Übungen zu Rechnerkommunikation

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1 Übungen zu Rechnerkommunikation Sommersemester 2009 Übung 4 Jürgen Eckert, Mykola Protsenko PD Dr.-Ing. Falko Dressler Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg Informatik 7 (Rechnernetze und Kommunikationssysteme) Rechnerkommunikation, Übung 4

2 Übung 4: Stop-and-ait, Go-Back-N, Selective Repeat UML-Statecharts Leistungsanalyse ohne Fehler: - Stop-and-ait - Schiebefensterprotokolle (Go-Back-N, Selective Repeat) mit Fehler - Selective Repeat - Go-Back-N ichtige Begriffe: normierter Durchsatz (= Leitungsauslastung) Sequenznummernraum Rechnerkommunikation, Übung 4 2

3 UML-Statecharts ein Statechart befindet sich immer in einem Zustand, der schwarze Punkt kennzeichnet den initialen i i Zustand ein Zustandsübergang findet statt, wenn das Ereignis ausgelöst wurde und die Bedingung erfüllt ist wenn ein Zustandsübergang stattfindet, wird die Aktion durchgeführt zur Steigerung der Flexibilität gibt es auch Variablen Ereignis[Bedingung]/Aktion /Aktion Zustand Zustand 2 Rechnerkommunikation, Übung 4 3

4 UML-Statecharts Verzweigung Zustand, in dem keine Zeit verbracht wird ( Pseudozustand Pseudozustand ) abgehende Zustandsübergänge werden mittels Bedingungen gewählt, auslösende Ereignisse sind hier nicht möglich [Bedingung]/Aktion [Bedingung2]/Aktion2[ g g Rechnerkommunikation, Übung 4 4

5 Stop-and-ait Sender Empfänger rdt_send(data)/ pkt=pkt(sqn,data,crc); udt_send(pkt); udt_rcv(pkt) [ biterror(pkt) SQN(pkt)=SQN]/ data=extractdata(pkt); start t_timer udt_rcv(ack) rdt_rcv(data); rcv(data); [biterror(ack) ACK=ACK(SQN,CRC); /SQN= SQN(ACK)SQN)]/ udt_send(ack); wait for wait for SQN++ data ACK timeout/ udt_send(pkt); udt_rcv(ack)/ start_timer udt_rcv(ack) wait for /SQN=; packet ACK=ACK(0,CRC) [ biterror(ack) SQN(ACK)=SQN]/ stop_timer; SQN++ udt_rcv(pkt) [biterror(pkt) v SQN(pkt)SQN]/ udt_send(ack) Rechnerkommunikation, Übung 4 5

6 Leistungsanalyse: Stop-and-ait Stop-and-ait ohne Fehler L/R Vernachlässigung der ACK-Sendezeit 2D und Bearbeitungszeiten L/R (sinnvolle vereinfachende Annahme 2D für diese Berechnungen) pro Zeit gesendete Bits: L Durchsatz L /R 2D normiert durch die Bitrate (gut für Vergleich bei verschiedenen Bitraten): L normierter Durchsatz S L /R 2D R 2RD /L RD D wobei a = Kanalpuffergröße in Paketen, d.h., d h a L L / R S schlechter Durchsatz für große a (Kanal kann nicht gefüllt werden) Rechnerkommunikation, Übung 4 6

7 Übung 4. Betrachten Sie eine Halbduplex-Punkt-zu-Punkt-Verbindung, für die das Stop-and-ait-Verfahren eingesetzt wird. as geschieht mit der Leitungsauslastung g (= normierter Durchsatz S), wenn die Größe der Nachrichten (Objekte) erhöht wird? Die anderen Parameter, inkl. der Paketgröße, sollen nicht verändert werden. elche Auswirkung auf die Auslastung der Leitung kann man beobachten, wenn die Anzahl der Pakete bei konstanter Nachrichtengröße erhöht wird? elche Auswirkung auf die Auslastung der Leitung hat eine Vergrößerung der Pakete? Rechnerkommunikation, Übung 4 7

8 Übung 4.2 Ein Kanal hat eine Datenrate von 4,0 kbps und eine Ausbreitungsverzögerung von 20 ms. Für welchen Bereich von Paketgrößen hat das Stop-and- ait-verfahren eine Effizienz von mindestens 50%? Rechnerkommunikation, Übung 4 8

9 Stop-and-ait Sequenznummerraum die Repräsentation der Sequenznummern ist endlich: ein Feld mit n Bits ermöglicht m = 2 n Sequenznummern iederverwendung durch zyklisches Durchlaufen für Stop-and-ait: ein Bit ist zur Darstellung von 2 Sequenznummern ausreichend: 0 und Stop-and ait mit 0 und als Sequenznummern heißt auch Alternating-Bit-Protokoll Rechnerkommunikation, Übung 4 9

10 Übung 4.3 arum werden beim Alternating-Bit-Protokoll keine speziellen NAK0- und NAK-NachrichtenNachrichten benötigt? zur Erklärung: NAK: No Acknowledgment / Negative Acknowledgment - zur Ablehnung übertragener Daten ab, z.b. bei fehlerhaftem Empfang - bei NAK-Empfang kann Sender entsprechende Pakete nochmals übertragen Rechnerkommunikation, Übung 4 0

11 Leistungsanalyse: Schiebefensterprotokolle Schiebefensterprotokolle ohne Fehler für Fenstergröße mit Paketen der Länge L Fall : das Fenster ist nicht groß genug um zu senden, bis ACK zurückkommt Sender Empfänger =2 L L L/R L/R 2D 2D ACK R R - Bedingung: L / R 2D L / R - normierter Durchsatz: ACK S L L /R 2D R Rechnerkommunikation, Übung 4

12 Leistungsanalyse: Schiebefensterprotokolle Schiebefensterprotokolle ohne Fehler Fall 2: das Fenster ist groß genug g um zu senden, bis ACK zurückkommt: - Bedingung: L / R 2D L / R - normierter Durchsatz: S L L /R Zusammenfassung: R L L 2D Sender Empfänger R R =3 L/R L/R 2D ACK ACK S Rechnerkommunikation, Übung 4 2

13 Übung 4.4 Auf einer Satellitenverbindung mit,0 Mbps und 270 ms Verzögerung sollen Pakete der Größe 000 Bits eingesetzt werden. ie hoch ist die maximale Auslastung der Verbindung bei Stop-and-ait-Flusskontrolle? Schiebefenster-Flusskontrolle mit einer Fenstergröße von 7 Paketen? Schiebefenster-Flusskontrolle mit einer Fenstergröße von 27 Paketen? Schiebefenster-Flusskontrolle mit einer Fenstergröße von 255 Paketen? Rechnerkommunikation, Übung 4 3

14 Übung 4.5 Die Abbildung unten stellt drei Hosts dar. Pakete werden bei Host A erzeugt und über B nach C versendet. Bestimmen Sie die minimale i Übertragungsrate t zwischen B und C, bei der die Puffer bei Knoten B nicht überlaufen, wenn folgende Voraussetzungen gelten: Die Datenrate zwischen A und B beträgt 00 kbps. Die spezifische Ausbreitungsverzögerung beträgt 0 µs/km bei beiden Verbindungen. Die Leitungen unterstützen Vollduplex-Betrieb. Alle Datenpakete sind 000 Bits groß. ACK-Pakete haben eine vernachlässigbare Größe. Zwischen Host A und B wird ein Schiebefensterprotokoll mit einer Fenstergröße von 3 Paketen verwendet. Zwischen Host B und C wird Stop-and-ait verwendet. Es treten keine Fehler auf. A 2000 km 500 km Tipp: Damit die Puffer bei B nicht überlaufen, muss bei Host B die Anzahl der in einem langen Intervall ankommenden Pakete gleich der Anzahl der abgehenden Pakete sein. Rechnerkommunikation, Übung 4 4 B C

15 Selective Repeat informelle Beschreibung des Protokolls Verhalten des Senders. wenn Daten zum Senden und Platz im Fenster: sende Paket starte Timer für dieses Paket inkrementiere nextsqn 2. wenn ein ACK ohne Bitfehler und mit SQN im Fenster zurückkommt: markiere das Paket mit SQN als bestätigt schiebe das Fenster bis zur nächsten Lücke 3. wenn der Timeout für das Paket mit SQN abläuft: sende dieses Paket erneut starte den Timer für dieses Paket erneut nextsqn Sendeseite: base base+- Rechnerkommunikation, Übung 4 5

16 Selective Repeat informelle Beschreibung des Protokolls Verhalten des Empfängers. wenn Paket ohne Bitfehler und mit SQN im Fenster ankommt: sende ACK mit dieser SQN puffere das Paket schiebe das Fenster bis zur nächsten Lücke 2. wenn Paket mit SQN aus vorigem Fenster ankommt: sende das ACK hierfür erneut Empfängerseite: base base+- Rechnerkommunikation, Übung 4 6

17 Übung 4.6 Nehmen Sie an, dass ein Selective-Repeat-Schema mit =4 zur Übertragung benutzt wird. Veranschaulichen Sie anhand eines Beispiels, dass Sequenznummern mit 3 Bits genügen. Rechnerkommunikation, Übung 4 7

18 Übung 4.7 Knoten tauschen Pakete von fester Größe L Bits auf einem Kanal mit Datenrate von R bps, Ausbreitungsgeschwindigkeit c und einer Länge l aus. Bestimmen Sie eine Formel für die minimale Größe des Sequenznummernfeldes (Anzahl der benötigten Bits) in Abhängigkeit i von R, R l, c und L, L bei der die maximale Auslastung der Verbindung berücksichtigt wird. Dazu können Sie annehmen, dass ACK-Pakete eine vernachlässigbare Größe besitzen und die Verarbeitung in den Knoten unmittelbar geschieht (d.h. keine Zeit benötigt). Rechnerkommunikation, Übung 4 8

19 Leistungsanalyse: Schiebefensterprotokolle Selective Repeat mit Fehlern Annahme: unabhängige Fehler mit ahrscheinlichkeit p N = E[Sendeversuche] = /(-p) der Durchsatz im fehlerfreien e e e Fall muss durch N geteilt t werden: S p N /( p) N ( ) /( p) ( ) ( p) S p ( p) Rechnerkommunikation, Übung 4 9

20 Leistungsanalyse: Schiebefensterprotokolle Go-back-N mit Fehlern jeder Fehler erfordert eine Sendewiederholung von K Paketen Annahme: im Fehlerfall ist das Fenster gefüllt und alle Pakete des Fensters müssen erneut gesendet werden, dann: K wenn das fehlerhafte Paket i-mal gesendet wird, müssen insgesamt +(i-)k = (-K)+Ki Pakete gesendet werden N i (( K) Ki) p i ( p) ( K)( p) p K( p) ( K)( p) p i p K( p) ( p) i i ( K)( p) p K( p) p 2 i0 i0 K p Kp K p p Rechnerkommunikation, Übung 4 20 i i i i

21 Leistungsanalyse: Schiebefensterprotokolle mit K erhalten wir: N p Kp p p Kp p p ( )p p p p p p p Division des Durchsatzes ohne Fehler durch N ergibt: S p N p N ( ) ( p ( p) p) ( ) S p p ( p) ( p p) ( ) Rechnerkommunikation, Übung 4 2

22 Leistungsanalyse: Schiebefensterprotokolle normierter Durchsatz von Go-Back-N und Selective Repeat als Funktion von a, p=0 - : Rechnerkommunikation, Übung 4 22

23 Aufgabe - Übung 4.8 Ein ebserver empfängt üblicherweise relative kleine Nachrichten (Requests) von den Clients, überträgt aber möglicherweise sehr große Objekte als Antwort an die Clients. elches ARQ-Protokoll (Automatic Repeat Request), dh d.h., Selective Repeat oder Go-back-N, würde besonders populäre ebserver am wenigsten belasten? arum? Rechnerkommunikation, Übung 4 23

24 Aufgabe - Übung 4.9 Zeichnen Sie die Leitungsauslastung (= normierter Durchsatz S) als Funktion der Fehlerwahrscheinlichkeit p für folgende Fehlerkontrollmechanismen. Stop-and-ait Go-back-N mit = 7 Go-back-N mit = 27 Selective Repeat mit = 7 Selective Repeat mit = 27 Orientieren Sie sich dazu an dem vorigen Graph. Nehmen Sie für die Kanalpuffergröße a folgende erte an: 0. 0 elche Technik ist für die jeweiligen erte von a die beste? Rechnerkommunikation, Übung 4 24