Infokommunikáció Infokommunikációs hálózatok - áttekintés - Varga Pál, BME TMIT - Thx HUT
A témakör bemutatásának célja Az Infokommunikációs hálózatok alapjai Összetett követelmények Hogyan működnek a rendszerek és miért épp úgy? Mi történhet a jövőben a mai technológiák ismeretében? A rövidítések (TLA, ETLA, ) szerepe? Segít a szabványos protokollok, rendszerek leírásában (koncepció) a koncepciót értsük inkább, mint a rövidítések feloldását Az interfészek szerepe? Moduláris rendszerek mi történik az interfészeken? Extended Three Letter Abbreviation Az interfészleírás segít a funkció belső megvalósításában, a modulok működésének megértésében. 2
Információs Társadalom Információ és Kommunikáció Bárhol, Bármikor és Bármilyen formában Kulcsterületek: Szolgáltatások Globális Piac Szabályozás, Szabványosítás Technológiák A hálózatok/végberendezések/szolgáltatások fejlődésének megértéséhez figyeljük meg a szolgáltatásokat! 3 A szolgáltatások határozzák meg a távközlés fejlődésének útját és nagyban meghatározzák, hogy milyen technológia lesz a kiválasztott!
Távközlési hálózatok Maghálózat Core NW Hozzáférési hálózat Végberendezések Csomópont 1 Node 3 Node 2 Access Terminálok A belső struktúra különféle topológiájú lehet: mesh /csillag/busz/gyűrű 4 A hálózati csomópontokat és kapcsolatokat (linkeket) bizonyos előre látható forgalmi forrásokra és átviteli csatornákra lehet optimalizálni. A fenti modell adat (csomag) és beszédhálózatokra is alkalmazható.
Hálózati topológiák Különféle hálózatokban különféle topológiák Busz - Ethernet Gyűrű - FDDI Mesh - Internet; Szükséges kapcsolatok#: 2 N( N 1) N 2 2 5 N: csomópontszám A topológiaválasztás meghatározza a fizikai címkiosztást, hálózati megbízhatóságot, IEEE 802 (LAN) széles körben elterjedt
Blokkolás elkerülése forgalmi tervezés Adott számú előfizető Mennyien telefonálnak egyszerre? Ki mennyi ideig telefonál? ( átlag: h ) Mennyi új hívás érkezhet másodpercenként? ( i ) A forgalom: A = i h A fentiek alapján: Mekkora kapcsoló kell? (mennyi beszédáramkör) ( N ) 6 VP
Erlang B és C formulák Mi a valószínűsége, hogy nem kap vonalat az előfizető? Blokkolás a központban Erlang B formula Egy kiszolgáló átlagos kihasználtsága: A a= [1 - P B ] N 7 Mi a valószínűsége, hogy várnia kell a kiszolgálásra? Call Center kapacitás Erlang C formula VP C B VP
Erlang B - grafikonon 8 VP
Erlang C kalkulátorral 9 VP
Egy kommunikációs rendszer feladatai Kapcsolat felépítése és bontása a csatlakozó csomópont felé/felől a hálózat távoli pontja felé/felől Szinkronizáció RX & TX az átviteli közegen, csomagok/keretek eleje/vége Információcsere - protokollok határozzák meg az egyes szintek/feladatkörök kommunikációját a társ - szinttel/funkcióval Hibakezelés jelzés, szűrés, javítás Címzés és irányítás 10 Üzenetek formátuma, kódolás
Hálózati funkciók: rétegezett struktúra Az előző feladatok miatt a hálózatok, hálózati funkciók megvalósítása rétegezett struktúrát követ ( Open System Interconnections (OSI) ) Entitás 3 Entitás 3 Entitás 2 Entitás 1 Entitás 2 Entitás 1 interfész Fizikai kapcsolat 11
Minden OSI-rétegnek megvannak a maga szabványos szolgáltatásai 7. Application 6. Presentation 5. Session 4. Transport 3. Network 2. Data Link NCP, FTP, Telnet, SMTP, SNMP, AFP, SMB, MAP, INAP,... ACSE, ROSE, RTSE,... NetBIOS, NetBEUI, DNS, TCAP... SPX, PEP, TCP, UDP, NSP, SCCP,... IPX, RIP, SAP, IDP, IP, ARP, RSVP, ICMP, X.25, MTP-3,... IEEE 802.X, HDLC, ANSI X3T9.5, SMT, MTP-2,... 12 1. Physical V.24, V.35, V.90, 10Base5, 10Base2, 10BaseT, FDDI, PDH, SDH, G.703... Minden, amit tudni akarunk a rövidítésekről és az hálózati terminológiáról - de nem merjük megkérdezni: http://www.webopedia.com/ http://www.mpirical.com/companion/mpirical_companion.html
ITU-T Ajánlások (--szabványok ) G - Transmission Systems and media, digital systems and networks H - Audiovisual and multimedia systems I - ISDN Q - Switching and signaling V - Data communications over PSTN X- Data networks and open system communications 13 További jelentős szabványosító testületek: - IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) - IETF (The Internet Engineering Task Force) - ISO (International Organization for Standardization) - ETSI (European Telecommunications Standards Institute) - 3GPP (3rd Generation Partnership Project)
Elvárások a szolgáltatásokkal szemben Elvárások Szolgáltatás Késleltetés Sávszélesség Adatvesztés Egyéb Interaktív beszéd és video (konf.) Off-line streaming audio és video B: kicsi V: NAGY A: kicsi V: NAGY Minimális Best Effort Alacsony jitter Best Effort Best Effort Alacsony jitter Kliens-szerver lekérdezések kicsi Alacsony Alacsony Letöltések NAGY Alacsony Best Effort Potenciálisan rosszindulatú forg. kontrolált Best Effort Best Effort Izoláció javasolt Hálózati játékok Változó Minimális Minimális Egyéb (E-mail, ) Kicsi Best Effort Best Effort 14
Adat Video Hang Szolgáltatások igényelt bitsebességei Telefon Fax Audio műsorszórás Video konferencia Video Inter-LAN/PBX kommunikáció Streaming MPEG, MP3 TV/HDTV Néhány átviteli technológia maximális adatsebessége GSM 14.4 kb/s HSCSD 56 kb/s PSTN 56 kb/s GPRS 114 kb/s EDGE 384 kb/s UMTS 42Mb/s (DC HSPA+) LTE 100Mb/s LTE-Advanced 1Gb/s V.90 modem 56 kb/s Frame Relay 1.54 Mb/s ADSL 8 Mb/s ADSL2+ 28Mb/s Ethernet 10/100M, 1/10/40/100G OC-256 13.3 Gb/s 15 10k 1M 100M Bit rate (b/s)
Video tipikus bitráták Mbit/s 16
Beszéd- és adatkommunikáció Beszéd Adat Késleltetés ~200 ms a limit Szolgáltatásfüggő Hiba Forgalom Magas tűrésküszöb Folyamatos: áramkörkapcsolt Nagyon alacsony tűrésküszöb Börsztös: Csomagkapcsolt 17 A távközlési forgalmat fix sebességűre (vagy sávszélességűre) lehet tervezni pl. PSTN beszéd Ha nincs kérés szerinti erőforrás-hozzárendelés: a hálózati erőforrások elpazarlódnak(=> statisztikus multiplexálás)
Internet térkép részlet 18
A Szimmetria Kategóriák: Aszimmetrikus csatorna ( downlink >> uplink ) Akkor hasznos, ha a felhasználó felé irányuló forgalom jóval meghaladja a felhasználó által küldöttet Tradicionálisan a hozzáférési hálózatokban terjedt el (ADSL, betárcsázós modem, ) DVB felett átvitt adat Asymmetric Digital Subscriber Line Digital Video Broadcasting Szimmetrikus csatorna Hagyományos vonalas telefon Új típusú szolgáltatások (pl. P2P) is igényelhetik! Peer2Peer 19 Pont-többpont csatorna (műsorszórás / broadcasting) TV (DVB) Webcasting (PointCast hírszolgáltatás) TeleVízió
Security and Secrecy* A szolgáltatások biztonságos (megbízható(an) védett) átvitelt igényelnek. Különösen fontos NGN-szolgáltatásoknál ( közel az előfizetőhöz ) Sérülékeny szolgáltatásoknál: Orvosi/egészségügyi pl.tele-műtét Mentőszolgálat, rendőrség, védelmi (erő) sz.szervezetek A hálózatok ezt több szinten tudják nyújtani (overhead!); fixed vonal (PSTN, frame relay) flexibilis útvonalválasztás (SS7) Felhasználói- és vezérlőüzenetek titkosítása (PLMNs) Kódolás és titkosítás (minden modern távközlő kapcsolaton) 20 AAA: Authentication, Authorization, Accounting * Az üzenet a megfelelő fogadóhoz érkezik Mások nem értelmezhetik/módosíthatják
Mi az az AAA? Authentication A felhasználó azonosítása: tipikusan username/password párral. Authorization Jogosultságkezelés: azon és csak azon szolgáltatások elérésének biztosítása, amely az authentikált felhasználónak engedélyezve van. Authorizációs szint 21 Accounting A felhasználó ténykedésének követése milyen hálózati erőforrásokat mennyi ideig milyen szolgáltatások használatára mennyi adatforgalmat igényelve, stb. használt.
Hálózat/Szolgáltatás adaptivitás Szolgáltatás profilok: hatékony szolgáltatás-adaptivitás érhető el ezt a hálózati eszközöknek és a végberendezéseknek is támogatniuk kell. Intelligencia a terminálokban és nem a hálózati csomópontokban, kapcsolóközpontokban, routerekben csökkenti a jelzésforgalmat a költségeket a végfelhasználó direktebben viseli Eszközfejlesztés kooperáltan, szabványos interfészekkel: a szolgáltatás-intelligencia megvalósítását segíti 22
Infokommunikációs piac: hierarchia Végfelhasználók Tartalomszolgáltatók Távközlési/Infokomm szolgáltató Hálózati integráció Fizikai hálózat üzemeltető 23
Az Infokommuikációs piac résztvevői Végfelhasználók (egyének, vállalatok, gép-gép kommunikáció) Információs szolgáltatást nyújtók (pl. PORT.hu) Szolgáltatás-brókerek - szolgáltatás-csomagokat árulnak Hálózati operátorok (, T-Com, Telenor, Vodafone, ) Tartalomszolgáltatók (...Paramount Pictures) 24
Gartner's 2017 Hype Cycle for ICT in India 25
26
5G kihívások by Nokia 27
5G kihívások by Ericsson 28
Voice over IP architektúrák Négy funkcióhalmaz jelzési feladatok beszédkódolás és dekódolás beszédcsomagok szállítása együttműködés más VoIP/PSTN hálózatokkal (gateway funkciók) 29 VP
Mobil Internet - példa Mozgó végpont feléled Jelzi magáról, hogy megérkezett: ICMP hazai hálózat? idegen hálózat? Azonosítási cím kérése: DHCP Regisztrációs lépések Jelzés a hazai hálózatba Azonosítás az új hálózatban Megismerteti magát a helyiekkel : ARP válasz Forgalmazás IP felett 30
A protokoll-sztekk Alkalmazások (pl. FTP, HTTP) RTP SIP UDP TCP SCTP ICMP IP ARP Adatkapcsolati réteg (pl. Ethernet, ATM) Fizikai réteg (pl. WLAN, Optika) 31
IP-alapú átvitel 32 Manapság tipikusan Ethernet felett de nem kizárólag! IP felett: a szolgáltatásokhoz illeszkedő transzport protokoll UDP TCP SCTP Valahol megjelenik az IP réteg Lehet, hogy több IP-fejrész is van az üzenetben! Apps. TCP IP SNDCP LLC BSSGP TCP (NS) IP L2TP Ethernet Optikai szál
Internet Protocol (IP) Elrejti a hordozó hálózat tulajdonságait Nem megbízható Best-effort Kapcsolatmentes A csomagok sorrendhelyessége NEM biztosított Csomagok elveszhetnek Csomagok duplikálódhatnak 33
Address Resolution Protocol - ARP A forrásnak tudnia kell a cél hardver-címét mielőtt IP csomagokat küldhetne neki ARP segítségével hardver-címet rendelünk IP címhez Az ARP a helyi hálózaton küldött üzenetszórás (broadcast) segítségével állapítja meg a kérdéses IP címhez tartozó hardver-címet 34 Az ARP gyorsítótárban (cache) tárolja az összerendeléseket, hogy később használhassa (ez kiíratható az arp a paranccsal Windows alatt)
Internet Control Message Protocol, ICMP 35 Hibajelentésekre és IP szintű vezérlő üzenetek továbbítására Direkt IP csomagokban Gyakran használt debuggoló eszköz Ping, traceroute IP Header Type of Message Error Code Checksum Parameters, if any Information 8b 8b 16b Var Var TYPE FIELD 0 3 4 5 8 11 12 13 14 15 16 17 18 ICMP Message Types Echo Reply (válasz adás) Destination Unreachable Source Quench Redirect (change a route) Echo Request (válasz kérés) Time exceeded for a packet (TTL lejárt) Parameter problem on a packet Timestamp request Timestamp reply Information request (obsolete) Information reply (obsolete) Address mask request Address mask reply
User Datagram Protocol (UDP) Kapcsolat nélküli szolgáltatás nincs állapotinformáció Forrás-nyelő pár azonosítás portszám alapján (alkalmazási szintű nyalábolás) Ellenőrző összeg Az alkalmazás küldési sebességet változatlanul hagyja Valósidejű és multimédia alkalmazások A fejléc 8 bájtos: 36
Transmission Control Protocol (TCP) Kapcsolatorientált Megbízható kapcsolat Automatikus torlódáskezelés Meghatározza a csomagkövetési időt az alkalmazás nem tudja azt vezérelni A fejléc legalább 20 bájtos: 37
Csomagolási Terminológia Teljes üzenet TCP Szegmens TCP hdr TCP adat MSS IP Csomag IP hdr 20 bytes IP adat Ethernet Keret Eth. hdr. 20 bytes Ethernet adat 38 14 bytes MTU 1500 bytes 4 byte VP
Session Initiation Protocol (SIP) Hívásvezérléshez: felépítés és bontás Kérés/válasz handshake TCP, vagy UDP felett is - Szöveges (ASCII) üzenettartalommal SIP User Agent Client INVITE sip:pvarga@tmit.bme.hu SIP User Agent Server 200 OK ACK Media Stream BYE 200 OK 39 host.mit.edu sip.tmit.bme.hu
Hang RTP (Real-Time Transport Protocol) csomagban Kodek IP fejrész (20 byte) UDP fejrész (8 byte) RTP fejrész (12 byte) Beszédinformáció (4-100 byte) RTP UDP IP Nagyobb IP csomag: kisebb overhead nagyobb késleltetés 40 VP
VAD Beszéddetektor Voice Activity Detector Ha az adott fél épp nem beszél, akkor nem küldünk jelet csökkenthető a kodek teljesítményfelvétele (mozgó készüléknél jó) sávszélesség spórolható ha van statisztikus nyalábolás, VoIP pl. ilyen Vevő oldalon komfortzaj, hogy ne legyen zavaró a csend Alkalmazás, pl.: mozgó távbeszélő rendszerek műholdas rendszerek VoIP rendszerek telefon kihangosítók 41 VP
Beszédjel csomagolása, visszaállítása 42 tp - szegmens hossz, csomagolási késleltetés T - csomagtovábbítási idő - a hálózaton való áthaladásból eredő késleltetés tr - vevő oldali késleltetés - egy csomag teljes késleltetése VP
Kodek jellemzők 43 bitsebesség 2,4 -- 64 kb/s beszédhang-minőség nehéz objektíven mérni MOS (Mean Opinion Score, átlagolt véleménypontok): 15-40 ember pontoz több mintát, az egészet átlagolják 1: elfogadhatatlan, 2: gyenge, 3: közepes, 4: jó, 5: tökéletes 4 felett: nagyon jónak számít kódolási késleltetés minél nagyobb időszeletet dolgozunk fel egyszerre, annál jobban tömöríthetünk -- nagyobb késleltetés árán 0,125 80 ms VP
ITU-T ajánlás G.729 és G.729A 44 Kódolási összefoglaló Beszéd sávszélesség Bitsebesség Tömörítő algoritmus Megjegyzés G.711 3.4 KHz 45 kbit/s 64 kbit/s PCM Egyszerű amplitudómodulált tömörítés PSTN, ISDN Elhanyagolható késleltetés G.728 3.4 khz 16 kbit/s LD-CELP Szintén 8 khz-es mintavétel G.722 7 khz 48 kbit/s 56 kbit/s 64 kbit/s G.723.1 3.4 khz 5.3 kbit/s 6.4 kbit/s ADPCM LP-MLQ A G.711-nél jobb minőség Közel toll-quality A Netmeetingnél szokásos A GSM-nél még valamivel jobb minőség Bonyolult megvalósítás Nagy késleltetés 3.4 KHz 8 kbit/s CS-ACELP Kis késleltetés A G.723.1-nél még jobb minőség VP
Késleltetés 150-200 ms egyirányú késleltetés felett már kényelmetlen a telefonbeszélgetés (különböző irodalmi források szerint ) Csak a kódolásból adódó késleltetés PCM, ADPCM: kevesebb, mint 1 ms G.729A (CS ACELP): 25-30 ms egy irányban G.723.1 (MultiRate CELP): 100 ms egy irányban 45 VP