RETI DI CALCOLATORI Lucidi delle Lezioni Capitolo VI

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1 Prof. Giuseppe F. Rossi Homepage: UNIVERSIA' DEGLI SUDI DI PAVIA A.A. 2009/10 - II Semestre REI DI CALCOLAORI Lucidi delle Lezioni Capitolo VI Struttura del capitolo Il problema dell'accesso multiplo ad un canale condiviso opologie dei canali Classificazioni e studio dei protocolli d'accesso Capitolo VI 1-2/29 Copyright Ing. G. F. Rossi,

2 Il problema dell'accesso multiplo In generale Problema dell'accesso ad una risorsa condivisa da parte di più "utenti" Nel contesto specifico di interesse in questo Corso Problema dell'accesso al sistema canale di trasmissione da parte di N nodi, cioé il problema della regolamentazione delle trasmissioni su canali ad accesso multiplo ale problema è presente sicuramente ogni volta che si utilizza un canale che istante per istante prevede al massimo solo 1 comunicazione attiva (quindi anche con canali punto-a-punto half duplex) Ipotesi I canali di trasmissione in questione offrono (a livello fisico) un servizio di comunicazione di tipo broadcast, cioé sono sistemi di tipo BMA (Broadcast Multiple Access) Il problema dell'accesso multiplo a un canale di trasmissione Il problema 2 o più nodi trasmettono in intervalli di tempo sovrapposti interferendo tra loro Occorre un'insieme di regole che governa l'accesso al canale di trasmissione: tali regole prendono il nome di protocollo d'accesso al canale (si faccia attenzione a non fare confusione con i protocolli di comunicazione) Nelle architetture di comunicazione a strati i protocolli d'accesso sono funzionalità definite e implementate (quando servono) nel livello 2 (Data Link Control) I protocolli d'accesso ad un canale vengono classificati in varie famiglie, tema che verrà affrontato nelle prossime slide DLC DLC DLC DLC Physical Canale Punto-a-Punto Half-Duplex DLC Physical Physical Physical Physical Canale ad accesso multiplo Capitolo VI 3-4/29 Copyright Ing. G. F. Rossi,

3 opologie dei canali ad accesso multiplo Una classificazione opologia "a bus" (bus topology) con controllo centralizzato opologia "a bus" (bus topology) con controllo distribuito Controllore Bus Bus opologie dei canali ad accesso multiplo Una classificazione opologia "a ring" (ring topology) con controllo centralizzato opologia "a ring" (ring topology) con controllo distribuito Controllore If x x If If x If x If x x If If x If x Capitolo VI 5-6/29 Copyright Ing. G. F. Rossi,

4 Classificazione dei "protocolli di accesso multiplo" Criterio della modalità di accesso al canale Protocolli con accesso controllato al canale Protocolli d'accesso multiplo con assegnamento deterministico prefissato del canale Protocolli d'accesso multiplo con assegnamento su domanda del canale Protocolli con accesso casuale al canale Protocolli d'accesso multiplo con assegnamento casuale del canale Criterio del numero di punti di controllo dell'accesso al canale Controllo centralizzato: 1 sola entità/nodo controlla l'accesso al canale Controllo distribuito: la funzione di controllo dell'accesso é distribuita tra i vari nodi Classificazione dei "protocolli di accesso multiplo" Elementi di confronto Sia dato un un canale di trasmissione condiviso avente capacità C Definizione di efficienza media (E) di un protocollo d'accesso al canale hroughput (bps) Rapporto tra il traffico medio smaltito (hroughput medio del sistema canale di trasmissione) in un intervallo di tempo di osservazione e la capacità C C Cp Definizione di capacità (Cp) di un protocollo d'accesso al canale Max hroughput 45 Zona dei hroughput possibili raffico Offerto (bps) hroughput E = C C = hroughput p 1 Max Capitolo VI 7-8/29 Copyright Ing. G. F. Rossi,

5 Classificazione dei "protocolli di accesso multiplo" Elementi di confronto Altri elementi di confronto dei protocolli d'accesso sono i seguenti Caratteristica Ritardo - raffico offerto Equità di trattamento delle stazioni (fairness) Adattabilità alle variazioni del traffico offerto Capacità di fornire priorità diverse ai vari traffici Stabilità di funzionamento Complessità di realizzazione e gestione... Assegnamento prefissato del canale Protocolli che suddividono staticamente un canale in tanti sottocanali nel dominio del tempo, della frequenza e del codice DMA (ime Division Multiple Access) FDMA (Frequency Division Multiple Access) CDMA (Code Division Multiple Access) Ogni nodo possiede in modo esclusivo un sottocanale indipendentemente dal fatto che vi sia traffico da trasmettere o meno I vari sottocanali possono avere capacità diverse Capitolo VI 9-10/29 Copyright Ing. G. F. Rossi,

6 Assegnamento prefissato del canale DMA (ime Division Multiple Access) Suddivide l'asse dei tempi in finestre temporali di durata ciascuna assegnata ad un nodo E' necessario prevedere un tempo di guardia G che impatta sull'efficienza E Necessità di sincronizzazione tra nodo sorgente e ricevente Ogni nodo deve trasmettere al ritmo del canale indiviso E = +G = 1 1+ G rasmissione di S1 rasmissione di S2 rasmissione di S3 G G..... t Assegnamento prefissato del canale FDMA (Frequency Division Multiple Access) Suddivide l'asse delle frequenze in canali, ognuno assegnato ad una stazione per uso continuo nel tempo E' necessario prevedere una banda di guardia al fine di evitare interferenze tra i canali Rischio di intermodulazioni Sistema realizzato tramite apparecchiature analogiche rasmissione di S1 rasmissione di S2 rasmissione di S Banda di Banda di f1 guardia f2 guardia f3 f Capitolo VI 11-12/29 Copyright Ing. G. F. Rossi,

7 Assegnamento prefissato del canale CDMA (Code Division Multiple Access) La trasmissione di una stazione viene 'miscelata' con una sequenza di bit (chipping sequence) pseudocasuale avente bit-rate multiplo del segnale da trasmettere Si utilizzano sequenze che minimizzano le interferenze tra i segnali Assegnamento su domanda del canale Obiettivo Minimizzare lo spreco di banda (per esempio evitare di assegnare il canale ai nodi che non devono trasmettere) Proprietà fondamentale dei protocolli con assegnamento su domanda Esiste uno scambio di segnalazione tra i nodi per coordinare gli istanti di accesso al canale I protocolli d'accesso di questo tipo vengono talvolta (genericamente) detti di tipo polling Regola I nodi ricevono un messaggio particolare, detto messaggio di polling, che rappresenta l'autorizzazione alla trasmissione Il messaggio di polling viene inviato ad un nodo alla volta e solo se il canale é libero, quindi non sono possibili accessi quasi-contemporanei Capitolo VI 13-14/29 Copyright Ing. G. F. Rossi,

8 Assegnamento su domanda del canale In questa tecnica esiste un elemento fondamentale da definire Quando un nodo termina la sua trasmissione, come comunica agli altri il fatto che il canale é libero? (cioè come effettua il "passaggio del controllo") Nei protocolli d'accesso di tipo polling il "passaggio del controllo" avviene attraverso uno scambio di segnalazione tra i nodi e tale passaggio può svolgersi secondo 2 schemi (illustrati in dettaglio nelle prossime slide) Roll-call polling Applicabile solo nel caso di protocolli d'accesso con controllo centralizzato Hub polling Applicabile sia nel caso di protocolli d'accesso con controllo centralizzato che distribuito Assegnamento su domanda del canale Roll-call polling Un controllore centrale (nodo del canale) assegna a turno agli altri nodi l'autorizzazione alla trasmissione, riprendendosi ogni volta il controllo L'ordine di scansione può essere fisso e predeterminato (spesso si interroga a rotazione) o variato dinamicamente passaggio del controllo Controllore A B Questo schema, che intrinsecamente prevede un controllo centralizzato, viene usato su canali con topologia a bus Esempi di impiego: nei protocolli SDLC o HDLC su canali multipunto Schema di principio del "passaggio del controllo" tra le stazioni nel caso di utilizzo della strategia Roll-call polling (il Controllore governa l'utilizzo del canale interrogando a turno tutte le altre stazioni) C D Capitolo VI 15-16/29 Copyright Ing. G. F. Rossi,

9 Assegnamento su domanda del canale Utilizzo della tecnica Roll-call polling con SDLC su canali multipunto (es. connessione geografica multipunto permanente) Esempio di scambio di frame tra stazione Primaria e Secondaria (Addr=03) Frame RR: la Primaria chiede alla Secondaria (03) se quest'ultima ha qualcosa da trasmetterle Secondaria (01) SDLC Physical Primaria SDLC Physical Control FCS Control FCS Frame RR: la Secondaria (03) risponde alla Primaria dicendo che non ha nulla da trasmettergli e che può passare ad interrogare la prossima Secondaria (01) Diram. Secondaria (02) SDLC Physical Secondaria (03) SDLC Physical Assegnamento su domanda del canale Hub polling Il controllo (autorizzazione alla trasmissione) viene passato di volta in volta da un nodo al successivo A A Questo schema conduce naturalmente ad un controllo di tipo distribuito anche se talvolta potrebbe esistere un controllore B B Si applica sia nel caso di canali con topologia a bus che con topologia ad anello Controllore Queste tecniche prendono anche il nome di schemi oken passing C C D D Capitolo VI 17-18/29 Copyright Ing. G. F. Rossi,

10 Assegnamento su domanda del canale Gli schemi Hub polling (o oken passing) sono utilizzati nelle Reti Locali (LAN) e prevedono l'uso di un messaggio speciale detto token (= "autorizzazione alla trasmissione") Nei sistemi reali si identificano 2 schemi oken passing, in funzione della topologia del canale ad accesso multiplo Schema oken passing ring Usato sui canali con topologia ad anello La "prossima stazione" é determinata dalle connessioni fisiche dei x e Schema oken passing bus Usato sui canali con topologia a bus La "prossima stazione" é determinata tramite indirizzamento esplicito fatto dalla stazione precedente (il token viene inviato all'indirizzo della prossima stazione) Assegnamento su domanda del canale In presenza di questa tipologia di protocolli d'accesso può essere interessante calcolare il tempo di ciclo tc Definizione di tempo di ciclo (tc) Intervallo di tempo che separa due successive autorizzazioni all'accesso al canale per un dato nodo Capitolo VI 19-20/29 Copyright Ing. G. F. Rossi,

11 Assegnamento casuale del canale I protocolli ad accesso casuale (detti anche "a contesa") sono caratterizzati dall'assenza di segnalazione per coordinare le trasmissioni tra i nodi Possono essere visti come la forma più estrema di controllo distribuito (o come la mancanza di controllo) Principio Un nodo trasmette quando vuole (cioé quando ne ha necessità) Ogni specifico protocollo d'accesso appartenente a questa famiglia poi può correggere questa regola generale aggiungendo una serie di vincoli Le tecniche ad accesso casuale prevedono un particolare evento: le collisioni Collisione = sovrapposizione (parziale o totale) degli intervalli di trasmissione di 2 o più messaggi provenienti dai nodi connessi al canale Assegnamento casuale del canale Cosa deve essere specificato in un protocollo ad accesso casuale? CAP (Channel Access Protocol): regole per la trasmissione di un nuovo messaggio CRA (Collision Resolution Algorithm): regole per la gestione dell'evento collisione (per esempio la ritrasmissione dei messaggi persi nel corso delle collisioni,... ) ecniche Aloha Pure Aloha Slotted Aloha ecniche CSMA (Carrier Sense Multiple Access) Un importante variante: CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection) Capitolo VI 21-22/29 Copyright Ing. G. F. Rossi,

12 Assegnamento casuale del canale: Pure Aloha Pure Aloha (P-Aloha) é una tecnica sviluppata agli inizi degli anni '70 presso l'università delle Hawaii CAP Una stazione trasmette in qualunque istante quando ne ha la necessità CRA Non appena é terminata una trasmissione che ha subìto una collisione, si aspetta un tempo scelto casualmente (per ridurre la probabilità di una successiva collisione) e quindi si procede alla ritrasmissione La procedura di diagnosi delle collisioni può essere fatta in vari modi Uso di un protocollo di cumunicazione confermato a livello 2 In presenza di canali (wired) con topologia a bus, le stazioni, mentre trasmettono, si "autoascoltano", rilevando così un'eventuale collisione Assegnamento casuale del canale: Pure Aloha Esempio di funzionamento del protocollo P-Aloha Staz. A Staz. B Staz. C trasmissione trasmissione Intervallo casuale Intervallo casuale ritrasmissione trasmissione ritrasmissione Intervallo casuale Intervallo casuale ritrasmissione Canale Coll. Coll. OK OK Capitolo VI 23-24/29 Copyright Ing. G. F. Rossi,

13 Assegnamento casuale del canale: Slotted Aloha Slotted Aloha (S-Aloha) é una variante del P-Aloha nella quale l'asse dei tempi viene suddiviso in slot temporali di dimensione fissa m CAP Una stazione trasmette un messaggio all'istante di inizio del prossimo slot temporale CRA Non appena é terminata una trasmissione che ha subìto una collisione, si aspetta un numero di slot di tempo tempo scelto casualmente prima di ritrasmettere (per ridurre la probabilità di una successiva collisione) Questo schema richiede una sincronizzazione tra le stazioni (il clock con gli istanti di inizio slot può essere generato da una delle stazioni del canale) OK OK Coll m - m 0 m 2m 3m 4m 5m 6m.... Assegnamento casuale del canale: tecniche Aloha Anche intuitivamente si comprende che le tecniche P-Aloha e S-Aloha presentano caratteristiche prestazionali legate al traffico da trasmettere sul canale (nuove trasmissioni + ritrasmissioni in conseguenza di collisioni) Qui sotto si riportano (senza dimostrazione, per esigenze di semplicità) i risultati dell'analisi teorica effettuata attraverso l'utilizzo di modelli stocastici. Ipotesi: Numero infinito di nodi connessi sul canale, i quali inviano frame di dimensione costante Il numero di tentativi di trasmissione sul canale (nuove trasmissioni + ritrasmissioni) per tempo di trasmissione di un messaggio ha una distribuzione poissoniana con media G Capitolo VI 25-26/29 Copyright Ing. G. F. Rossi,

14 Assegnamento casuale del canale: tecniche CSMA Diversamente dalle tecniche Aloha, le tecniche CSMA prevedono che una stazione, prima di trasmettere, verifichi se il canale é libero CAP Una stazione che deve inviare un messaggio prima ascolta il canale e, se libero, inizia la trasmissione, altrimenti attende che si liberi CRA Dopo una collisione il tentativo viene ripetuto dopo un ritardo casuale come Aloha A causa del tempo di ritardo τ sul canale (= ritardo di propagazione tra le stazioni più lontane), le collisioni sono comunque un evento possibile, esistendo un intervallo di vulnerabilità di 2τ Stazione A rasmissione Stazione Z τ = tempo di ritardo sul canale = ritardo di propagazione tra le stazioni più lontane (A e Z) t - τ t Intervallo di vulnerabilità t + τ Assegnamento casuale del canale: tecniche CSMA Alcune possibili varianti del CAP: cosa fa una stazione quando ad un certo istante ha una frame da trasmettere, ma il canale é occupato? (nel caso sia libero, essa trasmette immediatamente) Schema 1-Persistent (aggressivo) Se il canale occupato attende che si liberi Quando il canale è libero, trasmette immediatamente (trasmette con probabilità 1) Schema Non-Persistent (poco aggressivo) Se il canale occupato non esegue un controllo continuo per verificare quando si libera, bensì rimanda il test sullo stato del canale di un intervallo di tempo pseudocasuale Se al test successivo il canale sarà ancora occupato, allora si rinvierà nuovamente il controllo di un ulteriore intervallo pseudocasuale (in genere di durata maggiore) Capitolo VI 27-28/29 Copyright Ing. G. F. Rossi,

15 Assegnamento casuale del canale: tecniche CSMA Un importante protocollo della famiglia CSMA: CSMA/CD Diversamente da CSMA 'puro', quando si scopre una collisione la trasmissione viene interrotta L'interruzione della trasmissione non avviene immediatamente al fine di propagare tale collisione a tutto il canale (invio del jamming signal) Questa tecnica verrà approfondita nel corso dello studio della Rete Locale Ethernet Capitolo VI 29-30/29 Copyright Ing. G. F. Rossi,