B4. Počítačové sítě a decentralizované systémy Jakub MÍŠA (2006)
5.
Síťové technologie – videokonference a multimediální přenosy, IP telefonie, IP verze 6. Vysokorychlostní počítačové sítě pro vědu a výzkum (Cesnet 2, evropská síť Géant2, síť Internet 2 – Abilene).
Multimediální přenosy – transportní protokoly Pro přenos běžných dat v počítačových sítích je důležitá rychlost a kvalita spojení a také spolehlivost doručení jednotlivých paketů, proto využívají spolehlivý transportní protokol TCP. Ovšem v IP telefonii nemůžeme hlasový záznam nejdříve celý uložit a následně jej odeslat. VoIP vyžaduje přenos dat v reálném čase, tudíž je nezbytné, aby jednotlivé pakety dorazily k cíli ideálně ve stejném pořadí, v jakém jsou odesílány, a jejich časové zpoždění výrazně nekolísalo. Spolehlivý transportní protokol TCP není pro přenosy v reálném čase vhodný, protože obsahuje zabudované řízení chyb. Jestliže dojde ke ztrátě nebo doručení chybného paketu, pokusí se o opětovný přenos. Tato vlastnost je u přenosů v reálném čase spíše nevýhodou. Ztracené nebo poškozené pakety můžeme vypustit, protože později jsou už nepoužitelné. Pro přenosy dat v reálném čase je mnohem vhodnější transportní protokol UDP (User Datagram Protocol). Neobsahuje sice všechny potřebné vlastnosti, ale ty je možné doplnit pomocí dalšího protokolu postaveného nad UDP. Protokol RTP (Real-time Transport Protocol) umožňuje paketizaci hlasových, obrazových nebo textových dat v reálném čase. Nemá sice zabudován žádný mechanismus pro zajištění doručení paketů (datagramů), jejich včasného doručení ani pro doručení ve správném pořadí, ovšem označuje jednotlivé datagramy pořadovými čísly, podle nichž mohou multimediální aplikace rozpoznat, že některý chybí. Cílem je synchronizace přenosu všech druhů dat v reálném čase a popřípadě i zjištění ztráty paketů nebo jejich nesprávného pořadí. RTP nejčastěji pracuje nad UDP a jde o standardní protokol pro přenos hlasu používaný ve VoIP sítích. O bezchybné doručování paketů se stará podpůrný řídicí protokol RTCP (Real-time Transport Control Protocol). Jeho úkolem je vytváření zpětné vazby mezi účastníky relace protokolu RTP, v níž periodicky probíhá výměna RTCP paketů. Přenášené pakety RTCP jsou doplněny o další informace, podle kterých může vysílající strana dynamicky měnit multimediální proud, např. rychlost přenosu na základě požadavků opačné strany. Monitorování pomáhá příjemci detekovat ztrátu paketů a v takovém případě kompenzovat kolísání latence v síti. Tímto způsobem poskytuje protokol RTCP služby řízení toku a kontroly zahlcení sítě. Můžeme tedy říci, že RTP se stará o přenos digitalizované části informací v reálném čase, zatímco RTCP poskytuje zpětnou vazbu obsahující informace o kvalitě přenosového spoje. Ani jeden z protokolů RTP a RTCP však neredukuje celkové zpoždění dat a negarantuje QoS (Quality of Service). Protokol RTP byl navržen nejen pro individuální, ale také pro skupinové přenosy a obousměrný přenos a je tak vhodný pro internetovou telefonii i videokonference. Multimediální přenosy – standardy Většina multimediálních sítí dnes pracuje na distribuované architektuře, konkrétně na komunikačních standardech H.323 nebo SIP. Standard H.323 Tento standard vznikl v roce 1996, kdy bylo přijato doporučení ITU-T H.323, a původně byl určen pro multimediální aplikace. Dnes je již k dispozici pátá verze z roku 2003. Na jeho vytvoření se významně podílely společnosti telekomunikačního průmyslu. Především proto má standard H.323 velmi blízko k telefonním sítím a umožňuje snadnou spolupráci s nimi, avšak z těchto důvodů se zároveň vzdaluje běžným zvyklostem ze sítí počítačových. Pracuje v binárním módu a upravuje protokol přenosu paketů
B4-05
1/5
na formát vhodný pro telefonní síť. H.323 byl prvním protokolem pro provoz VoIP sítí a v současné době je nejrozšířenějším standardem, ale stále více se začíná prosazovat mladší a modernější SIP. Struktura standardu H.323 je velmi složitá, za dobu své existence se z něj stal poměrně robustní protokol. Vzhledem ke své komplexnosti je H.323 jedním z hlavních standardů i pro videokonferenční přenosy dat. Jedná se o celý soubor doporučení, který zahrnuje všechny služby potřebné k přenosu hovoru po síti, mezi něž patří: signalizace volání (H.255), sestavení a ukončení spojení, kódování a komprese zvuku (G.711, G.722, G.723, G.728, G.729), řídicí signalizace (H.245), řízení toku dat, zabezpečení komunikace, registrace, volitelně také kódování obrazu (H.261), protože H.323 je zároveň jedním ze standardů pro videokonference. AUDIO
VIDEO
ŘÍZENÍ
hlas, zvuk
obrazová data
systémová data
AUDIO KODEKY
VIDEO KODEKY
ŘÍDICÍ KANÁL
SIGNALIZACE VOLÁNÍ
SIGNALIZACE RAS
G.711, G.722, G.723, G.728, G.729
H.261, H.263
H.245
Q.931
H.225
RTP, RTCP
VRSTVA H.225.0
LAN
Logická topologie sítě běžící na protokolu H.323 definuje čtyři základní komponenty, které může síť obsahovat: terminál, bránu, gatekeeper a řadič konferencí. Těchto komponent může být v síti i více, ovšem v každém případě minimálně jeden terminál a jediný (nebo žádný) gatekeeper. Terminál – povinná a základní komponenta používaná pro obousměrnou komunikaci v reálném čase. Musí podporovat H.245 na vytvoření přenosového kanálu a výměnu vlastností mezi terminály, H.255 pro signalizaci a sestavení spojení, RAS (Registration, Admission, Status) pro komunikaci mezi koncovými zařízeními, RTP a RTCP k zajištění správného pořadí jednotlivých paketů (audio i video), kódování zvuku podle G.711 a případně také G.72x, T.120 pro kódování videa a konference. Brána (gateway) – slouží k propojení sítí H.323 s ostatními sítěmi (např. ISDN) a funguje jako překladač protokolů mezi nimi. Gatekeeper – představuje volitelný uzel sítě starající se o autorizaci, adresaci a překlad telefonních čísel do IP adres, účtování či směrování, ale na samotném přenosu hlasových a popřípadě i obrazových dat se přímo nepodílí. Řadič konferencí (Multipoint Control) – zajišťuje komunikaci více terminálů a bran, tedy konferenční hovory. Protokol SIP Během roku 1996 začal vznikat protokolu H.323 velký konkurent pojmenovaný SIP (Session Initiation Protocol). Přijat byl o tři roky později a dnes je k dispozici druhá verze protokolu SIP definovaná v RFC 3261. Jedná se o aplikační protokol založený na protokolu HTTP. SIP se vyznačuje zejména svou jednoduchostí a textovým formátem (připomeňme, že H.323 používá formát binární). Tento protokol je dílem převážně expertů na počítačové sítě, proto se na rozdíl od H.323 podobá mnohem více protokolům sítí počítačových než telefonních. SIP je protokolem aplikační vrstvy síťového modelu TCP/IP pracujícím zejména nad transportním protokolem UDP, ale také TCP, a umožňuje inicializaci, modifikaci a ukončování interaktivních relací v reálném čase mezi koncovými zařízeními v síti, která sám dokáže vyhledat. Ve velké míře také využívá dalších protokolů pro internetové přenosy, jako jsou webové aplikace nebo elektronická pošta. Vyznačuje se poměrně malou režií. K navázání spojení mu stačí tři zprávy a dva koncové body. SIP se skládá z několika protokolů, z nichž každý řeší pouze určitou část služeb pro přenos hlasových dat. Díky tomuto řešení lze snadno kterýkoliv protokol upravit či vyměnit a není nutné zasahovat do celého bloku protokolů. Adresní struktura založená na URI umožňuje snadné vytvoření a následný provoz nových aplikací a služeb a jednoduchý přechod mezi internetem a telefonní síti kvůli možnosti současné internetové adresace i použití telefonních čísel. Mezi doplňkové funkce protokolu SIP můžeme zařadit instant messaging (zasílání zpráv), zjišťování přítomnosti online nebo podmíněné B4-05
2/5
přesměrování volání. Velkou oblibu si SIP zákal zejména v mobilních sítích 3G. Objevují se názory, že SIP postupně povede ke konvergenci pevných, bezdrátových a mobilních služeb vedle otevřených možností pro nové služby. Architektura sítí založených na protokolu SIP se skládá z následujících základních prvků. Uživatelské agenty (User Agents) – počítač s příslušnou komunikační aplikací nebo hardwarové telefony podporující SIP. Proxy server – stará se o vyhledávání uživatelů v síti, směrování hovorů a propojení s dalšími sítěmi. Redirect server – směruje volání k dalším uzlům v síti. Registrar – registruje aktuální umístění koncových zařízení (uživatelů). Srovnání H.323 a SIP Zřejmě nejpodstatnější informací je, že oba protokoly nejsou vzájemně kompatibilní. Právě z tohoto důvodu je můžeme postavit do role vzájemných konkurentů. Objevují se názory, že kdyby mladší SIP vznikl ve stejné době jako H.323, pravděpodobně by ho vytlačil a H.323 by se nijak významně neprosadil. Standard SIP je mnohem modernější. Jeho tvůrci se mohli poučit z chyb a nedostatků předchůdce a vyvarovat se jich. Zatímco H.323 byl vytvořen v prvé řadě pro multimediální aplikace a nasazení ve VoIP se dočkal až později, SIP byl od počátku vyvíjen jako protokol s jednoduchou strukturou, který umožňuje rychlé a efektivní zavádění nových služeb. Bohužel standard H.323 neumožňuje využití v mobilních sítích 3G, což může znamenat jeho konec.
Základ Komunikační model Struktura Transportní protokol Podpora 3G mobilních sítí Možnosti rozšíření
H.323
SIP
telefonní sítě peer-to-peer binární především TCP ne složitá, pouze v určitých místech
internet client/server textová především UDP ano snadná, otevřená architektura
Videokonference Videokonference můžeme provozovat na libovolném transportním médiu, které poskytuje dostatečnou šířku pásma, relativně nízkou a nekolísající latenci a další důležité parametry pro požadovanou kvalitu přenášených dat. V minulosti byly k dispozici především telefonní sítě. Zpočátku se jednalo o klasické analogové linky s využitím modemů, později modernější digitální linky ISDN. Společně se zdokonalováním počítačových sítí a nárůstem přenosových rychlostí dochází k přesunu videokonferenčních přenosů směrem z telefonních do sítí ATM nebo perspektivnějších LAN. Tento trend je logický, uživatelé mají k dispozici větší šířku pásma pro samotné přenosy a s tím související rostoucí kvalitu přenášených dat. Pro přenos obrazu a zvuku stačí rychlost komunikační linky už od 64 kb/s, nicméně doporučeným minimem je garantovaných 128 kb/s v případě ISDN a 256 kb/s v případě IP sítě. Rychlost 384 kb/s a výše představuje již tzv. business kvalitu, která je plně postačující pro většinu dnešních videokonferenčních aplikací. Ke spojení pak stačí jedna veřejná IP adresa a správně nastavené firewally. Mezi základní požadavky na kvalitu linky patří: Šířka pásma – spojení musí mít dostatečnou šířku pro přenos všech dat, audia a videa v požadované kvalitě. Latence – spojení musí poskytovat minimální zpoždění zvukových a obrazových dat pro zajištění plynulé komunikace. Isochronnost – jedná se o spojení, které podporuje isochronní přenos audia a videa a jejich vzájemný soulad v čase. Dostupnost – pro uživatele je podstatná snadná přístupnost přenosového média a přijatelné pořizovací náklady na zvolené řešení. B4-05
3/5
Podle použitého transportního média rozlišujeme u videokonferencí jednotlivé standardy pro audio a video zajišťující vzájemnou kompatibilitu jednotlivých prvků od různých výrobců a dodavatelů: H.324 pro analogové linky (PSTN) H.320 pro digitální linky ISDN H.323 pro sítě LAN popřípadě T.120 pro datové konference IP verze 6 (IPv6) Současná verze IP protokolu (verze 4) přestává vyhovovat stávajícím požadavkům na síťové služby. Exponenciální rozšiřování Internetu tento problém ještě násobí. Hlavní problémy IPv4 jsou: Pro adresaci používá pouze 32 bitů. Adresová oblast se tedy může časem vyčerpat s nárůstem počtu zařízení, pro která bude požadováno připojení do Internetu. Směrovací tabulky na páteřních směrovačích Internetu se neustále zvětšují, čímž na těchto zařízeních vznikají problémy s negativním dopadem na provoz Internetu. Aby se snížila na těchto směrovačích časová ztráta při datových přenosech, bylo by třeba vyvinout velmi náročné HW a SW technologie. To rozhodně není nejlepší řešení. IPv4 neumožňuje, aby aplikace požadovaly speciální služby (tzv. QoS – Quality of Service) pro přenosy časově závislých dat, např. multimediální přenosy. IPv4 neposkytuje možnost, aby aplikace mohly žádat vyšší stupeň zabezpečení přenosu dat a autentizaci. V důsledku výše uvedených nedostatků současné verze IP protokolu zahájila IETF (Internet Engineering Task Force) vývoj nového standardu. Výsledek byl publikován v dokumentu RFC1752 popisujícího IP nové generace s oficiálním názvem IP verze 6 (IPv6). Jeho nejvýznamnější rozšíření jsou: Používá mnohem větší adresové pole, prakticky nevyčerpatelné. IPv6 adresa má 128 bitů 96 a je možno adresovat asi 2 krát více zařízení než v IPv4. Zajišťuje rychlejší zpracování režijních informací při průchodu směrovači. Definuje mechanismy zajišťující autenticitu, důvěrnost a celistvost pro IP pakety. Umožňuje aplikacím označit IP pakety tak, aby jim bylo poskytnuto při přenosech speciální zacházení (např. při multimediálních přenosech v reálném čase). Vysokorychlostní sítě pro vědu a výzkum Cesnet 2 CESNET2 je národní vysokorychlostní počítačová síť určená pro vědu, výzkum, vývoj a vzdělávání. Její páteř propojuje největší univerzitní města České republiky okruhy s vysokými přenosovými rychlostmi. Uživateli sítě jsou především vysoké školy, Akademie věd České republiky, ale i některé střední školy, nemocnice či knihovny. Svým uživatelům kromě standardního připojení k Internetu a velkých přenosových kapacit pro vědecké a výzkumné účely nabízí i některé pokrokové a méně obvyklé služby. Patří mezi ně například IP telefonie, videokonference či superpočítačové Metacentrum. V současně době je v provozu páteřní linka s přenosovou rychlostí 10 Gb/s propoující Prahu, Brno, Olomouc a Hradec Králové. Ostatní páteřní okruhy sítě CESNET2 nabízí přenosovou kapacitu 2,5 Gb/s a gigabitový Ethernet, jehož kapacita je sice nižší, ale zato je výrazně levnější. Trasy do menších uzlů nabízejí rychlosti v rozsahu od 10 do 100 Mb/s. Jejich kapacita je průběžně navyšována v souladu s potřebami a reálným provozem konkrétních uzlů. Topologie sítě je patrná z obrázku. Je skládána z kruhů procházejících omezeným počtem měst (ideálně do čtyř měst na jednom kruhu). Cílem je redundantní páteř sítě s nepříliš dlouhými trasami a tudíž s malým zpožděním, které vzniká v aktivních prvcích sítě.
B4-05
4/5
Klíčové je napojení na evropskou síť GÉANT, jejíž uzel se nachází přímo v prostorách sdružení CESNET. Spoj má kapacitu 2,5 Gb/s a prochází jím především provoz mezi akademickými institucemi. Géant 2 První generace evropské páteřní akademické sítě GÉANT byla oficiálně uvedena do provozu v prosinci 2001. Propojila národní sítě pro vědu, výzkum a vzdělávání v Evropských zemích a zajistila jejich spojení s analogickými světovými sítěmi (především v Severní Americe a v Asii). Rozvoj sítě je podporován Evropskou unií v rámci 6. rámcového programu v podobě projektu GN2 - Multi-Gigabit European Academic Network, který byl oficiálně zahájen 1. září 2004. Je zaměřen především na další rozvoj evropské akademické páteřní sítě pod názvem GÉANT2. Doba jeho trvání byla stanovena na čtyři roky. Nová generace sítě GÉANT by měla vedle klasické IP služby nabídnout i přepínání optických tras či vlnových délek. Veškeré její prvky by měly být ovládány jednotnou správou. Předpokládá se nárůst rychlosti jádra sítě ze stávajících 10 Gb/s na několikanásobek. Ostatní trasy budou také provozovány s rychlostmi v řádu gigabitů za sekundu. Projekt klade důraz i na rozvoj méně vyspělých národních sítí, aby se snižovaly digitální bariéry mezi evropskými zeměmi. Síť by měla dokázat poskytovat i prioritní služby a služby s definovanou kvalitou vyžadované některými náročnými aplikacemi. Tyto parametry mají být dosaženy mezi koncovými body, což vyžaduje těsnější součinnost mezi správou sítě GÉANT, národních sítí i koncových sítí připojených institucí. Internet 2 – Abilene Americký projekt Internet2 se snaží posunout možnosti Internetu do nových dimenzí. Jeho cílem není nahradit stávající Internet, ale vyvinout pro něj nové služby a rozšířit jeho možnosti. Trojice hlavních cílů Internetu2 zní: vytvořit síť s parametry na hranici technických možností pro potřeby výzkumu a vzdělávání umožnit a podílet se na vývoji nové generace aplikací napomáhat šíření nových služeb a aplikací do prostředí běžného Internetu, i v mezinárodním měřítku Hlavními účastníky projektu jsou americké univerzity. V začátcích, které se datují do roku 1996, měl 34 členů. V současné době jejich počet překročil 150. Kromě vlastních členů má Internet2 řadu partnerských a spolupracujících institucí. Konkrétní technické úkoly související s infrastrukturou sítě a jejími aplikacemi řeší pracovní skupiny. Jsou úzce zaměřeny na jasně definované oblasti – správu sítě, kvalitu služeb, měření a podobně.
B4-05
5/5
