Modos de transferencia

Redes III Tema 1

1

Modos de transferencia • • • • • •

Introducción Impulsividad de una señal Transparencias semántica y temporal Acondicionamiento de red Técnicas de conmutación Principios de diseño de Banda Ancha Redes III Tema 1

2

Requerimientos 6

Log (t) Video alta calidad

Datos a baja velocidad

Voz

Datos alta velocidad Sonido HiFi Videoteléfono

Telemetría

Log (v)

0

9

0 Redes III Tema 1

3

Caracterización de servicios • El flujo de bits se puede representar por un proceso estocástico s(t) • El valor B se define como la proporción entre el valor máximo S y el valor medio: B = S / ( E[ s(t) ] ) • Los valores de E y de B son característicos de cada tipo de servicio. Redes III Tema 1

4

Valores típicos Servicio

E[ s(t) ]

B

Voz

32 kb/s

2

Datos interactivos Datos masivos

1-100 kb/s

10

1-10 Mb/s

1-10

Video

1.5-15 Mb/s

2-3

HDTV

15-150 Mb/s

1-2

Videoteléfono de alta calidad

0.2 – 2 Mb/s

5

Redes III Tema 1

5

Compromiso calidad/aprovechamiento b/s

Reducción de calidad t b/s Desperdicio de ancho de banda t Redes III Tema 1

6

Transparencia semántica • Todos los sistemas tienen errores al ser diseñados con un compromiso precio/prestaciones • Medidas de transparencia semántica: – BER: proporción de bits erróneos respecto del total durante un periodo significativo de tiempo – PER: proporción de paquetes erróneos respecto del total Redes III Tema 1

7

Transparencia semántica (cont.) • Los paquetes erróneos pueden ser de dos tipos: – PLR: proporción de paquetes perdidos – PIR: proporción de paquetes insertados. Son los que se entregan a un destino erróneo.

• Un sistema de comunicaciones consta de: – Elementos de transmisión (BER) – Elementos de conmutación (PER, PLR, PIR) Redes III Tema 1

8

Tipos de errores • Errores de transmisión: – Dependen del medio de transmisión, tipo de codificación, etc. – Durante las fases de mantenimiento se incrementan los errores “por ráfagas” – Resultados experimentales en un sistema típico indican que los errores en un segundo son de un solo bit en un 99.64%. En periodo de mantenimiento, esta proporción cae al 65%, y aumentan los errores de 100 bits seguidos (10%) Redes III Tema 1

9

Errores en condiciones normales 100 -

99.64 %

10 1-

0.20 %

0.12 % 0.04 %

0.1 -

Bits erróneos por segundo

0.01 1

2

3 Redes III Tema 1

4 10

Errores durante mantenimiento 100 90 80 65% 70 60 50 40 30 20 10 1

23%

2-3

2%

10 %

4-99

>100

Redes III Tema 1

Bits erróneos por segundo

11

Tipos de errores (cont.) • Errores de conmutación. Se producen por dos motivos: – Errores en los bits de las cabeceras. Los motivos de error son los ya descritos. Se miden por el PIR. – Falta de recursos de conmutación: desbordamientos en los nodos de conmutación, que provocan pérdida de paquetes. Se miden por el PLR.

Redes III Tema 1

12

0.5 0.4 -

Distribución de probabilidad de errores típica Bits

Paquetes

0.3 0.2 0.1 1 2 5

100

1000

Tamaño de paquete: 512 bits Redes III Tema 1

Número de bits erróneos consecutivos 13

Mejora de la transparencia semántica • FEC (Forward error correction): técnicas que utilizan esquemas de codificación – Hamming, Golay, Bose-Chadhuri-Hocquenghem – Dependiendo de la redundancia que se añade, se tiene mayor o menor capacidad de corrección de errores.

Redes III Tema 1

14

Mejora de la transparencia semántica • ARQ (Automatic repeat request): Se basan en la retransmisión de la información basándose en FEC para decidir si es errónea. – Protocolo HDLC – El rendimiento de la red es fuertemente dependiente de los errores de transmisión

Redes III Tema 1

15

Incremento del tráfico con ARQ • Se supone un algoritmo Go-Back-N con una ventana W y una longitud de cola de W/2. La probabilidad de que un paquete se pierda es P. – El número de paquetes retransmitidos es de W/2 .P.(1-P) – Si el paquete no se ha recibido correctamente, se retransmite de nuevo. El número de paquetes retransmitidos es W.P.P.(1-P) Redes III Tema 1

16

Incremento del tráfico con ARQ • El número total de retransmisiones es:

R = Σ k.(W/2).P k .(1-P) = (W/2). P/(1-P) k

• La probabilidad de que un paquete de L bits no se entregue correctamente a través de n enlaces es: nL P = 1 - ( 1- BER) • Sustituyendo para R(n) se tiene como evoluciona el número de retransmisiones con el valor de BER Redes III Tema 1

17

Incremento del tráfico con ARQ 12 - Log (R)

n=2

n=4 9-

n=1 630 | | -6 -5 L=1000 bytes

| -4 Redes III Tema 1

| -3

| -2

Log (BER) 18

Incremento del tráfico con ARQ 6 - Log (R) n=4 n=2

3-

n=1 0 | | -6 -5 L=48 bytes

| -4 Redes III Tema 1

| -3

| -2

Log (BER) 19

Factor de multiplicación 5 - Log [ R(4)/R(1) ] 4L = 1000 3-

L = 48

210-

| -6

| -5

| -4 Redes III Tema 1

| -3

| -2

Log (BER) 20

Transparencia Temporal Red t0 t1 t2 t3 Emisor

Df = t1 - t0 Dl = t3 - t2 Redes III Tema 1

Receptor 21

Fluctuación (Jitter) Probabilidad 1 -

D 0 Da Redes III Tema 1

22

Factores del retardo • Retardo de transferencia: transmisión de información de fuente al destino • Retardo de proceso: causado por el procesado de la información en los nodos de la red D = Dt + Dp Redes III Tema 1

23

Retardo de transferencia • Si hay un solo enlace se puede modelar por una delta de Dirac • Si hay varios enlaces, Dt está representado por varios valores discretos • Está determinado por la velocidad física del medio de comunicación y por la distancia física entre nodos Redes III Tema 1

24

Retardo de proceso • Dp depende de la implementación física de los nodos (tecnología, arquitectura, etc.) y además de los algoritmos que utilice el nodo. • ITU rec. Q.507 impone 450 microsegundos de retardo • El modelo estocástico de Dp depende mucho del modo de transferencia. Redes III Tema 1

25

Acondicionamiento de Red • La red se puede modelar como una función de transferencia H en función de las funciones de densidad de probabilidad de error (B) y de retardo (D): HDB • La señal de salida está relacionada con la de entrada como: i1 (t) = HBD (i(t) ) Redes III Tema 1

26

Función de transferencia • Idealmente la señal de salida debe ser igual a la de entrada

i(t)

HBD

Redes III Tema 1

i1(t)

27

Atributos de servicio aceptables Servicio

BER

PLR PIR Retardo

Telefonía -7

-3

-3

25-500ms

Datos

-7

-6

-6

50-1000 ms

Video

-6

-8

-8

1000 ms

HiFi

-5

-7

-7

1000 ms

Control

-5

-3

-3

1000 ms

BER, PLR, PIR: Logaritmos decimales Redes III Tema 1

28

Acondicionamiento de red • Para lograr los atributos mínimos, se necesita una función de acondicionamiento (terminal) GBD • La señal de salida o(t) puede tener más retardo, pero menos jitter. o(t) = GBD[ HBD(i(t))]

Redes III Tema 1

29

Red y terminal como funciones de transferencia

i(t)

HBD

GBD

Red

Terminal en recepción Redes III Tema 1

o(t)

30

Corrección del “Jitter” Probabilidad 1 p1

p2

D 0 p1: fdp del retardo en HBD p2: fdp del retardo después del acondicionamiento del terminal GBD Redes III Tema 1

31

Técnicas de conmutación • Un modo de transferencia se caracteriza por su técnica de conmutación. Clasificadas por complejidad creciente: – – – – – – –

Conmutación de circuitos Conmutación de circuitos multivelocidad Conmutación de circuitos rápida ATM/MPLS Conmutación de paquetes rápida Frame Relay Conmutación de tramas

– Conmutación de paquetes Redes III Tema 1

Simplicidad velocidad fija

Complejidad velocidad variable 32

Conmutación de circuitos • Se basa en la multiplexación por división en tiempo (TDM). También se denomina Synchronous Transfer Mode • La unidad básica de repetición (time slot) se agrega a otras en un enlace y se multiplexa en frecuencia. Una conexión tiene siempre las mismas unidades básicas (time slots) a lo largo de una conversación. Redes III Tema 1

33

Conmutación de circuitos • Los nodos de conmutación internamente pueden realizar la conmutación en el espacio, el tiempo o una combinación de ambos. • La conmutación de un circuito entre la entrada y la salida se hace por una tabla de traducción. La relación entrada/salida para un circuito no cambia durante todo el tiempo que dura una conexión Redes III Tema 1

34

Conmutación de circuitos Y X V Z ... Y X V I1 I2 -

a f ...

ba

- O1 X a b - O2 V Z

In -

- On

... X a b ... V Z

f c Y ... f c Y

Tabla de traducción ranura/enlace

Redes III Tema 1

35

Tabla de traducción Enlace de Ranura entrada I1 1 2 3 … m I2 1 2 3 … m In 1 2 … m

Enlace de salida O2 O1 On … O2

O1 O1 … On

Redes III Tema 1

Ranura 2 3 m … 1

2 1 … 2

36

Causas de los errores • Errores directos en los bits: a causa de errores en el funcionamiento • Errores indirectos: la pérdida de sincronización provoca errores hasta que se recupera

Redes III Tema 1

37

Conmutación de circuitos multivelocidad • Se usa el mismo formato TDM pero una conexión utiliza más de una ranura. • NISDN en la recomendación H.261 se utiliza en videoteléfono • Los nodos son más complicados porque tiene que mantener una sincronización más complicada. Redes III Tema 1

38

Conmutación de circuitos multivelocidad • Es difícil elegir cual es la velocidad base debido a la disparidad de velocidades de los distintos servicios: velocidad base: 1 Kbit/s HDTV : necesita 35,000 canales • Una solución es utilizar diversos canales con velocidades base diferentes Redes III Tema 1

39

Conmutación de circuitos con canales básicos de diferentes velocidades Videoteléfono HiFi (x8) NISDN Sincronización

H4 : 139,264 Kb/s H1 2048 Kb/s … H1 2048 Kb/s 30 B + D64 2048 Kb/s SYNC 1024 Kb/s

Total : 156,672 Kb/s Redes III Tema 1

40

Arquitectura de nodo H4

Línea de abonado 156,672 Kb/s

M U X / D E M U X

H4

H1

NISDN

H1

NISDN

Control Redes III Tema 1

41

Inconvenientes de la conmutación de circuitos • Los canales deben aprovecharse por separado, lo cual lleva a ineficiencias • No se puede adaptar a fuentes muy variables. • Los recursos se deben liberar explícitamente. En caso de caída de los terminales quedan ocupados hasta la liberación. Redes III Tema 1

42

Conmutación rápida de circuitos (FCS) • Propuesta para fuentes impulsivas (valor alto de B) • Los recursos se asignan sólo en el caso de que haya información que enviar, y se liberan en caso contrario • Se puede considerar que los recursos se asignan “por impulso de información” Redes III Tema 1

43

Conmutación rápida de circuitos • En el establecimiento de llamada, se solicita una conexión con un ancho de banda equivalente a un múltiplo de la velocidad básica • El sistema no reserva los recursos, pero se anota en cada nodo una identificación del canal y la información necesaria para asignar los recursos rápidamente. Redes III Tema 1

44

Conmutación rápida de circuitos • Puede suceder que el sistema no sea capaz de asignar los recursos necesarios. • FCS y MRCS se pueden combinar (MRFCS). Un sistema puede manejar diferentes velocidades y es eficaz para servicios impulsivos

Redes III Tema 1

45

Conmutación rápida de circuitos Inconvenientes • Los nodos tienen complejidad alta y se requiere un sistema de control sofisticado. • Las necesidades de asignación y liberación de recursos (canales, slots, etc.) debe ser muy rápida • El tratamiento de señal es muy exigente.

Redes III Tema 1

46

Conmutación de paquetes • La información es encapsulada en paquetes. Las cabeceras se utilizan en los nodos de la red para enrutamiento, control de flujo, corrección de errores, etc. • El modo de transferencia se llama PTM • Se diseñaron en los años sesenta (X.25). La -6 tecnología permitía un BER de 10 Redes III Tema 1

47

Conmutación de paquetes • Para asegurar la calidad se desarrollaron protocolos para cada enlace • Los paquetes tienen longitud variable, lo cual implica una compleja gestión de bufferes en la red • La velocidad era baja: 64Kb/s, lo cual suponía retardos largos. Redes III Tema 1

48

Conmutación de paquetes • La complejidad de los protocolos aumenta los requerimientos de proceso y el retardo de conmutación en los nodos. • No es adecuado para servicios que requieran grandes velocidades o pequeños retardos. • El CCITT planeó usar X.25 en los canales B/D para la primera fase de NISDN Redes III Tema 1

49

Diferencias entre alternativas de conmutación de paquetes Funcionalidad

Conmutación de tramas (Frame Switching)

X.25

Frame Relay

Cabecera y cola de trama (flags) X

X

X

Transparencia de bits (bit stuffing)

X

X

X

CRC

X

X

X

Control de errores (ARQ)

X

X

Control de flujo

X

X

Multiplexación de canales lógicos

X Redes III Tema 1

50

Conmutación de tramas • Es similar al X.25 pero no se realiza la multiplexación de canales lógicos • El control de errores y el control de flujo se realizan en cada enlace

Redes III Tema 1

51

Frame Relay • Las retransmisiones de datos de usuario se realizan de extremo a extremo (entre los terminales de usuario) • Sólo se realiza detección de errores basada en CRC con el objetivo de eliminar tramas incorrectas y así ahorrar el transporte de las mismas

Redes III Tema 1

52

Eficiencia en el uso del ancho de banda • En un sistema de conmutación de paquetes, la eficiencia se mide como la relación entre los bytes de datos sobre los bytes totales, incluyendo cabecera:

η =

número de bytes de información número de bytes de información + número de bytes de cabecera

Redes III Tema 1

53

Eficiencia con longitud fija • El valor de la eficiencia es: X η = |X/L| . (L+H) F |z| = menor entero que es mayor o igual a “z” L = longitud en bytes del campo de información H = longitud en bytes de la cabecera X = número de bytes con información útil Redes III Tema 1

54

Eficiencia con longitud fija • El valor optimo de la eficiencia es: L η = (L+H) FOPT • Se cumple cuando los bytes útiles son múltiplo del tamaño de paquete: X = |X/L|.L Redes III Tema 1

55

Eficiencia con longitud variable • El valor de la eficiencia está determinada por la cabecera y por los delimitadores del paquete (flags) : X η = X + H + hV V h V = Parte variable de la cabecera y delimitadores Redes III Tema 1

56

Comparación de eficiencias η

%

V

100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 -

η FOPT

η F

| 48

| 96

| 144

para L = 48 y H = 5

| 192

Redes III Tema 1

| 240

| 288

| 336

X 57

Eficiencia en una red de banda ancha con longitud fija • Voz: Si se opta por enviar un paquete cuando está lleno de datos (introduciendo un retardo PD) se puede alcanzar el óptimo • Video: – Si se usan compresiones con velocidad constante, es el mismo caso que la voz. – Si se usan compresiones con velocidad variable, puesto que hay muchos datos, se puede aproximar el valor óptimo Redes III Tema 1

58

Eficiencia en una red de banda ancha con longitud fija • Datos: – Baja velocidad: eficiencia muy baja (10%) – Alta velocidad: El campo de información se parte en paquetes de longitud fija, con lo que se alcanza una eficiencia próxima al valor óptimo – En el ejemplo anterior, con 1000 bytes, la eficiencia es del 89%. El valor óptimo es de 90.5 %

Redes III Tema 1

59

Complejidad y rapidez de conmutación • Los factores más importantes son la rapidez de proceso y los requerimientos de memoria para el manejo de colas – Rapidez de proceso • Proceso de las cabeceras • Manejo de las colas en memoria

– Tamaño de memoria • Carga • Nivel aceptable de PLR Redes III Tema 1

60

Rapidez de proceso • Procesado de las cabeceras: en el caso de longitud fija, el tiempo es constante. Por ejemplo 2.8 µs en el caso 48+5 bytes a 150M bits/s En el caso de longitud variable el tiempo puede ser menor. Por ejemplo 533 ns en el caso 5+5 bytes a 150 Mbits/s • Gestión de memoria: para la longitud fija, los algoritmos son más sencillos al asignarse bloques de longitud fija

Redes III Tema 1

61

Requerimientos de memoria • En el caso de longitud fija dependen de la carga y el nivel aceptable de PLR • En caso de longitud variable, los algoritmos son más complicados (deben conocer una estimación del tráfico) o bien son muy ineficientes (dimensionamiento en el caso peor: longitud de paquete máxima) Redes III Tema 1

62

Requerimientos de memoria M/D/1

110 Longitud (paquetes) 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 | | | | 10 20 30 40

x=10 x=8

PLR=10-x

x=6

x=4

| 50

| 60

Redes III Tema 1

| 70

| 80

| 90

Carga (%)

63

Transparencia semántica • Los errores se producen por tres factores: – Errores en el campo de información – Paquetes perdidos por desbordamiento de colas – Paquetes perdidos por encaminamiento erróneo debido a bits erróneos en las cabeceras

Redes III Tema 1

64

Errores en las cabeceras • En caso de un bit erróneo en la cabecera, hay dos posibilidades – La cabecera “transformada” corresponde a una conexión existente, en cuyo caso dos conexiones tienen un error – La cabecera “transformada” no corresponde a ninguna conexión, en cuyo caso se elimina la celda. Redes III Tema 1

65

Efecto multiplicativo • Suponemos cabecera de longitud “h” y campo de información de longitud “i”. • La probabilidad de un error en la cabecera es: BER. h/(h+i) • La probabilidad de que ocurra en los datos es: BER. i/(h+i) Redes III Tema 1

66

Efecto multiplicativo • Si a un nodo de conmutación llega el paquete con la cabecera errónea, pueden ocurrir tres casos – El error no es detectado ni corregido – El error es detectado, pero no corregido – El error es detectado y corregido

Redes III Tema 1

67

El error no es detectado ni corregido • En el caso peor, el paquete llega siempre a un destino incorrecto. • La tasa de error es: B1 = 2i.BER.h/(h+i) + BER. i/(h+i) • El efecto multiplicativo es: M1 = (2h+1)/(1+h/i) Redes III Tema 1

68

El error es detectado pero no es corregido • El paquete es eliminado del nodo • La tasa de error es: B2 = i.BER.h/(h+i) + BER. i/(h+i) • El efecto multiplicativo es: M2 = (h+1)/(1+h/i)

Redes III Tema 1

69

El error es detectado y corregido • El paquete llega correctamente a su destino • La tasa de error es: B3 = BER. i/(h+i) • El efecto multiplicativo es: M3 = 1/(1+h/i)

Redes III Tema 1

70

Factor de multiplicación del error M1 (i=512) M 120 -

M1 (i=128)

100 80 -

M2 (i=512) 60 -

M2 (i=128) 40 20 -

M3 0

16

| 32 Redes III Tema 1

| 48

h (bits) 71

Conclusión • Los errores en las cabeceras tienen un efecto multiplicativo que debe evitarse, mucho más graves que los errores en los datos • Es necesario un mecanismo de control de errores en las cabeceras.

Redes III Tema 1

72