Oberseminar: Multimediale Kommunikation Thema: Quality of Service, Class of Service

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Oberseminar: Multimediale Kommunikation Thema: Quality of Service, Class of Service Mike Bendler, Marius Herrmann

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Mike Bendler, Marius Herrmann. Oberseminar: Multimediale Kommunikation Thema: Quality of Service, Class of Service. Geschichte des Ethernet. Ethernet = verbindungsloses Kommunikationsprotokoll in Computernetzwerken, basierend auf Paketvermittlung - PowerPoint PPT Presentation

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Oberseminar: Multimediale Kommunikation

Thema: Quality of Service, Class of Service

Mike Bendler, Marius Herrmann

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Geschichte des Ethernet

Ethernet = verbindungsloses Kommunikationsprotokoll in Computernetzwerken, basierend auf Paketvermittlung

Ethernet abgeleitet vom ALOHAnet, welches von der Universität von Hawaii in den 1960er Jahren entwickelt wurde

1976 veröffentlichte Dr. Robert Metcalfe mit David Boggs den Vortrag „Ethernet: Distributed Packet Switching for Local Computer Networks“

1979 verließ Dr. R. Metcalfe das Xerox Palo Alto Research Center und gründete die Firma 3Com; dort konnte er Xerox, Intel und DEC davon überzeugen, Ethernet zum Standard in LANs zu machen

Diese Standardisierungsbemühungen mündeten schließlich im IEEE802.3 Standard, der 1985 verabschiedet wurde und die wesentlichen technischen Merkmale des 10Mbit/s Ethernet beinhaltete (MAC, PLS, AUI, 10Base5).

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Entwicklung des Ethernet

Diese Skizze fertigte Dr. R. Metcalfe an, um das Ethernet 1976 auf der „National Computer Conference“ zu präsentieren.

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Funktionsweise des Ethernet

Dem Ethernet liegt die Idee zugrunde, dass alle Netzwerkteilnehmer ein gemeinsames Medium benutzen, um ihre Daten miteinander auszutauschen. Shared Medium LAN

Laut IEEE802.3 Standard sind als Übertragungsmedien Koaxialkabel, Twisted Pair Kabel sowie Lichtwellenleiter verwendbar.

Jeder Netzwerkadapter hat eine global eindeutige 48-Bit-Adresse, die als MAC-Adresse bezeichnet wird.

Der Zugriff auf das Übertragungsmedium wird durch den CSMA/CD-Algorithmus geregelt. Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection

Bedingt durch das CSMA/CD-Verfahren ist die Paketlänge im Ethernet auf mindestens 64 Byte festgelegt.

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Ethernet-Frame

Preamble = dient zur Synchronisation der Netzwerkgeräte SFD = Start Frame Delimiter; zeigt Beginn des eigentlichen Frame an Dest.-Addr. = die 48-Bit-Adresse des Empfängers Source-Addr. = die 48-Bit-Adresse des Senders Type = gibt Auskunft über das verwendete Protokoll der 3. Schicht Daten = enthält die Nutzdaten, ggf. aufgefüllt auf 64 Byte Länge FCS = Frame Check Sequence; 32-Bit-CRC-Prüfsumme Inter Frame Gap = Pausezeit zwischen zwei Ethernet-Frames

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Geschichte ATM

ATM = Asynchronous Transfer Mode Standardisierungsgremien ITU (International Telecommunication

Union) insbesondere ITU-T (ITU - Telecommunication Standardization Bureau)

1986 ITU-T verabschiedet den Standard für B-ISDN. 1989 ITU-T einigt sich auf ein Zellformat (53 Bytes) ATM-Forum wurde 1991 von Telekommunikations- und

Netzwerkunternehmen gegründet, u.a. Cisco, Net/Adaptive, Northern Telecom, US Sprint

Aufgaben: Forcierung der Entwicklung und Einführung der ATM-Technologie am Markt

1993 erste Verabschiedungen zum ATM-Standard der ITU-T

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ATM-Technologie

Das Anwachsen der Rechenleistung und Speicherkapazität von Arbeitsplatz- und Privatrechnern sowie die fortschreitende weltweite Vernetzung führte dazu, dass auch die Anforderungen an die Netzwerktechnologien stiegen.

Insbesondere die Übertragung von Multimedia Daten (Audio und Video auch in Echtzeit)

ATM-Modell drei Dimensionen: Management Plane (Netzwerkmanagement) Control Plane (Signalisierung, Traffic Management) User Plane

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ATM-Referenzwürfel

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ATM-Technologie (Schichten)

Physical Layer Stellt Funktionen zum Transport auf Medium bereit. Benutzbare Medien sind Twisted Pair sowie Monomode als auch

Multimode Lichtwellen Leiter ) ATM Layer

ATM spezifischer Zelltransport Zeitmultiplexing (ATD-Multimplexing)

Adaption Layer Dienstspezifische Anpassung an ATM-Schicht Verschiedene AAL (ATM-Adaption Layer) Typen

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ATM-Zelle

ATM-Zelle: GFC – Steuerung der Zelleneingliederung in den Datenstrom VPI / VCI – Kennung der Zieladressen; Routing der Zellen in den Knoten PLT – Art der Daten (z.B. Benutzerdaten, Wartungsinformationen etc.) CLP – Angabe, ob Zelle bei Überlastung gelöscht werden darf HEC – Korrektheit des Headers prüfen, vom Physical Layer berechnet

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Dienstgüteklassen ATM

CoS (Class of Service): Klasse A - realisiert Übertragungsvorgänge mit konstanter

Bitrate (CBR), die einer Leitungsvermittlung entsprechen und z.B. bei unkomprimierter Videoübertragung auftreten.

Klasse B - dient für die Übertragung mit variabler Bitrate (VBR), etwa bei komprimiertem Audio und Video.

Klasse C - ermöglicht verbindungsorientierte Datenübertragung

Klasse D - die verbindungslose Datenübertragung (ABR und UBR). ABR...Average Bit Rate; UBR...Unspecified Bit Rate

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AAL Typen

Eigenschaft AAL Typ 1 AAL Typ 2 AAL Typ 3 AAL Typ 4 AAL Typ 5

Synchronisation ja ja nein nein nein

Bitratekonstant(CBR)

variabel(VBR)

variabel(ABR/UBR)

variabel(ABR/UBR)

variabel(ABR/UBR)

Übertragungs-verbindungsmodus

verbindungs-orientiert

verbindungs-orientiert

verbindungs-orientiert

verbindungs-los

verbindungs-los

Steuerbyteinformationen pro ATM-Zelle

1 Byte 1 Byte 4 Byte 0 Byte 0 Byte

Fehlersicherung der Nutzdaten durch CRC

nein nein ja ja ja

BeispielLeitungs-emulation

Video-übertragung

Daten-übertragung

Daten-übertragung

Daten-übertragung

Class of Service Class A Class B Class C Class D Class C

Dienstgüteklassen eng mit AAL-Typen verbunden

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QoS Parameter

Parameter Akronym Bedeutung

Peak Cell Rate PCR Maximale Rate, mit der die Zellen übertragen werden

Sustained Cell Rate SCR Langfristiger Durchschnitt der Zellrate

Minimum Cell Rate MCR Die als Minimum akzeptierte Zellrate

Cell Delay Variation Tolerance CDVT Das als Maximum akzeptierte Zellengitter

Cell Lose Ratio CLR Der verlorene oder zu spät zugestellte Bruchteil von Zellen

Cell Transfer Delay CTD Dauer der Zustellung (Mittel und Maximum)

Cell Delay Variation CDV Abweichung in der Zustellzeit von Zellen

Cell Error Rate CER Der fehlerfrei zugestellte Bruchteil von Zellen

Severely-Errored Cell Block Ratio SECBR Der verstümmelte Bruchteil von Blöcken

Cell Misinsertion Rate CMR Der an das falsche Ziel zugestellte Bruchteil von Zellen

Folgende Parameter sind im Vertrag verhandelbar

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Die Cell Rate Parameter bestimmen, wie schnell ein Benutzer Daten übertragen will. Bei AAL Typ 1, also CBR-Verkehr, entspricht die SCR dem Wert der PCR, bei allen anderen Dienstklassen ist der Wert der SCR deutlich kleiner. Für den ABR Dienst muss die tatsächliche Bandbreite zwischen MCR und PCR liegen, kann aber während der Verbindung schwanken. Sollten die Vertragspartner sich auf eine MCR von 0 einigen wird der ABR Dienst zu einem UBR Dienst.

Die Cell Delay Variation Tolerance (CDVT) bezeichnet die Abweichung in den Übertragungszeiten von Zellen.

Die Parameter CLR, CTD und CDV werden beim Empfänger gemessen. Die CLR misst den Bruchteil der übertragenen Zellen, die nicht oder zu spät beim Empfänger ankamen. Das CTD ist die durchschnittliche Zeit von der Quelle zum Ziel und die Cell Delay Variation (CDV) misst die Gleichförmigkeit, in der die Zellen übertragen werden.

Die übrigen QoS-Parameter spezifizieren Merkmale des Netzes. Diese können meist nicht verhandelt werden.

QoS Parameter (II)

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Dienstgüte im Ethernet

im Ethernet-Standard sind keine Dienstgüteklassen vorgesehen

zum Zeitpunkt seiner Entwicklung Anfang der 1980er Jahre ermöglichte die Leistungsfähigkeit der Workstations noch nicht die Multimediadatenübertragung wie heute üblich

Verbindungslose Funktionsweise

aktuelle Belastung des Netzwerkes nicht direkt feststellbar Bandbreitenerhöhung von 10Mbit/s auf 100Mbit/s (Fast Ethernet)

brachte Leistungssteigerung dennoch keine Verbindungsgarantien, da bei mehreren

Netzwerkteilnehmern immer mit Paketfehlern und Paketverlusten zu rechnen ist

Priorisierung von Datenströmen nur auf höherer Schicht

Internet Protocol (IP) bietet Type-of-Service-Field

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1000Mbit/s Bandbreite ermöglicht sehr hohe Durchsatzraten

Paketfehler weniger kritisch als noch bei Fast Ethernet Flusskontrolle nach IEEE 802.3x

MAC Control Frame signalisiert Überlastung des Empfängers, dadurch wird das Verwerfen von Paketen verhindert

durch automatische Begrenzung der nutzbaren Bandbreite auf ca. 2/3 der nominellen Rate (vergleichbar 622 Mbit/s bei ATM) werden Überlastsituationen vermieden

Dienstgüte im Gigabit Ethernet

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Vorteile ATM

Durch die verbindungsorientierte Kommunikation ist es leicht möglich Garantien für die Leitungsqualität zu geben.

Die verhandelten Qualitäten stehen dann während der gesamten Verbindung zur Verfügung.

Bestimmte Daten werden priorisiert transportiert, damit ist ATM optimal für den Transport von zeitsynchronen Daten wie Videokonferenzen und Telefonaten geeignet.

Das Übertragungsmedium kann besser ausgelastet werden, da keine Leitungsreserven vorhanden sein müssen.

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Vorteile Ethernet

Ethernet-Standard weltweit etabliert und in lokalen Netzen seit 1990 „quasi konkurrenzlos“

Netzwerkadapter technisch wenig komplex und klein konstruierbar, durch hohe Stückzahlen geringe Kosten pro Adapter

durch stetige Weiterentwicklung und Verbesserung im Rahmen der IEEE802-Workgroups werden neue Funktionalitäten in die Netzwerkinfrastruktur integriert und damit die Zukunftssicherheit des Ethernet garantiert

Auto-Negotiation-Funktion der Netzwerkadapter garantiert Abwärtskompatibilität

= Netzwerkanschluss wird auf seine Bandbreite hin überprüft

moderne Ethernet-Komponenten können mit alten Installationen problemlos kombiniert betrieben werden

Ethernet-Frame enthält Checksumme zur Fehlererkennung

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Vergleich ATM - Ethernet

Ethernet ATM

Durchsatz 10,100,1000 Mbit/s 2 bis 622 Mbit/s

Verbindungsmechanismus Verbindungslos Verbindungsorientiert

Paketstruktur Variable Länge Feste Länge

Broadcasting Ja Nur über zusätzliche Mechanismen

Flusskontrolle Bedingt Ja

Prioritäten Oberhalb Layer 3 Ja

QoS Nur oberhalb Layer 3 Ja

Automatische Geschwindigkeitsanpassung Ja Ja

Unterstützung durch Betriebssysteme Ja Bedingt

Komplexität Gering Hoch

Marktakzeptanz Sehr Hoch Mittel

Preis Gering Mittel

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Diskussionsanregung

ATM: QoS-Funktionalität Optimale Auslastung des Netzwerkmediums 622Mbit/s Bandbreite

Gigabit Ethernet: Hoher Verbreitungsgrad Einfache technische Realisierbarkeit Flusskontrollmechanismus 1Gbit/s Bandbreite

Warum findet ATM kaum Anwender? Warum konnte erst mit Gigabit Ethernet zu ATM aufgeholt werden? Wie sieht die nähere Zukunft für beide Technologien aus?

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Literaturhinweise

Ausarbeitung im Fach Hochgeschwindigkeitsnetze (SS 2005) zum Thema: „QoS und CoS bei ATM- /FE- und GE-Netzwerken“ von Mike Bendler und Marius Herrmann; http://www.imn.htwk-leipzig.de/~mherrma3/ausarbeitung/

QoS_ATM-FE-GE_2005-0823.pdf http://www.parc.com/about/history/ http://www.tcp-ip-info.de/tcp_ip_und_internet/ethernet.htm http://www.acm.org/classics/apr96/ http://www.lrz-muenchen.de/services/schulung/

unterlagen/atm/sld009.htm