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

Video alta calidad Datos alta velocidad Sonido HiFi Videoteléfono

Requerimientos

6 0 Log (t) Log (v) 0 9 Telemetría Voz Datos a baja velocidad

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.

Valores típicos

Servicio E[ s(t) ] B Voz 32 kb/s 2 Datos interactivos 1-100 kb/s 10 Datos masivos 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

Compromiso

calidad/aprovechamiento

Reducción de calidad

Desperdicio de ancho de banda b/s

b/s

t

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

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)

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

Errores en condiciones normales

100 10 1 0.1 0.01 -1 2 3 4 99.64 % 0.20 % 0.04 % 0.12 % Bits erróneos por segundo

Errores durante mantenimiento

100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 -1 2-3 4-99 >-100 65% 23% 2 % 10 % Bits erróneos por segundo

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.

Distribución de probabilidad de

errores típica

0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 -1 2 5 -100 -1000 _Número de bits erróneos consecutivos Bits Paquetes

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.

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

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)

Incremento del tráfico con ARQ

• El número total de retransmisiones es:

R =

Σ

k.(W/2).P .(1-P) = (W/2). P/(1-P) • La probabilidad de que un paquete de L bits

no se entregue correctamente a través de n enlaces es:

P = 1 - ( 1- BER)

• Sustituyendo para R(n) se tiene como

evoluciona el número de retransmisiones con el valor de BER

k

k

Incremento del tráfico con ARQ

Log (R) Log (BER) 12 9 6 3 0 -| -| -| -| | -6 -5 -4 -3 -2 n=4 n=2 n=1 L=1000 bytes

Incremento del tráfico con ARQ

Log (R) Log (BER) 6 3 0 -| -| -| -| | -6 -5 -4 -3 -2 n=4 n=2 n=1 L=48 bytes

Factor de multiplicación

Log [ R(4)/R(1) ] Log (BER) 5 4 3 2 1 0 -| -| -| -| | -6 -5 -4 -3 -2 L = 1000 L = 48

Transparencia Temporal

Red Emisor _Receptor t0 t1 t2 t3 Df = t1 - t0 Dl = t3 - t2

Fluctuación (Jitter)

D Probabilidad 1 0 -Da

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

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

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.

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:

Función de transferencia

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

HBD

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

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.

Red y terminal como funciones

de transferencia

HBD i(t) GBD _o(t) Red Terminal en recepción

Corrección del “Jitter”

D Probabilidad 1 0 -p1 p2 p1: fdp del retardo en HBD

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 Simplicidad velocidad fija Complejidad velocidad variable

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.

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

Conmutación de circuitos

I1 I2 In -- O1 - O2 - On Tabla de traducción ranura/enlace Y X V Z Y X V... a f b a ... X a b X a b... V Z V Z... f c Y f c Y ...

Tabla de traducción

Enlace de entrada Ranura Enlace de salida Ranura I1 1 2 3 … m O2 O1 On … O2 2 3 m … 1 I2 1 2 3 … m In 1 2 … m O1 O1 … On 2 1 … 2

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

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.

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

Conmutación de circuitos con

canales básicos de diferentes

velocidades

H4 : 139,264 Kb/s H1 2048 Kb/s … H1 2048 Kb/s 30 B + D64 2048 Kb/s SYNC 1024 Kb/s Videoteléfono HiFi (x8) NISDN Sincronización Total : 156,672 Kb/s

Arquitectura de nodo

H4 H1 NISDN Control M U X / D E M U X Línea de abonado 156,672 Kb/s H4 H1 NISDN

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

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”

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

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

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

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 tecnología permitía un BER de 10 -6

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.

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

Diferencias entre alternativas de

conmutación de paquetes

X Multiplexación de canales lógicos X X Control de flujo X X

Control de errores (ARQ)

X X X CRC X X X Transparencia de bits (bit

stuffing)

X X

X Cabecera y cola de trama (flags)

Frame Relay Conmutación de tramas (Frame Switching) X.25 Funcionalidad

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

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

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:

número de bytes de información

número de bytes de información + número de bytes de cabecera

Eficiencia con longitud fija

• El valor de la eficiencia es: X

|X/L| . (L+H)

|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

η

=

Eficiencia con longitud fija

• El valor optimo de la eficiencia es: L

(L+H)

• Se cumple cuando los bytes útiles son múltiplo del tamaño de paquete:

X = |X/L|.L

η

=

Eficiencia con longitud variable

• El valor de la eficiencia está determinada por la cabecera y por los delimitadores del paquete

(flags) :

X

X + H + h

h = Parte variable de la cabecera y delimitadores

η

=

V _V

Comparación de eficiencias

100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 -| -| -| -| -| -| -| 48 96 144 192 240 288 336 X η F η FOPT η V % para L = 48 y H = 5

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

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 %

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

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

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)

Requerimientos de memoria

M/D/1

110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 -| -| -| -| -| -| -| -| -| 10 20 30 40 50 60 70 80 90 PLR=10-x x=4 x=10 x=8 x=6 Carga (%) Longitud (paquetes)

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

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.

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:

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

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)

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)

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)

Factor de multiplicación del error

M h (bits) 120 100 80 60 40 20 -0 _{| |} 16 32 48 M1 (i=512) M1 (i=128) M2 (i=512) M2 (i=128) M3

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.