Περιεχόμενα. 1 Εισαγωγή 23. Πρόλογος 19

Transcript

1

2

3 Περιεχόμενα Πρόλογος 19 1 Εισαγωγή ΧΡΗΣΕΙΣ ΤΩΝ ΔΙΚΤΥΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ Επιχειρηματικές εφαρμογές Οικιακές εφαρμογές Μετακινούμενοι χρήστες Κοινωνικά ζητήματα ΥΛΙΚΟ ΔΙΚΤΥΩΝ Τοπικά δίκτυα Μητροπολιτικά δίκτυα Δίκτυα ευρείας περιοχής Ασύρματα δίκτυα Οικιακά δίκτυα Διαδίκτυα ΛΟΓΙΣΜΙΚΟ ΔΙΚΤΥΩΝ Ιεραρχίες πρωτοκόλλων Ζητήματα σχεδίασης των επιπέδων 57

4 8 Περιεχόμενα Συνδεσμοστρεφείς και ασυνδεσμικές υπηρεσίες Θεμελιώδεις λειτουργίες υπηρεσιών Η σχέση των υπηρεσιών με τα πρωτόκολλα ΜΟΝΤΕΛΑ ΑΝΑΦΟΡΑΣ Το μοντέλο αναφοράς OSI Το μοντέλο αναφοράς TCP/IP Σύγκριση των μοντέλων αναφοράς OSI και TCP/IP Κριτική του μοντέλου και των πρωτοκόλλων OSI Κριτική του μοντέλου αναφοράς TCP/IP ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ ΔΙΚΤΥΩΝ Το Internet Συνδεσμοστρεφή δίκτυα: X.25, Frame Relay, και ATM Ethernet Ασύρματα LA : ΤΥΠΟΠΟΙΗΣΗ ΔΙΚΤΥΩΝ Ποιος είναι ποιος στον κόσμο των τηλεπικοινωνιών Ποιος είναι ποιος στον κόσμο των διεθνών προτύπων Ποιος είναι ποιος στον κόσμο των προτύπων του Internet ΜΕΤΡΙΚΕΣ ΜΟΝΑΔΕΣ ΔΙΑΡΘΡΩΣΗ ΤΟΥ ΥΠΟΛΟΙΠΟΥ ΒΙΒΛΙΟΥ ΣΥΝΟΨΗ Το φυσικό επίπεδο Η ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΒΑΣΗ ΤΗΣ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ Ανάλυση Φουριέ Σήματα που περιορίζονται από το εύρος ζώνης Ο μέγιστος ρυθμός μεταφοράς δεδομένων ενός καναλιού ΚΑΤΕΥΘΥΝΟΜΕΝΑ ΜΕΣΑ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ Μαγνητικά μέσα Σύστροφο ζεύγος Ομοαξονικό καλώδιο Οπτικές ίνες 126

5 Περιεχόμενα ΑΣΥΡΜΑΤΗ ΜΕΤΑΔΟΣΗ Το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα Μετάδοση με ραδιοκύματα Μετάδοση με μικροκύματα Υπέρυθρα και χιλιοστομετρικά κύματα Μετάδοση με οπτικά κύματα ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΚΟΙ ΔΟΡΥΦΟΡΟΙ Γεωστατικοί δορυφόροι Δορυφόροι μέσης γήινης τροχιάς Δορυφόροι χαμηλής γήινης τροχιάς Δορυφόροι εναντίον οπτικών ινών ΔΗΜΟΣΙΟ ΔΙΚΤΥΟ ΜΕΤΑΓΩΓΗΣ ΤΗΛΕΦΩΝΙΑΣ Δομή του τηλεφωνικού συστήματος Η πολιτική της τηλεφωνίας Ο τοπικός βρόχος: μόντεμ, ADSL και ασύρματες επικοινωνίες Ζεύξεις και πολύπλεξη Μεταγωγή ΣΥΣΤΗΜΑ ΚΙΝΗΤΗΣ ΤΗΛΕΦΩΝΙΑΣ Κινητή τηλεφωνία πρώτης γενιάς: αναλογική φωνή Κινητή τηλεφωνία δεύτερης γενιάς: ψηφιακή φωνή Κινητή τηλεφωνία τρίτης γενιάς: ψηφιακή φωνή και δεδομένα ΚΑΛΩΔΙΑΚΗ ΤΗΛΕΟΡΑΣΗ Τηλεόραση κοινοτικής κεραίας Internet μέσω καλωδιακής Κατανομή του φάσματος Καλωδιακά μόντεμ ADSL εναντίον καλωδιακής ΣΥΝΟΨΗ Το επίπεδο συνδέσμου μετάδοσης δεδομένων ΖΗΤΗΜΑΤΑ ΣΧΕΔΙΑΣΗΣ ΤΟΥ ΕΠΙΠΕΔΟΥ ΣΥΝΔΕΣΜΟΥ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ Παρεχόμενες υπηρεσίες προς το επίπεδο δικτύου 227

6 10 Περιεχόμενα Πλαισίωση Έλεγχος σφαλμάτων Έλεγχος ροής ΑΝΙΧΝΕΥΣΗ ΚΑΙ ΔΙΟΡΘΩΣΗ ΣΦΑΛΜΑΤΩΝ Κωδικοί διόρθωσης σφαλμάτων Κωδικοί ανίχνευσης σφαλμάτων ΒΑΣΙΚΑ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΑ ΣΥΝΔΕΣΜΟΥ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ Ένα μονόδρομο πρωτόκολλο χωρίς περιορισμούς Ένα μονόδρομο πρωτόκολλο παύσης και αναμονής Ένα μονόδρομο πρωτόκολλο για θορυβώδη κανάλια ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΑ ΚΥΛΙΟΜΕΝΟΥ ΠΑΡΑΘΥΡΟΥ Ένα πρωτόκολλο κυλιόμενου παραθύρου του ενός bit Ένα πρωτόκολλο με οπισθοχώρηση κατά Ένα πρωτόκολλο με επιλεκτική επανάληψη ΕΠΑΛΗΘΕΥΣΗ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΩΝ Μοντέλα μηχανών πεπερασμένης κατάστασης Μοντέλα δικτύων Petri ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΩΝ ΣΥΝΔΕΣΜΟΥ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ HDLC Έλεγχος συνδέσμου μετάδοσης δεδομένων υψηλού επιπέδου Το επίπεδο συνδέσμου μετάδοσης δεδομένων στο Internet ΣΥΝΟΨΗ Το υποεπίπεδο ελέγχου προσπέλασης μέσων ΤΟ ΠΡΟΒΛΗΜΑ ΤΗΣ ΚΑΤΑΝΟΜΗΣ ΤΟΥ ΚΑΝΑΛΙΟΥ Στατική εκχώρηση καναλιού σε LA και MA Δυναμική εκχώρηση καναλιού σε LA και MA ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΑ ΠΟΛΛΑΠΛΗΣ ΠΡΟΣΒΑΣΗΣ ALOHA Πρωτόκολλα πολλαπλής πρόσβασης με ανίχνευση φέροντος σήματος 306

7 Περιεχόμενα Πρωτόκολλα χωρίς συγκρούσεις Πρωτόκολλα περιορισμένου ανταγωνισμού Πρωτόκολλα πολλαπλής πρόσβασης με διαίρεση μήκους κύματος Πρωτόκολλα ασύρματων LA ETHERNET Καλωδίωση Ethernet Κωδικοποίηση Μάντσεστερ Το πρωτόκολλο υποεπιπέδου MAC του Ethernet Ο αλγόριθμος δυαδικής εκθετικής οπισθοχώρησης Απόδοση του Ethernet Ethernet μεταγωγής Γρήγορο Ethernet Gigabit Ethernet IEEE 802.2: Έλεγχος λογικού συνδέσμου Ανασκόπηση του Ethernet ΑΣΥΡΜΑΤΑ LAN Η στοίβα πρωτοκόλλων του Το φυσικό επίπεδο του Το πρωτόκολλο υποεπιπέδου MAC του Δομή πλαισίων του Υπηρεσίες ΕΥΡΥΖΩΝΙΚΑ ΑΣΥΡΜΑΤΑ ΔΙΚΤΥΑ Σύγκριση του με το Η στοίβα πρωτοκόλλων του Το φυσικό επίπεδο του Το πρωτόκολλο υποεπιπέδου MAC του Η δομή πλαισίων του BLUETOOTH Αρχιτεκτονική του Bluetooth Εφαρμογές του Bluetooth Η στοίβα πρωτοκόλλων του Bluetooth Το επίπεδο ραδιοκυμάτων του Bluetooth Το επίπεδο βασικής ζώνης του Bluetooth Το επίπεδο L2CAP του Bluetooth Η δομή πλαισίων του Bluetooth 373

8 12 Περιεχόμενα 4.7 ΜΕΤΑΓΩΓΗ ΕΠΙΠΕΔΟΥ ΣΥΝΔΕΣΜΟΥ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ Γέφυρες από το 802.x στο 802.y Τοπική διαδικτύωση Γέφυρες δένδρου-σκελετού Απομακρυσμένες γέφυρες Επαναλήπτες, ομφαλοί, γέφυρες, μεταγωγείς, δρομολογητές, και πύλες Εικονικά LA ΣΥΝΟΨΗ Το επίπεδο δικτύου ΖΗΤΗΜΑΤΑ ΣΧΕΔΙΑΣΗΣ ΤΟΥ ΕΠΙΠΕΔΟΥ ΔΙΚΤΥΟΥ Μεταγωγή πακέτων με αποθήκευση και προώθηση Παρεχόμενες υπηρεσίες προς το επίπεδο μεταφοράς Υλοποίηση της ασυνδεσμικής υπηρεσίας Υλοποίηση της συνδεσμοστρεφούς υπηρεσίας Σύγκριση υποδικτύων εικονικών κυκλωμάτων και αυτοδύναμων πακέτων ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΙ ΔΡΟΜΟΛΟΓΗΣΗΣ Η αρχή της βέλτιστης κατάστασης Δρομολόγηση συντομότερης διαδρομής Δρομολόγηση με πλημμύρα Δρομολόγηση με διανύσματα απόστασης Δρομολόγηση με κατάσταση συνδέσμων Ιεραρχική δρομολόγηση Δρομολόγηση με εκπομπή Δρομολόγηση πολυδιανομής Δρομολόγηση για κινητούς υπολογιστές υπηρεσίας Δρομολόγηση σε δίκτυα ειδικού σκοπού Αναζήτηση κόμβων σε ομότιμα δίκτυα ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΙ ΕΛΕΓΧΟΥ ΣΥΜΦΟΡΗΣΗΣ Γενικές αρχές του ελέγχου συμφόρησης Πολιτικές πρόληψης της συμφόρησης Έλεγχος συμφόρησης σε υποδίκτυα εικονικών κυκλωμάτων Έλεγχος συμφόρησης σε υποδίκτυα αυτοδύναμων πακέτων 457

9 Περιεχόμενα Αποβολή φορτίου Έλεγχος παραμόρφωσης χρονισμού ΠΟΙΟΤΗΤΑ ΥΠΗΡΕΣΙΩΝ Απαιτήσεις Τεχνικές επίτευξης καλής ποιότητας υπηρεσιών Ολοκληρωμένες υπηρεσίες Διαφοροποιημένες υπηρεσίες Μεταγωγή ετικετών και MPLS ΔΙΑΔΙΚΤΥΩΣΗ Πώς διαφέρουν τα δίκτυα Πώς μπορούν να συνδεθούν τα δίκτυα Συνενωμένα εικονικά κυκλώματα Ασυνδεσμική διαδικτύωση Διοχέτευση σε σήραγγα Δρομολόγηση στα διαδίκτυα Κατακερματισμός ΤΟ ΕΠΙΠΕΔΟ ΔΙΚΤΥΟΥ ΣΤΟ INTERNET Το πρωτόκολλο IP Διευθύνσεις IP Πρωτόκολλα ελέγχου του Internet OSPF Το εσωτερικό πρωτόκολλο δρομολόγησης πύλης δικτύου BGP Το εξωτερικό πρωτόκολλο δρομολόγησης πύλης δικτύου Πολυδιανομή στο Internet Φορητό IP IPv ΣΥΝΟΨΗ Το επίπεδο μεταφοράς Η ΥΠΗΡΕΣΙΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ Παρεχόμενες υπηρεσίες προς τα υψηλότερα επίπεδα Θεμελιώδεις λειτουργίες υπηρεσίας μεταφοράς Υποδοχές Berkeley 565

10 14 Περιεχόμενα Ένα παράδειγμα προγραμματισμού υποδοχών: ένας διακομιστής αρχείων του Internet ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ Διευθυνσιοδότηση Εγκαθίδρυση συνδέσεων Αποδέσμευση συνδέσεων Έλεγχος ροής και προσωρινή αποθήκευση Πολύπλεξη Ανάκαμψη από κατάρρευση ΈΝΑ ΑΠΛΟ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΟ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ Οι θεμελιώδεις λειτουργίες υπηρεσίας του παραδείγματος Η οντότητα μεταφοράς του παραδείγματος Το παράδειγμα ως μηχανή πεπερασμένης κατάστασης ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΤΟΥ INTERNET: UDP Εισαγωγή στο UDP Κλήση απομακρυσμένων διαδικασιών Το πρωτόκολλο μεταφοράς δεδομένων πραγματικού χρόνου ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΤΟΥ INTERNET: TCP Εισαγωγή στο TCP Το μοντέλο υπηρεσίας του TCP Το πρωτόκολλο TCP Η κεφαλίδα τμήματος του TCP Εγκαθίδρυση συνδέσεων στο TCP Αποδέσμευση συνδέσεων στο TCP Μοντελοποίηση διαχείρισης συνδέσεων του TCP Πολιτική μετάδοσης στο TCP Έλεγχος συμφόρησης στο TCP Διαχείριση χρονομέτρων στο TCP Ασύρματο TCP και UDP TCP συναλλαγών ΖΗΤΗΜΑΤΑ ΑΠΟΔΟΣΗΣ Προβλήματα απόδοσης σε δίκτυα υπολογιστών Μέτρηση της απόδοσης του δικτύου 646

11 Περιεχόμενα Σχεδίαση συστήματος για καλύτερη απόδοση Γρήγορη επεξεργασία των TPDU Πρωτόκολλα για δίκτυα gigabit ΣΥΝΟΨΗ Το επίπεδο εφαρμογών DNS ΤΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΟΝΟΜΑΤΩΝ ΠΕΡΙΟΧΩΝ Ο χώρος ονομάτων του D S Εγγραφές πόρων Διακομιστές ονομάτων ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΟ ΤΑΧΥΔΡΟΜΕΙΟ Αρχιτεκτονική και υπηρεσίες Ο πράκτορας χρήστη Μορφές μηνυμάτων Μεταφορά μηνυμάτων Τελική παράδοση Ο ΠΑΓΚΟΣΜΙΟΣ ΙΣΤΟΣ Επισκόπηση αρχιτεκτονικής Στατικά έγγραφα Ιστού Δυναμικά έγγραφα Ιστού HTTP Το πρωτόκολλο μεταφοράς υπερ-κειμένου Βελτιώσεις απόδοσης Ο ασύρματος Ιστός ΠΟΛΥΜΕΣΑ Εισαγωγή στον ψηφιακό ήχο Συμπίεση ήχου Συνεχής ροή ήχου Ραδιόφωνο μέσω Internet Φωνή μέσω IP Εισαγωγή στο βίντεο Συμπίεση βίντεο Βίντεο κατόπιν αιτήσεως Το MBO E Το δίκτυο σπονδυλικής στήλης πολυδιανομής ΣΥΝΟΨΗ 819

12 16 Περιεχόμενα 8 Ασφάλεια δικτύων ΚΡΥΠΤΟΓΡΑΦΙΑ Εισαγωγή στην κρυπτογραφία Κρυπτογραφίες αντικατάστασης Κρυπτογραφίες μετάθεσης Πινακίδες μίας χρήσης Δύο θεμελιώδεις κρυπτογραφικές αρχές ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΙ ΣΥΜΜΕΤΡΙΚΟΥ ΚΛΕΙΔΙΟΥ DES Το πρότυπο κρυπτογράφησης δεδομένων AES Το προηγμένο πρότυπο κρυπτογράφησης Καταστάσεις λειτουργίας κρυπτογραφίας Άλλες κρυπτογραφίες Κρυπτανάλυση ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΙ ΔΗΜΟΣΙΟΥ ΚΛΕΙΔΙΟΥ RSA Άλλοι αλγόριθμου δημόσιου κλειδιού ΨΗΦΙΑΚΕΣ ΥΠΟΓΡΑΦΕΣ Υπογραφές συμμετρικού κλειδιού Υπογραφές δημόσιου κλειδιού Συνόψεις μηνυμάτων Η επίθεση των γενεθλίων ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΔΗΜΟΣΙΩΝ ΚΛΕΙΔΙΩΝ Πιστοποιητικά X Υποδομές δημόσιων κλειδιών ΑΣΦΑΛΕΙΑ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ IPsec Αντιπυρικές ζώνες Εικονικά ιδιωτικά δίκτυα Ασύρματη ασφάλεια 893

13 Περιεχόμενα ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΑ ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗΣ ΤΑΥΤΟΤΗΤΑΣ Πιστοποίηση ταυτότητας βασισμένη σε κοινόχρηστο μυστικό κλειδί Εγκαθίδρυση ενός κοινόχρηστου κλειδιού: η ανταλλαγή κλειδιού Diffie-Hellman Πιστοποίηση ταυτότητας με χρήση ενός κέντρου διανομής κλειδιών Πιστοποίηση ταυτότητας με χρήση του Kerberos Πιστοποίηση ταυτότητας με χρήση κρυπτογραφίας δημόσιου κλειδιού ΑΣΦΑΛΕΙΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΟΥ ΤΑΧΥΔΡΟΜΕΙΟΥ PGP Αρκετά καλή προστασία απορρήτου PEM Ταχυδρομείο ενισχυμένης προστασίας απορρήτου S/MIME ΑΣΦΑΛΕΙΑ ΣΤΟΝ ΙΣΤΟ Απειλές Ασφαλής ονομασία SSL Ασφαλές επίπεδο υποδοχών Ασφάλεια κινητού κώδικα ΚΟΙΝΩΝΙΚΑ ΖΗΤΗΜΑΤΑ Προστασία απορρήτου Ελευθερία του λόγου Πνευματικά δικαιώματα ΣΥΝΟΨΗ Προτεινόμενα αναγνώσματα και βιβλιογραφία ΠΡΟΤΑΣΕΙΣ ΓΙΑ ΠΕΡΑΙΤΕΡΩ ΜΕΛΕΤΗ Εισαγωγή και γενικά έργα Το φυσικό επίπεδο Το επίπεδο συνδέσμου μετάδοσης δεδομένων Το υποεπίπεδο ελέγχου προσπέλασης μέσων Το επίπεδο δικτύου 961

14 18 Περιεχόμενα Το επίπεδο μεταφοράς Το επίπεδο εφαρμογών Ασφάλεια δικτύων ΑΛΦΑΒΗΤΙΚΗ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 968 Ευρετήριο 991

15 4 Το υποεπίπεδο ελέγχου προσπέλασης μέσων Όπως αναφέρθηκε στο Κεφάλαιο 1, τα δίκτυα μπορούν να διαιρεθούν σε δύο κατηγορίες: αυτά που χρησιμοποιούν συνδέσεις από σημείο σε σημείο, και αυτά που χρησιμοποιούν κανάλια εκπομπής. Το κεφάλαιο αυτό ασχολείται με τα δίκτυα εκπομπής και τα πρωτόκολλά τους. Σε κάθε δίκτυο εκπομπής, το βασικό ζήτημα είναι πώς θα καθορίζεται αυτός που θα χρησιμοποιήσει το κανάλι όταν υπάρχει ανταγωνισμός για τη χρήση του. Για να γίνει αυτό σαφέστερο, σκεφτείτε την περίπτωση μιας τηλεδιάσκεψης στην οποία έξι άτομα, σε έξι διαφορετικά τηλέφωνα, είναι όλα συνδεδεμένα έτσι ώστε το καθένα να μπορεί να ακούει και να μιλάει σε όλα τα άλλα. Μόλις ένα από αυτά σταματήσει να μιλάει, είναι πολύ πιθανό να αρχίσουν να μιλούν ταυτόχρονα δύο ή περισσότερα άλλα άτομα, οδηγώντας σε χάος. Σε μια συνάντηση πρόσωπο με πρόσωπο, το χάος αποφεύγεται με εξωτερικά μέσα. Για παράδειγμα, σε μια σύσκεψη οι συμμετέχοντες σηκώνουν το χέρι τους για να ζητήσουν την άδεια να μιλήσουν. Όταν διατίθεται ένα μόνο κανάλι, όμως, ο καθορισμός αυτού που έχει σειρά να το χρησιμοποιήσει είναι πολύ πιο δύσκολος. Υπάρχουν πολλά πρωτόκολλα για την επίλυση αυτού του προβλήματος, τα οποία αποτελούν και τον κορμό του κεφαλαίου αυτού. Στη βιβλιογραφία, τα κανάλια εκπομπής αναφέρονται μερικές φορές ως κανάλια πολλαπλής πρόσβασης (multiaccess channels) ή κανάλια τυχαίας προσπέλασης (random access channels). Τα πρωτόκολλα που χρησιμοποιούνται για τον καθορισμό αυτού που έχει σειρά για μετάδοση σε ένα κανάλι πολλαπλής πρόσβασης ανήκουν σε ένα υποεπίπεδο του επιπέδου συνδέσμου μετάδοσης δεδομένων, το οποίο ονομάζεται υποεπίπεδο Ελέγχου Προσπέλασης Μέσων ή MAC (Medium Access Control). Το υποεπίπεδο MAC είναι ιδιαίτερα σημαντικό στα

16 298 Το υποεπίπεδο ελέγχου προσπέλασης μέσων ΚΕΦ. 4 LAN, αφού πολλά LAN χρησιμοποιούν ένα κανάλι πολλαπλής πρόσβασης ως βάση για την επικοινωνία. Σε αντίθεση, τα WAN χρησιμοποιούν γραμμές από σημείο σε σημείο, με εξαίρεση τα δορυφορικά δίκτυα. Επειδή τα κανάλια πολλαπλής πρόσβασης και τα LAN σχετίζονται τόσο στενά, στο κεφάλαιο αυτό θα ασχοληθούμε γενικότερα με τα LAN, καλύπτοντας και κάποια ζητήματα τα οποία δεν αποτελούν πραγματικά μέρος του υποεπιπέδου MAC. Από τεχνική άποψη το υποεπίπεδο MAC είναι το κατώτερο μέρος του επιπέδου συνδέσμου μετάδοσης δεδομένων, έτσι λογικά θα έπρεπε να το έχουμε μελετήσει πριν εξετάσουμε τα πρωτόκολλα από σημείο σε σημείο στο Κεφάλαιο 3. Παρόλα αυτά, οι περισσότεροι άνθρωποι μπορούν να κατανοήσουν ευκολότερα τα πρωτοκόλλα στα οποία εμπλέκονται πολλά μέρη αφού κατανοήσουν πρώτα τα πρωτόκολλα με δύο εμπλεκόμενα μέρη. Για το λόγο αυτόν έχουμε "αποκλίνει ελαφρώς" από την αυστηρή σειρά παρουσίασης από κάτω προς τα επάνω. 4.1 Το πρόβλημα της κατανομής του καναλιού Το κεντρικό θέμα αυτού του κεφαλαίου είναι πώς μπορεί να γίνει η κατανομή ενός μοναδικού καναλιού εκπομπής ανάμεσα σε ανταγωνιζόμενους χρήστες. Θα δούμε πρώτα τις γενικές ιδιότητες των στατικών και των δυναμικών μεθόδων εκχώρησης και στη συνέχεια θα εξετάσουμε κάποιους συγκεκριμένους αλγόριθμους Στατική εκχώρηση καναλιού σε LAN και MAN Ο παραδοσιακός τρόπος κατανομής ενός μοναδικού καναλιού, όπως μιας τηλεφωνικής ζεύξης (trunk), μεταξύ πολλών ανταγωνιζόμενων χρηστών είναι η Πολύπλεξη με Διαίρεση Συχνότητας (FDM). Αν υπάρχουν χρήστες, το εύρος ζώνης διαιρείται σε τμήματα ίσου μεγέθους (δείτε την Εικόνα 2-31) και εκχωρείται ένα τμήμα σε κάθε χρήστη. Αφού κάθε χρήστης έχει μια ιδιωτική ζώνη συχνοτήτων, δεν υπάρχουν παρεμβολές ανάμεσα στους χρήστες. Όταν υπάρχει ένας μικρός και σταθερός αριθμός χρηστών κάθε ένας από τους οποίους έχει μεγάλο φορτίο κίνησης (για παράδειγμα, τα κέντρα μεταγωγής των φορέων τηλεφωνίας), η μέθοδος FDM είναι ένας απλός και αποδοτικός μηχανισμός κατανομής. Όταν όμως το πλήθος των αποστολέων είναι μεγάλο και διαρκώς μεταβαλλόμενο, ή όταν η κίνηση έχει τη μορφή ριπών, η μέθοδος FDM παρουσιάζει κάποια προβλήματα. Αν το φάσμα τεμαχίζεται σε περιοχές και υπάρχουν λιγότεροι από χρήστες που θέλουν να επικοινωνήσουν, σπαταλιέται ένα μεγάλο μέρος του πολύτιμου φάσματος. Αν υπάρχουν περισσότεροι από χρήστες που θέλουν να επικοινωνήσουν, μερικοί από αυτούς δεν θα λάβουν την άδεια να το κάνουν λόγω έλλειψης εύρους ζώνης, ακόμα και αν κάποιοι από τους χρήστες στους οποίους έχει εκχωρηθεί μια ζώνη συχνοτήτων δεν μεταδίδουν ούτε λαμβάνουν σχεδόν τίποτα. Ακόμα και αν υποθέσουμε, όμως, ότι το πλήθος των χρηστών θα μπορούσε να διατηρηθεί με κάποιον τρόπο σταθερό και ίσο με, η υποδιαίρεση του μοναδικού διαθέσιμου καναλιού σε στατικά υποκανάλια είναι από τη φύση της αναποτελεσματική. Το βασικό πρόβλημα είναι ότι, όταν κάποιοι χρήστες είναι "σιωπηλοί", το εύρος ζώνης τους απλώς χάνεται. Ούτε αυτοί το χρησιμοποιούν, ούτε επιτρέπεται να το χρησιμοποιήσει κανείς άλλος. Επιπλέον, στα πε-

17 ΕΝ. 4.1 Το πρόβλημα της κατανομής του καναλιού 299 ρισσότερα συστήματα υπολογιστών η κίνηση δεδομένων έχει σε εξαιρετικά μεγάλο βαθμό τη μορφή ριπών (είναι συνηθισμένοι λόγοι μέγιστης κίνησης προς μέση κίνηση της τάξης του 1000:1). Κατά συνέπεια, τα περισσότερα κανάλια θα παραμένουν αδρανή τον περισσότερο χρόνο. Η χαμηλή απόδοση της στατικής εκχώρησης FDM μπορεί να φανεί πιο εύκολα με έναν απλό υπολογισμό από τη θεωρία ουρών. Ας ξεκινήσουμε με τη μέση χρονική καθυστέρηση, T, για ένα κανάλι χωρητικότητας C bps, με ρυθμό άφιξης λ πλαίσια/sec, όπου τα μεγέθη των πλαισίων ακολουθούν μια εκθετική συνάρτηση πυκνότητας με μέση τιμή 1/μ bit/πλαίσιο. Με αυτές τις παραμέτρους, ο ρυθμός άφιξης είναι λ πλαίσια/sec και ο ρυθμός εξυπηρέτησης είναι μc πλαίσια/sec. Από τη θεωρία ουρών μπορεί να αποδειχθεί ότι για ρυθμούς άφιξης και εξυπηρέτησης που ακολουθούν την κατανομή Poisson ισχύει ότι 1 T = μc λ Για παράδειγμα, αν το C είναι 100 Mbps, το μέσο μήκος των πλαισίων, 1/μ, είναι bit και ο ρυθμός άφιξης πλαισίων λ είναι 5000 πλαίσια/sec, τότε T = 200 μsec. Προσέξτε ότι, αν αγνοούσαμε την καθυστέρηση λόγω της ουράς και ρωτούσαμε πόσος χρόνος απαιτείται για να σταλεί ένα πλαίσιο bit σε ένα δίκτυο 100 Mbps, θα παίρναμε την (εσφαλμένη) απάντηση 100 μsec. Το αποτέλεσμα αυτό ισχύει μόνο όταν δεν υπάρχει ανταγωνισμός για το κανάλι. Ας διαιρέσουμε τώρα το μοναδικό κανάλι σε ανεξάρτητα υποκανάλια, το καθένα από τα οποία θα έχει χωρητικότητα C/ bps. Ο μέσος ρυθμός εισόδου σε κάθε ένα από τα υποκανάλια θα είναι τώρα λ/. Υπολογίζοντας ξανά το T βλέπουμε ότι T 1 = = ΝΤ FDM μ( C / ) ( λ/ ) μc λ = (4-1) Άρα η μέση καθυστέρηση με τη χρήση της FDM είναι φορές χειρότερη απ' ό,τι αν όλα τα πλαίσια τακτοποιούνταν με ένα μαγικό τρόπο σε μια μεγάλη κεντρική ουρά. Τα ίδια ακριβώς επιχειρήματα που ισχύουν για την FDM ισχύουν και για την πολύπλεξη με διαίρεση χρόνου (TDM). Σε κάθε χρήστη εκχωρείται στατικά κάθε οστή χρονική υποδοχή (time slot). Αν ένας χρήστης δεν χρησιμοποιήσει την υποδοχή που του έχει εκχωρηθεί, η υποδοχή αυτή παραμένει αδρανής. Το ίδιο ισχύει και αν τεμαχίσουμε το φυσικό δίκτυο. Χρησιμοποιώντας ξανά το προηγούμενο παράδειγμα, αν αντικαθιστούσαμε το δίκτυο των 100 Mbps με 10 δίκτυα των 10 Mbps το καθένα και εκχωρούσαμε με στατικό τρόπο έναν χρήστη σε κάθε τέτοιο δίκτυο, η μέση καθυστέρηση θα έκανε ένα άλμα από τα 200 μsec στα 2 msec. Αφού λοιπόν καμία από τις παραδοσιακές στατικές μεθόδους κατανομής καναλιού δε λειτουργεί καλά στην περίπτωση κυκλοφορίας σε ριπές, θα εξερευνήσουμε στη συνέχεια τις δυναμικές μεθόδους.

18 300 Το υποεπίπεδο ελέγχου προσπέλασης μέσων ΚΕΦ Δυναμική εκχώρηση καναλιού σε LAN και MAN Πριν περάσουμε στην πρώτη από τις πολλές μεθόδους εκχώρησης καναλιού που θα μελετήσουμε στο κεφάλαιο αυτό, αξίζει να διατυπώσουμε με σαφήνεια το πρόβλημα της εκχώρησης του καναλιού. Όλες οι εργασίες στον τομέα αυτόν βασίζονται σε πέντε βασικές υποθέσεις, οι οποίες περιγράφονται παρακάτω. 1. Μοντέλο Σταθμών. Το μοντέλο αποτελείται από ανεξάρτητους σταθμούς (stations) (για παράδειγμα, υπολογιστές, τηλέφωνα, ή συσκευές προσωπικής επικοινωνίας), ο καθένας από τους οποίους έχει ένα πρόγραμμα ή ένα χρήστη που παράγει πλαίσια προς μετάδοση. Οι σταθμοί μερικές φορές αποκαλούνται τερματικά (terminals). Η πιθανότητα να παραχθεί ένα πλαίσιο σε ένα διάστημα διάρκειας Δt είναι λδt, όπου το λ είναι μια σταθερά (ο ρυθμός άφιξης νέων πλαισίων). Αφού παραχθεί ένα πλαίσιο, ο σταθμός μπλοκάρεται και δεν κάνει τίποτα μέχρι να μεταδοθεί επιτυχώς το πλαίσιο. 2. Υπόθεση Μοναδικού Καναλιού. Διατίθεται ένα μοναδικό κανάλι για όλες τις επικοινωνίες. Όλοι οι σταθμοί μπορούν να μεταδώσουν σε αυτό και να λάβουν από αυτό. Όσον αφορά το υλικό όλοι οι σταθμοί είναι ισοδύναμοι, αν και το λογισμικό των πρωτοκόλλων μπορεί να τους εκχωρήσει προτεραιότητες. 3. Υπόθεση σύγκρουσης. Αν δύο πλαίσια μεταδοθούν ταυτόχρονα, επικαλύπτονται χρονικά και το σήμα που προκύπτει είναι παραμορφωμένο. Αυτό το γεγονός ονομάζεται σύγκρουση (collision). Όλοι οι σταθμοί μπορούν να ανιχνεύουν συγκρούσεις. Ένα πλαίσιο στο οποίο παρουσιάστηκε σύγκρουση μπορεί να μεταδοθεί ξανά αργότερα. Δεν υπάρχουν άλλα σφάλματα εκτός από αυτά που οφείλονται στις συγκρούσεις. 4α. Συνεχής Χρόνος. Η μετάδοση ενός πλαισίου μπορεί να ξεκινήσει σε οποιαδήποτε στιγμή. Δεν υπάρχει κάποιο κύριο ρολόι το οποίο να διαιρεί το χρόνο σε διακριτά διαστήματα. 4β. Χρόνος με Υποδοχές. Ο χρόνος διαιρείται σε διακριτά διαστήματα (υποδοχές). Η μετάδοση ενός πλαισίου ξεκινάει πάντοτε στην αρχή μιας υποδοχής. Μια υποδοχή μπορεί να περιέχει 0, 1, ή περισσότερα πλαίσια, γεγονός που αντιστοιχεί σε μια αδρανή υποδοχή, μια επιτυχή μετάδοση, ή μια σύγκρουση, αντίστοιχα. 5α. Ανίχνευση Φέροντος Σήματος. Οι σταθμοί μπορούν να ανιχνεύσουν κατά πόσον το κανάλι είναι σε χρήση, πριν προσπαθήσουν να το χρησιμοποιήσουν. Αν διαπιστωθεί ότι το κανάλι είναι απασχολημένο, κανένας σταθμός δεν θα προσπαθήσει να το χρησιμοποιήσει μέχρι να γίνει πάλι αδρανές. 5β. Αδυναμία Ανίχνευσης Φέροντος Σήματος. Οι σταθμοί δεν μπορούν να ανιχνεύσουν το κανάλι πριν προσπαθήσουν να το χρησιμοποιήσουν. Απλώς μεταδίδουν σε κάθε περίπτωση. Μόνο αργότερα θα μπορέσουν να προσδιορίσουν κατά πόσον η μετάδοση ήταν επιτυχής. Οι υποθέσεις αυτές απαιτούν κάποιες εξηγήσεις. Η πρώτη λέει ότι οι σταθμοί είναι ανεξάρτητοι και ότι η κίνηση παράγεται με σταθερό ρυθμό. Υποθέτει επίσης έμμεσα ότι κάθε σταθμός έχει ένα μόνο πρόγραμμα ή χρήστη, οπότε όσο ο σταθμός είναι μπλοκαρισμένος δεν παράγεται άλλη κίνηση. Τα πιο εξελιγμένα μοντέλα επιτρέπουν πολυπρογραμματιζόμενους

19 ΕΝ. 4.2 Πρωτόκολλα πολλαπλής πρόσβασης 301 σταθμούς οι οποίοι μπορεί να παράγουν κίνηση όσο ο σταθμός είναι μπλοκαρισμένος, η ανάλυση όμως τέτοιων σταθμών είναι πολύ πιο περίπλοκη. Η υπόθεση του μοναδικού καναλιού είναι η καρδιά του μοντέλου. Δεν υπάρχουν εξωτερικοί τρόποι επικοινωνίας. Οι σταθμοί δεν μπορούν να σηκώσουν το χέρι τους για να ζητήσουν να τους δώσει το λόγο ο δάσκαλος. Η υπόθεση των συγκρούσεων είναι επίσης βασική, αν και σε μερικά συστήματα (με σημαντικότερα τα συστήματα εξάπλωσης φάσματος) η υπόθεση αυτή είναι πιο χαλαρή, με α- προσδόκητα αποτελέσματα. Επιπλέον, μερικά δίκτυα LAN, όπως αυτά που χρησιμοποιούν δακτύλιο με σκυτάλη, μεταβιβάζουν μια ειδική σκυτάλη από σταθμό σε σταθμό, η κατοχή της οποίας επιτρέπει στον τρέχοντα κάτοχο να μεταδώσει ένα πλαίσιο. Στις επόμενες ενότητες, όμως, θα μείνουμε πιστοί στο μοντέλο του μοναδικού καναλιού με ανταγωνισμό και συγκρούσεις. Υπάρχουν δύο πιθανές εναλλακτικές υποθέσεις σχετικά με το χρόνο. Είτε είναι συνεχής (4α) είτε διαιρείται σε υποδοχές (4β). Μερικά συστήματα χρησιμοποιούν τη μία και μερικά την άλλη μέθοδο, έτσι θα εξετάσουμε και θα αναλύσουμε και τις δύο μεθόδους. Για κάθε συγκεκριμένο σύστημα, όμως, ισχύει μόνο η μία από αυτές. Παρόμοια, ένα δίκτυο μπορεί είτε να υποστηρίζει ανίχνευση φέροντος σήματος (5α) είτε να μην την υποστηρίζει (5β). Τα LAN γενικά υποστηρίζουν ανίχνευση φέροντος σήματος. Τα ασύρματα δίκτυα, όμως, δεν μπορούν να τη χρησιμοποιήσουν αποτελεσματικά, επειδή δεν είναι βέβαιο ότι κάθε σταθμός θα βρίσκεται εντός της εμβέλειας κάθε άλλου σταθμού. Οι σταθμοί στα ενσύρματα δίκτυα με ανίχνευση φέροντος σήματος μπορούν να τερματίζουν πρόωρα τις μεταδόσεις τους αν ανακαλύψουν ότι παρουσιάζεται σύγκρουση με κάποια άλλη μετάδοση. Η ανίχνευση συγκρούσεων υλοποιείται σπάνια στα ασύρματα δίκτυα, για τεχνικούς λόγους. Σημειώνεται ότι η λέξη "φέρον" (carrier) στην περίπτωση αυτή αναφέρεται σε ένα ηλεκτρικό σήμα στο καλώδιο, και δεν έχει καμία σχέση με τους κοινούς φορείς (common carriers) για παράδειγμα, τις τηλεφωνικές εταιρείες το όνομα των οποίων προέρχεται από τις πρώτες ημέρες των ταχυδρομείων. 4.2 Πρωτόκολλα πολλαπλής πρόσβασης Υπάρχουν πολλοί αλγόριθμοι εκχώρησης ενός καναλιού πολλαπλής πρόσβασης. Στις α- κόλουθες ενότητες θα μελετήσουμε ένα μικρό δείγμα από τους πιο ενδιαφέροντες αλγόριθμους και θα δώσουμε μερικά παραδείγματα χρήσης τους ALOHA Τη δεκαετία του 1970, ο Norman Abramson και οι συνάδελφοί του στο Πανεπιστήμιο της Χαβάης επινόησαν μια νέα και κομψή μέθοδο για την επίλυση του προβλήματος εκχώρησης (κατανομής) καναλιού. Η δουλειά τους έχει επεκταθεί από τότε από πολλούς ερευνητές (Abramson, 1985). Αν και η δουλειά του Abramson, η οποία ονομάζεται σύστημα ALOHA, χρησιμοποιεί εκπομπή ραδιοκυμάτων από σταθμούς εδάφους, η βασική ιδέα μπορεί να εφαρμοστεί σε οποιοδήποτε σύστημα στο οποίο μη συντονισμένοι χρήστες ανταγωνίζονται για τη χρήση ενός κοινού καναλιού.

20 302 Το υποεπίπεδο ελέγχου προσπέλασης μέσων ΚΕΦ. 4 Θα παρουσιάσουμε εδώ δύο εκδόσεις του ALOHA: καθαρό ALOHA και ALOHA με υ- ποδοχές. Οι δύο εκδοχές διαφέρουν ως προς το αν ο χρόνος θα διαιρείται σε διακριτές υποδοχές μέσα στις οποίες θα πρέπει να χωράνε όλα τα πακέτα. Το καθαρό ALOHA δεν απαιτεί καθολικό συγχρονισμό χρόνου, ενώ το ALOHA με υποδοχές τον απαιτεί. Καθαρό ALOHA Η βασική ιδέα του συστήματος ALOHA είναι απλή: οι χρήστες επιτρέπεται να μεταδίδουν όποτε έχουν δεδομένα προς αποστολή. Θα συμβαίνουν βέβαια συγκρούσεις και τα συγκρουόμενα πλαίσια θα καταστρέφονται. Ωστόσο, χάρη στην ιδιότητα ανάδρασης της μετάδοσης με εκπομπή, ο αποστολέας θα μπορεί πάντοτε να καθορίσει κατά πόσον το πλαίσιό του καταστράφηκε ακούγοντας το κανάλι, με τον ίδιο τρόπο όπως και οι άλλοι χρήστες. Σε ένα δίκτυο LAN, η ανάδραση είναι άμεση. Σε ένα δορυφόρο έχουμε καθυστέρηση 270 msec πριν μάθει ο αποστολέας αν η μετάδοσή του ήταν επιτυχής. Αν για κάποιο λόγο δεν είναι δυνατή η παρακολούθηση του καναλιού κατά τη μετάδοση, χρειάζονται επιβεβαιώσεις. Αν καταστραφεί το πλαίσιο, ο αποστολέας περιμένει απλώς ένα τυχαίο χρονικό διάστημα και το ξαναστέλνει. Ο χρόνος αναμονής θα πρέπει να είναι τυχαίος, αλλιώς τα ίδια πλαίσια θα συγκρούονται ξανά και ξανά, σε πλήρη συγχρονισμό. Τα συστήματα στα οποία πολλοί χρήστες μοιράζονται ένα κοινό κανάλι με τρόπο που μπορεί να οδηγήσει σε συγκρούσεις είναι ευρέως γνωστά ως συστήματα ανταγωνισμού (contention). Η Εικόνα 4-1 δίνει μια σκιαγράφηση του τρόπου παραγωγής πλαισίων σε ένα σύστημα ALOHA. Όλα τα πλαίσια φαίνονται με το ίδιο μέγεθος, επειδή η διεκπεραιωτική ικανότητα των συστημάτων ALOHA μεγιστοποιείται όταν έχουμε σταθερό μέγεθος πλαισίου, και όχι όταν επιτρέπονται πλαίσια μεταβλητού μήκους. Εικόνα 4-1. Στο καθαρό ALOHA, τα πλαίσια μεταδίδονται σε εντελώς αυθαίρετες στιγμές. Όποτε δύο πλαίσια προσπαθούν να καταλάβουν το κανάλι την ίδια στιγμή, θα συμβαίνει μια σύγκρουση και θα παραμορφώνονται και τα δύο πλαίσια. Αν το πρώτο bit ενός νέου πλαισίου επικαλύπτει ακόμη και το τελευταίο μόνο bit ενός πλαισίου που έχει σχεδόν ολοκληρωθεί, και τα δύο πλαίσια θα καταστραφούν πλήρως και θα πρέπει να αναμεταδοθούν αργότερα και τα δύο. Το άθροισμα ελέγχου δεν μπορεί (και δεν πρέπει) να κάνει διάκριση ανάμεσα σε μια πλήρη απώλεια και μια μερική. Η απώλεια είναι απώλεια.

21 ΕΝ. 4.2 Πρωτόκολλα πολλαπλής πρόσβασης 303 Ένα ενδιαφέρον ερώτημα είναι το εξής: ποια είναι η αποδοτικότητα ενός καναλιού ALOHA; Με άλλα λόγια, ποιο ποσοστό όλων των μεταδιδόμενων πλαισίων αποφεύγει τις συγκρούσεις σε μια τέτοια χαοτική κατάσταση; Ας θεωρήσουμε αρχικά ένα απειράριθμο σύνολο αλληλεπιδραστικών χρηστών οι οποίοι κάθονται στους υπολογιστές τους (τους σταθμούς). Ο χρήστης είναι πάντοτε σε μία από δύο καταστάσεις: πληκτρολόγηση ή αναμονή. Αρχικά όλοι οι χρήστες είναι στην κατάσταση πληκτρολόγησης. Όταν τελειώσει μια γραμμή, ο χρήστης σταματάει την πληκτρολόγηση και περιμένει μια απάντηση. Ο σταθμός μεταδίδει τότε ένα πλαίσιο που περιέχει αυτή τη γραμμή και ελέγχει το κανάλι για να δει αν η μετάδοση ήταν επιτυχής. Αν ήταν, ο χρήστης βλέπει την απάντηση και αρχίζει ξανά την πληκτρολόγηση. Αν δεν ήταν ο χρήστης εξακολουθεί να περιμένει, και το πλαίσιο αναμεταδίδεται ξανά και ξανά μέχρι να σταλεί επιτυχώς. Έστω ότι ο "χρόνος πλαισίου" παριστάνει το χρόνο που απαιτείται για να μεταδοθεί ένα τυπικό πλαίσιο σταθερού μήκους (δηλαδή, είναι το μήκος του πλαισίου δια το ρυθμό μετάδοσης bit). Στο σημείο αυτό υποθέτουμε ότι ο άπειρος πληθυσμός χρηστών παράγει νέα πλαίσια σύμφωνα με μια κατανομή Poisson με μέση τιμή πλαίσια ανά χρόνο πλαισίου. (Η υπόθεση του άπειρου πληθυσμού απαιτείται ώστε να εξασφαλιστεί ότι το δεν μειώνεται καθώς μπλοκάρονται οι χρήστες.) Αν Ν > 1, η κοινότητα των χρηστών παράγει πλαίσια με μεγαλύτερο ρυθμό απ' ό,τι μπορεί να αντιμετωπίσει το κανάλι, έτσι σχεδόν κάθε πλαίσιο θα υφίσταται συγκρούσεις. Για να έχουμε μια λογική διεκπεραιωτική ικανότητα, θα πρέπει να ισχύει ότι 0 < < 1. Εκτός από τα νέα πλαίσια, οι σταθμοί παράγουν και αναμεταδόσεις των πλαισίων που είχαν νωρίτερα συγκρούσεις. Ας υποθέσουμε επιπλέον ότι η πιθανότητα να γίνονται k απόπειρες μετάδοσης ανά χρόνο πλαισίου, συμπεριλαμβανομένων και των παλιών και των νέων μεταδόσεων, ακολουθεί και αυτή κατανομή Poisson με μέση τιμή G ανά χρόνο πλαισίου. Προφανώς, G. Σε χαμηλό φορτίο (δηλαδή, 0) θα υπάρχουν λίγες συγκρούσεις, άρα και λίγες αναμεταδόσεις, έτσι G. Σε υψηλό φορτίο θα υπάρχουν πολλές συγκρούσεις, άρα G >. Σε όλα τα φορτία, η διεκπεραιωτική ικανότητα, S, είναι το προσφερόμενο φορτίο, G, επί την πιθανότητα, P 0, επιτυχίας μιας μετάδοσης δηλαδή, S = GP 0, όπου το P 0 είναι η πιθανότητα ένα πλαίσιο να μην παρουσιάσει σύγκρουση. Το πλαίσιο δεν θα παρουσιάσει σύγκρουση αν δεν σταλούν άλλα πλαίσια κατά τη διάρκεια ενός χρόνου πλαισίου από την αρχή του, όπως φαίνεται στην Εικόνα 4-2. Κάτω από ποιες συνθήκες το σκιασμένο πλαίσιο θα μεταδοθεί χωρίς να καταστραφεί; Έστω t ο χρόνος που απαιτείται για να σταλεί ένα πλαίσιο. Αν κάποιος άλλος χρήστης παραγάγει ένα πλαίσιο ανάμεσα στο χρόνο t 0 και το χρόνο t 0 + t, το τέλος του πλαισίου αυτού θα συγκρουστεί με την αρχή του σκιασμένου πλαισίου. Στην πραγματικότητα η μοίρα του σκιασμένου πλαισίου θα έχει ήδη σφραγιστεί πριν ακόμη σταλεί το πρώτο του bit, αλλά αφού στο καθαρό ALOHA ο σταθμός δεν ανιχνεύει το κανάλι πριν μεταδώσει, δεν έχει κανέναν τρόπο να μάθει ότι μεταδίδεται ήδη κάποιο άλλο πλαίσιο. Παρόμοια, κάθε πλαίσιο που θα ξεκινήσει ανάμεσα στο t 0 + t και το t 0 + 2t θα πέσει πάνω στο τέλος του σκιασμένου πλαισίου.

22 304 Το υποεπίπεδο ελέγχου προσπέλασης μέσων ΚΕΦ. 4 Εικόνα 4-2. Η επισφαλής περίοδος για το σκιασμένο πλαίσιο. Η πιθανότητα να παραχθούν k πλαίσια σε έναν συγκεκριμένο χρόνο πλαισίου δίνεται από την κατανομή Poisson: G e Pr[ k ] = (4-2) k! άρα η πιθανότητα να παραχθούν μηδέν πλαίσια είναι απλώς e G. Σε χρονικό διάστημα ίσο με δύο πλαίσια, το μέσο πλήθος παραγομένων πλαισίων είναι 2G. Έτσι η πιθανότητα να μην ξεκινήσει άλλη κίνηση κατά τη διάρκεια όλης της επισφαλούς περιόδου δίνεται από το P 0 = e 2G. Αφού S = GP 0, παίρνουμε S = Ge Η σχέση ανάμεσα στο προσφερόμενο φορτίο και τη διεκπεραιωτική ικανότητα φαίνεται στην Εικόνα 4-3. Η μέγιστη διεκπεραιωτική ικανότητα παρουσιάζεται στο G = 0,5, με S = 1/2e, δηλαδή γύρω στο 0,184. Με άλλα λόγια, το καλύτερο που μπορούμε να πετύχουμε είναι αξιοποίηση του καναλιού κατά 18 τοις εκατό. Αυτό το αποτέλεσμα δεν είναι πολύ ενθαρρυντικό, αλλά αφού ο καθένας μεταδίδει κατά βούληση μάλλον δεν πρέπει να περιμένουμε ποσοστό επιτυχίας 100 τοις εκατό. ALOHA με υποδοχές Το 1972 ο Roberts δημοσίευσε μια μέθοδο για διπλασιασμό της χωρητικότητας ενός συστήματος ALOHA (Roberts, 1972). Η πρότασή του ήταν να διαιρείται ο χρόνος σε διακριτά διαστήματα, με κάθε διάστημα να αντιστοιχεί σε ένα πλαίσιο. Η προσέγγιση αυτή απαιτεί να συμφωνούν οι χρήστες ως προς τα όρια των υποδοχών. Ένας τρόπος για να επιτευχθεί ο συγχρονισμός αυτός είναι να έχουμε έναν ειδικό σταθμό ο οποίος θα μεταδίδει έναν τόνο στην αρχή κάθε διαστήματος, σαν ρολόι. k G 2G

23 ΕΝ. 4.2 Πρωτόκολλα πολλαπλής πρόσβασης 305 Εικόνα 4-3. Διεκπεραιωτική ικανότητα σε σχέση με το προσφερόμενο φορτίο στα συστήματα ALOHA. Στη μέθοδο του Roberts, η οποία έγινε τελικά γνωστή ως ALOHA με υποδοχές (slotted ALOHA), σε αντίθεση με το καθαρό ALOHA (pure ALOHA) του Abramson, ο υπολογιστής δεν επιτρέπεται να μεταδίδει όποτε πληκτρολογείται μια αλλαγή γραμμής. Αντιθέτως, θα πρέπει να περιμένει την αρχή της επόμενης υποδοχής. Έτσι, το συνεχές καθαρό ALOHA μετατρέπεται σε διακριτό. Επειδή η επισφαλής περίοδος είναι η μισή της προηγούμενης, η πιθανότητα να μην υπάρχει άλλη κίνηση στην ίδια υποδοχή με το ελεγχόμενο πλαίσιο είναι e G, γεγονός που οδηγεί σε G S = Ge (4-3) Όπως φαίνεται στην Εικόνα 4-3, το ALOHA με υποδοχές μεγιστοποιεί την απόδοσή του στο G = 1, με διεκπεραιωτική ικανότητα S = 1/e ή γύρω στο 0,368, δηλαδή διπλάσια από αυτή του καθαρού ALOHA. Αν το σύστημα λειτουργεί στο G = 1, η πιθανότητα κενής υποδοχής είναι 0,368 (από την Εξίσωση 4-2). Το καλύτερο που μπορούμε να πετύχουμε χρησιμοποιώντας ALOHA με υποδοχές είναι 37 τοις εκατό άδειες υποδοχές, 37 τοις εκατό επιτυχείς μεταδόσεις και 26 τοις εκατό συγκρούσεις. Αν λειτουργήσουμε σε υψηλότερες τιμές του G, μειώνουμε το πλήθος των κενών υποδοχών αλλά αυξάνουμε εκθετικά το πλήθος των συγκρούσεων. Για να δείτε από πού προέρχεται η ραγδαία αύξηση των συγκρούσεων καθώς αυξάνεται το G, σκεφτείτε τη μετάδοση ενός δοκιμαστικού πλαισίου. Η πιθανότητα να αποφύγει τη σύγκρουση είναι e G, δηλαδή η πιθανότητα ότι όλοι οι άλλοι χρήστες θα είναι σιωπηλοί στην υποδοχή αυτή. Η πιθανότητα σύγκρουσης είναι λοιπόν 1 e G. Η πιθανότητα μια μετάδοση να απαιτήσει ακριβώς k προσπάθειες (δηλαδή, k 1 συγκρούσεις ακολουθούμενες από μια επιτυχία) είναι G P k = e (1 e ) Το αναμενόμενο πλήθος μεταδόσεων, E, ανά πληκτρολογούμενη αλλαγή γραμμής είναι G k 1

24 306 Το υποεπίπεδο ελέγχου προσπέλασης μέσων ΚΕΦ. 4 E = k= 1 kp k = k= 1 ke G (1 e Ως αποτέλεσμα της εκθετικής εξάρτησης του E από το G, μικρές αυξήσεις στο φορτίο του καναλιού μπορεί να μειώσουν δραστικά την απόδοσή του. Το ALOHΑ με υποδοχές είναι σημαντικό για ένα λόγο που μπορεί να μην είναι αρχικά εμφανής. Το σύστημα αυτό επινοήθηκε στις αρχές της δεκαετίας του 1970, χρησιμοποιήθηκε σε μερικά πρώιμα πειραματικά συστήματα, και μετά σχεδόν ξεχάστηκε. Όταν επινοήθηκε η πρόσβαση στο Internet μέσω καλωδιακής, ξαφνικά υπήρχε το πρόβλημα πώς να κατανεμηθεί ένα κοινό κανάλι ανάμεσα σε πολλαπλούς ανταγωνιζόμενους χρήστες, οπότε το ALOHA με υποδοχές ανασύρθηκε από τα σκουπίδια για να δώσει τη λύση. Πολλές φορές συμβαίνει διάφορα πρωτόκολλα τα οποία είναι απολύτως έγκυρα να πέφτουν σε αχρηστία για λόγους πολιτικής (για παράδειγμα, κάποια μεγάλη εταιρεία θέλει όλοι να κάνουν τα πράγματα με το δικό της τρόπο), αλλά χρόνια αργότερα κάποιος έξυπνος άνθρωπος αντιλαμβάνεται ότι ένα πρωτόκολλο που έχει απορριφθεί προ καιρού λύνει το τρέχον πρόβλημά του. Για το λόγο αυτόν, στο κεφάλαιο αυτό θα μελετήσουμε μια σειρά από κομψά πρωτόκολλα τα οποία δεν είναι σε ευρεία χρήση αυτή τη στιγμή αλλά μπορούν εύκολα να χρησιμοποιηθούν σε μελλοντικές ε- φαρμογές, με την προϋπόθεση ότι θα τα γνωρίζουν αρκετοί σχεδιαστές δικτύων. Φυσικά, θα μελετήσουμε επίσης και πολλά πρωτόκολλα που βρίσκονται σε χρήση. G Πρωτόκολλα πολλαπλής πρόσβασης με ανίχνευση φέροντος σήματος Στο ALOHA με υποδοχές η μέγιστη δυνατή αξιοποίηση καναλιού είναι 1/e. Αυτό δεν είναι και τόσο απροσδόκητο, αφού όταν οι σταθμοί μεταδίδουν κατά βούληση, χωρίς να δίνουν σημασία στο τι κάνουν οι άλλοι σταθμοί, είναι αναμενόμενο να υπάρχουν πολλές συγκρούσεις. Στα τοπικά δίκτυα, όμως, οι σταθμοί μπορούν να ανιχνεύουν τι κάνουν οι άλλοι σταθμοί και να προσαρμόζουν ανάλογα τη συμπεριφορά τους. Τα δίκτυα αυτά μπορούν να πετύχουν πολύ καλύτερη αξιοποίηση του καναλιού από 1/e. Στην ενότητα αυτή θα παρουσιάσουμε μερικά πρωτόκολλα που βελτιώνουν σημαντικά την απόδοση. Τα πρωτόκολλα στα οποία οι σταθμοί παρακολουθούν το κανάλι για να εντοπίσουν ένα φέρον σήμα (δηλαδή, μια μετάδοση) και δρουν ανάλογα ονομάζονται πρωτόκολλα ανίχνευσης φέροντος σήματος (carrier sense protocols). Έχουν προταθεί αρκετά τέτοια πρωτόκολλα. Οι Kleinrock και Tobagi (1975) αναλύουν λεπτομερώς πολλά τέτοια πρωτόκολλα. Στη συνέχεια θα αναφέρουμε διάφορες παραλλαγές πρωτοκόλλων ανίχνευσης φέροντος σήματος. Επίμονο και μη επίμονο CSMA Το πρώτο πρωτόκολλο ανίχνευσης φέροντος σήματος που θα μελετήσουμε ονομάζεται επίμονο-1 CSMA (1-persistent CSMA), όπου CSMA σημαίνει Πολλαπλή Πρόσβαση με Ανίχνευση Φέροντος Σήματος (Carrier Sense Multiple Access). Όταν ένας σταθμός έχει δεδομένα προς αποστολή, ακούει πρώτα το κανάλι για να δει αν μεταδίδει κανείς άλλος εκείνη τη στιγμή. Αν το κανάλι είναι απασχολημένο, ο σταθμός αναμένει μέχρι το κανάλι να γίνει α- ) k 1 = e G

25 ΕΝ. 4.2 Πρωτόκολλα πολλαπλής πρόσβασης 307 δρανές. Όταν ο σταθμός ανιχνεύσει αδρανές κανάλι, μεταδίδει ένα πλαίσιο. Αν συμβεί μια σύγκρουση, ο σταθμός αναμένει για ένα τυχαίο χρονικό διάστημα και επαναλαμβάνει την ίδια διαδικασία. Το πρωτόκολλο ονομάζεται επίμονο-1 επειδή ο σταθμός μεταδίδει με πιθανότητα 1 όταν βρει το κανάλι αδρανές. Η καθυστέρηση διάδοσης έχει σημαντικό αντίκτυπο στην απόδοση του πρωτοκόλλου. Υπάρχει μια μικρή πιθανότητα ακριβώς αφού αρχίσει να μεταδίδει ένας σταθμός κάποιος άλλος σταθμός να είναι έτοιμος για μετάδοση και να εκτελέσει ανίχνευση του καναλιού. Αν το σήμα τού πρώτου σταθμού δεν έχει φτάσει ακόμη στον δεύτερο, ο δεύτερος σταθμός θα ανιχνεύσει αδρανές κανάλι και θα ξεκινήσει και αυτός να μεταδίδει, οδηγώντας σε σύγκρουση. Όσο μεγαλύτερη είναι η καθυστέρηση διάδοσης, τόσο πιο σημαντικό γίνεται αυτό το πρόβλημα και τόσο χειρότερη γίνεται η απόδοση του πρωτοκόλλου. Ακόμα και αν η καθυστέρηση διάδοσης είναι μηδενική, πάλι θα υπάρχουν συγκρούσεις. Αν δύο σταθμοί γίνουν έτοιμοι για μετάδοση καθώς βρίσκεται στη μέση η μετάδοση ενός άλλου σταθμού, θα περιμένουν και οι δύο ευγενικά μέχρι να τελειώσει η μετάδοση και μετά θα ξεκινήσουν να μεταδίδουν απολύτως ταυτόχρονα, οδηγώντας σε σύγκρουση. Αν δεν ήταν τόσο ανυπόμονοι, θα υπήρχαν λιγότερες συγκρούσεις. Ακόμα και έτσι το πρωτόκολλο είναι πολύ καλύτερο από το καθαρό ALOHA, επειδή και οι δύο σταθμοί έχουν την ευγένεια να μην παρεμβληθούν στη μετάδοση του πλαισίου του τρίτου σταθμού. Όπως είναι φανερό ακόμα και διαισθητικά, η προσέγγιση αυτή θα οδηγήσει σε υψηλότερη απόδοση από το καθαρό ALOHA. Το ίδιο ακριβώς ισχύει και για το ALOHA με υποδοχές. Ένα δεύτερο πρωτόκολλο ανίχνευσης φέροντος σήματος είναι το μη επίμονο CSMA (nonpersistent CSMA). Στο πρωτόκολλο αυτό γίνεται συνειδητή προσπάθεια να είμαστε λιγότεροι άπληστοι απ' ό,τι στο προηγούμενο. Πριν κάνει αποστολή, ο σταθμός ανιχνεύει το κανάλι. Αν δεν στέλνει κανένας άλλος, ο σταθμός αρχίζει να μεταδίδει. Αν, όμως, το κανάλι βρίσκεται ήδη σε χρήση, ο σταθμός δεν το ανιχνεύει διαρκώς με στόχο να το καταλάβει αμέσως μόλις ανιχνεύσει το τέλος της προηγούμενης μετάδοσης. Αντιθέτως, περιμένει ένα τυχαίο χρονικό διάστημα και μετά επαναλαμβάνει τον αλγόριθμο. Το αποτέλεσμα είναι ότι ο αλγόριθμος αυτός οδηγεί σε καλύτερη αξιοποίηση του καναλιού αλλά υψηλότερες καθυστερήσεις, σε σύγκριση με το επίμονο-1 CSMA. Το τελευταίο πρωτόκολλο είναι το επίμονο-p CSMA (p-persistent CSMA). Το πρωτόκολλο αυτό εφαρμόζεται σε κανάλια με υποδοχές και λειτουργεί ως εξής. Όταν ένας σταθμός είναι έτοιμος να κάνει αποστολή, ανιχνεύει το κανάλι. Αν είναι αδρανές, μεταδίδει με πιθανότητα p. Με πιθανότητα q = 1 p αναβάλλει τη μετάδοση για την επόμενη υποδοχή. Αν και αυτή η υποδοχή είναι αδρανής, τότε είτε μεταδίδει είτε αναβάλλει ξανά τη μετάδοση, πάλι με πιθανότητες p και q. Αυτή η διαδικασία επαναλαμβάνεται μέχρι είτε να μεταδοθεί το πλαίσιο είτε να αρχίσει να μεταδίδει κάποιος άλλος σταθμός. Στην τελευταία περίπτωση, ο άτυχος σταθμός ενεργεί σαν να είχε γίνει μια σύγκρουση (δηλαδή, περιμένει ένα τυχαίο χρονικό διάστημα και ξαναρχίζει). Αν ο σταθμός ανιχνεύσει αρχικά το κανάλι ως απασχολημένο, περιμένει την επόμενη υποδοχή και εφαρμόζει πάλι τον παραπάνω αλγόριθμο. Η Εικόνα 4-4 δείχνει τη διεκπεραιωτική ικανότητα σε σχέση με το προσφερόμενο φορτίο και για τα τρία αυτά πρωτόκολλα, καθώς και για το καθαρό ALOHA και το ALOHA με υποδοχές.

26 308 Το υποεπίπεδο ελέγχου προσπέλασης μέσων ΚΕΦ. 4 Εικόνα 4-4. Σύγκριση της αξιοποίησης του καναλιού σε σχέση με το φορτίο για διάφορα πρωτόκολλα τυχαίας προσπέλασης. CSMA με εντοπισμό συγκρούσεων Τα πρωτόκολλα επίμονου και μη επίμονου CSMA αποτελούν σαφή βελτίωση σε σχέση με το ALOHA, επειδή εξασφαλίζουν ότι κανένας σταθμός δεν θα ξεκινήσει να μεταδίδει όταν ανιχνεύσει ότι το κανάλι είναι απασχολημένο. Μια άλλη βελτίωση είναι να ματαιώνουν οι σταθμοί τις μεταδόσεις τους μόλις εντοπίσουν μια σύγκρουση. Με άλλα λόγια, αν δύο σταθμοί ανιχνεύσουν αδρανές κανάλι και αρχίσουν να μεταδίδουν ταυτόχρονα, θα εντοπίσουν σχεδόν αμέσως τη σύγκρουση. Αντί να ολοκληρώσουν τη μετάδοση των πλαισίων τους, τα οποία έχουν σίγουρα παραμορφωθεί ανεπανόρθωτα, θα πρέπει να διακόψουν απότομα τη μετάδοση μόλις εντοπίσουν τη σύγκρουση. Ο γρήγορος τερματισμός των κατεστραμμένων πλαισίων εξοικονομεί χρόνο και εύρος ζώνης. Αυτό το πρωτόκολλο, που είναι γνωστό ως CSMA με Εντοπισμό Συγκρούσεων ή CSMA/CD (CSMA with Collision Detection), χρησιμοποιείται ευρέως στο υποεπίπεδο MAC των LAN. Πιο συγκεκριμένα, είναι η βάση του δημοφιλούς Ethernet, έτσι αξίζει να αφιερώσουμε κάποιο χρόνο για να το δούμε λεπτομερώς. Το CSMA/CD, όπως και πολλά άλλα πρωτόκολλα για LAN, χρησιμοποιεί το λογικό μοντέλο της Εικόνας 4-5. Στο σημείο που σημειώνεται ως t 0 ένας σταθμός έχει ολοκληρώσει τη μετάδοση του πλαισίου του. Κάθε άλλος σταθμός που έχει κάποιο πλαίσιο προς αποστολή μπορεί τώρα να προσπαθήσει να το μεταδώσει. Αν δύο ή περισσότεροι σταθμοί αποφασίσουν να μεταδώσουν ταυτόχρονα, θα συμβεί μια σύγκρουση. Οι συγκρούσεις μπορούν να εντοπιστούν αν παρακολουθήσουμε την ισχύ ή το πλάτος των παλμών του λαμβανόμενου σήματος και τα συγκρίνουμε με το σήμα που μεταδίδεται. Όταν ένας σταθμός εντοπίσει τη σύγκρουση, ματαιώνει τη μετάδοσή του, περιμένει ένα τυχαίο χρονικό διάστημα, και μετά ξαναδοκιμάζει αν βέβαια υποθέσουμε ότι στο μεταξύ δεν έχει ξεκινήσει να μεταδίδει κανείς άλλος σταθμός. Κατά συνέπεια, το μοντέλο μας για το CSMA/CD αποτελείται από εναλλασσόμενες περιόδους ανταγωνισμού και μετάδοσης, με

27 ΕΝ. 4.2 Πρωτόκολλα πολλαπλής πρόσβασης 309 αδρανείς περιόδους όταν όλοι οι σταθμοί είναι σιωπηλοί (για παράδειγμα, λόγω έλλειψης εργασιών). Ας εξετάσουμε τώρα πιο προσεκτικά τις λεπτομέρειες του αλγορίθμου ανταγωνισμού. Υποθέστε ότι δύο σταθμοί αρχίζουν να μεταδίδουν ακριβώς στο χρόνο t 0. Πόσο θα χρειαστεί μέχρι να αντιληφθούν ότι έχει γίνει μια σύγκρουση; Η απάντηση σε αυτή την ερώτηση είναι κρίσιμη ώστε να προσδιοριστεί το μέγεθος της περιόδου ανταγωνισμού, και κατά συνέπεια να προσδιοριστεί η καθυστέρηση και η διεκπεραιωτική ικανότητα. Ο ελάχιστος χρόνος εντοπισμού της σύγκρουσης είναι απλώς ο χρόνος που απαιτείται έτσι ώστε το σήμα να διαδοθεί από τον έναν σταθμό στον άλλον. Εικόνα 4-5. Το CSMA/CD μπορεί να βρίσκεται σε μία από τρεις καταστάσεις: ανταγωνισμός, μετάδοση, ή αδράνεια. Με βάση αυτή τη συλλογιστική, μπορεί κανείς να θεωρήσει ότι αν ένας σταθμός δεν ανιχνεύσει κάποια σύγκρουση αφού ξεκινήσει τη μετάδοσή του και για χρόνο ίσο με το χρόνο διάδοσης σε ολόκληρο το καλώδιο, μπορεί να είναι βέβαιος ότι έχει "καταλάβει" το καλώδιο. Με τη λέξη "καταλάβει" εννοούμε ότι όλοι οι άλλοι σταθμοί θα γνωρίζουν ότι μεταδίδει και δεν θα παρεμβληθούν. Αυτό το συμπέρασμα είναι, όμως, λανθασμένο. Σκεφτείτε το ακόλουθο σενάριο χειρότερης περίπτωσης. Έστω ότι ο χρόνος για τη διάδοση ενός σήματος ανάμεσα στους δύο πιο απομακρυσμένους σταθμούς είναι τ. Τη στιγμή t 0 ένα σταθμός αρχίζει να μεταδίδει. Μετά από χρόνο τ ε, λίγο πριν φτάσει το σήμα στον πλέον απομακρυσμένο σταθμό, αρχίζει να μεταδίδει και αυτός ο σταθμός. Φυσικά, εντοπίζει σχεδόν αμέσως τη σύγκρουση και σταματάει, αλλά η μικρή ριπή θορύβου που προκλήθηκε από τη σύγκρουση δεν φτάνει μέχρι τον αρχικό σταθμό πριν το χρόνο 2τ ε. Με άλλα λόγια, στη χειρότερη περίπτωση ένας σταθμός δεν μπορεί να είναι βέβαιος ότι έχει καταλάβει το κανάλι μέχρι να μεταδώσει για χρόνο 2τ χωρίς να ανιχνεύσει κάποια σύγκρουση. Για το λόγο αυτόν θα μοντελοποιήσουμε το διάστημα ανταγωνισμού σαν ένα σύστημα ALOHA με υποδοχές οι οποίες έχουν πλάτος ίσο με 2τ. Σε ένα ομοαξονικό καλώδιο μήκους 1 km, το τ 5 μsec. Για λόγους απλότητας, θα υποθέσουμε ότι κάθε υποδοχή περιέχει ακριβώς 1 bit. Αφού καταληφθεί το κανάλι, ο σταθμός μπορεί βέβαια να μεταδώσει με όποιο ρυθμό θέλει, και όχι μόνο με ένα 1 bit ανά 2τ sec. Είναι σημαντικό να κατανοήσουμε ότι ο εντοπισμός συγκρούσεων είναι μια αναλογική διαδικασία. Το υλικό του σταθμού πρέπει να παρακολουθεί το καλώδιο καθώς μεταδίδει. Αν αυτό που διαβάζει διαφέρει από αυτό που στέλνει, γνωρίζει ότι συμβαίνει μια σύγκρουση. Αυτό υπονοεί ότι η κωδικοποίηση του σήματος πρέπει να επιτρέπει τον εντοπισμό των συ-

28