duplicadas

Estructura de la trama Frame Relay (LAPF core)
octetos  1 2-4 0-8188 2 1 Dirección Datos CRC Protocolo orientado a conexión. PVC o SVC Las tramas pasan de nodo a nodo comprobándose el CRC en cada salto (store&forward acumulativo). Si la trama es errónea se descarta. La red no recupera errores El campo dirección sólo contiene información del VC (DLCI) y control de congestión del tráfico Frame Relay. Normalmente ocupa 2 octetos, aunque puede tener hasta 4. No se ejecuta control de flujo ya que no hay número de secuencia.

Estructura de la trama Frame Relay (LAPF core)
DLCI Superior C/R 8 7 6 5 4 3 2 1 DLCI Inferior DE FECN BECN DLCI sup/inf: especifica el DLCI. Su tamaño limita el número de DLCI posibles. Existe otro límite impuesto por el router. C/R: Comando/Respuesta, no indicado en FR. FECN: Forward Explicit Congestion Notification. BECN: Backward Explicit Congestion Notification. DE: Discard Elegibility.

Evolución X.25/Frame Relay
Características básicas de X.25 Señalización dentro de banda. Multiplexación de circuitos virtuales a nivel de red. Control de flujo y control de errores tanto a nivel 2 como a nivel 3. Estas características suponen una gran carga para el sistema. Toda esta carga puede estar justificada cuando tenemos un medio de transmisión con muchos errores. Sin embargo esto no es apropiado para muchas redes actuales, como RDSI, donde la tecnología de transmisión es muy eficiente. Frame relay se diseña para eliminar en lo posible el overhead de X.25. Características de Frame Relay Control de llamadas fuera de banda. La señalización del control de llamada se realiza en una conexión lógica separada de la conexión para la transmisión de los datos de usuario. La multiplexación y conmutación de conexiones lógicas tiene lugar a nivel 2 en vez de a nivel 3, eliminando de esta manera un nivel entero de procesamiento. La red deja de preocuparse del control de errores y del control flujo, que se hacen a nivel superior y extremo a extremo.

Inconvenientes de Frame Relay con respecto a X.25 Se pierde la capacidad de realizar el control de flujo y control de errores en cada uno de los enlaces de la red, pero esta funcionalidad puede ser proporcionada, extremo a extremo, por el nivel superior. Es necesaria la disponibilidad de líneas de alta calidad. No existe un estándar para la interconexión de servicios Frame Relay, como el X.75 para redes X.25. Características de Frame Relay Se hace más eficiente el proceso de comunicación. La funcionalidad del protocolo requerida en la interfaz usuario-red se reduce, así como el procesamiento interno de la red. Esto conlleva un menor retardo y un mayor rendimiento. (Tiempo de proceso del orden de la décima parte que en X.25) La velocidad de acceso puede alcanzar típicamente los 2Mbps frente a los 64Kbps de X.25 (se pueden superar los 2Mbps). Interfaz de usuario sencilla.

Frame switching (Servicio fiable análogo a X.25 en funcionalidad)
Evolución X.25/Frame Relay Tipos de servicios portadores de Frame Relay Frame Relaying (Servicio no fiable, pero asegura secuencia de los paquetes) Servicio básico de red para transferir tramas de nivel de enlace sobre D,B o H. El servicio incluye: -Establecimiento de múltiples llamadas virtuales a múltiples destinos. -La señalización de las llamadas se hace por canal común vía un protocolo de señalización sobre el canal D. -Se transmiten las tramas utilizando el protocolo de nivel de enlace LAPF. -La red preserva el orden de las tramas transmitidas en el punto de referencia S/T -La red detecta errores y descarta tramas. Frame switching (Servicio fiable análogo a X.25 en funcionalidad) Servicio avanzado de red para la transmisión de tramas de nivel de enlace sobre D,B o H. -Las tramas se transmiten con reconocimientos. -Se soporta control de flujo en los interfaces usuario-red en ambas direcciones. -La red detecta y recupera errores. -La red detecta y corrige duplicidad de paquetes

Transferencia de datos Frame Relay
LAPF(core) LAPF(control) I.430/I.431 Red Interfaz usuario-red Usuario Señalización sobre el canal D Q.933 I.430/I.431 LAPD Interfaz usuario-red Usuario Red Q.933

Gestión de tráfico Frame Relay
Velocidad media Tasa (kbps) Capacidad del enlace de acceso No transmitir, descartar todo CIR + EIR (Caudal máximo posible) Transmitir si es posible CIR (Committed Information Rate) Transmisión garantizada t 2t 3t Tiempo (s)

CIR (Committed Information Rate) CIR + EIR (Caudal máximo posible) Velocidad actual Capacidad del enlace de acceso Transmisión garantizada Transmitir si es posible No transmitir, descartar todo

PVC CIR 512 Kb/s EIR 384 Kb/s Y DLCI = 4 Red de Transporte DLCI = 7 B Z DLCI = 1 A Línea de acceso 2048 Kb/s X PVC CIR 512 Kb/s EIR 384 Kb/s DLCI = 4 DLCI = 7 C DLCI = 5 W

- Se utilizan dos Leaky Bucket (cubos agujereados). Parámetros: CIR y Bc EIR y Be - Se cumple que: Bc= CIR * t Be= EIR * t - Cuando se supera la capacidad del primer cubo, las tramas se marcan con DE =1. Cuando se supera la del segundo, se descartan.

Tramas enviadas por el router con DE=0 Tramas que desbordan la capacidad del cubo Bc Tramas enviadas por el router con DE=1 Bc = CIR * t Tramas que desbordan la capacidad del cubo Be Be = EIR * t CIR DE=0 Descartar EIR DE=1

Gestión de tráfico Frame Relay. Ejemplos
Capacidad de la línea: 128 kbps. CIR: 64 kbps. EIR: 0 kbps Tamaño tramas: 1500 octetos, bit. T=1 s. Bc=64000 bit. Número de tramas=|64000/12000|=5 tramas Tasa obtenida=5*12000=60kbps T=0.5 s. Bc=32000 bit. Número de tramas=|32000/12000|=2 tramas Tasa obtenida=2*12000/0.5=48kbps

Gestión de tráfico Frame Relay. Ejemplos
Capacidad de la línea: 64 kbps. Tamaño tramas: 1500 octetos, bit. Tiempo de transmisión de 1 trama: 12000/64000=187.5ms Capacidad de la línea: 128 kbps. Tamaño tramas: 1500 octetos, bit. Tiempo de transmisión de 1 trama: 12000/128000=93.75ms Capacidad de la línea: 2048 kbps. Tamaño tramas: 1500 octetos, bit. Tiempo de transmisión de 1 trama: 12000/ =5.86ms

Control de congestión en Frame Relay
1: Monitorizar colas 3: Descarto tramas con DE=1 4: Identificar VCs afectados (DLCI) y sentido Tráfico incontrolado BECN FECN 6: Poner a 1 bit BECN en tramas de vuelta 2: Situación de congestión 5: Poner a 1 bit FECN en tramas de ida

Ventajas de Frame Relay
- Ventajas de FR respecto a soluciones Punto a Punto: Contratación de recursos en función de valores de tráfico promedio vs. Tráfico de pico (esporádico) Flexibilidad vs. Rigidez Tolerancia a fallos en la red (encaminamiento por vías alternativas) - Ventajas de FR respecto a X.25: Reduce complejidad (no existen cabeceras de control de nivel 3) Menor procesado en la red Adecuado para altas velocidades de transmisión Elevado rendimiento (alto porcentaje de información útil transmitida con relación a las cabeceras

Aplicaciones FRAD FRAME RELAY Subred de Transporte Subred de Acceso

Interconexión de redes LAN. Acceso remoto a bases de datos.
Aplicaciones Interconexión de redes LAN. Acceso remoto a bases de datos. Aplicaciones cliente-servidor. Aplicaciones host-terminal. Creación de grupos cerrados de usuarios para voz. Transmisión de voz sobre Frame-Relay

Aplicaciones: Transmisión de voz sobre Frame Relay
Se puede integrar tráfico de voz y tráfico de datos mediante FRAD (Frame Relay Access Device). La información de voz posee unas necesidades específicas: Retardo máximo extremo a extremo. Fijado por la ITU G.114. 0-150ms BUENA ms ACEPTABLE (si los usuarios son conscientes) +400 ms INACEPTABLE. Retardo diferencial entre paquetes (jitter) Para transmitir voz sobre redes de datos se emplean estrategias adicionales de: Compresión de voz Supresión de silencios De cara a la red de transporte, es posible adoptar dos estrategias para transmitir voz: Utilizar CVP diferentes para voz y datos, configurando los primeros como prioritarios en la red. Utilizar un mismo CVP para voz y datos pero hacer que los dispositivos de acceso tengan en cuenta el tráfico de voz priorizándolo sobre el de datos

Ejemplo de un operador: Telefónica

- Frame Relay white papers:
Enlaces interesantes - Frame Relay white papers: The MFA Forum (MPLS, Frame Relay, ATM) Documentación CISCO: Estándares: Frame Relay Forum: ITU-T: RFC 1973 – PPP in Frame Relay: tools.ietf.org/html/rfc1973 RFC 2427 – Multiprotocol Interconnect over Frame Relay: tools.ietf.org/html/rfc2427

Topología Encaminamiento Celda ATM Evolución Transferencia de datos ATM Gestión de tráfico y control de congestión Ventajas de ATM Ejemplo de un operador: Telefónica Enlaces interesantes -MPLS

Conceptos de ATM (Asynchronous Transfer Mode)
Operación por conmutación de paquetes de longitud fija. El tamaño fijo y pequeño de las celdas permite el uso de nodos de conmutación a velocidades muy altas. Las celdas se componen de cabecera (5 octetos) y campo de información (48 octetos). La asignación del ancho de banda (celdas) se realiza bajo demanda en función de la actividad de la fuente y de los recursos disponibles en la red. Cab Información

Posee dos niveles jerárquicos para las conexiones: VP, trayectos virtuales (Virtual Paths) VC, canales virtuales (Virtual Channels) Enlace físico Virtual Path (VP) E1 (2 Mb/s) E3 (34 Mb/s) STM-1 u OC-3c (155 Mb/s) STM-4 u OC-12c (622 Mb/s) Virtual Path (VP) Por un enlace físico pueden pasar múltiples VPs El VC es el camino lógico entre hosts en la red ATM Cada VP Contiene Múltiples VCs

Las cabeceras tienen una funcionalidad reducida: Identificar el par VP/VC garantizando su correcto enrutamiento y detectar y corregir errores en las mismas (un error de un solo bit en la cabecera puede provocar la pérdida de la celda) Las celdas se transmiten a intervalos regulares. Si no hay información, se transmiten celdas vacías (celdas idle). Orientado a conexión. Las conexiones pueden establecerse mediante procedimientos de señalización en el plano de control o pueden ser permanentes o semipermanentes. La señalización y la información de usuario viajan por canales virtuales distintos.

El término asíncrono se refiere al hecho de que las celdas asociadas a una misma conexión se presentan temporalmente sin ninguna periodicidad, dependiendo del tráfico generado por la fuente. Cabecera Canal 1 Canal 5 Canal 3 Celdas Voz Datos Vídeo

No se realiza control de errores en el campo de datos y el control de flujo lo realiza fundamentalmente el DTE. Se maximiza la eficiencia. Proporciona transparencia temporal. Por ello permite la transferencia de señales isócronas. Se garantiza que las celdas llegan a su destino en el mismo orden en que fueron transmitidas.

Topología de una red ATM
Red de Transporte Canal Virtual (par VPI/VCI) Líneas punto a punto (SDH a 155 o 622 Mbps)

Encaminamiento en una red ATM
Entrada Salida Port VPI/VCI 2 15 3 14 1 29 45 30 4 16 10 43 X Y Z W

Estructura de la celda ATM
GFC VPI VPI VCI PT CLP HEC Campo datos (48 octetos) NNI UNI: Interfaz que conecta los dispositivos de usuario con la red ATM. NNI: Define el interfaz entre nodos ATM VPI VCI VCI VCI PT CLP HEC Campo datos (48 octetos) UNI GFC (4 bits). Control de flujo genérico. VPI (8 o12 bits). Identificador de camino virtual. VCI (16 bits). Identificador de canal virtual. PT. (Payload Type). Indica el contenido de la carga útil(datos de usuario, información de gestión, información de operación y mantenimiento). CLP (Cell Loss Priority) (1 bit). Campo de prioridad. Las celdas con este bit a 1 son las primeras en ser descartadas en caso de congestión. HEC (8 bits). Campo de control de errores en la cabecera.

de circuitos multivelocidades
Evolución Frame Relay/ATM Frame Relay: Red de Transporte ATM: Mejora de la planificación Mejora de la gestión de tráfico y control de congestión Conmutación de circuitos de paquetes ATM Frame Relay Variable Bit Rate Constant Bit Rate de circuitos multivelocidades

Transferencia de datos ATM
Plano de Usuario. Está estructurado en capas que suministran la transferencia de información de usuario. La componente esencial es la capa ATM. Común a todos los servicios y medios físicos empleados, su misión es ofrecer la funcionalidad básica para el transporte de celdas. Esta capa se complementa con la capa de adaptación ATM, cuyo objetivo es proporcionar las funcionalidades necesarias para los diversos tipos de servicios soportados, y con la capa física para la adecuación a los distintos medios físicos y estructuras de transporte. Plano de Control. También está estructurado en capas. Controla la llamada y gestiona las conexiones. Activa circuitos virtuales conmutados estableciendo, controlando y liberando la comunicación. No es necesario en las conexiones virtuales permanentes. Plano de Gestión. Realiza funciones de gestión relacionadas con todo el sistema y suministra coordinación entre todos los planos. Se ocupa de la gestión global tanto a nivel de plano como de capa. No está estructurado en capas.

Gestión de tráfico y control de congestión en ATM
Calidad de servicio QoS Conjunto de parámetros objetivos que caracterizan la calidad de servicio ofrecida por la red al usuario: Transparencia semántica Tasa de error en la celda (Cell Error Rate, CER). Celdas erróneas/Celdas transmitidas. Tasa de celdas perdidas (Cell Loss Rate, CLR). Celdas perdidas/Celdas transmitidas. Tasa de celdas mal insertadas ( Cell Misinsertion Rate, CMR). Celdas mal insertadas/intervalo temporal. Tasa de bloques de celdas severamente erróneas (Severely Errored Cell Block Ratio, SECBR). Bloque de celdas severamente erróneas/Número de bloques de celdas transmitidos. Transparencia temporal Retardo máximo de transferencia de la celda ( Maximum Cell Transfer Delay, maxCTD). Variación pico-pico del retardo de la celda (CDV Peak-to-Peak, CDVpp). El CDV es la varianza del retardo de celda. El CDVT es la tolerancia CDV

Parámetros de tráfico Definen de que modo una fuente puede introducir tráfico a la red a través de una conexión virtual. Los parámetros de tráfico junto con la calidad de servicio se utilizan para capturar las características de una conexión ATM. Los parámetros son: Tamaño máximo de la ráfaga ( Maximum Burst Size, MBS). Especifica el tamaño máximo de la ráfaga de celdas que puede ser introducida a la red. El parámetro BT (Burst Tolerance) está relacionado con el anterior. Tasa de pico de celda ( Peak Cell Rate, PCR). Especifica la tasa máxima de introducción de celdas en la red. PCR= 1/T siendo T la distancia mínima entre celdas. Tasa sostenida de celda (Sustainable Cell Rate, SCR). Especifica la tasa promedio de introducción de celdas en la red. Tasa mínima de celda (Minimun Cell Rate, MCR). Especifica la tasa mínima de introducción de celdas en la red.

Clases de servicios Los organismos de estandarización han definido un conjunto de clases de servicios que pueden ser utilizadas en los contratos de conexión. Servicios en tiempo real CBR (Constant Bit Rate). Se utiliza para conexiones que requieren un ancho de banda constante, relación temporal origen destino (CTD, CDV) y transparencia semántica (CLR) La fuente emite celdas a tasa de pico PCR (que coincide con la tasa media) durante toda la conexión. Es adecuado para fuentes de audio y vídeo a tasa constante. VBR-rt (Variable Bit Rate-real time). Utilizado por aplicaciones que requieren unos retardos acotados en la red (CTD, CDV) con un ancho de banda que varía a lo largo de la conexión. Los descriptores de tráfico son el PCR, SCR y el MBS.

Servicios en tiempo no real VBR-nrt.(Variable Bit Rate-non real time). Utilizado por aplicaciones que definen conexiones insensibles al retardo, de tasa variable. Los descriptores son PCR,SCR y MBS. (FR maneja VBR-nrt) UBR (Unspecified Bit Rate). Velocidad binaria no especificada. Se utiliza en aplicaciones que no requieren garantía de servicio, son tolerantes a pérdidas e insensibles a retardos. Conceptualmente, se puede asemejar a la idea de datagrama. No exige QoS. La tasa de servicio depende en todo momento de la disponibilidad de la red. El correo electrónico y la transferencia de ficheros utilizan servicios UBR. ABR(Available Bit Rate). Se garantiza un bajo valor para las pérdidas de celdas a costa de no proporcionar ninguna garantía respecto a la variación de retardo. Los descriptores son MCR y PCR.

Porcentaje de Capacidad
Gestión de tráfico y control de congestión en ATM Capacidad del enlace 100% UBR MCR ABR Porcentaje de Capacidad PCR VBR CBR Tiempo Servicio Garantizado ‘Best Effort’ CBR VBR-nrt ABR UBR VBR-rt Calidad de Servicio Mínima Máxima Complejidad de implementación ABR UBR CBR VBR-nrt VBR-rt

Comparativa VBR con Frame Relay Tramas enviadas por el host con DE=0/CLP=0 Tramas que desbordan la capacidad del cubo Bc /BT Tramas enviadas por el host con DE=1/CLP=1 Bc = CIR * t BT Tramas que desbordan la capacidad del cubo Be/CDVT Be = EIR * t CDVT CIR/ SCR Descartar EIR/PCR-SCR

La gestión de tráfico tiene por objeto optimizar los recursos de la red, suministrar la calidad de servicio para las conexiones ya establecidas y limitar o evitar la congestión. La calidad de servicio y la integración de diversas aplicaciones se obtiene en base al: Contrato de tráfico suscrito entre el usuario y la red al inicio de la conexión. La disponibilidad de recursos para incorporar una nueva conexión. Un control de “policía” que garantiza el cumplimiento del contrato. Comportamiento justo y equitativo de la red. Los organismos de estandarización proponen los siguientes mecanismos de gestión de tráfico: Gestión de recursos (quién y en qué instante puede transmitir una celda). Control de admisión de conexiones (CAC). Control de uso de los parámetros (UPC) (control de policía) Descarte selectivo de celdas Suavizado de tráfico. Indicación de congestión explícita hacia delante. Control de flujo ABR.

Control de admisión (CAC) Se define como el conjunto de acciones tomadas por la red en la fase de establecimiento de la conexión (o de renegociación) para determinar si una conexión (VPI/VCI) puede ser admitida. La conexión será admitida si existen recursos suficiente en la red para establecer la conexión con la calidad requerida por el servicio. Al admitir una nueva conexión debe mantenerse la calidad del servicio de las conexiones que ya estaban activas. Una vez realizada la conexión, la red realiza una monitorización mediante la función de policía (UPC). Control de uso de los parámetros (UPC) Permite controlar que el tráfico real del usuario se corresponde con el negociado en el contrato de tráfico. El propósito principal es proteger los recursos de la red de los comportamientos maliciosos así como no intencionados, que pueden afectar la calidad de los servicios de otras conexiones, mediante la detección de violaciones de los parámetros negociados. Los parámetros de control son los mismos que los empleados en el CAC. La función de policía no debe interferir con el tráfico cursado por la red. No debe provocar retardos apreciables y debe ser simple.

Se pueden definir distintos mecanismos de control de policía. Uno de los más conocidos es el denominado Generic Cell Rate Algorithm (GCRA) basado en el leaky bucket. Las funciones de policía no realizan ningún tipo de acción si no se viola el contrato de tráfico. En caso de incumplimiento de pueden realizar diversas acciones: descartar o marcar con menor prioridad celdas que violan el contrato, liberar la comunicación, etc. El control de policía se puede dar tanto a nivel de circuito virtual como a nivel de camino virtual. El más importarte es el control a nivel de camino virtual, ya que la red en general asigna los recursos en base a caminos virtuales, y dentro de cada camino virtual reparte los recursos entre los circuitos virtuales. Localización del control de policía

Descarte selectivo de celdas El objetivo es descartar, en caso de que el sistema no disponga de recursos suficientes, las celdas con menor prioridad para proteger el servicio proporcionado a las celdas de mayor prioridad. Alisamiento de tráfico Se utiliza como complemento a los mecanismos de control de policía (GCRA) para alisar el flujo de tráfico y reducir la aparición de ráfagas. En contraste con el GCRA leaky bucket, que simplemente monitoriza el tráfico, rechaza o descarta las celdas no conformes, el alisamiento de tráfico controla el flujo de las celdas conformes. Tocken Bucket para alisamiento de tráfico

Indicación de congestión explícita hacia delante. Trabaja esencialmente de la misma forma que en las redes FR. Control de flujo ABR Las conexiones ABR se reparten la capacidad instantánea no utilizada por las conexiones CBR/VBR. Por tanto ABR incrementa la utilización de los recursos de la red sin afectar la QoS de CBR/VBR. Los recursos disponibles para ser utilizados por una conexión ABR varían dinámicamente. La red habilita un mecanismo de realimentación hacia las fuentes ABR para que estas limiten su flujo a la capacidad disponible y evitar así la pérdida de celdas por congestión.

Capa de adaptación AAL. Funcionalidades Proporciona la conversión de la información a un formato adecuado para ser transportado por la red de transporte ATM. Los PDU’s de los niveles superiores se mapean sobre las celdas ATM Generalmente la capa de adaptación se aplica en los extremos de la red de transporte. Realiza la segmentación y reensamblado de los mensajes. Realiza tareas de recuperación de errores y de relojes. Se divide en dos subcapas: A) Segmentación y reensamblado (SAR) En emisión la subcapa SAR segmenta los mensajes en celdas y en recepción reensambla las celdas en mensajes. B) Convergencia (CS) Es dependiente del servicio. Realiza tareas de multiplexación de servicios, recuperación de relojes, identificación de los mensajes y gestión de errores. Se divide en dos subcapas: - Subcapa de convergencia de la parte común (CPCS) - Subcapa de convergencia específica del servicio (SSCS) Se distinguen cuatro tipos distintos de AAL (AAL1, AAL2, AAL3/4, AAL5) formadas por las respectivas SAR y CPCS En principio habría tantas capas de adaptación como servicios. Se intenta sin embargo construir un conjunto limitado de capas de adaptación en función de una serie de características comunes.

Relación temporal origen destino
Gestión de tráfico y control de congestión en ATM Clase de servicio CLASE A CLASE B CLASE C CLASE D Tipo AAL AAL1 AAL2 AAL3/4 AAL5 Modo de Conexión Orientado a conexión Tasa No Orientado a conexión Constante Variable Relación temporal origen destino Necesaria No requerida Servicios Emulación de circuitos. Telefonía. Vídeo de tasa constante. Voz y vídeo paquetizados de calidad constante. Servicio de datos. X Frame Relay Internet.

AAL1: Suministra un conexión virtual a tasa constante y relación temporal entre origen y destino. Subcapa SAR añade cabecera de 1 byte: número de secuencia (SN) y campo de protección del número de secuencia (SNP), que suministra facilidades de detección y corrección de errores. La numeración de las celdas permite la detección de pérdidas o celdas mal insertadas. Subcapa de convergencia CPCS: recibe información a tasa constante y la segmenta en bloques de 47octetos. Controla las celdas perdidas o mal insertadas. Monitoriza errores en el campo de información de usuario aplicando medidas correctoras. Recupera la estructura de datos y el reloj en recepción y controla las variaciones de retardo.

AAL2: Suministra servicios de tasa variable que requieren sincronización entre la fuente y el receptor Subcapa SAR: El campo de datos del SAR-PDU es de longitud variable, motivado por el tamaño variable del CS-PDU (SAR-SDU). La SAR-PDU tiene una cabecera donde se indica el número de secuencia del segmento y su posición en el mensaje y una cola donde se indica la longitud útil del campo de datos y se incluye un campo detector y corrector de errores Subcapa de convergencia CS recupera el reloj para los servicios VBR y corrige errores.

AAL3/4: Suministra servicios de datos fiables, de tasa variable, orientados o no a conexión, que no requieren sincronización entre la fuente y el receptor (no sensibles a retardos). Puede manejar paquetes o tramas de longitud variable y distribuirlos en una conexión bidireccional punto-punto , punto-multipunto. Permite multiplexar varias conexiones AAL sobre ATM a través de un identificador de multiplexado (MID) Todas las SAR-PDU con el mismo identificador corresponden a la misma CS-PDU. Subcapa SAR: La SAR-PDU segmenta CPCS-PDU añadiendo una cabecera donde se indica el número de segmento, la posición de éste dentro del mensaje (inicio, continuación o final) y el identificador de multiplexado. Así mismo incluye una cola que contiene el tamaño real de la información de usuario (octetos) y un código detector de errores que se aplica sobre la SAR-PDU. Subcapa de convergencia CS: convierte los flujos de tasa y longitud variable en formatos aptos para ser segmentados y reensamblados por la SAR AAL3/4. Añade una cabecera y cola que incluyen información adicional acerca de la CPCS-PDU, campos que permiten el reensamblado correcto, campos de relleno y un campo que indica la longitud del campo de información.

AAL5 (SEAL): Las funcionalidades de AAL5 son similares a AAL3/4 pero con unas facilidades de multiplexado inferiores y menor información lateral. Se elimina la cabecera y la cola de la SAR-PDU siendo la SAR-PDU = SAR-SDU. El control de errores es gestionado íntegramente en la subcapa de convergencia mediante un campo detector y corrector de errores.

Ventajas de ATM respecto a FR:
Alta velocidad de conmutación Maximiza la eficiencia Gran ancho de banda Mayor control sobre la QoS Gran flexibilidad

CPCS-PDU Campo de datos
Ejemplo Eficiencia de la encapsulación de datagramas IP sobre AAL3/4: CPCS-PDU Campo de datos Cabecera CPCS Cola CPCS PDU capas superiores Cab SAR Cola SAR SAR-SDU Datagrama IP 48 octetos L octetos 44 octetos

Ejemplo Cociente de los datos útiles (datagrama IP) con respecto a los datos totales: Se calcula el número de celdas ATM necesarias: C = (L+8)/44  La ecuación es: L/(C*53)

Ejemplo Valores numéricos de este cociente cuando pasamos de una a dos celdas ATM, de dos a tres celdas y de tres a cuatro celdas: 1 celda: 36/53=0.68 2 celdas: 37/106=0.35 2 celdas: 80/106=0.75 3 celdas: 81/159=0.51 3 celdas: 124/159=0.78 4 celdas: 125/212=0.59 Límite: 48/53=0.91

Gráfica aproximada de la eficiencia:
Ejemplo Gráfica aproximada de la eficiencia: 1 36 37 80 81 124 125 168 1/53 37/106 81/159 125/212 36/53 80/106 168/212 124/159 48/53

Aplicaciones ATM ha sido diseñada para transportar tráfico de datos a alta velocidad. También realiza tareas de: Interconexión de redes de área local en entonos locales. Transporte de área extensa para las redes existentes. Emulación de sistemas o elementos de interconexión. El transporte de datos sobre la red ATM se puede realizar a través de dos mecanismos: Extremo a extremo, utilizando la red ATM como un subred de los protocolos de alto nivel. De igual a igual, interactuando el nivel de red del servicio a transportar con la arquitectura ATM SERVICIO CINCO (TELEFÓNICA): Servicio integrado de transmisión de voz, datos e imágenes.

Ejemplo de un operador: Telefónica - GigADSL

- Documentación CISCO:
Enlaces interesantes - Documentación CISCO: - Estándares: ATM Forum: ITU-T: Varios: forums.techarena.in/showthread.php?t=5186

Arquitectura Protocolos de distribución de etiquetas Aplicaciones Ejemplo de un operador: Telefónica Enlaces interesantes

Conceptos de MPLS (Multiprotocol Label Switching)
Mecanismo de transporte de datos que opera entre el nivel de enlace y el de red (nivel 2.5) utilizado por los operadores en el backbone de la red. Objetivos similares a FR y ATM. Mejor alineado con las necesidades tecnológicas actuales y futuras Tecnología de conmutación creada para proporcionar circuitos virtuales en las redes IP (mismo principio que FR y ATM: identificadores) Los identificadores se añaden al entrar en la red MPLS, sobre el paquete IP y se eliminan al salir de la misma. Los identificadores con el mismo destino y tratamiento se agrupan en un mismo identificador: los nodos mantienen mucha menos información de estado que en ATM.

Motivación: Crecimiento y evolución de Internet Crecimiento del número de usuarios Incremento del ancho de banda Diversas necesidades de QoS Intserv demasiado complejo para su introducción en el núcleo de la red  Mecanismo simple para la gestión de la red Limitaciones de diferentes tecnologías en el núcleo de la red  Movimiento a una red unificada Ingeniería de Tráfico Se conoce con este nombre la planificación de rutas en una red en base a previsiones y estimaciones a largo plazo con el fin de optimizar los recursos y reducir congestión.

Comparativa con ATM: Ambos proporcionan servicios orientados a conexión para transporte de datos. MPLS permite trabajar con paquetes de tamaño variable. Con las tasas de transmisión de las redes ópticas actuales, ya no es necesario el tamaño pequeño de las celdas ATM. MPLS es unidireccional. Los datos en los dos sentidos pueden ir por distintos caminos. Los circuitos virtuales de ATM son bidireccionales. MPLS se ha diseñado desde el principio para ser compatible con IP. Elimina las incompatibilidades ATM-IP.

Evolución: Los presursores comenzaron a mediados de los 90. Toshiba (Cell Switching Router) Ipsilon (IP Switching) Cisco (Tag Switching) IBM (Aggregate Route-based IP Switching) IETF MPLS working group se formó en 1997 MPLS fue seleccionado como el nombre genérico para esta tecnología MPLS es RFC desde 2001 A día de hoy la mayoría de los proveedores en más o menor medida utilizan esta tecnología en sus backbones

Arquitectura MPLS Etiqueta MPLS
Forwarding Equivalence Class (FEC): nombre que se le da al tráfico que se encamina bajo una etiqueta. Subconjunto de paquetes tratados del mismo modo por el conmutador. Label Switching Router (LSR): elemento que conmuta etiquetas. Label Edge Router (LER): elemento de entrada/salida a la red MPLS (pone y quita cabeceras). router de entrada: Ingress Router router de salida: Egress Router (Ambos se suelen denominar Edge Label Switch Router). Label Switched Path (LSP): nombre genérico de un camino MPLS (para cierto tráfico o FEC), es decir, del túnel MPLS establecido entre los extremos. Tener en cuenta que un LSP es unidireccional. Protocolos de distribución de Etiquetas

Conmutación de etiquetas
Un paquete IP entra en el domino MPLS. Ingress LSR (LSR1) asigna una etiqueta y transmite el paquete a el próximo salto de del camino. LSR intermedio (LSR2, LSR3) hace una simple búsqueda de la etiqueta, cambia la etiqueta y transmite el paquete. Egress LSR (LSR4) elimina la etiqueta y transmite el paquete basado en un protocolo estándar de enrutamiento.

Etiqueta MPLS La etiqueta de MPLS (32 bits) es introducida como una cabecera “shim” entre la de nivel 2 y la cabecera de nivel 3  nivel 2.5. Mapea el modelo de encaminamiento de nivel de red a un modelo conmutación de caminos en la red de transporte.

Etiqueta MPLS Etiqueta asociada a MPLS
Clases de servicio/Experimental (CoS):Campo que sirve para clasificar el tráfico en clases separadas para entregar servicio diferenciado a cada una de las clases de la red. S: Indicador de etiqueta de pila, MPLS permite más de una etiqueta (label stacking). 1 indica que es la última etiqueta, 0 caso contrario Time to Live (TTL): Campo que indica cuanto tiempo dura un paquete, equivalente al TTL de IP (evita “loops”)

FEC: Forwarding Equivalence Class
Conjunto de paquetes que entran en la red MPLS por la misma interfaz, que reciben la misma etiqueta y por tanto circulan por un mismo trayecto. Los paquetes son clasificados en FEC una vez cuando ingresan en el dominio MPLS. Una FEC puede agrupar varios flujos, pero un mismo flujo no puede pertenecer a más de una FEC al mismo tiempo. Paquetes de una misma FEC: Reciben la misma etiqueta. Son mapeados en el mismo LSP, es decir, son transmitidos sobre el mismo camino (o conjunto de caminos en el caso de multi-path routing)

LSR: Label Switching Router
Router que puede encaminar paquetes en función del valor de la etiqueta MPLS Routers Frontera (ingress y egress) LSRs ponen y quitan (Push & Pop) etiquetas. LSRs interiores conmutan etiquetas.

Routers Frontera (ingress y egress) LSR o LER ponen y quitan etiquetas. LSR Frontera de ingreso “Ingress LSR” A la entrada del flujo a la red MPLS (al principio del LSP). Examina los paquetes IP y los introduce en el dominio MPLS Se encargan de clasificar los paquetes en FECs Genera la etiqueta MPLS. Asigna la etiqueta inicial en el paquete.

Routers Frontera (ingress y egress) LSR o LER ponen y quitan etiquetas. LSR Frontera de egreso “Egress LSR” A la salida del flujo de la red MPLS (al final del LSP). Elimina o quita la cabecera MPLS Examina el paquete para su tramitación (encaminamiento IP normal, label swap, etc.)

LSP: Label Switching Path
¿Qué es?: Camino que siguen por la red MPLS los paquetes que pertenecen a la misma FEC. Es equivalente a un circuito virtual en ATM o Frame Relay. Se trata de un túnel unidireccional a través de un dominio MPLS Para una ruta bidireccional hacen falta dos LSP Puede ser desviado del camino más corto definido Debido a problemas de recursos en ese camino Debido a un encaminamiento explícito hecho por un diseñador LIB (Label Information Base) También LST (label switching table) o ILM (incoming Label Map). Tabla de etiquetas que manejan los LSR. Relaciona la pareja (interfaz de entrada - etiqueta de entrada) con (interfaz de salida - etiqueta de salida).

Protocolos de distribución de etiquetas
El proceso que permite la construcción de las LIBs, necesario para la creación de los LSP se denomina distribución de etiquetas. MPLS permite la utilización de varios mecanismos de señalización para este procedimiento: LDP (Label Distribution Protocol): protocolo especificado para la distribución de etiquetas basado en la información de enrutamiento de IP. CR-LDP (Constraint-Based Routed Label Distributed Protocol): protocolo derivación del anterior que permite enrutamiento explícito con QoS. RSVP-TE (RSVP Traffic Engineering): protocolo derivado de RSVP estándar que permite enrutamiento explícito con QoS.

LDP: Label Distribution Protocol
Primer protocolo de distribución de etiquetas estandarizado por MPLS Working Group. Las principales características de LDP son: Asignación de etiquetas Hop-by-Hop. Sesiones TCP entre LER/LSR (relación peer-to-peer para intercambiar información de etiquetado). No permite señalizar QoS extremo a extremo. Mensajes de LDP: “Discovery”: Mensajes de descubrimiento: permite a los LSR indicar su presencia mediante mensajes UDP de “Hello”. Cuando el descubrimiento es realizado, la señalización se realiza por TCP ”Adjacency”: Mensajes de establecimiento, mantenimiento y terminación de sesión “Advertisement”: Mensajes de advertencia para la creación, cambio y eliminación de vínculos de etiquetas. Mensajes de Notificación

La distribución de etiquetas asegura que los routers adyacentes conocen la combinación de etiqueta y su FEC asociado Routing Table: Addr-prefix Next Hop / LSR3 Routing Table: Addr-prefix Next Hop / LSR2 LSR1 LSR2 LSR3 IP Packet Label Information Base: Label-In FEC Label-Out XX / For /8 use label ‘17’ Label Information Base: Label-In FEC Label-Out / XX Paso 3: LSR inserta el valor en la tabla de transmisión Paso 2: El LSR comunica el vínculo a su router adyacente Paso 1: LSR crea el vínculo entre el FEC y su etiqueta

LDP soporta dos métodos de distribución de etiquetas: Downstream Unsolicited Label Distribution LSR1 LSR2 Label-FEC Binding Downstream-on-Demand Label Distribution LSR1 LSR2 Request for Binding Label-FEC Binding

Ejemplo: modo bajo demanda #963 #14 #99 #311 #216 D D? #14 D D? #963 D D? D? D? D? #462 D #612 D #311 D D? #99 D #5 D D?

CR-LDP: Constraint-Based Routed LDP
Reserva de recursos: Parámetros de tráfico

CR-LDP: Constraint-Based Routed LDP
Encaminamiento explícito: 2 Mensaje de petición procesado y el próximo nodo determinado. Lista del camino modificada a <C,D> 3. Mensaje de petición terminado. 1. Mensaje de petición de etiqueta. Contiene la ruta explícita < B,C,D> 6. Cuando el LER A recive la etiqueta mapead el ER es establecido 5. LSR C recive la etiqueta para usar para mandarlos datos a LER D. Tala de etiquetas actualizada 4. El mapeo de etiquetas es originado a través de un mensaje. LER A LSR B LSR C LER D ER Label Switched Path Ingress Egress

Etiqueta (TTL) de 1er nivel Etiqueta (TTL) de 2º nivel
Apilamiento de etiquetas en MPLS IP (17) IP (17) Paquete IP (TTL) Red MPLS ISP A U LSR de Ingreso 2º nivel Etiqueta (TTL) de 1er nivel 2 (15) LSR de Egreso 2º nivel 4 (16) 7 (14) Etiqueta (TTL) de 2º nivel V 2 (15) Red MPLS ISP B LSR de Ingreso 1er nivel W LSR Interior 1er nivel LSR Interior 1er nivel 7 (14) LSR de Egreso 1er nivel X 2 (15) Los routers U y Z han constituido un LSP con dos LSR interiores, V e Y 2 (13) Y Red MPLS ISP C Para el ISP B parece como si V e Y fueran routers IP ordinarios (no MPLS ‘enabled’) 8 (12) Los routers V e Y están enlazados por un LSP que ha creado el ISP B. V e Y no ven las etiquetas rojas que manejan W y X Z En cierto modo es como si entre V e Y se hubiera hecho un túnel que atravesara W y X IP (11)

Conclusiones y aplicaciones
Redes de alto rendimiento: Las decisiones de encaminamiento que han de tomar los routers MPLS en base a la LIB son mucho más sencillas y rápidas que las que toma un router IP ordinario (la LIB es mucho más pequeña que una tabla de rutas normal). La anidación de etiquetas permite agregar flujos con mucha facilidad, por lo que el mecanismo es escalable. Encaminamiento con QoS en IP: es posible asignar a un cliente o a un tipo de tráfico una FEC a la que se asocie un LSP que discurra por enlaces con bajo nivel de carga. Proveedor de servicios para VPNs, más escalables y menos costosas que otras alternativas como IPSec, ATM o FR. Soporte multiprotocolo: ya que el encaminamiento de los paquetes se realiza en base a la etiqueta MPLS estándar, no a la cabecera de nivel de red. Permite integración de redes diversas: ATM, Frame relay, Ethernet, etc. Ingeniería de Tráfico: se conoce con este nombre la planificación de rutas en una red en base a previsiones y estimaciones a largo plazo con el fin de optimizar los recursos y reducir congestión.

Enlaces interesantes - Estándares
MPLS overview and architecture RFC MPLS Architecture (Jan-01) RFC MPLS Label Stack Encoding (Jan-01) RFC Carrying label information in BGP4 (May-01) Label Distribution Protocols (RSVP-TE / CR-LDP) RFC Applicability Statement for CR-LDP (Jan-02) Applicability Statement for Extensions to RSVP for LSP-Tunnels (Apr-01) RFC Extensions to RSVP for LSP Tunnels (Dec-01) RFC 3215 LDP State Machine (Jan-02) RFC LDP Applicability (Jan-01) RFC LDP Specification (Jan-01) RFC LSP Modification Using CR-LDP (Jan-02) MPLS LDP Query Message Description (April-02) MTU Signalling Extensions for LDP (July-02) Resource Class considerations for CRLDP (May-02) Signaling Unnumbered Links in CR-LDP (July-02) Signaling Unnumbered Links in RSVP-TE (July-02)

Enlaces interesantes - Estándares
Multicast Extended RSVP-TE for Multicast LSP Tunnels (June-02) Framework for IP Multicast in MPLS (April-02) Quality of Service (QoS) RFC MPLS Support of Differentiated Services (April-01) Proposed MPLS/DiffServ TE Class Types (June-02) ATM & Frame Relay Internetworking ATM-MPLS network Interworking 1.0 (ATM Forum - August-01) RFC MPLS using LDP and ATM VC Switching (Jan-01) RFC Use of Label Switching on Frame Relay Networks Specification (Jan-01)

Enlaces interesantes MPLS Forum: http://www.mplsforum.org/
MPLS Resource Center: MPLS Working Group: Proyecto MPLS for Linux: ‘MPLS’. William Stallings, Internet Protocol Journal Vo. 4 Nº 3 ‘MPLS: Una arquitectura de backbone para la Internet del siglo XXI’. José Barberá, Boletín RedIRIS Nº 53, septiembre Tutorial Varios artículos acerca de MPLS -

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