Αλγόριθμοι Υποστήριξης Ποιότητας Υπηρεσίας σε Δίκτυα Πολυμέσων. Διδακτορική Διατριβή. Ευάγγελου Α. Κοσμάτου

Transcript

1 ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΣΧΟΛΗ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Αλγόριθμοι Υποστήριξης Ποιότητας Υπηρεσίας σε Δίκτυα Πολυμέσων Διδακτορική Διατριβή του Ευάγγελου Α. Κοσμάτου Διπλωματούχου Ηλεκτρολόγου Μηχανικού & Μηχανικού Υπολογιστών Ε.Μ.Π. Αθήνα, Ιανουάριος 2008

2

3 ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΣΧΟΛΗ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Αλγόριθμοι Υποστήριξης Ποιότητας Υπηρεσίας σε Δίκτυα Πολυμέσων Διδακτορική Διατριβή Ευάγγελος Α. Κοσμάτος Συμβουλευτική Επιτροπή : Ιάκωβος, Στ. Βενιέρης, Καθηγητής ΕΜΠ. Γεώργιος Στασινόπουλος, Καθηγητής ΕΜΠ. Δήμητρα Κακλαμάνη, Αν. Καθηγήτρια ΕΜΠ. Εγκρίθηκε από την επταμελή εξεταστική επιτροπή την Ιάκωβος Στ. Βενιέρης Καθηγητής Ε.Μ.Π.... Γεώργιος Στασινόπουλος Καθηγητής Ε.Μ.Π.... Δήμητρα - Θ. Ι. Κακλαμάνη Αναπληρώτρια Καθηγήτρια Ε.Μ.Π.... Μιχαήλ Θεολόγου Καθηγητής Ε.Μ.Π.... Νικόλαος Ουζούνογλου Καθηγητής Ε.Μ.Π.... Συμεών Παπαβασιλείου Επίκουρος Καθηγητής Ε.Μ.Π.... Χρήστος Κακλαμάνης Καθηγητής Πανεπιστημίου Πατρών Αθήνα, Ιανουάριος 2008

4 ... Ευάγγελος Α. Κοσμάτος Διδάκτωρ Ηλεκτρολόγος Μηχανικός και Μηχανικός Υπολογιστών Ε.Μ.Π. Copyright Ευάγγελος Α. Κοσμάτος Με επιφύλαξη παντός δικαιώματος. All rights reserved. Απαγορεύεται η αντιγραφή, αποθήκευση και διανομή της παρούσας εργασίας, εξ ολοκλήρου ή τμήματος αυτής, για εμπορικό σκοπό. Επιτρέπεται η ανατύπωση, αποθήκευση και διανομή για σκοπό μη κερδοσκοπικό, εκπαιδευτικής ή ερευνητικής φύσης, υπό την προϋπόθεση να αναφέρεται η πηγή προέλευσης και να διατηρείται το παρόν μήνυμα. Ερωτήματα που αφορούν τη χρήση της εργασίας για κερδοσκοπικό σκοπό πρέπει να απευθύνονται προς τον συγγραφέα. Οι απόψεις και τα συμπεράσματα που περιέχονται σε αυτό το έγγραφο εκφράζουν τον συγγραφέα και δεν πρέπει να ερμηνευθεί ότι αντιπροσωπεύουν τις επίσημες θέσεις του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου.

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

42

43

44

45

46

47

48

49

50

51

52

53

54

55

56

57

58

59

60

61

62

63

64

65

66

67

68

69

70

71

72

73

74

75

76

77

78

79

80

81

82

83 b _ av b _ cur b _ min b _ cur b _ cur cxb _ av

84 b _ cur b _ cur b _ av

85

86

87 c Pi i, ti, di, QoS

88 i ti Sh d i i t 0 S 0 i h

89 P i L, with P L, with i high ( QoS ) min( Sh medium ( QoS ) min( Sh i ) i ) P L, with i P L, with i medium ( QoS ) min( Sh low ( QoS ) min( Sh i ) i ) P i L, with low ( QoS ) min( Sh i )

90

91 3G GSN (SGSN + GGSN) Node B UMTS UMTS CN CN RNC UTMS UTMS RAN RAN (UTRAN) (UTRAN) Mobile Mobile Terminals Terminals IP IP / / QoS QoS Enabled Enabled backbone backbone ATM Switch WLAN - Access Point 2 Mbit ATM Link 155 Mbit ATM Link 100 Mbit Ethernet Link 10 Mbit Ethernet Link Network Simulator Interactive Server Servers Servers Network Network

92

93

94

95

96

97

98

99

100

101

102

103 max ploss (%) w1 w2 sessions rejected (%) sessions accepted (%) utilization (%) mean values packet loss (%) delay (msec) utilization (%) max values packet loss (%) delay (msec) Selection Algorithm (SA) Utilization Threshold Algorithm (UTA) Απώλειες Πακέτων SA Απώλειες Πακέτων (%) UTA χρόνος προσομοίωσης

104 Καθυστέρηση SA UTA χρόνος προσομοίωσης

105 Ενεργοί Χρήστες χρόνος προσομοίωσης SA UTA Χρησιμοποίηση Καναλιού (%) Χρησιμοποίηση Καναλιού SA UTA χρόνος προσομοίωσης

106

107

108

109

110

111

112

113

114

115 1550 (ή 622Mbps) Data, 1310 O N T O N T S e r v i c e N o d e s P a s si v e O p ti c al S p litt e r I n t e r n e t 1x8 (έως 64) O p ti c al F i b e r O N T L e a s e d Li n e F r a m e / C e ll R e l a y O L T ATM - PON O N T T e l e p h o n e O N T I n t e ra c ti v e V i d e o Optical Distribution O N T O N T Network (ODN) O N T

116

117 o

118 Upstream frame ONT_1 ONT_N 3B preamble Mini-slot_X 1-53B minislot payload

119

120

121 Header Payload Frame FCS ONU USER 1 OLT splitter ONU 22 USER ONU 33 USER ONU USER 1 OLT splitter 2222 ONU 22 USER 2 Time slot frame ONU USER 3 Header Payload FCS

122

123

124

125 8 S MAC Client Length/Type Preamble F DA SA Data Pad FCS D S P D 1 3 Rsv LLID 2 FCS 2 Downstream (OLT) Upstream (ONU) Grant ONU blocked Laser Off (1) Start grant time IPG IPG: Inter-Packet Gap (12 Bytes) Frame 1 IPG Frame 2 IPG Frame 3 ONU Unblock & laser ON (4) End grant time ONU blocked Laser Off (2) Laser On (4) Laser Off 802.3ah EPON Granted Duration i Granted Duration j Granted Duration k i i i j Frame j j k

126

127 Marker Register Marker Disc Register 20 T0 T20 Discovery Period DC1 Notation: M: Marker G: Gate Gx: Discovery region AD: AutoDiscovery DC: Delay Compensation OLT M Gx AD T36 AD M Gx Marker Gate Rcvd Disc Gate DC1 Marker Disc Gate ONU1 AD ONU2 T0 Marker Disc Gate T20 Marker Disc Gate T0 Parameters: DC1 = 16 DC2 = 28

128 o o o o o o o

129 o o o o o

130 T0 Allocation Discovery (20, TBD) Grant ONU2 (172, 30) Grant ONU1 (214, 20) Notation: M: Marker G: Gate Gx: Discovery region AD: AutoDiscovery DC: Delay Compensation OLT M Gx G2 M G1 G2 T200 M ONU2 T230 ONU1 T250 Gate Received Gate Active ONU1 DC2 M T0 Gate Received M Gate Active M ONU1 T214 ONU2 M T0 M T172 Gate Active DC2 ONU2 T202 M Parameters: DC1 = 16 DC2 = 28

131 o o 0x 0x Preamble(8)

132

133 155 Mbit/s up 1.2 Gbit/s down 622 Mbit/s up 1.2 Gbit/s down 1.2 Gbit/s up 1.2 Gbit/s down 155 Mbit/s up.4 Gbit/s down 622 Mbit/s up.4 Gbit/s down.2 Gbit/s up.4 Gbit/s down 2.4 Gbit/s up.4 Gbit/s down

134

135 Σήμα εισόδου Σήμα εξόδου Ηλεκτρ ικό κομμάτι Αναλογικό => Ψ ηφιακό Ψηφιακό => Αναλογικό Ηλεκτρ ικό κομμάτι Ηλεκτρικό => Οπτικό Οπτικό => Ηλεκτρ ικό Οπτικό κομμάτι Οπτικό Δίκτυο : ίνα, EDFA, διαιρέτες, W DM, φίλτρα,... Οπτικό κομμάτι

136 R, S σημεία αναφοράς O rd, O ru, O ld, O lu οπτική διεπαφή - αντιστοιχούν σε μία ή περισσότερες ίνες

137

138

139

140

141

142

143

144 DOWNSTREAM at t1 PCBd US BW Map PAYLOAD Alloc-ID: F1 1 Alloc-ID: Start: End: F2 Start: End: Alloc-ID: F1 F CRC F1 F3 Start: End: Alloc-ID: CRC F1 F4 Start: End: CRC Start of u/s frame (relative to d/s frame) P L O u P L S u P P D D P L Alloc-ID:1 L B Alloc-ID:20 B Alloc_id:21 L O Alloc-ID:30 O R R O A u u u u M u ONU:0 ONU:5 ONU:7 guardband UPSTREAM at t2=t1+rt+pr

145 125 us 125 us 125 us P C Bd n P ayload n P C Bd n + 1 P ayload n + 1 P C Bd n + 2 P ayload n + 2 Πλ αίσ ια G EM P C Bd n P ayload n P S ync 4 B ytes Ident 4 B ytes P L O A M 13 B ytes B IP 1 B yte P lend 4 B ytes P lend 4 B ytes U S B W M ap #A ccess S tructures * 8 B ytes BIP Πλ αισ ίου N BIP Πλ αισ ίου N + 1

146 μνήμη PLOAM ONU ID Message ID Data CRC 1 octet 1 octet 10 octets 1 octet

147

148 P lend Blen 12 Bits Μ ήκος BW M ap Alen 12 Bits Μ ήκος ΑΤ Μ C R C 8 Bits

149 US BW M ap #Ac c es s S truc tures * 8 Bytes Ac c es s S truc ture 1 Ac c es s S truc ture 2... Ac c es s S truc ture N Ac c es s S truc ture Alloc Id 12 Bits F lags 12 Bits S S tart 2 Bytes S S top 2 Bytes C R C 1 Byte

150 P LO u P LO AM u P LS u D BR u P ayload P LO u P ream ble a Bytes D elim iter a Bytes BIP 1 Byte O N UId 1 Byte Ind 1 Byte

151 P LO AM u O N UId 1 Byte M s gid 1 Byte M es s age 10 Bytes C R C 1 Byte D BR u D BA 1,2,4 Bytes C R C 1 Byte

152 P LI 12 Bits P ort Id 12 Bits P T I 3 Bits HEC 13 Bits Τ μ ήμ α P ayload N Bytes Στον Πίνακας 3-5 δίνεται η σύγκριση των τεχνολογιών ΑΡΟΝ και ΕΡΟΝ. Εισηγητής EPON EFM (Ethernet in the First Mile) APON NTT,BC,etc. Χρονολογία Πρωτόκολλο Επιπέδου 2 Ethernet ATM

153 Μεταφορά Frame Fixed Cell Ταχύτητα 1.25/1.25 Gbps 155/622 Mbps Κύριοι Παροχείς Υπηρεσιών Standard CLECs, ELECs, DLECs, MSOs, ILECs FSAN ILECs IEEE 803.2ah FSAN, ITU G.983 Τεχνική Upstream Ζεύξης TDMA, κ.α. TDMA IP Αποδοτικότητα Καλή Μέτρια Αναβάθμιση Ναι στα 10Gbps Δύσκολη ONU λειτουργίες Δρομολόγηση, Μεταγωγή κ.α. Κύρια Δαπάνη Ethernet Switch ATM Switch Υπηρεσίες POTS, Data VOIP, IP Video POTS, Data - Στον Πίνακας 3-6 δίνεται η σύγκριση των τεχνολογιών ΕΡΟΝ και GΡΟΝ. Εισηγητής EFM (Ethernet in the First Mile) FSAN ODN classes ODN = Optical Distribution Network = Οπτικό δίκτυο διανομής A,B A, B, C Η χρήση της ODN class C οδηγεί σε σημαντική μείωση του κόστους για την τοπολογία μέσω διπλασιασμού των end-users σε κάθε δένδρο ΡΟΝ Ταχύτητα 1.25/1.25 Gbps 1.25,2.5Gbps(d)/155,622 Mbps ή 1.25,2.5Gbps(u) Αναβάθμιση Μία επιλογή τα 10Gbps Πολλές επιλογές Ταχύτητα Upstream Ζεύξης 1.25Gbps πάντα περιττό κόστος διότι δεν είναι αναγκαία πάντα τέτοια ταχύτητα για την upstream ζεύξη Καθορίζεται ανάλογα με τις πραγματικές ανάγκες

154 Απόδοση Μικρή μεγάλες ΙΡ επικεφαλίδες φόρτωμα του δικτύου Μεγάλη Κόστος Η TDM τεχνική και η μεταφορά φωνής υπαγορεύουν επιπλέον ανάγκες για Hardware/Software για τα VoIP schemes Επιπλέον κόστος Υποστηρίζουν μεταφορά υπηρεσιών TDM (σε χαμηλούς E1/T1 και υψηλούς ρυθμούς STM1/OC3) και για αυτό τα standard για Jitter και καθυστερήσεις ικανοποιούνται χωρίς αύξηση του κόστους

155

156

157

158

159

160

161

162

163

164 UG i ) D ( RP 1i RS 2i m N T pre N 1 Dm UGi 1Gbps 8

165

166 Upstream Time, Dm a b c Physical layer overheads (T pre ) Unused Slot Remainder (USR) ij Sub-frame Slot allocated to CoSj of ONUi

167 IAS i wi ( ALB w N i1 i N i1 { UG T i pre T report })

168

169 k ( ( UG IAS ) 1 i i

170 UG1 DASi GAP1 UG2 DAS2 GAP2 UG13 DAS3 UG4 DAS4 IAS1 IAS2 IAS3 IAS4 IAS5 IAS6 GAP4 UG5 DAS5 DAS6 UG6 GAP6 UG1 DASi GAP1 UG2 DAS2 T pre UG13 DAS3 UG4 DAS4 GAP4 UG5 DAS5 UG6 DAS6 GAP6 UG1 DASi GAP1 UG2 DAS2 UG13 DAS3 UG4 DAS4 GAP4 UG5 DAS5 UG6 DAS6 GAP6 UG1 DASi GAP1 UG2 DAS2 UG13 DAS3 UG4 DAS4 UG5 DAS5 UG6 DAS6 GAP6 UG1 DASi GAP1 UG2 DAS2 UG13 DAS3 UG4 DAS4 UG5 DAS5 UG6 DAS6 GAP6 TS 1 TS 2 TS 3 TS 4 TS 5 TS 6

171

172

173 Μέση Καθυστέρηση στην Ουρά (Αλγόριθμος SCR) CoS1 μέση καθυστέρηση CoS2 μέση καθυστέρηση CoS3 μέση καθυστέρηση CoS4 μέση καθυστέρηση Φορτίο Κίνησης (%)

174 Μέση Καθυστέρηση στην Ουρά (Αλγόριθμος SCR/2) CoS1 μέση καθυστέρηση CoS2 μέση καθυστέρηση CoS3 μέση καθυστέρηση CoS4 μέση καθυστέρηση Φορτίο Κίνησης (%)

175 Μέση Καθυστέρηση στην Ουρά (Αλγόριθμος Ενδό-ONU) CoS1 μέση καθυστέρηση CoS2 μέση καθυστέρηση CoS3 μέση καθυστέρηση CoS4 μέση καθυστέρηση Φορτίο Κίνησης (%)

176 Μέγιστη Καθυστέρηση στην Ουρά (Αλγόριθμος SCR) CoS1 μέγιστη καθυστέρηση CoS2 μέγιστη καθυστέρηση CoS3 μέγιστη καθυστέρηση CoS4 μέγιστη καθυστέρηση Φορτίο Κίνησης (%) Μέγιστη Καθυστέρηση στην Ουρά (Αλγόριθμος SCR/2) CoS1 μέγιστη καθυστέρηση CoS2 μέγιστη καθυστέρηση CoS3 μέγιστη καθυστέρηση CoS4 μέγιστη καθυστέρηση Φορτίο Κίνησης (%)

177 Μέγιστη Καθυστέρηση στην Ουρά (Αλγόριθμος Ενδό-ONU) CoS1 μέγιστη καθυστέρηση CoS2 μέγιστη καθυστέρηση CoS3 μέγιστη καθυστέρηση CoS4 μέγιστη καθυστέρηση Φορτίο Κίνησης (%)

178 Χρησιμοποίηση Καναλιού Ανόδου Πολλαπλές Δεσμεύσεις ανά ONU Διαδοχικές Δεσμεύσεις Διαδοχικές Δεσμεύσεις και Ενδό-ONU Φορτίο Κίνησης (%)

179 Σ.Π.Π. της Καθυστέρησης στην Ουρά (CoS1, Φορτίο 80%) SCR SCR/2 Ενδό-ONU Πλήθος Τιμών Καθυστέρηση (msec) Πλήθος Τιμών Σ.Π.Π. της Καθυστέρησης στην Ουρά (CoS2, Φορτίο 80%) SCR SCR/2 Ενδό-ONU Καθυστέρηση (msec)

180 Σ.Π.Π. της Καθυστέρησης στην Ουρά (CoS3, Φορτίο 80%) SCR SCR/2 Ενδό-ONU Πλήθος Τιμών Καθυστέρηση (msec) Σ.Π.Π. της Καθυστέρησης στην Ουρά (CoS4, Φορτίο 80%) SCR SCR/2 Ενδό-ONU Πλήθος Τιμών Καθυστέρηση (msec)

181

182 Σ.Π.Π. της Μεταβολής της Καθυστέρησης (CoS1, Φορτίο 80%) Πλήθος Τιμών SCR SCR/2 Ενδό-ONU Μεταβολή της Καθυστέρησης (msec)

183 Σ.Π.Π. της Μεταβολής της Καθυστέρησης (CoS2, Φορτίο 80%) SCR SCR/2 Ενδό-ONU Πλήθος Τιμών Μεταβολή της Καθυστέρησης (msec)

184

185

186

187

188

189

190

191

192 UG i ) D ( RP 1i RS 2i m

193

194

195

196 Upstream Time, Dm a b c Physical layer overheads (T pre ) Unused Slot Remainder (USR) ij Sub-frame Slot allocated to CoSj of ONUi

197

198

199 Dm=2msec Dm=1.5 msec Dm=1msec Dm=750μsec Dm=500μsec Μέση Καθυστέρηση στην Ουρά (CoS1) Φορτίο Κίνησης (%) Μέση Καθυστέρηση στην Ουρά (CoS2) Dm=2msec Dm=1.5 msec Dm=1msec Dm=750μsec Dm=500μsec Φορτίο Κίνησης (%)

200 Μέση Καθυστέρηση στην Ουρά (CoS3) Dm=2msec Dm=1.5 msec Dm=1msec Dm=750μsec Dm=500μsec Φορτίο Κίνησης (%) Dm=2msec Dm=1.5 msec Dm=1msec Dm=750μsec Dm=500μsec Μέση Καθυστέρηση στην Ουρά (CoS4) Φορτίο Κίνησης (%)

201 Πλήθος Τιμών Σ.Π.Π. της Καθυστέρησης στην Ουρά (CoS1, Φορτίο 40%) Dm=2msec Dm=1.5msec Dm=1msec Dm=0.75msec Καθυστέρηση (msec)

202 Πλήθος Τιμών Σ.Π.Π. της Καθυστέρησης στην Ουρά (CoS2, Φορτίο 40%) Dm=2msec Dm=1.5msec Dm=1msec Dm=0.75msec Καθυστέρηση (msec)

203 Πλήθος Τιμών Σ.Π.Π. της Καθυστέρησης στην Ουρά (CoS3, Φορτίο 40%) Dm=2msec Dm=1.5msec Dm=1msec Dm=0.75msec Καθυστέρηση (msec) Πλήθος Τιμών Σ.Π.Π. της Καθυστέρησης στην Ουρά (CoS4, Φορτίο 40%) Dm=2msec Dm=1.5msec Dm=1msec Dm=0.75msec Καθυστέρηση (msec)

206 Πλήθος Τιμών Σ.Π.Π. της Μεταβολής της Καθυστέρησης (CoS1, Φορτίο 40%) Dm=2msec Dm=1.5msec Dm=1msec Dm=0.75msec Μεταβολή της Καθυστέρησης (msec) Πλήθος Τιμών Σ.Π.Π. της Μεταβολής της Καθυστέρησης (CoS2, Φορτίο 40%) Dm=2msec Dm=1.5msec Dm=1msec Dm=0.75msec Μεταβολή της Καθυστέρησης (msec)

207 Πλήθος Τιμών Σ.Π.Π. της Μεταβολής της Καθυστέρησης (CoS1, Φορτίο 70%) Dm=2msec Dm=1.5msec Dm=1msec Dm=0.75msec Μεταβολή της Καθυστέρησης (msec)

210 Πλήθος Τιμών Σ.Π.Π. της Μεταβολής της Καθυστέρησης (CoS4, Φορτίο 70%) Dm=2msec Dm=1.5msec Dm=1msec Dm=0.75msec Μεταβολή της Καθυστέρησης (msec)

211 Dm=2msec Dm=1.5 msec Dm=1msec Dm=750μsec Dm=500μsec Κέρδος Τεχνολογίας GPON Φορτίο Κίνησης (%)

212 Χρησιμοποίηση Καναλιού Ανόδου GPON EPON, Dm=2ms EPON, Dm=1,5ms EPON, Dm=1ms EPON, Dm=0,75ms Φορτίο Κίνησης (Gbps)

213

214

215

216

217

218

219

220