Presentation Title Kontron Communications Technik der Netze – Seminar Seite 1 Die Technik der Netze Seminar Teil 8: Baukasten.

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1 Presentation Title Kontron Communications Technik der Netze – Seminar 2006Stephan.Rupp@Kontron.com Seite 1 Die Technik der Netze Seminar Teil 8: Baukasten (1)

2 Presentation Title Kontron Communications Technik der Netze – Seminar 2006Stephan.Rupp@Kontron.com Seite 2 Seminarprogramm (1)Einführung – Wir bauen ein Netz (2)Übersicht über TK-Netze (3)Mobilfunk – Was steckt hinter meinem Händi (4)Internet – Das Netz der Netze (5)WiMAX – auch ein mobiles Netz (6)Geht das auch etwas allgemeiner, oder müssen wir jede Implementierung kennen? – Netzarchitekuren (7)Sicherheit im Netz – Verfügbarkeit, Integrität, Vertraulichkeit (8)Kontron - Baukasten Teil 1 Beispiel: VoIP Call Server; Media Server: Netzdesign, Systemdesign; ATCA Baukasten; TCA Baukasten; (9)Kontron - Baukasten Teil 2 Anwendungen; Anwendungsprofile; Musterkonfigurationen; Validierungstools; System Validation Kits für ATCA und TCA (10)Die Zukunft der Netze

3 Presentation Title Kontron Communications Technik der Netze – Seminar 2006Stephan.Rupp@Kontron.com Seite 3 Beispiel: Call Server Funktionen, Bemessungsgrössen, Systemdesign

4 Presentation Title Kontron Communications Technik der Netze – Seminar 2006Stephan.Rupp@Kontron.com Seite 4 Öffentliche Netze: SIP Call Server IP Network (Carrier) PSTN Call Server/ Gateway Controller Media Server PLMN Trunking GW Trunking GW/ Signalling Gateway Call Server control call sessions (SIP call control) control Media Server & Gateways Media Servers announcements customised tunes conferences voice mail streaming media trunking gateways

5 Presentation Title Kontron Communications Technik der Netze – Seminar 2006Stephan.Rupp@Kontron.com Seite 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 Presentation Title Kontron Communications Technik der Netze – Seminar 2006Stephan.Rupp@Kontron.com Seite 6 Call Server: Throughput 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) Systemmodell EingangspufferAusgangspuffer Prozessor 1000 tps (bei 80% Systemauslastung) SIP-Nachrichten Round Trip Delays?

7 Presentation Title Kontron Communications Technik der Netze – Seminar 2006Stephan.Rupp@Kontron.com Seite 7 Call Server: Modell Systemmodell EingangspufferAusgangspuffer Prozessor 1000 tps (bei 80% Systemauslastung) SIP-Nachrichten Daten500 MB 30 MBit/s Nichtfunktionale Eigenschaften: Verfügbarkeit (Redundanz, Kapselung, …) Sicherheit Konventionen bzgl. Bauweise (Environmental, Thermal, …) Arbeitsspeicher Storage Disks

8 Presentation Title Kontron Communications Technik der Netze – Seminar 2006Stephan.Rupp@Kontron.com Seite 8 Call Server: Organisation der Daten Systemmodell EingangspufferAusgangspuffer Prozessor 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 Cache Arbeitsspeicher (flüchtig) Disks (persistent) Daten: Datenbank, Dateisystem, Betriebssystem Speichern, Laden, Paging

9 Presentation Title Kontron Communications Technik der Netze – Seminar 2006Stephan.Rupp@Kontron.com Seite 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 processor storage Network client synch RAID switch

10 Presentation Title Kontron Communications Technik der Netze – Seminar 2006Stephan.Rupp@Kontron.com Seite 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 Presentation Title Kontron Communications Technik der Netze – Seminar 2006Stephan.Rupp@Kontron.com Seite 11 Von der Architektur zum System? Wieviele Prozessoren denn nun? Was sonst? Wieviele Prozessoren denn nun? Was sonst? processor storage Network client synch RAID switch ?

12 Presentation Title Kontron Communications Technik der Netze – Seminar 2006Stephan.Rupp@Kontron.com Seite 12 Call Server: Benchmarks Benchmarks über SIP-Transaktionen 2 Dual-Core Xeon 2 Single-Core Xeon 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) Source: Intel, http://download.intel.com/design/telecom/papers/9936.pdf

13 Presentation Title Kontron Communications Technik der Netze – Seminar 2006Stephan.Rupp@Kontron.com Seite 13 Call Server: Benchmarks (Mustertransaktion) SIP-Transaktionen 2 Dual Core Xeon 2GHz, … memory 2 Xeon 2GHz Benchmarks & Systemdesign Source: Intel

14 Presentation Title Kontron Communications Technik der Netze – Seminar 2006Stephan.Rupp@Kontron.com Seite 14 Call Server: Benchmarks (Testsystem) Systems under Test 2 Dual Core Xeon 2GHz, … memory 2 Xeon 2GHz Source: Intel

15 Presentation Title Kontron Communications Technik der Netze – Seminar 2006Stephan.Rupp@Kontron.com Seite 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 Presentation Title Kontron Communications Technik der Netze – Seminar 2006Stephan.Rupp@Kontron.com Seite 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 @ 2GHz, 4 GB) Hard Disk Modules (AMCs) Redundant configuration

17 Presentation Title Kontron Communications Technik der Netze – Seminar 2006Stephan.Rupp@Kontron.com Seite 17 Call Server in TCA 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 @1.8 GHz, 2GB) Hard disk AMCs Redundant configuration MCH CPU Redundant Subsystem CPU

18 Presentation Title Kontron Communications Technik der Netze – Seminar 2006Stephan.Rupp@Kontron.com Seite 18 Gymnastik Netzdesign - Media Streaming

19 Presentation Title Kontron Communications Technik der Netze – Seminar 2006Stephan.Rupp@Kontron.com Seite 19 Media Streaming RAN (2G/3G/WiMAX) BS BSC/AC Wireline Access Network (DSL/CaTV) DSLAM/NAS AAA triple play Life TV/ local TV Video/Audio On demand Media Controller/ Call Server Media Server Media Server Media Streaming conferences IVR/VXML

20 Presentation Title Kontron Communications Technik der Netze – Seminar 2006Stephan.Rupp@Kontron.com Seite 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 Presentation Title Kontron Communications Technik der Netze – Seminar 2006Stephan.Rupp@Kontron.com Seite 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 Presentation Title Kontron Communications Technik der Netze – Seminar 2006Stephan.Rupp@Kontron.com Seite 22 Gymnastik Systemdesign - Media Server

23 Presentation Title Kontron Communications Technik der Netze – Seminar 2006Stephan.Rupp@Kontron.com Seite 23 Media Server – Systemarchitektur 1000 tps (4 Mio. BHCA, video requests per hour) 23 Gbits/s of traffic storage capacity 1000 GB (40.000 videos) 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? Benchmarks?

24 Presentation Title Kontron Communications Technik der Netze – Seminar 2006Stephan.Rupp@Kontron.com Seite 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 Presentation Title Kontron Communications Technik der Netze – Seminar 2006Stephan.Rupp@Kontron.com Seite 25 Media Server – Systemkonfiguration MCH CPU Processor Subsystem CPU Storage 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

26 Presentation Title Kontron Communications Technik der Netze – Seminar 2006Stephan.Rupp@Kontron.com Seite 26 IPTV over Cable, DSL and Mobile Networks IP Network Broadband Media Server Life TV/ Local TV Video/Audio On Demand RAN (3G/WiMAX) RNC/AC Node B/BTS GGSN/HA DSLAM STB DSL CMTS STB CaTV

27 Presentation Title Kontron Communications Technik der Netze – Seminar 2006Stephan.Rupp@Kontron.com Seite 27 Media Server - Requirements Processor Physical memory Disks Traffic in Traffic out 12 Gbps (0.64 Gbps) 10 Gbps (0.64 Gbps) 250 GB (5000 videos) (80 GB) 200.000 Subscribers 30 tps 180 s per transaction 5000 parallel sessions 25 GB (10% of active sessions) (8GB) Wireless Networks 128 kbps per session 640 Mbps total traffic Wireline Networks 2 Mbps per session 10 Gbps total traffic

28 Presentation Title Kontron Communications Technik der Netze – Seminar 2006Stephan.Rupp@Kontron.com Seite 28 Media Server – Systems Architecture IP Network Hubs Session Processors Uplinks (10GbE) Media Processors (DSP) transcoding Fabric (GbE) Main Controllers

29 Presentation Title Kontron Communications Technik der Netze – Seminar 2006Stephan.Rupp@Kontron.com Seite 29 Media Server – Sample Configuration Main Controller Media Processor Session Processor Uplinks (10GbE) Uplinks (10GbE) Uplinks (GbE)

30 Presentation Title Kontron Communications Technik der Netze – Seminar 2006Stephan.Rupp@Kontron.com Seite 30 ATCA Baukasten Module, Systemschnittstellen, Konfigurations- möglichkeiten

31 Presentation Title Kontron Communications Technik der Netze – Seminar 2006Stephan.Rupp@Kontron.com Seite 31 ATCA Systemkomponenten ATCA Power & Management Rear Transition Modules Systemschnittstellen AMC Advanced Mezzanine Cards (Module für ATCA-Boards) ATCA Boards

32 Presentation Title Kontron Communications Technik der Netze – Seminar 2006Stephan.Rupp@Kontron.com Seite 32 ATCA Connectors & Channels 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) Signal pair 1 Row = Base Channel Differential signals 1 2 … 10 1 Fabric Channel Connector 1 Two-Pair Port

33 Presentation Title Kontron Communications Technik der Netze – Seminar 2006Stephan.Rupp@Kontron.com Seite 33 ATCA Backplane (Zone 2 only) 2 hub slots for hub boards 16 slots total

34 Presentation Title Kontron Communications Technik der Netze – Seminar 2006Stephan.Rupp@Kontron.com Seite 34 ATCA Backplane - Fabric 2 hub boards 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

35 Presentation Title Kontron Communications Technik der Netze – Seminar 2006Stephan.Rupp@Kontron.com Seite 35 ATCA Backplane – 5 slot chasis (zone 2) 2 hub slots for hub boards 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)

36 Presentation Title Kontron Communications Technik der Netze – Seminar 2006Stephan.Rupp@Kontron.com Seite 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 Presentation Title Kontron Communications Technik der Netze – Seminar 2006Stephan.Rupp@Kontron.com Seite 37 AMCs

38 Presentation Title Kontron Communications Technik der Netze – Seminar 2006Stephan.Rupp@Kontron.com Seite 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 Port Differential signals 1 side of AMC connector

39 Presentation Title Kontron Communications Technik der Netze – Seminar 2006Stephan.Rupp@Kontron.com Seite 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 Presentation Title Kontron Communications Technik der Netze – Seminar 2006Stephan.Rupp@Kontron.com Seite 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 Presentation Title Kontron Communications Technik der Netze – Seminar 2006Stephan.Rupp@Kontron.com Seite 41 AMC Port Mapping Connector Region AMC Port # Signal Conventions 0 1 2 3 Common Options Fat Pipes Extended Fat Pipes AMC.2 1000Base-BX AMC.3 SAS AMC.1 x4 PCI-E AMC.4 x4 SRIO AMC.2 10GBase-BX4 AMC.2 1000Base-BX … AMC.2 1000Base-BX AMC.2 1000Base-BX AMC.2 1000Base-BX AMC.2 1000Base-BX AMC.2 1000Base-BX AMC.2 1000Base-BX AMC.2 1000Base-BX 4567891011 AMC.4 x4 SRIO AMC.2 10GBase-BX4 D G MCH Fabric # A B E F … 2/D 2/G 2/E 2/F 2/A 2/B

42 Presentation Title Kontron Communications Technik der Netze – Seminar 2006Stephan.Rupp@Kontron.com Seite 42 TCA Baukasten AMCs direkt an der Backplane, Konfigurations- möglichkeiten

43 Presentation Title Kontron Communications Technik der Netze – Seminar 2006Stephan.Rupp@Kontron.com Seite 43 MicroTCA Systemkomponenten Functions BackplaneShelf Mngt. & Switches AMC AMC MCH Power Power Supply IPMI 12 2 … 1 MCMC Mgnt.

44 Presentation Title Kontron Communications Technik der Netze – Seminar 2006Stephan.Rupp@Kontron.com Seite 44 MicroTCA Backplane MCH Max. 12 slots Fabrics A + B (Common Options: IPMI, Clocks, Control, Data & Disks) Fabrics D/E/F/G (Fat Pipes, e.g 4x GbE, PCI, …)

45 Presentation Title Kontron Communications Technik der Netze – Seminar 2006Stephan.Rupp@Kontron.com Seite 45 Beispiel: TCA Backplane Netz 123456789101112 123456789101112 MCH2 GbE port 1 to MCH2 (12 sots) GbE port 0 to MCH1 (12 slots) GbE port 8 to MCH1 (12 slots) Backplane Options: different systems (e.g. PCIe) on ports 4-7 (not through SCOPE MCH) Basic MCH port count: 12 GbE ports for AMC ports 0/1 2x 10 GbE uplinks on front plate GbE port 9 to MCH2 (12 slots) Extended MCH port count: 12 GbE ports for fabric (AMC ports 8/9) option: further 12 GbE ports for fabric (AMC ports 10/11) Extended MCH Basic MCH MCH1 2x 10GbE uplinks 2x 10GbE uplinks

46 Presentation Title Kontron Communications Technik der Netze – Seminar 2006Stephan.Rupp@Kontron.com Seite 46 Das nächste Mal (Teil 9) Der Kontron-Baukasten (2) Anwendungen Anwendungsprofile Musterkonfigurationen Validierungstools System Validation Kits für ATCA und TCA

47 Presentation Title Kontron Communications Technik der Netze – Seminar 2006Stephan.Rupp@Kontron.com Seite 47 Ende Teil 8