2.5. Protocolos de Nivel de Enlace
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2.5.3 Problema de Asignacin del Canal
Redes
Punto a Punto: WANs
Broadcast: LANs Broadcast => medio o canal compartido Broadcast => medio o canal compartido
conflictos
identificacin
medio no siempre disponible Capa 2 dividida: MAC y LLC
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Cmo Resolver el Problema?
Asignacin esttica
FDM
TDM
No aplicables a redes broadcast No aplicables a redes broadcast Asignacin dinmica
protocolos de contienda
generan los protocolos de acceso al medio que operan en la subcapa MAC
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Tipos de Protocolos MAC
Acceso mltiple sin deteccin de portadora
Acceso mltiple con deteccin de portadora
Libres de colisiones
De contienda limitada De contienda limitada
Token Passing
Inalmbricos
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2.5.4 Acceso mltiple sin deteccin portadora
Antecedentes
1970: Abramson crea Alohanet (Hawaii)
Topologa Maestro (1) Esclavo (3)
Dos canales: descendente y ascendente Dos canales: descendente y ascendente
Canales en la banda UHF:
Ancho: 100 KHz
Capacidad: 9.6 Kbps
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Maestro
Funcionamiento de Alohanet
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EsclavoEsclavo
Esclavo
Canal descendente: sin problemas
Canal ascendente: si dos esclavos transmiten se crea un colisin
Requiere protocolo MAC
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Protocolo MAC Aloha
Funcionamiento bsico: Estacin transmite frame y espera ACK, si esto no se produce dentro del timeout se no se produce dentro del timeout se retransmite el frame.
Solapamiento de un bit entre dos nodos produce un conflicto de transmisin.
A este conflicto se le llama colisin.
En Aloha los tiempos de transmisin son aleatorios.
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Estacin
A
Emisin de frames en ALOHA puro
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E
D
Tiempo
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Estacin
A
B
Emisin de frames en ALOHA puro
Tiempo inutilizado
por colisiones
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E
D
C
B
Tiempo
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Slotted Aloha
Funcionamiento bsico: Estacin transmite frame y espera ACK, si esto no se produce dentro del timeout se retransmite el frame.retransmite el frame.
En Slotted Aloha los intervalos de inicio de transmisin son mltiplos de un frame.
Requiere sincronizacin entre todos los nodos
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Estacin
A
B
Emisin de frames en Slotted ALOHA
Tiempo inutilizado por colisiones
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E
D
C
TiempoIntervalos
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Rendimiento de Aloha
Suponiendo distribucin de Poisson:
Aloha puro: max. 18,4% al 50% de utilizacin utilizacin
Aloha ranurado: 36,8% al 100% de utilizacin
Pero el trfico es auto-similar o fractal=> en la prctica: ms rendimiento!
Slotted Aloha es usado actualmente en redes GSM y comunicaciones va satlite.
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0,2
0,3
0,4
S
(
r
e
n
d
i
m
i
e
n
t
o
)
Rendimiento de Aloha y Slotted Aloha
Slotted: S = Ge-G
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G
(densidad de trfico
inyectado en la red)
0 1,5 2,0 3,01,00,5
0,1
0,2
S
(
r
e
n
d
i
m
i
e
n
t
o
)
Puro: S = Ge-2G
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2.5.5 Acceso mltiple con deteccin portadora
Antecedentes
1970: Metcalfe empieza tesis en Harvard
1972: Metcalfe llega al Xeroxs PARC
22/5/1973: Ethernet experimental: 2.94 Mbps, 1.6 22/5/1973: Ethernet experimental: 2.94 Mbps, 1.6 Km, direcciones 8 bits, CRC 16 bits.
Protocolo MAC CSMA/CD
1976: Metcalfe/Boggs paper sobre Ethernet
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Carrier Sense Multiple Access 1persistente
Funcionamiento bsico: Estacin sensa el canal, si est libre transmite frame; caso contrario sigue sensando hasta que se libere y cuando lo hace enva un frame.se libere y cuando lo hace enva un frame.
Si hay muchos nodos en la red y el canal est ocupado, colisin es casi segura al liberarse
Existe seguridad si hubo colisiones?
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Nuevo
intentoOcupado
CSMA 1p
Detectar
canal
Listo
para Tx
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Tx
lista
Tx
Libre
Colisin? detectada?
canal
-
Carrier Sense Multiple Access no persistente
Funcionamiento bsico: Estacin sensa el canal, si est libre transmite frame; caso contrario se espera un tiempo aleatorio y se vuelve a sensar repitiendo el aleatorio y se vuelve a sensar repitiendo el algoritmo.
Agrega aleatoriedad mejorando a CSMA 1p
Existe seguridad si hubo colisiones?
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Nuevo intento
Ocupado
CSMA no persistente
Detectar
canal
Listo
para TxEsperar
rand(x) seg
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Tx
lista
Tx
Libre
Colisin? detectada?
canal
-
Carrier Sense Multiple Access p persistente
Funcionamiento bsico: Estacin sensa el canal, si est libre se calcula un n, si n
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Nuevo intento
Ocupado
CSMA p persistente
Detectar
canal
Listo
para TxEsperar
rand(x) seg
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Tx
listaTx
Libre
Colisin?
detectada?
canal
Calcular
n
n>p
n
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Comparacin de protocolos de
acceso al medio
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Carrier Sense Multiple Access
con Deteccin Colisin
Funcionamiento bsico: Estacin sensa el canal, si est libre transmite frame; caso contrario se espera un tiempo aleatorio y se vuelve a sensar repitiendo el algoritmo. Una vez trasmitido el frame se sensa algoritmo. Una vez trasmitido el frame se sensa el canal para detectar colisiones. En caso de existir una, se avisa con una seal
Ahora existe seguridad si hubo colisiones!
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Nuevo intento
Ocupado
CSMA/CD
Detectar
canal
Listo
para TxEsperar
rand(x) seg
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Libre
canal
Tx
Sensar
canalAviso
(jamming)
Tx
lista
ColisinOK
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CSMA/CD
Una colisin se producir si dos o ms nodos Tx al mismo tiempo o separados un instante de tiempo tal que la seal Tx no haya llegado al otro nodo (Perodo de Contienda)(Perodo de Contienda)
Los estados de una red CSMA/CD son entonces: libre, transmisin y colisin
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2.5.6 Protocolos Libres de Colisin
Antecedentes
Las colisiones reducen el desempeo de la red
A medida que aumenta el trfico aumentan las colisiones (qu pasa con poco trfico?)colisiones (qu pasa con poco trfico?)
Solucin:
Eliminar las colisiones
Con esto se obtendr un mayor desempeo a alto trfico
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Protocolo Bit MapFuncionamiento bsico:
Numerar los nodos usando N bits, hacer polling a los nodos para saber quien transmitir. Una vez finalizado el poll, se otorga el canal a cada nodo que deseara transmitirque deseara transmitir
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Protocolo Bit Map
Ventajas
Todos saben quin va a Tx
Rendimiento aumenta a medida que aumenta la carga de la redcarga de la red
Desventajas
Latencia a baja carga de la red
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2.5.7 Protocolos de Contencin Limitada
Antecedentes
Las colisiones reducen el desempeo de la red en alto trfico
Eliminar colisiones introduce latencia en una red con bajo trfico
Solucin:
Llegar a un esquema hbrido y dinmico entre ambos casos
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Protocolos de Contencin Limitada - II
Si la red tiene poco trfico, comportarse como protocolos con colisiones
Si la red tiene alto trfico, comportarse como Si la red tiene alto trfico, comportarse como protocolos sin colisiones
Solucin prctica:
Identificar el nodo o grupo de nodos que generan gran trfico y a ellos otorgarle intervalos propios de transmisin
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2.5.8 Protocolos Token Passing
Antecedentes
Los protocolos anteriores son no deterministas
En redes de control de procesos se requiere tener una garanta de tiempo mximo de retardouna garanta de tiempo mximo de retardo
Solucin:
Otorgar el medio a los nodos un tiempo mximo y luego reasignarlo.
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Protocolos Token Passing Funcionamiento bsico:
Por la red siempre circula un token. Si un nodo desea Tx debe esperar hasta recibir el token, entonces se apodera de l y Tx frames hasta un cierto tiempo mximo, para luego liberar el token cierto tiempo mximo, para luego liberar el token a la red.
Control de acceso flexible, eficiente y equitativo a carga elevada.
Permite generar prioridades y BW garantizados
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Operacin Token Passing
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Operacin Early Token Release
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Protocolos Token Passing Token holding time: mximo perodo de tiempo en el
que un nodo puede transmitir
Este protocolo no produce colisiones
qu sucede si se pierde el token?
qu sucede si se corta el anillo?
el anillo debe ser fsico, lgico o ambos?
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Protocolos Token Passing
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2.5.9 Protocolos de Redes InalmbricasAntecedentes
El cableado es caro y costoso de mantener
Los clientes mviles de una red se han hecho muy populares
Solucin:Solucin:
Eliminar el cable y usar un sistema wireless
Se deben considerar nuevas situaciones
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Consideraciones en Redes Inalmbricas
Problemas de cobertura impiden a todos los nodos detectar el canal ocupado
Las colisiones son relevantes en el Rx
Un nodo mvil puede pasar de zonas con cobertura Un nodo mvil puede pasar de zonas con cobertura a zonas sin ella
Consideraciones prcticas: no es bueno tener un canal para Tx y otro para Rx; el sensar el medio puede consumir mucha potencia
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Problemas en Redes Inalmbricas
Problema de la estacin oculta: producido por colisiones no detectadas
Problema de la estacin expuesta: producido por que el canal est ocupado en Rxel canal est ocupado en Rx
Movilidad de un nodo
Consumo de Energa
CSMA/CD no sirve en WLAN!
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Notacin
A Tx un RTS
A
A
A Tx datos Canal LibreCanal Ocupado
ColisinReTx
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A
A
A
A Tx un CTS
A Tx un DS
ReTx
-
Problema de Estacin Oculta
40
A Tx B
si C Tx B produce Colisin
throughput
delay
A B C
-
Problema de Estacin Expuesta
A CB
D
41
C desea Tx a D
no lo hace pues el canal est ocupado
Utilizacin
A CB
-
Protocolo CSMA/CA Funcionamiento bsico:
Estacin sensa el canal, si est libre transmite frame; caso contrario se espera un tiempo aleatorio y se vuelve a sensar repitiendo el algoritmo. Para evitar colisiones se utilizan un par algoritmo. Para evitar colisiones se utilizan un par de pequeos frames llamados RTS y CTS
Sensado de canal dos niveles: fsico y lgico
RTS/CTS llevan el tamao del frame a Tx
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CSMA/CA
Solucin Problema Estacin Oculta
43
CA B
A RTS a B
-
CSMA/CA
Solucin Problema Estacin Oculta
44
CA B
B CTS a A
-
CSMA/CA
Solucin Problema Estacin Oculta
45
CA BC escucha CTS
de B
y retrasa su Tx a B
-
CSMA/CA
Solucin Problema Estacin Expuesta?
46
CA B
B RTS a A
-
CSMA/CA
Solucin Problema Estacin Expuesta?
47
CA
A CTS a B
B
-
CSMA/CA
Solucin Problema Estacin Expuesta?
D
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A B C
C escucha RTS de B
y continua su Tx a D
una vez que
sens el canal libre
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Protocolo MACA Multiple Access with Collision Avoidance
Funcionamiento bsico: Estacin no sensa el canal, y transmite un RTS, si el Rx est en condiciones, devuelve un CTS para comenzar la Tx de datos. comenzar la Tx de datos.
Adems, MACA soporta control automtico de potencia. Para esto usa prueba y error.
49
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MACA
D
Control automtico de potencia
50
A B
D
C
A RTS a B
-
MACA
D
Control automtico de potencia
51
A B
D
C
B CTS a A
-
MACA
D
Control automtico de potencia
52
A B C
D
Al escuchar el CTS de B, C limita su power
de Tx para comunicarse con D
-
Problema 1 de MACA
A DC
No provee recuperacin en subcapa MAC
B
53
A DC
A RTS a B
B
-
Problema 1 de MACA
A DC
No provee recuperacin en subcapa MAC
54
AB
C sufre colisin y no puede detectar
el RTS de D ni el CTS de B
DC
-
Problema 1 de MACA
A DC
No provee recuperacin en subcapa MAC
55
AB
DC
A Tx a B
D reCTS a C
-
Problema 1 de MACA
A DC
No provee recuperacin en subcapa MAC
56
La Tx de A a B colisiona con
el CTS que C enva a D
AB
DC
-
Problema 2 de MACA
A DCB
57
B RTS a A
A DCB
-
Problema 2 de MACA
A DCB
Caso cuando estacin receptora esta fuera de cobertura
58
A DC
El nodo expuesto C no sabe que puede
Tx a D pues asume que A respondi y
pospone su Tx
B
-
Problema 2 de MACA
A DC
Caso cuando estacin receptora esta dentro del rea de cobertura
59
A DC
El nodo expuesto C pospone su Tx
asumiendo que A respondi con un CTS
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Protocolo MACAW Multiple Access with Collision Avoidance for Wireless
Funcionamiento bsico: Estacin no sensa el canal, y transmite un RTS, si el Rx est en condiciones, devuelve un CTS. Antes de comenzar la Tx de datos el emisor enva un de comenzar la Tx de datos el emisor enva un frame DS y luego los datos, finalmente el Rx devuelve un ACK.
MACAW tambin soporta control automtico de potencia.
60
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Problema 1 de MACA
A DC
No provee recuperacin en subcapa MAC
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La Tx de A a B colisiona con
el CTS que C enva a D
AB
DC
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Solucin Problema 1 con MACAW
A DC
MACAW provee ACK y recuperacin
62
AB
DC
MACAW agrega ACK para proveer
recuperacin en el nivel MAC.
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Problema 2 de MACA
A DCB
Caso cuando estacin receptora esta fuera de cobertura
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A DC
El nodo expuesto C no sabe que puede
Tx a D pues asume que A respondi y
pospone su Tx
B
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Solucin Problema 2 con MACAW
A B DC
MACAW utiliza frame DS
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A B DC
B enva un DS antes de Tx datos
esto informa a C sobre la Tx de B
(handshaking exitoso)