puzle 2. protocolos de acceso al medio (mac) dinámicos (o por

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3º I.T.I. Gestión – Redes de Computadores/3º I.T.I. Sistemas – Redes
PUZLE 2. PROTOCOLOS DE ACCESO AL MEDIO (MAC)
DINÁMICOS (O POR CONTIENDA)
Los contenidos del presente puzle se corresponden con los subapartados 2.1 ALOHA y
2.2 CSMA de la sección 2.2 Métodos MAC del Tema 5. Redes de Área Local.
GUIÓN PARA EL PUZLE (1 HORA 50 MINUTOS)
1. Explicación de la actividad (5 minutos)
2. Creación de grupos de 4 miembros elegidos al azar (5 minutos)
3. El grupo debe numerar a sus miembros (del 1 al 4)
4. Reparto de textos (5 minutos)
5. Lectura individual del material (20 minutos)
6. Reunión de expertos por grupos de 3 ó 4 personas (15 minutos)
-
Se reúnen aquellas personas a las que les ha correspondido el mismo texto.
7. Elaboración individual de un guión (10 minutos)
-
En papel, deben preparar un guión de la exposición.
8. Explicación en el grupo original (40 minutos)
-
Explicación de los tres textos.
-
Deben adoptarse roles cíclicos con cada explicación:
o El ponente: explica su parte.
o Comprobador: pide aclaraciones y hace comentarios.
o Secretario: se asegura de que no se exceden los 10 minutos.
9. Examen tipo test a todos los alumnos (10 minutos)
-
La nota del alumno será la media entre la nota más baja del grupo y la nota
del propio alumno.
-
0,04 por pregunta acertada y -0,02 por pregunta fallada.
-
10 preguntas y, por tanto, máxima puntuación de 0,4.
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TEXTO 1. ALOHA ([TAN03] CAPÍTULO 4 – [FOR07] CAPÍTULO 12)
El tema central de esta sección es la forma de asignar un solo canal de difusión de
manera dinámica entre usuarios competidores. Los métodos dinámicos:
-
Protocolo ALOHA
-
Protocolos de detección de portadora (CSMA)
-
Protocolos de detección de portadora con detección de colisiones
(CSMA/CD)
-
Protocolos de detección de portadora con evitación de colisiones
(CSMA/CA)
Todos ellos se basan en el supuesto de colisión. Si dos tramas se transmiten de forma
simultánea, se solapan en el tiempo y la señal resultante se altera. Este evento se llama
colisión. Una trama en colisión debe transmitirse nuevamente después.
FIGURA 1 COLISIÓN
ALOHA
ALOHA, el primer método dinámico, fue desarrollado en la Universidad de Hawaii a
principios de los años setenta. Tiene dos versiones: ALOHA puro y ALOHA ranurado.
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ALOHA PURO
La idea es que cada estación envía una trama cuando tiene una trama para enviar. Por
tanto, puesto que hay un único canal compartido, existe la posibilidad de colisión entre
tramas de diferentes estaciones. La siguiente figura muestra un ejemplo de colisiones.
Estación 1
Trama 1.1
Trama 1.2
Tiempo
Estación 2
Trama 2.1
Trama 2.1
Tiempo
Estación 3
Trama 3.1
Trama 3.1
Tiempo
Estación 4
Trama 4.1
Trama 4.1
Tiempo
Duración
de la colisión
Duración
de la colisión
FIGURA 2 ALOHA PURO.
Una colisión involucra a dos o más estaciones. Las estaciones en el protocolo ALOHA
puro detectan la colisión después de haber enviado completamente su trama e intentan
reenviarla pasado un tiempo aleatorio (también llamado back-off). Si este tiempo no
fuera aleatorio y todas las estaciones intentaran reenviar sus tramas después del mismo
periodo de espera, las tramas volverían a colisionar. Por esta razón, ALOHA puro
establece que el periodo de espera sea aleatorio antes de reenviar la trama.
El protocolo ALOHA puro tiene un periodo vulnerable de colisión de 2xTframe
(suponiendo un tamaño de trama constante). Esto se debe a que una estación puede
enviar libremente en cualquier instante. Una estación puede enviar tan pronto como
otra estación ha comenzado o justo antes de que la estación haya terminado.
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FIGURA 3 PERIODO VULNERABLE EN ALOHA PURO
ALOHA RANURADO
ALOHA ranurado fue inventado para mejorar la eficiencia del protocolo ALOHA
puro. En el protocolo ALOHA ranurado se divide el tiempo en ranuras de Tframe
segundos y se fuerza a que cada estación envíe sólo al comienzo de la ranura. La
siguiente figura muestra un ejemplo de colisiones de tramas en el protocolo ALOHA
con ranuras.
Duración
de la
colisión
Estación 1
Trama 1.1
Duración
de la
colisión
Trama 1.2
Tiempo
Estación 2
Trama 2.1
Trama 2.1
Tiempo
Estación 3
Trama 3.1
Trama 3.1
Tiempo
Estación 4
Trama 4.1
Trama 4.1
Tiempo
Ranura 1 Ranura 2 Ranura
Ranura
3 3 Ranura 4 Ranura 5 Ranura 6
FIGURA 4 ALOHA RANURADO
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Debido a que una estación sólo puede enviar al comienzo de una ranura de tiempo, si
una estación pierde este momento, tendrá que esperar al comienzo de la siguiente
ranura de tiempo. Por supuesto, existe la posibilidad de colisiones si dos estaciones
intentan enviar justo al comienzo de una ranura de tiempo. Sin embargo, el periodo
vulnerable se reduce a la mitad, igual a Tframe. La siguiente figura muestra que el
periodo vulnerable para ALOHA ranurado es la mitad del tiempo que para el
protocolo ALOHA puro.
FIGURA 5 PERIODO VULNERABLE EN ALOHA RANURADO.
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TEXTO 2. CSMA ([TAN03] CAPÍTULO 4 – [FOR07] CAPÍTULO 12)
El tema central de esta sección es la forma de asignar un solo canal de difusión de
manera dinámica entre usuarios competidores. Los métodos dinámicos:
-
Protocolo ALOHA
-
Protocolos de detección de portadora (CSMA)
-
Protocolos de detección de portadora con detección de colisiones
(CSMA/CD)
-
Protocolos de detección de portadora con evitación de colisiones
(CSMA/CA)
Todos ellos se basan en el supuesto de colisión. Si dos tramas se transmiten de forma
simultánea, se solapan en el tiempo y la señal resultante se altera. Este evento se llama
colisión. Una trama en colisión debe transmitirse nuevamente después.
FIGURA 6 COLISIÓN
ACCESO MULTIPLE CON DETECCIÓN DE PORTADORA (CSMA)
Para minimizar la posibilidad de colisiones se desarrolló el método CSMA. La
posibilidad de colisiones se puede reducir si una estación comprueba el medio antes de
intentar utilizarlo. CSMA requiere que cada estación escuche primero el medio para
detectar una transmisión antes de transmitir su propia trama.
CSMA puede reducir la posibilidad de colisiones, pero no las elimina. La posibilidad
de una colisión existe debido al retardo de propagación; cuando una estación envía una
trama, se necesita un tiempo para que el primer bit alcance a cada estación.
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Vea la siguiente figura. En el instante t1, la estación B comprueba el medio y lo
encuentra inactivo, por tanto envía una trama. En el instante t2 (t2 > t1) la estación C
comprueba el medio y también lo encuentra inactivo debido a que, en este instante, los
primeros bits de la estación B no han alcanzado todavía a la estación C. La estación C
también envía una trama. Las dos señales colisionan y ambas tramas se destruyen.
B comienza
en el instante t1
C comienza
en el instante t2
Área donde existe
la señal de A
Área donde ambas
señales existen
Área donde existe
la señal de B
Tiempo
Tiempo
FIGURA 7 COLISIONES EN CSMA
El periodo vulnerable de colisión para CSMA es el tiempo de propagación Tprop. Este
es el tiempo necesario para que una señal se propague de un extremo al otro del medio
de transmisión.
La siguiente figura muestra el peor caso. La estación A situada más a la izquierda envía
una trama en el instante T1, que alcanza a la estación D situada más a la derecha en el
instante T1+Tprop. Si la estación D envía una trama justo antes del instante T1+Tprop, habrá
una colisión. Después del instante T1+Tprop, todas las estaciones detectan la trama
enviada por A y, por tanto, ninguna estación podrá enviar una trama hasta que A
termine su transmisión.
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B comprueba
aquí
C comprueba
aquí
D comprueba
aquí
Periodo vulnerable
=
tiempo
de propagación
Propagación de la trama
Tiempo
Tiempo
FIGURA 8 PERIODO VULNERABLE EN CSMA
MÉTODOS DE PERSISTENCIA
¿Qué debería hacer una
estación si el canal está
ocupado? ¿Qué debería
hacer una estación si el
canal está libre? Se han
desarrollado tres métodos
para dar respuesta a estas
preguntas: el método de
persistencia 1, el método de
no persistencia y el método
de persistencia p. La
siguiente figura muestra el
funcionamiento de los tres
métodos de persistencia
cuando
una
estación
encuentra el canal libre.
-
CSMA 1-persistente. La estación escucha el canal continuamente. Si el canal está
libre, la estación transmite la trama.
-
CSMA no persistente. Si el canal está libre, la estación comienza a transmitir la
trama. Si el canal está ocupado, espera un tiempo aleatorio y vuelve a intentarlo.
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-
CSMA p-persistente. La estación escucha el canal continuamente. Si el canal está
libre, la estación transmite la trama con probabilidad p, o espera hasta la siguiente
ranura (equivalente a Tprop) con probabilidad 1-p. Si el canal está ocupado, espera a
que quede libre y vuelve a intentarlo.
CSMA 1-persistente proporciona el peor rendimiento de todos los métodos CSMA
cuando la utilización del canal es alta ya que todas las estaciones intenta transmitir
cuando el canal está libre (efecto cola de espera). CSMA 1-persistente proporciona el
menor retardo de espera para la estación de todos los métodos CSMA, porque CSMA
no persistente introduce retardos cuando el canal está siendo usado y CSMA ppersistente introduce retardos cuando se espera a la siguiente ranura.
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TEXTO 3. CSMA/CD ([TAN03] CAPÍTULO 4 – [FOR07] CAPÍTULO 12)
El tema central de esta sección es la forma de asignar un solo canal de difusión de
manera dinámica entre usuarios competidores. Los métodos dinámicos:
-
Protocolo ALOHA
-
Protocolos de detección de portadora (CSMA)
-
Protocolos de detección de portadora con detección de colisiones
(CSMA/CD)
-
Protocolos de detección de portadora con evitación de colisiones
(CSMA/CA)
Todos ellos se basan en el supuesto de colisión. Si dos tramas se transmiten de forma
simultánea, se solapan en el tiempo y la señal resultante se altera. Este evento se llama
colisión. Una trama en colisión debe transmitirse nuevamente después.
FIGURA 9 COLISIÓN
ACCESO MULTIPLE CON DETECCIÓN DE PORTADORA (CSMA)
Para minimizar la posibilidad de colisiones se desarrolló el método CSMA. La
posibilidad de colisiones se puede reducir si una estación comprueba el medio antes de
intentar utilizarlo. CSMA requiere que cada estación escuche primero el medio para
detectar una transmisión antes de transmitir su propia trama.
CSMA puede reducir la posibilidad de colisiones, pero no las elimina. La posibilidad
de una colisión existe debido al retardo de propagación; cuando una estación envía una
trama, se necesita un tiempo para que el primer bit alcance a cada estación.
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Vea la siguiente figura. En el instante t1, la estación B comprueba el medio y lo
encuentra inactivo, por tanto envía una trama. En el instante t2 (t2 > t1) la estación C
comprueba el medio y también lo encuentra inactivo debido a que, en este instante, los
primeros bits de la estación B no han alcanzado todavía a la estación C. La estación C
también envía una trama. Las dos señales colisionan y ambas tramas se destruyen.
B comienza
en el instante t1
C comienza
en el instante t2
Área donde existe
la señal de A
Área donde ambas
señales existen
Área donde existe
la señal de B
Tiempo
Tiempo
FIGURA 10 COLISIONES EN CSMA
El periodo vulnerable de colisión para CSMA es el tiempo de propagación Tprop. Este
es el tiempo necesario para que una señal se propague de un extremo al otro del medio
de transmisión.
La siguiente figura muestra el peor caso. La estación A situada más a la izquierda envía
una trama en el instante T1, que alcanza a la estación D situada más a la derecha en el
instante T1+Tprop. Si la estación D envía una trama justo antes del instante T1+Tprop, habrá
una colisión. Después del instante T1+Tprop, todas las estaciones detectan la trama
enviada por A y, por tanto, ninguna estación podrá enviar una trama hasta que A
termine su transmisión.
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B comprueba
aquí
C comprueba
aquí
D comprueba
aquí
Periodo vulnerable
=
tiempo
de propagación
Propagación de la trama
Tiempo
Tiempo
FIGURA 11 PERIODO VULNERABLE EN CSMA
ACCESO MULTIPLE CON DETECCIÓN DE PORTADORA Y DETECCIÓN DE
COLISIONES (CSMA/CD)
CSMA/CD
amplía
CSMA para gestionar
las colisiones. En este
método, una estación
escucha
el
medio
mientras envía una
trama para comprobar
si se produce alguna
colisión. Si hay una
colisión, la estación
termina la transmisión
de la trama, envía una
señal de perturbación
(jam) para informar de
la colisión al resto de
estaciones
y,
por
último,
la
estación
espera
un
tiempo
aleatorio (back-off) para
reenviar la trama.
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TAMAÑO MÍNIMO DE LA TRAMA
Tiempo
Para que el método CSMA/CD funcione, se necesita una restricción sobre el tamaño de
las tramas. La estación que envía la trama debe detectar si ha existo una colisión antes
de terminar de transmitir la trama. Esto se debe a que la estación, una vez termina la
transmisión de la trama, no sigue escuchando la línea para comprobar si existe colisión.
Por tanto, para garantizar que la transmisión se ha realizado con éxito el tiempo de
transmisión de una trama Tframe debe ser dos veces el máximo tiempo de propagación
Tprop (tiempo de propagación entre las dos estaciones más alejadas).
Si las dos estaciones involucradas en una colisión se encuentran separadas a la máxima
distancia, la señal de la primera tarda Tprop en alcanzar a la segunda y el efecto de la
colisión tarda otro tiempo Tprop en alcanzar la primera. Por tanto, el requisito es que la
primera estación debe estar transmitiendo 2xTprop.
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TEXTO 4. CSMA/CA ([TAN03] CAPÍTULO 4 – [FOR02] CAPÍTULO 12)
El tema central de esta sección es la forma de asignar un solo canal de difusión de
manera dinámica entre usuarios competidores. Los métodos dinámicos:
-
Protocolo ALOHA
-
Protocolos de detección de portadora (CSMA)
-
Protocolos de detección de portadora con detección de colisiones
(CSMA/CD)
-
Protocolos de detección de portadora con evitación de colisiones
(CSMA/CA)
Todos ellos se basan en el supuesto de colisión. Si dos tramas se transmiten de forma
simultánea, se solapan en el tiempo y la señal resultante se altera. Este evento se llama
colisión. Una trama en colisión debe transmitirse nuevamente después.
FIGURA 12 COLISIÓN
ACCESO MULTIPLE POR DETECCIÓN DE PORTADORA (CSMA)
Para minimizar la posibilidad de colisiones se desarrolló el método CSMA. La
posibilidad de colisiones se puede reducir si una estación comprueba el medio antes de
intentar utilizarlo. CSMA requiere que cada estación escuche primero el medio para
detectar una transmisión antes de transmitir su propia trama.
CSMA puede reducir la posibilidad de colisiones, pero no las elimina. La posibilidad
de una colisión existe debido al retardo de propagación; cuando una estación envía una
trama, se necesita un tiempo para que el primer bit alcance a cada estación.
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Vea la siguiente figura. En el instante t1, la estación B comprueba el medio y lo
encuentra inactivo, por tanto envía una trama. En el instante t2 (t2 > t1) la estación C
comprueba el medio y también lo encuentra inactivo debido a que, en este instante, los
primeros bits de la estación B no han alcanzado todavía a la estación C. La estación C
también envía una trama. Las dos señales colisionan y ambas tramas se destruyen.
B comienza
en el instante t1
C comienza
en el instante t2
Área donde existe
la señal de A
Área donde ambas
señales existen
Área donde existe
la señal de B
Tiempo
Tiempo
FIGURA 13 COLISIONES EN CSMA
El periodo vulnerable de colisión para CSMA es el tiempo de propagación Tprop. Este
es el tiempo necesario para que una señal se propague de un extremo al otro del medio
de transmisión.
La siguiente figura muestra el peor caso. La estación A situada más a la izquierda envía
una trama en el instante T1, que alcanza a la estación D situada más a la derecha en el
instante T1+Tprop. Si la estación D envía una trama justo antes del instante T1+Tprop, habrá
una colisión. Después del instante T1+Tprop, todas las estaciones detectan la trama
enviada por A y, por tanto, ninguna estación podrá enviar una trama hasta que A
termine su transmisión.
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3º I.T.I. Gestión – Redes de Computadores/3º I.T.I. Sistemas – Redes
B comprueba
aquí
C comprueba
aquí
D comprueba
aquí
Periodo vulnerable
=
tiempo
de propagación
Propagación de la trama
Tiempo
Tiempo
FIGURA 14 PERIODO VULNERABLE EN CSMA
ACCESO MULTIPLE POR DETECCIÓN DE PORTADORA Y PREVENCIÓN DE
COLISIONES (CSMA/CA)
CSMA/CA amplía CSMA para gestionar las colisiones en redes inalámbricas. En las
redes inalámbricas no es posible detectar las colisiones mientras se está transmitiendo.
En CSMA/CA, las colisiones se evitan mediante el uso de dos estrategias: el espacio
entre tramas y la ventana de contención; mientras que el mecanismo de detección de
las colisiones se basa en el uso de confirmaciones (ACKs).
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Espacio entre tramas (IFS). En primer lugar, cuando un
canal está libre, la estación no envía inmediatamente.
Espera un periodo de tiempo denominado espacio
entre tramas o IFS. Si después del tiempo IFS, el canal
continúa libre, la estación puede enviar, pero aún
necesita esperar un tiempo igual al tiempo de
contención (descrito a continuación). La variable IFS se
puede también utilizar para priorizar a las estaciones.
Por ejemplo, una estación que tiene asignado un
tiempo IFS más pequeño tiene una prioridad mayor.
¿Canal
libre?
libre
Esperar el
tiempo IFS
¿Continúa
libre?
Ventana de contención. La ventana de contención es
una cantidad de tiempo dividido en ranuras. Una
estación que está lista para enviar elige un número
aleatorio de ranuras como su tiempo de espera. Un
aspecto importante acerca de la ventana de contención
es que la estación necesita comprobar el canal después
de cada ranura de tiempo. De tal manera que si la
estación encuentra el canal ocupado, congela el proceso
de espera y lo reanuda cuando el canal se encuentra
libre de nuevo.
Confirmaciones. Con todas estas medidas, aún puede
haber una colisión que destruya los datos. Además, los
datos se pueden corromper durante la transmisión. El
envío de una confirmación positiva por cada trama
recibida puede ayudar a garantizar que el receptor ha
recibido la trama. El emisor debe esperar la
confirmación de la trama durante un tiempo de espera
(temporizador) y si no la recibe deberá reenviar la
trama.
ocupado
ocupado
libre
Esperar R
ranuras
Enviar la
trama
Esperar el
vencimiento del
temporizador
No
¿Se ha recibido el
ACK?
Sí
Éxito
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