CS716
Advanced Computer Networks
By Dr. Amir Qayyum
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Lecture No. 16


Where we are now …
• Understand different ways to move 
through network (forwarding)
– Read signs at each switch (datagram)
– Follow a known path (virtual circuit)
– Carry instructions (source routing)

• Bridge approach to extending LAN 
concept
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Where we are now …

• Next
– Example of a real network 
(ATM)
– How switches are built and 
contention within switches
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ATM (Asynchronous Transfer Mode)
• Defined by ATM Forum (formed 
in Oct. 1991)
– Telephone industry (link providers to 
build networks)
– Data network industry

• High speed switching technology: 
right thing at right place at right 
time ? ? ?

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ATM (Asynchronous Transfer Mode)
• Common in WANs, can also be used 
in LANs
– Competing technology with Ethernet, but 
areas of application only partially overlap

• Connection­oriented packet­
switched network
– Virtual­circuit routing

• Typically implemented on SONET 
(other physical layers possible)

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ATM (Asynchronous Transfer Mode)
• Signaling (connection setup) 
Protocol: Q.2931
– Discovering routes and allocating 
resources at switches

• ATM address format
– E.164 and NSAP (Network Service 
Access Point)
– Different from MAC addresses

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ATM Signaling
• Connection setup called signaling 
(standard Q.2931)
• Route discovery, resource resv, QoS, ...
• Send through network
– Request setup circuit
– Send setup frame on setup circuit

• Establish locally
– No intermediate switch involvement
– Requires pre­established virtual path

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Cell Switching (ATM)

• Fixed length (53 bytes) frames are 
called cells
– 5­byte (header + 1­byte CRC­8) + 48­
byte payload

• Standard defines 3 layers (5 sublayers)
– Layers interface to physical media and 
to higher layers (e.g., encapsulating 
variable­length frames)
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Cell Switching (ATM)

• 2­level connection hierarchy
– Virtual circuits
– Virtual paths
• Bundles of virtual circuits
• Travel along common route
• Reduces forwarding 
information

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Why Hierarchical Connections ?

• Simpler ...
• Setup


– New virtual circuits follow virtual path route

• Forwarding
– Virtual path identifier (VPI) used between 
switches (smaller forwarding table)
– VCI used for last hop (to host)

• Rerouting around failures
– Change virtual path once vs. 64k virtual 
circuits

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Variable­length Frames …
• Small data is sent in a minimum­sized 
packet
– No need for extraneous padding

• Large file is sent by breaking it into 
many maximum­sized packets
– Low overhead (header to data bytes 
ratio), increasing bandwidth efficiency
– Minimize total number of packets sent
• Minimize per­packet processing

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Drawbacks of Fixed­length Frames

• No optimally good fixed length
• Higher overhead for large frames
– Must be fragmented
– One header per fragment (less 
efficient)

• Low utilization for small frames
– Must be padded

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Then Why Fixed­length Frames ?
• Require simpler hardware …
– Facilitates the impl of hardware switches
– Helpful building fast, highly scalable 
switches

• Easier to build hardware doing simple job: 
to process known­length frame
• Parallelism in processing stages: lots of 
switches doing same thing in parallel
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– Analogy: processor instruction pipeline with 


Why Short Frames ?
• Better behavior of non­preemptive 
queues

• Reduced granularity of preemption
– High­priority frame may wait for max­
size frame
• Long frame (4kB) admits long wait
• Short frame limits wait
– Limits end­to­end jitter, or variance in 
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Why Short Frames ?

• Shorter queues
– Switches typically store and 
forward packets
– Cannot send until full packet 
arrives
– Short frames (fragmentation) 
allows first part to be sent while 
remainder arrives

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Queuing Behavior Examples
• Consider 4kB vs. 53B frames, 100 
Mbps link
• Preemption: high­priority frame 
arrives just as switch starts sending 
low­priority frame
– 4kB: wait for 4096 x 8 / 100 = 

327.68 microseconds
– 53B: wait for 53 x 8 / 100 = 4.24 us

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Queuing Behavior Examples
• Shorter queues: two chunks (or 
frames) arrive simultaneously at time 
0
– 4kB: link is idle until all data arrive at 
time 327.68 us; 8 kB left to send
– 53B: link nearly fully utilized (waits 
4.24us); at time 327.68 microseconds, 
roughly 4kB left to send

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Why 53­byte Frames ?
• Telephone community wish: carry voice 
effectively
• Demands ATM to improves latency for 
audio data
– Voice encoded at 64kbps: 8­bit smpl at 8KHz
– Need full cell’s worth of samples before 
sending cell
• 1Kbyte cells ­> 125ms per cell (human detectable)
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• 53 byte cells implies 6 ms of data



Why 53­byte Frames ?
– Smaller latency implies no need for 
echo cancellers
– Audio reconstruction
• Expect low rate of cell loss; can 
interpolate loss (6 ms)

• Compromise: 48 bytes = 
32(Europe) + 64(US) / 2

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ATM Cell Format
• User­Network Interface (UNI) 
4

GFC

–
–
–
–
–
–

8


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VPI

VCI

3

Type

1

8

CLP HEC(CRC-8)

384 (48 bytes)

payload

Host­to­switch format 
GFC: Generic Flow Control (still being defined)
VCI/VPI: Virtual Circuit/Path Identifier
Type: management, congestion control, AAL5 (later)
CLP: Cell Loss Priority 
HEC: Header Error Check (CRC­8)

• Network­Network Interface (NNI)
– Switch­to­switch format
– GFC becomes part of VPI field


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Segmentation and Reassembly
• Variable­length packets passed to 
ATM are often larger than 48 bytes
– May not fit in the ATM payload

• Fragmentation is required at the 
source
– High­level message into low­level 
packets

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Segmentation and Reassembly
• Destination reassembles the 
fragments
– Transforms fragments back into 
the message

• ATM name this procedure as 
Segmentation and Reassembly 
(SAR)

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Segmentation and Reassembly
• ATM Adaptation Layer (AAL)
–
–
–
–
–

Application to ATM cell mapping
AAL header contains information for reassembly
AAL1, AAL2 for applications needing guaranteed rate
AAL3/4 designed for variable­length packet data
AAL5 is an alternative standard for packet data
AAL

AAL

…

…
ATM

ATM
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ATM Layers
• ATM Adaptation Layer (AAL)
– Convergence Sublayer (CS) supports 
different application service models

– Segmentation and Reassembly (SAR) 
supports variable­length frames

• ATM Layer
– Handles virtual circuits, cell header 
generation, flow control

• Physical layer
– Transmission Convergence (TC) 
handles error detection, framing
– Physical medium dependent (PMD) 
sublayer handles encoding

CS
              AAL
SAR
             ATM
TC
              PHY
PMD
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