Számítógép hálózatok Közeghozzáférési alréteg Vadász Ea2 1 A mai témáink A közeghozzáférési alréteg A MAC alréteg néhány megvalósítása Vadász Ea2 2 Ismételjünk! A fizikai rétegben meghatározottak a mechanikai interfészek; a villamos interfészek; a funkcionális interfészek; az eljárás interfészek. Azaz, van egy csatornánk a nyers bitfolyam átvitelére ez lehet alapsávú, ekkor kódolással, szélessávú, ekkor modulálással jelekké alakítják (és vissza) a bitfolyamot. Van jelzéssebesség, bitátviteli sebesség. Lehet zajos. Lehet pont- pont, vagy üzenetszórásos... Vadász Ea2 3 1
Emlékeztető Adott méretű adategységek (keretek) hibamentes átvitelével 3. Hálózati 3. Hálózati 2. Adatkapcsolati 2. Adatkapcsolati 1. Fizikai 1. Fizikai Fizikai közeg Bitfolyam átvitelével Az üzenetszórásos kapcsolat (többszörös, v. véletlen hozzáférésű) lehetősége miatt az adatkapcsolati réteg két alrétegre oszlik LLC: Logikai kapcsolatvezérlési alréteg MAC: közeghozzáférési alréteg (Medium Access Control) Vadász Ea2 4 Az adatkapcsolati réteg: keretek Keretképzés, hibakezelés, adatfolyam vezérlés és szükség esetén csatornamegosztás Alréteg LLC Funkció Keretképzés, behatárolás Kapcsolatok Módszer Beszúrásos, érvénytelen kódos stb. Adatfolyam kontrol, hiba kontrol DLL Logikai topológia Sín, gyűrű MAC Csatorna megosztás Versengő, ütközéses, statikus Címzés Fizikai címek (MAC címek) Vadász Ea2 5 Az adatkapcsolati réteg Pont- pont kapcsolathoz csak LLC (Logical Link Control) alréteg. Feladata: keretképzés/behatárolás; hibavédelem; adatfolyam vezérlés; kapcsolatvezérlés. Ezeket később részletezzük. Üzenetszórásos kapcsolathoz LLC is, MAC alréteg is! Vadász Ea2 6 2
A mai első témánk A MAC közeghozzáférési alréteg Miért felelős, mi a feladata? A fizikai címzés (MAC címzés) és csatornához való hozzáférés. Utóbbi a csatornamegosztás. Csatorna-megosztási módszerei Statikus megosztás (ebből kettőt veszünk), dinamikus megosztás (itt több protokollt is veszünk): több versenyhelyzetes megosztást, több ütközésmentes megosztást. Elemezzük ezeket, nézzük feltételeiket, terhelési és átbocsájtó képességüket vizsgáljuk, összehasonlítjuk ezeket Vadász Ea2 7 A MAC alréteg feladatai Egyetlen (üzenetszórásos) csatorna megosztása több egymással versengő "állomás" között (beleértve a címzést is). Ezzel szolgáltatás biztosítása az LLC alrétegnek. A LAN- oknál (ezek gyakran üzenetszórásosak) fontos! A WAN- ok (kivéve a műholdas hálózatokat) többnyire pont- pont kapcsolatúak. Vadász Ea2 8 Csatornamegosztási módszerek vizsgálati szempontjai Különböző jellegű és nagyságú forgalom esetén vizsgálandó az átlagos késleltetés és a csatorna kihasználás. Vizsgálandó a forgalom jellege, ami lehet folytonos átvitel: hosszú időn át jól meghatározott sávszélességet igénylő (pl beszéd), löketszerű átvitel (burst-ös): véletlenszerű, aránylag rövid, löketszerű igény. Vizsgálandó a forgalom nagysága átviteli kapacitás hány %-a ez, csatorna foglaltság; kihasználtság: az átviteli kapacitásból a "hasznos" átvitelre használt rész (átlag); átlagos késleltetés: a keret készenléttől a hibátlan átvitelig telt átlagos idő (itt a "hibátlan" mit jelent?). A megosztás lehet statikus, v. dinamikus, a dinamikuson belül versengő, v. determinisztikus. Vadász Ea2 9 3
Statikus csatornamegosztási módszerek FDM (Frequency Division Multiplexing): frekvenciaosztásos nyalábolás. Lényege: n számú állomásnál a sávszélesség n egyenlő részre oszlik. Minden állomás kap egy részt. Mindenkinek külön frekvencia-sávja van. A sávol között "védősávok" (az interferencia, "áthallás" csökkentésére. Jobb szétválaszthatóság). Előnye, hátrányai: Egyszerű, bizonyos esetekben jó hatásfokú. Változó állomásszám esetén, ha egyes állomások alacsony intenzitással használják sávszélességüket, másoknak esetleg nem jut csatorna Veszteségek a védősávok Vadász Ea2 10 FDM Vadász Ea2 11 Statikus csatornamegosztási módszerek TDM (Time Division Multiplexing): időosztásos nyalábolás Van n állomás. A ciklusidőt n egyenlő részre osztjuk, és minden állomáshoz - statikusan - 1 időrést rendelünk. Az i-ik résben az i-ik állomás a teljes sávszélességet használhatja A ciklusok és a rések előállítása központi szinkronizációt igényel (általában a rések elejét jelölik meg) Előny, hátrány Egyszerű. Hátrány szinte ua, mint a FDM, kihasználatlan időrések lehetnek Vadász Ea2 12 4
E két csatornakiosztás jellemzői Kötött állomásszámot feltételeznek A keretek átlagos késleltetése n- szerese annak, mintha az egész csatorna egy állomásé lenne FDM-nél kisebb sávszélesség, TDM-nél nagyobb várakozási idő van. A csatornakihasználtság rossz kis és nem egyenletes forgalom esetén (ha foglalt csatorna üres, más akkor sem veheti át), jó folytonos, egyenletes terheléskor (pl telefonközpont trunk lehet ilyen), főleg kis- és rögzítet állomásszám mellett. Vadász Ea2 13 Dinamikus csatornamegosztási módszerek Azon felhasználók között oszlik meg a csatorna, akikenek arra éppen szüksége van A vezérlés szempontjából lehet Centralizált: egy kijelölt (esetleg speciális) állomás rendelkezik a csatorna kiosztásról Elosztott: elosztott algoritmus dönt, nincs kijelölt állomás A hozzáférési eljárás lehet: Versengő (ütközéses) Determinisztikus (ütközésmentes) Vadász Ea2 14 Feltételezések a dinamikus megosztások vizsgálatához N számú független állomás van. Egy állomás egy időben 1 keretet küld a csatornára. A keretek t időintervallumban való keletkezésének számítható a valószínűsége: λ* t; ahol λ a keret "érkezési sebessége". Egy állomás - miután előállított egy keretet és küldené- addig blokkolódik, amíg sikeresen el nem küldte. A keretek korlátozott méretűek. Egyetlen csatorna áll rendelkezésre. Vadász Ea2 15 5
Feltételezések a dinamikus megosztások vizsgálatához Ütközés (collision) lehetséges. Ha két keretet közel egyszerre küldenek el, akkor időben "átlapolódhatnak": összekeveredhetnek jeleik. Egyetlen bit ütközése is ütközés! Az ütközést az állomások érzékelhetik. Az ütközött kereteket újra kell adni! (Egyelőre feltételezzük, hogy az ütközésen kívül nincs más hiba: egyszerűsítünk! Vö. szempontok "hibátlan" megjegyzés). Lehet az idő folyamatos: keretet bármilyen időpontban lehet küldeni... Vadász Ea2 16 Feltételezések a dinamikus megosztások vizsgálatához Lehet réselt idejű a csatorna: diszkrét időintervallumok vannak, és csak az intervallum kezdetén lehet küldeni keretet Az időrés "tartalmazhat" 0 vagy több keretet. 0 esetén "tétlen" a csatorna. Időrés lehet sikeres (nincs ütközés benne). Egy időrés lehet ütközéses (nem sikeres). Lehet csatornafigyelés: állomás figyeli a csatornát, vajon használja- e valaki. Foglatnak vagy szabadnak érzékelheti (de lehet, nincs csatornafigyelés). Vadász Ea2 17 Az ALOHA protokoll(ok) Hawai Egyetem, 1970 körül, URH rádiós hálózatra Alapgondolat: Rögzített, azonos hosszúságú keretek (nemcsak korlátozott méretűek); Folyamatos idő: állomás bármikor (azonnal, mikor elkészül egy kerete) adhat; Állomás észleli, hogy kerete ütközött (a kimeneti csatornát figyelve. Ez LAN-oknál szinte azonnali "nyugta", műholdasoknál 270 µsec-os késleltetéssel állapíthatják meg az ütközést, v. ütközésmentességet); Ha a keret ütközött, véletlenszerű ideig vár, majd újraad Ez: csatornafigyelés nélküli többszörös hozzáféréses, nem réselt (tiszta ALOHA)... Vadász Ea2 18 6
Az ALOHA áteresztő képessége t 0 t 0 +t t 0 +2t t A "veszélyes" idők ezen az ábrán láthatók. t: a keretidő A szürke" keret "ütközésveszélyes" periódusa a t 0 -tól a (t 0 +2t)-ig terjed! Ui. A (t 0 +t) időben az "elejével" ütközhet más keret; a (t 0 +2t) - (t 0 +t) időben a "végével" ütközhet más keret. Vagyis 2t ideig van veszély! (Legyen t 0 =0) Ez nagyon fontos megállapítás! Vadász Ea2 19 Az áteresztő képesség Az elküldött keretek hányad része érkezik meg sikeresen (éli túl az ütközéseket)? Tételezzük fel n: a populációszám (és n ); t: a keretidő (keret-hossza/bitsebesség); S i : annak valószínűsége, hogy az i. állomás által küldött keret sikeresen jut át a keretidőben G i : annak valószínűsége, hoigy az i. állomás ad a keretidőben Vadász Ea2 20 Az áteresztő képesség Ha n darab egyenrangú (egyforma) állomás van S i = S/n; ahol S: az egy keretidőben sikeresen átjutott keretek száma áteresztő képesség [keret/keretidő] G i = G/n; ahol G: egy keretidőben összesen elküldeni kívánt keretek száma ez a terhelés [keret/keretidő] (felajánlott forgalom S G mindig Vadász Ea2 21 7
Az ALOHA áteresztő képessége Mikor jut át az i. állomás által küldött keret a keretidőben? S i =? Ha a 2t hosszúságú veszélyes időszakaszban senki más nem próbál adni! (Ha bárki más próbálkozna, biztosan ütközne.) Annak a valószínűsége, hogy a j. állomás ad egy keretidőben: G j. Annak, hogy nem ad: (1 - G j ) Annak, hogy két keretidőben nem ad: (1 - G j ) 2 Annak, hogy egyik állomás sem ad két keretidőben: (1 - G j ) 2 j Annak, hogy i. ad, a többi pedig nem ad a két keretidőben S i = G i (1 - G j ) 2 j,j i Vadász Ea2 22 Az ALOHA áteresztő képessége Annak valószínűsége, hogy az i. állomás által küldött keret sikeresen átjut: S i = G i (1- G j ) 2 Az S áteresztő képesség (S i = S/n; G i = G/n) S = G (1 G/n) 2(n-1) Valamennyi állomásra, ha n S = G e -2G Megjegyzés: lim (1 + x/k) k e x k Vadász Ea2 23 Az ALOHA áteresztő képessége Az áteresztő képesség (n ): S = G e -2G A maximális áteresztő képesség S max : ds/dg = 1 e -2G + G e -2G (-2) = 0 G = 0,5; Ebből S max = 0,5 e -1 0,18 A csatornakihasználtság legfeljebb 18 %! Vadász Ea2 24 8
Réselt ALOHA 1972- es módosítás: slotted ALOHA Az időt keretidőnyi résekre osztják (külön megoldani a "szinkronizációt", pl. egy külön állomás küld egy spéci jelet minden rés elején!) Adást csak az időrés elején lehet kezdeni! Ebből az ütközésveszélyes időszakasz 2t- ről t- re csökken! Ebből (elhagyva a levezetést) S = G e -G az áteresztő képesség. t A réselt ALOHA max kihasználtsága 37 %. t veszélyes Vadász Ea2 25 Áteresztő képesség Áteresztő képesség a terhelés függvényében 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0 0 0,5 1 1,5 2 ALOHA Réselt ALOHA Terhelés A tiszta ALOHA csatorna kihasználtsága max 18 %! A réselt ALOHA maximális kihasználtsága 37 %! Vadász Ea2 26 További javítási lehetőség: csatornafigyelő protokollok (Carrier Sense) Csatornafigyelés adás előtt. Eredménye: foglalt - nem foglalt a csatorna. Nem ad az állomás, ha foglalt a csatorna! CSMA - Carrier Sense Multiple Access: csatornafigyelő többszörös hozzáférésű Lényege: az adásra kész állomás 1: Megfigyeli a csatornát (belehallgat); ha nincs adás: adni kezd és megy a 2-es pontra. ha van adás: megvárja a végét és ekkor adni kezd. 2: Végig leadja a keretet. Ha ütközés volt: véletlen ideig vár, majd majd megy az 1-es pontra. Ez az 1 perzisztens CSMA! [persistence kitartás] Gond: újraadáskor nagy az ütközés valószínűsége Vadász Ea2 27 9
Nem perzisztens CSMA Kevésbé mohó! Adásra kész állomás 1: Megfigyeli a csatornát (belehallgat); ha nincs adás: adni kezd és megy a 2-es pontra. Ha van adás, nem figyel folyamatosan, hanem véletlen ideig vár, majd megy az 1-es pontra. 2: Végig leadja a keretet. Ha ütközés volt: véletlen ideig vár, majd majd megy az 1-es pontra. Vadász Ea2 28 p-perzisztens CSMA Réselt csatornát alkalmaz. Az adásra kész állomás 1: Megfigyeli a csatornát (belehallgat); 2: ha tétlen a csatorna: p valószínűséggel adni kezd és megy a 3-as pontra; (1-p) valószínűséggel nem ad, hanem megvárja a következő időrést és megy az 1-es pontra; Ha a csatorna foglalt, megvárja, míg felszabadul és megy a 2-es pontra. 3: Végig leadja a keretet. Ha ütközés volt: véletlen ideig vár, majd majd megy az 1-es pontra. Vadász Ea2 29 Jellemezzük a "csatornafigyelő" protokollokat! Teljesítőképességüket nagymértékben befolyásolja a terjedési késleltetés! (Amíg a jel a csatornán végighalad.) Ez minél nagyobb, annál rosszabb a helyzet! Későn érzékelik egymás adását, későn érzékelik az ütközést! (Vö. a CD protokoll "Vegyük a legtávolabbi állomásokat " alatt leírtakat!) Vadász Ea2 30 10
Összehasonlítások 1-perzisztens CSMA p-perzisztens CSMA Nem-perzisztens CSMA Intuitíve belátható, jobb, mint az ALOHA (kerüli más állomás keretével az ütközést) Belátható: a terjedési idő rontja a teljesítőképességet p-től függ a "jóságuk". Lásd Tanenbaum 3.5 ábráját! Intuitíve belátható, jobb, mint az 1-perzisztens! (Az aktuálisan zajló átvitel után nem adnak) Vadász Ea2 31 Tanenbaum ábrája ALOHA Slotted ALOHA 1p CSMA 18 % a max 37 % a max 50 % fölötti 0,5 p CSMA 60-70 % közötti Non P CSMA 90% majdnem 0,01 p CSMA 95 % majdnem Vadász Ea2 32 További javítás: ütközés érzékelés (Collison Detection) Adás közben ütközésérzékelés. Ütközést érzékelve az ütközött állomások abbahagyják a keret leadását! Nem adják le a teljes keretet, az úgyis hibás lesz! Ez a CSMA/CD: CSMA with Collision Detection (csatornafigyelő többszörös hozzáférésű, ütközésérzékeléssel) Az 1- perzisztens CSMA/CD Ütközés esetén véletlen ideig vár, majd úgy folytatja, mint az 1-perzisztens CSMA Vadász Ea2 33 11
Lássuk be: a CSMA/CD esetén A keretek "küldését" versengéses időszak előz(het)i meg. A versengéses időszak (időrések) méretét a csatorna maximális késleltetése határozza meg! (A legtávolabbi állomásnak is fel kell ismernie az ütközést.) idő keret keret keret keret Versengéses időszak Versengéses időszak Tétlen időszak Vadász Ea2 34 Vegyük az egymástól legtávolabbi állomásokat Legyen köztük τ a terjedési idő. N1 t 0 -kor adni kezd; N2 (t 0 + τ) - ε időben még nem érzékeli ezt! Ezért (t 0 + τ) - ε-kor adni kezd. Igaz, ε idő mulva már érzékeli az ütközést, és abbahagyja az adást Sajnos, N1 csak t 0 + 2τ múlva érzékeli az ütközést (mikor visszaért a jel). Vagyis egy állomás csak akkor lehet biztos abban, hogy "megszerezte a csatornát", ha 2τ ideig küld ütközés nélkül! Ebből a "versenyzési" időintervallum úgy modellezhető, mintha egy 2τ réshosszúságú réselt ALOHA lenne! (És még ekkor elhanyagoltunk néhány időt igénylő dolgot ) Egy "konkrétabb" eset: Ethernet, max 2 km "átmérő"; 2τ = 51,2 µsec a max "körbenjárási" idő. Vadász Ea2 35 Az ütközésérzékelés Analóg eszközöket igényel (vesz, miközben ad ) Megfelelő bitkódolás szükséges (pl. Manchester) Nem minden fizikai közeg alkalamas rá (vagy túl költséges megoldani ) Vadász Ea2 36 12
Az ütközéses protokollokról... CSMA/CD változat az IEEE 802.3 szabvány! Fontos, ezért később részletezzük. Az ütközéses protokollok esetén Kis forgalom esetén minimális a késleltetés Nagy forgalom esetén bedugulás, korlátos lesz a csatornakapacitás A bedugulás elkerülésére: jók az ütközésmentes protokollok Vadász Ea2 37 Ütközésmentes protokollok Feltételezésünk: N állomás van, és mindegyik rendelkezik egy egyedi 0 (N-1) közötti címmel (behuzalozottan). Tárgyaljuk az alap bittérképes módszert, üzenetszórás felismerés változó prioritással módszert, a vezérjeles elójárásokat: vezérjeles sínt, vezérjeles gyűrűt. Vadász Ea2 38 Basic Bit Map Method Alap bittérképes módszer A bejelentkezési (versengési, szinkronizációs) periódus pontosan N résből áll. Ekkor minden állomáshoz 1 bites rést rendelünk. Adásra kész állomás a saját résében 1-et küld, adásra nem kész pedig 0-t (a j-ik állomás a j-ik bitben jelzi, hogy van küldendő kerete). A bejelentkezési időszak után sorrendben elküldik az állomások a kereteiket: mindenki tudja, hogy a soros résben ki akar küldeni Mindenki tudja, mikor következik a következő bejelentési időszak. Pl. N=5; címeik=0-4 1 2 3 4 0 1 0 1 0 0 1 3 1 2 3 4 keret keret keret keret 0 Bejelentkezési időszak Adások Bejelentkezési Adások időszak Vadász Ea2 39 13
Basic Bit Map Method Jellemzői Kis forgalom esetén aránylag nagy késleltetés (mert mindig van bejelentkezési időszak N réssel, bár ezek rövidek). Ha d bitet forgalmazunk, akkor d/(d+n) a kihasználtság. Kis d esetén tényleg rosszabb. Az alacsonyabb című állomások hátrányban vannak! Már a bejelentkezési időszak elején kellene jelentkezniük, átlag N/2+N bejelentkezési rést kell várniuk, míg adhatnak A nagy sorszámúaknak átlag csak N/2 rést kell várnia Nagy forgalom (mindenki adna) esetén az "overhead" kicsi: az N bites periódus N keret között oszlik meg. Vadász Ea2 40 Basic Bit Map Method A kis sorszámúak hátránya belátható: keret keret keret keret N/2 Kis sorszámúnak most készült el kerete N Kis sorszámú most adhat Átlagos-sorbaállási-késleltetés = N/2 + N Nagy sorszámúnak most készült el kerete Nagy sorszámú most adhat Átlgos-sorbaállási-késleltetés = N/2 A nagy forgalom (d = N d i elég nagy) overhead kicsisége belátható: d/(d + N) = N d i / (N d i + N) = d i / (d i + 1) d / (d + 1) 1 Vadász Ea2 41 Broadcast Recognition with Alternating Priorities (BRAP) Üzenetszórás felismerés változó prioritással Módosított bit- map, hogy a magasabb sorszámúak előnyét kompenzáljuk, de a kis terhelés nagy overhead-je megmarad. Lényege: ha egy állomás adási szándékot jelent be, akkor a bejelentkezési időszak felfüggesztődik, és azonnal adhat az állomás. Utána folytatódhat a bejelentkezés a következő álomással A bejelentkezési időszak végén mindig 1 van (adási szándék bejelentése) Vadász Ea2 42 14
BRAP 0 1 0 1 idő 1 2 3 3 4 0 1 2 3 3 4 0 keret 0 1 keret 0 0 0 0 1 keret 0 0 Bejelentkezési időszak Adás Bejelentkezési időszak Adás Bejelentkezési időszak Adás Jellemzője: mint a bit- map, de kiegyenlítettebb a szorszámozásra (egy állomásnak N/2 rést kell átlagban várnia). Vadász Ea2 43 Vezérjeles eljárások Jellemzőik: (logikai) gyűrűt alkotnak, speciális vezérlőkeret (token) jár körbe, hordozva az adásjogot. Nem kötött a kereteméret, de a token tartási idő (token holding time) igen! A tokent "birtokoló" állomás - ha van rá idő - akár több keretet is elküldhet! Az adás végeztével továbbadja a tokent (a gyűrűben a logikai szomszédjának). Csak 1 token van! Egyszerre csak 1 állomás adhat! Vadász Ea2 44 Token Bus (vezérjeles sín) Az állomások üzenetszórásos sínhez kapcsolódnak. Logikai gyűrűt formálnak: tudják, ki kit követ. Vadász Ea2 45 15
Token Ring (vezérjeles gyűrű) Fizikailag gyűrűben. Ha egy állomás tokent kap, "felvágja" a gyűrűt és ad (esetleg több keretet). A (címzett) keret körbemegy: egy állomás, ha nincs nála a token, a keret(ek)et továbbadja (ismétel); a neki címzett keretet fel is dolgozza. A token birtokló állomás a körbejárt keretet "leveszi" (a saját keretét veszi le!). Ha lejárt a token tartási idő, a tokent továbbadja. Vadász Ea2 46 A vezérjeles eljárások jellemzői Kis forgalom esetén jelentős a késleltetés (meg kell várni a tokent). Állomásszámtól függő az overhead. Nagy forgalom esetén hasonló a TDM- hez. A kapacitás kb egyformán oszlik meg az állomások között. Vadász Ea2 47 Közeghozzáférési eljárások összevetése Forgalom Ütközéséses Ütközésmentes Kis kis késleltetés nagyobb késleltetés Nagy korlátos hasonlít a TDM-hez kihasználtság (S = 1) A max késleltetésre nincs felső korlát van felső korlát Forgalom Statikus FDM Statikus TDM Kis, lökésszerű kis sávszélesség nagy várakozási idő Nagy, egyenletes jó jó Vadász Ea2 48 16
Vizsgakérdés lehet Mi a különbség az 1-perzisztens CSMA és az 1-perzisztens CSMA/CD eljárások között? Az első: ha nincs adás. Leadja a keretet, és utána érzékeli az esetleges ütközést. A második: a keret adása közben érzékeli az ütközést, és azonnal abbahagyja ekkor az adást. Ebből versenyzési periódus alakulhat ki. Soroljon fel ütközésmentes MAC protokollokat! BBMM (alap bit-térképs módszer); BRAP (üzenetszórás felismerés változó prioritással); Vezérjeles sín; Vezérjeles gyűrű. Milyen versenyhelyzetes MAC protokollokat ismer? Tiszta ALOHA; Réselt ALOHA; CSMA (Csatornafigyelő többszörös hozzáférésű) 1-perisztens; p-perzisztens; non-perzisztens. CSMA/CD (csatornafigyelő + ütközésérzékelő) Vadász Ea2 49 Gyakorlat 1. feladat ALOHA Egy N állomásból álló csoport egyetlen 56 Kbps átviteli sebességű tiszta ALOHA csatornán osztozik Az állomások 1000 bites kereteiket 100 µsec-onként küldik (az újraadásokat is beleértve). Milyen N értéknél lesz maximális a csatorna átbocsájtó képessége? Adatok: f = 103 bit; Ebből a keretidő: t = f/v =103 / (56*103) = 1/56 sec; v = 56 Kbps; a = 100*10-3 sec. Vadász Ea2 50 Gyakorlat 2. feladat Réselt ALOHA Egy (végtelen) populációjú réselt ALOHA rendszer k résidőnyi keretidővel rendelkezik, azaz T f = k * T s. Egy keret adása bármelyik résben kezdődhet. A csatornaterhelés G számú keret keretidőnként. A kérdések: a) Mekkora a (keretekben mért) áteresztő képesség a keretidőre vetítve? b) Mekkora az áteresztő képesség k = 1, illetve k határesetekben? Vadász Ea2 51 17
Gyakorlat 3. feladat Réselt ALOHA Tízezer repülőjegy foglaló állomás egyetlen réselt ALOHA csatorna használatáért verseng. Egy állomás 18 kérést (keretet) ad ki óránként. Egy rés 125 µsec. (Ez a keretidő: [µsec/rés] = [µsec/keretidő]). Mekkora megközelítőleg a csatornaterhelés? Adatok: N = 10 4 ; 18 kérés/óra = 18 / (60*60) = 1/200 [kérés/sec], vagy [keret/sec] Egy rés 125 * 10-6 sec. Vadász Ea2 52 Gyakorlat 4. feladat Réselt ALOHA Egy végtelen populációjú réselt ALOHA rendszer mérései azt mutatják, hogy a rések 10 %-a tétlen. a) Mekkora a G csatornaterhelés? b) Mekkora az S áteresztő képesség? c) A csatorna kihasználatlan, vagy túlterhelt? Vadász Ea2 53 Gyakorlat 5. feladat Réselt ALOHA Egy végtelen populációjú réselt ALOHA rendszerben egy állomásnak átlagban 4 rést kell várnia egy ütközés és az azt követő újraadás között. Mi a rendszer átlagos késleltetése a csatornaterhelés függvényében? Vadász Ea2 54 18
A közeghozzáférési alréteg gyakorlati megvalósításai Közeghozzáférési alréteg gyakorlati megvalósításairól lesz szó Ethernet A IEEE 802 szabványcsomag Ennek CSMA/CD, Token Bus, Token Ring implementációi. Az FDDI Az ATM Vadász Ea2 55 Az IEEE 802 IEEE: Istitute of Electrical and Electronics Engineer [ájtrplí] Az IEEE 802 LAN szabványok összefoglalója Az ISO is elfogadta ISO 8802 néven (nemzetközi) Az ANSI is elfogadta (USA kormányzati) Az IEEE 802 több részből áll Pl. az IEEE 802.3 az Ethernet adoptálása (1985) Az E-t a Xerox, DEC, Intel fejlesztette. Sikeres Ethernet 1 specifikáció (1980) Ethernet 2 (1984) IEEE 802.3 Vadász Ea2 56 IEEE 802 részei 802.1 Keretszabvány: bevezetés, fogalmak, interfész primitívek meghatározása 802.2 LCC szabvány (logikai kapcsolatvezérlés) 802.3 CSMA/CD 802.4 Token Bus 802.5 Token Ring 802.6 DQDB MAN LCC MAC Adatkapcsolati Fizikai 802.3 CSMA/CD, az Ethernet 2 specifikációiból (IEEE, 1985) 802.4 Vezérjeles sín; a GM és gyártásautomatizálással foglakozó cégek fejlesztették ki (IEEE, 1985) 802.5 Vezérjeles gyűrű; az IBM Token Ring-je (IEEE,1985) 802.6 Distributed Queue Dual Bus, MAN szabvány, kettős busz, szétosztott sorképzés Vadász Ea2 57 19
IEEE 802 részei Az FDDI-on kívül ezekről alig lesz szó 802.7 Broadband technology 802.8 FDDI 802.9 Integrated voice & data 802.10 Network security 802.11 Wireless networks 802.12 100VG_AnyLAN Csillag toplógia; igény szerinti prioritás-séma; CAT3,4 vagy 5 UTP & STP; Fiber Kábelhosszak CAT3,4: 100m, CAT4: 150 m; Fiber: 2000 m Vadász Ea2 58 Ethernet 2 versus 802.3 A név eredete: luminiferous éter - a teret kitöltő anyag, amit az elektromágneses sugárzás közvetítő anyagának képzeltek el Összevetve a kettőt: a 802.3 bővebb, további fizikai közegeket és sebességeket is definiál; de azonosak a médium használati módjában! Ne tévesszük össze a CSMA/CD- t az Ethernettel előbbi bővebb, az Ethernet ebből 1 perzisztens CSMA/CD 802.3 Vadász Ea2 59 Ethernet architecture station interface Data link layer data encapsulation link management encoding and decoding Network Interface Card (NIC) AUI cable Physical layer transmission and receipt tap transceiver BNC connector 0.5 Coax 802.3 Vadász Ea2 60 20
Ethernet szabványok Vastag Ethernet (yellow cable vagy thick E) 0,5" átmérőjű, 50 Ω-os, sárga koaxiális kábel, max szegmens hossza 500m (a megengedett csillapítás miatt, túl hosszú szenmensnél az ütközés érzékelése a gyenge jel miatt nem biztonságos); ismétlőkkel (repeater) max 5 kábel összeköthető, ezzel teljes hossz 2,5 Km (a terjedési késleltetés korlátozandó, hogy az ún. "versengési időszak" mérete korlátozására); min. 2,5 méterenként "vámpír" csatlakozón (tap) adó-vevő (transiever), ebből 15 pólusos AUI (Attachment Unit Interface) kábel a géphez; max. 1024 állomás kapcsolható a szegmensre (a 2,5 méter és a torlódás elkerülésének céljából jött a limit); 802.3 Vadász Ea2 61 Ethernet szabványok Vékony Ethernet (thin Ethernet) 50 Ω-os koaxiális kábel, max. hossz 185 m; BNC dugók, T csatlakozók, csatlakozás közvetlenül a gépbe épített tarnsiever-ekre; max. 30-32 csatlakozó (a kivitelezés minőségétől függően kevesebb), ebből jön a max egy szegmensre csatlakoztatható gépszám: (30) 14-18, vagy kevesebb; két állomás között max két repeater lehet: ebből jön max teljes "logikai szegmens" hossza (repeatertől, kábelezés minőségtől, állomástól függően kevesebb is lehet); multiport repeaterek is: a vastag és vékony szegmensek összeköttetésére. 802.3 Vadász Ea2 62 Ethernet szabványok Minkettő alapsávú, a feszültségértékek: tétlen: 0 Volt; magas: +0,85 V; alacsony: - 0,85 V, Manchester kódolás. A 802.3 jelölésrendszerben 10 Base 5 Átviteli seb. Mbps Jelzések: alapsávú, v szélessávú max szegmens hossz (100m-ben), vagy médium jel 802.3 Vadász Ea2 63 21
Több szegmenses Ethernet LAN hub 10Base2 - Thin Ethernet bridge hub router 10BaseT-Twisted pair 10Base5 - Thick Ethernet server 802.3 Vadász Ea2 64 IEEE 802.3 specifikációk, jelölések A jelölésrendszer a 802.3-ban 10Base5 -- thickwire coaxial, 500m 10Base2 -- thinwire coaxial or cheapernet, 185m 10BaseT -- twisted pair: UTP/STP, pont-pont, 100 m (most widely used today) 10BaseF -- fiber optics, pont-pont, multimódusú: 2 Km, mono: 3-10 Km 10Broad36 -- broadband (only 802.3 standard 1/2 coax, 1800m) Fast Ethernet (802.3u) 100BaseTX (Cat5), 100BaseT4 (Cat3), 100BaseFX Gigabit Ethernet 1000 Mbps 1000BaseSx, 1000BaseLX, 1000BaseCx (802.3z), 1000BaseT (802.3ab) 802.3 Vadász Ea2 65 10Base5 tap : cable does not need to be cut transceiver : send/receive, collision detection, electronics isolation AUI : Attachment Unit Interface Use for backbone networks maximum segment length=500m maximum number of stations per segment=100 0.5 Coax vampire tap BNC connector transceiver AUI cable minimum distance between two stations = 2.5 m maximum network distance between two stations = 2.8km NIC 802.3 Vadász Ea2 66 22
10Base2 BNC connector No drop cable use for office LAN 0.25 Coax BNC T-connector NIC maximum segment length=185m maximum number of stations per segment=30 minimum distance between two stations = 0.5 m maximum network distance between two stations = 925 m 802.3 Vadász Ea2 67 10BaseT A hub functions as a repeater UTP category 5 uses 2 pairs of wires terminated by an eight-bin (RJ-45 style) connector. This means that 4 pins of the 8-pin are used. The transmit and receive data signal on each pair of the segment are polarised, with one wire of the signal pair carrying the positive (+) signal and the other carrying the negative (-). Pin 1 2 3 4 5 6 7 8 Sig TD+ TD- RD+ U U RD- U U hub Medium Dependent Interface (MDI), RJ45 maximum segment length = 100m NIC 802.3 Vadász Ea2 68 10Base-T (folyt) 802.3 Vadász Ea2 69 23
A 802.3 MAC technika Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection: CSMA/CD Az állomás mielőtt adna, megfigyeli a csatornát (CS), és megállapítja, hogy a csatorna tétlen, nincs adás (idle): ekkor adni kezd. vagy a csatorna foglalt, van adás (busy). Ekkor folytatja a figyelést, míg a csatorna tétlen nem lesz: és ekkor kezd adni. A topológia biztosítja a többszörös hozzáférést (a figyelésnél) (MA) CD: képes arra, hogy ütközést érzékeljen már miközben ad (listen while you talk). Ütközés lép fel, ha több állomás ad szimultán. 802.3 Vadász Ea2 70 A 802.3 MAC technika Ütközést detektál (már adás közben), ha az átlagos feszülségszint (signal) meghaladja a CD küszöböt (COAX), vagy több mint egy inputján van jel (UTP). Minden ütközést detektáló állomás abbahagyja az adást, és helyette zajos jelet (jamming signal) küld, hogy mindenki biztosan észrevegye az ütközést. Ezután véletlen ideig (helyettes exponenciális visszatartási ideig) vár, majd újra kezdi az egészet... 802.3 jam Vadász Ea2 71 Frame transmission Assemble frame Y carrier sense signal ON? N Wait interframe gap time Start transmission N collision detected? N transmission done? Y transmit OK Y send jam sequence Increment attempt. attempt limited? N Discard frame Y Compute backoff and wait backoff time 802.3 Vadász Ea2 72 24
Frame reception start receiving N done receiving? Y Matched DA N Y FCS and frame size OK? Y Pass frame to next layer N Discard frame 802.3 Vadász Ea2 73 802.3/Ethernet keret szerkezet 7 1 6 6 2 46-1500 4 PA SFD DA SA LEN LLC PDU Pad FCS IEEE 802.3 calculation of the FCS 64-1518 bytes 8 6 6 2 46-1500 4 PA DA SA Type Data Pad FCS Ethernet PA : Előtag (Preamble) - 7-szer a 10101010 bitsorozat, szinkronizációhoz; SFD : Keret kezdet határoló (Start of Frame delimiter) -- 10101011 keret kezdet jelzésére DA: Célcím (Destination Address) -- MAC cím (ma már 6 byte) SA: Forrás (Source Address) -- MAC cím LEN: Adat mező hossz (Length) -- bájtokban mért hossz Type: a magasabb szintű protokoll azonosítója (identify the higher -level protocol) LLC PDU+Pad: Adat+töltelék -- minimum 46 bytes, maximum 1500 FCS : Ellenőrző öszeg (Frame Check Sequence) -- CRC-32 Pad szerepe: a min keretméret - a célcímtől a keret végéig - 64 bájt (nincs benne a PA és SDF). Ha az adatmező 46 bájtnál rövidebb, töltelék egészíti ki 46 bájtig! Ennek okát később! 802.3 Vadász Ea2 74 A MAC címek A DA, SA címek a szabvány szerint 2, vagy 6 bájtosak lehetnek, de 10 Mbps esetén csak 6 bájtosak Gyakorlatilag csak a 6 bájtosakat használják: ez 48 bit Csupa 1: valamennyi állomásnak szóló cím (Broadcast Address) Ha legfelső (47-ik) bit = 1: csoportcím (Multicast Address) a többi bit a csoportot határozza meg; a keretet a csoport összes tagja veszi. Ha legfelső (47-ik) bit = 0: közönséges cím A 46-ik bit speciális szerepű: a helyi és a globális címek megkülönböztetésére Helyi cím: a hálózatmenedzser konfigurálja (pl. DECNet) Globális cím: az IEEE osztja ki a világon egyedi (minden gépnek "automatikusan" egyedi MAC címe van); ROM-ba égetve. 802.3 Vadász Ea2 75 25
A minimális keretméret Összefügg a csatornára megengedett maximális késleltetéssel (τ) a keretnek elég hosszúnak kell lennie ahhoz, hogy a legrosszabb esetre számított körbejárási késleltetés (2 τ) esetén is érzékelni lehessen az ütközést! 64 byte = 512 bit; 10Mbs 2τ = 51,2 µsec: ez a max. megengedett körbejárási késleltetés! És ebből jön a 2,5 Km hossz (5 szegmens összekötve 4 ismétlővel. 802.3 Vadász Ea2 76 A késői ütközés (late collision) A és B a kábel két végén (t idő kell a két gép között) A (1) keret indul 0 időben B A (2) keret majdnem B-nél van t-δ kor B A (3) B is küld, ütköznek t-kor B A (4) jam signal viszsza A-hoz 2t-kor B Olyan ütközés, ami az első 64 bájt küldése után következik. Oka hosszú kábel, sok ismétlő; rövid keret. Eredménye: a küldő arra a helytelen konklúzióra jut, hogy a kerete rendben elment (nem a kerete adása közben érzékeli, hogy ütközött) 802.3 Vadász Ea2 77 Max megengedett átmérő K Ütközés érzékelve Keret adása idő átmérő τ 100Mbps UTP, d=100 m 10-szeres bps 1/10-szer eres a keret (időben mérve) 1/10-szeres a max átmérő méterben 1 Gbps UTP További 10-szeres a bps, Ugyanolyan keretméretnél már csak 10 m az átmérő Növelni kell a keretet! Vadász Ea2 78 26