Δίκτυα άμεσου συνδέσμου. Ευάγγελος Παπαπέτρου

Transcript

1 Δίκτυα Υπολογιστών Δίκτυα άμεσου συνδέσμου Ευάγγελος Παπαπέτρου Τμ Μηχ Η/Υ & Πληροφορικής, Παν Ιωαννίνων ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 1 / 91

2 Διάρθρωση 1 Δίκτυα άμεσου συνδέσμου και μηχανισμός πρόσβασης 2 Δίκτυα Aloha Aloha Slotted Aloha Reservation Aloha 3 Δίκτυα Ethernet Φυσικές ιδιότητες Πλαισίωση και διευθύνσεις Μηχανισμός πρόσβασης με ακρόαση φέροντος 4 Δίκτυα με κουπόνι Token Bus Token Ring FDDI ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 2 / 91

3 Δίκτυα άμεσου συνδέσμου και μηχανισμός πρόσβασης Διάρθρωση 1 Δίκτυα άμεσου συνδέσμου και μηχανισμός πρόσβασης 2 Δίκτυα Aloha Aloha Slotted Aloha Reservation Aloha 3 Δίκτυα Ethernet Φυσικές ιδιότητες Πλαισίωση και διευθύνσεις Μηχανισμός πρόσβασης με ακρόαση φέροντος 4 Δίκτυα με κουπόνι Token Bus Token Ring FDDI ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 3 / 91

4 Δίκτυα άμεσου συνδέσμου και μηχανισμός πρόσβασης Αναγκαιότητα μηχανισμού πρόσβασης Ένας σύνδεσμος μπορεί να χρησιμοποιηθεί και για την άμεση σύνδεση πολλών υπολογιστών υπηρεσίας τα δίκτυα αυτά ονομάζονται άμεσου συνδέσμου (direct link networks) είναι συνήθως τοπικά και σπανιότερα μητροπολιτικά δίκτυα Η υλοποίηση δικτύων άμεσου συνδέσμου απαιτεί ένα μηχανισμό πρόσβασης (ή προσπέλασης) στο κοινό μέσο Μηχανισμός πρόσβασης στο κοινό μέσο (Medium Access) Οι κανόνες που ρυθμίζουν την από κοινού χρήση ενός συνδέσμου και έχουν ως αποτέλεσμα κάθε κόμβος να λαμβάνει το δικαίωμα μετάδοσης (ή εκπομπής) / Οι αλγόριθμοι πρόσβασης στο κοινό μέσο ονομάζονται και πολλαπλής πρόσβασης γιατί επιτρέπουν την πρόσβαση πολλών υπολογιστών στο σύνδεσμο ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 4 / 91

5 Δίκτυα άμεσου συνδέσμου και μηχανισμός πρόσβασης Δίκτυα άμεσου συνδέσμου και μοντέλο OSI Ο μηχανισμός πρόσβασης περιγράφεται στο υποεπίπεδο ελέγχου πρόσβασης κοινού μέσου (Medium Access Control, MAC) ένας μηχανισμός πρόσβασης στο κοινό μέσο καλείται απλά αλγόριθμος ή μηχανισμός MAC το υποεπίπεδο MAC ανήκει στο επίπεδο συνδέσμου μετάδοσης δεδομένων (data link layer) Η υλοποίηση ενός δικτύου άμεσου συνδέσμου απαιτεί την υλοποίηση μηχανισμών του φυσικού επιπέδου αλλά και του επιπέδου Data Link / Σε αντίθεση με τα δίκτυα άμεσου συνδέσμου, η δικτύωση δύο υπολογιστών με ένα σύνδεσμο απαιτεί μόνο τους μηχανισμούς του φυσικού επιπέδου αλλά και του υποεπιπέδου LLC ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 5 / 91

6 Δίκτυα άμεσου συνδέσμου και μηχανισμός πρόσβασης Μηχανισμός πρόσβασης και λογικές συνδέσεις Ένας υπολογιστής μπορεί να διαχειρίζεται παραπάνω από μια λογικές συνδέσεις προς άλλους υπολογιστές Ο μηχανισμός πρόσβασης αποδίδει το δικαίωμα εκπομπής σε κάθε κόμβο ο κάθε κόμβος είναι υπεύθυνος να αξιοποιήσει το δικαίωμα εκπομπής για να μεταδώσει δεδομένα από διαφορετικές λογικές συνδέσεις / Ορισμένοι μηχανισμοί πρόσβασης, οι οποίοι στοχεύουν στην ποιότητα υπηρεσιών, αποδίδουν το δικαίωμα εκπομπής λαμβάνοντας υπόψη το πλήθος των πλαισίων ή τις λογικές συνδέσεις που ένας υπολογιστής εξυπηρετεί ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 6 / 91

7 Δίκτυα άμεσου συνδέσμου και μηχανισμός πρόσβασης Κατηγορίες μηχανισμών πρόσβασης Οι μηχανισμοί πρόσβασης διακρίνονται σε: κατανεμημένους (distributed): ο μηχανισμός υλοποιείται σε κάθε κόμβο ανεξάρτητα από τους άλλους κόμβους κεντρικοποιημένους (centralized): ο μηχανισμός απαιτεί την ύπαρξη κάποιου κεντρικού κόμβου που έχει αυξημένες αρμοδιότητες Επίσης, η σχεδίαση ενός μηχανισμού πρόσβασης εξαρτάται από: τον τρόπο σύνδεσης των κόμβων και του συνδέσμου τοπολογία αρτηρίας (bus topology) τοπολογία δακτυλίου (ring topology) τις ιδιότητες του συνδέσμου (πχ ασύρματη ενσύρματη μετάδοση) Τέλος, οι μηχανισμοί πρόσβασης διακρίνονται σε: μηχανισμούς με ανταγωνισμό (contention-based) μηχανισμούς χωρίς ανταγωνισμό (contentionless) ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 7 / 91

8 Δίκτυα άμεσου συνδέσμου και μηχανισμός πρόσβασης Μηχανισμοί πρόσβασης με ανταγωνισμό (1/2) Κεντρική ιδέα: όλοι οι κόμβοι ανταγωνίζονται για να κερδίσουν το δικαίωμα χρήσης του συνδέσμου (δικαίωμα εκπομπής) μια δεδομένη χρονική στιγμή μόνο ένα κόμβος μπορεί να μεταδίδει δεδομένα στο σύνδεσμο όλοι οι κόμβοι ακολουθούν τους ίδιους κανόνες αλλά ανεξάρτητα ο ένας από τον άλλο Πρόβλημα: δύο ή παραπάνω κόμβοι μπορεί να επιχειρήσουν ταυτόχρονα τη μετάδοση πλαισίων οπότε προκύπτει σύγκρουση η σύγκρουση πλαισίων είναι αποτέλεσμα της ανεξάρτητης και κατανεμημένης λειτουργίας των κόμβων Σύγκρουση πλαισίων (frame collision) Η κατάσταση κατά την οποία, σε μια δεδομένη χρονική στιγμή, δύο ή περισσότερα πλαίσια μεταδίδονται ταυτόχρονα μέσα στο ίδιο κανάλι με αποτέλεσμα την καταστροφή των δεδομένων που αυτά μεταφέρουν ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 8 / 91

9 Δίκτυα άμεσου συνδέσμου και μηχανισμός πρόσβασης Μηχανισμοί πρόσβασης με ανταγωνισμό (2/2) Η επίλυση των συγκρούσεων γίνεται με την επανεκπομπή των πλαισίων που συγκρούστηκαν σε πολλές περιπτώσεις ένας κόμβος ακολουθεί ειδική διαδικασία για την επανεκπομπή πλαισίων που συγκρούστηκαν Πλεονεκτήματα: ευέλικτη αξιοποίηση του συνδέσμου μπορούν να υλοποιηθούν κατανεμημένα με χαμηλή πολυπλοκότητα και κόστος Μειονεκτήματα: κατά τη διάρκεια του ανταγωνισμού το κοινό μέσο δεν αξιοποιείται οι συγκρούσεις πλαισίων μειώνουν τη ρυθμαπόδοση που μπορεί να επιτευχθεί η καθυστέρηση πρόσβασης στο κοινό μέσο (access delay) μπορεί να είναι σημαντική όσο μεγαλώνει το πλήθος των κόμβων αλλά και των πλαισίων, οι συγκρούσεις και η διάρκεια ανταγωνισμού αυξάνονται ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 9 / 91

10 Δίκτυα άμεσου συνδέσμου και μηχανισμός πρόσβασης Μηχανισμοί πρόσβασης χωρίς ανταγωνισμό (1/2) Κεντρική ιδέα: το δικαίωμα εκπομπής κάθε κόμβου έχει καθοριστεί πριν τη μετάδοση των δεδομένων απαιτούνται δύο φάσεις: ανάθεσης δικαιωμάτων εκπομπής και μετάδοσης δεδομένων κατά τη φάση μετάδοσης δεδομένων δεν υπάρχει περίπτωση σύγκρουσης πλαισίων Ανάθεση δικαιώματος εκπομπής: ο μηχανισμός υλοποιείται συνήθως με τη βοήθεια κεντρικού κόμβου αν και η κατανεμημένη υλοποίηση είναι επίσης δυνατή απαιτεί την ανταλλαγή μηνυμάτων ελέγχου (σηματοδοσία) μεταξύ των κόμβων τα μηνύματα ελέγχου μεταδίδονται στο ίδιο ή άλλο ανεξάρτητο κανάλι επικοινωνίας Μηχανισμός πρόσβασης και πολυπλεξία / Σε πολλές περιπτώσεις οι μηχανισμοί πρόσβασης χωρίς ανταγωνισμό χρησιμοποιούν κάποια τεχνική πολυπλεξίας κατά τη φάση της μετάδοσης των δεδομένων από τους κόμβους, πχ μηχανισμοί πρόσβασης TDMA, FDMA, CDMA ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 10 / 91

11 Δίκτυα άμεσου συνδέσμου και μηχανισμός πρόσβασης Μηχανισμοί πρόσβασης χωρίς ανταγωνισμό (2/2) Πλεονεκτήματα: η έλλειψη συγκρούσεων επιτρέπει την υψηλή αξιοποίηση του συνδέσμου (μεγάλη ρυθμαπόδοση) υπάρχει άνω όριο στην καθυστέρηση πρόσβασης στο μέσο η ρυθμαπόδοση και η καθυστέρηση πρόσβασης που επιτυγχάνει ένας κόμβος δεν υποβαθμίζεται κάτω από κάποιο όριο όσο αυξάνει ο φόρτος στο δίκτυο (δικαιότερη κατανομή των πόρων του συνδέσμου) Μειονεκτήματα: η ανάθεση του δικαιώματος εκπομπής ενέχει υψηλή πολυπλοκότητα και σημαντικό φορτίο σηματοδοσίας η δυναμική εκχώρηση του συνδέσμου σε έναν κόμβο ανάλογα με τα επίπεδα χρησιμοποίησής του είναι αδύνατη ή απαιτεί επιπλέον σηματοδοσία (μικρή ευελιξία) η χρήση κεντρικού κόμβου μειώνει την αξιοπιστία ως προς τις βλάβες σε πολλές περιπτώσεις το πλήθος των κόμβων που μπορούν να εξυπηρετηθούν είναι περιορισμένο ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 11 / 91

12 Δίκτυα άμεσου συνδέσμου και μηχανισμός πρόσβασης Πρότυπα Δικτύων άμεσου συνδέσμου Έχουν αναπτυχθεί διαφορετικά πρότυπα που περιγράφουν την υλοποίηση δικτύων άμεσου συνδέσμου επίσης υπάρχουν μεμονωμένα πρωτόκολλα που περιγράφουν συγκεκριμένους μηχανισμούς πρόσβασης Σημαντικότερα πρότυπα/πρωτόκολλα: τοπολογία αρτηρίας με ανταγωνισμό: Ethernet (IEEE 8023) τοπολογία αρτηρίας χωρίς ανταγωνισμό: Token Bus (IEEE 8024) τοπολογία δακτυλίου χωρίς αναγωνισμό: Token Ring (IEEE 8025), Fiber Distributed Data Interface, (FDDI) ασύρματη μετάδοση με ανταγωνισμό: Aloha, Slotted Aloha, IEEE (WiFi) άλλοι μηχανισμοί χωρίς ανταγωνισμό: TDMA, FDMA, CDMA Πρωτόκολλο vs Πρότυπο / Με τον όρο πρότυπο (standard) αναφερόμαστε σε ένα σύνολο από πρωτόκολλα που εκδίδονται από ένα οργανισμό τυποποίησης και περιγράφουν μια τεχνολογία δικτύων ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 12 / 91

13 Δίκτυα Aloha Διάρθρωση 1 Δίκτυα άμεσου συνδέσμου και μηχανισμός πρόσβασης 2 Δίκτυα Aloha Aloha Slotted Aloha Reservation Aloha 3 Δίκτυα Ethernet Φυσικές ιδιότητες Πλαισίωση και διευθύνσεις Μηχανισμός πρόσβασης με ακρόαση φέροντος 4 Δίκτυα με κουπόνι Token Bus Token Ring FDDI ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 13 / 91

14 Δίκτυα Aloha Aloha Διάρθρωση 1 Δίκτυα άμεσου συνδέσμου και μηχανισμός πρόσβασης 2 Δίκτυα Aloha Aloha Slotted Aloha Reservation Aloha 3 Δίκτυα Ethernet Φυσικές ιδιότητες Πλαισίωση και διευθύνσεις Μηχανισμός πρόσβασης με ακρόαση φέροντος 4 Δίκτυα με κουπόνι Token Bus Token Ring FDDI ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 14 / 91

15 Δίκτυα Aloha Aloha Αλγόριθμος Aloha (1/2) Το πρωτόκολλο Aloha (ή Pure Aloha) αναπτύχθηκε για εφαρμογή σε ασύρματα δίκτυα υλοποιήθηκε από το Πανεπιστήμιο της Hawaii to 1970 Είναι ένα κατανεμημένο πρωτόκολλο με χαμηλή πολυπλοκότητα Κάθε υπολογιστής υπηρεσίας που θέλει να μεταδώσει ένα πλαίσιο: εκπέμπει το πλαίσιο αμέσως μόλις αυτό εμφανιστεί μεταδίδει πλαίσια προκαθορισμένης διάρκειας (επομένως και μεγέθους) Πρόβλημα: μεγάλη πιθανότητα σύγκρουσης πλαισίων από διαφορετικούς υπολογιστές η πιθανότητα σύγκρουσης αυξάνεται με το πλήθος των προσπαθειών μετάδοσης (περισσότεροι υπολογιστές ή περισσότερα δεδομένα) / Οι συγκρούσεις πλαισίων μπορεί να ανιχνευτούν από τους μηχανισμούς της λογικής σύνδεσης εξαιτίας της απώλειας του πλαισίου ή από το φυσικό επίπεδο ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 15 / 91

16 Δίκτυα Aloha Aloha Αλγόριθμος Aloha (2/2) Αν ένα πλαίσιο καταστραφεί λόγω σύγκρουσης τότε επανεκπέμπεται μετά από τυχαίο χρονικό διάστημα (χρόνος αναμονής) το τυχαίο χρονικό διάστημα επιλέγεται συνήθως ομοιόμορφα από ένα εύρος τιμών [t min, t max ] η τυχαιότητα εισάγεται ώστε δύο πλαίσια που συγκρούστηκαν να έχουν μικρή πιθανότητα να ξανασυγκρουστούν Η μέση τιμή του χρόνου αναμονής ( t min+t max 2 ) επηρεάζει σημαντικά τη λειτουργία του αλγόριθμου μικρή μέση τιμή: μεγάλη πιθανότητα επανάληψης της σύγκρουσης (ιδιαίτερα αν έχουν συγκρουστεί πολλά πλαίσια) μεγάλη μέση τιμή: μεγάλη καθυστέρηση / Σε πραγματικά συστήματα ένα πλαίσιο θα απορριφθεί αν η μετάδοσή του δεν ολοκληρωθεί μετά από ένα προκαθορισμένο αριθμό προσπαθειών ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 16 / 91

17 Δίκτυα Aloha Aloha Μοντελοποίηση Aloha (1/2) Ένα δίκτυο Aloha μοντελοποιείται με τη βοήθεια τριών στοχαστικών διεργασιών: μια διεργασία που περιγράφει την άφιξη νέων πλαισίων μια διεργασία που περιγράφει τις προσπάθειες μετάδοσης πλαισίων (νέων και από επανεκπομπή) μια διεργασία που περιγράφει την εξυπηρέτηση πλαισίων / Πολλές φορές χρησιμοποιείται ο όρος τηλεπικοινωνιακή κίνηση (traffic) για να περιγράψει τα πλαίσια/πακέτα, τις κλήσεις, κλπ που εισέρχονται σε (ή εξυπηρετούνται από) ένα τηλεπικοινωνιακό σύστημα ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 17 / 91

18 Δίκτυα Aloha Aloha Μοντελοποίηση Aloha (2/2) Κάθε διεργασία προσδιορίζεται από ένα τηλεπικοινωνιακό φορτίο διεργασία νέων αφίξεων: εισερχόμενο τηλεπικοινωνιακό φορτίο ρ in = λt λ : ρυθμός άφιξης πλαισίων στο σύστημα T : διάρκεια μετάδοσης ενός πλαισίου διεργασία προσπαθειών μετάδοσης: τηλεπικοινωνιακό φορτίο στο σύστημα R = ΛT Λ : ρυθμός προσπαθειών μετάδοσης διεργασία εξυπηρέτησης: εξερχόμενο τηλεπικοινωνιακό φορτίο ή διεκπεραιωτική ικανότητα ρ Τηλεπικοινωνιακό φορτίο (traffic load) Το ποσοστό του χρόνου που θα χρησιμοποιούνταν ένας σύνδεσμος αν όλα τα αιτήματα εξυπηρέτησης (πχ πλαίσια) ταξινομούνταν ώστε να μην υπάρχει χρονική επικάλυψη και εξυπηρετούνταν από τον σύνδεσμο αυτό ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 18 / 91

19 Δίκτυα Aloha Aloha Απόδοση Aloha (1/3) Το τηλεπικοινωνιακό φορτίο στο σύστημα (R) αποτελείται από: από το εισερχόμενο τηλεπικοινωνιακό φορτίο (ρ in ) το τηλεπικοινωνιακό φορτίο που αναφέρεται σε πλαίσια που επανεκπέμπονται λόγω μιας ή περισσότερων αποτυχιών μετάδοσης R = ρ + RP col P col : πιθανότητα σύγκρουσης πλαισίων Υποθέσεις o Η στοχαστική διεργασία που περιγράφει τις αφίξεις νέων πλαισίων είναι μια διαδικασία Poisson με ρυθμό λ F ο πληθυσμός των τερματικών που δημιουργεί την κίνηση είναι άπειρος F πιθανότητα άφιξης k πλαισίων σε χρονικό διάστημα t: P t (k) = (λt)k e λt k! F κατά μέσο όρο δημιουργούνται λ πλαίσια στη μονάδα του χρόνου o Η στοχαστική διεργασία που περιγράφει τις προσπάθειες μετάδοσης πλαισίων στο σύστημα είναι επίσης μια διαδικασία Poisson με ρυθμό Λ o Το σύστημα βρίσκεται σε στατιστική ισορροπία ρ in = ρ ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 19 / 91

20 Δίκτυα Aloha Aloha Απόδοση Aloha (2/3) Συνθήκη για μετάδοση ενός πλαισίου χωρίς σύγκρουση: καμία επιπλέον προσπάθεια μετάδοσης ενός πλαισίου για χρόνο 2T οι προσπάθειες μετάδοσης αφορούν νέα πλαίσια ή πλαίσια υπό αναμετάδοση Πιθανότητα μετάδοσης χωρίς σύγκρουση: P 2T (0) = (2ΛT )0 0! e 2ΛT = e 2ΛT Πιθανότητα σύγκρουσης (ενός ή περισσοτέρων πλαισίων): P col = 1 P 2T (0) = 1 e 2ΛT ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 20 / 91

21 Δίκτυα Aloha Aloha Απόδοση Aloha (3/3) Επομένως, το τηλεπικοινωνιακό φορτίο R εκφράζεται ως: P col =1 e 2ΛT,R=ΛT R = ρ + RP col R = ρ + R(1 e 2ΛT ) ρ = Re 2R Μέγιστη διεκπεραιωτική ικανότητα (όταν R = 1/2): ρ = 1 2e 018 η διεπκπεραιωτική ικανότητα είναι εξαιρετικά μικρή επειδή κάθε κόμβος δεν λαμβάνει υπόψη του την κατάσταση του συστήματος ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 21 / 91

22 Δίκτυα Aloha Slotted Aloha Διάρθρωση 1 Δίκτυα άμεσου συνδέσμου και μηχανισμός πρόσβασης 2 Δίκτυα Aloha Aloha Slotted Aloha Reservation Aloha 3 Δίκτυα Ethernet Φυσικές ιδιότητες Πλαισίωση και διευθύνσεις Μηχανισμός πρόσβασης με ακρόαση φέροντος 4 Δίκτυα με κουπόνι Token Bus Token Ring FDDI ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 22 / 91

23 Δίκτυα Aloha Slotted Aloha Αλγόριθμος Slotted Aloha Κεντρική ιδέα: η χρήση χρονισμού στο κανάλι επικοινωνίας μπορεί να μειώσει τις συγκρούσεις πλαισίων η μείωση των συγκρούσεων βελτιώνει την απόδοση του συστήματος Χρονισμός: ο χρόνος διαιρείται σε χρονοθυρίδες διάρκειας T ένα πλαίσιο μεταδίδεται στη διάρκεια μιας χρονοθυρίδας είναι απαραίτητη η ύπαρξη κάποιου κεντρικού κόμβου που θα επιβάλλει το χρονισμό στο κανάλι Αλγόριθμος Slotted Aloha: κάθε υπολογιστής υπηρεσίας που θέλει να μεταδώσει ένα πλαίσιο εκπέμπει το πλαίσιο στην αμέσως επόμενη χρονοθυρίδα από αυτή στην οποία το πλαίσιο εμφανίστηκε η υπόλοιπη λειτουργία είναι όμοια με αυτή του αλγόριθμου Aloha ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 23 / 91

24 Δίκτυα Aloha Slotted Aloha Απόδοση Slotted Aloha (1/2) Συνθήκη για μετάδοση ενός πλαισίου χωρίς σύγκρουση: καμία επιπλέον προσπάθεια μετάδοσης ενός πλαισίου για χρόνο T Πιθανότητα μετάδοσης χωρίς σύγκρουση: P T (0) = (ΛT )0 0! e ΛT = e ΛT Πιθανότητα σύγκρουσης (ενός ή περισσοτέρων πλαισίων): P col = 1 P T (0) = 1 e ΛT ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 24 / 91

25 Δίκτυα Aloha Slotted Aloha Απόδοση Slotted Aloha (2/2) Το τηλεπικοινωνιακό φορτίο R εκφράζεται ως: P col =1 e ΛT,R=ΛT R = ρ + RP col R = ρ + R(1 e ΛT ) ρ = Re R Μέγιστη διεκπεραιωτική ικανότητα (όταν R = 1): ρ = 1 e 037 η απόδοση βελτιώνεται με αντάλλαγμα την πολυπλοκότητα αλλά και τη μείωση της αξιοπιστίας λόγω της ύπαρξης κεντρικού σταθμού η διεπκπεραιωτική ικανότητα εξακολουθεί να είναι μικρή επειδή οι κόμβοι δεν λαμβάνουν υπόψη τους την κατάσταση του συστήματος ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 25 / 91

26 Δίκτυα Aloha Slotted Aloha Ευστάθεια Slotted Aloha (1/2) Πρόβλημα: συμπεριφορά του συστήματος στις στατιστικές μεταβολές του εισερχόμενου τηλεπικοινωνιακού φορτίου Για δεδομένο εισερχόμενο τηλεπικοινωνιακό φορτίο ένα δίκτυο Slotted Aloha (ή Aloha) εμφανίζει δύο σημεία λειτουργίας το σημείο με R < 1 (αντίστοιχα R < 1/2 στο Aloha) ονομάζεται σημείο ευστάθειας το σημείο με R > 1 (αντίστοιχα R > 1/2 στο Aloha) ονομάζεται σημείο αστάθειας ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 26 / 91

27 Δίκτυα Aloha Slotted Aloha Ευστάθεια Slotted Aloha (2/2) Σημείο ευστάθειας: οι στατιστικές διακυμάνσεις του εισερχόμενου φορτίου με μεγάλη πιθανότητα δεν μεταβάλλουν το σημείο λειτουργίας Σημείο αστάθειας: οι στατιστικές διακυμάνσεις του εισερχόμενου φορτίου μπορούν να οδηγήσουν στο σημείο ευστάθειας ή με μεγάλη πιθανότητα στην κατάρρευση του συστήματος το πλήθος των πακέτων που αναμένουν μετάδοση τείνει στο άπειρο η πιθανότητα σύγκρουσης τείνει στο 1 υπάρχει πάντα ένα σημείο (ανεξάρτητα από το πόσο μικρό είναι το εισερχόμενο φορτίο) πέρα από το οποίο το σύστημα οδηγείται σε κατάρρευση Ο μέσος χρόνος αναμονής για επανεκπομπή μπορεί να προσαρμοστεί για να επιφέρει την ευστάθεια στο σύστημα / Σε δίκτυα Aloha με πεπερασμένο πλήθος τερματικών το σύστημα δεν μπορεί να οδηγηθεί σε κατάρρευση ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 27 / 91

28 Δίκτυα Aloha Reservation Aloha Διάρθρωση 1 Δίκτυα άμεσου συνδέσμου και μηχανισμός πρόσβασης 2 Δίκτυα Aloha Aloha Slotted Aloha Reservation Aloha 3 Δίκτυα Ethernet Φυσικές ιδιότητες Πλαισίωση και διευθύνσεις Μηχανισμός πρόσβασης με ακρόαση φέροντος 4 Δίκτυα με κουπόνι Token Bus Token Ring FDDI ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 28 / 91

29 Δίκτυα Aloha Reservation Aloha Αλγόριθμος Reservation Aloha (1/2) Ο αλγόριθμος Reservation Aloha είναι μια επέκταση του Slotted Aloha που μπορεί να αυξήσει τη ρυθμαπόδοση Κεντρική ιδέα: τα τερματικά ανταγωνίζονται με χρήση του αλγόριθμου Slotted Aloha για τη δέσμευση μιας χρονοθυρίδας ο αλγόριθμος αποτελείται από δύο φάσεις: κράτησης (reservation) με χρονοθυρίδες μεγέθους T R μετάδοσης (transmission) με χρονοθυρίδες μεγέθους T T R Φάση κράτησης: τα τερματικά ανταγωνίζονται μεταδίδοντας μικρά μηνύματα ελέγχου, διάρκειας T R, με τα οποία δηλώνουν την επιθυμία τους να εκπέμψουν επιτυχία μετάδοσης ενός μηνύματος ελέγχου σημαίνει δέσμευση μιας χρονοθυρίδας η σειρά επιτυχούς μετάδοσης των μηνυμάτων ελέγχου καθορίζει τη σειρά μετάδοσης των δεδομένων ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 29 / 91

30 Δίκτυα Aloha Reservation Aloha Αλγόριθμος Reservation Aloha (2/2) Φάση μετάδοσης: τα τερματικά μεταδίδουν πλαίσια διάρκειας T T R με τη σειρά που καθορίστηκε στη φάση κράτησης κατά τη φάση μετάδοσης δεν υπάρχουν συγκρούσεις πλαισίων και η αξιοποίηση του συνδέσμου είναι πλήρης Απόδοση: αν υπάρχουν k χρονοθυρίδες στη φάση μετάδοσης τότε απαιτείται η μετάδοση k μηνυμάτων ελέγχου για τη δέσμευσή τους χρειάζονται κατά μέσο όρο k 037 χρονοθυρίδες για τη μετάδοση k μηνυμάτων ελέγχου κατά τη διάρκεια της φάσης κράτησης η μέγιστη απόδοση είναι 37% n = kt n = 1 k 037 T R+kT 1+27 T R T Ο αλγόριθμος εμφανίζει υψηλή πολυπλοκότητα τα τερματικά πρέπει να ενημερώνονται για τη σειρά δέσμευσης των χρονοθυρίδων ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 30 / 91

31 Δίκτυα Ethernet Διάρθρωση 1 Δίκτυα άμεσου συνδέσμου και μηχανισμός πρόσβασης 2 Δίκτυα Aloha Aloha Slotted Aloha Reservation Aloha 3 Δίκτυα Ethernet Φυσικές ιδιότητες Πλαισίωση και διευθύνσεις Μηχανισμός πρόσβασης με ακρόαση φέροντος 4 Δίκτυα με κουπόνι Token Bus Token Ring FDDI ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 31 / 91

32 Δίκτυα Ethernet Εισαγωγή (1/2) Το Ethernet αποτελεί την πλέον επιτυχημένη τεχνολογία που χρησιμοποιείται για την υλοποίηση τοπικών δικτύων ανήκει στην κατηγορία δικτύων με πολλαπλή πρόσβαση σε ένα κοινό σύνδεσμο αναπτύχθηκε στα μέσα της δεκαετίας του 1970 από την Xerox το 1978 οι εταιρείες Xerox και Intel καθόρισαν μια έκδοση του Ethernet που λειτουργούσε στα 10 Mbps Βασικές καινοτομίες για την πολλαπλή πρόσβαση σε ένα σύνδεσμο: ανίχνευση (ή ακρόαση) φέροντος σήματος (carrier sense, CS) οι κόμβοι μπορούν να διακρίνουν αν ο σύνδεσμος είναι αδρανής ή αν υπάρχει κάποια μετάδοση (κατειλημμένος σύνδεσμος) ανίχνευση συγκρούσεων (collision detection, CD) ένας κόμβος μπορεί να καταλάβει αν ένα πλαίσιο που μεταδίδει έχει υποστεί σύγκρουση ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 32 / 91

33 Δίκτυα Ethernet Εισαγωγή (2/2) Ο οργανισμός IEEE επέκτεινε το Ethernet και εξέδωσε το πρότυπο ΙΕΕΕ 8023 το πρότυπο προδιαγράφει τις φυσικές ιδιότητες του δικτύου αλλά και τον μηχανισμό πολλαπλής πρόσβασης το πρότυπο επιτρέπει την δικτύωση με τις βασικές αρχές του Ethernet σε μεγαλύτερες ταχύτητες και χρησιμοποιώντας μια μεγαλύτερη συλλογή φυσικών μέσων περιλαμβάνονται εκδόσεις με ταχύτητες 100 Mbps (Fast Ethernet) και 1 Gbps (Gigabit Ethernet) ΙΕΕΕ 8023 vs Ethernet / Παρά το γεγονός ότι υπάρχουν μικρές διαφορές του προτύπου IEEE 8023 και του Ethernet, το IEEE 8023 επέκτεινε την βασική λειτουργία του Ethernet και θεωρείται υπερσύνολο αυτού ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 33 / 91

34 Δίκτυα Ethernet Φυσικές ιδιότητες Διάρθρωση 1 Δίκτυα άμεσου συνδέσμου και μηχανισμός πρόσβασης 2 Δίκτυα Aloha Aloha Slotted Aloha Reservation Aloha 3 Δίκτυα Ethernet Φυσικές ιδιότητες Πλαισίωση και διευθύνσεις Μηχανισμός πρόσβασης με ακρόαση φέροντος 4 Δίκτυα με κουπόνι Token Bus Token Ring FDDI ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 34 / 91

35 Δίκτυα Ethernet Φυσικές ιδιότητες Τοπολογίες (1/3) To Ethernet υλοποιείται από τμήματα ομοαξωνικού καλωδίου τα τμήματα του ομοαξωνικού πρέπει να έχουν μήκος μέχρι 500 μέτρα τα δίκτυα με αυτά τα χαρακτηριστικά ονομάζονται 10Base5 και το ομοαξωνικό καλώδιο μεγάλης διαμέτρου (thick-net) Οι κόμβοι συνδέονται στο καλώδιο σε τοπολογία αρτηρίας με βύσματα οι υπολογιστές πρέπει να βρίσκονται σε απόσταση τουλάχιστον 25m ο πομποδέκτης (transceiver) εκπέμπει και λαμβάνει ένα σήμα στον προσαρμογέα (adapator) υλοποιούνται τα πρωτόκολλα του Ethernet / Συμβολισμός 10Base5: 10 ταχύτητα 10Mbps, Base δίκτυο βασικής ζώνης, 5 τμήματα καλωδίου μέχρι 500 m / Μπορεί να χρησιμοποιηθεί καλώδιο μικρής διαμέτρου (thin-net) με μήκος μέχρι 200 m (10Base2) όπου οι κόμβοι συνδέονται στο καλώδιο με μια ένωση Τ (T-joint) ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 35 / 91

36 Δίκτυα Ethernet Φυσικές ιδιότητες Τοπολογίες (2/3) Example Πολλά τμήματα Ethernet μπορούν να ενωθούν μεταξύ τους με επαναλήπτες (repeaters) ένας επαναλήπτης προωθεί ένα ψηφιακό σήμα από ένα καλώδιο στο άλλο μπορούν να χρησιμοποιηθούν μέχρι 4 επαναλήπτες μεταξύ δύο οποιονδήποτε κόμβων μέγιστη εμβέλεια ενός δικτύου Ethernet = 2500m μπορούν να διασυνδεθούν μέχρι 1024 υπολογιστές υπηρεσίας Διασύνδεση Ethernet με δύο επαναλήπτες μεταξύ των υπολογιστών υπηρεσίας ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 36 / 91

37 Δίκτυα Ethernet Φυσικές ιδιότητες Τοπολογίες (3/3) Σε δίκτυα Ethernet μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν τμήματα καλωδίου τύπου συνεστραμμένου ζεύγους (twisted pair) τα τμήματα πρέπει να έχουν μήκος μέχρι 100 μέτρα τα δίκτυα αυτής της τεχνολογίας ονομάζονται 10BaseΤ με καλώδια συνεστραμμένου ζεύγους μπορούν να λειτουργήσουν και δίκτυα Ethernet 100Mbps και 1Gbps Οι κόμβοι συνδέονται μεταξύ τους σε τοπολογία αστέρα μέσω διακλαδωτήρων (hubs) ο διακλαδωτήρας λειτουργεί ως ένας πολύδρομος επαναλήπτης οι διακλαδωτήρες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να διασυνδέσουν πολλά τμήματα Ethernet η διασύνδεση τμημάτων δεν είναι εφικτή σε δίκτυα 1Gbps ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 37 / 91

38 Δίκτυα Ethernet Φυσικές ιδιότητες Εκδόσεις Ethernet Το πρότυπο IEEE 8023 προδιαγράφει διαφορετικούς τύπους δικτύων Ethernet χρησιμοποιούνται φυσικά μέσα όπως οι οπτικές ίνες ή θωρακισμένα συνεστραμμένα ζεύγη ταχύτητες 100Mbps (Fast Ethernet, 8023u) και (Gigabit Ethernet, 8023z) ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 38 / 91

39 Δίκτυα Ethernet Φυσικές ιδιότητες Διάδοση σήματος Σε ένα δίκτυο Ethernet, το σήμα από έναν υπολογιστή λαμβάνεται από όλους τους άλλους υπολογιστές η λήψη του σήματος από όλους τους υπολογιστές γίνεται ανεξάρτητα της τοπολογίας η ιδιότητα αυτή είναι απαραίτητη για να υλοποιηθεί ένα δίκτυο άμεσου συνδέσμου Περιοχή συγκρούσεων (collision domain) Η περιοχή στην οποία κάθε κόμβος λαμβάνει τα σήματα όλων των άλλων κόμβων του δικτύου και επομένως μπορεί να προκύψουν παρεμβολές μεταξύ διαφορετικών σημάτων (συγκρούσεις πακέτων αν το δίκτυο χρησιμοποιεί μεταγωγή πακέτου) Στην τοπολογία αρτηρίας το σήμα απορροφάται από τους τερματισμούς του καλωδίου το σήμα δεν πρέπει να ανακλάται ώστε να μην δημιουργείται παρεμβολή με επακόλουθα σήματα Στο φυσικό επίπεδο χρησιμοποιείται η κωδικοποίηση Manchester ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 39 / 91

40 Δίκτυα Ethernet Πλαισίωση και διευθύνσεις Διάρθρωση 1 Δίκτυα άμεσου συνδέσμου και μηχανισμός πρόσβασης 2 Δίκτυα Aloha Aloha Slotted Aloha Reservation Aloha 3 Δίκτυα Ethernet Φυσικές ιδιότητες Πλαισίωση και διευθύνσεις Μηχανισμός πρόσβασης με ακρόαση φέροντος 4 Δίκτυα με κουπόνι Token Bus Token Ring FDDI ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 40 / 91

41 Δίκτυα Ethernet Πλαισίωση και διευθύνσεις Πλαισίωση (1/3) Τα δεδομένα σε ένα δίκτυο Ethernet διακινούνται με τη μορφή πλαισίων Κάθε πλαίσιο αποτελείται από: το προοίμιο (preamble), 8 bytes: μια ακολουθία από 0 και 1 που βοηθά στο συγχρονισμό του παραλήπτη δύο πεδία διευθύνσεων, 6 bytes: χρησιμοποιούνται για την αποθήκευση της διεύθυνσης του παραλήπτη και του αποστολέα το πεδίο τύπος (type), 2 bytes: προσδιορίζει το πρωτόκολλο ανώτερου επιπέδου (από τα πολλά πιθανά) στο οποίο πρέπει να παραδοθεί το πλαίσιο (κλειδί αποπολύπλεξης) το ωφέλιμο φορτίο (payload ή body), bytes: περιέχει τα δεδομένα τον κώδικα CRC, 4 bytes: χρησιμοποιείται για την ανίχνευση σφαλμάτων ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 41 / 91

42 Δίκτυα Ethernet Πλαισίωση και διευθύνσεις Πλαισίωση (2/3) Το Ethernet, ως προς την πλαισίωση, είναι προσανατολισμένο σε bit χρησιμοποιεί συμπλήρωση με bit Ο προσαρμογέας δημιουργεί (και αφαιρεί στη λήψη) το προοίμιο και τον κώδικα CRC ο υπολογιστής υπηρεσίας αντιλαμβάνεται μόνο τα υπόλοιπα πεδία Κάθε πλαίσιο έχει ένα ελάχιστο και ένα μέγιστο μέγεθος (maximum transmission unit, MTU) ελάχιστο μέγεθος (64 bytes χωρίς το προοίμιο - 46 bytes payload) απαιτείται ώστε να είναι δυνατή η ανίχνευση των συγκρούσεων σε περίπτωση που το ωφέλιμο φορτίο είναι μικρότερο από 46 bytes, τότε ο αποστολέας συμπληρώνει (pad) με τυχαία δεδομένα μέχρι τα 46 bytes μέγιστο μέγεθος (1514 bytes χωρίς το προοίμιο και τον CRC κώδικα) απαραίτητο ώστε κάθε κόμβος να απασχολεί τον σύνδεσμο για περιορισμένο χρονικό διάστημα ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 42 / 91

43 Δίκτυα Ethernet Πλαισίωση και διευθύνσεις Πλαισίωση (3/3) Το πρότυπο IEEE 8023 προδιαγράφει ένα παρόμοιο πλαίσιο το πεδίο type αντικαθίσταται από ένα πεδίο μέγεθος (size) που έχει μέγεθος επίσης 2 bytes περιέχει το μέγεθος του ωφέλιμου φορτίου το πεδίο type ενσωματώνεται ως το πρώτο πεδίο στο ωφέλιμο φορτίο Ένας υπολογιστής μπορεί να λειτουργήσει και με τις δύο μορφές πλαισίου αν η τιμή του πεδίου type (ή size) είναι μεγαλύτερη από 1500 τότε ερμηνεύεται ως τύπος το Ethernet χρησιμοποιεί τιμές μεγαλύτερες από 1500 για να δηλώσει ένα πρωτόκολλο ανώτερου επιπέδου αν η τιμή του πεδίου type (ή size) είναι μικρότερη από 1500 τότε ερμηνεύεται ως μέγεθος το μέγεθος ενός πλαισίου δεν είναι ποτέ μεγαλύτερο από 1500 bytes / Στην πράξη συνήθως χρησιμοποιείται η δομή πλαισίου που καθορίστηκε από τις εταιρείες Xerox και Intel ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 43 / 91

44 Δίκτυα Ethernet Πλαισίωση και διευθύνσεις Διευθύνσεις και λήψη δεδομένων (1/2) Οι διευθύνσεις σε ένα δίκτυο Ethernet έχουν μέγεθος 48 bit (6 bytes) κάθε διεύθυνση προσδιορίζει ένα προσαρμογέα δικτύου κάθε διεύθυνση είναι μοναδική (χρησιμοποιείται μόνο σε έναν προσαρμογέα) οι διευθύνσεις Ethernet συνήθως αναπαρίστανται σε δεκαεξαδικό σύστημα, πχ Α3:F2:12:3C:55:09 Η ανάθεση των διευθύνσεων είναι στατική σε κάθε εταιρεία κατασκευής προσαρμογέων εκχωρείται μια περιοχή διευθύνσεων (κοινό πρόθεμα 3 bytes) οι διευθύνσεις είναι συνήθως ενσωματωμένες (hard coded) στη μνήμη ROM των προσαρμογέων δικτύου / Υπάρχουν περιπτώσεις που η διεύθυνση Ethernet αποδίδεται στον προσαρμογέα από το λειτουργικό σύστημα ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 44 / 91

45 Δίκτυα Ethernet Πλαισίωση και διευθύνσεις Διευθύνσεις και λήψη δεδομένων (2/2) Ένας προσαρμογέας λαμβάνει όλα τα πλαίσια που κυκλοφορούν σε ένα δίκτυο Ethernet και αποδέχεται τα πλαίσια που: έχουν ως διεύθυνση παραλήπτη τη διεύθυνση του προσαρμογέα η διεύθυνση του προσαρμογέα ονομάζεται στην περίπτωση αυτή διεύθυνση αποκλειστικής διανομής (unicast address) έχουν ως διεύθυνση παραλήπτη τη διεύθυνση FF:FF:FF:FF:FF:FF η διεύθυνση αυτή καλείται διεύθυνση ευρείας εκπομπής (broadcast address) και χρησιμοποιείται για την αποστολή πλαισίων σε όλους τους κόμβους του δικτύου έχουν ως διεύθυνση παραλήπτη μια διεύθυνση πολυεκπομπής (multicast) αν έχει προγραμματιστεί να παρακολουθεί αυτή τη διεύθυνση οι διευθύνσεις πολυεκπομπής έχουν το πρώτο bit ίσο με 1 χρησιμοποιούνται για την αποστολή πλαισίων σε μια ομάδα κόμβων Ένας προσαρμογέας μπορεί να προγραμματιστεί ώστε να αποδέχεται όλα τα πλαίσια που λαμβάνει αυτή η κατάσταση λειτουργίας ονομάζεται λειτουργία χωρίς διάκριση (promiscuous mode) ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 45 / 91

46 Δίκτυα Ethernet Μηχανισμός πρόσβασης με ακρόαση φέροντος Διάρθρωση 1 Δίκτυα άμεσου συνδέσμου και μηχανισμός πρόσβασης 2 Δίκτυα Aloha Aloha Slotted Aloha Reservation Aloha 3 Δίκτυα Ethernet Φυσικές ιδιότητες Πλαισίωση και διευθύνσεις Μηχανισμός πρόσβασης με ακρόαση φέροντος 4 Δίκτυα με κουπόνι Token Bus Token Ring FDDI ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 46 / 91

47 Δίκτυα Ethernet Μηχανισμός πρόσβασης με ακρόαση φέροντος Εισαγωγή (1/2) Η πρόσβαση των κόμβων στο σύνδεσμο ρυθμίζεται με τον αλγόριθμο CSMA/CD αλγόριθμος πολλαπλής πρόσβασης με ακρόαση φέροντος και ανίχνευση συγκρούσεων (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection) Κεντρική ιδέα: η υποαξιοποίηση του συνδέσμου στα δίκτυα Aloha οφείλεται στο ότι οι κόμβοι δεν λαμβάνουν υπόψη τους την κατάσταση του καναλιού ακρόαση φέροντος: ένας κόμβος μπορεί να διακρίνει αν ο σύνδεσμος είναι αδρανής ή όχι και να αποφύγει τις συγκρούσεις ανίχνευση συγκρούσεων: ένας κόμβος μπορεί να καταλάβει αν ένα πλαίσιο που μεταδίδει έχει υποστεί σύγκρουση και να ακυρώσει τη μετάδοσή του, ελευθερώνοντας το σύνδεσμο ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 47 / 91

48 Δίκτυα Ethernet Μηχανισμός πρόσβασης με ακρόαση φέροντος Εισαγωγή (2/2) Ο αλγόριθμος CSMA/CD: ανήκει στους αλγόριθμους πρόσβασης με ανταγωνισμό (contention-based) υλοποιείται κατανεμημένα: κάθε κόμβος λειτουργεί ανεξάρτητα από τους υπόλοιπους κόμβους του δικτύου είναι ένας ημιαμφίδρομος αλγόριθμος ένας κόμβος δεν εμπλέκεται ταυτόχρονα στην αποστολή και στη λήψη πλαισίων μπορεί να εφαρμοστεί για να ρυθμίσει την πρόσβαση σε μια περιοχή συγκρούσεων (πχ ένα δίκτυο με τοπολογία αρτηρίας, ένα δίκτυο με διακλαδωτές, κλπ) / Η ακρόαση φέροντος είναι μια επιτυχημένη τεχνολογία που χρησιμοποιείται σε διαφορετικά πρότυπα όπως πχ τα IEEE8023 (CSMA/CD) και IEEE80211 (CSMA/CA) ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 48 / 91

49 Δίκτυα Ethernet Μηχανισμός πρόσβασης με ακρόαση φέροντος CSMA (1/4) Ένας κόμβος με ένα πλαίσιο προς αποστολή μεταδίδει αμέσως το πλαίσιο: αν ο σύνδεσμος είναι αδρανής μετά από αναμονή ως ότου ο σύνδεσμος γίνει αδρανής (αν αρχικά ήταν κατειλημμένος) Το πρωτόκολλο Ethernet είναι ένα επίμονο πρωτόκολλο τύπου 1 (1-persistent) ένας κόμβος μεταδίδει με πιθανότητα 1 μόλις ελευθερωθεί ο σύνδεσμος Μειονέκτημα 1-persistent CSMA / Μεγάλη πιθανότητα σύγκρουσης: πολλοί κόμβοι μπορεί να συγχρονιστούν και να προσπαθήσουν να μεταδώσουν ταυτόχρονα Εναλλακτικές προσεγγίσεις: επίμονο πρωτόκολλο τύπου p (p-persistent) μη επίμονο πρωτόκολλο (non-persistent) ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 49 / 91

50 Δίκτυα Ethernet Μηχανισμός πρόσβασης με ακρόαση φέροντος CSMA (2/4) p-persistent CSMA: ένας κόμβος με ένα πλαίσιο προς μετάδοση μεταδίδει αμέσως το πλαίσιο αν ο σύνδεσμος είναι αδρανής αν ο σύνδεσμος δεν είναι αδρανής: μεταδίδει το πλαίσιο με πιθανότητα p < 1 μόλις ελευθερωθεί ο σύνδεσμος με πιθανότητα q = 1 p αναβάλλει την προσπάθεια του για χρόνο ίσο με 2t Max pr αν μετά το χρόνο αναμονής 2t Max pr, ο σύνδεσμος είναι: αδρανής: αποφασίζει για τη μετάδοση και πάλι με πιθανότητα p κατειλημμένος: περιμένει για χρόνο 2t Max pr και επαναλαμβάνει τον αλγόριθμο ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 50 / 91

51 Δίκτυα Ethernet Μηχανισμός πρόσβασης με ακρόαση φέροντος CSMA (3/4) non-persistent CSMA: ένας κόμβος με ένα πλαίσιο προς μετάδοση μεταδίδει αμέσως το πλαίσιο αν ο σύνδεσμος είναι αδρανής περιμένει για τυχαίο χρονικό διάστημα και ξαναπροσπαθεί αν ο σύνδεσμος είναι κατειλημμένος ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 51 / 91

52 Δίκτυα Ethernet Μηχανισμός πρόσβασης με ακρόαση φέροντος CSMA (4/4) persistent CSMA vs p-persistent και non-persistent CSMA o Ο 1-persistent αλγόριθμος, παρά την αυξημένη πιθανότητα συγκρούσεων, έχει αποδειχθεί ιδιαίτερα αποτελεσματικός όταν συνδυάζεται με την ανίχνευση συγκρούσεων o Οι p-persistent και non-persistent αλγόριθμοι μπορεί να οδηγήσουν σε περιόδους αδράνειας στο σύνδεσμο F ο σύνδεσμος δεν αξιοποιείται πλήρως F αυξάνεται η καθυστέρηση πρόσβασης στο μέσο και επομένως και η συνολική καθυστέρηση ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 52 / 91

53 Δίκτυα Ethernet Μηχανισμός πρόσβασης με ακρόαση φέροντος Συγκρούσεις στον CSMA Η πιθανότητα σύγκρουσης στον αλγόριθμο CSMA δεν είναι μηδενική Συγκρούσεις μπορούν να συμβούν όταν δύο κόμβοι μεταδίδουν ταυτόχρονα επειδή: ο σύνδεσμος έγινε αδρανής μετά από μια περίοδο δραστηριότητας η ακρόαση φέροντος απέτυχε Η ακρόαση φέροντος αποτυγχάνει αν δύο κόμβοι προσπαθήσουν να μεταδώσουν με χρονική διαφορά μικρότερη από την καθυστέρηση διάδοσης (t pr ) η μετάδοση ενός κόμβου γίνεται αντιληπτή μετά από χρόνο ίσο με tpr η ακρόαση φέροντος δεν μπορεί να εφαρμοστεί ή δεν είναι αποδοτική σε δίκτυα με μεγάλο μήκος ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 53 / 91

54 Δίκτυα Ethernet Μηχανισμός πρόσβασης με ακρόαση φέροντος Ανίχνευση συγκρούσεων (1/3) Κεντρική ιδέα: η ανίχνευση συγκρούσεων (collision detection) μπορεί να βοηθήσει στη βελτίωση της απόδοσης η μετάδοση ακυρώνεται αμέσως μόλις ανιχνευθεί η σύγκρουση και ο χρόνος δεν σπαταλιέται στη μετάδοση πλαισίων που συγκρούστηκαν η δραστηριότητα στο σύνδεσμο μειώνεται επιτρέποντας τη χρήση του από άλλους κόμβους επισπεύδεται η επανεκπομπή των πλαισίων που συγκρούστηκαν Έστω ένας κόμβος Β αντιλαμβάνεται ότι το πλαίσιο που μεταδίδει συγκρούεται: μεταδίδει μια ακολουθία εμπλοκής (jamming sequence) μήκους 32 bit για να ενημερώσει τον κόμβο που μεταδίδει το άλλο πλαίσιο (έστω κόμβος Α) σταματά τη μετάδοση του πλαισίου / Ένας κόμβος μπορεί να αντιληφθεί τη σύγκρουση ενός πλαισίου συνήθως με μηχανισμούς του φυσικού επιπέδου που σχετίζονται με την αξιολόγηση του επιπέδου λαμβανόμενης ισχύος ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 54 / 91

55 Δίκτυα Ethernet Μηχανισμός πρόσβασης με ακρόαση φέροντος Ανίχνευση συγκρούσεων (2/3) Ο κόμβος Α πρέπει να λάβει την ακολουθία εμπλοκής για να ανιχνεύσει τη σύγκρουση του πλαισίου του θα πρέπει ο Α να μεταδίδει ακόμα δεδομένα όταν η ακολουθία εμπλοκής φτάσει σε αυτόν: t fr 2t Max ο κόμβος Α μεταδίδει για χρόνο t fr (χρόνος μετάδοσης του πλαισίου) το σήμα της ακολουθίας εμπλοκής χρειάζεται, στη χειρότερη περίπτωση, χρόνο 2t pr από την έναρξη μετάδοσης του Α για να φτάσει σε αυτόν pr ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 55 / 91

56 Δίκτυα Ethernet Μηχανισμός πρόσβασης με ακρόαση φέροντος Ανίχνευση συγκρούσεων (3/3) Αν οι κόμβοι βρίσκονται πολύ κοντά τότε θα μεταδοθούν 92 bits (μικροσκοπικό πλαίσιο, runt frame) 64 bits του προοιμίου και 32 bits της ακολουθίας εμπλοκής Σε ένα δίκτυο 2500m με 4 επαναλήπτες και 10Mbps ισχύει: 2t Max pr = 512µsec l min fr = 64bytes = 512bits Ο χρόνος 2t Max pr αποτελεί τη μονάδα χρόνου για το Ethernet στην ορολογία του Ethernet ονομάζεται χρονοθυρίδα (timeslot) διάρκεια χρονοθυρίδας: t slot = 512µsec ή 512 bits αποτελεί τον μέγιστο χρόνο που χρειάζεται για να ανιχνευτεί οποιαδήποτε σύγκρουση ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 56 / 91

57 Δίκτυα Ethernet Μηχανισμός πρόσβασης με ακρόαση φέροντος Αλγόριθμος οπισθοχώρησης Στην περίπτωση σύγκρουσης ένας κόμβος σταματά τη μετάδοση, περιμένει τυχαίο χρονικό διάστημα και προσπαθεί ξάνα ο καθορισμός του τυχαίου χρονικού διαστήματος γίνεται με τον αλγόριθμο εκθετικής οπισθοχώρησης (exponential backoff) Εκθετική οπισθοχώρηση: ο χρόνος αναμονής καθορίζεται ως ακέραιο πολλαπλάσιο της διάρκειας μιας χρονοθυρίδας (t = kt slot ) ο αριθμός k επιλέγεται ομοιόμορφα από το διάστημα [0, 2 m 1] m = min{10, n} n: πλήθος των συγκρούσεων ο μετρητής n: αυξάνεται σε κάθε σύγκρουση μηδενίζεται αν το πλαίσιο μεταδοθεί επιτυχώς ή το πλαίσιο απορριφθεί Ένα πλαίσιο, που έχει υποστεί n = 16 συγκρούσεις, απορρίπτεται ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 57 / 91

58 Δίκτυα Ethernet Μηχανισμός πρόσβασης με ακρόαση φέροντος Απόδοση CSMA/CD (1/3) Ο χρόνος σε ένα δίκτυο Ethernet μπορεί να θεωρηθεί ότι αποτελείται από περιόδους: μετάδοσης (transmission) ανταγωνισμού (contention) Παράμετροι o Αριθμός τερματικών: N o Μέγιστη καθυστέρηση διάδοσης: t Max pr o Χρόνος μετάδοσης πλαισίου: t fr o Μήκος πλαισίου σε bits: l fr o Πιθανότητα ένας κόμβος να εκπέμψει σε μια χρονοθυρίδα: p ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 58 / 91

59 Δίκτυα Ethernet Μηχανισμός πρόσβασης με ακρόαση φέροντος Απόδοση CSMA/CD (2/3) H μέση ρυθμαπόδοση προσδιορίζεται από τη σχέση: R = l fr t contention +t transmission = l fr 2k t Max pr +t fr η περίοδος ανταγωνισμού αποτελείται, κατά μέσο όρο, από ένα πλήθος k χρονοθυρίδων η χρονοθυρίδα έχει διάρκεια 2 t Max pr Η ρυθμαπόδοση μεγιστοποιείται όταν οι συγκρούσεις ελαχιστοποιούνται λίγες συγκρούσεις μικρή περίοδος ανταγωνισμού ελαχιστοποίηση k Πιθανότητα ένας κόμβος να εκπέμψει με επιτυχία σε μια χρονοθυρίδα (p s ): p s = ( ) N p(1 p) N 1 μόνο ένα τερματικό πρέπει να προσπαθήσει να μεταδώσει 1 ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 59 / 91

60 Δίκτυα Ethernet Μηχανισμός πρόσβασης με ακρόαση φέροντος Απόδοση CSMA/CD (3/3) Η πιθανότητα μια περίοδος ανταγωνισμού να αποτελείται από k χρονοθυρίδες είναι: Το k δίνεται από τη σχέση: P cont (k) = p s (1 p s ) k 1 k = i=1 ip cont(i) = i=1 ip s(1 p s ) i 1 = 1 p s Επομένως, η μέση ρυθμαπόδοση δίνεται από τη σχέση: R k= 1 ps = l fr = pr +t fr 2 1 ps tmax 2t Max pr p s l fr +p s t fr Η πιθανότητα p s και η ρυθμαπόδοση μεγιστοποιούνται για p = 1/N: p max p= 1 N s = ( N 1 N )N 1 ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 60 / 91

61 Δίκτυα Ethernet Μηχανισμός πρόσβασης με ακρόαση φέροντος Κριτική CSMA/CD Μειονεκτήματα: χαμηλή απόδοση σε συνθήκες υψηλού φόρτου (πολλοί υπολογιστές ή πολλά πλαίσια) υψηλή καθυστέρηση πρόσβασης στο μέσο αλλά και χαμηλή ρυθμαπόδοση μη αποδοτικό για μετάδοση πολλών μικρών πλαισίων άνιση αντιμετώπιση κόμβων του δικτύου (capture effect) Πλεονεκτήματα: εξαιρετικά απλή υλοποίηση και διαχείριση του δικτύου μικρό κόστος δικτύωσης ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 61 / 91

62 Δίκτυα με κουπόνι Διάρθρωση 1 Δίκτυα άμεσου συνδέσμου και μηχανισμός πρόσβασης 2 Δίκτυα Aloha Aloha Slotted Aloha Reservation Aloha 3 Δίκτυα Ethernet Φυσικές ιδιότητες Πλαισίωση και διευθύνσεις Μηχανισμός πρόσβασης με ακρόαση φέροντος 4 Δίκτυα με κουπόνι Token Bus Token Ring FDDI ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 62 / 91

63 Δίκτυα με κουπόνι Εισαγωγή Τα πρωτόκολλα με ανταγωνισμό παρουσιάζουν μειωμένη απόδοση σε συνθήκες υψηλού φόρτου η ρυθμαπόδοση που επιτυγχάνει ένας υπολογιστής υπηρεσίας μειώνεται δραματικά η καθυστέρηση πρόσβασης στο μέσο αυξάνεται σημαντικά Εναλλακτική πρόταση: εκ περιτροπής (round robin) πρόσβαση των υπολογιστών στον κοινό σύνδεσμο Ο έλεγχος της πρόσβασης γίνεται με τη χρήση ενός πλαισίου ελέγχου (control frame) που ονομάζεται κουπόνι ή σκυτάλη (token) τα δίκτυα που χρησιμοποιούν την τεχνική αυτή ονομάζονται δίκτυα με κουπόνι (token networks) Τα δίκτυα με κουπόνι ανήκουν στην κατηγορία δικτύων χωρίς ανταγωνισμό ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 63 / 91

64 Δίκτυα με κουπόνι Βασικές αρχές λειτουργίας (1/2) Η διακίνηση του κουπονιού γίνεται μεταξύ των υπολογιστών υπηρεσίας με συγκεκριμένη κυκλική σειρά που καλείται λογικός δακτύλιος για έναν υπολογιστή υπηρεσίας, ο υπολογιστής που προηγείται στο λογικό δακτύλιο ονομάζεται προηγούμενος κόμβος (upstream node) αντίθετα, ο υπολογιστής που ακολουθεί ονομάζεται επόμενος κόμβος (downstream node) Κάθε υπολογιστής υπηρεσίας μπορεί να μεταδώσει δεδομένα (δηλαδή να λάβει το δικαίωμα εκπομπής) αφού πρώτα λάβει το κουπόνι στην περίπτωση αυτή ο υπολογιστής αφαιρεί (ή δεσμεύει) το κουπόνι, δηλαδή το κουπόνι σταματά να μεταδίδεται στο δίκτυο το κουπόνι δεσμεύεται μόνο αν υπάρχουν πλαίσια προς μετάδοση, διαφορετικά το κουπόνι προωθείται στον επόμενο κόμβο ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 64 / 91

65 Δίκτυα με κουπόνι Βασικές αρχές λειτουργίας (2/2) Κάθε υπολογιστής υπηρεσίας μπορεί να μεταδώσει δεδομένα (ή να δεσμεύσει το κουπόνι) για περιορισμένο χρονικό διάστημα Ο υπολογιστής υπηρεσίας επιστρέφει (ή αποδεσμεύει) το κουπόνι αφού ολοκληρώσει τη μετάδοση δεδομένων επιστροφή του κουπονιού σημαίνει ότι το κουπόνι μεταδίδεται ξανά στο δίκτυο Το κουπόνι διακινείται συνεχώς στο δίκτυο ακόμα και αν κανένας υπολογιστής υπηρεσίας δεν διαθέτει πλαίσια προς αποστολή ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 65 / 91

66 Δίκτυα με κουπόνι Αξιολόγηση Πλεονεκτήματα: καλή αξιοποίηση του καναλιού εξαιτίας της εξάλειψης των συγκρούσεων όλοι οι κόμβοι λαμβάνουν το δικαίωμα εκπομπής ανά τακτά χρονικά διαστήματα Μειονεκτήματα: μέρος του εύρους ζώνης του συνδέσμου καταναλώνεται για τη μετάδοση του κουπονιού η διατήρηση του λογικού δακτυλίου απαιτεί πολύπλοκες διαδικασίες όπως: πρόσθεση ενός υπολογιστή υπηρεσίας στο λογικό δακτύλιο αφαίρεση υπολογιστή υπηρεσίας από το λογικό δακτύλιο ανάκτηση του κουπονιού (token recovery) σε περιπτώσεις καταστροφής του κουπονιού ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 66 / 91

67 Δίκτυα με κουπόνι Είδη πρωτοκόλλων με κουπόνι Υπάρχουν διαφορετικά πρωτόκολλα πρόσβασης που χρησιμοποιούν την ιδέα του κουπονιού ανάλογα με: την τοπολογία του δικτύου τις ιδιότητες του φυσικού μέσου Σημαντικότερα πρότυπα: Token Bus (IEEE 8024) Token Ring (IEEE 8025) Fiber Distributed Data Interface (FDDI) ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 67 / 91

68 Δίκτυα με κουπόνι Token Bus Διάρθρωση 1 Δίκτυα άμεσου συνδέσμου και μηχανισμός πρόσβασης 2 Δίκτυα Aloha Aloha Slotted Aloha Reservation Aloha 3 Δίκτυα Ethernet Φυσικές ιδιότητες Πλαισίωση και διευθύνσεις Μηχανισμός πρόσβασης με ακρόαση φέροντος 4 Δίκτυα με κουπόνι Token Bus Token Ring FDDI ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 68 / 91

69 Δίκτυα με κουπόνι Token Bus Αλγόριθμος πρόσβασης (1/2) Οι υπολογιστές υπηρεσίας είναι συνδεδεμένοι σε τοπολογία αρτηρίας (bus topology) Ο λογικός δακτύλιος καθορίζεται από τις διευθύνσεις των υπολογιστών υπηρεσίας του δικτύου οι υπολογιστές υπηρεσίας διατάσσονται στο λογικό δακτύλιο με βάση τη διεύθυνσή τους και σε αύξουσα σειρά κάθε υπολογιστής υπηρεσίας γνωρίζει τον προηγούμενο και τον επόμενο στον λογικό δακτύλιο / Τα δίκτυα Token Bus προδιαγράφονται στο πρότυπο IEEE 8024 ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 69 / 91

70 Δίκτυα με κουπόνι Token Bus Αλγόριθμος πρόσβασης (2/2) Example Ένας υπολογιστής υπηρεσίας που λαμβάνει το κουπόνι μπορεί να μεταδώσει δεδομένα για περιορισμένο χρόνο μετά την ολοκλήρωση της μετάδοσης των δεδομένων, μεταδίδει το κουπόνι προς τον επόμενο (στο λογικό δακτύλιο) υπολογιστή υπηρεσίας ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 70 / 91

71 Δίκτυα με κουπόνι Token Ring Διάρθρωση 1 Δίκτυα άμεσου συνδέσμου και μηχανισμός πρόσβασης 2 Δίκτυα Aloha Aloha Slotted Aloha Reservation Aloha 3 Δίκτυα Ethernet Φυσικές ιδιότητες Πλαισίωση και διευθύνσεις Μηχανισμός πρόσβασης με ακρόαση φέροντος 4 Δίκτυα με κουπόνι Token Bus Token Ring FDDI ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 71 / 91

72 Δίκτυα με κουπόνι Token Ring Εισαγωγή Το Token Ring αποτέλεσε σημαντικό πρότυπο για την υλοποίηση τοπικών δικτύων χωρίς ανταγωνισμό το πρότυπο προτάθηκε στις αρχές της δεκαετίας του 1980 από την IBM (IBM Token Ring) H IEEE έχει εκδώσει το πρότυπο ΙΕΕΕ 8025 για δίκτυα δακτυλίου με κουπόνι το πρότυπο είναι σχεδόν πανομοιότυπο με αυτό της IBM Το πρότυπο Token Ring δεν χρησιμοποιείται πλέον ευρέως για την κατασκευή δικτύων με δακτύλιο υπάρχουν νέα και αποδοτικότερα πρότυπα πχ, το πρότυπο Resilient Packet Ring (RPR) ή IEEE ωστόσο, η βασική ιδέα της περιοδικής πρόσβασης των κόμβων εξακολουθεί να χρησιμοποιείται σε πολλά πρότυπα ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 72 / 91

73 Δίκτυα με κουπόνι Token Ring Διασύνδεση και διάδοση σήματος (1/2) Οι υπολογιστές υπηρεσίας είναι συνδεδεμένοι σε τοπολογία δακτυλίου ένας κοινόχρηστος σύνδεσμος υλοποιεί το δακτύλιο, ενώ οι υπολογιστές συνδέονται πάνω στο δακτύλιο Η διάδοση του σήματος γίνεται πάντα προς μια κατεύθυνση όλοι οι υπολογιστές λαμβάνουν τα σήματα που μεταδίδονται στον κοινόχρηστο σύνδεσμο τα δεδομένα κωδικοποιούνται με διαφορική κωδικοποίηση Manchester (differential Manchester) Ο λογικός δακτύλιος καθορίζεται από τη σειρά σύνδεσης των τερματικών πάνω στο σύνδεσμο οι υπολογιστές μπορούν να δεσμεύσουν το κουπόνι αμέσως μόλις το εντοπίσουν ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 73 / 91

74 Δίκτυα με κουπόνι Token Ring Διασύνδεση και διάδοση σήματος (2/2) Ένας υπολογιστής συνδέεται στο σύνδεσμο με τη χρήση ενός ηλεκτρομηχανικού ηλεκτρονόμου (relay) η συνδεσμολογία επιτρέπει τη λειτουργία του δακτυλίου σε περίπτωση βλάβης ενός υπολογιστή η χρήση ηλεκτρονόμου δεν είναι εφικτή σε οπτικές ίνες Μονάδα πρόσβασης πολυσταθμού (multi-station access unit, MSAU) επιτρέπει τη σύνδεση περισσότερων υπολογιστών στο ίδιο σημείο του συνδέσμου σε περιπτώσεις βλάβης η επικοινωνία αποκαθίσταται και πάλι με τη χρήση relays η MSAU διευκολύνει τη σύνδεση και αποσύνδεση νέων υπολογιστών χωρίς τη μεταβολή του μήκους του συνδέσμου ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 74 / 91

75 Δίκτυα με κουπόνι Token Ring Μηχανισμός πρόσβασης (1/2) Ένας υπολογιστής υπηρεσίας που λαμβάνει το κουπόνι μπορεί να το δεσμεύσει και να μεταδώσει πλαίσια δεδομένων κάθε πλαίσιο περιέχει τη διεύθυνση του υπολογιστή που πρέπει να το παραλάβει (διεύθυνση παραλήπτη) είναι δυνατή η χρήση διευθύνσεων πολυεκπομπής (multicast) ή ευρείας εκπομπής (broadcast) Η μετάδοση πλαισίων δεδομένων γίνεται για περιορισμένο χρόνο που ονομάζεται χρόνος κατοχής κουπονιού (Token Holding Time, THT) συνολικά μπορούν να μεταδοθούν k = T HT t fr πλαίσια, t fr : ο χρόνος μετάδοσης ενός πλαισίου / Οι διευθύνσεις που χρησιμοποιούνται είναι της ίδιας μορφής όπως και στα δίκτυα ΙΕΕΕ 8023 (έχουν μέγεθος 48 bit) ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 75 / 91

76 Δίκτυα με κουπόνι Token Ring Μηχανισμός πρόσβασης (2/2) Κάθε υπολογιστής, καθώς λαμβάνει όλα τα πλαίσια που μεταδίδονται στο δακτύλιο: αντιγράφει κάθε πλαίσιο για το οποίο είναι παραλήπτης αλλά δεν το αποσύρει από το δακτύλιο δεν επεμβαίνει στα πλαίσια για τα οποία δεν είναι παραλήπτης Ο αποστολέας ενός πλαισίου είναι υπεύθυνος για να αποσύρει το πλαίσιο από το δακτύλιο όταν αυτό επιστρέψει μετά την περιστροφή στον δακτύλιο Example ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 76 / 91

77 Δίκτυα με κουπόνι Token Ring Πρώιμη vs καθυστερημένη απελευθέρωση Υπάρχουν δύο επιλογές για την επιστροφή του κουπονιού στο δακτύλιο από έναν υπολογιστή υπηρεσίας Καθυστερημένη απελευθέρωση (delayed release) ή Release After Receipt, RAR ο κόμβος επαναφέρει το κουπόνι αμέσως μετά τη λήψη του(ων) πλαισίου(ων) δεδομένων που μετέδωσε η τεχνική επιτρέπει την μετάδοση των πλαισίων με την ορθή σειρά Πρώιμη απελευθέρωση (early release) ή Release After Transmit, RAT ο κόμβος επαναφέρει το κουπόνι αμέσως μετά τη μετάδοση του(ων) πλαισίου(ων) δεδομένων η τεχνική αυξάνει τη ρυθμαπόδοση στο δίκτυο / Στο IEEE 8025 ως προεπιλογή χρησιμοποιείται η καθυστερημένη απελευθέρωση ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 77 / 91

78 Δίκτυα με κουπόνι Token Ring Αξιόπιστη μετάδοση δεδομένων Το πρωτόκολλο μπορεί να υποστηρίξει την αξιόπιστη μετάδοση δεδομένων Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιούνται δύο bit (A και C bits) στο επίμετρο ενός πλαισίου αρχικά και τα δύο bit έχουν την τιμή 0 Ο υπολογιστής παραλήπτης θέτει το bit Α στην τιμή 1 αν ανιχνεύσει το πλαίσιο και το bit C στην τιμή 1 αν καταφέρει να αντιγράψει το πλαίσιο Ο αποστολέας μπορεί ανάλογα με τις τιμές των bit Α και C να: καταλάβει ότι ο παραλήπτης δεν είναι ενεργός (Α=0) επαναλάβει τη μετάδοση του πλαισίου καθώς ο παραλήπτης δεν μπόρεσε να το αντιγράψει (Α=1,C=0) ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 78 / 91

79 Δίκτυα με κουπόνι Token Ring Απόδοση (1/2) Παράμετροι o t fr : χρόνος μετάδοσης ενός πλαισίου o l fr : μέγεθος ενός πλαισίου σε bit o t token : χρόνος μετάδοσης του κουπονιού o t pr ring : χρόνος διάδοσης στο δακτύλιο o N: πλήθος κόμβων στο δακτύλιο o k: πλήθος πλαισίου που μπορούν να μεταδοθούν σε χρόνο THT, k = T HT t fr R RAT = Μέγιστη ρυθμαπόδοση: N k l fr N (k t fr +t token )+t pr ring R RAR = N k l fr N (k t fr +t token +t pr ring )+tpr ring Μέγιστη καθυστέρηση μεταξύ διαδοχικών λήψεων του κουπονιού: d max d max RAT = N(kt fr + t token ) + t pr ring RAR = N(kt fr + t token + t pr ring ) + tpr ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 79 / 91 ring

80 Δίκτυα με κουπόνι Token Ring Απόδοση (2/2) Η πρώιμη απελευθέρωση είναι πιο αποδοτική από την καθυστερημένη απελευθέρωση: R RAT > R RAR Η ρυθμαπόδοση αυξάνεται για μεγάλο THT (k t fr t pr k t fr t pr ring R RAT R RAR N k l fr N (k t fr +t token ) ring ) ωστόσο, η καθυστέρηση για τη λήψη του δικαιώματος εκπομπής αυξάνεται Αντίθετα, η ρυθμαπόδοση μειώνεται όταν η καθυστέρηση διάδοσης δεν μπορεί να θεωρηθεί αμελητέα: όταν κάθε κόμβος δεν μπορεί να μεταδώσει πολλά πλαίσια κάθε φορά που λαμβάνει το κουπόνι όταν ο δακτύλιος είναι μεγάλος όταν το εύρος ζώνης του συνδέσμου είναι μεγάλο ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 80 / 91

81 Δίκτυα με κουπόνι Token Ring Μετάδοση με προτεραιότητες (1/2) Το πρότυπο IEEE 8025 υποστηρίζει τη μετάδοση δεδομένων με τη χρήση 8 επιπέδων προτεραιότητας στόχος: η γρήγορη μετάδοση δεδομένων υψηλής προτεραιότητας, πχ δεδομένα από εφαρμογές πραγματικού χρόνου Για το σκοπό αυτό το κουπόνι χαρακτηρίζεται από μια τρέχουσα προτεραιότητα (P token ) η τρέχουσα προτεραιότητα περιέχεται σε ένα πεδίο (P ) μεγέθους 3 bit στη κεφαλίδα του κουπονιού Σε κάθε πλαίσιο αποδίδεται επίσης μια προτεραιότητα (P frame ) η προτεραιότητα καταγράφεται επίσης στο πεδίο P που υπάρχει στην κεφαλίδα του πλαισίου Κάθε υπολογιστής μπορεί να δεσμεύσει το κουπόνι μόνο αν P frame P token ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 81 / 91

82 Δίκτυα με κουπόνι Token Ring Μετάδοση με προτεραιότητες (2/2) Επίσης, ένα κουπόνι ή ένα πλαίσιο δεδομένων περιέχει ένα πεδίο 3 bit (R) στο πεδίο καταγράφεται το αίτημα για μετάδοση με τη μεγαλύτερη προτεραιότητα που όμως είναι μικρότερη από αυτή του κουπονιού Ένας κόμβος u που θέλει να μεταδώσει ένα πλαίσιο με προτεραιότητα P u : μπορεί να θέσει σε ένα διερχόμενο πλαίσιο ή σε ένα κουπόνι που δεν μπορεί να δεσμεύσει R = P u αν P u > R στην περίπτωση αυτή αποθηκεύει την προηγούμενη τιμή R u prev Ο κόμβος v που επαναφέρει το κουπόνι στο δίκτυο θέτει P token = max{r, Rprev} v με στόχο: να εξασφαλίσει ότι το κουπόνι θα δεσμευτεί από τον κόμβο με τη μεγαλύτερη προτεραιότητα η τιμή του πεδίου P token να μην είναι μεγαλύτερη από τη μεγαλύτερη προτεραιότητα των αιτημάτων μετάδοσης στο δίκτυο ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 82 / 91

83 Δίκτυα με κουπόνι Token Ring Συντήρηση δακτυλίου (1/2) Για τη συνεπή λειτουργία του δικτύου είναι απαραίτητο ένας από τους κόμβος να λειτουργεί ως ελεγκτής (monitor) Η εκλογή του ελεγκτή γίνεται με κατανεμημένο τρόπο κάθε ελεγκτής μεταδίδει περιοδικά ένα ειδικό μήνυμα ελέγχου που πιστοποιεί την ύπαρξή του κάθε κόμβος που δεν θα λάβει για αρκετό χρονικό διάστημα το μήνυμα ελέγχου μπορεί να ζητήσει να γίνει ο νέος ελεγκτής με την αποστολή ενός πλαισίου που ονομάζεται αίτημα κουπονιού αν ο κόμβος λάβει το αίτημα κουπονιού που απέστειλε τότε μπορεί να γίνει ο νέος ελεγκτής αν λάβει ένα αίτημα κουπονιού από άλλο κόμβο τότε νέος ελεγκτής γίνεται ο κόμβος με τη μεγαλύτερη διεύθυνση ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 83 / 91

84 Δίκτυα με κουπόνι Token Ring Συντήρηση δακτυλίου (2/2) Οι περιπτώσεις δυσλειτουργίας που αντιμετωπίζει ένας ελεγκτής είναι: απώλεια κουπονιού: αλλοίωση του κουπονιού από σφάλματα ή καταστροφή του κόμβου που το είχε δεσμεύσει δημιουργία ορφανών πλαισίων: πλαίσια τα οποία δεν αποσύρθηκαν από το δακτύλιο γιατί κατέρρευσε ο κόμβος που τα μετέδωσε Απώλεια κουπονιού: αν ο ελεγκτής δεν εντοπίσει το κουπόνι για χρόνο d max RAR επαναφέρει το κουπόνι στο δίκτυο (ή dmax RAT ), Ορφανά πλαίσια: κάθε πλαίσιο περιέχει ένα bit (M) στην κεφαλίδα του, το οποίο αρχικά έχει τιμή 0 την πρώτη φορά που το πλαίσιο περνά από τον ελεγκτή, το πεδίο M λαμβάνει την τιμή 1 αν ο ελεγκτής εντοπίσει ένα πλαίσιο με M = 1 τότε αποσύρει το πλαίσιο από το δακτύλιο ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 84 / 91

85 Δίκτυα με κουπόνι Token Ring Πλαισίωση (1/2) Κάθε πλαίσιο αποτελείται από: τους οριοθέτες αρχής (Start Delimiter, SD) και τέλους (End Delimiter, ED), 1 byte έκαστος: δηλώνουν την έναρξη και τη λήξη του πλαισίου και περιλαμβάνουν χαρακτήρες που δεν χρησιμοποιούνται από την κωδικοποίηση του φυσικού επιπέδου το πεδίο ελέγχου πρόσβασης (Access Control, AC), 1 byte: περιέχει τα bit προτεραιότητας P και R, το bit M καθώς και ένα bit (T ) που έχει την τιμή 1 σε ένα κουπόνι και την τιμή 0 σε ένα πλαίσιο δεδομένων το πεδίο ελέγχου πλαισίου (Frame Control, FC), 1 byte: χρησιμοποιείται ως κλειδί αποπολύπλεξης αλλά και για να δηλώσει αν το παρόν πλαίσιο μεταφέρει δεδομένα ή είναι πλαίσιο ελέγχου (control frame) ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 85 / 91

86 Δίκτυα με κουπόνι Token Ring Πλαισίωση (2/2) Κάθε πλαίσιο αποτελείται από: δύο πεδία διευθύνσεων, 6 bytes: χρησιμοποιούνται για την αποθήκευση της διεύθυνσης του παραλήπτη και του αποστολέα το ωφέλιμο φορτίο (payload ή body), μεταβλητού μεγέθους: περιέχει τα δεδομένα το πεδίο Checksum, 4 bytes: χρησιμοποιείται για την ανίχνευση σφαλμάτων το πεδίο κατάστασης ελέγχου (Frame Status, FS), 1 byte: περιέχει τα bit A και C που χρησιμοποιούνται για την αξιόπιστη μετάδοση των πλαισίων ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 86 / 91

87 Δίκτυα με κουπόνι FDDI Διάρθρωση 1 Δίκτυα άμεσου συνδέσμου και μηχανισμός πρόσβασης 2 Δίκτυα Aloha Aloha Slotted Aloha Reservation Aloha 3 Δίκτυα Ethernet Φυσικές ιδιότητες Πλαισίωση και διευθύνσεις Μηχανισμός πρόσβασης με ακρόαση φέροντος 4 Δίκτυα με κουπόνι Token Bus Token Ring FDDI ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 87 / 91

88 Δίκτυα με κουπόνι FDDI Εισαγωγή Το πρότυπο FDDI προδιαγράφει τη λειτουργία δακτυλίων με κουπόνι με τη χρήση οπτικών ινών έχει κοινά στοιχεία αλλά και σημαντικές διαφορές με το πρότυπο IEEE 8025 Το εύρος ζώνης του δικτύου είναι 100 Mbps Τα τερματικά συνδέονται σε δύο δακτύλιους το σήμα μεταδίδεται σε διαφορετικές κατευθύνσεις στους δύο δακτύλιους σε κανονική λειτουργία μόνο ο ένας δακτύλιος χρησιμοποιείται σε περίπτωση κατάρρευσης ενός κόμβου οι δύο δακτύλιοι σχηματίζουν ένα νέο ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 88 / 91