fi 07 mac protocols - comlab.uniroma3.it · za. roveri – “retematica iii parte” disponibile...
Post on 16-Feb-2019
217 Views
Preview:
TRANSCRIPT
1
Protocolli di Accesso al MezzoProtocolli di Accesso al Mezzo
2
MACMAC
RoadmapRoadmap
Accesso ad un mezzo di comunicazione
Allocazione delle risorse
Protocolli MACAloha puroAloha a slotAloha satellitare
Prestazioni
3
MACMAC
Materiale didatticoMateriale didatticoLibro di testo
A. Roveri – “Retematica III parte” disponibile sul sito di InfoCom– La Sapienza
Tanenbaum – “Reti di computer”
B. Walke – “Mobile Radio Networks, Networking and Protocols”
4
MACMAC
Accesso multiploAccesso multiploMezzo di comunicazione
Consente la trasmissione di informazioni a distanzaUtilizza un mezzo fisico (canale trasmissivo)
Punto – punto• Una sorgente - Una destinazione• Qualità dipende dal segnale trasmesso e dal disturbo sul canale
Multi – accesso• Due o più sistemi sorgenti/collettori di informazioni (stazioni)• Qualità dipende dal segnale tx da due o più stazioni• Somma delle versioni attenuate, ritardate, ev. rumorose di questi
contributi
2
5
MACMAC
Esempi topologie di LANEsempi topologie di LAN
Satellite
Stazioni di terra
BUS a prese multiple
Collegamento radio a pacchetti
6
MACMAC
Allocazione delle risorseAllocazione delle risorseRiguarda i mezzi di comunicazione
Statica: Suddivisione in sub-canaliPre-assegnazione individuale delle risorse
• Frequency Division Multiple Access - FDMA, • Time Division Multiple Access - TDMA, • Code Division Multiple Access – CDMA
Dinamica: il mezzo e’ una risorsa singolaAccesso in base ad una procedura di controllo
• A domanda• Pre-assegnata collettivamente
7
MACMAC
Problema dellProblema dell’’allocazioneallocazioneAssunzioni del modello:
1. N stazioni indipendentiLa probabilità che un pacchetto venga generato in un IT ΔT e’ λ∗ΔT (λcostante, frequenza di arrivo di un nuovo pacchetto)Generato il pacchetto la stazione e’ bloccata e resta inattiva finché il pacchetto non e’ stato completamente trasmesso
2. Canale singolo
3. Collisione
4. TempoContinuoDiscreto
5. Rilevamento di utilizzo del canale da parte delle stazioniCon rivelamentoSenza rivelamento
8
MACMAC
Accesso multiplo con Accesso multiplo con allocazioneallocazione dinamicadinamica
Consideriamo il dominio del tempo
Assegnazione a domanda: accesso controllato o casuale
Accesso controllato: ogni stazione emette solo quando riceve una autorizzazioneControllo:• Centralizzato
– Una stazione primaria abilita le altre secondarie alla trasmissione• Distribuito (passa da stazione a stazione)
– Le stazioni inattive non impegnano risorse– Efficiente utilizzo del mezzo trasmissivo
3
9
MACMAC
Strato MAC Strato MAC -- Medium Access ControlMedium Access Control
“Nei casi di accesso multiplo con allocazione dinamica la regolazione dell’accesso al mezzo, con la risoluzione delle eventuali contese, e’ affidata a protocolli di accesso al mezzo”
Protocolli MAC (Medium Access Control)
Roveri – Retematica III
Protocolli ad accesso controllato
Protocolli ad accesso casuale
10
MACMAC
Accesso casualeAccesso casualeModalità: ogni stazione accede al canale indipendentemente dall’effettiva disponibilità dello stesso.
UI viene emessa non appena pronta.
Se due o più stazioni richiedono contemporaneamente la risorsa: SISTEMA di CONTESA ⇒ Collisione
Mutua interferenza tra i segnali: il contenuto non e’ più utilizzabile dalle stazioniRiemissione dell’unita’ informativaMeccanismo di gestione dei conflitti
Prestazioni dipendono dall’intervallo di vulnerabilità: l’intervallo massimo di tempo entro cui una stazione può emettere una UI e collidere con un’altra emissione
11
MACMAC
AlohaAloha –– cenni storicicenni storici
(anni ’70) per una rete radio multiaccesso Università delle Hawaii, in cui più stazioni periferiche erano logicamente connesse da un unico canale ad una stazione centrale (Norman Abramson);
Il principio-chiave si adatta ad una qualsiasi rete con esigenze di accesso multiplo con allocazione dinamica;
E’ il più semplice protocollo ad accesso casuale;
Due versioni:
Aloha puroSlotted Aloha
12
MACMAC
AlohaAloha puropuroFunzionamento:
Una stazione emette una UI non appena questa è disponibile senza alcun controllo sulla disponibilità del mezzo trasmissivo.
La stazione emittente assume che si sia verificata una collisione se non riceve un Ack positivo dalla stazione di destinazione entro un determinato intervallo di tempo (time-out).
Tutte le UI coinvolte nella collisione sono considerate perdute e quindi vanno riemesse.
La UI viene riemessa dopo un tempo calcolato in base ad un algoritmo di subentro (back off); ciò per evitare nuove collisioni rendendo casuale la riemissione.
• Una legge deterministica di ritrasmissione porterebbe inevitabilmente al ripetersi della collisione
4
13
MACMAC
CollisioneCollisioneLa MAC-PDU in verde collide con quelle in blu.
Nessun arrivo, nessuna collisione!
t0 t0+Tt0-T t0+2T
14
MACMAC
AlohaAloha
15
MACMAC
AlohaAloha puro puro -- 22
Per la proprietà di retroazione del broadcasting un utente può sempre sapere se il suo pacchetto e’ giunto a destinazione
LAN: retroazione immediataSatellite: ritardo di circa 270 ms
Il tempo di ritrasmissione DEVE essere casuale per evitare fenomeni di STALLO
I pacchetti hanno la stessa dimensione perché la produttività di Alohasia MAX
Non esiste distinzione tra perdita totale e parziale di pacchetto
16
MACMAC
AlohaAloha puro puro -- 33Non c’e’ sincronizzazione
Una trama viene trasmessa SENZA aspettare l’inizio dello slot
Probabilità di collisione:la trama inviata a t0 collide con altre trame inviate nell’intervallo [t0-1, t0+1]Hp. Tempo di trasmissione trama = 1
5
17
MACMAC
AlohaAloha puropuroDef.: periodo di vulnerabilita’ V l’intervallo di tempo durante il quale possono verificarsi collisioni
Il periodo e’ pari a 2T se T e’ la durata di una trama
18
MACMAC
AlohaAloha prestazioniprestazioniLe prestazioni di una tecnica a contesa sono valutate tramite:
Throughput S: numero medio di trame trasmesse con successo per unita’ di tempoRitardo medio D per trama
19
MACMAC
StabilitStabilitàà -- 1 1 Ipotesi:
Trame di lunghezza costante (durata T)Data rate del canale fissatoN. stazioni e’ finito = mN. stazioni prenotate in un certo istante = n (assunto come stato dell’evoluzione del sistema)nello stato n
• ogni stazione tra le (m – n) “non-prenotate” emette nuove UI in modo indipendente dall’emissione di altre stazioni e con uguale probabilità p che una UI sia emessa in un dato IT;
• ogni stazione “prenotata” riemette UI in modo indipendente dalle altre n - 1 “prenotate” e con uguale probabilità q che una UI sia emessa in un dato IT.
20
MACMAC
Processo di Processo di PoissonPoissonProcesso puntuale:
Descrive la posizione di punti su un asse ordinato (es. Asse temporale)
Descrizione:n(0, t) numero di punti nell’intervallo [0,t]n(t, t+τ) numero di punti nell’intervallo [t, t+τ]
6
21
MACMAC
Processo di Processo di PoissonPoisson1. La probabilita’ che ci sia un punto di Poisson in un intervallo infinitesimo
dt e’ pari a:
λ: frequenza del processo (punti per unita’ di tempo)
2. La probabilita’ che ci siano piu’ punti in un intervallo infinitesimo dt e’nulla
3. I punti presenti in intervalli di tempo disgiunti sono variabili causali indipendenti
( )[ ] dtdtttnP λ==+ 1,
( )[ ] 01, =>+ dtttnP
22
MACMAC
Processo di Processo di PoissonPoissonLa probabilita’ che vi siano k punti di Poisson in un intervallo temporale τ e’ pari a:
( )[ ] ( ) λτλτ −==+ ek
kdtttnPk
!,
23
MACMAC
AlohaAloha: prestazioni: prestazioniIl numero medio di tentativi di trasmissione da parte delle stazioni nell'unità di tempo T (pari al tempo di trasmissione di una trama) è indicata con G ed è pari a:
G = λTλ è la frequenza media di arrivo delle trame (sia quelle nuove sia i tentativi di ritrasmissione)G è una misura relativa dell’utilizzazione del canale; se G>1 le trame generate superano il max rate di trasmissione del canale
24
MACMAC
AlohaAloha: prestazioni: prestazioniLa probabilità che vengano generate n trame dalla popolazione utente, durante il tempo di durata di una trama T, è distribuita secondo Poisson:
La probabilità di non avere collisioni (probabilità di successo Ps) è pari alla probabilità di non avere arrivi di trame (n=0) nel periodo di vulnerabilità 2T :
7
25
MACMAC
AlohaAloha: prestazioni: prestazioniHp. di processo di Poisson sul traffico ⇒ la probabilità che una trasmissione non venga interferita da altre Ps è data dalla probabilità che nell'intervallo di vulnerabilità 2T non vi siano altre trasmissioni
Il throughput S della rete si esprime come il prodotto del traffico offerto G per la probabilità di successo Ps
S indica il throughput normalizzato espresso in trame trasmesse con successo nell’unità di tempo T (varia quindi tra 0 e 1)
Viene anche detto coefficiente di utilizzazione della reteperché definisce la frazione di tempo in cui la rete è impegnata nella trasmissione con successo di trame
26
MACMAC
AlohaAloha: prestazioni: prestazioni
27
MACMAC
AlohaAloha: prestazioni: prestazioni
28
MACMAC
SlottedSlotted AlohaAlohaSimile al protocollo ALOHA, ma introduce con una sincronizzazione tra le stazioni.
L’asse dei tempi è suddiviso in intervalli temporali (IT) di durata fissa, uguale al tempo di trasmissione T di una UI.
Ogni stazione è vincolata ad iniziare l’emissione delle proprie UI in corrispondenza dell’inizio di un IT.
L’intervallo di vulnerabilità nella emissione di una UI si riduce alla durata T. si ha collisione solo in caso di emissione contemporanea di trame
8
29
MACMAC
SlottedSlotted AlohaAlohaun nodo che ha una nuova trama in arrivo: trasmette all’iniziodello slot successivo
se c’è collisione: ritrasmette la trama negli slot seguenti con probabilità p, finché ha successo
30
MACMAC
SlottedSlotted AlohaAlohaQuando arriva una trama la stazione prova a trasmetterla nel primo slot disponibile
Se si verifica una collisione la stazione prova a ritrasmetterladopo un numero di slot scelto uniformemente in un intervallo [0 – r]
31
MACMAC
SlottedSlotted AlohaAlohaRisoluzione delle collisioni:
r = 0la collisione si ripete all’infinitothroughput = 0
Se il traffico è elevato occorre un valore di r elevato per evitare instabilità
Conviene r piccolo in situazione di rete scarica, r grande in situazioni di congestione !!
32
MACMAC
SlottedSlotted AlohaAloha: : backoffbackoff esponenzialeesponenzialeCome si sceglie r?
Riconosciuta la collisione la stazione opera nel seguente modo:
sceglie un intero X a caso ed in modo uniformenell’intervallo0 – 2 Min (k, max)
• k numero di collisioni già subite dal pacchetto• max settato per limitare la dimensione massima
dell’intervallo di ritrasmissioneaspetta X slot prima di tentare la ritrasmissione
9
33
MACMAC
SlottedSlotted AlohaAloha: prestazioni: prestazioniIl periodo di vulnerabilità è pari alla durata di una trama T
La probabilità di non avere collisioni per un tempo pari al periodo di vulnerabilità (cioè la probabilità di successo Ps) è:
34
MACMAC
SlottedSlotted AlohaAloha: prestazioni: prestazioniCalcolo del max throughput
Derivando ed uguagliando a zero l’espressione:
Si ottiene il valore di G (Gmax) che corrisponde al maxtroughput Smax
35
MACMAC
SlottedSlotted AlohaAloha: prestazioni: prestazioni
36
MACMAC
AlohaAloha satellitaresatellitarePuro: efficienza del canale e’ solo del 18% ⇒ inaccettabile per un apparato del costo di milioni di $
Slotted: l’efficienza raddoppia; problema della sincronizzazione. Quando inizia uno slot?
Il satellite gestisce il problema:
Una stazione di riferimento a terra, trasmette periodicamente unsegnale speciale la cui ridiffusione viene usata da tutte le stazioni come origine dei tempi
10
37
MACMAC
AlohaAloha satellitare satellitare –– 22Ipotesi:
ΔT: lunghezza dello slot temporaleTutti gli slot hanno la stessa lunghezza
Il k-esimo slot inizierà dopo k * ΔT es. sec
Problemi:Orologi hanno velocità differenti ⇒ risincronizzazione periodicaIl tempo di propagazione dal satellite, è diverso per ogni stazione di terra ⇒ correzione preventiva
38
MACMAC
AlohaAloha satellitare satellitare –– 33Come aumentare l’utilizzo del canale di salita oltre 1/e?
Si raddoppiano il numero di canali in salita.
39
MACMAC
AlohaAloha satellitare satellitare –– 44Ogni canale di salita funziona come un canale Alhoa a slot indipendente.
Stazione sorgente:Appena pronto un pacchetto sceglie in modo casuale uno dei due canali in salitaTrasmette il pacchetto nello slot successivo.
Satellite:Se uno dei canali di salita contiene un unico pacchetto ⇒ trasmesso sul canale di discesa nello slot successivo
Se da entrambi i canali arriva un pacchetto ⇒• Trasmesso uno e memorizzato il secondo• Slot successivo viene trasmesso il secondo
40
MACMAC
AlohaAloha satellitare satellitare -- 55Prestazioni:
Si può dimostrare:Data una quantità infinita dello spazio di buffer
L’utilizzazione del canale di discesa puo’ essere aumentata fino allo 0.736
La larghezza di banda deve essere incrementata di 0.5
11
ProtocolloProtocolloCSMACSMA
42
MACMAC
CarrierCarrier SenseSense Multiple AccessMultiple Access
Deriva dall’Aloha puro, con l’aggiunta del feedbacksull’occupazione di canale
Lo strumento che rivela l'occupazione del canale viene chiamato Carrier Sensing (rilevazione di portante) e dà il nome al protocollo
È usato nella topologia a bus bidirezionale
43
MACMAC
CarrierCarrier SenseSense Multiple AccessMultiple AccessRegola: ASCOLTA PRIMA DI PARLARE
Procedura:una stazione che desidera emettere ascolta se il canale èoccupato da una emissione precedente (carrier sensing)
canale libero (idle) ⇒ la stazione emette;
canale occupato (busy) ⇒ la stazione ritarda l’emissione all’istante successivo
• CSMA Persistente: riprova immediatamente con probabilitàp quando il canale diventa idle (può causare instabilità)
• CSMA Non-persistente: riprova dopo un intervallo random 44
MACMAC
CSMA: CSMA: ritrasmissioniritrasmissioni
Nel caso di canale occupato, l'istante successivo di emissione è determinato in base ad una PROCEDURA DI PERSISTENZA:
1-persistente: il terminale ascolta finché il canale è libero e poi trasmette con probabilità 1
0-persistente o non-persistente: il terminale aspetta un tempo random prima di ritrasmettere (come se avesse colliso) (es. wireless-LAN)
p-persistente: il terminale aspetta finché il canale è libero e quindi trasmette con probabilità p, oppure con probabilità 1-p ritarda la trasmissione di un tempo casuale
12
45
MACMAC
CSMA: CSMA: ritrasmissioniritrasmissioni
1-persistente: la stazione aspetta che il canale torni libero, quindi trasmette.
46
MACMAC
CSMA: CSMA: ritrasmissioniritrasmissioni0-persistente: la stazione ritarda l’emissione di un intervallo ditempo calcolato in base ad un algoritmo di subentro (backoff)
47
MACMAC
CSMA: CSMA: ritrasmissioniritrasmissionip-persistente: la stazione attende che il canale torni libero, quindi effettua l’emissione con probabilità p, altrimenti la trasmissione èritardata di un intervallo di tempo calcolato in base ad un algoritmo di subentro
48
MACMAC
CSMA: CSMA: ritrasmissioniritrasmissioniL'algoritmo di subentro serve a rendere casuale l'accesso al canale
La procedura 1-persistente tende ad aumentare la portata media di rete, ma ad alto traffico aumenta il numero di collisioni
La procedura 0-persistente riduce lo svantaggio delle collisioni ad alto traffico
La procedura p-persistente consente di regolare la probabilità p in base al traffico di rete
13
49
MACMAC
CSMA: collisioniCSMA: collisioniA causa dei ritardi di propagazione il protocollo CSMA NON evita le COLLISIONI
il ritardo di propagazione implica che due nodi non possanosentirsi reciprocamente all’inizio della trasmissione
50
MACMAC
CSMA: collisioniCSMA: collisioniSi ha collisione tra due stazioni se esse accedono al canalein istanti che distano tra loro un tempo inferiore a quello dipropagazione tra le due stazioni
51
MACMAC
CSMA: collisioniCSMA: collisionicollisione: il tempo speso per trasmettere l’intera trama èsprecato
B e D continuano a trasmetterele loro trame interamente anchese c’è stata collisione
nota: maggiore è il ritardo dipropagazione maggiore è la probabilità di collisione!
52
MACMAC
Intervallo di Intervallo di vulnerabilitavulnerabilita’’L’intervallo di vulnerabilità, cioè l'intervallo di tempo in cui una trama emessa può subire collisione, è uguale a 2τ, dove τ è il ritardo di propagazione da estremo a estremo sul bus
14
53
MACMAC
Intervallo di Intervallo di vulnerabilitavulnerabilita’’
54
MACMAC
CSMA: prestazioniCSMA: prestazioniPer valutare le prestazioni del CSMA si assume lo stesso modello dell’Aloha con
T tempo di trasmissione di tramaτ tempo di propagazionea=τ/T
si assume inoltre la modalità non-persistente (l’unicache consente di trattare facilmente il traffico sulcanale)
55
MACMAC
CSMA: prestazioniCSMA: prestazioni
56
MACMAC
CSMA: prestazioniCSMA: prestazioni
15
CMSA CMSA –– CDCD
58
MACMAC
CSMA / CDCSMA / CDIl tempo necessario perché tutte le stazioni coinvolte in unacollisione se ne accorgano dipende dal tempo di propagazione(piccolo rispetto al tempo di trasmissione nelle LAN)
Constatazione: Perché continuare a trasmettere trame chehanno colliso?
Non appena una stazione si accorge della collisione smette ditrasmettere la trama!
CSMA-CD: “Ascolta prima di parlare e mentreparli”
Collision Detection (rilevazione delle collisioni)Rispetto al protocollo CSMA, migliora le prestazioniriducendo la durata delle collisioni=> Throughput più elevato
59
MACMAC
CSMA / CDCSMA / CDCSMA-CD
Carrier sensing, come nel CSMA collisioni rilevate in breve tempole trasmissioni che hanno colliso sono abortite, riducendo lo spreco sul canale
Collision detectionfacile nelle LAN cablate: misura le intensità dei segnali, confronta segnali trasmessi e ricevutidifficile nelle wireless-LAN: il ricevitore si disattiva mentretrasmette
60
MACMAC
CSMA / CDCSMA / CDNel caso di collisione:
La collisione viene riconosciuta (Collision Detection) La collisione viene ”rinforzata” (sequenza di jamming)Viene tentato nuovamente l'accesso dopo un intervallo di tempo casuale ∆TPer ridurre l'aumento di traffico per ritrasmissioni il valore di ∆T aumenta esponenzialmente all'aumentare del numero di collisioni consecutive
16
61
MACMAC
CSMA / CDCSMA / CD
62
MACMAC
ProtocolloProtocollo CSMA/CD (2)CSMA/CD (2)Tra due stazioni avviene una collisione se esse accedono al canale in istanti che distano tra loro un tempo inferiore a quello dipropagazione tra le due stazioni
A B C
t1
t2
t3
t
...
...
...
t4 ...
All’istante t4 C scopre la collisione
t0
63
MACMAC
CSMA / CDCSMA / CDIl tempo totale necessario affinché, nel caso di collisione, tutti i terminali si accorgano della collisione e interrompano l’emissione è:
Se R è il ritmo binario in linea, una PDU di strato MAC non può avere lunghezza inferiore a
64
MACMAC
ProtocolloProtocollo CSMA/CD (4)CSMA/CD (4)Nel caso di canale occupato, l'istante successivo di emissione èdeterminato in base ad una PROCEDURA DI PERSISTENZA
Esempio di accesso CSMA/CD:
17
65
MACMAC
CSMA / CD: vantaggi CSMA / CD: vantaggi vsvs CSMACSMA
Il vantaggio del CSMA-CD rispetto al CSMA ètanto più elevato quanto più il tempo necessario perché le stazioni coinvolte nella collisione se ne accorgano è piccolo rispetto al tempo di trasmissione della trama T
66
MACMAC
CSMA / CD: applicabilitCSMA / CD: applicabilitààIl CSMA/CD è utilizzabile in sistemi in cui il ritardo di propagazione τ sia piccolo
ascolto del canale prima di trasmettere: se il ritardo di propagazione τ è piccolo alloral’informazione raccolta dalla stazione è significativa;è bassa la probabilità che le altre stazioni tentino una trasmissione nell’intervallo [o, τ] (le altre stazioni si accorgono della collisione nel caso peggiore dopo un tempo τ);
è minore la banda sprecata a causa di una collisione
67
MACMAC
CSMA / CD: applicabilitCSMA / CD: applicabilitààIl CSMA/CD è utilizzabile in sistemi in cui il ritardodi propagazione τ sia breve rispetto alla durata T della trasmissione di una trama
ascolto del canale durante la trasmissione della trama: se iltempo di trasmissione di trama è minore del ritardo dipropagazione, la stazione finisce di trasmettere la trama, e quindi di ascoltare il canale, prima di potersi accorgere dieventuali collisioni
• la stazione può smettere di ascoltare il canale dopo un tempo 2τ e continuare a trasmettere la trama
• la condizione τ<T limita la lunghezza massima del bus!
68
MACMAC
CSMA / CD: CSMA / CD: applicabilitaapplicabilita’’
18
69
MACMAC
CSMA / CD: prestazioniCSMA / CD: prestazioniPer le prestazioni si assume sempre lo stessomodello
T tempo di trasmissione di tramaτ tempo di propagazionea=τ/Tδ tempo per accorgersi della collisione e interrompere
si assume sempre la modalità non-persistente
70
MACMAC
CSMA / CD: prestazioniCSMA / CD: prestazioni
71
MACMAC
CSMA / CD: prestazioniCSMA / CD: prestazioni
top related