CONTROL DE ACCESO AL MEDIO Resumen hasta ahora

CONTROL DE ACCESO AL MEDIO
La subcapa MAC
(Medium Access Control)
¿Qué sucede cuando existen múltiples
primarios y secundarios?
Luis Tarazona, DIP UNEXPO Barquisimeto
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198
Resumen hasta ahora...
Protocolos básicos
– Reglas para intercambiar información P↔S
Algunas realidades físicas
– Tiempo, distancia, velocidad de propagación
– Tasa de bits
– Efectos sobre los protocolos básicos
Pero solo en conexiones punto a punto
dedicadas
– Un primario y un secundario
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199
Tópicos a estudiar
¿Qué es la subcapa MAC, sus funciones,
porqué y cuando se necesita?
Topologías (revisión)
Métodos de acceso múltiple
Protocolos MAC
La familia de normas IEEE 802
– Protocolos MAC utilizados
– Consideraciones sobre el desempeño (performance)
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200
¿Porqué es necesaria la capa MAC?
Muchas redes son de difusión (broadcast)
– Muchos dispositivos (Ps, Ss)
– Cada dispositivo puede escuchar a los otros
Se necesita:
– Un esquema de nombres para cada dispositivo y
para todos los dispositivos
– Conjunto de reglas (protocolo) para establecer:
• Quién puede enviar
• Cuándo (incluyendo con que frecuencia)
• Cómo recuperar errores
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201
Funciones de la capa MAC
Provee nombres y direccionamiento
Ejecuta el protocolo de acceso
– Gestión de múltiples dispositivos
– Sincroniza, planea, resuelve conflictos
Entrama los datos
– Codificación ,decodificación
– Segmentación y reensamblaje
Opcionalmente:
– Recuperación y Control de flujo
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202
Topologías
Punto a punto
Bus
Ethernet
Estrella
10BaseT
Línea discada,
Infra-rojo
Anillo
Token Ring
Bus doble
DQDB
WLAN/Celular
FDDI
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203
Modos de acceso múltiple en LANs y WANs
El canal es compartido pero asignado:
Estáticamente
– Cableado, dedicado, mutuamente invisible
Dinámicamente
– Por escrutinio, se evitan conflictos
Independiente de la
topología
• Puede requerir un control central
– Aleatoriamente, puede llevar a conflictos y colisiones
• Solipsista, Cooperación mínima con otros
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Asignación estática de canal
El recurso es asignado estáticamente
– Multiplexado entre N usuarios
Asignación por:
– Tiempo (Time Division Multiple Access, TDM)
– Frecuencia (Frecuency Division Multiple Access,
FDM)
Problema: Ineficiente
– N muy pequeño significa desperdicio del recurso
– No se puede dar servicio a más de N usuarios
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205
Asignación estática
Ejemplo: TDM + FDM = sistema GSM
GSM = Global System for mobile Communications:
• 124 canales de frecuencia
• Cada uno con un sistema TDM de ocho ranuras
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206
Asignación dinámica de canal (1)
5 asunciones claves:
(A1) Comportamiento de las estaciones
(modelo de tráfico)
– N estaciones
– Llegan tramas nuevas a una tasa constante λ dentro
de un periodo ∆t
– La estación se bloquea hasta que se completa la
transmisión de la trama
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Asignación dinámica de canal (2)
(A2) Acceso al canal único
–
–
–
–
Un solo canal disponible para toda comunicación
Todas las estaciones puden transmitir por el canal
Todas las estaciones pueden recibir por el canal
Todas las estaciones son equivalentes desde el
punto de vista del hardware
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208
Asignación dinámica de canal (3)
(A3) Colisiones
– La transmisión puede ser simultánea
– El solapamiento en el tiempo corrompe las
transmisiones
– Todas las estaciones pueden detectar colisiones
– Cuando se detecta una colisión la trama debe ser
tranmitida después de cierto tiempo.
Protocolo
• Esto modifica el comportamieto de las estaciones (A1)
– No hay otros errores aparte de los generados por
colisiones
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Asignación dinámica de canal (4)
(A4) El tiempo puede ser:
– (A4a) CONTINUO
• Ninguna estación está pendiente de un reloj maestro
– (A4b) RANURADO
• Todas las estaciones se sincronizan a un reloj maestro
• El reloj define la duración de los intervalos (ranuras)
• La trama en una ranura puede estar vacía, llena o
colisionada
• Cualquier trama-I debe enviarse al inicio de una ranura
de tiempo.
Protocolo
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210
Asignación dinámica de canal (5)
(A5) Detección de canal ocupado
– (A5a) Detección de portadora (Carrier Sense)
• Las estaciones pueden detectar si el canal está ocupado
• No se envía si el canal está ocupado, se espera hasta
que se desocupe
– (A5b) Sin detección de portadora
Protocolo
• Enviar tan pronto como llegan las tramas-I
• Cierto tiempo después de enviar, es posible determinar si
la transmisión falló
Protocolo
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211
Discusión
A1 dice que la tasa de generación de tramas
es constante
A3 dice que habrá un acumulado de tramas
– ∴ La cola crecerá
• ¿¿ Y qué sucede ??- Miles de artículos de la IEEE
A2 prohibe usar otro canal
A4a y A4b son excluyentes
• Tiempo continuo o ranurado, pero no ambos
A5a y A5b son excluyentes
• Se detecta o no se detecta la portadora
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212
Protocolos de acceso múltiple
ALOHA puro
– Sin detección de portadora
– Tiempo contínuo
ALOHA ranurado
– Sin detección de portadora
– Tiempo ranurado
CSMA/CD (carrier sense multiple access/collision detect)
– Detección de portadora
– Tiempo ranurado
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Distribución de Poisson
Fuente de tráfico estándar
– Baja probabilidad de muchas tramas
– Alta probabilidad de un número medio o bajo de
tramas
– La probabilidad de que se generen k tramas dentro
del intervalo de duración de una trama es:
G k e −G
Pr[ k ] =
k!
Donde G = tasa promedio de retransmisiones
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214
Modelo de fuente de tráfico (A1)
Los usuarios “teclean” “comandos”, los envían y
esperan por una respuesta – se bloquean hasta
recibirla
La trama se retransmite hasta recibir respuesta
Cada usuario es independiente de los otros
Tasa de transmisión determinada por la distribución
de Poisson con una tasa promedio de N tramas por
tiempo de trama
M usuarios, M es muy grande, de modo que
siempre habrán tramas nuevas – N no decrece
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215
Tramas nuevas vs. Retransmisiones(A3)
N>1 significa sobrecarga
N<1 significa mejor desempeño, pero ¿que tan
menor que 1 debe ser N?
Incluyendo ahora las retransmisiones:
Tasa de re-Tx sigue una dist. De Poisson con una
tasa promedio de G tramas por tiempo de trama (es
obvio que G≥N)
A baja carga (N<<1), G≈N
Con carga elevada (S≥1), G>N
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216
ALOHA puro (contención)
Canal Inalámbrico compartido para Tx y Rx
(A2)
Protocolo:
– Se envía cuando llegan datos nuevos (A1, A4a)
– No se detecta (no se puede) portadora (A5b)
Ocurrirán colisiones
– No se pueden detectar
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217
ALOHA puro:
tramas sin restricción de tamaño
tiempo
Número de estación
7
6
5
4
3
2
1
0
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218
ALOHA puro:
tramas de tamaño fijo
tiempo
Número de estación
7
6
5
4
3
2
1
0
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219
ALOHA puro: periodo vulnerable
Luis Tarazona, DIP UNEXPO Barquisimeto
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220
ALOHA puro: Eficiencia
Recordar:
Pr[ k ] =
G k e −G
k!
Probabilidad de cero tramas en cualquier periodo: e-G
Probabilidad de cero tramas durante el periodo vulnerable
(2Tix) :
P0 = e-G. e-G=e-2G
Productividad (Throughput) = carga x probablidad de que no
hayan colisiones:
S = GP0= G e-2G
Máximo = 0,184 @ G=0,5
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221
ALOHA puro: Ejemplos
GSM
– Acceso inicial
TETRA (Trans European Trunked Radio
Access)
Red ALOHA
Abramson, Universidad de Hawaii, 1970
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222
ALOHA ranurado
Canal inalámbrico, compartido para Tx y Rx
Protocolo:
– Enviar sólo al inicio de la ranura de tiempo, se debe esperar (A4b)
– Se puede sensar durante Tx pero no se hace nada (A5b)
Ocurrirán colisiones, reintentar aleatoriamente
El tiempo se divide en intervalos discretos igual a la
longitud de la trama (Roberts, 1972)
– Los usuarios se sincronizan con el inicio de la ranura
– La señal de tiempo es generada por una estación central
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223
ALOHA ranurado
tiempo
Número de estación
7
6
5
4
3
¿Cuál es el
periodo
vulnerable?
2
1
0
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224
ALOHA ranurado: Eficiencia
Recordar:
Pr[ k ] =
G k e −G
k!
Probabilidad de cero tramas en cualquier periodo: e-G
Probabilidad de cero tramas durante el periodo vulnerable
(Tix) :
P0 = e-G
Productividad (Throughput) = carga x probablidad de que no
hayan colisiones:
S = GP0= G e-G
Máximo = 0,368 @ G=1,0
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225
Inestabilidad
Probabilidad de una ranura vacía = e-G (Máximo = 37%)
Probabilidad de colisiones = 1- e-G
Probabilidad de i intentos
– 1 exitoso, i-1 fallas
– Pr[i] = e-G (1 - e-G)i-1
Número esperado de intentos
∞
∞
i =1
i =1
E = ∑ i Pr[i ] = ∑ ie −G (1 − e −G ) i −1 = e G
Esta dependencia exponencial indica que cambios de carga pequeños
generan grandes incrementos en las retransmisiones, es decir, la
productividad real colapsa
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226
ALOHA : Eficiencia
Luis Tarazona, DIP UNEXPO Barquisimeto
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227
CSMA ( Carrier Sense Multiple Access)
Acceso múltiple con detección de portadora
Canal cableado, compartido para Tx y Rx
(A2)
Protocolo:
– Enviar
• En una ranura de tiempo (A1, A4b)
• Tiempo continuo (A1, A4a)
– “Escuchar” mientras se “habla”
Ocurrirán colisiones (A3)
– Se pueden detectar (A5a) – CSMA/CD
– No se detectan (A5b) – CSMA persistente
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228
CSMA vs. ALOHA
La productividad de ALOHA está afectada
por el periodo vulnerable de transmisión (Tix)
CSMA minimiza la probabilidad de
transmisiones simultáneas
– Al detectar si el canal está ocupado
El periodo vulnerable en CSMA está
relacionado con Tp (τ)
Un Tp grande significas problemas
– Esto también es un problema en redes ALOHA
grandes
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229
CSMA: Persistente
Recuerda que el canal estaba ocupado
Escuchar, [esperar], antes de hablar
Sensible a los retardos de propagación
– El borde delantero de la trama puede que no llegue
simultáneamente a todas las estaciones
– El borde trasero de la trama puede pasar por algunas
estaciones antes que el borde delantero llegue a
otras
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230
CSMA Persistente : Variantes(1)
1-persistente (probabilidad de Tx =1)
– Escucha, espera hasta que se desocupa y transmite
inmediatamente
– Si ocurre una colisión se espera un tiempo aleatorio
antes de volver a detectar
No-persistente
– Escucha, transmite si está libre
– Espera un tiempo aleatorio antes de sensar otra vez
– Menos avaricioso, menos colisiones, pero mayores
retardos
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231
CSMA Persistente : Variantes(2)
p-persistente (para canales “ranurados”)
– Escucha, si la ranura está ocupada espera un tiempo
aleatorio e intenta de nuevo
– Envia con probabilidad p o difiere hasta la siguiente
ranura
– Si la siguiente ranura está ocupada, espera un
tiempo aleatorio e intenta de nuevo
Los protocolos CSMA persistentes no
detectan colisiones
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232
CSMA : Eficiencia
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233
CSMA/CD : Detección de colisiones
Similar a CSMA 1-persistente (escuchar
antes de hablar) pero:
– Cuando el canal está inactivo se inicia la fase de
contención (disputa)
• Se envia una solicitud de contención
–
–
–
–
–
Escuchar mientras se habla
Abortar inmediatamente si se detecta una colisión
Esperar un tiempo aleatorio y volver a sensar
Si no hay colisiones, entonces la estación “gana”
Transmite la trama
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234
CSMA/CD : Detección de colisiones
3 estados:
– Inactivo
– En contención
– Transmitiendo
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¿Qué tan largo debe ser
el periodo de
contención?
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235
CSMA/CD: Periodo de contención
¿Cuánto es el periodo vulnerable para
contencion?
No ranurado, así que la estación envia
cuando cree que el canal está libre
¿Porqué?
Compare con ALOHA puro!
El peor caso de periodo de contención es
dos veces el tiempo de propagación (2τ)
– Si no hay colisiones a 2τ, se puede continuar
enviando datos
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236
Periodo de contención
¿Qué tan larga debe ser la trama de solicitud
de contención?
– ¿Igual al periodo de contención?
• Si, para garantizar que todas las estaciones vean el
conflicto
• No (menor que 2τ), alguas estaciones no verán el
conflicto, pero verán la solicitud
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237
Tarea corta 3 – parte 1
Recordar:
Tp =
τ=2Tp
S
V
S=distancia, V = velocidad de propagación
N=tamaño en bits de la trama, R=tasa de bits (bits/s)
Calcular el total de bits en la trama de contención si:
S=2.5 km, R=10 Mbps, V = 2x108
S=50000 km, R=1 Mbps, V = 3x108
S=2.5 km, R=1 Gbps, V = 2x108
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238
Tarea corta 3 – parte 2
– Recordar:
Tx =
– Si
N
R
S=
a=
Tp
Tx
Ge − aG
(1 + 2a )G + e −aG
– G = carga ofrecida (intensidad de tráfico): % de
tiempo que hay datos presentes para transmitir
– S = Productividad: % de tiempo que se transporta
datos en buen estado
– Usando N de la parte anterior y G={0.1, 0.5, 1, 5, 10}
calcule S
– Concluya brevemente sobre sus resultados
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239
MAC inalámbrico de espectro disperso
(Spread Spectrum): CDMA
CDMA = Code Division Multiple Access
– Acceso múltiple por división de código
Dos formas:
– FH-CDMA (por salto de frecuencia)
– DS/-CDMA (por secuencia directa)
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240
MAC inalámbrico de espectro disperso
(Spread Spectrum): CDMA
FH-CDMA (por salto de frecuencia)
• La frecuencia de cada usuario cambia constantemente
dentro de una gama de frecuencias, según su código
personal
DS/-CDMA (por secuencia directa)
• Los datos son mezclados con una señal de banda
ancha generada por una secuencia psudoaleatoria
única para cada usuario
• Las secuencias son ortogonales entre sí de modo que
se elimina la interferencia al volver a mezclar en el
receptor
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241
FH-CDMA
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242
DS-CDMA
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243
Modulador DS-CDMA
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244
Un repaso a las normas IEEE 802 para
LANs y MANs
802.1 – Introducción, arquitectura
– Puentes, gestión de red, LANs virtuales
802.2
– Describe la parte superior de la capa de enlace de
datos (protocolo LLC)
– Hacia arriba: provee un servicio común a todos los
usuarios
– Hacia abajo: “mapea” el servicio a múltiples medios
de transmisión
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245
Normas IEEE 802
802.3 – CSMA/CD
– proviene de Xerox Ethernet
802.4 – Token bus (bus con testigo)
802.5 – Token ring (anillo con testigo)
802. 6 – Distributed Queue Dual Bus (DQDB)
– Bus dual de cola distribuida
802.7 – 802.10 – misceláneos, banda ancha, servicos
integrados, seguridad
802.11 – Inalámbrico, CSMA, FHMA, DS/CDMA
802.12 – Voice grade AnyLAN
802.14 – Cable TV
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246
IEEE 802.3
Descendiente de ALOHA, Xerox Ethernet
1-persistente CSMA/CD
10 Mbps – 1000 Mbps
Cable de cobre + fibra óptica
Topologías
– Bus, vulnerable a falla da una estación o una falla del
cable
– Estrella, más cables pero menos propenso a fallas
• Necesita un concentrador (hub) para regenerar la
señal
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247
802.3 detalles físicos
Cuatro variantes de 10 Mbps
Nombre
Cable
Segmento Max.
Nodos/seg.
Ventajas
10Base5
coax. grueso
500 m
100
bueno para
“backbones”
10Base2
coax. fino
200 m
30
el más económico
10Base-T
par trenzado
100 m
1024
10Base-F
fibra óptica
2000 m
1024
Fácil
mantenimiento
Mejor entre
edificaciones
Hasta 2.5 km usando repetidores para
interconectar segmentos
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802.3 detalles físicos
802.3u Fast Ethernet
Nombre
Cable
Segmento Max.
Ventajas
100Base-T4
par trenzado
100 m
Usa cable categoría 3
100Base-TX
par trenzado
100 m
Full duplex a 100Mbps
100Base-F
fibra óptica
2000 m
Full duplex a 100
Mbps, tramos largos
802.3 usa codificación Manchester
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249
802.3 : Subcapa MAC
1-persistente CSMA/CD
– Periodo de contención = 0
– Pero la contención está implícita en la detección de
colisiones
• Se usa la trama-I como trama de contención
–
–
–
–
• Entonces, la mínima longitud de la trama es 2τ
Escuchar antes de hablar
Si el canal estáocupado espera haste que se desocupe
Al desocuparse, transmite
Si se detecta una colisión esperar un tiepo aleatorio antes
de volver a sensar
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250
Eficiencia de 802.3 (1)
!
!
!
!
Eficiencia =
P
τ
P+2
A
A = kp(1 − p) k −1
¿Cuál es la
mínima
duración de
una trama
para 802.3?
P= tiempo de transmisión (N/R)
A=número promedio de tramas de contención
p= probabilidad de que una estación transmita en el periodo
de contención
k= número de estaciones tratando de transmitir
simultáneamente
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251
Eficiencia de 802.3 (2)
A 10 Mbps:
"
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252
802.5: Token Ring
Medio de acceso múltiple
Conexiones punto a punto
"
"
– Fácil de implementar en cobre, fibra
– No hay difusión (broadcast)
Vulnerable a fallas de un segmento
Toda la señalización es digital
"
"
"
– No hay colisiones que requieran procesamiento
analógico
Algoritmo de acceso más justo
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253
Topología de 802.5
Modo de escucha
Modo de transmisión
•Hasta 260 nodos con cable tipo 1 o 2, hasta 72 con cable UTP
•Velocidades de 4 y 16 Mbps
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254
802.5 Formato de token (testigo)
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255
802.5: Retardo del anillo (1)
¿Cuánto dura un bit? ¿Cuál es su “longitud”?
Si la tasa de bits es R Mbps, V= velocidad de
propagación:
#
#
– 1 bit dura 1/R µS, así que hay V/R metros por bit
– V= 2x108 m/s
#
Ejercicio:
– R= 1Mbps, 4 Mbps, 16 Mbps, longitud del
anillo=100m
– ¿Cuántos bits en el anillo?
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256
802.5: retardo del anillo (2)
¿Cuál es el número mínimo de bits que debe
tener el anillo?
#
#
– La trama más corta es el token (24 bits)
– ¿El anillo debería tener al menos 24 bits? (NO!)
– El tiempo para transmitir el token se llama
Latencia mínima asegurada
(Assured Minimum Latency )
El token lo genera el monitor activo (AM)
– Inserta un retardo de 24 bits
– Este rol se asigna por acuerdo entre las estaciones
Luis Tarazona, DIP UNEXPO Barquisimeto
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257
802.5: retardo del anillo (3)
AM debe compensar las variaciones de fase
debidas a:
$
– Variaciones del reloj
– Hasta 260 estaciones conectándose/desconectándose
La variación total de fase es +/- 3 bits
$
– AM debe almacenar al menos 30 periodos de bit
El token flota dentro del buffer de 30 bits
$
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802.3 vs. 802.5
802.3
$
– Usada ampliamente, fácil de instalar, plug & play
– Acceso injusto: retardo infinito, no determinístico
– Desempeño (performance) pobre para tramas
pequeñas
802.5
$
$
– Medio simple vs. Monitoreo e instalación complejas
– Acceso más justo, puede ser determinístico
Pero las normas no son estáticas...
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802.3 conmutado - Concentrador
Utilizado para 10BaseT, 100Base T 802.3
Topología en estrella
%
%
– Cables de 100 m máx. conectan las estaciones al
concentrador
– Típicamente 8 – 64 puertos por concentrador
Dominio de colisiones simple 802.3
%
– Recordar 2τ!
%
La interconexión moderna más común
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802.3 conmutado - Conmutador
El conmutador consta de:
&
– Tarjetas de puerto para conectar una o más estaciones
– Plano posterior (backplane) de alta velocidad para interconectar
las tarjetas de puertos
Las tarjetas de puerto implementan;
&
&
– En la tarjeta:
• 802.3 LAN ó puertos con almacenamiento (buffered ports)
– Copia con almacenamiento desde/hacia el backplane
Mayor productividad (throughput)
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LAN 802.3 conmutada
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Puentes – Interconexión de múltiples LANs
Tópicos:
Aspectos organizacionales
'
'
– Intranet vs. Extranet
– Aplicaciones y distribución de tráfico
– Seguridad
¿Cómo interconectr LANs?
– Usando puentes
• Locales y remotos
– LANs virtuales
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Recordar...
Ya existen tecnologías para LAN
Diferentes medios para 802 (CSMA/CD,
anillo,...)
Los aspectos geográficos son fijos
(
(
(
– Pero debe haber cabida para nuevos edificios,
departamentos
(
Los patrones de tráfico se pueden estimar
– Número de usuarios
– Aplicaciones: WWW, correo, ftp, telnet,..
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Aspectos organizacionales
Cada departamento tendrá su propia LAN
(
– Interconecta PCs y servidores
División lógica entre:
(
(
– Intranet – usada sólo por el depto.
– Extranet – usada por múltiples departamentos
Generalmente existe una separación física
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Aspectos de tráfico
Políticas
Aplicaciones
)
)
– WEB(HTTP), FTP, correo
• Una dirección domina para cada acceso/sesión
• En ráfagas, asociada a las actividades del usuario
– Servicio de archivos, conferencia – altamente
bidireccional
– Impresión – siempre en una sola dirección
De este modo, una sola LAN se transforma
en muchas!
)
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Otros aspectos
Grandes distancias = retardos máas largos
Confiabilidad
)
)
– Multiples LANs dan mejor disponibilidad
• Protegen contra fallas
Seguridad
)
)
– La separación física significa que el tráfico
hacia/desde la LAN se puede controlar
Los puentes son algo bueno
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Operación de un puente
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*
Puentes: ¿Son así de fáciles?
Formato de tramas 802.x
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