Protokoli v sodobnih telekomunikacijskih omrežjih

Transcript

1 Protokoli v sodobnih telekomunikacijskih omrežjih Drago Hercog Univerza v Ljubljani, Fakulteta za elektrotehniko magistrski študij 2002/2003

2 Sodostop do skupnega medija - Medium Access Control (MAC) Protokoli (podiplomski): V Drago Hercog 2

3 Omrežja LAN (Local Area Networks) MAN (Metropolitan Area Networks) WLAN /Wireless Local Area Networks) satelitska omrežja paketna radijska omrežja dostop do mobilnih omrežij Protokoli (podiplomski): V Drago Hercog 3

4 Multipleks - sodostop multipleks (multiplex): centralni nadzor sodostop (multiple access): porazdeljeni nadzor izvor izvor izvor komunikacijski medij / kanal izvor Protokoli (podiplomski): V Drago Hercog 4 izvor izvor

5 Lokalna/metropolitanska omrežja omrežja z difuzijo omrežja s komutacijo/usmerjanjem Protokoli (podiplomski): V Drago Hercog 5

6 Značilnosti omrežij z difuzijo končno število osebkov skupen prenosni medij difuzijski prenos dostop do medija porazdeljena komutacija Protokoli (podiplomski): V Drago Hercog 6

7 Kanalni sloj OSI Omrežni sloj IEEE 802 Podsloj L LC Podsloj M A C Fizični sloj Protokoli (podiplomski): V Drago Hercog 7

8 Priključitev na medij pasivna priključitev difuzija nekontrolirano širjenje okvirjev aktivna priključitev regeneracija kontrolirano širjenje okvirjev problem zanesljivosti Protokoli (podiplomski): V Drago Hercog 8

9 Topologije skupnega medija Fizična topologija Logična topologija Protokoli (podiplomski): V Drago Hercog 9

10 Fizične topologije skupnega medija: zvezda (ang. star) zvezda s pozivanjem zvezda z difuzijo zvezda s komutacijo zvezda s sodostopom in multipleksiranjem zvezda Protokoli (podiplomski): V Drago Hercog 10

11 Fizične topologije skupnega medija: vodilo (ang. bus) Enojno pasivno vodilo D vojno pasivno vodilo Protokoli (podiplomski): V Drago Hercog A ktivno vodilo 11

12 Fizične topologije skupnega medija: obroč (ang. ring) Protokoli (podiplomski): V Drago Hercog 12

13 Fizične topologije skupnega medija: zančasta (ang. mesh) Protokoli (podiplomski): V Drago Hercog 13

14 Fizične topologije skupnega medija: radiodifuzija Protokoli (podiplomski): V Drago Hercog 14

15 Dimenzije sodostopa do skupnega medija 4-dimenzionalni prostor: T - F - C - S TDMA: časovni sodostop FDMA / WDMA: frekvenčni / valovnodolžinski sodostop CDMA: kodni sodostop SDMA: prostorski sodostop kombinirani sodostop Protokoli (podiplomski): V Drago Hercog 15

16 Klasifikacija metod sodostopa stalna dodelitev kanala (fixed assignment) dodelitev kanala na zahtevo (demand assignment) rezervacija kanala (reservation) pozivanje (polling) naključni dostop (random access) Protokoli (podiplomski): V Drago Hercog 16

17 M etode sodostopa do skupnega medija (M edium Access Control - M A C) sinhrone metode asinhrone metode TDM A SD M A FDM A /W DM A CDM A metode urejenega dostopa (scheduling methods) metode naključnega dostopa (random access methods) metoda z rezervacijami metoda s krožnim dodeljevanjem (round robin) ALOHA CSM A CSM A/CD metoda s pozivanjem metoda z žetonom CSM A/CR (polling) (token passing) centraliziran nadzor porazdeljen nadzor Protokoli (podiplomski): V Drago Hercog 17

18 Metode naključnega dostopa: ALOHA konfiguracija protokol zmogljivost pomen čas odloga ponovne oddaje: T back-off =[0 K-1] T i Protokoli (podiplomski): V Drago Hercog 18

19 ALOHA: čas nevarnosti trka -T 0 T t Protokoli (podiplomski): V Drago Hercog 19 2T

20 Metode naključnega dostopa: slotted ALOHA časovne rezine zmogljivost Protokoli (podiplomski): V Drago Hercog 20

21 Slotted ALOHA: čas nevarnosti trka -T 0 T t T Protokoli (podiplomski): V Drago Hercog 21

22 Zmogljivost protokolov ALOHA / Slotted ALOHA Aloha: S( G) = G e 2G 0.3 Sa( G) Ssa( G) 0.2 Slotted Aloha: S( G) = G e G G 3 Protokoli (podiplomski): V Drago Hercog 22

23 Metode naključnega dostopa: CSMA poslušanje trki zmogljivost algoritem z vztrajnostjo (persistent) brez vztrajnosti (nonpersistent) s p-verjetno vztrajnostjo (p-persistent) Protokoli (podiplomski): V Drago Hercog 23

24 Metoda CSMA z vztrajnostjo poslušaj medij če je medij prost, začni oddajati če je medij zaseden, čakaj, da bo prost, nato začni oddajati po trku počakaj naključno odmerjen čas in ponovi ves postopek Protokoli (podiplomski): V Drago Hercog 24

25 Metoda CSMA brez vztrajnosti poslušaj medij če je medij prost, začni oddajati če je medij zaseden, počakaj naključno odmerjen čas, nato spet poslušaj medij po trku počakaj naključno odmerjen čas in ponovi ves postopek Protokoli (podiplomski): V Drago Hercog 25

26 Metoda CSMA s p-verjetno vztrajnostjo poslušaj medij če je medij prost, z verjetnostjo p začni oddajati ali z verjetnostjo 1-p ponovi postopek po določenem času če je medij zaseden, počakaj, da bo prost, in ponovi gornji postopek po trku počakaj naključno odmerjen čas in ponovi ves postopek Protokoli (podiplomski): V Drago Hercog 26

27 Zmogljivost CSMA odvisna of T p / T a majhna pri velikih omrežjih (velikih T p ) majhna pri hitrih omrežjih (majhnih T a ) Protokoli (podiplomski): V Drago Hercog 27

28 Metode naključnega dostopa: CSMA/CD poslušanje s p-verjetno vztrajnostjo trki detekcija trkov zmogljivost: odvisnost od T p in T i minimalno trajanje okvirja: T i >2 T p največ 16 poskusov oddaje čas odloga ponovne oddaje: T back-off =[0 2 m -1] 512 τ Protokoli (podiplomski): V Drago Hercog 28

29 Metode naključnega dostopa: CSMA/CR vodilo S linijska koda TE1 TA vodilo S/T TE1 TE1 omrežni končnik NT naročniški vod ISDN centrala okvirji LAPD TE2 poslušanje: E vodilo S/T E prioritete D D trki komparator oddajnik NT razrešitev trkov terminal Protokoli (podiplomski): V Drago Hercog 29

30 Metode urejenega dostopa: metoda s pozivanjem krožno pozivanje (neučinkovito!) skupinsko pozivanje Protokoli (podiplomski): V Drago Hercog 30

31 Metode z urejenim dostopom: metoda z žetonom (token passing) logični obroč vrstni red postaj žeton potuje od postaje do postaje postaja, ki želi oddajati: počaka na žeton, ga zadrži, oddaja, odda žeton omejen čas oddajanja (THT - Token Holding Time) eden ali več žetonov (RAR - pozna sprostitev žetona, RAT - zgodnja sprostitev žetona) nadzor nad omrežjem (monitor) Protokoli (podiplomski): V Drago Hercog 31

32 Metode z urejenim dostopom: obroč z žetonom (token ring) metoda z žetonom pozna sprostitev žetona (RAR) Protokoli (podiplomski): V Drago Hercog 32

33 Metode z urejenim dostopom: obroč z žetonom (token ring) žeton: SD (1) okvir: SD (1) AC (1) AC ED (1) FC DA SA podatki FCS (1) (1) (6) (6) (<5000) (4) (1) (1) ED FS SD : Start D elimiter AC: Access Control ED: End Delimiter FC: Frame Control D A : D estination A ddress SA : Source A ddress FCS: Frame Check Sequence FS: Frame Status AC: P T M R (3) (1) (1) (3) P: Priority T: Token M: Monitor R : R eservation Protokoli (podiplomski): V Drago Hercog 33

34 Obroč z žetonom: postopek oddajanja pripravi okvir z določeno prioriteto čakaj na žeton z enako ali nižjo prioriteto če je vrednost R na obroču manjša od prioritete okvirja, povečaj vrednost R po sprejemu uporabnega žetona spremeni bit T in oddaj okvir(je) po sprejemu svojega okvirja preveri FS in oddaj žeton Protokoli (podiplomski): V Drago Hercog 34

35 Obroč z žetonom: postopek sprejemanja regeneriraj okvirje MAC okvir (polje FC): upravljanje DA = lastni naslov: kopiraj okvir in spremeni FS Protokoli (podiplomski): V Drago Hercog 35

36 Obroč z žetonom: upravljanje prioritet (1) okvirji z višjo prioriteto imajo prednost okvirji z enako prioriteto so enakopravni postaja, ki poveča prioriteto obroča, jo je dolžna zmanjšati Protokoli (podiplomski): V Drago Hercog 36

37 Obroč z žetonom: upravljanje prioritet (2) polji žetona/okvirja: P: prioriteta žetona/okvirja (obroča) R: rezervacija spremenljivki postaje Pm: Najvišja prioriteta okvirja na čakanju Pr: zadnja vrednost polja P Rr : zadnja vrednost polja R sklada postaje Sr: Sx: Protokoli (podiplomski): V Drago Hercog 37

38 Obroč z žetonom: upravljanje prioritet (3) oddaja okvirja: P:=Pr R:=0 oddaja žetona: če ( Pm<Pr in Rr<=Pr ) P:=Pr R:=max(Rr,Pm) če ( Pm>=Pr ali Rr>Pr ) P:=max(Pm,Rr), PUSH(Pr to Sr), PUSH(P to Sx) R:=0 Protokoli (podiplomski): V Drago Hercog 38

39 Obroč z žetonom: upravljanje prioritet (4) sprejem žetona s P=Sx: če ( Rr>Sr ) P:=Rr, PUSH(P,Sx) R:=0 če ( Rr<=Sr ) P:=Sr, POP(Sr), POP(Sx) R:=Rr Protokoli (podiplomski): V Drago Hercog 39

40 Obroč z žetonom: upravljanje obroča inicializacija postaje pasivni monitorji aktivni monitor Protokoli (podiplomski): V Drago Hercog 40

41 Metode z urejenim dostopom: vodilo z žetonom (token bus) Uporaba: avtomatizacija proizvodnih procesov Logični vrstni red različen od fizičnega! 1 P=3 N=5 2 P=4 N=3 3 P=2 N=1 4 P=5 N=2 5 P=1 N=4 P=prednik N =naslednik Protokoli (podiplomski): V Drago Hercog 41

42 Metode z urejenim dostopom: vodilo z žetonom (token bus) Prenos podatkov: podobno kot pri TR Postopki upravljanja logičnega obroča: inicializacija obroča, potegovanje za žeton postaja po oddaji žetona čaka odziv naslednika, iskanje naslednika vključitev/izključitev postaja iz obroča Protokoli (podiplomski): V Drago Hercog 42

43 Metode z urejenim dostopom: Fiber Distributed Data Interface FDDI dvojni obroč na osnovi optičnega vlakna 100 Mb/s, do 200 km MAN / hrbtenično omrežje prenos sinhronega in asinhronega prometa Protokoli (podiplomski): V Drago Hercog 43

44 FDDI: osnovno delovanje obroč z žetonom RAT (zgodnja sprostitev žetona) Protokoli (podiplomski): V Drago Hercog 44

45 FDDI: prenos sinhronega in asinhronega prometa protokol časovno omejenega kroženja žetona timed token rotation protocol TTRT =Target Token Rotation Time TRT = Token Rotation Time THT = Token Holding Time THT = TTRT - TRT Protokoli (podiplomski): V Drago Hercog 45

46 FDDI: parametri in zmogljivost TTRT SAT + T i asynch T 2 TTRT d i (SAT = Synchronous Allocation Time) Protokoli (podiplomski): V Drago Hercog 46

47 Upravljanje obroča ring management protocol dodelitev SAT pogajanje o TTRT Protokoli (podiplomski): V Drago Hercog 47

48 Dostop do medija v brezžičnih omrežjih brezžični medij je DIFUZIJSKI MEDIJ

49 Brezžična lokalna omrežja: problemi frekvenčni spekter poldupleksni prenos pogostnost napak interferenca časovna in krajevna odvisnost sprejema problem skrite postaje varnost poraba energije Protokoli (podiplomski): V Drago Hercog 49

50 Problem skrite postaje A A C Protokoli (podiplomski): V Drago Hercog 50

51 Brezžična lokalna omrežja (WLAN) infrastrukturna omrežja centralizirana omrežja dostopovna točka (AP - Access Point) brezžične postaje FDD ali TDD W-NIC W-NIC AP W -NIC W -NIC W -NIC ad-hoc omrežja porazdeljena omrežja brezžične postaje TDD W -NIC W -NIC W -NIC W -NIC Protokoli (podiplomski): V Drago Hercog W -NIC 51

52 Brezžična lokalna omrežja: fizični medij radio IR večji domet, prosojnost ovir, neusmerjene antene problem radijskega spektra ISM (Instrumentation, Scientific, Medical) omejitev moči manjši domet, neprosojnost ovir, usmerjene antene Protokoli (podiplomski): V Drago Hercog 52

53 Metode krmiljenja dostopa do medija v W-LAN CDMA TDMA FDMA CSMA/CD(comb) CSMA/CA Protokoli (podiplomski): V Drago Hercog 53

54 Metode krmiljenja dostopa: CSMA/CD/(comb) glavnik(comb): psevdonaključno zaporedje pred okvirjem A : comb(100110) T R s s s s B: comb(110010) C: comb(101001) D : comb(110101) T: oddaja (Transmit) R: sprejem (Receive) s: poslušanje (sense) Protokoli (podiplomski): V Drago Hercog 54 T T T R R s R s s s s s T T R T R T t t t t

55 Metode naključnega dostopa: CSMA/CA CSMA with Collision Avoidance ko je medij prost, počakaj! četvorni dogovor če ne sprejmeš CTS, ponovi RTS če ne sprejmeš ACK, ponovi data A RTS CT S data A C K /N A K B Protokoli (podiplomski): V Drago Hercog 55

56 Brezžična lokalna omrežja: primeri standardov IEEE HiperLAN Bluetooth dostop do mobilnih omrežij Protokoli (podiplomski): V Drago Hercog 56

57 IEEE a, b, g... radio ISM: 2,4 GHz ali 5GHz domet do nekaj 100 m hitrosti 1 Mb/s 54 Mb/s infrastrukturni in ad-hoc način CDMA CSMA/CA Protokoli (podiplomski): V Drago Hercog 57

58 IEEE : protokolni sklad MAC: Medium Access sublayer Phy: Physical layer PLCP sublayer: Physical Layer Convergence Procedure PMD sublayer: Physical Media Dependent Protokoli (podiplomski): V Drago Hercog 58

59 IEEE : naloge PLCP sinhronizacija okvirja (preamble) format in kodiranje okvirja, hitrost prenosa, dolžina okvirja (glava PLCP) preamble glava PL C P podatki M A C CR C Protokoli (podiplomski): V Drago Hercog 59

60 IEEE : MAC CSMA/CA RTS in CTS: opcija RTS in CTS vsebujeta čas oddajanja Protokoli (podiplomski): V Drago Hercog 60

61 IEEE : prioritete Minimalni odlog oddajanja: InterFrame SPACE (IFS) SIFS: Short InterFrame Space PIFS: Point Coordination InterFrame Space DIFS: Distributed InterFrame Space EIFS: Extended InterFrame Space SIFS < PIFS < DIFS < EIFS ACK: čakaj SIFS, RTS: čakaj DIFS Maksimalni odlog: CW (Contention Window) Protokoli (podiplomski): V Drago Hercog 61

62 IEEE : varčevanje moči varčevanje energije mobilnih postaj postaja je lahko v stanju spanja AP shranjuje okvirje spečih postaj AP občasno obvešča speče postaje o prispelih paketih AP pošlje okvirje speči postaji na zahtevo Protokoli (podiplomski): V Drago Hercog 62

63 Dostop mobilnih postaj do omrežja GSM

64 Značilnosti omrežja GSM Povezavno orientirana komunikacija Vodovno komutirane zveze Mobilnost Celično omrežje Komunikacija prek radijskega vmesnika Protokoli (podiplomski): V Drago Hercog 64

65 GSM: celično omrežje MS BTS BSC Protokoli (podiplomski): V Drago Hercog k drugim MSCs et GMSCs 65

66 GSM: celica Protokoli (podiplomski): V Drago Hercog 66

67 GSM - Sodostop v celici: fizični kanali f f F D M A nosilec f 2 f 1 f čas.rezina čas. presledek okvir T D M A t Protokoli (podiplomski): V Drago Hercog 67

68 Komunikacijske ravnine in njihove funkcije Komunikacijske ravnine Uporabniška ravnina: prenos uporabniške informacije, kompresija, linijsko kodiranje, šifriranje Krmilna ravnina: signalizacija, upravljanje mobilnosti Upravljalska ravnina: upravljanje dostopovnega omrežja in radijskih virov Protokoli (podiplomski): V Drago Hercog 68

69 Komunikacijske ravnine in njihove funkcije prenos uporabniške informacije signalizacija upravljanje radijskih virov upravljanje mobilnosti upr. BSC in r. virov nižji sl. nižji sl. nižji sl. MS Um BTS Abis BSC A MSC nižji sloji upravljalska r. krmilna r. uporabniška r. Protokoli (podiplomski): V Drago Hercog 69

70 Arhitektura protokolov dostopovnega omrežja CM CM MM MM RR RR BTSM RR BSSMAP BSSMAP BTSM SCCP SCCP LAPDm phy MS LAPDm phy LAPD phy LAPD Um Abis A BTS BSC MSC phy MTP MTP Protokoli (podiplomski): V Drago Hercog 70

71 GSM - Sodostop v celici: logični kanali skupni kanali FCCH SCH BCCH RACH AGCH PCH namenski kanali SDCCH TCH SACCH FACCH Protokoli (podiplomski): V Drago Hercog 71

72 Dostop do omrežja GSM MS zahteva po kanalu AGCH RACH dodelitev signalizacijskega kanala omrežje MS zahteva po kanalu PCH AGCH RACH poziv mobilni postaji dodelitev signalizacijskega kanala omrežje Protokoli (podiplomski): V Drago Hercog 72

73 Vzpostavitev namenskega kanala na zahtevo MS MS omrežje RACH/RR-ChannelRequest [ref] AGCH/RR-ImmediateAssignment [channel,ref,ta] SDCCH/LAPDm-SABM/MM-request] SDCCH/LAPDm-UA/MM-request vzpostavljen signalizacijski kanal signalizacija Protokoli (podiplomski): V Drago Hercog 73

74 Vzpostavitev namenskega kanala na zahtevo omrežja MS omrežje PCH/RR-PagingRequest [IMSI,TMSI] RACH/RR-ChannelRequest [ref] AGCH/RR-ImmediateAssignment [channel,ref,ta] SDCCH/LAPDm-SABM/ RR-PagingResponse SDCCH/LAPDm-UA/ RR-PagingResponse vzpostavljen signalizacijski kanal signalizacija Protokoli (podiplomski): V Drago Hercog 74

75 Trk v kanalu RACH MS zahteva po signalizacijskem kanalu RACH zahteva po signalizacijskem kanalu MS omrežje Protokoli (podiplomski): V Drago Hercog 75

76 Tekmovanje za kanal RACH poslušanje kanala BCCH zahteva sloja MM m krat pošlji ConnectRequest(ref) v naključno izbrano rezino RACH če prispe ImmediateAssignment v AGCH, vzpostavi signalizacijski kanal če prispe Immediate AssignmentReject v AGCH, počakaj T3122 če ni odgovora, poročaj sloju MM Protokoli (podiplomski): V Drago Hercog 76