Redes De Banda Ancha. XDSI, ADSL, Frame Relay, ATM

Redes de banda ancha. XDSI, ADSL, Frame Relay, ATM
Redes de banda ancha. XDSI, ADSL, Frame Relay, ATM
Índice de contenido
Redes de banda ancha. XDSI, ADSL, Frame Relay, ATM.........................................................................1
Licencia......................................................................................................................................................1
Redes de banda ancha................................................................................................................................1
Frame Relay...............................................................................................................................................2
Establecimiento de la conexión..............................................................................................................2
Control de flujo......................................................................................................................................2
XDSI...........................................................................................................................................................2
Características y configuraciones...........................................................................................................3
Envío de voz...........................................................................................................................................3
Envío de datos........................................................................................................................................3
ADSL..........................................................................................................................................................4
Evolución de estándares.........................................................................................................................4
Modulación............................................................................................................................................4
Codificación...........................................................................................................................................5
Corrección de errores.............................................................................................................................5
Uso del canal..........................................................................................................................................5
Integración con telefonía convencional..................................................................................................6
ATM............................................................................................................................................................6
Direccionamiento y enrutado.................................................................................................................8
Formato de celda....................................................................................................................................8
Ventajas e inconvenientes......................................................................................................................9
Licencia
Este obra de Jesús Jiménez Herranz está bajo una licencia Creative Commons AtribuciónLicenciarIgual 3.0 España.
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Redes de banda ancha
Una WAN (Wide Area Network) es una red que cubre un área amplia, de más de un edificio. El
ejemplo de WAN de mayor tamaño y más conocida es el caso de Internet.
La función de las WAN es la interconexión de redes locales o LAN, de manera que los usuarios
puedan conectarse entre ellos. Debido a las grandes distancias, los esquemas de conexión de una
WAN son muy diferentes de los de una LAN, y así pueden ser alguno de los siguientes:
•
Líneas dedicadas: Se contrata una línea de comunicaciones dedicada, por la cual se
encapsula todo el tráfico mediante un módem WAN o router.
•
Conmutación de circuitos: Se reserva parte de un canal para la comunicación, dedicándolo
en exclusiva para la conexión. Es una opción más económica que el establecimiento de una
línea dedicada. Un ejemplo de red de conmutación de circuitos es la red de telefonía
convencional.
•
Conmutación de paquetes: Trocea la información en unidades llamadas paquetes, que son
numeradas y enviadas a destino por el canal. En recepción, se juntan los paquetes para
reconstruir la información. Con este esquema es posible compartir el canal con otras
comunicaciones de forma transparente, y no se desaprovecha como sucede cuando un
circuito está inactivo.
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•
Cell relay: Es una variante de conmutación de paquetes en la que los paquetes, llamados
celdas, son de tamaño fijo. De esta forma se facilita el enrutado, la priorización del tráfico y
el establecimiento de servicios de tiempo real.
A continuación se describen en detalle algunas de las principales tecnologías WAN.
Frame Relay
Frame Relay o Frame-mode Bearer Service es un protocolo WAN que opera en la capa de enlace
del modelo de referencia OSI. Es un protocolo de conmutación de paquetes, introducida por la ITUT como forma simplificada de comunicación respecto a las redes de conmutación de circuitos,
ofreciendo mayores velocidades y un mejor aprovechamiento del canal.
Frame Relay es una alternativa simplificada de X.25 y, así, ofrece menos funcionalidades que
X.25 referentes a control de errores o control de flujo. Esto es así porque asume que los canales
físicos sobre los que funciona son de gran calidad y las tasas de error son bajas, por lo que dejar las
tareas de corrección de errores a los protocolos de capas superiores permite disminuir el overhead y
aumentar la velocidad.
Establecimiento de la conexión
Frame Relay está orientado a conexión, y así permite conexiones entre dos puntos a través de una
red pública. Para los extremos, la conexión se ve como un circuito permanente, si bien la
transmisión de datos (y por tanto el uso de la línea) se realiza sólo para la información necesaria.
Al realizarse la conexión se negocia una tasa de transferencia llamada CIR (Committed
Information Rate), con la peculiaridad de que es una tasa media, y puede ser superada puntualmente
hasta llegar a la ráfaga máxima (Bc o Committed Burst). Si se supera la ráfaga máxima, los datos
que sobrepasen el CIR negociado se enviarán sin garantía, en modo best-effort, lo cual quiere decir
que, en caso de congestión de algún punto de la línea, serán los primeros en ser descartados.
Control de flujo
Como se ha comentado anteriormente, Frame Relay no implementa mecanismos de control de
flujo. En su lugar, implementa controles de congestión que se limitan a detectar las situaciones de
congestión, notificando a los protocolos de capa superior, que serán los responsables de actuar si es
necesario.
Se realizan dos tipos de control de congestión:
•
Forward: Cuando se envía una trama, si por el camino ha experimentado congestión, se
activa el bit FECS en la cabecera, lo que permite notificar de la situación a los protocolos de
capas superiores.
•
Backward: Cuando se ha detectado una situación de congestión forward, las respuestas a ese
paquete se enviarán con la marca BECS activa. Esta marca, al igual que FECS, servirá para
notificar a los protocolos de capa superior.
Además de estos mecanismos, cada trama incluye también un bit DE (Discard Eligibility) que se
activa para tramas consideradas poco importantes, y que por tanto serán las descartadas en el
momento en el que se produzca una congestión.
XDSI
La RDSI o Red Digital de Servicios Integrados es una red de telefonía digital, con la idea de
sustituir a la red de telefonía convencional (PSTN), que es analógica. Así, RDSI es completamente
digital, de forma que el tráfico de voz y datos no se diferencia sino que va por el mismo canal.
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RDSI es una red de conmutación de circuitos, si bien puede funcionar también como red de
conmutación de paquetes.
Características y configuraciones
Cada conexión RDSI se compone de una serie de canales, que pueden ser de tres tipos:
•
Canal B (Bearer): Permite transferir datos a 64 kbps.
•
Canal D (Delta): Señalización, permite transferencias de entre 16 y 64 kbps para transmitir
señales de control. Se utiliza para cualquier tipo de señal de control (negociación,
señalización) de un canal B, aunque también se puede utilizar para el envío de datos a baja
velocidad. Para la señalización se utiliza el protocolo Q.931, que proporciona control de
conexión.
Los canales D también pueden utilizarse para encapsular tráfico X.25 (en lo que se conoce
como X.31), principalmente para proporcionar compatibilidad a sistemas antiguos.
•
Canal H: Transferencias de datos a alta velocidad, superior a las de un canal B. Se definen
diferentes canales H, desde el H0 (6 canales B, o sea 384 kbps) hasta el H12 (30 canales
B=1920 kbps)
En función de cuántos canales se asignen a una conexión, se distinguen diferentes
configuraciones, denominadas interfaces:
•
BRI (Basic Rate Interface): Conexión de tipo doméstico, usa 2 canales B y uno D para
obtener una velocidad aproximada de 144 kbps (2B+D=2·64+16=144).
•
PRI (Primary Rate Interface): Para organizaciones y proveedores de acceso. Utiliza 30
canales B y uno D de 64 kbps para obtener 2048 kbps, que sería el equivalente a una línea
E1, conexión popular a nivel de centralitas e interconexión de redes. En EEUU, en lugar de
30B+D se usa 23B+D para equipararse a una T1.
Además de estos dos tipos, se pueden establecer otros interfaces diferentes, combinando
diferentes canales.
Envío de voz
El envío de voz se hace mediante un canal B completo (64 kbps), utilizando audio de 8 bits con
un sampling de 8 Khz y el códec G.711, que codifica el audio como una sucesión de muestras
(PCM: Pulse Code Modulation), y codifica cada muestra con un número de bits variable para
comprimir la información, representando con menos bits los valores comunes.
De esta forma, se obtiene una calidad de audio superior a la de la telefonía convencional.
Envío de datos
El envío de datos mediante RDSI es trivial, ya que las líneas son digitales. En una configuración
BRI típica, se usaría un canal B para transmisión, otro para recepción, y el canal D para
señalización. Esto permite tasas de datos previsibles y estables, y hacen que un uso popular de
RDSI sea la videoconferencia y otras aplicaciones donde es importante disponer de un canal
dedicado con un tiempo de respuesta previsible.
En configuraciones BRI, al disponerse de diferentes canales B, es posible ir
asignando/desasignando canales a cada conexión en función de las necesidades del momento,
permitiendo dimensionar los recursos de red.
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ADSL
ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) es una tecnología de comunicación de datos de
capa física que permite la transmisión de datos a gran velocidad sobre las mismas líneas de cobre
utilizadas por la telefonía convencional. El poder aprovechar el cableado existente ha permitido que
el ADSL se popularice como forma de conexión a Internet de banda ancha económica.
Las tasas de transmisión de ADSL son considerablemente más altas que las que se podrían
conseguir modulando datos sobre la misma línea de voz. Para ello, ADSL utiliza rangos de
frecuencias diferentes de los usados por la línea de voz. La contrapartida al uso de cableado de
cobre es que sólo se pueden mantener las tasas de transmisión a distancias relativamente cortas de la
central, unos 5 km como máximo.
ADSL forma parte de la familia de tecnologías DSL, diferenciándose del resto de variantes
xDSL en que la conexión es asimétrica: el ancho de banda de bajada es mucho mayor que el de
subida. Dado que ADSL se orienta hacia un usuario doméstico que fundamentalmente recibe datos,
ADSL se ha popularizado en este tipo de entornos.
ADSL es una tecnología de capa física, y por tanto sólo establece el canal físico por el que se
enviarán los datos y sus parámetros de funcionamiento. Los protocolos que regulan el intercambio
de información en una instalación ADSL pertenecen al nivel de enlace, y acostumbran a ser PPP o
ATM.
Evolución de estándares
Existen las siguientes evoluciones de ADSL:
•
ADSL: Estándar inicial, aprobado por la ITU-T, permite velocidades de hasta 8 Mbps en
bajada y 1Mbps en subida.
•
ADSL2: Aprobado en 2002, incorpora mejoras al estándar y permite 12 Mbps en bajada y
1.5 Mbps en subida
•
ADSL2+: Usa el doble de frecuencias para duplicar la velocidad de bajada hasta 24 Mbps, a
coste de reducir la distancia máxima con la central.
Cada especificación de ADSL incorpora también una serie de anexos, con posibles
configuraciones opcionales cuyo objetivo es adaptarse a diferentes necesidades. Algunos anexos
son:
•
Anexo A: Estándar base.
•
Anexos I y J: Cuando no hay línea telefónica compartiendo el cable, permite usar las
frecuencias de voz también para datos, aumentando la velocidad. I es para telefonía
convencional, J para RDSI.
•
Anexo M: Aumenta el canal de subida hasta los 3.5 Mbps, usando parte del canal de bajada,
que es decrementado proporcionalmente.
•
Anexo L: Aumenta la distancia máxima con la central
Modulación
Inicialmente, ADSL utilizaba CAP (Carrierless Amplitude Phase modulation). Esta modulación
se usó antes de que ADSL se estandarizase, y es una variante no estándar de QAM. Actualmente
está en desuso.
Desde la estandarización de ADSL por la ITU-T, la modulación que se usa es DMT (Discrete
Multitone Modulation). Es una variante de OFDM (FDM ortogonal) que usa un esquema FDM en
el que divide el espacio en múltiples canales del mismo tamaño, transmitiendo simultáneamente por
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todos. El dividir el espacio de frecuencias en streams independientes lo hace más robusto frente a
interferencias, especialmente a aquellas que afectan sólo a rangos concretos.
La modulación DMT es fundamentalmente la misma que la que se usa en otras tecnologías con
los mismos problemas de canal ruidoso, como DVB-T o WiFi.
Codificación
ADSL usa como codificación TCM (Trellis Coded Modulation). TCM representa los diferentes
valores como secuencias fijas de símbolos. De esta forma, si parte de un símbolo se corrompe, se
puede deducir a partir del resto.
Corrección de errores
Para la corrección de errores, ADSL usa códigos Reed-Solomon, que consisten en enviar los
datos con redundancia, de manera que si uno se pierde sea posible calcularlo a partir del resto sin
necesidad de reenviarlo.
Uso del canal
La mayoría de variantes de ADSL son full-duplex. Esto lo consiguen de diferentes maneras:
•
Frequency-division duplex: Se usan rangos de frecuencias diferentes para envío y recepción.
•
Echo-cancelling duplex: Se usa el mismo canal para envío y recepción. En recepción, cada
extremo eliminará de la señal la parte que él haya enviado, y lo que quede es la parte de
recepción.
•
Time-division duplex: Se envía y recibe en diferentes ventanas de tiempo.
La especificación de ADSL, anexo A, usa FDD y reserva las frecuencias:
•
Envío: De 25.875 Khz a 138 Khz
•
Recepción: De 138 Khz a 1104 Khz
Cada uno de estos canales se divide a su vez en subcanales, llamados bins. En el momento de
iniciar la conexión, los equipos ADSL prueban los diferentes bins, analizando el ruido en cada uno,
y decidiendo si son apropiados para la comunicación o no. De esta forma, se consigue un canal
fiable al precio de no disponer de la máxima velocidad teórica del canal.
El módem DSL lleva a cabo una estrategia para aprovechar al máximo los bins, llamada bits-perbin allocation. Consiste en enviar los símbolos de más bits por los bins con mejor ratio de ruido
(SNR), mientras que por los bins menos fiables se enviarán los símbolos más pequeños, de 1 o 2
bits como máximo.
Periódicamente se reevalúa el canal, y se cambia la asignación de bins, en lo que se conoce como
bitswap. De esta forma, la tasa de transmisión del canal varía continuamente en función de las
condiciones del canal.
La suma de todos los bits-per-bin es lo que se conoce como tasa de sincronización o sync-rate, y
es una medida de la capacidad máxima del canal, si bien es un máximo teórico ya que no tiene en
cuenta aspectos como el propio overhead del protocolo, que hace imposible transferir datos a esa
velocidad. Generalmente, la velocidad máxima que se alcanza está en torno al 85% del sync rate.
Para evitar asignaciones de bits-per-bin muy optimistas, que asignen más bits por bin de los que
puede tolerar realmente un bin, se adopta un esquema conservador en el que se asignan menos bits
de los que teóricamente podría transferir ese bin. La diferencia se conoce como SNR margin, y
permite tener un margen de seguridad para deterioros futuros del canal. Generalmente el operador
telefónico establece el valor de SNR margin que quiere usar y se lo proporciona al módem en
tiempo de conexión, que hará las asignaciones correspondientemente. El valor concreto a usar
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depende del grado de riesgo que se quiera asumir: un SNR margin bajo aumenta la velocidad, pero
hace el canal menos fiable, mientras que un SNR alto desaprovecha parte del canal pero da una
conexión muy estable.
En caso de que el ruido en el canal aumentase, el protocolo ADSL prevee el reajuste de los bitsper-bin. El modo de hacerlo es mediante el reestablecimiento de la conexión en ADSL, y el uso de
SRA (Seamless Rate Adaptation) en ADSL2+, que permite reasignar bins sin necesidad de cortar la
conexión.
Integración con telefonía convencional
Dado que ADSL utiliza el mismo canal que la telefonía convencional de voz, es necesario tomar
una serie de medidas para hacer posible la coexistencia de las dos tecnologías. Así, es necesario
hacer cambios en la instalación de alguna de las siguientes formas:
•
Splitter: Se instala un dispositivo en la entrada de la ubicación física que filtra la señal
ADSL para todas las tomas de teléfono excepto para aquella a la que deba ir conectado el
módem ADSL.
•
Microfiltros: Solución inversa, se deja pasar la señal ADSL a todo el cableado, y en cada
toma donde se vaya a instalar un teléfono de voz se interpone un pequeño dispositivo
llamado microfiltro que filtra las frecuencias ADSL. Si bien es una solución más fácil de
implantar, provoca también atenuación y ruido extra en la señal ADSL, especialmente si
crece el número de teléfonos conectados.
ATM
ATM (Asynchronous Transfer Mode) es una tecnología de transmisión de datos de nivel de
enlace. Su objetivo es servir de tecnología de base para la transmisión de información heterogénea
en tiempo real.
El esquema que usa ATM es el de conmutación de paquetes, en el que el tamaño de paquete es
fijo, y recibe el nombre de celda. El objetivo del tamaño fijo es reducir la variación del tiempo de
transmisión que provocan los tamaños de paquete variables, y así hacer posible la implementación
de servicios de tiempo real, como la transmisión de voz, que requieren de flujos de datos constantes.
La idea de ATM era servir de servicio de enlace universal, para todo tipo de comunicaciones.
Así, se divide todo el tráfico en celdas, que serán reensambladas en destino:
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La arquitectura ATM es la siguiente:
Aplicación
SAR
AAL
ATM
Físico
Donde las capas son:
•
SAR: Se encarga de fragmentar en celdas para enviar, y recomponer los datos en recepción.
•
AAL: Define las diferentes clases de servicio (adaptation layers), que son normas que
definen cómo encapsular diferentes servicios dentro de ATM:
•
AAL0: Clase ficticia, permite el envío de celdas en bruto.
•
AAL1: Soporta comunicación con bitrate constante (CBR) y orientada a conexión.
•
AAL2: Soporta comunicación de bitrate variable (VBR) síncrono y de tiempo real.
Apropiado para comunicaciones de voz.
•
AAL3/4: Soporta comunicación de datos, con bitrate variable, un formato extendido de
cabecera y orientada (3) o no (4) a conexión. Apropiado para Frame Relay
◦
AAL5: Similar a AAL3/4, pero con una cabecera simplificada para reducir el overhead.
Utilizada para encapsular IP o Ethernet.
•
ATM: Se encarga del multiplexado de las celdas, el enrutado y el control de flujo
•
Físico: Encapsula las celdas en el formato de paquete que necesite el medio físico final, y
realiza codificación y modulación.
En el momento de la conexión, se negocian una serie de parámetros:
•
PCR (Peak Cell Rate): Tasa máxima de celdas/s
•
CDVT (Cell Delay Variation Tolerance): Retardo máximo entre dos celdas consecutivas
•
SCR (Sustainable Cell Rate): Tasa de transferencia media de la conexión
•
MBR (Maximum Burst Size): Número máximo de celdas consecutivas que se pueden enviar
(siempre respetando el PCR).
•
MCR (Minimum Cell Rate): Tasa mínima de celdas/s que se enviará.
•
CLR (Cell Loss Ratio): Proporción de celdas perdidas que se tolerarán.
•
MCTD (Max Cell Transfer Delay): Retardo máximo de envío de una celda
•
CDV (Cell Delay Variation): Diferencia entre el retardo máximo y mínimo. Es una medida
del jitter.
Así, mediante los parámetros anteriores, ATM ofrece diferentes tipos de conexión:
•
CBR: Bitrate constante, equivalente a un circuito dedicado
•
VBR: Bitrate variable, para tráfico de velocidad constante pero con ráfagas en las que puede
aumentar o disminuir. Pueden negociarse unos mínimos rendimientos o no. Aprovecha
mejor el canal.
•
ABR: Available bitrate, se le garantiza un mínimo y a partir de ahí aprovecha los huecos que
dejen las comunicaciones VBR. Admite también una cierta tasa de pérdidas.
•
UBR: Unspecified bitrate, aprovecha el ancho de banda sobrante del resto de modos. No
tiene garantizado caudal mínimo ni tasa máxima de pérdidas. Tampoco se realiza control de
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flujo, y de hecho es el primer tipo de tráfico que se descarta en caso de congestión. Es un
tipo de envío de mejor intento.
Direccionamiento y enrutado
El tráfico en ATM se organiza en rutas (paths) y canales (channels). Cada canal es un circuito
virtual entre dos extremos, y un path es una agrupación de canales. Así, un nodo de la red se
identifica unívocamente mediante la combinación de path (VPI) y channel (VCI).
El enrutado de celdas se hace, por tanto, a nivel de VPI/VCI. Así, cada enrutador mantiene una
tabla que indica, para cada VPI/VCI destino, por qué siguiente VPI/VCI debe enviar la celda. Es
tarea del enrutador modificar correspondientemente la cabecera de la celda con la nueva
información de destino.
Formato de celda
Una celda ATM ocupa 53 bytes, de los cuales los 5 primeros son una cabecera que permite el
enrutado y el reensamblaje de la información original. La cabecera contiene los siguientes campos:
•
GFC (Generic Flow Control): Control de flujo. En la práctica no se usa, y se utiliza para
extender el campo VPI
•
VPI (Virtual Path Identifier): Identifica una ruta, que es un conjunto de canales
•
VCI (Virtual Channel Identifier): Identifica un canal dentro del VPI
•
PT (Payload Type): Identifica el tipo de datos de la celda (datos o control)
•
CLP (Cell Loss Priority): Bit que indica si, en caso de congestión de la red, la celda es
descartable.
•
HEC (Header Error Correction): Control de errores de la cabecera. Permite detectar errores y
corregir errores simples.
Además de estos campos estándar, cada adaptation layer añade información extra, aunque dentro
de los 48 bytes de datos:
•
AAL0: Sin información extra, los 48 bytes son de datos.
•
AAL1: Añade un byte extra con información de fragmentación (nº de secuencia) para la
capa SAR
•
AAL2: Añade la misma información que AAL1 para la capa SAR, más 3 bytes extras con
información de configuración de la comunicación (tipo de comunicación, usuario, etc.).
•
AAL3/4 y AAL5: Añade la información para la capa SAR, más información extra sobre la
información enviada
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Ventajas e inconvenientes
Si bien el enfoque de ATM de dividir el tráfico en celdas para reducir las variaciones en el
tiempo de transmisión funciona bien, el aumento de velocidad en las redes hace menos relevante el
tamaño del paquete.
Por otra parte, la elevada fragmentación supone una carga importante para transferir grandes
volúmenes de datos, ya que son necesarios recursos considerables tanto para el enrutado como para
el ensamblado/desensamblado.
Estos dos aspectos han hecho que ATM no se haya impuesto en redes locales (donde hay
velocidades altas y mucho tráfico), aunque sí resulta útil en redes WAN, especialmente con
conexiones lentas donde sí funcionan las características de tiempo real.
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