4. Protocolos Teóricos e Protocolos de Controlo de Ligação Protocolos ARQ; Especificação de Protocolos; Eficiência ARQ.

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1 4. Protocolos Teóricos e Protocolos de Controlo de Ligação Protocolos ARQ; Especificação de Protocolos; Eficiência ARQ. Redes de Comunicações/Computadores I Secção de Redes de Comunicação de Dados

2 Protocolos de transmissão Problemas Controlo de fluxo Controlo de erros, duplicações e sequência Comunicação humano computador central Echo Checking Controlo manual Comunicação computador - computador ARQ Controlo automático Redes de Comunicações I 2

3 Protocolos teóricos ARQ - Automatic Repeat request Idle RQ Send and Wait (Stop and Wait) Continuous RQ Go Back N Selective Repeat Métodos de ARQ Pedido de retransmissão implícito Pedido de retransmissão explícito Redes de Comunicações I 3

4 Arquitectura de protocolos Interface de serviços Primitivas (diagrama temporal) Redes de Comunicações I 4

5 Formato de PDU s de IRQ Redes de Comunicações I 5

6 Idle RQ: Send and Wait Pedido de retransmissão implícito ou pedido de retransmissão explícito Funcionamento normal Redes de Comunicações I 6

7 Idle RQ: Send and Wait Pedido de retransmissão implícito Trama de dados corrompida Redes de Comunicações I 7

8 Idle RQ: Send and Wait Pedido de retransmissão implícito Trama de ACK ou NAK corrompida Redes de Comunicações I 8

9 Idle RQ: Send and Wait Pedido de retransmissão explícito Trama de dados corrompida Redes de Comunicações I 9

10 Idle RQ: taxa de utilização Redes de Comunicações I 10

11 IRQ, taxa de utilização, exemplo Redes de Comunicações I 11

12 Continuous RQ Aumento da taxa de utilização do link. Aumento da dimensão dos buffers. Métodos de retransmissão: Selective Repeat Por pedido implícito Por pedido explícito Go-back-N Redes de Comunicações I 12

13 Continuous RQ - Selective Repeat Pedido de retransmissão implícito (trama de dados corrompida) Um ACK por cada trama de dados Redes de Comunicações I 13

14 Continuous RQ - Selective Repeat Pedido de retransmissão implícito (trama de ACK corrompida) Um ACK por cada trama de dados Redes de Comunicações I 14

15 Continuous RQ - Selective Repeat Pedido de retransmissão explícito (operação correcta) Um ACK indica que recebeu bem a trama e todas as tramas anteriores. No estado de retransmissão, S, suspende o envio de tramas de ACK Redes de Comunicações I 15

16 Continuous RQ - Selective Repeat Pedido de retransmissão explícito (trama de dados e de NACK corrompida) Se no estado de retransmissão não fosse suspenso o envio de ACK haveria falta de tramas visto que... um ACK indica que recebeu bem a trama e todas as tramas anteriores Na figura: S nunca recebe a trama I[N+1] Redes de Comunicações I 16

17 Continuous RQ - Go Back N Pedido de retransmissão explícito (trama de dados corrompida) Um ACK indica que recebeu bem a trama e todas as tramas anteriores Um NAK pede retransmissão de todas as tramas a partir da trama indicada. Após uma falha, S, volta a enviar tramas de ACK apenas quando receber a trama pedida no NACK Redes de Comunicações I 17

18 Continuous RQ - Go Back N Trama de ACK corrompida Um ACK indica que recebeu bem a trama e todas as tramas anteriores Redes de Comunicações I 18

19 Continuous RQ com temporização Para quando há uma interrupção no envio de tramas Redes de Comunicações I 19

20 Piggyback acknowledgment Consideremos um canal full-duplex (não só do ponto de vista físico, mas também lógico, ou seja, que haja lugar a troca de tramas de informação em ambos os sentidos) Para aumentar a eficiência de utilização do canal é embebida a informação de ack (N R ) no cabeçalho das tramas que circulam em sentido oposto, no qual além do número da sequência da trama, existe um campo onde são transportados os bits que informam sobre o estado da ligação no sentido oposto. Contudo continua a existirem as tramas de controlo ACK (NACK) para o caso de instantes em que não haja tráfego num dos sentidos Redes de Comunicações I 20

21 Sliding Window Mecanismo de controlo do fluxo de transmissão de tramas. Limita o número de tramas que podem ser enviadas sem receber acknowledge. Se houver congestionamento do lado do receptor este não envia acknowledges o que faz com que o emissor atinja o limite e pare de enviar tramas. Parâmetros: Janela de envio Janela de recepção Números de sequência - identificadores de trama Redes de Comunicações I 21

22 Sliding Window Parâmetros Janela de envio (Send Window). Identificadores das tramas que foram enviadas e estão à espera de acknowledge. Janela de recepção (Receive Window). Identificadores das últimas N tramas bem recebidas de modo a que seja possível distinguir tramas duplicadas ou fora de sequência. Números de sequência. Número mínimo de Identificadores de trama que são necessários para que os protocolos funcionem sem problemas Redes de Comunicações I 22

23 Controlo de fluxo: Sliding window Janela de envio Janela de recepção Mínimo de Id. da trama IdleRQ Selective Repeat K K 2K Go Back N K 1 K+1 Parametros do mecanismo Sliding Window para os vários protocolos: Redes de Comunicações I 23

24 Sliding Window Situação que define o limite mínimo dos números de sequência. Send Window = Redes de Comunicações I 24

25 Sliding Window Consideremos as seguintes hipóteses com base na figura anterior: Go Back N Send Window = 3 Receive Window = 1 Nº identificadores = 3 - Receptor espera a trama 0 A retransmissão da trama 0 pode ser tomada como nova (errado) Nº identificadores = 4 - Receptor espera a trama 3 Nenhuma das tramas retransmitidas pode ser tomada como nova (correcto) Selective Repeat Send Window = 3 Receive Window = 3 Nº identificadores = 3 - Receptor espera as tramas 0,1,2 As tramas 0,1,2 retransmitidas podem ser tomadas como novas (errado) Nº identificadores = 4 - Receptor espera as tramas 3,0,1 As tramas 0,1 retransmitidas podem ser tomadas como novas (errado) Nº identificadores = 6 - Receptor espera as tramas 3,4,5 Nenhuma das tramas retransmitidas pode ser tomada como nova (correcto) Redes de Comunicações I 25

26 Sequencialização: tamanho de janela Redes de Comunicações I 26

27 Especificação de Protocolos Um protocolo pode ser modelado como uma máquina de estados e como tal funciona de forma atómica Métodos de especificação de protocolos Diagramas de transição de estados Tabelas de eventos e estados Programas estruturados Podem ainda ser usados Diagramas Temporais para ilustrar situações particulares Redes de Comunicações I 27

28 Especificação do protocolo Idle RQ Interfaces do protocolo Interfaces do protocolo: Aplicação. Timer. Física. As interfaces são listas de eventos para que o protocolo funcione de forma atómica Redes de Comunicações I 28

29 Especificação do protocolo Idle RQ Emissor Definições utilizadas na especificação Redes de Comunicações I 29

30 Especificação do protocolo Idle RQ Emissor Diagrama de estados / Tabelas de eventos e estados Redes de Comunicações I 30

31 Especificação do protocolo Idle RQ Emissor Redes de Comunicações I 31

32 Especificação do protocolo Idle RQ Emissor Redes de Comunicações I 32

33 Especificação do protocolo Idle RQ Receptor Redes de Comunicações I 33

34 Especificação do protocolo Idle RQ Receptor Diagrama de estados / Tabelas de eventos e estados Redes de Comunicações I 34

35 Especificação do protocolo Idle RQ Receptor Definições Redes de Comunicações I 35

36 Especificação do protocolo Idle RQ Receptor Algoritmo Redes de Comunicações I 36

37 Especificações do protocolo Continuous RQ Redes de Comunicações I 37

38 Especificações Go-Back-N: Primário Redes de Comunicações I 38

39 Especificações Go-Back-N: Primário Diagrama de estados / Tabela de eventos e estados Redes de Comunicações I 39

40 Especificações Go-Back-N: Secundário Redes de Comunicações I 40

41 Especificações Go-Back-N: Secundário Diagrama de estados / Tabela de eventos e estados Redes de Comunicações I 41

42 Gestão da ligação diagrama de sequência temporal Estabelecer a ligação Transferir dados Terminar a ligação Redes de Comunicações I 42

43 Gestão da conexão diagrama de estados Redes de Comunicações I 43

44 Eficiência de utilização do protocolo (Idle RQ) Sem erros de transmissão Nos protocolos idle RQ, o tempo de processamento de uma trama de dados (T ip ) e trama de ACK associada (T ap ) são bastante mais curtos que os tempos de transmissão (T ix e T ax ). Também a trama ACK é muito mais curta quando comparada com a de dados, T ax é negligenciável quando comparada com T ix. Assim o tempo mínimo total até que uma próxima trama possa ser transmitida é T ix +2T p. A expressão aproximada para U é: U=T ix /T t U=T ix /(T ix +2T p ) ou U=(1+2T p /T ix ) -1 a=t p /T ix, U=(1+2a) -1 T ix =N/R, T p =S/V N - Número de bits da trama R - Bit rate em bit/segundo (bps) S - Distância da ligação (m) V - Velocidade de propagação Redes de Comunicações I 44

45 Eficiência de utilização do protocolo (Idle RQ) Com os erros de transmissão Reconhecendo a existência de erros nas ligações, o BER será superior a zero. Assim para transmitir uma trama com sucesso, uma media de N r tentativas de transmissão são necessárias. A expressão final fica: U=T ix /(N r T ix +2N r T p ) ou U=(N r (1+2T p /T ix )) -1 P f =1-(1-P) Ni, N r =1/(1-P f ) P f - Probabilidade de uma trama ser recebida com erros Ni - Número de bits da trama P - BER - Probabilidade de um bit com erro. a=t p /T ix, U=(1-P f )/(1+2a) Redes de Comunicações I 45

46 Eficiência de utilização do protocolo (Continuous RQ), Sem erros de transmissão T ix =N/R, T p =S/V. N - Número de bits da trama. R - Bit rate em bit/segundo (bps). S - Distância da ligação (m). V - Velocidade de propagação. K - Número de tramas da janela de envio. a=t p /T ix. U=1, se K 1+2a. U=(K T ix) /(T ix +2T p )=K/(1+2T p /T ix )=K/(1+2a) se K < 1+2a. Tal pode verificar-se considerando T p =T ix. Neste caso o ultimo bit da trama transmitida não é recebido antes de 2Tp (2T ix também). A trama ACK associada leva T p (e T ix ) a ser recebida. Se K=1 (Idle RQ), então U=1/3. De modo a elevar U a 100% (K > 1+2a), K tem de estar em excesso de 3, isto é três ou mais tramas têm de ser enviadas antes que algum ACK seja recebido Redes de Comunicações I 46

47 Eficiência de utilização do protocolo (Continuous RQ) Com erros de transmissão (Selective Repeat) Dada e existência numa situação real de erros que provocarão a retransmissão de tramas, teremos eficiências distintas para os dois esquemas de transmissão Selective Repeat e para o Go Back N. Por exemplo, com um esquema de selective repeat, U é reduzido pelo número de tentativas para transmitir cada trama N r dado que unicamente a trama corrompida e retransmitida. Se P f é a taxa de erros de tramas, então, assumindo erros aleatórios: N r =1/(1-P f ), P f =1-(1-P) Ni a=t p /T ix U=K/N r (1+2a)=K(1-P f )/(1+2a) se K < 1+2a Se K 1+2a, U=(1+2a)(1-P f )/(1+2a)=1-P f Redes de Comunicações I 47

48 Eficiência de utilização do protocolo (Continuous RQ) Com erros de transmissão (Go Back N) Para o caso do Go Back N, a utilização da linha é ainda mais reduzida pois por cada trama corrompida, mais que uma trama tem de ser retransmitida. Novamente o número de tramas a retransmitir é determinado pela magnitude de K relativamente a 1+2a. Para K inferior a 1+2a, o número de vezes que as tramas têm de ser retransmitidas é P f (K-1). Para cada ocorrência, mais um atraso de 1+2a se verificará. N r =1/(1-P f ), P f =1-(1-P) Ni a=t p /T ix Se K < 1+2a U=K(1-P f )/((1+2a)+(1+2a)P f (K-1)) = U=K(1-P f )/( (1+2a)(1+P f (K-1)) ) se K < 1+2a Se K 1+2a U=((1+2a)(1-P f ))/( (1+2a)(1+P f (K-1)) ) = U=(1-P f )/(1+P f (K-1)) Redes de Comunicações I 48

49 Comparação de eficiência sem erros Redes de Comunicações I 49

50 Comparação de eficiência com erros Redes de Comunicações I 50

51 Sumário Protocolos de ARQ: Idle RQ (Send and Wait ou Stop and Wait) Continuous RQ Go Back N Selective Repeat Controlo de fluxo com algoritmo de Sliding Window Especificação de protocolos Calculo da eficiência dos protocolos Redes de Comunicações I 51

52 Bibliografia F. Halsall, Cap Redes de Comunicações I 52

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