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 Multiple Access Protokolle ALOHA und Slotted ALOHA Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle 26

27 ALOHA Starte Übertragung wann immer ein Datenpaket vorliegt Bildquelle: Andrew S. Tanenbaum, Computer Networks, 4th Edition, 2003 Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle 27

28 Wann ist ALOHA sinnvoll? Bildquelle: Prof. Karl, Vorlesung Rechnernetze, WS 2011/2012 Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle 28