Suporte de rede para comunicação multimídia

1. Universidade Federal de São Carlos Suporte de rede para comunicação multimídia PPG-CC Agosto/ 2003 Aluno: Renato Andre T Claudino

2. Introdução • Subsistemas da comunicação • Suportes de Redes • Protocolos de Transporte • Arquitetura dos End-systems • Servidores Multimídia

3. Introdução Modelo de referência OSI:

4. Roteiro • Características de rede adequadas para comunicação multimídia • Conceitos importantes de comunicação de dados • Fiber Distributed Data Interface - FDDI • Distributed Queue Dual Bus - DQDB • Asynchronous Transfer Mode – ATM • Redes e desempenho adequados para multimídia • Caracterização do tráfego • Controle de admissão, negociação de QoS e manutenção do tráfego • Métodos programado de fila • Resumo e Conclusão

5. Características de rede adequadas para comunicação multimídia

6. Características de rede adequadas para comunicação multimídia • Critérios desejáveis • Largura de banda da rede alta • Recursos da rede compartilhados eficientemente às aplicações • Camada de rede deve prover garantias de desempenho • Camada de rede escalável • Desejável capacidade Multicasting

7. Características de rede adequadas para comunicação multimídia • Largura de banda da rede • Característica base • Bandwith x Velocidade • Velocidade: • Meio físico • Protocolos • Distâncias entre os nós • Velocidade dos nós intermediários

8. Características de rede adequadas para comunicação multimídia • Compartilhamento eficiente dos recursos da rede • Evitar desperdícios (sem monopólio) • Princípio da largura de banda sob demanda • Tamanho do pacote • Evitar retransmissão • Descartar dados com prioridades baixas que não prejudiquem a apresentação

9. Características de rede adequadas para comunicação multimídia • Garantia de desempenho • Tempo especificado de acesso a rede e de transmissão dos dados • Protocolos de controle de acesso médio (MAC) • CSMA/CD: • envia se rede desocupada; • pode ocorrer colisão; • tamanho e velocidade do meio define o tamanho mínimo do pacote. • Presença de nós intermediários (Switches) • Problemas de delay e jitter • Possibilidade de congestionamento entre nós

10. Características de rede adequadas para comunicação multimídia • Escalabilidade • Distância (LAN e WAN) • Largura de banda (Atender demanda) • Quantidade de usuários

11. Características de rede adequadas para comunicação multimídia • Capacidade de Multicasting • Transmissão comum multicasting

12. Características de rede adequadas para comunicação multimídia • Capacidade de Multicasting • Transmissão multicasting em grupo

13. Características de rede adequadas para comunicação multimídia • Rede adequada para comunicação multimídia • Lagura de banda • acesso individual de ao menos alguns Mbps • LAN: em torno de 100 Mbps • Multiplexing estático ao invés de circuitos dedicados • Garantias de processamento, delay, delay jitter e error rate para as aplicações • Escalabilidade (distância, largura de banda e número de usuários) • Capacidade de Multicasting

14. Características de rede adequadas para comunicação multimídia • Redes comuns (LANs) • 10 Mbps Ethernet baseado em CSMA/CD (IEEE 802.3) • 10 Mbps Token Ring (IEEE 802.4) • 4 ou 16 Mbps Token Ring (IEEE 802.5) • 100 Mbps FDDI. • ATM LAN • MAN • 100 Mbps DQDB. • FDDI.

15. Características de rede adequadas para comunicação multimídia • Redes comuns (WANs) • Circuit-switching ISDN (utilização de recursos, multicasting) • X.25 • Frame relay • Switched Multimegabit Data Service (SMDS) • tempo real e garantia de desempenho • Redes ATM • Resumindo • FDDI e DQDB: LAN e MAN • ATM: potencialmente a todas

16. Conceitos importantes de comunicação de dados

17. Conceitos importante de comunicação de dados • Transmissão de dados - Assíncrona: Clock não é sincronizado Sinal de início e fim - Síncrona: Clock sincronizado Sinal de início

18. Conceitos importante de comunicação de dados • Multiplexing • Síncrono: Com alocação de canais • Tamanho fixo. • Timeslots atribuídos. • STDM • Assíncrono: Sem alocação de canais • Tamanho fixo ou variável. • Timeslots não atribuídos. • ATDM (ATM)

19. Conceitos importante de comunicação de dados • Isochronous • Largura de Banda fixa. • Sem delay jitter. • Serviços FDDI • Assíncronos: não oferece garantias. • Síncronos: garante lagura de banda e delay. • Isochronous: emula STDM (largura de banda sem delay)

20. FDDIFiber DistributedData Interface

21. FDDI - Fiber Distributed Data Interface ce • FDDI – Visão geral • Fibra-otica. • Topologia de um anel duplo – 100 Mbps • Passagem do Token • 100 Km alcance - com 2 Km entre nós • Tamanho do frame variável (delimitadores)

22. FDDIFiber Distributed Data Interface FDDI - Fiber Distributed Data Interface ce • Operação • Classes de serviços: Síncronos e Assíncronos • TTRT – Target Token Rotation Time • Negociado por todas estações • TRT – Token Rotation Timer • TRT := TTRT • THT – Token Holding Timer • Se TRT não expira, THT := TRT • Comunicação assíncrona • LC – Late Counter • Se TRT expira, LC := 1 • Se LC = 2, token considerado perdido e a rede é inicializada. • LC = 1, token atrasado (não transmite pacotes assíncronos)

23. FDDIFiber Distributed Data Interface FDDI - Fiber Distributed Data Interface ce • FDDI–II • Acréscimo de um serviço isócrono • 16 canais – cada canal com 6.144 Mbps • Conexão constante entre duas estações • FDDI e FDDI-II X Comunicação Multimídia • Apropriado para comunicação digital de áudio e vídeo. • FDDI-II: garante largura de banda, delay e delay jitter. • Principal desvantagem: limite do número de sessões.

24. DQDBDistributed Queue Dual Bus

25. DQDB - Distributed QueueDual Bus • Cada estação conectada a 2 barramentos

26. DQDB - Distributed QueueDual Bus • Unidade básica de transferência: Slot (53 bytes) • PA (Pre-Arbitrated) • Isochronous • QA (Queued Arbitrated) • Assíncrono • Tamanho slot DQDB = Tamanho célula ATM

27. ATMAsynchronous Transfer Mode

28. ATM - Asynchronous Transfer Mode • O que é ATM? • A idéia básica por trás de da tecnologia ATM é transmitir todas as informações em pequenos pacotes de tamanho fixo, chamados células. As células têm 53 bytes, dos quais 5 bytes formam o cabeçalho e 48 bytes, a carga útil. • STDM x ATM (*) 5 bytes cabeçalho 48 bytes de dados

29. ATM Asynchronous Transfer Mode • Como o tamanho de célula é decidido? • Overhead (+) • Tempo de construção da célula (-) • Tempo de multiplexação (aplicações sensíveis ao tempo) (-) • Tempo do Switch (-) • Considerações finais: dados estáticos (128 bytes) ou dinâmicos (16 bytes) Dado estático Multiplex Áudio

30. ATM Asynchronous Transfer Mode B-ISDN – BroadBand Integrated Servide Digital Network - Circuito digital virtual usado para mover pacotes a 155 Mbps - 4 Camadas Aplicação ATM adaption layer - AAL ATM layer Physical layer ATM

31. ATM Asynchronous Transfer Mode • ATM Adaptation Layer • Segmentação • Reconstrução • Funções dependem da aplicação • Apenas em fonte e destino (*) • ATM Layer • Controle de fluxo genérico • Geração/Extração do cabeçalho da célula • Multiplexação e demultiplexação das células • Physical Layer • Transmissão dos bits sobre o meio • Não determina o tipo do meio físico • Sonet – mais utilizado

32. ATM Asynchronous Transfer Mode • A especificação ATM espera que a comunicação seja realizada em redes confiáveis com raras ocorrências de erros. Essa condição é necessária considerando que geralmente a mensagem é segmentada em muitas células e um simples erro numa célula compromete toda a mensagem. Dessa forma nenhuma proteção a erros é implementada na rede ATM. Caso essa proteção seja requerido, então a aplicação deve implementá-la.

33. ATM Asynchronous Transfer Mode Configuração hierárquica de uma rede multimídia (ATM) UNI: User-Network Interface NNI: Network-Network Interface Usuário 1 Usuário 4 UNI NNI UNI Switch Switch Usuário 2 Usuário 5 Usuário 3 Usuário 6

34. ATM Asynchronous Transfer Mode Formato da Célula ATM - NNI Byte 1 VPI – Virtual Path Identifier Byte 2 Byte 3 VCI – Virtual Channel Identifier Byte 4 Payload type CLP Byte 5 Cyclic redundancy check (CRC)

35. ATM Asynchronous Transfer Mode • Formato da Célula ATM – NNI • VPI similar ao código regional de telefone • VCI similar ao número local de telefone • Dentro de um VP (caminho virtual) podem existir vários VC (canais virtuais) • Podemos ter VCI’s iguais se estiverem em diferentes VP’s • Payload type: se dado é do usuário ou OAM (operation, administration e management) da rede • CLP – Cell Loss Priority • CRC – Cyclic redundancy check (detecção e correção do cabeçalho)

36. ATM Asynchronous Transfer Mode Formato da Célula ATM - UNI Generic flow control Virtual path Byte 1 Byte 2 Identifier (VPI) Byte 3 VCI – Virtual Channel Identifier Byte 4 Payload type CLP Byte 5 Cyclic redundancy check (CRC) GFC – usuários podem compartilhar o acesso à rede, como DQDB

37. ATM Asynchronous Transfer Mode Configuração da chamada de conexão - Conexão precisa ser estabelecida - Negociação da QOS VPI-2 VCI-2 VPI-3 VCI-3 VPI-1 VCI-1 Switch 2 Usuário 1 Switch 1 Usuário 2

38. ATM Asynchronous Transfer Mode Roteamento de células Tabela de rota do Switch 1 Entrada Saída link h, VPI 1, VCI 1 link i, VPI 2, VCI 2 Tabela de rota do Switch 2 Entrada Saída link j, VPI 2, VCI 2 link k, VPI 3, VCI 3

39. ATM Asynchronous Transfer Mode • AAL – ATM Adaptation Layers • Adaptação dos dados em células ATM (“Camada de transporte”) • Oferecer serviços para diversas aplicações • 4 tipos de aplicações: • A: Aplicações sensíveis ao tempo com taxa constante • B: Aplicações sensíveis ao tempo com taxa variável • C: Aplicações orientada a conexão • D: Aplicações não orientada a conexão - datagramas

40. ATM Asynchronous Transfer Mode AAL – ATM Adaptation Layers - 4 Classes (Serviços): A, B, C e D - 5 Protocolos: AAL1, ALL2, ALL3/4, AAL5, AAL6

41. ATM Asynchronous Transfer Mode • AAL 1 • Bits fornecidos a uma taxa constante devem chegar nesta mesma taxa • Não há retransmissões – sem detecção de erros • Perdas de células são informadas a aplicação • Aconselhado para sinais de áudio ou vídeo puros e não compactados, onde alguns bits adulterados não são problemas • AAL 2 • Taxas variáveis de transmissão. • Para vídeos compactados, onde a taxa de transmissão pode variar conforme movimento da câmera, por exemplo. • Protocolo não definido completamente

42. ATM Asynchronous Transfer Mode • AAL 3 e 4 • Tráfego classe C e D • Principal função: Segmentação e Remontagem de mensagens grandes • AAL 5 • Tráfego classe C e D • mais simples e eficiente que AAL 3 e 4 • SEAL – Simple Efficient Adaptation Layer • ALL 6 • Está sendo estudado para oferecer serviços aos padrões de vídeo MPEG e MPEG - II (técnicas de correção de erros)

43. ATM Asynchronous Transfer Mode Porque ATM é indicado a comunicação multimídia? - Largura de banda: 155 Mbps e 622 Mbps - Flexibilidade e garantia de QOS - Escalabilidade - Integração (suporta múltiplas aplicações) - Arquitetura oferece maior largura de banda para cada usuário - Eficiência – multiplexação estática - Capacidade de multicasting - Versátil – tecnologia simples, independendo da taxa e meio de transmissão e do tamanho da rede - Padronização (independente do sistema e tipo de informação)

44. Garantias de QoS no nível de Suporte de Rede

45. Redes multimídia e garantia de desempenho • FDDI e DQDB suporta um número limitado de usuários devido a largura de banda • ATM suporta várias comunicações multimídias • ATM pode ser usada em WAN’s e LAN’s • Para a garantia de desempenho deve-se: • Obter mecanismos para especificar as condições de QoS das aplicações. • Determinar se nova aplicação pode ser admitida sem afetar as demais. • Obter um processo de negociação para determinar o conjunto de parâmetros QoS aceitáveis com o objetivo de suportar muitas aplicações. • Alocar os recursos para atender a QoS requerida. • Controlar (policiar) o tráfego para garantir que a aplicação utilize a especificação requerida.

46. Especificação do fluxo • Descreve o padrão do tráfego e a QoS desejada pelas aplicações • Aplica-se aos pacotes enviados através de um circuito virtual ou a uma seqüência de datagramas enviadas entre uma origem e um destino • Especificação de Multiparâmetros (estatísticas) • Taxa de pico, taxa principal, variação da taxa de transmissão. • Moldagem de tráfego (traffic shaping) • Para lidar com congestionamento: forçar que os pacotes sejam transmitidos em uma taxa mais previsível • Cliente negocia com a concessionária o padrão do tráfego • Mais fácil em sub-redes de circuito virtual que em sub-redes de datagrama

47. Especificação do fluxo • Remodelagem do tráfego - Se dados vindo de caminhos diferentes em um mesmo instante, são remodelados no switch onde a intercalação dos pacotes é feita respeitando uma ordem.

48. Controle de Admissão, Negociação de QoS e Manutenção do tráfego • Determinar se nova conexão pode ocorrer. • QoS pré-estabelecida não pode ser violada. • Depende da especificação do tráfego (largura de banda e tamanho do buffer). • QoS só é garantida se as informações do tráfego estabelecido estiverem inseridos na rede. • Se detectado excesso de tráfego, o pacote é marcado como de baixa prioridade. • Disciplina do serviço e planejamento da fila do switch interfere na QoS.

49. Gerência do Planejamento das Filas • Os pacotes são armazenados nas filas dos switches para depois serem enviados • Planejamento nas filas implica na garantia da QOS • 2 tipos de planejamento: - Conservando o trabalho: - buffer menor, menor atraso - FIFO - Sem conservar o trabalho: - buffer maior, maior atraso - sem ordem na transmissão

50. RESUMO • Redes Multimídia requer alta largura de banda, garantias de QOS, recursos de rede eficientes, escalabilidade e capacidade Multicasting • FDDI e DQDB possuem alta largura de banda, mas uma largura dedicada, ineficiente para várias transmissões simultâneas multimídia • ATM é a mais promissora para transmissão multimídia • Com o multiplexador estático é possível garantir o padrão de tráfego, controle de admissão, manutenção do tráfego e o controle de gerenciamento nas filas