Universidade Federal de São Carlos
Suporte de rede para
comunicação multimídia
PPG-CC
Agosto/ 2003
Aluno: Renato Andre T Claudino
Introdução
Subsistemas da comunicação




Suportes de Redes
Protocolos de Transporte
Arquitetura dos End-systems
Servidores Multimídia
2
Introdução
Modelo de referência OSI:
3
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
4
Características de rede
adequadas para comunicação
multimídia
5
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
6
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
7
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
8
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
9
Características de rede adequadas para
comunicação multimídia
Escalabilidade



Distância (LAN e WAN)
Largura de banda (Atender demanda)
Quantidade de usuários
10
Características de rede adequadas para
comunicação multimídia
Capacidade de Multicasting
•Transmissão comum multicasting
11
Características de rede adequadas para
comunicação multimídia
Capacidade de Multicasting
•Transmissão multicasting em grupo
12
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
13
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.
14
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
15
Conceitos importantes de
comunicação de dados
16
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
17
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)
18
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)
19
FDDI
Fiber Distributed Data Interface
20
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)
21
FDDI
Fiber
Data Interface
FDDIDistributed
- 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)
22
FDDI
Fiber
Data Interface
FDDIDistributed
- 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.
23
DQDB
Distributed Queue Dual Bus
24
DQDB - Distributed Queue Dual Bus
Cada estação conectada a 2 barramentos
25
DQDB - Distributed Queue Dual Bus
Unidade básica de transferência: Slot (53 bytes)
PA (Pre-Arbitrated)

Isochronous
QA (Queued Arbitrated)

Assíncrono
Tamanho slot DQDB = Tamanho célula ATM
26
ATM
Asynchronous Transfer Mode
27
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.
5 bytes
cabeçalho
48 bytes de dados
• STDM x ATM (*)
28
ATM Asynchronous Transfer Mode
Como o tamanho de célula é decidido?
• Overhead (+)
• Tempo de construção da célula (-)
• Tempo de multiplexação (aplicações sensíveis ao tempo) (-)
Dado estático
Áudio
Multiplex
• Tempo do Switch (-)
• Considerações finais: dados estáticos (128 bytes) ou dinâmicos
(16 bytes)
29
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
30
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
31
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.
32
ATM Asynchronous Transfer Mode
Configuração hierárquica de uma rede multimídia (ATM)
Usuário 1
Usuário 2
Usuário 4
UNI
Switch
NNI
Usuário 3
UNI: User-Network Interface
NNI: Network-Network Interface
Switch
UNI
Usuário 5
Usuário 6
33
ATM Asynchronous Transfer Mode
Formato da Célula ATM - NNI
Byte 1
VPI – Virtual Path Identifier
Byte 2
Byte 3
Byte 4
Byte 5
VCI – Virtual Channel Identifier
Payload type
CLP
Cyclic redundancy check (CRC)
34
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)
35
ATM Asynchronous Transfer Mode
Formato da Célula ATM - UNI
Byte 1
Generic flow control
Byte 2
Identifier (VPI)
Byte 3
Byte 4
Byte 5
Virtual path
VCI – Virtual Channel Identifier
Payload type
CLP
Cyclic redundancy check (CRC)
GFC – usuários podem compartilhar o acesso à rede, como DQDB
36
ATM Asynchronous Transfer Mode
Configuração da chamada de conexão
- Conexão precisa ser estabelecida
- Negociação da QOS
Usuário 1
VPI-1
VCI-1
Switch 1
VPI-2
VCI-2
Switch 2
VPI-3
VCI-3
Usuário 2
37
ATM Asynchronous Transfer Mode
Roteamento de células
Tabela de rota do Switch 1
Entrada
link h, VPI 1, VCI 1
Saída
link i, VPI 2, VCI 2
Tabela de rota do Switch 2
Entrada
link j, VPI 2, VCI 2
Saída
link k, VPI 3, VCI 3
38
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
39
ATM Asynchronous Transfer Mode
AAL – ATM Adaptation Layers
- 4 Classes (Serviços): A, B, C e D
- 5 Protocolos: AAL1, ALL2, ALL3/4, AAL5, AAL6
40
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
41
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)
42
ATM Asynchronous Transfer Mode
Porque ATM é indicado a comunicação multimídia?
usuário
-
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
- 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)
43
Garantias de QoS no nível de
Suporte de Rede
44
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.
45
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
46
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.
47
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.
48
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
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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
50