Υποεπίπεδο ελέγχου προσπέλασης μέσων Medium Access Control

1. Υποεπίπεδο ελέγχου προσπέλασης μέσων Medium Access Control Τμήμα Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων και Δικτύων

2. Introduction • range of technologies • Fast and Gigabit Ethernet • Fibre Channel • High Speed Wireless LANs

3. Why High Speed LANs? • speed and power of PCs has risen • graphics-intensive applications and GUIs • see LANs as essential to organizations • for client/server computing • now have requirements for • centralized server farms • power workgroups • high-speed local backbone

4. Τμήμα Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων και Δικτύων

5. Το πρόβλημα της κατανομής του καναλιού Στατική εκχώρηση καναλιού σε LAN και WAN • Κατανομή ενός μοναδικού καναλιού (τηλεφωνική ζεύξη) μεταξύ πολλαπλών ανταγωνιζόμενων χρηστών: πολύπλεξη με διαίρεση συχνότητας (FDM) Πότε λειτουργεί ικανοποιητικά? • Όταν υπάρχει ένας μικρός και σταθερός αριθμός χρηστών κάθε ένας από τους οποίους έχει μεγάλο φορτίο κίνησης MEIONEKTHMATA: • Πλήθος αποστολέων μεγάλο • Κίνηση με μορφή ριπών (λόγος μέγιστης κίνησης προς μέση κίνηση της τάξης 1000:1) • Όταν κάποιοι χρήστες είναι «σιωπηλοί» Τμήμα Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων και Δικτύων

6. Δυναμική εκχώρηση καναλιού σε LAN και WAN Υποθέσεις • Μοντέλο Σταθμών • Υπόθεση μοναδικού καναλιού • Υπόθεση σύγκρουσης • Χρόνος • Συνεχής χρόνος • Χρόνος με υποδοχές • Φέρον κύμα • Ανίχνευση φέροντος κύματος • Αδυναμία ανίχνευσης φέροντος κύματος Τμήμα Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων και Δικτύων

7. Δυναμική εκχώρηση καναλιού σε LAN και WAN… Μοντέλο Σταθμών • Ν ανεξάρτητοι σταθμοί • Ο καθένας έχει ένα πρόγραμμα ή ένα χρήστη που παράγει πλαίσια προς μετάδοση • Πιθανότητα να παραχθεί ένα πλαίσιο σε ένα διάστημα Δt είναι λΔt όπου λ είναι μια σταθερά ( ο ρυθμό άφιξης νέων πλαισίων) • Αφού παραχθεί ένα πλαίσιο π σταθμός μπλοκάρεται και δεν κάνει τίποτα μέχρι να μεταδοθεί επιτυχώς το πλαίσιο Τμήμα Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων και Δικτύων

8. Δυναμική εκχώρηση καναλιού σε LAN και WAN… Υπόθεση μοναδικού καναλιού • Διατίθεται ένα μοναδικό κανάλι για όλες τις επικοινωνίες. • Όλοι οι σταθμοί μπορούν να μεταδώσουν και να λάβουν από αυτό • Σε σχέση με το υλικό όλοι οι σταθμοί είναι ισοδύναμοι ενώ το λογισμικό των πρωτοκόλλων μπορεί να εκχωρήσει προτεραιότητες. Υπόθεση σύγκρουσης • Αν δύο πλαίσια μεταδοθούν ταυτόχρονα, επικαλύπτονται χρονικά και το σήμα που προκύπτει είναι παραμορφωμένο. • Όλοι οι σταθμοί μπορούν να ανιχνεύουν συγκρούσεις • Ένα πλαίσιο στο οποίο παρουσιάσθηκε σύγκρουση μπορεί να μεταδοθεί αργότερα • Δεν υπάρχουν άλλα σφάλματα εκτός από αυτά που οφείλονται στις συγκρούσεις. Τμήμα Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων και Δικτύων

9. …Δυναμική εκχώρηση καναλιού σε LAN και WAN Συνεχής χρόνος • Η μετάδοση ενός πλαισίου μπορεί να ξεκινήσει οποιαδήποτε χρονική στιγμή • Δεν υπάρχει κεντρικό ρολόι που να διαιρεί το χρόνο σε διακριτά διαστήματα. Χρόνος με υποδοχές • Ο χρόνος διαιρείται σε διακριτά διαστήματα (υποδοχές). • Η μετάδοση ενός πλαισίου ξεκινά πάντα από την αρχή μιας υποδοχής. • Μια υποδοχή μπορεί να περιέχει 0 ή 1 ή περισσότερα πλαίσια γεγονός που αντιστοιχεί σε μια αδρανή μετάδοση, ή μια επιτυχή μετάδοση, ή μια σύγκρουση αντίστοιχα. Τμήμα Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων και Δικτύων

10. …Δυναμική εκχώρηση καναλιού σε LAN και WAN Ανίχνευση φέροντος κύματος (LAN) • Οι σταθμοί είναι σε θέση να ανιχνεύσουν κατά πόσον ένα κανάλι είναι σε χρήση, πριν προσπαθήσουν να το χρησιμοποιήσουν • Αν διαπιστωθεί ότι το κανάλι είναι απασχολημένο, κανένας σταθμός δεν θα προσπαθήσει να το χρησιμοποιήσει μέχρι να γίνει πάλι αδρανές. Αδυναμία ανίχνευσης φέροντος κύματος • Οι σταθμοί δεν μπορούν να ανιχνεύσουν το κανάλι πριν προσπαθήσουν να το χρησιμοποιήσουν. • Απλώς μεταδίδουν σε κάθε περίπτωση • Μόνο αργότερα θα μπορέσουν να προσδιορίσουν κατά πόσον η μετάδοση ήταν επιτυχής. Τμήμα Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων και Δικτύων

11. Ορισμός Φέρον κύμα: Τμήμα Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων και Δικτύων

12. Πρωτόκολλα πολλαπλής προσπέλασηςMultiple Access Protocols • ALOHA • Carrier Sense Multiple Access Protocols • Collision-Free Protocols • Limited-Contention Protocols • Wavelength Division Multiple Access Protocols • Wireless LAN Protocols Τμήμα Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων και Δικτύων

13. Ταξινόμηση των πρωτοκόλλων MAP Τμήμα Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων και Δικτύων

14. MAC Πρωτόκολλα Τυχαίας προσπέλασης • Οι σταθμοί προσπελαύνουν το μέσο με τυχαίο τρόπο • Συγκρούσεις συμβαίνουν όταν δύο η περισσότεροι hosts στέλνουν ταυτόχρονα • Το πρωτόκολλο καθορίζει: • Πως ανιχνεύονται οι συγκρούσεις • Πως γίνεται ανάκτηση από τις συγκρούσεις • Το πρόβλημα του σχεδιασμού προσπέλασης μέσου : περιορισμός των αδυναμιών που οφείλονται στις συγκρούσεις και τις ανενεργές περιόδους • Παραδείγματα • ALOHA (slotted, pure) • Carrier Sense Multiple Access Protocols (Ehternet) • Carrier Sense Multiple Access Protocols (Wireless LAN, IEEE 802.11) Τμήμα Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων και Δικτύων

15. Απόδοση MAC πρωτοκόλλων • Απόδοση (efficiency) = Μέγιστο ποσοστό χρόνου οι κόμβοι μεταδίδουν πλαίσια επιτυχώς • Διαπερατότητα (throughput) = μέγιστος ρυθμός επιτυχημένων μεταδόσεων bit = efficiency * transmission rate Τμήμα Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων και Δικτύων

16. Καθαρό (Pure) ALOHA • Οι χρήστες επιτρέπεται να μεταδίδουν όποτε έχουν δεδομένα προς αποστολή • Τα συγκρουόμενα πλαίσια θα καταστρέφονται • Αν για κάποιο λόγο δεν είναι δυνατή η παρακολούθηση του καναλιού χρειάζονται επιβεβαιώσεις. • Αν καταστραφεί το πλαίσιο ο αποστολέας περιμένει ένα τυχαίο διάστημα και ξαναστέλνει (γιατί το διάστημα τυχαίο ??) Τμήμα Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων και Δικτύων

17. Καθαρό ALOHA In pure ALOHA, frames are transmitted at completely arbitrary times. Τμήμα Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων και Δικτύων

18. Καθαρό ALOHA: Απόδοση Τμήμα Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων και Δικτύων

19. ALOHA με υποδοχές Τμήμα Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων και Δικτύων

20. ALOHA με υποδοχές Τμήμα Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων και Δικτύων

21. Μετάδοση στο ALOHA με υποδοχές Τμήμα Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων και Δικτύων

22. ALOHA με υποδοχές: Απόδοση Τμήμα Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων και Δικτύων

23. ALOHA με υποδοχές: Απόδοση Τμήμα Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων και Δικτύων

24. ALOHA με υποδοχές: Άπειρο πλήθος σταθμών Τμήμα Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων και Δικτύων

25. ALOHA με υποδοχές: Άπειρο πλήθος σταθμών Τμήμα Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων και Δικτύων

26. Καθαρό ΑLOHA Throughput versus offered traffic for ALOHA systems. Τμήμα Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων και Δικτύων

27. CSMA • stations soon know transmission has started • so first listen for clear medium (carrier sense) • if medium idle, transmit • if two stations start at the same instant, collision • wait reasonable time • if no ACK then retransmit • collisions occur at leading edge of frame • max utilization depends on propagation time (medium length) and frame length

28. Nonpersistent CSMA • Nonpersistent CSMA rules: • if medium idle, transmit • if medium busy, wait amount of time drawn from probability distribution (retransmission delay) & retry • random delays reduces probability of collisions • capacity is wasted because medium will remain idle following end of transmission • nonpersistent stations are deferential

29. 1-persistent CSMA • 1-persistent CSMA avoids idle channel time • 1-persistent CSMA rules: • if medium idle, transmit; • if medium busy, listen until idle; then transmit immediately • 1-persistent stations are selfish • if two or more stations waiting, a collision is guaranteed

30. P-persistent CSMA • a compromise to try and reduce collisions and idle time • p-persistent CSMA rules: • if medium idle, transmit with probability p, and delay one time unit with probability (1–p) • if medium busy, listen until idle and repeat step 1 • if transmission is delayed one time unit, repeat step 1 • issue of choosing effective value of p to avoid instability under heavy load

31. Value of p? • have n stations waiting to send • at end of tx, expected no of stations is np • if np>1 on average there will be a collision • repeated tx attempts mean collisions likely • eventually when all stations trying to send have continuous collisions hence zero throughput • thus want np<1 for expected peaks of n • if heavy load expected, p small • but smaller p means stations wait longer

32. CSMA/CD Description • with CSMA, collision occupies medium for duration of transmission • better if stations listen whilst transmitting • CSMA/CD rules: • if medium idle, transmit • if busy, listen for idle, then transmit • if collision detected, jam and then cease transmission • after jam, wait random time then retry

33. CSMA/CDOperation

34. Which Persistence Algorithm? • IEEE 802.3 uses 1-persistent • both nonpersistent and p-persistent have performance problems • 1-persistent seems more unstable than p-persistent • because of greed of the stations • but wasted time due to collisions is short • with random backoffunlikely to collide on next attempt to send

35. Binary Exponential Backoff • for backoff stability, IEEE 802.3 and Ethernet both use binary exponential backoff • stations repeatedly resend when collide • on first 10 attempts, mean random delay doubled • value then remains same for 6 further attempts • after 16 unsuccessful attempts, station gives up and reports error • 1-persistent algorithm with binary exponential backoff efficient over wide range of loads • but backoff algorithm has last-in, first-out effect

36. Collision Detection • on baseband bus • collision produces higher signal voltage • collision detected if cable signal greater than single station signal • signal is attenuated over distance • limit to 500m (10Base5) or 200m (10Base2) • on twisted pair (star-topology) • activity on more than one port is collision • use special collision presence signal

37. Σύγκριση της αξιοποίησης του καναλιού Τμήμα Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων και Δικτύων

38. Τμήμα Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων και Δικτύων

39. Polling Πρωτόκολλα Τμήμα Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων και Δικτύων

40. Τμήμα Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων και Δικτύων

41. Περίληψη πρωτοκόλλων MAC Τμήμα Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων και Δικτύων

42. IEEE 802.3 Frame Format

43. IEEE 802.3 10Mbps Specification (Ethernet) Ρυθμός δεδομένων σε Mbps, μέθοδος σηματοδότησης, μέγιστο μήκος σε εκατοντάδες μέτρα To μήκος του δικτύου μπορεί να επεκταθεί εάν χρησιμοποιηθούν επαναλήπτες (διαφανείς στο επίπεδο MAC, Μετάδοση ίδια χρονική στιγμή => σύγκρουση, το πολύ 4 ανάμεσα σε οποιουδήποτε σταθμούς, ενεργό μήκος 2,5 km)

44. IEEE 802.3 100Mbps Fast Ethernet Χρησ/ει πλαίσιο MAC IEEE. Δύο φυσικές ζεύξεις ανάμεσα σε κόμβους. Πλήρως αμφίδρομη λειτουργία (ένας σταθμός είναι σε θέση είτε να λάβει είτε να μεταδώσει ένα πλαίσιο όχι όμως ταυτόχρονα. Μεικτή διάταξη

45. 100BASE-X • uses a unidirectional data rate 100 Mbps over single twisted pair or optical fiber link • encoding scheme same as FDDI • 4B/5B-NRZI • two physical medium specifications • 100BASE-TX • uses two pairs of twisted-pair cable for tx & rx • STP and Category 5 UTP allowed • MTL-3 signaling scheme is used • 100BASE-FX • uses two optical fiber cables for tx & rx • convert 4B/5B-NRZI code group into optical signals

46. 100BASE-T4 • 100-Mbps over lower-quality Cat 3 UTP • takes advantage of large installed base • does not transmit continuous signal between packets • useful in battery-powered applications • can not get 100 Mbps on single twisted pair • so data stream split into three separate streams • four twisted pairs used • data transmitted and received using three pairs • two pairs configured for bidirectional transmission • use ternary signaling scheme (8B6T)

47. Full Duplex Operation • traditional Ethernet half duplex • using full-duplex, station can transmit and receive simultaneously • 100-Mbps Ethernet in full-duplex mode, giving a theoretical transfer rate of 200 Mbps • stations must have full-duplex adapter cards • and must use switching hub • each station constitutes separate collision domain • CSMA/CD algorithm no longer needed • 802.3 MAC frame format used

48. Mixed Configurations • Fast Ethernet supports mixture of existing 10-Mbps LANs and newer 100-Mbps LANs • supporting older and newer technologies • e.g. 100-Mbps backbone LAN supports 10-Mbps hubs • stations attach to 10-Mbps hubs using 10BASE-T • hubs connected to switching hubs using 100BASE-T • high-capacity workstations and servers attach directly to 10/100 switches • switches connected to 100-Mbps hubs use 100-Mbps links • 100-Mbps hubs provide building backbone • connected torouter providing connection to WAN

49. 100BASE-T Options

50. Gigabit Ethernet - Differences • Επέκταση φέροντος κύματος • at least 4096 bit-times long (512 for 10/100) • Μήκος πλαισίου μιας μετάδοσης είναι μεγαλύτερο από το χρόνο διάδοσης στα 1 Gbps • Καταιγισμός πλαισίων • Επιτρέπει σε πολλαπλά μικρά πλαίσια να μεταδοθούν διαδοχικά, χωρίς με παραλείπεται ο έλεγχος για CSMA/CD • Με ένα συγκεντρωτή μεταγωγής δεν χρειάζονται γιατί η μετάδοση και η λήψη μπορεί να γίνει ταυτόχρονα χωρίς παρεμβολές.