ίκτυα Υπολογιστών I ρ. Παύλος Θεοδώρου Πανεπιστήµιο Αιγαίου Τµήµα Πληροφοριακών & Επικοινωνιακών Συστηµάτων pavlos@aegean.

ίκτυα Υπολογιστών I ρ. Παύλος Θεοδώρου Πανεπιστήµιο Αιγαίου Τµήµα Πληροφοριακών & Επικοινωνιακών Συστηµάτων pavlos@aegean.gr Περιεχόµενα 1. Εισαγωγή 2. Το φυσικό Στρώµα 3. Το στρώµα Ζεύξης εδοµένων 4. Το υπο-στρώµα Προσπέλασης στο Μέσο 5. Το Στρώµα ικτύου 6. Το Στρώµα Μεταφοράς 7. Το στρώµα εφαρµογής 1

3. ΣΤΡΩΜΑ ΖΕΥΞΗΣ Ε ΟΜΕΝΩΝ Φυσικό: Περιγράφει την εκποµπή των bits από µηχανικής και ηλεκτρικής πλευράς. Ζεύξης εδοµένων: Περιγράφει πως ένα διαµοιραζόµενο επικοινωνιακό κανάλι µπορεί να προσπελαστεί, και πως ένα πλαίσιο δεδοµένων µπορεί να µεταδοθεί αξιόπιστα. ικτύου: Περιγράφει τον τρόπο δροµολόγησης. Κυρίως χρειάζεται για τα υποδίκτυα. Μεταφοράς: Το πιο δύσκολο να περιγραφεί, γενικά παρέχει υπηρεσίες µε και χωρίς σύνδεση, καθώς επίσης και διάφορους βαθµούς αξιοπιστίας υπηρεσιών. Αποτελεί το στρώµα διεπαφής µεταξύ δικτύου και εφαρµογών. Εφαρµογών: Περιέχει όλο το υλικό του χρήστη, email, www browsers, FTP, Telnet, κτλ Σηµείωση: Σ αυτό το κεφάλαιο θα εξετάσουµε µόνο ζητήµατα µετάδοσης των πλαισίων. Η πρόσβαση καναλιού θα συζητηθεί στο κεφάλαιο 4. 2

ΒΑΣΙΚΕΣ ΥΠΗΡΕΣΙΕΣ Το στρώµα δικτύου παραδίδει ένα αριθµό από bits (πλαίσιο) στο στρώµα ζεύξης δεδοµένων Το στρώµα ζεύξης δεδοµένων είναι υπεύθυνο για τη µετάδοση του πλαισίου στη συσκευή προορισµού Στη πλευρά της λήψης το στρώµα ζεύξης δεδοµένων παραδίδει το πλαίσιο στο στρώµα δικτύου Βασικές παρεχόµενες υπηρεσίες Υπηρεσία χωρίς σύνδεση και χωρίς επιβεβαίωση λήψης (LANs) Υπηρεσία χωρίς σύνδεση και µε επιβεβαίωση λήψης (ασύρµατα συστήµατα) Υπηρεσία µε σύνδεση και µε επιβεβαίωση λήψης (WANs) Ερώτηση: γιατί δίνουµε τόσο βαρύτητα στη διόρθωση σφαλµάτων; εν µπορούν τα υψηλότερα στρώµατα να φροντίσουν γι αυτό; 3

ΜΕΤΑ ΟΣΗ και ΡΟΜΟΛΟΓΗΣΗ 4

ΠΛΑΙΣΙΩΣΗ Το φυσικό στρώµα δεν κάνει και πολλά πράγµατα, απλά µεταφέρει τα bits από το ένα άκρο στο άλλο. Υπάρχει όµως περίπτωση κάτι να παει λάθος κατά την µεταφορά των bits και έτσι να χρειαστεί να γίνει επαναµετάδοση. Άρα, το στρώµα ζεύξης δεδοµένων χρειάζεται να γνωρίζει τα όρια της επαναµετάδοσης. Η βασική µονάδα επαναµετάδοσης είναι το πλαίσιο, το οποίο απλά είναι ένας αριθµός από bits. Πρόβληµα: Πως µπορούµε να διαιρέσουµε µια ροή από bits σε πλαίσια; Η µέθοδο της απλής µέτρησης, όπου ένα πεδίο στην επικεφαλίδα καθορίζει τον αριθµό των χαρακτήρων στο πλαίσιο, δεν είναι αρκετή γιατί ο αριθµός µπορεί να αλλοιωθεί κατά τη µετάδοση. 5

ΠΛΑΙΣΙΩΣΗ: Παραγέµισµα Παραγέµισµα χαρακτήρων: Σηµαδεύουµε την αρχή και το τέλος ενός πλαισίου µε δυο ειδικούς χαρακτήρες. Όταν αυτοί οι χαρακτήρες βρεθούν µέσα στην πληροφορία χρηστή διακρίνονται από τους χαρακτήρες πλαισίωσης βάσει της απουσίας ή της παρουσίας ενός απλού χαρακτήρα DLE. Παραγέµισµα µε bit: Σηµαδεύουµε την αρχή και το τέλος ενός πλαισίου µε ένα byte σηµαία (flag byte) που έχει την ακολουθία 01111110. Όταν το byte σηµαία βρεθεί µέσα στην πληροφορία χρηστή ο δέκτης το παραβλέπει χρησιµοποιώντας παραγέµισµα µε ένα επιπλέον bit. 6

ΑΝΙΧΝΕΥΣΗ ΚΑΙ ΙΟΡΘΩΣΗ ΣΦΑΛΜΑΤΩΝ Πρόβληµα: Υποθέστε ότι κάτι πήγε λάθος κατά την διάρκεια εκποµπής ενός πλαισίου. Πως µπορούµε να διαπιστώσουµε το λάθος; µπορεί αυτό να διορθωθεί από των δέκτη; Ορισµός: Ο αριθµός των θέσεων bit, στις οποίες διαφέρουν δυο κωδικές λέξεις (πλαίσια) Α και Β ονοµάζεται απόσταση Hamming. Παράδειγµα: 10001001 και 10110001 έχουν απόσταση Hamming 3 Οι ιδιότητες ανίχνευσης και διόρθωσης σφαλµάτων ενός κώδικα εξαρτώνται από την απόσταση Hamming του. Η ανίχνευση d σφαλµάτων απαιτεί µια απόσταση Hamming d+1, επειδή µ έναν τέτοιο κώδικα d σφάλµατα µονών bit δεν µπορούν να αλλάξουν µια έγκυρη κωδική λέξη σε µια άλλη έγκυρη κωδική λέξη. Για τη διόρθωση d σφαλµάτων χρειάζεται ένας κώδικας απόστασης 2d+1. Με αυτόν τον τρόπο οι έγκυρες κωδικές λέξεις έχουν µεγάλη απόσταση µεταξύ τους, έτσι ακόµη και µε d αλλαγές η αρχική κωδική λέξη βρίσκεται πλησιέστερα στην εσφαλµένη κωδική λέξη από οποιαδήποτε άλλη λέξη και µπορεί να διορθωθεί µονοσήµαντα. 7

ΑΝΙΧΝΕΥΣΗ ΣΦΑΛΜΑΤΩΝ: ισοτιµία (parity) Χαρακτήρας (Μ) -------(ASCII)---- 1001101 (7 bits) Άρτια ισοτιµία ------------------- 0 1001101 (8 bits) Περιττή ισοτιµία ----------------- 1 1001101 (8 bits) bit ισοτιµίας Η τεχνική ισοτιµίας είναι αποδοτική σε περιττό αριθµό σφαλµάτων, δεν δουλεύει όταν έχουµε άρτιο αριθµό σφαλµάτων. Ποµπός στέλνει εκτής λαµβάνει (Μ)----(ASCII)---- 1001101 0 1 0 0 0 1 1 1---(ASCII)--- (G) errored bits Εξακολουθεί να έχει άρτιο αριθµό από 1 και ο δέκτης το αποδέχεται σαν σωστό Η τεχνική τις ισοτιµίας χρησιµοποιείται σε εφαρµογές όπου η πιθανότητα σφάλµατος είναι πολύ µικρή (π.χ. σύνδεση PC µε Printer) 8

ΑΥΤΟΜΑΤΗ ΙΟΡΘΩΣΗ - FORWARD ERROR CORRECTION (FEC) Ο Hamming προσδιόρισε ότι για τη διόρθωση λάθους ενός bit πρέπει να προστεθούν σε ένα µήνυµα των m bit, n bit ελέγχου και να τηρείται η ανισότητα: 2 n m + n + 1 m = µήνυµα n = κώδικας m+n = κωδική λέξει Παράδειγµα: Block για εκποµπή 100110100 (9 bits) µε n = 4 2 4 9 + 4 + 1---- 16 14 (αληθής) Μ ένα τρόπο τον οποίο ο δέκτης γνωρίζει ορίζουµε µέσα στο block τις 4 θέσεις όπου θα βρίσκονται τα bit του κώδικα. Υποθέτουµε πως -- 1Η0Η01Η101Η00 (όπου Η ψηφίο του κώδικα) Η τιµή του κάθε Η (που αντιστοιχεί στις θέσεις 3,7,10,12) προσδιορίζεται ως εξής Θέση 4 0100 (δυαδικό αντίστοιχο της θέσης) XOR µε Θέση 6 0110 0010 XOR µε Θέση 8 1000 1010 XOR µε Θέση 13 1101 0111 --------(Hamming code) Συνεπώς µήνυµα αποστολής ------ 1001011101100 9

Υποθέτουµε πως µετά από µετάδοση γίνεται 1001111101100 Σφάλµα (0 1) στη θέση 9 Ο δέκτης για να βρει το λάθος κάνει XOR µεταξύ του κώδικα και των θέσεων των bit που είναι 1 και δεν ανήκουν στον κώδικα. 0111 XOR µε θέση 4 0100 0011 XOR µε θέση 6 0110 0101 XOR µε θέση 8 1000 1101 XOR µε θέση 9 1001 0100 XOR µε θέση 13 1101 1001---- θέση 9 Επειδή οι διορθωτικοί κώδικες χρησιµοποιούν αρκετά πλεονάζοντα bits µειώνουν κατά πολύ το ρυθµό µεταδόσεις και για αυτό όπου είναι δυνατόν αποφεύγεται η χρήση τους. 10

ΑΝΙΧΝΕΥΣΗ ΣΦΑΛΜΑΤΩΝ: κυκλικός κώδικας πλεονασµού (CRC) Οι κώδικες διόρθωσης σφαλµάτων πολλές φορές είναι ακριβοί και κατά συνέπεια µόνο ανίχνευση σφαλµάτων χρησιµοποιείται σε συνδυασµό µε τεχνικές επαναµετάδοσης. Η τεχνική της ισοτιµίας και οι διδιάστατοι κώδικες είναι χρήσιµοι για συστήµατα µετάδοσης χαρακτήρων. Στην περίπτωση της µετάδοσης µπλοκ από bits έχουν αναπτυχθεί τεχνικές εντελώς διαφορετικές, όπως ο κυκλικός κώδικας πλεονασµού (Cyclic Redundancy Check CRC). (φωτοτυπίες) 11

ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΑ ΖΕΥΞΗΣ Ε ΟΜΕΝΩΝ Μέχρι τώρα είδαµε µερικά βασικά στοιχεία των πρωτοκόλλων ζεύξης δεδοµένων καθώς επίσης και µηχανισµούς για τον έλεγχο σφαλµάτων. Στη συνέχεια θα εξετάσουµε βασικούς µηχανισµούς πρωτοκόλλων καθώς και παραδείγµατα τυποποιηµένων πρωτοκόλλων για το στρώµα ζεύξης δεδοµένων. Μερικές βασικές υποθέσεις για στοιχειώδη πρωτόκολλα ζεύξης δεδοµένων: Ο υπολογιστής Α θέλει να στείλει δεδοµένα στον υπολογιστή Β Ο Α έχει πάντα απόθεµα δεδοµένων προς εκποµπή. Υπάρχει µια καλή προκαθορισµένη διεπαφή µε το επίπεδο δικτύου και το φυσικό επίπεδο. Ο δέκτης περιµένει γενικά να συµβεί κάτι µετά την κλήση wait-for-event Μονόδροµο πρωτόκολλο χωρίς περιορισµούς Ένα όσο γίνεται πιο απλό (εξωπραγµατικό) πρωτόκολλο Τα δεδοµένα µεταδίδονται µόνο προς µια κατεύθυνση Τα στρώµατα του ποµπού και δέκτη είναι πάντα έτοιµα Ο χρόνος επεξεργασίας µπορεί να αγνοηθεί ιατίθεται άπειρος χώρος προσωρινής αποθήκευσης Ο δίαυλος επικοινωνίας ανάµεσα στα στρώµατα ζεύξης δεδοµένων ποτέ δεν καταστρέφει ή χάνει πλαίσια Χρησιµοποιείται µόνο το πεδίο info (πληροφορία χρήστη) του πλαισίου επειδή τα άλλα πεδία σχετίζονται µε τον έλεγχο ροής και σφαλµάτων και αποτελούν την επικεφαλίδα πλαισίου. 12

13

ΜΟΝΟ ΡΟΜΟ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΟ ΠΑΥΣΗΣ ΚΑΙ ΑΝΑΜΟΝΗΣ (STOP-AND-WAIT) Το πρωτόκολλο stop-and-wait παρέχει επίσης µια «µονόδροµη» ροή δεδοµένων από τον ποµπό προς το δεκτή Ο δίαυλος επικοινωνίας υποτίθεται ξανά ότι είναι ελεύθερος από σφάλµατα όπως και στο πρωτόκολλο 1. Ο δέκτης διαθέτει χώρο αποθήκευσης πεπερασµένης χωρητικότητας και πεπερασµένης ταχύτητας επεξεργασίας. Άρα, ο δέκτης πρέπει να αποτρέπει τον ποµπό από το να υπερχειλίσει τον δεκτή µε δεδοµένα ταχύτερα από όσο µπορεί να χειρισθεί. Συνεπώς, ο δίαυλος επικοινωνίας ανάµεσα στα δυο στρώµατα ζεύξης δεδοµένων πρέπει να είναι ικανός για αµφίδροµη µεταφορά πληροφοριών Το πρωτόκολλο stop-and-wait είναι συνυφασµένο µε µια αυστηρή εναλλαγή pοης: πρώτα ο ποµπός στέλνει ένα πλαίσιο, µετά ο δεκτής στέλνει ένα πλαίσιο, µετά ο ποµπός στέλνει ένα πλαίσιο, κ.ο.κ 14

15

ΜΟΝΟ ΡΟΜΟ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΟ ΓΙΑ ΙΑΥΛΟ ΜΕ ΘΟΡΥΒΟ Υποθέτουµε κανονικό δίαυλο που επιφέρει σφάλµατα. Επίσης υποθέτουµε πως ένα καταστραµµένο πλαίσιο θα ανιχνευθεί από τον δέκτη. Ωστόσο, ένα πακέτο µπορεί να χαθεί τελείως Προβλήµατα: Ένας αποστολέας δεν γνωρίζει εάν το πλαίσιο έχει φτάσει στον παραλήπτη χωρίς κανένα σφάλµα. Λύση: ο δέκτης στέλνει επαλήθευση για πλαίσια χωρίς σφάλµατα Πλαίσια επαλήθευσης ίσως να χαθούν κατά τη διαδροµή τους προς τον αποστολέα. Λύση: ο αποστολέας κάνει χρήση ενός χρονοµέτρου όπου απλά επανεκπέµπει τα πλαίσια που δεν έχουν επαληθευθεί µετά από κάποιο ορισµένο χρονικό διάστηµα. Ο δέκτης δεν µπορεί να διακρίνει εάν έχει λάβει το ίδιο πακέτο πάνω από µια φορά. Λύση: χρησιµοποίησε έναν αύξοντα αριθµό στην επικεφαλίδα του κάθε εκπεµπόµενου πλαισίου. Τα πρωτόκολλα στα οποία ο ποµπός περιµένει για θετική επαλήθευση της λήψης πριν προχώρηση στο επόµενο πλαίσιο, καλούνται συχνά PAR (Positive Acknowledgment with Retransmission) ή ARQ (Automatic Repeat request) 16

17

ΑΠΟ ΜΟΝΟ ΡΟΜΟ ΑΜΦΙ ΡΟΜΟ Από τις προηγούµενες περιπτώσεις είδαµε πως σχεδόν πάντα υπάρχει η ανάγκη για µετάδοση δεδοµένων και προς τις δυο κατευθύνσεις. Τις περισσότερες φορές αποτελεί χάσιµο εύρους ζώνης όταν αποστέλλουµε το πλαίσιο επιβεβαίωσης (ACK) µόνο του. Μια καλή ιδέα είναι, αν ο παραλήπτης θέλει να στείλει και αυτός δεδοµένα να φορτώσουµε το πλαίσιο της επαλήθευσης στο πλαίσιο των δεδοµένων. Αυτή η τεχνική είναι γνωστή ως piggybacking (εµβόλιµη) Πολλές φορές χρειάζεται να καθυστερήσουµε για λίγο την εξερχόµενη επαλήθευση µέχρι το επόµενο πλαίσιο να είναι έτοιµο. Αν το επόµενο πλαίσιο προς µετάδοση δεν είναι έτοιµο µέσα σε ένα συγκεκριµένο χρονικό διάστηµα τότε η επαλήθευση στέλνεται ως ένα ξεχωριστό πακέτο. Το µειονέκτηµα του piggybacking είναι ότι εισάγει µια επιπλέον διαδικασιακή επιβάρυνση. 18

ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΑ ΟΛΙΣΘΑΙΝΟΝΤΟΣ ΠΑΡΑΘΥΡΟΥ (SLIDING WINDOW) Παρατήρηση: Αντί να στέλνεται ένα µόνο πλαίσιο κάθε φορά επιτρέπουµε τον αποστολέα να στείλει ένα σύνολο από πλαίσια. Τα πλαίσια πρώτα µπαίνουν µέσα στο παράθυρο αποστολής (sending window) και κατόπιν αποστέλλονται. Ένα πλαίσιο αφαιρείται από το παράθυρο αποστολής όταν έχει επαληθευθεί. Παροµοίως ο δέκτης διατηρεί επίσης ένα παράθυρο λήψης (receiving window) που αντιστοιχεί στο σύνολο των πλαισίων που του επιτρέπει να δεχθεί. Ένα κατεστραµµένο πλαίσιο παραµένει στο παράθυρο λήψης µέχρι να ληφθεί σωστά. Επίσης, το πλαίσιο Ν παραµένει στο παράθυρο µέχρι τη λήψη του πλαισίου Ν-1 (γιατί;). Σ όλα τα πρωτόκολλα ολισθαίνοντος παραθύρου, κάθε εξερχόµενο πλαίσιο περιέχει έναν αύξοντα αριθµό που µεταβάλλεται από το 0 µέχρι κάποια µέγιστη τιµή. Αν και τα δυο παράθυρα έχουν την τιµή 1 τότε έχουµε να κάνουµε µε ένα stop-and-wait πρωτόκολλο. Ερώτηση: Υπάρχει κάποια σχέση µεταξύ της τιµής του παραθύρου, του χρόνου µετάδοσης, και του χρόνου διάδοσης; Παρατήρηση: Οι αύξοντες αριθµοί µπορούν να αντιστοιχούν στη θέση του πλαισίου που έχει µέσα στο παράθυρο. Ο δέκτης ταξινοµεί τα πλαίσια σύµφωνα µε αυτούς τους αριθµούς. 19

ΜΕΓΕΘΟΣ ΠΑΡΑΘΥΡΟΥ ΚΑΙ ΑΡΙΘΜΟΙ ΑΚΟΛΟΥΘΙΑΣ Ερώτηση: Πως ερµηνεύετε τις σκιασµένες περιοχές; Παρατήρηση: µπορούµε να χρησιµοποιήσουµε έναν n-bit αριθµό ακολουθίας κατ επανάληψη, έτσι οι αριθµοί ακολουθίας δεν τελειώνουν ποτέ. 20

ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΟ ΟΛΙΣΘΑΙΝΟΝΤΟΣ ΠΑΡΑΘΥΡΟΥ 1-bit Παρατήρηση: Όλα βαίνουν καλώς όταν και οι δυο πλευρές στέλνουν δεδοµένα µε τη σωστή σειρά τους. Ωστόσο, µια ιδιάζουσα κατάσταση παρουσιάζεται εάν και οι δυο πλευρές στείλουν ταυτόχρονα ένα αρχικό πακέτο. Παρατήρηση: συγχρονισµένες. Στέλλονται αντίγραφα πλαισίων γιατί οι δυο πλευρές δεν είναι 21

ΕΛΕΓΧΟΣ ΣΦΑΛΜΑΤΩΝ Πρόβληµα: Τι πρέπει να κάνει ο δέκτης όταν καταφθάσει ένα κατεστραµµένο πλαίσιο; Απλά αιτείται επανεκποµπή όλων των πλαισίων, αρχίζοντας από το πλαίσιο #Ν, εν τω µεταξύ οποιαδήποτε άλλο πλαίσιο έχει ληφθεί απλά θα αγνοηθεί. Η τεχνική αυτή ονοµάζεται oπισθοδρόµηση κατά Ν ( go back Ν). Αιτείται επανεκποµπή του κατεστραµµένου πλαισίου και αναµονή µέχρι την άφιξη του πριν την αποστολή περαιτέρων πλαισίων. Η τεχνική αυτή ονοµάζεται επιλεκτική επανάληψη (selective repeat). Οι τεχνικές go-back-n και selective repeat είναι γνωστές και ως τεχνικές συνεχής διοχέτευσης (pipelining). 22

GO-BACK-N Η go-back-n είναι πραγµατικά απλή: ο αποστολέας κρατάει το εκπεµπόµενο πλαίσιο στο παράθυρο µέχρι που να επαληθευτεί η λήψη του αν το παράθυρο είναι γεµάτο το επίπεδο δικτύου δεν µπορεί να στείλει νέα πακέτα. όταν ένα πλαίσιο έχει υποστεί σφάλµα ο δέκτης απλά απορρίπτει όλα τα πλαίσια που ακολουθούν χωρίς να στείλει επαληθεύσεις για αυτά. σε γραµµές µε υψηλό ρυθµό σφαλµάτων σπαταλά µεγάλο µέρος του εύρους ζώνης για την επαναµετάδοση πλαισίων. Όταν έχουµε υψηλό ρυθµό σφαλµάτων χρησιµοποιούµε πρωτόκολλο που δεν απορρίπτει πλαίσια απλά και µόνο επειδή ένα προηγούµενο πλαίσιο καταστράφηκε η χάθηκε. 23

SELECTIVE REPEAT Η selective repeat: δεν απορρίπτει πλαίσια όταν ένα πλαίσιο καταστρέφεται η χάνεται Τα πλαίσια δεν χρειάζεται να λαµβάνονται µε τη σωστή σειρά, πχ το πλαίσιο #Ν µπορεί να έχει ληφθεί ενώ ο δεκτής να µην έχει λάβει ακόµα, χωρίς σφάλµατα, το πλαίσιο #Ν-1. ο δέκτης πρέπει να έχει µεγάλο χώρο για προσωρινή αποθήκευση η διαδικασία εκποµπής γίνεται πιο πολύπλοκη. 24

ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΤΗΣ ΤΕΧΝΙΚΗΣ SELECTIVE REPEAT Λύση: Πρέπει να εξασφαλίσουµε ότι µετά την αλλαγή του παραθύρου του δεκτή να µην υπάρχει επικάλυψη µε το παράθυρο του ποµπού, το µέγιστο µέγεθος του να είναι το πολύ το µισό της περιοχής των αυξόντων αριθµών. 25

ΕΠΙ ΟΣΗ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΩΝ ΟΛΙΣΘΑΙΝΟΝΤΟΣ ΠΑΡΑΘΥΡΟΥ (1) (W. Stallings, Data & Computer Communications, 6e, Appendix. 7A) Σε αυτό το παράρτηµα, εξετάζουµε µερικά από τα ζητήµατα απόδοσης σχετικά µε την χρήση του ελέγχου ροής ολισθαίνοντος παραθύρου (sliding window). Έλεγχος Ροής Παύσης και Αναµονής (stop-and-wait) Υποθέστε ότι ένα µακρύ µήνυµα πρόκειται να σταλεί ως ακολουθία πλαισίων F 1,F 2,,F n, µε τον ακόλουθο τρόπο: Ο σταθµός S 1 στέλνει F 1. Ο σταθµός S 2 στέλνει µια επιβεβαίωση λήψης. O σταθµός S 1 στέλνει F 2. O σταθµός S 2 στέλνει µια επιβεβαίωση λήψης. Ο σταθµός S 1 στέλνει F n. O σταθµός S 2 στέλνει µια επιβεβαίωση λήψης. Ο συνολικός χρόνος (Τ) για να σταλούν τα δεδοµένα µπορεί να εκφραστεί ως: Τ= nt F, όπου Τ F είναι ο χρόνος για να σταλεί ένα πλαίσιο και να παραληφθεί µια επιβεβαίωση λήψης. Μπορούµε να εκφράσουµε το T F ως ακολούθως: Αν υποθέσουµε, t proc = 0 και F ack << F info, και οι δύο είναι λογικές υποθέσεις τότε: Από αυτό τον χρόνο, µόνο n t frame, ξοδεύεται πραγµατικά για την µετάδοση των δεδοµένων, το υπόλοιπο είναι επιβάρυνση (overhead). 26

Η χρησιµοποίηση (utilasation), ή αποδοτικότητα, της σύνδεσης είναι: (7.1) Ορίζοντας ως α = t prop /t frame, η µέγιστη πιθανή χρησιµοποίηση της σύνδεσης είναι: (7.2) Ωστόσο, ένα µεταδιδόµενο πλαίσιο περιέχει overhead bits κι έτσι η πραγµατική χρησιµοποίηση είναι µικρότερη. Το α µπορούµε επίσης να το ορίσουµε ως εξής (7.3) Ο χρόνος διάδοσης (propagation time) είναι ίσος µε την απόσταση d της σύνδεσης δια την ταχύτητα διάδοσης V. Για µη καθοδηγούµενη µετάδοση µέσω αέρα ή διαστήµατος, το V είναι η ταχύτητα του φωτός, περίπου 3 10 8 m/s. Για καθοδηγηµένη µετάδοση σε µέσα οπτικών ινών και χαλκού, το V είναι περίπου 0,67 φορές της ταχύτητας του φωτός. Ο χρόνος µετάδοσης (transmission time) είναι ίσος µε το µήκος του πλαισίου σε bits, L, δια του ρυθµού δεδοµένων R. Εποµένως, Ένας χρήσιµος τρόπος να δούµε το α είναι ότι αντιπροσωπεύει το µήκος του µέσου σε bits (R d/v) σε σύγκριση µε το µήκος πλαισίου L. 27

Παράδειγµα 1:. Κατ' αρχάς, ας εξετάσουµε ένα ATM δίκτυο ευρείας περιοχής (WAN) χρησιµοποιώντας: 1. δύο σταθµούς 1000 km µακριά ο ένας από τον άλλον 2. τυποποιηµένο µέγεθος πλαισίου ATM είναι 424 bit 3. τυποποιηµένο ρυθµό δεδοµένων 155.52 Mbps Χρόνος µετάδοσης = 424/(155.52 10 6 ) = 2,7 10-6 δευτερόλεπτα. Χρησιµοποιώντας σύνδεση οπτικών ινών, ο χρόνος διάδοσης = (10 6 µέτρα)/(2 10 8 m/s) = 0,5 10-2 δευτερόλεπτα. α = (0,5 10-2 )/(2.7 10-6 ) 1850 u = 1/ (1+2α)= 1/3701 = 0.00027 Παράδειγµα 2:.Σε ένα LAN οι αποστάσεις κυµαίνονται από 0,1 έως 10 km, µε ρυθµούς δεδοµένων από 0 Mbps µέχρι 1 Gbps. Υψηλότεροι ρυθµοί δεδοµένων σχετίζονται µε πιο κοντινές αποστάσεις. Χρησιµοποιώντας: 1. V = 2 10 8 m/s 2. µέγεθος πλαισίου 1000 bit 3. ρυθµό δεδοµένων 10 Mbps 4. η τιµή του α βρίσκεται να είναι από 0,005 έως 0,5 u = 1/ (1+2α) = 0,5 έως 0,99 Άρα, τα LANs είναι τυπικά αρκετά αποδοτικά, ενώ τα WANs µεγάλης ταχύτητας όχι. Παράδειγµα 3: θα εξετάσουµε την ψηφιακή µετάδοση δεδοµένων µέσω ενός modem. Ακόµη και σε µια περίπτωση µεγάλης απόστασης, όπως d = 5000 km, έχουµε: α = (56.000 5 10 6 )/(2 l0 8 1000 bit) = 1,4 u = 1/ (1+2α) = 0,26 28

Χωρίς Σφάλµατα Έλεγχος Ροής Ολισθαίνοντος Παραθύρου Για τον έλεγχο ροής ολισθαίνοντος παραθύρου, η διαµετακοµιστική ικανότητα (throughput) στη γραµµή εξαρτάται από το µέγεθος του παραθύρου W και από την τιµή του α. Για ευκολία, κανονικοποιούµε το χρόνο µετάδοσης πλαισίων στη τιµή του 1, συνεπώς, ο χρόνος διάδοσης είναι α. Το Σχήµα 7.15 επεξηγεί την χρησιµοποίηση µιας αµφίδροµης από σηµείο σε σηµείο γραµµής. Για να αξιολογήσουµε την απόδοση, πρέπει να λάβουµε υπόψη δύο περιπτώσεις: 29

Περίπτωση 1: W 2α + 1 Η αναγνώριση για το πλαίσιο 1 φτάνει στον Α προτού ο Α εξαντλήσει το παράθυρό του. Συνεπώς, ο Α µπορεί να µεταδίδει συνεχώς χωρίς παύση και η κανονικοποιηµένη διαµετακοµιστική ικανότητα του είναι 1. Περίπτωση 2: W < 2α + 1 Το Α εξαντλεί το παράθυρό του κατά το t = W και δεν µπορεί να στείλει πρόσθετα πλαίσια µέχρι το t = 2α + 1. Κατά συνέπεια, το κανονικοποιηµένο throughput είναι W χρονικές µονάδες από µια περίοδο (2α + 1) χρονικές µονάδες. Εποµένως, µπορούµε να εκφράσουµε την χρησιµοποίηση ως: (7.4) 30

Με Σφάλµατα Έλεγχος Ροής Ολισθαίνοντος Παραθύρου Έχουµε δει ότι ο έλεγχος ροής ολισθαίνοντος παραθύρου είναι αποδοτικότερος από τον έλεγχο ροής stop and wait. Θα αναµέναµε ότι όταν προστίθενται λειτουργίες ελέγχου σφαλµάτων το go-back-n και το selective repeat είναι αποδοτικότερα από το stop-and-wait ARQ. Θα αναπτύξουµε µερικές προσεγγίσεις για να καθορίσουµε τον βαθµό βελτίωσης που αναµένεται. Θα να πάρουµε υπόψη µας την πιθανότητα ότι µερικά πλαίσια επαναλαµβάνονται λόγω σφαλµάτων. Για να αρχίσουµε, σηµειώστε ότι η χρησιµοποίηση u µπορεί να οριστεί ως (7.5) T f = χρόνος εκποµπής ενός πλαισίου T t = συνολικός χρόνος που η γραµµή καταλαµβάνεται για τη µετάδοση ενός πλαισίου Για stop-and-wait χωρίς σφάλµατα η χρησιµοποίηση είναι ιαιρώντας µε T f και ανακαλώντας ότι α = T p / T f, έχουµε πάλι την Εξίσωση (7.2) Όταν εµφανίζονται σφάλµατα, πρέπει να τροποποιήσουµε την Εξίσωση (7.5) σε όπου N r είναι ο αναµενόµενος αριθµός µεταδόσεων ενός πλαισίου. 31

Κατά συνέπεια, για stop-and-wait έχουµε Υποθέτουµε πως: η πιθανότητα για να πλαίσιο να έχει σφάλµατα είναι Ρ οι ACK και NACK δεν έχουν ποτέ σφάλµατα τότε η πιθανότητα όπου θα χρειαστεί κ φορές να εκπέµψουµε ένα πλαίσιο για να φτάσει επιτυχώς είναι κι έτσι το N r µπορεί να γράφει ως χρησιµοποιώντας την ταυτότητα έχουµε N r = 1 1 P Έτσι 32

Για πρωτόκολλο selective repeat εφαρµόζουµε την ίδια λογική όπως και στο stop-and-wait, δηλαδή η εξίσωση διαιρείται µε N r = 1/(1-P) και γίνεται Η ίδια λογική ισχύει και για το go-back-n µε τη διαφορά όµως ότι ένα σφάλµα επιφέρει την αποστολή Κ πλαισίων αντί για ένα. Άρα, όπου f(i) είναι ο συνολικός αριθµός των εκπεµπόµενων πλαισίων, αν το αρχικό πλαίσιο πρέπει να εκπεµφθεί i φορές. Το f(i) µπορεί να γραφεί ως εξής και το N r γίνεται f(i) = 1 + (i - 1)K =(1 - K) + Ki χρησιµοποιώντας τις ταυτότητες και έχουµε K 1 P + KP Nr = 1- K + = 1- P 1- P 33

Εξετάζοντας προσεκτικά το σχήµα 7.15 διαπιστώνουµε: Κ είναι περίπου ίσο µε (2α+1) για W (2α+1) και Κ = W για W (2α+1) Έτσι Οι παραπάνω εξισώσεις και τα σχήµατα είναι απλά προσεγγίσεις γιατί δεν λάβαµε υπόψη α) σταλάµατα για ACK και β) στην περίπτωση της go-back-n σφάλµατα και στα υπόλοιπα πλαίσια, εκτός του αρχικού που προκάλεσε τη µετάδοση. Ωστόσο τα αποτελέσµατα παραµένουν αρκετά ενδεικτικά της επίδοσης των τριών τεχνικών. 34

ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΑ ΖΕΥΞΗΣ Ε ΟΜΕΝΩΝ: HDLC Η IBM σχεδίασε για το πρότυπο SNA το πρωτοκολλώ ζεύξης δεδοµένων που ονοµάζεται SDLC (Synchronous Data Link Control) Ο ISO τροποποίησε το SDLC ώστε να προκύψει το HDLC (High-level Data Link Control) ή (ISO 3009, ISO 4335). Το HDLC είναι ένα αρκετά παλιό πρωτόκολλο και χρησιµοποιείται κατά κόρον για συνδέσεις point-to-point (π.χ. στα συστήµατα Χ.25). Το HDLC είναι πρωτόκολλο συρµού bit (bit oriented) και όπως όλα τα πρωτοκόλλα αυτού του είδους η δοµή του πλαισίου είναι: Το πεδίο της διεύθυνσης είναι σηµαντικό µόνο σε πολυσηµειακές γραµµές (multipoint). Σε point-to-point συνδέσεις χρησιµοποιείται µερικές φορές για να ξεχωρίσει τις εντολές από τις απαντήσεις. Ο πεδίο ελέγχου χρησιµοποιείται για τους αύξοντες αριθµούς και για να ξεχωρίσει τους διάφορους τύπους πλαισίων. Το HDLC χρησιµοποιεί µηχανισµό ολίσθησης παραθύρου µε αριθµό ακολουθίας 3 bit (αρίθµηση πλαισίων, ACKs, NACKs, κτλ) Fig. 3-25. Control Field of (a) an information frame, (b) a supervisory frame, (c) an unnumbered frame 35

ΤΟ ΣΤΡΩΜΑ ΖΕΥΞΗΣ Ε ΟΜΕΝΩΝ ΣΤΟ INTERNET Το Internet απαρτίζεται από µεµονωµένες µηχανές (host και δροµολογητές) και την επικοινωνιακή υποδοµή που τις ενώνει. A home personal computing acting as an Internet host Όταν συνδέουµε τον υπολογιστή µας στο σπίτι µε το Internet σηµαίνει πως: ο υπολογιστής είναι έτοιµος να τρέξει τη στοίβα πρωτοκόλλων TCP/ΙΡ IP πακέτα θα πρέπει να µεταφερθούν πάνω από µια dial-up γραµµή Ερώτηση: Πως µπορούµε να µετάφέρουµε ΙΡ πακέτα µέσα σε πλαίσια τα οποία αφού φτάσουν στο άλλο άκρο θα πρέπει να ελευθερώσουν τα πακέτα για να υποστούν επεξεργασία από το στρώµα δικτύου; 36

POINT-TO-POINT PROTOCOL (PPP) Το ΡΡΡ είναι ένα στάνταρ πρωτόκολλο ζεύξης δεδοµένων από σηµείο προς σηµείο και ορίζεται στις Συστάσεις RFC 1661-1663. Το ΡΡΡ παρέχει: Κατάλληλη πλαισίωση, δηλαδή η αρχή και το τέλος ενός πλαισίου µπορούν αναµφισβήτητα να ξεχωριστούν. Αποτελεί ξεχωριστό πρωτοκολλώ για τον έλεγχο της γραµµής (ρύθµιση, έλεγχος, συζητήσιµες επιλογές, τερµατισµό). Το πρωτόκολλο αυτό ονοµάζεται LCP (link control protocol). ιαπραγµατεύεται και υποστηρίζει διάφορα πρωτοκολλά (π.χ. ΙΡ, ΙΡΧ) του στρώµατος δικτύου. Το πρωτόκολλο αυτό ονοµάζεται NCP (network control protocol). Το πρωτόκολλο NCP χρησιµοποιείται για την εκχώρηση δυναµικών ΙΡ διευθύνσεων από τον παροχέα του Internet. H προκαθορισµένη µορφή πλαισίου του ΡΡΡ είναι: Fig. 3-27. The ppp full frame format for unnumbered mode operation 37

ΡΡΡ ΠΑΡΑ ΕΙΓΜΑ Ας υποθέσουµε πως θέλουµε να συνδεθούµε στο Internet µε τον υπολογιστή µας. 1. Όταν κάνουµε click connect το modem καλεί τον αριθµό του παροχέα Internet για να αποκαταστήσει µια φυσική σύνδεση µε τον δροµολογητή. 2. Ο υπολογιστής αρχίζει να στέλνει LCP πακέτα για να διαπραγµατευθεί τα χαρακτηριστικά της σηµείου προς σηµείο σύνδεσης. Αυτά τα πακέτα στέλνονται µέσα σε ΡΡΡ πλαίσια και διαπραγµατεύονται στοιχεία όπως: Το µέγιστο µέγεθος του payload σε ένα πλαίσιο µεταφοράς πληροφορίας χρήστη Αυθεντικοποίηση (π.χ. ζήτα password) Επιβλέψει της ποιότητας της γραµµής (π.χ. πόσα πακέτα χάθηκαν) Συµπίεσε τις επικεφαλίδες (χρήσιµο για αργές συνδέσεις µεταξύ γρήγορων µηχανών) 3. Κατόπιν ο υπολογιστής διαπραγµατεύεται χαρακτηριστικά που αφορούν το στρώµα δικτύου, π.χ. καταχώριση της ΙΡ διεύθυνσης για την ανταλλαγή πακέτων. Ερώτηση: Όταν µια IP διεύθυνση παραχωρείτε δυναµικά 1. Ποιoς την δίνει; 2. Μπορεί κάποιος οπουδήποτε να στείλει στον υπολογιστή κάποιο µήνυµα (τι γνωρίζει την διεύθυνση;) 38

DLL και ATM Θυµηθείτε: Το ΑΤΜ είναι τεχνική µεταγωγής πακέτου, τα πακέτα έχουν σταθερό µέγεθος 53 bytes και ονοµάζονται κελιά. Ερώτηση: που ακριβώς βρίσκεται το DLL µέσα στο µοντέλο του ΑΤΜ; Κατά τη µετάδοση κελιών: Το TC προσθέτει το HEC Κατά τη λήψη κελιών: Το TC κάνει πλαισίωση. Τα ΑΤΜ κελιά δεν έχουν flags στην αρχή και στο τέλος, πως γίνεται η πλαισίωση; Αλλά DLL πρωτοκόλλα: Xmodem, Kermit (για επικοινωνίες µε modem για Pc-to-PC ή PCto-Server) 39

ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΚΕΦ. 3 40