Modo de
Transferencia Asincrónica (ATM)
Enlace página Maribel Escalante
Antecedentes (QoS)
En el ámbito
mundial, existe la tendencia a usar redes conmutadas (conmutación de paquetes,
tramas y celdas) para servicios del tipo ancho de banda bajo demanda. En una
red conmutada la infraestructura de transmisión, para redes de transmisión plesiócrona (PDH) y/o síncrona
(SDH o SONET), es compartida por los usuarios, siendo el acceso a ella
determinado por equipos basados en tecnologías de conmutación de tramas
(conmutadores Frame Relay) ó conmutación
de celdas (conmutadores ATM). Con esto se logra un uso más eficiente del ancho
banda (también conocido como ancho de banda “Inteligente”) al proporcionar un
servicio del tipo ancho de banda por demanda, característico de tráfico de
interconexión LAN to LAN, y otros. Asimismo, para el caso de conmutadores
(también llamados suitches) basados en celdas, puede
darse soporte a servicios del tipo isócrono como lo son voz (interconexión de
PABX) y vídeo (de baja, mediana y alta
resolución).
Hoy
en día existen redes basadas en las tecnologías de conmutación (de paquetes,
tramas y celdas) las cuales se caracterizan por manejar distintos tipos de
tráfico de una manera eficiente. Esto les es posible lograrlo, ya que las
redes, manejan el concepto de “Calidad del Servicio (QoS)”,
la cual se define en términos de parámetros relacionados con las pérdidas y
retardos en la transferencia de celdas.
Distintas aplicaciones requieren
diferentes calidades de servicio, por lo que se han definido diferentes clases
de “Calidad de Servicio” para poder garantizarle a los
usuarios de la red la calidad de servicio que las aplicaciones demandan para su
correcto funcionamiento. A continuación se nombran las diversas clases de
servicios que se manejan y una breve descripción de cada una de ellas.
1. Mecanismos del protocolo para proveer
calidad de servicio en aplicaciones de voz, video y datos (LAN
y Legacy)
En vista de que
una red ATM tiene como objetivo transportar tráfico estadístico, el usuario
debe informar a la red las características de su tráfico y la calidad de
servicio (QoS) exigida por el mismo.
Clases de Calidad de Servicio (QoS)
ATM se adapta a
las redes a ser servidas en función de la prioridad de los servicios
involucrados, así como su sensibilidad a:
- La velocidad de transporte
- Capacidad de ser comprimidos o no
- Sensibilidad al retraso de transmisión
- Sensibilidad a la variación del retraso de transmisión
En función de la
característica de un cierto servicio en torno a estos parámetros, se han
desarrollado diferentes clases de servicio, entre los cuales se encuentran los
siguientes géneros:
- Tasa de Bit
Constante (CBR: Constant Bit Rate)
La clase
CBR soporta aplicaciones en tiempo real, con requerimientos de retardo bastante
exigentes donde existe alta sensibilidad a la variación de retardo entre celdas
y necesitan que la temporización entre extremos sea
mantenida. La velocidad de transmisión y el tiempo de propagación son
constantes sin importar las condiciones de la red, tal como si se tratase de un
clear channel. La única diferencia es que en este caso se
implementará de manera virtual. En la
práctica se requiere de una pequeña negociación antes del establecimiento del
PVC, en donde la estación indica cual es la tasa que desea transmitir (PCR) y
cual es la variación máxima de retardo que puede soportar (CDV). Con estos dos valores, el switch
ATM consulta al servidor de políticas de la red en busca de la calidad de
servicio (QoS) que haya sido definida para ese
circuito, si la política lo afirma, la red buscará acomodar los recursos
necesarios para cumplir con los parámetros exigidos por el usuario. Ejemplo de
estas aplicaciones es la voz, emulación de circuitos (Nx64 kbps,
T1, T3, etc.).
- Tasa de Bit Variable
(VBR: Variable Bit
Rate)
Existen dos
subclases de esta clase de servicio a saber, una es Tasa de Bit
Variable en Tiempo Real VBR[RT: Real-Time] y la otra es Tasa de Bit
Variable en Tiempo no-Real VBR[NRT:
Non-Real Time]. La VBR[RT] es para aplicaciones
que son muy sensibles al retardo, y a la variación del retardo con temporización mantenida, tal como se efectúa en la
compresión de vídeo con velocidad variable, donde las fuentes esperan
transmitir con una velocidad que varía en el tiempo. Por otra parte, la clase
de servicio VBR[NRT] garantiza un mínimo retardo de
transferencia de celda y una menor pérdida de celdas, para aquéllas conexiones
que quedan dentro del contrato de tráfico acordado con la red, en el momento en
que la conexión es establecida. Esta clase de servicio no requiere que la temporización sea mantenida, pero exigen una QoS garantizada. Un ejemplo de aplicación VBR[NRT] es el tiempo de respuesta de un proceso de
transacción (por ejemplo, reservaciones en aereolíneas
y transacciones bancarias).
- Velocidad de Bit Disponible
(ABR: Available
Bit Rate)
Muchas
comunicaciones de datos pueden tolerar una reducción de su velocidad de
transferencia de información si la red así lo requiere. Asimismo, ellas pueden
desear incrementar su velocidad de transferencia de información si hay ancho de
banda extra disponible dentro de la red. Por consiguiente, un servicio que
utilice el ancho de banda disponible de la red sería conveniente para este tipo
de servicio
- Velocidad de Bit no-Especificado
(UBR: Unspecified Bit Rate)
Es una clase
de servicio menos fiable que la clase ABR. A esta clase de servicio también se
le conoce como el “servicio de mejor esfuerzo” y fue creada para soportar
retardos y aplicaciones en tiempo no real, por ejemplo, para transferencia de
archivos comprimidos.
El video
El tráfico
generado por los codec de vídeo es a Tasa de Bit Constante (CBR: Constant Bit Rate) y usualmente se
transmite usando tecnología TDM. Este tipo de tráfico tiene dos características
muy importantes:
1.
La información generada (vídeo digital)
fluye a una tasa de bits constante (velocidades nx64 hasta 2 Mbps para el caso de videoconferencia), producto del
muestreo periódico que se realiza de la fuente original (vídeo analógico). Lo
anterior también es válido, para la mayoría de los codecs
que además implementan esquemas de compresión, estandarizados o no. En tal
sentido, se requiere que la red que transmita este tipo de tráfico tenga
retardos muy pequeños y acotados, de manera que el tráfico saliente en el
puerto del extremo final del circuito mantenga una velocidad de bit constante.
2.
La información lleva implícita una
sincronización, es decir, existe una temporización
extremo a extremo en el circuito, el cual se requiere para garantizar una
correcta reconstrucción del vídeo analógico a partir del vídeo digital, en los codec.
Los codecs pueden trabajar tanto en enlaces dedicados (basados
en redes de multiplexores inteligentes), como en enlaces conmutados, con anchos
de banda desde los 56 kbps hasta los 2048 kbps.
Es claro que
redes basadas en tecnología TDM satisfacen los requerimientos antes
mencionados. Sin embargo, con redes basadas en conmutación de celdas, existe la
posibilidad de implementar circuitos que cumplan con estas características. Los
conmutadores ATM dan soporte al tráfico proveniente desde fuentes a Tasa de
Bits Contante (CBR) y provenientes desde fuentes a
Tasa de BitsVariable (VBR).
Algunas de las
características que describen a los nodos ATM, es que además de definirse como
una red de banda ancha basada en la conmutación y multiplexación
estadística de paquetes en el formato de celdas, es capaz de asignar
dinámicamente ancho de banda bajo demanda. Además es capaz de efectuar la
conmutación a nivel de hardware, lo
cual ofrece gran capacidad y elevado rendimiento necesario para la tecnología
ATM. Adicionalmente, las redes integradas por conmutadores ATM también se
caracterizan por definir múltiples niveles de Calidad de Servicio que permiten
la integración de servicios de voz, vídeo y datos en una misma red,
garantizándose el manejo de tráfico sensible al retardo junto con la
transmisión de ráfagas de datos (siendo su tecnología aplicable tanto para
redes WAN como para redes LAN).
En lo que
respecta al transporte del tráfico del tipo CBR, a través de una red basada en
conmutadores ATM, existe la posibilidad de ofrecer el Servicio de
Videoconferencia (velocidad nx64 hasta 2 Mbps,
Recomendación H.261 de la ITU-T) a través del uso del Servicio de Datos en modo
Transparente a Bits (BTDS: Bit Tranparent Data Service).
En general la QoS se escoge en base a la aplicación del cliente y
requerimientos latentes. Por ejemplo, el tráfico de voz se enviará en un PVC
con tasa de bit constante (CBR), mientras que el
tráfico de transacciones variables se enviará en un PVC con tasa de bit variable (VBR), y los archivos grandes no críticos se
pueden transferir utilizando velocidad de bits no especificada (UBR).
Voz y
Datos
Calidad del servicio sobre demanda, significa que para
manejar las comunicaciones de los distintos tipos de datos multimedia se debe
definir la calidad del servicio. La calidad del servicio es un conjunto de
parámetros que incluye las ratas de velocidad, la utilización del medio de
transmisión, el promedio de las demoras, la rata de errores permitida, la rata
de error de los paquetes, entre otros.
La tecnología ATM posee una capacidad de Gbit/seg en la red. Por
consiguiente ATM genera requerimientos necesarios para el control de flujo. Si
el control del flujo se hiciese como una realimentación del lazo extremo a
extremo, en el momento en que el mensaje de control de flujo arribase a la
fuente, ésta habría transmitido ya algunos Mbytes de
datos en el sistema, exacerbando la congestión. La constante de tiempo de la
realimentación extremo a extremo en las redes ATM (retardo de realimentación
por producto lazo - ancho de banda) debe ser lo suficientemente alta como para
cumplir con las necesidades del usuario sin que la dinámica de la red se vuelva
impractica.
Las condiciones de congestión en las redes ATM
están previstas para que sean extremadamente dinámicas requiriendo de
mecanismos de hardware lo suficientemente rápidos para llevar a la red al
estado estacionario, necesitando que la red en sí, esté activamente involucrada
en el rápido establecimiento de este estado estacionario. Sin embargo, ésta
aproximación simplista de control reactivo de lazo cerrado extremo a extremo en
condiciones de congestión no se considera suficiente para las redes ATM.
En base a todo esto se llegó al consenso de: Uso de
una serie de esquemas de control de flujo, junto con la colocación adecuada de
los recursos y el dimensionar las redes, en conjunto se pueda tratar y evadir
la congestión tomando como primicia:
- La Detección y manejo de congestión generada tempranamente
monitoreando de cerca las entradas/salidas (conmutadores ATM) y
reaccionando gradualmente a medida que vaya arribando a ciertos niveles
prefijados.
- Controlando la inyección de la conexión de datos dentro de la red
en la UNI (unidad interfaz de red) de manera tal que su tasa de inyección
sea modulada y medida allí primero, antes de tener que ir a la conexión de
usuario a tomar acciones mas drásticas.
- El estado de la red comunicado a la UNI, genera rápidamente una
celda de control de flujo siempre que se vaya a descartar una celda en
algún nodo debido a congestión.
- La UNI debe entonces manejar la congestión, cambiando su tasa de
inyección o notificándola a la conexión de usuario para que cese el flujo
dependiendo del nivel de severidad de la congestión.
- El control de congestión trata y afecta solo a los flujos de
conexión que son responsables de la misma y actúa de forma transparente
frente a los flujos que observan buen comportamiento. Al mismo tiempo,
permitir que el flujo de conexión utilice tanto ancho de banda como
necesite sino hay congestión.
La recomendación UIT - T I. 371 especifica un
contrato de tráfico que define cómo el tráfico del usuario seria administrado.
El contrato que existe para cada conexión virtual (virtual path
o virtual channel), es básicamente un acuerdo entre
el usuario y la red con respecto a la Calidad de Servicio (Quality
Of Service - Q o S) y los
parámetros que regulan el flujo de celdas. Estos descriptores de tráfico
dependen de una particular clase de servicio y pueden incluir bajo la
especificación del ATM Forum UNI / a cinco Q o S referenciados en los AALS. El
objetivo de estas sub clases de servicio es agrupar
características de servicios como requerimiento de ancho de banda similares,
sensibilidad a la perdida de datos y retardos para un
correcto manejo de los datos en los puertos de acceso ATM, etc. Estos
parámetros pueden incluir el Sustained Cell Rate (SCR), el Mínimum Cell Rate
(MCR), el Peak Cell Rate (PCR) y/o el Burst Tolerance (BT). Para soportar todas las diferentes clases
de servicios definidos por los estándares el switch
ATM debe ser capaz de definir éstos parámetros en base a cada VC o cada VP y
debe proveer amortiguadores (buffers) para absorber
las ráfagas de tráfico.
Los sistemas
distribuidos multimedia requieren transferencia de datos continua sobre
periodos de tiempo relativamente altos, sincronización en el manejo de los
diferentes tipos de datos (ejemplo: voz y sonido), espacios de almacenamiento
extremadamente grandes, manejo de tiempo real y técnicas especiales de indexamiento y recuperación de los datos de tipo multimedia,
además de otros problemas que surgen a partir de éstos.
Esa creciente necesidad de incrementar la interconexión de las cada vez más
poderosas estaciones de trabajo multimedia expresa como resultado una evolución
de las comunicaciones en búsqueda de las redes (sus características) que
soporten la transmisión de este tipo de información multimedia.
Conmutación de voz (VSTN)
ATM ofrece una nueva manera de transportar el tráfico de voz sobre la
red de transporte (aparte de la emulación de circuito)
La aproximación consiste en conseguir que la red de transporte ATM sea
emulada como una gran centralita de tránsito (tandem
PBX). Esta técnica recibe el nombre de conmutación de voz sobre ATM.
Conmutación
de voz sobre ATM
El propio conmutador ATM interpreta el canal de señalización de la
centralita y crea canales conmutados para la transmisión de cada circuito de
voz independientemente. El circuito va desde la centralita origen hasta la de
destino sin la necesidad de pasar por ninguna centralita de tránsito externa.
La red ATM conoce el número de llamadas de voz (tiempo real), por lo
tanto, usa únicamente el ancho de banda necesario para su transmisión (el resto
se reasigna a otros servicios).
Otras ventaja de la red ATM es informar a las centralitas por el canal
de señalización de como prosperan sus llamadas individualmente. Frente a estas
notificaciones, una centralita puede decidir conmutar una llamada determinada
por la red pública en caso de congestión en la red de transporte corporativa.
En el caso que las centralitas usen compresión de voz, el uso de la
técnica de conmutación de voz sobre ATM les asegura que un determinado circuito
se comprime/descomprime en un único punto y, por lo tanto, la señal no sufre la
pérdida de calidad asociada a las redes basadas en muchos saltos entre
centralitas.
Lo anterior elimina la necesidad de grandes centralitas de tránsito
existentes en las grandes redes de voz y hace sencilla las tablas de
encaminamiento con lo que la escalabilidad es mucho mayor y económica.
2. Ventajas y desventajas del protocolo ATM para la provisión
de calidad
Ventajas
·
El enrutamiento sin conexión y la
conmutación de tramas es adecuada para la mayoría de las aplicaciones de datos,
tales como tráfico de LAN.
·
El enrutamiento orientado a conexión y la
conmutación de celdas proporcionan la capacidad para manipular aplicaciones a
Tasa Constante de Bits, tales como voz y vídeo.
·
Las múltiples prioridades de emisión y
descarte permiten el respaldo de aplicaciones con diversos requerimientos de
calidad de servicio “QoS”, como lo es el tráfico
desde fuentes de Velocidad Contante en Bit (CBR) y de Velocidad Variable de Bit
(VBR), donde el tráfico de VBR podrá utilizar ya sea protocolos de red sin
conexión (por ej., IP o Appletalk) u orientado a
conexiones (por ej., Frame Relay).
·
Una capa subyacente de gestión de ancho
de banda asegura un transporte dinámico y eficiente, con el grado deseado de
servicio para cada clase de tráfico.
·
Con respecto a la escalabilidad, la red
formada por conmutadores ATM se destaca por:
v
Manipular requerimientos de campo, redes
MAN (Metropolitan Area Network) y redes WAN (Wide Area Network).
v
Ser escalables desde un nodo, hasta miles
de ellos.
v
Permitir una transición paulatina e
incremental hacia el estándar ATM ya que es posible introducir líneas de acceso
y enlaces troncales ATM de alta velocidad con sólo instalar tarjetas donde y
cuando sea necesario.
·
Por otra parte, Microsoft ha perfilado
planes para soportar nativamente ATM, algo que permitirá a los desarrolladores
y a los administradores de redes beneficiarse de las garantías de la
transmisión de Calidad de Servicio exclusivas de ATM, a la vez que les liberará
de tener que escribir o licenciar módulos de emulación LAN
propietarios o gestores de llamadas. Este soporte de ATM nativo está previsto
para la siguiente versión del sistema operativo Windows, Microsoft Windows
2000. Estos esfuerzos deberían hacer más fácil y rentable para las
organizaciones apuntarse a los beneficios de la tecnología ATM.
Desventajas
- Complejos mecanismos para lograr la calidad de
servicio
- La congestión puede causar pérdida de celdas
- La encapsulación consecutiva de paquetes genera problemas
de overhead y funciones redundantes
- El principal problema que encuentran las
empresas para instalar ATM es el económico. El alto precio de las tarjetas
adaptadoras (varían entre 40.000 y
140.000) impiden que las empresas opten por esta tecnología de red, ya que
la mayoría de las redes ni siquiera han sido amortizadas.
- Mientras ATM se ha
ido desarrollando, han ido surgiendo tecnologías paralelas que ofrecen
altas velocidades en la transmisión de datos y con un precio más
asequible, como por ejemplo Ethernet y Token Ring clásicas usando
concentradores: Pueden ofrecer un ancho de banda suficiente para realizar
transmisiones multimedia, con límites de 10 y 16 Mbps
respectivamente, 100VG-AnyLAN: Ofrece una
velocidad de entre 10 y 100Mbps y ancho de banda dedicado, Fast Ethernet: Ofrece
velocidad de entre 10 y 100Mbps, pero no ofrece ancho de banda dedicado.
- La constante de
tiempo de la realimentación extremo a extremo en las redes ATM (retardo de
realimentación por producto lazo - ancho de banda) debe ser lo suficientemente
alta como para cumplir con las necesidades del usuario sin que la dinámica
de la red se vuelva impractica.
- Las condiciones de
congestión en las redes ATM están previstas para que sean extremadamente
dinámicas requiriendo de mecanismos de hardware lo suficientemente rápidos
para llevar a la red al estado estacionario, necesitando que la red en sí,
esté activamente involucrada en el rápido establecimiento de este estado
estacionario. Sin embargo, la aproximación simplista de control reactivo
de lazo cerrado extremo a extremo en condiciones de congestión no se
considera suficiente para las redes ATM.
3. Elementos que hay que
tomar en cuenta a la hora de diseñar redes, usando el protocolo ATM, para
proveer calidad de servicio en aplicaciones de voz, vides y datos (LAN y Legacy).
Una forma común de diseñar los nodos ATM es por medio de redes de
interconexión que responden a distintas arquitecturas (redes multietapa, memoria compartida,...). En la red de
comunicación, tanto los nodos de conmutación como los nodos de acceso estarán
unidos de acuerdo a una topología determinada. En general la ubicación de estos
dispositivos vendrá fijada previamente por otros condicionantes (población,
etc.) y sólo será necesario explorar las diversas formas de interconexión posibles.
En la conmutación rápida de paquetes, una de las principales cuestiones es la
disposición de zonas de almacenamiento de dichos paquetes en la entrada, en la
salida o de forma compartida entre la entrada y la salida. Los mecanismos de
control que prevengan la utilización abusiva de estas zonas de almacenamiento y
por supuesto la pérdida de posibles celdas es uno de los objetivos principales
del diseño de estos dispositivos de conmutación.
Las figuras de mérito que normalmente se evalúan para estos dispositivos
son, entre otras, el caudal o flujo de celdas, retraso medio debido al proceso
de conmutación, probabilidad de pérdida de celdas, etc..
No obstante, en una red existen usuarios que solicitan los servicios propios
ofrecidos por ésta, con lo que será necesario establecer otros criterios de
prestaciones de la red en base a las medidas (simulaciones) obtenidas para cada
uno de los elementos que configuran la red bajo estudio. Entre éstas podemos
incluir: el retraso medio extremo-extremo y su variación (jitter),
caudal estimado (una vez que se ha considerado la capacidad de los enlaces),
pérdidas, control de tráfico, puntos de congestión, tipos de encaminamiento, etc..
El diseñador de estos sistemas podría estar más convencido de su diseño
si además fuera capaz de obtener resultados concretos sobre el comportamiento
de la red al introducir uno de los servicios especificados, por ej.: servicios multimedia, viendo cómo se puede variar su
calidad con la modificación de algunos de los parámetros previamente definidos
en la red. También se podrían incorporar otros para establecer de forma
inequívoca a qué parámetros físicos de diseño de la red es más sensible la
calidad del servicio ofrecido y proponer las medidas oportunas para su no
degradación.
4. Conclusiones
Definitivamente representan una gran ventaja los
factores predecible y controlable aplicados a ATM, lo cual significa que para
ciertas transmisiones que requieren una comunicación con unas características
constantes, como voz y vídeo en vivo, se garantiza el ancho de banda que
necesitan y una latencia (retardo máximo). Esto permite a los usuarios utilizar
aplicaciones multimedia o transmisión de datos de forma simultánea,
garantizando a cada tipo de información sus parámetros característicos o "calidad
de servicio".
La calidad de servicio en la red, las funciones
sofisticadas de supervisión, monitoreo y configuración de los equipos ATM proveen exactamente lo que se requiere, es
decir, Calidad de Servicio (QoS) punto-a-punto, la
cual es crucial en cantidad de situaciones que se presentan a diario con los
diversos servicios que se prestan con estas redes, por ejemplo, en situaciones
de vida o muerte tan críticas como la telecirugía,
donde se requiere un servicio de alta velocidad dentro de un ambiente extremadamente riguroso en términos de
confiabilidad y seguridad.
El éxito en la calidad de las transmisiones
de los diferentes servicios permite crear bases para la globalización de los
procedimientos en diversas situaciones, como la educativa, médica, empresarial,
etc., los cuales se deben aplicar a distancia con la exactitud requerida; el
uso de estos avances tecnológicos permite simplificar y abaratar los costos
para que las personas que se encuentren en sitios remotos puedan beneficiarse
con las capacidades de especialistas, por ejemplo, médicos de todo el mundo.
ATM, como infraestructura básica de
transmisión de banda ancha, en redes corporativas de área metropolitana (MAN) o
extensa (WAN), está sustituyendo a las soluciones basadas en multiplexores SDH.
Las razones tecnológicas expuestas son sólo
una parte de la historia. La otra parte, y fundamental hoy en día, es el coste
de la solución.
Si atendemos a las capas de servicios de voz,
datos y vídeo que se instalarán por encima de la infraestructura de
transmisión, los ahorros que se consiguen al diseñar estos servicios
directamente sobre ATM son sustanciales. Cuando consideramos los costes de
posesión de la red, que tienen que ver con cambios, evolución, operación y
mantenimiento de la misma, la partida de ahorro aportada por la solución ATM
crece aún más.
El formidable despegue de ATM adquiere de
esta forma un nuevo impulso y confirma su carácter de tecnología extremo a
extremo, universal y globalizadora.