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Die Technik der Netze Seminar Teil 8: Baukasten (1)

Die Technik der Netze Seminar Teil 8: Baukasten (1). Seminarprogramm. Einführung – Wir bauen ein Netz Übersicht über TK-Netze Mobilfunk – Was steckt hinter meinem Händi Internet – Das Netz der Netze WiMAX – auch ein mobiles Netz

bianca
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Die Technik der Netze Seminar Teil 8: Baukasten (1)

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  1. Die Technik der Netze Seminar Teil 8: Baukasten (1)

  2. Seminarprogramm • Einführung – Wir bauen ein Netz • Übersicht über TK-Netze • Mobilfunk – Was steckt hinter meinem Händi • Internet – Das Netz der Netze • WiMAX – auch ein mobiles Netz • Geht das auch etwas allgemeiner, oder müssen wir jede Implementierung kennen? – Netzarchitekuren • Sicherheit im Netz – Verfügbarkeit, Integrität, Vertraulichkeit • Kontron - Baukasten Teil 1 Beispiel: VoIP Call Server; Media Server: Netzdesign, Systemdesign; ATCA Baukasten; mTCA Baukasten; • Kontron - Baukasten Teil 2 Anwendungen; Anwendungsprofile; Musterkonfigurationen; Validierungstools; System Validation Kits für ATCA und mTCA • Die Zukunft der Netze

  3. Beispiel: Call Server Funktionen, Bemessungsgrössen, Systemdesign

  4. Öffentliche Netze: SIP Call Server • Media Servers • announcements • customised tunes • conferences • voice mail • streaming media • trunking gateways Media Server PSTN Trunking GW/ Signalling Gateway Call Server/ Gateway Controller IP Network (Carrier) • Call Server • control call sessions (SIP call control) • control Media Server & Gateways PLMN Trunking GW

  5. Call Server: Transaktionen • Funktion: • Transaktionen für Anrufe (SIP Transaktionen) • Verbindung aufbauen, Verbindung auflösen, Ticket zur Abrechnung generieren • Proportionen (Designvorgabe): • 1 Mio Teilnehmer (subscribers) • 500 Bytes Daten pro Teilnehmer (Teilnehmerprofil in der Datenbank) • Verkehrsmodell (Erfahrungswert): • 4 Anrufe pro Teilnehmer in der Hauptverkehrsstunde • Hauptverkehrsstunde = Bemessungsgrösse • Messwert: BHCA = Busy Hour Call Attempts (Transaktionen pro Stunde) • Transaktionen im Call Server: • Bei 1 Mio Teilnehmer: 4 Millionen BHCA • 1000 tps (Transaktionen pro Sekunde, bei ca. 4000 Sekunden/Stunde)

  6. Call Server: Throughput Systemmodell Eingangspuffer Ausgangspuffer Prozessor SIP-Nachrichten SIP-Nachrichten 1000 tps (bei 80% Systemauslastung) Round Trip Delays? • Throughput (Verkehrsdurchsatz in bit/s): • Pro Transaktion: 3 Nachrichten mit 10 kBit Länge pro Nachricht • 1000 Transaktionen pro Sekunde • 30 Mbit/sthroughput für Signalisierung (control traffic) • Datenbank: • 500 Bytes pro Teilnehmer für Call States und Teilnehmerprofil (location, presence, service setiings, …) • 500 MByte Datenbank (Arbeitsspeicher & Disk)

  7. Call Server: Modell Systemmodell Eingangspuffer Ausgangspuffer Prozessor SIP-Nachrichten SIP-Nachrichten 30 MBit/s 1000 tps (bei 80% Systemauslastung) Daten 500 MB Arbeitsspeicher Storage Disks • Nichtfunktionale Eigenschaften: • Verfügbarkeit (Redundanz, Kapselung, …) • Sicherheit • Konventionen bzgl. Bauweise (Environmental, Thermal, …)

  8. Call Server: Organisation der Daten Eingangspuffer Ausgangspuffer Systemmodell Prozessor Cache Daten: Datenbank, Dateisystem, Betriebssystem Arbeitsspeicher (flüchtig) Speichern, Laden, Paging Disks (persistent) • Wieviele gleichzeitig aktive Sessions? • Aktive Sessions = Transaktionen pro Sekunde x Dauer der Transaktion • Telefonanruf: 100 Sekunden • 1000 tps x 100 s = 100.000 aktive Sessions • 500 Bytes per Session (Teilnehmerprofil) => 50 MB

  9. Call Server: Nichtfunktionale Eigenschaften • Verfügbarkeit: 2x Redundanz (Designvorgabe) • Storage: Disks in RAID Konfiguration (z.B. RAID1) • Prozessor: • Cluster-Konfiguration mit 2x Prozessoren • Datenbank im Arbeitsspeicher • Synchronistion des Arbeitsspeichers im Cluster • Switch-over und Fail-over mit gleichen IP-Adressen RAID storage processor synch switch Network client

  10. Systemdesign - Zusammenfassung • Beispiel: Call Server (SIP-Server) • Funktionale Anforderungen - Vorgaben • 1 Mio Teilnehmer (subscribers) • 500 kBytes Daten pro Teilnehmer (Teilnehmerprofil in der Datenbank) • Verkehrsmodell (Erfahrungswert): • 4 Anrufe pro Teilnehmer in der Hauptverkehrsstunde • 3 Nachrichten (in und out) pro SIP Transaktion • 10 kBits pro Nachricht • Systemanforderungen: • 1000 tps (Transaktionen pro Sekunde) • 30 Mbit/s Troughput für Call Control (SIP-Nachrichten) • 500 MBytes Datenbank für Teilnehmerprofile • Nichtfunktionale Anforderungen: • Redundante Disks • Redundante Prozessoren (Cluster) Systemdesign?

  11. RAID storage processor synch switch Network client Von der Architektur zum System? ? Wieviele Prozessoren denn nun? Was sonst?

  12. Call Server: Benchmarks • Benchmarks über SIP-Transaktionen • Prozessor: • 2 Dual-Core Xeon LV • 2 GHz • 4 GB memory • 1500 tps (at 80% load) • Test Set-up: • Linux Red Hat on System Under Test • Radvision SIP Server Toolkit • Sample SIP Transactions (see next page) 2 Single-Core Xeon 2 Dual-Core Xeon Source: Intel, http://download.intel.com/design/telecom/papers/9936.pdf

  13. Call Server: Benchmarks (Mustertransaktion) • SIP-Transaktionen 2 Xeon 2GHz 2 Dual Core Xeon 2GHz, … memory Benchmarks & Systemdesign Source: Intel

  14. Call Server: Benchmarks (Testsystem) • Systems under Test 2 Xeon 2GHz 2 Dual Core Xeon 2GHz, … memory Source: Intel

  15. Call Server in CompactPCI • Systemkomponenten: • 4x CP6012 Processor (Intel Single-Core Xeon @2GHz, 4GB memory) • 2x CP6923 GbE Switch • Plus hard disks & disk controllers

  16. Call Server in ATCA • Profile: Call Server/Gateway Controller/IMS-CSCF • 1 Mio subscribers • 1000 tps (4 Mio BHCA), • 30 Mbit/sthroughput of control traffic • 500 MB of subscriber profiles & state info • No data traffic (user plane is handled by gateways) • Components: • 2x Switch Hubs • 2x CPU Blades (2x Xeon Dual-Core @ 2GHz, 4 GB) • Hard Disk Modules (AMCs) • Redundant configuration

  17. CPU CPU CPU CPU CPU CPU MCH MCH Call Server in mTCA Redundant Subsystem • Profile: Call Servers/Gateway Controllers/IMS-CSCF: • 1 Mio subscribers • 1000 tps (4 Mio BHCA), • 30 Mbit/sthroughput of control traffic • 500 MB of subscriber profiles & state info • Components: • 2x Switches (Micro Carrier Hubs, MCH) • 6x PrAMC (Pentium M @1.8 GHz, 2GB) • Hard disk AMCs • Redundant configuration

  18. Gymnastik Netzdesign - Media Streaming

  19. Video/Audio On demand Media Streaming Media Server • Media Server • Media Streaming • conferences • IVR/VXML Life TV/ local TV Media Controller/ Call Server AAA RAN (2G/3G/WiMAX) BSC/AC DSLAM/NAS BS Wireline Access Network (DSL/CaTV) “triple play”

  20. Media Streaming im Mobilnetz 36 Mio Teilnehmer 1 Transaktion (Video) pro Teilnehmer in der Haupt-verkehrsstunde 400 Teilnehmer pro Funkzelle AG1: 10 Zellen AG2: 20 AG1 Video Streams: 128 kbit/s 3 Minuten Dauer Media Server (Video Server)

  21. Media Streaming im Mobilnetz - Fragen • Wie gross ist der Verkehr für Video-Streaming pro Funkzelle? • Wieviele Transaktionen pro Sekunde (für Anfragen und Abspielen von Videos) muss der Media-Server bedienen? • Welchen Verkehr (bit/s) muss der Media-Server bewältigen (gleichzeitig abgespielte Videos)? • Bonus-Stretch (Einschätzung): • Funkzelle: Wie passt dieser Verkehr (Frage 1) zur Kapazität gängiger Mobilfunkstandards? • Media-Server: Würde man diese Menge an Verkehr (Frage 3) mit einem einzigen System bedienen wollen? • Media-Server: Kann man diese Art Server parallelisieren?

  22. Gymnastik Systemdesign - Media Server

  23. Media Server – Systemarchitektur Anwendungsprofil: • 1 Mio. Teilnehmer • Verkehrsmodell: 4 Transaktionen pro Teilnehmer in der Hauptverkehrsstunde • 128 kbit/s video x 3 Minutes Dauer pro Video = 23 Mbit pro Video (~ 3 MB) Fragen: • Transaktionen? • Durchsatz? • Speicherkapaziät für 350.000 Videos? • Systemarchitektur? • 1000 tps (4 Mio. BHCA, video requests per hour) • 23 Gbits/s of traffic • storage capacity 1000 GB (40.000 videos) Benchmarks?

  24. Media Server - Systemkonfiguration • ATCA Konfiguration (Muster): • 6 slot system • Network I/F: 4x 10GbE on hub switches • CPU power: 4 ATCA CPU boards with 2x SAS disks • Spare capacity: 4 AMC slots on hub switches • Options: • DSP for signal • STM-1 or E1/T1 Interface AMCs for Signalling or Trunking GW

  25. CPU CPU CPU CPU CPU CPU CPU CPU CPU CPU CPU CPU CPU CPU MCH MCH MCH MCH Media Server – Systemkonfiguration • 2x 10 GbE uplinks for network interconnection • 2x 10 GbE uplinks to interconnect both tiers • 1 GbE as basic fabric is NOT sufficient (total 23 Gbps throughput to be distributed to processors) • Special backplane design for storage subsystem Storage Subsystem Processor Subsystem

  26. IPTV over Cable, DSL and Mobile Networks Video/Audio On Demand Life TV/ Local TV Broadband Media Server Node B/BTS GGSN/HA IP Network RAN (3G/WiMAX) CMTS DSLAM CaTV RNC/AC DSL STB STB

  27. Media Server - Requirements 12 Gbps (0.64 Gbps) 10 Gbps (0.64 Gbps) Processor Traffic out Traffic in Physical memory 25 GB (10% of active sessions) (8GB) 250 GB (5000 videos) (80 GB) Disks 200.000 Subscribers 30 tps 180 s per transaction 5000 parallel sessions Wireless Networks 128 kbps per session 640 Mbps total traffic Wireline Networks 2 Mbps per session 10 Gbps total traffic

  28. Media Server – Systems Architecture Main Controllers Session Processors Fabric (GbE) Media Processors (DSP) transcoding Hubs Uplinks (10GbE) IP Network

  29. Uplinks (10GbE) Uplinks (10GbE) everywhere Media Server – Sample Configuration Session Processor Uplinks (GbE) Media Processor Main Controller

  30. ATCA Baukasten Module, Systemschnittstellen, Konfigurations-möglichkeiten

  31. ATCA AMC Advanced Mezzanine Cards (Module für ATCA-Boards) ATCA Systemkomponenten ATCA Boards Rear Transition Modules Systemschnittstellen Power & Management

  32. ATCA Connectors & Channels Signal pair Differential signals • One connector provides • 40 signal pairs • 10 rows/ base channels • 5 fabric channels • 1 Row = 4 signal pairs • 1 Base Channel = 1 Row (2 ports, 1 GbE port on 4 signal pairs) • 1 Fabric Channel = 2 Rows (4 ports, 1x 10GbE port) 1 2 1 Two-Pair Port … 1 Row = Base Channel 1 Fabric Channel 10 Connector

  33. ATCA Backplane (Zone 2 only) 16 slots total 2 hub slots for hub boards

  34. ATCA Backplane - Fabric • Fabric capacity • 30 rows per hub node (signals to offer & distribute) • 30 rows per node board (signals to collect/distribute) • 14 nodes in full shelf systems • Full-shelf dual-hub configurations: • 28 rows (14 channels) per hub to distribute => dual star • Leaves 28 rows of capacity per node board to mesh • Reduced-slot backplanes, e.g 5-slot chassis: • 28 rows (14 channels) per hub to distribute to 3 node boards • Allows 3 x4 stars per hub (e.g. 10GbE) + 2 rows • Leaves 2 rows per node to mesh 2 hub boards

  35. ATCA Backplane – 5 slot chasis (zone 2) • Basic Capacity • 14 rows to distribute per hub node • 3 nodes in 5 shelf config. • Used for GbE to node boards with spare capacity (dual star) • Fabric capacity • 30 rows per hub node (signals to offer & distribute) • 30 rows per node • Allows for example 4x10 GbE from each hub to each node (dual star) 2 hub slots for hub boards

  36. Beispiel: AdvancedTCA Boards • AT8001 – First CPU blade with AMC support • LV XEON 2.8GHz @ 800MHz FSB • Dual Gigabit Fabric and Base Interface • Dual AMC support • AT8020 – Next generation CPU blade • Dual Xeon Dual Core 2.0GHz • 16GB Memory • Dual AMC support • Flexible Fabric Interface • AT890X – Next generation Hub Board • Supports 14 and 16 slots (NEBS & ETSI shelves) • Fabric Interface switch on piggyback • Comprehensive Layer 2 & 3 protocol support • 2 AMC expansion slots • AT8400 – AdvancedMC Carrier • Most advanced carrier board in market! • 4 AMC slots, multi functional

  37. AMCs

  38. AMC Connectors & Ports • 85 contacts per connector side • thereof 28 GND & 9 power • leaves 48 differential signals (Tx+, Tx-) and (Rx+, Rx-) or 24 signal pairs • One connector side provides (basic side) • 24 signal pairs (Tx+/- and Rx+/-) • 12 ports. • Extended connector (both sides) • Total of 48 signal pairs • Total of 24 ports Signal pair Differential signals Port 1 side of AMC connector

  39. Beispiel: AdvancedMCs (1) • AM4001/2 – Processor module • Intel Pentium-M (Dothan) CPU up to 2 GHz • Up to 4 GByte DDR-II memory (PC400) w/ ECC • PICMG AMC.0, AMC.1, .2 and .3 compliant • Allows for both, GbE OR PCI-Express as Fabric I/O • AM4500/20 – SATA/SAS module • SATA = High capacity up to 100GB • 2.5” HDD drive, 7x24 hrs • SAS = High reliability 1.500.000 MTBF • AM4300- QUAD GbE module • 4 x 10/100/1000Base-T ports • Ports can be individually routed via IPMI to • Virtual LAN 802.3q VLAN tagging

  40. Beispiel: AdvancedMCs (2) • AM4010 – Next Generationprocessor module • Next generation Intel CPU • Unique Memory • Latest competitive Server Chipset • AM4100 – PowerPC processor module • State of the art Freescale PowerPC processor • 32 MB Boot-Flash (NOR) + up to 1 GB NAND Flash • AM4310 – GbE Uplink • Redundant Interlink of multiple ATCA chassis • Converts dual 10GbE / XAUI ports on AMC connector to 10 GbE XFI with dual XFP connectors • XFP hot pluggable connectors • AM4330 - IPSec • Hifn HIPP-II 8155 IPSec encryption controller • Min. host CPU interaction & max. system performanc • Multi-protocol packet processing for security protocols

  41. 0 1 2 3 5 10 11 7 6 4 8 9 AMC Port Mapping AMC Port # MCH Fabric # Connector Region Signal Conventions AMC.2 1000Base-BX A Common Options AMC.2 1000Base-BX 2/A AMC.3 SAS B AMC.3 SAS 2/B AMC.2 1000Base-BX D AMC.1 x4 PCI-E AMC.4 x4 SRIO AMC.2 10GBase-BX4 … Fat Pipes AMC.2 1000Base-BX E AMC.2 1000Base-BX F AMC.2 1000Base-BX G AMC.2 1000Base-BX Extended Fat Pipes 2/D AMC.4 x4 SRIO AMC.2 10GBase-BX4 … AMC.2 1000Base-BX 2/E AMC.2 1000Base-BX 2/F AMC.2 1000Base-BX 2/G

  42. mTCA Baukasten AMCs direkt an der Backplane, Konfigurations-möglichkeiten

  43. MicroTCA Systemkomponenten Mgnt. MCMC 1 Mgnt. MCMC IPMI 2 Power AMC AMC MCH … 12 Power Supply Functions Backplane Shelf Mngt. & Switches

  44. MicroTCA Backplane Fabrics A + B (Common Options: IPMI, Clocks, Control, Data & Disks) Fabrics D/E/F/G (Fat Pipes, e.g 4x GbE, PCI, …) MCH Max. 12 slots MCH

  45. Beispiel: mTCA Backplane Netz 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Extended MCH GbE port 8 to MCH1 (12 slots) GbE port 9 to MCH2 (12 slots) Backplane Options: different systems (e.g. PCIe) on ports 4-7 (not through SCOPE MCH) MCH1 MCH2 2x 10GbE uplinks 2x 10GbE uplinks GbE port 0 to MCH1 (12 slots) GbE port 1 to MCH2 (12 sots) Basic MCH 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Basic MCH port count: • 12 GbE ports for AMC ports 0/1 • 2x 10 GbE uplinks on front plate Extended MCH port count: • 12 GbE ports for fabric (AMC ports 8/9) • option: further 12 GbE ports for fabric (AMC ports 10/11)

  46. Das nächste Mal (Teil 9) Der Kontron-Baukasten (2) • Anwendungen • Anwendungsprofile • Musterkonfigurationen • Validierungstools • System Validation Kits für ATCA und mTCA

  47. Ende Teil 8

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