Généralités ATM Formation

ATM « Asynchronous Transfer Mode » : origine Le concept ATM est apparu en 1982 (CNET) pour répondre à 2 objectifs : (exprimés par les opérateurs des gros réseaux WAN) Remplir au maximum les capacités des artères de commutation Transporter tout type de trafic (voix, données, multimédia) sur les supports physiques des opérateurs de réseaux publics à l ’échelle d ’un pays ou d ’un continent. Les 2 grands organismes de réglementation internationale sont : ITU-T : International Telecommunications Union (ex CCITT) ATMF : ATM Forum (regroupement de constructeurs)

Autres Organismes de normalisation ETSI (European Telecommunication Standards Institute) : opérateurs + industriels européens IETF (Internet Engineering Task Force) : groupe responsable de la proposition et de la spécification des protocoles sur Internet.

ATM : les défis à relever Fichiers Flot de données « asynchrones » (avec ou sans rafales) Réseau ATM Son Flot de données « isochrones » (avec ou sans compression) Vidéo Mise en œuvre et respect d ’une qualité de service adapté Garantie du délai d ’acheminement (compatible avec le confort nécessaire aux applications interactives) Optimisation des performances de transport du réseau ATM (indépendance des informations véhiculées)

Objectifs Supporter tout type de communication (voix, vidéo, données) sur un même réseau. Offrir le même service de bout en bout quels que soit les réseaux. Fonctionner à très haut débits (Gigabits par seconde). Garantir une QoS à chaque utilisateur. Utiliser les standards de couches physiques existants (PDH, SDH, ADSL, FDDI, Sonet, . . . )

Principe Couche AAL Couche ATM Couche PHYSIQUE Routage

Principe Formation

ATM - multiplexage des cellules « mise en cellules » Données X25 (paquets  256 octets) 53 octets Phonie en mode circuit (64 kbps) 1 ITx = 1 octet Données transparentes sur RNIS (avec groupement de canaux) H0 : groupement de 2 canaux B (128 kbps)

Positionnement du relais de cellules 05-96

Compromis ATM Compromis entre : Commutation de paquets Structure de paquet conservée Commutation de circuits Simplification des protocoles de communication Réalisation de commutation par moyens matériels Taille des paquets constante et faible ( cellule ) Compromis ATM 06-96

Structure d'une cellule ATM 5 Octets d'en-tête 48 Octets d'information 53 Octets : taille fixe

ATM : pourquoi une cellule de 53 octets? Ne pas oublier que l ’emploi initial et essentiel de l ’ATM est la téléphonie! Réseau ATM 6ms Tnum = x * 125μs % voix < % data % voix > % data Numérisation par échantillonnage à 8KHz : --> Tnum : 1 octet / 125μs => Tnum : 48 octets / 6ms Durée : t = 28ms - 2(x * 125μs) Le temps total ne doit pas dépasser 28ms EUROPE : privilégier l ’entrelacement des cellules téléphoniques (=> taille faible) USA : privilégier la transmission de données (=> taille importante)

Relais de cellules Le relais de cellules se présente suivant un modèle d'architecture à trois couches principales : La couche AAL (ATM Adaptation Layer),qui adapte les flux d'information à la structure des cellules La couche ATM, en charge du multiplexage et de la commutation de cellules La couche physique, qui assure l'adaptation à l'environnement de transmission 06-96

ATM Architecture en couche Flux d'information Adaptation des données à la structure de la cellule AAL ATM Commutation et multiplexage des cellules ATM Adaptation des cellules au transport physique PHY Support de transmission 09-96

Principe Couche AAL Couche ATM Couche PHYSIQUE Routage

Couche AAL ATM Adaptation Layer Formation

ATM : les couches AAL associées aux classes de services A B C D Convergence vers un format unique (cellule ATM) Gestion (ou pas) de la contrainte de temps « Classes de services » Synchronisation entre source et récepteur Débit Mode de connexion UIT- T ATM- FORUM M O D E Mode Données source audio A C I R U T Exigée Exigée Constant Connecté AAL1 CBR Données source vidéo Constant Variable B Exigée Exigée Connecté AAL2 VBR-RT Données source X25 P A Q U E T C Non exigée Non exigée Variable Connecté AAL3/4 VBR-NRT Données source IP D Non exigée Non exigée Variable Non connecté AAL5 UBR Couches logicielles d ’adaptation Un seul format de cellule ATM: Qualités de services

Paramètres de trafic en fonction des classes de services Objectif : cadrer la bande passante de chaque classe de service pour autoriser un équilibre « harmonieux » de répartition dans le « tuyau » ATM BP BP du lien CBR PCR Classes de trafic : CBR : Constant Bit Rate VBR : Variable Bit Rate UBR : Unspecified Bit Rate BP BP du lien UBR PCR Écrêtage (perte de cellules) Paramètres de trafic : BP : Bande Passante PCR : Peak Cell Rate SCR : Sustainable Cell Rate MBS : Maximum Burst Size BP BP du lien VBR PCR SCR MBS CBR : x% ? VBR : y% ? UBR : z% ? Tuyau ATM

ATM : modèle de référence des protocoles (norme I.321) Couche physique Couche ATM Couche d ’adaptation ATM (AAL) Couches hautes (applications) ATM Adaptation Layer AAL1 AAL2 AAL3/4 AAL5 CBR : Constant Bit Rate VBR-RT : Variable Bit Rate - Real Time VBR - NRT : Variable Bit Rate - Non Real Time UBR : Unspecified Bit Rate Découpage du plan « Utilisateur » Qualités de services Couche logicielle d ’adaptation entre le format source et le format ATM Couche de gestion du transport de bout en bout de la cellule ATM Couche d ’adaptation au support physique de transmission

ATM : la couche AAL (ATM Adaptation Layer) Couche physique Couche ATM Couche AAL SAR CS Couches hautes (applications) Découpage du plan « Utilisateur » CS : Convergence Sublayer Identification des messages à transmettre (voix, données, vidéo) 1 Préparation de l ’information à encapsuler en cellule 2 SAR : Segmentation And Reassembly sublayer Segmentation de l ’information en payload de 48 octets Émission du payload à la couche ATM pour transformation en cellule de 53 octets E R Reconstitution du segment à partir des payload Réception de la cellule ATM et extraction du payload Remise du format source à l ’entité applicative Préparation de la mise en forme du segment en format source d ’origine

Couche AAL L'AAL est composé de deux sous-couches : la sous-couche de convergence CS (Convergence Sublayer) assure des fonctions plus spécifiques du service utilisateur, les champs CS ne sont présents qu'une fois par unité de données utilisateur, le CS peut prendre en charge le traitement des erreurs, le CS peut assurer la synchronisation de bout en bout la sous-couche de segmentation et de réassemblage SAR (Segmentation And Reassembly) est pratiquement indépendante du service utilisateur, les champs SAR sont présents dans chaque cellule, le SAR permet de détecter les cellules perdues mais la récupération est du ressort de la sous-couche suivante,

Couche AAL 1 La couche AAL 1 met en œuvre à priori un débit binaire constant, en mode connecté et avec une synchronisation entre la source et le destinataire (CBR). signaux de parole signaux audio de qualité signaux vidéo à débit constant émulation de circuit de données Elle n'assure que des fonctions minimales de segmentation, réassemblage, séquencement et récupération de rythme.

ATM : la couche AAL1 (classe A / CBR) Cas ou la source est structurée (voix MIC loi A ou RNIS) S A R C E T M L 1 P I Octet 1 125μs Octet 2 Octet 3 Octet 45 Octet 46 Il faut 5875μs pour acquérir 47 octets (~ 6ms) pointeur CS - PDU 1 octet 46 octets 47 octets CSI SAR - PDU 1 bit SNC CRC3 header payload 5 octets 48 octets Cellule ATM = SN SNP 3 bits 6ms 5750μs SDU (bloc pair) (bloc impair)

Couche AAL 1 4 bits 4 bits 47 octets SN SNP Données 1 bit 3 bits CSI CSI : Convergence Sublayer Information (1 bit) CRC CRC : CRC sur 3 bits pour corriger les erreurs simples sur SN P P : Parity sur 1 bit pour détecter les erreurs doubles sur SN CSI Compteur CRC P SN : Sequence Number (4 bits) SNP : Sequence Number Protection (4 bits)

Couche AAL 2 La couche AAL 2 diffère essentiellement de l'AAL 1 par la possibilité de débit variable (VBR). Service vidéo à débit variable Transport de la voix compressé Multiplexage de plusieurs connexions bas débit Elle occupe 3 octets, laissant 45 octets pour l'information.

Multiplexage AAL2 sur artères satellites 1 2 3 VC1 VC2 VC3 VCaal2 Cellules vides utilisables par service UBR AAL2 MUX AAL2 DMUX Voix et fax avec compression -> Cellules ATM partiellement utilisées Transmission sans multiplexage AAL2 Transmission avec multiplexage AAL2

Couche AAL 2 4 bits 4 bits 45 octets 6 bits 10 bits SN IT Données LI LI : Lenght Indicator (6 bits), donne le nombre d'octets significatifs. LI IT IT : Information Type (4 bits), décrit le type de cellule (début, fin, . . . ) SN SN : Sequence Number (4 bits) CRC : CRC sur 10 bits pour détecter et corriger les erreurs simples sur les données. CRC SN IT Données LI CRC

Couche AAL 3/4 L'AAL 3/4 est étudiée pour le transport sécurisé des données. Pour ce type d'AAL , la sous couche CS est divisée en deux parties : Flux d'information SSCS Service Specific Convergence Sublayer CS CPCS Common Part Convergence Sublayer AAL SAR ATM 06-96

Couche AAL 3/4 Deux modes de service sont définis Le mode message (transfert de données tramées) Le mode flux (au fil de l'eau) La sous couche SSCS (Service Specific Convergence Sublayer) est dépendante de l'application et peut être vide. La sous couche de convergence CPCS (Common Part Convergence Sublayer) permet : La délimitation des unités de données ( CPCS-SDU Service Data Unit) 06-96

Couche AAL 3/4 Header Multiple de 4 octets Trailer CS CPCS PDU 44 CPI 8 bits Btag 8 bits BASize 16 bits PAD 24 bits AL 8 bits Etag 8 bits Lg 16 bit CS CPCS PDU < 65 535 octets 44 octets 44 octets 44 octets ST 2 bits SN 4 bits MID 10 bits SAR PDU 44 octets LI 6 bits CRC 10 bit SAR

CPI (Common Part Indicator) = 8 bits Permet d'interpréter le header et le trailer de la CPCS. Il donne les unités de longueur, octets ou mot de 4 octets. Btag (Beginning tag) = 8 bits et Etag (Ending tag) = 8 bits Témoin de début et de fin, ils évitent la concaténation accidentelles de 2 CPSC-SDU. BASize (Buffer Allocation Size) = 16 bits Permet d'indiquer au récepteur la taille des buffers qu'il doit réserver. PAD champ de bourrage (de 0 à 3 octets) assure que la capacité utile de l'unité de données de service est un multiple entier de 4 octets. AL (Aligment) = 8 bits Permet d'obtenir un CPCS trailer de 4 octets. Lg (Length) = 16 bits Permet de définir la longueur du champ utile de la CPCS PDU pour l'élimination du bourrage. Il est également utilisé par le récepteur pour détecter les informations éventuellement perdues ou rajoutées

Couche AAL 5 La couche AAL 5 est une simplification de la couche AAL 3/4. Elle autorise un transfert de données efficace, la SDU est alignée sur un multiple de 48 octets. Elle permet de réaliser des réseaux de transport ainsi que des réseaux fédérateurs. La couche AAL 5 associée à la couche LAN Emulation (résolution d'adresse LAN/ATM) est plus dédiée à l'interconnexion de réseaux. L'AAL 5 sert aussi pour la mise en trames de paquets PPP encapsulés.

Couche AAL 5 CS SAR H 65 535 octets PAD < 47 octets Multiple de 48 octets CS R 16 bits R 16bits LI 16 bits LI 16 bits CRC 32 bits CRC 32 bits SAR Charge utile ATM 48 octets H

Principe Couche AAL Couche ATM Couche PHYSIQUE Routage

Couche ATM Formation

Couche ATM La couche ATM n'est concernée que par les en-têtes des cellules Fonctions identification (VPI, VCI) multiplexage brassage

Architecture Un réseau ATM comprend deux interfaces : NNI UNI NNI = Network to Network Interface UNI UNI = User to Network Interface

Structure d'une cellule ATM UNI GFC VPI VPI VCI 5 octets En-tête VCI 48 octets VCI PTI C L P Champ d'information HEC

Structure d'une cellule ATM NNI VPI VPI VCI 5 octets En-tête VCI 48 octets VCI PTI C L P Champ d'information HEC

ATM - la couche ATM : analyse de l ’en-tête - Exemple d ’application : création d ’un VPI entre nations appartenant à un réseau de transit ATM européen. A T M Payload Header Cellule ATM de 53 octets Couche ATM VPI 1 4 3 2 Bits : 12 16 3 1 8 VPI VCI PTI CLP HEC Virtual Path Identifier : - Le VPI permet de regrouper plusieurs circuits virtuels VCI permettant ainsi de canaliser des VCI dans un réseau ATM. Le routage des communications d ’un pays à l ’autre se fait via le VPI, plus économique en ressources mémoire que le VCI.

ATM - la couche ATM : analyse de l ’en-tête Payload Header Cellule ATM de 53 octets Couche ATM Bits : 12 16 3 1 8 VPI VCI PTI CLP HEC Virtual Channel Identifier : - Le VCI permet de déterminer le n° de voie logique attribué à la cellule courante. - Ce n° est automatiquement attribué par les commutateurs ATM pendant la phase de recherche du circuit virtuel lancée à la suite d ’une demande de connexion pour établir une communication.

ATM - la couche ATM : analyse de l ’en-tête Payload Header Cellule ATM de 53 octets Couche ATM Bits : 12 16 3 1 8 VPI VCI PTI CLP HEC Payload Type Identifier : Cell Loss Priority : - Ce champ permet de différencier les cellules de type « Utilisateur » et les cellules de type « Signalisation » (gestion des ressources du réseau et maintenance) - Le contrôle de ce bit est sous la responsabilité de la source qui détermine pour chaque cellule l ’importance relative de l ’information. - En cas de congestion de l ’artère, si ce bit est à 1, la cellule est éliminée de préférence à une cellule dont le CLP est à 0.

ATM - la couche ATM : analyse de l ’en-tête Payload Header Cellule ATM de 53 octets Couche ATM Bits : 12 16 3 1 8 VPI VCI PTI CLP HEC Header Error Control : - Cet octet détecte des erreurs dans l ’en-tête et corrige une erreur simple. - Il fonctionne selon le principe de la division polynômiale.

ATM - la couche ATM : principe du routage des cellules via le VCI Table de routage Entrée 12 11 Lien 3 Sortie 23 15 VCI 11 Payload ATM 5 3 Routage des cellules ATM vers l ’interface de sortie définie dans la table avec changement d ’attribution du n° de voie logique VCI (Virtual Channel Identifier) VCI 15 Payload ATM VCI 12 Payload ATM VCI 23 Payload ATM

Principe Couche AAL Couche ATM Couche PHYSIQUE Routage

ATM : la couche physique ATM Support de transmission Cette couche est organisée en 2 sous-couches : TC et PM Cellule ATM de 53 octets A T M Payload Header Émission / Réception en liaison avec la couche physique φ T C - Adaptation du débit des cellules à transmettre - Insertion ou extraction des cellules vides (maintien de la synchronisation) - Génération HEC de l ’en-tête en émission, Automate de vérification en réception - Génération ou récupération de trames de transmission de cellules (SDH, SONET, DS1, …) φ P M - Synchronisation de la transmission des bits - Codage / décodage du signal binaire (exemple NRZ) - Transformation électro-optique Support de transmission

ATM : mode de connexion et routage entre 2 usagers Protocole UNI Protocole NNI Phase de signalisation Mode « Connecté » : - classe de services A : CBR (AAL1) - classe de services B : VBR-RT (AAL2) - classe de services C : VBR-NRT (AAL3/4) Fonction de routage Circuits Virtuels Conduits Virtuels Circuit Virtuel de connexion « VCC » Établissement d ’un Circuit Virtuel de Connexion (VCC) unidirectionnel : (VCC : Virtual Channel Connection) Plusieurs Circuits Virtuels peuvent être regroupés dans un conduit virtuel : (VP : Virtual Path)

ATM : Protocoles de signalisation UNI et NNI Réseau ATM public Réseau ATM privé UNI NNI UNI NNI NNI Usagers NNI NNI UNI NNI UNI NNI NNI NNI NNI NNI NNI UNI NNI UNI UNI : User to Network Interface ATM Forum : UNI2.0 (1992), UNI3.0 (1993), UNI3.1 (1994), UNI4.0 (1996) NNI : Network to Network Interface

ATM : le circuit virtuel de connexion VCC 1 2 3 AAL VC VP φ 4 5 VC VP 6 Transit 1 7 8 ATM 9 10 11 12 VCC 3,7 VCC 2,8 VCC 1,9 VCC 4,10 VCC 5,11 VCC 6,12 VP37 VP31 VP40 VP28 VP35 VP21 VP60 VP41 VP59 VP23 Exemple de 6 connexions virtuelles ATM unidirectionnelles « VCC » AAL : ATM Adaptation Layer VC : Virtual Channel VP : Virtual Path VCC : Virtual Channel Connection Commut. raccord. Commut. ATM Transit 2 Transit 3 Transit 4 Transit 6 Transit 5 ATM ATM

Principe Couche AAL Couche ATM Couche PHYSIQUE Routage

Routage Les réseaux ATM sont des réseaux en mode connecté. La topologie d'un réseau peut être quelconque, plusieurs routes pouvant être disponible entre un couple d'équipements branchés au réseau. Fonction de routage : Permet aux routeurs de se représenter la topologie du réseau et de calculer des routes sur la base de leurs connaissances du réseau. Trois étapes : Calcul des routes fait par le routage Etablissement des connexions sur ces routes Transmission des cellules qui suivent le même chemin

Routage Objectif Optimisation Simplicité Robustesse Rapidité Meilleure route possible Simplicité Minimiser les ressources utilisées pour le routage Robustesse Eviter les boucles de routage Rapidité Temps de convergence faible Flexibilité Adaptation dynamique aux changements de topologie et configurable

ATM - principe du routage par inondation Y X Coût de passage d ’une artère 4 Inondation du réseau par un message de « signalisation » 1 2 5 1 6 1 7 Appelé Appelant Chaque artère ATM est caractérisée par un coût de passage fonction de : - son taux de charge, - son état de dégradation, - d ’un coût intrinsèque (exemple : réseau civil emprunté par un réseau militaire)

ATM - principe du routage par inondation Y X Chemin de moindre coût (à cet instant) 4 1 2 5 1 6 1 7 Appelé Appelant Établissement du Circuit Virtuel de Connexion « VCC » : - réservation des ressources de transit (espaces mémoires, …), - attribution des n° de VCI / VPI,

Soit un message de 1000 octets. EXERCICE A B Soit un message de 1000 octets. Le débit sur chaque artère est de 800 bit/s. Le temps de traitement dans un commutateur est négligeable. Calcul du temps de transmission d’un message de A vers B en commutation de messages. Calcul de transmission d’un message de A vers B en commutation de paquets. La taille du paquet est de 100 octets

4s Paquets 4 3 2 Paquet 1 arrivé 5s Paquets 5 4 3 Paquets 2 1 arrivés REPONSE 1 2 3 4 A B a) T = 4 X (1000 X 8)/800 = 40s b) Paquet = (100 X 8)/800 = 1s Il y a 10 paquets 1s Paquet 1 2s Paquets 2 1 3s Paquets 3 2 1 4s Paquets 4 3 2 Paquet 1 arrivé 5s Paquets 5 4 3 Paquets 2 1 arrivés 6s Paquets 6 5 4 Paquets 3 2 1 arrivés 7s Paquets 7 6 5 Paquets 4 3 2 1 arrivés 8s Paquets 8 7 6 Paquets 5 4 3 2 1 arrivés 9s Paquets 9 8 7 Paquets 6 5 4 3 2 1 arrivés 10s Paquets 10 9 8 Paquets 7 6 5 4 3 2 1 arrivés 11s Paquets 0 9 8 Paquets 8 7 6 5 4 3 2 1 arrivés 12s Paquets 0 0 8 Paquets 9 8 7 6 5 4 3 2 1 arrivés 13s Paquets 0 0 0 Paquets 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 arrivés

EXERCICE On a un message de 300 000 octets à transmettre. A chaque blocs de 65535 octets on rajoute 8 octets. Combien faudra –t-il de cellules ?

REPONSE Nombre de blocs : 300000/65535 = 4,5 d’ou 4 blocs (65535 x 4 = 262140 octets) 300000 – 262140 = 37860 octets Donc on a 4 blocs de 65535 + 1 bloc de 37860 On rajoute 8 octets à chaque blocs Maintenant on Calcul le nombre de cellules du bloc de (65535 + 8) 65543/48 = 1365,47 arrondi à 1366 cellules/blocs Or la SDU est alignée sur un multiple de 48 octets 1366 x 48 = 65568 au lieu des 65543, il y a donc 25 octets de PAD Maintenant on Calcul le nombre de cellules du bloc de (37860 + 8) 37868/48 = 788,9 arrondi à 789 cellules 789 x 48 = 37872 au lieu de 37868, il y a donc 4 octets de PAD TOTAL : (4 x 1366) + 789 = 6253 cellules.