Multiplexing und Multiple Access

Transkript

1 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

2 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

3 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

4 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

5 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

6 Delay Rechnung an der Tafel Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle 17

7 Dynamische Kanalzuweisung Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle 18

8 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

9 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

10 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

11 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

12 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

13 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

14 Motivation des Poisson Prozesses Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle 25

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

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

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

18 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 29

19 Tafelbild Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle 30

20 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 31

21 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 32

22 Tafelbild Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle 33

23 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 34

24 Multiple Access Protokolle Carrier Sense Multiple Access (CSMA) Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle 35

25 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 36

26 CSMA und Propagation Delay Beispiel: 1 Propagation Delay 2 Grundlagen der Rechnernetze Medienzugriffskontrolle 37

27 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 38