Protocolli di Accesso al Mezzo

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1 Roadmap Protocolli di Accesso al Mezzo Accesso ad un mezzo di comunicazione Allocazione delle risorse Protocolli Aloha puro Aloha a slot Aloha satellitare Prestazioni 2 Libro di testo Materiale didattico A. Roveri Retematica III parte disponibile sul sito di InfoCom La Sapienza Tanenbaum Reti di computer B. Walke Mobile Radio Networks, Networking and Protocols Accesso multiplo Mezzo di comunicazione Consente la trasmissione di informazioni a distanza Utilizza un mezzo fisico (canale trasmissivo) Punto punto Una sorgente - Una destinazione Qualità dipende dal segnale trasmesso e dal disturbo sul canale Multi accesso Due o più sistemi sorgenti/collettori di informazioni (stazioni) Qualità dipende dal segnale tx da due o più stazioni Somma delle versioni attenuate, ritardate, ev. rumorose di questi contributi 3 4 1

2 Esempi topologie di LAN Allocazione delle risorse Satellite BUS a prese multiple Riguarda i mezzi di comunicazione Statica: Suddivisione in sub-canali Pre-assegnazione individuale delle risorse Frequency Division Multiple Access - FDMA, Time Division Multiple Access - TDMA, Code Division Multiple Access CDMA Stazioni di terra Collegamento radio a pacchetti Dinamica: il mezzo e una risorsa singola Accesso in base ad una procedura di controllo A domanda Pre-assegnata collettivamente 5 6 Problema dell allocazione Assunzioni del modello: 1. N stazioni indipendenti La probabilità che un pacchetto venga generato in un IT ΔT e λ ΔT (λ costante, frequenza di arrivo di un nuovo pacchetto) Generato il pacchetto la stazione e bloccata e resta inattiva finché il pacchetto non e stato completamente trasmesso 2. Canale singolo 3. Collisione 4. Tempo Continuo Discreto 5. Rilevamento di utilizzo del canale da parte delle stazioni Con rivelamento Senza rivelamento Accesso multiplo con allocazione dinamica Consideriamo il dominio del tempo Assegnazione a domanda: accesso controllato o casuale Accesso controllato: ogni stazione emette solo quando riceve una autorizzazione Controllo: Centralizzato Una stazione primaria abilita le altre secondarie alla trasmissione Distribuito (passa da stazione a stazione) Le stazioni inattive non impegnano risorse Efficiente utilizzo del mezzo trasmissivo 7 8 2

3 Strato - Medium Access Control Nei casi di accesso multiplo con allocazione dinamica la regolazione dell accesso al mezzo, con la risoluzione delle eventuali contese, e affidata a protocolli di accesso al mezzo Accesso casuale Modalità: ogni stazione accede al canale indipendentemente dall effettiva disponibilità dello stesso. UI viene emessa non appena pronta. Protocolli (Medium Access Control) Se due o più stazioni richiedono contemporaneamente la risorsa: SISTEMA di CONTESA Collisione Protocolli ad accesso controllato Protocolli ad accesso casuale Roveri Retematica III Mutua interferenza tra i segnali: il contenuto non e più utilizzabile dalle stazioni Riemissione dell unita informativa Meccanismo di gestione dei conflitti Prestazioni dipendono dall intervallo di vulnerabilità: l intervallo massimo di tempo entro cui una stazione può emettere una UI e collidere con un altra emissione 9 10 Aloha cenni storici (anni 70) per una rete radio multiaccesso Università delle Hawaii, in cui più stazioni periferiche erano logicamente connesse da un unico canale ad una stazione centrale (Norman Abramson); Il principio-chiave si adatta ad una qualsiasi rete con esigenze di accesso multiplo con allocazione dinamica; E il più semplice protocollo ad accesso casuale; Due versioni: Aloha puro Slotted Aloha Funzionamento: Aloha puro Una stazione emette una UI non appena questa è disponibile senza alcun controllo sulla disponibilità del mezzo trasmissivo. La stazione emittente assume che si sia verificata una collisione se non riceve un Ack positivo dalla stazione di destinazione entro un determinato intervallo di tempo (time-out). Tutte le UI coinvolte nella collisione sono considerate perdute e quindi vanno riemesse. La UI viene riemessa dopo un tempo calcolato in base ad un algoritmo di subentro (back off); ciò per evitare nuove collisioni rendendo casuale la riemissione. Una legge deterministica di ritrasmissione porterebbe inevitabilmente al ripetersi della collisione

4 Collisione Aloha La -PDU in verde collide con quelle in blu. t 0 -T t 0 t 0 +T t 0 +2T Nessun arrivo, nessuna collisione! Aloha puro - 2 Per la proprietà di retroazione del broadcasting un utente può sempre sapere se il suo pacchetto e giunto a destinazione LAN: retroazione immediata Satellite: ritardo di circa 270 ms Il tempo di ritrasmissione DEVE essere casuale per evitare fenomeni di STALLO Aloha puro - 3 Non c e sincronizzazione Una trama viene trasmessa SENZA aspettare l inizio dello slot Probabilità di collisione: la trama inviata a t 0 collide con altre trame inviate nell intervallo [t 0-1, t 0 +1] Hp. Tempo di trasmissione trama = 1 I pacchetti hanno la stessa dimensione perché la produttività di Aloha sia MAX Non esiste distinzione tra perdita totale e parziale di pacchetto

5 Aloha puro Def.: periodo di vulnerabilita V l intervallo di tempo durante il quale possono verificarsi collisioni Il periodo e pari a 2T se T e la durata di una trama Aloha prestazioni Le prestazioni di una tecnica a contesa sono valutate tramite: Throughput S: numero medio di trame trasmesse con successo per unita di tempo Ritardo medio D per trama Stabilità - 1 Ipotesi: Trame di lunghezza costante (durata T) Data rate del canale fissato N. stazioni e finito = m N. stazioni prenotate in un certo istante = n (assunto come stato dell evoluzione del sistema) nello stato n ogni stazione tra le (m n) non-prenotate emette nuove UI in modo indipendente dall emissione di altre stazioni e con uguale probabilità p che una UI sia emessa in un dato IT; Processo di Poisson Processo puntuale: Descrive la posizione di punti su un asse ordinato (es. Asse temporale) Descrizione: n(0, t) numero di punti nell intervallo [0,t] n(t, t+τ) numero di punti nell intervallo [t, t+τ] ogni stazione prenotata riemette UI in modo indipendente dalle altre n - 1 prenotate e con uguale probabilità q che una UI sia emessa in un dato IT

6 Processo di Poisson 1. La probabilita che ci sia un punto di Poisson in un intervallo infinitesimo dt e pari a: P [ n( t, t + dt) = 1] = λdt λ: frequenza del processo (punti per unita di tempo) 2. La probabilita che ci siano piu punti in un intervallo infinitesimo dt e nulla [ ( t, t + dt) > 1] = 0 P n Processo di Poisson La probabilita che vi siano k punti di Poisson in un intervallo temporale τ e pari a: [ ( t, t dt) = k] P n k ( λτ ) λτ + = e k! 3. I punti presenti in intervalli di tempo disgiunti sono variabili causali indipendenti Aloha: : prestazioni Il numero medio di tentativi di trasmissione da parte delle stazioni nell'unità di tempo T (pari al tempo di trasmissione di una trama) è indicata con G ed è pari a: G = λt λ è la frequenza media di arrivo delle trame (sia quelle nuove sia i tentativi di ritrasmissione) G è una misura relativa dell utilizzazione del canale; se G>1 le trame generate superano il max rate di trasmissione del canale Aloha: : prestazioni La probabilità che vengano generate n trame dalla popolazione utente, durante il tempo di durata di una trama T, è distribuita secondo Poisson: La probabilità di non avere collisioni (probabilità di successo Ps) è pari alla probabilità di non avere arrivi di trame (n=0) nel periodo di vulnerabilità 2T :

7 Aloha: : prestazioni Hp. di processo di Poisson sul traffico la probabilità che una trasmissione non venga interferita da altre P s è data dalla probabilità che nell'intervallo di vulnerabilità 2T non vi siano altre trasmissioni Il throughput S della rete si esprime come il prodotto del traffico offerto G per la probabilità di successo Ps Aloha: : prestazioni S indica il throughput normalizzato espresso in trame trasmesse con successo nell unità di tempo T (varia quindi tra 0 e 1) Viene anche detto coefficiente di utilizzazione della rete perché definisce la frazione di tempo in cui la rete è impegnata nella trasmissione con successo di trame Aloha: : prestazioni Slotted Aloha Simile al protocollo ALOHA, ma introduce con una sincronizzazione tra le stazioni. L asse dei tempi è suddiviso in intervalli temporali (IT) di durata fissa, uguale al tempo di trasmissione T di una UI. Ogni stazione è vincolata ad iniziare l emissione delle proprie UI in corrispondenza dell inizio di un IT. L intervallo di vulnerabilità nella emissione di una UI si riduce alla durata T. si ha collisione solo in caso di emissione contemporanea di trame

8 Slotted Aloha un nodo che ha una nuova trama in arrivo: trasmette all inizio dello slot successivo se c è collisione: ritrasmette la trama negli slot seguenti con probabilità p, finché ha successo Slotted Aloha Quando arriva una trama la stazione prova a trasmetterla nel primo slot disponibile Se si verifica una collisione la stazione prova a ritrasmetterla dopo un numero di slot scelto uniformemente in un intervallo [0 r] Slotted Aloha Risoluzione delle collisioni: r = 0 la collisione si ripete all infinito throughput = 0 Se il traffico è elevato occorre un valore di r elevato per evitare instabilità Conviene r piccolo in situazione di rete scarica, r grande in situazioni di congestione!! 31 Slotted Aloha: backoff esponenziale Come si sceglie r? Riconosciuta la collisione la stazione opera nel seguente modo: sceglie un intero X a caso ed in modo uniforme nell intervallo 0 2 Min (k, max) k numero di collisioni già subite dal pacchetto max settato per limitare la dimensione massima dell intervallo di ritrasmissione aspetta X slot prima di tentare la ritrasmissione 32 8

9 Slotted Aloha: : prestazioni Il periodo di vulnerabilità è pari alla durata di una trama T La probabilità di non avere collisioni per un tempo pari al periodo di vulnerabilità (cioè la probabilità di successo P s ) è: Slotted Aloha: : prestazioni Calcolo del max throughput Derivando ed uguagliando a zero l espressione: Si ottiene il valore di G (G max ) che corrisponde al max troughput S max Slotted Aloha: : prestazioni Aloha satellitare Puro: efficienza del canale e solo del 18% inaccettabile per un apparato del costo di milioni di $ Slotted: l efficienza raddoppia; problema della sincronizzazione. Quando inizia uno slot? Il satellite gestisce il problema: Una stazione di riferimento a terra, trasmette periodicamente un segnale speciale la cui ridiffusione viene usata da tutte le stazioni come origine dei tempi

10 Aloha satellitare 2 Ipotesi: ΔT: lunghezza dello slot temporale Tutti gli slot hanno la stessa lunghezza Aloha satellitare 3 Come aumentare l utilizzo del canale di salita oltre 1/e? Si raddoppiano il numero di canali in salita. Il k-esimo slot inizierà dopo k * ΔT es. sec Problemi: Orologi hanno velocità differenti risincronizzazione periodica Il tempo di propagazione dal satellite, è diverso per ogni stazione di terra correzione preventiva Aloha satellitare 4 Ogni canale di salita funziona come un canale Alhoa a slot indipendente. Stazione sorgente: Appena pronto un pacchetto sceglie in modo casuale uno dei due canali in salita Trasmette il pacchetto nello slot successivo. Satellite: Se uno dei canali di salita contiene un unico pacchetto trasmesso sul canale di discesa nello slot successivo Se da entrambi i canali arriva un pacchetto Trasmesso uno e memorizzato il secondo Slot successivo viene trasmesso il secondo Aloha satellitare - 5 Prestazioni: Si può dimostrare: Data una quantità infinita dello spazio di buffer L utilizzazione del canale di discesa puo essere aumentata fino allo La larghezza di banda deve essere incrementata di

11 Carrier Sense Multiple Access Protocollo CSMA Deriva dall Aloha puro, con l aggiunta del feedback sull occupazione di canale Lo strumento che rivela l'occupazione del canale viene chiamato Carrier Sensing (rilevazione di portante) e dà il nome al protocollo È usato nella topologia a bus bidirezionale 42 Carrier Sense Multiple Access Regola: ASCOLTA PRIMA DI PARLARE Procedura: una stazione che desidera emettere ascolta se il canale è occupato da una emissione precedente (carrier sensing) CSMA: ritrasmissioni Nel caso di canale occupato, l'istante successivo di emissione è determinato in base ad una PROCEDURA DI PERSISTENZA: 1-persistente: il terminale ascolta finché il canale è libero e poi trasmette con probabilità 1 canale libero (idle) la stazione emette; 0-persistente o non-persistente: il terminale aspetta un tempo random prima di ritrasmettere (come se avesse colliso) (es. wireless- canale occupato (busy) la stazione ritarda l emissione LAN) all istante successivo CSMA Persistente: riprova immediatamente con probabilità p-persistente: il terminale aspetta finché il canale è libero e quindi p quando il canale diventa idle (può causare instabilità) trasmette con probabilità p, oppure con probabilità 1-p ritarda la trasmissione di un tempo casuale CSMA Non-persistente: riprova dopo un intervallo random

12 CSMA: ritrasmissioni CSMA: ritrasmissioni 0-persistente: la stazione ritarda l emissione di un intervallo di tempo calcolato in base ad un algoritmo di subentro (backoff) 1-persistente: la stazione aspetta che il canale torni libero, quindi trasmette CSMA: ritrasmissioni p-persistente: la stazione attende che il canale torni libero, quindi effettua l emissione con probabilità p, altrimenti la trasmissione è ritardata di un intervallo di tempo calcolato in base ad un algoritmo di subentro CSMA: ritrasmissioni L'algoritmo di subentro serve a rendere casuale l'accesso al canale La procedura 1-persistente tende ad aumentare la portata media di rete, ma ad alto traffico aumenta il numero di collisioni La procedura 0-persistente riduce lo svantaggio delle collisioni ad alto traffico La procedura p-persistente consente di regolare la probabilità p in base al traffico di rete

13 CSMA: collisioni A causa dei ritardi di propagazione il protocollo CSMA NON evita le COLLISIONI CSMA: collisioni Si ha collisione tra due stazioni se esse accedono al canale in istanti che distano tra loro un tempo inferiore a quello di propagazione tra le due stazioni il ritardo di propagazione implica che due nodi non possano sentirsi reciprocamente all inizio della trasmissione CSMA: collisioni collisione: il tempo speso per trasmettere l intera trama è sprecato B e D continuano a trasmettere le loro trame interamente anche se c è stata collisione Intervallo di vulnerabilita L intervallo di vulnerabilità, cioè l'intervallo di tempo in cui una trama emessa può subire collisione, è uguale a 2τ, dove τ è il ritardo di propagazione da estremo a estremo sul bus nota: maggiore è il ritardo di propagazione maggiore è la probabilità di collisione!

14 Intervallo di vulnerabilita CSMA: prestazioni Per valutare le prestazioni del CSMA si assume lo stesso modello dell Aloha con T tempo di trasmissione di trama τ tempo di propagazione a=τ/t si assume inoltre la modalità non-persistente (l unica che consente di trattare facilmente il traffico sul canale) CSMA: prestazioni CSMA: prestazioni

15 CSMA / CD CMSA CD Il tempo necessario perché tutte le stazioni coinvolte in una collisione se ne accorgano dipende dal tempo di propagazione (piccolo rispetto al tempo di trasmissione nelle LAN) Constatazione: Perché continuare a trasmettere trame che hanno colliso? Non appena una stazione si accorge della collisione smette di trasmettere la trama! CSMA-CD: Ascolta prima di parlare e mentre parli Collision Detection (rilevazione delle collisioni) Rispetto al protocollo CSMA, migliora le prestazioni riducendo la durata delle collisioni=> Throughput più elevato 58 CSMA-CD CSMA / CD Carrier sensing, come nel CSMA collisioni rilevate in breve tempo le trasmissioni che hanno colliso sono abortite, riducendo lo spreco sul canale CSMA / CD Nel caso di collisione: La collisione viene riconosciuta (Collision Detection) La collisione viene rinforzata (sequenza di jamming) Viene tentato nuovamente l'accesso dopo un intervallo di tempo casuale T Per ridurre l'aumento di traffico per ritrasmissioni il valore di T aumenta esponenzialmente all'aumentare del numero di collisioni consecutive Collision detection facile nelle LAN cablate: misura le intensità dei segnali, confronta segnali trasmessi e ricevuti difficile nelle wireless-lan: il ricevitore si disattiva mentre trasmette

16 CSMA / CD Protocollo CSMA/CD (2) Tra due stazioni avviene una collisione se esse accedono al canale in istanti che distano tra loro un tempo inferiore a quello di propagazione tra le due stazioni A B C t 0 t 1 t 2 t t t All istante t4 C scopre la collisione 62 CSMA / CD Il tempo totale necessario affinché, nel caso di collisione, tutti i terminali si accorgano della collisione e interrompano l emissione è: Protocollo CSMA/CD (4) Nel caso di canale occupato, l'istante successivo di emissione è determinato in base ad una PROCEDURA DI PERSISTENZA Se R è il ritmo binario in linea, una PDU di strato non può avere lunghezza inferiore a Esempio di accesso CSMA/CD:

17 CSMA / CD: vantaggi vs CSMA Il vantaggio del CSMA-CD rispetto al CSMA è tanto più elevato quanto più il tempo necessario perché le stazioni coinvolte nella collisione se ne accorgano è piccolo rispetto al tempo di trasmissione della trama T CSMA / CD: applicabilità Il CSMA/CD è utilizzabile in sistemi in cui il ritardo di propagazione τ sia piccolo ascolto del canale prima di trasmettere: se il ritardo di propagazione τ è piccolo allora l informazione raccolta dalla stazione è significativa; è bassa la probabilità che le altre stazioni tentino una trasmissione nell intervallo [o, τ] (le altre stazioni si accorgono della collisione nel caso peggiore dopo un tempo τ); è minore la banda sprecata a causa di una collisione CSMA / CD: applicabilità Il CSMA/CD è utilizzabile in sistemi in cui il ritardo di propagazione τ sia breve rispetto alla durata T della trasmissione di una trama CSMA / CD: applicabilita ascolto del canale durante la trasmissione della trama: se il tempo di trasmissione di trama è minore del ritardo di propagazione, la stazione finisce di trasmettere la trama, e quindi di ascoltare il canale, prima di potersi accorgere di eventuali collisioni la stazione può smettere di ascoltare il canale dopo un tempo 2τ e continuare a trasmettere la trama la condizione τ<t limita la lunghezza massima del bus!

18 CSMA / CD: prestazioni Per le prestazioni si assume sempre lo stesso modello CSMA / CD: prestazioni T tempo di trasmissione di trama τ tempo di propagazione a=τ/t δ tempo per accorgersi della collisione e interrompere si assume sempre la modalità non-persistente CSMA / CD: prestazioni 71 18