Veřejné datové sítě. Frame Relay, ISDN, ATM.

X.25

rozhraní pro přístup k veřejným paketovým sítím

• zahrnuje 2. i 3. vrstvu OSI, na 2. vrstvě protokol LAPB, formáty rámců a paketů 3. vrstvy v doporučení X.25
• flow control a error-control vždy mezi sousedními uzly (předokládaly se pomalé a chybové linky)
• spojově orientovaná služba, virtuální kanály, pevné i podpora signalizace
• možnost multiplexovat více virtuálních kanálů na účastnické přípojce současně
• adresování (uplatní se při zřizování virtuálního okruhu)-čísla podle X.121
• PAD-Packet Assembler/Disassembler - konverze z async. sériového přenosu

Frame Relay

rychlé přepínání rámců na 2.vrstvě

• spojová oritentace s dohodnutou QoS
• předpokladem kvalitní linky, vnitřní struktura sítě obecně polygonální (typicky full mesh nebo hub and spokes), uzly jsou nazývány frame handlers nebo FR-switche
• rychlosti typicky 64 kbps - 2 Mbps (i vyšší)
• permanentní (PVC) i on-demand virtuální okruhy, signalizace na vyhrazeném logickém kanále (DLCI=0), protokol LAPF (obdoba ISDN LAPD))
• každý uzel sítě (frame handler) musí mít pro každé spojení položku v přepínací tabulce
• identifikace okruhu pomocí DLCI, na straně uživatele multiplex více virtuálních spojení na jednom fyzickém rozhraní
• připojení účastníka k frame handleru sítě pomocí pevného okruhu nebo přes ISDN
• není flow-control a error-control mezi sousedními vnitřními uzly sítě jako u X.25, ale jen mezi koncovými uzly = > funkce řízení toku a korekce chyb se neduplikují ve 2. a 3. vrstvě = > menší režie oproti X.25
• podpora pro řízení toku (ochrana sítě proti zahlcení)
• s uživatelem dohodnuta rámcová rychlost CIR (Commited Information Rate)

Rámec FR

• proměnná délka rámce, max. cca 8kB (?)
• pro přenos uživatelských dat, jediný typ rámce, nejsou sekvenční čísla (není flow-control a error-control)

        Flag|Address|Information|FCS|Flag
  
  Pole adresy:
   DLCI: Data Link Connection Identifier
     - identifikátor virtuálního spojení (10 bitů)
   DE: Discard Eligible
     - určuje vhodnost rámce jako kandidáta na likvidaci
           (priority, congestion control)
   FECN: Forward Explicit Notification Control
   BECN: Backward Explicit Notification Control
  
   C/R: bit command/response, uživatelsky závislé využití
  

Princip přepínání

• virtuální okruhy identifikovány DLCI, DLCI má vždy lokální význam
• frame handlery mají přepínací tabulky ve tvaru:
  

   < in-line, in-DLCI, out-line, out-DLCI > 

• během přepínání se testuje FCS, při chybě se rámce zahazuje
• DLCI 0 vyhrazen pro signalizaci, vyhrazený DLCI pro management

Call-control protocol

mezi uživatelem a frame handlerem, Q.931, podmnožina I.451/Q.931:

Zřizování spojení: SETUP, PROGRESS, ALERTING, CALL PROCEEDING, CONNECT, CONNECT ACK

Ukončování spojení: DISCONNECT, RELEASE, RELEASE COMPLETE

Mechanismy pro omezení zahlcení (congestion control)

Pouze nečíslované nezávislé rámce = > nelze použít sliding window

Síť je chápána jako pole front (u každé výstupní linky frame handleru)

Cíle: minimalizace počtu zahazovaných paketů, udržování dohodnuté QoS, minimalizace možnosti monopolizace sítě,

Congestion avoidance - informace koncovým systémům při náznaku kolize

Congestion recovery - obrana proti kolapsu sítě při zahlcení, zahazování rámců

V poli adresy rámce pole FECN (Forward Explicit Congestion Notification), BECN (Backward Explicit Congestion Notification) - informace od sítě ke koncovému systému, že by měl snížit informační rychlost. Bity FECN, BECN nastavuje frame handler, který detekoval nebezpečný nárůst front.

FECN/BECN je chápán jako žádost o omezení vysílání v dopředném, resp. zpětném směru (vzhledem ke směru rámce)

Zahazování rámců

Při nutnosti likvidace rámců se přednostně zahazují rámce s nastaveným DE bitem

DE bit nastavuje uživatel u nízkoprioritních rámců nebo frame handler při překročení dohodnuté informační rychlosti od uživatele (mezi CIR a EIR)

Parametry kontraktu o spojení mezi uživatelem a sítí:

• Commited Information Rate (CIR),
• Excess Information Rate (EIR),
• Commited Burst Size (Bc) - maximální objem dat, která je síť ochotna přenést během určitého časového intervalu (Tc)
• Excess Burst Rate (Be) - maximální objem dat, o který se smí překročit Bc během intervalu Tc, doručuje se s nižší pravděpodobností

Monitor toku od uživatele: Leaky Bucket Algorithm

čítač C čítající rámce od uživatele:

• C se dekrementuje o Bc v intervalech Tc, C > 0
• pokud Bc < C < Bc+Be: nastavení DE bitu
• pokud C > Bc+Be: vyhazování rámců

Vazba na IP

• Frame-relay map (tabulka na koncové uzlu pro získání DLCI z IP)
• Inverse ARP (získání IP dotazem na druhý konec virtuálního okruhu)
• Seznam aktivních virtuálních okruhů zjistitelný přes LMI

Standardizace Frame Relay

Frame Relay Forum, http://www.frforum.com, spolupracuje s ITU-T

ISDN: Integrated Services Digital Network

"Síť integrovaných služeb"

Digitální síť s přepínáním okruhů

Kanály

• B; 64 kbps, data, transparentní (v něm např. PPP), spojově orientovaný
• D: 16 (64) kbps - signalizační, paketový, LAPD

Typy přípojek ISDN

• BRI: Basic Rate Interface (2B+D)
• PRI: Primary Rate Interface (30B+D)

Komponenty struktury ISDN

• TE1 (Terminal Equipment)- ISDN terminály, 4-drát, přímo na rozhraní S
• TE2 - non-ISDN terminály, připojení přes TA
• TA (Terminal Adapter) - mezi NT a TE2
• NT1 (Network Termination) - rozdělení dvoudrátu na vysílací a přijímací pár (pasivní sběrnice, ukončená terminátory) - změna kódování, multiplex, echo kompenzace, ...
• NT2 - řízení sdílení kanálu více zařízeními na sběrnici, např. pobočková ústředna

NT napájeno z rozvodu uživatele, nouzové napájení z ústředny pro jeden terminál (48V)

Referenční konfigurace ISDN

Sběrnice (200m), rozšířená sběrnice (500m), point-to-point (1km).

Přípojka může tvořit sběrnici o max. 8 zařízeních (současně aktivní nejvýše 2), používá se AMI kód s porušením pravidel střídání pro indikaci začátku rámce, úrovně +-0.7V, časový multiplex všech kanálů

Duplex na rozhraní U se řeší kompenzací ozvěny nebo časovým multiplexem obou stran (na kratších vedeních)

Rámce ISDN

• délka 250 mikrosekund
• 48 bitů , 2*2 kanály B*8b, 4b D, synchronizace, bity E pro sdílení přístupu, bity pro vyvažování střední hodnoty = > 192 kbps v jednom směru
• mírně se liší formát odchozího a příchozího rámce, vzájemně časově posunuty (kvůli řízení přístupu terminálů k D kanálu)

Sdílení přístupu ke sběrnici:

Terminály identifikuje TEI (TErminal Identifier) - přiděluje ústředna

Terminály mají přidělenou prioritu, po odvysílání rámce se snižuje, přednost má telefonní služba

NT vrací při příjmu D-bitu jeho hodnotu v protisměrném rámci v E-bitu

Terminály před vysíláním musí nejprve detekovat posloupnost jedniček o délce uměrné prioritě terminálu v E-bitech. Pokud terminál vysílá D-bity a E-bity se od nich liší, musí okamžitě přestat vysílat

Signalizace

• pakety na D-kanále, 2. a 3. vrstva OSI
• na 2. vrstvě rámce LAPD (Q.921)
• na 3. vrstvě signalizační zprávy (Q.931)

ATM: Asynchronous Transfer Mode (Broadband ISDN, B-ISDN)

• integrace přenosu videa, hlasu, dat, ...
• statistický multiplex buněk
• spojuje výhody spojování okruhů (konst. zpoždění, garantovaná přenosová kapacita) a přepínání paketů (pružnost, efektivita v přerušovaném provozu)
• spojová orientace, buňky nesou identifikátor virtuálního okruhu (VPI+VCI)
• některé kombinace VPI/VCI vyhrazeny pro management, signalizaci, routing
• okruhy PVC, SVC, (SPVC)
• virtuální kanály obousměrné, v každém směru může být dohodnut jiný kontrakt
• buňky 53 byte, 5B header, 48B payload
• buňky se šíří přes ATM přepínače (switch)
• struktura obecně polygonální, linky bod-bod, možnost kombinace různých typů médií a přenosových rychlostí

Referenční model ATM

fyzická vrstva

• na různých médiích, různé přenosové rychlosti (hierarchie E, SONET)
• příjem a vysílání bitů, sledování hranic buněk, balení buněk do rámců použité přenosové linky, generování a kontrola HEC, vkládání idle buněk

vrstva ATM

• přepínání buněk,
• zřizování spojení

adaptační vrstva (AAL-ATM Adaptation Layer)

• přizpůsobení existujících služeb charakteru ATM
• překlad mezi SDU vyšších vrstev a buňkami ATM
• dělení podle charakteru služeb na AAL1-AAL5
• dělí se na Convergence Sublayer a Segmentation and Reassembly Sublayer

Prakticky používané typy AAL:

• AAL1 - služby s časovou synchronizací mezi zdrojem a cílem, kontantní bitová rychlost, spojově orientované služby; hlas, emulace obvodu s konstantní bitovou rychlostí
• AAL5 - služby bez časové synchronizace mezi zdrojem a cílem, nespojová orientace, proměnná šířka pásma bitového toku, přenos dat

Formát hlavičky buňky ATM

• VPI, VCI - Virtual Path Identifier, Virtual Circuit Identifier
• PT - Payload Type
  
• data / system control a management
• congestion notification
• příznak poslední buňky AAL5 rámce
• CLP - Cell Loss Priority
• HEC - Header Error Control

Idle buňky mají vyhrazený bitový vzor hlavičky

Přepínání

• VPI switch, VCI switch, přepínací tabulka
• oddělení správy směrování od vlastního přepínání

Třídy spojení

• CBR - Constant Bit Rate - isochronní aplikace, samplovaný hlas (AAL1)
• VBR - Variable Bit Rate - shlukový charakter dat, komprimované video
• ABR - Available Bit Rate - garantuje alespoň určitý tok a snaží se o vyšší, má flow-control (AAL5)
• UBR - Unspecified Bit Rate - žádná závázná bitová rychlost

Tímto se zajišťují priority služeb, buffery při switchování se jednotlivým typům služeb přidělují definovaným způsobem.

Traffic shaping a traffic policing

• kontrakt provozních parametrů ustaven při zřizování spojení
• vstupní zařízení kontroluje kontrakt a zahazuje přebytečné buňky (nebo označuje nastavením CLP - leaky bucket algorithm) - traffic policing
• zařízení generující data tvaruje výstupní tok buněk tak, aby odpovídal kontraktu - traffic shaping

Příklady parametrů QoS

• Peak Cell Rate
• Sustained Cell Rate
• Miminum Cell Rate
• Cell Delay Variation
• Cell Loss Ratio
• Cell Transfer Delay

• Cell Error Ratio,Cell Misinsertion Ratio,Severely Errored Cell Block Ratio,...
  - nedohadují se, dány charakterem sítě

Adresování

• více možných formátů (DCC,ICD, pro veřejné UNI E.164)
• hierarchická struktura adresy
• obsahuje identifikátor formátu, prefix (několik hierarchických úrovní), MAC adresu podle IEEE 802 (tzv. End-system identifier, ESI) a Service Access Point v rámci end-systemu (Selector, SEL)

Signalizace a směrování

• User-to-Network Interface (UNI), Network-to-Network Interface (NNI)
• rozhraní UNI 3.0, 3.1, 4 (UNI 3 nespecikuje explicitně QoS)
• vytváření virtuálního kanálu - postupné budování přepínacích tabulek v přepínačích na cestě k cíli - pro vyhledání cesty nutné směrování
• forwardování požadavků (signalizace) mezi přepínači na cestě, cranckback
  
• parametrem požadavku na zřízení virtuálního kanálu je vždy cíl a QoS
• přepínače testují přípustnost požadovaného spojení svou verzí algoritmu GCAC (Generic Connection Admission Control), přepínač provádí výpočet další cesty na základě informací z PNNI a odhadu algoritmů GCAC ostatních přepínačů

Typy spojení (PVC,SVC)

• point-to-point (jedno i obousměrné)
• point-to-multipoint (jen jednosměrné)

ATM LAN Emulation (LANE)

• LAN Emulation Client (LEC)
• LAN Emulation Server (LES)
• LAN Emulation Configuration Server (LECS)
• Broadcast and Unknown Server (BUS)

Classical IP over ATM (CLIP)

• RFC 1577
• mechanismus ATM ARP (IP->ATM adresu)
  
• ATM ARP server funguje v rámci LIS (Logical IP Subnet)
• mezi LIS se komunikuje přes router
• MTU obvykle 9kB