ΠΑΡΑΔΟΣΕΙΣ ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ «ΔΙΚΤΥΑ ΕΛΕΓΧΟΥ» ΠΑΡΑΔΟΣΕΙΣ ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ «ΔΙΚΤΥΑ ΕΛΕΓΧΟΥ» ΟΚΤΩΒΡΙΟΣ 2004

ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΑ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ ΥΠΟΕΠΙΠΕΔΟΥ MAC 5ο ΜΕΡΟΣ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΑ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ ΥΠΟΕΠΙΠΕΔΟΥ MAC ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΟΥ ΧΡΟΝΟΥ

ΥΠΟ - ΕΠΙΠΕΔΟ MAC

ΠΡΟΣΠΕΛΑΣΗ ΤΟΥ ΜΕΣΟΥ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΠΡΟΣΠΕΛΑΣΗ ΤΟΥ ΜΕΣΟΥ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΟΥΡΕΣ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΜΕ ΠΑΚΕΤΑ ΑΝΑ ΣΤΑΘΜΟ «ΑΚΡΟΑΣΗ» ΚΙΝΗΣΗΣ ΣΤΟ ΚΑΝΑΛΙ  ΚΑΘΥΣΤΕΡΗΣΕΙΣ ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΠΑΚΕΤΩΝ ΕΠΙΤΥΧΗΣ ΜΕΤΑΔΟΣΗ Ή ΣΥΓΚΡΟΥΣΕΙΣ ΚΑΘΥΣΤΕΡΗΣΕΙΣ ΕΠΑΝΑΜΕΤΑΔΟΣΗ

ΕΝΝΟΙΕΣ - ΟΡΙΣΜΟΙ ΣΤΟ MAC Φορτίο, Απόδοση (Throughput, 0<S<1)  επιτυχώς μεταδιδόμενα πακέτα / μηνύματα στη μονάδα του χρόνου Συνολικό Φορτίο (Total Load, G) Χωρητικότητα Πρωτοκόλλου (Capacity, C)  μέγιστη τιμή του S (C=Max(S)) που μπορεί να προσφέρει ένα πρωτόκολλο ΜΑC Καθυστέρηση Ουράς (Queueing Delay, Dq)  χρονικό διάστημα από χρονική στιγμή δημιουργίας ενός πακέτου / μηνύματος και είσοδο του στην τελευταία θέση ουράς, έως την στιγμή στη πρώτη θέση της ουράς Καθυστέρηση Εξυπηρέτησης (Service Delay, Ds)  χρονικό διάστημα από χρονική στιγμή άφιξης πακέτου / μηνύματος στη πρώτη θέση της ουράς, έως τη στιγμή εκκίνησης επιτυχούς μετάδοσης του Καθυστέρηση Πακέτου / Μηνύματος (Packet / Message Delay, D)  χρονικό διάστημα από χρονική στιγμή δημιουργίας πακέτου έως το τέλος επιτυχούς μετάδοσής του Φράγμα Καθυστέρησης (Delay Bound)  δηλώνει την ύπαρξη άνω ορίου για την καθυστέρηση D

ΚΡΙΤΗΡΙΑ ΕΠΙΛΟΓΗΣ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗΣ MAC Είδος των εφαρμογών  να προσδιοριστούν όλες οι πιθανές εφαρμογές - να γίνει εκτίμηση απαιτήσεων για εύρος ζώνης, μέγιστο μήκος δικτύου, μέγιστο αριθμό σταθμών, είδος και μέγεθος των μεταδιδόμενων πακέτων κλπ. Αξιολόγηση συμπεριφοράς πρωτοκόλλου για τις εφαρμογές εφαρμογές πραγματικού χρόνου υπόκειται σε αυστηρούς περιορισμούς  μέγιστος χρόνο απόκρισης και δικτυακή κίνηση με διαφορετικές προτεραιότητες  ανώτατο όριο στη μετάδοση κάθε πακέτου  αξιολόγηση πρωτοκόλλων πραγματικού χρόνου πρέπει να γίνεται ως προς τη σχέση φορτίου - μέγιστης καθυστέρησης πακέτου Απαίτηση για ύπαρξη κεντρικοποιημένου ή κατανεμημένου ελέγχου  παράγοντες που επηρεάζουν την απόφαση για κεντρικοποιημένο ή κατανεμημένου έλεγχου είναι η αξιοπιστία λειτουργίας, η εξασφάλιση ντετερμινιστικής απόκρισης και η απλότητα υλοποίησης Παράγοντες σχετικοί με την ευκολία υλοποίησης, τον τρόπο διαχείρισης της εισόδου / εξόδου σταθμών στο δίκτυο, τους αλγορίθμους χειρισμού των λαθών, την αξιοπιστία λειτουργίας, κ.λ.π  δεν έχουν εμφανή επίδραση στην απόδοση του πρωτοκόλλου  Είναι σημαντικοί όταν υπάρχει η απαίτηση απόδοσης

ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΩΝ MAC Πρωτόκολλα Τυχαίας Προσπέλασης του Καναλιού (Random Access Protocols)  μεταδίδουν οποτεδήποτε (ALOHA) ή ανιχνεύουν κανάλι πριν μεταδώσουν (Carrier Sense Multiple Access) Εύκολο να υλοποιηθούν - Ακολουθούν τις μεταβαλλόμενες απαιτήσεις των χρηστών - ΔΕΝ κάνουν καλή χρήση καναλιού όταν μεταδόσεις αυξηθούν λόγω συγκρούσεων Πρωτόκολλα Σταθερής Ανάθεσης του Καναλιού (Fixed Assignment Protocols) στατικός τρόπος ανάθεσης  ΤDMA (Time Division Multiple Access) - FDMA (Frequency Division Multiple Access). ΔΕΝ προσαρμόζονται δυναμικά στις μεταβαλλόμενες απαιτήσεις των χρηστών – ΔΕΝ κάνουν καλή χρήση του εύρους καναλιού όταν το φορτίο είναι ακραίο (χαμηλό ή καταιγιστικό)   Πρωτόκολλα Αίτησης Ανάθεσης του Καναλιού με Κεντρικοποιημένο Ελεγχο (Demand Assignment Protocols with Central Control)  Ανάθεση γίνεται από Κεντρικό Σταθμό Ο σταθμός – χρήστης απαιτεί από Κεντρικό το κανάλι ΤΕΧΝΙΚΗ  polling - κεντρικός "ρωτάει" τους χρήστες &, ΤΕΧΝΙΚΗ “κράτησης” (reservation) όπου ο κάθε χρήστης ζητά το κανάλι πληροφοριακού πακέτου.   Πρωτόκολλα Aίτησης Ανάθεσης του Καναλιού με Κατανεμημένο Ελεγχο (Demand Assignment Protocols with Distributed Control)  μεγαλύτερη αξιοπιστία και υψηλότερη απόδοση σε σύγκριση με κεντρικοποιημένου ελέγχου ΌΧΙ single point of failure - υπάρχει η ανάγκη ανταλλαγής (σαφώς ή ασαφώς) πληροφορίας ελέγχου μεταξύ των σταθμών έτσι ώστε, εκτελώντας όλοι τον ίδιο αλγόριθμο, να μπορούν να συντονίσουν τον τρόπο προσπέλασης στο κανάλι - τεχνική ειδικού πακέτου ελέγχου ή “κουπονιού” (token) ή ενός χρόνου που αντικαθιστά το ειδικό αυτό πακέτο. Προσαρμοζόμενα Πρωτόκολλα (Adaptive Protocols)  Τεχνικές προσπέλασης οι οποίες αλλάζουν σύμφωνα με το φορτίου του καναλιού και δεν υπάγονται ρητώς σε καμία από τις παραπάνω κατηγορίες Χρησιμοποιούν τεχνικές τυχαίας προσπέλασης στα χαμηλά φορτία, & τεχνικές σταθερής ανάθεσης στα υψηλά φορτία, με σκοπό τη βέλτιστη απόδοση ονομάζονται και υβριδικά ή μικτά πρωτόκολλα.

ΚΑΜΠΥΛΕΣ ΑΠΟΔΟΣΗΣ ΦΟΡΤΙΟΥ - ΚΑΘΥΣΤΕΡΗΣΗΣ

ΤΟ ΠΡΟΤΥΠΟ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΟ 1-Persistent CSMA-CD (IEEE 802.3)

ΤΟ ΠΡΟΤΥΠΟ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΟ “1-Persistent CSMA-CD (IEEE 802.3)” 802.3 Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection (CSMA/CD) Κατηγορία πρωτοκόλλων τυχαίας προσπέλασης του καναλιού Βασική αναφορά για τεχνικές προσπέλασης τοπικών δικτύων Τεχνική p-persistent CSMA/CD με p=1 Ο χρόνος του καναλιού χωρίζεται σε χρονικές σχισμές (time slots) με εύρος ίσο με την από άκρο σε άκρο καθυστέρηση διάδοσης του φυσικού μέσου επικοινωνίας Κάθε σταθμός όταν στέλνει data, συγχρονίζεται με αρχή επόμενου slot Ο σταθμός παρακολουθεί το κανάλι κατά την διάρκεια αυτής της χρονικής στιγμής Εάν διαπιστώσει ύπαρξη φορέα στο κανάλι δεν μεταδίδει Εάν ο σταθμός διαπιστώσει ότι το κανάλι είναι αδρανές μεταδίδει με πιθανότητα p=1. Εάν και κάποιος άλλος μεταδώσει τότε  ΣΥΓΚΡΟΥΣΗ !!  Σταθμοί τερματίζουν μεταδόσεις στέλνοντας σήμα Jam signal για να γνωστοποιήσουν την σύγκρουση  Πακέτα που συγκρούσθηκαν πρέπει να αναμεταδοθούν σύμφωνα με back-off αλγόριθμο αναμετάδοσης Σύγκρουση αναγνωρίζεται από σταθμούς σε χρόνο CDT (collision detection time) μικρότερο από εύρος πακέτου  (σταματά μετάδοση συγκρουόμενων πακέτων - μειώνεται απώλεια εύρους ζώνης)

Αποτελέσματα μελέτης συμπεριφοράς πρωτοκόλλου “1-Persistent CSMA-CD (IEEE 802.3)” Πολύ καλή απόδοση (σχέση φορτίου - μέσης καθυστέρησης πακέτου) για χαμηλά φορτία (μικρή τιμή του χρόνος διάδοσης / μέγεθος πακέτου) & πολλούς σταθμούς Μεγάλη αύξηση μέσης καθυστέρησης πακέτου στα μεσαία και υψηλά φορτία μείωση του αποδοτικού φορτίου (αστάθεια λειτουργίας)   Μπορεί να λειτουργήσει σε Δίκτυα Ελαστικού Πραγματικού Χρόνου, εφ’ όσον φορτίο δεν ξεπερνάει ανώτατη τιμή (οριακό σημείο) Απαγορευτική η χρήση σε Δίκτυα Αυστηρού Πραγματικού Χρόνου λόγω μη ντετερμινιστικής συμπεριφοράς του πρωτοκόλλου  back-off αλγόριθμος δεν εγγυάται μετάδοση πακέτου μέσα σε ένα μέγιστο χρονικό όριο  Δεν εγγυάται φραγμένη καθυστέρηση πακέτου Πιθανότητα ένα πακέτο να υποστεί ανεπίτρεπτα μεγάλη καθυστέρηση στη μετάδοσή του, ενώ η μέση συνολική καθυστέρηση να βρίσκεται κάτω από το κρίσιμο οριακό σημείο. Είναι το MAC πρωτόκολλο του δικτύου πεδίου LON (LonTalk), με τροποποίηση του back-off αλγορίθμου  δυνατότητα να “προβλέπει” αναμενόμενο φορτίο του καναλιού και μεταβάλλει δυναμικά την πιθανότητα μετάδοσης p του πακέτου   Το CSMA/CD ΔΕΝ παρέχει τη δυνατότητα υποστήριξης κίνησης με διαφορετικές προτεραιότητες. 

TOKEN PASSING BUS (IEEE 802.4) ΤΟ ΠΡΟΤΥΠΟ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΟ TOKEN PASSING BUS (IEEE 802.4)

ΤΟ ΠΡΟΤΥΠΟ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΟ «TOKEN PASSING BUS (IEEE 802.4) Κατηγορία πρωτοκόλλων αίτησης ανάθεσης του καναλιού με κατανεμημένο έλεγχο Βασική αναφορά για τεχνικές προσπέλασης τοπικών δικτύων Ειδικό πακέτο ελέγχου ή “κουπόνι” (Token) δίνει δυνατότητα στο σταθμό που το κατέχει για συγκεκριμένο χρόνο, να μεταδίδει Μετά τη λήξη του χρόνου ή το τέλος μετάδοσης των πακέτων το κουπόνι περνάει κυκλικά στον επόμενο σταθμό του δικτύου  Δημιουργία Λογικού Δακτυλίου

ΕΙΔΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ «TOKEN PASSING BUS (IEEE 802.4) Υποστηρίζει προτεραιότητες  4 επίπεδα προτεραιοτήτων  τάξεις προσπέλασης (access_classes) : είναι τα 0, 2, 4, 6, με το 0 = μεγαλύτερη και το 6 = χαμηλότερη Σε κάθε επίπεδο υπάρχει διαφορετική ουρά πακέτων προς μετάδοση Κάθε τάξη προσπέλασης λειτουργεί σαν διαφορετικός υποσταθμός  token περνάει διαδοχικά από όλες τις ουρές πακέτων (0-6) πριν μεταδοθεί προς τον επόμενο σταθμό όταν ένας σταθμός λάβει το token, επιτρέπεται να μετάδοση πακέτα της μέγιστης προτεραιότητάς του, για χρόνο που δε θα υπερβαίνει το hi_pri_token_hold_time (Ts)  εμποδίζει τη μονοπώληση του καναλιού από ένα σταθμό Αν το token επιστρέψει στην ουρά, σε χρόνο λιγότερο από το target_rotation_time, ο σταθμός επιτρέπεται να μετάδοση πακέτα της συγκεκριμένης τάξης προσπέλασης έως ότου λήξει Αν ο χρόνος αυτός λήξει πριν το token ληφθεί από τη συγκεκριμένη τάξη προσπέλασης, ο σταθμός δεν επιτρέπεται να στείλει πακέτα αυτής της τάξης εγγυημένο εύρος ζώνης  η τάξη μέγιστης προτεραιότητας & με το υψηλότερο target_rotation_time Το Τοken Bus ευρέως αποδεκτό, ως πρότυπο για δίκτυα πεδίου εργοστασιακού περιβάλλοντος - MAP (Μanufacturing Automation Protocol), το MiniMAP και PROFIBUS - κυρίως λόγω σταθερότητας, αξιοπιστίας, δυνατότητάς υποστήριξης κίνησης διαφορετικών προτεραιοτήτων και καταλληλότητάς για βιομηχανικές εφαρμογές πραγματικού χρόνου

ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ «TOKEN PASSING BUS (IEEE 802.4)» Σχετικά υψηλή απώλεια εύρους ζώνης (overhead) ειδικά σε χαμηλά φορτία, λόγω της περιστροφής του κουπονιού σε όλους τους σταθμούς, ανεξαρτήτως αν είναι ενεργοί ή αδρανείς, γεγονός που οδηγεί  μεγάλη καθυστέρηση στη μετάδοση των πακέτων, ειδικά αν το μήκος του πακέτου δεδομένων είναι μικρό. Πολύπλοκοι αλγόριθμοι για την είσοδο και έξοδο σταθμών στο δίκτυο έχουν σαν αποτέλεσμα τη σχετική απώλεια εύρους ζώνης και δεν επιτρέπουν άμεση προσπέλαση στο μέσο μετάδοσης, H εξάρτηση της προσπέλασης από την κατοχή του token οδηγεί σε περιόδους "απροσπελασιμότητας" (inaccessibility periods), οποτεδήποτε υπάρξει απώλεια ή πολλαπλότητα του κουπονιού  Η μέγιστη τιμή καθυστέρησης στη μετάδοση ενός πακέτου μπορεί να υπερβεί τη μέγιστη θεωρητική τιμή, η οποία έχει υπολογιστεί για τη σταθερή λειτουργία του δικτύου.

ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΤΩΝ ΠΡΟΤΥΠΩΝ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΩΝ CSMA/CD   TOKEN PASSING BUS απλό στην υλοποίησή Δεν απαιτεί ειδικούς αλγόριθμους εισόδου / εξόδου των σταθμών στο / από το δίκτυο. χαμηλότερη καθυστέρηση στο μικρό φορτίο Όταν το φορτίο αυξάνεται η καθυστέρηση πακέτου δεν είναι προβλέψιμη (ντετερμινιστική) λόγω των αυξανομένων συγκρούσεων και η χωρητικότητα του πρωτοκόλλου μειωμένη Η απόδοσή του παρουσιάζει σημαντική μείωση με την αύξηση της καθυστέρησης διάδοσης του καναλιού επικοινωνίας του δικτύου ή / και τη μείωση του μήκους των πακέτων. Δεν υποστηρίζει προτεραιότητες  Το Token Bus (ΙΕΕΕ 802.4) Απαιτεί πολύπλοκους αλγόριθμους για την είσοδο / έξοδο σταθμών και για τη διαχείριση λαθών. Μεγάλη καθυστέρηση σε μικρά φορτία Μεγάλη απόδοση στο υψηλό φορτίο Παρέχει τη δυνατότητα υποστήριξης κίνησης με διαφορετικές προτεραιότητες. Εγγυάται ανώτατο όριο στην καθυστέρηση μετάδοσης των πακέτων υψηλής προτεραιότητας σε συνθήκες λειτουργίας σταθερής κατάστασης. Η απόδοσή του μειώνεται με την αύξηση του μήκους του δικτύου. όταν ‘χαθεί’ το κουπόνι  πολύπλοκοι / δύσκολα υλοποιήσιμοι αλγόριθμοι αναδιαμόρφωσης του δικτύου  μεγάλες περιοδοι απροσπελασιμότητας στο κανάλι

Time Division Multiple Access ΤΑ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΑ T D M A Time Division Multiple Access

ΤΑ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΑ TDMA Τεχνική πολλαπλής προσπέλασης με καταμερισμό του χρόνου του καναλιού (Time Division Multiple Access, TDMA) - πιο διαδεδομένη τεχνική σταθερής ανάθεσης του καναλιού Εξασφαλίζει προσπέλαση χωρίς συγκρούσεις  εξυπηρετεί συνεχές φορτίο (πχ. ψηφιακοποίηση φωνής) και ΌΧΙ εκρηκτικό (bursty) πχ. υπολογιστικών δεδομένων (data). Ο χρόνος οργανώνεται σε χρονικές σχισμές εύρους ίσου με τον χρόνο μετάδοσης ενός πακέτου Δύο βασικές TDMA τεχνικές  η κυκλική (round-robin) & η τυχαία (random) κάθε σχισμή “ανατίθεται” σε ένα σταθμό. Στο τυχαίο TDMA η επιλογή του σταθμού στον οποίο ανήκει η κάθε σχισμή γίνεται με τυχαίο τρόπο

ΕΙΔΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ TDMA Η μέση κανονικοποιημένη καθυστέρηση πακέτου στο χαμηλό φορτίο εξαρτάται από τον αριθμό Μ των σταθμών στο δίκτυο, κάτι που επιδρά αρνητικά στην απόδοση του πρωτοκόλλου, ιδίως για μεγάλες τιμές του Μ. Tο πρωτόκολλο Token Bus  εξέλιξη του κυκλικού TDMA μειώνοντας τα μειονεκτήματα του TDMA στο χαμηλό φορτίο με την χρήση του κουπονιού, μέσω του οποίου μειώνεται η “σπατάλη” των σχισμών και άρα του εύρους ζώνης του καναλιού

ΤΑ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΑ Polling

ΤΑ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΑ Polling Τα πρωτόκολλα Polling αποτελούν τα πιο γνωστά πρωτόκολλα αίτησης ανάθεσης του καναλιού με κεντρικοποιημένο έλεγχο Roll-Call Polling: Ο Κύριος Σταθμός (Master) διευθύνει με ένα polling πακέτο ένα Δευτερεύοντα (Slave) Σταθμό και αυτός μεταδίδει τα μηνύματα του, πληροφορώντας για το τέλος της μετάδοσης του. Κατόπιν διευθύνει τον επόμενο Hub Polling: Ο Κύριος Σταθμός (Master) επικοινωνεί με έναν αρχικό Δευτερεύοντα (Slave) Σταθμό και αυτός μεταδίδει το μήνυμα του και στη συνέχεια ‘περνά’ τον έλεγχο στον επόμενο εξαρτημένο σταθμό  Αποφεύγονται ενδιάμεσες ‘παρεμβολές’ του κεντρικού που υπάρχουν στην τεχνική roll-call.

ΕΙΔΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ Polling ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ Απλό και ταυτόχρονα επιτρέπει ντετερμινιστική προσπέλαση στο κανάλι Διασφαλίζει την απαίτηση της ύπαρξης φραγμένης καθυστέρησης Η απώλεια πακέτων μπορεί εύκολα να αντιμετωπισθεί Μειονεκτήματα των πρωτοκόλλων CSMA/CD και Token Bus αποφευγονται με Polling Χρησιμοποιείται σήμερα σε γνωστά Δίκτυα πεδίου, όπως FIP, PROFIBUS, P-NET ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ Η μειωμένη απόδοση στα χαμηλά φορτία συγκρινόμενο με το CSMA/CD Η ανοχή σε σφάλματα του συστήματος (fault tolerance).