Trasmissione di flussi video su collegamenti IP a lunga distanza

producendo il traf co registrato su reti geogra che reali e sviluppando un sistema
di controllo della congestione orientato alla qualit a di servizio percepita.
Le tematiche affrontate vanno dai protocolli di trasporto, ai modelli di traf co,
alle tecnologie di rete, agli algoritmi di codi ca video, alle tecniche di routing,
 no al controllo di  usso e di congestione.
La tesi  e strutturata come segue:
il capitolo 1 presenta una breve descrizione dei protocolli e delle tecnologie
di rete utilizzate nel corso delle simulazioni.
A tal  ne viene analizzata in dettaglio la tecnologia frame relay, descrivendone
le caratteristiche principali e confrontandola con le altre tecnologie di rete.
Nel capitolo 2 si effettua un’ampia rassegna delle tecniche di controllo della
congestione, illustrandone il funzionamento, i pregi e i difetti.
Il capitolo 3 presenta l’ambiente di lavoro in cui sono state compiute le prove.
Vengono descritte le caratteristiche hardware e software dei calcolatori e dei router
utilizzati, e la topologia della rete.
Inoltre  e discussa in dettaglio la metodologia utilizzata per effettuare le re-
gistrazioni del traf co su una linea reale e il funzionamento del software che
riproduce tale traf co sulla rete di prova.
Il capitolo 4 pu o considerarsi il fulcro della tesi: in esso viene infatti de-
scritto il funzionamento del trasmettitore video e il meccanismo di controllo di
congestione sviluppato. E’ esposto inoltre il funzionamento del codi catore pira-
midale e sono analizzati e discussi i parametri oggettivi misurati nelle varie prove
compiute.
Il capitolo 5 descrive le sequenze video utilizzate nelle varie trasmissioni,
fornisce una de nizione di QoS, Quality Of Service, basata sul criterio MOS,
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Mean Opinion Score, e mostra i risultati della procedura di votazione utilizzata
per de nire la PQoS, Perceived Quality Of Service, delle sequenze trasmesse.
Si spiega quindi come i valori di MOS ricavati possano essere utilizzati per
realizzare un algoritmo di controllo della congestione, orientato all’utente  nale.
In ne, il capitolo 6 riassume i pi u importanti risultati ottenuti e suggerisce
alcuni possibili sviluppi della tesi.
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Capitolo 1
Tecnologie di rete e protocolli
1.1 La tecnologia frame relay
Frame relay  e una tecnologia che consente di trasportare l’informazione a velocit a
abbastanza elevate pur mantenendo un costo contenuto.
Ci o  e possibile grazie all’elevata semplicit a di questa tecnologia che, in virt  u
delle sue caratteristiche, la rendono in molti casi pi u conveniente delle normali
linee dedicate.
La semplicit a del suo protocollo pu o considerarsi frutto dei cambiamenti av-
venuti negli ultimi vent’anni nel campo dell’informatica: la crescita della potenza
di elaborazione dei singoli calcolatori ha permesso lo sviluppo di protocolli di re-
te, caratterizzati da un basso grado di complessit a a livello di nodi intermedi, e
che delegano ai singoli calcolatori terminali la maggior parte del lavoro (come per
es. la correzione degli errori).
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1.2. De nizione
1.2 De nizione
Frame relay  e un protocollo di comunicazione standardizzato dalle raccoman-
dazioni CCITT I.122, Q.922 e sviluppato da un consorzio di ditte appositamen-
te creato, di cui facevano parte Cisco, Digital Equipment, Northern Telecom e
Stratacom.
Aggiunge al data link layer (livello 2 dello stack OSI) funzionalit a di routing
e relaying, fornendo esclusivamente quanto necessario per un semplice trasporto
delle trame, senza garantirne l’arrivo a destinazione e senza fornire indicazione
sulle perdite.
1.3 Il Circuito Virtuale Permanente
Alla base di questa tecnologia sta il concetto di PVC, Permanent Virtual Circuit.
Frame relay  e infatti uno standard di interfaccia DTE-DCE che permette di far
convivere diversi circuiti virtuali su una singola linea trasmissiva (v.  g. 1.1 nella
pagina seguente).
Tali circuiti sono per o permanenti, cio e stabiliti una volta per tutte dal gesto-
re della rete al momento dell’instaurazione del circuito virtuale, e non possono
pertanto essere modi cati in seguito dall’utente.
1.3.1 Differenze rispetto ai circuiti diretti
Si pu o pensare alla linea Frame relay come ad una linea dedicata virtuale: il
cliente noleggia un PVC tra 2 punti e pu o quindi spedire pacchetti di dimensione
non superiore ai 1600 bytes (salvo frammentazione e ricostruzione da parte del/i
router), esclusivamente tra i due terminali.
DIST - UNIVERSITA’ DI GENOVA 17
1.3. Il Circuito Virtuale Permanente
E‘ per o possibile noleggiare pi u PVC tra un dato sito da una parte e siti multipli
dall’altra; in questo caso ciascun pacchetto trasmesso conterr a un numero a 10 bit,
il DLCI (Data Link Connection Identi er ), che identi ca uno ed uno solo tra i vari
PVC possibili.
La differenza fondamentale rispetto ad una linea  sica (cio e non-virtuale),
risiede nella banda disponibile nei due casi:

con un circuito diretto la banda garantita corrisponde sempre alla velocit a
di picco che contraddistingue il circuito;
 con un collegamento in frame relay esiste una banda minima garantita, che
in genere non coincide con la banda di picco.
E’ quindi possibile inviare burst di dati alla massima velocit a consentita, ma
non operare costantemente a tale velocit a .
DTE
DTE
DCE
DCE
DTE
DCE
DTE
DCE
Virtuali
Circuiti
Figura 1.1: Esempio di rete Frame Relay
DIST - UNIVERSITA’ DI GENOVA 18
1.3. Il Circuito Virtuale Permanente
Risulta inoltre evidente come frame relay permetta di ridurre, in taluni casi,
gli sprechi di banda:  e inutile (ed estremamente costoso) avere una grande am-
piezza di banda, garantita 24 ore su 24, quando gli utenti ne utilizzano le piene
potenzialit a solo per lassi di tempo limitati.
I vantaggi principali sono quindi:
1. costi di noleggio inferiori;
2. utilizzo pi u ef ciente delle risorse.
1.3.2 Frame Relay e X.25
La tabella 1.1 mostra le principali differenze tra Frame Relay e X.25.
Va comunque tenuto presente che Frame relay  e uno standard appositamente
progettato per interconnettere router e bridge remoti in modo ef ciente, pensato
per linee trasmissive veloci ed af dabili e con prestazioni nettamente superiori a
quelle di X.25.
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1.4. Struttura dei pacchetti e livello Data Link
Caratteristica della rete X.25 Frame relay
Velocit a tipica 9.6 - 64 kbps 64 kbps - 2 Mbps
Dimensione del pacchetto Variabile sino
a 4096 byte
Variabile sino a 4096 byte
Multicasting No S , ma scarsamente realizzato
e utilizzato
PVC S S 
SVC S Proposta
Controllo di  usso per circuito
virtuale
S No
Correzione degli errori su
ogni tratta
S No
Tabella 1.1: Confronto tra frame relay e X.25
1.4 Struttura dei pacchetti e livello Data Link
Il formato del pacchetto frame relay  e mostrato in  gura 1.2.
ControlFlag Address Information FCS Flag


	




Figura 1.2: Formato del pacchetto frame relay
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1.4. Struttura dei pacchetti e livello Data Link
Si suddivide in 2 campi fondamentali:
 DL-CORE (Data Link Core protocol)
 DL-CONTROL (Data Link Control protocol)
che insieme costituiscono il protocollo LAPF, Link Access Procedure to Frame
mode bearer services.
Tale protocollo  e un’estensione dello standard CCITT Q.921, l’LAPD.
Entrambi i protocolli utilizzano un  ag per la delimitazione delle trame, e
adottano l’algoritmo di bit-stuf ng , per garantire la trasparenza della trasmissione.
Il signi cato dei campi di DL-CORE  e il seguente:
 Flag, come in HDLC
 Address, un indirizzo esteso con funzionalit a di controllo delle congestioni,
con lunghezza pari a 2, 3, o 4 byte.
 il campo Address  e ulteriormente suddiviso in una serie di sottocampi,
di cui il pi u importante  e il DLCI (Data Link Connection Identi er),
ovvero l’identi catore del circuito logico. E’ lungo normalmente 10
bit.Da notare che connessioni diverse su nodi diversi possono avere
lo stesso DLCI, perch e esso ha un signi cato locale alla connessione
DTE-DCE (Data Terminal Equipment Data Control Equipment)
 FCS, (Frame Check Sequence), un controllo ciclico di ridondanza (CRC,
Ciclyc Redundancy Check) su 2 byte
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1.5. Struttura di una rete Frame Relay
1.5 Struttura di una rete Frame Relay
Una rete frame relay  e costituita da un insieme di commutatori (frame relay swit-
ches), detti anche nodi-core, il cui compito  e quello di instradare il messaggio tra
i vari PVC sulla base del DLCI.
Ciascun commutatore accetta quindi frames di tipo LAP-D, estrae e legge da
essi il DLCI, quindi decide su quale PVC trasmettere il frame.
Si parla quindi di  approccio core edg e :

i nodi core realizzano l’instradamento sulla base di tabelle  quasi-statiche 
aggiornate dal gestore della rete al momento dell’attivazione di un nuovo
circuito;

i nodi edge, cio e i nodi terminali, realizzano funzionalit a di livello pi u alto,
quali recupero di errori e controllo di  usso e di congestione (funzionalit a
edge to edg e).
1.5.1 Estensioni: Indirizzamento Globale e Multicasting
I nodi Frame Relay non hanno un indirizzo globale: ad avere indirizzo sono i
canali logici DLCI.
Ci o costituisce un limite quando si vogliano realizzare reti di grosse dimen-
sioni, poich e impone l’uso di tabelle statiche di routing; per ovviare a tale inco-
veniente, si  e deciso di assegnare un DLCI univoco anche a ciascun nodo frame
relay.
Tale estensione viene chiamata Global Addressing e permette di migliorare
l’utilizzo di una rete Frame Relay da parte dei router, che vedono la rete frame
relay stessa come una LAN.
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1.6. Il protocollo SNMP
L’altra estensione importante  e il multicasting, cio e la possibilit  a di inviare un
messaggio contemporaneamente a pi u edge presenti sulla rete.
Il multicasting  e spesso utilizzato dai protocolli per il calcolo automatico del-
le tabelle di instradamento dei router. L’estensione multicasting del frame relay
permette di soddisfare tale esigenza.
1.6 Il protocollo SNMP
Il protocollo SNMP, Simple Network Management Protocol, nasce nel maggio
del 1990 con lo scopo di supervisionare e gestire le reti di calcolatori. La sua
prima versione, SNMPv1, de nita nella RFC 1157,  e stata poi migliorata  no
all’attuale versione, SNMPv2, che costituisce uno standard de facto per il network
management.
1.6.1 Il modello SNMP
Il modello SNMP di una rete  e costituito da quattro elementi principali:

i nodi della rete che vengono osservati

le stazioni che compiono l’osservazione

l’informazione utilizzata per l’osservazione

il protocollo vero e proprio
1.6.2 Gli agenti SNMP
Attraverso il protocollo SNMP  e possibile controllare i vari elementi della rete,
quali: routers, bridges, calcolatori, stampanti di rete. Af nch  e ci o avvenga  e
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1.6. Il protocollo SNMP
necessario che su tali nodi della rete sia in funzione un agente SNMP, ovvero un
processo in grado di:
 mantenere localmente un database di variabili che descrivono lo stato del
nodo;

fornire tali variabili alla stazione che compie il monitoraggio attraverso il
protocollo SNMP.
1.6.3 Le stazioni manager
Il monitoraggio della rete pu o essere fatto da un qualsiasi computer general-
purpose e avviene per mezzo delle informazioni scambiate tra gli agenti SNMP
e i processi SNMP in esecuzione sulle stazioni manager. L’intero modello  e sta-
to pensato in modo che gli agenti fossero semplici e  l’intelligenza concentra-
ta nelle stazioni monitoranti, questo al  ne di ridurre al minimo l’impatto del
monitoraggio sulle stazioni interrogate.
1.6.4 Il Management Information Base, MIB
L’insieme delle variabili mantenute localmente dagli agenti  e detto MIB, Mana-
gement Information Base.
Il formato e il tipo di informazione che il MIB deve contenere  e rigidamente
speci cato per ciascun agente, in modo da consentire il monitoraggio di compo-
nenti anche in ambienti multi-vendor.
Il MIB  e quindi una struttura dati che contiene tutte le possibili variabili (og-
getti nel gergo SNMP) monitorabili sulla rete.
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1.6. Il protocollo SNMP
Nell’SNMPv2 gli oggetti sono suddivisi in dieci categorie:
Gruppo # di oggetti Descrizione
System 7 Nome, locazione e descrizione della periferica
Interfaces 23 Interfacce di rete e traf co misurato su ciascuna
AT 3 Traduzione degli indirizzi
IP 42 Statistiche dei pacchetti IP
ICMP 26 Statistiche dei messaggi ICMP ricevuti
TCP 19 Algoritmi, parametri e statistiche TCP
UDP 6 Statistiche del traf co UDP
EGP 20 Statistiche di traf co per il protocollo EGP
Transmission 0 Riservato per MIB speci ci dell’interfaccia
SNMP 29 Statistiche del traf co SNMP
Tabella 1.2: Categorie degli oggetti MIB-II
Il signi cato delle principali categorie  e il seguente:

system permette al manager di conoscere il nome della periferica, il suo
costruttore, la versione hw e sw, la sua ubicazione

interfaces contiene informazioni relative al traf co sugli adattatori di rete:
 numero di pacchetti trasmessi e ricevuti
 numero di bytes trasmessi e ricevuti
 numero di broadcasts
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1.6. Il protocollo SNMP
 numero di pacchetti scartati
 dimensione attuale delle code

transmission  e utilizzato per MIB speci ci del media, per esempio statisti-
che speci che di Ethernet
La tabella 1.2 riassume il cosiddetto MIB-II, de nito in RFC 1213.
1.6.5 Il protocollo
Il protocollo SNMP vero e proprio  e descritto in RFC 1448 e de nisce il tipo
di messaggi e la sintassi con cui la stazione monitor e l’agente SNMP possono
interagire.
Normalmente la comunicazione avviene sotto forma di  query-response , ov-
vero la stazione monitor richiede una determinata variabile all’agente SNMP e
quest’ultimo restituisce il dato.
In realt a  e possibile che il dato non riesca a ritornare al richiedente per vari
motivi che vanno da una perdita  sica di connessione a situazioni di congestione
sulla rete.
Eventi di questo tipo non possono essere visti dalla stazione monitor e perci o
costituiscono un insieme di  oggetti MIB che vengono analizzati periodicamente
dall’agente localmente.
Quando l’agente si accorge che uno degli eventi si  e veri cato, lo comunica
immediatamente a tutte le stazioni monitor presenti nella sua lista di con gura-
zione, inviando un messaggio che viene chiamato SNMP trap.
Dato che situazioni di questo tipo possono veri carsi in qualsiasi momento, le
stazioni monitor compiono un polling occasionale di tutti i nodi, con un processo
che viene chiamato  trap directed polling .
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1.6. Il protocollo SNMP
I messaggi scambiati tra le stazioni SNMP possono essere di 7 tipi, come
riportato in tabella 1.3:
Messaggio Descrizione
Get-request Richiede il valore di una o pi u variabili
Get-next-request Richiede la variabile successiva a quella attuale
Get-bulk-request Preleva una tabella
Set-request Aggiorna una o pi u variabili
Inform-request Messaggio scambiato tra due stazioni monitor
Snmpv2-trap Segnalazione di trap
Tabella 1.3: Tipi di messaggi SNMP

i primi 3 servono per richiedere il valore di un oggetto MIB

il quarto consente al manager di aggiornare un oggetto in un MIB locale

il quinto  e utilizzato per comunicazioni tra pi u manager

il sesto  e il trap directed polling speci cato prima
1.6.6 La sintassi del protocollo SNMP
Il protocollo SNMP, operando in ambienti multi-vendor, ha richiesto lo studio
e la realizzazione di una sintassi per la de nizione degli oggetti e di un insie-
me di regole di codi ca che consentissero a macchine di produttori diversi di
comunicare.
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