ALGORITMOS PARA ENCRIPTACI?N DE DATOS

2.4.7.3 Modo de Transferencia Asíncrona (ATM)

2.4.7.3.1 Introducción

La tecnología ATM es una arquitectura de conmutación de celdas que utiliza la multiplexación por división en el tiempo asíncrona. Las celdas son las unidades de transferencia de información en ATM y se caracterizan por tener un tamaño fijo de 53 bytes. Esto permite simplificar los nodos y que la conmutación sea realizada por hardware, consiguiendo con ello alcanzar altas velocidades.

El soporte de múltiples servicios con diferentes calidades de servicio (QoS) y características del tráfico, requiere una extensa y compleja infraestructura de red.

La tecnología de red ATM estandariza un conjunto completo de funciones para la gestión del tráfico que pueden ser implementados con varios niveles de complejidad para obtener diferentes niveles de eficiencia [Giroux99].

Las redes ATM pueden interoperar con los equipos de distintos vendedores.

La red define tres niveles:

- Nivel físico. Se han definido distintos medios de transmisión como fibra óptica a 155-Mbps, o 100-Mbps FDDI para ATM de área local, además de otras opciones. Actualmente, las interfaces a ATM trabajan de 622 Mbps o incluso a 2.4 Gbps.

- Nivel ATM. El nivel ATM es una capa independiente para la conmutación y el multiplexado de los paquetes. Se define la estructura de las celdas como contenedores de información de 53 octetos (5 octetos para cabecera más 48 de datos). El encaminado se basa en los identificadores de circuito virtual (VCI: virtual circuit identifiers) y los identificadores de camino virtual (VPI: virtual path identifiers). Además, ATM es una red orientada a la conexión. Debido al pequeño tamaño de las celdas ATM, la alta velocidad de los enlaces y la velocidad de conmutación de los nodos, ATM proporciona unas latencias mínimas.

- Nivel de adaptación ATM (AAL). Este nivel esta diseñado como puente entre el nivel ATM y de aplicación.

2.4.7.3.2 Componentes de la gestión del tráfico

Una aplicación negocia el (1) contrato del tráfico con la red para cada conexión virtual. Este contrato es un acuerdo entre el comportamiento del tráfico que se va a transmitir y el nivel de servicio que se requiere para la conexión. Cuando el tráfico está definido, la red aplica un (2) control de admisión de la conexión (CAC) para decidir si se puede admitir con la calidad de servicio exigida con los recursos disponibles en la red. Si la conexión es aceptada, la transmisión puede comenzar.

Para garantizar la calidad de servicio durante la transmisión, la red tiene que asegurar que el tráfico de la conexión cumple el contrato.

Para ello, la red puede aplicar (3) funciones de conformidad para asegurar que un tráfico que no cumpla el contrato no afecte al resto de las conexiones. El tráfico puede ser encolado antes de ser transmitido.

Las colas son servidas de acuerdo a (4) algoritmos de planificación específicamente diseñados para cumplir la calidad de servicio de los distintos tipos de conexiones. Aunque se ha realizado un control de admisión puede ocurrir congestión en la red. El (5) control de la congestión gestiona que se eliminen las celdas de una manera no traumática.

2.4.7.3.3 El contrato del tráfico

Una aplicación que use una red ATM acuerda sus requerimientos de ancho de banda y prestaciones por medio de un contrato del tráfico.

Este contrato incluye los siguientes componentes:

• la categoría del servicio, • la calidad de servicio requerida, • las características del tráfico de la conexión, • la definición de cómo el tráfico se debe comportar (modelo del tráfico).

2.4.7.3.4 Categorías de servicio Se definen 5 categorías de servicio):

2.4.7.3.4.1 Servicio CBR

El servicio CBR (Constant Bit Rate) está diseñado para soportar aplicaciones en tiempo real. Proporciona una conexión con ancho de banda dedicado, con muy baja probabilidad de pérdida de celdas, así como retraso bajo y predecible. El tiempo entre celdas es constante y está caracterizado por una tasa pico (PCR: Peak Cell Rate).

2.4.7.3.4.2 Servicio VBR

El objetivo del servicio VBR (Variable Bit Rate) es hacer más eficiente el soporte de aplicaciones de vídeo u otras aplicaciones con tráfico a ráfagas. El tráfico está caracterizado por una tasa de tráfico sostenida (SCR: Sustained Cell Rate ) y la tasa pico (PCR). El valor SCR es medido sobre un periodo específico y representa la tasa de transmisión media.

Hay dos subcategorías de servicio: rt-VBR y nrt-VBR. El tráfico rt- VBR tiene requerimientos estrictos de retraso. El tráfico nrt-VBR no tiene estos requisitos y se puede almacenar en la red (buffering).

2.4.7.3.4.3 Servicio ABR

El objetivo del servicio ABR (Available Bit Rate) es que los nodos terminales participen activamente en la gestión del tráfico. La red informa de cual es su estado y capacidad y los nodos terminales transmiten de acuerdo a esta información intentando evitar pérdidas de celdas.

2.4.7.3.4.4 Servicio UBR

Las conexiones UBR (Unspecified Bit Rate) comparten el ancho de banda no usado por el resto de tipos de servicio, sin ningún tipo de feedback por parte de la red. De esta forma la aplicación accede a todo el ancho de banda que la red pueda proporcionar pero sin ninguna garantía acerca de la tasa de pérdida de celdas. Es un servicio tipo “best-effort”.

Los tipos de servicio más interesantes para transmisión en tiempo real son CBR y rt-VBR.

2.4.7.3.5 Parámetros de calidad de servicio

La calidad de servicio en ATM está definida por un conjunto de parámetros requeridos para la conexión entre emisor y receptor. Los siguientes tres parámetros son negociados entre la aplicación y la red:

- cell loss ratio (CLR),

- maximum cell transfer delay (Max-CTD), y

- peak-to-peak cell delay variation (P2P-CDV).

y otro tres son impuestos por la red:

- cell error ratio (CER),

- severely errored cell block ratio (SECBR), y

- cell misinsertion rate (CMR).

Se van a describir únicamente los parámetros de retraso. El cell transfer delay se define como el tiempo transcurrido entre el envío de una celda por parte del emisor hasta su recepción en destino. Este retraso es la acumulación de los retrasos acumulados en cada nodo y enlace de la red.

Max-CTD representa el (1-a) cuantil de la función de densidad del CTD, donde las celdas que exceden el máximo retraso son consideradas perdidas (véase la Figura 2.6). El ajuste de a lo realiza la red, pero se escoge para que no supere el valor CLR (cell loss ratio).

2.4.7.3.6 Modelo del tráfico

Una conexión ATM caracteriza el tráfico usando los siguientes parámetros: peak cell rate (PCR),

- sustainable cell rate (SCR) y maximum burst size (MBS),

- minimum cell rate (MCR), y

- maximum frame size (MFS).

Cada conexión tiene dos conjuntos de descriptores para el tráfico de entrada y salida.

PCR representa la tasa pico de emisión de la fuente. Su inversa representa el tiempo mínimo entre paquetes. La unidad de PCR es celdas/segundo. La Figura 2.7 representa un PCR contratado de 1/3 de la tasa de la línea.

SCR es un límite superior de la tasa media de transmisión de una conexión ATM. La inversa de SCR representa un límite superior del tiempo entre celdas a largo plazo con respecto a la velocidad del enlace.

El valor SCR se especifica siempre junto al valor MBS.

El valor MBS representa el factor de ráfagas (burstiness) de la conexión.

Especifica el máximo número de celdas que pueden ser transmitidas por una fuente a la tasa pico (PCR) cumpliendo el valor SCR negociado.

La Figura 2.8 representa una transmisión con un PCR = ½ de la tasa de enlace y SCR = ¼ con un MBS de 5 celdas. La conexión puede enviar como máximo cinco celdas en diez unidades de slot. Alternativamente puede enviar una celda cada 4 pero sin aprovechar la capacidad de emitir en ráfagas.

Los parámetros MCR y MFS son usados en los tráficos GFR y ABR. La tabla 2.6 define los parámetros necesarios para cada tipo de servicio [ForumATM96].

2.4.7.3.7 Ajuste del tráfico

La reserva de recursos en la red no es suficiente para asegurar la calidad de servicio. Si una conexión excede el tráfico contratado puede incidir en su calidad de servicio y lo que es peor en la calidad de servicio de otras conexiones. Para evitar esto, la red tiene que asegurar que el tráfico se ajuste a los parámetros contratados. Esta capacidad se obtiene por la implementación de los mecanismos de conformación y comprobación del tráfico (traffic-shaping, traffic-policing, y soft-policing).

Para ello se utiliza un algoritmo denominado Generic Cell Rate Algorithm (GCRA). Cuando una celda no se ajusta al tráfico

especificado puede ser degradada (baja su clase), descartada o aceptada (si no influye al resto de la conexiones). Para evitar la pérdida de celdas, la fuente de tráfico realiza un conformado del tráfico, lo que implica el retraso de ciertas celdas hasta que se ajusten a las especificaciones. El algoritmo GCRA puede ser implementado por medio de un algoritmo leaky bucket o como un algoritmo virtual-scheduling.

2.4.7.3.8 Control de admisión de conexiones

Una conexión ATM atraviesa un conjunto de nodos en la red. Para verificar la admisión de una conexión, el CAC (connection admission control) sigue el siguiente procedimiento en cada punto de la red:

1. Mapea la descripción del tráfico asociada con la conexión en un modelo de tráfico.

2. Usa este modelo de tráfico con un modelo apropiado de la cola del nodo para estimar si hay suficientes recursos para admitir la nueva conexión con la calidad de servicio pedida.

3. Reserva los recursos si son suficientes y admite la conexión.

Dependiendo de los modelos de tráfico usados, los procedimientos del CAC pueden ser demasiado conservativos y reservar demasiados recursos. Esto reduce la ganancia estadística que se pueda obtener.

La ganancia estadística se define como: Ganancia Estadística = No de conexiones admitidas con multiplexación estadística No de conexiones admitidas con tasa pico

Dado que las conexiones no envían continuamente datos, es posible reservar menos recursos cuando las conexiones son multiplexadas en un punto. Esto significa que se pueden admitir más conexiones que si se usa el valor PCR en cada conexión.

Un CAC eficiente debe intentar obtener la máxima ganancia estadística posible sin afectar la calidad de servicio. Las categorías de servicio CBR y rt-VBR tienen requerimientos de retraso. Esto es, el retraso en un nodo está acotado, lo que fuerza que el tamaño de los buffers sean pequeños y la congestión de celdas prevalece para estos servicios. En consecuencia es difícil obtener multiplexación estadística para estas clases.

Normalmente el CAC para el CBR podría utilizar la siguiente ecuación:

Este algoritmo CAC está basado en la tasa pico, pero dado que el tráfico no conserva las características se podrían perder celdas. En cambio, para el tráfico VBR la tasa SCR/PCR define el factor de ráfagas y tiene un gran impacto en la ganancia estadística. Si este ratio es bastante menor que uno puede resultar en una utilización pobre del enlace. Por tanto, el CAC admite conexiones si:

Donde SCRi = ai = PCRi para cada conexión i. La ganancia estadística puede ser definida como el ratio PCRi/ ai. El valor ai se llama ancho de banda efectivo o ancho de banda equivalente. Este valor depende de las propiedades estadísticas de la conexión a admitir así como de las colas de la red. En general, para una conexión es intuitivo pensar que el ancho de banda efectivo estará más cerca del valor PCR cuando el tamaño de las colas es reducido y más cerca de SCR cuando las colas son mayores.

Dos propiedades constituyen las principales ventajas de este método:

1. Propiedad de adición: El ancho de banda efectivo total necesario para N conexiones es igual a la suma de los ancho de banda efectivos de cada conexión.

2. Propiedad de independencia: El ancho de banda efectivo para una conexión dada es sólo una función de los parámetros de la conexión.

Estas dos propiedades hacen que este método sea ampliamente usado en las tecnologías ATM. Existen varios métodos para calcular el valor de ai como el Rate Envelope Multiplexing (para tamaños de colas pequeños) y Rate Sharing [Kelly91].

- Aparte de estos métodos analíticos de control admisión, existen también métodos dinámicos que se basan en el estado real de la red para determinar la admisión de un nuevo canal.