tecnologias atuais de redes - aula 4 - comutação [apostila]

Tecnologias Atuais de Redes

Comutação

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Comutação 1. Introdução A comutação refere-se à alocação dos recursos da rede para a transmissão pelos diversos

dispositivos conectados. Em outras palavras, é o processo de interligar dois ou mais pontos

entre si. No caso de telefones, as centrais telefônicas comutam (interligam) dois terminais por

meio de um sistema automático, seja ele eletromecânico ou eletrônico.

Os tipos de comutação são os seguintes:

• Comutação de circuitos ;

• Comutação de mensagens ;

• Comutação de pacotes .

2. Comutação de Circuitos A comutação de circuitos é um tipo de alocação de recursos para transferência de

informação que se caracteriza pela utilização permanente destes recursos durante toda a

transmissão. É uma técnica apropriada para sistemas de comunicações que apresentam

tráfego constante (por exemplo, comunicação de voz), necessitando de uma conexão

dedicada para a transferência de informações contínuas.

Antes de qualquer informação ser enviada, é estabelecido um caminho dedicado entre os

terminais que pretendem se comunicar.

Vantagens :

• Garantia de recursos;

• Disputa pelo acesso somente na fase de conexão;

• Não há processamento nos nós intermediários (menor tempo de transferência);

• Controle nas extremidades.

Desvantagens :

• Desperdício de banda durante períodos de silêncio (problema para transmissão de

dados);

• Sem correção de erros;

• Probabilidade de bloqueio (circuitos ocupados em um instante).

Na comutação de circuitos ocorrem três fases:


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1. Estabelecimento do circuito : Antes que os terminais comecem a se comunicar, há a

reserva de recurso necessário para essa comunicação. Esse recurso é a largura de

banda.

2. Transferência da voz : Ocorre depois do estabelecimento do circuito, com a troca de

informações entre a origem e o destino.

3. Desconexão do circuito : Terminada a comunicação, a largura de banda é liberada

em todos os equipamentos de comutação.

3. Comutação de Mensagens A comutação por mensagens foi o precursor da comutação de pacotes, onde mensagens

eram roteadas na rede inteira, um salto (hop) por vez. Sistemas de comutação de mensagens

são hoje em dia geralmente implementados sobre comutação de pacotes ou circuitos. Um

exemplo de sistema de comutação de mensagens é o e-mail.

Nenhum caminho dedicado é estabelecido entre emissor e receptor. As mensagens são

armazenadas nos nós para posterior reenvio, sendo por isso designadas por redes do tipo

STORE and FORWARD. As mensagens só seguem para o nó seguinte após terem sido

integralmente recebidas do nó anterior.

Vantagens :

• Maior aproveitamento das linhas de comunicação;

• Uso otimizado do meio.

Desvantagem :

• Aumento do tempo de transferência das mensagens.

4. Comutação de Pacotes A comutação de pacotes é um paradigma de comunicação de dados em que pacotes

(unidades de transferência de informação) são individualmente encaminhados entre nós da

rede através de ligações de dados tipicamente partilhadas por outros nós. Este contrasta com

o paradigma rival, a comutação de circuitos, que estabelece uma ligação virtual entre ambos

os nós para seu uso dedicado durante a transmissão (mesmo quando não há nada a

transmitir). A comutação de pacotes é utilizada para otimizar o uso da largura de banda da

rede, minimizar a latência e aumentar a robustez da comunicação.

Não há estabelecimento de um caminho dedicado entre emissor e receptor. É semelhante a

comutação de mensagens, porém as informações a serem enviadas são quebradas em

pacotes (unidades de tamanho limitado). Cada pacote contém um cabeçalho com informações

que permitem o seu encaminhamento pela rede.


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Os pacotes são comutados individualmente e enviados de nó para nó, entre origem e destino.

Pacotes pertencentes à mesma mensagem podem seguir caminhos diferentes até chegar ao

destino. O enlace de ligação entre dois nós consecutivos é agora compartilhado por pacotes

de outras origens e com outros destinos.

Vantagens :

• Uso otimizado do meio;

• Ideal para dados;

• Erros recuperados no enlace onde ocorreram;

• Dividir uma mensagem em pacotes e transmiti-los simultaneamente reduz o atraso de

transmissão total da mensagem.

Desvantagens :

• Sem garantias de banda, atraso e variação do atraso (jitter), pois pode utilizar

diferentes caminhos;

• Ruim para algumas aplicações tipo voz e vídeo;

• Overhead (processamento ou armazenamento em excesso) de cabeçalho;

• Disputa nó-a-nó;

• Atrasos de enfileiramento e de processamento a cada nó.

A comutação por pacotes pode efetuar-se por:

• Circuito virtual (com ligação ): É estabelecido um caminho virtual fixo (sem

parâmetros fixos, como na comutação de circuitos) e todos os pacotes seguirão por

esse caminho. Uma grande vantagem é que oferece a garantia de entrega dos

pacotes, e de uma forma ordenada. Exemplos: ATM (comutação de células), Frame

Relay e X.25;

• Datagrama (sem ligação ): Os pacotes são encaminhados independentemente,

oferecendo flexibilidade e robustez superiores, já que a rede pode reajustar-se

mediante a quebra de um link de transmissão de dados. É necessário enviar-se

sempre o endereço de origem. Exemplo: endereço IP.

Item Circuito virtual Datagrama

Configuração de circuito Obrigatória. Desnecessária.

Endereçamento Cada pacote contém um pequeno número de circuito virtual.

Cada pacote contém os endereços de origem e de destino completos.

Informações sobre estado

Cada circuito virtual requer espaço em tabelas da sub-rede.

A sub-rede não armazena informações sobre estado.


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Roteamento A rota é escolhida quando o circuito virtual é estabelecido; todos os pacotes seguem essa rota.

A sub-rede não armazena informações sobre estado.

Efeito de falhas no roteador

Todos os circuitos virtuais que tiverem atravessado o roteador que apresentou falha serão encerrados.

Cada pacote é roteado independentemente.

Controle de congestionamento

Fácil se forem alocados buffers suficientes com antecedência para cada circuito virtual.

Difícil.

Tabela 1: Comparativo entre circuito virtual e data grama.

Item Comutação de circuitos

Comutação de pacotes

Estabelecimento do circuito Obrigatório Sem necessidade

Caminho físico dedicado Sim Não

Cada pacote segue a mesma rota Sim Não

A falha do elemento comutador impossibilita a comunicação Sim Não

Recursos da rede disponibilizados Fixo Dinâmico

Desperdício de recursos da rede Sim Não

Momento de possível congestionamento Durante a configuração

Em todos os pacotes

Transmissão STORE and FORWARD Não Sim

Transparência Sim Não

Tarifação Por minuto Por pacote

Exemplos de serviços Telefonia IP, Frame Relay

Tabela 2: Comparativo entre comutação de circuitos e comutação de pacotes.

5. Redes Orientadas à Conexão Desde o início das redes há uma disputa entre aqueles que admitem redes sem conexões e

os que admitem redes orientadas a conexões. Os principais ideais das redes sem conexões

vêm da ARPANET (Internet). O desejo original do Departamento de Defesa dos EUA ao

financiar e construir a ARPANET era ter uma rede que continuasse a funcionar mesmo depois

de vários ataques nucleares diretos que destruíssem inúmeros roteadores e linhas de

transmissão.

A abordagem da ARPANET resultou em um projeto sem conexões, no qual cada pacote é

roteado de modo independente. Se alguns roteadores ficarem inativos durante uma sessão,

não haverá nenhum dano, desde que o sistema possa se reconfigurar dinamicamente, para

que os pacotes subsequentes possam encontrar alguma rota até o destino, mesmo que ela

seja diferente da que foi utilizada anteriormente.


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As redes orientadas a conexões são provenientes das empresas de telefonia. No sistema de

telefonia, um visitante deve discar o número do telefone chamado e esperar por uma conexão

antes de falar ou enviar os dados. Essa configuração de conexão estabelece uma rota pelo

sistema de telefonia, que é mantida até a chamada ser encerrada. Todas as palavras ou

pacotes seguem a mesma rota. Se uma linha ou um switch no caminho sofrer uma pane, a

chamada será cancelada. Era exatamente essa propriedade que desagradava ao

Departamento de Defesa dos EUA.

Para as empresas de telefonia, a qualidade de serviço e o faturamento são as principais

vantagens das redes orientadas a conexões. Configurando uma conexão com antecedência,

a rede pode reservar recursos do roteador. Se houver uma tentativa de configurar uma

chamada e não houver recursos suficientes disponíveis, a chamada será rejeitada e o

chamador receberá uma espécie de sinal de ocupado. Desse modo, uma vez estabelecida, a

conexão receberá um bom serviço.

Com uma rede sem conexões, se um número excessivo de pacotes chegar ao mesmo

roteador no mesmo momento, o roteador será sufocado e talvez perca pacotes.

Eventualmente, o transmissor perceberá isso e enviará de novo os pacotes, mas a qualidade

do serviço será instável e inadequada para áudio ou vídeo, a menos que a rede não esteja

muito carregada.

Em relação ao faturamento, as empresas de telefonia se acostumaram a cobrar pelo tempo

de conexão. Ao fazer uma ligação interurbana demorada (ou mesmo uma ligação local fora

da América do Norte), você é cobrado por minuto. Quando as redes surgiram, elas gravitavam

automaticamente em direção a um modelo no qual era fácil fazer a cobrança por minuto. Se

você estabelecer uma conexão antes de enviar os dados, nesse momento terá início o tempo

de cobrança. Se não houver conexão, não será possível nenhuma cobrança.

5.1. X.25

O X.25 é um dos mais antigos serviços de comutação de pacotes, desenvolvido antes mesmo

do Modelo de Referência OSI, que teve grande cobertura global na década de 1980.

Lançado em 1970 pelo Tymnet, o X.25 um conjunto de protocolos padronizado pela ITU

(International Telecommunication Union - União Internacional de Telecomunicações) para

redes de longa distância e que usam o sistema telefônico ou ISDN (Integrated Service Digital

Network - Rede Digital Integrada de Serviços) como meio de transmissão.

Como protocolo de rede, sua função é gerenciar pacotes organizando as informações,

atuando na camada de enlace do Modelo OSI. O X.25 executa esta tarefa ficando responsável

pela interpretação de uma onda modulada recebida, efetuando a demodulação do sinal e


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lendo o cabeçalho de cada pacote. Quando uma informação entra na interface de rede esse

é o primeiro protocolo a ser acionado.

Para usar o X.25, primeiramente um computador estabelecia uma conexão com o computador

remoto. Essa conexão recebia um número de conexão que seria usado em pacotes de

transferência de dados. Os pacotes de dados eram muito simples, consistindo em um

cabeçalho de 3 bytes (contendo um número de conexão de 12 bits, um número de sequência

de pacote, um número de confirmação e alguns bits variados) e até 128 bytes de dados.

5.1.1. Arquitetura

Um dos ideais do X.25 era criar um rigoroso processo de correção de erros, necessário para

alcançar os objetivos de uma rede de comutação de pacotes e também uma partilha mais

eficiente dos recursos físicos.

A especificação X.25 define apenas a interface entre um assinante (DTE - Data Terminal

Equipment - Equipamento Terminal de Dados) e uma rede X.25 (DCE - Data Circuit

Terminating Equipment - Equipamento de Conexão de Circuito de Dados).

Figura 1: Diagrama de rede X.25.

Os DTE's são sistemas fim a fim que se comunicam pela rede X.25. Eles normalmente são

terminais, computadores pessoais ou servidores que ficam no local e sob a responsabilidade

do assinante do serviço. Os DCE's são dispositivos de comunicações, como modem ou

roteadores que proveem a interface entre os dispositivos de DTE e o PSE e ficam, geralmente,

nas instalações do provedor do serviço. Os PSE's (Packet-Switching Exchange) são os

comutadores de pacotes que compõem a infraestrutura básica do provedor do serviço. Eles

transferem dados de um dispositivo de DTE para outro pelo X.25 PSN (Public Switching

Network - Rede de Comutação Pública).


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O X.25 definiu originalmente três níveis de protocolos básicos (ou camadas de arquitetura)

que correspondem de perto às camadas inferiores do Modelo OSI.

• Camada Física : especifica as características físicas, elétricas, funcionais e de

procedimentos para controlar a ligação física entre um DTE e um DCE.

• Camada de Enlace de Dados : Consiste no procedimento de acesso ao enlace para

intercâmbio de dados sobre a relação entre um DTE e um DCE. Em sua

implementação, o LAPB (Link Access Procedure, Balanced - Procedimento de Acesso

a Ligação, Balanceado) é um protocolo de enlace de dados que gerencia uma sessão

de comunicação e controla a elaboração do pacote. É um protocolo orientado a bit que

fornece correção de erro e entrega ordenada.

• Camada de Pacotes : Define um protocolo de camada de pacote para troca de controle

e pacotes de dados de usuários para formar uma rede de comutação de pacotes

baseada em chamadas virtuais.

5.2. Frame Relay

Descrito frequentemente como uma versão melhorada do X.25, o Frame Relay é uma

tecnologia de comunicação de dados de alta velocidade utilizada em muitas redes ao redor

do mundo para interligar aplicações do tipo LAN, SNA, Internet e Voz.

O Frame Relay fornece um meio para enviar informações através de uma rede de dados,

dividindo essas informações em frames (quadros) ou packets (pacotes). Cada frame carrega

um endereço que é usado pelos equipamentos da rede para determinar o seu destino.

Utiliza uma forma simplificada de chaveamento de pacotes, adequada para computadores,

estações de trabalho e servidores de alto desempenho que operam com protocolos

inteligentes, tais como SNA e TCP/IP. Isto permite que uma grande variedade de aplicações

utilize o Frame Relay, aproveitando-se de sua confiabilidade e eficiência no uso de banda.

5.2.1. Histórico

No final da década de 1980, vários fatores combinados demandaram a transmissão de dados

com velocidades mais altas:

• A migração das interfaces de texto para interfaces gráficas;

• O aumento do tráfego do tipo rajada (bursty) nas aplicações de dados;

• O aumento da capacidade de processamento dos equipamentos de usuário (PCs,

estações de trabalho, entre outros);

• A popularização das redes locais e das aplicações cliente-servidor;

• A disponibilidade de redes digitais de transmissão.


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Nessa época o Bell Labs desenvolvia a tecnologia ISDN, e o protocolo Frame Relay era parte

desse conjunto. Entretanto, devido a suas características, o protocolo foi desmembrado e

evoluiu como um serviço de rede independente, com padrões e recomendações elaborados

por órgãos internacionais de telecomunicações.

5.2.2. Arquitetura

Uma rede Frame Relay é composta por:

• Equipamentos de usuários (PCs, estações de trabalho, servidores, computadores de

grande porte, etc.) e suas respectivas aplicações;

• Equipamentos de acesso com interface Frame Relay (bridges, roteadores de acesso,

dispositivos de acesso Frame Relay - FRAD, etc.);

• Equipamentos de rede (switches, roteadores de rede, equipamentos de transmissão

com canais E1 ou T1, etc.).

A conversão dos dados para o protocolo Frame Relay é feita pelos equipamentos de acesso.

Os frames gerados são enviados aos equipamentos de rede, cuja função é basicamente

transportar esses frames até o seu destino, usando os procedimentos de chaveamento ou

roteamento próprios do protocolo.

A rede Frame Relay é sempre representada por uma nuvem, já que ela não é uma simples

conexão física entre dois pontos distintos. A conexão entre esses pontos é feita através de

um circuito virtual configurado com uma determinada banda. A alocação de banda física na

rede é feita pacote a pacote, na transmissão dos dados.

Figura 2: Diagrama de rede Frame Relay.


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5.2.3. Vantagens e Restrições

Alguns benefícios do Frame Relay, quando comparada a outras tecnologias:

• Custo de propriedade reduzido (equipamentos mais simples);

• Padrões estáveis e largamente utilizados, o que possibilita a implementação de

plataformas abertas e plug-and-play;

• Overhead reduzido, combinado com alta confiabilidade;

• Redes escaláveis, flexíveis e com procedimentos de recuperação bem definidos;

• Interoperabilidade com outros protocolos e aplicações, tais como ATM e TCP/IP.

Porém, para que as suas vantagens sejam efetivas, dois requisitos devem ser atendidos:

• Os equipamentos de usuário devem utilizar aplicações com protocolos inteligentes,

que controle o fluxo das informações enviadas e recebidas;

• A rede de transporte deve ser virtualmente a prova de falhas.

5.2.4. Circuitos Virtuais

A tecnologia Frame Relay é baseada no uso de Circuitos Virtuais (Virtual Circuits). Um VC

é um circuito de dados virtual bidirecional configurado entre duas portas quaisquer da rede,

que funciona como um circuito dedicado. Existem dois tipos de VC's, conforme descrito a

seguir:

• Permanent Virtual Circuit (PVC): Foi primeiro tipo de circuito virtual padronizado para

o Frame Relay a ser implementado. Ele é configurado pelo operador na rede através

do sistema de gerência de rede, como sendo uma conexão permanente entre dois

pontos. Seu encaminhamento através dos equipamentos da rede pode ser alterado ao

longo do tempo devido a falhas ou reconfigurações de rotas, porém as portas de cada

extremidade são mantidas fixas e de acordo com a configuração inicial. A configuração

dos PVC's requer um planejamento criterioso para levar em consideração o padrão de

tráfego da rede e o uso da banda disponível. Sua utilização é destinada a aplicações

permanentes e de longo prazo e são uma alternativa aos circuitos dedicados dos

sistemas TDM com boa relação custo/benefício.

• Switched Victual Circuit (SVC): foi padronizado para o Frame Relay desde o

princípio, mas só foi implementado mais recentemente, quando surgiram novas

demandas de mercado. Ele é disponibilizado na rede de forma automática, sem

intervenção do operador, como um circuito virtual sob demanda, para atender, entre

outras, as aplicações de Voz que estabelecem novas conexões a cada chamada. O

estabelecimento de uma chamada usando o protocolo de sinalização do SVC é

comparável ao uso normal de telefone, onde a aplicação de usuário especifica um


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número de destinatário para completar a chamada, e o SVC é estabelecido entre as

portas de origem e destino. O estabelecimento de SVC's na rede é mais complexo que

os PVC's, embora seja transparente para o usuário final. As conexões devem ser

estabelecidas de forma dinâmica na rede, atendendo as solicitações de destino e

banda das diversas aplicações de usuários, e devem ser acompanhadas e cobradas

de acordo com o serviço fornecido.

Enquanto o PVC oferece o ganho relativo ao uso estatístico de banda do Frame Relay, o SVC

propicia a conectividade entre quaisquer pontos de origem e destino, o que resulta em

flexibilidade e economia para o projeto da rede.

5.2.5. Estrutura do Frame

O protocolo do Frame Relay utiliza um frame com estrutura comum e bastante simplificada,

conforme demonstram a figura e a descrição a seguir:

Figura 3: Estrutura do frame.

• Flags : indicam o início e o fim de cada frame. Possui um código padrão fixo com valor

hexadecimal de 7E.

• Cabeçalho : carrega as informações de controle do protocolo. Composto por dois bytes

com as seguintes informações:

o DLCI (Data Link Connection Identifier), com 10 bits, representa o número

(endereço) designado para o destinatário de um PVC dentro de um canal de

usuário, e tem um significado local apenas para a porta de origem;

o C/R (Command/Response), com 1 bit, é usado pela aplicação usuária;

o FECN (Foward Explicit Congestion Notification), com 1 bit, é usado pela rede

para informar um equipamento receptor de informações que procedimentos de

prevenção de congestionamento devem ser iniciados;

o BECN (Backward Explicit Congestion Notification), com 1 bit, é usado pela rede

para informar um equipamento transmissor de informações que procedimentos

de prevenção de congestionamento devem ser iniciados;

o DEI (Discard Eligibility Indicator), com 1 bit, indica se o frame pode ser

preferencialmente descartado em caso de congestionamento na rede;

o EA (Extension Bit), com 2 bits, é usado para indicar que o cabeçalho tem mais

de 2 bytes, em casos especiais.

• Informação de usuário : contém as informações da aplicação usuária a serem

transportadas através da rede Frame Relay.


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• FCS (Frame Check Sequence): representa o CRC (Cyclic Redundancy Check) padrão

de 16 bits usado pelo protocolo Frame Relay para detectar erros existentes entre o

Flag de início do frame e o próprio FCS, e pode ser usado apenas para frames com

até 4096 bytes.

Os frames podem ter comprimento variável e, dependendo do tipo de informação da aplicação

do usuário, seu tamanho pode variar de alguns poucos até milhares de caracteres. Esta

funcionalidade, similar ao X.25, é essencial para a interoperabilidade com aplicações do tipo

LAN e outros tipos de tráfego síncrono.

Essa facilidade, porém, faz com que o atraso (delay) varie em função do tamanho do frame.

Entretanto, a tecnologia Frame Relay tem sido adaptada para atender até mesmo as

aplicações sensíveis a atraso, como é o caso da voz.

5.2.6. Fluxo das Informações

O fluxo básico das informações em uma rede Frame Relay é descrito a seguir:

• As informações são enviadas através da rede Frame Relay usando o DLCI, que

especifica o destinatário do frame;

• Se a rede tiver algum problema ao processar o frame devido a falhas ou ao

congestionamento nas linhas de dados, os frames são simplesmente descartados;

• A rede Frame Relay não executa a correção de erros, pois ela considera que o

protocolo da aplicação de usuário executa a recuperação de falhas através da

solicitação de retransmissão dos frames perdidos;

• A recuperação de falhas executada pelo protocolo da aplicação, embora confiável,

apresenta como resultado o aumento do atraso (delay), do processamento de frames

e do uso de banda, o que torna imprescindível que a rede minimize o descarte de

frames;

• A rede Frame Relay requer circuitos da rede de transmissão com baixas taxas de erros

e falhas para apresentar boa eficiência;

• Em redes de transmissão de boa qualidade, o congestionamento é de longe a causa

mais frequente de descarte de frames, demandando da rede Frame Relay a habilidade

de evitar e reagir rapidamente ao congestionamento como forma de determinar a sua

eficiência.

5.3. ATM

ATM (Asynchronous Transfer Mode - Modo de Transferência Assíncrono) é uma arquitetura

de rede de alta velocidade orientada a conexão e baseada na comutação de células. É uma


Comutação


tecnologia muito usada para interligar redes locais, metropolitanas e de longa distância para

aplicações de dados, voz, áudio e vídeo. No Modelo OSI opera na camada de enlace.

Basicamente a tecnologia ATM fornece um meio para enviar informações em modo

assíncrono através de uma rede de dados, dividindo essas informações em pacotes de

tamanho fixo denominados células (cells). Cada célula carrega um endereço que é usado

pelos equipamentos da rede para determinar o seu destino.

A tecnologia ATM utiliza o processo de comutação de pacotes, que é adequado para o envio

assíncrono de informações com diferentes requisitos de tempo e funcionalidades,

aproveitando-se de sua confiabilidade, eficiência no uso de banda e suporte a aplicações que

requerem classes de qualidade de serviço diferenciadas.

5.3.1. Histórico

No fim da década de 80 e início da década de 90, vários fatores combinados demandaram a

transmissão de dados com velocidades mais altas:

• A evolução das redes transmissão para a tecnologia digital em meios elétricos, ópticos

e rádio;

• A descentralização das redes e o uso de aplicações cliente/servidor;

• A migração das interfaces de texto para interfaces gráficas;

• O aumento do tráfego do tipo rajada (bursty) nas aplicações de dados e o consequente

aumento do uso de banda;

A comutação de células é comparada a comutação de mensagens e considerada

a evolução técnica da comutação de pacotes. Esse tipo de comutação foi criado em

um período onde a transmissão digital de longa distância apresentava taxas de erro,

e com isso eram requeridos mecanismos de detecção e recuperação de tais erros

ao nível da camada de enlace e da de rede (fim-a-fim).

Em tal situação, essa tecnologia foi criada visando taxas de transmissão mais altas

e maior facilidade de se obter uma baixa taxa de erros em tais transmissões. Para

tanto, utiliza-se mecanismos de controle de erros bastante simplificados, os quais

deixam a cargo dos protocolos superiores nos sistemas finais a tarefa de exercer o

controle mais extensivo.

Este tipo de comutação tem como objetivo operar em quadros de tamanho fixo e

atender serviços com quadros de tamanho variável, com altas taxas de transmissão.

Tais quadros possuem um tamanho pequeno e são denominados células .


Comutação


• O aumento da capacidade de processamento dos equipamentos de usuário (PCs,

estações de trabalho, terminais Unix, entre outros);

• A demanda por protocolos mais confiáveis e com serviços mais abrangentes.

Nessa época consolidava-se o desenvolvimento das tecnologias ISDN e Frame Relay .

Entretanto, a crescente necessidade de uso banda e de classes de serviços diferenciadas, de

acordo com o tipo de aplicação, levou ao desenvolvimento das tecnologias ATM e B-ISDN

(Broadband-ISDN), com padrões e recomendações elaborados por órgãos internacionais de

Telecomunicações e suportados pela indústria mundial.

5.3.2. Arquitetura

Uma rede ATM é composta por:

• Equipamentos de usuários (PCs, estações de trabalho, servidores, computadores de

grande porte, PABX, etc.) e suas respectivas aplicações;

• Equipamentos de acesso com interface ATM (roteadores de acesso, hubs, switches,

bridges, etc.);

• Equipamentos de rede (switches, roteadores de rede, equipamentos de transmissão

com canais E1 / T1 ou de maior banda, etc.).

A conversão dos dados para o protocolo ATM é feita pelos equipamentos de acesso. Os

frames gerados são enviados aos equipamentos de rede, cuja função é basicamente

transportar esses frames até o seu destino, usando os procedimentos de roteamento próprios

do protocolo.

A rede ATM é sempre representada por uma nuvem, já que ela não é uma simples conexão

física entre dois pontos distintos. A conexão entre esses pontos é feita através de rotas ou

canais virtuais (virtual path/channel) configurados com uma determinada banda. A alocação

de banda física na rede é feita célula a célula, quando da transmissão dos dados.

5.3.3. Vantagens e Restrições

A tecnologia ATM oferece vários benefícios, quando comparada com outras tecnologias:

• Emprega a multiplexação estatística, que otimiza o uso de banda;

• Faz o gerenciamento dinâmico de banda;

• O custo de processamento das suas células de tamanho fixo é baixo;

• Integra vários tipos diferentes de tráfego (dados, voz e vídeo);

• Garante a alocação de banda e recursos para cada serviço;

• Possui alta disponibilidade para os serviços;

• Suporta múltiplas classes de Qualidade de Serviço (QoS);


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• Atende a aplicações sensíveis ou não a atraso e perda de pacotes;

• Aplica-se indistintamente a redes públicas e privadas;

• Pode compor redes escaláveis, flexíveis e com procedimentos de recuperação

automática de falhas;

• Pode interoperar com outros protocolos e aplicações, tais como Frame Relay, TCP/IP,

DSL, Gigabit Ethernet, tecnologia wireless, SDH / SONET, entre outros.

Entretanto, sua utilização irrestrita tem encontrado alguns obstáculos:

• Outras tecnologias tais como Fast Ethernet, Gibabit Ethernet e TCP/IP, têm sido

adotadas com grande frequência em redes de dados;

• O uso de interfaces ATM diretamente aplicadas em PC’s, estações de trabalho e

servidores de alto desempenho não tem sido tão grande como se esperava a princípio.

5.3.4. Características

A tecnologia ATM utiliza a multiplexação e comutação de pacotes para prover um serviço

de transferência de dados orientado a conexão, em modo assíncrono, para atender as

necessidades de diversos tipos de aplicações de dados, voz, áudio e vídeo.

Diferentemente dos protocolos X.25e Frame Relay, entre outros, o ATM utiliza um pacote de

tamanho fixo denominado célula (cell). Uma célula possui 53 bytes, sendo 48 para a

informação útil e 5 para o cabeçalho.

Cada célula ATM enviada para a rede contém uma informação de endereçamento que

estabelece uma conexão virtual entre origem e destino. Este procedimento permite ao

protocolo implementar as características de multiplexação estatística e de compartilhamento

de portas.

Na tecnologia ATM as conexões de rede são de dois tipos:

• UNI (User-Network Interface): Conexão entre equipamentos de acesso ou de usuário

e equipamentos de rede;

• NNI (Network Node Interface): Conexão entre equipamentos de rede.

No primeiro caso, informações de tipo de serviço são relevantes para a forma como estes

serão tratados pela rede, e referem-se a conexões entre usuários finais. No segundo caso, o

controle de tráfego é função única e exclusiva das conexões virtuais configuradas entre os

equipamentos de rede.

O protocolo ATM foi concebido através de uma estrutura em camadas, porém sem a

pretensão de atender ao Modelo OSI.


Comutação


Figura 4: Comparação entre camadas OSI e ATM.

No Modelo ATM todas as camadas possuem funcionalidades de controle e de usuário

(serviços), conforme apresentado na figura. A descrição de cada camada e apresentada a

seguir:

• Física : provê os meios para transmitir as células ATM. A subcamada TC (Transmission

Convergence) mapeia as células ATM no formato dos frames da rede de transmissão

(SDH, SONET, PDH, etc.). A subcamada PM (Physical Medium) temporiza os bits do

frame de acordo com o relógio de transmissão.

• ATM: é responsável pela construção, processamento e transmissão das células, e

pelo processamento das conexões virtuais. Esta camada também processa os

diferentes tipos e classes de serviços e controla o tráfego da rede. Nos equipamentos

de rede esta camada trata todo o tráfego de entrada e saída, minimizando o

processamento e aumentando a eficiência do protocolo sem necessitar de outras

camadas superiores.

• AAL : é responsável pelo fornecimento de serviços para a camada de aplicação

superior. A subcamada CS (Convergence Sublayer) converte e prepara a informação

de usuário para o ATM, de acordo com o tipo de serviço, além de controlar as

conexões virtuais. A subcamada SAR (Segmentation and Reassembly) fragmenta a

informação para ser encapsulada na célula ATM. A camada AAL implementa ainda os

respectivos mecanismos de controle, sinalização e qualidade de serviço.

5.3.5. Conexões Virtuais

A tecnologia ATM é baseada no uso de conexões virtuais. O ATM implementa essas conexões

virtuais usando 3 conceitos:

• TP (Transmission Path): é a rota de transmissão física (por exemplo, circuitos das

redes de transmissão SDH/SONET) entre dois equipamentos da rede ATM.


Comutação


• VP (Virtual Path): é a rota virtual configurada entre dois equipamentos adjacentes da

rede ATM. O VP usa como infraestrutura os TP’s. Um TP pode ter um ou mais VP’s.

Cada VP tem um identificador VPI (Virtual Paths Identifier), que deve ser único para

um dado TP.

• VC (Virtual Channel): é o canal virtual configurado também entre dois equipamentos

adjacentes da rede ATM. O VC usa como infraestrutura o VP. Um VP pode ter um ou

mais VC’s, Cada VC tem um identificador VCI (Virtual Channel Identifier), que também

deve ser único para um dado TP.

Figura 5: Conexões virtuais ATM.

A partir desses conceitos, definem-se dois tipos de conexões virtuais:

• VPC (Virtual Paths Connection): é a conexão de rota virtual definida entre dois

equipamentos de acesso ou de usuário. Uma VPC é uma coleção de VP’s

configuradas para interligar origem e destino.

• VCC (Virtual Channel Connection): é a conexão de canal virtual definida entre dois

equipamentos de acesso ou de usuário. Uma VCC é uma coleção de VC’s

configuradas para interligar origem e destino.

Essas conexões são sempre bidirecionais, embora a banda em cada direção possa ter taxas

distintas ou até mesmo zero. Aos serem configuradas, apenas os identificadores VPI/VCI nas

conexões UNI da origem e do destino tem os mesmos valores. Nas conexões NNI entre

equipamentos os valores de VPI/VCI são definidos em função da disponibilidade de VP’s ou

VC’s.

O ATM é um protocolo orientado a conexão. A rede estabelece uma conexão através de um

procedimento de sinalização, ou seja, um pedido de estabelecimento de conexão é enviado

pela origem até o destinatário através da rede.

Se o destinatário concorda com a conexão, um VCC/VPC é estabelecido na rede, definido o

VPI/VCI da conexão entre as UNI de origem e de destino, e alocando os recursos dos VP’s

e/ou VC’s ao longo da rota.

Como o ATM usa a técnica de roteamento para enviar as células, ao configurar um VPC ou

VCC, o sistema usa como parâmetros os endereços ATM dos equipamentos de origem e


Comutação


destino, e o VPI/VCI adotado. Essas informações são então enviadas para as tabelas de

roteamento dos equipamentos de rede, que usam para encaminhar as células. Em cada

equipamento as células dos VPC’s são encaminhadas de acordo com o seu VPI, e as células

dos VCC’s de acordo com a combinação VPI/VCI.

A partir dessas conexões virtuais o ATM implementa todos os seus serviços. Em especial, o

ATM implementa também os circuitos virtuais (VC) mais comuns, quais sejam:

• PVC (Permanent Virtual Circuit): É configurado pelo operador na rede através do

sistema de gerência de rede, como sendo uma conexão permanente entre dois pontos.

Seu encaminhamento através dos equipamentos da rede pode ser alterado ao longo

do tempo devido a falhas ou reconfigurações de rotas, porém as portas de cada

extremidade são mantidas fixas e de acordo coma configuração inicial.

• SVC (Switched Virtual Circuit): É disponibilizado na rede de forma automática, sem

intervenção do operador, como um circuito virtual sob demanda, para atender, entre

outras, as aplicações de Voz que estabelecem novas conexões a cada chamada. O

estabelecimento de uma chamada é comparável ao uso normal de telefone, onde a

aplicação de usuário especifica um número de destinatário para completar a chamada,

e o SVC é estabelecido entre as portas de origem e destino.

5.3.6. Estrutura da Célula

A célula do protocolo ATM utiliza a estrutura simplificada com tamanho fixo de 53 bytes.

Figura 6: Estrutura da célula ATM.

O campo de Cabeçalho carrega as informações de controle do protocolo. Devido a sua

importância, possui mecanismo de detecção e correção de erros para preservar o seu

conteúdo. Ele é composto por 5 bytes com as seguintes informações:

• VPI (Virtual Path Identifier), com 12 bits, representa o número da rota virtual até o

destinatário da informação útil, e tem significado local apenas para a porta de origem.

Nas conexões UNI o VPI pode ainda ser dividido em dois campos: o GFC (Generic

Flow Control), com 4 bits, que identifica o tipo de célula para a rede, e o VPI

propriamente dito, com 8 bits.


Comutação


• VCI (Virtual Channel Identifier), com 16 bits, representa o número do canal virtual

dentro de uma rota virtual específica. Também se refere ao destinatário da informação

útil e tem significado local apenas para a porta de origem.

• PT (Payload Type), com 3 bits, identifica o tipo de informação que a célula contém: de

usuário, de sinalização ou de manutenção.

• CLP (Cell Loss Priority), com 1 bit, indica a prioridade relativa da célula. Células de

menor prioridade são descartadas antes que as células de maior prioridade durante

períodos de congestionamento.

• HEC (Header Error Check), com 8 bits, é usado para detectar e corrigir erros no

cabeçalho.

O campo de Informação Útil , com 384 bits (48 bytes) carrega as informações de usuário ou

de controle do protocolo. A informação útil é mantida intacta ao longo de toda a rede, sem

verificação ou correção de erros. A camada ATM do protocolo considera que essas tarefas

são executadas pelos protocolos das aplicações de usuário ou pelos processos de sinalização

e gerenciamento do próprio protocolo para garantir a integridade desses dados.

Quando é informação de usuário, o conteúdo desse campo é obtido a partir da fragmentação

da informação original executada na camada AAL de acordo com o serviço. O campo pode

ainda servir de preenchimento nulo, nos casos de serviços da taxa constante de bits.

Quando a informação é de controle do protocolo, o primeiro byte é usado como campo de

controle e os demais bytes contem informação de sinalização, configuração e gerenciamento

da rede.

5.3.7. Integração Frame Relay - ATM

Para buscar aumentar a interoperabilidade do Frame Relay com outros protocolos de dados,

o FR Fórum e o ATM Fórum, os órgãos responsáveis pelo desenvolvimento de Acordos de

Implementação (IA's), desenvolveram padrões para interligar equipamentos dessas

tecnologias através de PVC's.

Foram padronizadas duas formas de interoperabilidade.

• Frame Relay/ATM Network Interworking for PVC's : Padroniza uma funcionalidade

responsável pelo encapsulamento dos PVC's para que os mesmos possam ser

transportados indistintamente nas redes das duas tecnologias. Seu uso típico ocorre

quando a rede Frame Relay tem com núcleo uma rede ATM, para otimizar ainda mais

o uso de banda e a segurança.

• Frame Relay/ATM Service Interworking for PVC's : Padroniza uma funcionalidade

responsável pela conversão dos protocolos (FR-ATM; ATM-FR), que pode ser


Comutação


incorporada tantos aos equipamentos de acesso como aos equipamentos da rede.

Seu uso típico ocorre quando o usuário possui redes Frame Relay em alguns

escritórios que devem se interligar com a rede ATM da matriz.

Figura 7: Integração FR - ATM - Ethernet.

6. Exercícios de Fixação 1) Defina comutação.

2) Quais as principais características, vantagens e desvantagens da comutação de circuitos

e da comutação de pacotes?

3) Cite exemplos de redes orientadas a conexões.

4) Explique com suas palavras o funcionamento de uma rede Frame Relay.

5) Quais as características da comutação de células? Descreva a estrutura de uma célula.

7. Referências

• Redes orientadas a conexões: X.25, ATM e Frame Relay

o https://sites.google.com/site/estudandoredes/capitulo-01---introducao/1-5-

exemplos-de-redes/1-5-2-redes-orientadas-a-conexoes-x-25-frame-relay-e-

atm

o http://www.teleco.com.br/Curso/Cbrdados/pagina_3.asp

• X.25

o http://en.wikipedia.org/wiki/X.25

• Frame Relay

o http://www.teleco.com.br/tutoriais/tutorialfr/pagina_1.asp

o http://pt.wikipedia.org/wiki/Frame_relay

• ATM

o http://www.teleco.com.br/tutoriais/tutorialatm/pagina_1.asp

o http://pt.wikipedia.org/wiki/Asynchronous_Transfer_Mode

tecnologias atuais de redes - aula 4 - comutação [apostila]

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