Datacommunicatie II: Lijst van mogelijke examenvragen

Datacommunicatie II: Lijst van mogelijke examenvragen Tom Van Haute & Willem Dumon - 4Elicti 2009 - 2010

1

Inleiding tot Telefonie

1.1

Bespreek de opbouw van het telefoonnetwerk a.d.h.v. een schematische voorstelling. Welke trends hebben de laatste decennia plaats gevonden?

Figuur 1: Schematische voorstelling telefoonnetwerk

ˆ Lokaal net: abonnees → telefooncentrale (satelliet- of eindcentrale, sectorieel - of zonecentrum), via abonneeleiding = twisted pairs, stervormig dit vormt het access network (cf infra) ˆ Junctienet: lokale centrales (Local Exchange LEX) → zonecentra (Transit Exchange TEX) via junctiekabels, stervormig, TDM of FDM ˆ Interzonaal net: zonecentra onderling via trunkverbindingen, HF - coax - straalverbinding digitaal ˆ Internationaal net: coax - optisch, radioverbinding - satelliet & signaalversterkers Trends:

ˆ 1st alles analoog: contactschakelaars, draaggolftelefonie ˆ tss de grote stations digitaal (coax of glasvezel) = junctie/trunkverbing ˆ digitale schakelaars ˆ nu alles digitaal behalve laatste stuk tot eindgebruiker ˆ volledig digitale transmissie tss eindgebruikers 1

ˆ optische vezels tss LEX’s & TEX’s, soms ook radioverbindingen ˆ vroeger ‘getrapt’ werken: beginnen met dikke kabels & altijd verder opsplitsen, nu optische vezels zo ver mog, last mile twisted pair (wrv 1 gebruikt, andere redundant (2e lijn of backup))

1.2

Behandel TDM (Tijdsmultiplexing) in het licht van de Europese & Amerikaanse systemen

ˆ Europa: – – – –

basisframe = 32 kanalen (= time slots, 0-31) ⇒ elk 8 PCM bits 0: framing, synchronisatie - 16: signalisatie → 30 ´echte spraakkanalen frame = 125 µs → 8000 frames/s → 8 bit/kanaal (met 32 kanalen) ⇒ 2 Mbps Europse hi¨erarchie: 4 basisframes combineren (= systeem 2e orde) ⇒ 8Mbps, 4 2de orde combn (= systeem 3e orde) ⇒ 32Mbps

ˆ Amerika:

– basisframe = 24 ´echte kanalen (= time slots) – elk frame afgesloten met framing pulse F ⇒ 1 frame = 193 bits =⇒ 1.5 Mpbs – signalisatie: 8e bit v elk kanaal in elk 6e frame

2

Digitale Telephonie

2.3

Hoe gebeurt de DAC & ADC van spraaksignalen?

ˆ ADC = Analoog naar Digitaal: continue signaal samplen ⇒ Pulse Amplitude Modulation PAM samples ˆ DAC = Digitaal naar Analoog: LDF met afsnijfreq = fs =

fs 2

waarbij (Nyquist):

1 ≥ 2 . fmax Ts

bij regeneratie: gevoeligheid vr externe storing <<< bij digitale als bij analoge transmissie

2.4

Bespreek de voor- & nadelen van digitale communicatie

Voordelen:

ˆ mulitplexing: TDM = gemakkelijk ˆ verschillende signalen multiplexen mogelijk (vb. data & spraak) ˆ signaleringsinformatie (vb tel-nr) = digitaal ˆ IC technologie ˆ cryptografie gemakkelijk te gebruiken ˆ Signal/Noise ratio zeer goed ˆ Regeneratie ipv versterking: gemakkelijk ruis/storingen eruit want verschil tss 0 & 1 Nadelen:

ˆ spraak: nood aan 64 kpbs = worst case 32kHz ↔ analoog enkel 3.4 kHz ˆ extra circuits nodig voor codecs & modems

ˆ synchronisatie zeer belangrijk (midden v pulse checken ↔ flanken checken) 2

2.5

Wat betekent kwantisatiefouten bij digitalisering van analoge signalen? Waarom bestaat er zoiets als companding?

n bits → 2n mogelijke waarden waarin min/max verdeeld w ¯

Figuur 2: Voorstelling kwantisatiefouten Altijd verschil tss origineel signaal & digitale sample ⇒ verschil = e = kwantiseringsruis (onvoorspelbaar) Q2 e¯2 = 12 Voor betere S/N-verhouding → e¯2 reduceren:

ˆ groter aantal bits: n↑ ⇒ veel bandbreedte nodig vr transmissie ˆ Companding: vast # bits (n = cte ) = nt-lineair ADC: – kleine sign-waarde = dichter bij 0 → kleine stapgrootte Q – grote sign-waarde = dichter bij Vmax → grote Q

8 bits met companding = 12/13 bits lineair (voor dezelfde kwaliteit)

Figuur 3: Voorstelling companding

2.6

Wat is de origine van 64kbps bij overdracht van spraaksignalen? Bestaan er nog andere mogelijkheden?

Origine: transmissie over 3.4kHz samplen ⇒ fs = 2 × forig = 8kHz & 8 bits/sample ⇒ 64kbps Andere afgeleid v PCM met ≈ zelfde kwaliteit:

ˆ Differential Pulse Code Manipulation = DPCM: verschil tss vorig & huidig sample coderen → 56kpbs ⇒ voorspellen ˆ Linear Predictive Coding = LPC (complexere voorspelling): 3 vorige samples opslaan & met bep co¨effn vermenigvuldigen, verschil tss voorspelling & huidig sample opslaan (evt. co¨effn aanpassen = Adaptive LPC) ⇒ co¨effn ook meezenden, lagere bitrate, complexer 3

ˆ Adaptive DPCM = ADPCM → 40kbps (of minder)

ˆ Delta Modulatie → 32kbps, fs = 32kHz & 1 bit/sample

2.7

Wat was het opzet van ISDN?

ISDN: Integrated Services Digital Network: integratie v alle soorten netwerken & services in 1 enkel netwerk (PSTN, Packet Switching, Radio & TV) PSTN: abonneelijn analoog, netwerk meestal digitaal ↔ ISDN: alles digitaal & extra services

2.8

Bespreek BRA & PRA & het gebruik van B- & D-kanalen

ISDN = combinatie B- & D-kanalen

ˆ B-kanalen – – – – –

beschikbaar vr eindgebruiker 64kbps/kanaal (exact → digitale telefonie) optimale QoS (<<<delay, ≈geen jitter, <<<packet loss) circuit switched, packet switched als service mogelijk vr PCM gecodeerde spraak & vr 64kbps data (packet/circuit switched)

ˆ D-kanalen – – – – –

prioriteit voor controle & signalisatie 16 of 64kbps (afh v ISDN toegangstype) packet switched signalisatie-info tss eindgebruiker-netwerk of netwerknodes onderling, altijd voorrang ook beschikbaar vr telemetrie (op afstand meten v parameters)

ˆ BRA = Basic Rate Access: S0 , 192 kbps, gebruikt vr bij eindgebruikers – 2x B-kanaal 64 kbps, per B-kanaal 2 bytes/250µs – 1x D-kanaal 16 kbps – framing, synchr 48 kbps B1(16 bits) B2(16 bits) D(4bits) F&S(12bits)

ˆ PRA = Primary Rate Access: veel hogere transmissiesnelheid nodig, om LAN a/e ISDN-netwerk te koppelen – Europa = S2 : 2048kbps = 2Mbps * 30x B-kanaal 64kbps * 1x D-kanaal 64kbps * 1 kanaal vr framing/synchr 64kbps – Amerika = S1 : 1544 kbps * 23x B-kanaal 64kbps * 1x D-kanaal 64kbps * framing, synchr 8kbps ˆ Gebruik v B-kanalen: in BRA of PRA k¯ de B-kanalen onafh v elkr gebruikt w ¯ – Info-transmissie: * 1 B-kanaal verbindt 2 eindgebruikers, deze lijn k¯ nt w ¯ gesplits dr het netwerk * ≥2 kanalen samen = kanaalbundeling: BRA ⇒ 128kbps (hogere datatransmissie) 3x BRA = 6x PRA ⇒ 384kbps: video conferencing – Packet Switched Operatiemodus: ISDN doet alsof echt X.25 netwerk 4

2.9

Hoe wordt een eindgebruiker aangesloten aan het ISDN-netwerk? Behandel de verschillende interfaces & toestellen binnen de klantinfrastructuur (customer premises)

Figuur 4: Aansluiten ISDN klant

ˆ U-interface = abonneelijn, V-interface = tss Line Termination (LT) & Exchange Termination (ET) → interfaces = reference points tss LT-ET-NT = functional groupings ˆ NT1 = Network Termination type 1 = bel interface tss interne infrastructuur & ISDN-netw, zorgt vr: – conversie v 4 (2 Tx, 2 Rx) → 2 dragers & vice versa

– netwerk onderhoud (testing)

– adressering tt 8 apparaten die ermee verbonden zijn nt-ISDN-apparaten moeten via Terminal Adapter (TA) verbonden zijn Customer Premises:

ˆ Zonder NT2 (Eenvoudig) zie figuur 5, S/T interface (gemeensch) ˆ Met NT2 (voor extra LAN) zie figuur 6, S & T interface zijn gescheiden door NT2 (S meest belangrijke)

Figuur 5: Customer Premises: zonder NT2

Figuur 6: Customer Premises: met NT2 5

Elementen:

ˆ TE1: Terminal Equipment, type 1 = digitale ISDN terminal ˆ TE2: Terminal Equipment, type 2 = non-ISDN end-equipment, vereist TA ˆ TA: Terminal Adapter ≈ protocol convertor ˆ R-interface: is voor de nt-ISDN toestellen ˆ NT2 = Netwerk Termination, type 2 = slimmer dan NT1, k¯ switchen

2.10

Hoe gebeurt de datatransmissie tussen een ISDN klant met PC aangesloten op een modem van 33.6kbps & een POTS klant tevens met een PC aangesloten op een modem van 33.6kbps?

Bij spraak = telefonie: netwerk zorgt voor conversie van protocol & ADC, DAC. Bij data: zie figuur 7

Figuur 7: ISDN - POTS 1. ISDN Terminal produceert 33.6kbps data 2. V.34bis-modem vormt digitaal signaal om tot een analoog signaal (sinusgolf) 3. TA vormt analoog modem signaal om tot 64kpbs digitaal signaal, verstuurt in het ISDN frame format & leidt het pakket naar zijn bestemming over ISDN netwerk 4. Bij Local Exchange van ontvanger → digitaal nr analoog signaal → nr bestemming via POTS abonneelijn 5. bij ontvangers ‘premises’ V.34bis modem: analoog → digitale bitstream (33.6 kbps) Zender & ontvanger moeten dezelfde modem hebben!

2.11

Vergelijk de verschillende voor- & nadelen van circuit geschakelde systemen met de voor- & nadelen van pakket geschakelde systemen voor het gebruik van real-time diensten.

ˆ Circuit Switching: PSTN, ISDN – Voordelen:

* Directe communicatie * Eenvoudige PCM codec * Praktisch gn vertraging, enkel tijd nodig om door netwerk te gn 6

* gn delay jitter * gn velies van code woorden ⇒ hoge kwaliteit!

– Nadelen:

* = 6 netwerken voor spraak & data (internet) * bandbreedte nt volledig gebruikt (35%) ˆ Packet Switching: VoIP – Voordelen:

* Gebruikt enkel bandbreedte wnnr nodig * 1 netwerk (internet) vr data & spraak * goedkoper – Nadelen:

* * * * * *

2.12

Gebruik v pakketten vr transmissie Tijdsvertraging = onvoorspelbaar Delay jitter Pakketverlies afhankelijk v elektriciteit 911 of 112 noodoproepen → plaatsbepaling nt mogelijk

Wat zijn de belangrijkste obstakels voor het gebruik van telefonie & real-time streaming video over het Internet? Bespreek kort

ˆ Gebruik v pakketten: headers & trailers ⇒ te veel overhead ˆ Stille periodes: tijdens gesprek slechts 35% v/d spraakinformatie ˆ Time delay door: – spraak die moet omgevormd w ¯ i/d coder – netwerk transit delay: afstand, packet processing & queues in routers – omvorming in decoder

ˆ Jitter: variatie v/d tijdsvertraging dr variabele queuevertraging ˆ Echo: dr koppeling microfoon & speakers ˆ Pakketverliezen: real time dus gn tijd om heruitzending ˆ Betrouwbaarheid: elektriciteit nodig (pc’s), noodoproepen (plaatsbepaling) & dataveiligheid

2.13

Voor elk van de obstakels voor het gebruik van telefonie & realtime streaming video over het internet, bespreek hoe men deze tracht te omzeilen.

ˆ Gebruik v pakketten: compressie → CS-ACELP: 1 frame (80bits)/10ms = 8kbps ˆ Stille Periodes: – Voice Activity Detector VAD: evalueert energie v/d samples, kanaal geactiveerd als E > Emin , kanaal gedesactiveerd als E < Emin vr bep ∆t probleem: begin v spraak k eruit vliegen: look-ahead: enkele ms in geheugen, kanaal activeren voor spraak ⇒ extra delay 7

– Discontinuous Transmission DTX: mogelijkh v/d codec om transmissie volledig te stoppen als VAD een stille periode detecteert advanced: transmissie nt volledig stoppen, silence mode (minder BW), CNG – Comfort Noise Generation CNG: 8rgrondgeluid dat ontvanger nt denkt dat lijn dood

ˆ Tijdsvertragingen: – in coder/decoder: nt te vl samples per codewoord, maar nt te weinig of compressie heeft gn nut meer ⇒ CS-ACELP – Netwerkvertragingen:

* High-priority routing v spraakpakketten * Reserve netwerkmiddelen → queue-delay zo laag mog * Packethandling versnellen (vb MPLS, zie later) ˆ Jitter: signaal tijdelijk opslaan in elastische buffer & heruitzenden advh gemiddelde inkomst v signaal, extra delay (smoothing delay) ˆ Verlies v Pakketten: Forward Error Correction → proberen te reconstrueren adhv vorige pakketten of gwn vorig codewoord heruitzenden ˆ Betrouwbaarheid: – netstroom: batterijen – noodnummers: vertalen in IP-adres met geografische info – dataveiligheid: encryptie in meeste standaarden

2.14

Maak een high-level schematische voorstelling van hoe de telefooncommunicatie van een IP klant naar een ISDN klant gebeurt. Behandel kort de verschillende blokken & hun functie.

Figuur 8: VoIP - ISDN 1. Geluid spreken: omzetten nr bitstream (ADC) & encoderen (CS-ACELP) 2. Geluid horen: omgekeerde 3. Geluidspakket verstuurd via IP-netwerk met RTP (Realtime Transport Protocol) 4. Jitter Buffer: vangt de vari¨erende tijdsvertragingen op

8

5. IP stack bevat protocollen om connectie op te zetten, geluidspakketten te versturen & verbinding te sluiten 6. ISDN eindgebruiker: klassiek ISDN 7. ISDN ↔ IP ⇒ IP geluidssignalen omzetten nr ISDN geluidssign & omgekeerd → Soort IFW (interworking function) bevat ook:

ˆ IP stack & Jitter buffer ˆ IP voice ↔ ‘lineair’ spraaksignaal (= gn companding/compressie, gwn analoog gecodeerd met PCM) ↔ PCM met companding spraaksignaal (ISDN)

2.15

Wat is RTP?

Real Time Transport Protocol = pakketformaat om audio/video over het internet te sturen, gebruikt RTCP (RControlP), onafh v onderliggende lagen

ˆ voorziet eind-tot-eind netwerk transport functies voor appies die real-time data (audio,video & simulatie) versturen over multicast & unicast netwerkservices. ˆ transport v standaard/nt standaard spraak & video signalen ˆ als in TCP/IP netwerk: meestal bovenop UDP ˆ gn standaard TCP of UDP poort ˆ gn voorziening voor QoS: gn verzkrde aankomst, enkel inkapseling, gn verschil vr routers tss IP - RTP, gn bronadres ˆ elke bron mogelijkheid versturing eigen RTP pakketstream (vb videoconference met 2 deelnemers = 4 RPT-streams (2 audio streams (elke richting 1) & 2 video streams) ↔ MPEG (audio/video gebundeld) dan slechts 2 streams) ˆ Unicast/Multicast: 1 ↔ 1, 1 ↔ veel, veel ↔ veel

2.16

Hoe ziet de header van een RTP pakket eruit? Bespreek kort de functie van de verschillende velden

Figuur 9: RTP header

ˆ Ver = version (2bits): RTP versienummer (geset op 2) ˆ P = Paddingbit ˆ X = Extensionbit ˆ CC = CSRC Count (4 bits): aantal CSRC identifiers die de fixed header volgen = # personen in gesprek ˆ M = Markerbit ˆ PT = Payload Type (7 bits): duidt formaat v payload aan, interpretatie vd payload bij de applicatie (std code mappen of speciale code) & RTP zender altijd 1 PT op elk tijdstip 9

ˆ Sequence Number (16 bits): ++ vr elk verzonden RTP pakket, pakketverlies detecteren, volgorde reconstrueren & initi¨ele waarde onvoorspelbaar (random) ⇒ encryptie betrouwbaarder ˆ Timestamp (32 bits): samplingmoment v/d eerste byte v RTP-datapakket, vr synchr & jitterberekening, initieel randomwaarde ˆ SSRC = Synchronization source (32 bits): identificeert de synchronisatie bron (apparaat v wr data komt vb micro) – random gekozen → geen 2 synchr bronnen in dezelfde RTP sessie zullen dezelfde SSRC hebben, voorzien op detecteren & oplossen van ‘botsingen’ – als deelnemer aan RTP sessie meerdere streams genereert ⇒ versch SSRC’s

ˆ CSRC = Contributing Resource (32bits, rij v 0 → 15 CSRC elementen (elk 32 bit)): identificeert de ‘bijdragende bronnen’ voor de payload, # zie CC-veld, elke CSRC ingevoerd door ‘mixers’ (zorgen dat bvb versch personen in 1 gesprek gemengd w) ¯ & ‘mixers’ gebruiken de SSRC vd bijdragende bronnen (om te syncen)

2.17

Wat is SIP?

SIP = Session Initiation Protocol

ˆ Appie -level protocol vr opzetten, aanpassen & be¨eindigen v/e realtime sessie tss deelnemers in IP netwerk ˆ Belangrijke drijvende kracht: VoIP mogelijk maken ˆ Ondersteunt single media & multimdedia sessies, incl teleconferenties ˆ Signalisatieprotocol: zet e partij aan om oproep te doen nr andere partij & om te onderhandelen over parameters v/e multimedia sessie ˆ Audio/video info-transfer → RTP ˆ Facetten: – – – – –

gebruikerslocatie k¯ veranderen → remote access gebruikersbeschikbaarheid: wil/kan de opgebelde wel antwn gebruikersmogelijkheden: welke media & parameters gebruiken sessie-setup: punt-tt-punt & multipartij calls met over1gekomen parameters sessie-management: parameters veranderen, be¨eindigen, services oproepen

ˆ Componenten: – Client: netw-element dat SIP-requests stuurt & antwn ontvangt, moet nt noodz interageren met e persoon (vb proxy) – Server: netw-element dat SIP-requests ontvangt & antwn stuurt – User Agent UA: in ieder SIP-eindstation, User Agent Client (requests sturen) & User Agent Server (requests ontvangen & accepteren, doorsturen of weigeren) – Redirect Server: gebruikt tijdens sessie init om adres v gebeld apparaat te 8rhalen & stuurt dat door naar apparaat dat wil bellen – Proxy Server: zowel server als client, requests maken vr andere clients, routing (bericht interpreteren, evt. aanpassen & doorsturen) – Registrar: server die Register-requests accepteert (bevatten info die mt bijgehouden w) ¯ – Location Service: info opvragen over locatie v/d beller (SIP op IP mapping) 10

2.18

Hoe verhouden SIP & RTP zich m.b.t. VoIP? Wat is hun functie?

ˆ SIP: – opzetten sessie: adhv Session Description Protocol SDP (hoe media gecodeerd), UAC doet request, UAS ontvangt antw – aanpassen sessie: deelnemers toevoegen, parameters veranderen – be¨eindigen sessie

ˆ RTP: encapsuleren in RTP-pakketten & punt-tot-punt versturen v/d audio/video

2.19

Hoe gebeurt het opzetten van een verbinding voor real-time streaming toepassingen over het Internet mbv SIP? Bespreek aan de hand van een voorbeeld.

1. INVITE sip:jeffdomain2.net 2. 100 Trying (100 = message code) 3. DNS query domain2.net 4. DNS response 196.197.198.199 5. INVITE: to sip:jeffdomain2.net 6. 100 Trying 7. LS Query [email protected]? 8. LS Response: sip:[email protected] ook: Jeff is ingelogd & beschikbaar voor SIP-berichten 9. INVITE sip:jeffdomain2.net als laatste stuurt Louis’ UAC een ACK naar Jeff’s UAS om finaal antw te bevestigen, rechtstreeks zonder proxies want kennen elkaars adres ⇒ data-uitwisseling over ≥1 RTP-streams k¯ beginnen.

Figuur 10: Opzetten van een verbinding mbv SIP 11

3

Optische Communicatie

3.20

Bespreek aan de hand van een figuur de Modified Chemical Vapour techniek voor de productie van optische vezels.

Figuur 11: Modified Chemical Vapour Deposition Techniek Verschillende chloorverbindingen w ¯ gecombineerd met O2 , deze gassamenstellingen vormen laagjes in de glazen buis. Dit k¯ allemaal geregeld w ¯ waardoor het brekingsindexprofiel v/d kern op e quasi continue manier k¯ veranderen (graded index vezels). Het gebruik v chloorverbinding = belangrijk, want Cl2 reageert met H2 O, waardoor geen OH− -neerslag gevormd w ¯ in het glas (OH− -ionen zijn e belangrijke oorzaak v lichtabsorptie, dus v/d verzwakking). Eens het gewenst # laagjes (≈100), w ¯ de holle buis samengesmolten & gebruikt om vezels v/t trekken.

3.21

Hoe gebeurt de lichtgeleiding in een optische vezel & wat is de betekenis van een propagerende mode?

ˆ Totale Interne Reflectie TIR: voldoende kleine hoek (met as v vezel) ⇒ perfecte reflectie ˆ bij 2e reflectie met wand (andere kant) moet de lichtstraal constructief interfereren met zichzelf (in fase) → k¯ enkel bij bepaalde hoeken ⇒ verschillende propagatiemodes 2  2π a ∆ aantal = N = n1 λ n1 = brekingsindex v/d kern λ = golflengte v/h licht a = straal v/d kern ∆ = n1 - n2 = verschil in brekingsindex tss kern & mantel

ˆ verschde modes = verschde voortplangtingsnelheden ⇒ multimodale dispersie

3.22

Bespreek drie mogelijk types van vezel mbt hun eigenschappen aangaande signaaldispersie.

Signaaldispersie: 1 lichtstraal bestaat uit meerdere stralen, die elk hun weg door de vezel zoeken → hoe langer de vezel hoe groter de spreiding 1. Step index multimode vezel: vrij sterke multimodale dispersie aanwezig, gn aanpassingen 12

1 ⇒ nt-axiale moden lopen gedeeltelijk met lagere 2. Graded index multimode vezel: λ ∼ n brekingsindex n, dus grotere snelheid ⇒ transmissiesnelheid v versch moden ongeveer gelijk 3. Step index monomode vezel: vermijden dat >1 mode voortgeplant w ¯ door index ≈5µm

3.23

Geef een overzicht van de verschillende bijdrages tot lichtattenuatie in optische vezels.

1. Scattering:

ˆ Lineaire Scattering: door inhomogeniteiten in het glas – Raleigh Scattering: microscopische inhomogeniteiten (dr variaties in glasdensiteit & -samenstelling), die zich manifesteren als fluctuaties i/d brekingsindex n, wrdoor e lichtstraal w ¯ verstrooid in versch richtingen, wrdoor e deel v/d lichtenergie verloren gaat – Mie Scattering: inhomogeniteiten vglbaar met λ (dr nt-perfect cilindrische structuur v/d golfgeleider, onregelmatige overgang kern-mantel, ingesloten belletjes, fluctuaties in φ, ...)

ˆ Niet-lineaire Scattering: enkel bij heel hoog vermogen – Brillouin Scattering: soort lichtmodulatie tgv thermische moleculaire vibraties i/d vezel – Raman Scattering: ≈ Brillouin, maar vermogensdrempel nodig vr Raman Scat. = 3x groter 2. Absorptie: tgv materiaalsamenstelling & fabricatieproces, omgezet in warmte

ˆ Intrinsieke Absorptie: dr interactie v lichtE met enkele glascomponenten → hoe zuiverder glas hoe minder ˆ Extrinsieke Absorptie: dr onzuiverheden i/h glas, meestal ionen (vral OH− ) ⇒ contact mt H2 O vermijden 3. Kromming v/d kabel: geen TIR meer

3.24

Bespreek de positionering (i.f.v. λ) van de transmissievensters bij optische vezels.

In figuur 12 is duidelijk te zien dat de beste golflengtes λ te vinden zijn bij de minima in de grafiek, nl bij 1300, 1550, & historisch gezien bij 850µm. Hier is de OH− -absorptie minimaal.

Figuur 12: Transmissievensters

13

3.25

Waarom wordt de bandbreedte van een optische vezel uitgedrukt in frequentie × afstand? Illustreer aan de hand van een figuur.

Omwille v dispersie w ¯ e uitgezonden signaal (figuur 13a) gespreid i/d tijd. Als de ontvanger zich dicht bij de zender bevindt, zijn de pulsen ng enigszins te onderscheiden (figuur 13b), als de ontvanger zich te ver bevindt is dit nt meer het geval (figuur 13c).

Figuur 13: Effect van pulsspreiding Hoe verder de ontvanger zich bevindt, hoe trager de pulsen elkr mogen opvolgen → snelheid↓ ⇒ BW = cte , ofwel ver zenden maar trager, ofwel vlug zenden maar minder ver

3.26

Welke soorten disperie zijn er? Wat is hun fysische oorzaak?

ˆ Intermodale = (multi)modale dispersie: tgv verschil in voortplantingssnelheid tss versch modes → tijdsvertraging tov elkaar ⇒ output puls breder ˆ Intramodale = chromatische dispersie: tgv feit dat snelheid v/d puls ifv λ is → licht versch componenten ⇒ versch snelheden

– Materiaaldispersie: brekingsindex = afh v λ → versch λ = versch snelheid ⇒ Laser beter dan LED – Golfgeleiderdispersie: geometrie v/d vezel → groepssnelheid v iedere mode verandert als golflengte v/h licht verandert (bv dr inhomogeniteiten)

3.27

Wat is de betekenis van numerieke apertuur?

Numerieke Apertuur NA = sin(θa,max ) waarbij θa de hoek is waaronder het licht v/d bron de kern betreedt, bij θa,max treedt ng net TIR op. 1 p 2 ˆ step index vezel: NA = n1 − n22 n3 1 p 2 ˆ graded index vezel: NA(r) = n (r) − n22 n3 n3 = 1 als de lichtinvoer vanuit lucht gebeurt

3.28

3.28.1

Welke lichtbronnen worden typisch gebruikt bij optische vezels? Behandel hun voor & nadelen in het licht van hun karakteristieke eigenschappen. LED = Light Emitting Diode

ˆ voorwaarts gepolariseerde PN junctie (= diode) wrbij de E door recomb v gaten & e− emissie v lichtE geeft (in bep kleur die past in 1 v/d transmissievensters) 14

ˆ meestal met al stukje glasvezel er aan verbonden (pigtail ), op e optimale manier a/d LED gekoppeld ˆ nadelen: – oppervlaktestraler ⇒ λ <<

– NA = 0.9 tt 0.2 vr met ingebouwde lens → nt veel licht in kern gebracht

– lage modulatiesnelheid – grote stijgtijd

– grotere bandbreedte → meer kans op chromatische dispersie

ˆ voordelen: prijs, betrouwbrh, eenvoudige sturing, goeie lineariteit tss sturing & lichtvermogen, lager vermogenverbruik 3.28.2

LASER

ˆ ook vrwaarts gepol PN junctie, maar zr hoge stroomdichtheid → populatie-inversie v gaten & e− ⇒ meer gaten & e− in ge¨exciteerde toestand → licht versterkt ˆ nadelen: prijs, betrouwbrh, moeilijke sturing, stroom-licht karakteristiek ifv temp & veroudering (nt lineair dus) ˆ voordelen: groter lichtvermogen, hogere modulatiefreq mogelijk, monochromatischer licht (→ chrom.disp↓), korte stijgtijd

3.29 3.29.1

Welke types van optische detectoren zijn er? APD = Avalanche Photo Diode

invers gepolariseerde PN junctie met opgedreven stroom door licht → lawine doorslag: gaten & e− botsen met andere die ook vrijkomen ⇒ grote stroom 3.29.2

PIN fotodiode

P-gebied + Intrinsiek gebied + N-gebied = diode, w ¯ invers gepolariseerd & stroomgrootte afh v intensiteit v licht. door lichtinval in I-gebied gat-e− -paren gecre¨eerd, die dr inverse polarisatiestroom afgevoerd w ¯ voordeel: zr korte schakeltijd, groter lineair gebied, kleinere donkerstroom & geringe ruststroom nadelen: minder gevoelig dan APD → versterker mee-installeren

3.30

Waarom is ge¨ıntegreerde optica ge¨ıntroduceerd? Welke voordelen zijn er aan verbonden?

Bij ge¨ıntegreerde optica w ¯ de lichtbundel nt 1st omgezet i/e elektrisch signaal om daarop de bewerkingen te doen, waarna terug op optische signalen w ¯ overgegaan. Alle bewerkingen gebeuren op het optisch signaal, zowel het schakelen v/d signalen, doorverbinden of verdelen. Voordelen: compact, bescherming tegen thermale drift, vochtigheid & vibratie, lage stroomeisen & lage kost (bulkfabricatie)

3.31 3.31.1

Hoe werken een beamsplitter & optische schakelaar? Beamsplitter

Y-juncties → signalen v versch bronnen combineren OF vermogen v 1 signaal splitsen. Hoe groter hoek afsplitsing → vermogentransmissie↓

15

3.31.2

Optische schakelaar

brekingsindex n v/d golfgeleider verandert evenredig met aangelegd elektrisch veld → aan ene kant n↑, andere kant n↓ ⇒ dwingen bep uitgang nemen 3.31.3

elektro-optische, geschakelde directionele koppelaar

brekingsindexen v 2 parallelle stripvormige golfgeleiders apart v elkaar regelen met elektrodes → via uitdovende velden buiten geleiders transversale koppeling → optische E overdragen

3.32

Hoe werkt een optische modulator?

De variatie v/d brekingsindex n tgv/e aangelegd elektrisch veld veroorzkt ook e faseverandering v/h licht dat drheen het materiaal voortgeplant w, ¯ deze verschuivingen zijn accumulatief over de volledige afstand doorlopen i/h materiaal.

ˆ fasemodulator: gwn elektrodes a weerszijden v golfgeleider → n veranderen ˆ intensiteitsmodulator: Y junctie → 1 elektr a buitenkanten, andere i/d midden → Y junctie om trug samen te brengen. bij bep spanning 180°faseverandering → destructief: gn sign mr = OFF-toestand

3.33

Wat bedoelt men met dispersion limited & loss limited systems?

ˆ Dispersion Limited Systems = systemen wrbij de dispersie de beperkende factor is ˆ Loss Limited Systems = systemen wrbij de attenuatie de beperkende factor is

3.34

Bespreek de werking & de voordelen van Erbium-doped Fiber versterkers.

Figuur 14: Basisschema EDFA-systeem cf figuur 14: gain medium = optische vezel gedopeerd met zr kleine hoeveelh Erbium (λ-bereik ≈1550nm), optisch gepompt mbv laserdiode, optisch pompvermogen in vezelkern via golflengtemultiplexer WDM. Voordelen:

ˆ gedopeerde filter = compatibel met communicatievezel → direct verbinden ˆ versterking in transmissievenster rond 1550nm → minst fiberverzwakking ˆ EDFA’s koppelen grote BW (35nm) aan hoge winst (30dB) ˆ grote saturatiewaarde v uitgangsvermogen Pout ˆ weinig ruis ˆ bruikbr bij zr hoge snelheden (tt 100Gbps) ˆ ongevoelig vr overspraak & vervorming, perfecte lineariteit boven 100kHz gewaarborgd 16

ˆ versterkingsfactor afh v polarisatie v/h licht gebruiken in: zr snelle trunkverbindingen, distributienetwn mt meerdere kanalen, analoge video distr-netwn & breedband abonneenetwn

3.35

Behandel het principe van backscatter metingen op optische vezels.

Adhv Optical Time Domain Reflectometer OTDR: pulsgenerator stuurt laserdiode aan → door fiber ↔ reflectie nr detector (APD) → Boxcar Averager → logaritmische versterker → grafiek wruit blijkt dat teruggekaatst licht lineair ifv afstand, op fouten na Boxcar Averager:√ ruis uit reflectie, S/N↑ → per punt/tijdstip n samples, gemiddelde ervan → verbetering met n

4

Inleiding tot Wide Area Networks

4.36

Welke zijn de belangrijkste multiplextechnieken die gebruikt worden?

ˆ Frequency Division Multiplexing FDM: vrnamelijk bij isochrone diensten (radio, kabeltv) ˆ (Synchrone) Time Division Multiplexing TDM: isochrone diensten, frames met vaste structuur v time slots ˆ Statistical TDM: nt isochrone diensten, enkel transmissietijd beschikbr stellen vr werkende gebruikers, gn framestruct ˆ Wavelength Division Multiplexing WDM: fibers, gemoduleerde signn v meerdere bronnen drsturen ˆ Dense WDM: (zr) dicht bij elkr liggende λ’s ˆ Space Division Multiplexing SDM: vb meerdere telefoonlijnen/kabel isochrone diensten = synchroon: tijdseisen, timing ↔ asynch

4.37

Hoe verhouden circuit switching & pakket switching zich tot de mogelijke multiplex technieken?

ˆ Circuit Switched: directe verbinding tss bron & bestemming, gn grote tijdsvertragingen, continue datastroom → FDM & TDM mogelijk, zolang de signalen gn vervormingen of tijdsvertragingen ondervinden ˆ Packet Switched: tranmissiecapaciteit gedeeld ifv vraag, bursty trafiek → statische multiplexing ⇒ STDM

4.38

Bespreek de evolutie in de tijd van netwerken aan de hand van een aantal figuren.

ˆ Figuur 15: ipv leased lines, meer versch lokale netwn onderling verbinden = Virtual Private Networks VPNs. Ivm info-transport: meer nr MPLS of optische netwn ˆ Figuren 16a, 16b & 17a: volume v spraakcomm zal nt vl meer toenemen, dataverkeer wel & w ¯ dus belangrijker → POTS-to-Packet revolutie → 1 active network ˆ Figuur 17b: active netwerk (vb IP netw) = backbone, toegankelijk vanuit access networks via de switching

17

Figuur 15: Evolutie in netwerken voor datatransmissie

(a) Verdeling v spraak/dataverkeer - (b) Verdeling spraak/dataverkeer - nu vroeger

Figuur 16: Evolutie van netwerken

(a) Evolutie naar 1 netwerk

(b) Netwerkhi¨ erarchie

Figuur 17: Evolutie van netwerken

18

5

access Networks

5.39

Schets schematisch de lokalisatie van het access netwerk binnen de netwerkhi¨ erarchie & illustreer aan de hand van een voorbeeld.

Figuur 18: Situering van het access network Access netw = deel v/h geheel dat instaat vr verbinding v eindgebruiker a/h core netw

ˆ geschakeld telefoonnetw PSTN: access terminal = telefoontoestel/fax, transmissielijnen = UTP & gateway = Local Exchange LEX (schakelsysteem) ˆ coaxiale kabel = toegang tt CATV netw: terminal = tv/radio, gateway = head end (ontvangen & doorsturen mbv FDM nr abonnees) ˆ air interface = toegang tt mobiel netw: gateway = Mobile Switcing Center MSC, geeft oa toegang tt PSTN ˆ pc’s → inet: access netw = LAN, aangesloten op edge router v inet

5.40

Hoe is een ADSL abonnee aangesloten aan het netwerk? Behandel aan de hand van een figuur de verschillende functieblokken.

Figuur 19: Aansluting van een ADSL abonnee

ˆ bij abonnee thuis: splitter om spraakband v ADSL band te scheiden, modem tss splitter & pc (utp of usb)

19

ˆ twisted pair tot Digital Subscriber Line Access Multiplexer DSLAM: verbindt groot # abonnees met telefoonnetw & /of internet ˆ spraakband signaal nr telefoonnetw POTS geleid ˆ ADSL signaal omgezet in gwn digitaal sign → access aggregation netw → Broadband Remote Access Server → publiek inet/service provider

5.41

Welke aanpassingen waren nodig a/h klassieke coaxiale kabelnetwerk opdat dit ook zou kunnen gebruikt worden voor telefoon- & internetverkeer? Bespreek adhv/e aantal figuren.

Figuur 20: Structuur van CATV netwerk Klassieke coax-netw = CATV: boomstructuur, Head End HE ontvangt gemoduleerd signaal (radio/tv), demoduleren, trug moduleren vr gepaste netw + lokale zenders mee-moduleren → Unidirectioneel netw

Figuur 21: Upgrade coaxiaal nr Hybrid Fiber Coax HFC access netwerk Bidirectioneel:

ˆ v analoge nr digitale transmissie (of combinatie) 20

ˆ bidirectionele versterkers: upstream + downstream band ˆ af te leggen afstand in coax reduceren → fiber ˆ optimaliseren v gebruik v BW (modulatie & multiplexen) ˆ netw verbinden met echt backbone netw (PSTN, ISDN of inet)

5.42

Bespreek de architectuur van Euro DOCSIS aan de hand van een figuur. Wat is de functie v/h CMTS?

Data Over Cable System Interface Specification DOCSIS = nieuwe USA standaard vr bidirectionele toegang tt coax, specifieert fysische & data link laag → Euro DOCSIS (andere fysische laag)

Figuur 22: Architectuur v Euro DOCSIS

ˆ bij abonnee Cable Modem CM: decoderen, aansluiting apparaten via ethernet, usb, PCI of WiFi ˆ Cable Modem Termination System CMTS: – verbinding publiek netw - HFC-netw – toekenning & controle BW in upstreamband: adhv Time Division Multiple Access regelen welke CM wnnr & vr hoelang data mag versturen → tijdslots toewijzen mbv Allocation MAP (MAC management boodschap) – in downstreamband rekening houden met prioriteiten (CMTS enige zender)

5.43

Wat betekent PON? Illustreer adhv/e figuur.

Passive Optic Network = punt-tt-multipunt (P2MP) verbindn , optische vezel (evt optische versterkers onderweg) + passieve splitters → vertakte bus of boomstructuur tt bij eindgebruikers.

Figuur 23: Passief P2MP netwerk = PON Passief omdat splitter passief element is, splitst signaal gwn op, versterkt het nt i/d deeltakken

21

6

Trafiekanalyse

6.44

Bij trafiekanalyse wordt er onderscheid gemaakt tussen twee types van netwerken. Welke zijn deze & op basis van welk criterium maakt men dit onderscheid?

Onderscheid adhv criterium overbelasting 1. Verliesnetwerken: bij overbelasting w ¯ een nieuwe aanvraag gwn verworpen 2. Vertragingsnetwerken: nieuwe aanvraag w ¯ wel aanvaard, maar deze w ¯ i/e w8lijn geplaatst tt wnnr er meer netwerkcapaciteit beschikbr is Circuit switched netw = verliesnetw ↔ packet switched = vertragingsnetw

6.45

Hoe wordt trafiek intensiteit (A) bepaald? A =

Volume som v alle houdtijden = tijd dat volume gemeten is tijd

[A] = Erlangs (dimensieloos) Max capaciteit v 1 kanaal = 1 erlang (kanaal voortdurend bezet) A = λ × tm λ = gemiddeld aankomsttempo

6.46

tm = gemiddelde houdtijd

Waarom is het, in het licht van trafek analyse, aantrekkelijk om zoveel mogelijk diensten onder te brengen binnen ´ e´ enzelfde netwerk?

Reductie v/d infrastructuur: grote groepen werken beter dan kleine groepen omdat het minder wss is dat alle eindapparatuur tegelijkertijd vl trafiek aanvragen doet. Bij een kleinere cluster neemt die waarschijnlijkheid toe.

7

Transporttechnieken in Backbone Netwerken

7.47 7.47.1

Hoe ziet een STM-1 & meer algemeen een STM-N frame eruit? STM-1

Synchronous Transport Module o/h 1e niveau binnen SDH hi¨erarchie = frames die binnen SDH (Synchronous Digital Hierarchy) w ¯ gebruikt om data te transporteren, bevat:

ˆ 9 rijen van elk 270 bytes of octetten (per rij 9bytes gereserveerd als overhead vr besturing v/d transmissie, rest (261bytes/rij) beschikbaar vr transmissie v info (payload)) ˆ Dus in totaal: 2430bytes = 81bytes overhead + 2349bytes payload ˆ frame duurt 125µs, onmiddellijk erna volgende frame → gesynched op 8kHz klok (= gebruikt vr sampling v spraaksignalen) ˆ bitrate = 155,520 Mbps ˆ payload capaciteit = 150,336 Mpbs of 2349bytes om de 125µs

22

7.47.2

STM-N

Hoger-orde frames → N geeft hi¨erarchische orde aan. Tijdsduur = 125µs onge8 de orde!

ˆ 9 rijen van elk Nx270bytes = overhead v 9 rijen v Nx9bytes + payload v 9 rijen v Nx261bytes ˆ bitrate = N x 155,520 Mbps (bitrate v STM-1 frame) Voornaamste standaarden: STM-1 (155,520Mbps), STM-4 (622,080Mpbs), STM-16 (2,48832Gbps) & STM-64 (9,95328Gbps)

7.48

Welke structuur wordt gehanteerd voor het plaatsen van data binnen een STM-frame?

ˆ STM-frames bevatten hoger-orde (HO-VC) & lager-orde virtuele containers (LO-VC) ˆ Virtuele container: bevat ook veld met overhead informatie ˆ Virtueel: logische eenheden die enkel i/e STM frame bestaan. Containers bevatten informatie die moet getransporteerd w ¯ op het betreffende niveau ˆ Container: grootte aangepast a/d bandbreedte v/d te transporteren signalen ˆ Virtuele container: POH (Path Overhead ) + container ˆ Hoger-orde virtuele container bevat meerdere lager-orde virtuele containers → belangrijk virtuele containers perfect te k¯ lokaliseren, dmv: – Tributary Unit (TU): combinatie (LO-)VC met bijhorende pointer (header) – Tributary Unit Group (TUG): # TU’s gegroepeerd – Administrative Unit (AU): Verdere groepering (van TUG’s) – Administrative Unit Group (AUG): 6= AU’s gegroepeerd → w ¯ verpakt in STM-N frame

7.49

Bespreek kort de verschillende netwerkapparatuur die gebruikt wordt binnen een SDH-netwerk.

1. access Mulitplexer (AM): mulitplexing van 6= signalen in 1 STM-1 frame. Samennemen v signalen & mulitplexen = grooming (Hoger-orde AM: 6= STM-1 frames multiplexen tt 1 STM-4 frame) 2. Add/drop Mulitplexer (ADM): tributary signalen toevoegen aan / opnemen uit STM-N frame dat mulitplexer passeert 3. Digital Cross-connect (DXC): gebruikt in backbone netw, of op niveau v/d gateway tss regionaal & backbone. Structuur DXC ≈ Structuur ADM, alleen DXC groter & meer poorten (192). Van 1 → 3 ⇒ complexiteit %

7.50 7.50.1

Wat is de betekenis van virtuele kanalen & paden binnen een ATMnetwerk? Welke voordelen zijn er aan verbonden? ATM: Virtuele kanalen & paden

ˆ Ansynchronous Transfer Mode (ATM): transmissietechniek, gesitueerd binnen data link laag, vr backbone of access netwerken (vooral backbone, voor access te duur)

23

– voordelen v packet & circuit switching combineren (opl vr nadelen v beide) – pakketjes met cte lengte = cellen – gebruikt statistische multiplexing (STDM) – steunt op betrouwbre technologi¨en in fysische laag: SDH, SONET, PDH & DWDM – altern. naam: Cell relay

ˆ Virtuele kanalen & paden – w ¯ gebruikt om info te transportern tss: gebruikers, gebruikers & netw.knoopptn of netw.knoopptn onderling – identifiers geassocieerd (identifier = soort adressering, om cellen nr bestemming te leiden) – Virtuele kanalen = Virtual Channel Connections (VCC), vglbr met virtuele circuits, of logische verbinding in frame relay, full duplex stroom v cellen & opgezet tss:

* 2 eindgebruikers: nt enkel vr datatransport mr ook controle info tss beide. VPC tss eindgebrs biedt bep capaciteit. De organisatie v versche VCC’s in 1 VPC = verantwheid v/d eindgebruikers (vw: totale capaciteit VPC nt overschreden). * eindgebruiker & netw-entiteit = user-to-network signalisatie. VPC ook beschikbaar vr alle trafiek tss gebruiker & netwerkknooppt * 2 netw-entiteiten = network-to-network. VPC gebruikt om gemeensche route o/t zetten om info uit te wisselen vr netw-management, routing fties – Virtuele paden = Virtual Path Connection (VPC): omvat bundel VCC’s tss dezelfde eindpntn, alle cellen binnen alle VCC’s v 1 VPC → zelfde route dr netwerk & om kosten te beperken (acties netwerk management w ¯ beperkt tt VP’s v VC’s) – 1 Transmissiepad →6= VP’s & 1 VP →6= VC’s – Eigenschappen:

* Quality of Service (QoS): gebruiker v VC krijgt meteen QoS, specifieerd dr parameters: cell loss ratio & cell delay variation * Switched & permanent VCC’s: controlesignn nodig vr switched * Cell Sequence integrity: celvolgorde binnen 1 kanaal gegarandeerd * Traffic parameter negotiation & usage monitoring: eindgebruiker k¯ vr elk VC trafiekparamters onderhandelen met netw, transmissie gecontroleerd dr netw, zodat gebruiker parameters nt overschreidt (vb parameters: gem trafieksnelh, pieksnelh, duur eventuele pieken, burstiness,..) → problemen (opstopping) voorkomen * Virtual channel identifier restriction wihtin a VPC: ≥1 VCI waarden in VPC nt beschikbr vr eindgebruikers → gereserveerd vr network management 7.50.2

Voordelen

ˆ Ver1voudigde netwerkarchitectuur: transportfies scheiden in 2 groepen: betrekking op individuele connectie (VC) & op groep logische verben (VP) ˆ Verhoogde netw-performantie & betrouwbaarheid: netw dient zich met kleiner #, gegroeperde entiteiten bezig te houden ˆ Minder processing & korte set-up tijd voor connecties: als VP opgezet meeste werk gedaan → in begin genoeg capaciteit vr VP reserveren → nieuwe verbinden w ¯ opgezet dr eenvoudige acties in eindptn, netw hoeft nt tss te komen ˆ Betere netwerkdiensten: VP w ¯ binnen netwerk gebruikt, toch zichtbr vr eindgebruiker → k¯ closed user groups of closed networks van VC bundles defini¨eren 24

7.51

Hoe gebeurt de synchronisatie bij cell-based transmissie van ATMcellen?

Gn framing → interface structuur gwn continue stroom v cellen (53 octetten) ⇒ problen met synchronisatie: gn framing/synch-veld. Oplossing synchronisatie: gebruik maken v/d HEC (Header Error Control) (De header v ATM-cel = 5 bytes, 1e 4 (32bits) = headerinfo + ltste = HEC-waarde (8bits)) State 1: HUNT state → cell-delineation algoritme probeert celgrenzen af te lijnen. ‘Kijkt’ door een 32 bits groot venster naar binnenkomende bitstroom & berekent checksum op groep v 32 bits → resultaat = 8 bits woord → vglen volgende 8 bits o/h venster (=HEC):

ˆ over1stemming? ⇒ groep 32 bits wss 1e 4 bytes v/d cel

ˆ gn over1stemming? ⇒ venster 1 bit opschuiven & opnieuw controleren tt over1stemming In HUNT dus op zoek nr checksum = HEC-waarde mbv bit-per-bit op te schuiven venster (Byte-sync nt niet gerealiseerd!) als correcte aflijning header gevonden → overgaan nr PRESYNC staat (vanaf nu w´el byte-synch) State 2: PRESYNC state: headergrenzen correct → cellen ontvangen ⇔ nt volkomen zeker: berekening in HUNT k¯ toevallig verkeerd afgelijnd zijn ⇒ onmiddellijk dedecteren in PRESYNC staat: 1 HEC-fout gevonden = terug naar HUNT. in PRESYNC vr elke cel telkens opnieuw checksum controleren & vglen met HEC uit header → juiste aflijning blijven controleren, na δ x checksum = HEC-waarde → aannemen synch ontvanger gerealiseerd → overgaan nr SYNC State 3: SYNC staat → HEC-code gebruiken vr foutencontrole binnen header. Hier aannemen dat aflijning v/d cellen bij ontvangst nt meer perfect → als HEC controle α op1volgende keren foutief → terug naar HUNT Parameters:

ˆ δ: grote waarde = grote tijdsvertraging bij realiseren synchronisatie, garandeerd wel grotere robuustheid tgn verkeerde aflijning ˆ α: grote waarde = grotere vertraging bij herkennen verkeerde aflijning, robuuster tgn verkeerde interpretaties

Figuur 24: Statendiagram bij cell-synchronisatie Voordeel: 1voudige interface omdat op 6= niveaus (ATM-laag, fysische laag) gemeensch structuur w ¯ gebruikt

25

7.52

Bespreek de SDH-based transmissie van ATM-cellen.

ˆ Bij SDH-based physical layer w ¯ SDH framing structuur opgelegd → cellen verpakken in SDH frame ˆ Payload STM-1 frame → structuur = 9 rijen v 261 octetten wrbij 1e octet v elke rij = path overhead ⇒ vr transmissie ATM-cellen: 9 rijen v 260 nuttige payload = 2340 octetten, 6= veelvoud v 53 (= ATM-cel) → cel gesplitst over grenzen v rijen ´en SDH containers heen ˆ Celgrenzen nauwkeurig bepalen → path overhead gebruiken (1e octet elke rij). Aan zendzijde krijgt path overhead e waarde (0→52) = # octetten t eerstvolgende celgrens. ˆ SDH-payload verpakt in SDH-frame = 9 rijen v 270 octetten (1e 9 v elke rij = overhead) → per rij 261 nuttige octetten = SDH payload = STM frame, daarvan 1 octet path overhead. ˆ Voordelen: – SDH-frames → zowel vr transport v ATM cellen, als transmissie v synchrone informatie (STM gebaseerde payloads) → zr snelle optische verbindingen realiseren, bruikbaar vr 6= types circuit-switched communicaties – specifieke verbindingen k¯ circuit-switched zijn, mbv SDH-kanaal (vb video (cte bitrate) onderbrengen in eigen SDH frame dat op circuit-switched wijze behandeld w) ¯ → effici¨enter dan ATM switching – dr gebruik SDH synchrone multiplexing → meerdere ATM bitstromen combineren → interface aan hoge snelheid realiseren (vb 4 ATM datastromen aan 155 Mbps (STM-1) combineren ≡ 622 Mbps STM-4 interface ⇒ kosten-effici¨enter dan direct 622 Mbps interface voorzien)

7.53

Hoe gebeurt de congestie controle bij ATM-netwerken?

Congestion control = opstoppingscontrole. hoge transmissiesnelh, vl 6= diensten (& eigen trafiekvereisten) & beschikbr stellen v synchrone diensten met variabele bitrate ⇒ vrkomen overbelasting & opstopping in ATM netwerken nt eenvoudig. Cellen i/d switches behandeld bij aan ratio v 3µs bij 155Mbps, aan 0,7µs bij 622Mbps ⇒ vl cellen verloren bij overbelasting → heruitzendingen ⇒ preventieve acties vr opstopping noodz Voorzorgen op niveau v toesetaan van oproepen & cel transmissie zelf : Call level control:

ˆ 1e vorm v preventieve congestion control. ˆ Nieuwe oproep enkel toegelaten op vw dat netwerk denkt dat te verw8en trafiek effectief zal k¯ behandeld w. ¯ Daarom moet er vr er een aanvraag w ¯ gedaan → schatting maken v vereiste BW. ˆ tijdens call setup fase → eindgebruiker netw informeren ivm karakteristieken v aangevraagde verbinding (gem BW, piekwaarde, duur v/d pieken) & bij synchrone activiteit → ook synchvereisten meegeven ˆ rekening houdend met QoS, netwerk beslissen of oproep doorgaat of nt ˆ in geval van nood → cellen vernietigen, uit stroom halen (rekening houdend met Cell Loss Priority bit) ˆ gebruik v leaky bucket policy: netw genereert tokens in over1stemming met gem transmissiesnelh v ATM cellen. tokens w ¯ opgeslagen in token pool (= leaky bucket ) → nieuwe cel probeert token uit pool te halen → gelukt = cel toegelaten vr transmissie ↔ pool leeg = discard label: als gn congesties optreden i/h te volgen pad. 26

ˆ congesties op lange termijn helpen vrkomen: trafiek op beheersbaar peil houden ˆ vermijdt opstoppingen op korte termijn ´en reduceert burstiness v/d datastroom. Toegekende BW k¯ kortstondig overschreden w ¯ → extra flexibiliteit vr gebruikers

7.54

Bespreek twee types van switches binnen een ATM-netwerk.

ATM switching

ˆ gebaseerd op behandelen van cellen, nt schakelen v bits/bytes. Switching v cel = v input port nr geselecteerde output port leiden. Ieder pakket drheen switch geleid obv info uit header ˆ moet behandeling v zowel data als in cellen ondergebr8e spraak- & videosignalen mogelijk maken 1. Batcher-Banyan of Matrix Switch:

ˆ samengesteld uit # opeenvolgende trappen, elk 1 of meer tweeweg poorten bevatten. ˆ poort = 2 ingangen & 2 uitgangen: gekozen uitgang w ¯ belist door 1 bit vd header: – bij ‘0’ w ¯ cel nr bovenste uitgang geleid – bij ‘1’ w ¯ cel nr onderste uitgang geleid

ˆ op1volgende adresbits (VPI/VCI) uit header zullen in opeenvolgende poorten 1 v beide uitgangen selecteren, ifv de waarde vd adresbit. ˆ na behandeling v laatste adresbit bereikt die cel ´e´en welbepaalde uitgang. (Vb. adres 101, bij gelijk welke ingang kom je al tijd terecht bij uitgang 5. Zie figuur ??. ˆ hardware schakelaar: volledig uit Silicium ˆ vrij goedkoop te realiseren & werkt uiterst snel (routing delay ≤ 0,3µs

ˆ Voornaamste nadeel: op moment dat 2 of meerdere cellen nr zelfde output w ¯ gestuurd → 1 cel drlaten, andere opnieuw dr schakelaar → tijdsvertraging. Multi-/broadcasting: aan ingang v schakelaar detecteren → betreffende cel nr groep of nr alle uitgangen leiden ˆ vooral aantreffen bij de publieke operatoren (= PTT’s)

Figuur 25: Batcher-Banyan switch matrix 2. Contentionless time division switching fabric:

ˆ nagenoeg vrij v kans op blokkering ˆ ring met hoge transmissiesnelheid verbindt alle IO-poorten (vb 2.5 Gbps = 16 x 155 Mbps = som v transmissiesnelheden v alle I/O lijnen) (zie figuur 26) ˆ Mulicast transmissie mogelijk zonder cel te m ¯ kopi¨eren: ´e´en bepaalde cel op ring plaatsen, en w ¯ door alle poorten gelezen 27

ˆ vooral aantreffen in LAN omgevingen

Figuur 26: Contentionless time division switching fabric

8

MPLS netwerken (Multi Protocol Label Switching)

8.55

Voor wat staat MPLS & bespreek?

ˆ Doel: dataverwerking v IP netwerken versnellen, IP netwerken voorzien v/e min QoS (delay, jitter, Bit Error Rate, verlies v pakketjes) ˆ Orinele bedoeling: samenwerking tss IP & ATM mogelijk maken ˆ Nadien uitgebreid tot MultiProtocol: 6= protocollen bedienen zowel in laag 2 als 3 ˆ te situeren tss Netwerklaag & Data Link laag ˆ Label Switching: – Switching, gn routing (laag 2 ipv laag 3) → pakketjes slechts uitpakken tt laag 2!

– Label: switching gebaseerd op waarde v/h label dat aan pakket is gehecht label = korte entiteit/veld met vaste lengte, bevat gn interne structuur, gn codering v netwerkinformatie (zoals IP-adres) & identificeert pad nr de bestemming (vb VPI/VCI bij ATM, Shim label, Data Link Connection Identifier bij Frame Relay) – ⇒ Packet forwarding gebaseerd op waarde v label & gebruik v forwarding tables

ˆ Multi Protocol: MPLS moet k¯ gebruikt w ¯ met grote verscheidenheid aan laag 2 & 3 protocollen ⇒ MPLS = encapsulation protocol ˆ MPLS functionaliteiten situeren zich tss laag 2 & 3 → SHIM layer

8.56

Hoe gebeurt de datatransmissie in een MPLS netwerk? Behandel de betekenis en/of functionaliteit van LER, LSR & LSP. Illustreer aan de hand van een figuur.

MPLS:

ˆ gebaseerd op gebruik v/e label, geassocieerd a/h pakket, identificeert pad nr bestemming, combinatie van input port wr pakket bij switch/router aankomt + waarde v/h label. Deze bepalen op ondubbelzinnige wijze uitgangspoort & ‘next hop’ wrheen pakket moet gestuurd w ¯ ˆ Label w ¯ gebruikt als entry vr tabel, geassocieerd met input port ⇒ Label Switched Router (LSR)

28

ˆ Enkele begrippen: – LSP: Label Switched Path (= MPLS verbinding) – LSR: Label Switched Router – Edge LSR = LER: Label Edge Router = LSR aan in- of uitgang (rand vh MPLS netwerk)

* Ingress LSR: plakt er een label aan (router aan ingang) * Egress LSR: shim-layer er vantussen halen (router aan uitgang) – LIB = Label Information Base: transmissie drheen MPLS gebaseerd op info uit LIB)

* * * *

w ¯ bijgehouden in elk MPLS device LIB → geeft verband tss inbound interface & label ⇒ outbound interface & label Input & output frame bevatten meestal 6= labels label swapping = incoming label → outgoing label, gebaseerd op exact match algorithm

ˆ bestaat uit meestal comb v IP (inter)netwerk layer & switched NAP layer (vb ATM, ethernet) ˆ LSR: – k¯ overweg met IP routing & MPLS signalisatieprotocollen – interfaces voorzien, gebaseerd op gebruikelijke standaarden – funcioneren met standaard IP protocollen & resource reservation protocollen (RSVP) Uitleg bij figuur 27 (vb v datatransmissie):

ˆ DTE 1 wil sturen naar DTE 2 ˆ DTE 1 probeert verbinding o/t zetten met DTE 2 & geeft aan dat hij MPLS wil gebruiken (vb omwille QoS) ˆ Eerst: LSP opzetten tss DTE 1 ↔ DTE 2 ˆ Route 1 → 2, steunend op IP adres van DTE 2 & gebruik v netwerklaag signalisatie ˆ Route bepaald & gekend: LSR’s spreken af ivm labels: geassocieerd aan LSR interfaces (= aan de links tss op1volgende LSR’s) & afh v bestemming ˆ LSP = aan1schakeling v LSR’s, betrokken interfaces & labels ˆ LSP opgezet ⇒ DTE 1 k¯ datatransmissie v pakketten nr DTE 2 starten: – DTE 1 geneert boodschap, stuurt nr LSR A (= edge, ingress LSR: verbindt MPLS netwerk met buitenwereld, hier komt pakket binnen) – LSR A bekijkt bestemmingsadres (meestal IP-adres), associeert label aan pakket (hier label L1 ) & stuurt pakket verder (forwarding) via interface A2 Binnen netwerk staan ATM switches, routers,... in vr doorgeven (switching) v pakketten in over1stemming met waarde v/h label ⇒ minimale lookup overhead (minimaal delay)

– Pakket bereikt LSR B via interface B1 – LSR B raadpleegt zijn LIB (look up)

* * * *

LIB bevat relaties tss input interface & label, output interface & label Input vr de LIB: interface B1 plus label L1 LIB ⇒ stuur pakket verder via interface B2 met label L2 LSR C is de next hop

– Pakket komt aan bij LSR C via interface C1 29

LIB

* C1 & L2 −−→ doorsturen via interface C2 met label L3 , next hop = LSR D * Pakket w ¯ verder gestuurd nr LSR D met label L3 – Pakket komt aan bij LSR D via interface D1

* D1 & L3 ⇒ stuur pakket nr bestemming DTE 2 * LIB: levert bestemmingsadres (meestal IP adres) * bestemming te bereiken vanuit LSR D (= egress LSR = edge LSR) – Pakket bereikt bestemming DTE 2 – LSR B & LSR C = intermediate LSR’s (= k¯ al dan nt edge LSRs zijn)

Figuur 27: Voorbeeld datatransmissie adhv MPLS (Tot slot: k¯ je zien aan een pakket dat het door een MPLS netwerk is gegaan? ⇒ Nee!)

8.57

Waarom werd MPLS ge¨ıntroduceerd?

1. Vraag naar QoS

ˆ IP is netwerkprotocol vd toekomst MAAR levert nt nodige QoS vr de voorziene toepen ˆ QoS = specificatie v performantie, kwantitatief bepaald dr performantie parameters (S/N ratio, BER, Message throughput rate, delay & jitter) ˆ Voordelen v ATM: vrziet QoS niveaus (vb ATM providers k¯ maximale end-to-end vertraging garanderen (ATM k¯ spraak transporteren, & bestaande IP netwerken NIET!) 2. Groei v/h internet

ˆ Explosieve groei, gebruikers vragen mr bandbreedte → nood aan switches & routers met hogere performantie, goede gelegenheid om label switching in te voeren ˆ Voorzien van: grotere & snellere netwn , mr aangesloten gebruikers & mr routes in routing tabellen ˆ Oplossing: scalable network design1 ˆ Scalability: geschiktheid v/e netwerk om in al zijn dimensies te groeien, zonder grote problemen (zoals exponenti¨ele groei v/h # transmissielijnen, nood aan hl vl apparatuur) ⇒ MPLS levert scalability! 1 Vb:

als men ´ e´ en router toevoegt, dat men dan geen 500 nieuwe verbindingen moet maken i/h netw

30

ˆ IP: – Gebruik v klassenadressering → tekort aan adressen – Daarom Classless Inter-Domain Routing CIDR ge¨ıntroduceerd – Gevolg → complexere routing algoritmes: te installeren in alle routers

ˆ Label Switching:

– Welbepaald, vast forwarding algoritme (in hardware te implementeren) – Nieuwe controletechnieken mogelijk zonder wijzigingen v/h forwarding algoritme 3. Integratie van IP over ATM

ˆ Belangrijk vr evolutie nr MPLS: IP datagrammen versturen via ATM netwerken ˆ Reden: ATM switches leveren hogere performantie dan vb IP routers ˆ ! ATM & IP architecturen zijn 6=:

– IP → gebaseerd op datagram service ⇒ CLNS (Connectionless Network Services) – ATM → verbindingsgeori¨enteerd ⇒ CONS (Connection Oriented Network Services) – ATP & IP gebruiken 6= adresseringen ˆ Label switching k¯ helpen verschillen te overbruggen

ˆ ATM → attractief om een Internet backbone te bouwen:

– ATM switches hebben hoge performantie – ATM is ontwikkeld vr gebruik via wide area links – Vb: IP/ATM netwerk → figuur 28: backbone met ATM switches & toegang tt ATM netwerk via IP routers =⇒ bekend als overlay model : * ATM: netwerk met high speed verbindingen, switching i/d kern v/h netwerk * IP network: opgebouwd rond stel routers * IP routers: verbonden met ATM virtuele circuits ⇒ voorzien i/d forwarding v IP pakketten, IP routing domineert rand v/h netwerk

ˆ Probleem: ATM & IP gebruiken compleet 6= protocollen & werden ontwikkeld vanuit 6= oogpunten (zeker nt om te m/ ¯ k¯ samenwerken) ˆ Ip netwerk bovenop ATM (‘overlay’)

– Alle routers schijnen onderling direct verbonden op het niveau v/d netwerklaag – Tss de routers switched ATM connection – Iedere router is (logisch) verbonden (adjaceny) met elke andere router i/h netwerk

ˆ Verbinding tss routers: ATM VC’s → volledig maas v VC’s verbindt de routers

ˆ Probleem: veel VC’s nodig om alle routers te verbinden (# VC’s vr verbinding v N N · (N − 1) = N 2 probleem! routers: 2 ˆ Beperking v/d scalability v figuur 28 ⇒ probeer IP protocollen te draaien i/d ATM switches – ATM switch stuurt pakketten door dmv label swapping – IP protocollen w ¯ gebruikt om de forwarding tables te bepalen & de netwerkfaciliteiten te reserveren

ˆ Label switching ⇒ LSR: werkt onder IP controle- & routingprotocollen & is te implementeren met aangepaste ATM hardware ⇒ in figuur ATM switches vervangen dr LSR’s

31

Figuur 28: Overlay netwerk

8.58

Voor wat staat FEC? Wat is de betekenis ervan binnen een MPLS netwerk?

FEC = Forward Equivalence Classes:

ˆ Groep pakketten die op dezelfde manier k¯ behandeld w ¯ (mbt het verder sturen of vergelijkbare vereisten ivm het transport) ˆ Gebruik van FEC’s: pakketten groeperen i/e eindig # subsets & alle pakketten i/e subset w ¯ op vglbare manier behandeld ˆ Vb van FEC’s (onderstel: IP = netw-protocol) – Een stel unicast packets met zelfde destination IP adress prefix : de FEC w ¯ geassocieerd met deze prefix – Een stel multicast packets met zelfde source & destination IP adress – Een stel unicast packets met zelfde destination IP adress prefix & met onderling over1stemmende ToS (Type of Service) bits Alle pakketten in zo’n groep ondergaan zelfde behandeling gedurende transmissie

ˆ Belangrijke forwarding entry i/d router: next hop router voor deze FEC ˆ ⇒ constructie v/e forwarding table: opstellen v/e set FEC’s & samen met next hop voor ieder van deze FEC’s ˆ Besluit: MPLS functionaliteit gebaseerd op: – Groeperen v/d trafiek in FEC’s – Trafiek door het MPLS domein volgt een LSP – Individuele pakketten i/e FEC maken deel uit v deze FEC ⇒ gebruik v/e locally significant label

8.59

Wat betekent het stacken van labels & welke voordelen zijn er aan verbonden?

ˆ = krachtige eig v MPLS: mogelijkheid om label stack te gebruiken ˆ pakket k¯ verscheidene labels dragen → georganiseerd als een Last-In-First-Out (LIFO) stack 32

ˆ Processing steeds gebaseerd op top label ˆ Iedere LSR k¯ label toevoegen aan (push) & verwijderen v/d stack (pop) ˆ Label stacking → creatie v/e tunnel ˆ Meerdere LSP’s k¯ ondergebracht w ¯ in ´e´en LSP vr een deel v/d route doorheen het netwerk – Begin v/d tunnel: LSR kent 1zelfde label toe aan pakketten, afkomstig v meerdere LSP’s ⇒ algemeen label pushen bij ieder pakket

– Einde v/d tunnel: LSR verwijderd top element v labelstack (pop), volgend label komt opnieuw te voorschijn (w¯ nieuwe top v/d stack)

ˆ MPLS ondersteunt onbeperkte label stacking ˆ Voordeel van tunnels: slechts beperkt # tunnels beheren ipv groot # LSP’s ⇒ MPLS switching tables w ¯ kleiner ⇒ makkelijker te beheren

8.60

Voor wat staat MPλS? Bespreek kort.

ˆ MPLS: Label als identifier ⇐⇒ MPλS: golflengte λ nu identifier ˆ Groeiende IP trafiek → vereist mr BW ⇒ optische vezels ˆ Capaciteit per vezel uitbreiden dr WDM & Dense WDM = DWDM ˆ # golflengtes per vezel ↑ jaar per jaar ˆ Toekomst: 1000 6= golflengtes ˆ Iedere golflengte k¯ een STM-64 of OC-192 aan 10 Gbps transporteren ⇒ tot capaciteit k¯ 10.000Gbps = 10Tbps overschreiden! ˆ Optical Cross Connect (OXC) met wavelength switching is in staat om: – golflengte v inkomend signaal om te zetten i/e andere golflengte – dit signaal door te sturen via een output v/d OXC – Wavelength switching door te voeren: signaal dat OXC via input A met λ1 binnenkomt, k¯ getransfereerd w ¯ nr output X, onafh v ander signaal dat in A met λ2 binnenkomt, & vb getransfereerd w ¯ nr uitgang Y – Via 1 optische vezel 6= golflengtes: λ = label!

– OXC met wavelength switching, IP routing & MPLS controle ⇒ Optical label switch! (cf figuur 29) – Label controle (distribution & binding) mogelijk mvb Label Distribution Protocol LDP, Constraint-based Routing-LDP of RSVP – IP routers verbonden mbv optical core network bestaande uit # onderling verbonden OXC’s – λ-label switching ⇒ relaties tss ports & λ’s: Input : {port(i); lambda(λm )} ⇒ Output : {port(j); lambda(λn )}

33

Figuur 29: Optical Label Switch

34