5. előadás A hálózati réteg feladatai Aszinkron Átviteli Mód (ATM)

Az előadások a következő témára: "5. előadás A hálózati réteg feladatai Aszinkron Átviteli Mód (ATM)"— Előadás másolata:

1 5. előadás A hálózati réteg feladatai Aszinkron Átviteli Mód (ATM)

2 A hálózati réteg feladatai - útvonalkeresés és forgalom menedzsment

3 Áttekintés, fogalmak az útvonalválasztás feladata, fogalma
útvonalválasztás klasszikus csomagkapcsolásos és kapcsolat orientált hálózatokban főbb útvonalválasztási alapelvek az útvonalválasztás megvalósítása forgalom menedzsment, hívásengedélyezés

4 Útvonalkeresés a feladat: a felhasználó adatforgalmát a másik végpontig irányítani, esetleg több hálózaton keresztül

5 Útvonalkeresés eddig: az adatkapcsolati réteg két végpont közötti átvitelt biztosít új kihívások az útvonalválasztás során a hálózati topológia ismerete/megismerése az - valamilyen szempontból - optimális útvonal kiválasztása szolgálatási minőség biztosítása az útvonalon

6 Útvonalkeresés: klasszikus csomagkapcsolás
útvonalválasztás és csomagtovábbítás: csomagonként az egyes csomagok nem biztos hogy ugyanazon az útvonalon haladnak ezért: a két végpontban mechanizmus szükséges a csomagok sorrendhelyes vételéhez Internet: a TCP protokoll végzi ezt a csomagonkénti feldolgozás nagy késleltetést okozhat flexibilis, nagy kihasználtságot eredményez robosztus: egy közbülső csomópont kiesése nem akadályozza meg a kommunikációt

7 Útvonalkeresés: összeköttetés-orientált
tipikusan: ATM a kommunikáció előtt összeköttetés épül fel minden adat ugyanazon az útvonalon halad az útvonalválasztásra a kapcsolat felépítésekor (egyszer) kerül sor hátrány: kevésbé jó kihasználtság előny: a sorrendhelyes adatátvitel kevésbé robosztus: egy csomópont kiesése a rajta keresztül haladó forgalmat érinti

8 Egyéb szempontok komplex feladat: a kapcsolat fenntartása, üzenetek sorba rendezése a csomagkapcsolt elvű IP a komplexitást a végpontokba, a transzport rétegbe helyezi az összeköttetés orientált ATM a hálózatba, a hálózati csomópontokba helyezi a komplexitást az IP megoldás olcsóbb

9 Útvonalválasztási alapelvek
Központi útvonalválasztás a hálózat topológiáját központi egység tárolja az útvonalak meghatározása itt történik nagy mennyiségű adat tárolása, mozgatása a központi egység késleltetve szerez tudomást a topológia változásairól, nagy hálózatban nem hatékony előny: a topológia felderítésére nem szükséges külön algoritmusokat alkalmazni

10 Útvonalválasztási alapelvek
Elosztott útvonalválasztás az egyes csomópontok csak a szomszédaikat ismerik az útvonalválasztáshoz először a topológia felderítésére van szükség nincs központi egység, flexibilis, tetszőleges méretű hálózatban a topológia felderítése időt vesz igénybe és terheli a hálózatot

11 Útvonalválasztási alapelvek
Statikus útvonalválasztás két végpont között minden esetben ugyanazon útvonalon halad az adat nem veszi figyelembe a hálózat forgalmát, szuboptimális útvonal Dinamikus útvonalválasztás az útvonal kiválasztását a hálózat változó paraméterei (forgalom) is befolyásolják az optimális útvonalak a hálózat állapotától függnek a hálózati információt állandóan frissíteni kell

12 Útvonalválasztási alapelvek
Bufferelt útvonalválasztás a csomópontokban a csomagok várakozhatnak egy tárolóban lassabb algoritmusok esetén előnyös Buffer nélküli útvonalválasztás a csomópontok nem tárolják a csomagokat a csomagot azonnal továbbítani kell (még ha nem optimális útvonalat is eredményez) „forró krumpli” algoritmusok

13 Útvonalválasztási alapelvek
Hierarchikus útvonalválasztás a csomópontok különböző hierarchikus csoportokba osztva útvonalválasztás csoportonként, a felsőbb hierarchiájú csoportoktól kezdve

14 Az útvonalválasztási probléma
Gráfelméleti feladat adott topológián melyik az optimális útvonal A-ból B-be? az élek (fizikai összeköttetések) súlyozva additív mértékkel: az adott paraméter az útvonal mentén összeadódik késleltetés, csomagvesztési valószínűség logaritmusa „bottleneck” mérték: az útvonal mentén a legkisebb érték a meghatározó pl. elérhető sávszélesség gráfelméleti algoritmusok: Dijkstra, Bellmann-Ford Megvalósítási feladat hogyan lehet a topológiát felderíteni hogyan kell a topológia információt tárolni

15 Az útvonalválasztási probléma
A topológia felderítése elárasztás (flooding): minden csomópont HELLO üzenetet küld a szomszédainak, így minden csomópontban rendelkezésre áll a topológiai térkép, az üzenetek tartalmazzák hogy melyik csomópontokon haladtak keresztül az összeköttetések vizsgálatához ECHO üzeneteket küldenek a csomópontok, ebből késleltetési viszonyokra lehet következtetni, tartalmazhat terheltségi információt is az így felderített topológia alapján routing táblák: adott feladó és címzett esetén a legrövidebb úthoz melyik szomzédos csomópontnak kell továbbítani a csomagot a feltérképezés adott időközönként ismétlődik

16 Útvonalválasztási eljárások
ATM PNNI (Public Network to Network Interface, nyilvános hálózati interfész) útvonalválasztás IP OSPF (Open Shortest Path First, legrövidebb útvonal) a jövőben: QOSPF, szolgáltatás minőségi kritériumokat figyelembe vevő útvonalválasztás

17 Forgalom menedzsment a különböző alkalmazások különböző minőségi elvárásokat támaszthatnak a hálózattal szemben (késleltetés, sávszélesség, adatvesztés, stb.) ha a hálózat garantálja ezeket, nem minden forgalmat engedélyezhet (hogy a többi felhasználó igényeit ki tudja elégíteni) a hívásengedélyezés (CAC, Connection Admission Control) során a hálózat eldönti, hogy adott igényű forgalmat beenged-e a hálózatba

18 Hívásengedélyezés nincs buffer a hálózati csomópontban: cellavesztési valószínűségre korlát: a pillanatnyi összforgalom kisebb legyen mint a kapacitás, illetve egy maximális értéknél nagyobb valószínűséggel ne legyen nagyobb az összforgalom a források ismeretében tervezhető buffer a csomópontban: késleltetési és csomagvesztési paraméterek is tervezhetők forgalom formázás: a forrás ne generáljon „váratlan” adatfolyamot, a minőségi paraméterek biztosíthatóvá váljanak a szolgáltatási minőségről, hívásengedélyezésről és forgalom formázásról bővebben az ATM -nél lesz szó

19 Aszinkron Átviteli Mód (ATM)

20 Az előadás kivonata bevezetés, fogalmak az ATM-ről általánosan
az ATM felépítése, működése szolgáltatási minőség az ATM -ben az Internet Protokoll és az ATM együttműködése kétirányú többpont-többpont kapcsolatok ATM -ben

21 Legfontosabb fogalmak
összeköttetés orientáltság virtuális út, virtuális kapcsolat ATM kapcsolás szolgáltatási minőség, szolgáltatási osztályok ATM adaptációs réteg IP ATM felett: természetes mód LAN emuláció

22 Szabványosítás a nyolcvanas évek: igény egy egységes nemzetközi távközlési szabványra, amely mindenféle lehetséges átviteli igényt kielégít ITU-T nyilvános hálózati ATM szabvány ATMforum: cégekből álló szervezet, a szabványok, ajánlások kidolgozója

23 Mi az ATM? Asynchronous Transfer Mode (Aszinkron Átviteli Mód)
CCITT - ITU- T definíció: „Olyan átviteli módszer, amely az információt fix méretű cellákba rendezve továbbítja; aszinkron abban az értelemben, hogy egy felhasználó információs cellái nem periodikusan keletkeznek.”

24 Mi az ATM? technológiailag: a csomagkapcsolás továbbfejlesztése (összeköttetés-orientált) összeköttetés orientált: garantálható sávszélesség és késleltetés csomagkapcsolás: rugalmas, szakaszosan érkező forgalom hatékony kezelése kapcsolási és multiplexálási technika rövid, 53 byte -os csomagok (5 byte fejléc) egységes csomagformátum minden adattípusra mindenféle szolgáltatást támogat (kép, videó, hang, adat), lehetőség jövőbeli alkalmazások átvitelére

25 Mi az ATM? szolgáltatási minőség (Quality of Service, QoS) biztosítása
statisztikus multiplexálás, börsztös források támogatása jó hálózat kihasználtság nagy átviteli sebesség, gyors kapcsolás LAN, WAN technika, ATM to the desktop

26 Az ATM hálózat elemei ATM kapcsolók: az ATM cellák irányítását végzik a hálózatban, részt vesznek az összeköttetések felépítésében, lebontásában ATM végpontok: ATM adapter kártyával ellátott készülékek: munkaállomások, routerek, LAN kapcsolók, videó berendezések, stb. két kapcsoló között: ATM hálózati interfész (Network to Network Interface, NNI) végpont és kapcsoló között: felhasználó és hálózat közti interfész (User to Network Interface, UNI)

27 Protokoll architektúra
ATM adaptációs réteg (AAL) felsőbb rétegek vezérlési sík felhasználói sík control adat ATM réteg fizikai réteg

28 Az egyes rétegek feladatai
ATM adaptációs réteg: átviteli hibák javítása a felsőbb rétegekből érkező adategységek feldarabolása vagy összeillesztése időzítési feladatok (ahol szükséges) ATM réteg: kapcsolatok felépítése, fenntartása, lebontása ATM cellák továbbítása a hálózatban Fizikai réteg: a fizikai összeköttetés biztosítása tipikusan SDH/SONET, vezetéknélküli (pl. Hiperlan2)

29 Az ATM cella 48 byte hasznos adat (payload), 5 byte fejléc GFC VPI
Legfontosabb: VPI: Virtual Path Identifier, Virtuális Útvonal Azonosító VCI: Virtual Channel Identifier, Virtuális Csatorna Azonosító HEC: Header Error Control, hibavédő kódolás VPI VCI VCI VCI PTI HEC CLP 48 byte

30 Virtuális összeköttetések
fizikai összeköttetés, virtuális út (Virtual Path, VP), virtuális csatorna (Virtual Channel, VC)

31 Virtuális összeköttetések
A-B: VP4,VP1,VP4; VC1, VC6 A-C: VP4, VP8; VC2

32 Kapcsolatok típusai Állandó összeköttetések (Permanent Virtual Channel, PVC, Permanent Virtual Path, PVP) manuálisan felépített és fenntartott, manuálisan konfigurált, a rendszer üzemeltetője által lebontott kapcsolat lebontásig folyamatosan fennáll hasznos ha hosszú idejű, állandó kapcsolatra van szükség pl. web-server, bérelt vonal jellegű kapcsolatok nehézkes, nehezen bővíthető vagy nem jó kihasználtság

33 Kapcsolat típusok Kapcsolt összeköttetések (Switched VC, SVC, Switched VP SVP): hívásfelépítési mechanizmus során jön létre, a hívás végén a kapcsolat lebontási procedúrával megszűnik hatékony erőforrás-kihasználás, igény szerinti összeköttetések jelentős jelzésátviteli igény Soft PVC: hívásfelépítési eljárással épül fel, manuálisan kell lebontani

34 Kapcsolat típusok VP alagutak (VP Tunnel):
egyes esetekben a hálózat nem támogatja a dinamikus kapcsolatfelépítést, illetve ATM magánhálózatokat kell nyilvános ATM hálózaton keresztül összekötni egy állandó azonosítóval megjelölt permanens VP halad az adott hálózaton keresztül az állandó VP -n (mint egy alagúton) kapcsolt VC -k épülnek fel és bomlanak le a kapcsolatok felépítéséhez, lebontásához szükséges jelzések is az adott PVP -n haladnak egyfajta bérelt vonal szolgáltatás

35 Kapcsolat típusok VP alagút a nyilvános hálózaton keresztül

36 Az ATM kapcsolás ATM kapcsolókban táblázatok
a táblázatokban bemeneti port, VPI, VCI összerendelések a kapcsoló a táblázat alapján eldönti, hogy adott bemeneti porton érkező, adott VPI, VCI azonosítójú cellát melyik kimenetre kell küldenie a cella VPI, VCI mezőit a táblázatnak megfelelően átírja a VP kapcsolók érintetlenül hagyják a VCI mezőt, illetve a kapcsolás is csak a VPI alapján történik a VC kapcsolók mindkét mezőt megváltoztatják, illetve mindkét mezőt figyelembe veszik a kapcsolásnál

37 ATM kapcsolás

38 Az ATM kapcsolás

39 ATM szolgáltatási osztályok
Állandó bitsebességű (Constant Bit-Rate, CBR) kapcsolatok a forrás állandó sebességgel generálja adatait áramkörkapcsolt átvitel emulálására szolgál (pl. 64 kbps beszéd, 128 kbps ISDN, stb.) általában valós idejű kapcsolatok (beszéd, n*64 kbps videó, videókonferencia) az ATM cellák késleltetésére, a késleltetés ingadozására (jitter) érzékeny kapcsolatok kisebb mértékű cellavesztést tolerálnak

40 ATM szolgáltatási osztályok
Valós idejű, változó bitsebességű (real time Variable Bit-Rate, rt VBR) a bitsebesség nem állandó a forrás az adatokat „csomókban” (börszt) generálja változó bitsebességgel kódolt videó-, vagy beszéd átvitele valós idejű: késleltetésre, késleltetés ingadozásra érzékeny kisebb mértékű cellavesztést tolerál mivel várhatóan egyszerre nem az összes forrás ad maximális bitsebességgel: statisztikus multiplexelés statisztikus multiplexelés: a csúcs átviteli sebességek összegénél kisebb kapacitású összeköttetésen is át lehet vinni több forrás forgalmát

41 Statisztikus multiplexelés
kapacitás

42 ATM szolgáltatási osztályok
Nem valós idejű, változó bitsebességű (nrt VBR) a késleltetés ingadozására nem érzékeny ezért forgalomszabályozás van: a forrás forgalmát a hálózatba való beengedés előtt formázzák Elérhető bitsebességű (Available Bit-Rate, ABR) egy minimális átviteli sebesség garantált torlódástól függően a forrás szabályozza forgalmát Nem meghatározott sebességű (Unspecified Bit-Rate, UBR) a forrásról nincs semmi információ a hálózat nem garantál semmit best effort jellegű szolgáltatás, IP az ATM felett

43 ATM szolgáltatás minőségi paraméterek
MCTD (Maximum Cell Transfer Delay): a legnagyobb cellakésleltetés a két végpont között ppCDV (peak to peak Cell Delay Variation): a cellakésleltetés maximális ingadozása CLR (Cell Loss Ratio): cellavesztési arány, az átvitel során elveszett (pl. hibás fejléc miatt törölt) ATM cellák aránya

44 ATM forgalmi paraméterek
PCR (Peak Cell Rate): a forrás legnagyobb átviteli sebessége SCR (Sustainable Cell Rate): hosszú idő alatti átlagos átviteli sebesség MCR (Minimum Cell Rate): legkisebb átviteli sebesség MBS (Maximum Burst Size): az egy csomóban érkező maximális adatmennyiség, maximális börsztméret CDVT (Cell Delay Variance Tolerance): a forrás mennyire képes tolerálni a cellakésleltetés ingadozását

45 Szolgáltatási osztályok és paraméterek
paraméter CBR rt VBR nrt VBR ABR UBR PCR i i i i i SCR i i MBS i i MCR i i, n CDVT i i i i i MCTD i i n n n ppCDV i i n n n CLR i i i n n i: a paraméter garantálható, ill. a jellemző ismert n: a paraméter nem biztosított

46 ATM forgalom menedzsment
a forrás és a hálózat között forgalmi szerződés a forrás nem lépi túl a szerződésben vállalt értékeket: forgalom formázás „lyukas vödör” (leaky bucket) algoritmussal a kapcsolók figyelik a források forgalmát amelyik megszegi a szerződést, annak cellái eldobhatók torlódás esetén (CLP=1)

47 Az ATM adaptációs réteg
ATM adaptációs réteg (ATM Adaptetion Layer, AAL) több féle szabványos AAL, a különböző adattípusoknak megfelelően AAL 1 típus: állandó bitsebességű (Constant Bit Rate, CBR) forrásokhoz, pl. telefonbeszélgetés az ATM cella 48 byteos hasznos része a következőket tartalmazza: SN: Sequence Number, a cella sorszáma SNP: Sequence Number Protection, a sorszám mező védelmére

48 Az ATM adaptációs réteg
AAL 2 típus: összeköttetés-orientált VBR alkalmazásokhoz (pl. videotelefon) ST: Segment Type; jelzi, hogy a csomag az üzenet eleje, vége vagy belseje RES/MID: Reserved, illetve Multiplexing Identifier; több forrás adata azonos VCC -n keresztül továbbítódik LI: Length Indicator; az adatmező „hasznos” byte -jainak száma CRC: hibavédő kódoláshoz

49 Az ATM adaptációs réteg
AAL 3/4 típus: VBR alkalmazásokhoz SN: Sequence Number SNP: Sequence Number Protection IT: Information Type RES/MID: Reserved/Multiplexing Identifier LI: Length Indicator CRC: Cyclic Redundancy Check

50 Az ATM adaptációs réteg
AAL 5 típus: az AAL 3/4 egyszerűsített változata, tipikusan IP és LAN forgalom szállításához PAD: változó hosszúságú mező, hogy a CS keret nx48 byte legyen trailer: 32 bites CRC + kerethossz A keret utolsó ATM celláját a fejléc PT mezőjének 1 értéke jelzi

51 Szolgáltatási osztályok és az AAL
AAL 1: CBR forgalomhoz, kapcsolat-orientált, állandó bitsebességű, késleltetés-érzékenyt összeköttetések adott időzítési és késleltetési követelményekkel AAL 2: kapcsolat orientált VBR forgalomhoz AAL 3/4: kapcsolat orientált és kapcsolatmentes adatforgalomhoz AAL 5: kapcsolat-orientált és csomagkapcsolás jellegű forgalmakhoz egyaránt, ABR, UBR, VBR forgalmat szállíthat, kis fejléc, egyszerű adatfeldolgozás, kevesebb pazarolt sávszélesség

52 Hívásfelépítés a forrás definiálja forgalmi és QoS igényeit
hívásfelépítési üzenetet küld az ATM kapcsolónak, amelyhez csatlakozik; az üzenet tartalmazza a hívott fél ATM címét a kapcsoló a cím alapján meghatározza, hogy melyik kapcsolóhoz kell továbbítani az üzenetet ellenőrzi, hogy a QoS és forgalmi paramétereket biztosítani tudja-e minden kapcsoló elvégzi ezt a hívásengedélyezést (CAC, Connection Admission Control) ha valamelyik nem tudja a hívást kiszolgálni, felbontja a kapcsolatot, egyébként a kapcsolat felépül

53 Hálózati rétegbeli protokollok ATM felett
tipikusan: IP protokoll ATM felett (IP over ATM) LAN emuláció (LANE): az ATM „úgy viselkedik” mint egy LAN protokoll (pl. Ethernet), az IP protokoll az emulált LAN protokoll felett működik IP közvetlenül az ATM felett címkonverzió: az IP címeknek ATM címeket kell megfeleltetni, LAN -okban az IP cím - fizikai (MAC) cím összerendelést a címfeloldó protokoll (Address Resolution Protocol, ARP) végzi ATM LAN -okban: ATMARP szerver tartalmazza az IP cím - ATM cím összerendelést protokoll becsomagolás (encapsulation): a nagy méretű IP csomagokat feldarabolva az ATM cella hasznos részébe kell tenni

54 Hálózati rétegbeli protokollok ATM felett
azonos IP alhálózatban található végkészülékek között valamelyik forrás IP csomagokat akar küldeni az alhálózatban található másik host -nak az első IP csomag az ARP szerverhez érkezik, ami válaszul elküldi a célállomás ATM címét a forrás direkt ATM kapcsolatot épít fel a célig a célállomás, ha válaszol, szintén az ARP szerverhez érkezik az első csomag, az elküldi a célállomásnak a forrás ATM címét a célállomás is direkt ATM kapcsolatot épít ki a forrás felé

55 Hálózati rétegbeli protokollok ATM felett

56 Hálózati rétegbeli protokollok ATM felett
különböző IP alhálózatban, de ugyanazon ATM hálózat eszközei között a forgalomnak egy routeren keresztül kell haladnia, amelyik az IP csomagot is feldolgozza, lassú NHRP (Next Hop Resolution Protocol): címfeloldást végez a teljes ATM hálózatban az NHRP szerverek továbbítják a kérést

57 Hálózati rétegbeli protokollok ATM felett
IP subnet NHRP szerver kérés válasz ATM kapcsolat

58 LAN emuláció (LANE) ATM fórum protokoll, LAN eszközök ATM hálózaton keresztül való összekapcsolására LAN -ok kibővítése, összekapcsolása ATM gyökérhálózaton keresztül nagy terhelésű eszközök összekötése LAN eszközökkel több, logikailag elkülönített LAN kialakítása ugyanazon ATM hálózaton keresztül

59 LAN emuláció (LANE) LANE szolgáltatást nyújthatnak a következő eszközök: ATM végpontok, ATM hálózati kártyával, közvetlenül a hálózathoz csatolva kapcsolók, LAN kapcsolók, útvonalválasztók, mindegyikük ATM hálózati kártyával felszerelve

60 LAN emuláció (LANE) ATM: kapcsolat orientált, pont-pont és pont-több pont jelzések, kapcsolatok az ATM -ben nincs broadcast LAN protokollok: kapcsolat mentes technikák, közös átviteli közeg (pl. sín) a LANE nem „utánozza” az adott LAN technikát a felsőbb rétegek számára azonban megkülönböztethetetlen LANE alkalmazásához az ATM kapcsolókban nincs szükség változtatásra néhány újabb elem szükséges

61 LAN emuláció (LANE) LAN emulációs kliens (LEC): minden, az emulált LAN -ban résztvevő végpont LAN emulációs szerver (LES): nyilvántartja az ATM cím-MAC cím összerendeléseket broadcast szerver (BUS): a LAN -ok broadcast lehetőségét biztosítja működés: a küldő lekérdezi a célállomás ATM címét a LES -től, a MAC cím alapján, utána direkt ATM kapcsolatot épít ki felé és AAL 5 -ös keretekbe foglalja a MAC kereteket és továbbítja broadcast információt a BUS -nak küld, aki pont-többpont kapcsolaton továbbítja azt az összes LEC felé

62 Multicast kapcsolatok
az ATM alapvetően csak a pont-pont, illetve a pont-több pont kapcsolatokat támogatja a több pont - több pont jellegű kommunikáció (pl. konferencia beszélgetés) nehézségeket okoz megoldások: multicast szerver VC szövevény (VC mesh)

63 Multicast kapcsolatok
Multicast szerver a kommunikációban résztvevő pont-pont kapcsolatot épít fel a szerverrel a szerver pont-több pont kapcsolatot épít fel a csoport tagjaival az egyes állomások adata a szerveren keresztül jut el a többi állomásig a szerver a küldő állomásnak nem továbbítja az adatot hátrány: túlzottan központosított, a szerver gyorsasága határozza meg a kapcsolat minőségét, hibája esetén a multicast lehetetlenné válik

64 Multicast kapcsolatok
VC szövevény minden egyes állomás egy pont-több pont kapcsolatot létesít az összes többivel jelentős jelzésátvitelt igényel, pazarolja a sávszélességet ha új állomás akar csatlakozni a csoporthoz, a csoport minden tagját informálni kell erről az új állomásnak ki kell építenie a csoport tagjai felé a pont-több pont kapcsolatot, illetve a tagoknak ki kell egészíteniük kapcsolataikat az újonnan belépő felé