Tecniche per la valutazione del ritardo end to end nelle reti ATM

Introduzione 
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1 INTRODUZIONE 
 
 
1.1 INTRODUZIONE 
 
 
ATM nel mondo delle telecomunicazioni ha il significato di modalità di 
trasferimento asincrono (Asynchronous Transfer Mode): si tratta di una tecnica di 
trasmissione dell’informazione cell-relay, orientata alla connessione e ad alta velocità. 
Per “cell-relay” s’intende che i dati arrivano agli utenti suddivisi in pacchetti di 
dimensione fissa, denominati celle, che viaggiano in rete come singole entità. Il cell-
relay si pone ad un livello intermedio tra le tecniche a commutazione di circuito ed a 
commutazione di pacchetto. 
Tecnica “orientata alla connessione” indica che prima che due utenti della rete 
inizino la comunicazione è necessario che sia stata creata (inizializzata) una 
connessione. 
Il termine “asincrono” si riferisce al fatto che i pacchetti di un certo utente non 
devono essere periodicamente spaziati, vale a dire avere sempre la stessa posizione 
all’interno del flusso complessivo di pacchetti. 
ATM è “nata” all’interno dei Bell Labs nella prima metà degli anni 80. 
Il suo sviluppo si è avuto all’interno del mondo telefonico, e successivamente è 
stata adottata anche nel mondo informatico, vale a dire per l’interconnessione di 
calcolatori. 
Gli enti che hanno standardizzato ATM sono essenzialmente due: 
 ξ  ITU-T: International Telecommunication Union – Telecommunication 
Sector, un tempo CCITT, un ente specializzato, con sede a Ginevra in 
Svizzera, il cui compito è quello di mantenere ed ampliare la 
collaborazione internazionale per lo sviluppo delle telecomunicazioni; 
 ξ  ATM Forum: organizzazione creata da un gruppo di società operanti 
nel mondo delle telecomunicazioni (venditori, fornitori di servizi, 
utenti). 
La tecnologia ATM è stata sviluppata per soddisfare la crescente domanda di banda 
da parte d’applicazioni di networking, come Internet, videoconferenza, video-on-
demand, telemedicina, e per venire incontro all’esigenza di trasferire sulla stessa rete di 
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telecomunicazioni traffico relativo a differenti tipi di servizio (voce, dati, video) per la 
creazione di reti multi-servizio. 
Nacque quindi il problema di unire tipi di traffico con caratteristiche molto diverse. 
Ad esempio, la voce richiede un’occupazione di banda costante, mentre i dati 
spesso richiedono molta banda, ma in modo discontinuo (traffico bursty). 
La voce e il video non ammettono ritardi, ma ammettono perdita d’informazione 
diversamente del traffico dati. 
Inizialmente le compagnie telefoniche pensarono alla tecnologia ISDN per risolvere 
questo problema. L’idea era di portare lo standard ISDN a velocità dell’ordine dei 
gigabits e consentire così l’integrazione dei diversi tipi di servizio. 
Il modello pensato consisteva di un numero limitato di canali a larghezza di banda 
fissata. Si scelse la larghezza di banda di 64 Kbps perché era la quantità richiesta per il 
trasporto della voce digitalizzata. 
Osservarono però che un canale di dimensione fissa non era mai della dimensione 
giusta. 
Il motivo alla base di quest’osservazione era che grazie ai progressi tecnologici 
(compressione dell’informazione), si aveva una notevole riduzione della banda 
necessaria per il traffico voce. Per cui un’applicazione vocale che usa ISDN non può 
trarre vantaggio di questo progresso, poiché deve in ogni caso allocare l’intero canale 
di 64 Kbps, con un evidente spreco di banda. Un altro problema è che pur essendo 
possibile creare dei canali di capacità molto elevata (esempio un canale da un Gb può 
essere realizzato allocando 16000 canali da 64 Kbps), il loro utilizzo presenta delle 
difficoltà. Per spedire una gran quantità d’informazioni bisogna spezzare i dati in più 
blocchi, e spedirli su circuiti diversi (striping). 
Lo striping richiede però un hardware particolarmente complesso per 
risincronizzare i vari pezzi provenienti dai differenti circuiti allocati. 
Tutto questo ha portato allo sviluppo della tecnica di trasmissione ATM. 
I principali vantaggi che ATM offre sono: 
 ξ  Allocazione dinamica della banda disponibile; 
 ξ  Ampia scalabilità della banda (possibilità di trasferire da poche a 
centinaia di migliaia di celle); 
 ξ  Efficienza nell’utilizzo delle risorse di rete (banda, buffers); 
 ξ  Garanzia della qualità del servizio (QoS). 
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La qualità di servizio è una caratteristica molto importante. Nelle comuni reti 
telefoniche, la QoS è misurata in termini di ritardo per ottenere il dial-tone (segnale 
acustico), ritardo per il set-up (inizializzazione) della connessione, disponibilità della 
linea, affidabilità della connessione e qualità del suono (rumore). 
La maggior parte delle reti attuali non implementano garanzie di QoS, ma si 
limitano a fornire servizi di tipo “Best Effort”, ossia forniscono agli utenti il servizio 
migliore possibile in quel momento. 
In ATM la qualità di servizio richiesta alla rete dagli utenti si articola in garanzia 
sulla banda desiderata, sui ritardi di trasferimento dell’informazione, sulla priorità 
dell’informazione e sul tasso di perdita delle celle. 
La rete deve essere capace di assicurare che ogni dato traffico utente non influenzi 
la qualità di servizio degli altri utenti. 
ATM non è basata su uno specifico mezzo fisico di trasmissione. 
Infatti, può essere usata su fibre ottiche, doppino, cavo coassiale. 
Tuttavia essa è prevista per essere utilizzata principalmente su reti in fibra ottica, 
con velocità di trasmissione compresa tra 1,5 Mbps e 622 Mbps. 
 
 
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1.2 OBIETTIVI DEL LAVORO DI TESI 
 
 
La cosiddetta “qualità di servizio” (QoS) è oggi uno degli aspetti più importanti per 
i fornitori di servizi di rete, che gestiscono sulla stessa infrastruttura oltre ad un traffico 
dati già di per se consistente anche traffico voce e video. 
Ad esempio, flussi di traffico sensibili al fattore tempo, come quello voce e quello 
video, richiedono QoS in termini di garanzia sul ritardo più elevata rispetto al traffico 
dati, come il trasferimento di file o di posta elettronica. 
Uno dei parametri che caratterizzano la qualità di servizio è il ritardo di 
trasferimento dell’informazione dai nodi sorgente ai nodi destinazione. 
A causa della multiplazione statistica eseguita nei nodi di commutazione ATM, tale 
ritardo non è deterministico ma aleatorio ed in particolare è in funzione del traffico 
nella rete. L’obiettivo del lavoro presentato in questa tesi è determinare nelle reti ATM 
i tempi d’attesa nelle code degli switches, vale a dire i cosiddetti ritardi d’accodamento 
che poi incidono pesantemente nel ritardo punto-punto (end-to-end delay). In 
particolare, l’obiettivo consiste nello sviluppo di una metodologia per la predizione 
della QoS basata sull’informazione sul traffico, sulla topologia della rete e sulla 
configurazione dei nodi ATM. A tale scopo si è fatto uso di tre metodi per la 
valutazione dei ritardi punto-punto delle connessioni. La considerazione che ha portato 
alla scelta dei metodi proposti è essenzialmente una sola: la loro semplicità. 
 
 
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1.3 APPROCCI ADOTTATI 
 
 
Nella tesi sono proposti tre metodi, presenti nella letteratura specialistica, per la 
determinazione dei ritardi end-to-end. 
Il primo si basa sul calcolo del ritardo nel caso peggiore possibile ad ogni nodo 
(switch) della rete coinvolto dal percorso della connessione, ed elabora il ritardo totale 
come somma dei ritardi agli switches individuali. 
Gli altri approcci sono metodi integrati, così chiamati poiché non trattano gli 
switches singolarmente, ma cercano di trattare l’intera rete come un unico switch e 
calcolano il ritardo in maniera diretta. Le metodologie di base sono state presentate per 
reti topologicamente ad albero. Per questo motivo esse sono state estese per tenere in 
considerazione reti con topologia arbitraria.  
 
 
1.4 STRUTTURA DELLA TESI 
 
 
Nel secondo capitolo vengono inizialmente presentati i fondamenti della tecnica 
ATM. S’introduce poi la gestione del traffico ATM (Traffic Management o 
brevemente TM), descrivendo i suoi componenti: il contratto di traffico (traffic 
contract), all’interno del quale vengono definite le categorie di servizio, i parametri di 
qualità di servizio e i descrittori di traffico. Si passa successivamente a descrivere la 
conformità del traffico (traffic conformance), ed infine le strategie di accodamento e di 
scheduling. 
Nel terzo capitolo vengono illustrate le tre metodologie base note in letteratura, con 
gli algoritmi per la valutazione dei ritardi end-to-end in una rete ATM con topologia ad 
albero. 
Nel quarto capitolo si descrive la tecnica sviluppata per determinare i ritardi end-to-
end nel caso più generale di reti con topologia non ad albero. 
Nel quinto capitolo vengono descritti i risultati ottenuti usando i tre algoritmi sopra 
citati, correlati da tabelle e grafici. 
Il sesto e ultimo capitolo è dedicato alle conclusioni. 
 
Lo standard ATM 
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2 LO STANDARD ATM 
 
 
2.1 FONDAMENTI DI ATM 
 
 
 
Una rete ATM può essere sia pubblica sia privata. 
Essa consiste di un insieme di nodi di commutazione detti switch ATM, e di un 
insieme di nodi terminali detti End System ATM (ES ATM). 
Gli switches ATM sono collegati tra loro attraverso linee di trasmissione punto-
punto, tipicamente in fibra ottica, formando la rete vera e propria secondo una 
topologia a maglia. 
Gli ES ATM possono essere collegati solo agli switches ATM, sempre tramite linee 
punto-punto, secondo una topologia di tipo stellare. 
A ciascuna linea di trasmissione corrisponde un’interfaccia. Le interfaccie possibili 
sono di quattro tipi (vedi figura 2.1): 
 
 
 
Public 
UNI  
Public 
UNI  
Public 
UNI  
Public 
UNI  
Public 
UNI  
Public 
NNI  
Private 
NNI  
Private 
UNI  
Private 
UNI  
ES  
ES  ES  
ES  
ES  
ES  
ES  
Private ATM 
Network 
Public ATM 
Network 
Switch 
AT M 
Switch 
AT M 
Private 
UNI  
ES  
 
Figura 2.1-Interfacce di una rete ATM 
Lo standard ATM 
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 ξ  Private User-Network Interface (Private UNI): identifica il 
collegamento tra un ES ATM ed uno switch ATM privato; 
 ξ  Public User-Network Interface (Public UNI): identifica sia il 
collegamento tra un ES ATM ed uno switch ATM pubblico, sia 
quello tra uno switch ATM privato ed uno switch ATM pubblico; 
 ξ  Private Network-Node Interface (Private NNI): identifica il 
collegamento tra due switches ATM privati, cioè all’interno di una 
rete privata; 
 ξ  Public Network-Node Interface (Public NNI): identifica il 
collegamento tra due switches ATM all’interno di una rete pubblica. 
 
Il trasferimento dell’informazione tra gli ES di una rete ATM avviene in unità 
elementari chiamate celle, la cui dimensione è di 53 bytes, di cui 48 sono 
d’informazione utile (Payload) e i restanti 8 bytes sono d’intestazione (Header). 
Prima che due host inizino a comunicare è necessario che sia creata una 
connessione virtuale (VC) tra host sorgente e host destinazione. Si parla di connessione 
virtuale perché il trasferimento vero e proprio dell’informazione non è ancora in corso, 
ma si sta solo inizializzando il percorso attraverso il quale successivamente avverrà la 
comunicazione. 
Le connessioni virtuali (VC) possono essere di due tipi: 
 ξ  Virtual Path Connections (VPC): identificate dal valore VPI; 
 ξ  Virtual Channel Connections (VCC): identificate dalla coppia 
VPI/VCI. 
Le VPC sono costituite da un insieme di VCC che condividono un percorso 
comune nella rete; per esempio da un host A ad un host B. 
Ogni VCC è associata ad una singola comunicazione tra due ES ATM. 
Per chiarire il concetto si può pensare ad un VPC contenente due VCC.  
Il VPC può indicare il collegamento tra due ES e i due VCC possono indicare due 
differenti servizi che caratterizzano quel collegamento, ad esempio, servizi voce e dati. 
Poiché in ATM diverse connessioni possono condividere lo stesso canale (link), ad 
ogni link possono essere associati diverse VPC, ognuna delle quali individua una 
comunicazione tra due host differenti.  
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La coppia VPI/VCI ha solo significato locale, nel senso che vale esclusivamente 
all’interno di un link. Ogni volta che una connessione attraversa uno switch, la coppia 
VPI/VCI ad essa associata è cambiata in una nuova coppia che identifica la 
connessione nel link successivo. Questo concetto sarà chiarito nella successiva sezione 
dedicata alla segnalazione. 
Le connessioni virtuali hanno anche una seconda classificazione: 
 ξ  Permanent Virtual Connections (PVC): sono utilizzate da host che si 
scambiano dati molto di frequente e che necessitano di avere un 
canale di comunicazione a loro dedicato. Queste connessioni sono 
configurate dal gestore di rete dopo che un utente effettua la 
richiesta; 
 ξ  Switched Virtual Connections (SVC): sono create dinamicamente 
attraverso un meccanismo di segnalazione tra ES e switch (vedere 
sezione segnalazione) ogni volta che un ES intende instaurare una 
comunicazione con un altro ES. 
 
 
 
2.1.1 SEGNALAZIONE NELLE RETI ATM 
 
 
La segnalazione è un insieme di procedure utilizzate per creare delle SVC tra ES 
ATM quando un ES vuole instaurare un collegamento. In fase di segnalazione un ES 
può: 
 ξ  Specificare alla rete il tipo di connessione che intende stabilire 
(punto-punto o punto-multipunto) e indicare l’indirizzo (identità) del 
destinatario; 
 ξ  Fornire delle indicazioni sulle caratteristiche del traffico che intende 
trasmettere (bit rate di picco, bit rate medio); 
 ξ  Richiedere alla rete una certa qualità di servizio (QoS). 
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Esistono due tipi di segnalazione (vedi figura 2.2): 
 
Rete ATM 
ES ATM  ES ATM  
Segnalazione 
UNI  
Segnalazione 
NNI  
Switch 
ATM 
Switch 
ATM  
Switch 
ATM  
Switch 
ATM  
 
Figura 2.2-Tipi di segnalazione in ATM 
 
 
 ξ  Segnalazione UNI, nota come segnalazione d’accesso, usata da un 
ES per comunicare alla rete l’intenzione di voler stabilire una 
connessione con un ES remoto; 
 ξ  Segnalazione NNI, nota come segnalazione in rete, utilizzata dalla 
rete per inoltrare la richiesta di connessione a tutti gli switches fino a 
destinazione e per allocare le risorse (banda e buffer) per quella 
SVC. 
Quando un ES vuole instaurare una connessione trasmette un opportuno messaggio 
alla rete attraverso un canale dedicato per i messaggi di segnalazione, e identificato 
dalla coppia VPI=0/VCI=5. Tutti gli switches sono configurati in maniera tale da 
accettare i messaggi provenienti da tale canale e passarli ad un’entità di segnalazione 
che opera al loro interno. 
Lo switch all’interfaccia UNI (o meglio l’entità di segnalazione attiva al suo 
interno), che riceve tale messaggio, assegna al collegamento richiesto una coppia 
VPI/VCI che identifica in maniera univoca la connessione. A questo punto interviene il 
protocollo di segnalazione in rete, noto come PNNI, che provvede ad inoltrare la 
richiesta di connessione agli switches successivi fino a destinazione. Ogni switch che 
riceve la richiesta configura una tabella al suo interno, nota come look-up table, 
all’interno del quale è posto il nuovo valore della coppia VPI/VCI, e riserva una parte 
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delle risorse di rete (banda e buffer) per soddisfare le richieste di QoS ed i parametri di 
traffico relativi a quella SVC. Quando il messaggio di segnalazione arriva alla 
destinazione questa può decidere se accettare o no la chiamata. 
Se la richiesta è accettata, il segnale di conferma viaggia in senso opposto, lungo il 
percorso attraversato precedentemente dal messaggio di richiesta di connessione, 
informando tutti gli switches coinvolti che la connessione è stata accettata. In caso 
contrario, la destinazione risponde con un segnale di rifiuto, in maniera tale da 
permettere a tutti gli switches coinvolti nel suo percorso di rilasciare le risorse 
precedentemente allocate, e di cancellare i valori VPI/VCI nella look-up table relativi a 
quella particolare SVC. 
Ma come avviene l’instradamento dei messaggi di segnalazione all’interno della 
rete? Semplicemente il protocollo di segnalazione NNI utilizza degli algoritmi 
d’instradamento (routing) che scelgono il percorso lungo il quale instradare la richiesta 
di connessione, sulla base dell’indirizzo del destinatario, dei parametri di traffico della 
sorgente e sulla QoS richiesta. Questo percorso coincide con quello che in seguito 
attraverseranno le celle trasmesse dalla SVC creata tramite detta richiesta. Nella figura 
2.3 vi è un esempio di creazione di una SVC tra due ES ATM, ES1 ed ES2. Il 
messaggio connect indica la richiesta di connessione da parte di ES1, mentre il 
messaggio OK indica che ES2 ha accettato la richiesta. 
 
 
ES 1  
ES 2  
C
o
n
n
e
c
t
 
E
S
2
 
Connect ES
2 
O
K
 
O
K
 
OK 
Connect ES
2 
OK 
C
o
n
n
e
c
t
 
E
S
2
 
RETE 
ATM  
SWITCH 
ATM 
SWITCH 
ATM 
SWITCH 
ATM 
SWITCH 
ATM 
 
Figura 2.3-Esempio di creazione di una SVC