Tema1

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
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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
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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.
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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
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5
Compromiso
calidad/aprovechamiento
b/s
Reducción de calidad
t
b/s
Desperdicio de ancho de banda
t
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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
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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)
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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%)
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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
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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
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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.
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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
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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.
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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
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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)
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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
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17
Incremento del tráfico con ARQ
12 - Log (R)
n=2
n=4
9-
n=1
630 |
|
-6
-5
L=1000 bytes
|
-4
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|
-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
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|
-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
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Receptor
21
Fluctuación (Jitter)
Probabilidad
1 -
D
0 Da
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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
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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
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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.
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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) )
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26
Función de transferencia
• Idealmente la señal de salida debe ser igual
a la de entrada
i(t)
HBD
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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
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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))]
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29
Red y terminal como funciones
de transferencia
i(t)
HBD
GBD
Red
Terminal en
recepción
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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
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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
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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.
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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
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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
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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
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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
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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.
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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
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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
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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
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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.
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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”
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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.
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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
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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.
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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
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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.
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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 %
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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
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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
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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