Reti(già “Reti di Calcolatori”)

Livello CollegamentoData-Link e Medium Access Control

RenatoLoCigno

http://disi.unitn.it/locigno/index.php/teaching-duties/computer-networks

Acknowledgement

• Credits– Partof thematerialis based onslides provided by thefollowing authors• JimKurose,KeithRoss,“ComputerNetworking:ATopDownApproach,”4thedition,Addison-Wesley,July2007• DouglasComer,“ComputerNetworksandInternets,”5thedition,PrenticeHall• Behrouz A.Forouzan,Sophia Chung Fegan,“TCP/IPProtocol Suite,”McGraw-Hill,January 2005

• Latraduzione,sepresente,èingeneraleopera(eresponsabilità)deldocente

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Modello a strati

2 - Coll. dati

3 - Rete

4 - Trasporto

5 - Sessione

6 - Presentazione

1 - Fisico

7 - Applicazione

2 - Coll. dati

3 - Rete

4 - Trasporto

5 - Sessione

6 - Presentazione

1 - Fisico

7 - Applicazione

2 - Coll. dati

1 - Fisico

2 - Coll. dati

1 - Fisico

End System End SystemIntermediate System Intermediate System

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1 - Fisico

Livello Data Link

Livelli diapplicazione

(utente)

Livelli di rete2 - Collegamento dati

Fisico

3 - Rete

4 - Trasporto

5 - Sessione

6 - Presentazione

7 - Applicazione

Collegamento dati: Ethernet, PPP, ATM, ...

Rete: IP

Trasporto: TCP - UDP

Applicaz.: HTTP, E-mail

Livello Data Link

• Obiettivoprincipale:fornireallivellodiretediduemacchineadiacentiuncanaledicomunicazione ilpiùpossibileaffidabile– macchineadiacentià fisicamenteconnessedauncanaledicomunicazione (es.uncavocoassiale,doppinotelefonico)

– canaledicomunicazioneà “tubodibit”,ovveroibitsonoricevutinellostessoordineincuisonoinviati

• Percompierequestoobiettivo,cometuttiilivelliOSI,illivello2offredeiserviziallivellosuperiore(livellodirete)esvolgeunaseriedifunzioni

• Problema:ilcanalefisicononèideale– erroriditrasmissionetrasorgenteedestinazione– necessitàdidovergestirelavelocitàditrasmissionedeidati– ritardodipropagazionenonnullo

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Servizi offerti al livello superiore

• Servizioconnectionless senzariscontro(ACK)– nonvieneattivatanessunaconnessione– inviodelletramesenzaattenderealcunfeedback dalladestinazione

• Seunatramavienepersanoncisonotentativiperrecuperarla,ilcompitovienelasciatoailivellisuperiori

– lamaggiorpartedelleLANcablateutilizzanoquestoservizio• Servizioconnectionless conacknowledge

– nonvieneattivatanessunaconnessione– ognitramainviataviene“riscontrata”inmodoindividuale– leretiwirelessLANusanoquestoservizio

• Servizioconnection-oriented conacknowledge– vieneattivataunaconnessionee,alterminedeltrasferimento,essaviene

abbattuta– ognitramainviataviene“riscontrata”inmodoindividuale– leretitelefoniche/cellulariusanoquestoservizio

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livello 3

livello 2

...

Visibilità della rete del livello 2

livello 3

livello 2

...

livello 3

livello 2

...

Visibilità limitata al singolo link (o sottorete)

Visibilità estesa a tutta la rete

Dove è implementato il livello DL?

r In tutti gli hostr È realizzato in un adattatore

(NIC, network interface card)m scheda Ethernet, PCMCIA,

802.11m Implementa il livello di

collegamento e fisicor È una combinazione di

hardware, software e firmware

controllore

trasmissione

CPU memoria

host bus (es, PCI)

adattatoredi rete

host schematic

applicazionetrasportorete

collegamento

collegamentofisco

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Funzioni di competenza del livello 2

• Leprincipalifunzionisvoltedallivello2sono:– framing

• delimitazionedelletrame– rilevazione/gestioneerrori

• controllaselatramacontieneerroriedeventualmentegestisceilrecupero

– controllodiflusso• gestiscelavelocitàditrasmissione

– controllodiaccessoalcanalepercanalibroadcast• MAC:MediumAccessControl,coordinachitrasmetteechiriceveincanaliconmoltestazionicollegate

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Framing

• Illivello2ricevedallivellosuperiore(rete)deipacchetti• Considerandoche:– lalunghezzadeipacchetti(dilivello3)edellecorrispondentitrame(livello2)èvariabile

– isisteminonsonosincronizzatitraloro,ovverononhannounorologiocomunechesegnalastessaorapertutti

– illivello1trattasolobit,equindinonèingradodidistinguereseunbitappartieneadunatramaoaquellasuccessiva

• ...nasceilproblemadelladelimitazionedelletrame• Lafunzionalitàdiframing (frame=trama)èdunquedirendere

distinguibileunatramadall’altraattraversol’utilizzodiopportunicodiciall’inizioeallafinedellatramastessa

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Esempio

pacchetti dal livello 3

[Header]

H T H T H T H Ttrame/frame del livello 2 con delimitatori

[trailer]

flusso di bit del livello 1

Modalità di Framing

• Esistonodiversetecnicheperimplementareilframing:– inserireintervallitemporalifratrameconsecutive• problema:pernaturaintrinsecaleretidi

telecomunicazionenondannogaranziesulrispettodellecaratteristichetemporalidelleinformazionitrasmesse

• gliintervalliinseritipotrebberoessereespansioridottigenerandoproblemidiricezione

– marcareinizioeterminediognitrama1. Charactercount2. Characterstuffing3. Startingandendingflags(bitstuffing)4. Physicallayercodingviolations

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Framing: Character stuffing

• OgnitramainiziaeterminaconunasequenzadicaratteriASCIIbendefinita– DLE(DataLinkEscape)+STX(StartofTeXt)– DLE(DataLinkEscape)+ETX(EndofTeXt)

• Senellatrasmissionedidatibinari,unasottosequenzadibitcorrispondeaicaratterispeciali...

• ...lasorgenteduplicailcarattereDLE– character stuffing

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Framing: Bit Stuffing

• Ognitramapuòincludereunnumeroarbitrariodibit• Ognitramainiziaeterminaconunospecialepatterndibit,

01111110,chiamatobytediflag• Intrasmissioneselasorgenteincontra5bit“1”consecutivi,

aggiungeuno“0”(indipendentementedalbitchesegue)– bitstuffing– es.lasequenza“01111110”ètrasmessacome“011111010”

• Ilricevitorequandoriceve5“1”consecutivieliminasemprelo0chesegue,ripristinandolasequenzaoriginale

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Framing con violazione del livello fisico

• Tecnicabasatasusistemicheutilizzanoridondanzaalivellofisico– es.ognibitdiinformazionevienetrasmessoutilizzandounacombinazionediduesimboli”alto”e“basso”alivellofisico• ‘1’ð ’AB’• ‘0’ð ’BA’

“01101”ð

– ’AA’e’BB’nonsonousateperidatiepossonoesserequindiutilizzateperdelimitarelatrama

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Rilevazione dell’errore

• Illivellofisicooffreuncanaleditrasmissioneconerrori– errorisulsingolobit– replicazionedibit– perditadibit

• Perlarilevazioneditalierrori,nell’header diognitramaillivello2inserisceuncampodicontrollo(checksum)

• lchecksum èilrisultatodiuncalcolofattoutilizzandoibitdellatrama• ladestinazioneripeteilcalcoloeconfrontailrisultatoconilchecksum:se

coincidelatramaècorretta

level 3 packet

H Tck

calcolo checksum

H Tck

calcolo checksum

confrontoci sono errori?

trasmissione

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Controllo di flusso

• Realizzatoconprotocolliafinestra(v.liv.trasporto),ingenerestop&wait

• Ilcontrollodellavelocitàditrasmissionedellasorgenteèbasatosufeedbackinviatiallasorgentedalladestinazioneindicando– dibloccarelatrasmissionefinoacomandosuccessivo– laquantitàdiinformazionecheladestinazioneèancoraingradodigestire

• Ifeedbackpossonoessere– neiserviziconriscontro,gliack stessi– neiservizisenzariscontro,deipacchettiappositi

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Correzione errori ARQ

• Spessoassentenelleretilocalicablate

• PresenteinvecenormalmentenelleretiwirelessLAN

• Presentenelleretitradizionaliditipogeografico

• Comealivellotrasportobasatosuprotocolliafinestra

– normalmentestop&wait

– sulsingolocanalenonhoproblemidiritardovariabile

• Ritrasmissionedell’interatrama,controllobasatosuCRC

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Il sotto-livello MAC

Introduzione di un nuovo sotto-livello

• Illivello2è direttamentecollegatoallivellofisicoealmezzodicomunicazione

• Ilmezzopuòessere:– dedicato(retipunto-punto)– condiviso(retibroadcast)

• Seilmezzofisicoècondiviso,è necessario coordinare l’accesso– gestionedellacompetizioneperlarisorsatrasmissiva– selezionedell’host chehaildirittoditrasmettere

• Vieneintrodottounsotto-livelloallivello2chegestiscel’accesso– MAC(MediumAccessControl)

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Livello MAC

2high - Collegamentodati

2low – MediumAccessControl

Gestisce lealtre funzionalità dellivello2,inparticolare il controllo diflusso

Gestiscelepolitiche/regolediaccessoadunmezzocondiviso

7 - Applicazione

6 - Presentazione

5 - Sessione

4 - Trasporto

3 - Rete

1 - Fisico

2 - Collegamento dati

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Definizione del problema

• Permezzocondiviso siintendecheununicocanaletrasmissivopuòessereusatodapiùsorgenti

– laptopesmartphone collegaticonWiFi condividono“l’etere”ovveroleonderadiochetrasportanoisegnali

– PCcollegatiauncavocoassialecondividonoilcavostesso

• È necessariodefinireunaseriediregoleperpoterutilizzareilmezzo(tecnichediallocazionedelcanale)

– seduesorgentiparlanocontemporaneamentevisaràcollisioneèl’informazioneandràpersa

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Tecniche di allocazione del canale

• Duecategoriediallocazionedelcanaletrasmissivo– allocazionestatica• ilmezzotrasmissivoviene“partizionato”eogniporzionevienedataallediversesorgenti• ilpartizionamentopuòavvenireinbase:– altempo:ognisorgentehaadisposizioneilmezzoperundeterminatoperiodo– allafrequenza:ognisorgentehaadisposizioneunadeterminatafrequenza

– allocazionedinamica• ilcanalevieneassegnatodivoltainvoltaachinefarichiesta

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Allocazione statica

• Frequency DivisionMultipleAccess(FDMA)• TimeDivisionMultipleAccess(TDMA)• CodeDivisionMultipleAccess(CDMA)• Buonaefficienzainsituazionidipochiutenticonmoltocarico

costanteneltempo• Meccanismidisempliceimplementazione(FDM)• Tuttavia...– moltiutenti– trafficodiscontinuo

• ...portanoascarsaefficienzadiutilizzodellerisorsetrasmissive– lerisorsededicateagliutenti“momentaneamentesilenziosi”sonoperse

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Allocazione dinamica

• Ilcanaletrasmissivopuòessereassegnato:– aturno:vienedistribuitoil“permesso”ditrasmettere;laduratavienedecisadallasorgente

– acontesa:ciascunasorgenteprovaatrasmettereindipendentementedallealtre

• Nelprimocasodevonoesisteremeccanismiperl’assegnazionedelpermessoditrasmettere– overhead digestione– sonoiprotocollipiù usati nelle reti cellulari

• Nelsecondocasononsonoprevistimeccanismiparticolari– sorgenteedestinazionesonoilpiùsemplicipossibile– sonoiprotocollipiù usati nelleretiLAN

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tecniche di assegnazione

tecniche di allocazione

modalità di trasmissione

Riassunto

trasmissione

broadcast

dinamica

a turno

token ringtoken pass

...

punto - punto

router - router

PC - router... statica

TDMAFDMA

CDMA...a contesa

alohaslotted aloha

CSMACSMA-CD

...

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Allocazione dinamica con contesa

Singlechannel assumption• unicocanalepertuttelecomunicazionietempodipropagazionetrascurabile

Stationmodel• N stazioniindipendentiognunadellequalièsorgenteditramedilivello2

• tramegeneratesecondoladistribuzionediPoisson conmediaG

• lalunghezzadelletrameèfissa,ovveroiltempoditrasmissioneècostanteepariaT (tempoditrama)

• unavoltagenerataunatrama,lastazioneèbloccatafinoalmomentodicorrettatrasmissione

Collision assumption• duetramecontemporaneamentepresentisulcanalegeneranocollisione

• nonsonopresentialtreformedierrore

Tempo...• continuo:latrasmissionedellatramapuòiniziareinqualunqueistante

• slotted:latrasmissionedellatramapuòiniziaresoloinistantidiscreti

Ascoltodelcanale...• carrier sense:lestazionisonoingradodiverificareseilcanaleèinusoprimadiiniziarelatrasmissionediunatrama

Ipotesieregoledelgiocoperl’analisidellecaratteristicheeprestazionideiprotocolliacontesa

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Protocolli di accesso multiplo

• Inletteraturasonodisponibilimoltialgoritmidiaccessomultiploalmezzocondivisoconcontesa

• Principalialgoritmi(utilizzatidaiprotocolli):– ALOHA• PureALOHA• Slotted ALOHA

– CarrierSense MultipleAccessProtocols• CSMA• CSMA-CD(CollisionDetection:conrilevazionedellacollisione)• CSMA-CA(CollisionAvoidance:contecnicheperridurrelaprobabilitàdicollisione)

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Pure ALOHA

• Definitonel1970daN.Abramson all’universitàdelleHawaii• Algoritmo:– unasorgentepuòtrasmettereunatramaogniqualvoltavisonodatidainviare(continuous time)

• collisioneð lasorgenteaspettauntempocasuale eritrasmettelatrama

• untempodeterministicoporterebbeadunasituazionedicollisioneall’infinito

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Periodo di vulnerabilità

• Sidefinisce“periododivulnerabilità”l’intervalloditempoincuipuòavvenireunacollisionecheinvalidaunatrasmissione

• DettoTiltempoditramaet0 l’iniziodellatrasmissionedapartediunasorgente,ilperiododivulnerabilitàèparialdoppiodeltempoditrama– nelmomentoincuiiniziaatrasmettere(t0),nessunaaltrasorgentedeveaver

iniziatolatrasmissionedopol’istanteditempot0 -Tenessunaaltrasorgentedeveiniziarelatrasmissionefinoat0 +T

tempo

t0t0-T t0+T

periodo di vulnerabilità: 2T

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Prestazioni

• Ipotesi– tramedilunghezzafissa(odistribuiteinmodoesponenziale,noncambia)– tempoditrama:tempo(medio)necessariopertrasmettereunatrama– numerodistazioniinfinito(ocomunquemoltogrande)

• Trafficogenerato(numeroditramepertempoditrama)segueladistribuzionediPoisson conmediaG– Ginglobaancheilnumerodiri-trasmissionidovutoacollisioni

• Ilthroughput realeèdatoda– numeromedioditrasmissioni*probabilitàchenoncisianotrasmissioni

pertuttoilperiododivulnerabilità(2tempiditramaconsecutivi)à S =G*P[0trasmissioniper2T],ovvero

G = numero medio di trame trasmesse nel tempo di tramaS = numero medio di trame trasmesse con successo (throughput)

GeGS 2−⋅=locigno@disi.unitn.it- Livello2- DataLinkeMAC 31

Prestazioni

• ALOHApermettealmassimodisfruttareil19%deltempo,ilmassimosihaquandoiltrafficooffertoè ~0.5voltelacapacitàdelcanale.Protocollo instabile!!

Throughput

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

0.16

0.18

0.2

0

0.08

0.15

0.23 0.3

0.38

0.45

0.53 0.6

0.68

0.75

0.83 0.9

0.98

1.05

1.13 1.2

1.28

1.35

1.43 1.5

1.58

1.65

1.73 1.8

1.88

1.95

2.03 2.1

2.18

2.25

2.33 2.4

G (trasmissioni per tempo di trama)

S (

thro

ughp

ut p

er t

empo

di t

ram

a)

GeGS 2−⋅=

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Slotted ALOHA

• Propostonel1972daRobertspermigliorarelacapacitàdiPureALOHA• Basatosuipotesidislotted time (temposuddivisoadintervallidiscreti)• Algoritmo:

– PureALOHA– latrasmissionediunatramapuòiniziaresoloadintervallidiscreti– necessariasincronizzazionetrastazioni

• Periododivulnerabilità:T(tempoditrama)

tempot0t0-T t0+T

periodo di vulnerabilità: T

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Prestazioni

Ilperiododivulnerabilitàèdimezzato,quindiilthroughputrealeèdatoda

• Slotted ALOHApermettealmassimodisfruttareil37%deglislotliberiacarico~1

• Ilprotocolloèinstabile!!

• Bisogna distribuireunsincronismo

GeGS −⋅=Throughput

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

00,075 0,1

50,225 0,3

0,375 0,4

50,525 0,6

0,675 0,7

50,825 0,9

0,975 1,0

51,125 1,2

1,275 1,3

51,425 1,5

1,575 1,6

51,725 1,8

1,875 1,9

52,025 2,1

2,175 2,2

52,325 2,4

G (tentativi di trasmissione per tempo di frame)

S (

thro

ug

hp

ut

per

tem

po

di f

ram

e)

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Carrier Sense Multiple Access (CSMA)

• Lestazionipossonomonitorarelostatodelcanaleditrasmissione

• Lestazionisonoingradodi“ascoltare”ilcanale primadiiniziareatrasmettere perverificaresec’èunatrasmissioneincorso– seilcanaleèlibero,sitrasmette– seèoccupato,sonopossibilidiversevarianti

• non-persistent (0-persistent)– rimandalatrasmissioneadunnuovoistantet1 >>t0+T,sceltoinmodocasuale

• persistent (1-persistent)– nelmomentoincuisiliberailcanale,lastazioneiniziaatrasmettere

– sec’ècollisione,comeinALOHA,siattendeuntempocasualeepoisicercadiritrasmettere

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CSMA: modalità p-persistent

• ascoltailcanale– seilcanaleèliberositrasmette;– seèoccupato,siattendecheilcanalediventilibero• quandoilcanaleèlibero– sitrasmetteconprobabilitàp– conprobabilità (1-p)si rimanda latrasmissione adunnuovoistantet1 >>t0+T,sceltoinmodocasuale

– sec’ècollisione• si rimanda latrasmissione adunnuovoistantet1 >>t0+T,sceltoinmodocasuale

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CSMA: Periodo di vulnerabilità

• legatoalritardodipropagazionedelsegnaleτ,ealtemponecessario arilevare il segnale sul canale Ta– seunastazionehainiziatoatrasmettere,mailsuosegnalenonèancoraarrivatoatuttelestazioni,qualcunaltropotrebbeiniziarelatrasmissione

– periododivulnerabilitàTv =τ +Ta• Ingenerale,ilCSMAvieneusatoinretiincuiilritardodi

propagazioneτ è<<diT(tempoditrama)

tempo

τ

stazione A

stazione Btempo

Ta

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Confronto efficienza algoritmi

(fonte: A. Tanenbaum, Computer Networks)

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Collision Detection (CSMA-CD)

• Miglioramento– lestazionichestatrasmettendorilevanolacollisione,interromponoimmediatamentelatrasmissione

• Inquestomodo,unavoltarilevatacollisione,nonsisprecatempoatrasmetteretramegiàcorrotte

• CSMA-CD1pdiventamoltoefficienteesipuò rendere stabile• Perrilevareunacollisionesiascoltailcanaleselapotenzapresente

è superiore aquella che sto trasmettendo ...• CDsipuò usare solamente sulle reti cablate perché sulle reti

wirelessè sostanzialmente impossibile rilevare unsegnale“aggiuntivo”rispetto aquello trasmesso

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Collision Avoidance (CSMA-CA)

• Senonèpossibilerilevarelecollisionieseiltempoditrasmissioneè grande rispetto alla propagazione (T>>τ +Ta )– SituazionetipicadelleretiWirelessLAN

• Alloranonconvienecomportarsiinmodo1pperchè lecollissionicostanomoltocare

• CollisionAvoidanceconsistenelcomportarsiinmodop-persistenteconunapersistenzachedipendedallasituazionedellarete

• TermineintrodottonellewirelessLANconCSMA,perdifferenziareilnomedelprotocollodaquellousatosullereticablate

• MaggioridettaglinellapartededicataaEtherneteWiFi.

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