Berner Fachhochschule Telekomm.-Syst. Hochschule für Technik und Informatik HTI u. Breitbandnetze Fachbereich Elektro- und Kommunikationstechnik Praktikum ATM1+2 1 Ziele des Praktikums Sie vertiefen Ihre ATM-Kenntnisse. Praktikum ATM 1+2 Sie arbeiten mit der Übertragung von sowohl synchronen, als auch asynchronen Daten über das ATM-Labornetzwerk. Sie untersuchen virtuelle Kanäle und deren Inhalt auf einer ATM-Strecke. Sie sehen den Bandbreitengewinn dank dynamischer Multiplexierung von ATM. Sie erleben praktische Folgen für die Anwendungen, wenn eine ATM-Strecke überlastet wird. Sie untersuchen messtechnische Auswirkungen bei einer überlasteten ATM-Strecke. 2 Zusammenfassung Mit dem ATM-Labornetzwerk steht ihnen ein automomes kleines ATM-Netzwerk zur Verfügung. Sie arbeiten mit einer synchronen Übertragung des E1-Signals eines Primärmultiplexers und mit der asynchronen Übertragung von Videosignalen mit variabler Bitrate zwischen zwei PC. Sie untersuchen einzelne Zeitschlitze des E1-Signals in den ATM-Zellen von virtuellen Kanälen und den AAL-1 Overhead. Durch künstliche Begrenzung einer ATM-Strecke können Sie die Auswirkung einer überlasteten Strecke auf einen Telefonkanal hören. Mit der Übertragung von Videosignalen variabler Bitrate zwischen zwei PC über das ATM-Netzwerk stellen Sie den Bandbreitengewinn der dynamischen Multiplexierung von ATM fest. Durch Überlasten der ATM-Strecke messen Sie die Auswirkungen auf die Zelllaufzeiten (CTD, Cell Transfer Delay) und die Zelllaufzeitschwankungen (CDV, Cell Delay Variation). Zum Schluss können Sie noch die Auswirkung des CLP-Bit (Cell Loss Priority) betrachten und eigene Messanordnungen aufbauen. 3 Praktikumsaufbau 3.1 Ablauf Dieses Praktikum beinhaltet zwei Halbtage (ATM1+2) und bildet ein Ganzes. Am ersten Halbtag sollten Sie zeitlich mindestens bis und mit Aufgabe 4.1.5 kommen und maximal bis und mit Aufgabe 4.2.1. Die letzte Aufgabe (4.3.6) am Ende des zweiten Halbtages ist als Zusatzaufgabe gedacht, die Sie lösen können, falls Ihnen genügend Zeit bleibt. 3.2 Sicherheit Bei diesem Praktikum wird mit Lichtwellenleitern und Lasersendern gearbeitet. Obwohl diese im nicht sichtbaren Lichtbereich funktionieren (1300nm), können sie auf der Netzhaut irreversible Schäden verursachen. Schauen Sie deshalb nie direkt in einen Lichtwellenleiter oder in einen optischen Verbinder!
- 2 - Die Messgeräte haben eine zu grosse optische Leistung für die ATM-Knoten. Schliessen Sie deshalb die Lichtwellenleiter immer über die 6dB-Dämpfungsglieder an die optischen Ausgänge der Messgeräte an. 3.3 Messgeräte Die beiden wichtigsten Messgeräte für dieses Praktikum sind der Layer 1 Analyzer ANT-20 (Acterna) und der Protocol Analyzer HP Internet Advisor (HP IA). Entscheidende Bedienschritte sind bei den einzelnen Aufgaben beschrieben. Um Ihnen den Einstieg zu erleichtern, liegt eine kurze Bedienungsübersicht zu diesen Geräten separat auf. 3.4 Übersicht In diesem Praktikum bauen Sie zum Teil recht komplexe Verbindungen auf. Diese sind bei den einzelnen Aufgaben beschrieben und skizziert. 4 Aufgaben 4.1 Synchrone Realtime Verbindung Nehmen Sie das folgende Netzwerk in Betrieb. UMUX 1300 Port 1 0/0/3 0/0/3 Port 2 ATM-Knoten A Abbildung 1: Sprechverbindung über ATM HP IA ATM-Knoten B Alles ist bereits konfiguriert und verkabelt, ausser dem HP IA, den Sie noch zwischen den ATM-Knoten einbauen müssen. Nehmen Sie zuerst den HP IA in Betrieb (Einlog-Fenster ESC) mit Start / Internet Advisor / ATM Analysis / ATM Demo Configuration / Monitor. Schalten Sie dann die Netzspeisung der beiden ATM- Knoten ein und warten Sie, bis bei den Knoten die 3 Anzeigen Status, Fan, PS0 grün sind. (Dies kann mehrere Minuten dauern.) Danach schalten Sie die Netzspeisung des UMUX ein und warten, bis alle roten LED erlöscht sind. Nun ist das ganze System betriebsbereit. Wird der Telefonhörer abgehoben, läutet es beim anderen Telefon und Sie können sprechen. 4.1.1 Virtuelle Kanäle (VC) Welche virtuellen Kanäle (VC) laufen zwischen den beiden ATM-Knoten? Dies können Sie mit dem Discover-Menü des HP IA, nach Drücken des Start-Knopfs, bequem herausfinden. 4.1.2 Bruttobitrate der VC Betrachten Sie mit dem HP IA die Bruttobitrate der VC (ganze ATM-Zelle) mit Inst Thru kbps. versuchen Sie damit herauszufinden, was in den einzelnen VC übertragen wird.
- 3 - Weshalb hat das Auflegen des Telefons keinen Einfluss auf die Bruttobitrate des entsprechenden VC? 4.1.3 AAL-1 Overhead Mit dem Decode-Menü des HP IA können Sie von den ATM-Zellen den Overhead analysieren und jedes Bit der Zelle anschauen. Wählen Sie mit Filter / Setup den VC 0.101 aus. Mit dem Start-Knopf beginnt die Messung, und mit dem Freeze-Kopf können Sie für eine Zeitspanne die Zellen abspeichern, um sie genauer anzuschauen. Kontrollieren Sie, ob die Sequence Number (SN) im Zellkopf kontinuierlich aufsteigend ist. Fehlen Zellen? In jeder wie vielten Zelle hat es einen Structure Pointer? Verifizieren Sie die Aussage des HP IA mit Hilfe des CSI-Bit. 4.1.4 Zeitschlitze in den Zellen erkennen Das Messgerät ANT-20 (Acterna) benötigen Sie im ersten Halbtag von diesem Praktikum ATM1+2 nur bei dieser Aufgabe. Falls Sie bei den parallelen Praktika noch nicht mit diesem Gerät gearbeitet haben, lassen Sie sich von Ihren Kollegen oder vom Betreuer helfen, um die unten angegebene Konfiguration einzustellen. Schliessen Sie bei einem E1-Eingang des ATM-Knotens A den ANT-20 an (Ausgang 15), an Stelle des UMUX, und generieren Sie mit dem ANT-20 Zeitschlitze mit bekanntem Bitmuster, so dass Sie diese Bitmuster in den ATM-Zellen auf dem HP IA wieder erkennen können. Die Bitmuster können Sie beim ANT-20 folgendermassen setzen: (Das virtuelle Instrument Signal Structure selektionieren: Instruments / Add & Remove...) Im Fenster Signal Structure : Edith / Signal Structure... / Tx / ITU-T / Normal / Electric. / 2M / 64k / 2M Framing = PCM31 / Testpattern = DW / DW Set... / yyyy / OK. (yyyy sind gewünschte 0 und 1 im Zeitschlitz). Den Zeitschlitz im E1-Signal bestimmen Sie, indem Sie im Fenster Signal Structure auf den Block 64k/2M klicken, dann 1x64k und den Zeitschlitz angeben. Abbildung 2: Konfiguration des ANT-20 (Rx-Teil ist hier unbedeutend) Der Zeitschlitz 2 wird in den VC 0.102 und 0.103 übertragen. Wie müssen diese Zellen aussehen? Tun sie dies in der HP IA Anzeige? Im VC 0.100 und 0.101 werden 3 Zeitschlitze übertragen. Versuchen Sie herauszufinden welche. 4.1.5 Engpass des Übertragungskanals Mit Hilfe des Pacing-Befehls kann die Übertragungskapazität der Schnittstellen der ATM-Knoten künstlich begrenzt werden. Damit können Kapazitätsengpässe der Übertragungsleitungen simuliert werden. Welche Übertragungskapazität benötigt die betrachtete Verbindung zwischen den beiden ATM-Knoten? Beschränken Sie die Übertragungskapazität der optischen Verbindung zwischen ATM-Knoten B und A mit dem Pacing-Befehl. Dazu geben Sie mit dem Terminal des Knotens B folgende Befehle ein:
- 4 - Enter SwitchB>enable SwitchB#configure terminal SwitchB(config)#interface atm 0/0/3 SwitchB(config-if)#atm pacing yyy (yyy ist Wert in kbit/s) Nun können Sie den yyy-wert jeweils direkt mit seiner Befehlszeile verändern. Mit dem Befehl no atm pacing heben Sie die künstliche Begrenzung auf. Spielen Sie mit Übertragungsraten um das benötigte Maximum, und hören Sie die Auswirkungen, indem Sie gleichzeitig in ein Telefon sprechen und im anderen hören. Was für Phänomene treten auf? Wie erklären Sie sich unterschiedlichen Verzögerungen? Machen diese für eine Realtime-Übertragung Sinn? 4.2 Asynchrone PC-Verbindung Nehmen Sie das folgende Netzwerk in Betrieb. PC Alpha Port 1 0/0/3 0/0/3 Port 2 PC Beta ATM-Knoten A Abbildung 3: PC-Verbindung über ATM HP IA ATM-Knoten B Falls Sie vom vorhergehenden Versuch ausgehen, schalten Sie den UMUX aus und heben beim ATM- Knoten das Pacing auf. Falls nicht der vorangehende Versuch aufgebaut ist, schliessen Sie den HP IA zwischen den ATM- Knoten an. Dann nehmen Sie zuerst den HP IA in Betrieb (Einlog-Fenster ESC) mit Start / Internet Advisor / ATM Analysis / ATM Demo Configuration / Monitor. Schalten Sie dann die Netzspeisung der beiden ATM-Knoten ein und warten Sie, bis bei den Knoten die 3 Anzeigen Status, Fan, PS0 grün sind. (Dies kann einige Minuten dauern.) Nun fahren Sie die beiden PC Alpha und Beta hoch (einloggen als Workstation mit Login Praktikum und Passwort Tiergarten ). Auf dem PC Alpha können nun mehrere gleiche Videosequenzen gestartet werden, die von der Harddisc von PC Beta abgespielt werden und so über das ATM-Netzwerk übertragen werden. Die Videosequenzen erzeugen eine variable Bitrate, je nach momentanem Bildverlauf. Sie können beim PC Alpha gestartet werden mit Netzwerkumgebung / Beta / Cisco / Anwendungen / AVI Mustersequenzen. Im Menu Discover des HP IA sind, nach dem Drücken des Start-Knopfs, die virtuellen Kanäle der Verbindung ersichtlich. Durch Klicken auf seinen VPI.VCI kann ein virtueller Kanal ausgewählt und seine Messwerte angezeit werden. 4.2.1 Grundauslastung Betrachten Sie mit dem HP IA im Menu Vitals die Gesamtauslastung der Ports. Weshalb ist diese nicht Null, wenn Sie noch keine Videosequenzen übertragen? Rechnen Sie den angezeigten Wert Avg Util nach, aus den angezeigten Anzahl Zellen. Rechnen Sie den angezeigten Wert Avg Util nach, aus der bereits früher berechneten Gesamtbitrate der PVC der synchronen Realtime Verbindungen (578kBit/s).
- 5-4.2.2 Dynamische Multiplexierung Es soll gezeigt werden, dass dank dynamischer Multiplexierung insgesamt eine kleinere Bitrate erforderlich ist, als bei starrem Zeitmultiplex. Starten Sie bei PC Alpha eine Videosequenz, die von PC Beta über die ATM-Verbindung übertragen wird. Notieren Sie (mit dem HP IA gemessen) die mittlere und maximale Bitrate dieser Übertragung. Starten Sie nun 2 weitere Videosequenzen und notieren Sie jeweils die neuen Werte der mittleren und maximalen Bitrate. Welche Bitrate müsste bei starrem Zeitmultiplex für alle 3 Verbindungen gewählt werden, und mit welcher kommt man nun bei der vorhandenen dynamischen Multiplexierung aus? Verifizieren Sie Ihre Überlegungen, indem Sie die optische Verbindung zwischen den beiden ATM- Knoten künstlich in der Bitrate begrenzen (Pacing, wie bei der Aufgabe Engpass des Übertragungskanals ). Berücksichtigen Sie bei Ihren Überlegungen, dass über die gleiche Leitung noch die 578kBit/s der PVC (synchrone Realtime-Verbindungen der vorhergehenden Versuche) laufen. 4.3 Netzbelastung 4.3.1 Messaufbau Zelllaufzeiten Um messen zu können, wie eine Verbindung durch das Netz bedient wird, schliessen Sie den ANT-20 als sendender und als empfangender Teilnehmer an. Zwischen den Ports 0/0/2 der ATM-Knoten ist dazu für den ANT-20 ein permanenter virtueller Kanal (VPI.VCI = 1.200) konfiguriert. (Videosequenzen PC Alpha stoppen, aber PC s noch nicht ausschalten, da sie noch verwendet werden. Pacing aufheben.) ATM-Knoten A ATM-Knoten B 0/0/2 0/0/3 0/0/3 0/0/2 18 17 ANT-20 Abbildung 4: PVC des ANT-20 über das ATM Netzwerk (Die durch den ANT-20 nicht belegten Tx, Rx der Knoten-Schnittstellen 0/0/2 müssen durch ein Kabel verbunden werden, damit die Knoten nicht auf Grund der Fehlermeldung das Signal nicht senden.) Generieren Sie mit dem ANT-20 eine optische STM-1 Verbindung mit dem virtuellen Kanal VPI.VCI = 1.200, in dem Testzellen gesendet werden. Dazu müssen beim ANT-20 folgende Einstellungen gemacht werden: Zusätzlich benötigte virtuelle Instrumente: ATM Signal Structure, ATM Traffic Analyzer. Im Fenster Signal Structure : Edith / Signal Structure... / Tx / ITU-T / Normal / Optical / STM1 / AU4 / VC4 / ATM / TX RX / OK. Im Fenster ATM Signal Structure : Edit ATM Structure / TX / AAL1 / Testcell / Cell Transfer Delay / TX RX / OK. Dann wieder im Fenster ATM Signal Structure : Channel / Set Channel / TX : UNI / VPI = 1 / VCI = 200 / GFC = PT = CLP = 0 / RX : VPI = 1 / VCI = 200 / OK.
- 6 - Abbildung 5: Konfiguration des ANT-20 Kontrollieren Sie, ob alles funktioniert, indem Sie die optische Schnittstelle des ANT-20 (Ausgang 18, Eingang 17) kurzschliessen. Messen Sie dabei mit dem virtuellen Instrument ATM Traffic Analyzer und dem Knopf CDV den Mean CTD (Cell Transfer Delay; Zelllaufzeit) und die 2-point-CDV pp (Cell Delay Variation; Zelllaufzeitschwankung). Kontrollieren Sie vorher, dass im Instrument ATM Traffic Analyser unter Settings / Cell Transfer Delay / Class Width = 41.94ms ist. Zum Start der Messung muss im Fenster ANT-20 auf den grünen Knopf gedrückt werden ( Running) und im Fenster ATM Signal Structure der ON-Knopf gedrück sein. Schliessen Sie nun die Verbindung des ANT-20 über das ATM Labor Netzwerk an und messen Sie die beiden Grössen. Die angezeigten Messgrössen entsprechen gerade der eingestellten Cell Transfer Delay Class Width (was die kleinste messbare Einheit ist). Die tatsächlichen Werte sind also besser. Nun können Sie mit der aufgebauten Messung die folgenden Aufgaben anpacken. 4.3.2 Zellaufzeiten mit Überlast und Telefonverbindung Stellen Sie beim ANT-20 im Fenster ATM Signal Structure eine Last (Load) von 0.1% ein. (Falls nicht auf diesen Wert eingestellt werden kann, muss im Fenster ATM Signal Structure, bei ausgeschaltetem ON-Kopf, im Menu-Punkt Load auf Medium Range umgeschaltet werden.) Schalten Sie zusätzlich den UMUX ein und warten Sie, bis alle seine LED erlöscht sind. Begrenzen Sie die Leitung zwischen den ATM-Knoten auf 2600 kbit/s (Pacing, wie bei der Aufgabe Engpass des Übertragungskanals ). Steigern Sie nun beim ANT-20 langsam die Last, bis die LED des UMUX anfangen zu flackern und die gemessenen CTD-Werte grösser werden. Betrachten Sie den Verlauf der CTD-Werte auf der Grafik des ATM Traffic Analyzers (View / Cell Transfer Delay). Begründen Sie die Messergebnisse. Vergleichen Sie die jeweils gemessenen CTD-Werte mit der über die Telefonverbindung hörbaren Verzögerung. 4.3.3 Zelllaufzeitschwankungen Untersuchen Sie, wie sich dynamische Bitraten von Teilnehmern auf die Schwankung der Zelllaufzeiten auswirken. Dazu schalten Sie den UMUX aus und heben das Pacing auf. Starten Sie dann, wie bereits durchgeführt, 10 Videosequenzen bei PC Alpha von der Harddisc von PC Beta aus (nicht alle mit dem gleichen Klick starten, damit Datenspitzen besser verteilt sind), so dass diese Videosequenzen über die optische Leitung zwischen den beiden ATM-Knoten übertragen werden.
- 7 - Stellen Sie beim ANT-20 den ATM Traffic Analyzer auf Settings / Cell Transfer Delay / Class Width = 81.92μs. Belasten Sie die Verbindung zusätzlich mit Testzellen des ANT-20. Messen Sie die CTD und CDV für eine Testzellenlast (Load) von 1%. Steigern Sie die Last und betrachten Sie die Auswirkung auf die grafische Auswertung der CTD und CDV. Ab welchen Daten beginnen die Videosequenzen zu rucken, und was stellen Sie dann bei der grafischen Auswertung der CTD fest, und woher kommt der Zusammenhang? Wenn Sie eine feinere Stufung, als die Load % möchten, können Sie auch mehr oder weniger einzelne Movies starten. 4.3.4 Auswirkung des CLP-Bit Stoppen Sie alle Movies und schalten Sie wieder den UMUX ein. Stellen Sie beim ANT-20 die Testzellen auf volle Last (Load). Wie verhalten sich nun die Alarm-LED des UMUX und weshalb? Was können Sie an den Testzellen ändern, so dass auch bei voller Last, die LED des UMUX erlöschen? Kontrollieren Sie, ob es funktioniert. 4.3.5 Zusatzaufgabe (falls genügend Zeit): Eigene Messanordnungen Überlegen Sie sich Messanordnungen, um damit eigene Fragestellungen, Vermutungen oder Folgerungen zu verifizieren, und führen Sie die entsprechenden Messungen durch. 5 Materialliste ATM-Labornetzwerk Protocol Analyzer HP Internet Advisor (mit STM-1 Einschub und serieller Maus) MA 250-1 Layer1 Analyzer ANT-20 (Acterna) MA 237-1 7 Lichtwellenleiterkabel (Multimode) 2 optische Dämpfungsglieder 6dB Bedienungsübersicht Messgeräte