Suporte de rede para comunicação multimídia

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1 Universidade Federal de São Carlos UFSCar Departamento de Computação DC Grupo de Sistemas Distribuídos e Redes GSDR Disciplina: Estrutura de Aplicações Distribuídas e Multimídia Orientador: Dr. Sérgio Donizetti Zorzo Aluna: Daniele Santini Jacinto São Carlos, 13/09/2005

2 Tópicos abordados Características de redes adequadas à comunicação multimídia Conceitos sobre comunicação de dados Tecnologia de rede FDDI Tecnologia de rede DQDB Tecnologia de rede ATM Redes multimídia e garantia de desempenho Caracterização de tráfego Controle de admissão, negociação de QoS e gerenciamento de tráfego Gerência do planejamento das filas Resumo

3 Introdução

5 Características de redes adequadas à comunicação multimídia Os 4 critérios que determinam se uma tecnologia de rede é adequada para comunicações multimídias são: A largura de banda deverá ser suficientemente alta para suportar várias aplicações ao mesmo tempo; Os recursos de rede poderão ser compartilhados de forma eficiente entre as aplicações; A tecnologia de rede provê garantias de desempenho quando a aplicação necessitar dessa garantia; A tecnologia de rede deverá ser escalável, A tecnologia de rede implementa comunicação Multicasting.

6 Características de redes adequadas à comunicação multimídia Largura de banda Recursos compartilhados Garantias de desempenho Rede escalável Comunicação multicasting Largura de banda é a capacidade de transmissão de uma rede e é determinada por: Meio de transmissão utilizado (UTP, coaxial, fibra ótica) Protocolos Distâncias entre os nós Velocidade entre os nós intermediários Alta largura de banda é uma característica de aplicações multimídia

7 Características de redes adequadas à comunicação multimídia Largura de banda Recursos compartilhados Garantias de desempenho Rede escalável Comunicação multicasting O compartilhamento eficiente de recursos é obtido quando: Utiliza-se o princípio de largura de banda sobre demanda ou statiscal multiplexing Utiliza-se redes com comutação de pacotes ao invés de comutação de circuitos O tamanho dos pacotes deve ser adequado de forma a não causar overhead (pequenos) ou pacotes not full (grandes) Evita-se a retransmissão de dados; que é causada principalmente pela falta de buffer entre os nós intermediários; utilizando o princípio de prioridade de tráfego

8 Características de redes adequadas à comunicação multimídia Largura de banda Recursos compartilhados Garantias de desempenho Rede escalável Comunicação multicasting A garantia de desempenho será obtida quando: Os pacotes acessam a rede em um tempo especificado e uma vez na rede, chegam no destino em um tempo X também determinado (pode-se notar aqui o problema de se utilizar o protocolo MAC que utiliza o CSMA/CD para acesso ao meio) Os nós intermediários não utilizam o processo de store-and-forward pois o mesmo é indeterminístico (buffer full, canal saída ocupado ou processo ocupado)

9 Características de redes adequadas à comunicação multimídia Largura de banda Recursos compartilhados Garantias de desempenho Rede escalável Comunicação multicasting A rede deve apresentar escalonamento em relação à: Distância (a mesma arquitetura e protocolos podem atuar em LANs e WANs) Largura de banda (a largura de banda cresce de acordo com o crescimento da demanda de largura de banda pelo usuário sem mudar o protocolo de rede) Quantidade de usuários (a largura de banda de um usuário não pode ser afetada pelo número de conexões ativas na rede)

10 Características de redes adequadas à comunicação multimídia Largura de banda Recursos compartilhados Garantias de desempenho Rede escalável Comunicação multicasting Permite que um stream seja distribuído para vários destinos de forma eficiente e rápida pois o mesmo dado não é transmitido em um mesmo link de rede mais do que uma vez.

12 Conceitos importantes de comunicação de dados Conceitos utilizados em comunicação multimídia Assíncrona Síncrona Isócrona Sincronização

13 Conceitos importantes de comunicação de dados Transmissão de dados assíncrona ou síncrona Assíncrona O clock entre o transmissor e o receptor não é sincronizado; Os dados para serem transmitidos são sinalizados com start bit e stop bit; O tempo de transmissão não é estruturado pois o transmissor pode iniciar uma transmissão a qualquer hora, O termo assíncrono se refere a casualidade do tempo de transmissão dos dados.

14 Conceitos importantes de comunicação de dados Transmissão de dados assíncrona ou síncrona Síncrona O clock entre o transmissor e o receptor são sincronizados e o tempo é dividido em intervalos de comprimento fixo. Um intervalo corresponde à um bit. Os bits de dados são transmitidos constantemente sobre o meio de transmissão sem utilizar start bit ou stop bit. O termo síncrono se refere ao intervalo de tempo fixo.

15 Conceitos importantes de comunicação de dados Multiplexação síncrona ou assíncrona (multiplexação significa compartilhar um meio de transmissão entre conexões distintas) STDM Synchronous Time Division Multiplexing Um meio é compartilhado entre várias conexões ativas Um determinado número de bits é agrupado em um timeslot de comprimento fixo Uma conexão só pode utilizar o timeslot à ela associado.

16 Conceitos importantes de comunicação de dados Multiplexação síncrona ou assíncrona ATDM - Asynchronous Time-Division Multiplexing O timeslot pode ter tamanho fixo ou variável O timeslot não é associado à nenhuma conexão. Uma conexão pode utilizar qualquer timeslot para transmitir se ele não estiver sendo utilizado por outra conexão.

17 Conceitos importantes de comunicação de dados Comunicação isócrona Comunicação isócrona refere-se ao serviço de rede que garante uma largura de banda fixa sem delay jitter para uma conexão. Esse tipo de serviço é normalmente implementado por redes de comutação de circuitos. Áudio e vídeo digital sem compressão geram dados de forma isócrona.

18 Conceitos importantes de comunicação de dados Serviços assíncronos,síncronos e isócronos em FDDI Na terminologia FDDI, os termos assíncrono e síncrono possuem um significado diferentes da definição normal. Serviços assíncronos - não provêm garantia de largura de banda e delay. Serviços síncronos - garantem largura de banda e delay Serviços isócronos - emulam uma rede STDM para prover garantia de largura de banda sem variação de delay.

19 Conceitos importantes de comunicação de dados Sincronização Intramedia e Intermedia Sincronização pode ser vista como a apresentação correta no tempo de dados multimídia (áudio e vídeo) pertencentes a uma aplicação. Sincronização de mídia é conhecida como o relacionamento temporal dentro de um stream de mídia ou entre streams. Sincronização Intramedia - preserva as relações temporais entre frames consecutivos e a continuidade da reprodução dentro de um único stream de mídia. Sincronização Intermedia coordena os diferentes streams de mídia de modo a adquirirem as relações temporais desejadas entre elas (sincronização ao vivo).

21 FDDI Fiber Distributed Data Interface Visão Geral Topologia de um anel duplo 100 Mbps Passagem de token Extensão máxima de 100 Km tendo a cada 2 Km um repetidor e um total de 500 computadores interligados Cada anel opera em um sentido O segundo anel só é ativado quando há a detecção de um problema com o primeiro anel

22 FDDI Fiber Distributed Data Interface Classes de serviços Síncronos garante largura banda e tempo de resposta (usado para aplicação real-time) Assíncronos compartilha largura de banda (usado para aplicações não real-time) Parâmetros utilizados nas regras de transmissão (essas regras garantem a transmissão de uma qtde de dados a cada 2 TTRT segundos) TTRT Target Token Rotation Time TRT Token Rotation Timer THT Token Holding Timer LC Late counter SAi Synchronous Allocation para estação i

23 FDDI Fiber Distributed Data Interface Regra de transmissão 1 A estação recebe o token e o TokenRotationTime > 0 TokenHoldingTime = resto TokenRotationTime TokenRotationTime = TargetTokenRotationTime A estação pode transmitir: Frames sincronos por um período de tempo igual a SAi Após transmissão síncrona ou se não há transmissão síncrona, TokenHoldingTime é habilitado e começa o count down. A estação poderá transmitir frames assíncronos enquanto TokenHoldingTimer > 0

24 FDDI Fiber Distributed Data Interface Regra de transmissão 2 A estação não recebe o token e o TokenRotatioTime < 0 (o token está atrasado) LateCounter ++ TokenRotationTime = TargetTokenRotationTime TimerRotationTime count down OBS: Se a estação não receber o anel na segunda vez, isto é LateCounter = 2, o anel será reinicializado. Regra de Transmissão 3 A estação recebe o token e LateCounter = 1 LateCounter=0 TokenRotationTime continua count down A estação pode transmitir frames síncronos mas não pode transmitir frames assíncronos.

25 FDDI Fiber Distributed Data Interface FDDI II Como o FDDI transmite frames de tamanho variável que utilizam delimitadores para marcar seu início e fim, FDDI não é adequado a manter continuas taxas de dados entre duas estações. A classe de tráfego síncrono do FDDI garante apenas uma taxa de dados mínima suportada, ele não provê um stream de dados uniforme sem variação. FDDI-II surgiu para dar suporte de serviços isócronos (prover largura de banda sem variação de delay) para os serviços assíncronos e síncronos do FDDI. Provê um serviço de comutação de circuito enquanto mantém o serviço de comutação de pacote para controle do token do FDDI original (modo híbrido ou modo básico).

26 FDDI Fiber Distributed Data Interface Adequação do FDDI e do FDDI-II para comunicações multimídia O serviço síncrono do FDDI pode garantir um limite de delay e uma largura de banda mínima para uma conexão. O limite do delay é igual a 2TTRT e a largura de banda mínima é determinada pelo TTRT e SAi, portanto a seleção desses dois parâmetros é muito importante. Quando são selecionados de forma apropriada, o serviço síncrono pode suportar comunicações de áudio e vídeo digitais. O serviço isócrono do FDDI-II reserva uma quantia específica de largura de banda para uma conexão e emula uma rede de comutação de circuito. Assim largura de banda, delay e delay jitter são garantidos. A maior preocupação de utilizar FDDI (incluindo FDDI-II) para aplicações multimídias é que todas as estações compartilham uma quantia fixa de largura de banda, limitando o número total de sessões que podem ser suportadas.

28 DQDB Distributed Queue Dual Bus DQDB refere-se a topologia (Dual Bus) e a técnica de controle de acesso empregada (Distributed Queue) Pode operar com uma taxa de dados variável múltipla de Mbps Tempo de transmissão de cada barramento é dividido em um stream constante de slots de tamanho fixo com 53 bytes. Os nós podem receber e tansmitir dados através slots. A Head A gera slots para o barramento A e a Head B para o barramento B

29 DQDB Distributed Queue Dual Bus Há dois tipos de slots QA Queue Arbitrated carrega dados assíncronos PA PreArbitrated carrega dados isócronos Regra de comunicação Quando a estação têm dados a transmitir ela emiti um request. Ela pode transmitir dados em um slot em branco quando um request, emitido por uma outra estação anterior ao request que ela emitiu, tenha sido atendido. A mais importante característica da DQDB para comunicações multimída é seu slot PA. Transmissão através desse slot provê garantia de largura de banda e de delay. O desempenho dele é similar ao provido pelo serviço isócrono do FDDI-II. Outra importante característica da DQDB é que o tamanho do seu slot é o mesmo que o tamanho das células ATM facilitando a interconexão entre as redes DQDB e ATM.

31 ATM Asynchronous Transfer Mode A palavra chave em ATM é assíncrono. Assíncrono focaliza a diferença entre ATM e STDM tradicional. STDM o tempo é dividido em frames com comprimento fixo os quais são divididos em timeslot de tamanho fixo e esses timeslot são relacionados à uma conexão (se uma conexão necessita enviar mais dados do que um timeslot pode suportar (64 Bbps) ela deve esperar pelo seu timeslot do próximo frame. Se ela necessita enviar apenas 16Kbps os 48Kbps serão perdidos) Em ATM, o tempo é dividido em slots de tamanho fixo e esses slots podem ser utilizados por qualquer conexão Principal vantagem do ATM é banda sobre demanda: cada conexão pode usar tanta largura de banda quando ela necessita dada uma largura de banda máxima. Dessa forma a largura de banda é compartilhada de forma eficiente.

32 ATM Asynchronous Transfer Mode Os pequenos pacotes que são colocados nos timeslots se chamam células. Como é decidido o tamanho da célula? Qtde de overhead Delay na montagem da célula Delay na multiplexação Delay de forwarding

33 ATM Asynchronous Transfer Mode Qtde de overhead Delay na montagem da célula Delay na multiplexação Delay de forwarding Se a célula é muito pequena, por exemplo 16 bytes, e o cabeçalho é de 4 bytes então o overhead é de 25%, isto é, 25% da largura de banda transmiti informações que não são utilizadas pelo usuário. Para o uso da largura de banda de forma eficiente, o tamanho da célula deverá ser maior.

34 ATM Asynchronous Transfer Mode Qtde de overhead Delay na montagem da célula Delay na multiplexação Quanto maior for o tamanho da célula, maior será o tempo de montagem e maior será o delay experimentado. Delay de forwarding

35 ATM Asynchronous Transfer Mode Qtde de overhead Delay na montagem da célula Delay na multiplexação Delay de forwarding Considerando que a célula de dados estáticos chegue no multiplexador um pouco antes do que a célula de áudio, consequentemente a célula de áudio deve esperar até que a célula de dados estáticos seja transmitida. Se a célula é grande, a célula de áudio irá esperar por um tempo maior.

36 ATM Asynchronous Transfer Mode Qtde de overhead Delay na montagem da célula Delay na multiplexação Delay de forwarding O delay de forwarding é similar ao delay de montagem da célula ma ele ocorre nos nós intermediários de interconexão das redes. Corresponde ao período de tempo entre o ponto em que o primeiro byte da célula chega na switch e o ponto em que a switch inicia o forwarding da célula.

37 ATM Asynchronous Transfer Mode Conclusões quanto ao tamanho das células Para reduzir o delay total das células, o tamanho da célula deverá ser pequeno, mas para aumentar o uso da largura de banda, o tamanho da célula deverá ser grande. O tamanho do payload de 48 bytes do ATM foi o resultado de uma parte do grupo de implementação sugerir 128 bytes (para tornar ATM adequado ao tráfego de dados estáticos) enquanto a outra parte sugeriu 16 bytes (para otimizar a comunicação de voz). Após alguma negociação, os dois lados revisaram suas propostas para 64 e 32 bytes. O comitê de implementação adotou a média desses 2 valores para estabelecer o tamanho do payload em 48 bytes.

38 ATM Asynchronous Transfer Mode Modelo de referência do protocolo B-ISDN (Broadband-Integrated Service Digital Network) Layer ATM Adaptation Layer ATM Layer Physical Layer Funções Segmentação Montagem Funções que dependem da aplicação (ex. controle erro) Controle genérico do fluxo Geração/extração do cabeçalho das células Translação do VPI/VCI das célular Multiplexação e demultiplexação das células Transmissão de bits sobre o meio de transmissão (fibra ótica usando Synchronous Optical Network SONET)

39 ATM Asynchronous Transfer Mode Configuração hierárquica de uma rede ATM multimídia

40 ATM Asynchronous Transfer Mode Configuração de uma chamada de conexão Tabela rota da switch 1 Entrada Saída Link h, VPI-1, VCI-1 Link i, VPI-2, VCI-2 Tabela rota da switch 2 Entrada Link j, VPI-2, VCI-2 Saída Link k, VPI-3, VCI-3

41 ATM Asynchronous Transfer Mode Sobre ATM podemos identificar 4 tipos de aplicações e para suportar essas diferentes classes de serviços foram propostos diferentes níveis de adaptação: Aplicações com taxa constante sensível ao tempo AAL 1 Aplicações com taxa variável sensível ao tempo (delay fixo) AAL 2 Aplicações de dados orientada a conexão AAL 3/4 Aplicações de dados não orientada a conexão AAL 3/4

42 ATM Asynchronous Transfer Mode Porque ATM é indicado para comunicação multimídia Largura de banda: 155 Mbps e 622 Mbps Flexibilidade e garantia de QoS (suporta diversos tipos tráfego) Escalabilidade (compartilha UNI) Integração (suporta vários tipos de aplicações em uma mesma UNI) Capacidade de Multicast Padronização

44 Redes multimídia e garantia de desempenho Garantia de desempenho no nível de rede é obtido quando há: Mecanismo de especificação de QoS por aplicação Controle de aceitação para determinar se uma nova aplicação poderá ser aceita sem afetar o QoS de outra aplicação Processo de negociação de QoS para determinar um conjunto de parâmetros aceitáveis pela aplicação e pelo sistema Políticas de tráfego para ter certeza que a aplicação gera uma quantia de dados de acordo com a especificação aceita.

46 Caracterização de tráfego Por que usar a caracterização (especificação) de tráfego? A rede pode decidir se ela pode suportar o fluxo baseando-se nessa especificação. A rede pode realizar políticas de monitoramento para verificar se o tráfego está de acordo com o que foi especificado. Os switches dentro de uma rede podem programar filas baseadas nas especificações de tráfego. A caracterização de tráfego pode ser feita através da: Especificação múltiplos parâmetros Modelagem de tráfego

47 Caracterização de tráfego Especificação múltiplos parâmetros Modelagem de tráfego Para descrever um tráfego específico utiliza-se os parâmetros: Taxa pico Taxa média Taxa bit-variável Processos como Poisson e Markov e o modelo D-BIND

48 Caracterização de tráfego Especificação múltiplos parâmetros Modelagem de tráfego Esquema de modelagem de tráfego é utilizado quando é complicado descrever um padrão de tráfego. Têm como objetivo regular o tráfego em certos padrões ou modelos antes de colocá-lo na rede. Modelagem de tráfego balde furado Modelagem de tráfego balde de token Remodelagem de tráfego

49 Caracterização de tráfego Modelagem de tráfego balde furado (usado na UNI) Leaky Bucket B/R determina o delay máximo que um dado permanece no balde. Quando R é escolhido de forma que há uma pequena taxa de descarte de dado, esse valor será chamado de largura de banda efetiva. Vantagens: Implementação simples Buffer FIFO Fácil de descrever em uma política (taxa de transmissão R)

50 Caracterização de tráfego Modelagem de tráfego balde de token (usado na UNI) Token Bucket Aplicação têm que gerenciar o buffer de dados Ocorre o descarte de tokens e não de dados

51 Caracterização de tráfego Remodelagem do tráfego Quando dados vindos de caminhos diferentes chegam em um mesmo instante na switch, os mesmos serão remodelados seguindo uma ordem (prioridade).

53 Controle de admissão, negociação de Qos e gerenciamento de tráfego Admissão Mediante a caracterização do tráfego recebida, o processo de admissão irá aceitar novas conexões apenas se o QoS da conexão atual não viola o QoS das conexões anteriores (controle de admissão orientado ao desempenho). Negociação de QoS QoS só é garantida se as informações do tráfego estabelecido estiverem disponíveis na rede. Gerenciamento de tráfego São estabelecidas políticas de tráfego. Se detectado excesso de tráfego o pacote é marcado como sendo de baixa prioridade.

55 Gerência do planejamento das filas O que mais afeta o desempenho de um fluxo são as switches onde os pacotes de diferentes fluxos competem pelo tempo de processamento da switch e pelo link de saída. As switches podem ser modeladas como filas o que permiti a garantia de QoS. Os critérios utilizados para julgar se um esquema de fila é adequado ou não são: Se o esquema provê garantias estatísticas ou determinísticas Quais propriedades do fluxo são garantidas pelo esquema (taxa perda, largura de banda no pior caso, limite máximo de delay, delay jitter) Quais suposições o esquema faz para prover garantias (o esquema pode ser utilizado de forma genérica?) Se o esquema é fácil de implementar.

56 Gerência do planejamento das filas Alguns procedimentos para controle de fila Virtual Clock Weighted Fair Queuing Delay Earliest-Due-Date Jitter Earliest-Due-Date Stop-and-Go Priority Schemes and Graceful Degradation

58 Resumo Redes multimídias necessitam de largura de banda alta, garantia de QoS, uso eficiente dos recursos de rede, ser escalável e permitir comunicação multicast. FDDI e DQDB Largura de banda alta Tráfego isócrono (banda dedicada) Não são bem escaláveis (meio é compartilhado) ATM Garantia de QoS Caracterização de tráfego Controle de admissão Política de tráfego Planejamento de filas fornecendo garantia de desempenho

59 Protocolos de transporte para suporte à comunicação multimídia Bibliografia Guojun Lu, Communication and Computing for Distributed Multimedia Systems, Artech House Boston London, 1996 Tanembaum Andrew S, Redes de Computadores, Editora Campus, 3a. Edição, 1997 Torres Gabriel, Redes de computadores: curso completo, Axcel Books