Reti di Trasporto. Ing. Stefano Salsano. AA2003/04 - Blocco 5. Programma del corso

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1 Reti di Trasporto Ing. Stefano Salsano AA2003/04 - Blocco 5 1 Programma del corso Rete di accesso e rete di trasporto (0,5) Tecniche di multiplazione, PCM, PDH (1) SDH (4) Evoluzione tecnologie per reti per dati (0,5) ATM (3) IP su ATM (1) MPLS (3) (Trasporto voce su IP) (1) Esercizi, routing IP, OSPF, OSPF-TE (4) Mi risulta difficile riconoscere tutti i contributi che ho utilizzato nel preparare il materiale per questa parte del corso scusandomi quindi per le omissioni, ringrazio Marco Listanti, Fabio Ricciato, Silvano Gai, Davide Bergamasco, Giampaolo Balboni, Giorgio Valent, Italo Tobia, Luca Veltri 2

2 ISDN Il digitale sino a casa dell utente Integrated Services Digital Network Dati + Fonia + Videotelefonia + FAX G4 Anche il terminale d utente diventa digitale Profilo di accesso:» 2B + D o accesso base» 2 canali full duplex a 64 kbps ciascuno» 1 canale segnalazione+dati a pacchetto a 16 kbps» totale 144 kbps sino a casa dell utente» 30B + D o accesso primario» 30 canali full duplex a 64 kbps» 1 canale segnalazione a 64 kbps» totale 2 Mbps sino a casa dell utente 3 ISDN Videoconferenza Network Termination Telefono ISDN Bus S NT1 ISDN Exchange PC con ISDN Fax G.4 Utente Operatore 4

3 La ISDN Connettività numerica da estremo a estremo (end-to-end) Accesso unico per diversi servizi Standardizzazione di un numero limitato di interfaccie Fornitura di servizi di trasporto n x 64 Kb/s, fino a 2 Mb/s Profili di accesso: 2B + D o accesso base 2 canali full duplex a 64 kbps ciascuno 1 canale segnalazione+dati a pacchetto a 16 kbps totale 144 kbps sino a casa dell utente 30B + D o accesso primario 30 canali full duplex a 64 kbps 1 canale segnalazione a 64 kbps totale 2 Mbps sino a casa dell utente 5 Evoluzione verso la B-ISDN Si è tentato di far evolvere la ISDN (detta anche N-ISDN, cioè Narrowband-ISDN) verso la B-ISDN» Broadband ISDN» Fornire servizi ISDN a banda larga La B-ISDN si basa su:» Impiego prevalente di portanti in Fibra Ottica» Trasmissione sincrona SONET/SDH» Modo di trasferimento ATM 6

4 La B-ISDN Fornitura di servizi a larga banda: connessione in area di distribuzione con fibra ottica (in ISDN connessione mediante cavi in rame) Flessibilità nella assegnazione della banda alla singola connessione (=in ISDN canali predefiniti B, D ) Integrazione delle risorse di rete = un sola rete = un solo modo di trasferimento nell interno della rete: ATM Asynchronous Transfer Mode 7 Le definizioni Broadband» Un servizio o un sistema che richiede una velocità trasmissiva B-ISDN superiore a quella dell accesso primario ISDN» Utilizzato per enfatizzare la caratteristica Broadband dell ISDN ATM (Asynchronous Transfer Mode)» La tecnica di trasporto (e/o accesso) per la realizzazione della B-ISDN 8

5 (15 anni fa ) Le motivazioni La domanda crescente di servizi a larga banda La disponibilità di tecnologie ad alta velocità per trasmissione, commutazione e signal processing La crescente capacità di processare dati ed immagini da parte dell utente La possibilità di integrare servizi interattivi e di distribuzione La necessità (del gestore) di integrare i vantaggi della commutazione di circuito e di pacchetto (15 anni fa ) I servizi considerati come requisito 9 Servizi Interattivi» Servizi di conversazione» Servizi di messaggeria» Servizi di retrieval Videotelefonia Broadband Videoconferenza Broadband Suono ad alta qualità Posta Elettronica Retrieval di filmati (VoD) Servizi di distribuzione» Senza controllo di presentazione Broadcast TV, HDTV Pay TV» Con controllo di presentazione 10

6 Diagramma a blocchi per B-ISDN 64kbps Mbps TV Radio Operatore Broadband Narrowband switch Broadband switch Distribution module 144kbps 2 Mbps Rame 600 Mbps 150 Mbps Fibra Utente Network Termination Narrowband 2B+D S 0 S 0 Terminale LAN PABX S B S D Telefono Digitale 2B+D S B : Interactive Broadband S D : Distribution Video Fax PABX Conferenza TV 11 (15 anni fa ) I due aspetti della B-ISDN La fibra ottica esiste prevalentemente nella rete di giunzione e nel tratto primario della rete di distribuzione» Soluzioni:» Portare la fibra a casa dell utente (Fiber to the Home)» Portare la fibra vicino all utente (Fiber to the Curb)» Usare gli attuali cavi di rame (doppino telefonico e coassiale del CATV)» Utilizzare accessi radio Occorre una tecnologia di commutazione in grado di gestire in maniera flessibile flussi ad alta capacità» Soluzione» ATM: Asynchronous Transfer Mode 12

7 Attualmente... Il successo della tecnologia IP (Internet Protocol) ha modificato l idea originale della B-ISDN ATM è oggi usato come tecnologia di trasporto: nel backbone della rete, su ADSL, nella sezione di accesso delle reti cellulari di terza generazione (UMTS) 13 Dove siamo? Architettura dell ATM» Requisiti, cenni storici, modo di trasferimento» Protocol reference Model» Lo strato fisico» Lo strato ATM» Lo strato AAL Classi di servizio e qualità di servizio 14

8 La tecnica ATM: requisiti Alta velocità (centinaio di Mb/s) Allocazione di banda dinamica Granularità fine nell assegnazione della banda Supporto anche di traffico di tipo "bursty" Adattabilità sia ad applicazioni sensibili al ritardo che alla perdita Possibilità di connessioni multipunto e broadcast 15 ATM: arco temporale 1983: esperimenti CNET ed AT&T 1987: CCITT sceglie ATM come base per reti B-ISDN 1990: definizione formato cella primo switch commerciale (Fujitsu) 1991: formazione dell ATM Forum (Novembre) 1993: reti pubbliche ATM negli USA 1994: reti pubbliche ATM in Europa 1996: apertura del servizio commerciale in Europa (Atmosfera in Italia) 16

9 Organismi di standardizzazione per ATM ITU-T» International Telecommunications Union - Telecommunication standardization sector ETSI» European Telecommunications Standards Institute ANSI» American National Standards Institute ATM Forum ITU - T 17 Nato nel 1947 dalla trasformazione dell Union Télégraphique (1856) è un agenzia specializzata dell 170 membri (ne può far parte ogni Stato membro ONU) fino al 1993, all interno dell ITU l attività di standardizzazione era svolta dal CCITT (Comité Consultatif International Télégraphique et Téléphonique ) affiancato dal CCIR (Comité Consultatif International de Radiocommunications). Dal 1993, a seguito della riorganizzazione, è stato suddiviso in ITU-T, ITU-R (Radiocommunications st. s..) e ITU-D (Development st. s.) Produce Raccomandazioni a livello mondiale fino al 1988 approvava Raccomandazioni ogni 4 anni ( 76, 80, 84, 88) previa approvazione dell assemblea plenaria. Oggi la procedura è più veloce 18

10 ATM Forum ATM Forum e un consorzio industriale senza fini di lucro con lo scopo di concordare specifiche realizzative (Implementation Agreement) per consentire l interoperabilita tra apparati ATM, e che assumono il ruolo di standard de facto. Fondato nel 1991 da quattro aziende (Adaptive, Cisco, Northern Telecom, Sprint), il Forum conta attualmente piu di 800 membri, di cui un terzo Principal Members (altri sono Auditing e User Members) Oltre all attività tecnica comprende dei comitati di studio del mercato (Market Awareness Committees, MAC)» North America MAC, European MAC, Asia Pacific MAC Comprende i seguenti Gruppi di Lavoro: UNI User to Network Interface B-ICI LANE NM PHY P-NNI MPOA SA&A VTOA SIG TEST TM RBB SEC WATM Broadband Inter Carrier Interface LAN Emulation Network Management PHYsical Layer Private- Network Node Interface Multi-Protocol Over Atm Service Aspects and Applications Voice Telephony Over Atm Signalling Testing Traffic Management Residential BroadBand Security Wireless ATM 19 Richiami: Multiplazione Sincrona-Asincrona Trama = Unità di sincronizzazione di trama burst time time time MUX Multiplazione Sincrona Multiplazione Asincrona time time time time MUX time 20

11 Multiplazione sincrona Flussi informativi sul multiplo strutturati in trame Identificazione implicita basata sulla posizione delle Unità Informative (UI) sulla trama (senza etichetta) Delimitazione implicita delle UI (slotted time) Allocazione di banda statica Tempi di attraversamento del multiplatore minori del periodo di trama e costanti Esempio: PCM» trame di 32 canali (1 ottetto per slot)» di cui due impiegati per il sincronismo (n. 1) e uno per la segnalazione (n. 16)» 30 canali di utente» T trama = 125 ms 21 Multiplazione asincrona È basato sull identificazione con etichetta e prevede due opzioni rispetto alla suddivisione del flusso Etichetta Dati» slotted time delimitazione esplicita/implicita delle UI» unslotted time E dati E dati E dati E dati E dati E dati delimitazione esplicita delle UI F E dati F F E dati F F E dati F Prestazioni ottenute: allocazione di banda dinamica tempi di attraversamento variabili (accodamento dei messaggi in uscita dal multiplatore) 22

12 Modi di Trasferimento Circuito BASSO RITARDO ALTA INTEGRITA EFFICIENZA FLESSIBILITA Pacchetto Trattamento differenziato dei flussi informativi Il ritardo di attraversamento della rete diminuisce in valore assoluto e variabilità diminuendo il carico elaborativo nei nodi di commutazione Migrazione delle funzioni complesse verso la periferia della rete Quale modo di trasferimento per B-ISDN? 23 M.T. a circuito (es. PCM) M.T. a pacchetto connection-oriented (es. X.25, Frame Relay) M.T. a pacchetto connectionless (es. IP) Ass. della banda statica e rigida Ass. della banda dinamica e flessibile Possibilità di pre-assegnazione di risorse: SI Solo ass. a domanda Basso Onere di processamento per ogni Unità Informativa: Medio ATM Alto 24

13 Asynchronous Transfer Mode Quindi ATM è un M.T. a pacchetto orientato alla connessione. Sua caratteristica principale è inoltre... Unità Informative di Lunghezza e Formato fissi: CELLE per rendere più semplice (= veloce) il processamento e la commutazione 53 bytes Header Etichetta Payload Carico informativo 5 bytes 48 bytes 25 Multiplazione ATM Multiplazione = condivisione della risorsa trasmissiva da parte di flussi informativi diversi. M. ATM è a divisione di tempo (TDM) e ASINCRONA = celle appartenenti ad una particolare connessione non sono associate a istanti predefiniti di Tx Ciascun flusso multiplato è individuato per mezzo di un IDENTIFICATIVO DI CONNESSIONE VIRTUALE (VPI/VCI) nell header delle celle NON vi sono vincoli di granularità nell assegnazione della banda per la singola connessione NON vi sono vincoli al numero di flussi multiplati 26

14 Commutazione ATM a b a r s d m m f e h p Commutazione (switching) ATM: cambiamento di link trasmissivo + cambiamento di etichetta (Multiplex Switching) (Label switching) NB: l etichetta ha una valenza locale, cioè tra le entità agli estremi della tratta Funzioni:» memorizzazione della cella in un buffer» trasferimento fisico dalla terminazione di ingresso a quella di uscita» aggiornamento dell etichetta 27 Circuito virtuale VC_ID IN OUT IN OUT IN OUT IN OUT IN OUT Link_ID - VC_ID

15 Circuito virtuale Rete B-ISDN/ATM Public ATM network Non ATM LANs Fax Server Frame Relay Server ATM LA N HDTV HDTV Frame Relay Server HDTV Fax Server ATM L AN Non ATM LANs 30

16 Elementi di una rete ATM T UNI T UNI UNI T T T UNI C NNI NNI C C NNI NNI NNI NNI C NNI C UNI UNI T T UNI T UNI T C T Nodo di commutazione Nodo Terminale UNI User Network Interface NNI Network Node Interface 31 Tipi di Interfacce Terminale Operatore A Operatore B Terminale Local Switch Local Switch Public ATM Network Public ATM Network Terminale Private UNI Private NNI UNI: User-to-Network Interface NNI: Network-to-Node Interface Public UNI Public NNI 32

17 Struttura e formato della cella Header GFC VPI VPI VCI VCI VCI PT CLP HEC VPI VPI VCI VCI VCI PT CLP HEC User Data (48 ottetti).. User Data (48 ottetti) 53 Formato cella all'interfaccia utente-rete Formato cella all'interfaccia nodo-rete GFC: Generic Flow Control VCI: Virtual Channel Identifier VPI: Virtual Path Identifier PT: Payload Type CLP: Cell Loss Priority HEC: Header Error Check 33 Principio del Core and Edge Nei nodi sono eseguite solo le funzioni essenziali (commutazione e multiplazione) a livello ATM (1-2 della pila OSI) Le funzionalità residue, specifiche per i diversi tipi di servizio, sono svolte agli estremi Terminale Utente Protocolli di livello superiore Edge ATM Nodo di Commutazione ATM Controllo di errore (solo per alcuni servizi e su richiesta) ATM (Core) PHY PHY PHY Terminale Utente Protocolli di livello superiore Edge ATM PHY 34

18 Principio del Core and Edge Obiettivo: Spostare la complessità funzionale verso i bordi della rete Perché:» ai bordi il carico è minore» mezzi fisici affidabili (fibre ottiche) rendono superfluo il controllo di errore su tutta la cella in rete» considerazioni di guadagno statistico rendono possibile l ottenimento di accettabile QoS con una gestione del traffico per aggregati 35 Dove siamo? Architettura dell ATM» Requisiti, cenni storici, modo di trasferimento» Protocol reference Model» Lo strato fisico» Lo strato ATM» Lo strato AAL Classi di servizio e qualità di servizio 36

19 Protocol Reference Model Management Plane Control Plane Higher Layer Protocols ATM Adaptation Layer ATM Layer User Plane Higher Layer Protocols Layer Management Plane Management Physical Layer 37 Protocol Reference Model User plane» comprende le funzioni orientate al trasferimento delle informazioni d utente Control Plane» comprende le funzioni di controllo di chiamata (call control) e di connessione (connection control) Management Plane» Plane Management: comprende le funzioni di gestione relative ad un sistema e quelle di coordinamento tra i piani» Layer Management: comprende le funzioni di gestione relative alle risorse e ai parametri propri delle varie entità presenti in ogni strato 38

20 Protocol Reference Model Strato Fisico (PHYSICAL Layer)» funzioni relative all adattamento del flusso informativo alle caratteristiche del mezzo trasmissivo e alla trasmissione dei bit informativi Strato ATM (ATM layer)» funzioni comuni a tutti i tipi di informazioni» funzioni riguardanti il trattamento dell'intestazione delle celle Strato di Adattamento (ADAPTATION Layer)» funzioni dipendenti dal particolare tipo di informazione da trasferire e riguardanti l adattamento tra sezioni di rete ATM e non-atm» funzioni riguardanti il trattamento del campo infomativo delle celle 39 Funzioni di strato Convergenza Segmentazione e Ricostruzione Generic Flow Control Generazione dell'intestazione delle celle Traslazione VPI/VCI Multiplazione/Demultiplazione Adattamento del tasso di generazione delle celle CS SAR ATM Layer ATM Adaptation Layer - AAL Generazione e verifica del campo di controllo d'errore Delimitazione delle celle Inserimento delle celle nella trama in trasmissione Generazione delle trame Temporizzazione Adattamento al mezzo trasmissivo Trasmission Convergence TC Physical Medium PM Physical Layer 40

21 Dove siamo? Architettura dell ATM» Requisiti, cenni storici, modo di trasferimento» Protocol reference Model» Lo strato fisico» Lo strato ATM» Lo strato AAL Classi di servizio e qualità di servizio 41 Funzioni di Strato Fisico Lo strato fisico e composto da due sotto-strati» Physical Medium sublayer (PM)» Transmission Convergence sublayer (TC) ATM layer Transmission Convergence (TC) sublayer Physical Medium (PM) sublayer Physical layer Physical medium 42

22 Funzioni di Strato Fisico Lo Strato Fisco è suddiviso in due sottostrati» Physical Medium sublayer (PM)» Transmission Convergence sublayer (TC) Il sottostrato PM include le funzioni dipendenti dal mezzo trasmissivo Il sottostrato PM è responsabile delle trasmissione e della ricezione del flusso i bit e delle informazioni di temporizzazione e di sincronizzazione 43 Funzioni di Strato Fisico Le funzioni del sottostrato TC sono» Generazione delle trame in trasmissione» Inserzione delle celle nella struttura di trama» Delimitazione delle celle per rendere possibile la loro individuazione» Generazione e verifica della sequenza di controllo d'errore delle informazioni di comprese nell intestazione delle celle» Adattamento del tasso di generazione delle celle alla capacità del sistema di trasmissione (inserimento di celle vuote) 44

23 Transmission Convergence Sublayer Alternative per il livello di transmission convergence» Orientata alla trama - Cell mapping onto transmission frames» Orientata alle celle - Cell based / Direct cell transfer La Cell-based prevede un flusso continuo di celle Nella trasmissione orientata alla trama le celle sono inserite nel payload di una trama noi considereremo il caso della trama SDH Nell interfaccia SDH-based la differenza tra bit rate lordo e netto è utilizzata per la trasmissione dell overhead di trama, in quella cell-based sono invece trasmesse celle OAM 45 UNI: Physical Layer Gerarchie PDH Gerarchie SDH TAXI (FDDI) USA Europa USA: SONET Europa: SDH 100 Mbps T1 - DS Mbps E Mbps OC-3c / STS-3c Mbps STM Mbps ALTRI T3 - DS Mbps E Mbps OC-12c / STS-12c Mbps STM Mbps 25.1 Mbps 51 Mbps E Mbps OC-48c / STS-48c 2.4 Gbps STM Gbps Mbps Standard attualmente definito Standard non supportato 46

24 Livelli fisici ATM forum Private ATM Public ATM 47 SONET / SDH Puntatori ed allineamento del payload 0 ms Frame 0 Frame 1 A1 A2 C1 B1 D1 H1 B2 D4 D7 D10 Z1 E1 D2 H2 K1 D5 D8 D11 Z2 F1 D3 H3 K2 D6 D9 D12 E2 A1 A2 C1 B1 D1 H1 B2 D4 D7 D10 Z1 E1 D2 H2 K1 D5 D8 D11 Z2 F1 D3 H3 K2 D6 D9 D12 E2 J1 B3 C2 G1 F2 H4 Z3 Z4 Z5 125 ms 250 ms 48

25 SONET / SDH B-ISDN Specific Functions: funzioni necessarie per adattare i servizi offerti dal livello fisico SONET / SDH a quelli richiesti dal livello ATM.» Cell Mapping: inserimento delle celle ATM nel payload (SPE) del frame STS-3 / STM-1 in trasmissione. Path Overhead 260 ottetti 9 ottetti J1 B3 C2 G1 F2 H4 53 ott. Capacita Netta: 260 * 9 * 8 bit = 125 ms Z3 Z4 = Mbps Z5 49 Interfaccia SDH-Based Le celle ATM sono mappate nel container C-4 della struttura STM-1 L inizio delle celle è allineato con l inizio di un byte, il primo byte del VC-4 è indicato dal H4 pointer Una cella ATM può trovare posto in due trame consecutive 50

26 ATM via E1 256 bit E1» PDH multiplex at Mbit/s E1 frame» 30 PCM channels (240 bit)» synchronization channel (n. 0) (8 bit)» signalling channel (n. 16) (8 bit) E1 rframes Channel 0 Cell header Payload (48 byte) Cell header Payload (48 byte) Cell header Channel 16 Cell header Payload (48 byte) Payload (48 byte) Cell header 9 Payload (48 byte) Cell header 10 Payload (48 byte) 1 byte 15 byte 1 byte 15 byte 51 Direct Cell Transfer Le celle ATM non sono inserite in una ulteriore trama Le celle ATM sono covertite direttamente, bit a bit, nel corrispondente segnale elettrico/ottico In teoria, questo metodo consente un uso ottimale della capacità trasmissiva Svantaggi:» non si riusano le infrastrutture trasmissive esistenti» il trasferimento di informazioni di monitoraggio e gestione è inefficente (si usano cell OAM dedicate) 52

27 Interfaccia Cell-based L interfaccia Cell-based consiste in un flusso continuo di celle Se non e' disponibile una cella ATM in trasmissione, nel flusso uscente viene inserita una cella generata dallo strato fisico (Funzione di adattamento del tasso di generazione delle celle - Cell Rate Decoupling) Una cella di strato fisico è sempre inserita dopo 26 celle ATM consecutive Le celle di strato fisico sono celle IDLE o celle OAM Le celle di strato fisico sono estratte in fase di ricezione 53 Direct Cell Transfer Una cella OAM (Operation And Mantenamce) cell viene spedita ogni 26 celle normali Repetition period 27 cells ATM cells Physical Layer OAM cells 54

28 Controllo d errore Il campo di controllo d errrore (Header Error Control - HEC) controlla esclusivamente i byte dell header delle celle Il campo HEC è in grado di:» Riconoscere e correggere errori singoli» Riconoscere errori multipli Diagramma di stato della procedura di controllo d'errore: Errori multipli rivelati [cella scartata] Nessun errore rivelato Correzione Nessun errore rivelato Rivelazione Errore rivelato [cella scartata] Errore singolo rivelato [correzione] 55 Header Error Control HEC Generation / Verification» TX: generazione del campo HEC delle celle utilizzando il polinomio generatore:» X 8 + X 2 + X + 1» RX: Rilevamento errori multipli e correzione errori singoli: Stato iniziale ed errori sporadici: Correction Mode; Burst di errori: Detection Mode. Multi-bit error detected (cell discarded) No error detected (no action) Correction Mode No error detected (no action) Detecion Mode Error detected (cell discarded) Single-bit error corrected (cell valid) 56

29 Controllo d errore No Si Errore nell header Errore rivelato Si Cella entrante No Modo corrente Rivelazione Correzione Succ. Si Correzione Errore corregibile Insucc.. No Cella valida Cella errata accettata Cella scartata Se il tasso d errore medio sul bit è di 10-8» probabilità di scarto di una cella = 10-13» probabilità accettare una cella errata = Cell delineation Cell Delineation: identificazione dei confini delle celle all interno del payload del frame STS-3 STM-1 in ricezione mediante analisi del campo HEC.» HUNT (stato iniziale). Il ricevitore sposta una finestra di cella bit per bit e calcola HEC.» PRESYNC. La finestra si sposta di cella in cella fino a quando non sono stati rilevati 6 HEC corretti consecutivi.» SYNC. Struttura del payload identificata; HEC viene ora usato per il rilevamento degli errori. Il sincronismo e perso quando si rilevano 7 HEC errati consecutivi. Correct HEC HUNT (bit by bit) Incorrect HEC PRESYNC Cell by Cell 7 consecutive incorrect HEC SYNC 6 consecutive correct HEC 58

30 Cell Delineation La funzione di cell delineation ha il compito di individuare l'inizio e la fine delle celle Il metodo è basato sulla correlazione tra i bit dell'intestazione e i relativi bit del campo di controllo d'errore I valori dei parametri a e d devono essere scelti in base a considerazioni prestazionali (minimizzazione delle probabilità di falso allarme, della probabilità di falsa sincronizzazione) Valori suggeriti a = 7 e d = Impatto del bit error rate sulle prestazioni dell identificazione dei confini della cella 60

31 Impatto del bit error rate sulle prestazioni dell identificazione dei confini della cella 61