ΕΛΛΗΝΙΚΟ ΑΝΟΙΚΤΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ. 2 η Γραπτή Εργασία ΠΛΗ 23 Ακαδημαϊκό Έτος (Τόμος Α, Κεφάλαια 1-3) Ημερομηνία Παράδοσης 27/01/2013.

Transcript

1 Στόχος: 2 η Γραπτή Εργασία ΠΛΗ 23 Ακαδημαϊκό Έτος (Τόμος Α, Κεφάλαια 1-3) Ημερομηνία Παράδοσης 27/01/2013 Άσκηση 4 Η κατανόηση βασικών εννοιών όσον αφορά τη μετάδοση πολυμεσικής πληροφορίας, τη χρήση σχετικών πρωτοκόλλων σε δίκτυα τηλεματικής και του υπολογισμού της ποιότητας υπηρεσίας (Quality of Service, QoS) σε εφαρμογές τηλεματικής πραγματικού χρόνου με μέτρηση παραμέτρων αξιολόγησης ποιότητας υπηρεσίας. Απαραίτητες γνώσεις: Κεφάλαιο 5, Τόμος Α Κεφάλαιο 7, Τόμος Α Κεφάλαιο 2 και 3, του ΕΔΥ του Τόμου Α: Ειδικά Θέματα Τηλεματικής Παράλληλα Κείμενα για το Κεφάλαιο 5, Τόμος Α, σχετικά με τηλεδιάσκεψη, τηλε-συνεργασία στην ιστοσελίδα της ΠΛΗ23 Δύο χρήστες στους σταθμούς εργασίας Α και Β επιθυμούν να έχουν βιντεοτηλεδιάσκεψη διαμέσου του δικτύου κορμού (backbone network) του Σχήματος 2. Το δίκτυο είναι packet switched connection oriented (μεταγωγή πακέτου με χρήση εικονικών κυκλωμάτων - virtual circuits) και αποτελείται από 8 κόμβους μεταγωγής (PSE - Packet Switched Exchange) οι οποίοι είναι συνδεδεμένοι μέσω 12 γραμμών επικοινωνίας (links). Τα χαρακτηριστικά των κόμβων μεταγωγής αλλά και των γραμμών περιγράφονται στους πίνακες που ακολουθούν: PSE Mean Store and Forward Delay - d m (ms) Maximum Store and Forward Delay - d max (ms) Jitter - J(ms) link Bit Rate - BR (kbps) Bit Error Rate -BER (probability) Length - l(km) x x x x x x x x

2 Οι ορισμοί των χαρακτηριστικών που αναφέρονται στους παραπάνω πίνακες παρατίθενται παρακάτω: Χαρακτηριστικά PSE Κόμβου Μεταγωγής: o Mean Store and Forward Delay - d m (ms): Μέσος Χρόνος Καθυστέρησης Προσωρινής Αποθήκευσης και Προώθησης Πακέτου o Maximum Store and Forward Delay - d max (ms): Μέγιστος Χρόνος Καθυστέρησης Προσωρινής Αποθήκευσης και Προώθησης Πακέτου o Jitter J (ms): η διακύμανση καθυστέρησης στην άφιξη των πακέτων στον δέκτη Χαρακτηριστικά Link Γραμμής Επικοινωνίας: o Bit Rate - BR (kbps): ο ρυθμός μετάδοσης στη γραμμή σε bits o Bit Error Rate - BER (probability - πιθανότητα): ο ρυθμός (πιθανότητα) εμφάνισης σφαλμάτων σε bits κατά τη μετάδοση πληροφορίας στη γραμμή o Length l (km) το φυσικό μήκος της γραμμής Σχήμα 2 Δίκτυο κορμού (backbone network) Το δίκτυο του παραπάνω σχήματος 2 είναι ένα δίκτυο βέλτιστης προσπάθειας μη αξιόπιστων υπηρεσιών (best effort unreliable services) και οι χρήστες A και Β επικοινωνούν μέσω της διαδρομής Α PSE1 PSE3 PSE5 PSE8 B. O χρόνος εγκατάστασης του εικονικού κυκλώματος (virtual circuit) είναι Τ vc = 10ms/κόμβο, η ταχύτητα μετάδοσης Ηλεκτρομαγνητικών Κυμάτων στις γραμμές του δικτύου είναι u = 2x10 8 m/s, o χρόνος πακεταρίσματος για εφαρμογές βιντεοτηλεδιάσκεψης είναι Τ p = 5ms ενώ ο χρόνος διαπραγμάτευσης για τις ίδιες εφαρμογές είναι N VC = 40ms. Με βάση τα παραπάνω να υπολογιστούν: Ερώτηση 1 Οι παράμετροι ποιότητας υπηρεσιών δικτύου (Network Quality of Services NQoS): 2

3 I. Το μέγιστο μέγεθος πακέτου δεδομένων L max αν η μέγιστη επιτρεπτή πιθανότητα απόρριψης πακέτων είναι P b-max =0.5x10-1. II. III. IV. Ο μέσος χρόνος καθυστέρησης μετάδοσης πακέτων MPTD (Mean Packet Transfer Delay). Ο μέσος ρυθμός μετάδοσης πακέτων MPTR (Mean Packet Transfer Rate) αν υιοθετηθεί το μέγιστο μέγεθος πακέτου (L= L max ). Ο μέσος ρυθμός απόρριψης πακέτων MPER (Mean Packet Error Rate) αν υιοθετηθεί μέγεθος πακέτου L= 480 bits. V. Η χείριστη διακύμανση καθυστέρησης μετάδοσης πακέτων WCJ (Worst Case Jitter). VI. H συνολική καθυστέρηση μετάδοσης (Transmission Delay) T D-total. Ερώτηση 2 Οι παράμετροι ποιότητας υπηρεσιών εφαρμογής (Application Quality of Services AQoS) εφόσον το ζητούμενο (εγγυημένο) από την εφαρμογή εύρος ζώνης είναι BR req = 256 kbps: I. H μέγιστη καθυστέρηση έναρξης της εφαρμογής (Startup Delay) SD max. II. Το ελάχιστο μέγεθος του buffer B min για αντιστάθμιση της διακύμανσης καθυστέρησης στην άφιξη των πακέτων (jitter) (θεωρήστε μέγεθος πακέτου L= 480 bits). III. H μέγιστη από άκρο σε άκρο καθυστέρηση (End-to-end Delay) EED max. Θεωρείστε μέγεθος buffer B = B min. Προς διευκόλυνση, δίνονται οι παρακάτω ορισμοί, υποδείξεις και διευκρινίσεις: Δίκτυο βέλτιστης προσπάθειας μη αξιόπιστων υπηρεσιών (best effort unreliable services): βασίζεται στη λογική του εικονικού κυκλώματος και εμφανίζει μικρή καθυστέρηση στους κόμβους μεταγωγής (PSEs), όπως τα δίκτυα ΑΤΜ. Είναι κατάλληλο για μετάδοση συνεχών μέσων (ήχος, βίντεο) σε πραγματικό χρόνο και με εγγύηση ποιότητας υπηρεσίας (quality of service, QoS)) Buffer: ενταμιευτής, ενδιάμεση μνήμη για προσωρινή αποθήκευση δυναμικά εισερχόμενων δεδομένων. Χρησιμοποιείται ευρέως από λογισμικό αναπαραγωγής και προβολής πολυμεσικών δεδομένων κατά την πρόσβαση σε υπηρεσίες/εφαρμογές μετάδοσης πολυμεσικών δεδομένων πραγματικού χρόνου (όπως η βιντεοτηλεδιάσκεψη) για να είναι ομαλή και συνεχής η προβολή των ληφθέντων πολυμεσικών δεδομένων στον δέκτη. Ποιότητα Υπηρεσιών Δικτύου Network Quality of Services: αναφέρεται στις παραμέτρους λειτουργίας του δικτύου, όπως αναφέρθηκαν παραπάνω για δίκτυα μεταγωγής πακέτων. Για κάποιες από αυτές δίνονται οι παρακάτω υποδείξεις: o Το μέγιστο μέγεθος πακέτου L max υπολογίζεται με βάση τη σχέση P B =1-(1-BER) L. o Ο μέσος ρυθμός απόρριψης πακέτων MPER (Mean Packet Error Rate) πρακτικά ισούται με την πιθανότητα P B. o Η μέση καθυστέρηση μετάδοσης πακέτων MPTD (Mean Packet Transfer Delay) ισοδυναμεί με το άθροισμα των μέσων καθυστερήσεων εξαιτίας της προσωρινής αποθήκευσης στους κόμβους. 3

4 o Η χείριστη διακύμανση καθυστέρησης μετάδοσης πακέτων WCJ (Worst Case Jitter) είναι η μέγιστη διακύμανση καθυστέρησης στο σύνολο των κόμβων που διατρέχει το πακέτο κατά τη διαδρομή του. o Η καθυστέρηση μετάδοσης (Transmission Delay) ισούται με το άθροισμα του χρόνου κωδικοποίησης αποκωδικοποίησης της πληροφορίας (CD-Codec Delay) και του χρόνου μετάδοσης του ψηφιακού σήματος. Ποιότητα Υπηρεσιών Εφαρμογής - Application Quality of Services: αναφέρεται στις απαιτήσεις υπηρεσίας της εφαρμογής πολυμέσων της βιντεοτηλεδιάσκεψης στη συγκεκριμένη άσκηση, όπως αναφέρθηκαν παραπάνω. Για κάποιες από αυτές δίνονται οι παρακάτω υποδείξεις: o Η μέγιστη καθυστέρηση έναρξης (maximum startup delay) αφορά το χρόνο που μεσολαβεί από την αίτηση έναρξης της εφαρμογής μέχρι την έναρξή της (π.χ. αίτηση έναρξης ακρόασης διαδικτυακού ραδιοφώνου μέχρι την επιβεβαίωση ότι η υπηρεσία αυτή θα παρασχεθεί). o H μέγιστη από άκρο σε άκρο καθυστέρηση (End to end Delay) περιλαμβάνει: την καθυστέρηση πακεταρίσματος. τη μέση καθυστέρηση μετάδοσης πακέτων MPTD. o τον χρόνο αποθήκευσης στον buffer του δέκτη για αντιστάθμιση της διακύμανσης καθυστέρησης στην άφιξη των πακέτων (jitter). ΑΠΑΝΤΗΣΗ Ερώτηση 1 Ι. Το μέγιστο μέγεθος πακέτου L max υπολογίζεται με βάση τη σχέση P B =1-(1-BER) L. Η μέγιστη επιτρεπτή πιθανότητα απόρριψης πακέτων είναι P b-max =0.5x10-1. Oι χρήστες A και Β επικοινωνούν μέσω της διαδρομής Α PSE1 PSE3 PSE5 PSE8 B. Tα link μέσα από τα οποία εγκαθίσταται το εικονικό κύκλωμα (virtual circuit) είναι: link 0, link2, link 10, link14 και link 15. Για τα παραπάνω links το bit error rate (ΒΕR) δίνεται στον πίνακα: link Bit Rate - Bit Error Rate -BER Length - BR (kbps) (probability) l(km) x x Για κάθε link υπολογίζεται το BER BER = 0.25x10-4 P B =1-(1-BER) L => 0.5x10-1 = 1 (1-0.25x10-4 ) L => x10-1 = (1-0.25x10-4 ) L => = - ( ) L => 0.95 = ( ) L => L = log0.95/log => L = 2052 bits BER = 0.5x10-5 P B =1-(1-BER) L => 0.5x10-1 = 1 (1-0.5x10-5 ) L => x10-1 = (1-0.5x10-5 ) L => = - ( ) L => 4

5 0.95 = ( ) L => L = log0.95/log => L = bits BER = 10-6 P B =1-(1-BER) L => 0.5x10-1 = 1 ( ) L => x10-1 = ( ) L => = - ( ) L => 0.95 = ( ) L => L = log0.95/log => L = bits BER = 10-5 P B =1-(1-BER) L => 0.5x10-1 = 1 ( ) L => x10-1 = ( ) L => = - ( ) L => 0.95 = ( ) L => L = log0.95/log => L = 5129 bits Το μέγιστο μήκος πακέτου είναι L max = 2052 bits και αντιστοιχεί σε BER = 0.25x10-4. Στον υπολογισμό του L max λαμβάνεται υπόψη μεγαλύτερο BER που είναι 0.25x10-4 επομένως το μεγαλύτερο πακέτο σε μήκος χωρίς να υπάρχει λανθασμένο bit είναι L max = 2052 bits. ΙΙ. Ο μέσος χρόνος καθυστέρησης μετάδοσης πακέτων MPTD (Mean Packet Transfer Delay) ισοδυναμεί με το άθροισμα των μέσων καθυστερήσεων εξαιτίας της προσωρινής αποθήκευσης στους κόμβους. Για τους κόμβους PSE1 PSE3 PSE5 PSE8 ο μέσος χρόνος καθυστέρησης εξαιτίας της προσωρινής αποθήκευσης στους κόμβους (Mean Store and Forward Delay - d m (ms)) δίνεται στον πίνακα: Mean Store and Maximum Store and PSE Jitter - Forward Delay - Forward Delay - d max J(ms) d m (ms) (ms) Επομένως MPTD = d m (PSE1) + d m (PSE3) + d m (PSE5) + d m (PSE8) = = 74 ms ΙΙΙ. Ο μέσος ρυθμός μετάδοσης πακέτων MPTR (Mean Packet Transfer Rate) αν υιοθετηθεί το μέγιστο μέγεθος πακέτου (L= L max ). Είναι L max = 2052 bits Σε 1 sec bits X 2052 bits X = 4 x 10-3 sec = 4 ms είναι ο χρόνος μετάδοσης ενός πακέτου. Σε αυτόν το χρόνο προστίθεται και το MPTD = 74 ms. Άρα ο συνολικός χρόνος μετάδοσης ενός πακέτου είναι: t total = 4 ms + 74 ms = 78ms 5

6 1 πακέτο σε 78 x 10-3 sec ΕΛΛΗΝΙΚΟ ΑΝΟΙΚΤΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ X σε 1 sec X = 1 / 78 x 10-3 sec = πακέτα σε 1 sec. Επομένως MPTR= πακέτα/sec ΙV. Ο μέσος ρυθμός απόρριψης πακέτων MPER (Mean Packet Error Rate) αν υιοθετηθεί μέγεθος πακέτου L= 480 bits και το BER είναι 0.25x10-4 P B =1 - (1 - BER) L => P B = 1 (1 0.25x10-4 ) 480 => P B = 1 ( ) 480 => P B = 1 ( ) => P B = V. Η χείριστη διακύμανση καθυστέρησης μετάδοσης πακέτων WCJ (Worst Case Jitter) είναι η μέγιστη διακύμανση καθυστέρησης στο σύνολο των κόμβων που διατρέχει το πακέτο κατά τη διαδρομή του δηλαδή το jitter. Mε βάση τους κόμβους μεταγωγής που διέρχεται το πακέτο το jitter σε κάθε περίπτωση φαίνεται στον πίνακα: PSE Mean Store and Forward Delay - d m (ms) Maximum Store and Forward Delay - d max (ms) Jitter - J(ms) Η χείριστη διακύμανση καθυστέρησης μετάδοσης πακέτων WCJ (Worst Case Jitter) με βάση τον παραπάνω πίνακα είναι 6. WCJ = 6 ms. VI. Η καθυστέρηση μετάδοσης (Transmission Delay) ισούται με το άθροισμα του χρόνου κωδικοποίησης αποκωδικοποίησης της πληροφορίας (CD-Codec Delay) που είναι Maximum Store and Forward Delay - d max (ms) σε κάθε κόμβο μεταγωγής και του χρόνου μετάδοσης του 6

7 ψηφιακού σήματος σε κάθε ένα από τα links. Η ταχύτητα μετάδοσης Ηλεκτρομαγνητικών Κυμάτων στις γραμμές του δικτύου είναι u = 2x10 8 m/s T D-total = d max (PSE1) + d max (PSE3) + d max (PSE5) + d max (PSE8) + t link0 + t link2 + t link10 + t link14 + t link15 => T D-total = d max (PSE1) + d max (PSE3) + d max (PSE5) + d max (PSE8) + l link0 /u + l link2 /u + l link10 /u + l link14 /u + l link15 /u=> T D-total = 35 (ms) + 40 (ms) + 22(ms) + 33 (ms) m/2x10 8 m/s m/2x10 8 m/s m/2x10 8 m/s m/2x10 8 m/s m/2x10 8 m/s => T D-total = 130 x 10-3 sec sec + 210x10-5 sec x10-5 sec + 10x10-5 sec 1.5x10-5 sec = 130 x10-3 sec + 245x10-5 sec = 130x10-3 sec x10-3 sec = x10-3 sec => T D-total = ms Ερώτηση 2 I. H μέγιστη καθυστέρηση έναρξης της εφαρμογής (Startup Delay) SD max. SD max = 4XΤ vc + N VC = 4 X 10ms + 40 ms = 40 ms + 40 ms = 80ms Τ vc = O χρόνος εγκατάστασης του εικονικού κυκλώματος (virtual circuit) N VC ο χρόνος διαπραγμάτευσης για τις ίδιες εφαρμογές II. Το ελάχιστο μέγεθος του buffer B min για αντιστάθμιση της διακύμανσης καθυστέρησης στην άφιξη των πακέτων (jitter) (θεωρήστε μέγεθος πακέτου L= 480 bits). Η διακύμανση καθυστέρησης στην άφιξη των πακέτων (jitter) είναι 6 ms. Με δεδομένο ότι το εύρος ζώνης είναι BR req = 256 kbps στα 6ms συγκεντρώνεται πληροφορία ίση με 6 x10-3 s x 256 x 10 3 bits/s = 1536 bits. Αυτή ισοδυναμεί με 4 πακέτα (1536bits/480bits = 3.2 πακέτα = 4 πακέτα) με δεδομένο ότι το μέγεθος πακέτου L= 480 bits. 7

8 Επομένως το ελάχιστο μέγεθος του buffer B min θα πρέπει να είναι διπλάσιο δηλαδή 8 πακέτα ή αλλιώς 8 x 480bits = 3840bits για την αντιστάθμιση της διακύμανσης καθυστέρησης στην άφιξη των πακέτων (jitter). Άρα B min = 3840bits III. H μέγιστη από άκρο σε άκρο καθυστέρηση (End-to-end Delay) EED max είναι: EED max = Τ p + MPTD + jitter = 5ms + 74 ms + 6 ms = 85ms Τ p = η καθυστέρηση πακεταρίσματος. MPTD = η μέση καθυστέρηση μετάδοσης πακέτων. Jitter = ο χρόνος αποθήκευσης στον buffer του δέκτη για αντιστάθμιση της διακύμανσης καθυστέρησης στην άφιξη των πακέτων (jitter). 8