Kapitel 5 Medienzugang (Media Access Control)

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1 Kapitel 5 Medienzugang (Media Access Control) i. Zentral geregelte Media Access Control (MAC ) ii. Dezentraler, koordinierter Media Access Control (MAC) iii. Verteilter Media Access Control (MAC) a. Ohne Belegungserkennung b. Mit Belegungserkennung Geteiltes Medium Ausgangslage: Mehrere Knoten nutzen ein gemeinsames physisches Medium Multiplexen notwendig Beispiel: Drahtloses lokales Netz Laptop WLAN Access Point Smart Phone Tablet Kommunikationsnetze Medienzugang (WS 2018/19) 2 Prof. Jochen Seitz 1

2 Mehrfachzugriffsverfahren Space Division Multiple Access SDMA Mehrere separat genutzte Kanäle in einem Leitungsbündel Räumliche Aufteilung Time Division Multiple Access TDMA Sender belegen nacheinander für eine bestimmte Zeit das Medium Feste oder variable Zeitschlitze Frequency Division Multiple Access FDMA Jeder Sender bekommt einen Unterbereich der gesamten Bandbreite (Frequenz) zugewiesen Code Division Multiple Access CDMA Sender verwenden einen Code zur Spreizung ihrer Signale, den der Empfänger kennen muss f f t t Kommunikationsnetze Medienzugang (WS 2018/19) 3 Medienzugangssteuerung Regelung der Frage, wer senden darf durch zentrale Instanz Zuweisung von Zeitschlitz, Frequenz oder Code durch Abfragen (Polling) dezentral, aber deterministisch über Berechtigungsmarken (Token) dezentral, nicht deterministisch Kollisionen möglich Erkennen und Auflösung von Kollisionen Kommunikationsnetze Medienzugang (WS 2018/19) 4 Prof. Jochen Seitz 2

3 Zentrale Regelung durch Zuweisung Sender beantragt Ressource (also Zeitschlitz, Frequenz, ) Zentrale Instanz weist Ressource exklusiv zu Kollision höchstens bei der Beantragung möglich Beispiele: Vergabe von Fernseh-/Rundfunkfrequenzen Kommunikationsnetze Medienzugang (WS 2018/19) 5 Zentrale Regelung durch Polling Zentraler Knoten (Leitstation, Master) fragt untergeordnete Knoten im Netz (Folgestation, Slave) nach einem vorgegebenen Muster ab Untergeordnete Knoten dürfen nicht von sich aus senden Keine Kollisionen möglich Eventuell Verschwendung von Ressourcen, wenn Knoten abgefragt werden, die nichts zu senden haben Beispiele: Point Coordination Function (PCF) bei WLAN Bluetooth Piconetz Kommunikationsnetze Medienzugang (WS 2018/19) 6 Prof. Jochen Seitz 3

4 Bluetooth Piconetz Bluetooth Piconetz Ein Master und bis zu sieben Slaves ISM-Band: 2,402 2,48 GHz 79 (respektive 23) Kanäle à 1 MHz Frequenzsprungverfahren Wechsel der Sendefrequenz nach jedem Sendevorgang Frequenzfolge durch Master-ID vorgegeben 1600 Sprünge pro Sekunde Slave 1 Slave 3 Master Slave 2 Slave 4 Master 625ms Slave f 1 f 2 f 3 Kommunikationsnetze Medienzugang (WS 2018/19) 7 Verteilt, aber koordiniert Keine zentrale Station zur Kontrolle des Medienzugangs Verteilter Algorithmus Station darf nur senden, wenn sie eine Berechtigungsmarke (Token) hat Nach Senden muss Token weitergegeben werden Keine Kollisionen Garantierte Senderate bei begrenzten Sendezeiten Problem: Tokenmanagement Beispiele: Token Ring (IEEE 802.5) Token Bus (IEEE 802.4) Fibre Distributed Data Interface FDDI Profibus (Feldbus) Kommunikationsnetze Medienzugang (WS 2018/19) 8 Prof. Jochen Seitz 4

5 Token Ring Stationen sind in einem Ring angeordnet Frei-Token kreist im Ring Sendewillige Station wartet auf Frei-Token sendet Datenpaket hängt Besetzt-Token an Paket kreist im Ring und wird von Empfänger kopiert Empfänger hängt Quittung an Token Sender bekommt Paket, nimmt dieses vom Ring und erzeugt Frei-Token Kommunikationsnetze Medienzugang (WS 2018/19) 9 Token Ring Ablauf Empfänger Empfänger Sendewillige Station (a) Frei-Token kreist Sendewillige Station (b) Sender erzeugt Datenpaket und Besetzt-Token Empfänger Empfänger Empfänger Sendewillige Station Sendewillige Station Sendewillige Station (c) Empfänger kopiert Datenpaket und sendet Quittung (d) Sender nimmt Paket vom Ring (e) Sender erzeugt Frei-Token Kommunikationsnetze Medienzugang (WS 2018/19) 10 Prof. Jochen Seitz 5

6 Token Ring nach IEEE Mitte der 80er von IBM entwickelt Ursprünglich 4 Mb/s oder 16 Mb/s, später auch 100 Mb/s oder 1 Gb/s Logische Topologie: Ring Physische Topologie: Stern mit Ringleitungsverteiler Aktiver Anschluss der Stationen Punkt-zu-Punkt-Kommunikation zwischen den Stationen Station empfängt Daten, interpretiert diese und sendet sie erneut zum nächsten Nachbarn Kommunikationsnetze Medienzugang (WS 2018/19) 11 Token Ring: Topologie Ringleitungsverteiler Ringleitungsverteiler A B C A B C Physikalische Topologie: Stern Logische Topologie: Ring Ringleitungsverteiler IBM MAU 8228 Quelle: Kommunikationsnetze Medienzugang (WS 2018/19) 12 Prof. Jochen Seitz 6

7 Verteilt ohne Koordinierung Keine vorgegebene Entscheidung, welche Station Zugriff bekommt Jede Station zunächst gleichberechtigt Station entscheidet für sich, ob Sendung möglich Kollisionen möglich Kollisionserkennung/-vermeidung Kommunikationsnetze Medienzugang (WS 2018/19) 13 Klassifikation der verteilten MAC-Verfahren Ohne Koordinierung Keine Erkennung, ob Medium belegt Erkennung, ob Medium belegt (CSMA) ALOHA Slotted ALOHA D-Kanal-Zugang bei ISDN CSMA/CD CSMA/CA Kommunikationsnetze Medienzugang (WS 2018/19) 14 Prof. Jochen Seitz 7

8 ALOHA Entwickelt 1970 an der Universität Hawaii für das ALOHAnet zur Verbindung der vielen Inseln um Hawaii mit der Universität von Honolulu Stochastisches TDMA Keine Koordination der Sender Jede Station kann zu einem beliebigen Zeitpunkt senden Gleiche Länge aller Rahmen Kollisionen können auftreten Kollisionserkennung durch Ausbleiben der Quittung Nach Kollisionserkennung zufällige Wartezeit vor erneutem Senden Kommunikationsnetze Medienzugang (WS 2018/19) 15 ALOHA Ablauf Kollision Sender A Sender B Sender C Im Beispiel: 12 Pakete werden gesendet nur 7 kommen erfolgreich an Paketzustellrate 58% Bei hoher Last ist der mit ALOHA erzielbare Durchsatz eher gering t Kommunikationsnetze Medienzugang (WS 2018/19) 16 Prof. Jochen Seitz 8

9 Slotted ALOHA Durchsatz von ALOHA bei höherer Last sehr schlecht Verbesserung durch Synchronisierung der Sender und Einführung von Zeitschlitzen Slotted ALOHA Veröffentlichung 1975 Sendungen kollidieren so entweder komplett oder überhaupt nicht Theoretisch Verdopplung des möglichen Durchsatzes im Vergleich zum herkömmlichen ALOHA Komplexer aufgrund der notwendigen Synchronisation der Sender Anwendung in GSM zum Zugriff auf den Signalisierungskanal Kommunikationsnetze Medienzugang (WS 2018/19) 17 Slotted ALOHA Ablauf Kollision Sender A Sender B Sender C Im Beispiel: 17 Pakete werden gesendet 13 kommen erfolgreich an Paketzustellrate: 76,5 % t Kommunikationsnetze Medienzugang (WS 2018/19) 18 Prof. Jochen Seitz 9

10 Normierter Durchsatz Vergleich ALOHA Slotted ALOHA Sendeversuche pro Paketzeit Kommunikationsnetze Medienzugang (WS 2018/19) 19 Listen Before Talk Vor dem Senden überprüft Station das Medium Medium frei Senden möglich Medium belegt Warten Probleme: Sendezeitpunkt, wenn Medium belegt Gleichzeitiges Senden, da Sender zur gleichen Zeit entscheiden, dass Medium frei Kollisionen Kommunikationsnetze Medienzugang (WS 2018/19) 20 Prof. Jochen Seitz 10

11 S 0 -Schnittstelle bei ISDN AW ca. 150m B 1 +B 2 +D 16 NT U k0 S 0 S 0 S V~ TE1/ TA 1 TE1/ TA 2... TE1/ AW: Abschlusswiderstände TA 8 : Doppelader (Stromkreis) Kommunikationsnetze Medienzugang (WS 2018/19) 21 Codierung auf der S 0 -Schnittstelle AMI-Code: +0 (+750 mv) 1 (0 mv) -0 (-750 mv) Coderegel-Verletzungen (CV): jeweils Gleichstromausgleich CV Auf dem Bus setzt sich eine 0 gegenüber einer 1 durch CV Kommunikationsnetze Medienzugang (WS 2018/19) 22 Prof. Jochen Seitz 11

12 Sicherungsschichtpaket für D-Kanal Aufbau eines D-Kanal-Schicht-2-Pakets: Bits: Flag ( ) SAPI TEI Kontrollfeld Information FCS Flag ( ) C/R EA=0 EA=1 Ein solches Paket beginnt immer mit einer Anfangskennung ( Flag ) Kommunikationsnetze Medienzugang (WS 2018/19) 23 Zugriff auf den D-Kanal (I) D-Kanal-Information wird im separaten Echo -Kanal wieder zurückgesendet. Echo-Bits (NT TE) liegen zwischen den D-Bits (TE NT): NT TE: TE NT:...E...E...E...E...E.. Echo vorher...d...d...d...d...d.. Ruhesignal auf dem D-Kanal: binäre Einsen (0 Volt) Bevor eine binäre 0 gesendet wird, müssen mindestens 8 binäre Einsen auf dem Echo-Kanal abgewartet werden. Sobald ein aktives TE ein Echo-Bit erkennt, das ungleich dem von diesem TE gesendeten D-Bit ist, stoppt es sofort den Zugriff auf den D-Kanal. Kommunikationsnetze Medienzugang (WS 2018/19) 24 Prof. Jochen Seitz 12

13 Zugriff auf den D-Kanal (II) Problem: Wenn beide Endgeräte quasi gleichzeitig das Beginn-Flag senden, wird dort keine Kollision erkannt Lösung: Dann wird die Kollision später erkannt durch sich unterscheidende Adressen der Endgeräte. Betrachte dazu den Beginn eines Pakets: C/R SAPI 1 TEI Flag Bits Bits... Kommunikationsnetze Medienzugang (WS 2018/19) 25 Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD) Ursprüngliches MAC-Zugriffsverfahren für Ethernet Vor dem Senden Abhören des Mediums (CS) Senden nur, wenn Medium nicht belegt Erhöhte Kollisionsgefahr nach Ende der Übertragung Idee: statistische Verzögerung des Sendebeginns Non-persistent CSMA 1-persistent CSMA p-persistent CSMA Kommunikationsnetze Medienzugang (WS 2018/19) 26 Prof. Jochen Seitz 13

14 CSMA-Varianten 1-persistent CSMA 1. Wenn frei, übertrage sofort 2. Wenn belegt, warte bis frei und übertrage 3. Nach Kollision warte zufällige Zeit, dann beginne erneut Non-persistent CSMA 1. Wenn frei, übertrage sofort 2. Wenn belegt, warte gewisse Zeit, dann 1. p-persistent CSMA 1. Wenn frei, übertrage mit Wahrscheinlichkeit p oder warte einen Zeitschlitz mit Wahrscheinlichkeit 1-p, dann wieder 1 2. Wenn belegt, warte zufällige Zeit, dann 1. Kommunikationsnetze Medienzugang (WS 2018/19) 27 CSMA/CD Abhören des Mediums vor dem Senden Senden nur, wenn Medium nicht belegt Mithören der eigenen Sendung Empfängt die Station etwas anderes als sie sendet Kollision Für Kollisionserkennung Mindestlänge der Schicht-2-Rahmen notwendig! Nach Kollisionserkennung Jamming-Signal und Abbruch der Sendung Neuer Sendeversuch nach statistisch verteilter p-persistenen Verzögerungszeit Kommunikationsnetze Medienzugang (WS 2018/19) 28 Prof. Jochen Seitz 14

15 CSMA/CD Ablauf A beginnt Übertragung (t0) B beginnt Übertragung (t0 + tl ɛ) B entdeckt Kollision, stoppt eigene Übertragung (t0 + tl) B schickt Jamming-Signal, Kollision läuft weiter A entdeckt Kollision (t0 + 2(tL ɛ)) A A A A A B B B B B tl = Signallaufzeit von A nach B (Propagation Delay) 2tL = Signallaufzeit von A nach B und zurück (Round Trip Delay) Kommunikationsnetze Medienzugang (WS 2018/19) 29 Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance (CSMA/CA) Mithören der eigenen Sendung mitunter nicht möglich Funkkommunikation Kollisionserkennung durch ausbleibende Bestätigung Bei belegtem Medium zufällige Backoff-Zeit (Vielfaches eines Zeitschlitzes) Wird während des Wartens das Medium von einer anderen Station belegt, bleibt die Backoff-Zeit so lange stehen Übliches MAC-Verfahren für WLAN Kommunikationsnetze Medienzugang (WS 2018/19) 30 Prof. Jochen Seitz 15

16 CSMA/CA Ablauf Station 1 DIFS DIFS bo e bo r DIFS bo e bo r DIFS bo e busy Station 2 bo e busy Station 3 busy Station 4 bo e busy bo e bo r Station 5 busy bo e bo r Medium belegt (frame, ack etc.) Sendewunsch der jeweiligen Station (Paketankunft am MAC-SAP) bo e busy bo e bo r bo e bo r verstrichene backoff Zeit verbleibende backoff Zeit t Kommunikationsnetze Medienzugang (WS 2018/19) 31 Hidden-Node-Problem A B B C A B C Verminderung des Problems bspw. durch RTS/CTS Kommunikationsnetze Medienzugang (WS 2018/19) 32 Prof. Jochen Seitz 16

17 Request To Send / Clear To Send Sendewillige Station meldet ihren Sendewunsch (mit Sendedauer) an Empfänger mit Request To Send (RTS) Alle Stationen im Umkreis der sendewilligen Station bekommen den Sendewunsch mit Wenn Empfänger bereit ist, schickt er ein Clear To Send (CTS) an die sendewillige Station zurück Alle Stationen im Umkreis des Empfängers bekommen den Sendewunsch mit Nach erfolgreichem RTS/CTS ist der Sendevorgang ohne Kollisionsgefahr durchführbar Kommunikationsnetze Medienzugang (WS 2018/19) 33 Ablauf RTS / CTS A RTS CTS B Sendewillige Station Empfänger C Kommunikationsnetze Medienzugang (WS 2018/19) 34 Prof. Jochen Seitz 17

18 Exposed-Node-Problem B sendet zu A (Kanal X belegt) (Kanal X belegt) C wartet auf freien Kanal X, obwohl das Senden zu D möglich wäre (Kanal X nicht belegt) A B C D Lösung des Problems? Kommunikationsnetze Medienzugang (WS 2018/19) 35 Hybride MAC-Verfahren Kombination von verteilten Verfahren zur Reservierung und dann Kommunikation mittels zugewiesener Ressourcen 1. Phase: Versuch der Reservierung 2. Phase: Kollisionsfreier Zugriff Vergleichbar mit RTS/CTS Beispiele: Demand Assigned Multiple Access (DAMA) Packet Reservation Multiple Access (PRMA) Kommunikationsnetze Medienzugang (WS 2018/19) 36 Prof. Jochen Seitz 18

19 Demand Assigned Multiple Access Explizite Reservierung Zwei Modi: ALOHA-Modus für die Reservierung: In einem weiter aufgegliederten Zeitschlitz kann eine Station Zeitschlitze reservieren. Reserved-Modus für die Übertragung von Daten in erfolgreich reservierten Zeitschlitzen (keine Kollision mehr möglich). Einsatzgebiet z.b. Satellitenkommunikation Wesentlich ist, dass die in den einzelnen Stationen geführten Listen über Reservierungen miteinander zu jedem Punkt übereinstimmen, daher muss mitunter synchronisiert werden. Kommunikationsnetze Medienzugang (WS 2018/19) 37 DAMA Ablauf Kollision Aloha Reserved Aloha Reserved Aloha Reserved Aloha Kommunikationsnetze Medienzugang (WS 2018/19) 38 Prof. Jochen Seitz 19

20 Packet Reservation Multiple Access Implizite Reservierung Eine bestimmte Anzahl von Zeitschlitzen bilden einen Übertragungsrahmen, der sich zyklisch wiederholt. Stationen belegen einen (leeren) Zeitschlitz gemäß dem Slotted ALOHA -Prinzip. Mitteilung der aktuellen Belegung an alle (Basis-)Stationen Ein einmal erfolgreich belegter Zeitschlitz bleibt in allen darauffolgenden Übertragungsrahmen der erfolgreichen Station zugewiesen, aber nur solange, bis diese den Zeitschlitz nicht mehr benötigt und dieser somit leer bleibt. Einsatzgebiet z.b. Satellitenkommunikation Kommunikationsnetze Medienzugang (WS 2018/19) 39 PRMA Ablauf Reservierung Zeitschlitz: ACDABA-F Rahmen 1 A C D A B A F ACDABA-F Rahmen 2 A C A B A AC-ABAF- A---BAFD Rahmen 3 Rahmen 4 A B A F A B A F D Kollision bei der Belegung ACEEBAFD Rahmen 5 A C E E B A F D t Kommunikationsnetze Medienzugang (WS 2018/19) 40 Prof. Jochen Seitz 20

21 Literatur SCHILLER, J., Mobilkommunikation. 2., überarbeitete Auflage. München: Pearson Studium. Pearson Studium Informatik. ISBN SIEGMUND, G., Technik der Netze. 7., neu bearb. und erw. Auflage. Berlin: VDE Verlag. ISBN TANENBAUM, A.S., Computernetzwerke. 4., überarbeitete Aufl. München: Pearson Studium. Pearson Studium. ISBN Kommunikationsnetze Medienzugang (WS 2018/19) 41 Prof. Jochen Seitz 21