Übung 7 - CCS Labs

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Übungen zu „Rechnerkommunikation“
Sommersemester 2009
Übung 7
Jürgen Eckert, Mykola Protsenko
PD Dr.-Ing. Falko
lk Dressler
l
Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg
Informatik 7 (Rechnernetze und Kommunikationssysteme)
Rechnerkommunikation, Übung 7
1
Verbindungsschicht: Medienzugriff
 Zufälliger Medienzugriff
 wenn Knoten Rahmen zum Senden hat, sendet er mit der vollen Bitrate
 wenn Knoten gleichzeitig senden, überlagern sich die Signale auf dem
Medium und zerstören sie sich gegenseitig (normalerweise):
es kommt zur Kollision, die durch Sendewiederholung behoben wird
 Grundidee: bei schwacher Last ist dies selten
 unterschiedliche Verfahren zur Vermeidung und Erkennung von Kollisionen
- ALOHA, slotted ALOHA
- Carrier Sense Multiple Access (CSMA)
- mit Collision Detection: CSMA/CD (in Ethernet)
- mit Collision Avoidance: CSMA/CA (in WLANs)
Rechnerkommunikation, Übung 7
2
Verbindungsschicht: Medienzugriff
 Carrier Sense Multiple
Access (CSMA)
 Knoten prüfen vor dem
Senden, ob Medium belegt
(listen before talking)
 reduziert Kollisionen
 Voraussetzung:
Ausbreitungsverzögerung <
Rahmensendezeit
(sonst sinnlos)
 Kollisionen immer noch
möglich: wenn anderer
Knoten startet, bevor sich das
Signal auf dem Medium zu
ihm ausgebreitet hat
Rechnerkommunikation, Übung 7
3
Verbindungsschicht: Medienzugriff
 CSMA-Verfahren allgemein
 wenn die MAC-Schicht
MAC Schicht eines Knotens von der Netzwerkschicht ein
Datagramm erhält, überprüft sie das Medium (listen before talking);
wenn es frei ist, wird der Rahmen gesendet, sonst wird gewartet
 wenn der Empfänger ihn fehlerlos erhält
erhält, sendet er eine positive
Bestätigung (ACK) zurück
 wenn nach einem Timeout kein ACK zurückkommt, wartet der Sender
eine zufällige Wartezeit (Backoff) und wiederholt dann das Senden
Rechnerkommunikation, Übung 7
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Verbindungsschicht: Medienzugriff
 CSMA-Varianten
 1
1-persistent
persistent
- wenn das Medium belegt ist, wartet der Knoten bis es frei ist und
sendet dann sofort
- geringe
i
Wartezeit
W t it aber
b mögliche
ö li h neue Kollision,
K lli i
wenn mehrere
h
Knoten auf freies Medium warten
 nicht-persistent
- wenn das Medium belegt ist, geht der Knoten in Backoff
- weniger Kollisionen aber längere Wartezeit
p persistent
 p-persistent
- wenn das Medium belegt war und wieder frei ist, sendet der
Knoten jeweils mit Wahrscheinlichkeit p oder wartet noch einen
Slot mit Wahrscheinlichkeit 1
1-p
p
- Kompromiss
Rechnerkommunikation, Übung 7
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Verbindungsschicht: Medienzugriff
 Statechart des 1-persistenten Senders
/m=0
/m
0
fromabove(data)/
wait
it for
f
data
[finished]/
start_timer
[free]/
ttransmission
sense
rcv(ACK)/
stop_timer;
m=0
0
Rechnerkommunikation, Übung 7
timeout/
m++
wait
it for
f
ACK
backoff
random(0,...,2m-1)/
m = #collisions
 = constant time
6
Verbindungsschicht: Medienzugriff
 Statechart des nicht-persistenten Senders
[busy]/
m++
/m=0
fromabove(data)/
wait for
data
[finished]/
start_timer
[free]/
transmission
sense
rcv(ACK)/
stop_timer;
m=0
Rechnerkommunikation, Übung 7
timeout/
m++
wait for
ACK
backoff
random(0,...,2
random(0
2m-1)/
1) /
m = #collisions
 = constant time
7
Verbindungsschicht: Medienzugriff
 Statechart des p-persistenten Senders
from
/m=0
above(data)/
wait one
slot
[busy]/
1-p
slot/
[finished]/
start_timer
p
timeout/
m++
[free]/
wait for
data
transmission
sense
rcv(ACK)/
stop_timer;
m=0
Rechnerkommunikation, Übung 7
wait for
ACK
backoff
random(0,...,2
random(0
2m-1)/
1) /
m = #collisions
 = constant time
8
Verbindungsschicht: Medienzugriff
 Durchsatz für verschiedene CSMA-Varianten
 aus Tanenbaum: Computer Networks. 4th Ed., Prentice Hall, 2003,
Herleitung geht über Inhalt der VL hinaus
Rechnerkommunikation, Übung 7
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Verbindungsschicht: Medienzugriff
 Kollisionserkennung,
CSMA/CD
 Knoten besitzen HW, um
während des Sendens Kollision
zu erkennen (listen while
talking)
 nach Kollisionserkennung wird
S d abgebrochen
Senden
b b h (weniger
(
i
Verschwendung), ein JammingSignal wird gesendet, damit
alle Knoten Kollision sicher
erkennen
 keine ACKs
 kombinierbar mit allen CSMAVarianten
Rechnerkommunikation, Übung 7
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Verbindungsschicht: Medienzugriff
 Statechart des 1-persistenten CSMA/CD-Senders
/m=0
fromabove(data)/
wait for
data
sense
[finished]/
m=0
[free]/
[jamfinished]/
m++
[collision]/
transmission
jam
backoff
random(0,...,2m-1)/
m = #collisions
 = constant time
Rechnerkommunikation, Übung 7
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Verbindungsschicht: Medienzugriff
 Minimale Rahmengröße bei CSMA/CD
 sei D die maximale Ausbreitungsverzögerung zwischen zwei Knoten
 es dauert höchstens 2D, bis eine Kollision von allen Knoten bemerkt
wird
 bei
b i der
d Bitrate
Bit t R muss die
di minimale
i i l Rahmengröße
R h
öß L groß
ß genug sein,
i
so dass L/R > 2D
A begins
to transmit A
at t=0
B
A
B
A detects
collision
A
at t=2D-
B
Rechnerkommunikation, Übung 7
B begins to
transmit
at tt=D-
D
B detects
collision at
t=D
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Verbindungsschicht: Medienzugriff
 Leistung von CSMA/CD






Wechsel von SendeSende , Leerlauf
Leerlauf- und Wettbewerbsphasen
Sendephase dauert L/R Zeiteinheiten
Kollisionen werden nach Intervallen der Länge 2D behoben
Wettbewerbsphase wird in Slots der Länge 2D unterteilt
N Knoten, jeder versucht mit p in einem Slot zu senden
Wettbewerb ist beendet,, wenn genau
g
ein Knoten sendet:
PErfolg= Np . (1-p)N-1
 wie bei ALOHA kann man herleiten, dass für p = 1/N die Erfolgswk.
maximal
i l wird:
i d PErfolgmax = 1/e
1/
Busy
Contention
Busy
Idle
Contention
Busy
Time
Rechnerkommunikation, Übung 7
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Verbindungsschicht: Medienzugriff
 im Mittel ist die Wettbewerbsphase also e  2.718 Slots lang
p
auf Null gesetzt,
g
, das
 für maximalen Durchsatz wird die Leerlaufphase
System alterniert nur zwischen Sende- und Wettbewerbsphase
 nach dem Senden dauert es noch eine Ausbreitungsverzögerung D, bis
das Ende überall bemerkt ist
 also:
Smax 

Sendephase
Sendephase  Ausbreitung  Wettbewerbsphase
L /R
1
1
1



L / R  D  e2D 1  (1  2e)DR / L 1  (1  2e)a 1  6.4 a
 a = RD/L ist die Kanalpuffergröße in Rahmen,
Rahmen wie in der
Transportschicht definiert, die Leistung hängt kritisch von dieser Größe
ab
Rechnerkommunikation, Übung 7
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Verbindungsschicht: Medienzugriff
 Maximaler Durchsatz von Zufallszugriffverfahren vs. a
Smax
1
CSMA/CD
0.8
1-P CSMA
N P CSMA
Non-P
0.6
Slotted ALOHA
04
0.4
ALOHA
0.2
a
0
0.01
0.1
1
 kleines a: CSMA/CD am besten
 ALOHA,
ALOHA slotted ALOHA unabhängig von a,
a besser für großes a
Rechnerkommunikation, Übung 7
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Übung 7.1
Sendewiederholungen im CSMA/CD-Algorithmus
Nehmen Sie an, dass
 die Knoten A und B sich im gleichen 10 Mbps Ethernet-Segment
(Rahmengröße = 256 Bit-Zeiten) befinden und das Propagation-Delay
zwischen den beiden Knoten 225 Bit
Bit-Zeiten
Zeiten beträgt.
beträgt
 A und B gleichzeitig Daten senden, die Frames kollidieren und A und
B unterschiedliche Werte für K im CSMA/CD
CSMA/CD-Algorithmus
Algorithmus wählen.
wählen
 keine weiteren Knoten aktiv sind.
 A und B ihre Übertragung zum Zeitpunkt t = 0 Bit-Zeiten
Bit Zeiten beginnen,
beginnen
beide die Kollision bei t = 225 Bit-Zeiten erkennen und die Übertragung des Jam-Signals zum Zeitpunkt t = 225 + 48 = 273 BitZeiten beenden.
 KA = 0 und KB = 1 (Backoff-Konst.); Backoff-Zeit = 512 Bit-Zeiten.
(Fortsetzung siehe nächste Seite)
Rechnerkommunikation, Übung 7
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Übung 7.1
Beantworten Sie folgende Fragen:
 Können die Sendewiederholungen von A und B kollidieren?
 Zu welcher Zeit ist der Beginn der Sendewiederholung von Knoten B
geplant?
 Zu welcher Zeit beginnt A mit der Sendewiederholung.
Sendewiederholung
(Hinweis:
Die Knoten müssen nach Schritt 2 darauf warten, dass der Kanal frei
ist, siehe Protokoll.)
 Führt B die Sendewiederholung zum geplanten Zeitpunkt durch?
Rechnerkommunikation, Übung 7
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Übung 7.2
Betrachten Sie ein 100 Mbps Ethernet-Netzwerk
 mit einer Frame
Frame-Länge
Länge von 64 Bytes
 ohne Repeater.
Beantworten Sie folgende Fragen:
 Wie groß sollte die Maximaldistanz zwischen einem Knoten und
einem
i
Hub
H b sein,
i um eine
i Effizienz
Effi i
von 0,5
0 5 zu erreichen?
i h ?
 Stellt diese Maximaldistanz sicher, dass Knoten A erkennen kann,
d
dass
ein
i weiterer
it
Knoten
K t sendet,
d t während
äh d A sendet?
d t?
Warum bzw. warum nicht?
 Wie verhält
h l sich
h die
d von Ihnen
h
berechnete
b
h
Maximaldistanz
ld
zu der
d
im 100 Mbps Standard festgelegten?
Rechnerkommunikation, Übung 7
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