SWITCHE PRO FTTX - NASAZENÍ V SÍTÍCH S IPTV

Transkript

1 VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ ÚSTAV TELEKOMUNIKACÍ FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND COMMUNICATION DEPARTMENT OF TELECOMMUNICATIONS SWITCHE PRO FTTX - NASAZENÍ V SÍTÍCH S IPTV SWITCHES FOR FTTX - DEPLOYMENT IN NETWORKS WITH IPTV BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR'S THESIS AUTOR PRÁCE AUTHOR VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR TOMÁŠ HORVÁTH Ing. PETR MÜNSTER BRNO 2011

2 VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Ústav telekomunikací Bakalářská práce bakalářský studijní obor Teleinformatika Student: Tomáš Horváth ID: Ročník: 3 Akademický rok: 2010/2011 NÁZEV TÉMATU: Switche pro FTTx - nasazení v sítích s IPTV POKYNY PRO VYPRACOVÁNÍ: V rámci bakalářské práce se bude nutné seznámit s metodami přeposílání IP datagramu z jednoho zdroje skupině více koncových stanic. Dále se seznámit se switchi jak pro metalické, tak optické přístupové sítě a navrhnout možnosti testování těchto zařízení pro nasazení v sítích s IPTV. V praktické části pak bude provedeno testování několika vybraných druhů switchů různých výrobců pro využití v sítich s IPTV. DOPORUČENÁ LITERATURA: [1] KOMOSNÝ, D. Hierarchický přenos signalizace pro multicast v IP sítích Brno: VUTIUM, s. ISBN: [2] KOMOSNÝ, D.; BURGET, R.; MÜLLER, J. Změny ve světě IPTV. Elektrorevue - Internetový časopis ( 2009, roč. 2009, č. 55, s ISSN: Termín zadání: Termín odevzdání: Vedoucí práce: Ing. Petr Münster prof. Ing. Kamil Vrba, CSc. Předseda oborové rady UPOZORNĚNÍ: Autor bakalářské práce nesmí při vytváření bakalářské práce porušit autorská práva třetích osob, zejména nesmí zasahovat nedovoleným způsobem do cizích autorských práv osobnostních a musí si být plně vědom následků porušení ustanovení 11 a následujících autorského zákona č. 121/2000 Sb., včetně možných trestněprávních důsledků vyplývajících z ustanovení části druhé, hlavy VI. díl 4 Trestního zákoníku č.40/2009 Sb.

3 ABSTRAKT Cílem této práce bylo seznámit se s přepínači, které mohou být nasazeny v sítích založených na FTTx. První kapitola se zabývá službou IPTV, jejími výhodami, nevýhodami a poskytovanými službami. V následující kapitole jsou rozebírána optická vlákna a možnosti jejich zakončení FTTH, FTTC, FTTB, FTTO, FTTP a FTTN. Další část zahrnuje metody vysílání a detailnější rozbor multicastových adres včetně definovaných rozsahů a multicastové distribuční stromy. Závěr teoretického rozboru k práci tvoří vysvětlení všech 3 verzí IGMP protokolu a rozdělení přepínačů pomocí přenášených signálů. V praktické části je proveden návrh testování těchto přepínačů. První metoda představuje testování pomocí jednoho video souboru v různém rozlišení. Další možnost testování je založena na první metodě, avšak s tím rozdílem, že testování probíhá se dvěma streamy, z nichž každý má rozdílný datový tok. Poslední testování slouží k dokázání faktu, že se video tok přenáší pomocí multicastu, nikoli každý tok ze serveru ke klientovi zvlášt. Spojení mezi přepínači bylo omezeno na 10 Mb/s a zvolený video soubor dosahuje právě těchto průměrných přenosových hodnot. KLÍČOVÁ SLOVA IPTV, FTTX, multicast, IGMP, přepínač, video tok, rozlišení, překódování ABSTRACT The aim of this paper was to acknowledge ourselves with the switchers which can be used in the networks based on FTTx. The first chapter deals with the IPTV service, its advantages, disadvantages and provided services. In the following chapter, optical fibres and the possibilities of their termination are discussed - FTTH, FTTC, FTTB, FTTO, FTTP and FTTN. The next part involves the methods of broadcasting and more detailed analysis of multicast addresses including defined range and multicast distributional trees. The conclusion of the theoretical analysis of this paper is formed by the explanation of all 3 versions of the IGMP record and the division of switchers through the signals transmitted. In the practical part, the suggestion of testing these switchers is carried out. The first method represents testing through one video file in various resolutions. Another possibility of testing is based on the first method, nevertheless, with the difference that the testing is done in two streams and each one of them has a different data flow. The purpose of the last testing is to demonstrate the fact that the video flow is transmitted through multicast, not every single flow from a server to a client separately. The connection between switchers was reduced to 10 Mb/s and the chosen video file runs at these average transmission data. KEYWORDS IPTV, FTTX, multicast, IGMP, switch, stream, resolution, transcoding

4 HORVÁTH, Tomáš Switche pro FTTx - nasazení v sítích s IPTV: bakalářská práce. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologíı, Ústav telekomunikací, s. Vedoucí práce byl Ing. Petr Münster

5 PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že svou bakalářskou práci na téma Switche pro FTTx - nasazení v sítích s IPTV jsem vypracoval samostatně pod vedením vedoucího bakalářské práce a s použitím odborné literatury a dalších informačních zdrojů, které jsou všechny citovány v práci a uvedeny v seznamu literatury na konci práce. Jako autor uvedené bakalářské práce dále prohlašuji, že v souvislosti s vytvořením této bakalářské práce jsem neporušil autorská práva třetích osob, zejména jsem nezasáhl nedovoleným způsobem do cizích autorských práv osobnostních a jsem si plně vědom následků porušení ustanovení 11 a následujících autorského zákona č. 121/2000 Sb., včetně možných trestněprávních důsledků vyplývajících z ustanovení 152 trestního zákona č. 140/1961 Sb. Brno (podpis autora)

6 Rád bych poděkoval Ing. Petrovi Münsterovi, který mi umožnil zpracovat bakalářskou práci na téma Switche pro FTTx - nasazení v sítích s IPTV a byl mi oporou po dobu vypracování.

7 OBSAH Úvod 12 1 IPTV Výhody Nevýhody Co IPTV nabízí? Optická vlákna Jednovidová vlákna Mnohovidová vlákna Přenos optickými vlákny FTTX - Fiber to The X Metody vysílání Broadcast Unicast Multicast Adresní prostor multicastu Adresy typu local scope Adresy typu global scope Adresy typu administratively scoped addresses Multicastové distribuční stromy Zdrojový strom Sdílený strom Internet Group Management Protocol IGMPv IGMPv IGMPv Přepínač Druhy přepínačů Metalické přepínače Optometalické přepínače Optické přepínače

8 6 Praktická část Testovaná zařízení Cisco WS-C TT-L Cisco WS-C3560v2-24PS Edge-corE ES3528M-FLF Edge-corE ES3510MA SignaMax Softwarové a video vybavení pro testování Softwarové vybavení Metody testování přepínačů Testování pomocí jednoho videa Testování pomocí dvou videí Přenos mezi přepínači Rozbor zachycených paketů Mapování multicastové IP adresy na MAC Závěr 61 Literatura 63 Seznam symbolů, veličin a zkratek 66 Seznam příloh 68 A Naměřené přenosové rychlostí 69 A.1 Hodnoty pro jednotlivé přepínače s jedním video tokem A.2 Hodnoty pro jednotlivé přepínače s dvěma video toky B Obsah CD 74

9 SEZNAM OBRÁZKŮ 1.1 Architektura IPTV [4] Přenos jednovidovým optickým vláknem [7] Přenos mnohovidovým optickým vláknem [7] Provedení sítě pomocí FTTH [13] Provedení sítě pomocí FFTC [13] Provedení sítě pomocí FTTB [13] Provedení sítě pomocí FTTO [13] Provedení sítě pomocí FTTN [13] Princip broadcast vysílání [14] Princip unicast vysílání [14] Přenos pomocí multicastu [14] Obecné schéma adresy ze skupiny D Ukázka zdrojového stromu pro dva zdroje [21] Budování tras od jednotlivých zdrojů k RP [21] Přihlášení hosta2 a 3 k multicastové skupině [20] Symbolizuje úspěšné přihlášení do multicastové skupiny [20] Host2 hlásí odchod ze skupiny na adresu [20] Směrovač odesílá dotaz, zda-li existují jiní příjemci [20] Host3 odesílá oznámení, že je zde stále příjemce [20] Host3 odesílá zprávu o odchodu ze skupiny na adresu [20] Multicastová skupina nemá další příjemce, proto zanikne na rozhraní směrovače [20] Ukázka zahájení vysílání Host1 specifikuje zdroj z kterého chce přijímat multicastový tok Směrovač4 vyhodnocuje požadavky a propouští pouze tok ze specifikovaného zdroje Přepínač Cisco WS C TT L Přepínač Cisco WS C3560v2 24PS Přepínač Edge-corE ES3528M-FLF Přepínač Edge-corE ES3510MA Přepínač SignaMax Grafické rozhraní programu Wireshark s filtrem IGMP protokolu Grafické rozhraní programu NetPerSec Zobrazení grafického rozhraní programu VideoLAN Výběr přenášeného souboru Zvolení způsobu přenosu a zadání multicastové adresy Spuštění přenášeného souboru na zvolené IP adrese

10 6.12 První topologie pro testování multicastu Rozložení počítačů a serveru pro druhou metodu testování Rozložení počítačů a serveru pro druhou metodu testování Výpis zachycených IGMP paketů pomocí programu Wireshark Příklad mapování IP adresy na MAC adresu

11 SEZNAM TABULEK 3.1 Adresy z rozsahu local scope s popisem rezervace [17] Popis videa ve standardním rozlišení Popis videa ve vysokém rozlišení ve formátu MP Popis videa ve vysokém rozlišení ve formátu Matroska Popis videa ve vysokém rozlišení pro druhou metodu testování Popis videa ve vysokém rozlišení pro druhou metodu testování Tabulka přenosových rychlostí naměřených u jednotlivých klientů.. 58 A.1 Cisco WS-C TT-L A.2 Edge-corE ES3510MA A.3 Cisco WS-C3560v2-24PS A.4 Edge-corE ES3528M A.5 SignaMax A.6 Souhrn přenosových rychlostí pro server / A.7 Souhrn přenosových rychlostí pro server / A.8 Souhrn přenosových rychlostí pro server / A.9 Souhrn přenosových rychlostí pro server /

12 ÚVOD Dnešní, stávající kabelové rozvody, které vlastní at už operátoři kabelových televizí nebo poskytovatelé telefonních služeb, jsou stále dostačující a splňují nároky kladené uživatelem. Původní modemové připojení k internetu nahradily rychlejší způsoby jako jsou technologie xdsl, kabelová televize nebo připojení pomocí optických vláken. Díky kabelovým rozvodům, jež jsou téměř ve všech panelových domech hotové lze dosahovat vysokých přenosových rychlostí připojení do sítě Internet. Stále narůstající přenosové rychlosti jsou důsledkem vetší poptávky po doplňujících službách, kam lze zařadit IPTV, VoD a přenos stále větších souborů. Již samotná služba IPTV vyžaduje vysoké nároky na šířku pásma v závislosti na použitém rozlišení videa. (V dnešní době je větší zájem o video s vysokým rozlišením (HD) už kvůli vyspělým technologiím elektroniky, kterou zákazníci vlastní.) Proto je nezbytné nasazování optických vláken na přenosové trase. Navíc cena optických vláken se již rovná ceně metalických kabelů, avšak nic nenaznačuje tomu, že by se metalické kabely přestaly používat. Při budování optické trasy je nutné zvážit, kde optickou trasu zavést a kde nikoliv. Hustě obydlené oblasti, například sídliště a městské části, jsou optickými trasami hojně pokryty. Samotný proces nasazování vláken na trasu přináší také modernizaci aktivních prvků, které budou s těmito technologiemi kompatibilní. Relevantní přepínače se dnes vyskytují v různých cenových relacích, ovšem pro jejich nákup je důležité zvážit, kde mají být nasazeny a jaké přepínací rychlosti bude potřeba. Také jejich příkon je dnes velmi důležitou oblastí, protože tyto přepínače budou v sítí pracovat nepřetržitě. 12

13 1 IPTV IPTV neboli televize po IP protokolu je v dnešní době hodně oblíbenou službou, kterou ISP poskytují. Existuje mnoho vysvětlení jak se tato televize šíří, jedno z nich je, že po počítačových sítích. Toto samozřejmě je pravda jen do určité oblasti. Jelikož i IPTV má svou strukturu obr. 1.1, nejde tedy o použití počítačových sítích, které jsou všem k dispozici, ale o privátní IP sítě, které jsou k dispozici pouze těm, kteří je mají zaplacené [2]. Obr. 1.1: Architektura IPTV [4] Architekturu IPTV lze rozdělit do podbloků obr. 1.1, které jsou následující headend, který symbolizuje samotný vrchol, čili zde jsou televizní programy nebo rozhlasové vysílání přijímáno. Zdroje videa mohou být různé, at jde o satelitní vysílání (DVB-S), nebo pozemní (DVB-T), nutno také zmínit kabelové (DVB-C) a mobilní (DVB-H). Také zde dochází ke kódování videa nejčastěji do formátu MPEG-2, MPEG-4 part 10, H. 264/AVC a stejně tak i zvuku. V neposlední řadě zde lze nalézt servery, z kterých je čerpáno video na vyžádání. Nechybí také ani serverová farma, kde jsou uchovány záznamy diváků z funkce nahrání videa. Úloha middlewaru bude probrána dále. Core network neboli páteřní sít, je právě zmíněná sít, kterou si ISP pronajímají pro přenos IPTV. Zde musí být zajištěna dostatečná přenosová rychlost k distribuci veškerých programu a rádiových stanic. Nejvhodnějším řešením páteřní sítě je přes optická vlákna [4]. Local office je obdobou head-end sítě. Ovšem s rozdílem, že zde jsou zpracovány například lokální programy a lokální rádia. Nemusí být zpracovány na začátku v head-end sítě, ale postačuje je zpracovat před přenosem do přístupové sítě [4]. Access network, přístupová sít, zde jsou kladeny vysoké nároky na přenosovou 13

14 rychlost. Ideálním řešením by bylo i zde nasadit optická vlákna, avšak tato modalita je velmi nákladná, i když v poslední době velmi rozšířená. Vzhledem k tomu, že metalické vedení jsou zavedena, s nadsázkou řečeno téměř všude. Hraje zde velmi významnou roli QoS, aby byly pakety například nesoucí video upřednostněny před přenosem jiných dat [4]. Domácnosti jsou vybaveny set-top-boxy, přes které je zákazníkům umožněno přijímat IPTV. Middleware, neboli softwarové vybavení poskytovatelé služeb [4]. Middleware se stará o obsluhu uživatelsky orientovaných služeb. At už jde o video na vyžádání, registrace klientů, ale také je napojen na tarifikační systém [4]. Lze také říci, že middleware umožňuje komunikovat mezi zařízeními různých výrobců [5]. Oproti tomu analogové vysílání, které v současné době končí, někde již vysílání skončilo, nabízelo možnost sledovat několik programů najednou. Princip byl takový, že vysílač vysílal všechny programy, které k němu přicházely a až samotní zájemci prováděli výběr. Šlo o vysílání pomocí broadcastu viz kap Lze tedy hovořit o stejném vysílání pro všechny. Nebylo prakticky možné zajistit jakékoliv interaktivní služby. 1.1 Výhody Při ohlédnutí zpět na analogové vysílání je zřejmé, že všichni příjemci přijímali stejný obsah. U IPTV tomu může být i jinak. Protože IPTV se šíří počítačovými sítěmi, lze tedy data modifikovat a přinést s tímto jistou interaktivitu. Pro určitou oblast nebo lépe řečeno pro určitou skupinu zájemců. Klasickým příkladem může být reklama zaměřena na určitou oblast uživatelů. Při IPTV je také lehčí zjistit, který kanál uživatel sleduje a použít tyto hodnoty např. pro statistiky. U vysílání analogového bylo nutno využívat zpětného dotazování [6]. Další velkou výhodou je služba video na vyžádání, kdy si uživatelé mohou vybrat video ze serveru, které chtějí sledovat. Obvykle tato služba bývá zpoplatněna. Za zmínku také stojí i to, že video na vyžádání již není šířeno pomocí multicastu viz kap. 3.3, ale pomocí unicastu viz kap. 3.2, proto u videa na vyžádání si lze požádat o chybějící pakety nebo o znovu zaslání chybně přijatých paketů [2]. 1.2 Nevýhody U technologie IPTV existují dvě nevýhody, i když hodně záleží na úhlu pohledu. Jednu lze poznat okamžitě, druhá je ovlivněna parametry sítě. První z nevýhod 14

15 je přenos IPTV po protokolu UDP, tedy spojově neorientovaném přenosu. Toto na jednu stranu je i výhoda, že používá právě takovýto protokol, jelikož potvrzovat obrovské datové toky by byla velká zátěž na přenosové cesty. Na druhou stranu, když se data ztratí, neexistuje mechanismus, který by data opravil. Lze tedy vycházet z úvahy, že je lepší mít chvíli ošklivější obraz, než nadmíru zatěžovat sít. Druhá nevýhoda je taková, že se šíří pouze ten kanál, který chce klient sledovat. Tedy při přepnutí programu musí dojít k odhlášení ze skupiny, kde přijímáme současný kanál a přihlásit se k jiné skupině. Toto se děje pomocí protokolu IGMP nejčastěji verze 2 viz kap Odhlášení ze skupiny a přihlášení se do jiné je zdrojem zpoždění. Toto zpoždění však není nijak extrémně velké, v sítí KN dosahuje doba mezi přepínání programu průměrně asi 1,6 sekundy. 1.3 Co IPTV nabízí? Už bylo zmíněno, že IPTV nabízí jistou interaktivitu a VoD. Ovšem jako další služby, které je důležité zmínit jsou EPG, PPV a VCR [4]. EPG (Electronic Programming Guide) jde o elektronický programový průvodce, tento průvodce může mít každý poskytovatel služeb jiný, vše záleží na jeho middlewaru. Pomocí průvodce si klienti mohou prohlédnout aktuální program, ale také program dopředu [1], [3]. PPV (Pay per View) shlédnutí po zaplacení, jedná se o službu navíc, za kterou je třeba si připlatit, například pokud klient nestihne shlédnout svůj oblíbený pořad může si jej zaplatit a shlédnout ze záznamu. Nebo pokud klient ví, že na stanici kterou nemá zaplacenou bude pořad o který má zájem může si zaplatit na něj přístup [3]. VCR (Video Cassete Recorder) záznam videa, tato služba poskytuje klientům, aby si svůj pořad mohli nahrávat. Jednak pokud k tomu mají potřebné propriety, jako jsou set-top-box se záznamovým médiem, nebo využít nahrání na disky provozovatele služeb [3]. 15

16 2 OPTICKÁ VLÁKNA Základ optických vláken tvoří jádro a plášt. Standardní hodnoty pro průměr jádra jsou 9, 50, 62,5 a 80 µm. Tyto hodnoty se mohou lišit, vše záleží na výrobci. Také plášt má svou specifickou hodnotou 125 µm. Úkolem pláště je udržet vidy (světelné paprsky) uvnitř jádra. I jádro a jeho plášt musí být dále chráněné, před nepříznivými vlivy. Primární ochrana je na plášt optického vlákna nanášena, již při výrobě. Hlavním úkolem této ochrany je zabránit mechanickému poškození a naopak vylepšit ohybové vlastnosti optického vlákna, aby nedocházelo k nepříznivým vlivům, jako je útlum na tomto poškození. Průměr primární ochrany je 245 µm. Poslední ochranou optického vlákna je sekundární ochrana. Sekundární ochrana chrání optické vlákno před poškozením a také brání šíření vlhkosti. Z hlediska přenosu počtu vidů lze optická vlákna obecně rozdělit následovně. Na jednovidová vlákna a mnohovidová vlákna [8]. 2.1 Jednovidová vlákna Jak už název napovídá, jsou vlákny, která přenáší pouze jeden vid obr Vyznačují se vyššími přenosovými rychlostmi než nabízejí mnohovidová vlákna, dosahem a frekvenčním rozsahem, ale jsou také dražší. Průměr jádra dosahuje velmi nízkých parametrů, proto jsou i samotné zdroje světla pro přenos těmito vlákny velmi nákladné [8]. Technické parametry jednovidových vláken [8]: Průměr jádra: 4 10 µm Průměr pláště: 125 ± 1 µm Dosah bez zesílení: km Přenosové rychlosti: 622,08 Mbit/s; 2,5; 10; 40 Gbit/s Zdroje světla: ILD 1310 nm, 1550 nm Obr. 2.1: Přenos jednovidovým optickým vláknem [7] 16

17 2.2 Mnohovidová vlákna Tyto vlákna jsou opakem jednovidových vláken. Tedy mají schopnost přenášet několik vidů najednou viz obrázek 2.2. Vyznačují se také proto větším průměrem jádra, aby vidy mohly vstupovat do jádra pod různými vstupními úhly. Jejich výroba je levnější, jelikož nemají tak malý průměr. Tyto vlákna si nacházejí cestu do lokálních sítí, díky jejich ceně. Vlákna jsou vyráběna ze skla, plastu nebo kombinací těchto materiálů [12]. Technické parametry mnohovidových vláken [8]: Průměr jádra: µm Průměr pláště: 145 a více µm Dosah bez zesílení: km Přenosové rychlosti: 155,52; 622,08 Mbit/s Zdroje světla: LED 850; 1300 nm Obr. 2.2: Přenos mnohovidovým optickým vláknem [7] 2.3 Přenos optickými vlákny Přenos po optických vláknech spočívá v přenášení světelného paprsku. Zdroj světla obvykle LED dioda nebo laser dioda, kdy data jsou reprezentována paprskem na jisté vlnové délce [8]. Výhodou tohoto přenosu je, že nevzniká žádné rušení mezi přenášenými signály. Kdežto přenos signálu po metalických kabelech trpěl přeslechy, útlumem a působením ostatních signálů. Také nespornou výhodou optických vláken je téměř nemožný odposlech, čemuž na metalických vláknech se sice dalo zabránit, avšak realizace odposlechu nebyla nijak náročná. Zdroj světla přivede paprsek do jádra optického vlákna pod jistým vstupním úhlem, paprsek podle toho kterým vláknem se přenáší, dochází k jeho šíření obr. 2.1, obr Poslední novinkou ve světě se stává budování přípojek FTTH společností Google, napříč Spojenými státy Americkými, kde chce nabízet připojení k Internetu o rychlosti 1 Gbit/s právě založenou na této technologií. Provoz chce zanedlouho testovat 17

18 v lokalitě Stanford, která je nedaleko od centrály společnosti. Projekt nese označení Google Fiber, působnost však zůstane pouze na území Spojených státu Amerických [9]. 2.4 FTTX - Fiber to The X Jak již samostatný překlad této zkratky napovídá, označuje se tímto zavedení optického kabelu do různých míst. Podle posledního písmena se rozeznávají FTTH, FTTC, FTTB, FTTO, FTTP a v neposlední řadě FTTN. FTTH (Fiber to the Home) tato možnost nabízí nejnákladnější řešení a to proto, jelikož je optické vlákno přivedeno až ke koncovému uživateli obr Metoda nabízí nejvyšší přenosové rychlosti, při použití této možnosti, lze bez problému realizovat služby triple play (televize, internet a hlasové služby) [10], [11]. Obr. 2.3: Provedení sítě pomocí FTTH [13] 18

19 FTTC (Fiber to the Curb) vlákno je přivedeno až k okraji chodníku v blízkosti hustého osídlení budov, nebo také přivedení optického vlákna ke komunikačnímu přepínači uvnitř domu nebo podniku viz obr Od tohoto místa jsou dále použity jiné technologie k připojení účastníku, nejčastěji metalické vedení. Vzdálenost od budov, čili potenciálních zákazníku je metrů [10], [11]. Obr. 2.4: Provedení sítě pomocí FFTC [13] FTTB (Fiber to the Building) metoda spočívá v tom, že optické vlákno je přivedeno do centrálního rozvaděče uvnitř budovy, nebo zástavby, odkud jsou dále použity jiné technologie obr. 2.5 [10], [11]. Obr. 2.5: Provedení sítě pomocí FTTB [13] 19

20 FTTO (Fiber to the Office) ve své podstatě metoda shodná jako FTTH. Optické vlákno je vedeno také ke koncovému uživateli, avšak v podnikové sítí, škole, nemocnici zkrátka větších podniků obr Zde ovšem nejsou primární služby triple play, ale spolehlivost sítě a rychlost odezvy [10], [11]. Obr. 2.6: Provedení sítě pomocí FTTO [13] FTTP (Fiber to the Premises) tato zkratka obecně zahrnuje připojení vlákna metodou FTTH a FTTO [11]. 20

21 FTTN (Fiber to the Node) optické vlákno je připojeno k DSLAMu a od něj jsou vedena dále metalická vedení ke klientům viz obr Tato metoda přináší značnou výhodu oproti FFTH a to, že zde dochází k ušetření počtu optických vláken. Vzdálenost mezi DSLAM a účastníky je však limitována na 5000 stop, což-li odpovídá 1524 metrům [10], [11]. Obr. 2.7: Provedení sítě pomocí FTTN [13] 21

22 3 METODY VYSÍLÁNÍ Přenos dat v sítích lze realizovat několika způsoby. Důležitým faktorem je však rozhodnout se jaký způsob přenos je zapotřebí. Zda-li je žádoucí, aby data přijímali všichni nebo jen určitá skupina uživatelů. Obecně v Internetu se používají následující metody unicast, broadcast a multicast. V následujících kapitolách je každý typ probrán a vysvětlen pomocí obrázků. 3.1 Broadcast Broadcast vysílání spočívá v tom, že daný paket, zprávu nebo data dostanou všichni příjemci na sítí. Tato metoda nachází své uplatnění pokud existuje uživatel, který chce odeslat data příjemci, ovšem nezná jeho adresu. Proto se zpráva pošle všem a těm kterým zpráva nepatří, tam je ignorována a komu je posílána tam je přečtena. Příkladem broadcastu může být analogové vysílání televize, kde se všechny televizní kanály šířily všude, teprve až samotní uživatelé si vybírali, který program budou přijímat. Obr. 3.1: Princip broadcast vysílání [14] 22

23 3.2 Unicast Unicast je svým chováním inverzní k broadcastu viz kap. 3.1, tedy unicast bude přenášet data pouze jednomu uživateli nebo zájemci o přenos viz obr Použití tohoto způsobu přenosu například pro internetové rádio nebo televizi je značně nepraktické, jelikož spotřebuje velkou šířku pásma. Jak již bylo zmíněno, jde pouze o přenos k jednomu příjemci. Toto by mělo za následek velkou spotřebu šířky pásma. I když unicast nemá efektivní využití šířky pásma, přesto najde své uplatnění, například pro službu video na vyžádání. Obecně lze říci, že kolik bude zájemců, tolik toků se po sítí posílá. Obr. 3.2: Princip unicast vysílání [14] 3.3 Multicast Multicast se používá jako náhrada unicastu, když je známo několik zájemců o příjem stejných informací. At už tyto informace jsou například TV programy, update programu nebo jiné. Princip vysílání bude při použití multicastu vždy stejný. Přenos pomocí této metody umožňuje lépe pochopit obr

24 Obr. 3.3: Přenos pomocí multicastu [14] Z obrázku je zřejmé, že pokud chce například deset uživatelů stejná data po serveru, server nebude posílat 10krát stejná data, ale pošle pouze jednou s tím, že dojde k úspoře šířky pásma na přenosové trase. Na posledním aktivním prvku se data naklonují tolikrát, kolik je příjemců na tomto prvku. Aktivní prvky v sítí mohou být například směrovače nebo přepínače. Přenos po multicastu je ovšem značně komplikovaný. Jelikož stream server generuje jeden tok, musí směrovače a přepínače vědět, kde data posílat a zda-li je potřeba už nyní duplikovat. Ze stream serveru příjme data distribuční směrovač, který ví podle směrovací tabulky, že má na svých rozhraních další dva směrovače. Těmto směrovačům poté pošle data. Za povšimnutí stojí, že už zde je potřeba data duplikovat, aby odešel jeden provoz do jednoho směrovače a druhý k druhému. Tyto prvky mají následně připojeny k sobě přepínač, jenž pošle data podle směrovací tabulky k němu. Přepínač jakožto poslední aktivní prvkem zduplikuje provoz a odešle jej zájemcům, kteří jsou přihlášení do multicastové skupiny. 3.4 Adresní prostor multicastu Multicast používá vyhrazený adresní prostor ze skupiny D. Skupina D má rozsah Směrovače tento provoz poznají pomocí prvních 4 nejvýznamnějších bitů (definice třídy D), které budou vždy 1110, následujících 28 bitů slouží pro skupinovou adresu. Skupina je tvořena členy a stanicemi, které deklarovaly zájem být členem dané multicastové skupiny. Schéma pro adresu třídy D je 24

25 zobrazeno na obr. 3.4 [17]. Obr. 3.4: Obecné schéma adresy ze skupiny D Adresy typu local scope Adresy typu local scope (lokálního rozsahu) jsou přesněji rozděleny od do Tyto adresy jsou následně rezervovány skupinou IANA pro sít ové protokoly. Pakety určené pro tuto doménu nesmí opustit LAN, toho lze dosáhnout nastavením TTL na hodnotu 1, což má za následek to, že když paket bude chtít projít přes směrovač ven mimo lokální sít, směrovač TTL zmenší o 1, čímž dojde k tomu, že TTL klesne na 0 a směrovač paket zahodí, čili nebude ho možné směrovat. Následující tabulka představuje několik rezervovaných IP adres v rozsahu odpovídající lokálnímu rozsahu [17]. IP adresa Popis Všechny systémy na podsítí Všechny směrovače na podstítí Nepřiřazeno Všechny DVMRP směrovače RIPv2 směrovače IGRP,EIGRP směrovače Mobilní agenti DHCP Server Všechny PIM směrovače IGMPv3 Tab. 3.1: Adresy z rozsahu local scope s popisem rezervace [17] Adresy typu global scope Adresy typu globální rozsah jsou adresy s přechodným významem, které se přidělují dynamicky. Adresní rozsah pro tento typ je , který lze 25

26 ještě i dále třídit podle určení [17]. Například IP adresy odpovídají kontrolnímu bloku při propojování sítí, kde příkladem bude IP adresa , která slouží k VPN [17] Adresy typu administratively scoped addresses Adresy limitované administrativním rozsahem jsou určeny pro použití v privátních doménách. Adresní prostor pro tento typ je Přičemž z tohoto rozsahu jsou adresy typu organization local scope, které organizace IANA vyhradila pro přenos v organizační lokální síti. Proto tyto adresy lze bez obav použít, aniž by docházelo ke konfliktu se stejnou adresou v Internetu [17]. 26

27 3.5 Multicastové distribuční stromy Ještě dříve, než budou rozebrány samostatné směrovací protokoly, je nutno se seznámit s tzv. distribučními stromy. Jsou k dispozici dva typy distribučních stromů, zdrojový strom (source tree) a sdílený strom (shared tree) Zdrojový strom Jelikož zdrojový strom (Source tree) posílá data vždy nejkratší cestou, je také nazýván jako strom nejkratší cesty (Shortest path tree). Zdrojem v tomto stromu může být kdokoliv. Jak již bylo zmíněno, tento strom posílá data vždy nejkratší cestou a tím dosáhne menšího zpoždění. Také ale klade značné požadavky na směrovače, protože budují strom pro každého odesílatele a skupinu. Pakety jsou posílány podle zdrojové a skupinové adresy. Tento stav odesílání má notaci (S,G), anglicky označován jako S comma G, kde S udává adresu zdroje (source) a G je adresa skupiny (group) [21]. Situaci lze znázornit pomocí obr. 3.5, existují-li 2 zdroje, libovolně rozmístěné v sítí a 2 příjemci. Situace bude následující. Jisté je, že se data musí dostat k cíli co nejkratší cestou, od zdroje 1 se bude šířit přes směrovač A dále na směrovač C ze směrovače C na E a k příjemci. Kdyby ovšem data šly jinou cestou, například od směrovače A k B dále na D a od něj na C nebude zajištěna podmínka nejkratší cesty. Cesta od zdroje 1 je znázorněna na obrázku červenou barvou, zelenou je pak cesta obdobná od zdroje 2 k příjemcům [21]. Obr. 3.5: Ukázka zdrojového stromu pro dva zdroje [21] 27

28 3.5.2 Sdílený strom Sdílený strom vychází z existence tzv. bod setkání (Rendezvous point), který slouží jako hlavní bod distribuce multicastu. Zdroje posílají svá data unicastem k bodu setkání, odsud jsou data dále šířená. Na rozdíl od zdrojového stromu se zde data nešíří nejkratší cestou a tímto vzniká například zpoždění v paketových sítích. Stav odesílání má svou notaci (*,G) kde * označuje libovolný zdroj a G skupinu (group) příjemce [21]. Stejně tak jako u předešlého případu, když by byly uvažovány dva zdroje libovolně rozmístěné v sítí a dva příjemci viz obr Jak je řečeno výše, zdroje, at už jsou kdekoliv, budou posílat svá data na bod setkání a od něj budou dále šířeny. Není zde zaručeno doručení nejkratší cestou, ale díky tomu nejsou sít ové prvky tolik namáhány [21]. Obr. 3.6: Budování tras od jednotlivých zdrojů k RP [21] 28

29 4 INTERNET GROUP MANAGEMENT PRO- TOCOL Tento protokol zkráceně IGMP je používán mezi hosty a směrovači, kde jej hosté využívají, aby oznámili směrovači svůj stav. Základ pro tento protokol tvoří Host membership report. Reportem je zde myšlen zájem o příjem multicastového toku nebo naopak odchod ze skupiny. Protokol IGMP byl vyvinut ve třech verzích. 4.1 IGMPv1 Protokol IGMPv1 dnes již patří mezi zastaralé. Není tedy nutno se jim zaobírat příliš podrobně. IGMPv1 podporují všechny současné operační systémy. Tento protokol obsahuje dvě základní zprávy [16], [18]: Membership query (členský dotaz) tato zpráva je periodicky odesílána na adresu , která označuje všechny hosty na dané podsíti. Tato zpráva je odesílána každou minutu [18]. Membership report (členská zpráva) zprávu odesílá stanice na IP adresu skupiny, do které si stanice přeje být připojena. Posílá se report (zpráva) pro každou skupinu, ve které je stanice členem [18]. Report může být odeslán jako odpověd na zprávu query nebo v momentě, kdy se stanice přeje stát členem skupiny. Každá stanice před odesláním odpovědi na výzvu počká náhodný čas, zda-li neodpoví nějaká jiná stanice. Pokud ano, další odpověd se již neposílá. 4.2 IGMPv2 IGMPv2 rozšiřuje první verzi o zprávu odchod ze skupiny (leave group). Zpráva je odesílána na adresu , která označuje všechny hosty na dané podsítí. Aby tyto zprávy zůstaly stejné, je zde ještě kromě leave zprávy další rozšíření, což znamená, že směrovač, který posílá zprávy query je vybrán podle nejvyšší IP adresy. Ostatní směrovače očekávají zprávu query, jenž odesílá směrovač s nejvyšší IP adresou. IGMPv2 je zpětně kompatibilní s IGMPv1, pokud se nachází ve skupině klient, který chce přijímat multicastový tok i členové s IGMPv1, směrovač zprávy odchod ze skupiny ignoruje [19], [21]. Jak je znázorněno na obr. 4.1, demonstruje přihlášení hosta2 a hosta3 k multicastové skupině , pomocí join zprávy. Směrovač tuto zprávu příjme, zpracuje a nyní jsou hosté registrovaní viz obr Následně host2 pošle zprávu o odchodu, aby mohl multicastovou skupinu opustit. Tu pak odešle na adresu , která 29

30 označuje všechny směrovače na dané podsíti obr Po odchodu hosta2 směrovač odešle na multicastovou skupinu zprávu group specific query, zda-li zůstali příjemci streamu obr Jelikož zůstal stále jeden potenciální příjemce host3, proto musí odeslat zprávu report viz obr. 4.5, aby směrovač nepřestal odesílat multicastový tok. Po jistém čase chce i host3 opustit multicastovou skupinu , proto odešle zprávu leave pro obr Tímto host3 opustí multicastovou skupinu znázorněno na obr. 4.7, když by směrovač odeslal další group specific query a nedostal odpověd, multicastova skupina zanikne. Obr. 4.1: Přihlášení hosta2 a 3 k multicastové skupině [20] Obr. 4.2: Symbolizuje úspěšné přihlášení do multicastové skupiny [20] 30

31 Obr. 4.3: Host2 hlásí odchod ze skupiny na adresu [20] Obr. 4.4: Směrovač odesílá dotaz, zda-li existují jiní příjemci [20] Obr. 4.5: Host3 odesílá oznámení, že je zde stále příjemce [20] 31

32 Obr. 4.6: Host3 odesílá zprávu o odchodu ze skupiny na adresu [20] Obr. 4.7: Multicastová skupina nemá další příjemce, proto zanikne na rozhraní směrovače [20] 4.3 IGMPv3 Třetí, zatím poslední verze, přináší ještě jedno významné vylepšení předešlých verzí. A to takové, že hosté ve skupině si mohou vybrat, ze kterého zdroje nebo zdrojů budou multicastový tok přijímat. Výběr se uskutečňuje parametrem INCLUDE nebo EXCLUDE. Host ihned po přihlášení do skupiny odesílá IGMPv3 oznámení na adresu adresa IGMPv3, vyhrazená společností IANA [20]]. Jde tedy o specifikaci zdroje. Není tomu jako u IGMPv1 a IGMPv1 kde toto nešlo. Nyní se zde zavádí zápis (S,G). Tedy pomocí písmene S se specifikuje zdroj. Také délka zpráv již není konstantní, ale variabilní [21], [22]. Příkladem využití specifikace zdroje může být obr. 4.8, kde se nachází 3 zdroje a jeden příjemce v multicastové skupině, která nese adresu Zdroje 1,2 a 3 vysílají datový tok na směrovač, na kterém se nachází multicastová skupina Jak již bylo zmíněno, IGMPv3 má vlastnost specifikace zdroje obr

33 Host1 tedy pošle zprávu oznámení na adresu viz kap , aby směrovač věděl, že existuje příjemce v multicastové skupině a zároveň host doplní do pole include adresu zdroje případně zdrojů, ze kterých chce datové toky přijímat. Po zpracování této zprávy viz obr. 4.10, směrovač4 začne propouštět do multicastové skupiny jen datové toky ze specifikovaných adres. Obr. 4.8: Ukázka zahájení vysílání 33

34 Obr. 4.9: Host1 specifikuje zdroj z kterého chce přijímat multicastový tok Obr. 4.10: Směrovač4 vyhodnocuje požadavky a propouští pouze tok ze specifikovaného zdroje 34

35 5 PŘEPÍNAČ Je aktivním prvkem pracujícím na druhé vrstvě referenčního modelu ISO/OSI. Základem přepínání je budování přepínací tabulky pomocí MAC adres, které se nachází na jednotlivých rozhraních. Přepínač pracuje s rámci v síti, ze kterých čte zdrojovou MAC adresu, kterou si uloží do přepínací tabulky a přiřadí k aktuálnímu rozhraní. Následně kontroluje cílovou MAC adresu. Když se tato adresa nenachází v přepínací tabulce vyšle přepínač broadcast viz kap. 3.1 s dotazem, kde se tato adresa nachází. Pakliže adresa odpovídá nějakému počítači, počítač odpoví, přepínač si aktualizuje přepínací tabulku a odešle rámec příjemci [23]. Vhodnost použití tohoto zařízení je značná mezi LAN sítěmi. Avšak při rozsáhlých sítích už je tento aktivní prvek nahrazován směrovači. Přepínače mezi vysílací a přijímací stranou vytváří virtuální okruh [24]. Další výhodou přepínače je, že přepínač předává rámec pouze tomu komu je primárně určen. Není tomu jako u rozbočovaču, který předával všechno na své porty, také nyní na přepínači mohou všichni klienti komunikovat najednou [23]. Další výhodou může být nastavení přístupových práv (ACL), s jejichž pomocí lze některé služby zcela zakázat. Výše zmíněné vlastnosti platí pro přepínače na 2. vrstvě modelu OSI, ačkoliv také na 3. vrstvě téhož modelu lze najít přepínač. Jedná se o tzv. L3 přepínač, který využívá výše zmíněné vlastnosti a k nim navíc informace o IP adresách. L3 přepínač je vhodné využívat pro propojení dvou různých LAN sítích, avšak byt umí L3 přepínač pracovat s IP adresami, neznamená to, že nahradí potřebu směrovače, který využívá směrovací protokoly. 35

36 5.1 Druhy přepínačů Přepínače jsou rozeznávány podle signálů, které přenášejí a také připojených médiích. Základní dělení lze uvést takto: metalické přepínače, optometalické přepínače a optické přepínače, které jsou dále popsány Metalické přepínače Tyto přepínače poskytují připojení pouze klasickými metalickými kabely, at už UTP nebo STP. Každé rozhraní je tedy realizováno nejčastěji pomocí konektorů RJ-45. Neprovádí se zde žádná konverze mezi signály, které přicházejí. Signál který přijde na jedno rozhraní je předán druhému. Tyto přepínače jsou stále hojně využívány v malých sítích, jelikož jejich cenová dostupnost toto umožňuje. Při dražších modelech lze do přepínačů dokupovat různé moduly, kterými lze přepínače rozšiřovat Optometalické přepínače Přepínače tohoto typu poskytují možnost přivedení optického vlákna k budovám, kde jsou uvnitř hotové metalické rozvody, ale přístup k WAN sítí je řešen bezdrátovým spojem. Bezdrátový spoj lze nahradit přivedením optického vlákna k budově a připojit jej k optometalickému přepínači, na který se následně pomocí metalických kabelů připojí klienti. Výsledkem je FTTB viz kap Tyto přepínače musí být vybaveny převodníkem, jelikož umí zpracovávat jak signál z metalických vedení tak optické signály. Obvykle je signál přiveden pomocí optických vláken k převodníku kde se signál zpracuje na signál vhodný pro přenos metalickými kabely. Koncové stanice se připojují metalickými kabely UTP nebo STP. Připojení optického vlákna je realizováno pomocí konektoru SFP. Optické vlákna mají větší dosah než metalické kabely, proto jsou častěji používány pro připojení k metropolitním sítím. Při použití dražších modelů, lze dokupovat rozšířující moduly Optické přepínače Optické přepínače respektive přepínače pro optické sítě, tvoří nedílnou součást celé architektury téměř veškerých sítí. Proč právě optické přepínače? Důvodů je hned několik. Ovšem důvody s největším významem jsou vyšší rychlosti, dosahy, spolehlivost a také nejsou tyto přepínače ovlivňovány nepříznivými vlivy, které omezovaly přenos po metalických sítích, útlum nebo také přeslechy [25]. Samotné optické přepínače nemusejí jen pracovat se světelnými paprsky, mohou také provádět konverzí mezi elektrickým signálem a optickým signálem, samozřejmě 36

37 také obráceně. Aby toto však bylo možné, je nutné mít přepínače vybaveny tzv. konvertory, které se o tento převod budou starat. U optických přepínačů jsou možnosti přepínání značně usnadněny, jelikož jde o přenos světelných paprsků, nemusí přepínač zkoumat o jaký protokol jde nebo o jaká data. Zkrátka data jsou předána na odchozí rozhraní, at už se jedná o jedno nebo více rozhraní. Děje se tomu pomocí nastavení vnitřní optické soustavy, která je podle daných parametrů nastavena tak, že výstupní rozhraní je jedno nebo více. Toto má za následek jisté ušetření času, o které jde především, jelikož čím méně musí dané prvky řešit, tím více času lze na nich ušetřit. Proto přepínací kapacita optických přepínačů mnohdy několikanásobně převýší kapacitu metalických přepínačů [25]. Optické přepínače si nachází stále větší uplatnění např. v datových sítích, nemocnicích, výzkumných ústavech aj. [25]. V neposlední řadě je také důležité zmínit samostatnou energetickou náročnost optických přepínačů, jelikož jsou často upřednostněny na páteřních sítích, kde jsou používány ve své podstatě nepřetržitě [25]. To je také důvodem, proč je vhodné tenhle parametr zohlednit při výběru přepínače [25]. Menší nároky jsou pak kladeny na tvar, ovšem řešení samostatné optické soustavy uvnitř, hraje v konečném tvaru velkou roli [25]. 37

38 6 PRAKTICKÁ ČÁST Tato část dokumentu se bude dále věnovat již konkrétním přepínačům, které byly testovány. První kapitola bude tvořit souhrnný popis jednotlivých testovaných přepínačů. Následující část pak rozebírá použité programy a video soubory pro testování, rozbor jednotlivých parametrů videí jsou umístěny do tabulek. Předposlední podkapitola vysvětluje jednotlivé metody testování, nastavení přepínačů a zhodnocení výsledků. Samotný závěr praktické částí přináší rozbor zachycených paketů s nastaveným filtrem na IGMP protokol. 6.1 Testovaná zařízení Ke každé metodě bylo k dispozici celkem 5 přepínačů. Přičemž 2 byly z dílny Cisco, 2 od Edge-corE a poslední byl značky SignaMax. Přepínače Edge-corE spolu s přepínačem SignaMax byly optometalické, přepínače Cisco jen metalické. Přepínače byly vybrány tak, aby podporovaly IGMP snooping, který zajistí, že multicastový tok bude doručován pouze příjemcům přihlášených do multicastové skupiny. Další funkcí, kterou je důležité zmínit je IGMP throttling, jehož podstata tkví v tom, že pokud chce klient přijímat jistý program z IPTV a nemá jej zaplacený, přepínač tento tok zablokuje, po jeho zaplacení se tento tok povolí a klient může přijímat i již zaplacený program. Konfigurace přepínačů byla prováděna pouze přes konzoli, byt přepínače nabízejí i konfiguraci pomocí webového rozhraní. V následujících kapitolách budou popsány parametry jednotlivých přepínačů. 38

39 6.1.1 Cisco WS-C TT-L Obr. 6.1: Přepínač Cisco WS C TT L Provedení přepínače: Metalické Počet FastEthernet portů: 24 Počet Gigabit Ethernet portů: 2 Počet kombo portů (RJ-45/SFP): 0 Použitá verze IOS: c2960-lanbasek9-mz se2.bin IGMP snooping: ANO IGMP Throttling: ANO Pamět MAC adres: 8192 Switching Capability: 8,8 Gbps Velikost flash paměti: 32 MB Velikost SDRAM paměti: 64 MB Orientační cena: Kč Cisco WS-C3560v2-24PS Obr. 6.2: Přepínač Cisco WS C3560v2 24PS Provedení přepínače: Metalické Počet FastEthernet portů: 24 Počet Gigabit Ethernet portů: 2 Počet kombo portů (RJ-45/SFP): 0 Použitá verze IOS: c3560-ipservicesk9-mz se2.bin IGMP snooping: ANO IGMP Throttling: ANO Pamět MAC adres: 6144 Switching Capability: 32 Gbps 39

40 Velikost bufferu paketu: Velikost flash paměti: 32 MB Velikost SDRAM paměti: 128 MB Orientační cena: Kč Edge-corE ES3528M-FLF Obr. 6.3: Přepínač Edge-corE ES3528M-FLF Provedení přepínače: Optometalické Počet FastEthernet portů: 24 Počet Gigabit Ethernet portů: 0 Počet kombo portů (RJ-45/SFP): 4 Použitá verze IOS: ES M opcode V bix IGMP snooping: ANO IGMP Throttling: ANO Pamět MAC adres: 8192 Switching Capability: 12,8 Gbps Velikost bufferu paketu: 4 Mb Velikost flash paměti: 16 MB Velikost SDRAM paměti: 64 MB Orientační cena: 7090 Kč Edge-corE ES3510MA Obr. 6.4: Přepínač Edge-corE ES3510MA Provedení přepínače: Optometalické Počet FastEthernet portů: 8 Počet Gigabit Ethernet portů: 0 40

41 Počet kombo portů (RJ-45/SFP): 2 Použitá verze IOS: es3510ma bix IGMP snooping: ANO IGMP Throttling: ANO Pamět MAC adres: 8192 Switching Capability: 4.6 Gbps Velikost bufferu paketu: 256 KB Velikost flash paměti: 16 MB Velikost SDRAM paměti: 64 MB Orientační cena: 3330 Kč SignaMax Obr. 6.5: Přepínač SignaMax Provedení přepínače: Optometalické Počet FastEthernet portů: 24 Počet Gigabit Ethernet portů: 0 Počet kombo portů (RJ-45/SFP): 4 Použitá verze IOS: ES M opcode V bix IGMP snooping: ANO IGMP Throttling: ANO Pamět MAC adres: 8192 Switching Capability: 12,8 Gbps Velikost bufferu paketu: 9 MB Velikost flash paměti: 16 MB Velikost SDRAM paměti: 64 MB Orientační cena: Kč 41

42 6.2 Softwarové a video vybavení pro testování Softwarové vybavení Wireshark Freeware (volně šiřitelný) program sloužící k analýze toku dat v síti. Dřívější jméno tohoto velmi oblíbeného programu bylo Ethereal. Wireshark je s oblibou používán i během praktických úkolů v Cisco akademii. Na obr. 6.6 je zobrazen screenshot z programu při zachytávání IGMP paketů, které budou v praktické části tohoto projektu sledovány. Wireshark disponuje velmi bohatou možností volby co se týče sít ových protokolů, nechybí zde nejznámější TCP, UDP nebo IGMP. Je zde také možnost vytvářet si svoje vlastní filtry pomocí kombinací různých jiných protokolů nebo také pomocí logických operátorů. Dekódování probíhá v reálném čase. Pakety jsou zobrazeny v první části okna. Další část obsahuje popis co paket nese, zdrojovou adresu, cílovou adresu, použitý protokol a další informace. Poslední okno zobrazuje hexadecimální obsah paketů a jeho dekódování. Obr. 6.6: Grafické rozhraní programu Wireshark s filtrem IGMP protokolu 42

43 NetPerSec Program představuje jednoduchou aplikaci, pomocí níž bude měřena propustnost na sít ové kartě. Autorem tohoto programu je Mark Sweeney, aplikace byla poprvé zveřejněna v časopise PC Magazine. Pomocí této aplikace byly získány průměrné přenosové rychlosti na každém počítači, at už byl v roli serveru nebo klienta. Z přenosových rychlostí byl pak vypočten průměr a uveden u jednotlivých metod testování. Výjimku tvořila jen poslední metoda testování, tam byly hodnoty sečteny, aby bylo dokázáno, že se data od serveru šíří skutečně multicastem. Obr. 6.7: Grafické rozhraní programu NetPerSec VideoLAN Client I zde se jedná o program, který je zcela freeware. Tento program zkráceně VLC bude hrát velkou roli při testování přepínačů. Pomocí něj budou přenášená data do sítě, ve které si až sami klienti rozhodnou, který program nebo proud dat budou přijímat. Program VLC umí pracovat jak v režimu server, tak i klient, proto je zcela dostačující pro potřeby testování. Nejedná se jen o program, kterým lze přenášet data, nýbrž jde také o multimediální přehrávač obr. 6.8, který si poradí s mnoha formáty a zdroji. VLC také zvládá přehrávání z externích zařízení, jako jsou zařízení typu DVB-X a další. V neposlední řadě lze pomocí VideoLAN provozovat službu video na vyžádání. 43

44 Obr. 6.8: Zobrazení grafického rozhraní programu VideoLAN Testované formáty videí Samotné testování probíhalo s video soubory jak ve standardním rozlišení (SD) viz tab. 6.1, tak v rozlišení vysokém. Přičemž v druhém případě bylo použito video ve formátu MP4 viz tab. 6.2 a MKV viz tab V dnešní době se však nejvíce přenášejí videa komprimovaná pomocí kodeku MPEG, ovšem formát Matroska bude sloužit pro demonstaraci vysokého datového toku, aby přepínače byly zatíženy. Následující tabulky popisují použitá videa. Tab. 6.1: Popis videa ve standardním rozlišení Parametr Hodnota Formát souboru MPEG-PS Video formát MPEG Video Audio formát MPEG Audio Velikost 46,1 MB Celková délka 1 m 31 s Celkový BitRate Kbps Rozlišení videa Počet snímků za sekundu 25 Poměr stran 16 : 9 44

45 Tab. 6.2: Popis videa ve vysokém rozlišení ve formátu MP4 Parametr Hodnota Formát souboru MPEG-4 Video formát Advanced Video Codec Audio formát Advanced Audio Codec Velikost 11,5 MB Celková délka 45 s Celkový BitRate Kbps Rozlišení videa Počet snímků za sekundu 23,976 Poměr stran 16 : 9 Tab. 6.3: Popis videa ve vysokém rozlišení ve formátu Matroska Parametr Hodnota Formát souboru Matroska Video formát Advanced Video Codec Audio formát Advanced Audio Codec Velikost 681 MB Celková délka 15 m 4 s Celkový BitRate Kbps Rozlišení videa Počet snímků za sekundu 23,976 Poměr stran 16 : 9 Tab. 6.4: Popis videa ve vysokém rozlišení pro druhou metodu testování Parametr Hodnota Formát souboru MPEG-4 Video formát Advanced Video Codec Audio formát Advanced Audio Codec Velikost 128 MB Celková délka 2 m 30 s Celkový BitRate Kbps Rozlišení videa Počet snímků za sekundu 23,976 Poměr stran 16 : 9 45

46 Tab. 6.5: Popis videa ve vysokém rozlišení pro druhou metodu testování Parametr Hodnota Formát souboru MPEG-4 Video formát Advanced Video Codec Audio formát Advanced Audio Codec Velikost 145 MB Celková délka 2 m 8 s Celkový BitRate Kbps Rozlišení videa Počet snímků za sekundu 29,97 Poměr stran 16 : 9 Nastavení Video LAN Clienta pro serverovou část Pro testování byl zvolen program VLC, který umožňuje jak vysílání videa, tak i jeho příjem. První je probráno nastavení serveru. Po spuštění VLC se zvolí záložka media a v ní streaming. Výsledkem bude obr Následně je vybrán video soubor pomocí tlačítka ADD, klepnutím na stream bude nutno vybrat typ vysílání, při vysílání na multicastové adresy se vybere UDP, vepíše se adresa viz obr a pak už je zde možnost zvolit překódování nebo ne. Po klepnutí na stream, začíná přenos videa. Obr. 6.9: Výběr přenášeného souboru 46

47 Obr. 6.10: Zvolení způsobu přenosu a zadání multicastové adresy Nastavení Video LAN Clienta pro klientskou část Pro příjem videa je nutno být přihlášen k multicastové skupině. V programu VLC se zvolí záložka media a položka open network stream obr Vybere se protokol UDP, jenž byl zvolen i na serverové části. Poté se vyplní se adresa a port, které byly zadány na serveru a po kliknutí na play, bude zahájen příjem videa ze serveru. Obr. 6.11: Spuštění přenášeného souboru na zvolené IP adrese 47

48 6.3 Metody testování přepínačů Metody testování byly tři, přičemž první sloužila k přenosu jediného video toku, druhá pak pro dva přenosy a třetí testování je dokázání přenosu videa pomocí multicastu. Při každém testování bylo použito softwarového vybavení popsaného výše. Pomocí programů Wireshark se zachytí veškeré pakety, které počítač přijme i odešle. Rozbor zachycených paketů bude popsán v samotném závěru dokumentu. Výsledky jsou vždy sepsány pod jednotlivými metodami. Dále jsou rozděleny na to, kdy je povolena možnost překódování nebo kdy tato možnost chybí Testování pomocí jednoho videa První metoda sloužila pro přenos počítač přepínač počítač, kde jeden počítač byl zvolen jako server, který vysílá video na zvolenou multicastovou adresu. Ostatní počítače sloužili jako klienti. Ukázka první topologie, při níž bylo prováděno testování je zobrazena níže. Obr. 6.12: První topologie pro testování multicastu Při této topologii byl testován přenos videa v SD kvalitě, 720p kvalitě ve formátu MP4 a 720p kvalitě ve formátu Matroska. Při prvním testování byla použita volba překódování, přičemž touto volbou byl snížen celkový datový tok na čtvrtinu z původní velikosti souboru. Při tomto testu nebyly kladeny příliš vysoké nároky na přepínač. Následně při dalším testu se stejným videem byla tato možnost vypnuta. Jeden počítač je zvolen jako server, zbylých 9 slouží jako klienti. 48

49 Nastavení přepínačů pro první metodu testování bylo společné všem přepínačům, viz níže. Nastavení přepínače pro první topologii: Switch#conf t Switch(config)#interface vlan 1 Switch(config-if)#ip address Switch(config-if)#exit Switch(config)#ip igmp snooping Switch(config)#ip igmp snooping querier Zhodnocení výsledků pro jednotlivé přepínače Cisco WS-C TT-L Testování při povolené volbě překódování U testování přepínače pomocí videa ve standardní kvalitě se vyskytly zřejmé artefakty po celou dobu přenosu a místy se objevilo i zaseknutí videa. Zatížení CPU: 5 % Průměrný datový tok: 0,58 Mbit/s Test s videem v kvalitě 720p a formátu MP4. Zde se video se neustále sekalo, problikávalo a na všech PC došlo k zamrznutí celého přenosu po dobu 1 vteřiny. Zatížení CPU: 5 % Průměrný datový tok: 0,26 Mbit/s V pořadí poslední test s použitím videa v rozlišení 720p a formátu Matroska, nebylo video možné sledovat. Docházelo k častému sekání, načítání videa a došlo k rozpadu barev. Zatížení CPU: 5 % Průměrný datový tok: 0,37 Mbit/s Testování bez volby překódování Při použití stejného videa v SD kvalitě video netrpělo žádnými nedostatky. Zatížení CPU: 6 % Průměrný datový tok: 3,43 Mbit/s S videem v kvalitě 720p ve formátu MP4 také nebyly sledovány žádné artefakty. Zatížení CPU: 6 % Průměrný datový tok: 1,93 Mbit/s U posledního přenosu videa 720p ve formátu Matroska došlo ke zpoždění přenosu u 2PC a zbylých 7PC se přenášelo video bez artefaktů, místy došlo 49

50 k mírnému seknutí videa, ale na celkový vjem videa toto nemělo žádný dopad. Zatížení CPU: 6 % Průměrný datový tok: 7,17 Mbit/s Cisco WS-c3560v2-24PS Testování při povolené volbě překódování U testu s jedním videem v SD kvalitě zpočátku docházelo ke zřejmým artefakty a častému načítání videa. Zatížení CPU: 4 % Průměrný datový tok: 0,58 Mbit/s Video v rozlišení 720p ve formátu MP4 nebylo možné sledovat z důvodů neustálých artefaktů, načítání či sekání. Zatížení CPU: 4 % Průměrný datový tok: 0,26 Mbit/s Pro stream 720p a formát Matroska se video opožd ovalo na 2 počítačích ze 7. Poté co se přenos zastaví, je nutno počítat s prodlevou 5 vteřin než dojde k následnému obnovení. Zatížení CPU: 5 % Průměrný datový tok: 0,37 Mbit/s Testování bez volby překódování Pro video v SD kvalitě a 720p ve formátu MP4 byl přenos zcela bez problémů a plynulý. Zatížení CPU pro SD: 6 % Průměrný datový tok pro SD: 3,5 Mbit/s Zatížení CPU pro 720p: 6 % Průměrný datový tok pro 720p: 1,88 Mbit/s Následující test s přenosem videa v kvalitě 720p a formátu Matroska. Přenos probíhal v pořádku na 7 počítačích z 9. U zbylých 2 počítačů byl stream přenášen, ovšem po vzhruba 5 vteřinách zcela zamzrnul. Zatížení CPU: 6 % Průměrný datový tok: 4,98 Mbit/s 50

51 Edge-corE ES3528M-FLF Testování při povolené volbě překódování Při testování přepínače s videem v SD kvalitě byly zjištěny tyto výsledky. U 9 počítačů jenž byli zvolení jako klienti, probíhal stream bez známek artefaktů. Došlo pouze k velmi krátkému seknutí videa a pak stream plynule pokračoval. Zatížení CPU: 4,11 % Průměrný datový tok: 0,68 Mbit/s Další test s použitým videem v rozlišení 720p a použitém kodeku MP4 přinesl tyto výsledky. Video trpělo neustálými artefakty a sekáním, což nebylo možné sledovat. Zatížení CPU: 4,53 % Průměrný datový tok: 0,31 Mbit/s Poslední test s jedním zdrojem streamu videem 720p ve formátu Matroska byl přenos zpočátku plynulý. Mírné artefakty a následné sekání se objevily vzhruba po 20 sekundách. Zatížení CPU: 4,29 % Průměrný datový tok: 0,376 Mbit/s Testování bez volby překódování Přenos videa ve standardním kvalitě bylo na 2 počítačích z 9 zřetelné, že se přenos zastavil a VLC načítá video z vyrovnávací paměti. Tato doba nepřekročila 5 vteřin. Zbylých 7 počítačů bez problémů video přenášelo. Zatížení CPU 4,66 % Průměrný datový tok: 3,2 Mbit/s S videem kvality 720p a formátu MP4 bylo vše v pořádku, čistý a plynulý přenos. Zatížení CPU: 4,34 % Průměrný datový tok: 1,88 Mbit/s Na příjemcích videa 720p a formátu MKV počátek videa doprovázely artefakty, ale do konce přenosu video hrálo bez problémů. Po uplynutí cca 3vteřin se 2 počítače začali sekat až k úplnému zamrznutí. Na zbylých 7PC video hrálo s mírným trháním videa. Zatížení CPU: 4,25 % Průměrný datový tok: 6,8 Mbit/s 51

52 Edge-corE ES3510MA Testování při povolené volbě překódování Video v SD kvalitě po dobu přehrávání jevilo mírné artefakty. Zatížení CPU: 5 % Průměrný datový tok: 0,69 Mbit/s Se streamem v 720p kvalitě ve formátu MP4 nebylo možné stream sledovat kvůli artefaktům a sekání videa. Zatížení CPU: 5 % Průměrný datový tok: 0,323 Mbit/s Přenos videa v rozlišení 720p ve formátu Matroska se klienti nacházeli v různých časech přenosu, časté sekání a artefakty. Zatížení CPU: 5 % Průměrný datový tok: 0,3 Mbit/s Testování bez volby překódování Při použití videí v SD a 720p kvalitě ve formátu MP4 nebyly znát žádné následky artefaktů ani načítání videa. Zatížení CPU pro SD: 6 % Průměrný datový tok: 3,23 Mbit/s Zatížení CPU pro 720p: 6 % Průměrný datový tok: 1,88 Mbit/s Poslední testování založeno na jednom streamu bylo s video souborem v 720p kvalitě a formátu Matroska. Streamy se opožd ovaly, sekaly a byly poškozeny artefakty. Zatížení CPU: 6 % Průměrný datový tok: 4,88 Mbit/s SignaMax Testování při povolené volbě překódování Testování pomocí videa v SD kvalitě. Přenos byl zcela plynulý, objevilo se pár artefaktů, které však na celkový vjem přenosu neměly žádné velké následky. Zatížení CPU: 1,38 % Průměrný datový tok: 0,76 Mbit/s U videí v kvalitě 720p, at už ve formátu MP4 nebo MKV nebylo možné sledovat plynulý přenos, videa se u klientů opožd ovala a trpěla artefakty. Zatížení CPU pro 720p MP4: 1,33 % 52

53 Průměrný datový tok 720p MP4: 0,25 Mbit/s Zatížení CPU pro 720p MKV: 1,21 % Průměrný datový tok 720p MKV: 0,33 Mbit/s Testování bez volby překódování Opakovaný přenos videa v SD kvalitě, u 2 počítačů se stream sekal cca 3 vteřiny pak video hrálo v pořádku s občasnými artefakty. Zatížení CPU: 1,43 % Průměrný datový tok: 3,5 Mbit/s Při streamu 720p ve formátu MP4 bylo vše v naprostém pořádku. Zatížení CPU: 1,38 % Průměrný datový tok: 2,19 Mbit/s Poslední zopakovaný test s videem v 720p a formátu Matroska bylo zřejmé zpožd ování přenosu na jednom počítači, celkový přenos byl bez artefaktů. Zatížení CPU: 1,21 % Průměrný datový tok: 7,57 Mbit/s Testování pomocí dvou videí Testování pomocí dvou video toků je založeno na první metodě s tím rozdílem, že nyní jsou zvoleny 2 počítače jako server, zbylých 8 počítačů je rozděleno na polovinu. Čtyři počítače budou přijímat video tok z jednoho serveru, zbytek z druhého serveru obr Při této metodě jsou použita videa pouze ve vysokém rozlišení tab. 6.4, 6.5. Nastavení jednotlivých přepínačů zůstalo zachováno z předchozího testování, stejně tak i postup je zcela totožný. Obr. 6.13: Rozložení počítačů a serveru pro druhou metodu testování 53

54 Zhodnocení výsledků pro jednotlivé přepínače Cisco WS-C TT-L Testování při povolené volbě překódování Pro klienty serveru vysílajícího na adrese docházelo k sekání videa a častému výskytu artefaktů. Průměrný datový tok pro server : 0,33 Mbit/s U klientů serveru, který vysílal video na adrese docházelo pouze k častému trhání přenosu. Zatížení CPU: 5 % Průměrný datový tok pro server : 0,49 Mbit/s Testování bez volby překódování Přenos z obou serverů probíhal naprosto v pořádku, dva klienti sice přijímali video se sekundovým zpožděním, nicméně přenos byl plynulý. Zatížení CPU: 6 % Průměrný datový tok pro server : 3,68 Mbit/s Průměrný datový tok pro server : 7,48 Mbit/s Cisco WS-C3560v2-24PS Testování při povolené volbě překódování Přenos ze serveru s adresou nešlo video plynule sledovat. Průměrný datový tok pro server : 3,98 Mbit/s Oproti tomu videa z druhého serveru se místy sekly, ale na celkový vjem videa to nemělo žádný dopad. Zatížení CPU: 6 % Průměrný datový tok pro server : 0,31 Mbit/s Testování bez volby překódování Bez volby překódování videa docházelo na obou stranách klientů k občasnému sekání přenosu, ale video neztratilo na kvalitě. Zatížení CPU: 7 % Průměrný datový tok pro server : 3,98 Mbit/s Průměrný datový tok pro server : 7,62 Mbit/s 54

55 Edge-corE ES3528M-FLF Testování při povolené volbě překódování V době kdy se přenášely oba video toky, nebylo možné sledovat plynule ani jeden. Jakmile však skončil první stream, kvalita na ještě běžícím videu se zlepšila, ovšem i přesto přenos trpěl artefakty. Zatížení CPU: 3,66 % Průměrný datový tok pro server : 0,41 Mbit/s Průměrný datový tok pro server : 0,36 Mbit/s Testování bez volby překódování Přenos probíhal zcela bez známek artefaktů a nedokonalostí. Zatížení CPU: 3,86 % Průměrný datový tok pro server : 6,22 Mbit/s Průměrný datový tok pro server : 6,8 Mbit/s Edge-corE ES3510MA Testování při povolené volbě překódování Video tok ani z jednoho serveru nelze plynule sledovat, jelikož se často načítá, je poznamenáno artefakty a sekáním. Zatížení CPU: 5 % Průměrný datový tok pro server : 0,33 Mbit/s Průměrný datový tok pro server : 0,44 Mbit/s Testování bez volby překódování Přenos ze serveru s adresou byl zcela v pořádku, oproti tomu klienti serveru přijímali v pořádku video tok pouze prvních 10 vteřin, pak se přenos neustále sekal a docházelo k načítání. Zatížení CPU: 6 % Průměrný datový tok pro server : 4,15 Mbit/s Průměrný datový tok pro server : 7,48 Mbit/s SignaMax Testování při povolené volbě překódování Při testování tohoto přepínače docházelo na straně klientů k častým mrznutím přenosu, mnohdy tato doba byla až 5 sekund. Došlo také k rozpadu časové synchronizace, každý klient se nacházel v jiné části videa. Zatížení CPU: 2,38 % 55

56 Průměrný datový tok pro server : 0,33 Mbit/s Průměrný datový tok pro server : 0,44 Mbit/s Testování bez volby překódování Přenos obou videí nepoznamenaly žádné nedokonalosti. Zatížení CPU: 1,92 % Průměrný datový tok pro server : 3,38 Mbit/s Průměrný datový tok pro server : 7,32 Mbit/s 56

57 6.3.3 Přenos mezi přepínači Pomocí poslední topologie obr nejsou testovány všechny přepínače. Následující metoda je demonstrativní, aby bylo dokázáno, že se video přenáší pomocí multicastu a ne každý tok videa zvlášt ke každému klientovi. Při tomto testování bude použito souboru s parametry podle tab. 6.3, zejména pro jeho vysoký datový tok. Porty, kterými budou přepínače spojeny budou záměrně omezeny na přenosovou rychlost 10 Mb/s, čímž dojde k ověření, že se ze serveru posílá jen jeden video tok a podle přihlášených klientů bude tento video tok přepínačem na straně klientů duplikován. Obr. 6.14: Rozložení počítačů a serveru pro druhou metodu testování Nastavení přepínačů je velmi obdobné již předchozímu nastavení. Jediný rozdíl je, že nyní byla potřeba omezit rychlost jednoho portu na 10 Mb/s, čímž se dosáhne, že porty spojených přepínačů budou pracovat na této rychlosti. Není nutno nastavovat přenosovou rychlost na obou přepínačích, porty přepínačů pracují v režimu dynamic auto. Stačí tedy nastavit jen jedinému portu přenosovou rychlost na jednom přepínači, druhý port pro spojení se přizpůsobí. Zároveň je použita pouze výchozí VLAN 1 takže všechny porty patří do této VLAN již při spuštění přepínače. Kdyby bylo použito více virtuálních sítí, což není, byla by potřeba při spojení mezi přepínači použít trunkovou linku, která by zajistila značení provozu, ale v tomto případě je stále použito adresního rozsahu \24. 57

58 Nastavení prvního přepínače na straně serveru: Switch#conf t Switch(config)#interface vlan 1 Switch(config-if)#ip address Switch(config-if)#exit Switch(config)#ip igmp snooping Switch(config)#ip igmp snooping querier Switch(config)#interface f0/7 Switch(config-if)#speed 10 Nastavení druhého přepínače na straně klienta: Switch#conf t Switch(config)#interface vlan 1 Switch(config-if)#ip address Switch(config-if)#exit Switch(config)#ip igmp snooping Switch(config)#ip igmp snooping querier Tab. 6.6: Tabulka přenosových rychlostí naměřených u jednotlivých klientů Počítač Průměrná přenosová rychlost [Mbit/s] PC1 8,5 PC2 8,8 PC3 7,9 PC4 5,8 PC5 7,5 PC6 8,9 PC7 9 Server 9,4 Z tab. 6.6 je zřejmé, že server má průměrnou přenosovou rychlost uploadu 9,4 Mbit/s, čímž zabere téměř celou šířku pásma na lince mezi přepínači. Klientskou část tvoří celkem sedm počítačů, z nichž přijímá každý klient video tok o průměrné rychlosti podle tab Po sečtení všech průměrných hodnot vyjde, že celková přenosová rychlost je 56,4 Mbit/s. Tímto je dokázáno, že se video šíří ze serveru pomocí multicastu a není možné přenášet po lince, která vykazuje kapacitu 10 Mb/s přenášet celkově 56,4 Mbit/s. Proto poslední aktivní prvek v síti, v tomto případě přepínač na straně klientů zduplikuje video tok pro všechny klienty. 58

59 6.4 Rozbor zachycených paketů V této části budou probrány IGMP pakety, které byly zachyceny během přenosu videa při první metodě testování. Prvním nastaveným filtrem bude protokol IGMP obr. 6.15, bude probrán zejména jeho význam v zachycených datech, teorie k tomuto protokolu viz kap. 4, zde budou vysvětleny významy jednotlivých IP adres. Obr. 6.15: Výpis zachycených IGMP paketů pomocí programu Wireshark Z výpisu paketů je znát několik IP adres, které však nebyly definovány. Jedná se o IP adresu , která je definována viz tab. 3.1, adresa reprezentuje všechny systémy na dané podsítí čili i k oslovení všech klientů multicastového přenosu na dané podsítí. Další IP adresa je již definována , tato adresa byla zvolena při vysílání přenosu ze strany serveru. Ve výpisu lze také najít IP adresu mající tvar Adresa nese označení APIPA, automatická privátní IP adresa, adresu získá sít ová karta od operačního systému, který vyhodnotil, že přidělení IP adresy ze serveru DHCP selhalo, v tomto případě může být také na vině virtuální systém, který byl při testování použit. Poslední z neznámých IP adres zachycených programem Wireshark je adresa , adresa je určena pro zjišt ování dostupných sít ových služeb pomocí protokolu Simple Service Discovery Protocol (SSDP). Nutno také zmínit, že při otevření některého z udp/mpeg-1 paketu, je vidět, že cílová MAC adresa je 01:00:5e:01:01:01. Tato adresa je získána mapováním multicastové IP adresy na MAC adresu. Vezme-li se IP adresa serveru, který přenáší video 59