Circuitos Virtuais

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Capitulo II - Conceitos Básicos
Prof. Jorge Fortes 
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Fundamentos para as tecnologias emergentes
Circuitos Virtuais
Sistemas orientados e não-orientados a conexão
Aplicações com taxa de bit constante (CBR - Constant Bit Rate) e taxa de bit variável (VBR - Variable Bit Rate)
Controle de fluxo e congestionamento
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Fundamentos para as tecnologias emergentes
Gerenciamento da integridade dos dados do usuário (payload)
Unidades de dados de protocolo (PDU - Protocol Data Unit) e protocolos em camadas
Esquemas de identificação e endereçamento
Técnicas de multiplexagem
Comutação, roteamento, etc.
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Circuitos Virtuais
Em algumas redes os circuitos físicos que interligam os diversos nós da rede podem ser compartilhados por diversos usuários, criando o conceito de circuito virtual. Ou seja, em um mesmo circuito físico podemos ter diversos circuitos virtuais suportando simultaneamente diversas comunicações.
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Classificação dos circuitos virtuais
Permanentes (Permanent Virtual Circuit - PVC)
Comutados (Switched Virtual Circuit - SVC)
Semi-Permanentes (Semi-Permanent Virtual Circuit - SPVC) 
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Circuitos virtuais permanentes - PVCs
Provido para o usuário de forma contínua, ou seja, o usuário pode utilizar o recurso a qualquer hora. A criação de um PVC é baseada em um contrato entre o usuário e o operador da rede, que determina os tipos de serviços que serão disponibilizados e os usuários envolvidos.
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Circuitos virtuais permanentes - PVCs
Cada PVC tem um identificador, que é armazenado nos diversos nós da rede e utilizado pela mesma para o encaminhamento das mensagens. Diversos nomes são utilizados para designar este identifador:
Número de canal lógico (LCN - Logical Channel Number)
Identificador de conexão de enlace de dados (DLCI - Data Link Connection Identifier)
Identificador de Canal Virtual (VCI - Virtual Channel Identifier)
Identificador de Caminho Virtual (VPI - Virtual Path Identifier)
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Circuitos virtuais permanentes - PVCs
Um usuário que deseje transmitir envia seus pacotes com os dados e o número de canal lógico associado a seu PVC. A rede utiliza este número para saber o tipo de qualidade de serviço que o usuário deseja (QoS) e com quem ele deseja se comunicar.
O PVC não é somente uma relação permanente entre um usuário e a rede, mas também entre um usuário e outro usuário. Ou seja, o PVC é provido em uma base usuário-para-usuário.
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Circuitos virtuais permanentes - PVCs
A cada PVC é associado um nível de QoS e um usuário de destino. 
Se diferentes tipos de serviço e/ou usuários de destino são desejados, diferentes PVCs, com diferentes identificadores, devem ser estabelecidos.
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Circuitos virtuais comutados - SVC
Não é pré-estabelecido, quando um usuário deseja obter os serviços da rede para a comunicação com outro usuário ele enviar um pacote de um pedido de conexão, contendo o endereço da fonte e do destino das informações. Um número de circuito virtual é associado a esta comunicação e utilizado para o encaminhamento das mensagens.
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Circuitos virtuais comutados - SVC
O processo de estabelecimento da chamada implica em um atraso inicial.
Oferece maior flexibilidade de conexão
A qualidade do serviço pretendido (atraso, throughput, etc.) pode ser estabelecida a cada conexão
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Circuitos virtuais semi-permanentes - SPVC
Semelhante ao PVC, com a diferença básica que não há garantia que o usuário vá obter o nível de serviço desejado
Por exemplo, se a rede está congestionada e o usuário SPVC deseja uma conexão que vá utilizar muitos recursos da rede, a mesma pode negar o serviço
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Sistemas orientados e não-orientados a conexão
Sistemas orientados a conexão empregam o conceito de circuito virtual, garantindo a ordem de entrega dos pacotes transmitidos pela rede.
Sistemas não-orientados a conexão (datagrama) não garantem a ordem da entrega dos pacotes transmitidos pela rede; cada pacote é tratado como uma entidade independente.
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Sistemas orientados e não-orientados a conexão
Algumas redes mesclam os dois conceitos. Por exemplo: Uma rede de pacotes onde a interface usuário-rede é baseada no X.25 (orientado a conexão) mas o protocolo interno da rede (proprietário) é não-orientado a conexão.
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Taxa de bit variável - VBR
As transmissões ocorrem em rajadas, como na maioria das aplicações de comunicação de dados.
Uma aplicação VBR não requer que a BW seja alocada de forma constante e contínua.
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Taxa de bit variável - VBR
As aplicações deste tipo normalmente não requerem uma relação de tempo fixa entre fonte e destino, permitindo que os pacotes possam sofrer atrasos de enfileiramento variáveis.
Deve-se observar que os atrasos podem ser variáveis, mas normalmente não podem ultrapassar determinados limites, que dependem da aplicação.
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Taxa de bit constante - CBR
Aplicações deste tipo requerem que a alocação de BW seja constante e contínua (ou quase assim) e uma relação de tempo precisa entre fonte e destino.
Exemplos típicos são transmissões de voz e vídeo, que também requerem um atraso de transmissão fixo e previsível. (existem exceções para algumas tecnologias de transmissão de voz)
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VBR & CBR
A necessidade de transportar tráfegos VBR e CBR simultaneamente em uma mesma rede pode influenciar significativamente na escolha da tecnologia a ser utilizada.
O maior desafio é gerenciar o tráfego do usuário de modo a oferecer a qualidade de serviço desejada para cada caso.
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Controle de fluxo e congestionamento
O controle de fluxo garante que o tráfego não irá saturar ou exceder a capacidade da rede. Assim, o controle de fluxo é utilizado para gerenciar congestionamento.
Métodos para controle de fluxo
Explícito
Implícito
Sem controle
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Controle de fluxo explícito
Através de mensagens explicitas de controle de fluxo a rede autoriza ou não o envio de informações por parte do usuário. (Ex.: mensagens de receive ready e receive not ready)
O usuário que recebe uma mensagem de controle da rede não tem escolha, a não ser parar de transmitir (ou reduzir suas transmissões, de acordo com uma sinalização da rede)
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Controle de fluxo implícito
A mensagem de controle de fluxo apenas sugere (não obriga) que o usuário deva parar (ou ao menos reduzir) suas transmissões. 
A mensagem pode ser utilizada para alertar o usuário que ele está violando o contrato de serviço, ou que a rede está congestionada
Em qualquer caso, se o usuário continua sua transmissão, ele corre o risco de ter seu tráfego descartado pela rede
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Sem controle de fluxo
Algumas redes não implementam mecanismos de controle de fluxo, mas descartam qualquer tráfego que gere problemas
Pelo ponto de vista da rede esta é uma boa forma de gerenciar congestionamento
Redes locais implementam controle de fluxo através do protocolo de acesso (CSMA-CD, Token Ring, etc..)
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Integridade do tráfego do usuário
Um sistema que provê integridade de tráfego fim-a-fim requer que o payload do usuário seja enviado da fonte para o destino com absoluta garantia que ele será entregue corretamente.
A garantia de integridade do payload consome recursos da rede, sendo necessário estabelecer os pontos de corte.
Algumas aplicações, como transferência eletrônica de fundos, são mais sensíveis do que outras, como transmissão de voz ou vídeo.
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Protocol data unit (PDU)
As PDUs são unidades de tráfego transmitidas e recebidas pelos protocolos das diversas camadas 
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Protocolos em camadas e unidades de dados de protocolo
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Identificação e endereçamento
A mensagem a ser enviada deve ser associada com um identificador do destino
Endereçamento explícito
Labels
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Endereçamento explícito
Contém o nome de uma rede ou dispositivo conectado a uma rede
Internet Protocol (IP): Endereço identifica uma rede, uma sub-rede, e um host conectado a sub-rede
ITU-T X.121: Endereço identifica o país, uma rede dentro do país, e um dispositivo dentro da rede
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Endereçamento explícito
Outros valores podem ser utilizados em conjunto com os endereços para identificar protocolos e aplicações rodando dentro de um host específico (ex. servidor de arquivo ou servidor de mensagem)
São utilizados por switches, roteadores e bridges com um apontador para consulta a suas tabelas de roteamento. Estas tabelas contém informações de como encaminhar as mensagens pela rede.
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Endereçamento explícito
Contém o nome de uma rede ou dispositivo conectado a uma rede
Internet Protocol (IP): Endereço identifica uma rede, uma sub-rede, e um host conectado a sub-rede
ITU-T X.121: Endereço identifica o país, uma rede dentro do país, e um dispositivo dentro da rede
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Endereçamento por labels
Um label pode ser um número de canal lógico (LCN) ou identificador de circuito virtual (VCI)
Um label não contém nenhuma informação sobre a localização física da rede ou identificador de rede. Ele é simplesmente um valor associado ao tráfego do usuário que identifica cada unidade de dados deste tráfego. 
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Endereçamento por labels - Exemplos
Um label (Ex. VCI) é associado a cada PVC (circuito virtual permanente). O usuário que transmite por um dado PVC precisa enviar apenas o label correspondente, que é utilizado pela rede para encaminhar a mensagem ao seu destino.
Para SVC (circuito virtual comutado) um endereçamento explícito é normalmente utilizado na fase de estabelecimento do circuito. Um label (Ex. VCI) é então associado ao SVC, e é utilizado pela rede para o encaminhamento da mensagem.
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Endereçamento explícito x labels
Quase todos os sistemas não-orientados a conexão utilizam endereçamento explícito, e cada PDU deve conter o endereço da fonte e do destino.
A maioria das tecnologias emergentes utilizam labels (ex.: identificador de circuito virtual - VCI).
Os labels são mais curtos que os endereços explícitos, podendo ser examinados mais rapidamente, resultando em menor tempo de processamento nos comutadores.
Permite que muito da lógica de roteamento possa ser implementada em hardware, aumentando a velocidade.
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Roteamento
Roteamento na fonte: a rota a ser seguida pelo pacote é definida pelo host de origem, e está contida na própria PDU.
Roteamento na rede: Os comutadores tomam a decisão de roteamento. A maioria das tecnologias emergentes implementam esta abordagem com o uso de identificador de circuito virtual (VCI)
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Roteamento Fixo e Adaptativo
Fixo: As tabelas de roteamento armazenadas nos nós da rede não sofrem alteração, a menos que ocorra um evento especial (como uma mudança topológica pela inclusão ou retirada de um nó)
Adaptativo: As tabelas de roteamento são periodicamente atualizadas para refletir as condições atuais da rede. 
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Interfaces de rede
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Convergência, Segmentação e Remontagem
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Convergência
O termo operações de convergência refere-se a um entidade de protocolo que aceita tráfego do usuário e prove os serviços necessários para que o usuário ganhe acesso a rede
Estas operações usualmente residem em uma parte de uma camada de protocolo, denominada de subcamada de convergência (CS)
Os serviços de convergência são executados antes que o tráfego do usuário entre na rede, sendo usualmente definidos para a UNI.
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Convergência
Exemplos de operações de convergência:
Funções de sincronização entre a fonte e a origem
Acomodação de taxas de transferência diferentes entre o usuário e a rede (em bps)
Detecção e correção de erro para o tráfego do usuário
As operações de convergência são específicas para cada aplicação
As funções diferem entre tráfegos de voz, video, dados não-orientados a conexão e dados orientados a conexão
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Segmentação e remontagem
Em alguns sistemas a CS opera com outra subcamada que executa operações de segmentação e remontagem (Segmentation and Reassembly Sublayer - SAR).
A segmentação é feita antes do tráfego do usuário entrar na rede e a remontagem é feita após o tráfego deixar a rede (as operações são feitas na UNI)
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Segmentação e remontagem
A utilização da CS e SAR tem por objetivo uniformizar o tráfego para a rede, permitindo à rede executar as funções de transporte mais rápida e eficientemente.