Επίπεδο Σύνδεσης Δεδομένων

Transcript

1 Επίπεδο Σύνδεσης Δεδομένων Είναι το δεύτερο επίπεδο στην διαστρωμάτωση του OSI/ISO (μετρώντας από κάτω πρός τα πάνω) Data Link Layer (DLL). Στόχος του είναι η αποδοτική και αξιόπιστη επικοινωνία γειτονικών κόμβων. είναι οι κόμβοι που συνδέονται με ένα κανάλι επικοινωνίας. Α Β Α Β Γειτονικοί Κόμβοι Απομακρυσμένοι Κόμβοι (μή γειτονικοί) 1

2 Επίπεδο Σύνδεσης Δεδομένων Οι γειτονικοί κόμβοι μπορεί να είναι: μέλη ενός τοπικού δικτύου (LAN). δύο κόμβοι με απευθείας ζεύξη. Δίκτυο Πολλαπλής Πρόσβασης Δίκτυο Σημείο-προς-Σημείο Δημιουργούνται τα εξής σημαντικά ζητήματα: Αντιμετώπιση των σφαλμάτων που προκαλεί το κανάλι (λόγω βλαβών μετάδοσης). Συντονισμός πρόσβασης στο κοινό κανάλι επικοινωνίας. 2

3 Επίπεδο Σύνδεσης Δεδομένων Παροχή υπηρεσιών στο υψηλότερο επίπεδο (επίπεδο δικτύου). Θεμελιώδης υπηρεσία: μεταφορά δεδομένων από το επίπεδο δικτύου του ενός κόμβου στο επίπεδο δικτύου του άλλου με αξιόπιστο και αποδοτικό τρόπο. 3

4 Επίπεδο Σύνδεσης Δεδομένων Το DLL λαμβάνει «πακέτα» από το επίπεδο δικτύου Τα ενθυλακώνει σε πλαίσια (frames) Κεφαλίδα (Header) Επίμετρο (Trailer) 4

5 Επίπεδο Σύνδεσης Δεδομένων Οι τυπικές υπηρεσίες που παρέχονται είναι: Ασυνδεσμική υπηρεσία χωρίς επιβεβαιώσεις ο κόμβος-αποστολέας απλά μεταδίδει δεδομένα χωρίς να τον απασχολεί η ορθή λήψη των δεδομένων από τον παραλήπτη κατάλληλη για εφαρμογές πραγματικού χρόνου Ασυνδεσμική υπηρεσία με επιβεβαιώσεις η λήψη κάθε ομάδας δεδομένων (πακέτο) πρέπει να επιβεβαιωθεί. Εάν δεν ληφθεί επιβεβαίωση από τον παραλήπτη μέσα σε ένα προκαθορισμένο χρονικό διάστημα το πακέτο μεταδίδεται ξανά. αξιοπιστία (χρησιμή υπηρεσία στα μή αξιόπιστα κανάλια, όπως οι ασύρματες ζεύξεις) Συνδεσμοστρεφής υπηρεσία με επιβεβαιώσεις Οι κόμβοι «συμφωνούν» να επικοινωνήσουν (εγκαθιδρύεται μία λογική σύνδεση). Κάθε πακέτο αριθμείται και μεταδίδεται και λαμβάνεται σε σειρά. Αντίθετα στην ασυνδεσμική υπηρεσία μπορεί να χαθεί μία επιβεβαίωση και επομένως ένα συγκεκριμένο πακέτο μπορεί να παραληφθεί πολλές φορές. 5

6 Επίπεδο Σύνδεσης Δεδομένων Παράδειγμα γειτονικών δρομολογητών. 6

7 Επίπεδο Σύνδεσης Δεδομένων Η αντιμετώπιση των σφαλμάτων λαμβάνει χώρα σε δύο φάσεις: Πλαισίωση (framing) των δεδομένων. Ανίχνευση και διόρθωση των σφαλμάτων σε κάθε πλαίσιο. Για τον συντονισμό της πρόσβασης στο κοινό μέσο μετάδοσης υπεύθυνο είναι το Υπο-επίπεδο Πρόσβασης στο Μέσο (Medium Access Control MAC): Παρέχει διευθυνσιοδότηση. Μηχανισμούς (πρωτόκολλα) συντονισμού πρόσβασης. 7

8 Πλαισίωση Το DLL χρησιμοποιεί τις υπηρεσίες του PHY: λαμβάνει μια ανεπεξέργαστη ροή από μονάδες πληροφορίας (bits). η ροή ενδέχεται να περιέχει σφάλματα. το πλήθος των bit που λαμβάνονται μπορεί να διαφέρει από αυτό που αρχικά μεταδόθηκαν. Για να λόγους διαχείρισης είναι θεμιτό να ομαδοποιηθούν σε πλαίσια (frames). οι ομάδες έχουν συνήθως μέγεθος μερικές εκατοντάδες ή χιλιάδες bytes

9 Τεχνικές Πλαισίωσης Χρονικά Χάσματα Εισαγωγή χρονικών χασμάτων (κενών) μεταξύ των ομάδων (ανάλογα με τα κενά που βάζουμε ανάμεσα στις λέξεις). Αρχικά Με χρονικά χάσματα gap gap gap Μειονέκτημα στα δίκτυα σπανίως παρέχονται εγγυήσεις χρονισμού. ενδεχομένως τα χρονικά κενά να εξαφανιστούν Η μέθοδος αυτή δεν χρησιμοποιείται 9

10 Τεχνικές Πλαισίωσης Μετρητές Χαρακτήρων Μετρητές Χαρακτήρων. Χρησιμοποίηση ενός πεδίου στη επικεφαλίδα του DLL που να προσδιορίζει πόσοι χαρακτήρες περιέχονται στο πλαίσιο. Πρόβλημα: Η αλλοίωση του μετρητή. 10

11 Τεχνικές Πλαισίωσης Byte Σημαίας Byte Σημαίας Επιβάλλει σε κάθε πλαίσιο να ξεκινά και να τελειώνει με μία ειδική ακολουθία από bits (byte σημαίας Flag Byte). Παρακάμπτεται το πρόβλημα της αλλοίωσης του μετρητή χαρακτήρων. Ο παραλήπτης μπορεί να εντοπίσει την αρχή και το τέλος του πλαισίου ακόμα και εάν αλλοιωθεί το flag byte. Πρόβλημα: Έστω ότι το flag byte είναι η ακολουθία Τι θα συμβεί εάν εμφανιστεί αυτή η ακολουθία μέσα στο πλαίσιο ως δεδομένα; Ο δέκτης θα νομίζει ότι πρόκειται για την αρχή ή το τέλος του πλαισίου. Λύση: όπου εμφανίζεται ίδια ακολουθία με το flag byte μέσα στο πλαίσιο, τοποθετείται ένας ειδικός χαρακτήρας (ESC byte) πρίν από την ακολουθία αυτή (συμπλήρωση με byte). 11

12 Τεχνικές Πλαισίωσης Συμπλήρωση με Byte Μειονέκτημα: οι FLAG και ESC χαρακτήρες που εμφανίζονται στο payload field είναι 8-bit. Άλλες κωδικοποιήσεις (π.χ. UNICODE) χρησιμοποιούν 16-bit χαρακτήρες και πολλές φορές χρησιμοποιούνται χαρακτήρες τυχαίου μήκους. 12

13 Τεχνικές Πλαισίωσης Σημαίες Αρχής και Τέλους με συμπλήρωση bit Σε αυτή τη τεχνική υπάρχει ένα byte σημαίας για την αρχή και τέλος του πλαισίου (6 άσσοι) Αποστολέας εάν υπάρχουν 5 συνεχόμενα bit 1 στα δεδομένα, συμπληρώνεται αυτομέτως ένα bit 0. Παραλήπτης εάν συναντήσει 5 συνεχόμενα bit 1 στα δεδομένα ακολουθούμενα με ένα bit 0, τότε αφαιρεί αυτομάτος το bit 0. Data Data (same as flag) Data transmitted Data (after bit stuffing) Data at receiver (after de-stuffing) 13

14 Τεχνικές Πλαισίωσης Συνδιαστικές Τεχνικές Συνδιαστική Χρήση Μετρητή Χαρακτήρων Σημαίας Ελέγχου σφαλμάτων Κατά την λήψη ενός πλαισίου ελέγχεται ο μετρητής χαρακτήρων εντοπίζεται το τέλος του πλαισίου το πλαίσιο γίνεται δεκτό εάν στη θέση αυτή υπάρχει το FLAG byte και ο έλεγχος σφαλμάτων είναι σωστός Δείχνει το FLAG (τέλους) FLAG (αρχής) Μετρητής DATA DATA Έλεγχος Σφαλμάτων FLAG (τέλους) 14

15 Έλεγχος και Διόρθωση Σφαλμάτων Γενικό σχεδιάγραμμα Error Detection and Correction - EDC : Αποστολέας Δεδομενόγραμμα Επίπεδο δικτύου Επίπεδο σύνδεσης Δεδομενόγραμμα NAI Παραλήπτης D =OK? OXI D EDC D EDC Επίπεδο φυσικό Κανάλι Εμπλουτισμός του πλαισίου προς αποστολή με bits EDC τα οποία θα βοηθήσουν τον δέκτη να εντοπίσει και (ενδεχομένως) να διορθώσει σφάλματα και αλλοιώσεις. 15

16 Έλεγχος Ισοτιμίας Απλούστερη μορφή ανίχνευσης σφαλμάτων. Τοποθετείται ένα επιπλέον bit στο πλαίσιο προς αποστολή. Εάν τα δεδομένα που θα αποσταλλούν περιλαμβάνουν d bits, τότε ο αποστολέας εισάγει ένα πρόσθετο bit στα δεδομένα πρός αποστολή (σύνολο d+1). Το πρόσθετο bit (parity bit) επιλέγεται κατά τέτοιον τρόπο, ώστε: το σύνολο των «άσσων» στο πλαίσιο (συμπεριλαμβάνομένου και του parity bit) να είναι άρτιος αριθμός (άρτια ισοτιμία). το σύνολο των «άσσων» στο πλαίσιο (συμπεριλαμβάνομένου και του parity bit) να είναι περιττός αριθμός (περιττή ισοτιμία) Ο δέκτης πρέπει να γνωρίζει από πριν εάν πρόκειται να χρησιμοποιηθεί άρτια ή περιττή ισοτιμία. Για άρτια ισοτιμία μετρά τους «άσσους» στο πλαίσιο και εάν είναι άρτιος κανένα σφάλμα δεν σημειώθηκε. παρομοίως για περιττή ισοτιμία. 16

17 Παραδείγματα Άρτιας Ισοτιμίας: Έλεγχος Ισοτιμίας Αποστολέας Παραλήπτης Κανένα Σφάλμα d bits Parity bit d bits Parity bit Αποστολέας Παραλήπτης Σφάλμα d bits Parity bit d bits Parity bit Αποστολέας Παραλήπτης d bits Parity bit d bits Parity bit Κανένα Σφάλμα Λάθος εκτίμηση 17

18 Εφαρμογή Ι: Έλεγχος Ισοτιμίας Κάνοντας χρήση της ASCII-7 κωδικοποίησης επιθυμούμε να μεταδώσουμε την λέξη world. Nα γράψετε τις ακολουθίες bit που θα μεταδοθούν εάν υποθέσουμε μηχανισμό άρτιας και περιττής ισοτιμίας. 18

19 Διδιάστατη Ισοτιμία Χρήση parity bits για την διόρθωση σφαλμάτων: Τοποθέτηση των d bits σε πίνακα με i στηλες και j γραμμές: 19

20 Παράδειγμα με άρτια ισοτιμία: Διδιάστατη Ισοτιμία 20

21 Διδιάστατη Ισοτιμία Διδιάστατη Ισοτιμία: Ανίχνευση και δυνατότητα διόρθωσης περιττού αριθμού σφαλμάτων Ανίχνευση άρτιου αριθμού σφαλμάτων σε μια μόνο γραμμή ή στήλη Προστατεύει σε όλες τις περιπτώσεις; Άρτιο αριθμό σφαλμάτων σε γραμμές και στήλες Column Parity Row Parity

22 Εφαρμογή ΙΙ: Διδιάστατη Ισοτιμία Να γράψετε τις ακολουθίες των bit που θα μεταδοθούν για την λέξη world του προηγούμενου παραδείγματος με δισδιάστατη άρτια ισοτιμία. Εάν κατά την μετάδοση το γράμμα r αλλοιωθεί έτσι ώστε τελικώς να ληφθεί ως q, θα είναι σε θέση ο δέκτης να αντιληφθεί και να διορθώσει το σφάλμα? Να δικαιολογηθεί η απάντηση σας. εάν και το γράμμα l αλλοιωθεί έτσι ώστε τελικώς να ληφθεί ως o θα μπορέσει ο δέκτης να ανιληφθεί το σφάλμα? 22

23 Έλεγχος Αθροίσματος Ο έλεγχος αθροίσματος χρησιμοποιείται για τον έλεγχο σφαλμάτων: Ο αποστολέας εκτελεί τα εξής βήματα: Το σύνολο των δεδομένων χωρίζεται σε n τμήματα, το καθένα με k bits. Τα τμήματα αθροίζονται Παίρνουμε το συμπλήρωμα ως προς 1 του αθροίσματος (checksum). Στέλνεται μαζί με τα δεδομένα. Παράδειγμα: Έστω ότι έχουμε 16 bit προς μετάδοση: Χωρίζονται σε δύο τμήματα των 8 bit και αθροίζονται (αποτέλεσμα ) Το συμπλήρωμα ως προς 1 του αθροίσματος είναι το checksum ( ). Μεταδίδονται και τα 24 bits (δεδομένα και checksum). 23

24 Έλεγχος Αθροίσματος Ο παραλήπτης εκτελεί τα εξής βήματα: Το σύνολο των δεδομένων χωρίζεται σε n τμήματα, το καθένα με k bits. Τα τμήματα αθροίζονται. Το αποτέλεσμα αθροίζεται με το checksum. Εάν το αποτέλεσμα είναι άσσοι, δεν υπάρχει σφάλμα. Παράδειγμα: Ο παραλήπτης λαμβάνει: Χωρίζονται τα δεδομένα σε δύο τμήματα των 8 bit και αθροίζονται (αποτέλεσμα ) Αθροίζουμε με το checksum ( ). Το πλαίσιο γίνεται αποδεκτό. 24

25 Έλεγχος Αθροίσματος Εφαρμογή Ι: Έστω ότι ένας αποστολέας διαθέτει τα ακόλουθα τρία bytes προς μετάδοση: a) Να βρεθεί ο έλεγχος αθροίσματος που θα τοποθετήσει ο αποστολέας στο πλαίσιο προς μετάδοση b) Εάν συμβεί αλλοίωση ενός bit, θα μπορέσει ο παραλήπτης να την ανιχνεύσει; c) Εάν συμβεί αλλοίωση σε δύο bit, θα μπορέσει ο παραλήπτης να την ανιχνεύσει; 25

26 Για ποιόν λόγο χρειάζεται; Υποεπίπεδο MAC Συντονισμός Δικαιοσύνη 26

27 Υποεπίπεδο MAC Η πρόσβαση σε κοινό μέσο μετάδοσης απαιτεί συντονισμό. Δύο τρόποι ελέγχου πρόσβασης: Κεντρικός Κατανεμημένος Κεντρικός Έλεγχος Πρόσβασης Ένας κεντρικός ελεγκτής (κόμβος) παραχωρεί πρόσβαση στους σταθμούς τους δικτύου (polling master). Ξεκάθαρος έλεγχος (δεν υπάρχουν διενέξεις σταθμών). Μοναδικό σημείο αστοχίας (single point of failure). Συμφόρηση (congestion). 27

28 Υποεπίπεδο MAC Κατανεμημένος Έλεγχος Πρόσβασης Όλοι οι σταθμοί εκτελούν ένα κοινό σύνολο κανόνων. Αποκέντρωση. Απομόνωση σταθμού με βλάβη. Σημαντικό φαινόμενο που λαμβάνει χώρα σε LAN με κατανεμημένο έλεγχο πρόσβασης: Δικτυακές Συγκρούσεις παραπάνω από μία δικτυακές συσκευές (network device) επιχειρούν να μεταδώσουν ένα πλαίσιο δεδομένων (data frame) στο κοινό μέσο μετάδοσης (shared medium). θεωρούνται οι αλλαγές στη στάθμη του σήματος που μεταδίδεται στο μέσο. 28

29 Υποεπίπεδο MAC Πώς αποφεύγουμε και ανακάμπτουμε από τις συγκρούσεις; Με καθορισμό σαφών κανόνων για το ποιός θα μεταδώσει. Με επανεκπομπή των χαμένων πακέτων (πακέτων που έχουν υποστεί σύγκρουση). Η συχνότητα τους επηρεάζει την απόδοση των πρωτοκόλλων και άρα την σχεδιαστική τους πληρότητα. 29

30 Εκχώρηση Καναλιού Στατικός τρόπος εκχώρησης καναλιού Πολύπλεξη με Διαίρεση Συχνότητας (Frequency Division Multiplexing FDM) Πολύπλεξη με Διαίρεση Χρόνου (Time Division Multiplexing TDM) FDM Χρησιμοποιείται για την μεταφορά αναλογικών ή/και ψηφιακών δεδομένων πάνω από αναλογικά σήματα Ν σταθμοί διαίρεση εύρους ζώνης σε N τμήματα ίσου μεγέθους (Ν κανάλια) σε κάθε σταθμό ανατίθεται ένα τμήμα (κανάλι) 30

31 FDM 31

32 FDM 32

33 FDM FDM στο ADSL Προβλήματα της FDM μεταβαλλόμενος αριθμός χρηστών χαμένο εύρος ζώνης (#χρηστών<ν) ή αδυναμία εξυπηρέτησης (#χρηστών>ν) ανενεργοί χρήστες χαμένο εύρος ζώνης Εφαρμογή Ι: Θεωρήστε ότι το τηλεφωνικό κανάλι έχει εύρος 4 KHz. Πόσα τηλεφωνικά κανάλια μπορούν να μεταδοθούν μέσα από μία τηλεπικοινωνιακή γραμμή με εύρος συχνοτήτων 60 KHz 108 KHz; 12 33

34 TDM TDM Αντίστοιχη της FDM αλλά πολύπλεξη στον χρόνο. Ο χρόνος χωρίζεται σε τμήματα (slots θυρίδες/σχισμές). Σε κάθε χρήστη παραχωρείται στατικά μια σχισμή. Μπορεί να μεταδώσει μόνο όταν έρθει η ώρα της δικιάς του σχισμής και για όσο διαρκεί αυτή. 34

35 TDM η TDM χρησιμοποιείται για την μετάδοση ψηφιακών δεδομένων πάνω από ψηφιακά ή αναλογικά σήματα. Παρόμοια προβλήματα με την FDM κάποια slots παραμένουν αδρανή εάν ο χρήστης στον οποίο έχει εκχωρηθεί αυτό είναι ανενεργός. Εφαρμογή ΙΙ: Τα ψηφιακά τηλεφωνικά κέντρα πολυπλέκουν με TDM 30 τηλεφωνικά κανάλια. Άλλα 2 κανάλια χρησιμοποιούνται για ειδικούς σκοπούς. Αν το μήκος του πλαισίου είναι 125 ms, πόσο διαρκεί κάθε slot; 3.90ms 35

36 Προσπέλαση στο Φυσικό Μέσο Το βασικό πρόβλημα που καλείται να αντιμετωπίσει το επίπεδο MAC Δημοφιλή Πρωτόκολλα Τυχαίας Πρόσπέλασης (Random Access): ALOHA slotted ALOHA CSMA Πολλαπλή Πρόσβαση με Ακρόαση Φέροντος CSMA/CD Πολλαπλή Πρόσβαση με Ακρόαση Φέροντος και Ανίχνευση Συγκρούσεων. CSMA/CA Πολλαπλή Πρόσβαση με Ακρόαση Φέροντος και Αποφυγή Συγκρούσεων. Πρωτόκολλα Εναλλαγής Σειράς (Taking Turns) Token Πέρασμα Κουπονιού 36

37 ALOHA Norman Abramson, Hawaii, 1970 Σχεδιάστηκε για την απομακρυσμένη ασύρματη διασύνδεση κόμβων σε έναν κεντρικό υπολογιστή (hub) Οι κόμβοι διαμοιράζονται την ίδια ραδιοσυχνότητα για την μετάδοση πακέτων πληροφορίας προς το κεντρικό hub Ο κεντρικός κόμβος χρησιμοποιεί διαφορετική ραδιοσυχνότητα για την μετάδοση επιβεβαιώσεων Λέγεται και καθαρό ALOHA (pure ALOHA) Αποτέλεσε τον πρόδρομο των πιο σύγχρονων πρωτοκόλλων CSMA/CD (Ethernet) Τα δεδομένα τοποθετούνται σε πλαίσια και το κάθε πλαίσιο έχει σταθερό μέγεθος. 37

38 Σύνολο κανόνων ALOHA Τα δεδομένα τοποθετούνται σε πλαίσια και το κάθε πλαίσιο έχει σταθερό μέγεθος. Ένας σταθμός που έχει πλαίσιο προς μετάδοση (ενεργός σταθμός), το μεταδίδει άμεσα Κατόπιν περιμένει για επιβεβαίωση λήψης (ACK) Μέγιστο χρονικό διάστημα αναμονής: ~RTT μεταξύ των πιο απομακρυσμένων σταθμών Εάν δεν ληφθεί η επιβεβαίωση περιμένει τυχαίο χρονικό διάστημα και ξαναπροσπαθεί Έπειτα από επανειλλημένες προσπάθειες τα «παρατά» και συνεχίζει με το επόμενο πλαίσιο πρός μετάδοση 38

39 ALOHA Όσο μεγαλύτερος ο αριθμός των σταθμών που είναι ενεργοί (διαθέτουν πακέτα προς μετάδοση): μεγαλύτερη πιθανότητα σύγκρουσης λιγότερες μεταδόσεις με επιτυχία μικρότερη απόδοση 39

40 Δίκτυο N κόμβων Απόδοση Καθαρού ALOHA Έστω ότι ο κάθε κόμβος μεταδίδει ένα πακέτο με πιθανότητα p. Εξετάζουμε έναν κόμβο Η πιθανότητα ότι αυτός ο κόμβος θα μεταδώσει ένα πλαίσιο την χρονική στιγμή t 0 είναι p. Για να είναι επιτυχημένη η μετάδοση του πλαισίου θα πρέπει στο διάστημα [t 0 -t,t 0 +t] να μην μεταδώσει άλλος σταθμός. (t=l frame /c) Οι N-1 κόμβοι παραμένουν «σιωπηλοί» με πιθανότητα 1-p ο κάθε ένας. Slot time Slot time t 0 -t t 0 +t t 0 Πιθανότητα επιτυχούς μετάδοσης του υπό εξέταση κόμβου p success p(1 p) 2( N 1) 40

41 Απόδοση Καθαρού ALOHA Αυξανομένης της «διάθεσης» του κόμβου για μετάδοση (Load), η επιτυχημένη λήψη (Throughput) ακολουθεί. Μεγιστοποιείται και κατόπιν φθίνει (οι συγκρούσεις διαδραματίζουν κεντρικό ρόλο) Το πρωτόκολλο ανταποκρίνεται για «ελαφρώς» ενεργούς σταθμούς. 41

42 Απόδοση Καθαρού ALOHA Throughput (S) επιτυχημένη λήψη πακέτων στη μονάδα του χρόνου Offered Load (G) προσφερόμενο φορτίο (πακέτα που μεταδίδονται στη μονάδα του χρόνου) Ιδανικά S = G Αλλά υπάρχουν συγκρούσεις, άρα: S < G Ποιό είναι το μέγιστο S στο ALOHA? S = G P[frame suffers no collision] Μοντελοποίηση του προσφερόμενου φορτίου με Poisson κατανομή με ρυθμό G: P[k πλαίσια παράγονται σε διάστημα t] = e Gt Gt k! k, t = slot time 42

43 Απόδοση Καθαρού ALOHA Εμείς ζητούμε στο διάστημα 2t να μην μεταδωθούν πακέτα (εκτός του κόμβου που εξετάζουμε: G e G P[k=0] = = 0! e 2G Άρα: S = G e 2G t 0 -t t t t t 0 +t 0 ds Για να βρούμε για ποια τιμή του G το S μεγιστοποιείται (S max ) 0 dg ds d 2G d 2G 2G d 2G 2G 2 G e G e e G 2G e e 2G e dg dg dg dg G Άρα: e 2G 2G e 2G 0 G 1 2 Για G = 0.5 S max = 1/2e =

44 Θυριδωτό ALOHA Slotted ALOHA (Roberts 1972). Αποτελεί βελτίωση του pure ALOHA. Ο χρόνος οργανώνεται σε σχισμές (θυρίδες) σταθερή διάρκεια. ίση με το χρόνο μετάδοσης ενός πλαισίου (με σταθερό μέγεθος). Ο κάθε κόμβος που έχει πλαίσιο προς μετάδοση, επιτρέπεται να το μεταδώσει μόνο στην αρχή κάθε slot. Απαιτείται συγχρονισμός! Ένας σταθμός στέλνει ένα σήμα συγχρονισμού προς όλους τους άλλους. 44

45 Απόδοση Θυριδωτού ALOHA Αρκεί να «σιωπήσουν» Ν-1 κόμβοι για να υπάρξει επιτυχής μετάδοση: p success p(1 p) N 1 Πιθανότητα Επιτυχούς Μετάδοσης, p success Πιθανότητα μετάδοσης ενός κόμβου 45

46 Απόδοση Θυριδωτού ALOHA Ίδια διαδικασία με το pure ALOHA, μόνο που G P[k=0] = e G = 0! 0 e G Άρα: S = G e G Παρομοίως το S μεγιστοποιείται όταν: ds dg 0 e G G e G 0 G 1 Για G = 1 S max = 1/e = Διπλασιασμός της απόδοσης 46

47 Ασκήσεις Εφαρμογή Ι: Να βρεθεί η πιθανότητα επιτυχούς μετάδοσης ενός κόμβου που συμμετέχει σε ένα τοπικό δίκτυο 5 κόμβων (υποθέστε ότι όλοι οι κόμβοι μεταδίδουν με σταθερή και ίση πιθανότητα p=0.3), όταν: ο μηχανισμός πρόσβασης είναι το καθαρό ALOHA ο μηχανισμός πρόσβασης είναι το θυριδωτό ALOHA ~0.017 ~0.072 Εφαρμογή ΙΙ: Θεωρούμε τρείς ενεργούς κόμβους (n 1, n 2 και n 3 ) οι οποίοι διαγωνίζονται για την κατάληψη του μέσου κάνοντας χρήση του θυριδωτού ALOHA. Ο κάθε κόμβος μεταδίδει με πιθανότητα p i, όπου i=1,2,3. να βρεθεί μια έκφραση της πιθανότητας, P s, επιτυχούς μετάδοσης ενός πλαισίου σε μία θυρίδα σε συνάρτηση με τα p 1, p 2, p 3. πώς γίνεται η παραπάνω έκφραση εάν p 1 =p 2 =p 3 ; 3p(1-p) 2 Ποιό θα είναι το throughput του δικτύου εάν ο συνολικός ρυθμός μετάδοσης του καναλιού είναι R; 3Rp(1-p) 2 Εφαρνογή ΙΙΙ: Έστω ένα δίκτυο θυριδωτού ALOHA χωρητικότητας 10 Mbps με δύο ενεργούς κόμβους (n 1 και n 2 ). Ο κάθε κόμβος έχει άπειρα πλαίσια προς μετάδοση. Ο n 1 μεταδίδει με πιθανότητα p 1 =0.8. Ποια πρέπει να είναι η πιθανότητα μετάδοσης του n 2 εάν επιθυμεί throughput 1 Mbps; Ποιο θα είναι το συνολικό throughput; p 2 =0.5, T=5Mbps 47

48 CSMA Βασικό μειονέκτημα του ALOHA: Η απόφαση ενός κόμβου να μεταδώσει λαμβάνεται ανεξάρτητα από την δραστηριότητα των υπολοίπων που βρίσκονται στο κανάλι εκπομπής. Βελτίωση με το CSMA: Ορισμός κανόνων που προσομοιάζουν μια «πολιτισμένη συζήτηση» «Άκου πρίν μιλήσεις» (Listen-before-talk) Ανίχνευση Φέροντος Ο κάθε κόμβος αφουγκράζεται το κανάλι Πολλαπλής Πρόσβασης (Multiple Access) πριν μεταδώσει. Αν το βρει κατηλλειμένο αναμένει ένα προκαθορισμένο χρονικό διάστημα και ξανα-ανιχνεύει. Μόλις το βρει αδρανές, μεταδίδει άμεσα. 48

49 Διάγραμμα Χώρου-Χρόνου: CSMA Και εδώ μπορούν να συμβούν συγκρούσεις. Πότε; Ο χρόνος διάδοσης (propagation delay) παίζει σημαντικό ρόλο στην απόδοση του πρωτοκόλλου. Μεγάλος χρόνος διάδοσης μεγάλη πιθανότητα σύγκρουσης Μικρός χρόνος διάδοσης μικρή πιθανότητα σύγκρουσης Οι κόμβοι δεν αντιλαμβάνονται την ύπαρξη συγκρούσεων και συνεχίζουν την μετάδοση ο χρόνος μετάδοσης του πλαισίου είναι χαμένος Χωρική κατανομή κόμβων B D 49

50 CSMA/CD «Συνέχισε να ακούς όταν μεταδίδεις» (Collision Detect) Ανίχνευση Σύγκρουσης Μόλις εκπέμψει ο κόμβος συνεχίζει να «ακούει» το κανάλι για λαμβανόμενο σήμα. Εάν ανακαλύψει αλλοίωση, σταματά άμεσα. Περιμένει τυχαίο χρονικό διάστημα και ξαναπροσπαθεί. Διακοπή μετάδοσης. Αποφυγή της κατάληψης του καναλιού για μεγάλο χρονικό διάστημα με κατεστραμμένα πλαίσια. Αύξηση της απόδοσης. 50

51 CSMA/CD Αλγόριθμος και Διάγραμμα Ροής: 1. NIC (κάρτα δικτύου) δέχεται πακέτο από το επίπεδο δικτύου. 2. Εάν η NIC ανιχνεύσει αδρανές κανάλι, ξεκινά την μετάδοση. Εάν το ανιχνεύσει κατειλλιμένο, περιμένει μέχρι να γίνει αδρανές, και μετά μεταδίδει. 3. Εάν η NIC μεταδώσει ολόκληρο το πλαίσιο χωρίς να ανιχνεύσει άλλη μετάδοση, τότε η NIC ολοκλήρωσε επιτυχώς την μετάδοση. 4. Εάν η NIC ανιχνεύσει άλλη μετάδοση, σταματά και στέλνει ένα jam signal 5. Μετά την ακύρωση της μετάδοσης, η NIC εισέρχεται στην φάση τυχαίας αναμονής binary (exponential) backoff: 51

52 Αναμονή έπειτα από σύγκρουση Αλγόριθμος δυαδικής εκθετικής οπισθοχώρησης (Binary Exponential Backoff BEB). Ο χρόνος διαιρείται σε σχισμές (slots) Η διάρκεια κάθε σχισμής είναι προκαθορισμένη (51,2 μs στο Ethernet) Μετά την πρώτη σύγκρουση οι κόμβοι που εμπλέκονται επιλέγουν έναν αριθμό k μεταξύ [0, 1] (backoff window) με ομοιόμορφη κατανομή. Αναμένουν χρόνο ίσο με k slot time. Άρα η πιθανότητα σύγκρουσης 50%. Εάν συμβεί πάλι σύγκρουση οι επιλογές διπλασιάζονται (0, 1, 2, 3 slots). Άρα η πιθανότητα μειώνεται στο 25% Γενικά μετά από i συγκρούσεις επιλέγεται ένας τυχαίος αριθμός ανάμεσα στο 0 και στο 2 i -1. Μετά από 10 συγκρούσεις (i=10) το εύρος των τιμών παραμένει στο 1023(2 10-1). Μετά από 16 συγκρούσεις η διαδικασία διακόπτεται και αναλαμβάνουν τα υψηλότερα επίπεδα. 52

53 Απόδοση CSMA/CD t prop μέγιστος χρόνος διάδοσης μεταξύ δύο κόμβων t trans χρόνος μετάδοσης πλαισίου μεγίστου μεγέθους efficiency Η απόδοση προσεγγίζει την μονάδα όταν: t prop 0 t trans t prop /t trans Παράδειγμα: 10 Μbps Ethernet, ταχύτητα διάδοσης m/sec, απόσταση κόμβων 100 m και μέγιστο μέγεθος πλαισίου (Maximum Transfer Unit) 1500 bytes. t prop t trans sec sec efficiency

54 Ασκήσεις Εφαρμογή Ι: Να σχεδιαστεί η γραφική παράσταση του αλγόριθμου BEB (backoff window προς αριθμό προσπαθειών μετάδοσης). Εφαρμογή ΙΙ: Σε ένα δίκτυο Ethernet δύο κόμβοι εμπλέκονται σε σύγκρουση για τρίτη φορά. Ποια είναι η πιθανότητα επιτυχούς μετάδοσης έπειτα από την ολοκλήρωση του αλγορίθμου BEB; Απ.: 7/8 Εφαρμογή ΙΙΙ: Στο CSMA/CD, έπειτα από την πέμπτη σύγκρουση, ένας κόμβος έχει επιλέξει τέσσερις χρονοσχισμές αναμονής. Ποιός θα είναι ο χρόνος αναμονής του σε ένα δίκτυο Ethernet; Απ.: μs = μs Εφαρμογή IV: Έστω ένας δίαυλος (ρυθμού μετάδοσης 10Mbps) πάνω στον οποίο είναι συνδεδεμένοι δύο κόμβοι για τους οποίους ισχύουν τα παρακάτω: Η απόσταση μεταξύ κόμβων είναι km Η ταχύτητα διάδοσης είναι 200 m/μsec Η μέθοδος πρόσβασης είναι CSMA/CD Να βρεθούν: Απ.: μs a) Ο χρόνος για την λήψη ενός πακέτου 1000 bits από έναν κόμβο στον διπλανό του. b) Εάν οι δυο γειτονικοί κόμβοι επιχειρήσουν να μεταδόσουν ταυτόχρονα, μετά από πόσο χρόνο θα ανιχνεύσουν την σύγκρουση; Απ.: 1.875μs c) Εάν ένας κόμβος ξεκινήσει την μετάδοση του πακέτου, μετά από πόσο χρόνο μπορεί να είναι σίγουρος ότι αυτό δεν συγκρούσθηκε; Απ.: 3.75μs 54

55 CSMA/CA Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance. Distributed Channel Function (DCF) Παραλλαγή του CSMA/CD για ασύρματα δίκτυα. Στα ασύρματα δίκτυα ένας κόμβος δεν μπορεί να ανιχνεύει την ώρα που μεταδίδει. Μειωμένη ισχύ λαμβανόμενου σήματος Πρόβλημα του κρυμμένου κόμβου A B C Signal Strength A s signal strength C s signal strength Εμπόδιο A C B space Πρέπει να αποφύγει τις συγκρούσεις (Collision Avoidance). Στόχος και εδώ η μείωση της πιθανότητας σύγκρουσης. 55

56 Κανόνες στον Αποστολέα CSMA/CA Ένας κόμβος που έχει πλαίσιο προς μετάδοση ανιχνεύει το κανάλι για ένα χρονικό διάστημα Distributed Inter-Frame Space (DIFS) Eάν σε όλη τη διάρκεια του DIFS το κανάλι είναι σε ηρεμία: Επιλέγει ένα τυχαίο χρονικό διάστημα (αριθμό σχισμών) και μετρά αντίστροφα. Εάν κατά την αντίστροφη μέτρηση ανιχνεύσει μετάδοση άλλου κόμβου, παγώνει το μέτρημα. Συνεχίζει την αντίστροφη μέτρηση μόλις λήξει η μετάδοση. Μόλις φθάσει ο μετρητής του στο μηδέν, μεταδίδει το πλαίσιο. Εάν ανιχνεύσει μετάδοση κατά την διάρκεια του DIFS: Επιλέγει ένα τυχαίο χρονικό διάστημα (αριθμό σχισμών) και μετρά αντίστροφα. Μειώνει τον μετρητή όσο το κανάλι είναι αδρανές Μεταδίδει μόλις ο μετρητής γίνει μηδέν. 56

57 Κανόνες στον Δέκτη CSMA/CA Εάν το πλαίσιο που έλαβε από τον αποστολέα είναι ορθό (έλεγχος σφαλμάτων, σωστή διεύθυνση προορισμού κ.α.) αποστολή επιβεβαίωσης (ACK) προς τον κόμβο που το απέστειλε έπειτα από χρονικό διάστημα Short Inter-Frame Space (SIFS) χρόνος που χρειάζεται για επεξεργασία του πλαισίου στο PHY και επεξεργασία στο MAC sender receiver DIFS Backoff Γενικά DIFS>SIFS data SIFS ACK 57

58 Χρονικό μετάδοσης κόμβου Χ CSMA/CA Station X defers Station X transmits SIFS DIFS backoff SIFS Other frame ACK DATA ACK time T wait Station Y transmits T DIFS T T cycle backoff T wait T transmit transmit DATA Όλα σταθερά (ανάλογα με το PHY) εκτός από Τ backoff Προσδιορίζεται από T T T SIFS T ACK Random() είναι ένας ψευδοτυχαίος ακέραιος που επιλέγεται με ομοιόμορφη κατανομή από το διάστημα [0, CW]. CW (Contention Window) είναι ένας αριθμός μεταξύ CW min και CW max Πρώτη προσπάθεια CW= CW min - Για κάθε αποτυχία διπλασιάζεται εώς CW max T backoff Random() T SLOT 58

59 Μελέτη της απόδοσης Υποθέσεις CSMA/CA Μόνο ένας κόμβος μεταδίδει καμία σύγκρουση T backoff Για ένα δίκτυο ΙΕΕΕ b CW min 2 μέση τιμή T DIFS =50μs, T SIFS =10μs, CW min =640μs, T ACK =202μs, T DATA =968μs (1000bytes data) Efficiency T T DATA cycle Οι ικανότητες του PHY περιορίζονται από την λειτουργία του MAC 59

60 Το πρόβλημα του κρυμμένου κόμβου Στα ασύρματα δίκτυα μπορεί να λάβει χώρα το πρόβλημα του «κρυμμένου κόμβου» (hidden node problem). Ο Α βρίσκεται εντός εμβελείας του Β. Ο C βρίσκεται εντός εμβελείας του B. Ο Α και ο C βρίσκονται εκτός εμβελείας. Ο Α μεταδίδει στον Β. Ο C δεν ανιχνεύει την μετάδοση και μεταδίδει και αυτός στον Β. Σύγκρουση στον Β. Εμπόδιο C A B 60

61 RTS/CTS Χρήση του μηχανισμού Request-Τo-Send/Clear-To-Send (RTS/CTS). Ένας κόμβος πριν μεταδώσει το πλαίσιο δεδομένων, στέλνει ένα RTS πλαίσιο προς τον προορισμό. (Έπειτα από αναμονή DIFS) Ο προορισμός τον ενημερώνει με ένα CTS πλαίσιο εάν κανένας άλλος κόμβος δεν μεταδίδει εκείνει την στιγμή στην εμβέλεια του. (Έπειτα από αναμονή SIFS) Μεταδίδεται το πλαίσιο δεδομένων (DATA). (Έπειτα από αναμονή SIFS) Μεταδίδεται η επιβεβαίωση (ACK). (Έπειτα από αναμονή SIFS) DIFS SIFS SIFS SIFS Πλεονέκτημα: Πλήρης αποφυγή της σύγκρουσης του πλαισίου δεδομένων προς μετάδοση. Μειονέκτημα: περαιτέρω μείωση της απόδοσης Τ cycle αυξάνει Efficiency μικραίνει Τα RTS και CTS πλαίσια είναι πολύ μικρά (32 Bytes) μικρός χρόνος κατάληψης του καναλιού σε περίπτωση σύγκρουσης των RTS πλαισίων. 61

62 Σύγκρουση των RTS πλαισίων RTS/CTS A AP B reservation collision DATA (A) defer time 62

63 RTS/CTS Εφαρμογή Ι: Υποθέστε ότι ένας ασύρματος κόμβος χρησιμοποιεί CSMA/CA με τον μηχανισμό RTS/CTS και ο ρυθμός μετάδοσης είναι 11 Mbps (IEEE b). Επίσης, υποθέστε ότι είναι ο μοναδικός σταθμός ο οποίος μεταδίδει διαδοχικά πλαίσια και όλοι οι υπόλοιποι είναι αδρανείς. Τα πλαίσια δεδομένων του σταθμού έχουν μέγεθος 1032 Bytes. a) Υπολογίστε τον χρόνο που χρειάζεται για την επιτυχή μετάδοση του πλαισίου σε συνάρτηση με τους χρόνους DIFS και SIFS (αγνοήστε τον χρόνο διάδοσης και υποθέστε ότι το πλαίσιο λαμβάνεται χωρίς λάθη). Επίσης, λάβετε υπόψη ότι τα μεγέθη των πλαισίων RTS, CTS και ACK είναι όλα 32 Bytes, το CW min =32 και ο χρόνος χρονοσχισμής 10μsec. b) Συγκρίνετε αυτό το χρόνο με αυτόν που θα χρειαζόταν χωρίς τη χρήση του μηχανισμού RTS/CTS. 63

64 Μετάδοση με κουπόνι Αναπτύχθηκε από την IBM ως εναλλακτική τεχνολογία LAN (IEEE 802.5). Χρησιμοποιείται κυρίως σε δίκτυα τοπολογίας δακτυλίου. Για την αποφυγή διακοπής του δακτυλίου σε περίπτωση αστοχίας ενός κόμβου, χρησιμοποιείται τοπολογία αστέρα. Multistation Access Unit (Ring-in-a-box) Υπάρχει ένα ειδικό πλαίσιο σταθερού μήκους (token) το οποίο περνά από κόμβο σε κόμβο. Το κουπόνι διατηρείται σε κάθε κόμβο συγκεκριμένο χρονικό διάστημα (Token Holding Time THT). Ο κόμβος που το κατέχει επιτρέπεται να μεταδώσει όσο διαρκεί το ΤΗΤ. Εάν ένας κόμβος δεν έχει δεδομένα πρός αποστολή αποδεσμεύει το κουπόνι. 64

65 Απόδοση Token Ring Θεωρούμε Ν κόμβους συνδεδεμένους σε έναν δακτύλιο. Θεωρούμε ότι ο κάθε κόμβος μεταδίδει σε όλη τη διάρκεια THT. Το χρονικό της μετάδοσης: Κόμβος 1 Κόμβος 2 Κόμβος 3 ΤΗΤ Τ P ΤΗΤ Τ P ΤΗΤ Τ P Μέγιστη αναμονή κόμβου για την επανάκτηση του token: Χρήσιμη περίοδος: N THT Μη χρήσιμη περίοδος (επιβάρυνση overhead): N (T+P) Απόδοση (Efficiency): N Efficiency ( THT T P) N N THT ( THT T P) Τ: Χρόνος μετάδοσης του Token P: Χρόνος διάδοσης Επειδή πολλές φορές ισχύει ΤΗΤ>>Τ και ΤΗΤ>>P, η απόδοση του Token Ring προσεγγίζει το 100%. time 65

66 Απόδοση Token Ring Εφαρμογή Ι: Θεωρούμε ένα δίκτυο Token Ring με 3 κόμβους. Βρίσκεται σε κατάσταση υψηλού φόρτου και χρησιμοποιεί την μέθοδο πρόσβασης ΙΕΕΕ με τις εξής παραμέτρους: THT=0.2 msec, μέγεθος token=3 Bytes, Χωρητικότητα=4 Mbps και αμελητέο χρόνο διάδοσης. Να προσδιοριστεί η απόδοση του δικτύου. 66

67 Ethernet Δίκτυα Οι όροι Ethernet και IEEE χρησιμοποιούνται εναλλακτικά. Η λέξη Ethernet «κυριολεκτικά» αναφέρεται στο καλώδιο που χρησιμοποιείται στα δίκτυα αυτού του τύπου. 67

68 Ethernet Δίκτυα 68

69 10Base5: Διαύλου 10Base2: Διαύλου 10BaseΤ: Αστέρα Ethernet Τοπολογίες Σήμερα επικρατέστερη είναι η τοπολογία αστέρα: Fast Ethernet 100BaseT (αύξηση ρυθμών σε 100Mbps μείωση διάρκειας bit). Κόμβοι Κάρτες Δικτύου Network Interface Card (NIC). Κεντρική δικτυακή συσκευή Hub (ομφαλός) ή Switch (Μεταγωγέας) με θύρες (ports) απομονώνουν τους σταθμούς που έχουν πρόβλημα. Hub: ενσωμάτωση του διαύλου μέσα σε μία συσκευή (φυσικό επίπεδο) Switch: λήψη πλαισίων (ενδεχομένως και αποθήκευση) και προώθηση τους στην κατάλληλη θύρα εξόδου (επίπεδο σύνδεσης δεδομένων) 69

70 Μορφή πλαισίου ΙΕΕΕ Ethernet Μορφή Πλαισίου Destination Address: Διεύθυνση Προορισμού. Source Address: Διεύθυνση Αποστολέα. Type: Πρωτόκολλο επιπέδου δικτύου που χρησιμοποιεί π.χ. IP CRC: Έλεγχος σφαλμάτων του πλαισίου. data: το σύνολο των δεδομένων (header και δεδομένα). MAC Διευθύνσεις: Μοναδική ταυτότητα που αποδίδεται σε κάθε δικτυακή διεπαφή (interface) για επικοινωνία στο φυσικό επίπεδο. (48-bit) Βρίσκονται στο hardware της κάρτας δικτύου και δεν μπορούν να αλλάξουν. Γράφονται σε δεκαεξαδική μορφή. Τα 24 MSB προσδιορίζουν τον κατασκευαστή και τα 24 LSB την κάρτα δικτύου. 70

71 Ασύρματα Δίκτυα Στοιχεία ενός ασύρματου δικτύου σταθμός βάσης Συνδέονται στο ενσύρματο δίκτυο αναμετάδοση π.χ., σταθμοί κινητής τηλεφωνίας, access points network infrastructure Ασύρματοι κόμβοι laptop, smartphone Μπορεί να είναι στατικοί Ασύρματος δεν συμαίνει πάντα κίνηση 71

72 Ασύρματα Δίκτυα Υποδομής (Infrastructure) network infrastructure infrastructure mode O σταθμός βάσης συνδέει τους κόμβους στο ενσύρματο δίκτυο περιαγωγή: ο σταθμός αλλάζει σταθμό βάσης για την εξυπηρέτηση τουmobile 72

73 Ad-hoc Ασύρματα Δίκτυα ad hoc mode Δεν υπάρχει σταθμός βάσης Οι κόμβοι μεταδίδουν σε άλλους κόμβους στην εμβέλεια τους Οι κόμβοι αυτοοργανώνονται (λειτουργούν ως αναμεταδότες για άλλους κόμβους εκτός εμβελείας) 73

74 Κωδικοποίηση στα τοπικά δίκτυα Η ψηφιακή πληροφορία συνήθως «ενσωματώνεται» σε ένα ηλεκτρικό ή οπτικό σήμα (φορέας). Ηλεκτρικό σήμα Στα τοπικά δίκτυα η πληροφορία αυτή αναπαριστάται με τετραγωνικούς παλμούς χαμηλής (bit 0) και υψηλής (bit 1) στάθμης (baseband). Οπτικό σήμα Ύπαρξη φωτός (bit 1), απουσία φωτός (bit 0). Η ψηφιακή πληροφορία τοποθετείται «απευθείας» στο κανάλι μετάδοσης (χωρίς να υπάρξει διαμόρφωση) Baseband Βασικές τεχνικές κωδικοποίησης: Non Return to Zero (NRZ) Manchester (IEEE 802.3) Differential Manchester (IEEE 802.5) 74

75 NRZ Δυαδική Απλή στην υλοποίηση. Αδυναμία συγχρονισμού ρολογιού στον παραλήπτη. Αδυναμία διάκρισης της λογικής στάθμης «0» και της απουσίας σήματος. Χρησιμοποιείται σπάνια. 75

76 Manchester Bit «0»: μετάβαση στο κέντρο της διάρκειας ενός bit άπό HIGH σε LOW. Bit «1»: μετάβαση στο κέντρο της διάρκειας ενός bit άπό LOW σε HIGH. Δέν υπάρχει πρόβλημα συγχρονισμού στον δέκτη Υπάρχει πάντα μια μετάβαση στο κέντρο της διάρκειας ενός bit. 76

77 Differential Manchester Πάντοτε έχουμε μία μετάβαση στο κέντρο. Bit «0»: Το πρώτο μισό του bit είναι το αντίθετο του δεύτερου μισού του πρηγούμενου bit. Bit «1»: Το πρώτο μισό του bit είναι το ίδιο με το δεύτερο μισό του πρηγούμενου bit. 77