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ATM
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M. Serafim Nunes 1 RIS - IST, Outubro 2004
INSTITUTO SUPERIOR TCNICO Redes com Integrao de Servios (RIS)
2 Parte Redes de Banda Larga ATM
1. Introduo ...................................................................................................................3 2. Princpios bsicos de ATM..........................................................................................4 3. Modelo de referncia de protocolos............................................................................6 4. Camada ATM ..............................................................................................................8 5. Camada Fsica ............................................................................................................11
5.1. Subcamada de convergncia de transmisso ..........................................................11 5.1.1. Adaptao do ritmo de clulas..........................................................................11 5.1.2. Gerao/verificao da sequncia de HEC do cabealho ...............................12 5.1.3. Delimitao de clulas e scrambling ................................................................13 5.1.4. Adaptao da trama de transmisso ................................................................15 5.1.5. Gerao/recuperao de trama de transmisso ..............................................15
5.2. Subcamada dependente do meio fsico....................................................................15 5.3. Interfaces ATM ..........................................................................................................16
5.3.1. Interface fsica SDH STM-1 / SONET STC-3c .................................................18 5.3.2. Interface fsica a 155,52 Mbits para fibra multimodo........................................19 5.3.3. Interface fsica E3 a 34,368 Mbit/s....................................................................20 5.3.4. Interface fsica a 25,6 Mbit/s sobre par entranado..........................................20 5.3.5. Interface fsica E1 a 2,048 Mbit/s......................................................................22
6. Camada de Adaptao ATM.......................................................................................23 7. AAL tipo 1....................................................................................................................25
7.1. Sub-camada SAR.....................................................................................................25 7.2. Sub-camada CS de AAL1 ........................................................................................27
7.2.1. Processamento da sequncia de clulas ........................................................27 7.2.2. Mtodo de correco de clulas perdidas ........................................................28 7.2.3. Mtodo de transferncia de informao estruturada........................................29 7.2.4. Recuperao de relgio da fonte.....................................................................31
8. AAL tipo 2....................................................................................................................36 8.1. Subcamada CPS de AAL2........................................................................................36
9. AAL tipo 3/4.................................................................................................................39 9.1. Sub-camada SAR de AAL3/4....................................................................................39 9.2. Sub-camada CPCS de AAL3/4 .................................................................................39
10. AAL tipo 5....................................................................................................................41 10.1. Sub-camada SAR de AAL5.....................................................................................41 10.2. Sub-camada CPCS de AAL5 ..................................................................................42 10.4. Sub-camada SSCS para HDLC..............................................................................43 10.5. Sub-camada SSCS para MPEG2 ...........................................................................43
11. Gesto de Trfego ......................................................................................................45 11.1 Gesto de trfego em redes ATM............................................................................45 11.2. Parmetros de trfego.............................................................................................45
11.2.1. Peak Cell Rate (PCR) .....................................................................................45 11.2.2. Sustainable Cell Rate (SCR) ..........................................................................45 11.2.3. Intrinsic Burst Tolerance (IBT) ........................................................................46 11.2.4. Minimum Cell Rate (MCR) ..............................................................................46
11.3. Funes de Controlo de trfego e de congesto....................................................46 11.3.1. Controlo de admisso de conexo (CAC) ......................................................46 11.3.2. Controlo de parmetros de utilizao (UPC) ..................................................46 11.3.3. Controlo de parmetros de rede (NPC)..........................................................46 11.3.4. Algoritmo de Ritmo de Clula Genrico (GCRA)............................................46
11.4 Qualidade de servio em ATM.................................................................................47 11.4.1. Parmetros de desempenho ATM..................................................................47 11.4.2. Fontes de degradao da qualidade de servio.............................................49 11.4.3. Classes de qualidade de servio ....................................................................50
11.5. Categorias de servio ATM.....................................................................................52 11.5.1. Classificao das categorias de servio ATM ................................................52
M. Serafim Nunes 2 RIS - IST, Outubro 2004
11.5.2. Constant Bit Rate (CBR).................................................................................54 11.5.3. Real-Time Variable Bit Rate (rt-VBR) .............................................................54 11.5.4. Non-Real-Time (nrt-VBR) ...............................................................................54 11.5.5. Unspecified Bit Rate (UBR) ............................................................................54 11.5.6. Available Bit Rate (ABR) .................................................................................55 11.5.7. Guaranteed Frame Rate (GFR) ......................................................................58 11.5.8. Atributos das categorias de servio................................................................58 11.5.9. Aplicaes das categorias de servio.............................................................59
12. Sinalizao..................................................................................................................61 12.1. Endereamento ATM ..............................................................................................61 12.2. AAL de Sinalizao (SAAL) ....................................................................................62
12.2.1. Sub-camada SSCOP ......................................................................................63 12.2.2. Sub-camada SSCF .........................................................................................65
12.3. Sinalizao Ponto a Ponto ......................................................................................67 12.3.1. Estados da chamada/conexo........................................................................68 12.3.2. Mensagens de controlo de chamada e conexo............................................68 12.3.3. Elementos de Informao ...............................................................................69 12.3.4. Diagramas de mensagens ..............................................................................72
12.4. Sinalizao Ponto a Multiponto...............................................................................73 13. Redes Locais ATM......................................................................................................76
13.1. Evoluo das redes locais ......................................................................................76 13.2. Dados sem conexo baseados em Connectionless Server ...................................79 13.3. Encapsulamento de mltiplos protocolos sobre ATM.............................................81 13.4. Classical IP..............................................................................................................83 13.5. Emulao de LAN ...................................................................................................86 13.6. Multiprotocol Over ATM (MPOA) ............................................................................91
Abreviaturas...........................................................................................................................94 Bibliografia .............................................................................................................................96
M. Serafim Nunes 3 RIS - IST, Outubro 2004
1. Introduo A RDIS de Banda Larga foi projectada como uma rede de telecomunicaes que integrar todos
os servios, utilizando um novo modo de transferncia de informao, conhecido como Modo de Transferncia Assncrono ("Asynchronous Transfer Mode") e designado abreviadamente por ATM.
Modo de transferncia de informao a tcnica usada numa rede de telecomunicaes, cobrindo os aspectos relacionados com transmisso, comutao e multiplexagem.
Antes do aparecimneto do ATM os modos de transferncia mais utilizados em redes pblicas e privadas eram a comutao de circuitos e a comutao de pacotes. Em comutao de circuitos estabelecido um circuito de comunicao entre duas estaes, por onde circula de um modo transparente a informao do utilizador, usando-se multiplexagem do tipo diviso em frequncia (FDM) ou do tipo diviso sncrona no domnio temporal (STDM). o caso da rede telefnica.
Em comutao de pacotes, a informao do utilizador encapsulada em pacotes, que contm informao adicional para encaminhamento na rede e para outras funes de controlo. utilizado um mecanismo do tipo "store and forward", sendo a multiplexagem do tipo diviso assncrona no domnio temporal (ATDM). o caso da rede X.25.
A RDIS de banda estreita usa ambos os modos de transferncia, providenciando uma integrao de servios s ao nvel do acesso do utilizador. H um nico acesso rede, incluindo a linha de acesso e os procedimentos de controlo.
A RDIS de banda larga pretende assegurar uma integrao total de servios, no s no acesso rede, mas ao nvel de toda a rede. O modo ATM assegura essa integrao, garantindo alm disso uma rede flexvel, capaz de se adaptar a diferentes ritmos de comunicao, mantendo uma elevada eficincia dos recursos da rede para uma larga gama de servios.
M. Serafim Nunes 4 RIS - IST, Outubro 2004
2. Princpios bsicos de ATM O modo ATM junta num mesmo mecanismo de transferncia de informao a flexibilidade do
modo de comutao de pacotes e a simplicidade das tcnicas temporais sncronas em modo de comutao de circuitos.
Em ATM mantida a estrutura de transmisso das redes temporais sncronas caracterizadas pela transmisso blocos de informao de dimenso fixa, denominados clulas, transportados em cada intervalo de tempo (slot). Ao contrrio do que acontece na comutao de circuitos, as clulas no so enviadas em slots fixos pr-definidos, sendo a identificao de cada canal efectuada atravs de uma identificao explcita do canal a que se destina, permitindo assim que a informao possa ser enviada de modo assncrono relativamente aos slots de transmisso disponveis.
A dimenso de cada clula ATM de 53 octetos, como se indica na figura 2.1, decompondo-se em dois campos: cabealho e campo de informao. O cabealho tem a dimenso de 5 octetos, tendo como principal funo a identificao do canal e o encaminhamento da clula ao longo da rede. O campo de informao tem a dimenso de 48 octetos, sendo utilizado para transporte de informao do utilizador. A ordem de transmisso a do envio do bit de maior peso de cada octeto em primeiro lugar, seguindo-se os outros bits do mesmo octeto por ordem decrescente. A ordem de envio dos octetos por ordem crescente, do 1 ao 53.
Bit 8 7 6 5 4 3 2 1
Cabealho(5 octetos)
1:
6
53
5
Octetos
Campo deInformao(48 octetos)
53
Fig. 2.1 - Formato da clula ATM Com vista a garantir a sua universalidade e simplicidade, o ATM fornece um servio que
independente da aplicao, sendo todas as funes que dependem da aplicao removidas para a extremidade da rede.
A independncia do ATM em relao aplicao efectua-se a dois nveis: i) independncia temporal, no sentido em que no h relao entre o relgio da aplicao e o
relgio da rede; ii) independncia semntica, por no haver relao entre a estrutura da clula e a estrutura de
dados da aplicao. Para garantir a transparncia da informao, a rede ATM no efectua qualquer aco no campo
de informao da clula, tendo qualquer problema que ocorra na transferncia da clula, nomeadamente erros de transmisso ou jitter de ser resolvidos pelo equipamento terminal.
A multiplexagem do modo ATM do tipo ATDM, indicando-se na figura 2.2 a maneira como
feita a multiplexagem de informao proveniente de vrias fontes distintas para o meio de transmisso, e a correspondente desmultiplexagem na recepo.
M. Serafim Nunes 5 RIS - IST, Outubro 2004
Fonte
Empacotador
1
1
Multiplexer ATM
Fonte
Empacotador
2
2
Fonte
Empacotador
n
n
. . .
. . . Emissor
RedeFluxo de clulas multiplexadas
Demultiplexer ATM
ReceptorDesempacotador
1 2 n. . .Desempacotador Desempacotador
Receptor1 2 n. . .
Receptor Receptor
1 12 3 1
Fig. 2.2 - Multiplexagem/Desmultiplexagem de clulas ATM
Cada fonte gera informao ao seu prprio ritmo e envia essa informao para um dispositivo
empacotador. O empacotador tem a principal funo de formar clulas com o formato j indicado, e submet-las em sequncia ao multiplexer. O multiplexer inserir cada clula recebida no prximo "slot" do meio de transmisso. O fluxo de clulas multiplexadas transmitido para a rede a um ritmo que depende da linha de transmisso, com valores de 2,048 Mbit/s a 155,520 Mbit/s numa primeira fase da RDIS de banda larga, ou a 622,080 Mbit/s numa fase posterior.
Deste modo a rede no impe um ritmo fixo a cada uma das fontes, como sucede nas redes temporais sncronas, adaptando-se sem qualquer dificuldade a fontes de informao com ritmos diferentes.
Na recepo ocorre um mecanismo inverso, em que cada clula enviada para o desempacotador
correspondente de acordo com o endereo existente no cabealho e a partir da o campo de informao da clula enviado para o receptor respectivo.
O modo ATM foi adoptado pelo ITU-T como sendo o modo de transferncia de informao para a RDIS de banda larga, tendo o ITU-T publicado as primeiras 13 Recomendaes sobre ATM em 1990. Estas recomendaes para alm de referirem os aspectos gerais de ATM, definem as caractersticas funcionais da rede ATM, o modelo de referncia de protocolos, as caractersticas funcionais das diferentes camadas j identificadas, as especificaes da interface utilizador-rede e prncpios de operao e manuteno. Embora ainda incompletas em muitas partes, estas recomendaes so um bom ponto de partida para a futura implementao de uma RDIS de banda larga.
M. Serafim Nunes 6 RIS - IST, Outubro 2004
3. Modelo de referncia de protocolos O modelo de referncia de protocolos para a RDIS de banda larga um modelo hierrquico,
conforme mostrado na figura 3.1, que consiste de trs planos distintos: plano de utilizador, plano de controlo e plano de gesto. Esta diviso do modelo em trs planos tinha j sido seguida para o modelo de referncia de protocolos na RDIS de banda estreita.
Plano de Gesto
Plano de Utilizador Utili d
Plano de Controlo
CamadasSuperiores
Camada Fsica
Camada ATM
Camada de Adaptao
CamadasSuperiores
Fig. 3.1 - Modelo de referncia de protocolos
O plano de utilizador est associado transferncia de informao do utilizador, o plano de
controlo est associado sinalizao e o plano de gesto a todos os mecanismos de operao e manuteno das entidades em cada camada e da rede de um modo geral.
Os planos esto divididos em camadas. Actualmente esto definidas as trs camadas inferiores:
Fsica, ATM e Adaptao. A definio das camadas acima da de Adaptao est em estudo, podendo transitoriamente nalguns casos, utilizar-se os protocolos existentes para as camadas superiores do modelo OSI.
A camada Fsica consiste de duas subcamadas: subcamada dependente do meio fsico e
subcamada de convergncia de transmisso. A subcamada do meio fsico a subcamada inferior e tem como funo realizar a interface para o meio de transmisso, ao nvel de converso electro-ptica, codificao de linha e sincronizao de bit. A subcamada de convergncia de transmisso tem a funo principal de converter o fluxo de clulas ATM em bits para serem transportados no meio de transmisso.
A camada ATM efectua a multiplexagem das clulas provenientes de diferentes fontes num nico
fluxo de clulas para emisso e faz a correspondente desmultiplexagem para os diferentes destinos na recepo. Esta camada tem tambm as funes de gerar os cabealhos das clulas na emisso e extra-los na recepo, bem como efectuar a traduo dos identificadores dos canais virtuais nos cabealhos das clulas, nos comutadores da rede.
A camada de Adaptao (AAL - ATM Adaptation Layer) tem como funo adaptar os diferentes
servios de telecomunicaes ao modo ATM, a fim de manter a qualidade de servio desejada. Contrariamente s camadas Fsica e ATM, a camada de Adaptao depende do servio.
A camada de Adaptao consiste de duas subcamadas: subcamada de segmentao e reassemblagem (SAR - Segmentation and Reassembly) e subcamada de convergncia (CS - Convergence Sublayer).
A subcamada SAR a subcamada inferior e basicamente executa na emisso, a segmentao das
unidades de informao da camada superior para as inserir no campo de informao das clulas e na
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recepo faz a operao inversa, que consiste na reassemblagem dos campos de informao das clulas em unidades de informao para a camada superior.
A subcamada CS pode executar funes do tipo recuperao do relgio do servio, compensao
da variao do atraso das clulas na rede, recuperao de clulas perdidas, etc. Estas funes dependem directamente do servio em causa.
Na figura 3.2 apresenta-se o modelo de referncia de protocolos de RDIS-BL, com indicao das
funes mais importantes de cada camada e sub-camada.
Camadas Superiores
Camada
ATM
AAL
Fsica
Camada
TC
PM
CS
SAR
Camada
Funes das camadas superiores
Convergncia
Segmentao e reagrupamento
Controlo de fluxo genricoGerao/extraco do cabealhoTraduo do VPI/VCIMultiplexagem/demultiplexagem de clulas
Adaptao do ritmo de clulaGerao/verificao da sequncia de HEC Delineamento de clulasAdaptao de trama de transmissoGerao/recuperao de trama de transmisso
Temporizao de bitFunes de meio fsico
Fig. 3.2 - Funes do RDIS-BL e a sua relao com o modelo de referncia de protocolos
Analisamos em seguida mais detalhadamente cada uma das camadas e sub-camadas do modelo.
M. Serafim Nunes 8 RIS - IST, Outubro 2004
4. Camada ATM As caractersticas da camada ATM so independentes do sistema de transmisso e do meio de
transmisso utilizados. A adaptao da camada ATM ao sistema de transmisso feita ao nvel da camada Fsica. Este desacoplamento entre a camada ATM e a transmisso permite que comutadores e multiplexers ATM possam ser introduzidos na rede e evoluir independentemente dos aspectos de transmisso da rede.
As funes da camada ATM aparecem reflectidas na estrutura do cabealho da clula. Os 5 octetos do cabealho so repartidos por diversos campos, de acordo com a recomendao I.361 do ITU-T, tal como mostrado na figura 4.1.
Bit 8 7 6 5 4 3 2 1
GFC VPI
VPI VCI
PT CLPVCI
VCI
HEC
1
2
3
4
5Octeto
Interface Utilizador-rede
Bit 8 7 6 5 4 3 2 1
VPI
VPI VCI
CLPVCI
VCI
HEC
1
2
3
4
5Octeto
Interface entre Ns da rede
PT
Fig. 4.1 - Estrutura do cabealho da clula ATM
A estrutura do cabealho diferente na interface utilizador-rede ("User Network Interface" -
UNI) e nas interfaces internas da rede, designadas interfaces entre ns da rede ("Network Node Interface" - NNI). A diferena consiste somente na existncia na UNI do campo GFC.
O campo de controlo de fluxo GFC (Generic Flow Control) utilizado na interface utilizador-
rede no caso de existirem configuraes com mltiplos utilizadores para controlar o acesso destes utilizadores rede. Se o campo GFC no for utilizado deve ser colocado a 0000.
A identificao de um canal lgico ATM est dividida em duas entidades hierrquicas : caminho
virtual ("Virtual Path" - VP) e canal virtual ("Virtual Channel" - VC). Estas entidades so identificadas no cabealho da clula pelo identificador de caminho virtual (VPI) e pelo identificador de canal virtual (VCI).
Numa dada interface um canal de comunicao identificado pelo campo (VPI/VCI) completo. A relao hierrquica entre caminhos e canais virtuais est expressa na figura 4.2.
Capacidadede transmisso
VPI1
VPIk
VCI1
VCIn VCI1 VCIm
Fig. 4.2 - Relao entre caminhos virtuais e canais virtuais
A existncia de caminhos virtuais permite que a rede suporte ligaes semi-permanentes entre
utilizadores, comutando caminhos virtuais, atravs de sistemas "cross-connect", tratando de um modo global todos os canais virtuais pertencentes a um caminho virtual.
As ligaes comutadas na rede, so estabelecidas atravs de comutadores ATM, que comutaro caminhos e canais virtuais individualmente.
O nmero de bits do VPI e do VCI utilizados para encaminhamento na rede so negociados entre
o utilizador e a rede, de acordo com as seguintes regras: i) os bits de VPI atribudos devero ser contguos e a comear pelos bits menos significativos do campo VPI; ii) analogamente, os bits de VCI atribudos devero ser contguos e a comear pelos bits menos significativos do campo VCI.
Os trs bits do campo PT ("payload type") contm o identificador do tipo de informao da clula
(PTI). Tal como se indica na tabela 3, os quatro primeiros valores do PTI (000 a 011) indicam que a
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clula contm dados do utilizador, os trs seguintes (100 a 110) indicam que a clula contm informao de gesto, sendo o ltimo valor (111) reservado para uso futuro.
Tabela 4.1 - Codificao do PTI
PTI Interpretao 000 Dados do Utilizador, sem congesto, com AUU=0 001 Dados do Utilizador, sem congesto, com AUU=1 010 Dados do Utilizador, com congesto, com AUU=0 011 Dados do Utilizador, com congesto, com AUU=1 100 Clula OAM F5, associada a segmento 101 Clula OAM F5, associado a extremo a extremo 110 Clula de Gesto de recursos (RM) 111 Reservada para uso futuro
AUU = ATM-user-to-ATM-user indication RM - Resource Management As clulas do utilizador que atravessem um comutador ou multiplexer congestionado podem
sofrer uma alterao do valor do segundo bit do PTI de 0 para 1, isto , se o PTI 000 passa para 010, se 001 passa para 011. Esta alterao indica ao receptor que a clula cujo PTI foi modificado atravessou pelo menos um elemento de rede sujeito a congesto de trfego.
O bit de menor peso do PTI das clulas do utilizador indica o valor do parmetro AUU (ATM-user-to-ATM-user indication), o qual como veremos pode ser utilizado pelas camadas superiores, nomeadamente pela camada AAL.
O bit CLP ("cell loss priority") indica a prioridade de perda de clula. Quando este bit est a 1
designa uma clula de prioridade mais baixa. As clulas de prioridade mais baixa sero as primeiras a ser eliminadas no caso de congesto da rede.
O campo HEC ("header error control") um campo para controlo de erros no cabealho. Devido
ao mecanismo de controlo de erros ser tambm usado para determinar a delimitao de clulas, considera-se que este mecanismo pertence camada Fsica (subcamada TC).
O campo HEC cobre todo o cabealho da clula, tendo a capacidade de corrigir um nico bit de erro no cabealho ou de detectar mltiplos erros no cabealho. A capacidade de correco de um bit justificada pela elevada probabilidade de ocorrncia de um erro isolado de um bit, e pelas consequncias que esse erro acarreta no cabealho da clula ATM, nomeadamente quando ocorre sobre os campos VPI ou VCI, casos em que a clula poderia ser perdida ou mal inserida noutra conexo virtual.
Na tabela 4.2 indicam-se alguns valores do cabealho pr-atribudos pelo ITU-T na UNI para
utilizao da camada fsica, no se incluindo na tabela o campo HEC.
Tabela 4.2- Valores do cabealho pr-atribudos na UNI para utilizao da camada fsica
Octeto 1 Octeto 2 Octeto 3 Octeto 4 Clula vazia
(idle cell) 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0001
Clula OAM de nvel fsico (F3)
0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1001
Reservado para uso do nvel fsico
PPPP 0000 0000 0000 0000 0000 0000 PPP1
P - bit disponveis para uso pelo nvel fsico Foram tambm pr-atribudos pelo ITU-T na UNI outros valores de VPI, VCI, PT e CLP para
utilizaes especficas, nomeadamente para sinalizao e gesto, tal como indicado na tabela 4.3.
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Tabela 4.3- Valores de VPI, VCI, PT e CLP pre-atribudos na UNI
Utilizao VPI VCI PT CLP Meta-sinalizao
xxxxxxxx 00000000 00000001 0A0 C
Sinalizao de difuso geral
xxxxxxxx 00000000 00000010 0AA C
Sinalizao ponto-a-ponto
xxxxxxxx 00000000 00000101 0AA C
Clula OAM F4 entre segmentos (I.610)
yyyyyyyy 00000000 00000011 0A0 A
Clula OAM F4 entre terminais (I.610)
yyyyyyyy 00000000 00000100 0A0 A
Clula OAM F5 entre segmentos (I.610)
yyyyyyyy zzzzzzzz zzzzzzzz 100 A
Clula OAM F5 entre terminais (I.610)
yyyyyyyy zzzzzzzz zzzzzzzz 101 A
Clula de gesto de recursos (I.371)
yyyyyyyy zzzzzzzz zzzzzzzz 110 A
Clula no atribuda 00000000 00000000 00000000 BBB 0
A - bit disponvel para uso pela camada ATM B - bit no relevante, pode ser 0 ou 1 C - bit posto a 0 pela entidade de sinalizao, podendo ser mudado pela rede xxxxxxxxx - qualquer valor de VPI yyyyyyyy - qualquer valor de VPI zzzzzzzz - qualquer valor de VCI diferente de zero
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5. Camada Fsica A camada Fsica est dividida em duas subcamadas, a subcamada superior, chamada subcamada
de convergncia de transmisso (TC - Transmission Convergence) e a subcamada inferior, chamada subcamada dependente do meio fsico (PM - Physical Media).
Subcamada Convergncia de Transmisso TC
PMSubcamada do Meio Fsico
Fig. 5.1 - Subcamadas da Camada Fsica
5.1. Subcamada de convergncia de transmisso So as seguintes as funes efectuadas pela subcamada de convergncia de transmisso (TC): Adaptao do ritmo de clulas Gerao/verificao da sequncia de HEC do cabealho Delimitao de clulas e scrambling Adaptao da trama de transmisso Gerao/recuperao de trama de transmisso
5.1.1. Adaptao do ritmo de clulas
Uma funo da subcamada TC assegurar a adaptao do ritmo de clulas vlidas capacidade disponvel do canal fsico de transmisso. Assim no emissor, quando no houver clulas geradas pelas fontes sero inseridas nesta sub-camada as clulas vazias (idle cells) necessrias de modo que em conjunto com as clulas geradas pelas fontes e as clulas de gesto assegurem o ritmo de transmisso de linha, tal como se mostra na figura 5.2.
Camada ATM
Camada Fsica / Sub-camada TC
Clulas ATM atribudas
Clulas vaziasClulas de gesto (OAM)
Camada Fsica / Sub-camada PM
Scrambling
(do plano de gesto)
Fig. 5.2 - Adaptao do ritmo de clulas ATM
M. Serafim Nunes 12 RIS - IST, Outubro 2004
Na recepo efectua-se o processo inverso de eliminao das clulas vazias na interface com a camada superior. O padro normalizado para o campo de informao das clulas vazias foi 6A (hex).
Assim, o formato da clula vazia, incluindo o cabealho : 00 00 00 01 52 6A 6A ... 6A.
5.1.2. Gerao/verificao da sequncia de HEC do cabealho
O campo HEC do cabealho um octeto que, de acordo com a recomendao I.432 do ITU-T, corresponde ao resto da diviso mdulo 2, do cabealho da clula, excluindo o HEC, multiplicado por X8, pelo polinmio gerador X8 + X2 + X + 1. Este polinmio permite corrigir um bit em erro e detectar mltiplos bits em erro, podendo o HEC ser implementado em srie pelo circuito da figura 5.3.
D0 Q0 D1 Q1 D2 Q2 D3 Q3 D4 Q4 D5 Q5 D6 Q6 D7 Q7DIN
DIN+Q7
Fig. 5.3 - Gerador de HEC no emissor (X8 + X2 + X + 1)
Para o processamento do HEC em srie, bit a bit, obtm-se as seguintes equaes de gerao do HEC:
Q0+ = DIN+Q7 Q1+ = DIN+Q7+Q0 Q2+ = DIN+Q7+Q1 Q3+ = Q2 Q4+ = Q3 Q5+ = Q4 Q6+ = Q5 Q7+ = Q6
Para o processamento em paralelo, octeto a oceto, foram deduzidas as equaes de gerao do HEC, que
so as seguintes: Q0+ = D0+Q0+D6+Q6+D7+Q7 Q1+ = D0+Q0+D1+Q1+D6+Q6 Q2+ = D0+Q0+D1+Q1+D2+Q2+D6+Q6 Q3+ = D1+Q1+D2+Q2+D3+Q3+D7+Q7 Q4+ = D2+Q2+D3+Q3+D4+Q4 Q5+ = D3+Q3+D4+Q4+D5+Q5 Q6+ = D4+Q4+D5+Q5+D6+Q6 Q7+ = D5+Q5+D6+Q6+D7+Q7
Na figura 5.4 mostra-se o diagrama de blocos do gerador de HEC, em que se verifica a existncia de um
conjunto de inversores de sada (55H), tal como definido na Rec. I.432, para impedir que para a clula nula corresponda um HEC nulo.
DIN [7..0]
Q [7..0]Enable
Inv. 01010101
Fig. 5.4 -Gerador de HEC no emissor
Do-se em seguida alguns exemplos de HEC gerados para valores conhecidos do cabealho da clula.
M. Serafim Nunes 13 RIS - IST, Outubro 2004
Tabela 5.1 - Exemplos de codificao do HEC
Clula H0 H1 H2 H3 HEC s/Inv. HEC c/Inv.(55H) Nula Vazia F1 F3
00 00 00 00
00 00 00 00
00 00 00
00
00 01 03
09
00 07 09 3F
55 52 5C 6A
O procedimento para controlo de erros na recepo com base no campo HEC est descrito na
figura 5.5, em que se verifica a existncia de dois modos de operao no receptor: correco e deteco.
Modo Correco
ModoDeteco
No h erros Detectados
(clula aceite)
Detectado 1 bit em erro (correco e clula aceite)
Detectados um ou mais erros (clula rejeitada)
Mais de 1 bit em erro(clula rejeitada)
No h erros detectados(clula aceite)
Fig. 5.5 - Diagrama de estados para controlo de erros na recepo O modo inicial o de correco, em que existe a capacidade no receptor de corrigir um bit errado.
Cada cabealho recebido examinado e se fr detectado um erro a aco a executar depende do modo de operao do receptor.
No modo correco, se fr s um bit errado, este corrigido; se ocorreram erros em mais de um bit a clula rejeitada. Em ambos os casos, o receptor comuta para o modo de deteco em seguida. No modo deteco todas as clulas com erros no cabealho so rejeitadas, mantendo-se o receptor no modo deteco. Quando ocorrer um cabealho sem erros, o receptor volta ao modo correco.
Devido a este procedimento, o receptor tem possibilidades de reagir s situaes de erros isolados e tambm s de "bursts" de erros. Ambas as situaes de erro podem ocorrer em sistemas de transmisso baseados em fibra ptica.
5.1.3. Delimitao de clulas e scrambling
A delimitao de clulas o mecanismo que permite determinar o princpio e fim de cada clula, isto , delimitar a clula. O mecanismo de delimitao da clula baseado na correlao que existe entre o valor do cabealho da clula e o campo HEC para controlo de erros no cabealho.
O mecanismo de delimitao da clula tem o diagrama de estados indicado na figura 5.6.
PRESYNCH
SYNCH
HEC Correcto
HEC IncorrectoHUNT
6 HEC correctos
consecutivos
bit a bit ou
octeto a octeto clula a clula
clula a clula
7 HEC incorrectos
consecutivos
Fig. 5.6 - Diagrama de estados para delimitao de clula
M. Serafim Nunes 14 RIS - IST, Outubro 2004
Este diagrama de estados implementado no receptor, iniciando-se no estado HUNT e considerando-se o sistema sincronizado quando se atinge o estado SYNCH.
No estado inicial HUNT verificado bit a bit se a codificao do HEC em relao ao valor do resto do cabealho est correcto. Assim que se encontrar um valor correcto, presume-se que se est em presena de um cabealho correctamente delimitado e passa-se ao estado PRESYNC. Este mecanismo repete-se at que se encontrem HEC correctos durante 6 vezes consecutivas, passando-se nessa altura ao estado SYNCH, em que se considera o processo de delimitao da clula concludo. Perder-se- esta delimitao se ocorrerem HEC incorrectos durante 7 vezes consecutivas, voltando-se ao estado inicial.
Nos sistemas de transmisso que fornecem camada TC informao de incio e fim de octeto, a verificao de HEC correcto no estado HUNT faz-se octeto a octeto (em vez de bit a bit), o que permite uma sincronizao em mdia 8 vezes mais rpida.
De modo a aumentar a segurana do processo de delimitao de clulas em relao a eventuais simulaes do HEC correcto no campo de informao, os bits do campo de informao so misturados por um processo pseudo-aleatrio antes da informao ser enviada para a rede, denominado "scrambler", baseado num conjunto de registos de deslocamento com realimentao.
Na recepo, aps o procedimento de delimitao de clula, existe um mecanismo inverso que permite reconstituir o campo de informao original.
Para a transmisso em interfaces SDH e PDH utilizado o scrambler auto-sincronizvel x43+1. Este polinmio foi escolhido por minimizar a multiplicao de erros (dois) introduzido por este tipo de scrambler.
A operao deste scrambler em relao ao diagrama de estados de delimitao de clula o seguinte:
O scrambler opera somente sobre os bits do campo de informao Durante os cinco octetos do cabealho, a operao do scrambler suspensa No receptor, no estado HUNT o descrambler desactivado No receptor, nos estados PRESYNCH e SYNCH o descrambler activado durante 384 bits,
igual ao comprimento do campo de informao, sendo novamente desactivado durante os prximos 40 bits, correspondentes ao presumido cabealho seguinte.
A(n)
+
43 Flip-Flop D
B(n)
B(n-43)
Fig. 5.7 - Diagrama de implementao do Scrambler
Na figura 5.8 apresentado o diagrama de implementao do Descrambler.
B'(n)+
43 Flip-Flop D
C(n)
B'(n-43)
Fig. 5.8 - Diagrama de implementao do Descrambler
Como se pode verificar pelas figuras anteriores, o scrambler e o descrambler executam operaes
complementares, como se pode facilmente demonstrar. Pode escrever-se que:
Descrambler: C(n) = B'(n) + B'(n-43) (+ = soma mdulo 2) Scrambler: B(n) = A(n) + B(n-43) No havendo erros de transmisso, a sada do Scrambler igual entrada do Descrambler, pelo
que igualando B'(n) = B(n) e substituindo B(n) pela expresso do scrambler, obtem-se:
C(n) = ( A(n) + ( B(n-43) ) + B(n-43) = A(n) + ( B(n-43) + B(n-43) ) = A(n) Podemos ento concluir que para n> 43 a sada do Descrambler igual entrada do Scrambler:
M. Serafim Nunes 15 RIS - IST, Outubro 2004
Pode-se demonstrar que em caso de erro de um bit, sada do Descrambler aparecem 2 bits de erro separados de 43 bits.
Exemplifiquemos o funcionamento do Scrambler descrambler com o seguinte sequncia de entrada:
A(n) 0000111000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000 B(n-43) 0000000000000000000000000000000000000000000000011100000000000000000000 B(n) 0000111000000000000000000000000000000000000000011100000000000000000000 B'(n-43) 0000000000000000000000000000000000000000000000011100000000000000000000 C(n) 0000111000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000
5.1.4. Adaptao da trama de transmisso
A subcamada TC tem tambm como funo adaptar o fluxo de clulas estrutura da trama utilizada pelo sistema de transmisso. Exemplificando com a interface fsica de 2,048 Mbit/s, designada habitualmente por interface E1, a adaptao das clulas trama fsica de transmisso definida na recomendao G.804 do ITU-T, tal como se mostra na figura 5.9.
0 1 16 31 Octeto30172 3 4 5 6
ATM Header Trama E1
Trama E1Campo de Informao
Campo de Informao
181920217 8 9 151413121110 2223242526272829
Campo de Informao
Campo de Informao ATM Header
Fig. 5.9 - Mapeamento de clulas ATM na intreface fsica E1
A interface E1 com o ritmo de 2,048 Mbit/s tem uma trama estruturada em 32 slots de um octeto cada, sendo o slot 0 reservado para sincronismo de trama e o slot 16 em geral utilizado para sinalizao. Como se mostra na figura, as clulas ATM ocupam os slots 1 a 15 e 17 a 31, no havendo contudo alinhamento entre as clulas ATM e as tramas fsicas.
5.1.5. Gerao/recuperao de trama de transmisso
A gerao e recuperao da trama de transmisso especfica de cada interface fsica, sendo utilizadas vrias tramas fsicas j normalizadas, tendo outras sido definidas especificamente para utilizao em ATM.
De entre as interfaces fsicas j existentes salientam-se as interfaces definidas na hierarquia de transmisso digital plesicrona PDH, nomeadamente a E1 (2,048 Mbit/s) e a E3 (34,368 Mbit/s). De importncia crescente a hierarquia de transmisso digital sncrona, de que se destaca a interface STM-1 a 155.52 Mbit/s e a STM-3 a 622,08 Mbit/s. Outras interfaces utilizadas em ATM e especificadas pelo ATM Forum tm os ritmos de 25,6 Mbit/s e 100 Mbit/s.
Esto em fase de especificao interfaces ATM que no utilizam qualquer trama fsica de transmisso, sendo transmitidas directamente para a linha as clulas ATM.
5.2. Subcamada dependente do meio fsico No que respeita subcamada dependente do meio fsico, a realizao das suas funes est
inteiramente dependente do meio de transmisso utilizado So as seguintes as principais funes efectuadas pela subcamada dependente do meio fsico: Codificao/descodificao de linha de transmisso Gerao/Recuperao do relgio e dados da linha Adaptao de impedncia de linha Converso electro-ptica Analisam-se em seguida as funes das subcamadas PM e TC para as vrias interfaces ATM
actualmente definidas.
M. Serafim Nunes 16 RIS - IST, Outubro 2004
5.3. Interfaces ATM A configurao de referncia do ITU-T correspondente rede nas instalaes do utilizador
derivada da utilizada na RDIS de banda estreita, conforme ilustrado na figura 5.10.
B-TE1
SBB-NT2
TBB-NT1
RedePblica
B-TA
SBRTE2 ouB-TE2
Fig. 5.10 - Configurao de referncia para a interface utilizador-rede A interface utilizador-rede definida no ponto de referncia TB. Nesta configurao de referncia
existem cinco grupos funcionais: B-NT1, B-NT2, B-TE1, B-TE2 e B-TA. O grupo funcional Terminao de Rede 1 (B-NT1) est localizado nas instalaes do utilizador
mas na Europa pertence ao operador de telecomunicaes. E' o elemento final na linha de transmisso para a rede, englobando os elementos necessrios para garantir o funcionamento correcto da ligao da instalao do utilizador ao ponto TB.
O B-NT1 s inclui funes da camada fsica, nomeadamente a terminao da linha de transmisso, interface de transmisso e funes de operao e manuteno.
O grupo funcional Terminao de Rede 2 (B-NT2) o ncleo da rede na instalao do utilizador.
O B-NT2 pode desempenhar as funes de concentrador, multiplexer/demultiplexer ou de comutador privado, podendo neste ltimo caso ter uma implementao concentrada ou distribuda. O B-NT2 engloba no s funes da camada fsica, mas tambm das camadas superiores.
O equipamento terminal de tipo 1 (B-TE1) ser um terminal compatvel com as caractersticas
ATM da interface SB, enquanto que o equipamento terminal de tipo 2 (TE2) no possui essa compatibilidade, necessitando de um Adaptador de Terminal (B-TA) para se poder ligar a SB.
Trs pontos de referncia existem na configurao: R, SB e TB. As caractersticas de interface em
R dependem do tipo de TE2 que estiver a ser adaptado para ATM. No que respeita a SB e a TB, ambos podero ter um ritmo de 155,520 ou 622,080 Mbit/s, embora actualmente nas Recomendaes esteja muito mais avanada a definio das caractersticas bsicas para 155,520 Mbit/s do que para 622.080 Mbit/s.
Em TB, para 155,520 Mbit/s quer interfaces pticas quer elctricas so recomendadas. A soluo escolhida depende da distncia a ser coberta e de requisitos do utilizador. Em qualquer dos casos ser feita uma ligao ponto a ponto.
As caractersticas de SB, para o ritmo de 155,520 Mbit/s ainda no esto completamente definidas e embora seja desejvel uma compatibilidade das caractersticas em SB e TB, de modo a que se possa ligar directamente equipamento terminal em TB, essa compatibilidade ainda no foi acordada ao nvel do ITU-T.
O ATM Forum define na especificao da ATM UNI 3.1 duas interface utilizador-rede (UNI)
ATM distintas, tal como se mostra na figura 5.11.
UNI Pblica: usada para interligar um utilizador ATM com um comutador ATM instalado numa rede pblica.
UNI Privada: usada para interligar um utilizador ATM com um comutador ATM privado, isto ,
pertencente rede privada de uma organizao.
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ATMUser Public
ATMSwitch
Public Network
Private UNI Public UNI
Customer Premises Equipment
PrivateATM
Switch
ATMUser
ATMUser
Fig. 5.11 - Configurao de referncia da interface utilizador-rede de acordo com o ATM Forum
A principal distino entre os dois tipos de UNI no nvel fsico, atravs da utilizao de
diferentes meios fsicos e distncias. Ambos os tipos de interfaces utilizam a mesma especificao no nvel ATM.
Na figura 5.12 apresentam-se outras interfaces ATM definidas pelo ITU-T e pelo ATM Forum.
TEPrivateATM
SwitchpUNI PNNI
TEP-UNI
Rede ATM Privada
TEP-UNI
TEUNI NNI
Rede ATM PblicaOperador A
UNI
TE UNI
B-ICI NNI
Rede ATM PblicaOperador B
TEUNI
TEUNI
PrivateATM
Switch
PublicATM
Switch
PublicATM
Switch
PublicATM
Switch
PublicATM
Switch
Fig. 5.12 - Interfaces ATM de acordo com o ATM Forum e ITU-T
Para alm das interfaces UNI Privada (P-UNI) e UNI Pblica (UNI), so visveis na figura as
seguintes interfaces ATM:
NNI (Network Node Interface): utilizada para interligao entre Ns de comutao ATM pblicos.
PNNI (Private Network Node Interface): utilizada para interligao entre Ns de comutao
ATM privados. B-ICI (Broadband Intercarrier Interface): utilizada para interligao entre redes pblicas
de operadores diferentes. O ATM Forum especificou na ATM UNI 3.1 os seguintes tipos de interfaces UNI: Interface fsica SDH STM-1 / SONET STC-3c a 155,52 Mbit/s ( UNI pblica/ privada) Interface fsica DS3 a 44,736 Mbit/s ( UNI pblica/privada) Interface fsica a 100 Mbits para fibra multimodo, baseada em FDDI (UNI privada) Interface fsica a 155,52 Mbits para fibra multimodo ( UNI privada) Interface fsica E4 a 139,264 Mbit/s (UNI pblica)
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Interface fsica E3 a 34,368 Mbit/s (UNI pblica) Interface fsica a 155,52 Mbit/s sobre par entranado UTP-5 (UNI privada) Interface fsica a 51,8 Mbit/s sobre par entranado UTP-3 com sub-ritmos 25,92 Mbit/s e 12,96 Mbit/s (UNI privada) Interface fsica a 25,6 Mbit/s sobre par entranado Interface fsica DS1 a 1,544 Mbit/s (UNI pblica) Interface fsica E1 a 2,048 Mbit/s (UNI pblica) Analisaremos em seguida as principais caractersticas das diversas interfaces UNI, nomeadamente
as principais funes do nvel fsico, sub-camadas PM e TC.
5.3.1. Interface fsica SDH STM-1 / SONET STC-3c
Esta interface baseada nos standards SONET/SDH (Synchronous Digital Hierarchy), hierarquia STC-3c / STM-1, respectivamente para os EUA e para a Europa, com o ritmo de 155,52 Mbit/s. uma interface ptica, aplicvel em ambas as UNI, pblica e privada.
As funes da camada fsica da UNI no plano do utilizador esto agrupadas em duas subcamadas, a TC e a PM, sendo indicadas na figura 5.13. A camada TC independente das caractersticas do meio fsico de transmisso.
HEC generation/verification
Cell scrambling/descrambling
Cell delineation (H4, HEC)
Path signal identification (C2)
Frequency justification/Pointer processing
Multiplexing
Scrambling/descrambling
Transmission frame generation/recovery
Bit timing, Line coding
Physical medium
SDH/SONET
B-ISDNspecific functions
TC
PM
Fig. 5.13 - Funes da camada fsica da UNI STC-3c / STM-1 no plano do utilizador
As caractersticas fsicas (PM) desta UNI esto definidas na ITU-T G.708, G.709. As
caractersticas da subcamada TC esto definidas na ITU-T I.432.2.
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J1
B3
C2
G1
. . .
. . .
STM-1
VC-43
1
5
VC-4 POH
SOH
SOH
A1 A1 A1 A2 A2 A2 J0
B1
H1 Y Y H2 1* 1* H3 H3 H3
B2 B2 B2
Z2 Z2 M1
K2
AU-4 PTR
9 octets 261 octetsTransmission direction
STM-1 SOH structureATM cell
53 octets
1* All 1s byteY 1001SS11 (S bits are unspecified)
Fig. 5.14 - Estrutura da trama STM-1
5.3.2. Interface fsica a 155,52 Mbits para fibra multimodo
Esta interface especifica no nvel fsico um ritmo de 155,52 Mbit/s para fibra multimodo, sendo especificada num documento do ITU-T, especificao do Fibre Channel Physical Layer. aplicvel na UNI privada.
TC
HEC Generation/Verification 125 s clock recovery
Cell delineation
PM Bit Timing, Line coding Physical Medium
Fig. 5.15 - Funes da camada fsica a 155,52 Mbit/s para fibra multimodo no plano do utilizador As caractersticas fsicas (PM) desta UNI esto definidas pelo ITU-T. As caractersticas da
subcamada TC esto definidas na ITU-T I.432.
M. Serafim Nunes 20 RIS - IST, Outubro 2004
5.3.3. Interface fsica E3 a 34,368 Mbit/s
Esta interface baseada nos standards E3 da hierarquia PDH (Plesiochronous Digital Hierarchy), com o ritmo de 34,368 Mbit/s, para a Europa. aplicvel em ambas as UNI, pblica e privada.
Para transporte de clulas ATM sobre PDH foi desenvolvida a Recomendao do ITU-T G.804, "ATM cell mapping into plesiochronous digital hierarchy (PDH)".
530 octetosInformao
9linhas
59 colunas
FA1 FA2
TR
MA
MR
GC
EM
Fig. 5.16 - Estrutura da trama de 34,368 Mbit/s
5.3.4. Interface fsica a 25,6 Mbit/s sobre par entranado
Esta interface baseada no standard de transmisso do Token Ring, com o ritmo de 25,6 Mbit/s. aplicvel na UNI privada.
TC
HEC Generation/Verification Cell Scrambling/Descrambling
Line Coding/Decoding Cell Delineation
PM Bit Timing Physical Media
Connectors
Fig. 5.17 - Funes da camada fsica da UNI a 25,6 Mbit/s no plano do utilizador As caractersticas fsicas (PM) e da subcamada TC desta UNI esto definidas na especificao
AF-PHY-0040.000 - "Physical Interface Specification for 25,6 Mbps over Twisted Pair Cable" do ATM Forum e na ETS 300 811 do ETSI.
O cdigo de linha utilizado o 4B5B, de que resulta um ritmo de smbolos na linha de 32 Mbaud (25,6 M x 5/4). A distncia mxima alcanada com par entranado UTP-5 de 100 metros.
O cdigo 4B5B utilizado o indicado na tabela seguinte.
Tabela 5.1 - Tabela de smbolos do cdigo 4B/5B da camada fsica da UNI a 25,6 Mbit/s
Dados Smbolo Dados Smbolo 0000 10101 1000 10010 0001 01001 1001 11001 0010 01010 1010 11010 0011 01011 1011 11011
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0100 00111 1100 10111 0101 01101 1101 11101 0110 01110 1110 11110 0111 01111 1111 11111 ESC (X) 00010
Este cdigo tem vrias propriedades de transmisso interessantes, de que se destacam:
- Mdia de 3 transies de nvel em cada elemento de 5 smbolos - A codificao/descodificao no afectada pela incorporao de scrambler - A sequncia do mesmo smbolo (run length) limitada a
M. Serafim Nunes 22 RIS - IST, Outubro 2004
Descrambler84Remoo de4
octetos decomando
PRNG5
4B/5BDescodificador
NRZIDCk
8KHz SOC
Descodificador 4
Fig. 5.21 - Diagrama de blocos do receptor da UNI a 25,6 Mbit/s
5.3.5. Interface fsica E1 a 2,048 Mbit/s
Esta interface baseada nos standards E1 da hierarquia PDH (Plesiochronous Digital Hierarchy), com o ritmo de 2,048 Mbit/s, para a Europa. aplicvel em ambas as UNI, pblica e privada.
A adaptao das clulas trama fsica de transmisso definida na recomendao G.804 do ITU-T, "ATM cell mapping into plesiochronous digital hierarchy (PDH)", Maro 1993. As clulas ATM ocupam os slots 1 a 15 e 17 a 31, no havendo alinhamento entre as clulas ATM e as tramas fsicas.
Na figura 5.24 apresenta-se como exemplo os protocolos utilizados na interface fsica ATM a
2,048 Mbit/s, tal como especificado pelo ITU-T e ATM Forum.
I.432.3 Adaptao do ritmo de clula Gerao/Verificao de HEC
Delineamento de clula
TC G.804 Adaptao das clulas ATM trama fsica E1
G.704 Gerao/Recuperao da trama fsica E1
PM G.703 Temporizao de bit Meio Fsico
Fig. 5.22 - Funes da camada fsica da UNI E1 a 2 Mbit/s no plano do utilizador A adaptao do fluxo de clulas estrutura da trama fsica de transmisso definida na
recomendao G.804 do ITU-T, tal como se mostra na figura 5.23.
0 1 16 31 Octeto30172 3 4 5 6
ATM Header Trama 0
Trama 1
Trama 2
Trama 3
Trama 4
Campo de Informao
Campo de Informao
18 19 20 217 8 9 151413121110 22 23 24 25 26 27 28 29
Campo de Informao
Campo de Informao
Campo de Informao
Campo de Informao
Campo de Informao
Campo de Informao
Campo de Informao
Campo de Informao
Campo de Informao
Campo de Informao Trama 5
ATM Header
ATM Header
ATM Header
Fig. 5.23 - Mapeamento de clulas ATM na intreface fsica E1
A interface E1 com o ritmo de 2,048 Mbit/s tem uma trama estruturada em 32 slots de um octeto
cada, sendo o slot 0 reservado para sincronismo de trama e o slot 16 em geral utilizado para sinalizao. Como se mostra na figura, as clulas ATM ocupam os slots 1 a 15 e 17 a 31, no havendo contudo alinhamento entre as clulas ATM e as tramas fsicas. Assim, embora a primeira clula ATM esteja alinhada com o incio da trama 1, j nas seguintes clulas tal alinhamento se no verifica, tornando o alinhamento de clulas completamente independente da trama fsica de transmisso.
M. Serafim Nunes 23 RIS - IST, Outubro 2004
6. Camada de Adaptao ATM O objectivo do modo de transferncia ATM obter uma RDIS de banda larga simples e flexvel.
Na realidade as funes da camada ATM satisfazem os requisitos de simplicidade e flexibilidade, atendendo a que a camada ATM fornece um servio que independente da estrutura da unidade de informao e do ritmo dos servios de telecomunicaes suportados.
Porm, estas caractersticas conduzem aos seguintes inconvenientes ao nvel da camada ATM:
i) no h informao quanto frequncia de relgio correspondente ao servio suportado; ii) existe uma variao no atraso de propagao das diferentes clulas, devido aos diferentes
tempos de propagao das clulas na rede; iii) no existe informao sobre a delimitao das unidades de informao ao nvel do servio
de telecomunicaes suportado; iv) clulas perdidas na rede, como resultado de um enchimento nos buffers ou de erro no
identificador da clula, no so detectadas; v) clulas mal inseridas, isto , clulas que so entregues ao destino errado, no so
detectadas. Torna-se consequentemente necessrio garantir para cada servio de telecomunicaes que a
respectiva qualidade de servio no degradada, por causa dos referidos inconvenientes. A funo da camada de adaptao ATM (ATM Adaptation Layer - AAL) garantir as solues
apropriadas para cada caso de modo a alcanar-se a qualidade de servio requerida. As caractersticas da AAL esto dependentes do servio. Porm, em geral, as funes que a AAL
deve executar para complementar o servio da camada ATM so as seguintes: i) recuperao da frequncia de relgio correspondente ao servio suportado, quando
requerido pelas caractersticas do servio; ii) compensao da variao do atraso das clulas, quando requerido pelas caractersticas do
servio; iii) mapeamento das unidades de informao da camada acima da AAL nos campos de
informao das clulas; iv) deteco da ocorrncia de clulas perdidas e providenciar as medidas necessrias para
diminuir o impacto desta situao na qualidade de servio; v) deteco da ocorrncia de clulas mal inseridas e correspondente eliminao dessas clulas.
Embora a maneira precisa em que a AAL executa as funes referidas dependa do servio, um
objectivo claro reduzir o nmero de diferentes protocolos AAL tanto quanto possvel. Como h algumas funes comuns entre os diferentes servios, eles podem ser agrupados num pequeno nmero de classes, correspondendo cada classe a um conjunto bem definido de funes bsicas. Com o objectivo de se poder definir um nmero limitado de protocolos AAL, os servios de telecomunicaes podem-se dividir em quatro classes, conforme indicado na figura 6.1.
Relao Temporal
Ritmo
Modo de conexo
Classe A Classe B Classe C Classe D
Existente No existente
Constante Varivel
Com conexo Sem conexo(connection-oriented) (connectionless)
Fig. 6.1 - Classificao dos servios para AAL A classificao dos servios relativamente ao AAL feita baseada em trs parmetros: relao
temporal entre fonte e destino, ritmo e modo de conexo. Consideram-se que s existem quatro
M. Serafim Nunes 24 RIS - IST, Outubro 2004
combinaes vlidas dos parmetros para este efeito, o que d origem s definies de quatro classes de servios, designadas de A a D. Como exemplos destas classes temos os seguintes:
- Classe A - telefonia, video e audio de ritmo constante - Classe B - video e audio de ritmo varivel - Classe C - sinalizao, transferncia de ficheiros - Classe D - mensagens "sem conexo".
Para cada uma destas classes definido pelo menos um tipo de AAL. O modelo geral da AAL mostrado no diagrama da figura 6.2.
SAP
SAP
Service specific CS(pode ser nulo)
Common Part CS
SAR (comum)
Primitivas
Primitivas
AAL
SSCS
CPCS
CS
SAR
Common
CS - Convergence Sublayer CPS - Common Part Sublayer SAP - Service Access Point
SSCS - Service Specific Convergence Sublayer CPCS - Common Part Convergence Sublayer SAR - Segmentation and Reassembly Sublayer
Part Sublayer
(CPS)
Fig. 6.2 - Estrutura do AAL
Conforme se indica na figura, a camada AAL dividida em duas sub-camadas, SAR e CS. A
subcamada CS pode ser por sua vez sub-dividida em duas: CPCS (Common Part CS) e SSCS (Service Specific CS).
Para cada tipo de AAL estas funes bsicas so realizadas na subcamada Segmentao e Reassemblagem (SAR - Segmenting and reassembly sublayer). A subcamada acima da SAR chamada subcamada de convergncia (CS - Convergence Sublayer) e implementa as funes AAL complementares s bsicas, requeridas para cada servio especfico dessa classe. Haver portanto para cada tipo de AAL um CS distinto para cada servio.
Esto definidos actualmente 4 tipos de AAL, tipo 1, 2, 3/4 e 5, designados abreviadamente por
AAL1, AAL2, AAL3/4 e AAL5, que analisaremos em seguida.
M. Serafim Nunes 25 RIS - IST, Outubro 2004
7. AAL tipo 1 O AAL tipo 1 (AAL1) especificado na recomendao I.363.1 (B-ISDN ATM Adaptation Layer
Type 1 Specification) do ITU-T. So especificadas nesta recomendao as subcamadas SAR e CS, definidas atrs na figura 6.2.
O AAL1 utilizado para servios de ritmo constante com relao temporal entre a fonte e o
destino. As principais funes do servio proporcionado pelo AAL1 ao utilizador so as seguintes:
Transferncia de unidades de dados com ritmo constante e a sua entrega no destinatrio com o mesmo ritmo;
Transferncia de informao temporal entre fonte e destinatrio; Transferncia de estrutura de informao entre fonte e destinatrio; Indicao de informao perdida ou errada no recuperada pelo AAL1, se necessrio.
7.1. Sub-camada SAR As principais funes da sub-camada SAR do AAL1 so as seguintes: No emissor o SAR aceita blocos de 47 octetos da sub-camada superior (CS), junta-lhe um
octeto de cabealho de SAR e envia os 48 octetos para o nvel ATM; No receptor o SAR recebe blocos de 48 octetos da camada ATM, separa o octeto de cabealho
de SAR e envia os 47 octetos restantes para a sub-camada superior CS; O SAR recebe do CS um campo de sequncia de contagem (SC) e um bit de funo CSI, os
quais so inseridos no cabealho do SAR para envio ao CS do destinatrio. O campo SC pode ser utilizado pelo CS para detectar cluals perdidas ou mal inseridas.
O SAR proteje os campos SC e CSI contra erros de transmisso com um campo de deteco e
correco de erros. No receptor o SAR indica ao CS se os campos SC e CSI tm erros ou no. A unidade de dados de protocolo ("Protocol Data Unit"-PDU) ao nvel da SAR do AAL1 a
indicada na figura 7.1.
Cabealho Informao da CS
4 bits 47 octetos4 bits
SN SNPda clula
Fig. 7.1 - PDU da SAR para AAL tipo 1
O primeiro octeto do campo de informao da clula utilizado para a insero de um nmero de
sequncia ("Sequence number" - SN) e do respectivo campo de proteco ("Sequence Number Protection" - SNP), baseado no polinmio gerador G(x) = x3+x+1 com um bit extra de paridade. A existncia do campo SN permite determinar na recepo se houve clulas perdidas ou mal inseridas durante a transmisso. Os restantes 47 octetos transportam a informao da subcamada superior, CS.
Uma anlise mais detalhada dos campos SN e SNP apresentada na figura 7.2.
M. Serafim Nunes 26 RIS - IST, Outubro 2004
Cell Header
5
SN SNP
1 47 octetos
SAR-PDU payload SAR-PDU
SAR-SDU
header
SC
SN SNP
CRC Paridade S7 S6 S1 S5 S4 S3 S2 S0
CSI Par
SN - Sequence Number (4 bits) SNP - Sequence Number Protection (4 bits) SC - Sequence Count CSI - Convergence Sublayer Indicator
Fig. 7.2 - Formato da SAR-PDU para AAL type 1 O campo SN constitudo por dois sub-campos, o CSI (Convergence Sublayer Indicator) e o SC
(Sequence Count). O bit CSI pode ser utilizado pela camada superior nomeadamente para indicar o incio de uma estrutura de dados multi-clula. O campo SC utilizado como contador de clulas, mdulo 8 (0 a 7), sendo incrementado por cada clula de dados transmitida, o que permite detectar clulas perdidas ou mal inseridas.
O campo SNP tambm constitudo por dois sub-campos, o CRC (Cyclic Redundancy Check) e o bit de Paridade par. O campo CRC de trs bits contm o resto da diviso mdulo 2 pelo polinmio gerador x3+x+1 do produto x3 multiplicado pelo contedo do campo SN.
Conjuntamente os dois sub-campos SN e SNP permitem corrigir um bit de erro do cabealho do SAR ou detectar vrios bits de erro, como se mostra na figura 7.3.
Correco Modo
Deteco
Erro no detectado (SN vlido)
detectado (SN vlido)
Erro no detectado (SN invlido)
Erro
Erro de um bit detectado (SN vlido aps correco)Vrios erros de bit detectados (SN invlido)
Modo
Fig. 7.3 - Modos de operao do receptor baseados no SNP
O receptor examina o campo SNP para deteco de erros do cabealho do SAR. Se estiver no
Modo Correco, s corrige erros de um bit e passa para o Modo Deteco. Se estiver no Modo Deteco todos os cabealhos com erros detectados so declarados com SN invlido e continua no mesmo modo. Se estiver no Modo Deteco e no houver erros, o receptor muda para o Modo Correco.
As operaes a executar no Modo Correco so sintetizadas na Tabela 7.1.
Tabela 7.1 - Operaes no Modo Correco
Sindroma CRC
Paridade Aco no SN+SNP currente
Prximo estado
Zero No h violao No h aco correctiva. SN vlido
Continua no Modo Correco
No-Zero Violao Correco de um bit basedo no sindroma. SN vlido
Muda para o Modo Deteco
Zero Violao Corrige o bit de paridade. SN vlido
Muda para o Modo Deteco
No-zero No h violao No h aco correctiva: erros mltiplos no so corrigveis. SN invlido
Muda para o Modo Deteco
As operaes a executar no Modo Deteco so sintetizadas na Tabela 7.2.
M. Serafim Nunes 27 RIS - IST, Outubro 2004
Tabela 7.2 - Operaes no Modo Deteco
Sindroma CRC Paridade Aco no SN+SNP currente
Prximo estado
Zero No h violao No h aco correctiva. SN vlido
Muda para o Modo Correco
No-Zero Violao No h aco correctiva. SN invlido
Continua no Modo Deteco
Zero Violao No h aco correctiva. SN invlido
Continua no Modo Deteco
No-zero No h violao No h aco correctiva. SN invlido
Continua no Modo Deteco
7.2. Sub-camada CS de AAL1 As principais funes da sub-camada CS so as seguintes: Agrupamento da informao em blocos de 47 octetos no emissor para envio para o SAR e
respectiva operao inversa no receptor; Processamento da variao do atraso das clulas, de modo a entregar ao nvel superior um
ritmo constante; Recuperao da frequncia de relgio correspondente ao servio suportado, quando requerido
pelas caractersticas do servio; Deteco da ocorrncia de clulas perdidas e implementao das medidas necessrias para
diminuir o impacto desta situao na qualidade de servio; Deteco da ocorrncia de clulas mal inseridas e correspondente eliminao dessas clulas.
7.2.1. Processamento da sequncia de clulas
No emissor so atribudos valores consecutivos do SC, de 0 a 7, a cada clula pertencente a um determinado circuito virtual. No receptor o nmero de sequncia testado com vista a testar a sequncia das clulas recebidas. Se houver uma violao da ordem de envio, h um processamento da sequncia de valores de SN recebidos com vista a determinar o tipo de erro que ocorreu.
Analisam-se em seguida as principais ocorrncias na recepo de clulas e as aces a tomar em cada caso, tal como indicado na figura 7.4.
N - 3
Clula "dupla" (mal inserida)
Perda de mltiplas clulas
N + 1a)
b)
c)
d)
e)
N - 2 N - 1 Clula perdidaN + 2 N + 3
N - 3 N - 2 N - 1 X Erros no SNN + 1 N + 2
N - 3 N - 2 N - 1
N - 3 N - 2 N - 1
N - 3 N - 2 N - 1 N + 1NN
N Y Y+1
Y N N + 1 Clula mal inserida
Fig. 7.4 - Possveis erros na recepo de clulas AAL1
a) Clula perdida: se faltar uma clula com nmero de sequncia (SC) igual a N, a clula perdida
substituda por outra com um contedo predefinido (dummy).
b) Clula com erro no nmero de sequncia: se entre as clulas N-1 e a N+1 uma clula com SC igual a Y for recebida, provvel que o SC tenha sido corrompido de N para Y e portanto a clula considerada correcta e aceite.
M. Serafim Nunes 28 RIS - IST, Outubro 2004
c) Clula mal inserida: se entre as clulas N-1 e N uma clula com SC igual a X for recebida, a clula considerada mal inserida e eliminada.
d) Duas clulas seguidas com o mesmo nmero de sequncia: se duas clulas com o mesmo SC
forem recebidas em seguida, h uma probabilidade igual de qualquer delas ser a correcta, sendo aceite a primeira para simplificar o controlador.
e) Mltiplas clulas perdidas: se houver um salto do SC de X para Y com intervalo maior que trs, h
uma perda elevada de clulas e o receptor reinicializado. Se a diferena for igual ou inferior a 3, so inseridas clulas dummy. Na recomendao I.363.1 do ITU-T so definidas funes especficas para cada um dos quatro
tipos de servio a seguir indicados: Funes do CS para transporte de circuitos Funes do CS para transporte de sinais de video Funes do CS para transporte de sinais na banda de voz Funes do CS para transporte de sinais de audio de alta qualidade O primeiro tipo de servio, designado habitualmente por Emulao de Circuitos consiste no
transporte atravs de uma rede ATM de circuitos assncronos e sncronos de ritmo constante (CBR - Constant Bit-Rate). De entre os circuitos assncronos, isto , circuitos que no esto controlados por um relgio de rede, salientam-se pela sua importncia os ritmos definidos na recomendao G.702 para a hierarquia de transmisso PDH, nomeadamente os ritmos so de 2,048 e 34,368 Mbit/s. De entre os circuitos sncronos salientam-se os circuitos com ritmos de 64, 384, 1536 e 1920 Kbit/s, utilizados nomeadamente nos servios de suporte RDIS.
7.2.2. Mtodo de correco de clulas perdidas
Em servios que requeiram uma alta qualidade e consequentemente uma muito baixa taxa de erros, como o caso de audio de alta fidelidade e video, so utilizadas funes adicionais de correco de erros na sub-camada CS. Estes mtodos so baseados em tcnicas combinadas de entrelaamento e de FEC (Forward Error Correction).
Assim, exemplificando para o vdeo de alta qualidade utilizado um cdigo corrector de erros Reed-Solomon (128,124), o qual por ter um campo FEC de 4 octetos (128-124) permite corrigir um mximo de dois octetos com erros. O formato da trama FEC mostrada na figura 7.5.
Trama FEC
1 2 3 ... 124 1 2 3 4
Dados FEC
Fig 7.5 - Formato do trama FEC
Na emisso a cada bloco de dados de 124 octetos adicionado um campo FEC de correco de
erros de 4 octetos, formando tramas de 128 octetos. De modo a utilizar os campos do cabealho do SAR para alinhamento das tramas FEC, define-se
um bloco FEC como um conjunto de 47 tramas FEC, em que a primeira trama FEC marca o incio do bloco, com SC=0 e CSI=1, tal como se mostra na figura 7.6.
128 octetos 128 octetos
Trama FEC 1 Trama FEC 2
... 128 octetos
Trama FEC 47
128 octetos
Bloco FEC (CS-PDU)
SC=0CSI=1
Trama FEC 1
...
SC=0CSI=1
Fig 7.6 - Formato do bloco FEC
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O campo FEC das tramas por si s tem capacidade de corrigir at 2 octetos com erro, o que suficiente para corrigir a grande maioria dos erros de transmisso no campo de informao, contudo no tem capacidade para corrigir erros resultantes de perda de clulas, apenas podendo detectar a perda de clulas.
Para conseguir proteco em caso de perda de clulas utiliza-se simultaneamente com o FEC um outro mecanismo chamado entrelaamento (de bit ou octeto), o qual baseado no envio para a rede ATM de informao entrelaada de diferentes tramas FEC, de modo a que no caso de se perder uma clula, s se perca um reduzido nmero de bits ou octetos de cada bloco de informao, permitindo assim a sua recuperao total.
Na figura 7.7 exemplifica-se a utilizao de uma matriz de entrelaamento de octetos aplicvel s tramas FEC que analisamos anteriormente.
4 octetos124 octetos
FECDados
Ordem de Escrita na Matriz
Ordemde leiturada matriz
1
2
47
: : :
Fig 7.7 - Estrutura e formato da matriz de entrelaamento As tramas FEC so escritas em linhas sucessivas da matriz de entrelaamento, sendo a leitura dos
dados e a sua insero em clulas ATM feita coluna a coluna, em que cada coluna de 47 octetos corresponde exactamente ao campo de informao do SAR de AAL1.
Assim, se se perder uma clula ATM, correspondente a perder uma coluna da matriz, s se perde um octeto de cada trama FEC, pelo que a informao completamente recuperada. De facto, utilizando o cdigo Reed-Solomon que vimos acima, podem-se perder at duas clulas em cada bloco de 47 clulas, tornando virtualmente imune a erros a informao do utilizador.
O mtodo combinado de FEC e entrelaamento muito eficaz, tendo contudo o inconveniente de provocar um atraso de transmisso suplementar devido ao tempo de preenchimento da matriz, o que particularmente grave para servios de baixo ritmo, em que os tempos de preenchimento da matriz so mais elevados.
7.2.3. Mtodo de transferncia de informao estruturada
De acordo com ITU-T I.363.1 a sub-camada CS suporta qualquer estrutura fixa baseada em octetos para a transferncia de dados estruturados. Quando a dimenso da estrutura superior a um octeto, a CS utiliza um apontador para marcao do bloco estruturado. Deste modo, o payload do SAR-PDU tem dois formatos distintos, denominados formato P e No-P, os quais so ilustrados na fig. 7.8.
SAR-PDU payload (47 octetos)SAR-PDU header
SAR-SDU (47 octetos)SC / CRC / Paridade CSI
CSI = 0
SAR-PDU header
SAR-SDUSC / CRC / Paridade CSI
CSI = 1
Pointer
SAR-PDU payload (47 octetos)
SAR-SDU (46 octetos)
Formato No P
Formato P
Fig 7.8 - Formatos do campo Pointer
M. Serafim Nunes 30 RIS - IST, Outubro 2004
Com o mtodo SDT ( Structured Data Transfer) o empacotamento da informao da AAL do utilizador no payload do SAR-PDU, na emisso do AAL CS, e a operao inversa de desempacotamento no lado da recepo so necessrios para manter a integridade e sequencialidade de cada octeto da AAL do utilizador transferido entre a AAL CS e a AAL do utilizador.
Quando a dimenso do bloco 1 octeto, o protocolo SDT gera apenas SAR-PDU no formato no-P. Para dimenses superiores a 1, o protocolo SDT recorre utilizao de apontadores, de modo a fornecer informao sobre a dimenso do bloco SDT uma vez em cada 8 SAR-PDU, correspondendo a um ciclo do contador sequencial.
a) Operaes utilizando o formato no-P Neste formato, o CS-PDU preenchido com informao do utilizador. Este formato utilizado se
o valor do contador sequencial no cabealho do SAR-PDU tem os seguintes valores: 1, 3, 5 ou 7.
b) Operaes utilizando o formato P No formato P, o primeiro octeto do payload do SAR-PDU preenchido com o campo do
apontador. Os restantes octetos so preenchidos com informao do utilizador. Este formato poder ser usado se o valor do contador sequencial no cabealho do SAR-PDU 0, 2, 4, ou 6.
A figura 7.9 ilustra o formato do campo do apontador.
Pointer (8 bits)
Campo Offset (7 bits)Bit Reser.
Fig. 7.9 - Formato do apontador
O campo Offset do apontador contm o valor em binrio do nmero de octetos entre o fim do
apontador e o incio do prximo bloco estruturado. O offset est compreendido entre 0 e 93 inclusive. O valor 93 correspondente aos 46 octetos do payload do SAR-PDU corrente somado aos 47 octetos do payload do SAR-PDU seguinte. O valor de 127 usado para indicar que o limite do bloco estruturado no se encontra no SAR-PDU corrente nem no seguinte.
O formato P utilizado uma vez em cada ciclo, onde um ciclo corresponde a uma sequncia de 8 SAR-PDUs consecutivos, com valores de contador entre zero e sete. O formato P usado na primeira oportunidade num ciclo para apontar o incio da fronteira do bloco estruturado. Caso num ciclo no exista o incio ou fim de um bloco estruturado, ento o formato P com o valor de 127 no apontador utilizado na ltima oportunidade num ciclo, ou seja no contador sequencial com o valor de 6.
Se o incio de uma estrutura de um bloco no est presente num ciclo, mas coincide com o incio do prximo ciclo, ento o formato P com um valor de offset de 93 usado no SAR-PDU com o valor sequencial de 6. Neste caso, o formato P com o offset de 0 usado no SAR-PDU com o valor sequencial de 0, no prximo ciclo.
D-se em seguida um exemplo da utilizao do mtodo de transferncia de informao
estruturada para o transporte de blocos de 40 octetos.
M. Serafim Nunes 31 RIS - IST, Outubro 2004
46 octetos
SAR-SDU
SC=0
SNCSI=1
P
Offset=0
40 octetos
SAR-SDU
SC=1
SNCSI=0
47 octetos
SAR-SDU
SC=2
SNCSI=0
47 octetos
SAR-SDU
SC=3
SNCSI=0
47 octetos
SAR-SDU
SC=4
SNCSI=0
47 octetos
SAR-SDU
SC=5
SNCSI=0
47 octetos
SAR-SDU
SC=6
SNCSI=0
47 octetos
SAR-SDU
SC=7
SNCSI=0
46 octetos
SAR-SDU
SC=0
SNCSI=1
P
47 octetos
SAR-SDU
SC=1
SNCSI=0
47 octetos
40 octetos
40 6 34 13
40 octetos 40 octetos 40 octetos 40 octetos 40 octetos
27 20 20 27 13 34 6 40 1
40 octetos
39 8
40 octetos
32 15
40 octetos
25
Offset=25
21
40 octetos 40 octetos
19 28 12
Fig. 7.10 - Exemplo de transferncia de informao estruturada
7.2.4. Recuperao de relgio da fonte
A recuperao do sinal de relgio da fonte um mecanismo da camada CS necessrio no transporte de servios CBR atravs de uma rede baseada no modo de transferncia ATM.
A necessidade de recuperao do sinal de relgio deve-se, fundamentalmente, s pequenas diferenas na velocidade de transmisso que existem entre o relgio do emissor e o do receptor, e natureza estatstica da rede ATM, que introduz uma componente de jitter e wander no atraso de transmisso da clula atravs da rede, que tem uma influncia negativa no desempenho de determinados servios, em particular nos servios CBR.
O jitter (tremura) e o wander (vagueio) so definidos como variaes aleatrias de atraso de recepo de dados, consequncia do atraso varivel de recepo de clulas, devida aos nveis variveis de atraso das clulas nas filas de espera existentes nos diversos comutadores (ou outros componentes da rede ATM). Para o ritmo de 2 Mbit/s o jitter definido para frequncias superiores a 20 Hz, enquanto o wander definido para frequncias abaixo de 20 Hz.
A principal funo dum sistema de recuperao de relgio gerar um relgio de servio idntico ao relgio usado pelo transmissor, o que significa um relgio com a mesma frequncia instntanea, isto , a mesma evoluo temporal, respeitando as mximas variaes que se encontram definidas internacionalmente.
Os mtodos de recuperao do sinal de relgio podem ser realizados de diferentes maneiras e com recurso a vrios algoritmos dos quais se salientam os seguintes:
utilizao de um relgio muito preciso no receptor, com uma frequncia muito prxima da utilizada pelo emissor, contudo este mtodo implica a perda de dados periodicamente devido aos desvios entre os dois relgios;
utilizao de estimativas da frequncia do relgio emissor com base no ritmo de chegada de informao ao receptor. Estes mtodos designam-se adaptativos e so caracterizados por no necessitarem de relgio comum entre a fonte e o destinatrio.
utilizao de um relgio preciso sofrendo correces peridicas com base em informao temporal transportada nas clulas ATM. Estes mtodos so designados Time Stamp e necessitam de um relgio comum de referncia na fonte e no destino
O primeiro mtodo apresenta a vantagem de no requerer a transferncia de qualquer informao
adicional nos campos das clulas relativa a informao temporal, mas tem o srio inconveniente de poder originar erros devido ao facto das frequncias dos relgios no serem idnticas. Outro inconveniente o de os circuitos de relgio do emissor e do receptor serem bastante mais dispendiosos que outros mtodos, devido sua alta preciso, razes pelas quais esta soluo pouco utilizada.
O funcionamento do segundo e terceiro mtodos so apresentados em seguida.
M. Serafim Nunes 32 RIS - IST, Outubro 2004
7.2.4.1. Mtodos adaptativos Os mtodos adaptativos utilizam estimativas da frequncia do relgio emissor com base no ritmo
de chegada de informao, sendo por isso os que em princpio so mais sujeitos a desvios entre os relgios do emissor e do receptor, no apresentando contudo as desvantagens dos outros mtodos j apresentados, como sejam circuitos de relgio dispendiosos, perda de dados, desperdcio da largura de banda ou necessidade de um relgio comum no emissor e no receptor.
Os mtodos adaptativos podem basear-se em vrios tipos de mecanismos:
Mdia deslizante baseada nos ltimos N perodos de chegada de clula; Mdia deslizante interactiva com o ltimo perodo de chegada de clulas; Funo do nvel de enchimento da FIFO - variao linear; Funo do nvel de enchimento da FIFO - variao no-linear.
Mdia Deslizante Os algoritmos de Mdia Deslizante so extremamente simples em termos de concepo e apenas
necessitam de componentes bsicos na sua implementao. A ideia por detrs destes algoritmos recorrer informao directa que se obtm atravs da determinao dos diferentes perodos de tempo entre a chegada consecutiva de duas clulas (que varia devido aos atrasos aleatrios que as clulas sofrem na rede ATM, como j se analisou) para alterar o intervalo de tempo entre cada leitura de informao da FIFO, ou seja, produzir o relgio de leitura do buffer de dados.
Os sistemas de Mdia Deslizante obtiveram o seu nome derivado do processo de clculo do perodo de leitura de informao da FIFO que se baseia na mdia aritmtica, onde o nome deslizante se deve variao do seu valor em funo do ltimo perodo de chegada de clula.
As tcnicas adaptativas de mdia deslizante podem dividir-se em dois tipos bsicos:
a) as baseadas nos N ltimos perodos de chegada de clula guardando-os em N registos, apenas se descartando do valor do perodo de chegada mais antigo a cada ciclo do relgio de amostragem, armazenando o ltimo valor obtido no Registo 1 enquanto todos os restantes so transferidos para o Registo i + 1;
b) as que possuem apenas dois registos, um que guarda o ltimo valor do perodo de chegada determinado e outro para registar o ltimo valor do perodo de leitura calculado, tendo o primeiro um peso unitrio no clculo da mdia deslizante e o segundo um peso (N-1) muito superior.
Funo do nvel de enchimento da FIFO Nos mtodos adaptativos at aqui descritos a adaptao era realizada em funo do perodo de
chegada de duas clulas consecutivas da rede ATM, no conjunto de tcnicas agora em discusso a adaptao feita com base na variao em torno do ponto mdio do nvel de enchimento da FIFO ou buffer de dados.
Neste tipo de mtodos o receptor escreve a informao num buffer (FIFO) que depois lido por um relgio local. O nvel de enchimento do buffer usado para controlar a frequncia do relgio local. O controlo realizado atravs da leitura continuada do nvel de enchimento do buffer, que utilizada para alimentar o VCO (Voltage Controled Oscillator) que gera o relgio local. O nvel de enchimento do buffer deve ser mantido entre dois limites de maneira a impedir o seu esvaziamento (underflow) ou enchimento (overflow).
O mtodo adaptativo no requer informao temporal explcita nem frequncia de rede comum, sendo baseado no facto de que a quantidade de clulas transmitidas uma indicao directa da frequncia de transmisso da fonte, podendo ser usado no receptor para recuperar a frequncia do relgio da fonte. Tomando a mdia das clulas recebidas sobre um perodo suficientemente longo, a
M. Serafim Nunes 33 RIS - IST, Outubro 2004
variao de atraso de clulas (CDV) minimizada. O receptor escreve a informao das clulas recebidas num buffer e l-as com o relgio local. No mtodo adaptativo baseado no nvel da FIFO de recepo, o nvel da FIFO usado para controlar a frequncia do relgio local, atravs de uma monitorizao contnua do nvel da FIFO em redor da sua posio mdia. O nvel da FIFO, depois de filtrado num filtro passa-baixo adequado, de muito baixa frequncia, usado para controlar um VCXO que gera a frequncia do relgio local recuperado. O diagrama de blocos do modelo baseado no nvel da FIFO indicado na figura 7.11.
FIFO
FiltroPassa-Baixo VCXO
Fescrita Fleitura
LfifoContadorUp-Down
+
-DAC
Fig. 7.11 - Diagrama de blocos do recuperador de relgio baseado no nvel da FIFO
As tcnicas adaptativas de Funo do nvel de enchimento da FIFO podem dividir-se em dois
tipos bsicos: a) Funo do nvel de enchimento da FIFO - variao linear
O funcionamento linear deste mtodo garante a implementao de um algoritmo simples que ir apenas depender directamente da variao linear do nvel de enchimento da FIFO em torno do seu ponto mdio (no captulo seguinte entrar-se- nos detalhes especficos desta tcnica adaptativa de recuperao do sinal de relgio da fonte).
b) Funo do nvel de enchimento da FIFO - variao no-linear
A nica alterao deste algoritmo fase ao anterior reside no seu funcionamento no-linear nas situaes em que a FIFO se encontra quase-cheia ou quase-vazia. O procedimento no-linear consiste na acelerao do tempo de reaco do algoritmo, que ao diminuir drsticamente a velocidade de leitura da FIFO evita o seu esvaziamento (underflow) ou ao aumentar muito rapidamente o dbito de leitura dos dados do buffer de informao garante o no-enchimento (overflow) do mesmo. Saliente-se a grande dificuldade que este mtodo levanta pois torna muito dficil o respeito dos limites impostos ao jitter e ao wander de sada do sistema.
7.2.4.2 Mtodos Time Stamp No mtodo Time Stamp efectuado um ajuste peridico da frequncia do relgio receptor com
base em informao temporal enviada pelo emissor. O mtodo Time Stamp mais conhecido e escolhido pelo ITU-T foi o SRTS - Synchronous Residual Time Stamp que se encontra descrito na Rec. I.363.
O mtodo SRTS usa o Residual Time Stamp (RTS) para obter a informao conveniente sobre a diferena de frequncia entre o relgio comum de referncia que se obtem da rede e o relgio de servio. Considera-se que o mesmo relgio derivado da rede encontra-se disponvel tanto no transmissor como no receptor. O mtodo SRTS consegue corresponder s especificaes do jitter da hierarquia 2,048 Mbit/s contidas na Rec. G.823. O mtodo SRTS ser descrito com o recurso seguinte nomenclatura:
fs - frequncia do relgio de servio; fn - frequncia do relgio da rede, por exemplo 155,52 MHz; fnx -frequncia do relgio derivado da rede, fnx = fn/x, onde x um inteiro a definir; N - perodo do RTS em ciclos do relgio de servio de frequncia fs; T - perodo do RTS em segundos; M (Mnom, Mmax, Mmin) - nmero de ciclos fnx com um perodo RTS (nominal, mximo,
M. Serafim Nunes 34 RIS - IST, Outubro 2004
mnimo); Mq - o maior inteiro menor ou igual a M. O esquema de funcionamento do conceito SRTS encontra-se exemplificado na fig. 7.12.
N ciclos / T segundos
Tolerncia
fst
Mq
2
fnxt
p
y y
Mnom MmaxMmin
Fig. 7.12 - Ilustrao do conceito do mtodo SRTS
Durante um espao de tempo fixo T medido atravs de N ciclos do relgio de servio, o nmero
de ciclos Mq do relgio derivado da rede obtido no transmissor. Se Mq for transmitido para o receptor, o relgio de servio da fonte pode ser reconstruido pelo receptor, visto possuir a informao necessria para o fazer: fnx, Mq e N. Contudo, Mq composto por uma parte nominal e outra residual, a primeira Mnom corresponde ao nmero nominal de ciclos fnx em T segundos e fixo para cada servio; a parte residual contm a informao sobre a diferena de frequncia e sobre o efeito da sua quantificao, o que implica ser um valor varivel. Sendo a parte nominal de Mq constante, pode-se considerar que ela est disponvel no receptor, havendo s necessidade de transportar para o receptor a parte residual de Mq.
Um processo simples de representar a parte residual de Mq atravs do RTS, cujo mtodo de gerao est descrito na fig. 7.13.
Contador A dividido por N Latch
1 x
RTS
Contador Ct do bit p
fs
fn fnx
T
Fig. 7.13 - Processo de gerao do RTS (Residual Time stamp) O Contador Ct um contador do bit P que continuamente sincronizado pelo relgio derivado da
rede. O relgio de sada Ct amostrado todos os N ciclos do relgio de servio. O bit P amostrado o Residual Time stamp (RTS).
Com o conhecimento do RTS e da parte nominal de Mq no receptor, obtem-se a especificao completa do Mq, que utilizado para produzir o sinal de tempo de referncia para a Malha de Captura de Fase (PLL - Phase Locked Loop) que por sua vez fornece o relgio de servio no receptor. A dimenso do RTS de 4 bits e a frequncia do relgio da rede de fn = 155,52 MHz.
Como se mostra na figura 7.14, o diagrama de blocos no transmissor engloba um divisor da
frequncia de 2,048 Mbit/s da fonte por N = 3008 (8x47x8), que corresponde a 8 SAR-PDU's, gerando um intervalo de 1,47 ms (3008 / 2,048 MHz). A sada deste divisor usada para amostrar o valor de RTS obtido da frequncia derivada da rede de 2,43 MHz e do contador de 4 bits.
M. Serafim Nunes 35 RIS - IST, Outubro 2004
Divisor por N (N=3008)
Latch RTS Contador de 4 bits
fs = 2.048 +/-e MHz
fn = 155,52 MHz fnx = 2,43 MHz
Tsn = 1,47 ms
Divisor por X (X=64) de 4 bits
fsn
Fig. 7.14 - Exemplo de um diagrama de blocos no transmissor
Exemplifica-se o funcionamento do mtodo SRTS considerando que o servio tem a frequncia
nominal de 2,048 MHz e que varia entre 2.045 MHz e 2.051 MHz, e que Tsn = 3008*fs e Tnx = 64*fn.
Fs Ts / Tnx Binrio 2,045 MHz 2531 10011110 0011 2,046 MHz 2532 10011110 0100 2,047 MHz 2534 10011110 0110 2,048 MHz 2535 10011110 0111 2,049 MHz 2536 10011110 1000 2,050 MHz 2538 10011110 1010 2,051 MHz 2539 10011110 1011
Verifica-se que os bits de maior peso do quociente Ts / Tnx so constantes, variando apenas os 4 bits de menor peso, os nicos que portanto precisam de ser transmitidos.
Os 4 bits do RTS so transmitidos num fluxo sequencial de bits fornecido pelo bit CSI em
sucessivos cabealhos da SAR-PDU's. O mdulo de contagem base 8 do SC fornece a estrutura da trama sobre este fluxo sequencial de bits, a partir do qual apenas os 4 bits CSI dos SC mpares (1, 3, 5 e 7) so usados para o RTS. O bit de maior peso do RTS colocado no campo CSI correspondente ao valor 1 do contador SC. Os 4 bits CSI que correspondem contagem dos valores pares de SN so utilizados para outros fins, nomeadamente no mtodo de transferncia de informao estruturada, como vimos atrs.
Na recepo os bits RTS so extrados do campo CSI e guardados num registo para posterior comparao com o RTS, gerado localmente atravs da frequncia da rede fn e da frequncia derivada fnx idnticas s usadas no lado do transmissor. A sada do Comparador usada para controlar um PLL e um VCXO (Voltage Controled Crystal Oscillator) que permitem recuperar a frequncia do relgio de servio local, como se mostra na fig. 7.15.
PLLVCXO
Latch RTS'Contadorde 4 bits
fn = 155,52 MHz fnx = 2,43 MHzDivisor por X(:64) de 4 bits
T = 1,48 ms
RTS (4 bits)Extractordo RTS
Linha ATM