5.Técnicas de Comutação
Discutiremos agora as técnicas de comutação existentes para transporte de dados através de uma rede, suas características e a escolha do ATM como técnica mais adequada para a RDSI-FL. Na figura abaixo [Stallings 92] temos uma representação das diversas técnicas de comutação em forma de espectro limitado em seus extremos pelas técnicas mais comuns de comutação de circuitos. As técnicas de comutação de circuitos e as outras situadas próximas deste extremo possuem como característica uma taxa de transmissão fixa e facilidade de implementação, enquanto que as técnicas que tendem a se situar para o lado direito do espectro têm facilidades de operação a taxas variáveis mas, por sua vez, são mais difíceis de serem implementadas.
Figura 5.1: Espectro de Técnicas de Comutação
5.1.Comutação de Circuitos (Circuit Switching)
A comutação de circuitos implica na existência de um caminho dedicado para comunicação entre duas estações, com uma taxa de transmissão fixa. A comunicação via comutação de circuitos envolve três etapas: - estabelecimento da conexão; - transferência da informação; - desconexão do circuito;
Há a alocação de um canal que permanece dedicado à conexão até a sua desconexão (feita por um dos usuários através de sinais de controle). Para o caso de tráfego variável, este canal pode estar sendo subutilizado e para o tráfego em rajadas há um melhor rendimento na utilização de uma técnica de comutação por pacotes. Isso faz com que esta técnica seja muito utilizada na transmissão de voz (telefonia) e, conseqüentemente na RDSI-FE, que possui as características necessárias de taxa de transmissão constante (64 kbps) e tráfego contínuo.
5.2.Comutação de Circuitos Multitaxa (Multirate Circuit Switching)
A técnica de comutação de circuitos multitaxa nada mais é do que uma melhora da comutação de circuitos visando eliminar o desperdício da capacidade do canal alocado. Isto ocorre porque a conexão é feita através de vários circuitos simultaneamente. Apesar desta técnica apresentar uma boa melhora em termos de flexibilidade, podendo suportar serviços de diversas taxas, ainda não é uma opção adequada ao tráfego em rajadas.
5.3.Comutação de Pacotes (Packet Switching)
As técnicas de comutação de circuitos apresentam alto rendimento quando utilizadas em telefonia para transmissão de voz, pois o canal está ocupado quase que todo o tempo de conexão (um dos usuários está sempre falando). Porém, com o aumento da utilização da rede telefônica para a transmissão de dados, ocorrem alguns problemas, como por exemplo, a característica de variação da taxa na transmissão de dados e o dimensionamento da linha com base na taxa de pico, provocando subutilização da rede quando a taxa for menor. Esses incovenientes são evitados pelas técnicas de comutação de pacotes. Nesta técnica, quadros de informação são transmitidos por rotas definidas nó a nó, não havendo necessidade de estabelecimento de um caminho dedicado entre as estações. Isso implica em um maior aproveitamento das linhas de comunicação, uma vez que os canais podem ser compartilhados por várias mensagens ao longo do tempo (as mensagens são transmitidas por demanda). Um dos mais graves problemas desta técnica é que os cabeçalhos dos pacotes são excessivamente grandes e isso dificulta a sua aplicação onde se tem altas taxas de transmissão. Além disso, como cada pacote a ser transmitido é armazenado e transmitido apenas quando o canal não está ocupado, quando o tráfego na rede é grande podem haver altos retardos entre pacotes, o que não é desejável para aplicações como voz, que exigem taxa constante de transmissão.
5.4.Frame-Relay
O frame-relay procura tirar proveito da qualidade dos atuais meios de transmissão. Como as transmissões estão se tornando cada vez mais confiáveis, o frame-relay consiste em eliminar grande parte do cabeçalho do packet-switching relacionado com o controle de erros. Desta forma, o frame-relay consegue atingir taxas de mais de 2 Mbps, enquanto o packet-switching se limita aos 64 kbps originais. O frame-relay será estudado com detalhes em um capítulo posterior.
5.5.Cell-Relay
O cell-relay pode, de certa forma, ser considerado o próprio ATM. Ele é uma combinação das características inerentes à comutação por circuitos e por pacotes, uma mistura equilibrada dos desenvolvimentos obtidos por essas duas tecnologias, utilizando o que cada uma possui de melhor. Em comparação ao frame-relay, o cell-relay possui as mesmas características de não-existência de controle nó a nó. Sua principal diferença é utilizar células de tamanho fixo, que possuem maior desempenho em termos de velocidade comparadas às células de tamanho variáveis, podendo trabalhar com taxas da ordem de até centenas de Mbps (enquanto o frame-relay atinge até 2 Mbps). Além dos vários canais lógicos que podem ser multiplexados sobre um único meio físico, o ATM faz uso de canais e caminhos virtuais. Ele pode ser comparado a uma técnica de comutação de circuitos multitaxa, porém nela os canais virtuais possuem suas taxas dinamicamente definidas no momento da conexão, diferindo dos canais de taxa fixa. Outro fator importante a ser considerado é o tamanho das células. Este fator provém de uma relação de compromisso entre a eficiência da transmissão, complexidade da rede e atraso. Após muita discussão, foi padronizado um valor de célula de 48 octetos como o ideal.
6.Modo de Transferência Assíncrono
O ATM é a tecnologia adotada como modo de transmissão na RDSI-FL. Ele é capaz de integrar os mais diversos tipos de serviços utilizados na RDSI-FL, assim como é capaz de suportar várias outras aplicações para as quais não foi desenvolvido, como interconexão de LAN's e WAN's ou interconexão de mainframes e supercomputadores. A definição de ATM do Livro Azul do CCITT é a seguinte:
"Uma técnica de multiplexagem na qual a capacidade de transmissão é organizada em slots não dedicados com células em quantidades correspondentes às necessidades instantâneas reais de cada aplicação."
Apesar de hoje em dia haver muitos outros fatores envolvidos, a idéia básica ainda é a mesma. A transmissão ATM envolve o estabelecimento de conexões de caminhos e canais virtuais entre usuários. Como a largura de faixa desses canais é alocada dinamicamente, temos o ATM funcionando perfeitamente tanto em taxas de transmissão muito altas (155 Mbps, 622 Mbps e, no futuro, 10 Gbps) quanto em taxas relativamente baixas. Outra vantagem inerente ao ATM, é que a rede não precisa mais ser dimensionada para o seu valor de pico de tráfego, mas para um valor menor que esse máximo (apesar de ainda não haver um concenso sobre esse valor). O ATM pode ser considerado, como já foi visto anteriormente, como sendo uma integração das técnicas de comutação por pacotes e por circuitos. Como o ATM utiliza células como unidade básica de transmissão, ele possui uma estreita ligação com os modos de transmissão por pacotes, porém com uma diferença muito importante: a transmissão por pacotes foi criada basicamente para dar suporte a serviços de taxas variáveis em tempo não-real, enquanto o ATM pode suportar serviços em tempo real e de taxa constante. Em uma transmissão ATM, a informação do usuário é mapeada nas células, que são assincronamente multiplexadas e transmitidas. Essas células são transmitidas através de canais virtuais estabelecidos na rede. Quando um canal virtual é estabelecido, é criado um identificador de canal virtual, que após a desconexão do canal é removido. A ordem das células dentro dos canais é mantida pela camada ATM e os mais diversos tipos de serviços possuem o mesmo tipo de célula, estando a diferença apenas na quantidade destas. Quanto aos serviço em tempo real, eles são garantidos devido à transmissão das células através dos canais virtuais.
6.1.Modelo de Referência dos Protocolos RDSI-FL
O modelo de referência dos protocolos RDSI-FL (Protocol Reference Model - PMR) definido pela recomendação I.321 do ITU-T é composto por três planos: plano do usuário, plano de controle e plano de gerenciamento, conforme a figura 6.1 [Soares 95]. O plano do usuário é responsável pela transferência de informações do usuário e do controle associado a esta transferência, tais como controle de fluxo e recuperação de erros. O plano de controle é responsável pelo controle da chamada e pelas funções de controle das conexões. Ele cuida de toda a sinalização referente ao estabelecimento, supervisão e liberação de chamadas e conexões. O plano de gerenciamento possui funções de dois tipos: gerenciamento de planos e gerenciamento de camadas. -Gerenciamento de planos é utilizada para o gerenciamento e coordenação dos planos do usuário, de controle e do próprio plano de gerenciamento, como um todo.
Figura 6.1: Modelo de Referência dos Protocolos ATM
-Gerenciamento das camadas corresponde à sinalização referente aos parâmetros residentes nas suas entidades de protocolo. Trata dos fluxos de informação de operação e manutenção (OAM-Operation and Maintenance) específicos de cada camada.
6.2.Células ATM
No documento I.121 de 1988, ainda não havia uma decisão sobre o uso de células de tamanho fixo nem sobre o tamanho e formato do cabeçalho. A padronização atual ocorreu apenas nas recomendações de 1990. O uso de céulas pequenas e de tamanho fixo implica em alumas vantagens: células de tamanho fixo podem ser comutadas com muita eficiência, o que é muito importante devido as altas taxas de transmissão ATM. Além disso, a utilização de células pequenas pode reduzir o tempo de espera (na fila) de células prioritárias. Cada célula possui 53 bytes (ou octetos), sendo que 5 bytes são utilizados para cabeçalho e os 48 bytes restantes são a informação propriamente dita. Como podemos ver na figura 6.2, a estrutura do cabeçalho difere na NNI (Network-Network Interface) e na UNI (User-Network Interface).
Figura 6.2: Formato das células para a UNI e NNI
6.2.1.Generic Flow Control (GFC)
O campo de controle correspondente ao generic flow control está presente apenas nas células da UNI, não aperecendo nas células da NNI. Por isso, o GFC pode ser utilizado para controle de fluxo apenas a nível da UNI local. O GFC pode ser utilizado como auxílio ao usuário no que se refere ao controle de tráfego para diferentes tipos de serviços.
6.2.2.Virtual Path e Virtal Channel Identifiers
Os campos identificadores de caminho virtual (VPI) e de canal virtual (VCI) são utilizados em funções de roteamento das células através da rede. O VPI é constituído de 8 bits na célula utilizada na UNI e 12 bits na célula utilizada na NNI, permitindo assim um número maior de caminhos virtuais internamente à rede. O VCI possui 16 bits em ambas as células e é responsável pelo roteamento entre usuários finais.
6.2.3.Payload Type (PT)
O campo PT indica o tipo da informação presente no campo de informação, ou seja, indica se o campo de infrmação contém dados do usuário ou informações de gerenciamento.
Qualquer nó congestionado, ao receber uma célula, pode modificar seu cabeçalho de forma a indicar que a mesma passou por um nó em congestionamento. As configurações de PT iguais a 100, 101 e 110 designam células de operação e manutenção, sendo sua utilização definida na recomendação I.610.
6.2.4.Cell-loss Priority (CLP)
Indica a prioridade da célula. Em situações de conestionamento da rede, células que têm o bit CLP setado são considaradas de baixa prioridade, podendo ser descartadas de um dado buffer, caso chegue uma célula de alta prioridade (sem o bit CLP setado) e o buffer já esteja ocupado.
6.2.5.Header-error Control (HEC)
Todas células ATM possuem um campo de 8 bits em seu cabeçalho reservados para controle de erros. O HEC é calculado a partir dos outros 32 bits do cabeçalho, de modo a permitir que o receptor verifique a integridade do mesmo e para a identificação do início da célula. Na maioria dos protocolos existentes que possuem campo de controle de erros, o dado que serve como base para o cálculo do código equivalente ao controle de erros é geralmente muito maior que o código resultante. Como no ATM são gerados 8 bits de controle de erro a partir de apenas 32 bits, o código de controle de erros pode ser usado não apenas para deteção de erros, como também para correção, pois há redundância suficiente no código para isso. O polinômio gerador de código é x8+x2+x+1. Para se detectar um erro, é feita a adição do padrão 01010101 ao resto da divisão do cabeçalho pelo polinômio gerador. Notar que o HEC não detecta erros nas informações contidas em uma célula, apenas no cabeçalho. As funções de detecção e correção de erro servem tanto para erros em bits isolados no cabeçalho quanto para rajadas de erros que também podem ocorrer (uma vez que as características de erros em uma transmissão por fibra óptica são uma mistura de erros isolados e rajadas de erros). A integridade do campo de informações é responsabilidade de camadas superiores (como por exemplo a AAL), que pode solicitar, se for o caso, a retransmissão de alguma informação alterada. A decisão de não inclusão de controle de erro relativo ao campo de informação na célula se deve à necessidade de máxima simplificação do processamento nos nós intermediários (devido às altas taxas de transmissão). Por outro lado, é importante o controle do cabeçalho, pois além dele geralmente ser modificado a cada etapa da transmissão, pode ocorrer um erro na identificação da conexão, havendo assim a inserção de uma célula "errada" nesta conexão.
6.2.6.Formato dos Cabeçalhos Reservados
Existem algumas células chamadas reservadas, que possuem valores pré-definidos para os bits do cabeçalho, com exceção do HEC, que deve ser calculado. A tabela abaixo mostra os valores pré-definidos do cabeçalho das células reservadas para uso da camada física (isto é, células que não são passadas da camada física para a camada ATM. Uma célula ociosa é uma célula incluída para manter a taxa de transmissão das células ATM válidas compatível com a capacidade do sistema. Ela não é utilizada quando não há nenhuma célula ATM ou OAM.
6.3.Camada Física (Physical Layer)
A camada física do modelo de referêcia do protocolos da RDSI-FL é composta por duas subcamadas: Physical Medium (PM) e Transmission Convergence (TC).
A subcamada PM é dependente do meio físico utilizado na transmissão. Sua funçãos básica é adequar os bits à linha de transmissão utilizada (incluindo conversões eletro-ópticas). Ela é responsável, também, pela codificação das informações recebidas da subcamada TC de modo a possibilitar a sincronização dos transmissores/receptores. A codificação também possibilita o delineamento das células, através de símbolos de violação de código.
A subcamada TC independe do meio físico utilizado para a transmissão e é encarregada de fornecer serviços à camada ATM, como por exemplo:
A maior dúvida em relação à padronização da camada física com certeza foi a definição da estrutura de transmissão utilizada. O ITU-T padronizou duas formas de transmissão para a UNI: a estrutura de transmissão baseada no SDH, que mantém a compatibilidade com a NNI (que é baseada no SONET) e uma estrutura baseada completamente em células (sem delimitação de quadros). Além desses dois padrões, ainda há a possibilidade da utilização das estruturas antigas já existentes baseadas no PDH (previstas principalmente pela ANSI e pelo ETSI-European Telecommunications Standards Institute) e de uma estrutura baseada na FDDI para utilização na UNI privativa (definida pelo Fórum ATM). É importante notar que a utilização de hierarquias como a PDH ou a SDH (baseadas no TDM síncrono) não quer dizer que o modo de transferência é síncrono, pois a alocação da capacidade do sinal básico pode ser feita de forma assíncrona (na definição do sinal básico de uma hierarquia qualquer não há restrição sobre a forma como a informação ocupará a capacidade do sinal definido).
6.3.1.Estrutura de Transmissão Baseada em Células
Para a transmissão baseada em células, há um fluxo contínuo das células ATM sem a divisão em quadros. Deste modo, alguma forma de sincronismo diferente das implementadas para transmissão baseada em quadros torna-se necessária. Esse tipo de sincronismo é baseado no HEC do cabeçalho das células, conforme já foi citado anteriormente. Ao se iniciar uma transmissão, o receptor assume um estado de HUNT ("busca" ou "caça"), onde o HEC é calculado e comparado com o HEC da célula recebida. Caso haja coincidência entre os HEC's, o estado de PRESYNC é assumido. Neste estado, o reconhecimento ocorre a nível de células. Se houver o reconhecimento de x células consecutivas, o receptor assume que o sincronismo foi atingido, o delineamento das células foi encontrado e ele passa para o estado SYNC. Caso em uma das x células houver um erro no cabeçalho, o receptor assume que o sincronismo não foi atingido e retorna ao estado de busca (HUNT). Se o receptor que já está no estado SYNC receber y células consecutivas com erro, ele considera que houve perda de sincronismo e também retorna ao estado de busca. Alguns valores sugeridos para x e y são x=6 e y=7. Valores muito grandes para x implicam em demora para o estabelecimento do estado de sincronismo, porém há uma segurança muito grande em relação a erros na delimitação dos quadros. Valores muito grandes de y resultam em atrasos muito grandes no reconhecimento de uma perda de sincronismo, porém implica em boa garantia contra falso sincronismo.
6.3.2.Estrutura de Transmissão Baseada no SDH
O SDH é uma estrutura provinda do SONET, cuja estrutura básica é formada por um quadro de 810 bytes que se repetem a cada 125 (s. Seu sinal básico é denominado STS-1 (Synchronous Transport Signal - level 1), já visto anteriormente, que junto com mais dois quadros iguais forma o quadro STM-1. Como pode ser visto na figura 6.3, o campo de informações é composto por um cabeçalho de caminho de 9 bytes e o resto do quadro contém as células ATM.
Figura 6.3: Transmissão de células ATM no STM-1
Como a capacidade de informação útil do quadro (2340 octetos) não é um múltiplo inteiro do comprimento da célula (53 octetos), uma célula pode atravessar o limite do quadro. Por causa disto, no byte H4 do cabeçalho é indicado o número de octetos que deve ser contado (a partir do final do byte H4) para se ter o próximo limite da célula ATM. A eficiência de um quadro STM-1 transportando células ATM é de 87,2%, podendo ser considerada boa.
6.4.ATM Layer
A camada ATM é responsável pela formação do cabeçalho da célula, com exceção do campo de HEC. No sentido de transmissão, a camada ATM utiliza a informação recebida do nível mais alto e do plano de gerenciamento de forma a criar o cabeçalho, o acrescenta ao campo de informação do usuário provindo da AAL, e os envia à camada física. No sentido de recepção, as células recebidas da camada física são desmontadas a fim de permitir a extração e o processamento do cabeçalho, e o campo de informação do usuário é enviado à AAL.
6.4.1.Conexão ATM
Uma conexão ATM é uma conexão transparente provida pela camada ATM. Ela é conectada fim-a-fim através do agrupamento de elementos de conexão e pode ser de dois tipos: Virtual Channel (VC) e Virtual Path (VP). Um VC é uma conexão lógica unidirecional entre dois nós utilizada para a transmissão de células ATM. O VP nada mais é do que uma combinação lógica de vários VC's. Para cada VC é associado um Virtual Channel Identifier (VCI) e a cada VP, um Virtual Path Identifier (VPI). Em uma Virtual Path Connection (VPC) podem existir links VC's diferentes entre si que são diferenciados através do uso do VCI. Por outro lado, VC's pertencentes a diferentes VP's podem possuir o mesmo VCI. Desta maneira, um VC pode ser completamente identificado através de seus VCI e VPI. Quando ocorre a comutação de um VCC, o valor do VCI pode ser modificado. Também ocorrem mudanças no VPI quando um link VP termina em um comutador ou concentrador Na figura podemos ter uma idéia melhor dos conceitos de comutação envolvendo VC's e VP's. O comutador roteia os VPC's que chegam aos seus respectivos VPC's de saída. Apesar de haver uma mudança nos canais, o VPI permanece o mesmo. As conexões podem ocorrer tanto a nível de VPC como a nível de VCC.
Figura 6.4: Meio Físico com VPI's e VCI'S
A utilização de VC's e VP's implica em algumas vantagens, como por exemplo:
Vejamos alguns exemplos de uso de um VCC:
Algumas características já definidas para um canal virtual são as seguintes (Interim Recommendation I.150):
- qualidade do serviço: especificação de parâmetros como razão entre células transmitidas/perdidas e variação do atraso;
- conexão de canal virtual semipermanente ou comutada: para este caso, canais podem ser dedicados. Há a necessidade de sinalização de controle de chamadas;
- integridade da seqüência das células: a seqüência de transmissão das células em um VCC deve ser preservada;
- negociação de tráfego e monitoração do uso do canal: para cada VCC, o tráfego através dele pode ser negociado entre usuário e rede. Este tráfego é monitorado pela rede de modo a não haver excesso (violação) do parâmetro negociado. O tipo de negociação que pode haver entre usuário e rede pode incluir taxa média, taxa de pico e duração do pico. A rede deve, ainda, controlar congestionamentos, simplesmente negando novas conexões VCC's ou descartando células, em casos mais extremos. Para o caso dos VPC's, as características citadas acima para os VCC's se aplicam igualmente, havendo ainda a inclusão de mais uma: restrição de uso dos VCC's em um VPC, ou seja, um VCC deve ser resguardado para o uso interno da rede (controle).
6.4.1.1.Virtual Channel Connection
VCC's consistem em agrupamentos de links VC utilizados para a conexão entre pontos de acesso de serviços ATM. Aqui, o termo link VC se refere a uma conexão virtual unidirecional capaz de transportar células ATM entre pontos onde o VCI é determinado e o ponto onde o VCI é modificado ou removido. O VCC pode ser determinado pelo equipamento de comutação e pode ser permanente ou semipermanente. A integridade da seqüência das células é garantida dentro de um mesmo VCC. No momento do setup do VCC, parâmentros de tráfego do usuário, como taxa de perda de células e atraso das células já estão definidos sob negociação entre o usuário e a rede, sendo estes parâmetros observados e controlados pela rede. Na UNI podem ser usados quatro métodos para a conexão e desconexão do VCC. Primeiro, o procedimento de sinalização pode ser ignorado, se o estabelecimento ou desestabelecimento da conexão ocorrer através de reserva. Este método se aplica a conexões permanentes ou semipermanentes. O segundo método faz uso dos procedimentos de metasinalização. Metasinalização é a sinalização responsável pelos procedimentos de estabelecimento de um VC de sinalização. Ela é transportada em um VCC permanente e possui valor de VPI e VCI fixos e pré-estabelecidos. Ou seja, um VC sinalizado é estabelecido ou removido através do uso de um VC metasinalizado.
Figura 6.5: Comutação dos VP's e VC's
O terceiro método utiliza o procedimento de sinalização usuário-rede. Isto implica no uso de um VCC sinalizado para estabelecer ou remover uma VCC para comunicação fim-a-fim. O quarto método faz uso do procedimento de sinalização usuário-usuário. Isto implica no uso de um VCC sinalizado para estabelecer ou remover um VCC interno a um VPC pré-estabelecido entre duas UNI. Quatro métodos também são possíveis para a atribuição de valores ao VCI na UNI: atribuição pela rede, pelo usuário, atrvés de negociação entre usuário e rede e pelo uso de um método padronizado. Geralmente a atribuição do valor ao VCI não possui relação com o serviço provido pelo VC correspondente. Para fins de facilidade de inicialização e de mudanças, é desejável atribuir o mesmo valor ao VCI para algumas funções específicas. Uma vez que o cabeçalho das células é processado em equipamentos como comutadores ATM, cross-connect e concentradores, o processo de modificação do VCI e do VPI é realizado também no nível desses equipamentos. Por essa razão, quando um VCC é estabelecido ou removido internamente à rede ATM, o estabelecimento ou desconexão de um link VC pode ocorrer em mais de uma NNI. Neste caso, um link VC é estabelecido ou desconectado através de sinalização interna ou de procedimentos de sinalização inter-rede dos elementos ATM.
6.4.1.2.Virtual Path Connection
VPC é uma aglomeração de links VP para a conexão de pontos nos quais um VPI é atribuído a pontos onde o VPI é modificado ou removido. Um link VP conecta pontos onde o VPI é criado ou removido. O VPC pode ser criado por um equipamento de comutação e pode ser permanente ou semipermanente. A seqüência das células é garantida em cada VCC pertencente a um mesmo VPC. No momento da conexão de um VPC, alguns parâmetros como tráfego, taxa de perda de células e variações de atraso são estabelecidas de acordo com a necessidade do usuário e garante-se que a qualidade desses serviços seja mantida através da monitoração destes pela rede. Há duas maneiras de se estabelecer um VPC entre dois nós. Uma faz uso de reserva para conexão (não há utilização dos procedimentos de sinalização). Na outra maneira, os VPC's são atribuídos ou removidos de acordo com as necessidades de controle do usuário e da rede. Ainda, como nos VCI, os VPI podem ser pré-definidos. Das funções da camada ATM, a mais importante é considerada, realmente, o roteamento dos VPI e VCI através da rede (conexão ATM). Porém, a camada ATM é responsável ainda por mais algumas funções, como por exemplo: Generic Flow Control: a função do GFC é controlar o fluxo das várias conexões ATM. O GFC controla o acesso ao meio na UNI e controla o tráfego de modo a conter situações de início de congestionamento. Outras funções incluem redução do jitter para serviços de taxa constante e alocação justa da capacidade para serviços a taxa variável. O GFC é uma característica especial da camada ATM e é provida independentemente da camada física. Além disso, é aplicável a qualquer configuração de UNI (estrela, anel, barramento).
Cell Loss Priority: uma vez que os serviços a taxa variável podem ter variações muito grandes da taxa de bits, pode ocorrer um momento em que todos esses serviços estejam utilizando sua taxa máxima. Ocorre, neste momento, congestionamento na rede. De forma a tentar evitar esta situação, utiliza-se o CLP. O CLP é um campo onde é indicada a prioridade da célula no caso da necessidade de descarte. As células que têm seu bit CLP setados são descartadas primeiro. A função CLP deve ser provida em conjunto com a QOS determinada no momento da conexão VPC/VCC. Deve ser possível manter uma taxa mínima mesmo após a perda de células e o serviço pré-determinado deve ser mantido. Por causa disso, a rede deve determinar a taxa de bits das células de maior prioridade no momento do estabelecimento da conexão e esta taxa deve ser negociável mesmo após o término da conexão. A rede deve monitorar constantemente o fluxo de células de modo que o número de células em uma conexão qualquer não exceda o valor pré-estabelecido; caso isso ocorra, até mesmo as células com prioridade mais alta podem ser descartadas pela rede.
Payload Type Indication: o campo Payload Type indica se a informação contida no campo do usuário da célula consiste em informação do usuário ou informação da rede e, adicionalmente, indica a ocorrência de uma situação de congestionamento. A informação do usuário consiste em informações, propriamente ditas, e informações sobre a função de adaptação a serviços. Já a informação de rede inclui informações de OAM e de gerenciamento de recursos. Enquanto as células ATM para uso geral são criadas em um terminal de usuário e entra na rede através da UNI, as células utilizadas para transporte de informação da rede são criadas internamente à rede e atravessam a UNI.
6.5.ATM Adaptation Layer
Como sabemos, uma rede ATM oferece suporte a uma grande variedade de serviços. Como as características destes serviços são as mais diversas possíveis, é necessária uma adaptação das características específicas de cada serviço para que eles sejam transmitidos através da rede comum ATM. Essa adaptação é feita pela Camada de Adaptação ATM (AAL - ATM Adaptation Layer). De acordo com a Recomendação I.362: "a camada AAL executa funções requeridas pelos planos de usuário, de controle e de gerenciamento, e suporta o mapeamento entre a camada ATM e a camada imediatamente superior. As funções executadas pela camada AAL dependem dos requisitos da camada superior. O AAL suporta múltiplos protocolos de modo a atender às necessidades específicas dos usuários do serviço AAL. Portanto, a camada AAL é dependente do serviço". Tendo em vista esta definição, vemos que a camada AAL não é caracterizada por um conjunto bem definido de funções que deve suportar, mas sim, ela deve ser capaz de suportar quaisquer funções que lhe forem solicitadas por qualquer protocolo que utilize um serviço AAL. A AAL é a primeira camada de protocolo fim-a-fim no modelo de referência da RDSI-FL, conforme ilustrado na figura abaixo.
Figura 6.6: Camada AAL
Para facilitar a definição das funções que a camada AAL deve suportar para cada tipo de serviços, eles são divididos em quatro classes: A, B, C e D, de acordo com a Recomendação I.362 do ITU-T. O Fórum ATM ainda considera mais uma classe de serviços: a classe X.
Classe A: suas características básicas são: pequeno atraso máximo, variação de atraso desprezível, intervalo de tempo entre a transmissão de dois bits/octetos fixo e transmissão completa da cadeia de bits/octetos, isto é, nenhuma informação é perdida nem a ordem é alterada. Alguns exemplos de serviços pertencentes à classe A são a emulação de circuitos para serviços isócronos, como transmissão de voz e vídeo a taxas constantes (sem compressão ou compactação).
Classe B: as características básicas dos serviços da classe B são as mesmas dos serviços da classe A, porém a taxa de transmissão passa a ser variável. Por exemplo, transmissão de voz e vídeo a taxas variáveis (devido à compressão e compactação).
Figura 6.7: Classes de Serviços
Classe C: os requisitos básicos em que os serviços desta classe devem se encaixar são: atraso máximo moderado, variação moderada do atraso, não há necessidade de sincronização entre bits/octetos ou quadros transmitidos e variação no comprimento da cadeia de dados transmitidos (porém, mantendo ser conteúdo e limitações).
Classe D: as características dos serviços pertencentes à classe D são as mesmas da classe C, porém os serviços da classe D não são orientados à conexão. Um exemplo é a interconexão de redes utilizando TCP/IP.
Classe X: a classe X define um serviço orientrado à conexão ATM. A camada AAL, neste caso, não tem função.
6.5.1.Tipos de AAL
Existem, atualmente, cinco tipos de AAL definidas.
AAL 0: é a ausência de funções da camada AAL. Representa o processo que conecta o usuário da AAL diretamente ao serviço oferecido pela camada ATM. AAL 0 pode ser utilizada por equipamentos que querem fornecer seus próprios serviços utilizando diretamente a tecnologia de transferência ATM.
AAL 1: a camada AAL 1 efetua os procedimentos necessários para satisfazer os requisitos dos serviços da classe A. Seus serviços oferecidos são a transferência de unidades de dados com uma taxa constante de geração e a sua entrega ao destino na mesma taxa, transferência de informações de sincronismo entre origem e destino e indicação de perda de informações ou do recebimento de informações não recuperáveis pela AAL 1. Além dos serviços oferecidos, a AAL 1 pode executar as seguintes funções: segmentação e remontagem das informações, tratamento da variação do atraso das células, tratamento de células perdidas ou inseridas erroneamente, recuperação do relógio da fonte na recepção, monitoramento do campo de informações do usuário para detectar bits com erros possíveis de se corrigir, monitoramento e tratamento de bits com erro no PCI (Protocol Control Information).
AAL 2: o objetivo da AAL 2 é efetuar os procedimentos necessários para fornecer serviços da classe B. Seus serviços oferecidos são: transferência de unidades de dados a taxa variável (VBR - Variable Bit Rate), sincronismo entre origem e destino e indicação de informações perdidas ou com erros não recuperáveis pela AAL 2. As mesmas funções oferecidas pela AAL 1 são fornecidas pela AAL 2.
AAL 3/4: efetua os procedimento necessários para fornecer serviços das classes C e D. Como os procedimentos das AAL 3 e AAL 4 podem ser executados para ambas as classes de serviços, eles foram combinados durante o processo de definição das normas. Os serviços de transporte oferecidos pela AAL 3/4 podem ser de dois tipos: modo de mensagem (onde um quadro de informação é recebido do usuário e enviado a outro usuário na rede) e modo de fluxo (no qual um fluxo de quadros de informação é transportado pela rede a outro usuário). A AAL 3/4 também define dois tipos de operação: assegurada e não assegurada. Na operação assegurada, a AAL deverá efetuar a recuperação de erros fim a fim por retransmissão. Já na operação não assegurada, a recuperação de erros não é feita pela AAL, sendo deixado a cargo do usuário a decisão de receber ou não os quadros com erro. Esses modos (de mensagem e de fluxo) e operações (asseguradas e não asseguradas), são opções a serem implementadas de acordo com a definição de serviços específicos.
AAL 5: a AAL 5 foi elaborada para operar de forma mais simples e eficiente que a AAL 3/4 (embora não ofereça todas as funções da AAL 3/4). A AAL 5 também inclui os modos de mensagem ou de fluxo e as operações assegurada ou não, não oferecendo a função de multiplexação de conexões.
Resumindo as funções das camadas e subcamadas do modelo de referência ATM, temos o quadro abaixo:
CS- Subcamada de Convergência SAR- Subcamada de Segmentação e Reencapsulamento AAL- Camada de Adaptação ATM TC- Subcamada de Controle de Transmissão PM- Subcamada de Meio Físico
Figura 6.8: Funções das Subcamadas
6.5.2.Estrutura da AAL
A camada AAL é dividida em duas subcamadas lógicas: subcamada de convergência (CS - Convergence Sublayer) e a subcamada de quebra e remontagem (SAR - Segmentation and Reassembly Sublayer). A SAR é responsável pela segmentação das informações das camadas superiores (PDU - Protocol Data Units) em um comprimento compatível com o campo de informações de uma célula ATM, para transmissão e remontagem dessas informações na recepção. A CS é uma subcamada que fornece as funções necessárias a aplicações específicas que utilizam a AAL. Conforme o tipo de serviço, a CS pode efetuar funções de multiplexação, detecção de perda de células e recuperação da relação temporal da informação original no destino.
6.6.Recuperação do sinal de clock
Uma das principais funções da AAL para serviços em tempo real é a recuperação do sinal de clock no receptor. Devido à natureza estatística da rede ATM, as células não chegam ao destino periodicamente, nem mesmo no caso de serviços a taxa de bit constante. Se a rede ATM for baseada em uma rede assíncrona, ou seja, cada nó da rede possui diferentes referências de clock, a única informação disponível do clock é o long-term average cell throughput. Neste caso, o clock pode ser recuperado através de um PLL. Porém se a rede for síncrona, ou seja, a referência de clock é única para toda a rede, então é possível sincronizar a transmissão e a taxa do serviço com o clock da rede. Neste caso, vários métodos podem ser utilizados para a recuperação do clock, como o Synchronous Residual Time Stamp (SRTS) e o Time Stamp (TS). A seguir, esses métodos serão discutidos.
6.6.1.Métodos de recuperação de clock em serviços a taxa constante
Na recuperação do clock em serviços CBR há basicamente dois métodos principais: Synchronous Frequency Encoding Technique (SFET) e Time Stamp (TS), que mais tarde foram fundidos no método SRTS. O conceito básico do SFET é que em uma rede óptica síncrona, clocks comuns disponíveis no transmissor e no receptor podem ser utilizados como referência. O clock da fonte é comparado com o clock da rede a fim de reconstruir o clock da fonte no receptor. O método TS utiliza o clock comum da rede e um TS de 16 bits que carrega a informação de clock da fonte. O TS é um número binário de 16 bits que representa o número de ciclos do clock da rede correspondente a um número fixo de ciclos de clock do serviço. Uma vez que o clock da rede está disponível no receptor, o TS carrega a informação necessária para a reconstrução do clock da fonte. Foi proposto que o TS fosse transmitido no cabeçalho CS, que ocorre a cada 16 células. Cada um dos métodos possui suas vantagens e desvantagens em relação à eficiência do cabeçalho e adaptação a serviços. A vantagem do SFET reside no pequeno cabeçalho necessário ao transporte da informação de diferença de clock. A principal preocupação no SFET, no entanto, é que para cada novo serviço existe a necessidade de definição de uma nova referência de clock. O método TS evita essa limitação, porém a custo de um cabeçalho maior. Essas limitações implicaram na criação de uma solução baseada em um TS modificado, chamado SRTS. O método SRTS utiliza o Residual Time Stamp (RTS) para medir e avaliar a diferença entre os clocks da rede e do serviço. Ele também é capaz de medir o jitter da informação transportada. Além desses métodos de recuperação de clock, ainda existe um método adaptativo. Este é um método convencional, muito utilizado nas redes já existentes. O receptor armazena a informação recebida em um buffer e depois a processa segundo um clock local. O próprio buffer controla a freqüência local, mandando informações sobre a posição dos dados a um PLL que sintetiza o clock local. Comparado aos dois métodos prévios, o clock adaptativo necessita de um buffer muito grande, mas o seu tempo de resposta é maior.
6.6.2.Método de recuperação de clock para serviços a taxa variável
Os métodos de recuperação de clock acima mencionados, como SFET, TS, SRTS e adaptativo são todos utilizados para serviços a taxa variável (AAL tipo 2); contudo, ainda não é possível se extrair o clock do sinal eficientemente. Os métodos utilizados para os serviços CBR podem ser modificados para uso nos serviços VBR. Porém, as características de tráfego dos serviços VBR são um fator crítico para a modificação. Uma vez que não existe referência temporal para o fluxo de células neste tipo de serviço, o usuário deve implantar padrões de sincronização nas camadas acima da AAL a fim de auxiliar na recuperação do clock. Porém, as características randômicas do tráfego VBR limitam a performance e a aplicabilidade deste método.
6.7.Controle de Tráfego na RDSI-FL
A principal vantagem do ATM reside na eficiência da utilização dos recursos da rede e da sua flexibilidade para suportar os mais variados tipos de serviços. Porém, se por um lado temos isso como vantagem, por outro lado o problema do controle de tráfego torna-se muito grave e deve ser resolvido. Os mecanismos de controle de tráfego largamente utilizados em redes de pacotes não possuem a eficiência necessária quando aplicados à RDSI-FL, pois as redes de baixa velocidade não levam em conta a Qualidade do Serviço (QOS-Quality of Service) requerida pelos serviços da RDSI-FL (a QOS é definida na recomendação E.800 como sendo o efeito coletivo do desempenho do serviço e que determina o grau de satisfação do usuário deste serviço) nem a limitação da rede devido à latência (as redes de pacote de baixa velocidade são limitadas pela largura de faixa). Outro problema é que na RDSI-FL, o controle de congestionamento deve servir para prevenção e não como solução do problema já ocorrido.
6.7.1.Conceitos Básicos do Controle de Tráfego e do Gerenciamento de Recursos
Os três objetivos principais do controle de tráfego e do gerenciamento de recursos na RDSI-FL são a proteção da rede contra congestionamento, alcançar seus objetivos relativos à performance e otimização dos recursos da rede. Para se entender a estrutura do controle de tráfego na RDSI-FL, os procedimentos de estabelecimento de chamada e desconexão devem ser entendidos. Será dada a seguir uma visão simples desses procedimentos, com ênfase no controle de tráfego. Quando um usuário deseja estabelecer uma chamada, em primeito lugar os parâmetros que representam as características estatísticas da fonte são passadas para a rede. A seguir, o CAC - Call Admission Control da rede decide onde a chamada pode ser aceita sem afetar a QOS das outras chamadas já estabelecidas. Se uma nova chamada está para ser aceita, um contrato de tráfego é feito com a fonte. A rede decide então o caminho a ser utilizado pela fonte para enviar suas mensagens ao destino. Uma vez estabelecida a chamada, a fonte pode enviar células pela rede na taxa especificada no contrato de tráfego. A rede monitora o tráfego para garantir que a fonte não esteja extrapolando a taxa negociada. Durante este processo, a rede pode alocar seus recursos de modo a separar os tráfegos de acordo com as características dos serviços (gerenciamento de recursos). O usuário ainda pode gerar diferentes prioridades de tráfego através do uso do bit CLP de modo que um elemento da rede que se encontrar congestionado possa descartar células, caso seja necessário (controle de prioridade).
6.7.2.Parâmetros de Tráfego
Do ponto de vista do controle de tráfego, a única informação necessária quando se estabelece uma chamada em uma rede síncrona é a taxa máxima da fonte. Desta forma, o estabelecimento da chamada é simples, mas há um gasto excessivo de largura de banda. A fim de melhorar a eficiência em termos de largura de banda, o ATM utiliza o conceito de multiplexação estatística. Nas redes síncronas, a largura de banda necessária para a utilização de um serviço é a soma das suas taxas de pico. A multiplexação estatística implica em uma maior eficiência, visando o suporte a esses serviços com uma largura de banda menor. Isto pode ser conseguido se for conhecido um certo número de características estatísticas da fonte, tal que os mecanismos de controle de tráfego possam ser implementados de forma eficiente. Segundo o CCITT, um parâmetro de tráfego é uma especificação de um aspecto particular de tráfego de uma fonte. Um "ATM descriptor" é uma lista genérica dos parâmetros de tráfego que podem ser utilizadas para se obter as características de tráfego intrínseco de uma conexão ATM, enquanto um "descriptor" do tráfego da fonte é um conjunto de parâmetros de tráfego utilizados na negociação do contrato de tráfego entre o usuário e a rede para descrever as características de tráfego exigidas pela fonte. Um exemplo de "descriptor" de tráfego seria {taxa média de células, taxa máxima de células, comprimento de rajada médio}. Esses parâmetros descrevem, individualmente, apenas alguns aspectos do tráfego da fonte, porém o conjunto todo descreve as características de tráfego da fonte como um todo. Caso várias fontes sejam multiplexadas, as características individuais se tornam menos significativas ainda, isto é, as características medidas na rede serão diferentes das características de tráfego originais. Assim, se os parâmetros forem significativos, os pontos de referência para sua definição devem estar o mais próximo possível da rede.
6.7.3.Métodos de Controle de Tráfego
Quando ocorre um congestionamento na rede, o fator QOS é degradado, tendo como conseqüência um serviço pobre para o usuário. O principal objetivo do controle de tráfego é prevenir a ocorrência de congestionamento ou controlá-lo o mais rapidamente possível. Os métodos de controle de tráfego podem ser divididos em dois tipos principais. O primeiro método, reactive control, reage ao congestionamento após a sua ocorrência. Já o segundo método, chamado preventive control, visa prevenir a ocorrência do congestionamento. Nas redes de pacotes existentes têm sido usado o mecanismo de controle do tipo reactive type. Porém, na RDSI-FL, esse tipo de método de controle tende a se tornar ineficiente, esperando-se que o principal método de controle utilizado nas redes ATM sejam do tipo preventivo, e não reativo. Os mecanismos de controle de tráfego ainda podem ser divididos, com base nos níveis em que atuam, em mecanismos de controle a nível de célula (por exemplo, UPC/NPC e gerenciamento de buffer) e a nível de chamada (por exemplo, CAC e roteamento do VC).