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

1. Mike Bendler, Marius Herrmann Oberseminar: Multimediale KommunikationThema: Quality of Service, Class of Service

2. 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).

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

4. 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.

5. 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

6. 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

7. 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

8. ATM-Referenzwürfel

9. 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

10. 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

11. 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

12. AAL Typen • Dienstgüteklassen eng mit AAL-Typen verbunden

13. QoS Parameter • Folgende Parameter sind im Vertrag verhandelbar

14. QoS Parameter (II) • 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.

15. 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

16. Dienstgüte im Gigabit Ethernet • 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

17. 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.

18. 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

19. Vergleich ATM - Ethernet

20. 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?

21. 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