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Suporte de rede para comunicação multimídia
Universidade Federal de São Carlos
PPG-CC Agosto/ 2003Aluno: Renato Andre T Claudino
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Introdução
Subsistemas da comunicação Suportes de Redes Protocolos de Transporte Arquitetura dos End-systems Servidores Multimídia
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IntroduçãoModelo de referência OSI:
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RoteiroCaracterísticas de rede adequadas para comunicação multimídiaConceitos importantes de comunicação de dadosFiber Distributed Data Interface - FDDIDistributed Queue Dual Bus - DQDBAsynchronous Transfer Mode – ATMRedes e desempenho adequados para multimídiaCaracterização do tráfegoControle de admissão, negociação de QoS e manutenção do tráfegoMétodos programado de filaResumo e Conclusão
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Características de rede adequadas para
comunicação multimídia
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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
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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
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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
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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
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Características de rede adequadas para comunicação multimídia
Escalabilidade
Distância (LAN e WAN) Largura de banda (Atender demanda) Quantidade de usuários
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Características de rede adequadas para comunicação multimídia
Capacidade de Multicasting
•Transmissão comum multicasting
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Características de rede adequadas para comunicação multimídia
Capacidade de Multicasting
•Transmissão multicasting em grupo
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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
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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
MAN100 Mbps DQDB.
FDDI.
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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
ResumindoFDDI e DQDB: LAN e MAN
ATM: potencialmente a todas
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Conceitos importantes de comunicação de dados
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Transmissão de dados - Assíncrona:
Clock não é sincronizadoSinal de início e fim
- Síncrona:Clock sincronizadoSinal de início
Conceitos importante de comunicação de dados
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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
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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
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FDDIFiber Distributed Data
Interface
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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)
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FDDIFiber 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
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FDDIFiber Distributed Data Interface
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.
FDDI - Fiber Distributed Data Interface ce
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DQDBDistributed Queue Dual Bus
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DQDB - Distributed Queue Dual Bus
Cada estação conectada a 2 barramentos
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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
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ATMAsynchronous Transfer
Mode
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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
cabeçalho48 bytes de dados
ATM - Asynchronous Transfer Mode
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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
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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
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ATM Asynchronous Transfer ModeATM 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
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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.
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ATM Asynchronous Transfer Mode
Configuração hierárquica de uma rede multimídia (ATM)
UNI: User-Network InterfaceNNI: Network-Network Interface
Usuário 1
Usuário 2
Usuário 3
Switch
Usuário 4
Usuário 5
Usuário 6
SwitchUNI UNINNI
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ATM Asynchronous Transfer Mode
Formato da Célula ATM - NNI
VPI – Virtual Path Identifier
VCI – Virtual Channel Identifier
Payload type CLP
Cyclic redundancy check (CRC)
Byte 1
Byte 2
Byte 3
Byte 4
Byte 5
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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)
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ATM Asynchronous Transfer Mode
Formato da Célula ATM - UNI
Generic flow control
VCI – Virtual Channel Identifier
Payload type CLP
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
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ATM Asynchronous Transfer Mode
Configuração da chamada de conexão
- Conexão precisa ser estabelecida- Negociação da QOS
Usuário 2Usuário 1 Switch 1 Switch 2VPI-1
VCI-1
VPI-2
VCI-2
VPI-3
VCI-3
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ATM Asynchronous Transfer Mode
Roteamento de células
Entrada Saída
Tabela de rota do Switch 1
link h, VPI 1, VCI 1 link i, VPI 2, VCI 2
Entrada Saída
Tabela de rota do Switch 2
link j, VPI 2, VCI 2 link k, VPI 3, VCI 3
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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
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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
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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
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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)
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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)
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Garantias de QoS no nível de Suporte de Rede
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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.
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Descreve o padrão do tráfego e a QoS desejada pelas aplicaçõesAplica-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
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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
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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.
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Gerência do Planejamento das Filas
Os pacotes são armazenados nas filas dos switches para depois serem enviadosPlanejamento nas filas implica na garantia da QOS2 tipos de planejamento:
- Conservando o trabalho:- buffer menor, menor atraso- FIFO
- Sem conservar o trabalho:- buffer maior, maior atraso- sem ordem na transmissão
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RESUMO
Redes Multimídia requer alta largura de banda, garantias de QOS, recursos de rede eficientes, escalabilidade e capacidade MulticastingFDDI e DQDB possuem alta largura de banda, mas uma largura dedicada, ineficiente para várias transmissões simultâneas multimídiaATM é a mais promissora para transmissão multimídiaCom o multiplexador estático é possível garantir o padrão de tráfego, controle de admissão, manutenção do tráfego e o controle de gerenciamento nas filas