1.4.1 Protocolli di controllo di accesso al mezzo (MAC)

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1 1. Fondamenti sulle reti di telecomunicazioni 1.4 Protocolli per reti di telecomunicazioni Protocolli di controllo di accesso al mezzo (MAC) Giacomo Morabito Dipartimento di Ingegneria Informatica e delle Telecomunicazioni Università di Catania

2 Collegamenti punto-punto e multipunto Punto-punto Multipunto Wireless (( ( ( ( (( ( (( ( ( (( ( (

3 Obiettivi I protocolli di controllo di accesso al mezzo (Medium Access Control, MAC) sono finalizzati a regolare l accesso a un canale di comunicazione multipunto a cui accedono più sorgenti di pacchetti Gli obiettivi sono quelli che ci sono nelle conversazioni tra esseri umani: Dare a ciascuno la possibilità di parlare Non parlare finchè non devi Non monopolizzare la conversazione Alza la mano se devi porre una domanda Non interrompere quando qualcuno sta parlando Non addormentarti quando qualcun altro sta parlano

4 Obiettivi di un protocollo di MAC Sia B la capacità messa a disposizione dal canale di comunicazione Caratteristiche desiderabili sono: Uso efficiente della capacità (efficiency): la somma della banda con cui trasmettono tutti i nodo deve essere sempre uguale a B: Quando un solo nodo ha dati da inviare, questo dovrebbe trasmettere con una banda pari a B Evitare le collisioni Equità (fairness): Quando M nodi hanno dati da inviare, ciascuno di essi dovrebbe trasmettere con banda B/M Non si intende banda istantanea Si intende banda media Robustezza: Il protocollo dovrebbe essere decentralizzato Semplicità: Il protocollo deve essere semplice da implementare

5 Approcci Accesso casuale (a contesa) Senza carrier sensing Esempi: Aloha, Slotted Aloha Con carrier sensing Esempi: CSMA, CSMA/CD, MACAW Accesso controllato Centralizzato: c è un entità che è responsabile di regolare i permessi di accesso delle diverse sorgenti Esempi: FDMA, TDMA, CDMA Distribuito: il controllo avviene attraverso una procedura distribuita, i.e., gli elementi del sistema giocano ruoli paritari Esempi: Token ring, token bus ovviamente sono possibili soluzioni ibride

6 Aloha Sviluppato negli anni 70 presso l Università delle Hawaii (serviva per comunicare dati via radio tra le isole Hawaii) Come funziona: Ogni stazione trasmette ogni qualvolta ha dati da inviare Ci saranno collisioni due frame che collidono non sono utilizzabili In caso di collisione i frame corrotti vengono ritrasmessi dopo un tempo casuale

7 Aloha: un esempio Nodo A Tempo casuale t Nodo B Tempo casuale t Collisione Canale t

8 Aloha: Prestazioni S: Numero di frame trasmesse nel tempo necessario a trasmettere una frame (S<1) G: Numero di tentativi di trasmissione di una frame nel tempo necessario a trasmettere una frame Osserviamo che: G: è una misura del traffico offerto S: è una misura del traffico realmente smaltito In certe condizioni (ideali), vale la seguente formula S = G e 2 G Il massimo si ottiene quando G=0.5. In tal caso il throughput è

9 Slotted Aloha Nel 1972 Roberts ha pubblicato un metodo per raddoppiare la capacità dell Aloha. Il metodo proposto prevede la possibilità di sincronizzare gli utenti. A tal fine ci potrebbe essere un nodo che trasmette un segnale di clock che viene utilizzato per la sincronizzazione Il tempo è diviso in intervalli di tempo detti time slot. Una sorgente che deve trasmettere una frame aspetta l inizio del time slot successivo Si dimezza il tempo di collisione. In caso di collisione, le frame corrotte vengono ritrasmesse dopo un numero casuale di time slots.

10 Slotted Aloha: l esempio di prima Nodo A 1 2 t Nodo B 1 t Canale t

11 Slotted Aloha: Prestazioni S: Numero di frame trasmesse nel tempo necessario a trasmettere una frame (S<1) G: Numero di tentativi di trasmissione di una frame nel tempo necessario a trasmettere una frame Osserviamo che: G: è una misura del traffico offerto S: è una misura del traffico realmente smaltito (throughput) In certe condizioni (ideali), vale la seguente formula S = G e G Il massimo si ottiene quando G=1. In tal caso il throughput è circa

12 Confronto prestazioni: Aloha vs. Slotted-Aloha Il valore di traffico offerto per cui si ottiene il massimo throughput è G=0.5 (Alhoa) G=1 (Slotted Aloha) Il massimo valore di throughput è S=0.184 (Aloha) S=0.368 (Slotted Aloha)

13 Caratteristiche dei protocolli Aloha e Slotted Aloha Sono non efficienti: il massimo throughput è (Aloha) ovvero (Slotted Aloha) Sono iniqui: sorgenti più aggressive accaparrano più banda Sono robusti: non ci sono entità che svolgono funzioni di controllo Rappresentano punti deboli del sistema Sono semplici: non c è alcun coordinamento (Alhoa). Nello Slotted Aloha c è la necessità di una sincronizzazione

14 Carrier Sense Multiple Access (CSMA) Le basse prestazioni dei protocolli Aloha e Slotted Aloha sono dovuti alla mancanza di coordinamento tra i nodi L efficienza può aumentare se ciascun nodo si comporta in dipendenza del comportamento corrente degli altri nodi Nei carrier sense protocols ciascun nodo si mantiene sempre in ascolto sul canale per capire cosa stanno facendo gli altri nodi.

15 Protocolli CSMA Esistono diverse opzioni per i protocolli CSMA: 1-persistent CSMA nonpersistent CSMA p-persistent CSMA

16 1-persistent CSMA Funzionamento: Un nodo che deve trasmettere qualcosa ascolta il canale Se il canale è libero Trasmette il pacchetto Se il canale è occupato Aspetta che si liberi poi trasmette il pacchetto Se c è collisione attende per un tempo casuale e poi riprova la trasmissione con le suddette regole Il tempo di propagazione ha un impatto significativo sulle prestazioni: se aumenta ci sono più collisioni l efficienza diminuisce Ci sono collisioni anche se il tempo di propagazione è nullo: supponiamo che due sorgenti vogliano trasmettere mentre una terza sorgente sta occupando il canale Non appena la terza sorgente libera il canale le due sorgenti proveranno (contemporaneamente a trasmettere) Collisione!!!

17 Nonpersistent CSMA Funzionamento: Una sorgente che vuole trasmettere una frame ascolta il canale. Se questo è libero, la sorgente trasmette la frame Se il canale è occupato: la sorgente aspetta per un intervallo di tempo casuale e poi ripete la procedura. Questa soluzione è meno aggressiva dell 1- persistent CSMA

18 p-persistent CSMA Funzionamento: Il canale è slottato. Una sorgente che vuole trasmettere ascolta il canale. Se questo è libero attende il prossimo slot All inizio dello slot la stazione trasmette con probabilità p. Invece, ritorna al passo 3 con probabilità q=1-p. Se il canale è occupato, aspetta un tempo casuale e ritorna al passo 2. Il protocollo è tanto più aggressivo quanto più p è grande. Il parametro p ha una grande importanza

19 Confronto delle prestazioni

20 Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD) Un nodo che deve trasmettere una frame ascolta sul canale Se questo è libero inizia la trasmissione della frame Il nodo controlla che non si stia verificando una collisione Se il nodo si accorge di una collisione, abortisce la trasmissione Risparmio di tempo e banda Per fare ciò il trasmette deve contemporaneamente ascoltare sul canale Dopo l operazione di aborto della trasmissione un nodo attende per un tempo casuale e dopo ricomincia la procedura

21 CSMA/CD - Esempio Nodo A Nodo B Nodo C Tempo casuale Tempo casuale t t t Collisione Canale t

22 Frequency Division Multiple Access (FDMA) Il principio di funzionamento come la multiplazione FDM Caratteristiche: Non è efficiente: Non ci sono collisioni, tuttavia La banda con cui trasmette ciascun nodo è costante indipendentemente dall attività (ovvero inattività degli altri nodi) E equo: ogni nodo ha la possibilità di trasmettere con la stessa banda. Non è robusto: necessario l intervento di una entità che regola la suddivisione dei canali E semplice Servono meccanismi per la gestione delle richiesta dei canali

23 Time Division Multiple Access (TDMA) Il principio di funzionamento come la multiplazione TDM Caratteristiche stessi vantaggi e svantaggi dell FDMA

24 Code Division Multiple Access (CDMA) Il principio di funzionamento come la multiplazione CDM Rispettivamente all analogia della conversazione è come se ogni partecipante parlasse una diversa lingua il ricevitore si sontanizza sulla lingua che gli interessa Caratteristiche: E efficiente: nodo può trasmettere in modo da riempire tutta la banda E equo: se c è un opportuno controllo della potenza di trasmissione la banda a disposizione si suddivide equamente tra i partecipanti E robusto Non è semplice: l hardware e il software sono complessi: E necessario un controllo di ponteza E necessaria la sincronizzazione E necessaria un opportuna codifica dell informazione

25 Come fare le richieste Come può una sorgente richiedere un canale di frequenza, o uno slot all interno di una trama, o un codice? Ci possono essere soluzioni diversi: Esiste un canale apposito per ciascuna sorgente per richiedere le risorse per la comunicazione Uso di un meccanismo di polling Esiste un canale ad accesso casuale

26 Token Ring - Introduzione Tecnica introdotta dall IBM negli anni 70 E utilizzata tutt oggi per le reti metropolitane Si basa su una topologia ad anello L informazione circola nell anello in un solo senso I nodi si coordinano per trasmettere nell anello attraverso lo scambio di un permessi token Non ci sono collisioni Il token è rappresentato da una frame che non ha campo dati, ma ha un opportuno campo fissato ad un valore prestabilito

27 Token Ring - Procedure Un nodo che riceve un token: Se non ha nulla da trasmettere lo lascia passare Se ha da trasmettere: Blocca il token Trasmette le frame fino a quando non ha più da trasmettere e in ogni caso per non più di un tempo massimo prestabilito Rilascia il token Un nodo che riceve una frame dati: Se la frame è diretta a un altro nodo, la lascia passare. Se la frame è diretta al nodo stesso, e controlla la correttezza e se è corretta fissa un opportuno campo nella frame stessa e la lascia passare. Se la frame è stata generata dal nodo stesso: Controlla che sia stata ricevuta correttamente Qualora non fosse stata ricevuta correttamente ne predispone la successiva ritrasmissione La cancella dall anello

28 Token Ring - Esempio Token 2 3 Dati 1 4

29 Token Ring - Esempio Token 2 3 Dati 1 4

30 Token Ring - Esempio Token 2 3 Dati 1 4

31 Token Ring - Esempio Token 2 3 Dati 1 4

32 Token Ring - Esempio Token 2 3 Dati 1 4

33 Token Ring - Esempio Token 2 3 Dati 1 4

34 Token Ring - Esempio Token 2 3 Dati 1 4

35 Token Ring - Vincoli Il tempo di propagazione deve permettere che il token possa circolare completo nell anello Parametri: T = Tempo di propagazione nell anello T = Tempo di ritardo introdotto dal processamento di ciascuna stazione N = Numero di nodi nell anello L = Lunghezza del token B = Banda messa a disposizione dal token L < T + N τ B

36 Token Ring - Problemi Se nell anello si rompe uno qualunque dei nodi o dei collegamenti L intero sistema non funziona più!!! Soluzioni: Doppio Anello Controrotante Configurazione stellata

37 Token Bus Sviluppato il dalla General Motors nella prima metà degli anni 80. Motivazioni: Interessante l idea dello scambio del token in un anello: Non ci sono collisioni Ritardo controllabile Non gradita l installazione fisica di un anello: Difficoltà di inserire nuovi nodi Le reti Token Bus implementano un anello logico su un bus fisico broadcast (nell anello i collegamenti erano tra coppie di nodi)

38 Token Bus Idea di base Supponiamo di avere N nodi numerati da 1 a N. L ordine di numerazione non deve necessariamente rispettare l ordine topologico Ogni nodo conosce l indirizzo del suo predecessore e successore nell anello logico (il successore del nodo N è il nodo 1) Un nodo per trasmettere deve avere il token Dopo aver trasmesso la frame, passa il token al suo successore Esempio

39 Token Bus Esempio

40 Token Bus - Esempio Tx

41 Token Bus - Esempio

42 Token Bus - Esempio

43 Token Bus - Esempio

44 Token Bus - Esempio

45 Token Bus - Esempio Tx

46 Gestione dell anello logico Eventi da considerare Inserimento di nuovi nodi nell anello logico Estrazione di nodi dall anello logico Avarie dei nodi Perdita del token Duplicazioni dei token

47 Inserimento di nuovi nodi nell anello Periodicamente i nodi che hanno il token invia un messaggio SOLICIT_SUCCESSOR Il messaggio contiene l indirizzo del nodo stesso e l indirizzo del suo successore Un nodo che vuole inserirsi e che riceve un SOLICIT_SUCCESSOR, informa il nodo che ha trasmesso il messaggio di considerare lui come il suo nuovo successore Il nuovo nodo considererà il nodo che ha trasmesso il messaggio come suo predecessore Se ci sono più nodi che vogliono unirsi ci sarà una collisione Per risolverla si utilizza un meccanismo di soluzione della collisione Il nodo invia un secondo messaggio denominato RESOLVE_CONTENTION I nodi che vogliono unirsi all anello rispondono con un ritardo casuale La procedura di inserimento di nuovi nodi viene eseguita solo se la rete è abbastanza scarica (se non lo è la suddetta procedura potrebbe ritardare eccessivamente le frame in attesa di trasmissione). Per fare questo si usa un timer.

48 Estrazione di un nodo dall anello Un nodo il cui predecessore è P e il successore è S vuole lasciare l anello Quando detiene il token: Informa P che il suo nuovo successore è P attraverso un messaggio di SET_SUCCESSOR Invia il token a S

49 Avarie dei nodi Un nodo che rilascia il token Si mette in ascolto per verificare che il proprio successore invii una frame oppure rilasci il token Qualora ciò non dovesse accadere Il nodo successore è in avaria Allora invia un messaggio WHO_FOLLOWS che contiene l indirizzo del suo successore Un nodo che riceve un messaggio WHO_FOLLOWS indicante l indirizzo del proprio predecessore: Assegna all identificativo dell indirizzo del proprio predecessore, l indirizzo del nodo che ha inviato il messaggio Informa il nodo che ha inviato il messaggio di essere il suo nuovo successore con un SET_SUCCESSOR Se anche il successore del successore è in avaria, il nodo che ha inviato WHO_FOLLOWS non riceverà risposta Inizia una procedura di SOLICIT_SUCCESSOR_2

50 Perdita del token Può verificarsi in seguito a un avaria del nodo che detiene il token Per verificare tale eventualità: Ogni nodo mantiene un timer di durata casuale che reinizializza ogni qualvolta vede una frame passare sulla rete Se il timer scade Il token è andato perso In tale eventualità viene inviato un messaggio di CLAIM_TOKEN In caso di collisione vengono adottate le solite strategie

51 Duplicazione dei token Un nodo che ha il token ma che sente un altro nodo trasmettere scarta il suo token Questa procedure viene ripetuta fintanto che non rimane un solo token