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

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

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

3 3 Introdução Modelo de referência OSI:

4 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 5 Características de rede adequadas para comunicação multimídia

6 6 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 7 Largura de banda da rede Característica base Bandwith x Velocidade Velocidade: Meio físico Protocolos Distâncias entre os nós Velocidade dos nós intermediários Características de rede adequadas para comunicação multimídia

8 8 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 Características de rede adequadas para comunicação multimídia

9 9 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 10 Características de rede adequadas para comunicação multimídia Escalabilidade Distância (LAN e WAN) Largura de banda (Atender demanda) Quantidade de usuários

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

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

13 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 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 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 16 Conceitos importantes de comunicação de dados

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

18 18 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) Conceitos importante de comunicação de dados

19 19 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) Conceitos importante de comunicação de dados

20 20 FDDI Fiber Distributed Data Interface

21 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 22 FDDI Fiber Distributed Data Interface 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) FDDI - Fiber Distributed Data Interface ce

23 23 FDDI Fiber Distributed Data Interface FDDI–II Acréscimo de um serviço isócrono 16 canais – cada canal com 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. FDDI - Fiber Distributed Data Interface ce

24 24 DQDB Distributed Queue Dual Bus

25 25 DQDB - Distributed Queue Dual Bus Cada estação conectada a 2 barramentos

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

27 27 ATM Asynchronous Transfer Mode

28 28 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 ATM - Asynchronous Transfer Mode

29 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) Áudio Dado estático Multiplex

30 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 ATM adaption layer - AAL ATM layer Physical layer

31 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 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 33 ATM Asynchronous Transfer Mode Configuração hierárquica de uma rede multimídia (ATM) UNI: User-Network Interface NNI: Network-Network Interface Usuário 1 Usuário 2 Usuário 3 Switch Usuário 4 Usuário 5 Usuário 6 Switch UNI NNI

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

35 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 VCIs iguais se estiverem em diferentes VPs 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 36 ATM Asynchronous Transfer Mode Formato da Célula ATM - UNI Generic flow control VCI – Virtual Channel Identifier Payload typeCLP Cyclic redundancy check (CRC) Byte 1 Byte 2 Byte 3 Byte 4 Byte 5 Virtual path Identifier (VPI) GFC – usuários podem compartilhar o acesso à rede, como DQDB

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

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

39 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 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 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 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 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 44 Garantias de QoS no nível de Suporte de Rede

45 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 WANs e LANs 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 46 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 Especificação do fluxo

47 47 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. Especificação do fluxo

48 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 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 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


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