ENSINANDO REDES ATM EM LABORATÓRIO
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ENSINANDO REDES ATM EM LABORATÓRIO

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  • 1. ENSINANDO REDES ATM EM LABORATÓRIO Antonio M. Alberti1, Luciano L. Mendes2 Abstract  Asynchronous Transfer Mode was the first Por outro lado, o fato das redes ATM não possuírem um packet switching technology to offer native QoS support for controle de fluxo no nível de células, permitia que conexões multimedia applications. Functions like traffic policing, mal comportadas transmitissem um número maior de células traffic shaping, connection admission control and many do que o negociado. Para evitar que esse tráfego indesejado other, have been developed in the context of ATM traffic comprometa a QoS de conexões bem comportadas, as management architecture. Thus, the study of such complex funções de gerenciamento de tráfego marcam ou descartam architecture provides to the students an unique experience in células desse tráfego, a fim de evitar o congestionamento. terms of QoS understanding. In this scenario, this paper Portanto, os objetivos principais das funções de describes our experience in teaching ATM in both gerenciamento de tráfego são a prevenção e a reação ao simulation and real equipment laboratories. Details of congestionamento na rede. Neste contexto, várias funções experiments, obtained results and performed analysis are foram desenvolvidas [4]: policiamento de tráfego, provided. The simulation experiments use OPNET Modeler, formatação de tráfego, controle de admissão de conexões, and cover main ATM network aspects, QoS and Available escalonamento justo, gerenciamento de buffer, e outras. Bit Rate flow control. In real equipment laboratory, a 10 Muitas destas funções surgiram no contexto das redes ATM Gbps ATM switch is used to create traffic contracts, VP and e hoje estão sendo aplicadas nas mais diversas tecnologias, VC cross-connections and Circuit Emulation Services. tais como IP [5], WiMAX [6], etc. Traffic policing effects over voice services can be visualized. Assim, o estudo de uma arquitetura tão complexa de Both laboratories are used in undergraduate and graduate gerenciamento de tráfego como a do ATM provê aos telecommunications engineering courses. estudantes uma experiência única em termos de entendimento de QoS. Neste cenário, este artigo descreve a Index Terms  ATM, QoS, AXD 301, OPNET, Simulation. nossa experiência em ensinar ATM, tanto em laboratório com equipamentos reais (próxima seção), quanto em INTRODUÇÃO laboratório de simulação (terceira seção). Na última seção, apresenta-se algumas considerações finais sobre o trabalho. Na última década, o tráfego de dados experimentou um crescimento vertiginoso, principalmente devido a LABORATÓRIO COM EQUIPAMENTOS REAIS popularização da Internet. Tecnologias como ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) [1] e ATM Este laboratório utiliza um comutador ATM Ericson AXD (Asynchronous Transfer Mode) [1] emergiram nas redes de 301, um gerador de tráfego PFA 30 e vários computadores, acesso e de backbone das operadoras, respectivamente. O que permitem configurar o comutador ATM à distância, via ATM é fundamentado na transmissão, multiplexação e uma interface web. A FIGURA 1 mostra o ambiente do chaveamento de pequenos pacotes de tamanho fixo, laboratório. chamados de células, que permitem a integração e o Portas transporte de voz, vídeo, imagens e dados sobre uma mesma OC-3 Elétricas Ericson AXD 301 rede de alta velocidade. A tecnologia ATM foi a primeira Comutador Portas OC-3 tecnologia de comutação de pacotes a oferecer suporte Ethernet Ópticas nativo à qualidade de serviço (QoS – Quality of Service). Entretanto, o suporte à QoS em redes ATM requer um Ethernet Portas conjunto bastante sofisticado de funções de gerenciamento E1 de tráfego (TM – Traffic Management) [2]. Dentre as principais razões que levaram a essa sofisticação pode-se destacar a multiplexação estatística de células ATM e a Par Trançado ausência de um mecanismo de controle de fluxo no nível de Computadores Adaptador Cabos Coaxiais células. A idéia era aumentar a eficiência da rede, partindo da suposição que o período de surto de tráfego de uma determinada conexão não coincide com o período de surto PFA 30 das demais conexões. FIGURA 1. AMBIENTE DO LABORATÓRIO REAL. 1 Antonio Marcos Alberti, INATEL - Instituto Nacional de Telecomunicações, Av. João de Camargo, 510, 37540-000, Sta Rita do Sapucai, MG, Brasil, alberti@inatel.br. 2 Luciano Leonel Mendes, INATEL - Instituto Nacional de Telecomunicações, Av. João de Camargo, 510, 37540-000, Sta Rita do Sapucai, MG, Brasil, lucianol@inatel.br.
  • 2. O AXD 301 é um comutador com 10 Gbps de capacidade de uso adequado foi criado. Oito grupos acessam o comutação. Possui 16 portas E1 de 2 Mbps, 8 portas OC-3 equipamento simultaneamente e as experiências a seguir de 155.52 Mbps, sendo 4 ópticas e 4 elétricas. PFA 30 é um foram elaboradas para que todos possam executar as tarefas gerador e analisador de tronco E1. Através deste sem interferência. equipamento é possível se gerar um tronco E1 e alterar diversos parâmetros deste tronco. O PFA 30 é conectado ao Primeira Experiência AXD 301, através de um adaptador de cabo coaxial para par Ao final desta experiência, os alunos estarão capacitados a trançado. O tronco E1 é entregue ao AXD 301 na porta E1 criar contratos de tráfego no AXD 301, que se aproximem ao do slot 3, porta 1 (3.1.). Como será visto na experiência 5, no máximo das características do tráfego de um determinado AXD 301 é configurado um laço (loopback) na porta 3.5, cliente da rede. Para cada conexão ATM a ser estabelecida, que faz com que o sinal que chega (através de crossconnect faz-se necessário negociar um contrato de tráfego com a interno) nesta porta, retorne e saía novamente pela porta 3.1, rede. Este contrato é um acordo que define o comportamento retornando assim ao PFA 30. O PFA 30, por sua vez, analisa do tráfego e o nível de serviço requerido para cada conexão. o sinal recebido e indica o estado da comunicação. Um elemento chave do contrato de tráfego é a categoria de A seguir, descrevem-se as atividades planejadas, os serviço. Cada categoria de serviço define uma classe de QoS objetivos a serem atingidos e os resultados esperados em que pode ser utilizada pelas conexões ATM. O cada experiência realizada, tendo como base o ambiente comportamento esperado para o tráfego que será transmitido descrito acima. Estas experiências, bem como a experiência em cada conexão, também deve ser especificado através de descrita na próxima seção, fazem parte da disciplina TP 125 descritores de tráfego específicos para cada categoria de – Laboratório de Redes II, do curso de Pós-Gradução em serviço ATM. Os alunos escolhem a categoria de serviço, a Engenharia de Redes e Sistemas de Telecomunicações. As definição de conformidade e os valores dos descritores de atividades de laboratório são precedidas por uma revisão dos tráfego. As principais atividades realizadas nesta experiência conceitos vistos em disciplinas anteriores. O objetivo é são: revisar os aspectos teóricos necessários para o entendimento • Conexão ao AXD: A conexão ao AXD 301 é feita, dos experimentos. Também é feita uma descrição, in loco, utilizando-se o navegador Netscape. Após conectado ao do ambiente apresentado na FIGURA 1, bem como da equipamento, faz o login no sistema. Os alunos interface web de configuração do AXD 301 (ver FIGURA aprendem como conectar-se a um equipamento de rede, 2). remotamente, através de uma rede IP. • Visualização das Definições de Conformidade: Nesta atividade, os estudantes identificam quais são as definições de conformidade disponíveis no AXD 301. O objetivo é relacionar o que foi implementado no equipamento, com o que foi visto na teoria. • Criação dos Contratos de Tráfego: Os alunos criam dois contratos de tráfego, que no AXD 301 são chamados de descritores de tráfego. O primeiro é suficiente para atender um tronco E1 completo e o outro é configurado para ficar abaixo da capacidade de um único canal de voz. Como resultado, os alunos aprendem, na prática, como configurar os parâmetros necessários em um contrato de tráfego. • Visualização dos Contratos Criados: Nesta atividade, os estudantes visualizam os contratos de tráfego criados por todos os grupos. Segunda Experiência Nesta experiência, os participantes criam cross-connections de caminho virtual (XVP – Virtual Path Cross-connection) [1] e de canal virtual (XVC – Virtual Path Cross- FIGURA 2. INTERFACE WEB DE CONFIGURAÇÃO DO AXD 301. connection) [1]. Quando se quer encaminhar células de dois Esta interface é muito parecida com um site, e permite enlaces de caminho virtual (VPL – Virtual Path Link) (um configurar a maior parte dos recursos do comutador. Além no lado de entrada e outro no lado de saída) através da disto, também é feita uma apresentação de como os aspectos matriz de comutação do AXD 301, deve-se criar uma XVP. teóricos são implementados no AXD 301. Para evitar que os XVPs são tipicamente utilizados quando muitos enlaces de alunos acessem locais restritos do equipamento, um perfil de canal virtual (VCLs – Virtual Channel Links) precisam ser
  • 3. encaminhados em lote, através do AXD 301. O objetivo é portas. Feito isto, mostra-se que o E1 pelo PFA 30 passa ensinar como se dá a criação destes cross-connects na através do AXD 301 e retorna sem erros, até o PFA 30. prática e comparar este processo com o visto na teoria. Os Entretanto, se um dos serviços ou o XVC for bloqueado, alunos aprendem a escolher o descritor de tráfego, as o PFA acusa a falta de sinal na sua porta de entrada. interfaces ATM envolvidas, e os demais parâmetros Nesta atividade é utilizada a adaptação no modo não envolvidos no processo de criação destas conexões. Estas estruturado. Ou seja, o tráfego telefônico é carregado de tarefas são de grande valia, pois permitem uma maior forma transparente pela rede ATM, como um fluxo familiarização com a nomenclatura do ATM. As principais único de bits, sem significado para a rede ATM. atividades realizadas nesta experiência são: • Criação dos CESs e XVC: Cada grupo de alunos que • Criação de um XVP: Nesta etapa, os estudantes utiliza um computador cria dois serviços CES, uma para configuram todos os parâmetros de um XVP. Eles a porta 3.1 e outro para a porta 3.5 (veja a FIGURA 1). também desbloqueiam o XVP configurado. Nenhum Como o PFA 30 está gerando um tronco telefônico com tráfego passa através deste XVP. Ele é utilizado apenas 30 canais E1, cada grupo fará o cross-connect de apenas para fins de entendimento do processo. Questionam-se um canal telefônico deste tronco. Desta forma, todos os os alunos a respeito de cada parâmetro configurado. grupos podem trabalhar simultaneamente. Cada serviço Como aprendizado, os participantes do curso ganham criado (a FIGURA 2 mostra um CES criado na porta entendimento sobre como gerenciar caminhos virtuais 3.1), já configura um VPC End Point, ficando, portanto, ATM. para o grupo somente criar o XVC que ligará estes dois • Criação de um XVC: Esta atividade é bastante serviços. Assim, o tráfego do tronco é recebido na porta semelhante à anterior. Porém, para criar um XVC o 3.1, adaptado através de vários serviços (um para cada AXD 301 exige a criação de dois VPC End Points. VPC grupo de alunos), e comutado para a porta 3.5, onde o End Points são pontos finais de uma conexão de tronco original é reconstruído. Neste ponto, um caminho virtual (VPC – Virtual Path Connection). São loopback interno retorna o tronco para o AXD, que necessários, pois todo VC deve pertencer a um VP. utiliza os XVCs criados (bidirecionais) para reconstruir Assim, para criar os XVCs, é necessário criar pelo o tronco na porta 3.1. Pede-se para os alunos configurar menos o ponto final de um VP. O XVC recém criado, é os CES e os seus parâmetros, bem como o XVC. No desbloqueado. Entretanto, nenhum tráfego será enviado momento da criação do XVC, os estudantes configuram por este XVC. Pede-se também para que os alunos o contrato de tráfego do XVC de acordo com o 1º observem os enlaces de canal virtual (VCLs – Virtual contrato de tráfego, da 1ª experiência. Uma vez Channel Links) criados pelo XVC, a fim de observar configurados os CESs e o XVC, pede-se que os alunos quais estatísticas podem ser medidas e o seu significado. observem e analisem as estatísticas relacionadas aos serviços e ao XVC. Agora será possível visualizar o Terceira Experiência tráfego do canal de voz sendo comutado através do equipamento ATM. Nesta atividade é utilizada a Nesta experiência, os participantes exploram melhor as adaptação no modo estruturado. Ou seja, o ATM funções de suporte à qualidade de serviço do ATM. Isto é compreende a estrutura do tronco telefônico e é capaz feito, transmitindo-se voz sobre ATM, mais especificamente, de comutar os seus canais. transmitindo-se um circuito E1 com 30 canais de voz sobre o ATM. A transmissão de circuitos telefônicos sobre ATM é • Repetição com o Policiador Ligado: Repete-se a chamada de emulação de circuitos. O objetivo da atividade anterior, só que agora com o policiador ligado. experiência é capacitar os participantes a: encaminhar Neste caso, o XVC é criado com o 2º contrato de tráfego de voz sobre ATM, através da configuração de tráfego definido na experiência 1. Como resultado, é serviços de emulação de circuitos (CES – Circuit Emulation possível se observar a perda de células no AXD 301, Service); criar XVCs para este tráfego; determinar as prejudicando o tronco telefônico reconstruído no PFA interfaces ATM adequadas, e os demais parâmetros 30. A FIGURA 3 mostra o valor dos contadores de envolvidos no procedimento de criação das XVCs; célula para um situação de perda de células devido à compreender qual é o objetivo por de trás da criação dos operação do policiamento. Neste caso, durante o período CES e como localizá-los através na interface do AXD 301; de monitoramento, 29840 células foram perdidas em um compreender a adaptação estruturada e não estruturada do dos VCLs do serviço CES, produzindo uma taxa de tráfego de voz (feita na AAL 1); e finalmente, os efeitos da perda de células de 50%. Observe também, que o função de policiamento sobre o tráfego comutado. As contrato de tráfego utilizado limita o tráfego no cross- seguintes atividades são realizadas: connect a 155 células/segundo. Como o CES está mapeando um canal telefônico de 64 kbps, a taxa • Verificação do Cenário: Antes de iniciar-se a necessária para transmissão sem perdas seria de 173 experiência, cria-se dois serviços CES no AXD 301 células/segundo. Portanto, utilizando-se o policiador (uma para a porta 3.1 e outro para a porta 3.5) e um com uma taxa de pico pouco abaixo da necessária, XVC para comutar o tráfego bidirecional, entre estas produz-se uma perda de 50% das células.
  • 4. utilizadas para informar as fontes de tráfego a respeito das taxas de transmissão que elas podem praticar. O algoritmo foi projetado para atingir alta utilização nos enlaces, com baixos atrasos e rápida adaptação a transientes. FIGURA 4. CENÁRIO DE REDE ATM DE LONGA DISTÂNCIA. A seguir, descreve-se as atividades realizadas: FIGURA 3. CONTADORES DE UM XVC COM PERDA DE CÉLULAS. • Verificação das Aplicações da Rede: Inicialmente, pede-se para os alunos investigarem as aplicações LABORATÓRIO DE SIMULAÇÃO existentes na rede, bem como suas configurações e parâmetros. O objetivo é entender como as estações No laboratório de simulação, utiliza-se a ferramenta OPNET estão configuradas e quais serão as características do Modeler [7], para verificar o funcionamento básico da tráfego gerado. É estabelecido um paralelo entre esta tecnologia ATM, bem como do controle de fluxo ABR atividade e as atividades realizadas com o AXD 301. (Available Bit Rate). Em redes ATM, é possível se otimizar • Verificação da Configuração do Algoritmo ERICA: o uso dos recursos da rede, utilizando diferentes contratos de Nesta atividade, pede-se para que os alunos verifiquem tráfego para as diversas categorias de serviço [3]. Nesta em que modelos o algoritmo ERICA está habilitado. O experiência, estuda-se uma típica rede de longa distância objetivo é visualizar o seu funcionamento no cenário de ATM (veja a FIGURA 4). Este cenário faz parte de um rede ATM. exemplo, que é disponibilizado junto com a ferramenta. • Verificação das Estatísticas Selecionadas: Pede-se Entretanto, algumas modificações são feitas para melhor que os participantes verifiquem as estatísticas de saída explorar o cenário. pré-selecionadas. Fontes de tráfego em filiais na California geram tráfego • Execução da Simulação: Pede-se que o aluno para a matriz em Washington. A estação em Santa Clara configure a duração da simulação para 0,84 segundos e começa a enviar dados em 0,5 segundos e permanece execute-a. enviando dados durante todo o intervalo de simulação. A estação em Los Angeles começa a enviar dados em 0,7 • Analise dos Resultados: Nesta etapa pede-se para os segundos e pára depois de ter enviado 2 MBytes. Ambas as estudantes a análise dos resultados obtidos. Dentre as estações utilizam a categoria ABR. Esta categoria foi análises solicitadas estão: 1ª) a utilização nos enlaces da projetada para aplicações cuja taxa de entrada pode variar, rede. 2ª) a taxa efetiva (Allowed Cell Rate) permitida dependendo de uma realimentação provida pela rede, através pelo algortimo às estações de Santa Clara e de Los de células RM (Resource Management) [3]. Estas células Angeles. 3ª) o tráfego enviado em bits/segundo na porta contém informações a respeito das condições de tráfego na 0 das estações de Santa Clara e de Los Angeles. 4ª) o rede. Baseado nestas informações, a fonte ABR aumenta ou uso de buffer nesta mesma porta das estações. 5ª) o diminui a taxa de transmissão. Para isso, nos modelos de atraso experimentado pelas células ATM nesta mesma comutadores da rede, utiliza-se o mecanismo de controle de porta das estações. fluxo ABR ERICA (Explicit Rate Indication for Congestion A FIGURA 5 mostra que quando Los Angeles inicia Avoidance) [8]. De acordo com Kalyanaraman et. al., os transmissão, o enlace entre os comutadores congestiona. comutadores ATM que implementam o ERICA, monitoram Neste ponto, o ERICA entra em ação e ocorre uma redução a carga em cada enlace ao qual estão conectados, na taxa de transmissão efetiva de ambas as estações, determinando um fator de carga, a capacidade disponível e o reduzindo assim a utilização nos enlaces que ligam as número de VCs ativos nestes enlaces. Estas informações são estações até o comutador CALIFORNIA_SW. Através desta
  • 5. figura, é possível se verificar o efeito do algoritmo sobre as A FIGURA 6 mostra que o ERICA reduz a taxa de fontes de tráfego. transmissão permitida para as estações assim que a rede congestiona. Ao final da transmissão de Los Angeles, Santa Clara volta a transmitir na taxa elevada. A FIGURA 7 mostra o atraso experimentado pelas células ATM na porta 0 das estações. Pode-se observar que o atraso em Santa Clara aumenta até o instante em que Los Angeles inicia a transmissão. Com a redução do tráfego na fonte, o atraso das células estabiliza e até mesmo cai, quando a estação Los Angeles finaliza transmissão. CONSIDERAÇÕES FINAIS A partir das experiências realizadas, percebe-se a complexidade do gerenciamento de tráfego ATM. O estudo deste gerenciamento permite uma experiência única em termos de entendimento de QoS. Tanto o efeito da função de policiamento de tráfego, quanto da função de controle de FIGURA 5. UTILIZAÇÃO NOS ENLACES DA REDE. fluxo ABR são investigados. Além disto, é feito o encaminhamento do tráfego de voz sobre ATM, através da configuração de serviços CES em equipamento real. A formulação de contratos de tráfego também é abordada. Observa-se ainda, que o OPNET Modeler, junto com o cenário estudado, fornece uma base para que os estudantes estejam aptos a analisar, planejar e implantar redes ATM com suporte à QoS, bem como avaliar o desempenho dos serviços oferecidos. Como melhorias, pretende-se ampliar os experimentos com o AXD 301, incluindo sinalização usuário-rede, endereçamento e interconexão com a rede telefônica tradicional. Com relação aos experimentos de simulação, pretende-se explorar outras funções de gerenciamento de tráfego disponíveis. REFERÊNCIAS [1] Rauschmayer, Dennis J., “ADSL/VDSL Principles: A Practical and Precise Study of Asymmetric Digital Subscriber Lines and Very High Speed Digital Subscriber Lines”, Macmillan Technical Publishing. FIGURA 6. TAXA DE CÉLULAS PERMITIDA PELO ERICA. [2] Alberti, Antonio M., Bottoli, Maurício L., Breda, Gean D., Mendes, Leonardo de S., “Modeling and Simulation of ATM Traffic Management”, 37th ANSS, IEEE Computer Society, Abril 2004, pp. 273-281. [3] Sacket, G.C., Metz, C., “ATM and Multiprotocol Networking”, McGraw Hill, Janeiro 1997. [4] Giroux, N., Ganti, S., “Quality of Service in ATM Networks: State-of- Art Traffic Management”, Prentice Hall, 1998. [5] Tanenbaum, Andrew S., "Redes de Computadores", 3ª e 4ª Edição, Editora Érica. [6] IEEE Working Group 16, “IEEE 802.16 Parte 16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems”, 24 de Junho 2004. [7] OPNET Technologies, Inc., “OPNET Modeler Brochure”, http://www.opnet.com/products/brochures/Modeler.pdf. [8] Kalyanaraman, Shivkumar, Jain, Raj, Fahmy, Sonia, Goyal, Rohit,. Vandalore, Bobby, “The ERICA Switch Algorithm for ABR Traffic Management in ATM Networks”, IEEE/ACM Transactions on Networking, Vol. 8, Nº. 1, Fevereiro 2000. FIGURA 7. ATRASO EXPERIMENTADO PELAS CÉLULAS ATM.