Seminar

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/s throughput 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
Systemmodell
Eingangspuffer
Ausgangspuffer
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) gt 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
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/te
lecom/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
  _at_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/s throughput 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 _at_ 2GHz, 4 GB)
• Hard Disk Modules (AMCs)
• Redundant configuration

17
Call Server in mTCA
Redundant Subsystem

• Profile Call Servers/Gateway Controllers/IMS-CSCF
  
• 1 Mio subscribers
• 1000 tps (4 Mio BHCA),
• 30 Mbit/s throughput of control traffic
• 500 MB of subscriber profiles state info
• Components
• 2x Switches (Micro Carrier Hubs, MCH)
• 6x PrAMC (Pentium M _at_1.8 GHz, 2GB)
• Hard disk AMCs
• Redundant configuration

18
Gymnastik
Netzdesign - Media Streaming
19
Media Streaming
Video/Audio On demand
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
Media Server Systemkonfiguration
Storage Subsystem
Processor Subsystem

• 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

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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
Media Server Sample Configuration
Session Processor
Uplinks (GbE)
Media Processor
Main Controller
30
ATCA Baukasten
Module, Systemschnittstellen, Konfigurations-mögli
chkeiten
31
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 gt
  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 _at_ 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 Generation processor 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
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-mögli
chkeiten
43
MicroTCA Systemkomponenten
Mgnt.
MCMC
1
Mgnt.
MCMC
IPMI
2
Power
AMC
AMC MCH

Power Supply
12
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)
MCH2
MCH1
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