Redes de Telecomunicações

Redes de Telecomunicações Mestrado em Engenharia Electrotécnica e e de Computadores 1º semestre 20011/2012

Capítulo 2 Fundamentos das redes e dos serviços João Pires Redes de Telecomunicações (11/12) 32

Tipos Básicos de Equipamento O equipamento básico pode-se dividir em vias de transmissão e elementos (dispositivos) de rede. Os elementos de rede incluem equipamento terminal, equipamento de comutação, sistemas de sinalização e gestão e servidores. Vias de transmissão: suporte de transmissão (cabos de pares simétricos, cabo coaxial, fibra óptica, feixes hertzianos,etc.) + repetidores (amplificadores, regeneradores). Equipamento terminal: interface com a rede (telefone, computador, PPCA, etc.). Equipamento de comutação: comutadores digitais nas redes telefónicas (comutação de circuitos), routers (comutação de pacotes) nas redes de dados. Sistemas de sinalização e gestão: responsáveis por processarem a informação de sinalização e gestão. Servidores: Dispositivos com capacidade para armazenar informação (servidores de WWW e cabeças de rede nas redes CATV,etc.). João Pires Redes de Telecomunicações (11/12) 33

Topologias Representação de uma rede por um grafo Fluxo de informação 1 2 v 1 v 2 e 1 e 5 e 6 e 2 Grafo da rede 5 3 v 5 e 4 e 7 v 4 e 3 v 3 G( V, E) 4 A estratégia de interligação entre os nós define a topologia da rede, ou mais especificamente a topologia física. O modo como a informação flui define a topologia lógica. A topologia lógica está associada ao fluxo de tráfego na rede, ou seja ao conjunto de serviços transportados na rede Topologia física Topologia lógica João Pires Redes de Telecomunicações (11/12) 34

Tipos de Topologias O tipo de topologia condiciona a estratégia de desenvolvimento e o tipo de serviços que a rede pode oferecer. Topologias com meio não partilhado Estrela Anel Malha Topologias com meio partilhado A B C Barramento (Bus) Árvore João Pires Redes de Telecomunicações (11/12) 35 E D

Representação de uma Rede (T. Física) Um rede pode-se representar a partir de um grafo ( V, E) onde V = ( v1, v2,... vn ) representa o conjunto dos vértices ou nós e E = ( e representa o 1, e2,... el ) conjunto de arcos ou ligações. A topologia física também se pode representar usando uma matriz de adjacências g. Essa matriz tem dimensão NxN. O elemento g ij =1, se existir uma ligação entre i e j. Caso contrário é igual a 0. Define-se o grau do nó como sendo o número de ligações que convergem para um determinado nó, ou seja N δ = O valor médio do grau do nó é dado por N 1 2L < δ >= δi = N N Diâmetro da rede (D R ): número máximo de ligações entre quaisquer dois nós, com encaminhamento pelo caminho mais curto. i g ij j = 1 i= 1 G v 1 v 2 João Pires Redes de Telecomunicações (11/12) 36 v 5 e 4 v 4 e 1 e 5 e 6 0 1 g = 1 1 1 <δ >= e 7 1 0 1 0 0 e 3 1 1 0 1 0 e 2 v 3 Matriz de Adjacências 1 0 1 0 1 1 0 0 1 0 4+ 2+ 3+ 3+ 2 = 2.8 5 = 2 D R Grafo da rede

Representação de uma Rede (T. Lógica) A topologia lógica descreve o fluxo de tráfego que ocorre na rede. Este fluxo também é descrito através do número de pedidos de tráfego ou ligações lógicas. Os pedidos de tráfego podem ser unidireccionais (um sentido) ou bidireccionais (nos dois sentidos). v 5 v 1 v 2 v 3 Topologia Lógica em malha (um sentido) v 4 A topologia lógica também se pode representar através de uma matriz de pedidos d. O elemento d ij =1, se existir um pedido de tráfego entre i e j. Caso contrário é igual a 0. No caso em que o fluxo de tráfego entre dois nós ocorre nos dois sentidos têm-se que o número médio de pedidos N N é dado por 1 < d >= d ij N i = 1 j = 1 d = 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 Matriz de pedidos de tráfego 1 1 0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 1 1 0 Para uma topologia lógica em malha (padrão de pedidos uniforme) têm-se < d>= N 1 O número total de pedidos de tráfego unidireccionais é então D1= N( N 1) e bidireccional D = N( N 1) / 2. 2 Dois sentidos 4+ 3+ 2+ 1 < d >= 2= 4 5 João Pires Redes de Telecomunicações (11/12) 37

Topologias Lógicas nas Redes em Anel O modo como o tráfego é distribuído entre os diferentes nós de uma rede com topologia física em anel, permite definir diferentes tipos de topologias lógicas: estrela simples, estrela dupla, anel, malha, etc. N: número de nós; D: número de ligações lógicas bidireccionais. Estrela simples Padrão de tráfego em hub simples Estrela dupla Padrão de tráfego em hub duplo Anel Padrão de tráfego adjacente Nó Pedido de tráfego bidireccional D = N 1 D = 2N 3 D = N Malha Padrão de tráfego uniforme Padrão de tráfego longo D = N( N 1) / 2 D = N( N 3)/ 2 Os pedidos de tráfego são entre nós diametralmente opostos João Pires Redes de Telecomunicações (11/12) 38

Encaminhamento Numa rede de telecomunicações um pedido de tráfego é originado no nó fonte e é terminado no nó destino. A definição da rota ou do caminho a seguir pelo fluxo de tráfego, associado a esse pedido, é uma função do encaminhamento (routing). O encaminhamento é, assim, responsável por mapear a topologia lógica sobre a topologia física. Ex: Na rede representada em baixo indica-se o custo de cada ligação. Pretende-se determinar o caminho com menor custo para encaminhar um pedido de tráfego entre os nós 1 e 5. C ij é o custo da ligação entre o nó i e o nó j 11 2 1 12 5 1 13 3 Caminhos 1-2-3-5 1-2-4-3-5 Custo C 12 + C 23 + C 35 = 10 C 12 + C 24 + C 43 + C 35 = 7 O métrica custo pode traduzir diferentes parâmetros com sejam distância, atraso, fiabilidade, etc. 4 14 5 15 1-2-3-4-5 C 12 + C 23 + C + C 34 45 = 13 1-4-5 C14 + C45 = 9 O caminho com menor custo é o caminho 1-2-4-3-5 João Pires Redes de Telecomunicações (11/12) 39

Encaminhamento (II) O estabelecimento de um caminho pode ser feito manualmente ou através do sistemas de gestão de rede (encaminhamento estático), ou pode ser feito usando algoritmos de encaminhamento (encaminhamento dinâmico). O encaminhamento estático corresponde ao caso em que a matriz de pedidos de tráfego é invariável no tempo. O encaminhamento dinâmico corresponde ao caso em que a matriz de tráfego varia no tempo, com a chegada e terminação frequente de novos pedidos. O encaminhamento ainda se pode classificar em mono-percurso quando se usa um único percurso (routing path) para um pedido de tráfego e multipercurso quando são usados simultaneamente diferentes percursos para transportar o tráfego entre o mesmo par de nós. Pedido de tráfego entre o nó 1 e 5 2 Mono-percurso 5 12 13 2 Multi-percurso 12 5 13 11 1 1 3 11 1 1 3 4 14 5 15 4 14 5 15 João Pires Redes de Telecomunicações (11/12) 40

Número de Saltos por Pedido Define-se o número de saltos por pedido como sendo o número de ligações correspondentes à rota seguida por esse pedido. O número de saltos também pode ser usado como métrica de encaminhamento para além do custo. Para calcular esse número, pode-se escolher o caminho entre dois nós que percorre o número mínimo de ligações possíveis usando o algoritmo de Dijkstra. A matriz de saltos h é definida de modo que cada elemento dessa matriz h ij represente o número mínimo de ligações de um pedido entre o nó i e o nó j. O número médio de ligações por pedido é dado, nessa situação, por (D=D 2 ) < h >= 1 1 N N h ij D i= 1 j= i+ 1 Se a matriz de adjacências e a matriz de pedidos forem conhecidas pode-se determinar <h>. Para um padrão de pedidos uniforme e para topologias físicas com um nível de conectividade elevado tem-se que < h > 1. 12 < N δ > Inversamente proporcional à raiz do valor médio do grau João Pires Redes de Telecomunicações (11/12) 41

Planos de Rede Numa rede de telecomunicações podem-se individualizar três panos: Plano de utilizador, plano de controlo e plano de gestão. Plano de utilizador: responsável por transferir a informação do utilizador através da rede. Assegura o suporte físico. Plano de controlo: responsável pelo processo de sinalização associado ao estabelecimento, supervisão e terminação de ligações. Exemplo de planos de controlo: Sistema de sinalização nº 7, GMPLS (Generalized multiprotocol label switching), etc. Plano de gestão: Funções a nível de detecção e correcção de falhas (gestão de falhas), configuração dos elementos de rede (gestão de configuração), monitorização de desempenho (gestão de desempenho), autorização de acesso (gestão de segurança). João Pires Redes de Telecomunicações (11/12) 42

Arquitecturas do Plano de Controlo 1) Modelo Overlay: O utilizador está isolado do plano de controlo através de uma interface UNI (User Network Inferface), não sendo por isso conhecedor nem da topologia da rede, nem do plano de controlo ou de dados. Os nós no interior da rede interagem entre si através da NNI (Network-Node Interface). UNI NNI UNI IP IP Rede de Cliente (serviço) Sub- Rede Óptica Rede Óptica de Transporte Sub- Rede Óptica Rede Cliente (serviço) No modelo overlay a rede de serviço e a rede de transporte usam diferentes planos de controlo. No caso representado a rede cliente IP está ligada a uma rede óptica através de um edge router, o qual tem uma interface óptica, para o nó óptico de ingresso. Antes do edge router poder transmitir através da rede óptica tem de requisitar uma ligação através da rede óptica. Para tal é necessário usar um protocolo de sinalização adequado através da UNI. A ligação através da rede óptica pode ser um canal óptico, o que é estabelecido pelo plano de controlo usado nessa rede. 2) Modelo Peer: Todos os utilizadores e nós usam os mesmo conjunto de protocolos. Sobre a perspectiva do plano de controlo as redes clientes (serviço) e as redes de transporte são tratadas como uma única rede. 3) As redes baseadas no modelo peer usam um plano de controlo baseado no Generalized MPLS (GMPLS). João Pires Redes de Telecomunicações (11/12) 43

Notícia na revista Lightwave (Plano de Controlo) Alcatel-Lucent's intelligent control plane is featured in Portuguese network,lightwave SEPTEMBER 16, 2009 -- Alcatel-Lucent has completed the deployment of a control-plane based optical network for ONI Communications (ONI), a leading Portuguese communications operator. Offering higher levels of network security and availability to its business customers, ONI expects to enhance the service quality of existing and new applications. With the implementation of ASON/GMPLS technology, ONI says it is the first service provider in Portugal to use an intelligent control-plane-based optical network to offer the highest service quality. ONI can now negotiate differentiated service-level agreements with its customers. The carrier also benefits from automatic traffic provisioning, and a high level of network protection, operation, and maintenance capabilities for minimized operational expenditures Alcatel-Lucent's intelligent control plane, based on Automatically Switched Optical Network/Generalized Multi-Protocol Label Switching (ASON/GMPLS) technology, offers dynamic networking and traffic protection. Alcatel-Lucent has deployed the technology in ONI's core transport network through the Alcatel-Lucent 1678 Metro Core Connect (MCC). João Pires Redes de Telecomunicações (11/12) 44

Classificação das redes Em termos do modo de transferência de informação as redes podemse classificar em comutadas e de difusão. Por sua vez as comutadas podem ser de comutação de circuitos ou de pacotes. Redes de Telecomunicações Redes comutadas Redes de difusão Rede de satélites Rede de difusão de televisão e rádio Rede Ethernet CSMA/CD Redes de comutação de circuitos Redes de comutação de pacotes Rede telefónica Rede celular Circuitos alugados Redes de transporte (SDH e OTN) Redes não orientadas à ligação (Datagramas) Rede IP Redes orientadas à ligação (Circuitos virtuais) Frame relay ATM (Asynchonous transfer mode) MPLS (Multi-protocol label switching) João Pires Redes de Telecomunicações (11/12) 45

Comutação de Circuitos Na comutação de circuitos é estabelecida pela rede uma ligação (circuito) entre dois utilizadores (chamado e chamador) para a transferência de informação a qual é mantida durante toda a comunicação. Envolve três fases: estabelecimento do circuito, transferência de dados, e terminação. Numa ligação telefónica a primeira fase tem lugar quando se marca o número do destinatário e a central de comutação estabelece uma ligação para o telefone do destinatário e envia o sinal de chamada. A segunda fase corresponde à conversação entre os interlocutores. A terceira fase inicia-se quando se pousa o telefone. Os circuitos podem ser comutados ou semi-permanentes. Os primeiros, como é o caso dos circuitos telefónicos, são estabelecidos por acção do plano de controlo. Os segundo, como é o caso dos caminhos nas redes SDH e dos canais ópticos nas redes OTN são estabelecidos pela acção do plano de gestão. Como os recursos usados na ligação são reservados durante todo o tempo em que a ligação está activa esta solução é apropriada para o tráfego de voz, mas não é adequada para o tráfego de dados que é bursty por natureza. João Pires Redes de Telecomunicações (11/12) 46

Comutação de pacotes Na comutação de pacotes a informação é segmentada em pacotes, que por sua vez são enviados através da rede de nó para nó até atingirem o destino. Na comutação com datagramas a cada pacote inclui um cabeçalho com informação do destino e da fonte. Cada pacote é encaminhado individualmente através da rede, podendo diferentes pacotes com o mesmo destino seguirem caminhos diferentes. Comutação por datagramas Fonte D T X U R C B D X T U C R B D T X U R C B Controlo da sequência Nó Na comutação por circuitos virtuais por sua vez requer o estabelecimento prévio de uma circuito virtual entre a fonte e o destinatário, o qual é seguido por todos os pacotes. O processo de comunicação envolve três fases como na comutação de circuitos. João Pires Redes de Telecomunicações (11/12) 47

Aspecto Geral das Redes de Telecomunicações As redes de telecomunicações caracterizam-se pela multiplicidade de: Camadas de rede Domínios de rede Segmentos de rede Topologias de rede Tecnologias de rede Domínio 1 (ex. operador A) Domínio 2 (ex. operador B) Camada 2 (ex. Ethernet) Fonte : João Pedro, Planeamento de Redes, POSTIT Camada 1 (ex. OTN) As camadas de rede inferiores prestam serviços às camadas superiores Domínios diferentes correspondem, por exemplo, a operadores diferentes João Pires Redes de Telecomunicações (11/12) 48

Estratificação em camadas Uma rede de telecomunicações pode-se dividir em camada de rede de transporte e camada de rede de serviços. A camada de rede de serviços funciona como cliente da camada de rede de transporte. A camada de rede de transporte proporciona caminhos (capacidade de transporte) à camada de serviços. Uma ligação a 34 Mb/s por segundo é um exemplo de uma caminho eléctrico e um comprimento de onda suportando um canal a 10 Gb/s é um exemplo de um caminho óptico. As camadas de serviço são de diferentes tipos (rede telefónica, redes de dados, rede celulares, redes de cabo, circuitos alugados. Rede telefónica Rede de dados Rede celular Rede de cabo Circuitos alugados Rede de Transporte João Pires Redes de Telecomunicações (11/12) 49

Rede de Transporte A rede de transporte é uma plataforma tecnológica que assegura uma transferência transparente e fiável da informação à distância, permitindo suportar diferentes serviços. A rede de transporte garante diferentes funcionalidades, como sejam, transmissão, multiplexagem, encaminhamento, protecção, supervisão e aprovisionamento de capacidade. A rede de transporte é constituída por diferentes elementos de rede ligados entre si segundo uma certa topologia física (anel ou malha) e interagindo directamente com o plano de gestão. João Pires Redes de Telecomunicações (11/12) 50

Exemplificação do papel do transporte A rede de transporte neste exemplo é representada pelo plano inferior e é constituída por multiplexadores ADM interligados por fibras ópticas. A camada de rede de serviços é representada por centrais de comutação telefónica (CC). d Camada de rede de serviço CC CC c Tecnologias de rede para o transporte: SDH (Synchronous Digital Hierarchy), WDM, (Wavelength Division Multiplexing), OTN (Optical Transport Network) CC a CC ADM E A ADM ADM Camada de rede de Transporte B b ADM D ADM C João Pires Redes de Telecomunicações (11/12) 51

Hierarquização da rede Uma rede de telecomunicações de dimensão nacional é representada por uma estrutura hierárquica com três níveis: núcleo, metro e acesso. A estrutura hierárquica é comum à rede de transporte e de serviços. Na rede de núcleo e na rede metropolitana a topologia física é normalmente imposta pela camada de transporte. Núcleo 100s-1000s km Malha A rede de acesso usa uma grande variedade de tecnologias e topologias, e é responsável por uma fracção muito importante do investimento feito numa rede. Tecnologias de transmissão no acesso: pares de cobre, cabo coaxial, fibra óptica, soluções rádio (FWA). Metro 10-100 km Anel Acesso <10 km Anel, estrela, etc Utilizadores João Pires Redes de Telecomunicações (11/12) 52

Rede Telefónica Pública Comutada A topologia em estrela é a solução mais simples A topologia mais simples para uma rede telefónica é a topologia em estrela, ligando uma central de comutação telefónica ao equipamento terminal do utilizador. CC Central de comutação tefefónia Quando a dimensão da rede aumenta, tornase mais económico dividir essa rede em subredes de pequenas dimensões, cada uma servida pela sua própria central de comutação telefónica. Para interligar todas as centrais entre si, a solução mais económica é usar uma central de nível superior: central tandem. Custo nº óptimo de centrais Telefone custo total custo da comutação custo da linha Número de centrais de comutação Estrutura hierárquica João Pires Redes de Telecomunicações (11/12) 53

Estrutura hierárquica Uma rede telefónica pública comutada apresenta uma estrutura hierárquica e uma topologia em árvore não pura, porque à medida que se sobe na hierarquia aumenta o número de ligações directas entre centrais do mesmo nível. Rede internacional Central internacional Rede de núcleo ou de troncas Rede de junção Rede de acesso ou local Central Tandem Centros de trânsito secundário Centros de trânsito primários Centrais locais Linha de assinante A linha de assinante é constituída por pares de cobre, por isso esta rede é muitas vezes designada por rede de cobre Transmissão a 2 fios João Pires Redes de Telecomunicações (11/12) 54

Rede Digital Integrada Uma rede digital integrada (RDI) é uma rede telefónica pública em que a comutação é digital e a transmissão no núcleo e nas junções também é feita usando transmissão digital. Central analógica Equipamento de rede. Conversão A/D Telefone analógico CT CL Transmissão digital Transmissão analógica CT RDI CT CL Acesso analógico CL CL CL CT Central de trânsito digital CL Central local digital CR CR Concentrador digital A qualidade do sinal na RDI devido à regeneração é independente do número de troços e centrais presentes na ligação. Passo seguinte: Proporcionar transmissão digital até ao utilizador (RDIS) João Pires Redes de Telecomunicações (11/12) 55

Rede Digital com Integração de Serviços A característica fundamental da RDIS é a digitalização do lacete de assinante. O RDIS oferece acesso básico e acesso primário. Acesso básico 2x64 Kbits canais B para comunicação 1x16 kbit/s canal D para sinalização Interface U a 2 fios a 160 kbit/s Acesso primário 30x64 Kbits canais B para comunicação 1x64 kbit/s canal D para sinalização Interface U a 4 fios a 2 Mbit/s Acesso primário PPCA NT1 Para manter compatibilidade com os telefones analógicos usa-se um adaptador TA Interface S TA Interface T NT1 Interface U Acesso básico Interface U Central de comutação Telefone analógico Telefone digital João Pires Redes de Telecomunicações (11/12) 56

Redes híbridas fibra-coaxial As redes de distribuição de televisão por cabo CATV ( CAble TV) (rede de cabo) usam uma infra-estrutura de fibra óptica, para servirem células de 200 a 1000 utilizadores, seguida de uma rede em cabo coaxial. Cabeça de Rede Amplificador de tronca com repartição Para o fornecimento de serviços interactivos, é necessário usar amplificadores bidireccionais e um protocolo da acesso múltiplo para evitar colisões entre os sinais de retorno enviados pelos diferentes utilizadores Fibra Óptica Nó de acesso óptico Repartidor coaxial Cabo coaxial Amplificador de linha Utilizador Utilizador A rede coaxial apresenta uma topologia em árvore O servidor situado na cabeça da rede distribui para os utilizadores os diferentes sinais de televisão usando multiplexagem por divisão na frequência (FDM). João Pires Redes de Telecomunicações (11/12) 57

Rede de transporte da rede híbrida A ligação entre a cabeça da rede e o nó de acesso óptico é realizado pela componente de transporte. Na rede de transporte representada a rede de transporte tem dois níveis. Cabeça Cabeça de de Rede Rede No rede de transporte primária a informação é digitalizada (PCM). No nó de acesso a informação é convertida para o domínio analógico (RF) e em seguida para o domínio óptico. Rede de Transporte Primária Nó Nóde de Acesso Acesso Par de fibras ópticas Nó Nóde de Acesso Acesso No nó de acesso acesso o sinal óptico é convertido para um sinal de radiofrequência (RF) e injectado na rede coaxial Rede de Transporte Secundária Fibra óptica Nó de acesso óptico Rede Coaxial A rede de transporte primária usa a informação digitalizada. João Pires Redes de Telecomunicações (11/12) 58

Espectro de radio-frequência O canais de televisão (serviço distributivo) fazem uso da banda directa situada entre 111 e 750 MHz. A parte entre os 550 e 750 MHz é usada para televisão digital e ligação interactiva descendente. O via de retorno é usada para as ligações interactivas ascendentes. Via de Retorno Canais FM Canais de TV analógicos Canais digitais Upgrade futuro 5 65 88 108 111 550 750 1000 f (MHz) Note que os sinais transmitidos são sinais de radiofrequência FDM, logo analógicos. Desmodulador (Televisor) Fibra Óptica Receptor Óptico f 1 f N Sinal de radiofrequência Oscilador local sintonizável f f N Filtro Passa Baixo f João Pires Redes de Telecomunicações (11/12) 59

Redes IP Na Internet usa-se comutação de pacotes por datagramas Rede 2 Encaminhadores (Routers) Pacote Rede 1 Caminho Fonte: Prof. Paulo Correia, TRC, 2006-2007 Os pacotes são encaminhados através da Internet. João Pires Redes de Telecomunicações (11/12) 60

Arquitecturas de Rede: Modelo TCP/IP TCP: Transmission control protocol UDP: User Datagram Protocol Fonte: Prof. Paulo Correia, TRC, 2006-2007 João Pires Redes de Telecomunicações (11/12) 61

Modelo TCP/IP 5 Aplicação: Aplicações de rede distribuídas: FTP, SMTP, HTTP. 4 Transporte: Transferência de dados entre estações: TCP, UDP. 3 Rede: Encaminhamento e expedição de mensagens: IP, protocolos de encaminhamento. 2 Ligação de dados: Transferência de dados entre máquinas vizinhas: PPP, Ethernet. 1 Nível físico: Passagem de bits entre máquinas vizinhas: RS- 232c, V.92. Aplicação Transporte Rede Dados Físico Fonte: Prof. Paulo Correia, TRC, 2006-2007 João Pires Redes de Telecomunicações (11/12) 62

Modelo TCP/IP (2) Aplicação HTTP Msg Aplicação Transporte TCP Msg Transporte Rede Pacote IP Rede Rede Dados Trama Ethernet Dados Dados Dados Físico Físico Físico Físico João Pires Redes de Telecomunicações (11/12) 63 Cliente Comutador Ethernet Router Servidor

Limitações do IP O protocolo IP foi desenvolvido tendo por objectivo o transporte de dados. O encaminhamento de datagramas é feito usando o caminho mínimo e não tem em conta nem aspectos de qualidade de serviço nem de engenharia de tráfego. A qualidade de serviço ou QoS (Quality of Service) garante que os pacotes são sujeitos a um determinado processamento de modo a verificarem certas exigências em termos de perdas de pacotes, atraso de pacotes, variação do atraso de pacotes, disponibilidade, etc. A engenharia de tráfego trata do conjunto de procedimentos requeridos para permitir uma utilização eficiente dos recursos da rede, realizando por exemplo um encaminhamento de tráfego de modo a evitar congestão e a maximizar o tráfego transportado. As redes IP multiserviço, suportam para além de dados, voz (VoIP) e vídeo (IP-TV) e requerem garantias de QoS e de engenharia de tráfego. Requer-se por isso uma comunicação orientada à ligação. O ATM (Asynchronous Transfer Mode) e o MPLS (MultiProtocol Label Switching) são tecnologias que permitem dar resposta a essas exigências. João Pires Redes de Telecomunicações (11/12) 64

Aplicações ATM Antes do advento do MPLS (multi-protocol label switching) o ATM era a única tecnologia de rede que permitia garantir qualidade de serviço por ligação. Aplicações Redes de núcleo dos ISP (Internet Service Providers) Rede de acesso no ADSL Redes APON (ATM passive optical networks) e GPON? Rede UTRAN no UMTS Vídeo p2p e p2m Nas redes UMTS o ATM é usado na UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network) para interligar os nós B (Base Station) aos RNC (Radio Network Controller) UTRAN na rede UMTS Nó B Nó B Interface Iub RNC UTRAN MSC João Pires Redes de Telecomunicações (11/12) 65

Princípios do ATM O ATM (Asynchronous Transfer Mode) usa o modo de transferência assíncrono: as fontes de informação são mutuamente assíncronas e a informação é segmentada em células, as quais são enviadas pelas fontes em instantes independentes. O TDM usa o modo de transferência síncrono: as fontes de informação são sincronizadas, e enviam as suas unidades de informação em intervalos de tempo que lhes são previamente atribuídos. No ATM a informação é estruturada em células com 53 octetos, sendo 48 octetos destinados ao campo de informação e 5 destinados ao cabeçalho. O ATM estabelece conexões entre dois pontos extremos (tecnologia orientada para a conexão). As conexões ATM designam-se por circuitos virtuais (VC, virtual circuits) às quais é atribuído um idendificador VCI (virtual circuit identifier). Os VC podem ser agregados formando um caminho virtual (VP, virtual path) também designado por conduta virtual. Cada VP é caracterizado por um identificador VPI (virtual path identifier). Conexão física VPI a VPI b VCI x VCI y VCI x VCI y João Pires Redes de Telecomunicações (11/12) 66

Permuta de Identificadores de Ligação O estabelecimento de um circuito virtual entre dois utilizadores normalmente consiste num caminho através de vários comutadores ATM. Como cada ligação pertencente ao caminho é caracterizada pelo seu identificador próprio (CI={VPI, VCI}) a função do comutador consiste em fazer a permuta de CIs (label swapping). B A VPI=10 VCI=55 VPI=20 VCI=37 1 2 Comutador ATM 3 4 VPI=10 VCI=74 VPI=30 VCI=37 10 55 1 10 74 4 Tabela de 20 37 2 30 37 3 encaminhamento 1 VPI, VCI Porto de entrada Porto de saída Comutador ATM 5 10 74 1 50 43 5 Note-se que os valores VPI/PCI só têm significado local, só são válidos para uma ligação. VPI=50 VCI=43 2 6 Comutador ATM 30 37 2 70 66 6 Os circuitos virtuais podem ser permanentes ou comutados. Os primeiros são estabelecidos pelo sistema de gestão e os segundos por sinalização. João Pires Redes de Telecomunicações (11/12) 67 D VPI=70 VCI=66 C O caminho entre A e C é constituído pelos seguintes CIs: 10/55, 30/37 e 70/66. A ligação efectua-se através do porto de entrada 1 do comutador 1 e sai do porto 3 do mesmo comutador, entra em seguida no porto 2 do comutador 2 e sai no porto 6 do mesmo comutador.

MPLS O MPLS(Multiprotocol Label Switching) é uma norma da IETF (Internet Engineering Task Force), que é independente dos protocolos de nível 2 e 3. A ideia é forçar todos os pacotes pertencentes a um certo fluxo, ou classe de serviço a seguirem o mesmo caminho (label switched path). O protocolo baseia-se na adição de uma etiqueta (label) a cada pacote, a qual vai ser usada na rede MPLS para fazer o encaminhamento do pacote. A etiqueta é de comprimento fixo (32 bits). Cabeçalho de nível 2 Etiqueta (20 bits) Etiqueta MPLS 32 bits CoS (3 bits) S (1 bit) Cabeçalho de IP TTL (6 bits) Cabeçalho das camadas superiores Class of Service Time-to-live Se um pacote MPLS transporta um pacote IP, pode-se visualizar o MPLS como fazendo parte da camada 2.5. Note-se, no entanto, que continua a ser necessário um protocolo de nível 2 para gerir as ligações entre os routers. S=1, para indicar a última etiqueta de uma pilha O MPLS suporta vários protocolos (MultiProtocol), tais como IP, ATM e framerelay. Os elementos de rede usados são os LSR (Label Switched Routers) e LER (Label Edge Routers) João Pires Redes de Telecomunicações (11/12) 68

Exemplo de uma Rede MPLS Os LSR são routers de elevada velocidade usados no núcleo da rede que fazem o encaminhamento dos pacotes com base nas etiquetas. Os LER são routers usados nas orlas da rede e são responsáveis por inserir/extrair as etiquetas. Podem ter cartas IP, ATM, Frame-relay. LER LSP 17 LSR 68 LSR 15 LER Etiqueta LSR Numa rede MPLS a transmissão de dados tem lugar usando LSP (Label Switched Paths). Os LSP correspondem a uma sequência de etiquetas, sendo cada etiqueta valida unicamente para uma ligação. LSR João Pires Redes de Telecomunicações (11/12) 69

Tabelas de Encaminhamento Os LSPs são normalmente estabelecidos antes da transmissão de dados, tendo-se um LSP para cada classe de serviço, ou FEC (forwarding equivalent Class). No LER de entrada cada pacote terá de ser classificado numa determinada FEC de acordo como o seu destino e serviço requerido (tipo de aplicação ou qualidade de serviço). Cada router mantém uma tabela de encaminhamento designada por LIB (Label Information Base), a qual contém o mapeamento de {porto de entrada, etiqueta de entrada} para {porto de saída, etiqueta de saída}. Ex: Considere-se dois streams de dados que entram num LSR. Um, correspondente a um serviço FTP (FEC 1) entra no porto 1, e o outro que corresponde a um serviço videoconferência (FEC2) entra no porto 2. Como exemplo de uma LIB tem-se: FEC 1 FEC 2 Porto de entrada 1 2 Etiqueta de entrada 15 25 Porto de saída 2 3 Etiqueta de saída 10 20 João Pires Redes de Telecomunicações (11/12) 70

Exemplo de uma Ligação MPLS LER LSR LER LER Por cada label swap o TTL é decrementado de uma unidade. Como o campo TTL tem 8 bits, isto quer dizer que não pode haver um caminho com mais de 255 saltos. Fonte: Alexandre Ribeiro, Siemens, Março 2007 João Pires Redes de Telecomunicações (11/12) 71

Engenharia de Tráfego A engenharia de tráfego ou TE (Traffic Engineering) trata do conjunto de procedimentos requeridos para permitir uma utilização eficiente dos recursos da rede, realizando por exemplo, um encaminhamento de tráfego de modo a evitar a congestão e permitir maximizar os recursos da rede. LER LSR LSR LER LER Encaminhamento baseado no número mínimo de saltos Encaminhamento baseado em engenharia de tráfego João Pires Redes de Telecomunicações (11/12) 72

Redes do Século XXI As palavras chave vão ser banda larga, convergência e resiliência. A banda larga irá exigir a aproximação da fibra óptica ao utilizador. A convergência irá reduzir o número de tecnologias de rede usadas tanto na camada de serviço, como na camada de transporte. Cobre Cobre Plataforma de acesso multiserviço Camada de rede de serviço IP/MPLS Convergência Utilizador ONU Fibra Fibra OTN Camada de rede de Transporte Redes Multiserviço A resiliência permite garantir redes com elevada disponibilidade. João Pires Redes de Telecomunicações (11/12) 73

Serviços em Telecomunicações João Pires Redes de Telecomunicações (11/12) 74

Serviços Objectivo das redes de Telecomunicações: fornecer serviços aos clientes que estão sobretudo interessados no tipo, qualidade e custo. A classificação do serviços em classes de serviços permite definir as características que as técnicas e tecnologias utilizadas pelas redes de telecomunicações devem apresentar. João Pires Redes de Telecomunicações (11/12) 75

Classificação dos Serviços (quanto às direcções de transferência de informação) Distribuição (difusão) Fluxo contínuo de informação num único sentido (unidireccional) de uma fonte central para vários utilizadores (ex: difusão de televisão) Classes de serviços Conversacionais Troca de informação bidireccional em tempo real (telefonia, vídeo-conferência) Interactivos Fluxo de info bi-direccional Consulta Mensagens Consulta de informação guardada em centros de informação públicos na rede (WWW) Troca via unidades de memória (store-and-forward) de fluxos de informação bidireccionais (correio electrónico, sms) João Pires Redes de Telecomunicações (11/12) 76

Classificação dos Serviços (quanto às exigências feitas às redes) Largura de banda Capacidade de transporte disponível nas ligações da rede para fornecer um dado serviço ao utilizador. Varia entre alguns khz para a telefonia até vários MHz para a televisão. Critérios Simetria/ assimetria da comunicação Os serviços que requerem um débito inferior a 2 Mbit/s, designam-se de banda estreita. Por sua vez os que requerem um débito superior a esse valor de banda larga. A comunicação faz-se nos dois sentidos (comunicação simétrica) ou preferencialmente num sentido (assimétrica). Difusão/ Comutado Serviço difundido: a mesma informação chega todos os clientes. Serviço comutado: diferentes clientes obtêm informação diferente. João Pires Redes de Telecomunicações (11/12) 77

Classificação dos Serviços (quanto às formas de representação da informação) Classes de serviços Multimédia Monomédia Usam várias formas de representação de informação num único serviço áudio vídeo Usam uma única forma de representação de informação no serviço dados Rede pública de dados Internet João Pires Redes de Telecomunicações (11/12) 78

Digitalização de um Sinal Analógico (PCM) A digitalização de um sinal envolve as seguintes etapas: filtragem, amostragem, quantificação e codificação. A filtragem é realizada de modo a garantir que o espectro do sinal não apresenta componentes espectrais superiores a um valor B. A amostragem consiste em retirar amostras do sinal a intervalos de tempo regulares designados por T a. (período de amostragem). O valor de T a é obtido a partir da frequência de amostragem f a (T a =1/ f a ), a qual é dada por f a 2B. A quantificação permite discretizar as amplitudes das amostras, num conjunto finito. A codificação permite atribuir a cada nível de amplitude gerado pelo quantificador uma palavra binária com N b bits, gerando um sinal PCM (Pulse Code Modulation) com um débito binário igual a D b =N b f a. João Pires Redes de Telecomunicações (11/12) 79

Canal de Voz e Débito da Voz Digitalizada A voz humana cobre as frequência entre os 100 a 7000 Hz. Porém a maior parte do conteúdo inteligível situa-se entre a banda de 300-3400 Hz, chamada banda da voz. Por sua vez admite-se que a banda do canal de voz (telefónico) se situa entre 0 e 4 khz. Banda do canal de voz Amplitude ou tensão Banda da voz As rec. G.132 e G.151 da ITU-T indicam a banda atribuída ao sinal de voz de 300-3400 Hz 0 300 3400 4000 Frequência (HZ) Na digitalização do sinal de voz considera-se que B é igual à banda do canal ou seja 4 khz e como frequência de amostragem f a = 8 kamostra/s. A codificação do sinal também é feita com N b =8 bit/amostra. Período de amostragem T a =125 μs Débito binário D b =f a N b =64 kb/s João Pires Redes de Telecomunicações (11/12) 80

Sinal de Vídeo Uma imagem é composta por um número finito de elementos de imagem designados por pixels cada um dos quais é caracterizado pela sua posição, brilho (luminância) e cor (crominância). A sensação de movimento é obtida através da transmissão de várias imagens por segundo. Em televisão transmitem-se entre 25 a 30 imagens/s. A resolução espacial é dada pelo produto A B A linhas B pixels C imagens/s Na televisão standard tem-se: A=575, B=720 Na televisão de alta-definição tem-se: A=1080, B=1920 Um sinal de televisão inclui um sinal de luminância (Y), dois sinais de crominância (U, V) e um ou mais canais de áudio. João Pires Redes de Telecomunicações (11/12) 81

Características do Sinal de Televisão O sinal de vídeo inclui a informação de luminância (intensidade) e crominância (cor). Para o sistema PAL (phase alternation lines) o espectro do sinal de vídeo em banda base tem a forma: Espectro f (MHz) Na transmissão analógica em radiofrequência usa-se modulação de amplitude com banda lateral vestigial (AM-VSB). O espectro desse sinal é do tipo Portadora do sinal de vídeo composto luminância 12 db 0 3 6 Subportadora de crominância (4.43 MHz) crominância Portadora de aúdio Espectro do sinal de áudio (FM) Largura de banda de vídeo nominal 5 MHz f p -0.75 f p f p +0.75 f p +5 f p +5.5 f(mhz) João Pires Redes de Telecomunicações (11/12) 82

Características de Diferentes Sinais Parâmetro Voz (telefonia) Televisão Música (transmissão) Música (gravação) Frequência de amostragem (kamostra/s) 8 4x4430 32 44.1 Codificação não uniforme uniforme uniforme uniforme Dimensão da palavra PCM (bits) 8 8 12 16 Débito Total 64 141760 384 705.6 (kbit/s) (luminância) No caso do sinal de voz (telefonia) usa-se uma codificação logarítmica: lei A com 13 segmentos (Europa) ou lei μ (EUA e Japão) com 15 segmentos. João Pires Redes de Telecomunicações (11/12) 83

Características de Sinais de Vídeo Parâmetro Televisão de alta-definição Televisão digital Videotelefonia Videoconferência Resolução espacial (pixel) 1920 x 1080 720 x 575 360 x 288 180 x 144 Resolução de cor (bit/pixel) 20 16 12 12 Resolução temporal (imagem/s) 25 25 30 15 Débito Total 1036.8 165.6 37.3 4.67 (Mbit/s) Débito comprimido (Mbit/s) 10-20 2-6 0.3-2 0.04-0.3 Na Internet e na televisão usam-se técnicas de compressão baseadas nas normas MPEG2 e MPEG2 da ISO e a nível da vídeoconferência ou da videotelefonia usamse as normas H. 261 e H.263 do ITU. Fonte: Rui Sá, SRT, FCA, p.36, 37 João Pires Redes de Telecomunicações (11/12) 84

Evolução para Super Hi-Vision/Ultra- HDTV Comparação da ultra-hdtv (UHDTV) com outros formatos Fonte: Wikipedia A UHDTV apresenta uma resolução de 7680 4320 pixels, ou seja apresenta uma resolução cerca de 16 vezes superior à HDTV. O débito binário requerido é de 24 Gb/s o qual foi possível ser comprimido para valores entre 180 e 600 Mbit/s. João Pires Redes de Telecomunicações (11/12) 85

Ultra- HDTV Fonte: Wikipedia On September 29, 2010, The BBC and NHK partnered up and recorded The Charlatans live in the UK in the UHDTV format, before broadcasting over the internet to Japan. The ultimate goal is for UHDTV to be available in domestic homes, though the timeframe for this happening varies between 2016 to 2020, mainly based on supported technical reasons concerning storage and broadcast distribution of content. Câmara UHDTV João Pires Redes de Telecomunicações (11/12) 86

Codificadores de Voz Os codificadores de voz dividem-se em codificadores de forma ou onda (temporais) e codificadores de voz (vocoders). Os primeiros baseiam-se no facto de em certos sinais (voz, vídeo) a amplitude da amostra variar pouco de amostra para amostra (forte correlação entre as amostras). Transmite-se a diferença entre as amostras o que requer um número de bits menor. No caso da voz para débitos entre 24 40 kb/s a qualidade é boa, mas degrada-se rapidamente para valores da ordem dos 16 kb/s. Os codificadores de voz baseiam-se na síntese de voz e são usados para débitos baixos (1.2-2.4 kb/s) e a qualidade é fraca. Para débitos entre 6-16 kb/s usam os codificadores híbridos que combinam o melhor dos vocoders e dos codificadores de forma. João Pires Redes de Telecomunicações (11/12) 87

PCM Diferencial No DPCM transmite-se a diferença entre o valor real de uma amostra e uma estimativa dessa amostra, obtida a partir das amostras anteriores. Como essa diferença é inferior ao valor absoluto da amostra, a informação a transmitir é reduzida. Redução do Transmissor DPCM débito binário Sinal analógico s(t) Filtro passa baixo + - Amostragem Integrador Quantificador Descodificador DPCM Codificação de voz: 16/24/32/40 kbit/s Receptor DPCM DPCM Descodificador Integrador Filtro passabaixo sˆ ( t) No DPCM adaptativo (ADPCM) as características do integrador são ajustada ao longo do tempo João Pires Redes de Telecomunicações (11/12) 88

Codificador LPC No codificadores LPC (Linear Predictive Coding) não se transmite o sinal de voz, mas um conjunto da parâmetros que caracterizam o sinal e que permite ao receptor fazer a síntese da voz. Requer a distinção entre sons vozeados (vibração das cordas vocais) e não vozeados(fluxo de ar modelado pelos articulantes). Sons não vozeados Sons vozeados Gerador de ruído branco Gerador de impulsos Filtro que modela o tracto vocal Filtro transversal Sinal de voz sintetizada pseudo-período tipo de voz ganho coeficientes do filtro + Parâmetros codificados enviados pela fonte DOD LPC10 Frequência de amostragem = 8 khz; Comprimento da trama= 180 amostras 22.5 ms Filtro: 42 bits; Pseudo-período e tipo de voz= 7 bits; ganho=5 bits; 54 bits/trama= 2. 4 kb/s João Pires Redes de Telecomunicações (11/12) 89

Qualidade de Diferentes Coders de Voz A qualidade da voz é medida normalmente usado testes subjectivos designados por MOS (mean opinion score). Nestes testes os codificadores de forma têm a classificação máxima e os vocoders os piores resultados Qualidade da voz Excelente Boa Razoável 5 4 3 Codificadores híbridos Codificadores de forma PCM (64 kb/s) 4.2 ADPCM (40 kbit/s) 4.2 ADPCM(32 kbit/s) 4 ADPCM (16 kbit/s) 2 Mediocre 2 Má 1 Codificadores LPC 1 2 4 8 16 32 62 Débito Binário (kb/s) João Pires Redes de Telecomunicações (11/12) 90

Voz sobre IP Na transmissão de voz sobre IP (Internet Protocol) a sinal de voz depois de digitalizado é segmentado em pacotes e transportado como datagramas IP. Como protocolo de nível 4 usa-se o UDP (User Datagrama Protocol), em vez do TCP, já que é mais rápido do que este. Uma das normas mais usadas para o transporte de voz sobre IP/UDP é a recomendação do ITU-T H.323. Esta norma define nomeadamente os codecs de voz a usar, assim como protocolos de sinalização e transferência de informação. Como numa rede IP os pacotes podem ser perdidos, atrasados ou corrompidos, a norma H.323 define o protocolo RTP (Real-time protocol) para aumentar a fiabilidade das transmissão. João Pires Redes de Telecomunicações (11/12) 91

Voz sobre IP (débitos) O protocolo RTP permite que os pacotes cheguem ordenados. Quando os pacotes são perdidos ou sofrem grande atraso, o sinal de voz é interpolado baseado nas amostras anteriores. Usam-se, normalmente na codificação da voz os codecs híbridos, como por exemplo o G. 723.1. Este codec origina um débito de 6.4 kbit/s e apresenta um valor de MOS de 3.9. Será de notar que os cabeçalhos RTP/UDP/IP vão aumentar significativamente aquele valor do débito, originado valores de 17 kbit/s. João Pires Redes de Telecomunicações (11/12) 92

Formação dos Pacotes IP A codificação é feita em tramas. À trama comprimida são adicionados os diferentes cabeçalhos. Voz A/D Amostra Trama comprimida Cabeçalho RTP Cabeçalho UDP Cabeçalho IP Tramas comprimidas RTP UDP IP João Pires Redes de Telecomunicações (11/12) 93