4.4.3 Mehrpunkt-Übertragung (Medium-Zugriff)

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1 Leseprobe Kommunikationssysteme (Band 1) aus Abschnitt Sicherungsschicht Mehrpunkt-Übertragung (Medium-Zugriff) Bei der Mehrpunktübertragung teilen sich mehr als 2 Stationen ein gemeinsames Übertragungsmedium bzw. einen Übertragungskanal. Der Übertragungskanal ist so organisiert, daß mehrere Paare von DL-Instanzen quasi gleichzeitig über den Kanal im Multiplex kommunizieren können. Das Linkmanagemanagement hat dafür zu sorgen, daß es zu keiner Datenkollision kommt, oder wenn dies eintritt, die Kollision nach einem geeigneten Verfahren aufgelöst wird. Die Kanalsteuerung beinhaltet hierbei zweilerlei Aufgaben: 1. die Steuerung, welche Station von einem Paar senden, und welche empfangen soll. Dies entspricht der Verbindungssteuerung, die auch in Punkt-zu-Punkt-Anordnungen notwendig ist. 2. die Steuerung welches Stationspaar unter vielen gerade die Kontrolle über das Medium hat. Diese Funktion bezeichnet man als Medium-Zugriff (engl. Medium ACcess: MAC). Beide Aufgaben sind in der Praxis mitunter nicht eindeutig zu trennen und vermischen sich in realisierten Systemen. Eine eindeutige Trennung findet man dagegen im Bereich der lokalen Netze (LAN) vor. Bei den ISO-Standards für Bus- und Ring-LANs hat man der unterschiedlichen Funktion sogar besonders Rechnung getragen, indem die beiden Funktionen in getrennten Schichten des Kommunikationssystems angesiedelt werden. Man unterscheidet hier innerhalb der OSI-Schicht 2 zwei DL-Instanzen: LLC (Logical Link Control) Diese Instanz ist für das Sicherungsprotokoll und für die Verbindungssteuerung für je zwei DL-Partnerinstanzen zuständig. MAC (Medium Access Control) Diese Instanz übernimmt die Zugriffssteuerung zum Medium. In der Datenkommunikation findet, abgesehen von wenigen Ausnahmen, meist das Zeitmultiplexverfahren zur Lösung des Medium-Zugriffs und der Verbindungssteuerung Anwendung. Es wird unterschieden zwischen Verfahren mit geordnetem Zugriff, bei denen einer Station der Zugriff nach einer festgelegten Reihenfolge ausdrücklich erlaubt wird und solchen mit ungeordnetem Zugriff. Bei ungordnetem Zugriff greifen die Stationen zufällig auf das Medium zu und es können Kollisionen auftreten. Drei häufig benutzte Verfahren sind - das Poll-Select-Verfahren, - das Token-Verfahren und - das CSMA/CD-Verfahren.

2 Bevor hierauf näher eingegangen wird, sollen zunächst CSMA/CD In lokalen Datennetzen ist die Zahl der Stationen oft verhältnismäßig gering, z.b. einige 10. Wenn die Stationen nur sehr selten Daten senden, dann aber viele Daten zu senden haben, sind Linkmanagement-Verfahren, die nach einem geordneten Prinzip arbeiten, unwirtschaftlich. Sie haben einen geringen Durchsatz, weil fortwährend das Sendrecht an Stationen vergeben wird, die nichts zu senden haben. In solchen Fällen sind die Verfahren mit ungeordnetem, d.h. stochastischem Zugriff erheblich leistungsfähiger. Auch hierbei sind alle Stationen gleichberechtigt. Das Grundprinzip aller stochastischer Zugriffsverfahren besteht darin, daß eine sendewillige Station i.a. sofort mit dem Senden beginnt, im Vertrauen darauf, daß es wegen des geringen Verkehrsaufkommens der übrigen Stationen zu einer erfolgreichen Übertragung kommt. In einigen wenigen Fällen kann dies nicht der Fall sein; es tritt eine Kollision auf. Merkmal der stochastischen Verfahren ist also, daß sie nicht kollisionsfrei sind. Wegen seiner weiten Verbreitung in lokalen Netzen soll hier das Carrier Sense Multiple Access-Verfahren mit Collission Detection (CSMA/CD) stellvertretend für alle stochastischen Zugriffsverfahren besprochen werden. Schon der Name des Verfahrens deutet auf die Zugriffsprinzipien hin: Carrier Sense Multiple Access Collission Detection Medium auf Träger abhören, Vielfacher Zugriff mehrerer Stationen, Kollisionserkennung. Das Verfahren ist auschließlich für Bussysteme geeignet; es setzt eine ungerichtete Datenübertragung zu beiden Seiten der sendenden Station entlang des Busses voraus. Anwendung findet dieses Verfahren in dem bekannten ETHERNET, einem LAN-Standard für Koaxial-Bussysteme, der in IEEE beschrieben wird [169], [170]. Zugriffsverhalten Das Verhalten der DL-Instanzen bei dem CSMA/CD-Verfahren läßt sich gemäß Bild 4.32 darstellen. Eine sendewillige DL-Instanz hört den Bus solange auf eventuell schon sendende, andere Stationen ab, bis sie den Bus frei vorfindet. Dann beginnt sie mit der Aussendung ihres Rahmens. Auch während des gesamten Sendevorgangs wird der Bus abgehört, ob die Übertragung durch andere Stationen gestört wird oder ob die Übertragung kollisionsfrei abläuft. Auf die Notwendigkeit des Mithörens während des Sendens wird noch eingegangen.

3 Bild Linkzugriffsverhalten der DL-Instanz beim CSMA/CD-Verfahren Wenn während des Sendens keine Kollision festgestellt wird, erfolgte die Übertragung des Rahmens ordnungsgemäß und die DL-Instanz wartet, bis sie wieder etwas zu senden hat. Tritt dagegen eine Kollision auf, so muß der gleiche Rahmen erneut übertragen werden. Die DL- Instanz sendet für eine gewisse Zeit ein Störsignal aus (JAM-Signal), das alle Nachbarstationen definitiv von der Kollision in Kenntnis setzt und wartet dann eine zufällige Zeit, bevor sie erneut den Bus zum Senden abhört. Die Zufallszeit zum erneuten Senden ist notwendig; hierdurch wird vermieden, daß im Fall einer Kollision, die daran beteiligten Stationen nicht im unmittelbaren Anschluß erneut einen Konflikt produzieren. Würden nämlich zwei oder mehr Stationen kollidieren und würden diese sofort wieder den Bus abhören, so fänden sie den Bus abermals frei vor, beginnen mit dem Senden und kollidieren abermals. Eine fortwährende, deterministische Kollision wäre vorprogrammiert. Eine unterschiedliche, zufällige Wartezeit bei den Stationen entspannt den Konflikt. Für das CSMA/CD-Prinzip sind folgende Funktionen besonders wichtig und verlangen eine sorgfältige Dimensionierung bei der Realisierung: - eine sende- und empfangsseitige Richtungstrennung, damit im Empfangspfad Daten anderer Stationen von den eigenen getrennt werden können, - eine, meist in Hardware realisierte Erkennungsschaltung zur Detektion von Kollisionen, - einen Zufallsgenerator, mit dem die statistische Wartezeit nach einer Kollision generiert wird, - die Beachtung von Dämpfungsverläufen entlang des Busses sowie einen möglichst reflexionsfrei abgeschlossenen Bus. Die eindeutige Frei-Erkennung des Busses und die Kollisionserkennung erfordern Mindestempfangspegel; diese Funktionen dürfen nicht durch Mehrfachreflexionen an den Busenden gestört sein. - die Beachtung der Signallaufzeit zwischen Sender und Empfänger.

4 Insbesondere die Signallaufzeit ist bei dem CSMA/CD-Verfahren eine systembestimmende Größe, wie im folgenden gezeigt wird. Sie entsteht durch die endliche Ausbreitungsgeschwindigkeit auf dem Bus und durch Verzögerungszeiten in den elektronischen Schaltungen des Businterfaces. Slot Time und Minimale Rahmenlänge Aufgrund der endlichen Signallaufzeit können zwei oder mehr Stationen den Bus zu einem bestimmten Zeitpunkt durchaus gleichzeitig als frei vorfinden und somit gleichzeitig zu senden beginnen. Dies führt dann zu einem späteren Zeitpunkt irgendwo auf der Leitung zu einer Datenkollision. Die beteiligten Stationen können dann die Kollision erst nach dem Sendebeginn feststellen. Dies ist der Grund, weshalb die DL-Instanzen auch während des Sendens den Bus abhören müssen. Bild 4.33 verdeutlicht den Ausbreitungsvorgang entlang der Leitung. Systembestimmend sind die maximale Leitungslänge, die durch die zwei entferntesten Stationen 1 und n gegeben ist, sowie die Verzögerungszeiten in den Businterfaces. Zum Zeitpunkt t möge Station 1 den Bus frei vorfinden und mit dem Senden ihres Rahmens beginnen. Die Signalflanke des Rahmens benötigt eine endliche Laufzeit a, bis sie am entfernten Ende bei Station n angelangt ist und am Businterface bemerkt wird. Unmittelbar vor dem Zeitpunkt t+a sei nun Station n sendebereit und findet den Bus ebenfalls frei vor, da die Daten von Station 1 sich noch gerade nicht bis Station n ausgebreitet haben. Station 2 beginnt bei t+a- t ihren Rahmen auszusenden und stellt unmittelbar danach zum Zeitpunkt t+a eine Kollision fest. Würde Station n nun direkt aufhören zu senden, so würde Station 1 nicht feststellen können, daß am entfernten Ende eine Kollision stattgefunden hat. Deswegen muß Station n mindestens solange weiter senden, bis die Vorderflanke ihres Rahmens bei Station 1 bemerkt wird und damit auch Station 1 die Kollision erkennt. Voraussetzung ist hierbei, daß Station 1 immer noch sendet.

5 Bild CSMA/CD: Zur Ableitung der minimalen Rahmenlänge Insgesamt muß daher Station 1 einen Rahmen senden, der mindestens eine Übertragungszeit von der doppelten Signallaufzeit in Anspruch nimmt. Da keine der Stationen am Bus bevorrechtigt ist, muß die Übertragungszeit für einen Rahmen, der Bedingung Tü >2a (4.38) genügen, damit alle Stationen am Bus eine Kollision erkennen können. Die doppelte Signallaufzeit 2a bezeichnet man als round trip delay oder Slot Time. Sie ist nicht nur für die Mindestübertragungszeit sondern auch für die Dimensionierung der Wartezeit nach erfolgter Kollision wichtig (siehe nächster Abschnitt).

6 Präambel : Sync-Zeichen SFD : Starting Frame Delimiter DA : Destination Address SA : Source Address Length : Länge des nachfolgenden Info-Feldes (max Bytes) Pad : Padding-Bytes zum Auffüllen des Rahmens auf >=64 Bytes CRC : Prüf-Sequenz Bild Rahmenaufbau der DL-PDUs bei CSMA/CD (Beispiel ETHERNET) Die Stationen senden mit einer konstanten Übertragungsgeschwindigkeit vü. Mit der Slot Time und dieser Übertragungsgeschwindigkeit ergibt sich für das CSMA/CD-Verfahren, daß die übertragenen Rahmen eine Mindestlänge haben müssen, nämlich n = vü Tü > vü 2a. (4.39) Die Mindestrahmenlänge, die Übertragungsgeschwindigkeit und die maximale Signallaufzeit stehen also in einem engen Verhältnis. Die Signallaufzeit hängt wiederum vom Medium, der maximalen Ausdehnung des Bussystems und den Verzögerungen der eingesetzten Schaltungen ab. Alle Größen sind sorgfältig aufeinander abzustimmen. Der Bus kann also, selbst wenn die Dämpfung keine Rolle spielen würde, nicht beliebig weit ausgedehnt sein. Bei dem erwähnten Ethernet sind beispielsweise festgelegt: Übertragungsgeschwindigkeit maximale Entfernung 10 Mbit/s 500 m Slot Time 2a 50 µs Aus Gleichung (4.39) berechnet man mit diesen Werten eine Mindestrahmenlänge nmin = 500 Bit. Die Festlegung einer Mindestrahmenlänge hat Auswirkungen auf das Rahmenformat der DL- PDUs. Bild 4.34 zeigt einen typischen Rahmenaufbau, wie man ihn bei diesem Zugriffsverfahren vorfindet. Die einzelnen Felder der DL-PDU sind ganzahlige Vielfache von Bytes. Bis auf das Informationsfeld haben alle übrigen Felder eine feste Länge. Es wird eine Mindestrahmenlänge von nmin = 512 Bit (64 Byte) gewählt, so daß das Informationsfeld eine Mindestlänge von 46 Bytes aufweisen muß, um die Forderung nach einer minimalen Rahmenlänge zu erfüllen. Da das Informationsfeld eine variable Länge hat, wird der Rahmen ggf. mit Hilfe sog. Padding-Bytes auf die Mindestlänge aufgefüllt.

7 Statistische Wartezeit Stellt eine Station eine Kollision fest, so macht es keinen Sinn, vor Ablauf der Slot Time 2a erneut mit dem Senden zu beginnen. Würden darüberhinaus kollidierte Stationen deterministisch sofort nach Ablauf der Zeit 2a erneut senden, so wäre wieder eine Kollision zu erwarten. Stationen, die Kollisionen festgstellt haben, müssen deshalb nach einem zufälligen Schema wiederholt senden, um den Konflikt zu beseitigen. Dies wird durch eine zufällige Wartezeit nach der Kollision geregelt. Bei den meisten CSMA-Verfahren wird die Wartezeit Tw in ganzahligen Einheiten der Slot Time ermittelt: Tw = i. 2a (4.40) Hierin wird i als ganze Zahl zufällig aus dem Intervall 0 i < 2k (4.41) gewählt und k ist die Anzahl der erfolglosen Versuche. Nach jedem Mißerfolg bei der Übertragung steigt also die Wartezeit im Mittel exponentiell an 1. Nach einer Kollision könnte direkt im nächsten Slot (i=0) oder übernächsten Slot (i=1) wieder gesendet werden. Dagegen verteilt sich die Wartezeit bei zweimaliger Kollision bereits auf die Werte 0, 2a, 4a oder 6a. Die Wahrscheinlickeit, daß nach einer erfolgten Kollision direkt im nächsten Slot wieder gesendet werden darf, ist Ps = 1 2k. (4.42) Sie ist gleichzusetzen mit der Kollisionswahrscheinlichkeit auf dem Bus, wenn 2 Stationen wartend sind. Die Kollisionswahrscheinlichkeit baut sich also mit jeder erneuten Kollision schrittweise auf einen kleineren Wert ab, so daß Konflikte konvergierend abnehmen. Andererseits wird bei diesem Prinzip (gewollt) erreicht, daß diejenigen Stationen bevorrechtigt senden dürfen, die wenig zu Kollisionen beitragen; dies trifft für Stationen mit wenig Verkehrsaufkommen zu. 1 k wird auf den Ausgangswert null zurückgesetzt, wenn eine Übertragung kollisionsfrei war.

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