Frame-Relay e ATM Edgard Jamhour

Arquitetura Frame-Relay Controle de Congestionamento Conteúdo Arquitetura Frame-Relay Controle de Congestionamento Interface de Gerenciamento Aplicações

IP X ATM X Frame-Relay ATM e Frame-Relay Comunicação Orientada a Conexão Connecion-Oriented Ambas as tecnologias permitem dividir a banda de um enlace físico através de circuitos virtuais. ATM: VPI e VCI FRAME RELAY DLCI

Circuitos Virtuais ATM ATM utiliza uma estrutura hierárquica para criar circuitos virtuais. CÉLULA VPI VCI DADOS

Frame-Relay Frame-relay utiliza uma estrutura simples para criação de circuitos virtuais. DLCI DADOS

Rede Frame Relay Rede Frame Relay roteador HUB switch switch FRAD HOST PAD FRAD switch switch HUB roteador

FRAD: Frame Relay Access Device Dispositivo responsável pela integração do frame relay com o protocolo da camada 3, como o IP, por exemplo. Na transmissão o FRAD: Formata as informações na forma de quadros frame relay antes de enviá-los para o switch Na recepção o FRAD: Retira os dados dos quadros recebidos do switch e entrega para o dispositivo do usuário em seu formato original. O FRAD pode ser implementado: Como um dispositivo standalone ou embutido num roteador, switch, multiplexador ou dispositivo similar.

Características do Frame Relay Comutação por Circuito Comutação por Pacotes Frame Relay Multiplexação de slots de tempo SIM NÃO Multiplexação estatística Compartilhamento de porta Alta velocidade por R$ Atraso MUITO BAIXO ALTO BAIXO

Estrutura Geral de Quadros

Estrutura do Quadro Frame Relay

Circuitos Frame-Relay Tabelas de roteamento Mapeiam os indicadores DLCI de um switch para outro Os DLCI tem apenas significado local. O DLCI no destino pode ser diferente da origem

DLCI: Data Link Connection Identifier Quadro Frame-Relay DLCI: Data Link Connection Identifier Número de 10 bits DLCI indica a porta em que a rede de destino está conectada. Normalmente o termo “porta” refere-se a porta física de um roteador. Todavia, as redes frame-relay podem ser implementadas também em switches ou bridges.

Princípios do Frame-Relay Não aloca banda dos circuitos até que os dados sejam realmente enviados pelo meio físico. Se houver algum erro num quadro recebido, então o quadro é descartado. Não tenta retransmitir informações. Não tenta corrigir erros. BAIXO DELAY DE PROPAGAÇÃO Utiliza a banda disponível de maneira eficiente Não perde tempo na entrega dos quadros.

Velocidade do Frame-Relay O serviço frame-relay é oferecido normalmente como: Frações de canais T1/E1 Taxas completas de T1/E1 Alguns vendedores oferecem frame relay até taxas T3: 45 Mbp.

Pilha ATM/Frame-Relay Princípio: Concentrar as funções nas camadas físicas e de enlace PILHA ATM/FRAME-RELAY PILHA OSI Funções eliminadas ou movidas para outras camadas REDE ENLACE ENLACE FÍSICA FÍSICA

Estratégia de Roteamento Frame-Relay Princípio: Se houver um problema, descarte os dados. Cada nó da rede frame-relay (switch): Verifica o integridade do quadro através do campo FCS (Frame Check Sequence). Se houver um erro, descarta o quadro. Procura o DLCI do quadro na sua tabela de roteamento interna. Se não encontrar, descarta o quadro. Envia o quadro para o porta do próximo nó frame relay, conforme definido na tabela de roteamento interna.

Protocolo Frame-Relay FRAME VÁLIDO ? Testa o campo FCS CAMADA 1 Não Sim Discarta DLCI conhecido ? CAMADA 2 Não Sim Discarta CAMADA 3 Envia Frame para Camada 3

Circuitos Frame Relay Frame Relay trabalho com Circuitos Virtuais (VC). Um VC é um caminho bidirecional entre dois pontos, construído por software, que simula uma linha física. Os circuitos virtuais podem ser de dois tipos: PVC: Permanent Virtual Circuits Caminhos fixos configurados pelo operador do sistema. SVC: Switched Virtual Circuits Caminhos criados automaticamente por um protocolo de sinalização (Q.933).

PVC: Permanent Virtual Circuits Caminhos fixos configurados pelo operador do sistema. Os caminhos são definidos pelos pontos de origem e destino. O trajeto exato pode variar de tempos em tempos se for adotada uma estratégia de reroteamento automático. A definição dos caminhos é feita através de uma análise global do tráfego e da banda disponível na rede.

SVC: Switched Virtual Circuits Caminhos criados automaticamente por um protocolo de sinalização (Q.933). Os SVC são criados dinamicamente, baseados na requisição feitas por vários usuários. A rede se encarrega de avaliar o uso de banda gerado por cada usuário e cobrar de acordo. A implementação de SVC é mais complexa que PVC, e não foi suportada na primeira geração de equipamentos frame-relay.

Em ambos os casos os nós descartam os quadros por “estouro de buffer”. Congestionamento O congestionamento numa rede frame-relay pode acontecer por duas razões: Receiver Congestion: Um nó recebe mais quadros do que pode processar. Line Congestion: Um nó precisa enviar mais quadros para uma dada linha numa velocidade superior ao que a linha permite. Em ambos os casos os nós descartam os quadros por “estouro de buffer”.

Congestionamento Nó Frame-Relay Nó Frame-Relay Nó Frame-Relay BUFFER Os quadros que chegam quando o buffer de recepção está cheio são descartados. Nó Frame-Relay BUFFER RECEPÇÃO BUFFER TRANSMISSÃO Os quadros que precisam ser enviados quando o buffer de transmissão está cheio são descartados. Nó Frame-Relay

Sinalização no Frame-Relay A sinalização no Frame-Relay define três mecanismos principais: Mecanismos de controle de congestionamento. Controle de estado dos circuitos permanentes (PVC). Sinalização para criação de circuitos comutados (SVC).

Controle de Congestionamento Implementação opcional no Frame-Relay Necessidade do controle de congestionamento: Quando ocorre descarte de quadros devido ao congestionamento, os computadores poderão retransmitir os dados perdidos. A retransmissão aumentará o congestionamento da rede. A rede entra num estado de redução de “througput real”, pois parte significativa do tráfego que circula na rede é retransmissão.

Controle de Congestionamento A) Fase em que deve ser iniciado o controle de congestionamento B) Nesta fase a rede não pode mais garantir a banda dos circuitos virtuais.

Controle de Congestionamento Mecanismos associados ao controle de congestionamento: Explicit Congestion Notification Implicit Congestion Notification Discard Eligibility

Explicit Congestion Notification Utiliza os bits: FECN (forward explicit congestion notification) BECN (backware explicit congestion notification)

Controle de Congestionamento Suponha que o nó B está entrando em congestionamento: O nó B determina que está entrando em congestionamento seu buffer está ficando cheio. O nó B informa ao nó C que está entrando em congestionamento setando o bit FECN dos quadros que são enviados na direção de C. O nó B informa ao nó A que está entrando em congestionamento setando o bit BECN dos quadros que são enviados na direção de A. O bits FECN e BECN são setados nos quadros de todas as DLCI’s que estão passando pelo nó saturado.

Implicit Congestion Notification Ao receber as mensagens FECN e BECN: Todos os dispositivos de rede deverão reduzir a geração de informações para evitar o congestionamento. Os equipamentos terminais deverão reduzir a geração de tráfego para evitar congestionamento na rede local. Os equipamentos terminais que não falam Frame-Relay diretamente, reduzem seu tráfego por um controle de congestionamento implícito, implementado por protocolos de alto nível, como o TCP.

Implicit Congestion Notification No TCP os computadores podem transmitir apenas uma quantidade limitada de dados sem receber confirmação. Quando a confirmação não é recebida, o emissor assume que o buffer do receptor está cheio e reduz a velocidade de transmissão. ACK bytes recebidos Buffer disponível JANELA TCP JANELA TCP Buffer disponível ACK bytes recebidos LAN REDE FRAME-RELAY

Controle de Congestionamento Se os terminais dos usuários não reduzirem o tráfego gerado durante o período de congestionamento: Seus quadros deverão ser DESCARTADOS. PROBLEMA: Uma estratégia de descarte randômica não é adequada pois pode levar a retransmissão de muitos dados. A PARA B C PARA D E PARA F SEGMENTO TCP SEGMENTO TCP SEGMENTO TCP A1 A2 A3 B1 B2 B3 C1 C2 C3 descarte descarte descarte

CIR - Committed Information Rate Para determinar quais quadros devem ser descartados utiliza-se o CIR (Committed Information Rate). O CIR é a informação da capacidade média do circuito virtual em bits por segundo. A média é calculada num intervalo mínimo Tc. Quando um usuário contrata um canal junto a um provedor de serviço frame relay, ele especifica um CIR dependendo da capacidade de rede que ele estima precisar.

CIR - Committed Information Rate bits/s CIR tempo CIR = média no intervalo Tc

Discard Eligibility No cabeçalho dos quadros frame relay existe um bit denominado Discard Eligibility (DE). Os quadros com DE=1 serão os primeiros a serem descartados em caso de congestionamento.

Discard Eligibility Quando a taxa de bits transmitida por uma rede superar o seu CIR contratado, o próprio roteador da rede do usuário ou o switch da rede frame relay devem setar DE=1. Rede Frame Relay LAN Seta DE=1, se o controle é feito pela rede do provedor. Seta DE=1 quando o controle é feito pela rede do usuário.

Discard Eligibility Os quadros com DE = 1 são os primeiros a serem descartados. Se o descarte dos quadros com DE=1 não for suficiente, os quadros com DE=0 são descartados indiscriminadamente. bits/s DE=1 CIR DE=0 tempo

SLA: Service Level Agreement SLA define as métricas usadas para descrever o desempenho de um serviço Frame Relay. Essas métricas pode ser usadas para estabelecer um contrato entre o provedor de serviço e um usuário ou entre provedores de serviço. Frame Transfer Delay Frame Delivery Ratio Data Delivery Ratio Service Availability

Frame Relay OA&M Para determinar se o SLA está sendo cumprido, foi desenvolvido um conjunto de procedimentos denominados: Frame Relay Operations, Administration, and Maintenance (OA&M) Protocol and Procedures. OA&M provê meios para monitorar o desempenho de redes frame relay de maneira independente do fabricante. OA&M define quadros especiais usados para medir o desempenho da rede.

Frame Transfer Delay (FTD) Representa o tempo que leva para um quadro atravessar uma rede frame relay. FTD é medido enviando quadros OA&M em uma volta completa na rede. O tempo resultante é dividido por 2.

Frame e Data Delivery Ratio (FDR e DDR) Frame Delivery Ratio (FDR) e Data Delivery Ratio (DDR) são medidas da capacidade da rede entregar os quadros ao seu destino final. Esses parâmetros são expressos tipicamente em % (por exemplo, 99.997% dos quadros no CIR são entregues). Para medir estes parâmetros entre dois pontos, quadros OA&M são enviados ocasionalmente com contadores de quadros e bytes transmitidos. O dispositivo OA&M no destino compara as diferenças entre os contadores com o estado dos seus próprios contadores para determinar a relação entre quadros transmitidos e recebidos no intervalo. A medida é feita em relação a quadros dentro do CIR, mas também os quadros em excesso. São feitas medidas independentes para cada direção.

Gerenciamento do Frame Relay: LMI LMI: Local Management Interface O mecanismo de monitoramento do estado das conexões (Status of Connection) PVC e SVC é opcional. Define como os dois lados de uma interface frame relay podem se comunicar sobre o estado dos circuitos virtuais na interface. UNI: User Network Interface Exemplo: roteador do usuário e a rede do provedor. NNI: Network Network Interface Exemplo: dois switches da rede do provedor.

LMI: Local Management Interface A informação de status é passada através de quadros especiais de gerenciamento, que utilizam endereços DLCI reservados. Essas quadros transportam as seguintes informações: Se a interface está ativa (através de sinais “heartbeat”). Os DLCI válidos na interface. O status de cada circuito virtual (se ele está congestionado ou não)

LMI: Local Management Interface Roteador do Usuário: Status Request Rede Frame-Relay: Status (Respota) ou Status Update (Não Solicitada)

Padrões de Gerenciamento O mecanismo de controle de status é definido através de um protocolo padronizado, chamado genericamente de LMI. Existem três versões do protocolo: LMI Frame Relay Forum Implementation Agreement (IA) Definida antes da criação de padrões oficiais. Annex D ANSI T1.617 Suportada pela maioria dos fabricantes Annex A ITU Q.933 referenciado em FRF.1.1 Mandatória

Versões de LMI LMI Annex D Annex A Funciona apenas para UNI Mensagens Unidirecionais: Apenas o equipamento do usuário pode interrogar a rede. Usa DLCI 1023 Annex D Funciona para UNI e NNI Mensagens bidirecionais. Usa DLCI 0 Annex A Mensagens bidirecionais

Padrões Frame-Relay

Frame Relay Forum Implementation Agreement

Interconexão de Redes LAN Abordagem tradicional

Interconexão de Redes LAN Abordagem Frame-Relay

Rede Integrada de Voz e Dados: VoFR

Transmissão de Voz A transmissão de voz requer atrasos muito baixos para que não haja distorção do sinal recebido. O sinal de voz contém muita informação redundante. Uma análise representativa das amostras de voz mostra que somente 22 por cento de um diálogo típico contém informações que realmente precisam ser transmitidas. Se tráfego não essencial for eliminado, haverá espaço suficiente para compensar variações de retardo no sinal transmitido.

Processamento do Sinal de Voz Conversão Analógica para Digital Em redes comutadas por circuito 64K PCM Entroncamento de canais de voz por multiplexagem no tempo. Compressão de Voz Empacotamento e compressão do sinal de voz digitalizado em PCM Algoritmo 8K G.729 e outros. Supressão de silêncio Multiplexagem estatística de sinais de voz e dados. Pode ser utilizado em redes compartilhadas: Frame Relay, ATM e IP.

Fatores que Afetam a Qualidade da Voz Jitter A rede pode ter um atraso médio baixo, mas a taxa de chegada de pacotes pode variar consideravelmente. Um buffer pode compensar o Jitter e entregar o tráfego de voz num fluxo constante O buffer de jitter aumenta o atraso total dos pacotes. Alto Atraso (mais que 250 msec.) A comunicação se processa como se fosse half-duplex Similar a uma conexão telefônica por satélite. É percebido pelo usuário como perda de qualidade.

Priorização O provedor de serviço necessita estabelecer níveis de prioridade para suportar a transmissão de voz sem perda de qualidade. A priorização é estabelecida em dois níveis: Múltiplos PVC PVC separados para voz e dados. CIR diferente para canais de voz e dados. Dentro de um mesmo PVC QoS em ATM RSVP, MPLS em IP

A Fragmentação é Essencial Large Payload Mistura de voz com quadros muito longos: A priorização não consegue deter os quadros longos: Exemplo: (1500 bytes x 8)  56,000 bps = 215 msec Conseqüência: aumento inevitável do jitter e perda da qualidade do sinal de voz. Frf.12 IA define os mecanismos de fragmentação.

Compressão de Dados Em redes que irão trafegar voz, além da fragmentação é recomendada a compressão dos dados: Voz já está comprimida. Maximiza a integração de voz e dados Minimiza o custo Dados podem ser transmitidos com CIR mais baixo Um site central deve ser capaz de comprimir os dados. Diminui a latência geral da rede. Frf.9 IA define compressão dos dados.

Transmissão de Voz sobre ATM Usa várias camadas de adaptação ATM: AAL1 constant bit rate 64K PCM + 1 byte AAL1 + 5 bytes cell overhead Menos eficiência que TDM AAL2 para transporte e compressão de voz Adotada em fevereiro de 1999. AAL5 combinando voz e dados. Problema: ESCALABILIDADE Velocidade T1 é um requisito mínimo para ATM. ATM pode ser um investimento caro para sites que desejam transmitir sinais de voz.

Transmissão de Voz sobre IP Voip é baseado no conjunto de protocolos H.323: Se usado numa Intranet Consegue-se baixo atraso e jitter. Overhead adicional impacta afeta o desempenho se usado em WANs de baixa capacidade. Por que usar Voice over IP over frame relay? Se usado na Internet: Não há conexões nem priorização. Se usadas com VPN IP (tunelamento) Aumento ainda maior do overhead.

Comparação de Overhead Usando um vocoder de 8K Voz sobre frame relay 8K + 2 kbps overhead = 10 kbps total bandwidth Voz sobre IP 8K + 12 kbps overhead = 20 kbps total bandwidth VoIP requer 100% mais banda que VoFR Um canal de 64 kbps suporta: 6 canais VoFR. 3 canais VoIP

Integração de Frame-Relay e ATM O Frame Relay Forum define duas técnicas para integrar redes ATM e Frame-Relay: Integração de Redes Permite que dois usuários frame-relay se comuniquem por uma rede ATM. Definida pelo padrão FRF 5. Integração de Serviços Permite que um usuário frame-relay se comunique com outro ATM e vice-versa. Definida pelo padrão FRF 8.

FR/ATM Network Interworking Transformação de um quadro frame relay em células ATM. ATM Cells Frame Relay Frame Frame Header AAL5 Trailer

Integração de Redes Nessa abordagem, a rede ATM é vista como uma rede física pelos dispositivos frame relay.

Integração de Serviços Esta abordagem implica numa conversão bidirecional dos protocolos ATM e Frame Relay.

IWF: InternetWorking Function Geralmente localizado no switch ou roteador que está na fronteira entre as redes frame relay e ATM. Responsável por mapear vários parâmetros ATM e Frame Relay, como: Delimitadores de células (AAL) e quadros. Flags de prioridade Discard Eligibility (DE) e Cell Loss Priority (CLP). Indicadores de congestionamento: FECN (Frame Relay) e EFCI - Explicit Forward (ATM) Mapeamento entre identificadores de circuito virtual: DLCI e VPI/VCI

Conversão IWF

Transformação de Quadros em Células O ATM Forum define duas interfaces para integração de Frame-Relay e ATM: DXI: Data Exchange Interface FUNI: Frame Based Used to Network Interface

FUNI e DXI

FUNI: Frame-based User-to-Network Interface Não necessita de equipamento especial na rede do usuário, apenas software. Todo o processo de transformação de quadros em células é feita pelo switch ATM. Permite controlar a qualidade de serviço através de um backbone ATM, mesmo quando o acesso ao backbone é feito por Frame Relay. Os serviços ATM através de FUNI são limitados (não suporta Available Bit Rate ).

FUNI FUNI necessita de software especial no equipamento do usuário e uma interface complementar e software no switch ATM com o qual o equipamento do usuário se conecta.

DXI: Data Exchange Interface O processo de transformação de células em quadros é feita pela rede do usuário. DXI necessita de um equipamento adicional colocado na rede do usuário além de software especial. Diferenças em Relação ao FUNI: DXI suporta apenas taxas T1/E1 completas (não aceita frações como FUNI) As células atravessam a rede do usuário, causando aumento de overhead.

DXI DXI implica num equipamento adicional colocado na rede do usuário denominado: Channel Service Unit (CSU). O equipamento do usuário precisa ser configurado com software DXI e uma interface HDLC.

Integração FUNI, DXI e ATM UNI

VNP Frame Relay Tipos de VPN Frame Managed Network Services VPNs IP VPNs (Internet) IP VPNs (Intranet) INTRANET – DOMINIO PRIVADO Segurança: Alta QoS: Alta Aplicações Comuns: Sim Missão Crítica: Sim Aplicações Multimídia: Sim INTERNET- DOMINIO PÚBLICO Segurança: Baixa QoS: Baixa Aplicações Comuns: Sim Missão Crítica: Não Aplicações Multimídia: Não

Dois tipos de VPN Missão Crítica Aplicações Comuns IP VPN NUMA INTRANET Missão Crítica FR INTRANET PRIVATE DOMAIN ATM IP IP IP VPN NA INTERNET Aplicações Comuns INTERNET PUBLIC DOMAIN

Topologia de Redes VPN The Virtual Circuit IP VPN Basead em Ipsec Gerenciada apenas nas extremidades Permite acessar múltiplos pontos The Virtual Circuit Ethernet Frame/IP/VPN IP IP What is certainly easier is the any to any inherent capability of IP that reduces the “hair pinning” realized by frame if a pvc is not built directly…with IP many U.S. providers have solved the an to any by adding bandwidth to major routes so that a “direct path will “always” be available…but this logic does not work everywhere…especially internationally IP IP Frame Relay creates one main path per vpn but redirect/rerouting capabilites have been added to frame switches IP MPLS opens opens one primary path with other ancillory paths and checks for congestion constantly to avoid delay IP FR Construção da rede privada pelo provedor de serviço Gerenciada de ponta a ponta Apenas caminhos pré-definidos

Tipos de VPN FR VPN Orientada a Conexão Gerenciamento de tráfego e QoS Vários recursos de monitoramento e gerenciamento. IP VPN (INTERNET) Não Orientada a Conexão Gerenciada pelas pontas Não depende do provedor. Praticamente não oferece recursos de QoS e Gerenciamento. IP VPN (INTRANET) Não Orientada a Conexão QoS baseada em MPLS Serviços similares ao Frame Relay Menos oferta por provedores que Frame Relay.

Mercado Frame Relay Worldwide FR service market = US$10.9B in 2000 Services = 70% of total FR revenues U.S./Canada Asia Europe RIMEA Central/South America CAGR = 55% © 1997 Vertical Systems Group

Tendências dos Serviços WAN IP Services driven by extranet deployment ATM driven by migration to higher speed access at branch sites + (potential) V/D integration New WAN Rollouts Frame ATM X.25 IP 1999 2000 2001 2002 2003 2004 1999 META Group, Inc., Stamford, CT (203) 973-6700 www.metagroup.com

Mercado no NAFTA, Western Europe & Asia/Pac Billion Source CIT Research

Mercado de VPN Mundial Source: Yankee Group 08/99

IP VPN ou FR VPN? Intranet Internet Extranet BankNet www 1. Advertising & Product Offering 2.Informing & Ordering 3. Buying & Payment 4. Payment Handling 4. Ordering 5. Construction 6. Delivery 7. Product Management 8. Sales & Marketing 9. Maintenance

Provedores de Internet Historicamente, ISP usam backbones ATM ATM oferece pontencial para controle de QoS e venda diferenciada de tráfego. MPLS está se tornando uma alternativa para controle de QoS sobre IP Tendência: Alguns provedores vão migrar para MPLS Switches ATM irão migrar para suportar MPLS.

All have IP Strategies & Project today Provedores de Serviço MCI/Worldcom (Source: Yankee Group 05/99) Multi-service portfolio (ATM, FR, Private Line, Voice, IP) ATM-based infrastructure (Cisco BPX, Cascade CX) “Network designed to give the flexibility to migrate to IP” Global One ATM infrastructure (Nortel Passport)..legacy platforms migratng SITA/Equant (Source: Yankee Group 05/99) ATM-based infrastructure (Nortel Passport) “Will migrate to IP when the time is right” Infonet (Source: Yankee Group 05/99) “Emphasises IP Services over an ATM transport” All have IP Strategies & Project today

Provedores de Serviço AT&T/BT (Source: Yankee Group 05/99) Multiservice portfolio (ATM, FR, Leased Line, Voice, IP) ATM-based infrastructure (Cisco BPX, Cascade CX, Nortel Passport) Announcement to build $5B IP network (“ATM will play a major role initially”) Qwest (Source: Datapro 09/98) Multiservice portfolio (ATM, FR, Leased Line, Voice, IP IPL) Multiple networks on fibre-optic infrastructure Most revenues made from selling capacity (“IP services to be developed”) Level 3 (Source: IDC 07/99) Leased Line, Internet Access and IP IPL service (IP Voice being tested) IP over SONET/ATM infrastructure (ATM for QoS, SONET for protection)

Conclusão IP é mais fácil de gerenciar que ATM e Frame-Relay IP é uma tecnologia mais barata que ATM e Frame-Relay e está subordinado a mecanismos mais ágeis de elaboração de padrões. IP evolui mais rápido de Frame Relay e ATM Provedores de serviço estão se preparando para oferecer serviços IP em grande escala para controle de segurança e QoS. ATM e Frame-Relay serão usados apenas como protocolos de transporte.