Entwicklung und Implementierung einer Native-ATM-Datentransportschnittstelle für das Videokonferenzsystem

Authors: 
Franke, Mario
Year: 
1999
Language: 
German
Abstract: 
In den letzten Jahren ist es im Bereich der Computersysteme zu einer rasanten Leistungsentwicklung gekommen. Allein die Prozessorleistung sowie die Speichergröße der verfügbaren Rechnersysteme haben sich in den letzten zehn Jahren mehr als verhundertfacht. Immer mehr Menschen weltweit nutzen die Möglichkeiten eines Personalcomputers, um ihre Aufgaben zu erfüllen. Die weite Verfügbarkeit leistungsfähiger Rechnersysteme verstärkte das Bedürfnis nach arbeitsplatzübergreifender Kommunikation. Mit der Vernetzung von Einzelrechnern zu lokalen Netzen (LANs) und dem Zusammenschluss dieser zu flächendeckenden Kommunikationsstrukturen (WANs) war schnell eine Lösung des Problems des Datenaustausches gefunden. Doch schon bald erwies sich, dass die Weiterentwicklung der Datenkommunikationssysteme mit der Rechentechnologie nicht mehr Schritt halten konnte. Die meisten der eingesetzten lokalen Netze basieren nach wie vor auf den Anfang der achtziger Jahre definierten Standards Ethernet/IEEE 802.3 und Token-Ring/IEEE 802.5 mit einer maximalen Übertragungsgeschwindigkeit von 10 Mbit/s bzw. 16 Mbit/s. Doch sogar neuere LAN-Technologien, wie z.B. das Fast-Ethernet oder FDDI, welche jeweils eine Bandbreite von 100 Mbit/s zur Verfügung stellen, erwiesen sich für multimediale Anwendungen lediglich als sehr bedingt geeignet. Bei herkömmlichen LAN-Technologien kann tatsächlich nur ein Bruchteil der Bandbreite zur Datenübertragung genutzt werden. Insbesondere hängt die Leistungsfähigkeit der Netzwerke stark von der Anzahl der aktiven Netzknoten ab. Bei steigender Teilnehmerzahl wird die effektive Übertragungsrate schnell verringert. Garantien zur Bereitstellung einer bestimmten Qualität können seitens des Netzwerkes nicht gegeben werden. Daher war die Einführung eines neuen Netzwerkstandards notwendig, der auch den Anforderungen zukünftiger Anwendungen gerecht wird. Mit der Einführung des asynchronen Transfermodus (ATM), welcher im Jahre 1988 von der ITU (International Telecommunication Union) spezifiziert wurde, wird der Einsatz multimedialer Anwendungen nahezu uneingeschränkt möglich. Im Gegensatz zu den herkömmlichen LAN-Technologien handelt es sich bei ATM um ein verbindungsorientiertes Übertragungsverfahren, bei dem jeder Teilnehmer Verbindungspfade mit fester Bandbreite und garantierten Übertragungseigenschaften zugewiesen bekommt. Weiterhin sind mit ATM Übertragungsgeschwindigkeiten bis an die physikalischen Grenzen durchaus denkbar. In Forschungslabors wurden bereits ATM-Vermittlungen mit Schaltgeschwindigkeiten von bis zu 1 Tbit/s realisiert. Trotz der signifikanten Vorteile von ATM war nicht zu erwarten, dass Unternehmen innerhalb kürzester Zeit ihre gesamte LAN-Installation sowie -Software komplett durch ATM-Technik ersetzen. Dies wäre mit einem derartigen Kostenaufwand verbunden, welcher wohl niemand zu investieren bereit wäre. Um dennoch die Geschwindigkeitsvorteile von ATM einem breiten Spektrum von Anwendungen zugänglich zu machen, wurden in den Spezifikationen RFC1483 'LAN-Emulation' und RFC1577 'Classical-IP' entsprechende Standards definiert, die es ermöglichen, ATM in bestehende LANs zu integrieren bzw. LAN-Software über ein ATM-Netzwerk zu verwenden. Diese Verfahren waren ursprünglich als provisorische Übergangslösung erdacht, bis sie durch eine weite Verfügbarkeit von ATM-Netzen und der entsprechenden Software abgelöst werden können. Allerdings beschränkt sich bis zum heutigen Tag in den allermeisten Anwendungsbereichen der Einsatz von ATM auf LAN-Umgebungen. Auch das experimentelle Videokonferenzsystem 'Visitphone' nutzte ursprünglich ausschließlich die IP-Transportdienste über ATM zur Übertragung der Video- und Audiodaten. 'Visitphone' wurde mit der Zielsetzung entwickelt, eine Video- und Audioübertragung mit bestmöglicher Qualität unter Verwendung handelsüblicher PC-Hardware zu ermöglichen. Bei praktischen Versuchen wurde jedoch festgestellt, dass mit der zur Verfügung gestellten Hardware lediglich ein Videostrom mit einem maximalen Bandbreitenbedarf von etwa 12 Mbit/s in einer Richtung fehlerfrei über das ATM-Netzwerk übertragen werden konnte. Diese Übertragungsrate entspricht einem Video-Kompressionsfaktor von 18, welcher eine deutliche Verfälschung des komprimiert übertragenen Videobildes bedingt. Doch in vielen Fällen, zum Beispiel im medizinischen Bereich, einem der möglichen zukünftigen Anwendungsgebiete von Online-Video/Audio-Datenströmen, ist aber die detailgetreue, flüssige Videobild-darstellung von großer Bedeutung. Da in zahlreichen vorangegangenen Versuchsreihen bereits die Leistungsbeschränkungen von LAN-Übertragungen über ATM gezeigt wurden, sollte die Verwendung eines sogenannten Native-Mode-ATM-Transportdienstes die gewünschten Übertragungsraten zur Verfügung stellen. Die Implementierung einer solchen Transportschnittstelle wurde aber erst durch die Verfügbarkeit des Fore-Winsock2-APIs für Fore-ATM-Adapterkarten möglich. Mit dem im Rahmen dieser Arbeit entwickelten ATM-Socket-Modul wurde eine Programmierschnittstelle geschaffen, die den Zugriff auf die volle Leistungsfähigkeit der ATM-Netzwerke ermöglicht. Die Daten können sowohl über eine vom ATM-Switch vermittelte SVC-Verbindung als auch über eine permanente PVC-Verbindung gesendet werden. Letzteres hat sich als eine sehr einfache, stabile und schnelle Methode zur direkten Datenübertragung zwischen zwei PC-Systemen erwiesen. Durch die Implementierung des ebenfalls im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Multicast-Servers konnte echte Multicast-Funktionalität auf ATM-Netze übertragen werden. Die einfache Struktur des ATM-Socket-Moduls ermöglicht eine problemlose Integration von Native-ATM-Transportdiensten in bestehende oder zukünftige Anwendungen. Darüber hinaus können die Transportmöglichkeiten verschiedener Kommunikationsprotokolle ohne größeren Implementationsaufwand gleichzeitig in einer Anwendung genutzt werden. Abschließende Leistungstests haben ergeben, dass insbesondere bei Verwendung leistungsschwacher Rechnersysteme Native-ATM-Datenübertragungen einen großen Geschwindigkeitsvorteil gegenüber Datenübertragungen über LANs per ATM besitzen. Nur mit Native-ATM war es unabhängig von den eingesetzten Personalcomputern möglich, eine Übertragungsrate der Nutzdaten von mehr als 130 Mbit/s zu erreichen; eine Geschwindigkeit, welche die Grenze der physikalischen Möglichkeiten der verwendeten ATM-Systeme darstellt. Weiterhin ist derzeit nur bei Native-ATM-Transportdiensten die Vereinbarung bestimmter Dienstqualitäten seitens der Anwendungen möglich. Native-ATM ist in jedem Fall eine einfachere Alternative zur Verwendung des LAN-Transportdienstes über ATM-Netze, da die Einrichtung, Konfiguration und Pflege emulierter LANs einem gewissen Aufwand unterliegt.
Pubdate / Erscheinungsdatum: 
1999-06-09
Pages / Seitenanzahl: 
118
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