Xarxes d'Àrea Local: Protocols, Control i Accés

Components d'una Xarxa d'Àrea Local (LAN)

• Estació: L'exemple més conegut és un ordinador personal (PC). L'estació executa un programari especial (driver) per accedir a la xarxa.
• Pila de protocols: Implementa els protocols de la xarxa d'àrea local. Normalment està inserida en un microprocessador de la targeta de xarxa dins l'estació.
• Interfície física: Proporciona la interfície entre el maquinari de l'estació i el medi físic de transmissió.
• Medi de transmissió: Proporciona el camí per on passen els senyals entre una estació i l'altra.

Serveis Proporcionats per una Xarxa d'Àrea Local

La principal funció de les xarxes d'àrea local és connectar dispositius propers per oferir:

• Accés a Internet: L'accés a Internet és compartit entre tots els usuaris de la xarxa.
• Compartició de perifèrics: Poden compartir dispositius relativament cars que només s'utilitzen una petita part del temps d'operació de cada estació.
• Accés a programari i bases de dades compartits: Aquest tipus d'accés permet abaratir considerablement el cost del maquinari i programari.
• Gestió de documents electrònics: Pot permetre, fins i tot, suprimir el flux de correu normal.

FDDI: Fiber Distributed Data Interface (anell doble)

Tipus de Xarxes

• Xarxes non-broadcast (no difusió, commutades o punt a punt): La comunicació s'estableix entre nodes adjacents. Els usuaris, habitualment, es comuniquen un a un. Exemples: Frame Relay i ATM.
• Xarxes broadcast (difusió, medi compartit): Un medi únic és compartit entre tots els usuaris. La informació es propaga pel medi i totes les estacions la reben. Degut a la simplicitat i baix cost, és la tècnica habitual de les xarxes d'àrea personal. Si dues estacions transmeten simultàniament, els senyals col·lideixen i s'interfereixen un amb l'altre. Per tant, cal una tècnica que permeti prevenir o minimitzar aquestes interferències.

Mètodes d'Accés al Medi

Reunió informal amb evitació de col·lisions

Sense moderador. Tothom escolta i espera l'oportunitat per parlar. Quan es produeix un període de silenci, algú declara les intencions de parlar i parla. En aquest interval, la resta roman en silenci.

CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance): Utilitzada a xarxes d'àrea local sense fils.

Reunió informal amb detecció de col·lisions

Sense moderador. Tothom escolta i espera l'oportunitat per parlar. Quan es produeix un període de silenci, algú comença a parlar sense avís previ. Si dues o més persones comencen a parlar al mateix temps, totes s'aturen.

CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection): Utilitzada a xarxes d'àrea local Ethernet.

Reunió formal

El moderador decideix qui parla en cada instant.

Enquesta centralitzada (polling): Un controlador central decideix quina estació és la següent en transmetre. S'usa a WLANs per oferir QoS.

Cerimònia de la pipa de la pau

Els assistents, asseguts fent rotllana, es passen la pipa. Només pot parlar el que té la pipa.

Tècniques de pas de testimoni: Utilitzades a xarxes Token Ring i Token Bus.

Control Centralitzat

Una estació central enquesta a les estacions per indicar quan poden accedir al medi i transmetre. Les estacions transmeten quan se'ls sol·licita que ho facin o quan una petició per fer-ho és autoritzada.

Avantatges:

• Proporciona gran flexibilitat, incloent prioritats i capacitat de transmissió garantida.
• Permet un sistema d'accés molt senzill a cada estació.

Inconvenients:

• El procés d'enquesta introdueix un overhead considerable en condicions de poc tràfic.
• El controlador pot actuar de coll d'ampolla reduint el rendiment conjunt. La fallada del controlador afecta tota la xarxa.

Control Distribuït

Cada estació assumeix part de la responsabilitat per controlar l'accés, detectar i resoldre problemes.

Avantatges:

• No tenen un punt únic sensible a fallades.

Inconvenients:

• No és tan flexible com el sistema d'enquesta i no ofereix QoS.
• Cada estació ha d'implementar la lògica de control, que és prou complexa.
• El rendiment es col·lapsa sota condicions de molt tràfic.

Accés Determinista

L'accés s'anomena determinista o sense contesa quan les estacions no lluiten per l'accés al medi. Permet conèixer el màxim de temps que haurà d'esperar una estació abans d'accedir al medi. Cada estació té garantit el dret de transmissió en un determinat interval de temps. Habitualment, aquests sistemes presenten control centralitzat.

Avantatges:

• És el mecanisme efectiu en situacions de molta càrrega, ja que un accés sense control esdevindria un caos.

Inconvenients:

• És ineficient en l'ús dels recursos i introdueix overhead en entorns de poc tràfic.

S'aconsegueix un sistema sense contesa mitjançant l'assignació dinàmica o estàtica de recursos (capacitat de transmissió) a les estacions. L'assignació estàtica (o fixa), que utilitza tècniques com FDMA, CDMA, TDMA, no és adient per a LANs, ja que les necessitats de cada estació són imprevisibles. L'accés determinista utilitza tècniques com enquesta centralitzada, pas de testimoni i reserva. Aquestes tècniques són planificades en front de les tècniques d'accés aleatori.

Enquesta Centralitzada

Un controlador central envia missatges d'enquesta (poll) a les estacions d'acord amb un ordre determinat. Normalment s'usa un sistema round-robin (torn rotatori). Quan l'estació rep el missatge pot transmetre les dades.

• Servei exhaustiu: Buida el buffer, incloses les noves arribades.
• Gated Service: Buida el buffer.
• Limitat a trama: Una trama per enquesta.
• Limitat en temps: Cert temps per enquesta.

El walk time és el temps transcorregut entre la transmissió del missatge d'enquesta i l'inici de la transmissió de l'estació corresponent. El temps de cicle és el temps transcorregut entre dues enquestes consecutives a la mateixa estació.

Tipus de Servei

• Servei exhaustiu: A mesura que creix la càrrega, ho fa el temps de cicle i el retard. El walk time total roman constant. Es pot considerar temps d'overhead, però negligible.
• Servei limitat: Si el tràfic és sensible a retards, és millor disposar d'un temps de cicle fitat. Assegura que els missatges d'enquesta es reben amb una freqüència mínima. Pot provocar que la utilització de la xarxa sigui més baixa.

Accés No Determinístic

Un sistema d'accés no determinístic no permet determinar de forma exacta la fita del temps a transcórrer abans que una estació tingui accés al medi. Fins i tot, no està assegurat el dret de transmissió dins un cert interval de temps. Els sistemes no determinístics també s'anomenen sistemes de contesa. No hi ha un control centralitzat per determinar els drets de transmissió. Les estacions competeixen (lluiten) per l'accés al medi. Les tècniques de contesa són les més indicades per a tràfic a ràfegues.

Les tècniques de contesa s'implementen fent que l'accés al medi sigui aleatori.

Les tècniques d'accés aleatori són:

• ALOHA (asíncron)
• ALOHA ranurat (síncron)
• CSMA (Carrier Sense Multiple Access)

Avantatges:

• Són d'implementació senzilla.
• Són efectives en entorns de tràfic reduït o moderat.

Inconvenients:

• Els sistemes es col·lapsen en situacions de molta càrrega.

Subcapes de la Capa d'Enllaç de Dades (IEEE 802.1)

1. Subcapa de control d'accés al medi (MAC):
   • Coordina l'accés al medi.
   • Servei de transferència de trames no orientat a connexió.
   • Les màquines s'identifiquen amb una adreça MAC/física.
   • Difusió de trames amb adreces MAC.
2. Subcapa de control lògic de l'enllaç (LLC):
   • Subcapa entre la capa de xarxa i la subcapa MAC.

IEEE 802.3 MAC: Ethernet

• Característiques del protocol MAC: CSMA/CD.
• El temps de ranura (Slot Time) és el paràmetre crític del sistema:
  • Fita superior del temps per detectar col·lisions.
  • Fita superior del temps per capturar el canal.
  • Fita superior de la longitud del segment de trama generat per una col·lisió.
  • Quàntum per a la planificació de la retransmissió.
  • Màxim {propagació anada-tornada, MAC jam time}.
• Algorisme backoff exponencial binari truncat:
  • Retransmissió n-èsima: 0 < r < 2^k, on k=min(n,10).
  • Abandona després de 16 retransmissions.
• Exemples de protocols que usen format DIX: TCP/IP, DECNET Fase IV, LAT (Local Area Transport), IPX.
• Exemples de protocols que usen format 802.3/LLC: AppleTalk Fase 2, NetBIOS, IPX.

LLC (Logical Link Control, 802.2)

És la interfície entre la capa de xarxa i la subcapa de control d'accés al medi. A Ethernet DIX, la subcapa LLC no existeix. A Ethernet 802.3 i altres LANs (Token Ring, FDDI, etc.), la subcapa LLC és la que ofereix el suport multiprotocol. Ofereix tres tipus de servei:

• LLC Tipus 1: Datagrames sense confirmació de recepció (com PPP però sense comprovar CRC). Atesa l'elevada fiabilitat de les LANs (BER típica < 10^-12), és el més estès. Però si hi ha errors, el rendiment baixa considerablement.
• LLC Tipus 2: Servei orientat a connexió fiable tipus HDLC. Molt poc utilitzat.
• LLC Tipus 3: Datagrames amb confirmació de recepció (intermedi entre els dos anteriors). Fins i tot menys utilitzat que el de tipus 2.

DSAP: Destination Service Access Point (protocol d'origen).

SSAP: Source Service Access Point (protocol de destí).

En els camps DSAP i SSAP, els dos primers bits tenen el significat Individual/Grup i Local/Global, igual que en els camps d'adreça MAC. Això només deixa 6 bits per distingir entre 64 protocols.

OUI: Organizationally Unique Identifier. Un prefix que identifica el fabricant del protocol (coincideix amb el de les adreces MAC).

Tipus: El protocol d'un OUI determinat.

Si l'OUI és 0x000000, el significat de Tipus és Ethertype.

Hub: Domini de col·lisió únic, parell trenat barat, senzill de manipular, fiable, topologia estrella, CSMA-CD.

Switch: Malla d'interconnexió d'alta velocitat, parell trenat barat, incrementa l'escalabilitat, dominis de col·lisió separats, operació dúplex.

100Base-TX

Codificació 4B/5B, dissenyada per a FDDI.

Els 32 possibles valors de 5 bits es divideixen en:

• 16 per transmetre informació (16 combinacions de 4 bits).
• Alguns dels altres 16 per a senyals de control.

Eficiència: 4 bits en 5 bauds, 4/5 = 0,8.

Manchester: 1 bit en 2 bauds, 1/2 = 0,5.

L'eficiència major permet l'ús de freqüències més baixes i cablat amb menor amplada de banda (125 Mbauds en front de 200 Mbauds). Full-duplex amb dos cables per estació (un per enviar i l'altre per rebre).

Fast Ethernet

100Base-T4 amb concentrador

• CSMA/CD, Back-off.
• Semidúplex.

100Base-T4/TX/FX amb commutador

• Trames d'entrada a commutador guardades a buffers.
• Diferents dominis de col·lisió.

L'estàndard defineix mecanismes de negociació per a les estacions i commutadors:

• Velocitat: 10Mbps, 100Mbps.
• Dúplex: Semi, total.

Gigabit Ethernet (802.3z, 1998)

Objectius:

• Ethernet 10 vegades més ràpida però compatible amb estàndards anteriors.
• Servei de datagrames sense confirmació de recepció amb difusió i multidifusió.
• Mateix esquema d'adreçament de 48 bits.
• Mantenir format de trama (incloses mides mínima i màxima).

Resultat: Connexions punt a punt (concentradors o commutadors). Un cable només té dos únics dispositius connectats.

Dos modes de funcionament:

• Dúplex total.
• Semidúplex.

Diferents medis de connexió.

Gigabit Ethernet: dúplex total

És el mode normal i el que permet tràfic simultani en els dos sentits.

• S'usa si es disposa de commutadors.
• Totes les trames es guarden en el commutador.
• No cal escoltar el canal (l'ordinador és l'únic usuari).
• No cal CSMA/CD.
• La longitud del cable ve limitada per les pèrdues.

Gigabit Ethernet: semidúplex

• S'usa si es disposa de concentradors.
• Cal CSMA/CD.
• La trama mínima de 64 Bytes implica una longitud de cable màxima de 25m.
• Inacceptable.

Xarxes Commutades i de Difusió

Les xarxes commutades (switched networks) proporcionen interconnexió entre els usuaris per medi de les línies de transmissió, multiplexors i commutadors. Requereixen l'ús de taules d'encaminament per accedir als destinataris identificats per adreces, sovint, organitzades de forma jeràrquica.

Les xarxes de difusió (broadcast networks) no utilitzen encaminament, ja que tota la informació és rebuda per tots els usuaris; no necessiten usar adreçament jeràrquic per indicar el destinatari. Requereixen un protocol de control d'accés al medi per coordinar les transmissions dels diferents usuaris.

El producte retard-amplada de banda és fonamental.

• La coordinació de la compartició del medi consumeix amplada de banda (explícita o implícitament).
• La dificultat de coordinació està relacionada amb el producte retard-amplada de banda.

Exemple: Sigui un sistema en el qual dues estacions comparteixen un medi. Protocol d'accés: Una estació, abans de transmetre, escolta el medi i transmet si el medi està lliure. Durant la transmissió, l'estació controla el medi per detectar les col·lisions (senyal corromput amb senyal de l'altra estació). Si es produeix la col·lisió, l'estació que inicià primer la transmissió, (suposam temps de propagació conegut) retransmet quan el canal queda lliure.

Assumpció d'Abramson: L'efecte de l'algorisme de backoff és que les arribades són equiprobables en qualsevol interval.

Carrier Sensing Multiple Access (CSMA)

L'estació comprova el canal abans d'iniciar la transmissió.

• Si està ocupat, espera o calcula el temps de guarda (opcions diferents).
• Si està buit, inicia la transmissió.
• El període vulnerable es redueix a t_prop (degut a l'efecte captura del canal).
• Les possibles col·lisions impliquen el temps complet de transmissió de trama.
• Si t_prop > X (o si a>1), no hi ha millora respecte a ALOHA o slotted ALOHA.

Comportament del transmissor quan es detecta el canal ocupat:

• CSMA 1-persistent: Inicia la transmissió tan aviat com el canal és buit. Retard i eficiència baixos.
• CSMA No-persistent: Espera el període de guarda, aleshores comprova l'estat altra vegada. Retard i eficiència elevats.
• CSMA p-persistent: Espera que el canal sigui buit, transmet amb probabilitat p o, amb probabilitat 1-p, espera un temps de mini-slot i comprova l'estat altra vegada. Retard i eficiència ajustables.

CSMA amb detecció de col·lisió (CSMA/CD): 2t_prop per capturar el canal

• Detecta les col·lisions i interromp les transmissions.
• Les estacions amb trames per enviar comproven el canal.
• Després d'iniciar les transmissions, segueixen escoltant el medi per detectar les col·lisions.
• Si es detecta la col·lisió, totes les estacions implicades detenen la transmissió, calculen temps de guarda aleatoris i ho intenten altra vegada en els instants calculats.
• Les col·lisions a CSMA provoquen una pèrdua de X segons esperant la transmissió d'una trama completa.
• CSMA-CD redueix la pèrdua en avortar la transmissió després de la detecció d'una col·lisió.

Planificació de Transmissions de Trama

• Les transmissions de trama es planifiquen per tal d'evitar les col·lisions en el medi compartit.
• Utilització del canal més eficient.
• Retards menys variables.
• Pot proporcionar-se equitat a les estacions.
• Més complexitat computacional i procedimental.
• Sistemes centralitzats: Un controlador central accepta peticions des de les estacions i atorga drets de transmissió.
• Frequency Division Duplex (FDD): Bandes de freqüència separades per pujada i baixada.
• Time-Division Duplex (TDD): El temps de pujada i baixada comparteixen el mateix canal.
• Sistemes distribuïts: Les estacions implementen un algorisme no centralitzat per determinar l'ordre de transmissió.

Opcions dels Sistemes de Reserva

• Sistema centralitzat o distribuït:
  • Sistema centralitzat: Un controlador central escolta les peticions de reserva, decideix l'ordre, atorga els drets.
  • Sistemes distribuïts: Cada estació determina els seus slots de transmissió a partir de la informació de reserva.
• Trames úniques o múltiples:
  • Reserva de trama única: Només es pot reservar una trama en cada període de reserva.
  • Reserva de múltiples trames: Poden reservar-se vàries trames en cada cicle.
• Reserves canalitzades o d'accés aleatori:
  • Reserves canalitzades (TDMA): Els missatges de reserva es multiplexen sense risc de col·lisió.
  • Reserves per accés aleatori: Cada estació transmet les seves peticions de reserva aleatòriament fins que l'intent és reeixit.

General Packet Radio Service (GPRS)

• Servei de paquets de dades sobre sistema cel·lular GSM.
• Els dispositius GPRS, p.ex. mòbils o portàtils, envien paquets de dades sobre el sistema ràdio i després a Internet.
• S'usa Slotted Aloha per a les reserves.
• Pot suportar reserves de trama única o múltiple.

Límits del servei: Quantes trames s'accepten per pregunta?

• Exhaustiva: Fins que el buffer de dades de l'estació és buit (incloses les noves trames arribades).
• Gated: Totes les dades del buffer en el moment de la pregunta.
• Frame-Limited: Una trama per pregunta.
• Time-Limited: Fins a un temps màxim.

Mecanismes de prioritat:

• Es pot concedir més amplada de banda i menor retard a les estacions si apareixen diverses vegades dins la llista d'enquesta.
• Poden establir-se nivells de prioritat per interrogar més a determinades estacions.

Mètodes de Reinserció de Testimoni

Latència d'anell: Nombre de bits que poden estar en trànsit simultàniament sobre l'anell.

• Operació multitestimoni: El testimoni lliure es transmet immediatament després del darrer bit de la trama.
• Operació testimoni únic: El testimoni lliure s'insereix després que es torni a rebre el darrer bit del testimoni ocupat. El temps de transmissió és com a mínim la latència de l'anell. Si la trama és més llarga que la latència de l'anell, equival a una operació multitestimoni.
• Operació trama única: El testimoni lliure s'insereix després que l'estació transmissora rebi el darrer bit de la seva trama. Equival a afegir una cua igual a la latència de l'anell.

Comparació de Tècniques MAC

Aloha & Slotted Aloha:

• Transferència senzilla i ràpida en condicions de càrrega molt baixa.
• Acomoda un gran nombre d'usuaris de tràfic a ràfegues baix.
• Retard molt variable a càrregues moderades.
• L'eficiència no depèn d'a.

CSMA-CD:

• Transferència ràpida i eficiència gran per a productes retard-amplada de banda baixos.
• Acomoda un gran nombre d'usuaris de tràfic a ràfegues.
• Retard variable i impredictible.

Reserva:

• Transmissió sota demanda de fluxos a ràfegues o estables.
• Acomoda un gran nombre d'usuaris de baix tràfic amb reserves slotted Aloha.
• Pot incorporar QoS.
• Gestiona productes retard-amplada de banda grans amb retards garantits.

Enquesta:

• Generalització del multiplexat per divisió de temps.
• Proporciona equitat mitjançant oportunitats d'accés regulars.
• Pot proporcionar retards d'accés fitats.
• El rendiment baixa amb productes retard-amplada de banda elevats.

Canalització per Codi

• Cada canal utilitza un codi pseudo-aleatori diferent.
• Els codis presenten poca correlació creuada.
• Si difereixen en la meitat dels bits, la correlació és propera a zero i l'efecte sobre el senyal dels altres usuaris és molt petit.
• A mesura que el nombre d'usuaris augmenta, l'efecte sobre el senyal és un increment del soroll additiu.
• CDMA presenta un increment gradual de la BER degut al soroll provocat per l'augment d'usuaris.
• Les interferències entre canals poden eliminar-se si s'usen codis ortogonals i es sincronitzen transmissors i receptors.