Übung 2 - Media Access Control (MAC)

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1 Übung 2 - Musterlösung 1 Übung 2 - Media Access Control (MAC) 0 Vorbereitung Arbeiten Sie im Ethernet-Buch von Jörg Rech das Unterkapitel 2.9 Media Access Control (MAC) durch (S ). 1 Kollisionsdomäne bei Fast Ethernet In dieser Aufgabe wird ausgerechnet, wie gross typischerweise die örtliche Ausdehnung einer Kollisionsdomäne bei Fast Ethernet mit einer Bitrate von 100 Mbit/s = 1e8 bit/s ist. Der Zeitraum, gemessen in Bitzeiten (BT), nachdem das Medium als eindeutig belegt gilt und bei dem eine mögliche Kollision bei der sendenden Station eintrifft, wird im Ethernet Standard als slot time bezeichnet. Die slot time korrespondiert dabei mit der minimalen MAC Framegrösse von 64 Byte, also 512 Bit. Innerhalb dieser 512 Bitzeiten muss gewährleistet sein, dass das Signal den gesamten Weg zu der entferntesten Station hin- und wieder zurücklaufen kann. Deshalb nennt man die slot time auch den maximalen Round Trip Delay (RTD). Wie gross ist bei Fast Ethernet eine Bitzeit (BT), d.h. die Dauer eines einzelnen Datenbits. Geben Sie den Wert in [ns] an. bit time = 1 BT = 1 / 100 Mbit/s = 10 ns Wie gross wird damit die slot time oder der Round Trip Delay in [ns]? slot time = 512 BT = ns = 5120 ns Die Ausbreitungsgeschwindigkeit v eines Datensignals in einem Cat. 5 UTP (Unshielded Twisted Pair) Kabel beträgt circa 60 % der Lichtgeschwindigkeit c = 300'000 km/s. Wie gross ist v in [m/ns] und welche Distanz legt das Signal während einer Fast Ethernet Bitzeit zurück? Ausbreitungsgeschwindigkeit: v = 0.6 3e8 m/s = 1.8e8 m/s = 0.18 m/ns Strecke in 1 BT: s = v BT = 0.18 m/ns 10 ns = 1.8 m

2 Übung 2 - Musterlösung 2 Fall A: Direkte Verbindung zwischen zwei Stationen L =? Zwei Stationen werden direkt über ein gekreuztes Cat. 5 UTP Kabel miteinander verbunden. Wie gross darf mit der oben berechneten Ausbreitungsgeschwindigkeit v die maximale Ausdehnung L der Kollisionsdomäne sein? Kollisionsdomäne: L = v slot_time / 2 = 0.18 m/ns 5120 ns / 2 = m oder mit BT: L = 1.8 m/bt 512 BT / 2 = m Die Maximaldistanz L wird erstaunlich gross. Der Grund ist darin zu finden, dass wir die Verzögerung des Signals in den elektronischen Komponenten nicht berücksichtigt haben. Für die typische Verarbeitungszeit beim Senden und Empfangen in einer Fast Ethernet Netzwerkkarte muss mit ca. 500 ns gerechnet werden (Sende- und Empfangsverzögerung zusammengezählt). Wie viele äquivalente Bitzeiten sind das und wie lange darf das Kabel zwischen den Stationen nun mehr sein, wenn die Verzögerung in beiden Netzwerkkarten bei einer Kollision berücksichtigt wird. Verzögerung (Senden + Empfang) in Netzwerkkarte: 500 ns / 10 ns = 50 BT Verzögerung durch zwei Netzwerkkartern: 2 50 BT = 100 BT Kollisionsdomäne: L = 1.8 m/bt (512 BT 100 BT) / 2 = 1.8 m/bt 412 BT / 2 = m Die nun erhaltene Maximaldistanz L ist kleiner geworden, liegt aber immer noch wesentlich über der durch die Kabeldämpfung bestimmten maximalen Cat. 5 Kabellänge von 100 m. Deshalb müssen Repeater (oder Hubs) zur Signalverstärkung dazwischen geschaltet werden. Der folgende Fall B zeigt diese neue Situation, wie sie im Ethernet Standard IEEE als Extremsituation aufgeführt ist.

3 Übung 2 - Musterlösung 3 Fall B: Verbindung über zwei Class II Repeater zwischen zwei Stationen L1 = 100 m L3 = 5 m L2 = 100 m Die beiden Stationen sind je über ein UTP Kabel der Länge L1 = L2 = 100 m an einen Hub angeschlossen. Die beiden Hubs sind über ein kurzes Verbindungskabel L3 = 5 m miteinander gekoppelt. Die maximale Durchlaufszeit von einem Eingangsport zu einem Ausgangsport ist für Class II Repeater mit 460 ns spezifiziert. Wie gross ist der Verzögerungsbeitrag pro Hub gemessen in Bitzeiten, wenn Sie berücksichtigen, dass bei einer Kollision der Hub zweimal durchlaufen wird? Berechnen Sie anschliessend den Round Trip Delay T zwischen den beiden Stationen in [ns] und Bitzeiten, unter Berücksichtigung der Verzögerungen in den Netzwerkkarten und Hubs. Gesamter Round Trip Delay in [ns]: T = ns ns m / 0.18 m/ns = 5118 ns Verzögerung in Netzwerkkarte: 50 BT Round Trip Delay durch Class II Repeater: ns / 10 ns = 92 BT Kabellaufzeit in BT: 205 m / 1.8m = BT Gesamter Round Trip Delay in BT: T = 2 50 BT BT BT = BT Kann bei dieser Gesamtdistanz von 205 m eine Kollision noch sicher detektiert werden? Da T = BT leicht unter dem maximalen RTD von 512 BT liegt, kann eine Kollision gerade noch erkannt werden!

4 Übung 2 - Musterlösung 4 2 Exponentieller Backoff Algorithmus Die Generierung einer Wartezeit nach dem Zufallsprinzip soll vermeiden, dass nach einer aufgetretenen Kollision die Stationen wieder gleichzeitig versuchen, ihre Frames auszusenden. Für die Ermittlung der individuellen Wartezeit ist im Ethernet-Standard folgender exponentielle Backoff-Algorithmus definiert: Jede beteiligte Station würfelt eine zufällige Integer-Zahl r, die mit der slot time multipliziert wird, um die Wartezeit T zu ermitteln. Bei wiederholter Kollision wird bei jedem Versuch n die Slot-Nummer r wie folgt ermittelt: 0r 2 k wobei k min( n,10) mit n = 1, 2, 3,, 15 Kann beim 16. Versuch die Kollision immer noch nicht aufgelöst werden, wird der zu sendene MAC Frame verworfen und eine Fehlermeldung an die höheren Schichten abgesetzt. Unter dem Link: steht ein Simulator zur Verfügung, mit dem der exponentielle Backoff-Algorithmus im Detail untersucht werden kann. Studieren Sie die Kollisionsbehandlung für eine unterschiedliche Anzahl (1...26) von Hosts, die gleichzeitig einen MAC Frame senden wollen. Analysieren Sie, wie die sich die Anzahl der echten Kollisionen durch die Vergrösserung der Framelänge (1..24) verringert. Wird dadurch der Durchsatz verbessert? Nicht unbedingt. Echte Kollisionen können zwar meist vermieden werden, aber durch die lange Belegung des Kanals werden immer grössere Backoff-Delays erzeugt, die viele unbelegte Slots schaffen. Bei gegebener Anzahl von Host- und fester Framegrösse, können durch Änderung des Seed-Werts die unterschiedlichsten zeitlichen Abläufe generiert werden. Es werden sowohl Best Case, wie auch Worst Case Szenarien erzeugt.

5 Übung 2 - Musterlösung 5 Um statistische Aussagen über den Einfluss der Anzahl der simultanen Hosts und der Framelänge machen zu können, müssen durch Veränderung des Seed, viele Szenarien durchgespielt und gemittelt werden. Deshalb wechseln wir vom Einzelmodus (Runs = 1) in den Statistikmodus (Runs > 1) und untersuchen für 4 Hosts den Einfluss der Framegrösse (Size), indem wir über 1000 Runs mitteln. Tragen Sie in der untenstehenden Tabelle die Best Case (min), Worst Case (max) und mittlere (avg) Efficiency in Prozent ein: Size: Best 66% 88% 94% 96% 95% 95% Average 28% 38% 44% 49% 52% 52% Worst 4% 9% 10% 16% 18% 14% Wie gross ist ungefähr die mittlere Auslastung des Kanals bei grösseren Frames? ca % Als Nächstes soll die Abhängigkeit der Kanalauslastung von der Anzahl der simultan sendenden Hosts bei einer festen Framegrösse von 4 Slots untersucht werden: Hosts: Best 100% 88% 94% 74% 63% 57% Average 100% 61% 44% 35% 26% 23% Worst 100% 8% 10% 9% 5% 5% Bei wie vielen gleichzeitig sendenden Hosts wird noch eine Kanalauslastung von ca. 40% erzielt? Bei ca. 6-7 Hosts.