ATM

Introducción

La tecnología ATM empezó a desarrollarse en los primeros años de la década de los 80, y es alrededor de 1992 cuando comienza su despegue industrial. ATM ha sido una de las tecnologías predilectas por los visionarios de turno, considerada como la única capaz de ofrecer un transporte multiservicio integrando las redes corporativas con las de los operadores y proveedores de servicio. Las redes de acceso fijo a Internet de banda ancha ADSL y las redes de telefonía móvil UMTS de tercera generación favorecieron su despliegue en el entorno WAN de las redes de operadores, debido a la inmadurez de Ethernet/IP para proporcionar una red convergente. ATM nunca llegó a cuajar en el entorno LAN (ATM LANE), debido a su complejidad, coste y rendimiento. La madurez y economías de escala de Ethernet, junto a flexibilidad y adaptabilidad, ha permitido desde hace años entrar en el mercado WAN, retirando definitivamente a ATM de la guerra por la convergencia. Sin embargo, ATM sigue instalado en las redes de muchos operadores conviviendo con Ethernet/IP. ^[1] ^[2]

Fundamentos de ATM

El modo de transferencia asíncrono o ATM (Asyncronous Transfer Mode) es un estándar adoptado por la ITU-T (International Telecommunication Union-Telecommunication Standardization Sector) en 1985 para soportar la red digital de servicios integrados de banda ancha o B-ISDN (Broadband Integrated Services Digital Network). La tecnología ATM permite la integración de los servicios orientados y no orientados a conexión. La integración de estos servicios en una única red, reduce enormemente los costes en infraestructura y en personal de operación y mantenimiento en las operadoras de telecomunicaciones.

La tecnología ATM se basa en la multiplexación y conmutación de celdas o pequeños paquetes de longitud fija, combinando los beneficios de la conmutación de circuitos (capacidad garantizada y retardo de transmisión constante), con los de la conmutación de paquetes (flexibilidad y eficiencia para tráfico intermitente). Proporciona ancho de banda escalable, que va desde los 2 Mbps a los 10 Gbps; velocidades muy superiores a los 64 Kbps como máximo que ofrece X.25 o a los 2 Mbps de Frame Relay. Además, ATM es más eficiente que las tecnologías síncronas, tales como la multiplexación por división en el tiempo o TDM (Time Division Multiplexing) en la que se basan PDH y SDH. Puesto que ATM es asíncrono, las ranuras temporales están disponibles bajo demanda con información identificando la fuente de la transmisión contenida en la cabecera de cada celda ATM.

Las principales características de ATM son: no hay control de flujo ni recuperación de errores extremo, opera en modo orientado a conexión, tiene una baja sobrecarga de información en la cabecera -que permite altas velocidades de conmutación-, tiene un campo de información relativamente pequeño –que reduce el tamaño de las colas y el retardo en las mismas- y utiliza paquetes de longitud fija –que simplifica la conmutación de datos a alta velocidad-.

Dispositivos ATM

Una red ATM está formada por conmutadores ATM y puntos finales ATM. El conmutador ATM es responsable del tránsito de celdas a través de la red ATM: acepta las celdas que le llegan de un punto final ATM o un conmutador ATM, lee y actualiza la información en la cabecera de la celda, y rápidamente conmuta la celda a una interfaz de salida hacia su destino. Un punto final ATM o sistema final, contiene un adaptador de interfaz a la red ATM, el cual sí lee los bytes de datos de la celda. Ejemplos de puntos finales son: las estaciones de trabajo, routers, unidades de servicio digitales, conmutadores LAN, y codificadores y decodificadores de vídeo.

Los conmutadores ATM soportan dos tipos primarios de interfaces:

UNI (User to Network Interface). La interfaz UNI conecta sistemas finales ATM (tales como servidores y routers) a un conmutador ATM.
NNI (Network to Network Interface). Conecta dos conmutadores ATM.

En la Figura se ilustran las especificaciones de interfaz para las redes públicas y privadas.

Especificaciones de interfaz ATM para redes públicas y privadas.

Los dispositivos ATM utilizan un formato de direcciones NSAP (Network Service Access Point) del modelo OSI de 20 bytes, en el caso de redes ATM privadas; y un formato de direcciones E.164 del ITU-T, semejante a números telefónicos, para las redes públicas B-ISDN. Cada sistema ATM necesita de una dirección ATM, independiente de los protocolos de nivel superior como IP o IPX.

Formato básico de la celda ATM

La transferencia de información en ATM, a diferencia de la de otras técnicas de conmutación de paquetes, como X.25 o Frame Relay, utiliza paquetes de longitud corta y fija, denominados celdas. Cada celda consta de 53 octetos o bytes, tamaño que consigue el mejor equilibrio entre la eficiencia de transmisión de datos y los requerimientos de retardo para el tráfico de voz y vídeo. Los 5 primeros bytes contienen la información de la cabecera y los 48 bytes restantes la información de usuario.

La cabecera ATM tiene dos formatos, el UNI y el NNI. La cabecera UNI es utilizada para la comunicación entre los puntos finales ATM y los conmutadores ATM, mientras que la cabecera NNI es utilizada para la comunicación entre conmutadores ATM. La cabecera UNI es mostrada en la Figura 2 y la cabecera NNI en la Figura 3. Como se puede comprobar, la cabecera contiene la siguiente información:

Identificador de canal virtual o VCI (Virtual Channel Identifier) e identificador de camino virtual o VPI (Virtual Path Identifier). Identifican el siguiente destino de la celda cuando pasa a través de varios conmutadores ATM. Un camino virtual o VP (Virtual Path) no es más que la multiplexación de diversos flujos de tráfico sobre un mismo medio de transmisión, y es identificado por el VPI. Un camino de transmisión es un conjunto de VPs. En ATM cada uno de estos VPs es más tarde multiplexado en un cierto número de canales virtuales o VCs (Virtual Channels), identificados mediante los VCIs. Un VP es, por lo tanto, un conjunto de VCs, cada uno de los cuales es conmutado de forma transparente a través de la red ATM en base a un VPI común. Los VCIs y VPIs sólo tienen un significado local a lo largo de un enlace en particular y se hace una correspondencia, cuando sea apropiado, en cada conmutador.

Identificador del tipo de carga o PTI (Payload Type Identifier). Indica en el primer bit si la celda contiene datos de usuario o datos de control. Si la celda contiene datos de usuario, el segundo bit indica congestión, y el tercer bit indica si la celda es la última en una serie de celdas que representan una única trama AAL5.

Prioridad de pérdida de celda o CLP (Cell Loss Priority). Indica si la celda debe ser descartada en el caso de que haya congestión en su tránsito por la red. Si el CLP es igual a 1, la celda debe ser descartada antes que las celdas de la misma conexión con el CLP igual a 0.

Campo de control de errores o HEC (Header Error Check). Calcula el código de redundancia cíclica sobre la cabecera de la celda. Se utiliza para localizar errores en la cabecera y corregirlos, si el número de ellos no es mayor que 2; en caso contrario, cuando existan más de 2 errores, la celda se descarta.

Campo de control de flujo genérico o GFC (Generic Flow Control). La cabecera UNI, a diferencia de la NNI, no soporta el CGF.

Cabecera ATM UNI.

Cabecera ATM NNI.

Formato de las celdas ATM

Como se ha indicado en la sección anterior, las estructuras de datos son de 53 bytes compuestas por dos campos principales:

Header, sus 5 bytes tienen tres funciones principales: identificación del canal, información para la detección de errores y si la célula es o no utilizada. Eventualmente puede contener también corrección de errores y un número de secuencia.
Payload, tiene 48 bytes fundamentalmente con datos del usuario y protocolos AAL que también son considerados como datos del usuario.

Dos de los conceptos más significativos del ATM, Canales Virtuales y Rutas Virtuales, están materializados en dos identificadores en el header de cada célula (VCI y VPI) ambos determinan el enrutamiento entre nodos. El estándar define el protocolo orientado a conexión que las transmite y dos tipos de formato de celda:

NNI (Network to Network Interface o interfaz red a red) El cual se refiere a la conexión de Switches ATM en redes privadas
UNI (User to Network Interface o interfaz usuario a red) este se refiere a la conexón de un Switch ATM de una empresa pública o privada con un terminal ATM de un usuario normal, siendo este último el más utilizado.

Diagrama de una celda UNI

7	4	3	0
GFC		VPI
VPI
VCI
		PT	CLP
HEC
Payload (48 bytes)

Diagrama de una celda NNI

7	4	3	0
VPI
VPI
VCI
		PT	CLP
HEC
Payload (48 bytes)

Campos

GFC (Control de Flujo Genérico, Generic Flow Control, 4 bits): El estándar originariamente reservó el campo GFC para labores de gestión de tráfico, pero en la práctica no es utilizado. Las celdas NNI lo emplean para extender el campo VPI a 12 bits.
VPI (Identificador de Ruta Virtual, Virtual Path Identifier, 8 bits) y VCI (Identificador de Circuito Virtual, Virtual Circuit Identifier, 16 bits): Se utilizan para indicar la ruta de destino o final de la celula.
PT (Tipo de Información de Usuario, Payload type, 3 bits): identifica el tipo de datos de la celda (de datos del usuario o de control).
CLP (Prioridad, Cell Loss Priority, 1 bit): Indica el nivel de prioridad de las celda, si este bit esta activo cuando la red ATM esta congestionada la celda puede ser descartada.
HEC (Corrección de Error de Cabecera, Header Error Correction, 8 bits): contiene un código de detección de error que sólo cubre la cabecera (no la información de usuario), y que permite detectar un buen número de errores múltiples y corregir errores simples.

Modelo de Referencia ATM

La funcionalidad de ATM se corresponde con la capa física y parte de la capa de enlace del modelo de referencia OSI (Open Systems Interconnection) de la ISO (International Organization for Standardization). En la Figura se ilustra el modelo de referencia ATM.

El modelo de referencia ATM está compuesto por los siguientes planos:

Control. Este plano es responsable de generar y de manejar las peticiones de señalización.
Usuario. Este plano es responsable de manejar la transferencia de datos.
Gestión. Este plano contiene una componente denominada gestión de la capa que maneja funciones específicas del nivel ATM, tales como la detección de fallos y los problemas de protocolo, y otra capa denotada gestión de plano que maneja y coordina funciones relacionadas con el sistema completo.

El modelo de referencia ATM se compone de los siguientes niveles:

Nivel físico. Semejante al nivel físico del modelo de referencia OSI, el nivel físico ATM maneja la transmisión dependiente del medio físico. Define las características eléctricas y las interfaces de red.

Nivel ATM. El nivel ATM, en combinación con el nivel de adaptación ATM, es análogo al nivel de enlace de datos del modelo de referencia OSI. El nivel ATM es responsable del establecimiento de conexiones y del paso de celdas a través de la red ATM. Para ello toma los datos que van a ser enviados y añade la información de la cabecera de 5 bytes que asegura que la celda es enviada por la conexión correcta.

Nivel de adaptación ATM. La AAL (ATM Adaptation Layer), combinada con el nivel ATM, es semejante al nivel de enlace de datos del modelo de referencia OSI. La AAL es responsable de aislar los detalles de los procesos ATM a los protocolos de niveles superior. Se encarga de asegurar las características de servicio apropiadas y de segmentar cualquier tipo de tráfico en una carga de 48 bytes que será transmitida en las celdas ATM. Para implementar los distintos tipos de servicio ATM se han especificado varias capas AAL que adapten el flujo de celdas ATM a un flujo con las características requeridas por cada uno de ellos.

Niveles superiores. Son los niveles que residen sobre la AAL, los cuales aceptan los datos de usuario, los clasifican en paquetes, y los pasan a la AAL.

Modelo de referencia ATM.

Conexiones ATM

Las redes ATM están fundamentalmente orientadas a conexión (funcionamiento similar al sistema de conmutación telefónico estándar), donde las llamadas son establecidas basándose en los extremos finales antes de que se produzca el intercambio de información.

Cuando se establece un circuito a través de un sistema ATM, todas las celdas relacionadas con ese flujo de datos, viajan por la misma ruta durante toda la sesión. Por lo tanto, las celdas llegan en orden, simplificando su procesamiento. En cambio, en la conmutación de paquetes, los paquetes se encaminan dinámicamente en cada nodo.

Los sistemas de señalización y de gestión reservan un canal virtual consistente en una cantidad apropiada de ancho de banda dentro de un camino con un mayor ancho de banda. En una conexión permanente o PVC (Permanent Virtual Connection), el ancho de banda se establece de forma permanente –similar a una línea alquilada-, mientras que en una conexión conmutada o SVC (Switched Virtual Connection), el ancho de banda se reserva al iniciar la sesión mediante el sistema de señalización y dicha reserva es liberada por el sistema de señalización cuando se finaliza la llamada –similar a una llamada telefónica por la red telefónica básica-.

Las conexiones en ATM pueden ser punto a punto o bien punto a multipunto. Las conexiones punto a punto conectan dos sistemas finales ATM y pueden ser unidirecciones o bidireccionales. Las conexiones punto a multipunto conectan un único sistema final origen con múltiples sistemas finales destino y sólo pueden ser unidireccionales.

Una PVC garantiza la disponibilidad de la conexión y no requiere de establecimientos de llamada entre los conmutadores. Entre sus desventajas, están el carácter estático de la conexión y la necesidad de un establecimiento manual. Entre las ventajas del SVC, están la flexibilidad de la conexión y que el establecimiento de la llamada puede ser manejado automáticamente por el dispositivo de red. Entre sus desventajas, están el tiempo extra y la sobrecarga requerida para establecer la conexión.

En cada conmutador ATM, para cada una de sus interfaces, se tiene una tabla de conmutación introducida manualmente mediante los procesos de gestión (en PVCs) o creada dinámicamente por los mecanismos de señalización (en SVCs). La tabla hace una correspondencia entre los valores VPI/VCI de la celda entrante y los nuevos valores para el trayecto siguiente de la celda, además de indicarse la interfaz de salida del conmutador.

Descripción del proceso ATM

Con esta tecnología, a fin de aprovechar al máximo la capacidad de los sistemas de transmisión, sean estos de cable o radioeléctricos, la información no es transmitida y conmutada a través de canales asignados en permanencia, sino en forma de cortos paquetes (celdas ATM) de longitud constante y que pueden ser enrutadas individualmente mediante el uso de los denominados canales virtuales y trayectos virtuales.

Diagrama simplificado del proceso ATM

En la Figura se ilustra la forma en que diferentes flujos de información, de características distintas en cuanto a velocidad y formato, son agrupados en el denominado Módulo ATM para ser transportados mediante grandes enlaces de transmisión a velocidades (bit rate) de 155 o 622 Mbit/s facilitados generalmente por sistemas SDH.

En el terminal transmisor, la información es escrita byte a byte en el campo de información de usuario de la celda y a continuación se le añade la cabecera.

En el extremo distante, el receptor extrae la información, también byte a byte, de las celdas entrantes y de acuerdo con la información de cabecera, la envía donde ésta le indique, pudiendo ser un equipo terminal u otro módulo ATM para ser encaminada a otro destino. En caso de haber más de un camino entre los puntos de origen y destino, no todas las celdas enviadas durante el tiempo de conexión de un usuario serán necesariamente encaminadas por la misma ruta, ya que en ATM todas las conexiones funcionan sobre una base virtual.

Encaminamiento

ATM ofrece un servicio orientado a conexión, en el cual no hay un desorden en la llegada de las celdas al destino. Esto lo hace gracias a los caminos o rutas virtuales (VP) y los canales o circuitos virtuales (VC). Los caminos y canales virtuales tienen el mismo significado que los Virtual Chanel Connection (VCC) en X.25, que indica el camino fijo que debe seguir la celda. En el caso de ATM, los caminos virtuales (VP), son los caminos que siguen las celdas entre dos enrutadores ATM pero este camino puede tener varios canales virtuales (VC).

En el momento de establecer la comunicación con una calidad de servicio deseada y un destino, se busca el camino virtual que van a seguir todas las celdas. Este camino no cambia durante toda la comunicación, así que si se cae un nodo la comunicación se pierde. Durante la conexión se reservan los recursos necesarios para garantizarle durante toda la sesión la calidad del servicio al usuario.

Cuando una celda llega a un router o encaminador, éste le cambia el encabezado según la tabla que posee y lo envía al siguiente con un VPI y/o un VCI nuevo.

La ruta inicial de encaminamiento se obtiene, en la mayoría de los casos, a partir de tablas estáticas que residen en los conmutadores. También se pueden encontrar tablas dinámicas que se configuran dependiendo del estado de la red al comienzo de la conexión; éste es uno de los puntos donde se ha dejado libertad para los fabricantes. Gran parte del esfuerzo que están haciendo las compañías está dedicando a esta área, puesto que puede ser el punto fundamental que les permita permanecer en el mercado en un futuro.

↑ Para ampliar conocimientos sobre esta tecnología, existen varios manuales, recomendando: “Redes de Datos y Convergencia IP” de Ramón Millán y José Manuel Huidobro; e “Introducción Práctica a la Administración de Sistemas en Internet” coordinado por Yannis Dimitriadis y Francisco J. Díaz.
↑ Basado en el tutorial Tecnologías de banda ancha por fibra óptica de Ramón Jesús Millán Tejedor

Enlaces externos

Obtenido de "http://www.wikitel.info/wiki/ATM"