Aulas 15 & 16. Redes Locais. Eytan Modiano MIT

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1 Aulas 15 & 16 Redes Locais Eytan Modiano MIT 1

2 Acesso Múltiplo com Monitoração de Portadora (Carrier Sense Multiple Access - CSMA) Em certas situações os nós podem ouvir uns aos outros escutando o canal. Monitoração da portadora ( Carrier Sensing ). CSMA: Versão mais refinada do Aloha Os nós escutam o canal antes de transmitir: Canal não ocupado Transmite; Canal ocupado Espera. Quando os nós que estão aguardando o acesso voltam a tentar novamente? Quando o canal volta a ser livre os nós que já tinham tentado anteriormente tentam a transmissão com probabilidade q r = 1. Protocolo Persistente, q r = 1 Protocolo não persistente, q r < 1 2

3 CSMA Seja τ = atraso de propagação máximo do canal Quando um nó inicia/para a transmissão todos os nós irão perceber que o canal esta ocupado/livre após o atraso de propagação. Para iniciar o entendimento, veja o sistema como composto por minifatias de duração igual ao atraso máximo de propagação. Normalize a duração da mini-fatia para β = τ/d tp e duração do pacote = 1. Sistemas reais não são fatiados, mas este sistema hipotético simplifica a análise e o entendimento do CSMA. 3

4 Regras Para o CSMA Fatiado Quando um novo pacote chega: Se a mini-fatia atual esta livre, inicie a transmissão na próxima mini-fatia; Se a mini-fatia atual esta ocupada, o nó se tenta retransmitir mais tarde; Se uma colisão ocorre, os nós envolvidos na transmissão tentam a retransmissão mais tarde. Os nós que aguardam a retransmissão, tentam a transmissão após uma minifatia vazia com probabilidade q r <1 (não-persistente). Tentativas de transmissão são feitas somente após uma mini-fatia livre (ou vazia); Cada período ocupado (sucesso ou colisão) é seguido por uma fatia vazia antes que uma nova transmissão possa se iniciar. O tempo pode ser dividido em duas épocas: Um pacote bem sucedido seguido por uma mini-fatia vazia (duração = β+1); Uma colisão seguida por uma mini-fatia vazia A (duração = β +1); Uma mini-fatia vazia (duração = β). 4

5 Análise do CSMA Seja o estado do sistema o número de nós que tentam retransmitir. Seja o instante em que há uma transição de estado o fim das faixas vazias. Seja T(n) = tempo médio entre transição de estado quando o sistema esta no estado n. T(n) = β + (1 - e-λβ (1-q r ) n ) Quando q r é pequeno (1 - q r ) n ~ e- q r n T(n) = β + (1-e -λβ nq r ) No inicio de cada época, cada nó que deve retransmitir, transmite com probabilidade q r. Novas chegadas durante a fatia vazia anterior são também transmitidas. Com n nós tentando a retransmissão, o número dos pacotes que tentam a retransmissão no início da época é aproximadamente Poisson com taxa. g(n)=λβ+nq r 5

6 Análise do CSMA A probabilidade de sucesso (por época) é: O s = g(n)e -g(n) A duração espera apara uma época é aproximadamente: T(n)~β+(1-e -g(n) ) Portanto a taxa de sucesso por unidade de tempo é: λ < taxa de saída = g( n) e β + 1 e g( n) g( n) 6

7 Vazão Máxima do CSMA O valor ótimo de g(n) pode ainda ser obtido por: g( n) 2β λ < β Há um compromisso entre faixas vazias e tempo perdido nas colisões. Alta vazão quando β é pequeno. Problemas de estabilidade similares ao do Aloha (menos crítico). 7

8 CSMA fatiado não é prático. CSMA Não Fatiado Dificuldade em se manter sincronização; Mini-faixas são úteis para entender mas não são para o desempenho do CSMA. CSMA não fatiado terá uma menor vazão devido ao aumento na probabilidade de colisão. CSMA não fatiado tem um menor valor efetivo de β do que o CSMA fatiado. Essencialmente β torna-se uma média em vez de atraso de propagação máximo. 8

9 CSMA/ CD e Ethernet WS Estações de trabalho CSMA com a capacidade de detecção de colisão (CD) Os nós são hábeis em detectar colisões. Após a detecção de colisão o nó para a transmissão. Reduz a quantidade de tempo perdido com as colisões. Protocolo: Todos os nós escutam o canal antes da transmissão. Quando um nó te pacote para transmitir: Canal vazio transmite; Canal ocupado espera por um tempo aleatório (binary exponential backoff). Se um nó que estiver transmitindo detectar colisão para a transmissão: Tenta novamente após um atraso aleatório. 9

10 Tempo Para Detectar a Colisão Uma colisão pode ocorrer enquanto o sinal se propaga entre os dois nós. Irá tomar um atraso de propagação adicional para ambos os usuários detectar a colisão e parar de transmitir. Se τ é o máximo atraso de propagação no cabo então se uma colisão ocorre, irá demorar 2τ segundos para que todos os nós envolvidos na colisão detectem a colisão e parem a transmissão. 10

11 Modelo Aproximado Para o CSMA/CD Aproximação simplificada para melhor entendimento. Considere um sistema fatiado com mini-fatias de duração 2τ. Se um nó inicia a transmissão no início de uma mini-faixa, no final da mini-faixa pode ocorrer: Não ocorreu colisão e o resto da transmissão não será interrompido. Uma colisão aconteceu, mas ao final da mini-faixa o canal esta livre novamente. Portanto uma colisão afeta no máximo uma mini-faixa. 11

12 Análise do CSMA/CD Suponha N usuários e que cada um tente a transmissão durante uma mini-faixa livre com probabilidade p. P inclui novas chegadas e retransmissões i. P(I usuários tentam) ( ) i N i N P (1 P = ) i P(exatamente 1 tentativa) = P(sucesso)= NP(1-P) N-1 Para maximizar P(sucesso), d dp [ NP(1 P) N 1 ] = N(1 P) N 1 N( N 1) P(1 P) 1 P opt = N Taxa media de tentativas uma por faixa. Observe a semelhança com o Aloha fatiado.. N 2 = 0 12

13 Análise do CSMA/CD, continuação P(sucesso) =NP (1-p) N-1 1 = 1 N 1 P s = limite (N ) P(sucesso) = e Seja X =Número médio de faixas por transmissão bem sucedida P(X =i)= (1-P s ) i 1 P s E[ X ] = 1 P s = e Uma vez que uma mini-faixa tenha sido capturada, a transmissão continua sem interrupção. Novas tentativas de transmissão irão começar na próxima mini-faixa após o fim da transmissão do pacote corrente. N 1 13

14 Análise do CSMA/CD, continuação Seja S = Tempo médio entre transmissões bem sucedidas Mini-faixa livre/colisão S = (e-1)2τ+d Tp +τ Tempo médio antes do inicio da próxima mini-faixa Tempo para transmitir um pacote Eficiência = D Tp / S = D Tp / (D Tp +τ + 2τ (e-1)) Seja β = τ / D Tp => Eficiência 1/(1+4,4β) = λ < 1 / (1 + 4,4β) Compare com o CSMA sem CD onde λ < β 14

15 Notas Sobre o CSMA / CD Pode ser visto como um sistema com reserva onde as mini-faixas são usadas para fazer reserva para faixa de dados. Neste caso, Aloha é usado para fazer reserva durante as mini-faixas. Uma vez que o usuário captura uma mini-faixa continua a transmissão sem interrupções. Na prática naturalmente não existem mini-faixas; Impacto mínimo no desempenho mas análise é mais complexa. 15

16 Exemplos: CSMA/CD Exemplo (Ethernet) Taxa de transmissão = 10Mbps Comprimento do pacote = 1000 bits, D Tp = 10-4 sec Distância = 1 milha, τ = 5x10-6 sec β = 5x10-2 e E = 80% Exemplo ( Satélite GEO) atraso de propagação 1/4 segundo β = 2,500 e E ~0% Conveniente somente para cenários com baixos valores de atraso de propagação. Como a Ethernet é estendida para 100Mbps? Como a Ethernet é estendida para 1Gbps? 16

17 Rede em Anel (Token Rings) Foi desenvolvida pela IBM no início dos 1980 s. Uma seqüência de bits, Token circula ao longo do anel: token ocupado: ; token livre: Quando um nó quer transmitir: Espera por um token livre; Remove o token do anel (o substitui por token ocupado); Transmite a mensagem; Uma vez feita a transmissão e coloca o token livre no anel; Os nós devem armazenar 1 bit de dados de modo que um token livre possa ser alterado para token ocupado. Token ring é basicamente um system polling; Token faz o polling. 17

18 Entrega após transmissão Entrega do Token Nó entrega o token logo após ter completado a transmissão dos seus pacotes. O próximo nó pode usar o token após um pequeno atraso de propagação. Entrega após recepção Nó entrega o token somente após seu próprio pacote tenha voltado para ele. Serves como um simples mecanismo de confirmação de recebimento. 18

19 Transmissão do Pacote (entrega após transmissão) Quando não transmitem seus próprios pacotes os nós retransmitem tudo o que recebem. Após receber um token livre um nó pode iniciar a transmissão de um novo pacote (descarta bits que estejam recebendo). Após um nó ter enviado um pacote e o token livre, envia tokens livres até: Receber o pacote enviado, ou Receber um token ocupado. intervalo inativo intervalo inativo 19

20 Transmissão do Pacote Em muitas implementações (incluindo a IEEE-802.5, mas não a FDDI), um nó espera para checar o retorno de seu pacote antes de enviar o token livre. Isto aumenta o tempo de transmissão do pacote de um atraso de ida e volta. 20

21 Análise do Atraso O sistema pode ser analisado utilizando os resultados da reserva multiusuário. Sistema exaustivo - nós esvaziam suas filas antes de passar o token para o próximo o nó. Suponha m nós cada um com chegadas de Poisson com taxa λ/m. Seja v = o atraso médio de propagação e da transmissão do token. O sistema pode ser visto como um sistema de reservas com m usuários e intervalo médio de reserva (veja os resultados do sistema com reserva). W = 2 λe[ X ] + v( m 2(1 ρ) ρ) ρ = m( λ / m) E[ X ] = λe[ X ] Observe que 100% de vazão pode ser obtida no sistema exaustivo. 21

22 Análise da Vazão (Não-Exaustivo) Sistemas comporta com serviço limitado cada nó é limitado em enviar um pacote por vez. Quando o sistema é muito carregado os nós são sempre ocupados e tem pacotes para transmitir. Suponha que cada nó transmite um pacote e passa o token para o próximo nó; Vi = tempo de propagação e de transmissão do token entre nós (tempo de transmissão geralmente é desprezível) A quantidade de tempo para transmitir N pacotes é: TN = N * E[X] + V 1 + V 2 + +V N = N * E[X] + N * E[V] λ < N*E[X] / (N*E[X] +N*E[V]) = 1 / (1+E[V] / E[X]) Compare com o CSMA/CD, mas observa que V é o atraso entre dois nós e não o máximo atraso na fibra. 22

23 Análise da Vazão (entrega do token após recepção) Os nós entregam o token somente após recebê-lo Suponha ainda que cada nó envie um pacote por vez. Tempo total para transmitir um pacote é de: T = E[ X ] + V + V V m + V i 1 Tempo para transmitir o token m nós no anel T = E[ X ] + ( m + 1) E[ V ] λ < E[ X ] T = (1 + ( m 1 + 1) E[ V ]/ E[ X ]) 23

24 24 Análise do Atraso Entrega após transmissão Sistema Comporta Parcial com serviço ( sessão 3.5.2) Entrega após recepção Problema 4.27 Tempo de ida e volta adicional pode ser adicionado ao tempo de transmissão. ) ] [ 2(1 ]) [ ( ] [ 2 v X E X E m v X E W λ λ λ λ + + = )) 1) ( ] [ ( 2(1 ) ] [ ( 2 ] [ v m X E mv X E m v v m mv X E W = λ λ λ

25 Problemas Com o Token Ring Igualdade: Pode um nó segurar um token por um longo período. Solução: tempo máximo de retenção do token. Falha no Token: Tokens podem ser criados ou destruídos pelo ruído. Solução distribuída: Nós são permitidos de reconhecer a perda de um token e criar um novo token. Colisões podem ocorrer quando dois ou mais nós criam um novo token ao mesmo tempo são necessários algoritmos de resolução de colisão. Falha do nó: Desde que cada nó deve enviar todos os dados que recebe, a falha de um nó interrompe a operação do anel. Padrão Token Ring: IEEE

26 FDDI Fiber Distributed Data Interface - FDDI é um padrão de rede local em anel em fibra óptica a 100Mbps. FDDI utiliza dois anéis em sentido contrários. Uma falha pode ser isolada comutando de um anel para outro. O token é entregue após a transmissão. No tempo de retenção do token Limite superior no tempo entre visitas do tokens em um nó, Suporta atrasos garantidos, Impõe limites quanto ao tamanho do anel (distância entre nós, número de nós); FDDI foi projetado para ser uma tecnologia de rede metropolitana ou para ser utilizada dentro de um campus. 26

27 Token em Barramento (Token Buses) Pacote de controle especial serve como token. Os nós devem ter o token para transmitir Token é passado de nó para nó em uma determinada ordem Conceitualmente, um token bus é o mesmo que um token ring. Quando um nó termina a transmissão, envia um token vazio (livre). para o próximo nó (endereçando o pacote de controle de forma apropriada). Semelhante ao sistema polling. Problemas Menos eficiente que o token ring devido a maiores atrasos de transmissão de pacotes e maiores atrasos de propagação. Precisa de um protocolo para acessar e deixar o barramento. 27

28 Tokens Implícitos O token livre em um token bus pode ser substituído pelo silêncio. O próximo nó inicia a transmissão de um pacote após escutar que o barramento se tornou silencioso. Se o próximo nó não tem pacote pata. Transmitir, os sucessivos nós iniciam com atrasos sucessivos cada vez maiores. Se o atraso de propagação no barramento é muito menor que o tempo de transmissão de um token, isto pode reduzir o atraso. Este esquema é usado em redes locais sem fio (IEEE ) e é conhecido como CSMA/CA (collision avoidance). 28

29 Distributed Queue Dual Bus - DQDB Redes Metropolitanas usando dois barramentos unidirecionais em cada sentido a 150Mbps. Todos os quadros são de mesmo comprimento (53 bytes); quadros vazios são gerados nos pontos finais dos barramentos e são preenchidos pelos nós on the fly. Um nó usa o barramento que move os pacotes para a direita para enviálos aos nós que estão à direita e vice-versa (no outro barramento) para os nós que estão á sua esquerda. DQDB foi padronizado como IEEE e foi projetado para ser compatível com o ATM. 29

30 Reservas DQDB Algoritmo Greedy: Cada nó usa uma fatia livre quando tem algo para transmitir, Portanto uma eficiência de 100% é possível. O problema com esta solução trivial é quanto á igualdade de uso - nós no final do barramento podem ser mortos. DQDB usa um sistema de reserva onde nós enviam pedidos (no sentido upstream nó fim do barramento) de forma que fatias (slots) vazias possam ser reservadas. Se um nó tem um quadro para enviar no barramento á direita, seta o bit de pedido em um quadro no barramento à esquerda. Nós mantém uma fila implícita de pedidos que pode ser servida na base de FCFS (primeiro a chegar primeiro a ser servido) por isso o nome de fila distribuída. 30

31 Grandes Atrasos de Propagação (redes via satélite) RES - Reserva Sistema de reserva via satélite O acesso mini-fatia pode ser ineficiente (Aloha, TDMA, etc.). De forma bastante aproximada, o atraso é 3/ 2 vezes o atraso de propagação mais o atraso ideal de enfileiramento. 31

32 Reserva Via Satélite O comprimento do quadro deve exceder o atraso de ida e volta. As fatias de reserva durante o quadro j são usadas para reservar fatias de dados no quadro j+1. Comprimento variável: Serve todos os pedidos a partir do quadro j no quadro j+1. Difícil manter sincronização Difícil prover QoS ( por ex.: suportar tráfego de voz) Comprimento fixo: Mantém um fila virtual de pedidos Mecanismo de reserva Escalonador a bordo do satélite. Escalonador em terra. Algoritmo de fila distribuída: Todos os nós cuidam dos pedidos e utilizam o mesmo algoritmo para fazer a reserva. Controle de acesso ao canal TDMA:Simples mas difícil de adicionar mais usuários. Aloha: Pode suportar mais usuários mais resolução de colisões é difícil e adiciona um enorme atraso. 32

33 Usa Aloha para capturar a fatia. Reserva Via Aloha Após a captura o usuário ocupa a fatia até terminar a transmissão. Outros usuários percebem que a fatia esta ocupada e não tentam o acesso. Após a liberação da fatia outros usuários podem tentar o acesso. Outros usuários observam a fatia livre e tentam a reserve usando Aloha. Método útil para transferência de dados longa ou mistura de voz e de dado. 33

34 Múltiplo Acesso a Pacote - Resumo Latência : Razão entre atraso de propagação e tempo de transmissão do pacote Exemplo GEO : Dp = 0,5 seg, comprimento do pacote = 1000 bits, R = 1Mbps Latência = 500 muito alta Exemplo LEO : Dp = 0,1 seg Latência = 100 ainda muito alta Em canais via satélite a taxa de dados deve ser muito baixa para que se tenha uma Latência baixa Protocolos de baixa latência CSMA, Polling, Token Rings, etc. Vazão ~ 1/(1+aα), α = latência, a = constante Protocolos de alta latência Aloha é insensível à latência, mas geralmente tem baixa vazão Atrasos bastante pequenos Sistemas com reserve podem atingir alta vazão Atrasos para fazer as reservas Protocolos podem ser projetados para serem um híbrido entre Aloha e reserva Aloha para baixa carga, reserva para alta carga 34

35 Migração Para redes locais Comutadas Ethernet tradicional Nós conectados a cabo coaxial. Longos lances de fio por toda parte. Protocolo CSMA/ CD Hub Ethernet Nós conectados ao hub. O Hub age como um repetidor em todas as direções. Curtos lances de cabo, útil para 100Mbps. Protocolo CSMA/CD fácil em adicionar/remover usuários. Fácil em localizar falhas. Cabeação barata (par trançado, 10baseT). Ethernet comutada Não CSMA/ CD Fácil de incrementar taxa de dados (por ex.: Gbit Ethernet) Nós transmitem quando querem. O comutador armazena os pacotes e os transmite para seus destinos. Capacidade típica de um comutador é de portas. Cada nó pode transmitir na taxa total de 10/ 100/Gbps. Modularidade: Comutadores podem estar conectados uns aos outros através de portas de alta taxa de transmissão. 35