Network Support for Multimedia Communications Oleh : Zulhelman

Materi Jaringan Pendukung komunikasi multimedia Teknologi jaringan yang cocok untuk komunikasi multimedia. Aspek teknis teknologi tersebut.

KRITERIA JARINGAN KOMUNIKASI MULTIMEDIA Bandwidth jaringan harus cukup tinggi untuk mendukung banyak aplikasi di waktu yang sama. Sumber daya jaringan harus dibagi secara efisien antara aplikasi. Jaringan harus memberikan jaminan kinerja . Jaringan harus scalable.

Network Speed or Bandwidth Kecepatan jaringan ditentukan oleh : media transmisi fisik yang digunakan protokol , Jarak antara node intermediate , K Kecepatan switching node intermediate . Media Transmisi : twisted pair , kabel koaksial , dan serat optik , serat optik menawarkan bandwidth transmisi tertinggi . Bandwidth akses pengguna. Bandwidth aggregat….. . between network exchanges

Sharing Efisien Sumber Daya Jaringan Setiap pengguna membutuhkan bandwidth, sehingga bandwidth jaringan harus digunakan secara efisien. Jika setiap pengguna meminta bandwidth yang sama dengan tingkat aliran bit puncak, beberapa bandwidth akan terbuang ketika output bit rate tidak pada yang tertinggi . Pendekatan terbaik adalah dengan menggunakan prinsip bandwidth On Demand atau multiplexing statistik

Jaringan harus memberikan jaminan kinerja Jaminan QOS pada tingkat jaringan pendukung karakterisasi trafik. admission control dan kebijakan lalu lintas Disiplin Antrian pada switch jaringan untuk memberikan jaminan kinerja.

Circuit switching dan STDM Circuit switching dan Synhronous Time Division Multiplexing (STDM ) mampu memberikan jaminan kinerja . Contoh, asumsikan kita memiliki 50 video streams dengan kode variabel independen bit rate, tingkat puncak bit adalah 8 Mbits/s dan bit rate rata-rata dari setiap aliran 2 Mbits / s, dengan menggunakan STDM diperlukan bandwidth link 400 Mbits / s. dengan menggunakan multiplexing statistik memerlukan link bandwidth sekitar 100 Mbits / s . Dalam prakteknya, perhitungan didasarkan pada distribusi statistik dari masing-masing videostream , dan total agregat bandwidth juga tergantung pada tingkat packet loss dan delay yang dibolehkan. Pada multiplexing statistik, paket mungkin tertunda atau dibuang ketika tidak mencukupi sumber daya jaringan yang tersedia. Tradeoff antara sumber daya jaringan yang diperlukan dan tingkat packet loss dan delay .

Skalabilitas Jaringan Tiga jenis skalabilitas: jarak, bandwidth, dan jumlah pengguna. Berdasarkan jarak, arsitektur jaringan yang sama dan protokol harus mampu beroperasi pada LAN maupun WAN. sehingga interkoneksi antara jaringan mudah dilakukan. Segi bandwidth, bandwidth jaringan harus dapat tumbuh mengikuti pertumbuhan bandwith permintaan pengguna tanpa mengubah protokol jaringan. Segi jumlah pengguna , jaringan harus mampu mendukung sejumlah besar pengguna dan ketersediaan bandwidth untuk masing-masing pengguna tidak boleh dipengaruhi oleh jumlah stasiun aktif yang terhubung ke jaringan.

Jaringan yang Cocok untuk Komunikasi Multimedia Teknologi jaringan yang cocok untuk Komunikasi multimedia harus memenuhi persyaratan sebagai berikut : Bandwidth Akses minimum beberapa Mbps . Bandwidth agregat minimum 100 Mbps di area lokal , dan lebih tinggi untuk WAN. Jaringan harus didasarkan pada multiplexing statistik packet -switched bukan sirkuit khusus untuk berbagi efisien sumber daya jaringan . Jaringan harus menyediakan throughput, tingkat kesalahan , delay , dan jitter delay jaminan untuk aplikasi . Jaringan harus scalable dalam hal bandwidth , jumlah pengguna , dan jarak. Jaringan harus memiliki kemampuan multicasting . lebih mudah untuk menerapkan multicasting dalam packet-switched jaringan daripada jaringan circuit switched .

Teknologi jaringan yang cocok untuk komunikasi multimedia Fiber Distributed Data Interface (FDDI), Distributed Queue Ganda Bus (DQDB), Asynchronous Transfer Mode (ATM) MPLS

Aspek teknis teknologi

Hubungan antara Model diskusi dan OSIRM tersebut.

Teknik-teknik untuk efisiensi Penggunaan sumber daya jaringan Karakteristik berbagai jenis trafik ditentukan dalam hal data rate puncak , data rate rata2 , interval bursty , delay , dan persyaratan delay jitter . Informasi lalu lintas ini harus disampaikan ke jaringan saat koneksi untuk trafik yang diminta. Jaringan menggunakan informasi ini untuk : memutuskan apakah akan menerima permintaan connection . memeriksa apakah saluran melanggar persyaratan yang diminta selama sesi. Waktu akses jaringan harus dijamin. Sumber daya jaringan ( bandwidth dan antrian penyangga ) harus dikelola secara efisien sehingga sebanyak mungkin aplikasi dapat didukung dengan jaminan kinerja . network dimensioning

Kemampuan Multicasting Dalam aplikasi multimedia, biasanya pendistribusian aliran informasi dilakukan ke beberapa tujuan. contoh, konferensi video, suara dan gambar pembicara dikirim ke semua peserta konferensi yang terletak di lokasi yang berbeda dari jaringan. Hal ini lambat dan boros sumber daya untuk mengirimkan salinan data ke tujuan masing-masing satu per satu. Bila bandwidth akses jaringan rendah, sulit bagi sumber untuk mengirim data ini secara real time. Teknik multicasting yaitu : sumber mengirimkan data hanya sekali dan jaringan yang bertanggung jawab untuk transmisi data ke beberapa tujuan. Dalam jenis jaringan, multicasting mudah untuk mencapai stasiun yang ingin menerima Data multicasting bisa mendapatkan salinan ketika data lewat. Teknik multicasting ini dikembangkan untuk jaringan packet-switched . Prinsip dasar teknik ini adalah sebagai berikut . Stasiun yang ingin menerima aliran multicasting membentuk kelompok multicasting . Kelompok ini memiliki alamat unik . Semua switch jaringan yang bersangkutan diberitahu tentang kelompok dan alamatnya . Ketika stasiun ingin mengirim data ke grup ini , alamat kelompok yang digunakan sebagai tujuan alamat . Ketika switch menerima sebuah paket dengan alamat grup , ia akan mengirim packet pada link yang mengarah ke stasiun yang termasuk kelompok ini . Paket yang sama tidak akan dikirim dua kali melalui link yang sama .

Example network configuration.

Penerapan Multicasting Stasiun perlu berkomunikasi dengan lebih dari satu stasiun lain melalui satu titik akses jaringan. Sebagai contoh, pengguna memerlukan pengambilan informasi dari lebih dari satu server pada saat yang sama saat dia berkomunikasi dengan orang lain menggunakan audio dan video. Hal ini tidak dapat dicapai menggunakan jaringan circuit-switched, dengan jaringan packet-switched, memungkinkan mengatur beberapa sirkuit virtual dari satu titik akses ke beberapa stasiun.

LAN Bandwidth LAN umum terlalu rendah untuk dapat mendukung komunikasi multimedia . Pengembangan LAN . LAN yang menggunakan media transmisi murah untuk mendukung transmisi data berkecepatan tinggi . salah satu contoh adalah 100 - Mbps Ethernet didasarkan pada twisted pair . ( Dalam hal kecepatan Ethernet cepat, tetapi masih tidak sepenuhnya cocok untuk komunikasi multimedia karena protokol CSMA / CD MAC . ) Switch LAN , dimana semua stasiun jaringan terhubung langsung . Sebuah paket memasuki switch diteruskan ke salah satu koneksi output saja . Dengan cara ini , aplikasi dapat menggunakan link seluruh bandwidth.

FDDI dan DQDB Memiliki fitur yang cocok untuk mendukung realtime komunikasi, sehingga mereka dapat digunakan sebagai LAN multimedia atau MAN. Karena FDDI dan DQDB menggunakan medium bersama , bandwidth yang tersedia untuk setiap stasiun menurun bila jumlah stasiun yang aktif meningkat . Jadi skalabilitasnya kurang baik .

ATM Teknologi ATM telah digunakan di LAN, saat ini LAN ATM ini terutama digunakan untuk membawa data komputer konvensional , mereka berpotensi cocok untuk membawa data multimedia .

Circuit-switching ( termasuk ISDN ) Circuit-switching ( termasuk ISDN ) dapat memberikan jaminan kinerja dengan bandwidth yang tersedia, tapi tidak bisa menggunakan sumber daya secara efisien dan tidak bisa mendukung multicasting.

X.25 , frame relay , dan SMDS dirancang untuk membawa data non real time dan tidak bisa memberikan jaminan kinerja .

TRAFFIC CHARACTERIZATION Karakteristik atau spesifikasi untuk menentukan aliran trafik pengiriman data . Tujuan spesifikasi trafik. Agar Jaringan dapat memutuskan apakah dapat mendukung aliran trafik. Agar Jaringan dapat melaksanakan kebijakan dengan memantau apakah aliran tersebut mengirimkan lalu lintas sesuai dengan spesifikasi . Ada dua pendekatan untuk menentukan spesifikasi lalu lintas : Karakterisasi Multiparameter traffic shaping

Karakterisasi Multiparameter Sebuah cara sederhana untuk menggambarkan aliran trafik adalah dengan menentukan statistik , seperti tingkat puncak , bit rate, dan bit-rate variance .

Traffic Shaping Traffic shaping adalah teknik untuk mengatur aliran trafik sehingga mudah untuk menentukan pola trafik dan menetapkan policing Misal : video dengan kode Variable bit Rate : sulit untuk mengkarakterisasi kode bit stream, ketika trafik terlalu bursty , jaringan mungkin tidak dapat menanganinya secara langsung. Untuk mengatasi masalah ini , digunakan traffic Shaping. Skema traffic - shaping yang baik harus mampu menerima berbagai lalu lintas, dan output harus mudah untuk membuat polisi .

Regulating flow control The bursty traffic in the network results in congestion Traffic shaping reduces congestion and thus helps the carrier live up to its guarantees Traffic shaping is about regulating the average rate (and burstiness) of data transmission

CprE 458/558: Real-Time Systems (G. Manimaran) Traffic Shaping Traffic shaping controls the rate at which packets are sent (not just how many) At connection set-up time, the sender and carrier negotiate a traffic pattern (shape) Two traffic shaping algorithms are: Leaky Bucket Token Bucket CprE 458/558: Real-Time Systems (G. Manimaran)

The Leaky Bucket Algorithm The Leaky Bucket Algorithm used to control rate in a network. It is implemented as a single-server queue with constant service time. If the bucket (buffer) overflows then packets are discarded. CprE 458/558: Real-Time Systems (G. Manimaran)

The Leaky Bucket Algorithm (a) A leaky bucket with water. (b) a leaky bucket with packets. CprE 458/558: Real-Time Systems (G. Manimaran)

Leaky Bucket Algorithm (contd.) The leaky bucket enforces a constant output rate regardless of the burstiness of the input. Does nothing when input is idle. The host injects one packet per clock tick on to the network. This results in a uniform flow of packets, smoothing out bursts and reducing congestion. When packets are the same size (as in ATM cells), the one packet per tick is okay. For variable length packets though, it is better to allow a fixed number of bytes per tick. CprE 458/558: Real-Time Systems (G. Manimaran)

Token Bucket Algorithm In contrast to the LB, the Token Bucket (TB) algorithm, allows the output rate to vary, depending on the size of the burst. In the TB algorithm, the bucket holds tokens. To transmit a packet, the host must capture and destroy one token. Tokens are generated by a clock at the rate of one token every t sec. Idle hosts can capture and save up tokens (up to the max. size of the bucket) in order to send larger bursts later. CprE 458/558: Real-Time Systems (G. Manimaran)

Token Bucket Algorithm (contd.) 5-34 (a) Before (b) After CprE 458/558: Real-Time Systems (G. Manimaran)

Token bucket operation TB accumulates fixed size tokens in a token bucket Transmits a packet (from data buffer, if any are there) or arriving packet if the sum of the token sizes in the bucket add up to packet size More tokens are periodically added to the bucket (at rate t). If tokens are to be added when the bucket is full, they are discarded CprE 458/558: Real-Time Systems (G. Manimaran)

Token bucket properties Does not bound the peak rate of small bursts, because bucket may contain enough token to cover a complete burst size Performance depends only on the sum of the data buffer size and the token bucket size CprE 458/558: Real-Time Systems (G. Manimaran)

CprE 458/558: Real-Time Systems (G. Manimaran) Token bucket - example 2 tokens of size 100 bytes added each second to the token bucket of capacity 500 bytes Avg. rate = 200 bytes/sec, burst size = 500 bytes Packets bigger than 500 bytes will never be sent Peak rate is unbounded i.e., 500 bytes of burst can be transmitted arbitrarily fast CprE 458/558: Real-Time Systems (G. Manimaran)

CprE 458/558: Real-Time Systems (G. Manimaran) Comparison LB discards packets; TB does not. TB discards tokens. With TB, a packet can only be transmitted if there are enough tokens to cover its length in bytes. LB sends packets at an average rate. TB allows for large bursts to be sent faster by speeding up the output. TB allows saving up tokens (permissions) to send large bursts. LB does not allow saving. CprE 458/558: Real-Time Systems (G. Manimaran)

Comparison the simple leaky bucket scheme forces bursty traffic to become a steady stream, the token bucket scheme permits burstiness but bounds it. the simple leaky bucket scheme guarantees that the flow never sends data faster than r cells per second, token bucket guarantees that the burstiness is bounded so that the flow never sends more than C+t/s cells in an interval t, and that the long-term transmission rate does not exceed s.

Kombinasi Token Bucket dan Leaky Bucket

Traffic Reshaping The traffic-shaping schemes are used at the UNI for connection establishment and traffic policing. When data from an individual flow goes through a multiplexer or switch, its data pattern may change.

Assume that all flows arriving at the switch have been shaped so that there is only one cell in every three timeslots. Also assume that cells are served in the order of A, B, and C. As a result of multiplexing, two cells of flow C are packed together. The peak rate of flow has been changed to two cells in three timeslots. If the flow pattern is not changed back, the succeeding switches detect that the flow is violating its traffic promise, but actually the flow is behaving well. For switches to police the traffic and meet the QOS guarantees, the traffic should be reshaped inside the network. The above traffic-shaping schemes can reshape traffic.

Admission Control Admission control is required to determine whether to accept a new connection based on certain criteria. The common criterion is that the new connection is accepted if the network can meet the QOS requirements of the new connection while QOS requirements of existing connections are not violated. This is called performance-oriented admission control [12]. The connection that generates highest profit for the network operator is admitted with high priority [10].

Traffic Policing The network can guarantee QOS only when each flow keeps its promise about the traffic it is putting on the network. To detect misbehaving clients, the network must implement a traffic-policing function. The complexity of traffic policing depends on the traffic characterization used.

Case On detecting that a flow is transmitting more data than the amount agreed when the connection is established, the network can discard the extra data. An alternative is to mark the extra data as low priority, and they are only discarded when the network is congested. This is a better option because network resources can be better used. However, this should not be used as an encouragement to clients to misbehave. Admitted flows are subject to queuing delay and multiplexing delay in switches. The promised QOS can only be guaranteed when appropriate servicing discipline or queuing scheduling is implemented in switches.

QUEUE-SCHEDULING DISCIPLINES After a flow is admitted to a network, transmission links normally have sufficient bandwidth to support the flow. The most critical components inside a network that affect flow performances are switches, where packets from different flows compete for the switching processing time and output link.

Types of Queue Disciplines In work-conserving scheduling schemes, the system may not be idle if there are data in the queue. In a non-work-conserving discipline, each packet is assigned, either explicitly or implicitly, an eligibility time. The server idles (not transmitting any data) when no packets are eligible, although there are packets in the queue.

Transport Protocol Support for Multimedia Communications A multimedia transport protocol differs from a conventional data transport protocol in that it should support QOS guarantees to multimedia applications. The transport protocol’s function is to establish and maintain a connection with QOS guarantee over the network and provide an interface to applications. Three main requirements are the throughput of the protocol should be high, the protocol should support multicast, and the interface should provide a QOS specification that is guaranteed by low-layer protocols.