Telekommunikationssysteme

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1 WS 1999 / 2000 Prof. Dr. Claudia Lihoff-Popie M Istitut für Iformatik Ludwig-Maximilias-Uiversität, Müche N TE AM M Prof. Dr. Otto Spaiol Lehrstuhl für Iformatik 4 RWTH Aache Mitarbeiter: (i Müche) Markus Garschhammer Aette Kostelezky Mitarbeiter: (i Aache) Frak Imhoff Axel Küpper Jes Meggers 1

2 Multimedia-Übertragug ~ 20Mbit/s 768 kbit/s 768 kbit/s 8 Mbit/s 8 Mbit/s 256 kbit/s 256 kbit/s Aache 650 km Müche 2

3 Breitbad Wisseschaftsetz Der Verei zur Förderug eies Deutsche Forschugsetzes e.v. (DFN) fördert die Kommuikatio ud de Iformatiosud Dateaustausch i atioale ud iteratioale Netze isbesodere vo Eirichtuge ud Persoe aus Wisseschaft, Forschug, Bildug ud Kultur Breitbad-Wisseschaftsetz (B-WIN) Netzdieste Gateway zu adere Netze (z.b. Iteret) Verbidug zu iteratioale Netze, z.b. i das Europäische Wisseschaftsetz ud i die USA, Russlad oder Chia 3

4 Breitbad-Wisseschaftsetz B-Wi Ablösug X.25 WiN Paketvermitteldes Netz auf der Basis vo ATM Ideal geeiget für Applikatioe mit Echtzeitaforderuge: z.b. Videokoferez, Multimedia Daterate bis zu 622 Mbit/s im Keretz Ausbau zum G-Wi mit 1,2GBit/s ud mehr ab März 2000 (G-WIN icht mehr auf ATM- Basis, soder SDH) Betrieb als Virtual Private Network (VPN) Pauschale Tarifierug (bis auf weiteres) 4

5 Deutsches B-Wi Ui XYZ 34 Mbit/s Ui XYZ 34 Mbit/s 155 Mbit/s Ui XYZ 155 Mbit/s Ui XYZ 34 Mbit/s (i Vorbereitug) B-WiN Kote 155 Mbit/s Verbidug 622 Mbit/s Verbidug Stad: August

6 Verkehr im B-Wi 6

7 Europäisches Wisseschaftsetz 155 Mbit/s 34/45 Mbit/s 10 Mbit/s 2 Mbit/s ach Japa geplat für 1999 Verbidet 16 atioale ud ei regioales (Skadiavie) Wisseschaftsetz Ersetzt seit Dezember 1998 das TEN-34 Netz (TEN-34 = Tras Europea Network 34 Mbit/sec.) Betriebe vo: Delivery of Advaced Network Techology to Europe Ltd., Cambridge 7

8 Nachrichteübertragug Wüscheswert: kurze Sigallaufzeite, geriger Jitter (Jitter = Schwakug der Ede-zu-Ede-Sigallaufzeite) weig Paketverluste hohe Badbreite Ausfallsicherheit gleichmäßige Auslastug der Leitugskapazitäte gerige Ivestitioe gerige Leitugskoste Beutzer Netzbetreiber Uterschiedliche Zielsetzug Problem (uter adere): Routig 8

9 Flußkotrolle i Store-ad-Forward-Netze Iere Kote (IMPs) des Netzes müsse akommede Nachrichte empfage, prüfe, speicher ud weiterleite (route) S-a-F = Store-ad-Forward Wegwahl i Richtug auf de Empfäger (Routig) Routig ka dyamisch oder statisch erfolge IMPs Termials 9

10 Routigverfahre Statisches Routig IMP hat feste Routigtabelle ( Paket ach C via Leitug X sede ) Eifach Routig aufgrud kürzester Wege oder gerigster Belastug möglich Probleme bei Ausfall oder temporärer Überlastug eizeler Strecke Dyamisches Routig Routig i Abhägigkeit vo aktuelle Gegebeheite, z.b.: aktuelle Leitugsbelastug, mometae Paketlaufzeite Zustadsiformatioe eizeler Leituge ud Statioe Hoher Verwaltugsaufwad Kotraproduktive Effekte durch veraltete Statusiformatioe möglich Flexible Reaktio auf Leitugsausfälle (rasches Umleke) Im Prizip: bestmögliche Auslastug erreichbar (aber!). 10

11 Flußkotrollmechaisme Isarithmische (gleichzahlige) Flußkotrolle Gesamtes Netz erhält Credits (Toke) Nachricht darf Netz ur betrete, we ei Credit verfügbar ist Nach Akuft wird Credit wieder freigegebe Globale Überlastug wird verhidert Credits sid machmal a der falscher Stelle (Aalogie: Taxe im Stadtgebiet) Creditverluste sid schwer feststellbar / behebbar lokale Überlastuge sid trotzdem möglich 11

12 Flußkotrollmechaisme Festersteuerug (Widow Mechaism) Verbidug zwische Quelle Q ud Ziel Z erhält maximal W Sederechte W=Festergröße. Nachrichte werde fortlaufed ummeriert (0, 1, 2,..., MODULUS-1, 0,...); (wobei W < Modulus). Seder darf bis zu W fortlaufed ummerierte Nachrichte verschicke, ohe Quittug für die erste erhalte zu habe. Empfäger bestätigt durch Quittuge; Ackowledgemets (ACKs). Seder rückt Fester vor, sobald ACK eitrifft. Nachrichte ud ACKs köe verlore gehe, uerkebar sei oder zu spät komme zu schelle Seder werde gebremst Sede- ud Empfagsgeschwidigkeit werde agepaßt 12

13 Festermechaismus Beispiel für W=5; MODULUS = 8 Quelle Ziel ACK 0 REJ 2 ACK 2 Übertragugsablauf Negative Quittug (NACK): REJ j alles ab j och eimal sede Go-Back-N 13

14 Selective Reject SREJ j ur Nachricht Nr. j wird och eimal gesedet Weiger Wiederholuge, dadurch mehr Durchsatz Höherer Aufwad bei Seder ud Empfäger Nebebediguge REJ ud SREJ darf icht wiederholt werde (für dasselbe Paket), bei ochmaligem Verlust Ei zusätzliches SREJ darf icht gegebe werde, so lage ei altes och i Bearbeitug ist We ei REJ verloregeht oder wiederholt werde müsste, ist eie Timeout-Regelug erforderlich 14

15 Timeout-Eistellug Zu großes Timeout impliziert lages Warte auf Wiederholuge Zu kleies Timeout führt zu Duplikate, we Nachrichte doch och verspätet eitreffe Problem: Bei lage Übertragugsstrecke wird der Seder durch Reject oder Selective Reject sehr oft blockiert Beispiel: Satellitestrecke habe Roudtripzeit vo 0,6 Sekude, d.h. bei W=5 wäre die Strecke weitestgehed leer 15

16 Selective Repeat Lösuge Niedrigere Kapazität pro Leitug Deutlich größeres Fester (z.b. W = 128) Ereutes Problem Go-Back-N führt dazu, daß sehr viele Seduge wiederholt werde Ausweg Selective Repeat (SREPEAT) mit ubegreztem Fester verschickt SREPEAT (j 1,j 2,..., j k ) bis Nachricht j 1-1 ist alles i Ordug Nachrichte j 1 bis j k werde wiederholt Variate: Itervalle korrekt erhalteer Paketummer agebe; fehlede Nummer werde dadurch automatisch eu agefordert. 16

17 Modellierug ud Bewertug 17

18 Modellierug ud Bewertug Reales System Modellierug Aalyse ud Simulatio zu komplex Aussageüber - Verhalte - Wirtschaftlichkeit - Leistugsfähigkeit Abstraktio ggf. Vereifachug Auswahl wichtiger Parameter systematische Utersuchug Verhalte bzgl. der Eigabeparameter Kosequeze? Vergleichede Bewertug Äderuge des Systems Äderug des Modells Vergleich verschiedeer Systeme Optimierugskoflikte 18

19 Modellierug eier virtuelle Verbidug Beispiel: Modellierug ud (vereifachte) Aalyse eier i IMP 0 etstehede ud über N Zwische-IMPs laufede Verbidug. Ohe Berücksichtigug vo Querverkehr. Idee: für die Verbidug werde im IMP eiige Pufferplätze fest reserviert; Aalogie: Hotelreservieruge. Jeder Pufferplatz ka geau ei Paket aufehme (aber Pakete müsse icht gleiche Läge habe). Durch fehlede Pufferplätze ka ei Paket blockiere (vom Nachfolger-IMP icht akzeptiert werde); Seie Übertragug muss da ochmals durchgeführt werde. 19

20 Aahme zur Modellierug Statisches Routig Eie Nachricht wird sooft wiederholt, bis Nachfolger-IMP sie akzeptiert hat Warteschlage des Ausgags-IMPs 0 ist ubegrezt (M 0 ) Pufferplätze eies Zwische-IMPs i sid begrezt auf M i < Der Eigabeprozeß ist ei Poisso-λ-Strom p = Blockierwahrscheilichkeit vo IMP i (abhägig vo der Pufferplatzzahl M i ) M 0 = M N M N µ 0 µ 1 µ N 1 p 1 2 p 2 N p N 20

21 Modellierug Netzleitug L i habe eie Kapazität vo C i Bit/s Kleirocksche Uabhägigkeitsaahme: - Paketabfertigugsdauer i Kote i sei expoetialverteilt mit µ i =µ C i d.h. Paketläge sei expoetialverteilt mit Parameter µ, aber die aktuelle Läge (desselbe Pakets!) werde i jedem Kote eu ausgewürfelt (!). M 0 = M N M N µ 0 µ 1 µ N 1 p 1 2 p 2 N p N 21

22 Rückweisug Blockierwahrscheilichkeit am Kote i ist p i Blockade am Kote +1 seie uabhägig voeiader ud erfolge mit Wahrscheilichkeit p +1 µ λ +1 µ +1 λ +1 p +1 Eie Nachricht, die k-mal im Kote +1 zurückgewiese wird, belastet Kote (k+1)-mal Abfertigugszeit i Statio mit W keit p k +1 (1-p +1 )gleichder Summe vo k+1 expoetialverteilte Wartezeite d.h. Erlag-(k+1)-verteilt: E k+1 (t) 22

23 Verteilug der Gesamtabfertigugszeit Die mittlere Gesamtabfertigugszeit i Statio ist damit ach dem Auflöse der Abhägigkeit vo der Azahl der Blockieruge k: H ( t) = = k 0 p (1 1 p + 1) E + 1( t) k k + t 0 Auflöse Verteilugsfuktio eier Expoetialverteilug mit Parameter υ :=µ (1-p +1 ) 23

24 Aküfte Akuftsrate a Statio : Neuaküfte ( Rate λ; d.h. im Mittel λ Aküfte pro Zeiteiheit) Wiederholuge bedigt durch Blockierug der Nachfolgerstatio. Mit Wahrscheilichkeit p i (1-p ) wird eie Nachricht a Statio geau i-mal blockiert λ = λ = λ [ ] 0 1 i 1 1 p (1 p ) + 2 p (1 p ) i p (1 p ) +... p 1 p 1 = λ 1 p

25 Äquivaletes System Äquivaletes System ohe Blockieruge (feedbackfreies System) +1 µ -1 µ ν p +1 p Äquivaletes System Aahme: A Statio liege ei Poissostrom a Rückführuge wg. Blockieruge verletze Poissoeigeschaft Deoch: Äquivalete Statio wird (vereifacht) als M/M/1/M -System aufgefasst 25

26 Kedall-Notatio M/M/1/M -System Expoetialverteilte Zwischeakuftszeit Expoetialverteilte Bediezeite Azahl der Bedieeiheite Azahl der Warteplätze Beispiele für Verteiluge vo Akufts- bzw. Bedieprozesse: M D G C k H k E k Expoetialverteilug Determiistische Verteilug Allgemeie Verteilug Cox-Verteilug Hyperexpoetialverteilug Erlagverteilug 26

27 Auslastug Es gilt: P 1 ρ k ( k) = ρ M ρ Wahrscheilichkeit, daß k Nachrichte im Kote warte Dabei ist ρ (die Auslastug vo Kote ) gegebe durch ρ = λ υ = λ µ ( 1 p ) ( 1 p )

28 Mittlere Systemzeit Die Blockierwahrscheilichkeit p ist gleich der Wahrscheilichkeit, dass alle Warteplätze i Statio belegt sid: p = P ( M ) = ρ = λ, p, p, µ, M ) M 1 ρ 1 ρ M + 1 f( + 1 Diese Gleichug ist rückwärts vo N ach 1 umerisch auflösbar, weil p N+1 =0 Die mittlere Systemzeit eier Nachricht im Kote ergibt sich ach: Little s Result M N 1 T = = k P = λ λ k= 0 ( k) 1,..., N 28

29 Gesamtsystemzeit Soderfall: Statio 0 hat ubegrezte Pufferzahl (M/M/1-System) T 0 = υ 0 1 λ = ( 1 p ) µ 0 λ 1 1 Gesamtsystemzeit (Ede-zu-Ede) beträgt demach im Mittel: T = N i= 0 T i 29

30 Sprachübertragug als Awedug des Breitbad-Wisseschaftsetz 30

31 Sprachübertragug im B-WiN Ziel: Flexible ud effiziete Sprachübertragug ohe Beutzug des öffetliche Telefoetzes für alle DFN-Teilehmer Teilehmer: I eiem erste Pilotprojekt die RWTH Aache ud die Uis Düsseldorf, Köl, Müster Techologie: Eirichtug eies Sprachdiests über das Breitbad- Wisseschaftsetz auf Basis vo ATM Probleme: Uterschiedliche Telefosysteme bei de Teilehmer Abrechug mit aktueller Hard- ud Software icht möglich wege uterschiedlicher Gebühreimpulse 31

32 Sprachübertragug im B-WiN Utersuchug zur Skalierbarkeit, zum Maagemet ud zur Operabilität der implemetierte Techologie mit eiige huderttaused Edgeräte. Utersuchug der Iteroperabilität ud Effiziez der ATM-Übertragug uter Verwedug vo uterschiedliche ATM-Switche ud dere Effiziez. Verbidet mehrere heterogee TK-Systeme uter Beutzug verschiedeer Sigalisierugsprotokolle. Utersuchug der Beutzbarkeit vo Techike zur Datereduktio ud Kompressiostechike. Implemetierug vo Least-Cost-Routig, Tests vo Backup-Fuktioe, Etwicklug vo Software ud Absicherugsmechaisme. 32

33 Netztopologie Ui Köl Siemes Hicom PBX Public ISDN CISCO IGX-16 CISCO IGX-16 Public ISDN PBX Philips Sopho Bosch Teleorma PBX Public ISDN CISCO IGX-16 ESS RWTH-AC CSS Köl CSS Ui Dortmud CSS Ui MS Ui Müster RWTH Aache CISCO LS1010 ATM LAN Ui Düsseldorf CSS ESS PBX Customer Service Switch Ed-User Service Switch Private Brach Exchage CISCO VNS Etheret VNS SUN Ultra 1 Public ISDN CISCO IGX-16 PBX Siemes Hicom 33

34 Uicast vs. Multicast 34

35 Uicast vs. Multicast Bisher Uicast: Ede-zu-Ede-Übertragug 1. Übertragug Uicast Seder Aber, falls es mehrere Empfäger gibt: 2. Übertragug Mehrere Übertraguge müsse acheiader erfolge. R Mehrfachbelastug des Übertragugswegs durch dieselbe Nachricht. Empfäger Ieffiziete Nutzug vo Zeite ud Kapazitäte. R Lösug: Multicast bzw. Broadcast Empfäger 35

36 IP-Multicast Multicast Sedug a > 1 ausgewählte Statioe Broadcast R Seder Probleme: Uterstützug vo Multicast ist icht für alle Geräte zwiged vorgeschriebe (siehe RFC 1112) effiziete Adressierug R Seder R Empfäger Empfäger Empfäger Sedug a alle Statioe (im Subetz) R Empfäger Empfäger Empfäger 36

37 IP Adresse IP-Adr. Klasse 32 Bits Broadcast-Klasse A,B Netzwerk Subetz ÿÿÿÿÿÿÿÿ Subet-Directed-Broadcast A,B,C Netzwerk ÿÿÿÿÿÿÿÿ ÿÿÿÿÿÿÿÿ All Subet-Directed-Broadcast A,B,C Netzwerk ÿÿÿÿÿÿÿÿ Directed-Broadcast D 1110 Multicast-Adresse Multicast E Reserviert für zuküftige Nutzug ÿÿÿÿÿÿÿÿ ÿÿÿÿÿÿÿÿ ÿÿÿÿÿÿÿÿ ÿÿÿÿÿÿÿÿ Limited Broadcast (a eigees Netz) Adresse

38 IP-Multicast ud Router Regel für das Routig vo Broadcasts: Ei Broadcast darf ie auf das Netz gesedet werde, vo dem der Broadcast empfage wurde (würde zu Broadcast storm führe). Kei Broadcast-Routig, we der Empfäger im lokale Netz sitzt (de i diesem Fall erreicht jede Nachricht sowieso alle Empfäger). Ei Broadcast a alle icht-lokale Empfäger wird durch de Routig- Mechaismus zum ächste Router vermittelt. Beispiel: We Recher mit IP-Adresse ei Broadcast a alle lokale Netzkote versede will, verwedet er die Adresse Für ei Broadcast is RWTH-Netz verwedet er die Adresse Für ei Broadcast ach Iformatik 4: Adresse

39 Host-Gruppeadresse Multicastadresse: Vo bis eiige davo durch RFC 1112 für adere Zwecke reserviert (z.b alle Gateways im Subet) Voraussetzug für Multicast: Stadard-IP-Protokoll um Fuktioe des Iteret- Group-Maagemet-Protocol (IGMP) erweiter IP Host Group Model (RFC 1112): Ei Host ka jederzeit i eie Gruppe aufgeomme werde oder sie verlasse. Ei Host ka mehrere Gruppe agehöre (mehrfache Mitgliedschaft). Keie Beschräkug der Positioierug eies Hosts. Ei Host muß icht Gruppemitglied sei, um sede zu köe. Eie Gruppe ka aus beliebig viele Hosts bestehe. 39

40 Iteret Group Maagemet Protocol Kommuikatio Zwische Host ud Router i eiem lokale Netz Iteret Group Maagemet Protocol (IGMP) RFC-1112 Afrageachrichte Router sede Afrage, um herauszufide, welche Gruppe im betreffede LAN Mitglieder habe Reports Fuktioe Hosts atworte mit Report- Nachrichte; diese ethalte die Adresse der Gruppe, a dee sie beteiligt sid 40

41 Distace Vector Multicast Routig Protocol Distace Vector Routig-Verfahre Distace Vector Multicast Routig Protocol (DVMRP) (RFC 1075) Reverse Path Forwardig (RPF) Eigee Multicast Routig Tabelle (icht otwedigerweise idetisch mit Uicast-Routig-Tabelle Implemetierug verfügbar als Public-Domai Software mrouted mrouted ist derzeit populärste Multicast-Protokoll- Implemetierug 41

42 Multicast Cotrol Path R R R R R R Host Router R R IGMP-Nachrichte (Query Report) Routig-Iformatio (DVMRP, PIM) 42

43 Multicast Data Path & Pruig Seder R R R Midestes ei Teilehmer R R Kürzeste Wege fide Pruig Messages (scheide icht beötigte Äste weg) R R Hier keie Teilehmer 43

44 Multicast Tuel Problem: Nicht alle Router sid multicastfähig Lösug: IP-Tuelig Iteret R R 44

45 Multicast Backboe Gester Multicast-Backboe (Mboe) Globales Netzwerk mit mitmulticast-techologie erste ersteexperimete (Übertragug eier eierietf-koferez) Heute Komplexes Multicast Routig Netzwerk Implemetierug vo vomehr-parteie-kofereze, Semiare oder odervorlesuge Beutzt für fürübertragug großer großerdatemege Morge Ede Ededer derexperimetierphase, Eisatz Eisatzals alsechter echterdiest Multicast-Routig durch durch richtige Router statt stattdurch durchkofigurierte UNIX-Workstatios Soll Sollii Jahre Jahreei eizetraler Service im imiteret werde. 45

46 Mboe Services Bewegtbild-Übertragug Bildtelefo Breitbadvideokoferez Videoüberwachug Call Services Ferlehrgäge Zugriff auf Datebake Nachrichteaustausch Video Mail Übermittlug vo Dokumete Austausch vo Programme zwische Studios Datekommuikatio LAN Aschlüsse CAD/CAM Aschlüsse Bildübertragug Breitbadige Iformatiosdieste Video O Demad Breitbaddieste (Radio, Fersehe) Elektroische Zeitug 46

47 Ausblick Wechselseitige Übertragug vo Verastaltuge i Hörsäle Wohheime Wohuge IP-Tuelig Multicast Iteret (Broadcast) Multicast Multicast 47

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