Capitolo 8 Strato di Collegamento- Accesso Multiplo e Reti in Area Locale

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1 Capitolo 8 Strato di Collegamento- Accesso Multiplo e Reti in Area Locale 1

2 Sommario del Capitolo Servizi offerti dallo Strato di Collegamento o Rivelazione di errore e controllo di errore (ARQ) o Indirizzamento o Controllo di flusso o Accesso Multiplo Reti in Area Locale o La famiglia delle Reti Ethernet o L interconnessione di Reti in Area Locale o Il protocollo PPP Reti a Circuito Virtuale o Generalità o Indirizzamento Introduzione alle Reti ATM o Architettura Protocollare o Servizi Offerti o Virtualizzazione dello Strato di Collegamento 2

3 Il Servizio di Base offerto dallo Strato di Collegamento Il servizio di base offerto dallo Strato di Collegamento è quello di permettere il trasferimento di interi datagrammi (cioè, di pacchetti generati dallo Strato di Rete) da un nodo (utente terminale o Commutatore) ad uno ad esso adiacente attraverso un singolo canale fisico. Il canale fisico che collega una coppia di nodi adiacenti può essere o o dedicato esclusivamente alla comunicazione della coppia di nodi in oggetto (canale punto-punto); Condiviso (ovvero, utilizzato) da più coppie di nodi che vogliono comunicare tra di loro simultaneamente (canale broadcast). 3

4 Strato di Collegamento- Contesto Operativo I datagrammi vengono trasferiti da differenti protocolli di Collegamento mediante canali diversi: o esempio: Ethernet sul primo collegamento, rilancio delle trame sui collegamenti intermedi e sull ultimo collegamento. Ogni protocollo di collegamento fornisce servizi differenti. Analogia viaggio da Princeton a Losanna i. macchina da Princeton fino all aeroporto JFK; ii. aereo dall aeroporto JFK a Ginevra; iii. treno da Ginevra a Losanna. turista= datagramma segmento di trasporto= collegamento di comunicazione modo di trasporto= protocollo dello strato di collegamento. 4

5 Strato di Collegamento- Servizio di Base (1/2) Terminologia: hosts and router sono i nodi i canali di comunicazione che collegano nodi adiacenti lungo un cammino di comunicazione sono i collegamenti (link) o collegamenti wired o collegamenti wireless o LANs il pacchetto di strato-2 è una trama, datagramma incapsulato Lo strato di collegamento ha la responsabilità di trasferire datagrammi da un nodo ad un nodo adiacente su un collegamento che può essere dedicato (punto-punto) o condiviso (broadcast). Baccarelli, Cordeschi, Patriarca, Polli 5

6 Strato di Collegamento: Servizio di Base (2/2) I canali di comunicazione che collegano nodi adiacenti lungo un cammino sono i collegamenti (canali trasmissivi o link ). Essi possono essere: o o cablati wireless (radio) Le unità di dati scambiate dai protocolli a livello di Strato di Collegamento sono chiamate trame (frame). I protocolli a livello di Strato di Collegamento si occupano del trasporto di Trame lungo un singolo canale di comunicazione. 6

7 Modalità di Trasmissione tra coppie di nodi (1/5) Quali sono le modalità che una coppia di nodi possono adottare per trasferire segnali tra di loro attraverso il canale fisico che li collega? 7

8 Modalità di Trasmissione (2/5) Ad una via (unidirezionale): dalla sorgente S verso al destinazione D. S D A due vie (bidirezionale): tra 2 terminali T1, T2. T1 T2 (Duplexing) 8

9 Modalità di Trasmissione Bidirezionale (Duplexing) (3/5) Duplexing a divisione di frequenza (FDD: Frequency Division Duplexing) T1 --> T2 T2 -->T1 T1 f1 f2 T2 f1 B1 f2 B2 Frequenza (Hz) Duplexing a divisione di tempo (TDD: Time Division Duplexing) T1 T2 T1 --> T2 T2 --> T1 T1 --> T2 T2 --> T1 Tempo (sec) Duplexing a divisione di spazio T1 Collegamento 1 Collegamento 2 T2 9

10 Modalità di Trasmissione Bidirezionale Full-Duplex e Half- Duplex (4/5) Consideriamo la trasmissione bidirezionale tra due terminali (nodi) T1 e T2. T1 T2 La trasmissione è detta Full-Duplex quando sia T1 che T2 possono trasmettere e ricevere simultaneamente. La trasmissione è detta Half-Duplex quando alternativamente, T1 trasmette e T2 riceve e, poi, T2 trasmette e T1 riceve. La modalità di trasmissione Full-Duplex è detta anche bidirezionale simultanea. La modalità di trasmissione Half-Duplex è detta anche bidirezionale alternata. 10

11 Modalità di Trasmissione tra Sorgente e Destinazione (5/5) Unicast: da una sorgente S verso una sola destinazione D (es. telefono) S D Broadcast: da una sorgente verso tutte le destinazioni (es. radio, televisione in chiaro ) S D D D D D Multicast: da una sorgente verso solo alcune destinazioni (es. S televisione criptata, video-conferenza) S D D D D D 11

12 Ulteriori Servizi offerti dallo Strato di Collegamento (1/3) Gli ulteriori servizi che i protocolli di Strato di Collegamento possono offrire sono: o o o o o o la delimitazione delle trame (frames); l indirizzamento delle trame; la rivelazione degli (eventuali) errori introdotti dal canale; il recupero, quando richiesto, del corretto trasferimento delle trame in caso di errori (controllo di errore mediante tecniche ARQ); il controllo della velocità di trasferimento delle trame dal nodo-sorgente al nodo-destinazione (controllo di flusso); la gestione (instaurazione, abbattimento e reinizializzazione) della connessione di strato di collegamento. 12

13 Ulteriori Servizi offerti dallo Strato di Collegamento (2/3) Delimitazione di trame (Framing): o I protocolli incapsulano i datagrammi generati dallo Strato di Rete all interno di un frame di Strato di Collegamento; o Per identificare origine e destinatario di ciascuna trama, vengono utilizzati indirizzi di Strato di Collegamento (detti anche indirizzi MAC). Trasferimento affidabile dei datagrammi o E considerato non necessario nei collegamenti che presentano un basso numero di errori (fibra ottica, cavo coassiale e doppino intrecciato) o E spesso utilizzata nei collegamenti soggetti a elevati tassi di errori (es.: collegamenti radio) 13

14 Ulteriori Servizi offerti dallo Strato di Collegamento (3/3) Controllo di flusso: o Evita che il nodo trasmittente saturi la memoria tampone presente presso il nodo ricevente. Rivelazione degli errori: o o gli errori sono causati dall attenuazione del segnale e dal rumore; il nodo ricevente individua la presenza di errori grazie all inserimento, da parte del nodo trasmittente, di bit per il controllo di errore all interno delle trame trasmesse. 14

15 Adattatori (1/3) Per ogni assegnato canale di comunicazione tra coppie di nodi adiacenti, il protocollo di Strato di Collegamento è realizzato in un Adattatore. Un Adattatore è una scheda PCMCIA (detta anche Network Interface Card(NIC)) che è costituita da RAM, DSP chips e linee di collegamento. Nodo Tr. Nodo Ric. Datagramma Datagramma Frame Adattatore Canale Fisico Frame Adattatore Baccarelli, Cordeschi, Patriarca, Polli Protocollo di Strato di Collegamento 15

16 Adattatori- Funzionamento (2/3) L Adattatore al lato Trasmittente: i. Incapsula il datagramma in una trama (frame); ii. Invia il frame nel canale fisico. L Adattatore al lato Ricevente: i. Effettua le funzioni di rivelazione/controllo degli errori sul frame ricevuto; ii. Se non sono stati rivelati errori nel frame ricevuto, estrae il datagramma dal frame e passa il datagramma allo Strato di Rete presso il nodo-ricevente. 16

17 Adattatori- Funzionamento (3/3) Tutti i servizi offerti dal protocollo di Strato di Collegamento sono attuati dagli Adattatori presenti al Nodo-Tr. e al Nodo-Ric. Un Adattatore è un sistema Semi-Autonomo, ossia è un sistema che è in grado di svolgere alcuni servizi (quali la rivelazione e il controllo degli errori sui frame ricevuti) autonomamente, ossia senza il controllo dello Strato di Rete del nodo a cui l Adattatore appartiene. Ad esempio, un Adattatore può ricevere un frame, verificare se il frame contiene errori, e,se vi sono errori, scartare autonomamente il frame, senza interpellare lo Strato di Rete del nodo a cui l Adattatore appartiene. 17

18 Indirizzamento al Livello di Strato di Collegamento (1/3) Ciascun Adattatore ha un suo proprio indirizzo, in generale noto come Indirizzo MAC. Un indirizzo MAC è costituito da 6 bytes (48 bits) e il contenuto di ogni byte è espresso mediante una coppia ordinata di cifre esadecimali. Le 16 cifre della numerazione esadecimale sono: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, C, D, E, F. Esempi di indirizzi MAC: i. 1A- 23- F9- CD- 06-9B ii. iii. 88- B2-2F- 54-1A- 0F 49- BD- D2- C A 18

19 Indirizzamento MAC (2/3) Ogni Adattatore ha un unico indirizzo MAC Indirizzo Broadcast= FF-FF-FF-FF-FF-FF 1A-2F-BB AD = Adattatore F7-2B LAN (wired o wireless) D7-FA-20-B0 0C-C4-11-6F-E

20 Proprietà degli Indirizzi MAC (3/3) Ad ogni Adattatore corrisponde uno e uno solo indirizzo MAC (unicità dell Indirizzamento MAC). L indirizzo MAC è permanente, ossia non cambia quando l adattatore cambia area geografica di funzionamento. L indirizzo MAC è piatto (ossia, non è di tipo gerarchico). Ciò significa che non vi è alcun legame tra l indirizzo MAC di un adattatore e la regione geografica in cui l adattatore si trova ad operare. L indirizzo MAC per frames di tipo Broadcast (cioè, per frames che hanno come destinatari tutti gli adattatori presenti nella rete) è: FF-FF-FF-FF-FF-FF 20

21 Servizi Offerti dallo Strato di Collegamento 21

22 Servizio di Rivelazione degli Errori (1/3) Ha lo scopo di rivelare la presenza di eventuali errori introdotti dal canale trasmissivo e presenti (eventualmente) nel frame ricevuto dal nodo-destinazione. Per essere attuato, è richiesto l impiego di un codice a rivelazione degli errori. Poiché la capacità di rivelazione degli errori di un (qualsiasi) codice è sempre finita, non rivelare errori nel frame ricevuto non assicura che il frame ricevuto è privo di errori. 22

23 Attuazione della Rivelazione degli Errori (2/3) EDC= Error Detection and Correction D= Dati che devono essere protetti da errori e ai quali vengono aggiunti dei bit EDC. Datagram d data bits D EDC Datagram Yes No All Bits in D OK? detection Error-chiedi la ritrasmissione del frame D EDC Bit-error prone link 23

24 Servizio di Rivelazione degli Errori (3/3) Nel caso in cui il nodo ricevente riveli errori nel frame ricevuto, il nodo ricevente chiede al nodo trasmittente di ri-trasmettere di nuovo il frame in oggetto. Quindi, il Servizio di Rivelazione degli errori è sempre attuato in congiunzione col Servizio di Controllo degli Errori mediante strategie di Automatic Repeat Request (Sistemi ARQ). 24

25 Servizio di Recupero degli Errori mediante Strategie di tipo ARQ 25

26 Trasferimento Dati Affidabile- Definizione (1/2) Supponiamo che il nodo NT trasmetta frame al nodo NR attraverso un canale che introduce errori. Per definizione, il trasferimento di frame da NT a NR è detto affidabile se: i. Tutti i frame sono ricevuti da NR senza errori; ii. Ciascun frame privo di errori è ricevuto da NR una ed una sola volta (no duplicazione di frame corretti); iii. I frame corretti sono ricevuti da NR nello stesso ordine in cui sono stati trasmessi da NT. 26

27 Trasferimento Dati Affidabile (2/2) Lo scopo del Servizio di Recupero degli errori è quello di dar luogo ad un trasferimento di frame affidabile impiegando un canale trasmissivo che introduce errori nei frame in transito. Processo trasmittente Processo ricevente Processo trasmittente Processo ricevente Protocollo X affidabilità Protocollo X affidabilità Canale affidabile Canale non affidabile 27

28 Schema Generale di un Sistema ARQ di tipo punto-punto (1/3) Nodo sorgente Frame trasmesso Canale diretto Frame trasmesso Nodo destinazione Riscontro (ACK/NACK) Canale di Ritorno Riscontro (ACK/NACK) E supposto che: Il Canale Diretto possa introdurre errori e/o perdite, così che il frame ricevuto non coincida col frame trasmesso o non venga mai ricevuto. Il Canale di Ritorno non introduca errori, ma possa introdurre perdite, così che uno o più messaggi di riscontro (ACK o NACK) generati dal Nodo-Destinazione potrebbero non raggiungere mai il Nodo-Sorgente. 28

29 Parametri Principali di un Sistema ARQ (2/3) I parametri principali che definiscono il funzionamento di un sistema ARQ sono: o C (bit/sec) capacità trasmissiva del canale diretto; o v (m/sec) velocità di propagazione del segnale elettrico nel Canale Diretto; o d max (m) distanza massima tra il Nodo-Sorgente e il Nodo-Destinazione; o τ d max /v (sec) ritardo di propagazione del segnale elettrico dal Nodo-Sorgente al Nodo-Destinazione; o L min (bit) lunghezza minima di una trama; o L max (bit) lunghezza massima di una trama; o T t L max /C (sec) tempo richiesto per trasmettere una trama di lunghezza massima; o T out (sec) intervallo (o tempo) di Time-Out.! 29!

30 Principio Generale dei Sistemi ARQ (3/3) Nei sistemi ARQ, a ciascun frame da trasmettere si aggiunge un campo che contiene un codice per la rivelazione degli errori. Una volta rivelato l (eventuale) errore nel frame ricevuto, il Nodo-Destinazione deve comunicare questa situazione al Nodo-Sorgente, affinchè quest ultimo provveda a ri-trasmettere i frame ricevuti con errore. Per questo motivo, i Sistemi ARQ prevedono sempre la presenza di un Canale di Ritorno dal Nodo-Destinazione al Nodo-Sorgente. Poiché uno stesso frame potrebbe essere ri-trasmesso più volte, i Sistemi ARQ richiedono sempre la presenza di un buffer dal Nodo-Sorgente, dove vengono temporaneamente memorizzati i frame trasmessi e che sono in attesa di un riscontro positivo da parte del Nodo-Destinazione. 30

31 Classificazione dei Sistemi ARQ (1/2) I protocolli ARQ si suddividono in Stop and Wait e Continuous ARQ. Nel protocollo Stop and Wait, il Nodo-Sorgente invia un frame e, quindi, aspetta di ricevere un riscontro positivo (ACK) da parte del Nodo-Destinazione prima di procedere alla trasmissione di un nuovo frame. Nei protocolli Continuous ARQ, il Nodo-Sorgente può trasmettere con continuità frame che vengono, però, opportunamente numerate, così che il Nodo-Destinazione possa ri-posizionarle nell ordine corretto. A loro volta, i protocolli Continuous ARQ si suddividono in: i. Protocollo Go-Back-m (GBm) ii. Protocollo Selective Repeat (SR) 31

32 Classificazione dei Sistemi ARQ (2/2) Recupero degli errori Protocolli ARQ Stop and Wait (SaW) Countinuous ARQ Go-Back-m (GBm) Selective Repeat (SR) 32

33 Strategie impiegate nei Sistemi ARQ Per ottenere un trasferimento di frame affidabile mediante un canale diretto che introduce errori e/o perdite, i sistemi ARQ fanno (opportuno) impiego delle seguenti 3 strategie di base: i. I frame trasmessi vengono numerati progressivamente, come anche i corrispondenti riscontri (ACK/NACK); ii. iii. iv. Il Nodo-Destinazione invia nel canale di ritorno opportuni messaggi di riscontro positivo (ACK) oppure negativo (NACK); Il Nodo-Sorgente impiega un Temporizzatore (Timer) per misurare il tempo trascorso dalla trasmissione di un frame; Si impiegano buffer in trasmissione (sempre) e in ricezione (talvolta) per la memorizzazione temporanea dei frame trasmessi e di (alcuni) di quelli ricevuti. 33

34 Numerazione Ciclica dei Frame e dei Riscontri (1/4) Nei protocolli Continuous ARQ si possono trasmettere più trame consecutivamente in attesa dei riscontri (positivi o negativi) sulle prime trame trasmesse. Ciò richiede un meccanismo di numerazione delle trame trasmesse e dei corrispondenti riscontri (positivi o negativi) per far si che le trame trasmesse, ma non ancora riscontrate positivamente, abbiano un numero di sequenza NS per consentire al Nodo-Sorgente e al Nodo- Destinazione di intendersi su quali trame sono state ricevute correttamente e quali no. 34

35 Numerazione Ciclica dei Frame e dei Indichiamo con: o Riscontri (2/4) b (bit) numero (intero) di bit a disposizione per numerare le trame; o M 2 b numero di numeri di trama distinti; o NS numero di sequenza di una (generica) trama. 35

36 Numerazione Ciclica dei Frame e dei Riscontri (3/4) Allora, si ha che: La numerazione NS delle trame è ciclica modulo-m, con ciò intendendo dire che NS può assumere solo i seguenti M 2 b valori distinti: NS {0,1,2,3,,M-2,M-1}. Per esempio, se b=3, le trame vengono trasmesse con i seguenti numeri di sequenza consecutivi: 0,1,2,3,4,5,6,7,0,1,2, Dato un (qualsiasi) numero intero (non negativo) x, per definizione, l operazione (x) mod.m sta ad indicare il resto della divisione intera di x per M. Quindi, il suddetto resto è sempre un numero intero compreso tra 0 e (M-1). 36

37 Numerazione Ciclica dei Frame e dei Riscontri (3/3) Ad esempio, (0) mod.8 = (8) mod.8 = (16) mod.8 0; (7) mod.8 = (15) mod.8 = (23) mod.8 7; (12) mod.8 = (20) mod.8 = (28) mod.8 4. Gli esempi precedenti mostrano che la numerazione mod.m delle trame può dar luogo ad ambiguità, con ciò intendo dire che: i. dato M; ii. dato il risultato di (x) mod.m; non è univocamente calcolabile il numero x che è il dividendo dell operazione mod.m. 37

38 Riscontri Positivi e Negativi (1/5) Per indicare che la trama con numero di sequenza NS=i è stata rivelata priva di errori, il Nodo- Destinazione invia indietro al Nodo-Sorgente attraverso il canale di ritorno un messaggio di riscontro positivo che reca il numero di sequenza NS=i della trama riscontrata, ossia il messaggio: ACK(i). Per definizione, in tutti i protocolli ARQ, il riscontro ACK(i) ha il seguente significato: o Tutte le trame sino alla i-ma compresa sono state rivelate prive di errori (ricevute correttamente) dal Nodo- Destinazione. 38

39 Riscontri Positivi e Negativi (2/5) Per indicare che la trama con numero di sequenza NS=s è stata rivelata con errori (è corrotta da errori), il Nodo di Destinazione invia indietro al Nodo-Sorgente attraverso il canale di ritorno un messaggio di riscontro negativo che reca il numero di sequenza NS=s della trama riscontrata negativamente, ossia il messaggio: NACK(s). Per definizione, il protocollo SaW non impiega messaggi di riscontro negativi. 39

40 Riscontri Positivi e Negativi (3/5) Per definizione, nel protocollo Go-Back-m, il messaggio NACK(s) significa: o la trama s-ma è stata ricevuta con errori, ma tutte le trame precedenti (sino alla (s-1)-ma compresa) sono state ricevute correttamente. Per definizione, nel protocollo SR, il messaggio NACK(s) significa: o La trama s-ma è stata ricevuta con errori. 40

41 Riscontri Positivi e Negativi (4/5) In tutti i protocolli ARQ, una stessa trama è ri-trasmessa dal Nodo-Sorgente una o più volte, finchè il Nodo-Sorgente non riceve da parte del Nodo-Destinazione un riscontro positivo (ACK) relativo alla trama in oggetto. Al Nodo-Destinazione, una trama con lo stesso numero di sequenza può essere ricevuta più volte, dando così luogo al fenomeno della Duplicazione della trama. 41

42 Riscontri Positivi e Negativi (5/5) Duplicazioni di Trama al Nodo-Destinazione possono aver luogo per 2 motivi diversi: i. È il Nodo-Destinazione ad avere richiesto (mediante invio di un NACK) la ri-trasmissione di una trama che era stata ricevuta con errori; ii. È il Nodo-Sorgente che spontaneamente ritrasmette una trama che aveva già trasmessa, perché il Nodo-Sorgente non ha ricevuto il riscontro positivo ( messaggio ACK) relativo alla trama in oggetto. 42

43 Temporizzatori e Time-Out (1/3) Poiché il Canale di Ritorno e il Canale Diretto possono introdurre perdite, può accadere che uno (o più) messaggi di riscontro positivo relativi al frame s-mo non siano mai ricevuti dal Nodo-Sorgente e/o che uno o più frame non siano mai ricevuti dal Nodo-Destinazione. Per ovviare a questo inconveniente, in tutti i protocolli ARQ, il Nodo-Sorgente: i. Avvia un Temporizzatore (Timer) nell istante in cui inizia a trasmettere la trama s-ma; ii. Aspetta per un prefissato tempo di Time-Out (T out ) di ricevere un riscontro (positivo o negativo) da parte del Nodo-Destinazione relativamente alla trama s-ma; iii. Se non ha ricevuto alcun riscontro (né positivo, né negativo), allo scadere del tempo di T out, il Nodo- Sorgente ri-trasmette spontaneamente la trama s-ma. 43

44 Temporizzatori e Time-Out (2/3) Poiché i. il Temporizzatore è avviato nell istante in cui la trama s- ma inizia ad essere trasmessa; ii. iii. il Tempo necessario per trasmettere una trama di dimensione massima è T t L max /C (sec); poiché il segnale elettrico impiega un tempo τ d max /v per propagarsi dal Nodo-Sorgente al Nodo- Destinazione (tempo di propagazione di una trama), e, poi, un altro tempo τ per propagarsi dal Nodo-Destinazione al Nodo-Sorgente (tempo di propagazione del messaggio di riscontro), allora il Tempo di Time-Out (T out ) deve soddisfare il seguente limite: T out T t +2 τ 44

45 Temporizzatori e Time-Out (3/3) In tutti i protocolli ARQ, il Nodo-Sorgente impiega uno e un solo Temporizzatore. Specificatamente, in ogni istante t 0 di funzionamento del Sistema ARQ, il Temporizzatore è sempre associato dal Nodo- Sorgente al frame trasmesso e non ancora riscontrato positivamente che, tra tutti i frame trasmessi e non ancora riscontrati positivamente, è quello che è stato trasmesso per primo (ossia, il frame trasmesso e non ancora riscontrato positivamente più anziano). 45

46 Buffer di memoria Tutti i protocolli ARQ impiegano, al Nodo-Sorgente, un Buffer di Trasmissione in cui vengono temporaneamente memorizzati i frame che sono già stati trasmessi almeno una volta, ma che non sono ancora stati riscontrati positivamente. Solo il protocollo SR richiede, al Nodo- Destinazione, un Buffer di Ricezione in cui vengono i. memorizzati temporaneamente; ii. ordinati sequenzialmente in accordo ai Numeri di Sequenza, le trame che sono state ricevute correttamente. 46

47 Esempio di Numerazione delle trame (1/2) Ogni trama contiene un numero di sequenza (nell esempio, NS {0,1}). o Il numero di sequenza NS è il numero d ordine sequenziale caratterizzante la trama uscente dal Nodo-Sorgente. Nodo- Sorgente T out T out Nodo- Destinazione 0 ACK(1) ACK(1) ACK(0) 0 (duplicata) 1 0 La ricezione di trame consecutive recanti lo stesso valore del numero di sequenza è indice di duplicazione. 47

48 Esempio di Numerazione delle trame (2/2) È necessario numerare anche i riscontri, altrimenti il Nodo-Sorgente non sarebbe in grado di sapere a quale trama fa riferimento il riscontro ricevuto (i riscontri possono perdersi; nell esempio NS {0,1}). Nodo- Sorgente T out T out? Nodo- Destinazione 0 ACK ACK 0 (duplicata) 1 48

49 Esempi di uso dei temporizzatori Temporizzatori Si introducono dei meccanismi di temporizzazione: quando il Nodo-Sorgente emette una trama fa contemporaneamente partire un temporizzatore allo scadere del quale la trama viene ri-trasmessa dal Nodo-Sorgente. Nodo- Sorgente Nodo- Destinazione T out Trama 1 Trama 1 Trama 2 ACK ACK tempo tempo

50 Protocollo Stop-and-Wait (SaW) (1/6) Il principio generale del protocollo SaW è che il Nodo- Sorgente non trasmette la prossima trama se non ha ricevuto un riscontro positivo (ACK) relativo alla trama correntemente trasmessa. Nel protocollo SaW, il Nodo-Sorgente opera come segue: i. numera la trama da trasmettere, avvia il temporizzatore (Timer), trasmette la trama e, contemporaneamente, la memorizza nel Buffer di Trasmissione; ii. se riceve l ACK prima che scada il Timer, allora il Nodo-Sorgente rimuove la trama dal Buffer di Trasmissione e, poi, passa a trasmettere il frame successivo; iii. se il Timer scade prima di ricevere l ACK, allora il Nodo-Sorgente ri-inizializza il Timer e, poi, ritrasmette il frame memorizzato nel Buffer di Trasmissione. 50

51 Protocollo Stop-and-Wait (SaW) (2/6) Nel protocollo SaW, il Nodo-Destinazione opera come segue sul frame correntemente ricevuto: i. applica la decodifica a rivelazione di errore; ii. se il frame ricevuto è corrotto da errori, allora il Nodo- Destinazione scarta il frame e non invia alcun messaggio al Nodo-Sorgente; iii. se il frame è ricevuto correttamente ed ha lo stesso numero di sequenza del frame ricevuto precedentemente, allora il Nodo-Destinazione scarta il frame (frame duplicato) e, poi, invia un messaggio ACK al Nodo-Sorgente; iv. se il frame è ricevuto correttamente e non ha lo stesso numero di sequenza del frame ricevuto precedentemente, allora il Nodo-Destinazione accetta il frame e, poi, invia un messaggio ACK al Nodo-Sorgente. 51

52 Protocollo Stop-and-Wait (SaW) (3/6) Nel protocollo SaW, il Canale Diretto rimane inutilizzato negli intervalli di tempo intercorrenti tra la fine della trasmissione del frame corrente e l istante di ricezione dell ACK o quello di superamento di T out. Poiché il Nodo-Sorgente non trasmette un nuovo frame prima che quello attualmente sotto trasmissione sia stato riscontrato positivamente, nel protocollo SaW il numero di sequenza NS assume solo i due valori {0,1} (ossia, b=1 e M 2 b 2). Specificatamente, il Nodo-Sorgente numera alternativamente le trame trasmesse con NS=0 e NS=1. Il Nodo-Destinazione può accettare solo trame consecutive con numerazione alternata. Quando il Nodo-Destinazione riceve due trame consecutive prive di errori e con lo stesso numero di sequenza, il Nodo-Destinazione scarta la seconda trama ricevuta in quanto è trama duplicata. 52

53 Protocollo Stop-and-Wait (SaW) Riscontri (4/6) il principio è quello per cui il Nodo-Sorgente non invia la prossima trama se non riceve il riscontro relativo a quella precedentemente trasmessa. Nodo- Sorgente Nodo- Destinazione T out Trama 0 Trama 1 Trama 1 ACK Trama 0 consegnata allo strato superiore Diagramma spazio tempo ACK Trama 1 consegnata allo strato superiore 53

54 Protocollo SaW: Azioni del Nodo- Sorgente (5/6) Inizializza Numero Sequenza NS:=0 Preleva nuovo datagramma Dat e costruisci nuovo frame F: = < NS, DAT > Memorizza F in Buffer Trasmissione Aggiorna NS NS : = NS+1 Ri-trasmetti F Inizializza Timer Rimuovi F dal Buffer di Trasmissione Ri-inizializza Timer Ricevuto ACK? SI Preleva frame F dal Buffer di Trasmissione SI NO Timer > Tout NO 54

55 Protocollo SaW: Azioni del Nodo-Destinazione (6/6) Inizializza Numero Atteso di Sequenza X : =0 Hai ricevuto un frame F dal Canale Diretto? NO Attendi SI Aggiorna Numero Atteso di Sequenza X : = (X+1)mod.2 Hai rivelato errori in F NO SI Scarta F Invia ACK Estrai Numero di Sequenza NS da F Invia ACK Accetta F SI NS è uguale a x? NO Scarta Frame F (F è duplicato) 55

56 Protocollo Go-Back-m (GBm) (1/8) Nel protocollo Go-Back-m, il Nodo-Sorgente mantiene una finestra di emissione W S di dimensione m dove sono via via memorizzati i numeri di sequenza NS che il Nodo-Sorgente può trasmettere consecutivamente, senza, cioè, attendere alcun riscontro positivo da parte del Nodo-Destinazione. In altri termini, il numero (intero) m 1 nel nome stesso del protocollo indica il numero massimo di trame che il Nodo-Sorgente può trasmettere consecutivamente in assenza di alcun riscontro positivo da parte del Nodo- Destinazione. 56

57 Protocollo Go-Back-m (GBm) (2/8) Nel protocollo GBm, il Nodo-Destinazione accetta le trame ricevute solo se: i. non vi rileva errori e, inoltre, ii. esse sono rigidamente in sequenza. Se una trama è ricevuta con errore, allora il Nodo- Destinazione: i. scarta la trama in oggetto; ii. iii. richiede la ri-trasmissione della trama in oggetto; scarta anche tutte le trame ricevute dopo la ricezione della trama con errore, e questo anche se le suddette trame sono state ricevute correttamente. 57

58 Protocollo Go-Back-m: Nodo- Sorgente (3/8) Specificatamente, nel protocollo GBm, il Nodo- Sorgente opera come segue: i. trasmette al massimo, W S m trame consecutive senz ii. iii. o o o attendere alcun riscontro positivo; memorizza temporaneamente nel Buffer di Trasmissione le trame trasmesse e delle quali non ha ancora ricevuto un riscontro positivo; quando riceve il riscontro ACK(i), allora: rimuove dal Buffer di Trasmissione tutti i frames con Numero di Sequenza: NS i; trasmette tutti i frames con numero di sequenza compreso tra: (i+1) NS (i+m), e che non sono mai stati ancora trasmessi. Infine, memorizza nel Buffer di Trasmissione i frames che sono stati correttamente trasmessi; 58

59 iv. Protocollo Go-Back-m: Nodo- o o Sorgente (4/8) quando riceve NACK(j), allora: ri-trasmette il frame j-mo; ri-trasmette anche tutti i frames già trasmessi e con numero di sequenza NS strettamente maggiore di j; v. quando riceve un riscontro (positivo o negativo), allora: o inizializza il Timer; vi. quando il Timer scade (ossia quando Timer> T OUT, allora: o o ri-inizializza (cioè pone a zero) il Timer; ri-trasmette il frame già trasmesso, ma non ancora riscontrato positivamente e che, tra tutti i frames già trasmessi, ma non ancora ri-scontrati, è quello col numero di sequenza NS più piccolo (ossia, il frame più vecchio ). 59

60 Protocollo Go-Back-m: Nodo- Destinazione (5/8) Nel protocollo GBm, il Nodo-Destinazione opera come segue su ciascun frame ricevuto dal canale diretto: i. Applica la procedure di rivelazione di errori; ii. o o Se sono stati rivelati errori, allora: invia al Nodo-Sorgente il messaggio NACK(j), dove j è il numero di sequenza del frame con errori; scarta tutti i frame ricevuti dal Canale Diretto e con numero di sequenza strettamente maggiore di j. 60

61 Protocollo Go-Back-m: Nodo- Destinazione (6/8) iii. iv. o o o o Se non sono stati rivelati errori e il frame ricevuto non è un frame duplicato, allora: accetta il frame ricevuto; invia al Nodo-Sorgente il messaggio ACK(j), dove j è il numero di sequenza del frame ricevuto; Se non sono stati rivelati errori e il frame ricevuto è un frame duplicato, allora: scarta il frame ricevuto; invia al Nodo-Sorgente il messaggio ACK(j), dove j è il numero di sequenza del frame ricevuto. 61

62 Protocollo Go-Back-m: Azioni del Nodo-Sorgente (7/8) Inizializza Timer Timer : = 0 Trasmetti tutti i frame non ancora trasmessi e con NS compreso tra (i+1)<=ns<= (i+m) Trasmetti m frame consecutivi Memorizza frames Trasmessi nel Buffer di Trasmissione Tra tutti i frame trasmessi e non ancora riscontrati, ritrasmetti quello col NS più basso Timer : =0 Timer > Tout SI Timer : =0 Rimuovi dal Buffer di Trasmissione tutti i frame con numeri di Sequenza: NS<=i SI NO Ricevuto ACK (i)? NO Ricevuto NACK (j)? NO Ritrasmetti il frame j-mo E, poi, tutti i frames già Trasmessi dopo il frame j-mo SI Baccarelli, Timer : =0 Cordeschi, Patriarca, Polli 62

63 Protocollo Go-Back-m: Azioni del Nodo-Destinazione (8/8) Inizializza Numero Atteso di Sequenza X : = 0 Hai ricevuto un frame F dal Canale Diretto? Attendi SI Invia ACK (NS) Estrai Numero di Sequenza NS dal frame F Aggiorna il Numero Atteso di Sequenza: X : = (NS+1) mod. M NS = X? SI NO Scarta il frame F Invia NACK (NS) Accetta Frame F NO Hai rivelato errori nel frame F? Baccarelli, Cordeschi, Patriarca, Polli SI Scarta Frame F 63

64 Protocollo Selective Repeat (SR) (1/15) Nel protocollo SR, il Nodo-Sorgente può trasmettere consecutivamente un numero massimo di trame W S 1 senza bisogno di ricevere alcun riscontro positivo dal Nodo-Destinazione. Il Nodo-Destinazione può accettare un numero massimo di trame W R 1 anche se ricevute non in ordine; ciò richiede la presenza presso il Nodo- Destinazione di un Buffer di Ricezione che consenta di ripristinare l ordine corretto delle trame ricevute, affinchè i Datagrammi da esse trasportati possano essere consegnati in ordine sequenziale allo Strato di Rete del Nodo-Destinazione. 64

65 Protocollo SR (2/15) Nel protocollo SR, il riscontro NACK(i) indica che il solo frame i-mo deve essere ritrasmesso dal Nodo-Sorgente, ma non indica che tutti i frame precedenti l i-mo sono stati ricevuti correttamente. Nel protocollo SR, il riscontro ACK(i) indica che il frame i-mo e tutti quelli precedenti sono stati ricevuti correttamente dal Nodo- Destinazione. 65

66 Protocollo SR- Finestre di Trasmissione e Ricezione (3/15) Nel protocollo SR, il Nodo-Sorgente mantiene e aggiorna una finestra che contiene W S 1 numeri di sequenza consecutivi. La suddetta finestra è detta Finestra di Trasmissione, e, in ogni istante, contiene i numeri di sequenza dei frame che il Nodo-Sorgente può trasmettere consecutivamente senza bisogno di attendere riscontri da parte del Nodo- Destinazione; il Nodo-Destinazione mantiene ed aggiorna una finestra che contiene W D 1 numeri di sequenza consecutivi. La suddetta finestra è detta Finestra di Ricezione, e, in ogni istante, contiene i numeri di sequenza dei frame che il Nodo-Destinazione è disposto ad accettare, anche se ricevuti non in ordine sequenziale. 66

67 Protocollo SR- Finestre di Trasmissione e Ricezione (4/15) In ogni istante, i. il Nodo-Sorgente non può trasmettere (o ritrasmettere) frame i cui Numeri di Sequenza non cadano nella Finestra di Trasmissione corrente; ii. il Nodo-Destinazione non può accettare trame i cui numeri di sequenza non cadano nella corrente Finestra di Ricezione, anche se le suddette trame sono state ricevute correttamente. 67

68 Protocollo SR- Aggiornamento della Finestra di Trasmissione (5/15) Indichiamo con I S 0 l estremo inferiore corrente della Finestra di Trasmissione, ossia il più piccolo Numero di Sequenza che fa correntemente parte della Finestra di Trasmissione. Allora: i. la Finestra di Trasmissione corrente è costituita da tutti i Numeri di Sequenza NS compresi tra I S NS ( I S + W S 1) mod. M 68

69 Protocollo SR- Aggiornamento della Finestra di Trasmissione (6/15) ii. Quando il Nodo-Sorgente riceve un riscontro ACK(i), allora aggiorna il valore di I S in accordo a : I S := (i+1) mod. M iii. Poiché i riscontri ACK(i) ricevuti dal Nodo- Sorgente hanno Numero di Sequenza incrementale, e poiché, alla ricezione di ciascun ACK(i), il Nodo-Sorgente aggiorna (ovvero incrementa) I S, la Finestra di Trasmissione è detta anche Finestra Mobile (Sliding Window). 69

70 Protocollo SR- Aggiornamento della Finestra di Ricezione (7/15) Indichiamo con I D 0 l estremo inferiore corrente della Finestra di Ricezione, ossia il più piccolo Numero di Sequenza che il Nodo- Destinazione è correntemente in grado di accettare. Allora, i. La Finestra di Ricezione corrente è costituita da tutti i Numeri di Sequenza compresi tra: I D NS ( I D + W D 1) mod. M. 70

71 Protocollo SR- Aggiornamento della Finestra di Ricezione (8/15) ii. Dopo aver inviato al Nodo-Sorgente un riscontro positivo ACK(j), il Nodo-Destinazione aggiorna I D in accordo a: I D := (NS MAX + 1 ) mod. M, iii. dove NS MAX è il valore più alto del Numero di Sequenza dei frame che il Nodo-Destinazione ha ricevuto senza errori e in ordine sino all istante corrente. In generale, NS MAX J. Quindi, poiché, ad ogni invio di un riscontro ACK(. ), l estremo inferiore I D della Finestra di Ricezione assume un valore non inferiore a quello assunto precedentemente, anche la Finestra di Ricezione è una Finestra Mobile (Sliding Window). 71

72 Protocollo SR- Nodo Sorgente (9/15) Nel protocollo SR, il Nodo-Sorgente opera come segue: i. senza attendere alcun riscontro, il Nodo- Sorgente trasmette tutti i frame che non sono già stati trasmessi e i cui Numeri di Sequenza cadono nella Finestra di Trasmissione corrente; ii. memorizza temporaneamente nel Buffer di Trasmissione le trame trasmesse e delle quali non ha ancora ricevuto un riscontro positivo; 72

73 Protocollo SR- Nodo Sorgente (10/15) i. quando riceve il riscontro ACK(i), allora: o rimuove dal Buffer di Trasmissione tutti i frames con Numeri di Sequenza: NS i; o aggiorna I S in accordo a: I S := (i+1) mod. M; o trasmette tutti i frame che non sono stati ancora trasmessi e che hanno un Numero di Sequenza compreso tra: I S NS ( I S + W S 1) mod. M; o memorizza i frame trasmessi nel Buffer di Trasmissione. 73

74 Protocollo SR- Nodo Sorgente (11/15) iv. o quando riceve NACK(j), allora ri-trasmette solo il frame j-mo; v. quando riceve un riscontro (positivo o negativo), allora o inizializza il Timer; vi. quando il Timer scade (ossia quando Timer > T OUT ) o o ri-inizializza il Timer; tra tutti i frame già trasmessi e non riscontrati positivamente, ri-trasmette quello con il Numero di Sequenza più piccolo. 74

75 Protocollo SR- Nodo Destinazione (12/15) Nel protocollo SR, il Nodo-Destinazione estrae il Numero di Sequenza NS dal frame F correntemente ricevuto dal Canale Diretto e, quindi: i. se NS non cade nella Finestra di Ricezione corrente, allora il Nodo-Destinazione scarta il ii. o o frame F ricevuto; se NS cade nella Finestra di Ricezione corrente e in F sono rivelati errori, allora il Nodo- Destinazione: scarta il frame F ricevuto; Invia al Nodo-Sorgente il riscontro NACK(NS). 75

76 Protocollo SR- Nodo Destinazione (13/15) iii. o o o o o Se NS cade nella Finestra di Ricezione corrente e in F non sono rivelati errori, allora il Nodo- Destinazione: pone F nel Buffer di Ricezione; ri-ordina i frame correntemente contenuti nel Buffer di Ricezione secondo Numeri di Sequenza crescenti; invia al Nodo-Sorgente il riscontro ACK(NS); aggiorna l estremo inferiore I D della Finestra di Ricezione in accordo a: I D := (NS MAX + 1 ) mod. M preleva dal Buffer di Ricezione tutti i frame ivi contenuti con Numeri di Sequenza strettamente consecutivi e li passa allo Strato di Rete del Nodo-Destinazione. 76

77 Protocollo SR- Azioni del Nodo Sorgente (14/15) Inizializza I S : = 0 e Timer : = 0 Trasmetti tutti i frame non ancora trasmessi e con Numero di Sequenza NS: IS NS ( IS + WS 1) mod. M Timer : = 0 Memorizza frame trasmessi nel Buffer di Trasmissione Ritrasmetti il frame non ancora riscontrato e con Numero di Sequenza più piccolo Elimina dal Buffer di Trasmissione tutti i frame con NS ( i ) Timer > Tout SI Timer : =0 NO I S : = ( i+1 ) mod.m SI Ricevuto ACK (i)? NO Ritrasmetti solo il frame j-mo NO Ricevuto Baccarelli, NACK (j)? Cordeschi, Patriarca, Polli SI Timer : =0 77

78 Protocollo SR- Azioni del Nodo Destinazione (15/15) Inizializza I D : = 0 Hai ricevuto un frame F dal Canale Diretto? NO Attendi Preleva dal Buffer di Ricezione tutti i frame con Numeri di Sequenza strettamente consecutivi Estrai da F il Numero di Sequenza NS Aggiorna ID come in I D : = ( NS max + 1 ) mod.m Invia ACK(NS) E NS compreso nella Finestra di Ricezione [I D, (I D + W D 1 ) mod.m ]? NO Scarta F Memorizza F nel Buffer di Ricezione. Ri-ordina il Buffer di Ricezione NO SI Sono rivelati errori in Baccarelli, F? Cordeschi, Patriarca, Polli SI Invia NACK (NS) 78

79 Ambiguità nella Numerazione delle Sequenza nel protocollo SR (1/3) Come già osservato, la Numerazione delle Sequenze è mod.m, con M2 b, b 1. La numerazione mod.m può dar luogo ad ambiguità. 79

80 Ambiguità nella Numerazione delle Sequenza nel protocollo SR (2/3) Esempio di ambiguità di numerazione o Supponiamo M=2 3 =8 ed anche W S =8. o Assumiamo che il Nodo-Sorgente trasmetta 8 trame consecutive, con Numeri di Sequenza pari a: 4, 5, 6, 7, 0, 1, 2, 3. o Il Nodo-Ricevente invia indietro al Nodo-Sorgente il riscontro positivo ACK(3). o Purtroppo, il Nodo-Sorgente può interpretare ACK(3) in due modi diversi: i. Il Nodo-Destinazione ha ricevuto correttamente tutte le 8 trame trasmesse ii. Il Nodo-Destinazione non ha ricevuto correttamente nessuna delle 8 trame trasmesse, e il messaggio ACK(3) si riferisce alla trama con NS=3 che era già stata trasmessa prima della trasmissione della trama con NS=4. 80

81 Ambiguità nella Numerazione delle Sequenza nel protocollo SR (3/3) Si può dimostrare che, nel protocollo SR, l ambiguità di numerazione delle trame è eliminata se le dimensioni W S e W D delle finestre di trasmissione e di ricezione soddisfano alla seguente disuguaglianza: W S +W D M2 b Tipicamente, nel protocollo SR si pone W S W D = M/2. 81

82 Confronto Complessità-Prestazioni tra i protocolli ARQ (1/2) Tutti e tre i protocolli ARQ ri-trasmettono uno stesso frame sin tanto che non ricevono un riscontro positivo. Quindi, tutti e tre i protocolli danno luogo alla stessa Probabilità di Errore residua e, da questo punto di vista, sono equivalenti. Il protocollo SaW trasmette un frame e poi si arresta sino alla ricezione del corrispondente riscontro. I protocolli GBm e SR trasmettono senza mai interrompersi nuovi frame o frame riscontrati negativamente. Quindi il protocollo SaW è quello che utilizza di meno la capacità trasmissiva del Canale Diretto. Il protocollo SR ri-trasmette solo i frame in cui il Nodo- Destinazione ha rivelato errori. Il protocollo GBm ri-trasmette anche i frame che seguono quelli rivelati con errori. Quindi, il protocollo SR è quello che utilizza meglio la capacità trasmissiva del Canale Diretto. 82

83 Confronto Complessità-Prestazioni tra i protocolli ARQ (2/2) Il protocollo SR richiede la Numerazione mod.m dei frame trasmessi e l impiego di un Buffer in Trasmissione e di un Buffer in Ricezione. Il protocollo GBm richiede la Numerazione mod.m dei frame trasmessi e l impiego del solo Buffer di Trasmissione. Il protocollo SaW richiede solo la Numerazione mod.2 dei frame trasmessi e l impiego di un Buffer di Trasmissione in grado di memorizzare un solo frame alla volta. Quindi il protocollo SR è il più complesso da realizzare, mentre il protocollo SaW è il più semplice da realizzare. 83

84 Servizio di Controllo di Flusso (1/4) Supponiamo che il Nodo-Sorgente S trasmetta trame al Nodo-Destinazione D. Supponiamo che le trame ricevute dal Nodo-Destinazione siano temporaneamente memorizzate in un Buffer di Ricezione che può contenere al più N F 1 trame. Lo scopo del Servizio di Controllo di Flusso è quello di regolare (ossia, controllare) la velocità con cui il Nodo-Sorgente invia nuove trame in modo che il numero di trame da memorizzare nel Buffer di Ricezione non sia mai superiore a N F. 84

85 Controllo di Flusso mediante il protocollo SR (2/4) Il protocollo SR precedentemente descritto è anche in grado di espletare il Servizio di Controllo di Flusso. Nel protocollo SR, il Controllo di Flusso viene effettuato: i. scegliendo opportunamente le dimensioni W S e W D delle finestre di trasmissione e di ricezione; ii. regolando la velocità (ossia, il ritmo) con cui il Nodo-Destinazione invia indietro al Nodo- Sorgente messaggi di riscontro positivi (riscontri ACK). 85

86 Controllo di Flusso mediante il protocollo SR (3/4) Ricordiamo che, nel protocollo SR: i. W S è il numero massimo di trame che il Nodo-Sorgente può trasmettere consecutivamente senza bisogno di ricevere riscontri positivi da parte del Nodo-Destinazione; ii. W D è il numero massimo di trame che il Nodo-Destinazione può ricevere consecutivamente senza bisogno di inviare messaggi ACK(. ) al Nodo-Sorgente. 86

87 Controllo di Flusso mediante il protocollo SR (4/4) Quindi, i. se si scelgono: W S N F e W D N F, e, inoltre, ii. se il Nodo-Destinazione rallenta la velocità con cui invia messaggi ACK al Nodo-Sorgente quando il numero di trame temporaneamente memorizzate nel Buffer di Ricezione si avvicina a N F ; allora il numero di trame da tenere in memoria nel Buffer di Ricezione non supererà mai il valore massimo consentito N F. 87

88 88

89 Il problema dell Accesso Multiplo (1/5) Il problema dell accesso multiplo si ha quando più Nodi- Sorgente vogliono trasmettere le loro trame ad uno o più Nodi-Destinazione attraverso un singolo canale trasmissivo. Il canale trasmissivo è, quindi, condiviso dalle trasmissioni di più (almeno due) Nodi-Sorgente e, per questo motivo, viene detto canale broadcast. Dal punto di vista fisico, un canale broadcast può essere di tipo: i. Cablato (cavo coassiale, doppino telefonico, fibra ottica); ii. Radio (trasmissione nello spazio libero). 89

90 Il problema dell Accesso Multiplo (2/5) Se due o più Nodi-Sorgente inviano simultaneamente i segnali da esse generati nel canale condiviso, allora i segnali interferiscono tra di loro e il segnale interferito risultante è inutilizzabile da parte dei Nodi-Destinazione. In questo caso, si dice che si è verificata una collisione tra i segnali trasmessi simultaneamente dai Nodi-Sorgente. Lo scopo dei Protocolli per l Accesso Multiplo (Protocolli MAC) è quello di regolare (disciplinare) opportunamente le trasmissioni dei Nodi-Sorgente in modo da evitare (o, quanto meno, minimizzare) l occorrenza di collisioni. 90

91 Il problema dell Accesso Multiplo (3/5) Più sorgenti (almeno 2) che trasmettono verso le destinazioni (almeno una) tramite lo stesso mezzo trasmissivo S 1 D 1 D 2 S 2 D 3 S 3 Mezzo trasmissivo (cavo, fibra, aria ) D 5 D 4 La trasmissione da parte delle sorgenti deve essere disciplinata attraverso regole di accesso al mezzo per evitare fenomeni di interferenza tra messaggi generati da sorgenti diverse (collisioni). 91

92 Il problema dell Accesso Multiplo (4/5) Collegamento broadcast o multiaccesso (cavo o canale condiviso: multipunto) Il termine broadcast indica che quando un nodo trasmette una trama il canale la diffonde e tutti gli altri nodi ne ricevono una copia o Ethernet tradizionale o Wireless LAN Shared wireless Shared wire (e.g. Ethernet) (e.g. WaveLAN) Satellite 92

93 Il problema dell Accesso Multiplo (5/5) Centinaia o anche migliaia di nodi possono comunicare direttamente su un canale broadcast: o Si genera una collisione quando due o più nodi trasmettono trame contemporaneamente. Protocolli di Accesso Multiplo Protocolli che fissano le modalità con cui i nodi regolano l immissione delle Trame da essi generate nel canale condiviso. 93

94 Sistema di Accesso Multiplo (1/3) In generale, un sistema di Accesso Multiplo è costituito da N 2 stazioni (nodi), ciascuna delle quali può sia trasmettere che ricevere da un canale condiviso di capacità C (bit/ sec). Ciascuna stazione può sia inviare trame che ricevere da qualsiasi altra stazione. Ciascuna stazione è univocamente individuata da un indirizzo MAC costituito da 6 byte ed espresso in forma esadecimale. 94

95 Sistema di Accesso Multiplo (2/3) Canale condiviso (Broadcast channel) Nodo 1 Nodo 2 Nodo N d max (m) 95

96 Sistema di Accesso Multiplo: Parametri Principali (3/3) o o o o o o o o Con riferimento alla figura precedente, introduciamo le seguenti definizioni: N numero di nodi che compongono il sistema; C (bit/sec) capacità trasmissiva del Canale condiviso; d MAX (m) distanza massima tra due nodi del sistema; v (m/sec) velocità di propagazione del segnale elettrico nel canale condiviso; τ d MAX /v (sec) = ritardo massimo di propagazione del segnale elettrico; L MIN (bit) lunghezza minima di una trama; L MAX (bit) lunghezza massima di una trama; T t L MAX /C (sec) = tempo necessario a trasmettere una trama di lunghezza massima. 96

97 Proprietà di un Protocollo MAC ideale Idealmente, un protocollo MAC per un sistema di Accesso Multiplo con N nodi che impiega un canale condiviso di capacità C dovrebbe possedere le seguenti due proprietà: i. quando un solo nodo ha dati da trasmettere, quel nodo può trasmettere ad una velocità (tasso) pari alla capacità C (bit/sec) del canale condiviso (Proprietà di utilizzo efficiente del canale); ii. quando N 2 nodi hanno dati da trasmettere, ciascuno di questi può trasmettere ad una velocità media di C/N (bit/sec) (Proprietà di equità di condivisione del canale). 97

98 Prestazioni di un Protocollo MAC- Efficienza (1/3) Supponiamo assegnato un Protocollo MAC che regoli (in qualche modo) le trasmissioni di N 2 nodi attraverso un canale condiviso di capacità C. In ogni intervallo temporale di durata T t, il canale condiviso può trovarsi in uno e in uno solo dei seguenti tre stati: i. Stato libero: nessun nodo sta trasmettendo nel canale; ii. iii. Stato di collisione: due o più nodi stanno trasmettendo simultaneamente nel canale; Stato utile: uno e uno solo nodo sta trasmettendo nel canale. 98

99 Prestazioni di un Protocollo MAC- Indichiamo con: o o o o Efficienza (2/3) T L (sec) tempo che il canale passa nello stato Libero; T C (sec) tempo che il canale passa nello stato di Collisione; T U (sec) tempo che il canale passa nello stato Utile; T tot (sec) T L + T C + T U = tempo di lavoro del canale. Ciò posto, l efficienza del protocollo MAC assegnato è così definita: 99

100 Prestazioni di un Protocollo MAC- Efficienza (3/3) Il valore di varia al variare del Protocollo MAC considerato. Dal punto di vista analitico, è un numero reale compreso in [0,1]. Dal punto di vista ingegneristico, i Protocolli MAC più efficienti (migliori) sono quelli che hanno più alti valori di, perché consentono agli N nodi di condividere il canale broadcast dando luogo a poche collisioni. 100

101 Classificazione dei Protocolli MAC (1/2) Protocolli MAC si possono classificare in (almeno) due categorie: i. Protocolli a suddivisione del canale (Channel Partitioning Protocols): partizionano la capacità C del canale condiviso in parti più piccole, dette sotto-canali, non interferenti; ii. Protocolli ad accesso casuale (Random Access Protocols): il canale condiviso non viene suddiviso tra i nodi. Trasmissioni simultanee danno luogo a collisioni. I nodi collidenti ritrasmettono le trame che hanno colliso. 101

102 Classificazione dei Protocolli MAC (2/2) Protocolli MAC Protocolli a suddivisione del canale Protocolli ad accesso casuale TDMA FDMA CDMA Slotted ALOHA CSMA/CD 102

103 Protocolli a suddivisione di canale- Generalità (1/2) Consideriamo un sistema di accesso con N 2 nodi che impiega un canale condiviso di capacità C (bit/sec). Per definizione, un Protocollo MAC a suddivisione di canale opera come segue: i. Suddivide il canale in N sotto-canali non interferenti, ciascuno di capacità C/N (bit/ sec); ii. Assegna permanentemente a ciascuno dei nodi uno dei sotto-canali per l intero tempo della comunicazione. 103

104 Protocolli a suddivisione di canale- Generalità (2/2) Dalla precedente definizione, discendono alcune proprietà generali possedute da tutti i protocolli MAC a suddivisione di canale, e cioè: i. La trasmissione di dati da parte di ciascun nodo avviene sempre senza collisioni; ii. iii. iv. Tutti i nodi possono trasmettere alla stessa velocità di C/N (il protocollo è equo); Quando c è un solo nodo che ha dati da trasmettere, esso può farlo alla velocità di C/N (bit/sec) (il protocollo non utilizza efficientemente la capacità C del canale condiviso); Il protocollo offre un modo di trasferimento a circuito ; v. C è bisogno di un nodo controllore (nodo Master) che disciplini l accesso al canale condiviso da parte degli N nodi (il protocollo è di tipo centralizzato). 104

105 Protocolli a suddivisione di canale- Classificazione A seconda della tecnica (strategia) impiegata per partizionare il canale condiviso in sottocanali non interferenti, i Protocolli a suddivisione del canale possono essere di tre tipi : i. Protocollo d accesso a Divisione di Tempo (TDMA); ii. iii. Protocollo d accesso a Divisione di Frequenza (FDMA); Protocollo d accesso a Divisione di Codice (CDMA). 105

106 Accesso Multiplo a divisione di tempo (TDMA, Time Division Multiple Access) Le sorgenti trasmettono sulla stessa banda di frequenza ma in intervalli di tempo diversi, alternati e separati da intervalli di guardia T g Trama Tg timeslot Tempo (sec) Definizione di una trama : ciascuna destinazione estrae il proprio segnale generato dalla sorgente desiderata sulla base del sincronismo della trama Esempi: i. Assegnazione timeslot per collegamenti GSM ii. trasmissioni dati su fibra ottica, con allocazione fissa o dinamica degli intervalli ( timeslot ) 106

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