HY335: Δίκτυα Υπολογιστών Χειμερινό Εξάμηνο 2017-2018 Διδάσκουσα: Μαρία Παπαδοπούλη Τμήμα Επιστήμης Υπολογιστών, Πανεπιστημίου Κρήτης 2 η Σειρά Ασκήσεων Data Link Layer Άσκηση 1 Αναφέρεται τα 4 επιθυμητά χαρακτηριστικά των πρωτοκόλλων τυχαίας προσπέλασης (Random Access). Ποια από αυτά τα χαρακτηριστικά έχει το πρωτόκολλο slotted Aloha και ποια το CSMA? Τα επιθυμητά χαρακτηριστικά είναι : 1. Όταν ένας σταθμός έχει πακέτο να στείλει, μεταδίδει στον πλήρη ρυθμό του καναλιού R. 2. Όταν M σταθμοί έχουν δεδομένα προς αποστολή, κάθε σταθμός έχει διεκπεραιωτική ικανότητα R/M bps. Αυτό δεν σημαίνει απαραίτητα ότι κάθε σταθμός πετυχαίνει πάντα ρυθμό R/M bps, αλλά ότι θα έχει μέσο ρυθμό R/M bps. 3. Δεν απαιτείται κανένας εκ των προτέρων συγχρονισμός μεταξύ των σταθμών. (decentralized) 4. Το πρωτόκολλο είναι απλό, ώστε να μην είναι κοστοβόρο στην υλοποίηση. Το Slotted Aloha έχει τα χαρακτηριστικά 1,2 και 4. To CSMA/CD παρουσιάζει τα χαρακτηριστικά 1, 2 και 3. Το CSMA/CD δεν είναι τόσο απλό όσο το Aloha, καθώς απαιτείται ο έλεγχος του καναλιού πριν από κάθε μετάδοση και άμεσος μηχανισμός διακοπής της μετάδοσης σε περίπτωση σύγκρουσης. Άσκηση 2 Υποθέτουμε ένα δίκτυο LAN 4 σταθμών A, B, C και D. Έστω ότι ο Α στέλνει Κ πακέτα στον B. Οι κάρτες δικτύου των σταθμών C και D θα επεξεργαστούν τα πλαίσια αυτά? Αν ναι, θα τα προωθήσουν στο επίπεδο δικτύου για περαιτέρω επεξεργασία? Τι θα ίσχυε
αν η ενθυλάκωση σε πλαίσια γινόταν βάσει της broadcast διεύθυνσης? Όλοι οι σταθμοί του δικτύου θα λάβουν το πακέτο, εφόσον δεν υπάρχει κάποια ειδική συσκευή ελέγχου (switch). Από εκεί και έπειτα, σε όλες τις κάρτες δικτύου όλων των σταθμών θα γίνει επεξεργασία των πλαισίων, αλλά μόνο στο σταθμό Β θα προωθηθεί στο επίπεδο δικτύου. Στην περίπτωση broadcast διεύθυνσης στο πλαίσιο οι κάρτες δικτύου όλων των σταθμών θα επεξεργάζονταν το πλαίσιο και θα το προωθούσαν στο επίπεδο δικτύου. Άσκηση 3 Γιατί η αίτηση ARP αποστέλλεται με πλαίσιο προς καθολική (broadcast) διεύθυνση και γιατί η απάντηση ARP αποστέλλεται με πλαίσιο προς συγκεκριμένη διεύθυνση MAC? Ο σταθμός που στέλνει την αίτηση ARP δεν γνωρίζει σε ποιο σταθμό ανήκει η διεύθυνση IP για την οποία έχει δεδομένα προς αποστολή, οπότε αποστέλλει ερώτηση προς όλο το δίκτυο. Αντίθετα, η απάντηση θα αποσταλεί από τον κόμβο που είχε την επιθυμητή διεύθυνση IP, ο οποίος γνωρίζει από πού έλαβε το ερώτημα ARP και θα απαντήσει απευθείας σε αυτό το σταθμό. Άσκηση 4 Αποφανθείτε για την ορθότητα των παρακάτω εκφράσεων, όσον αφορά των μηχανισμό backoff που χρησιμοποιείται σε πρωτόκολλα MAC. 1. Ο μηχανισμός εγγυάται ότι δύο σταθμοί των οποίων τα πακέτα υπέστησαν σύγκρουση κάποια χρονική στιγμή, αποκλείεται να έχουν σύγκρουση μελλοντικών πακέτων μεταξύ τους. 2. Το Backoff εγγυάται ότι κάθε σταθμός του οποίου το πακέτο υπέστη σύγκρουση σε μια χρονική σχισμή, έχει μικρότερη πιθανότητα να υποστεί ξανά σύγκρουση όταν προσπαθήσει να στείλει ξανά το ίδιο πακέτο μετά από χρόνο που ορίζει ο μηχανισμός. 3. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί με τα πρωτόκολλα ALOHA και Slotted-ALOHA αλλά όχι με το CSMA.
1. Λάθος. Μπορεί να μπουν σε backoff για την ίδια ακριβώς διάρκεια και να έχουν πάλι σύγκρουση, 2. Σωστό. Η πιθανότητα νέας σύγκρουσης είναι μικρότερα για κάθε σταθμός, αφού κάθε φορά που μπαίνει σε backoff περιμένει ένα τυχαίο χρόνο μέσα σε κάποιο διάστημα. 3. Λάθος. Το backoff χρησιμοποιείται με το CSMA. Άσκηση 5 Αναφέρετε τα χαρακτηριστικά και τις διαφορές των συσκευών Hub, Γέφυρας (Bridge) και Μεταγωγέα (Switch). Hub Είναι συσκευή που λειτουργεί στο φυσικό επίπεδο, ενώ χειρίζεται bit και όχι πλαίσια ή πακέτα. Λειτουργεί ως επαναλήπτης με πολλές θύρες. Κάθε μήνυμα που λαμβάνει από ένα σταθμό, το προωθεί σε όλους τους υπόλοιπους συνδεδεμένους σταθμούς, πλην του αποστολέα. Πολύ απλό και φθηνό. Δεν μπορεί να εντοπίσει συντομότερα μονοπάτια εντός του δικτύου, ούτε να φιλτράρει τα πακέτα ανάλογα με τον παραλήπτη. Γέφυρα (Bridge) - Είναι συσκευή που λειτουργεί στο επίπεδο ζεύξης. - Έχει δυο σημαντικές λειτουργίες: Filtering και Forwarding. o Filtering: Προσδιορίζει αν ένα πλαίσιο πρέπει να προωθηθεί σε μια άλλη θύρα της συσκευής ή να απορριφθεί. o Forwarding: Προσδιορίζει σε ποιες θύρες πρέπει να προωθηθεί ένα πλαίσιο και έπειτα τα προωθεί. - Σε αντίθεση με τα hubs, έχει μηχανισμό buffering - Ελέγχει μόνο τα πλαίσια και όχι στοιχεία που αφορούν τα πακέτα εντός των πλαισίων, όπως το IP. - Υποστηρίζει το πρωτόκολλο CSMA/CD (σε αντίθεση με το hub). - Κατά την επεξεργασία κάθε πακέτου ελέγχεται η διεύθυνση MAC που υπάρχει στην επικεφαλίδα (header) του πακέτου και ανάλογα αποφασίζεται η προώθηση ή η καταστροφή του πακέτου.
- Χρησιμοποιείται για το διαχωρισμό του δικτύου σε κομμάτια που δεν απαιτείται να συνομιλούν συχνά, αλλά πρέπει να συνδέονται. Μεταγωγέας (Switch) - Ο Μεταγωγέας λειτουργεί παρόμοια με τη γέφυρα (bridge), έχοντας όμως πολλαπλές θύρες. - Ως συσκευή λειτουργεί στο επίπεδο ζεύξης, ενώ υπάρχουν μεταγωγείς που υποστηρίζουν και το επίπεδο δικτύου του μοντέλου OSI. - Έχει δυνατότητα ελέγχου λάθους πριν την προώθηση των δεδομένων, γεγονός που αυξάνει την συνολική αποδοτικότητα του δικτύου. - Χρησιμοποιούνται για τη διασύνδεση δικτύων μεγάλου μεγέθους, τα οποία δεν είναι αποδοτικό να συνδεθούν με Hub. Άσκηση 6 Έστω ένα δίκτυο LAN που λειτουργεί με slotted ALOHA στο οποίο συνδέονται Ν συσκευές. Ορίζουμε ως αποδοτικότητα του δικτύου την πιθανότητα σε μία χρονο-θυρίδα να πραγματοποιείται επιτυχημένη μετάδοση. Περιγράψτε με ποιόν τρόπο θα πρέπει να βρεθεί η τιμή της βασικής παραμέτρου του slotted ALOHA, ώστε να μεγιστοποιηθεί η απόδοση του παραπάνω δικτύου. Αναφέρεται ποία είναι αυτή η παράμετρος και περιγράψτε τον τρόπο που θα πρέπει να υπολογιστεί ώστε να μεγιστοποιεί την απόδοση του slotted ALOHA σε αυτό το LAN. Λύση Στο συγκεκριμένο δίκτυο η αποδοτικότητα του slotted ALOHA (σύμφωνα με τον ορισμό της αποδοτικότητας που δόθηκε) είναι : e N (p) =N*p*(1-p) N-1. Επομένως η παράμετρος που μπορεί να προσδιοριστεί είναι η πιθανότητα p. Πρέπει να βρούμε το p που μεγιστοποιεί την παραπάνω σχέση και να το χρησιμοποιήσουμε στο πρωτόκολλο του slotted ALOHA. Η τιμή αυτή του p βρίσκεται από την πρώτη και τη δεύτερη παράγωγο της συνάρτησης. Θέλουμε e(p) = 0 ==> p =1 και p =1/N Επίσης μας ενδιαφέρει το μέγιστο, οπότε πρέπει e(p) <0,σχέση που ικανοποιεί μόνο η τιμή p=1/n,η οποία επιλέγεται τελικά και ως αποδεκτή τιμή. Άσκηση 7
Έστω δύο σταθμοί Α και Β που χρησιμοποιούν το πρωτόκολλο slotted-aloha και διεκδικούν ένα κανάλι. Ο σταθμός Α έχει περισσότερα δεδομένα προς μετάδοση από τον Β, ενώ η πιθανότητα αναμετάδοσης του Α (P A ) είναι μεγαλύτερη από την αντίστοιχη πιθανότητα του Β (P B ). a) Δώστε μια σχέση για τη μέση ρυθμαπόδοση (average throughput) του Α. Ποια είναι η συνολική αποδοτικότητα του καναλιού όταν υπάρχουν μόνο αυτοί οι σταθμοί? b) Αν P A =2P B, τότε το μέσο throughput του Α θα είναι διπλάσιο της αντίστοιχης τιμής του Β? Αν όχι, με ποια σχέση των P A και P B επιτυγχάνεται αυτό? c) Αν υποθέσουμε ότι υπάρχουν Ν σταθμοί και η πιθανότητα αναμετάδοσης του Α είναι 2p, ενώ για όλους τους υπόλοιπους σταθμούς είναι p, δώστε μια σχέση για τον υπολογισμό της μέσης διεκπεραιωτικής ικανότητας του Α και οποιουδήποτε άλλου σταθμού. Λύση a) Η μέση ρυθμαπόδοση του Α δίνεται από τη σχέση: p A *(1-p B ) και ερμηνεύεται ως η πιθανότητα ο Α να μεταδίδει επιτυχώς ενώ ο Β όχι. b) Για την εύρεση της συνολικής αποδοτικότητας του καναλιού πρέπει να αθροιστούν όλες οι δυνατές περιπτώσεις μετάδοσης, δηλαδή: p A *(1-p B ) + p Β *(1-p Α ) Αν ισχύει η παραπάνω σχέση, τότε από (a) ισχύει για τον σταθμό Α: p A *(1-p B ) = 2p B *(1-p B ) Και για τον Β: p Β *(1-p Α ) = p Β *(1-2p Β ) Είναι προφανές ότι το A throughput δεν είναι διπλάσιο του Β throughput. Αν επιθυμούμε: A throughput = p A *(1-p B ) = 2p Β *(1-p Α ) = 2Β throughput, τότε πρέπει: p A = 2p Β /(1-p B ) c) Αντικαθιστώντας στη σχέση του ερωτήματος (a) έχουμε: p A *(1-p B ) = 2p (1-p) N-1, ενώ για κάθε άλλο σταθμό ισχύει: p Ν *(1-p Α )*(1-p N ) N-2 = p*(1-2p)*(1-p) N-2 Άσκηση 8 Έστω δύο σταθμοί Α και Β που ανήκουν στο ίδιο δίκτυο LAN και συνδέονται μέσω καναλιού 10Mbps μέσω του οποίου διαδίδονται πακέτα Ethernet. Η καθυστέρηση διάδοσης μεταξύ των 2 σταθμών είναι 20 msec. Έστω ότι και οι 2 σταθμοί στέλνουν το πρώτο τους πακέτο την ίδια στιγμή(t=0), γίνεται σύγκρουση και οι 2 σταθμοί μπαίνουν σε αναμονή επιλέγοντας διαφορετικό slot Κ, βάσει του μηχανισμού backoff, όπως
ορίζεται για το CSMA/CD. Σε περίπτωση σύγκρουσης θεωρούμε ότι κάθε σταθμός στέλνει ένα σήμα ελέγχου (jam signal) μεγέθους 48bit, για το οποίο απαιτούνται 2msec και έπειτα μπαίνει σε backoff. Επίσης θεωρούμε ότι κανένας άλλος σταθμός του δικτύου δεν είναι ενεργός. Υπάρχει πιθανότητα οι αναμεταδόσεις των Α και Β να συγκρουστούν εκ νέου? Δίνεται ότι ο χρόνος αναμονής ενός σταθμού, ο οποίος μπαίνει σε backoff όπως ορίζεται για το CSMA/CD, για κανάλι 10Mbps, είναι (K * 51,2msec), όπου Κ είναι η εκάστοτε χρονική στιγμή που επιλέγεται (slot). Λύση Οι σταθμοί αρχίζουν την μετάδοση τη στιγμή t=0. Δεδομένου ότι η μεταξύ τους καθυστέρηση διάδοσης είναι 20msec, τα δύο πακέτα θα συγκρουστούν τη στιγμή t=10msec. Απαιτούνται άλλα 10msec προκειμένου οι Α και Β να αντιληφθούν τη σύγκρουση. Και οι 2 σταθμοί στέλνουν ένα σήμα θορύβου μεγέθους 48bit και μπαίνουν σε backoff. Ο χρόνος είναι t = 20 + 2 = 22 msec. Εφόσον οι σταθμοί επιλέγουν διαφορετικό slot Κ και δεδομένου ότι είναι η πρώτη τους σύγκρουση, ο ένας σταθμός επιλέγει Κ=0 και ο άλλος Κ=1. Έστω ότι ο Α επιλέγει Κ=0 και ο Β Κ=1. Τότε ο Α αναμεταδίδει αμέσως, τη χρονική στιγμή t=22msec, ενώ ο Β θα παραμείνει σε αναμονή για t=22msec + Κ*51,2msec = 73,2msec. Λόγω της καθυστέρησης διάδοσης το πλαίσιο του Α φτάνει το Β τη στιγμή t=22+20 = 42msec, που είναι λιγότερο από τη χρονική στιγμή που θα αρχίσει την αναμετάδοση του ο Β, οπότε δεν θα υπάρξει σύγκρουση.