Grundlagen der Rechnernetze. Medienzugriffskontrolle

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1 Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle

2 Übersicht Multiplexing und Multiple Access Dynamische Kanalzuweisung Multiple Access Protokolle Spread Spectrum Orthogonal Frequency Division Multiplexing Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle 2

3 Multiplexing und Multiple Access Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle 3

4 Motivation Generelles Problem in diesem Vorlesungskapitel Unkontrollierter Medienzugriff führt zu Nachrichtenkollisionen Kapazität C bps Multiple Access Kanal Mögliche Lösung: Multiplexing N Subkanäle mit Kapazität jeweils C/N bps Multiplexer Demultiplexer Wie erreicht man eigentlich Multiplexing eines Kanals?... Bildquelle: Prof. Karl, Vorlesung Rechnernetze, WS 2011/2012 Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle 4

5 Frequency Division Multiplexing (FDM) To Z To Z (in frequency 2) (in frequency 1) Bildquelle: Prof. Karl, Vorlesung Rechnernetze, WS 2011/2012, Andrew S. Tanenbaum, Computer Networks, 4th Edition, 2003 Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle 5

6 FDM Implementation Bildquelle: William Stallings, Data and Computer Communications, Seventh Edition, 2004 Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle 6

7 FDM Implementation Bildquelle: William Stallings, Data and Computer Communications, Seventh Edition, 2004 Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle 7

8 Time und Space Division Multiplexing Time Division Multiplexing (TDM) To Z To Z Space Division Multiplexing (SDM) To Z To Z Bildquelle: Prof. Karl, Vorlesung Rechnernetze, WS 2011/2012 Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle 8

9 TDM Implementation Bildquelle: William Stallings, Data and Computer Communications, Seventh Edition, 2004 Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle 9

10 TDM Implementation Bildquelle: William Stallings, Data and Computer Communications, Seventh Edition, 2004 Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle 10

11 Code Division Multiplexing (CDM) s 1 Bandbreite r 1 Zeit Bandbreite Zeit s 2 Bandbreite r 2 Zeit Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle 11

12 Multiplexing und Multiple Access Auf der Physikalischen Schicht Multiplexing um eine Leitung für mehrere Übertragungen zugleich zu verwenden Beispiele: Kabel TV, Telefon Auf der Verbindungsschicht Multiplexing um konkurrenten Zugriff auf ein geteiltes Medium zu kontrollieren Man spricht dann von Multiple Access Also: FDMA, TDMA, CDMA, SDMA Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle 12

13 Statisches Multiplexing Auf der Physikalischen Schicht Medium wird in N Kanäle mit gleicher Bandbreite unterteilt Man spricht auch von statischem Multiplexing Multiplexing auf der Verbindungsschicht? Möglichkeit 1: Jedem Kommunikationspaar wird einer der N Kanäle der der physikalischen Schicht zugeordnet Sinnvoll wenn Kanal fasst die Datenrate der Quelle Datenrate der Quelle sättigt immer den Kanal Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle 13

14 Problem Traffic Bursts Datenverkehr mit Bursts bedeutet: große Differenz zwischen Spitzen und Durchschnittsrate Eine Hausnummer in Computer Netzen: Spitzenversus Durchschnittsrate = 1000 : 1 Mean rate Source data rate Time Bildquelle: Prof. Karl, Vorlesung Rechnernetze, WS 2011/2012 Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle 14

15 Statisches Multiplexing und Traffic Bursts Statisch aufgeteilte Ressourcen müssen entweder: Groß genug sein, um auch die Spitzendatenrate unmittelbar bedienen zu können! Ressourcenverschwendung, da die Linkkapazität im Mittel nicht ausgeschöpft wird Required rate für den mittleren Fall dimensioniert sein, aber wir benötigen dann einen Puffer! Was ist der Delay bis ein Paket übertragen werden kann? Packets Source data rate Mean rate Time New packets Queues MUX Bildquelle: Prof. Karl, Vorlesung Rechnernetze, WS 2011/2012 Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle 15

16 Delay Rechnung Betrachte: Kanal mit Kapazität C bps Exponential verteilte Paket Ankunftsrate von Pakete/Sekunde Exponential verteilte Paketlängen mit mittlerer Paketlänge von 1/ Bits/Frame Was ist die mittlere Wartezeit T eines Pakets bei idealem Kanalzugriff mit einer zentralen globalen Warteschlange? Was ist die mittlere Wartezeit T FDM von statischem FDM (andere Multiplexing Verfahren analog)? Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle 16

17 Delay Rechnung an der Tafel Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle 17

18 Dynamische Kanalzuweisung Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle 18

19 Dynamische Kanalzuweisung Statisches Multiplexing nicht geeignet für Verkehr mit Bursts Wesentlicher Grund: Zeitweise ungenutzte Kanäle Telefon oder TV hat keine Bursts: statisches Multiplexing sinnvoll Computer Netze hingegen haben Traffic Bursts: wir brauchen hier eine andere Form der Kanalzuweisung Alternative: Weise Kanal Ressourcen den Quellknoten zu, die aktuell Daten zu senden haben Grundlagen der Rechnernetze - Medienzugriffskontrolle 19

20 Annahmen für folgende Protokolldefinitionen Stationsmodell (oder Terminal model) N unabhängige Stationen teilen sich eine Ressource Single Channel Annahme Ein einziger Kanal für alle Stationen Keine weiteren Kanäle über die Kontrollsignale kommuniziert werden können Kollisionsannahme Zu jedem Zeitpunkt kann nur ein Paket erfolgreich übertragen werden Zwei oder mehr zeitlich überlappende Pakete kollidieren und werden damit ungültig (Ausnahmen bestätigen die Regel) Bildquelle: Prof. Karl, Vorlesung Rechnernetze, WS 2011/2012 Grundlagen der Rechnernetze - Medienzugriffskontrolle 20

21 Annahmen für folgende Protokolldefinitionen Zeit Modell Kontinuierliche Zeit: Übertragungen können zu beliebigem Zeitpunkt beginnen Zeit Slots: Zeit wird in Slots eingeteilt; Übertragungen können nur zu Slot Startpunkten stattfinden. Jeder Slot kann ungenutzt, erfolgreich oder mit einer Kollision behaftet sein. Carrier Sensing Stationen können bzw. können nicht erkennen, ob der Kanal von einem anderen benutzt wird oder nicht Detektion kann immer mit Ungenauigkeiten behaftet sein (z.b., überhören einer laufenden Übertragung) Time Time? Bildquelle: Prof. Karl, Vorlesung Rechnernetze, WS 2011/2012 Grundlagen der Rechnernetze - Medienzugriffskontrolle 21

22 Bewertungen der folgenden Protokolle Wie bewertet man die Effizienz eines dynamischen Medienzugriffs? Intuition: es sollten soviele Pakete wie möglich so schnell wie möglich erfolgreich übertragen werden Bei hoher Last (viele Übertragungen pro Zeiteinheit): Durchsatz ist das entscheidende Maß stelle sicher dass möglichst viele Pakete erfolgreich übertragen werden Bei geringer Last (wenige Übertragungsversuche pro Zeiteinheit): Delay ist das entscheidende Maß stelle sicher dass Pakete nicht zu lange warten müssen Fairness: Wird jede Station gleich wie die anderen bedient? Grundlagen der Rechnernetze - Medienzugriffskontrolle 22

23 Erfolgreiche Pakete (S) Durchsatz über angebotener Last Ein Paket pro Paketzeit Ideales MAC Protocol Reale MAC Protocolle Ein Paket pro Paketzeit Paketankünfte Angebotene Last G = Anzahl der Pakete pro Paketübertragungszeit, die das Protokoll zur Abarbeitung erhält 23 Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle

24 Stochastisches Modell für die angebotene Last Große Benutzerpopulation Ankommende Pakete Benutzer erzeugen unabhängig voneinander Pakete mit einer Gesamtrate von Paketen pro Zeiteinheit Grundlagen der Rechnernetze - Medienzugriffskontrolle 24

25 Motivation des Poisson Prozesses Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle 25

26 Motivation des Poisson Prozesses Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle 26

27 Multiple Access Protokolle ALOHA und Slotted ALOHA Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle 27

28 ALOHA Starte Übertragung wann immer ein Datenpaket vorliegt Bildquelle: Andrew S. Tanenbaum, Computer Networks, 4th Edition, 2003 Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle 28

29 Wann ist ALOHA sinnvoll? Bildquelle: Prof. Karl, Vorlesung Rechnernetze, WS 2011/2012 Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle 29

30 Performance von ALOHA Annahmen für die Analyse: Dauer einer Paketübertragung sei konstant t. Sehr große Benutzerpopulation Gesamtpopulation erzeugt Pakete Poisson Verteilt mit einer mittleren Paketrate von G Paketen pro Paketübertragungszeit t (G beinhaltet neue Pakete und die Pakete die nochmal übertragen werden müssen) Was ist der Durchsatz S an Paketen pro Paketübertragungszeit? Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle 30

31 Tafelbild Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle 31

32 Verbesserung Slotted ALOHA Starte Übertragung wann immer ein Datenpaket vorliegt Beginne die Übertragung jedoch nur zu Beginn von festen Zeit Slots Zeit Slot Paketankunft Paketübertragung Zeit Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle 32

33 Performance von Slotted ALOHA Gleiche Annahmen für die Analyse: Dauer einer Paketübertragung sei konstant t. Sehr große Benutzerpopulation Gesamtpopulation erzeugt Pakete Poisson Verteilt mit einer mittleren Paketrate von G Paketen pro Paketübertragungszeit t (G beinhaltet neue Pakete und die Pakete die nochmal übertragen werden müssen) Was ist der Durchsatz S an Paketen pro Paketübertragungszeit? Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle 33

34 Tafelbild Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle 34

35 Vergleich zwischen ALOHA und Slotted ALOHA S 1 Das Ideal 1 G Bildquelle: Andrew S. Tanenbaum, Computer Networks, 4th Edition, 2003 Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle 35

36 Multiple Access Protokolle Carrier Sense Multiple Access (CSMA) Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle 36

37 Carrier Sensing Start Höre in den Kanal Diese Vorgehensweise nennt man Carrier Sense Multiple Access (CSMA) Kanal frei? ja Sende Paket nein??? Frage: Kann man nach hören in den Kanal immer sicher sein, dass der Kanal frei ist? Ende Frage: Was ist mit der Nachricht zu tun, wenn der Kanal nicht frei ist? Wann kann die Nachricht übertragen werden? Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle 37

38 CSMA und Propagation Delay Beispiel: 1 Propagation Delay 2 Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle 38

39 CSMA und Propagation Delay Beispiel: 1 Propagation Delay 2 Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle 39

40 1 Persistent CSMA Start Beispiel: Höre in den Kanal Kanal frei? ja Sende Paket nein Warte solange bis Kanal frei wird Kollision? nein Ende ja Warte zufällige Zeit Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle 40

41 1 Persistent CSMA Start Beispiel: Höre in den Kanal Kanal frei? ja Sende Paket nein Warte solange bis Kanal frei wird Kollision? nein Ende ja Warte zufällige Zeit Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle 41

42 Nonpersistent CSMA Start Beispiel: Höre in den Kanal Kanal frei? ja Sende Paket nein Warte zufällige Zeit Kollision? nein Ende ja Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle 42

43 Nonpersistent CSMA Start Beispiel: Höre in den Kanal Kanal frei? ja Sende Paket nein Warte zufällige Zeit Kollision? nein Ende ja Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle 43

44 P Persistent CSMA Start Höre in den Kanal Beispiel: Kanal frei? ja Senden? (mit WK p) ja Sende Paket Kollision? nein Ende nein nein ja Warte einen Zeit Slot Warte einen Zeit Slot und dann höre in den Kanal Kanal frei? nein Warte zufällige Zeit ja Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle 44

45 P Persistent CSMA Start Höre in den Kanal Beispiel: Kanal frei? ja Senden? (mit WK p) ja Sende Paket Kollision? nein Ende nein nein ja Warte einen Zeit Slot Warte einen Zeit Slot und dann höre in den Kanal Kanal frei? nein Warte zufällige Zeit ja Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle 45

46 Durchsatz versus angebotene Last Wir analysieren nur den einfachsten Fall: Nonpersistent CSMA Annahmen: Gesamtrate an Nachrichten (d.h. neue und reübertragene) sei G Ankunftsrate der Nachrichten sei Poisson Verteilt (das ist eine vereinfachende Annahme) Propagation Delay sei a Zeiteinheiten Eine Paketübertragung dauert 1 Zeiteinheit Was ist der Durchsatz S über der angebotenen Last G? Betrachte die Zufallsgrößen: S Das Ideal B = Länge einer Busy Periode 1 I = Länge einer Idle Periode C = Länge eines Busy Idle Zyklus 1 G Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle 46

47 Tafelbild Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle 47

48 Durchsatz von ALOHA und CSMA Bildquelle: Andrew S. Tanenbaum, Computer Networks, 4th Edition, 2003 Grundlagen der Rechnernetze - Medienzugriffskontrolle 48

49 CSMA mit Kollisionsdetektion: CSMA/CD Start Beispiel: Persistent P Persistent Nonpersistent Starte Paketübertragung Kollision derweil? Ende nein ja Stoppe Paketübertragung Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle 49

50 CSMA mit Kollisionsdetektion: CSMA/CD Start Beispiel: Persistent P Persistent Nonpersistent Starte Paketübertragung Kollision derweil? Ende nein ja Stoppe Paketübertragung Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle 50

51 Binary Exponential Backoff Start Setze maximale Anzahl Slots N auf 2 Wähle einen zufälligen Zeit Slot k in {0,...,N 1} und starte Übertragung zum Slot k Letztes Frame Contention Periode Nächstes Frame nein Kollision? ja Mehr als 16 nein Versuche? ja Teile höherer Schicht mit, dass Paket nicht ausstellbar Ende Setze N auf 2*N Bemerkung: dies sind die Parameter aus Ethernet. Die Länge eines Zeitslots wird auf 2*Maximum Propagation Delay festgelegt. Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle 51

52 Quiz: warum 2*Propagation Delay? Maximales Propagation Delay sei 1 2 Wie weit können Startzeitpunkte von zwei kollidierenden Nachrichten auseinander liegen? Wie lange dauert es maximal bis alle die Kollision erkannt haben? Also ist ab dem ersten Slot der Kanal einem Knoten sicher zugewiesen. Dann kann keine Kollision mehr stattfinden. Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle 52

53 Betrachte ein sehr kurzes Paket und etwas längeres Paket: Sender 1 CD erfordert Mindestpaketlänge Empfänger 1 Sender 2 Also: Paket sollte groß genug sein, damit Sender die Kollision erkennen kann. Es sei p der maximale Propagation Delay und d die Datenrate. Welche Größe g sollte das Paket mindestens haben? Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle 53

54 Multiple Access Protokolle Kollisionsfreie und Limited Contention Protokolle Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle 54

55 Bit Map Protokoll Wechsel zwischen Contention und Frame Übertragungsphasen Es gibt eine feste Anzahl N von Knoten Jeder knoten hat eine eindeutige Nummer zwischen 0 und N 1 Was ist Kanaleffizienz (Nutz Bits über insgesamt gesendete Bits)? N=Anzahl Slots; jeder Slot ein Bit; d=anzahl Daten Bits pro Gerät Bei geringer Last: / Bei hoher Last: / 1 Bildquelle: Andrew S. Tanenbaum, Computer Networks, 4th Edition, 2003 Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle 55

56 Binary Countdown Binary Countdown am Beispiel Was ist die Kanaleffizienz (Nutz Bits über insgesamt gesendete Bits)? Bei geringer Last: Bei hoher Last: Wenn die Bits am Anfang als Adresse des Absenders Teil der Nachricht sind: Bildquelle: Andrew S. Tanenbaum, Computer Networks, 4th Edition, 2003 Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle 56

57 Binary Countdown Binary Countdown am Beispiel Was ist die Kanaleffizienz (Nutz Bits über insgesamt gesendete Bits)? Bei geringer Last: / Bei hoher Last: / Wenn die Bits am Anfang als Adresse des Absenders Teil der Nachricht sind: % Bildquelle: Andrew S. Tanenbaum, Computer Networks, 4th Edition, 2003 Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle 57

58 Wie erreicht man Fairness bei Binary Countdown? Problem: Knoten mit größeren Adresswerten werden bevorzugt. Idee: Binary Countdown nach Prioritätswerten. Beispiel: Knotenadressen: C H D A G B E F Prioritäten: Wenn D erfolgreich gesendet hat, ändern sich Prioritäten wie folgt Knotenadressen: C H A G B E F D Prioritäten: Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle 58

59 Limited Contention Protokolle Protokolle mit Contention (z.b. ALOHA, CSMA) geringe Latenz bei geringer Last aber schlechte Kanaleffizienz bei hoher Last Kollisionsfreie Protokolle (z.b. Binary Countdown) hohe Latenz bei geringer Last aber gute Kanaleffizienz bei hoher Last Warum nicht ein Protokoll welches sich bei geringer Last wie ein Protokoll mit Contention und bei hoher Last wie ein kollisionsfreies Protokoll verhält? Zunächst: Was ist der Einfluss der Anzahl k Stationen auf die Performance bei Protokollen mit Contention? Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle 59

60 Erfolgswahrscheinlichkeit einer Übertragung Also: die Performance degradiert auch schon bei wenigen übertragenden Knoten recht schnell. Idee: Versuche alle Teilnehmer in kleine Gruppe einzuteilen. Jede Gruppe kommt mal dran. Contention findet nur innerhalb der Gruppe statt. Bildquelle: Andrew S. Tanenbaum, Computer Networks, 4th Edition, 2003 Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle 60

61 Adaptive Tree Walk Protokoll Bildquelle: Andrew S. Tanenbaum, Computer Networks, 4th Edition, 2003 Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle 61

62 Adaptive Tree Walk Protokoll Level 0 Level 1 Level 2 Bildquelle: Andrew S. Tanenbaum, Computer Networks, 4th Edition, 2003 Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle 62

63 Tafelbild Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle 63

64 Multiple Access Protokolle Wireless LAN Probleme Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle 64

65 Ein ähnliches Problem; nur komplizierter Kollisionsdomäne S 2 T 2 S 1 T 1 Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle 65

66 Das Hidden Terminal Problem Collision S 1 T 1 S 2 T 2 CSMA verhindert nicht, dass S 2 sendet 66 Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle

67 Das Exposed Terminal Problem T 1 S 1 S 2 T 2 CSMA verhindert, dass S 2 sendet 67 Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle

68 Multiple Access Protokolle Vermeiden von Hidden und Exposed Terminal Problem Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle 68

69 Busy Tones S 1 T 1 S 2 T 2 Datenübertragung Busy tone während des Empfangs t 1 Andere Knoten sind während des Busy Tone Empfangs geblockt t 2 Daten Frequenz 69 Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle Busy Tone Frequenz

70 BT und das Hidden Terminal Problem Busy Tone S 1 T 1 S 2 T 2 Busy Tone verhindert, dass S 2 sendet 70 Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle

71 BT und das Exposed Terminal Problem Busy Tone T 1 S 1 S 2 T 2 Busy Tone verhindert nicht, dass S 2 sendet 71 Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle

72 Das Problem mit Busy Tones (1/2) Busy Tone S 1 T 1 S 2 T 2 Collision Daten und Busy Tone Frequenz unterliegen unterschiedlichen Fading und Dämpfungscharakteristiken. Busy Tone kann möglicherweise Kommunikationsnachbarn von T 1 nicht erreichen. Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle 72

73 Das Problem mit Busy Tones (2/2) Busy Tone T 1 S 1 S 2 T 2 73 Busy Tone erreicht möglicherweise Knoten S 2, welcher kein Kommunikationsnachbar ist. Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle

74 Eine bessere Lösung: CSMA & RTS/CTS S 1 T 1 RTS Beachte CTS Antwortzeit CTS Data NAV belegt das Medium für die Kommunikations Dauer 74 Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle

75 RTS/CTS und das HT Problem RTS CTS CTS S 1 T 1 S 2 T 2 CTS verhindert, dass S 2 sendet 75 Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle

76 RTS/CTS und das ET Problem RTS CTS T 1 S 1 S 2 T 2 S 2 hört CTS nicht und wird damit durch NAV nicht geblockt 76 Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle

77 Quiz: wird das HT Problem immer verhindert? S 1 T 1 T 2 S 2 S 1 T 1 S 2 T 2 RTS RTS CTS CTS Data Data Example 1: Data CTS Collision 77 Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle Example 2: Data Data Collision

78 Quiz: wird das HT Problem immer verhindert? S 1 T 1 T 2 S 2 S 1 T 1 S 2 T 2 RTS RTS CTS CTS RTS CTS RTS Data CTS CTS Data Example 1: Data CTS Collision 78 Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle Example 2: Data Data Collision

79 Quiz: wird das HT Problem immer verhindert? S 1 T 1 T 2 S 2 S 1 T 1 S 2 T 2 RTS RTS CTS CTS RTS CTS CTS RTS RTS CTS Data CTS CTS Data Data Data Example 1: Data CTS Collision 79 Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle Example 2: Data Data Collision

80 Spread Spectrum Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle 80

81 Generelles Modell Generell: schmalbandiges Signal wird über breites Band ausgedehnt Wozu ist diese Bandbreitenverschwendung gut? Steigert Robustheit gegenüber schmalbandigen Störungen (z.b. Jamming) Mithören der Nachricht nur möglich, wenn der Spreading Code bekannt ist Unabhängige Codes ermöglichen zeitgleiches übertragen mehrerer solcher schmalbandiger Signale (also: CDM bzw. CDMA) Bildquelle: William Stallings, Data and Computer Communications, Seventh Edition, 2004 Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle 81

82 Spread Spectrum Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle 82

83 FHSS Beispiel Spreading Code = Nach 8 Intervallen wird der Code wiederholt Bildquelle: William Stallings, Data and Computer Communications, Seventh Edition, 2004 Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle 83

84 Implementierung Sender A f 0 f i Amplitude des Signals Basis Frequenz Chipping Frequenz im iten Hop b i ites Datenbit (+1 oder 1) f Frequenz Separation Beispiel: BFSK Modulation der Daten Was ist das Produkt p(t) der Eingabe und des Chipping Signals? Bestimme p(t) und s(t) für das ite Bit Bestimme Frequenz des Daten Signals s(t) für Datenbit +1 und 1 Bildquelle: William Stallings, Data and Computer Communications, Seventh Edition, 2004 Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle 84

85 Tafelbild Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle 85

86 Implementierung Empfänger A f 0 f i Amplitude des Signals Basis Frequenz Chipping Frequenz im iten Hop b i ites Datenbit (+1 oder 1) f Frequenz Separation Bestimme p(t) für das ite Bit Bestimme das ursprüngliche Datensignal anhand desselben Chipping Signals Bildquelle: William Stallings, Data and Computer Communications, Seventh Edition, 2004 Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle 86

87 Tafelbild Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle 87

88 Erinnerung: was war MFSK? f i f c f d M L T s f c + (2i 1 M)f d Carrier Frequenz Was ist das ite Signalelement? FHSS mit MFSK Differenz Frequenz Anzahl der verschiedenen Signalelemente = 2^L Anzahl Bits pro Signalelement Zeit für ein Signalelement Signalelement wird jede T c Sekunden auf eine neue Hopping Frequenz moduliert. Wir unterscheiden: Slow Frequency Hop Spread Spectrum Fast Frequency Hop Spread Spectrum T c T s T c < T s Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle 88

89 Erinnerung: was war MFSK? f i f c f d M L T s f c + (2i 1 M)f d Carrier Frequenz Was ist das ite Signalelement? FHSS mit MFSK Differenz Frequenz Anzahl der verschiedenen Signalelemente = 2^L Anzahl Bits pro Signalelement Zeit für ein Signalelement Signalelement wird jede T c Sekunden auf eine neue Hopping Frequenz moduliert. Wir unterscheiden: Slow Frequency Hop Spread Spectrum Fast Frequency Hop Spread Spectrum T c T s T c < T s Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle 89

90 Slow Frequency Hop Spread Spectrum M=4, L=2 Bildquelle: William Stallings, Data and Computer Communications, Seventh Edition, 2004 Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle 90

91 Fast Frequency Hop Spread Spectrum M=4, L=2 Bildquelle: William Stallings, Data and Computer Communications, Seventh Edition, 2004 Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle 91

92 Spread Spectrum Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle 92

93 DSSS Beispiel Bildquelle: William Stallings, Data and Computer Communications, Seventh Edition, 2004 Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle 93

94 DSSS auf Basis von BPSK: Sender A Amplitude f_c Carrier Frequenz d(t) +1 für Bit 1 und 1 für Bit 0 Bildquelle: William Stallings, Data and Computer Communications, Seventh Edition, 2004 Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle 94

95 Tafelbild Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle 95

96 DSSS auf Basis von BPSK: Empfänger Bildquelle: William Stallings, Data and Computer Communications, Seventh Edition, 2004 Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle 96

97 Tafelbild Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle 97

98 Beispiel Bildquelle: William Stallings, Data and Computer Communications, Seventh Edition, 2004 Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle 98

99 Spread Spectrum Code Division Multiple Access (CDMA) Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle 99

100 CDMA Beispiel User A, B und C senden gleichzeitig Bildquelle: William Stallings, Data and Computer Communications, Seventh Edition, 2004 Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle 100

101 Tafelbild Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle 101

102 Orthogonalität von Codes Codes für zwei Knoten A und B mit S A (c B ) = S B (c A ) = 0 nennt man orthogonal. Nicht so einfach solche Codes zu konstruieren. Orthogonalität nicht zwingend notwendig. Es genügt: S X (C Y ) hat einen kleinen absoluten Wert für X!= Y Betrachte in vorigem Beispiel B und C... Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle 102

103 Tafelbild Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle 103

104 Beispiel: CDMA auf Basis von DSSS und BPSK Bildquelle: William Stallings, Data and Computer Communications, Seventh Edition, 2004 Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle 104

105 Orthogonal Frequency Division Multiplexing Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle 105

106 Orthogonal Frequency Division Multiplexing Verwendete Bandbreite? Bit Rate pro Subcarrier? Der wesentliche Vorteil: Frequenzselektive Störungen (Fading) betrifft nur wenige Bits (Fehlerkorrektur) Inter Symbol Interferenz signifikant reduziert. Was ist die Bit Zeit pro Kanal? Bildquelle: William Stallings, Data and Computer Communications, Ninth Edition, 2011 Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle 106

107 Orthogonal Frequency Division Multiplexing Verwendete Bandbreite? Bit Rate pro Subcarrier? / Der wesentliche Vorteil: Frequenzselektive Störungen (Fading) betrifft nur wenige Bits (Fehlerkorrektur) Inter Symbol Interferenz signifikant reduziert. Was ist die Bit Zeit pro Kanal? Bildquelle: William Stallings, Data and Computer Communications, Ninth Edition, 2011 Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle 107

108 Was bedeutet Orthogonalität bei OFDM? Bildquelle: William Stallings, Data and Computer Communications, Ninth Edition, 2011 Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle 108

109 Orthogonal Frequency Division Multiple Access Bildquelle: William Stallings, Data and Computer Communications, Ninth Edition, 2011 Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle 109

110 Zusammenfassung und Literatur Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle 110

111 Zusammenfassung MAC Schicht ist Teil der Verbindungsebene Kategorien Kollisionsbehaftet Kollisionsfrei Limited Contention Es gibt nicht Das MAC Protokoll ; hängt z.b. ab von Häufigkeit von Zugriffen Anzahl Nutzer Beispiel: CSMA versus TDMA Hauptkriterien für die Güte eines MAC Protokolls Durchsatz Delay Fairness Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle 111

112 Literatur [Stallings2011] William Stallings, Data and Computer Communications, Ninth Edition, Frequency Division Multiplexing 8.2 Synchronous Time Division Multiplexing 9 Spread Spectrum 14.5 Fourth Generation Systems [Tanenbaum2003] Andrew S. Tanenbaum, Computer Networks, Fourth Edition, The Channel Allocation Problem ALOHA Carrier Sense Multiple Access Protocols Collision Free Protocols Limited Contention Protocols Wireless LAN Protocols Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle 112