Xarxes d’àrea local Topologies i polítiques de control d’accés al medi José M. Barceló Ordinas Enric Peig Olivé P03/05098/02039

© Universitat Oberta de Catalunya • P03/05098/02039

2

Xarxes d’àrea local

© Universitat Oberta de Catalunya • P03/05098/02039

Índex

Introducció ................................................................................................ 5 Objectius ..................................................................................................... 6 1. Xarxes d’àrea local ............................................................................. 7 2. Arquitectura de protocols per a una xarxa d’àrea local .......... 9 2.1. Estàndards ......................................................................................... 10 3. El medi de transmissió ....................................................................... 11 3.1. Xarxes d’àrea local cablejades .......................................................... 11 3.2. Xarxes d’àrea local sense fil .............................................................. 12 4. Topologies en una xarxa d’àrea local ............................................ 13 4.1. Topologia en bus ............................................................................. 13 4.2. Topologia en anell ............................................................................ 14 4.3. Topologia en estrella ......................................................................... 17 4.4. Pseudotopologies sense fil ................................................................ 19 5. Control d’accés al medi ..................................................................... 21 5.1. Control d’accés al medi estàtic ......................................................... 22 5.1.1. Accés múltiple per divisió en el temps ................................ 22 5.1.2. Accés múltiple per divisió en freqüència .............................. 23 5.1.3. Accés múltiple per distinció de codis .................................... 23 5.1.4. Valoració del control d’accés al medi estàtic ........................ 25 5.2. Control d’accés al medi dinàmic ...................................................... 27 5.2.1. Accés dinàmic per control centralitzat ................................. 27 5.2.2. Accés dinàmic per control distribuït ..................................... 27 5.3. Control d’accés al medi aleatori ....................................................... 40 5.3.1. Algorisme Aloha pur ............................................................. 41 5.3.2. Algorisme Aloha segmentat .................................................. 45 5.3.3. Problemes d’estabilitat dels algorismes Aloha pur i Aloha segmentat ................................................ 46 5.3.4. Accés múltiple per escolta de portadora ............................... 46 5.3.5. Comparació entre els algorismes Aloha, Aloha pur i CSMA ...................................................... 50 5.3.6. Accés múltiple per escolta de portadora amb detecció de col·lisions ................................................... 50 5.3.7. CSMA/CD o anells amb pas de testimoni ............................. 52 5.4. Accés múltiple per escolta de portadora amb eliminació de col·lisions ........................................................... 53

Xarxes d’àrea local

© Universitat Oberta de Catalunya • P03/05098/02039

6. Estàndards per a xarxes d’àrea local ............................................. 56 6.1. Ethernet i IEEE802.3 ......................................................................... 58 6.1.1. Nivell físic .............................................................................. 58 6.1.2. Control d’accés al medi ......................................................... 59 6.1.3. Format de trama Ethernet ..................................................... 60 6.1.4. Adreces .................................................................................. 61 6.1.5. Concentradors i commutadors ............................................. 62 6.1.6. Ethernet full-duplex .............................................................. 67 6.1.7. Sistemes multiestàndard ....................................................... 67 6.2. EIA/TIA 568 ....................................................................................... 68 6.2.1. Topologia ............................................................................... 69 6.2.2. Medi físic ............................................................................... 70 6.2.3. Certificació ............................................................................ 71 6.3. IEEE802.11 o WiFi ............................................................................ 72 6.3.1. Nivell físic .............................................................................. 73 6.3.2. Control d’accés al medi ......................................................... 74 6.3.3. Topologia ............................................................................... 75 Resum .......................................................................................................... 77 Activitats .................................................................................................... 79 Exercicis d’autoavaluació ...................................................................... 79 Solucionari ................................................................................................. 81 Glossari ....................................................................................................... 87 Bibliografia ................................................................................................ 88

Xarxes d’àrea local

© Universitat Oberta de Catalunya • P03/05098/02039

5

Introducció

Les xarxes d’àrea local sorgeixen com una tecnologia capaç de connectar ordinadors en una àrea petita, com pot ser una oficina, un edifici o un departament d’una universitat. Actualment, amb la creixent implantació de la informàtica domèstica i el baix cost de l’equipament necessari, comença a ser habitual trobar xarxes locals fins i tot a les cases. L’objectiu principal d’una xarxa d’àrea local és poder compartir recursos entre diferents ordinadors, tant si és maquinari especialitzat (impressores, escànners, sistemes de còpia de seguretat, etc.) com programari (aplicacions i les seves dades associades que han de ser usades per diferents usuaris). En aquest mòdul didàctic veurem els principis de funcionament de les xarxes d’àrea local i les tasques que s’han de dur a terme per a aconseguir la comunicació entre totes les estacions presents a la xarxa. Presentarem les diferents topologies possibles, enumerant els seus avantatges i els seus inconvenients, i els diferents protocols d’accés al medi actualment disponibles. Igualment avaluarem els paràmetres més característics dels diferents protocols per poder decidir quin és més convenient en cada situació que es pugui plantejar. Finalment, descriurem els estàndards més significatius en el camp de les xarxes locals i la seva aplicació concreta.

Xarxes d’àrea local

© Universitat Oberta de Catalunya • P03/05098/02039

6

Objectius

L’estudi dels materials didàctics d’aquest mòdul ha de permetre que l’estudiant assoleixi els objectius següents: 1. Ser capaç de definir una xarxa d’àrea local i entendre els seus principis de funcionament. 2. Conèixer els nivells OSI que intervenen en les xarxes d’àrea local. 3. Poder descriure les diferents topologies amb què es poden dissenyar les xarxes d’àrea local: bus, anell i estrella. 4. Entendre la diferència que hi ha entre una topologia física i una topologia lògica i el paper que hi tenen els concentradors i els commutadors. 5. Conèixer els diferents protocols d’accés al medi que s’han proposat i les prestacions que tenen. 6. Conèixer els estàndards més usats en les xarxes d’àrea local, en concret Ethernet i token ring, així com l’estàndard de cablatge estructurat i els emprats a les xarxes sense fil.

Xarxes d’àrea local

© Universitat Oberta de Catalunya • P03/05098/02039

7

Xarxes d’àrea local

1. Xarxes d’àrea local

Una xarxa d’àrea local és un tipus de tecnologia dissenyada per a connectar ordinadors o estacions en un àmbit local. Són xarxes que tenen un diàmetre (separació entre els diferents components de la xarxa) que oscil·la entre desenes de metres i uns quants quilòmetres.

Àmbit local Quan parlem d’àmbit local pensem, per exemple, en una oficina, un departament d’una empresa, un edifici o un campus universitari de petites dimensions.

L. Quinn i R. Russell proporcionen una definició senzilla de LAN: “Una xarxa d’àrea local és un sistema que permet connectar directament diverses estacions entre si”.

En endavant, abreujarem xarxa d’àrea local amb la sigla anglesa LAN (Local Area Network).

Fixeu-vos que aquesta definició consta d’unes quantes paraules clau: • És un sistema, ja que consta de diversos components, com ara cables, interfícies de xarxa, estacions repetidores, commutadors, protocols, etc. • Proporciona connectivitat perquè les estacions puguin intercanviar informació. • Les estacions estan connectades directament entre si per un medi de transmissió (per exemple, un cable o l’aire), interfícies de xarxa (per exemple, un connector o una antena) i/o mecanismes d’interconnexió (per exemple, un repetidor o un commutador). • Finalment, es connecten diverses estacions entre si, de manera que comparteixen el mecanisme de transmissió. Caldrà definir una sèrie de criteris per decidir quina de les estacions fa servir el medi de transmissió en cada moment.

Una LAN, per definició, és una xarxa per difusió (broadcast). En una xarxa per difusió, totes les estacions reben una còpia de la informació transmesa per una altra estació.

Una nova filosofia de disseny de LAN Com veurem més endavant, en els darrers anys ha sorgit un altre tipus de filosofia de disseny de LAN: són les LAN commutades. Una LAN commutada envia les dades únicament a l’estació de destinació basant-se en un camp de la capçalera de la trama transmesa que conté l’adreça de l’estació de destinació.

Als apartats 4.3. i 6.1.5. tractarem aquest tema amb més profunditat.

© Universitat Oberta de Catalunya • P03/05098/02039

8

La definició de LAN ens permet intuir els tres paràmetres principals que descriuen una LAN i que determinen les característiques de la xarxa: • El medi de transmissió. • La topologia de la xarxa: la geometria de connexió dels components de la xarxa. • La política d’accés al medi: descriu els criteris necessaris perquè totes les estacions connectades a la xarxa puguin accedir de manera eficient al medi de transmissió. Així doncs, es podria dir que el medi de transmissió defineix les característiques relacionades amb la transmissió de la informació (cables, codificació, senyals, etc.), mentre que la topologia defineix la manera com es connecten les estacions (en forma d’anell, d’estrella o de bus) i l’accés al medi defineix com comparteixen el medi totes les estacions (quina estació transmet en cada moment). Al llarg d’aquest mòdul didàctic estudiarem a fons aquests tres punts clau i la influència que exerceixen en el disseny d’una xarxa d’àrea local. Abans, però, descriurem una LAN des del punt de vista de la pila de protocols OSI.

Xarxes d’àrea local

© Universitat Oberta de Catalunya • P03/05098/02039

9

Xarxes d’àrea local

2. Arquitectura de protocols per a una xarxa d’àrea local

Quan es presenta el funcionament d’una LAN cal tenir en compte que els nivells de la torre OSI afectats són el físic i el d’enllaç. Tanmateix, hem de considerar que aquests dos nivells no poden ser definits com en un enllaç punt a punt, ja que els terminals que fan servir la LAN són més de dos. Cal, per tant, modificar el model OSI, tal com l’hem vist fins ara, per poder-hi fer cabre les LAN. Les modificacions converteixen els dos nivells inferiors en tres:

El nou nivell de control d’accés al medi implementa la funcionalitat necessària per a permetre l’accés dels múltiples terminals a l’únic medi de transmissió disponible. El nivell MAC* es crea, doncs, fent servir un protocol que executaran tots els terminals de manera distribuïda, i que ha d’oferir un repartiment eficient (i just) de la capacitat disponible del medi de transmissió a tots els terminals participants de la LAN. L’addició d’aquest nou nivell exigeix l’estudi dels subnivells de què partim, per a veure quina funcionalitat roman al nivell físic, quina al d’enllaç i quina passa a formar part de la del nou nivell MAC.

* MAC prové de l’expressió anglesa Medium Access Control sublayer.

© Universitat Oberta de Catalunya • P03/05098/02039

10

Xarxes d’àrea local

Tota la funcionalitat “baixa” del nivell d’enllaç ha passat al nivell MAC. Aquesta migració no és arbitrària, el nivell MAC (com el d’enllaç) necessita dades estructurades per a afegir la informació de control que ha de menester per al seu funcionament intern. Fonamentalment necessita dues coses: • Adreces* per a saber si la trama que detecta en el medi de transmissió va destinada a ell o no.

* Per a diferenciar aquestes adreces d’altres, les anomenarem adreces MAC.

• Detecció d’errors per a saber si el que rep és correcte. Com que el medi de transmissió és compartit per tots els terminals, tots els terminals “senten” totes les trames que hi viatgen, les descodifiquen, comproven que siguin correctes i miren si l’adreça és la seva. Si les trames no són correctes o bé no estan adreçades a ells, simplement les ignoren*. Per això tots els subnivells relacionats amb l’entramat o estructuració del flux de bits passen a formar part del nivell més inferior que els necessita: el nivell MAC.

* Si la trama és errònia el terminal no ha de fer res. No pot demanarne la retransmissió, ja que ens trobaríem en un absurd: quin de tots els terminals és el que ha de demanar la retransmissió? Cap d’ells no sap qui n’és el receptor legítim, ja que la trama és errònia.

La literatura de xarxes usualment canvia els noms dels nivells baixos quan el model OSI s’aplica sobre terminals d’una LAN. El model resultant per a les LAN manté set nivells (i no vuit com sembla indicar la figura), perquè el nivell MAC i el nivell físic s’uneixen mantenint el nom de nivell MAC. Això es justifica en el fet que molts protocols MAC (els derivats de CSMA, com veurem més endavant) requereixen funcionalitat addicional a la pura transmissió i recepció de bits per a poder funcionar. D’altra banda, el nivell d’enllaç es rebateja com nivell d’enllaç lògic (LLC*), ja que ha perdut part de les tasques pròpies d’enllaç: sincronisme de trama i detecció d’errors.

* LLC prové de l’expressió anglesa Logical Link Control.

2.1. Estàndards Més endavant, dins aquest mateix mòdul, veurem alguns estàndards aplicables a aquests dos nivells. Cal fer notar que, si bé per al nivell MAC hi ha uns quants estàndards reconeguts (Ethernet, IEEE802.5, IEEE802.11, etc.), per al nivell d’enllaç només n’hi ha un: l’IEEE802.2, que és una variant de l’HDLC,

Vegeu l’HDLC en el mòdul “Enllaç de dades” d’aquesta assignatura.

evidentment sense la part de sincronisme de trama ni la de detecció d’errors. Cal ressaltar que no sempre es fa servir l’IEEE802.2. El cas més rellevant és Ethernet, que inclou la funcionalitat d’enllaç dins del mateix protocol. Ethernet és, doncs, una especificació de protocol que cobreix els nivells MAC i LLC. Però la funcionalitat que inclou del nivell LLC és mínima (només multiplexació), per la qual cosa moltes vegades es considera Ethernet simplement com un protocol de nivell MAC. Nivell d’enllaç lògic

IEEE802.2

Nivell MAC

IEEE802.3 CSMA/CD

IEEE802.5 Token Ring

FDDI Token Ring

IEEE802.11 CSMA;CSMA/CA

IEEE802.15 TDM

Nivell físic

10Mbps, 100Mbps, 1Gbps

4Mbps, 16Mbps

100Mbps

11Mbps, 54Mbps

1Mbps

© Universitat Oberta de Catalunya • P03/05098/02039

11

Xarxes d’àrea local

3. El medi de transmissió

El medi de transmissió és el camí físic que separa dos components de la xarxa.

Els medis de transmissió es classifiquen en medis de transmissió guiats i medis de transmissió no guiats. De la mateixa manera, ara classificarem les xarxes

Vegeu els medis de transmissió guiats i no guiats al subapartat 2.2 del mòdul “Transmissió de dades” d’aquesta assignatura.

d’àrea local en dos grans grups d’acord amb el medi de transmissió utilitzat.

3.1. Xarxes d’àrea local cablejades Són les que fan servir un medi de transmissió guiat, generalment cable coaxial, parell trenat o fibra òptica. El medi de transmissió ha de suportar una amplada de banda important, si bé l’abast pot ser més limitat. Les xarxes actuals requereixen capacitats d’entre 10 Mbps i 1 Gbps, i amplades de banda d’entre 10 MHz i 100 MHz. Històricament, els medis de transmissió depenien del fabricant o de l’estàndard emprat. Posteriorment, es van començar a definir els estàndards per a cablejat i sobre ells es van començar a definir els estàndards per a protocols MAC. Això permet cablejar oficines, indústries, etc. abans que els inquilins decideixin el tipus de xarxa que faran servir. El cablejat és genèric: és el que es coneix com cablejat estructurat i que veurem més endavant en aquest mòdul. El cablejat estructurat està estandarditzat (EIA/TIA568) i els estàndards de pro-

Vegeu el cablejat estructurat en l’apartat 6.2 d’aquest mateix mòdul didàctic.

tocols MAC simplement hi fan referència. El cablejat estructurat també ha evolucionat. Inicialment es van definir el parell trenat i la fibra òptica com a medis alternatius en funció de l’abast de la xarxa (usualment per curta distància, parell trenat). Però es preveia que en el futur, a mesura que les demandes de capacitat creixessin, la tendència natural seria que es generalitzés l’ús de les variants de cablejat estructurat sobre fibra òptica. La realitat, però, és que la fibra òptica no s’ha imposat (ni de bon tros) al parell trenat a les instal·lacions habituals. La raó principal és que les tècniques de fabricació del cablejat, connectors i components han millorat. Aquesta millora ha permès el pas d’amplades de banda de 10-20 MHz a 100 MHz. Però sobretot la millora està venint per part dels equips emprats, que fan servir codificacions de canal cada cop més complexes i que aprofiten més l’amplada de banda disponible dins d’un parell trenat. Ja es poden trobar a preus assequibles targetes

Vegeu la codificació de canal en el mòdul “Transmissió de dades” d’aquesta mateixa assignatura.

© Universitat Oberta de Catalunya • P03/05098/02039

12

Gigabit Ethernet (1 Gbps) que funcionen sobre el mateix cablejat que requereix Fast Ethernet (100 Mbps): categoria 5*.

Xarxes d’àrea local

* Fins i tot el grup de treball de l’Ethernet a 10 Gpbs està estudiant la possibilitat de fer servir aquest mateix tipus de cablejat.

Actualment, la competència al parell trenat no sembla que hagi de venir per part de la fibra òptica (que de moment queda relegada a les LAN d’abast superior), sinó que arribarà abans per part de les LAN sense fil.

3.2. Xarxes d’àrea local sense fil Les xarxes d’àrea local sense fil són les que fan servir un medi de transmissió no guiat, per exemple la tecnologia per ràdio, els infrarojos o les microones. Actualment, cal destacar les xarxes que funcionen en els 2,4 GHz i 5 GHz. Aquestes dues subbandes (dins de les microones) són d’ús lliure, regulat a tots els països del món. – Ús lliure vol dir que no cal demanar permisos per a utilitzar transmissors en aquestes freqüències, com sí que passa en la major part de l’espectre radioelèctric. – Regulat es refereix al fet que els transmissors no poden excedir de certes limitacions, bàsicament de potència transmesa*.

Això deixa el camp lliure a la implementació de LAN que aprofitin aquestes bandes espectrals: en particular l’IEEE802.11 WiFi i l’IEEE802.15 Bluetooth.

* Són les que es coneixen com bandes ISM, o Industrial, Scientific and Medical bands.

Vegeu la descripció d’aquests estàndards a l’apartat 6 d’aquest mòdul didàctic.

Les xarxes sense fil tenen un camp d’aplicació amplíssim: • LAN per a equips portàtils. En LAN on els terminals són ordinadors portàtils, que es mouen dins dels despatxos o d’una àrea reduïda.

Aquesta mena de LAN es descriuen a l’estàndard IEEE802.11

• LAN de baix cost. Encara que els equips no siguin mòbils, en certs àmbits la instal·lació del cablejat d’una LAN (cablejat estructurat o no) pot ser costosa, tant pel que fa al preu del mateix cable com, sobretot, per les obres i reformes que cal fer a l’edifici. Les xarxes sense fil obvien aquest cost. Petites oficines, edificis antics o, fins i tot, llars particulars són els principals

Aquesta mena de LAN es descriuen a l’estàndard IEEE802.15

destinataris d’aquestes xarxes. • Interconnexió de sistemes personals. La interconnexió d’ordinadors portàtils, teclats, ratolins, impressores, telèfons mòbils, etc. es pot solucionar també fent servir aquest tipus de tecnologia.

Aquesta mena de LAN es descriuen a l’estàndard IEEE802.15

© Universitat Oberta de Catalunya • P03/05098/02039

13

Xarxes d’àrea local

4. Topologies en una xarxa d’àrea local

La topologia en una xarxa d’àrea local és un dels paràmetres que influeixen més en el disseny de la xarxa.

Podem definir una topologia com la manera en què les estacions es connecten al medi de transmissió.

Les topologies que es fan servir més en les LAN cablejades són la topologia en bus, la topologia en anell i la topologia en estrella. Si bé les LAN sense fil són topològicament equivalents a un bus, les tractarem com un cas a part. Tot seguit, veurem que el fet de tenir una topologia o una altra pot influir en la manera com es distribueix la informació pel medi de transmissió.

4.1. Topologia en bus

Un bus és un medi de transmissió lineal amb preses de connexió, a les quals es connecten les estacions mitjançant enllaços punt a punt.

El funcionament d’un bus està determinat per les característiques següents: • Totes les estacions es connecten al bus per mitjà d’una presa de connexió*. La presa de connexió és una interfície de connexió passiva; és a dir, no re-

* En anglès, la presa de connexió s’anomena tap.

genera el senyal transmès. Les preses de connexió no interrompen la continuïtat del medi de transmissió. • Els dos extrems del bus acaben en una resistència o terminador, que té la funció d’eliminar o absorbir el senyal transmès. Cal esmentar que quan el

Vegeu el soroll d’eco al subapartat 4.1.3. del mòdul “Transmissió de dades” d’aquesta assignatura.

senyal arriba al final del bus, no hi ha d’haver reflexions elèctriques (soroll d’eco) que interfereixin el senyal transmès posteriorment. • El senyal que transmet una estació es propaga en ambdós sentits al llarg del bus. Quan el senyal digital arriba a la resistència, aquesta l’absorbeix i l’elimina. • Les preses de connexió propaguen el senyal tant al llarg del bus com vers l’estació connectada a aquesta presa. La transmissió i la recepció s’efectuen per un mateix conducte en una o una altra direcció alternativament; per tant, és del tipus HDX*.

* HDX és l’abreviació de half duplex.

© Universitat Oberta de Catalunya • P03/05098/02039

14

Xarxes d’àrea local

La figura anterior mostra diverses estacions connectades a un bus. L’estació A accedeix al medi de transmissió i emet una trama. Podem observar dos aspectes: 1) El senyal que codifica la trama MAC es propaga en ambdues direccions del bus (és bidireccional), i totes les estacions en reben una còpia: és una xarxa per difusió. 2) Si dues estacions transmetessin una trama al mateix temps, els dos senyals se sumarien i els receptors serien incapaços de descodificar ni l’un ni l’altre. De fet, n’hi ha prou amb què algun bit de la trama se superposi a altres bits d’una altra trama perquè es corrompin totes dues. Per això cal definir uns criteris d’accés al medi que controlin quina estació pot emetre en cada moment.

4.2. Topologia en anell Un anell és un conjunt de repetidors connectats entre si amb enllaços HDX punt a punt que formen un llaç tancat. Les estacions es connecten a l’anell per mitjà dels repetidors amb un enllaç FDX*, també punt a punt, i el senyal es

* FDX és l’abreviació de full duplex.

propaga per l’anell unidireccionalment. En la topologia d’anell, un repetidor és un dispositiu actiu que regenera i retransmet els bits cap al repetidor següent. Un repetidor permet que una estació reconegui patrons de bits o que modifiqui, si escau, els que retransmet. Regeneració del senyal Cal aclarir el terme regenerar. Suposeu que un repetidor transmet un senyal digital utilitzant, per exemple, una codificació de canal com podria ser la codificació Manchester. Quan aquest senyal arribi al repetidor següent, el medi l’haurà pertorbat per atenuació, soroll i distorsió. El repetidor recupera el senyal i el torna a retransmetre en el seu format original. És, per tant, un element actiu. Penseu que en la topologia en bus, les preses de connexió eren elements passius que simplement propagaven el senyal amb totes les pertorbacions adquirides en els trams anteriors.

Repetidors El concepte repetidor no és exclusiu de la topologia en anell. De fet un repetidor és un sistema capaç de millorar la qualitat del senyal codificat en un circuit de dades. Usualment es fan servir per a ampliar l’abast dels circuits de dades, posantne un cada certa distància per a corregir els problemes de la línia.

© Universitat Oberta de Catalunya • P03/05098/02039

15

La figura següent mostra una xarxa amb una topologia en anell. L’estació A transmet una trama que flueix per l’anell:

És evident que l’estació transmissora A ha d’eliminar la trama perquè els bits no flueixin indefinidament per l’anell: el repetidor de l’estació A no ha de regenerar els bits de la trama una segona vegada per l’anell. Per això els repetidors poden treballar en tres estats diferents: 1) Repetidor en estat de transmissió, és l’estat propi del repetidor d’una estació que vol transmetre una trama al medi.

Un repetidor en estat de transmissió efectua els passos següents: a) El repetidor rep els bits de l’estació i els retransmet al repetidor següent. b) Quan el repetidor rep els bits del repetidor anterior, els passa a l’estació.

Xarxes d’àrea local

© Universitat Oberta de Catalunya • P03/05098/02039

16

Xarxes d’àrea local

c) El repetidor de l’estació transmissora rep de nou la trama transmesa, que ha recorregut tot l’anell. L’estació pot comprovar que els bits són correctes com a mètode de confirmació que la trama ha arribat correctament abans d’eliminar-la de l’anell. 2) Repetidor en estat d’escolta, és l’estat propi dels repetidors de la resta d’estacions de l’anell, les que esperen rebre trames.

Un repetidor en estat d’escolta efectua els passos següents: a) El repetidor rep una trama procedent del repetidor anterior. b) El repetidor copia cada bit de la trama i el transmet a l’estació en estat d’escolta. c) Al mateix temps, el repetidor regenera i retransmet cada bit cap al repetidor següent. Aquests bits experimenten un retard que, com a mínim, serà aproximadament el temps de transmissió d’un bit per un enllaç a velocitat vt, on vt és la velocitat de transmissió de l’anell. Recordeu que aquest temps és l’invers de la velocitat de transmissió. En cas que en comptes d’experimentar un retard d’un bit experimentés un retard equivalent a B bits, el retard T repetidor = B ⁄ v t en el repetidor seria: T repetidor = B ⁄ v t El repetidor pot aprofitar aquest retard per a efectuar algunes funcions com-

Exemples de recerca de patrons de bits

plementàries:

Detecció d’un bit determinat que li doni permís per a transmetre (accés al medi).

– Buscar patrons de bits.

Detecció del camp d’adreça MAC de destinació de les trames per a saber si la seva estació és l’estació de destinació de la trama MAC.

– Modificar algun bit de la trama abans de retransmetre-la al repetidor següent.

© Universitat Oberta de Catalunya • P03/05098/02039

17

Exemple de modificació de bits de la trama Una estació receptora podria activar un bit al final de la trama si aquesta trama s’hagués rebut correctament. Així, quan la trama tornés a l’estació transmissora, aquesta estació podria, en detectar aquest bit, assumir que la transmissió de la trama s’ha efectuat amb èxit. Aquesta estratègia de confirmació pot substituir un protocol de control d’errors en el nivell LLC.

3) Repetidor en estat de curtcircuit o bypass: En aquest estat, una estació queda aïllada de l’anell. A la pràctica, és com si només hi hagués una línia de transmissió. Per tant, en un estat de curtcircuit, l’únic retard que el repetidor introdueix en l’anell és el retard de propagació.

El propòsit de l’estat de curtcircuit és que quan l’estació estigui desconnectada, l’anell no quedi obert, impedint així la regeneració i retransmissió dels senyals que li arriben.

4.3. Topologia en estrella En una topologia en estrella totes les estacions estan connectades a un node central per mitjà d’enllaços punt a punt.

Xarxes d’àrea local

© Universitat Oberta de Catalunya • P03/05098/02039

18

El node central, com indica la figura, pot ser:

• Un concentrador (en anglès, hub). La idea és que el concentrador implementi interiorment una de les topologies que acabem de veure (anell o bus). Físicament és una estrella, però lògicament es comporta com un anell o com un bus. Quan una estació transmet una trama, el concentrador la retransmet per tots els ports de sortida, de manera que totes les estacions en reben una còpia.

• Un commutador (en anglès, switch). Quan una estació transmet una trama, el commutador la filtra segons l’adreça de destinació i només la transmet pel port de sortida a què està connectada l’estació a la qual va destinada.

A la figura anterior podem veure com funcionaria una LAN amb topologia física en estrella i topologia lògica en bus. La figura següent mostra la diferència entre un concentrador i un commutador:

• En el concentrador, l’estació B transmet una trama amb destinació l’estació C. Però totes les estacions la reben. L’estació C haurà de detectar l’adreça MAC de destinació per a esbrinar si la trama és per a ella. La resta d’estacions descartaran la trama en detectar l’adreça MAC de destinació.

• En el commutador, l’estació B transmet una trama amb destinació l’estació C. Ara és el commutador el que filtra l’adreça MAC i només retransmet la trama per un port de sortida, el de l’estació C. Simultàniament, l’estació D es pot comunicar amb l’estació A.

A part de la distinció entre commutadors i concentradors (i sobre la qual aprofundirem més endavant en aquest mateix mòdul), és interessant veure els avantatges purament topològics de les xarxes en estrella.

Xarxes d’àrea local

© Universitat Oberta de Catalunya • P03/05098/02039

19

Xarxes d’àrea local

Per una banda, les xarxes en estrella són tolerants a fallades del sistema de manera més robusta que les d’anell o bus: • En un anell, un tall segmenta la xarxa i, en ser unidireccional, s’impedeix el flux de senyal. • En un bus, un tall deixa la xarxa dividida en dos segments aïllats i mal terminats; per tant, fora de servei. FDDI

Recordeu Una xarxa en bus requereix terminadors per a evitar el soroll d’eco.

Aquest estàndard de LAN sobre topologia en anell corregeix aquest problema utilitzant dos anells unidireccionals contrarotatoris. Un tall reconfigura els dos anells de manera que el senyal resol el tall tornant per l’altre anell. El DQDB també resol el problema d’una manera similar.

En canvi, en una xarxa en estrella el tall en un enllaç deixa sense servei únicament el terminal associat; la resta pot seguir operant igualment.

Per a l’administrador de la xarxa, la topologia en estrella presenta dos avantatges fonamentals:

• Abarateix el manteniment. En cas de mal funcionament l’administrador localitza el punt conflictiu més fàcilment: el problema és un braç de l’estrella, no la LAN sencera.

• Totes les connexions estan centrades en un punt.

Cal tenir present que topològicament una estrella és un cas degenerat de bus o d’anell. Si reduïm mentalment un bus o un anell a un punt (tot mantenint els terminals al seu lloc), podem seguir pensant en termes de busos i d’anells, però aprofitant la “robustesa topològica” de l’estrella. Estàndards com Ethernet, token ring, etc. han evolucionat cap a estrella, mantenint la seva topologia lògica, en bus i anell respectivament.

Altres xarxes tradicionals, com la telefònica, també utilitzen aquesta topologia, cosa que ha accelerat la unificació d’infraestructures de cablejat amb una mateixa configuració.

4.4. Pseudotopologies sense fil Parlar de topologies sense fil no és del tot correcte ja que, en realitat, la configuració dels terminals és equivalent a un bus. El bus és l’única topologia disponible en xarxes sense fil, ja que tots els terminals estan connectats per mitjà d’un únic medi de transmissió.

Terminologia Entenem per topologia lògica el model de connexió dels terminals, per oposició a topologia física, o simplement topologia, que emprarem quan ens referim a la configuració del cablejat.

© Universitat Oberta de Catalunya • P03/05098/02039

20

Xarxes d’àrea local

En un anell o en una estrella, de fet, es disposa de n medis de transmissió independents (línies de transmissió) que interconnecten un terminal al següent (en l’anell), o al concentrador (en l’estrella).

Això no obstant, tractem el “bus sense fil” com un cas a banda per ressaltarne els aspectes diferencials: • Visibilitat parcial. En un bus, els dos terminals més llunyans han de transmetre amb prou potència per a rebre el senyal l’un de l’altre. En canvi, en xarxes sense fil dos terminals poden no tenir connexió directa entre ells, però sí amb un tercer terminal intermedi. Això pot ser per dues raons: o bé per excessiva llunyania dels terminals extrems, o bé per ombres de senyal produïdes per obstacles. • Mobilitat. Els equips són mòbils, per tant els retards, la potència, la relació senyal-soroll, etc. no són factors estables durant el transcurs d’una comunicació. • Half duplex. En l’actualitat no és possible fer radiotransmissors full duplex (dins d’una mateixa freqüència). Això impedeix implementar protocols com CSMA/CD a bastament utilitzats en cablejats en bus.

CSMA/CD Tot i que el CSMA/CD és un protocol half duplex (només transmet en una direcció en cada moment), les targetes de transmissió han de poder detectar transmissions d’altres per a fer la detecció de col·lisions (CD). Per això no es pot fer servir el CSMA/CD en xarxes sense fil.

• Seguretat. Una xarxa sense fil no està limitada a un conjunt de punts de connexió. L’accés està disponible dins d’una àrea, o millor dit, d’un volum amb unes dimensions imprecises definides pel radi d’acció de les antenes instal·lades a cadascun dels terminals. Qualsevol terminal aliè a la LAN que passi pel radi d’acció d’aquestes antenes podrà “escoltar” el trànsit de la LAN*.

* En argot de seguretat això s’anomena “ensumar” (sniffing) o “punxar/derivar la línia” (wire tapping). En xarxes sense fil segurament la variant “ensumar” és més apropiada.

Això exigeix que aquestes xarxes facin servir procediments criptogràfics per a protegir el trànsit dels legítims usuaris contra atacs malèvols. L’IEEE802.1x o l’IPSec són estàndards basats en criptografia (xifratge, integritat i autenticació) que ofereixen un nivell de seguretat suficient per a protegir les dades en trànsit contra la còpia i manipulació per terceres parts.

Tots aquests factors són determinants a l’hora de dissenyar els protocols per a les LAN sense fil, com veurem més endavant.

Podeu veure els protocols de les LAN sense fil a l’apartat 5.4. d’aquest mòdul didàctic.

© Universitat Oberta de Catalunya • P03/05098/02039

21

5. Control d’accés al medi

Hem vist que, independentment de la topologia que faci servir una LAN, totes les estacions comparteixen un únic medi de transmissió que només pot fer servir una estació en cada moment: ja que el senyal que aquesta estació envia es difon per tot el medi i l’ocupa i impedeix, per tant, que cap altra estació pugui transmetre alhora. L’estació que transmet ha de tenir la certesa que és l’única que ho fa en aquell moment i, a més, ha de donar a altres estacions la possibilitat d’enviar dades. No pot, per tant, ocupar el medi indefinidament. L’algorisme de control d’accés al medi s’encarrega de repartir de manera ordenada, equitativa i eficient l’ús d’aquest recurs únic (el medi de transmissió) entre un conjunt d’estacions usuàries.

El control d’accés al medi (MAC) és un mecanisme que decideix quina estació pot accedir en cada moment al medi per a transmemetre una trama d’informació.

El MAC proporciona un servei d’accés múltiple als usuaris de la xarxa. Com ja hem esmentat, la unitat d’informació és la trama MAC. Com que una LAN, per definició, és una xarxa de difusió, les trames es propaguen pel medi i totes les estacions les reben. Per tant, és necessari identificar les estacions d’origen i de destinació i transmetre aquesta informació juntament amb les dades que ens proporciona el nivell superior. A partir de l’adreça MAC de destinació, les estacions poden deduir si la trama és per a elles i, a més, utilitzant l’adreça MAC d’origen, qui els envia la informació. En cas que una estació rebi una trama amb una direcció MAC de destinació que no coincideixi amb la seva, l’estació es limitaria a eliminar-la. S’han proposat una gran quantitat de protocols de control d’accés al medi per a tota mena de xarxes, tant per a xarxes cablejades com per a xarxes sense fil. Actualment, l’accés al medi és un tema d’estudi molt important en les comunicacions mòbils, en què un usuari amb un terminal de dades es pot moure contínuament. Els protocols de control d’accés al medi bàsics es poden classificar en tres grans grups: • Control d’accés al medi estàtic.

Xarxes d’àrea local

© Universitat Oberta de Catalunya • P03/05098/02039

22

Xarxes d’àrea local

• Control d’accés al medi dinàmic. – Accés dinàmic per control centralitzat. – Accés dinàmic per control distribuït. • Control d’accés al medi aleatori.

Cada un d’aquests accessos al medi té avantatges i inconvenients, i s’aplica a xarxes molt diferents. Els protocols que han triomfat més en les LAN cablejades han estat un per control distribuït (xarxes token ring o xarxes en anell amb pas de testimoni) i un altre de tipus aleatori (xarxes Ethernet amb topologia en bus o estrella i accés al medi CSMA/CD). En xarxes sense fil es fa servir una combinació de control d’accés al medi estàtic (FDMA/CDMA) i aleatori (CSMA/CA). Tots aquests protocols s’expliquen a continuació.

5.1. Control d’accés al medi estàtic

El control d’accés al medi estàtic, anomenat també accés al medi per reserva, consisteix en mecanismes que es basen en el repartiment del medi entre els diferents usuaris, bé repartint-se una porció de temps, o bé una porció de l’am-

Els conceptes de multiplexació per divisió en freqüència i multiplexació per divisió en el temps es tracten en el mòdul “Transmissió de dades” d’aquesta mateixa assignatura.

plada de banda. Dos dels mecanismes principals (TDMA i FDMA) fan servir algunes de les idees aplicades a xarxes de gran abast (multiplexació per divisió en el temps i multiplexació per divisió en freqüència).

5.1.1. Accés múltiple per divisió en el temps

L’accés múltiple per divisió en el temps (TDMA*) consisteix a dividir el canal (medi de transmissió) en ranures de temps (slots) que s’assignen estàticament a les estacions (usuaris).

Cada estació transmet en la seva ranura de temps. Suposem que la xarxa té els paràmetres següents: N usuaris, una capacitat del canal de C bits per segon (b/s o bps) i una longitud de les trames de L bits. Si la durada d’una ranura de temps es correspon amb la longitud d’una trama MAC, tindrem el següent: • Temps de transmissió d’una trama MAC = t t = L ⁄ C segons (en aquest cas coincideix amb la durada d’una ranura). • Temps entre la transmissió de dues trames consecutives que pertanyen a la mateixa estació: (N − 1)L/C segons.

* TDMA és la sigla de l’expressió anglesa Time Division Multiple Access.

© Universitat Oberta de Catalunya • P03/05098/02039

23

Xarxes d’àrea local

5.1.2. Accés múltiple per divisió en freqüència

Suposem que la xarxa té els paràmetres següents: N usuaris i una amplada de banda del canal de BW Hz.

En un accés múltiple per divisió en freqüència (FDMA*) es divideix l’amplada de banda BW del medi de transmissió en N subcanals. S’assigna un subcanal a

* FDMA és la sigla de l’expressió anglesa Frequency Division Multiple Acces.

cada estació perquè hi transmeti la seva informació. Aleshores, tenim una amplada de banda d’un subcanal de BWi ≈ BW/N (de fet, una mica menys, ja que entre subcanal i subcanal hi ha una amplada de banda de guarda perquè no se superposin).

5.1.3. Accés múltiple per distinció de codis

El CDMA* va ser introduït per primer cop en sistemes militars per la seva robustesa enfront de diferents tipus d’interferència.

El funcionament del CDMA es basa en què tots els terminals transmetin dins de la mateixa banda (100% d’encavalcament entre terminals) i simultàniament. És a dir, com un FDMA però amb tots els canals superposats.

* CDMA: Code Division Multiple Access. La traducció literal seria ‘Accés Múltiple per Divisió de Codi’, però és més acurada la proposada com a títol.

© Universitat Oberta de Catalunya • P03/05098/02039

24

A partir d’aquesta descripció, el CDMA no podria funcionar* si tots els terminals transmetessin amb la mateixa potència, ja que el senyal resultant seria un aiguabarreig indesxifrable. Però el CDMA permet al terminal receptor disminuir la “potència equivalent” de tots els terminals, a excepció del transmissor desitjat, per un procés matemàtic senzill. Això fa que el senyal rebut ressalti sobre la resta, de manera que els senyals “no desitjats” es puguin tractar simplement com soroll residual. El procediment es basa en augmentar la redundància del senyal transmès per tal que sigui “fàcilment deduïble”: els uns i els zeros de la seqüència de bits que es transmet se substitueixen per una seqüència de n bits per als uns, i la seqüència inversa per als zeros, diferent per a cada canal. Aquesta seqüència és el codi. Exemple

Per facilitar l’explicació, suposarem que la seqüència està formada per senyals positius i negatius. Per exemple:

1: +1; +1; –1; +1 0: –1; –1; +1; –1

En aquest exemple, la transmissió resultant cal transmetre-la quatre cops més ràpidament que la seqüència original. Per tant, per a una mateixa modulació, l’amplada de banda serà quatre vegades més gran.

Seguint amb l’exemple, el que ha de fer el receptor és aplicar el “codi” multiplicant-lo al senyal rebut. Així, en cada cas:

(+1) · (+1) + (+1) · (+1) + (–1) · (–1) + (+1) · (+1) = +4 ⇒ “1” (+1) · (–1) + (+1) · (–1) + (–1) · (+1) + (+1) · (–1) = –4 ⇒ “0”

Xarxes d’àrea local

* En l’FDMA, es podia donar ús simultani del medi perquè cada terminal feia servir una banda d’espectre diferent de la resta.

© Universitat Oberta de Catalunya • P03/05098/02039

25

Si el receptor rep la transmissió d’un altre terminal, el senyal estarà codificat amb un altre codi i, per tant, el resultat estarà atenuat respecte del senyal que ha de rebre. Per exemple, si el codi d’aquest altre terminal fos el següent:

1: +1; –1; –1; –1 0: –1; +1; +1; +1

En descodificar-lo, el primer terminal obtindria el següent:

(+1) · (+1) + (+1) · (–1) + (–1) · (–1) + (+1) · (–1) = 0 ⇒ res (+1) · (–1) + (+1) · (+1) + (–1) · (+1) + (+1) · (+1) = 0 ⇒ res

Aquest codi generaria una interferència nul·la sobre el senyal anterior. Això, però, només passa en codis ortogonals, i no tots els codis poden ser ortogonals entre si. En aquests casos, els senyals contribueixen al senyal final de manera atenuada. Per això diem que el procediment CDMA atenua els canals no desitjats i/o amplifica el canal desitjat. El factor d’amplificació ve donat pel nombre n de símbols que generem per cada bit. Com més gran sigui aquest valor, millor serà la relació senyal-soroll (entenent com a soroll la resta de sistemes). Però també serà més gran (n vegades) l’amplada de banda necessària (en LAN i en telefonia es fan servir codis de centenars de bits). Utilitzar seqüències fixes per a cada bit no és l’única manera d’afegir redundància. Una manera comuna d’implementar el CDMA és generar seqüències pseudoaleatòries a partir d’una llavor (seed). En aquest cas, el terminal transmissor i el receptor han de conèixer la llavor per a generar el mateix codi cadascú. Per tant, els codis no són repetitius com s’ha explicat abans, sinó diferents. Això sí, la seqüència és coneguda pel receptor legítim, que serà l’únic capaç no només de descodificar-la, sinó també de detectar el senyal entre el soroll. Aquesta propietat és molt interessant per a mantenir la confidencialitat de la transmissió, sobretot si es té en compte que el CDMA és un procediment bàsicament pensat per a radiotransmissió. Activitat Proveu de sumar els dos senyals i veureu que, si s’aplica el procediment de CDMA, el segon no pot interferir en el primer.

5.1.4. Valoració del control d’accés al medi estàtic Els mecanismes estàtics presenten l’inconvenient principal que si una estació no té informació per a transmetre, la resta de les estacions no poden aprofitar el canal, de manera que s’estan desaprofitant els recursos de la xarxa.

Xarxes d’àrea local

© Universitat Oberta de Catalunya • P03/05098/02039

26

Xarxes d’àrea local

Desaprofitament dels recursos de la xarxa Presentem alguns exemples dels desavantatges dels esquemes que acabem de descriure: a) Hem vist que en un sistema TDMA una estació pot transmetre trames cada (N −1) ranures de temps. Si una estació no té trames per a transmetre, però n’hi ha una altra que sí que en té, hi haurà ranures buides que l’estació que té informació per a transmetre no podrà fer servir. b)En el cas d’un sistema FDMA, passarà el mateix amb els subcanals d’amplada de banda BW/N Hz. Penseu què passaria si en una autopista d’uns quants carrils no es permetés que els cotxes canviessin d’un carril a un altre. Podria passar que en un carril hi hagués molts cotxes, mentre que un altre aniria pràcticament buit. Aquesta autopista seria més ineficient que una altra en què es permetés que els cotxes canviessin de carril quan el que se’ls havia assignat estigués molt ocupat.

Els mecanismes estàtics ofereixen un rendiment elevat si la xarxa està molt carregada; és a dir, si totes les estacions tenen sempre informació per a transmetre. Aquesta no és la situació d’una LAN, on el flux de trànsit és majoritàriament de dades.

Dades, veu i imatge Hi ha autors que parlen de dades per a referir-se a la transmissió de qualsevol tipus d’informació, independentment de la seva aplicació (veu, vídeo, imatges, text, etc.). Ara bé, la transmissió d’aquestes aplicacions requereix diversos tipus de restriccions temporals. Per exemple, la veu i el vídeo es transmeten en temps real, mentre que les imatges (fotografies) i el text no necessiten ser transmesos en temps real. Per aquest motiu molts autors diferencien transmissió d’aplicacions en temps real (en general, veu i vídeo), i transmissió d’aplicacions en temps no real (comunament, aplicacions de dades).

Les aplicacions de dades produeixen trànsit a ratxes. En diem a ratxes* perquè les estacions han de transmetre una trama rere l’altra (una ratxa de trames) durant un temps, i després han de deixar de transmetre, o fer-ho a una velocitat més baixa. Això vol dir que les estacions accedeixen al medi durant intervals curts i esporàdics de temps. Amb mecanismes d’assignació estàtics com el TDMA o l’FDMA i aquest tipus de trànsit a ratxes, la xarxa no pot obtenir rendiments alts. Els rendiments serien més bons si el trànsit fos continu.

Ens interessen mecanismes que ofereixin bons rendiments amb un trànsit de dades.

Un segon inconvenient és la dificultat d’assignar més canals si hi ha nous usuaris (estacions) que es vulguin unir a la xarxa. Si hi ha N estacions (N canals), què passa si volem afegir una estació nova al sistema?

Ens interessen mecanismes en què sigui senzill connectar i desconnectar dinàmicament estacions noves a la xarxa sense que això n’afecti gaire el funcionament.

* El mot anglès equivalent a l’expressió “a ratxes” és bursty.

© Universitat Oberta de Catalunya • P03/05098/02039

27

Xarxes d’àrea local

Però no tot són inconvenients en els mecanismes estàtics. Hi ha aplicacions, que no produeixen trànsit a ratxes sinó que, al contrari, poden produir un trànsit constant; és a dir, informació cada període de temps. A més, són aplicacions en què pot ser necessari que el retard sigui constant per a totes les trames; és a dir, que les trames no experimentin retards gaire diferents. Aquestes característiques són les que ofereix precisament un TDMA.

Per a trànsit de veu i vídeo en temps real, un mecanisme estàtic d’accés al medi pot oferir molt bons rendiments.

Aquestes tècniques es fan servir poc en LAN cablejades. Però, per exemple, són tècniques que s’utilitzen en telefonia mòbil (Global System for Mobile communications o GSM).

5.2. Control d’accés al medi dinàmic

De la lectura de l’apartat anterior es desprèn que interessa trobar mecanismes d’accés adequats per al trànsit a ratxes; és a dir, que les estacions puguin accedir al medi de manera que si una no té trànsit no ocupi el canal. Aquesta mena de control es pot obtenir tant mitjançant mecanismes d’accés dinàmics com aleatoris.

Vegeu el control d’accés al medi aleatori al subapartat 5.3 d’aquest mòdul didàctic.

En aquest apartat ens ocuparem de l’accés dinàmic.

5.2.1. Accés dinàmic per control centralitzat

L’accés dinàmic per control centralitzat usa tècniques d’enquesta (polling) amb una topologia en estrella. Un node central s’encarrega d’esbrinar les necessitats de cada estació. L’accés al medi s’efectua per mitjà de peticions i respostes entre les estacions i el centre. Les estacions envien peticions abans de transmetre les trames. El concentrador fa un torn rotatori (round robin) entre els seus ports d’entrada i dóna accés amb una resposta a una de les estacions que hagi efectuat una petició.

Torn rotatori Un torn rotatori, o round robin, és un algorisme de planificació pel qual es controla l’ordre de transmissió seguint un ordre numèric; per exemple, el del número de port (primer transmet el port 1, després, el port 2, etc. i quan s’arriba a l’últim port es torna a començar pel primer).

5.2.2. Accés dinàmic per control distribuït

L’accés dinàmic per control distribuït és més efectiu amb topologies en bus o en anell, en què no hi ha cap node central i les estacions estan distribuïdes al llarg del medi de transmissió.

Estàndard IEEE-802.12 L’estàndard IEEE-802.12, també anomenat 100VG-AnyLAN, fa servir un accés al medi basat en enquestes. Aquest tipus de LAN està estandarditzat per l’IEEE, però no ha triomfat comercialment.

© Universitat Oberta de Catalunya • P03/05098/02039

28

Una de les polítiques d’accés al medi distribuït que es fan servir més és la política d’accés per pas de testimoni*. Aquest tipus de mecanisme té les caracte-

Xarxes d’àrea local

* En anglès, token passing.

rístiques següents: a) Es pot fer servir tant en topologies en bus com en anell. b) Es basa en la generació d’una trama especial coneguda com testimoni (token). c) L’estació que té el testimoni pot transmetre trames. Si la transmissió és no exhaustiva, només pot transmetre una trama; si és exhaustiva, en pot transmetre més d’una. d) Quan una estació acaba de transmetre, allibera el testimoni i l’estació següent que vulgui transmetre el recull.

Nota Per simplificar, en la resta del mòdul assumirem que la transmissió és no exhaustiva i que, per tant, les estacions transmeten només una trama i alliberen el testimoni.

e) Les estacions que vulguin transmetre i no tinguin el testimoni hauran d’emmagatzemar les trames a punt per transmetre en una memòria intermèdia* i esperar que els arribi el seu torn; és a dir, que els arribi el testimoni. Ara cal decidir a qui es passa el testimoni un cop s’ha transmès una trama. La solució més simple és formar un anell lògic entre les estacions; és a dir, imposarhi un ordre o una numeració lògica, de manera que quan una estació acabi de transmetre passi el testimoni a una altra estació, que serà sempre la mateixa. Si assumim una topologia física en anell, és molt senzill triar aquest ordre. L’anell lògic coincideix amb l’anell físic. Per exemple, en la figura següent es pot veure com es pot imposar el mateix ordre en què estan situades les estacions per a passar el testimoni: A → B → C → D → A.

* En anglès, buffer.

© Universitat Oberta de Catalunya • P03/05098/02039

29

En canvi, en una topologia en bus l’ordenació física de les estacions no té perquè coincidir amb l’ordenació lògica del pas del testimoni. Per exemple, si l’ordenació física és A → B → C → D, hem imposat una ordenació lògica del pas de testimoni A → C → D → B → A.

Xarxes d’àrea local

Lectura complementàries Per a veure el funcionament d’una topologia en bus amb pas de testimoni, podeu consultar qualsevol de les obres següents, que trobareu referenciades a la bibliografia: F. Halsall. Comunicación de datos, redes de computadores y sistemas abiertos. W. Stallings. Comunicaciones y redes de computadores. A.S. Tanenbaum. Redes de computadores.

Estàndards per a anell i bus amb pas de testimoni L’estàndard per a anell amb pas de testimoni (token ring) és l’IEEE-802.5 i l’estàndard per a bus amb pas de testimoni (token bus) és l’IEEE-802.4. Cal aclarir que el bus amb pas de testimoni no va triomfar mai comercialment. L’IEEE va estandarditzar diverses topologies amb accés al medi per pas de testimoni, però després la indústria va anar per altres camins. IBM va apostar per un MAC basat en la topologia en anell amb pas de testimoni i cap altra empresa no va aconseguir comercialitzar amb èxit el bus amb pas de testimoni. Per tant, centrarem l’estudi de l’accés al medi per pas de testimoni en les topologies en anell. Si teniu curiositat per saber com funciona un token bus, podeu consultar l’estàndard IEEE-802.4 o algun dels llibres de la bibliografia.

Anells amb pas de testimoni Abans de descriure el funcionament dels anells amb pas de testimoni, cal definir els paràmetres que ens permetran estudiar i avaluar el rendiment dels anells.

Paràmetres en un anell L’anell de la figura presenta les particularitats següents: • Longitud de l’anell: D (km). • Velocitat de transmissió: vt (bps). • M estacions. • Retard en els repetidors: B (bits de retard per cada bit que passi el repetidor). • Longitud de la trama MAC: L (bits). • Longitud del testimoni: K (bits).

© Universitat Oberta de Catalunya • P03/05098/02039

30

Xarxes d’àrea local

En l’anell definim els paràmetres següents: a) Temps de transmissió d’una trama MAC (tt). Quocient entre la longitud en bits de la trama MAC i la velocitat de transmissió de l’anell:

L t t = --- segons vt

b) Temps de transmissió del testimoni (tk). Quocient entre la longitud en bits del testimoni i la velocitat de transmissió de l’anell:

K t k = --- segons vt

c) Temps de propagació de l’anell (tp). Quocient entre la longitud de l’anell i la velocitat de propagació:

D t p = ---- segons vp

d) Temps de propagació entre dues estacions (tpk). Per simplificar els models estudiats, assumirem que totes les estacions es troben a la mateixa distància l’una de l’altra; és a dir, a D/M km:

t t pk = ---p- segons M

e) Latència de l’anell (τ‘). Temps que un bit triga a recórrer l’anell. Aquest temps té dos components: la propagació de l’anell (tp) i el temps que un bit es retarda en cada un dels repetidors de l’anell (B/vt). Com que hi ha M estacions: MB τ′ = t p + -------vt

f) Temps d’ocupació de l’anell (Toi). Temps que transcorre des que una estació transmet el primer bit d’una trama fins que l’estació següent pot transmetre el primer bit d’una trama. Com veurem més endavant, depèn del funcionament de l’anell. g) Eficiència màxima de l’anell (Umax). Percentatge màxim de temps en què l’anell està ocupat transmetent informació de qualsevol estació:

t U max = -----T oi

Recordeu Hem assumit, per a tot el mòdul, que les transmissions seran no exhaustives.

© Universitat Oberta de Catalunya • P03/05098/02039

31

Xarxes d’àrea local

Aquest paràmetre ens dóna una idea del percentatge en què un anell està ocupat en condicions de càrrega màxima del sistema. Ens interessa que Umax sigui el més proper possible a 1; és a dir, que la xarxa estigui ocupada transmetent informació el 100% del temps.

h) Velocitat efectiva d’una estació (vef). Velocitat a què una estació transmet dades. La velocitat efectiva estarà delimitada entre un màxim i un mínim,

Vegeu la velocitat efectiva al subapartat 3.2. del mòdul “Enllaç de dades” d’aquesta assignatura.

d’acord amb el funcionament de l’anell: v ef

min

≤ v ef ≤ v ef

max

Si totes les estacions volen transmetre informació, obtindran la velocitat efectiva mínima, ja que el medi és compartit per totes les estacions. En canvi, si només transmet una estació, obtindrà la velocitat efectiva màxima:

v ef

min

tt = ---------------E t v t ≤ v ef ≤ v ef T oi max

max

tt = ---------------E t v t T oi min

i) Temps d’ocupació màxim de l’anell (Toi|max). Temps que passa des que una estació transmet el primer bit de la trama fins que la mateixa estació pot transmetre el primer bit de la trama següent, tenint en compte que totes les estacions volen transmetre. j) Temps d’ocupació mínim de l’anell (Toi⏐min). Temps que passa des que una estació transmet el primer bit de la trama fins que la mateixa estació pot transmetre el primer bit de la trama següent, tenint en compte que només vol transmetre aquesta estació. k) Eficiència de transmissió (Et). Quocient entre el camp de dades de la trama MAC i el total de bits de la trama MAC. Els anells es divideixen en anells de baixa velocitat i anells d’alta velocitat (a partir d’uns 16 Mbps). La diferència rau en els bits que l’anell pot recórrer en un moment determinat. Per entendre aquest concepte, resoldrem l’activitat que trobareu a continuació. Activitat En un anell d’1 km de longitud amb una vp del medi de 2 · 108 m/s, 50 estacions i un bit de retard en els repetidors, quants bits hi caben, si aquest té una vt de 4, 16 o 100 Mbps? Solució Per a resoldre aquesta pregunta, podem fer servir algun dels paràmetres descrits anteriorment. El nombre de bits que caben en l’anell es correspon amb el retard mínim que hi ha en l’anell; és a dir, la latència. Però cal normalitzar la latència a bits:

L --- = τ′ → L = τ′v t vt Ara calculem la latència per a cada cas. Cal recordar que la latència val:

MB τ′ = t p + -------vt

Vegeu la definició de l’eficiència de transmissió al subapartat 3.2. del mòdul “Enllaç de dades” d’aquesta assignatura.

© Universitat Oberta de Catalunya • P03/05098/02039

32

Com a conseqüència, si sabem que la propagació val tp = D/vp = 5 µs:

→ τ′ = 17,5 µs

→ L = 70 bits

v t = 16 Mbps

→ τ′ = 8,125 µs

→ L = 130 bits

v t = 100 Mbps

→ τ′ = 5,5 µs

→ L = 550 bits

v t = 4 Mbps

Com haureu vist a partir de l’activitat anterior, a mesura que la velocitat de transmissió augmenta, la latència tendeix a valer la propagació, però a l’anell caben més bits. El millor d’aquest resultat és que ens permet aplicar diferents estratègies a l’hora d’alliberar el testimoni. És a dir, segons els bits que càpiguen en l’anell, podem aplicar estratègies en què alliberem ràpidament el testimoni permetent que hi circulin diverses trames per l’anell. Però hem de tenir present que, per l’anell, sempre ha de poder circular com a mínim el testimoni; és a dir, τ‘ > tk. Anells de baixa velocitat Un anell de baixa velocitat pot treballar de dues maneres diferents: amb el sistema single packet i amb el sistema single token. En un anell que treballi amb el sistema single packet l’estació transmissora allibera el testimoni quan la trama transmesa ha estat completament eliminada de l’anell; és a dir, quan l’últim bit de la trama ha circulat completament per l’anell i ha tornat a l’estació transmissora.

Considerem la figura següent i suposem que l’estació A vol transmetre una trama a l’estació C. Assumim que l’estació A disposa del testimoni:

Xarxes d’àrea local

© Universitat Oberta de Catalunya • P03/05098/02039

33

El procediment que seguirà l’anell que treballa amb el mecanisme single packet serà el que s’indica a continuació:

1) L’estació A transmet la trama amb adreça de destinació C. El repetidor de l’estació A es troba en estat de transmissió.

2) La trama recorre l’anell. Quan passa pel repetidor de l’estació C, aquest detecta que l’adreça de destinació és la seva i copia la trama. El repetidor de l’estació C (i tots els repetidors que no estiguin en estat de curtcircuit) es troba en estat d’escolta. 3) La trama continua circulant per l’anell. 4) Quan l’últim bit de la trama ha arribat a l’estació A, aquesta allibera el testimoni. 5) El testimoni circula fins al repetidor de l’anell següent (el de l’estació B en la figura), que el captura i inicia al seu torn el procés de transmissió. Activitats • Disposem d’una xarxa en anell amb accés al medi per pas de testimoni que fa servir la tècnica single packet. Trobeu una expressió per a l’eficiència màxima de l’anell d’acord amb els paràmetres de l’anell (tt, τ‘, tpk, tk, M...). Solució Com hem esmentat abans, l’eficiència màxima és el quocient entre el temps de transmissió de la trama MAC i el temps d’ocupació de l’anell:

tt U max = ----T oi

Xarxes d’àrea local

© Universitat Oberta de Catalunya • P03/05098/02039

34

Xarxes d’àrea local

Hem de calcular quin és el temps d’ocupació de l’anell quan treballa amb el mecanisme single packet. Cal recordar que el temps d’ocupació d’un anell és el temps que transcorre des que una estació transmet el primer bit de la trama fins que l’estació següent pot transmetre el primer bit d’una altra trama: T oi = τ′ + t t + t pk + t k . Tot seguit analitzem d’on prové aquesta expressió: a) L’estació A té el testimoni i transmet el primer bit de la trama. El temps que triga el primer bit de la trama a circular per tot l’anell és la latència τ‘. b) L’estació continua transmetent bits. Quan ha transmès l’últim bit de la trama, aquest ha de recórrer tot l’anell. El temps que ha transcorregut fins que l’últim bit de la trama ha circulat per l’anell i pot ser eliminat per l’estació transmissora és el temps en què l’últim bit arribarà: τ‘ + tt ja que surt del transmissor tt segons més tard que el primer bit. c) L’estació A allibera el testimoni (és un mecanisme single packet), que ha de circular des de l’estació A fins a l’estació següent. El primer bit del testimoni arribarà a l’estació següent en el temps que duri la propagació entre els dos repetidors, és a dir, tpk. d) L’últim bit del testimoni arribarà a l’estació següent en un temps tpk + tk, ja que l’últim bit del testimoni surt tk segons més tard que el primer bit del testimoni. e) Ara que l’estació següent disposa del testimoni, pot començar a transmetre la seva trama, de manera que s’ha complert un cicle en el sistema. Per tant, el temps d’ocupació serà la suma del temps en què la trama completa viatja per l’anell i el temps en què el testimoni viatja des de l’estació A fins a l’estació següent: Toi = (τ‘ + tt) + (tpk + tk) Podem expressar l’eficiència de l’anell de la manera següent: tt t - = --------------------t----------------U max = ----T oi τ′ + t t + t pk + t k El primer que podem observar en aquesta fórmula és que perquè Umax tendeixi a 1, Toi ha de tendir a tt: Umax → 1 si Toi → tt , és a dir, τ‘ + tpk + tk → 0 És evident que perquè τ‘ + tpk + tk → 0, cada un dels seus termes ha de tendir a 0. τ‘ és el terme que domina l’expressió, ja que tant tk com tpk acostumen a ser petits respecte a τ‘. Cal pensar que: K ⎧ t k = --- « τ′ ⎪ vt ⎪ ⎨ ⎛ t + MB --------⎞⎠ p ⎪ vt tp ⎝ τ′ ⎪t = --- < ------------------------- = --- « τ′ ⎩ pk M M M Tot seguit, proposem una altra activitat que il·lustra la manera de trobar expressions per a la velocitat efectiva màxima i mínima de l’anell d’acord amb els seus paràmetres (tt, τ‘, tpk, tk, M...): • Considerarem que disposem d’una xarxa en anell amb accés al medi per pas de testimoni que fa servir la tècnica single packet. Cal assumir que la capçalera i el camp CRC de la trama MAC són negligibles davant del camp de dades, és a dir, que l’eficiència de transmissió és igual a 1. Solució Com hem esmentat anteriorment, la velocitat efectiva d’una estació està delimitada per un mínim i un màxim. Aquests límits depenen de l’ús de l’anell. Si l’anell és utilitzat per totes les estacions, una estació disposarà d’una velocitat efectiva mínima. Si només hi accedeix una estació, aquesta obtindrà la velocitat efectiva màxima. Calcularem pas a pas les velocitats efectives màximes: 1)Càlcul de la velocitat efectiva màxima: v ef

max

tt t = ---------------E t v t = ---------t-------v t T oi max T oi min

Us recomanem que dibuixeu un diagrama de l’anell i que seguiu pas a pas tots els punts descrits per calcular les velocitats i entendre així els temps que hi intervenen.

© Universitat Oberta de Catalunya • P03/05098/02039

35

Toi⏐min és el temps d’ocupació mínim, considerant que només vol transmetre l’estació transmissora. Estudiem per passos com calcular aquest temps assumint que l’estació A té el testimoni i una trama preparada per a ser transmesa: a) L’estació A transmet la trama MAC. Aquesta trama recorre l’anell i és eliminada per l’estació transmissora (la receptora haurà copiat la trama en detectar l’adreça de destinació). Han transcorregut τ‘ + tt segons. b)Ara l’estació A allibera el testimoni (és un mecanisme single packet). El testimoni recorre l’anell. Com que cap estació no vol transmetre, el testimoni recorrerà tot l’anell complet una altra vegada fins a arribar a l’estació A (τ‘ + tk), que podrà transmetre la trama següent. Han transcorregut (τ‘ + tt) + (τ‘ + tk) segons. v ef

max

t tt ------------v t = ---------t-------v t = ---------------T oi min 2τ′ + t t + t k

2) Càlcul de la velocitat efectiva mínima: v ef

min

tt tt = ---------------E t v t = ---------------v t T oi max T oi max

En aquesta fórmula, Toi⏐max és el temps d’ocupació màxim, considerant que totes les estacions volen transmetre. Estudiem per passos com calcular aquest temps assumint que l’estació A té el testimoni i una trama preparada per a ser transmesa: a) L’estació A transmet la trama MAC. Aquesta trama recorre l’anell i l’estació transmissora l’elimina (la receptora haurà copiat la trama en detectar l’adreça de destinació). Han transcorregut τ‘ + tt segons. b)Ara l’estació A allibera el testimoni (és un mecanisme single packet). El testimoni recorre l’anell. Com que l’estació següent (l’estació B) vol transmetre, capturarà el testimoni. En total han transcorregut (τ‘ + tt) + (tpk + tk) segons. c) L’estació B transmet la seva trama MAC, que recorre l’anell. L’estació receptora la copia i l’estació B l’elimina. L’estació B allibera el testimoni, que serà capturat per l’estació següent (l’estació C). Han transcorregut (τ‘ + tt) + (tpk + tk) segons més. d)Aquest procés es repeteix tantes vegades com estacions hi ha en l’anell, és a dir, M vegades. Al final, Toi⏐max = M · (τ‘ + tt + tpk + tk). v ef

min

tt tt ----------------------v t = ---------------v t = ------------------------T oi max M ( τ′ + t t + t pk + t k )

Finalment, com a resum, podeu veure que la velocitat efectiva en un anell que fa servir un mecanisme single packet i la seva eficiència de transmissió (Et) és igual a 1 i està limitada entre: t t -------------------------t----------------------v t ≤ v ef ≤ ---------------t-------------v t M ( τ′ + t t + t pk + t k ) 2τ′ + t t + t k

En un anell que treballi amb el mecanisme single token, l’estació transmissora allibera el testimoni quan la trama transmesa arriba una altra vegada a l’estació després de circular per l’anell, és a dir, quan el primer bit de la trama ha circulat completament per l’anell i ha tornat a l’estació transmissora.

Considerem la figura següent i suposem que l’estació A vol transmetre una trama a l’estació C. Assumim que l’estació A disposa del testimoni:

Xarxes d’àrea local

© Universitat Oberta de Catalunya • P03/05098/02039

36

El procediment que seguirà l’anell que treballa amb el mecanisme single token serà el que s’indica a continuació:

a) L’estació A transmet la trama amb destinació l’estació C. El repetidor de l’estació A es troba en estat de transmissió.

b) La trama recorre l’anell. Quan passa pel repetidor de l’estació C, aquest detecta que l’adreça de destinació és la seva i copia la trama. El repetidor de l’estació C i tots els repetidors que no estiguin en estat de curtcircuit estan en estat d’escolta.

Xarxes d’àrea local

© Universitat Oberta de Catalunya • P03/05098/02039

37

Xarxes d’àrea local

c) La trama continua circulant per l’anell. d) Quan el primer bit de la trama arriba a l’estació A, aquesta allibera el testimoni. Mentre allibera el testimoni, els bits de la trama continuen arribant a l’estació A. e) El testimoni circula fins al repetidor següent de l’anell (el de l’estació B de la figura), que el captura i comença, al seu torn, el procés de transmissió. Activitat Amb aquesta activitat veureu com es calcula l’eficiència màxima d’aquests anells: Disposem d’una xarxa en anell amb accés al medi per pas de testimoni que fa servir la tècnica de single token. Trobeu una expressió per a l’eficiència màxima de l’anell d’acord amb els paràmetres de l’anell (tt, τ‘, tpk, tk, M...). Solució Hem de calcular quin és el temps d’ocupació de l’anell si treballa amb el mecanisme single token. El primer que hem de tenir en compte és si l’estació A pot alliberar realment el testimoni quan rep el primer bit de la trama. Per què, si precisament hem definit el mecanisme single token com un mecanisme que allibera el testimoni immediatament en rebre el primer bit? La resposta és que quan el primer bit de la trama arribi a l’estació A és possible que aquesta encara no hagi acabat de transmetre la trama. És a dir, el temps de transmissió de la trama és superior a la latència de l’anell. Dit d’una altra manera, la trama no cap dins de l’anell. Considerem els dos casos: • Si tt ≤ τ‘, la trama cap en l’anell i l’estació transmissora pot alliberar el testimoni en rebre el primer bit de la trama (ha esperat τ‘ segons abans d’alliberar el testimoni): funciona com un mecanisme single token. En aquest cas, el temps d’ocupació valdrà Toi = τ‘ + tpk + tk, i l’eficiència màxima de l’anell serà: tt tt ----------U max = ----- = --------------T oi τ'+ t pk + t k • Si tt > τ‘, la trama no cap en l’anell i l’estació transmissora no pot alliberar el testimoni en rebre el primer bit de la trama. S’ha d’esperar a transmetre tota la trama (tt segons en comptes de τ‘ segons) abans d’alliberar el testimoni. En aquest cas, el temps d’ocupació valdrà Toi = tt + tpk + tk, i l’eficiència màxima de l’anell serà: tt tt ----------U max = ----- = --------------T oi t t + t pk + t k

Podem observar que la diferència entre les dues fórmules de l’activitat anterior està en si cal esperar t‘ o tt segons abans d’alliberar el testimoni. Anells d’alta velocitat En un anell d’alta velocitat el nombre de bits que poden circular és més elevat que en un anell de baixa velocitat. Això vol dir que és molt possible que es compleixi la desigualtat tk + ntt < τ‘, és a dir, que en l’anell càpiguen diverses trames (n trames). Per tant, es fa servir una tècnica anomenada early token release, que consisteix a alliberar el testimoni immediatament després de

Vegeu les expressions per a les velocitats efectives màxima i mínima en un anell amb pas de testimoni i sistema single token als exercicis d’autoavaluació 7 i 8 d’aquest mòdul didàctic.

© Universitat Oberta de Catalunya • P03/05098/02039

38

transmetre una trama, per tal que pugui començar a transmetre una altra estació immediatament. D’aquesta manera s’augmenta l’eficiència de l’anell. Quan l’anell treballa amb aquesta tècnica es diu que treballa en sistema multiple token.

En un anell que funciona amb un mecanisme multiple token, l’estació transmissora allibera el testimoni immediatament després de transmetre la trama; és a dir, quan ha emès l’últim bit de la trama.

Considerem la figura següent i suposem que l’estació A vol transmetre una trama a l’estació C. Assumim que l’estació A disposa del testimoni:

Xarxes d’àrea local

© Universitat Oberta de Catalunya • P03/05098/02039

39

Xarxes d’àrea local

El procediment que seguirà l’anell que treballa amb el mecanisme multiple token serà el que s’indica a continuació: 1) L’estació A transmet la trama amb destinació l’estació C. El repetidor de l’estació A està en estat de transmissió.

2) L’estació A transmet el testimoni immediatament després d’emetre l’últim bit de la trama.

3) La trama i el testimoni recorren l’anell.

4) L’estació següent (la B) deixa passar la trama i captura el testimoni.

5) Mentre la trama continua circulant per l’anell vers l’estació C, l’estació B pot generar una trama i alliberar el testimoni immediatament després, començant el seu cicle de transmissió.

6) Quan la trama A arriba a l’estació A, aquesta elimina la trama que havia transmès i passa a l’estat d’escolta.

Amb el mecanisme multiple token, diverses estacions poden estar en estat de transmissió al mateix temps. Aquesta situació no representa cap problema, ja que una estació en estat de transmissió pot reconèixer patrons de bits, decidir que una adreça de destinació és la seva i copiar la trama.

Activitat Disposem d’una xarxa en anell amb accés al medi per pas de testimoni que fa servir la tècnica de multiple token. Trobeu una expressió per a l’eficiència màxima de l’anell d’acord amb els paràmetres de l’anell (tt, τ‘, tpk, tk, M...). Solució Hem de calcular quin és el temps d’ocupació de l’anell si treballa en sistema multiple token. Com sempre, cal deduir els temps a partir del funcionament de l’anell. És molt senzill. Quant temps transcorre des que una estació comença a transmetre fins que l’estació següent pot transmetre? Vegem-ho pas a pas: a) L’estació A transmet i triga tt segons a emetre tota la trama. b)Immediatament transmet el testimoni i triga tk segons a alliberar-lo. c) El testimoni triga tpk segons a arribar a l’estació següent. Per tant, Toi = tt + tk + tpk i l’eficiència màxima de l’anell val:

tt tt ----------U max = ----- = --------------T oi t t + t pk + t k

Aquest resultat és el mateix que el d’un anell que treballa en sistema single token quan tt > τ‘. Per tant, podem concloure que un anell amb accés al medi amb pas de testimoni que treballa amb el mecanisme single token, en què es compleix que tt > τ‘, es comporta com un anell que treballa amb el mecanisme multiple token.

Vegeu les expressions per a les velocitats efectives màxima i mínima en un anell amb pas de testimoni i sistema multiple token als exercicis d’autoavaluació 7 i 8.

© Universitat Oberta de Catalunya • P03/05098/02039

40

Xarxes d’àrea local

5.3. Control d’accés al medi aleatori En els MAC estàtics, cada terminal tenia accés tot el temps a una fracció n-èssima de la capacitat del medi. En els MAC dinàmics, el terminal tenia accés durant un fracció m-èssima de temps a tota la capacitat del medi. L’aparent simetria entre una solució i l’altra no és tal –i d’aquí ve la millora dels MAC dinàmics–, ja que en els dinàmics, m són els terminals que volen transmetre (no inclou els que escolten) i, en canvi, n inclou tots els terminals de la xarxa.

Els MAC aleatoris tenen un enfocament més radical: cada terminal té accés tot el temps a tota la capacitat del medi.

En aquesta afirmació, aparentment hi ha un contrasentit: quan dos o més terminals pretenguin gaudir d’aquestes prestacions, el medi no ho podrà suportar. Si suposem, però, que cada terminal només transmet de manera esporàdica, el sistema té una eficiència màxima, ja que no cal aplicar-hi cap algorisme. Dit d’una altra manera, els MAC aleatoris no implementen cap algorisme. Però quan hi ha dos terminals que decideixen transmetre, els dos ho faran independentment l’un de l’altre, de manera que pot passar que els senyals emesos arribin barrejats a tots els terminals de la xarxa i que, per tant, siguin intractables. Això és el que es coneix com col·lisió. Quan es produeix una col·lisió, les trames afectades no són recuperables. Cal, per tant, un procediment superior que controli aquesta eventualitat i actuï en conseqüència. Usualment, aquest procediment superior és un protocol d’enllaç que recupera les trames perdudes retransmetent-les. Així doncs, l’eficiència dels MAC aleatoris està fortament lligada al tipus de trànsit que circula per la xarxa: com més probabilitat de col·lisió, menys eficiència. Estudiarem ara els diferents MAC aleatoris des d’aquest punt de vista. N’hi ha cinc de fonamentals: a) Aloha pur* o simplement Aloha. No aplica cap algorisme de control d’accés al medi, ni tampoc en defineix cap de control de col·lisions. b) Aloha segmentat. Minimitza la probabilitat de col·lisió forçant la transmissió en moments determinats mitjançant un rellotge central. c) CSMA (Carrier Sense Multiple Access, ‘accés múltiple per escolta de portadora’). Minimitza la probabilitat de col·lisió en comprovar abans de transmetre si hi ha alguna estació que estigui transmetent.

* També en podríem dir MAC aleatori pur.

© Universitat Oberta de Catalunya • P03/05098/02039

41

Xarxes d’àrea local

d) CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Detection Collision, ‘accés múltiple per escolta de portadora amb detecció de col·lisions’). Complementa les prestacions del CSMA i minimitza l’impacte de les col·lisions en el rendiment de la xarxa escurçant-ne la durada. CSMA/CD és l’únic MAC aleatori que no pot funcionar en medis no guiats. La resta serveix tant per a medis guiats com

Ethernet Una de les LAN més conegudes i comercialitzades és la xarxa Ethernet. Ethernet fa servir CSMA/CD.

no guiats. e) CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance ‘accés múltiple per escolta de portadora amb eliminació de col·lisions’). El CSMA/CA és una millora respecte del CSMA, no respecte del CSMA/CD. El CSMA/CD no es pot aplicar en les xarxes sense fil.

Xarxes sense fil WiFi i Bluetooth fan servir CSMA/CA.

D’aquests cinc MAC aleatoris, només són “comercialment útils” el CSMA/CD i el CSMA/CA. De tota manera, a continuació veurem el funcionament de tots cinc.

5.3.1. Algorisme Aloha pur L’Aloha és un algorisme experimental que va donar inici a tota la resta. En poques paraules, aquest algorisme permet que cada terminal enviï les dades quan en tingui necessitat, sense cap mena d’espera. Les dades arribaran a la seva destinació si cap altre terminal no decideix transmetre més o menys en el mateix moment.

Com ja hem comentat, dues trames transmeses per diferents estacions poden col·lidir. Fixeu-vos que les estacions transmeten les seves trames sense preocupar-se de si el medi està ocupat o no per una trama d’una altra estació.

Assumim que una estació transmet una trama. Definim el temps de vulnerabilitat (Tv), o finestra de col·lisions*, com el temps en què una trama és susceptible d’experimentar col·lisions.

* En anglès, slot time.

© Universitat Oberta de Catalunya • P03/05098/02039

42

Xarxes d’àrea local

Hem de deduir quin és aquest temps de vulnerabilitat. L’estació A transmet una trama en l’instant t0. La trama té una durada tt. L’estació A no sap si alguna estació ha transmès una trama abans de t0 o la transmetrà després de t0. Això vol dir que si en l’interval [t0 − tt,t0] hi ha alguna estació que ha començat a transmetre una trama, o bé si alguna estació comença a transmetre una trama en l’interval [t0,t0 + tt], es produirà una col·lisió. Per tant, el temps de vulnerabilitat valdrà: Tv = (t0 + tt) − (t0 − tt) = 2tt.

Ara avaluarem el rendiment d’aquest algorisme d’accés al medi. Primer de tot cal definir els paràmetres següents:

– Nombre d’estacions (N).

– Durada de la trama (tt). – Nombre mitjà de trames transmeses per totes les estacions juntes (λ).

– Nombre total de trames transmeses per totes les estacions juntes (incloses les trames noves i les trames retransmeses a causa de les col·lisions) per temps de trama (G). Es pot concloure que si λ és el nombre mitjà de trames per unitat de temps que transmeten totes les estacions, hi ha la possibilitat de calcular G multiplicant λ per la durada de la trama: G = λtt.

– Nombre de trames transmeses amb èxit (de trames que arriben correctament a la seva destinació pel canal) per temps de trama (S). Aquest paràmetre també s’anomena throughput per temps de trama o rendiment. És un paràmetre normalitzat a la capacitat del canal i, per tant, inferior a 1.

Vegeu la figura “Mecanisme de Single token” al subapartat 5.2.2 d’aquest mòdul didàctic.

© Universitat Oberta de Catalunya • P03/05098/02039

43

Xarxes d’àrea local

– Nombre de retransmissions per temps de trama (RTx).

A partir de les definicions anteriors podem deduir el següent: a) 0 < S < 1 (normalitzat a la capacitat del canal). b) G ≤ S. c) G = S + RTx (trames amb èxit més trames retransmeses).

Per a analitzar aquest mecanisme d’accés al medi i esbrinar-ne el rendiment (S), utilitzarem un model matemàtic que simplifiqui l’original: assumim que el nombre d’estacions és infinit i que les estacions poden transmetre en qualsevol moment, independentment les unes de les altres. Un cop hem fet aquesta suposició, la generació de trames es pot modelar amb un procés de Poisson.

Recordem els processos de Poisson. Suposem que col·loquem n punts en l’eix temporal t, en què t ∈ (−∞,∞). La probabilitat que hi hagi un nombre k d’aquests punts en un interval T és la següent: –λT

ke Pr [ k ] = ( λT ) --------k!

on:

n--, amb n → ∞ i T → ∞ λ = T En el nostre cas podem calcular la probabilitat que totes les estacions transmetin k trames en un interval de temps T. L’interval que ens interessa és el de vulnerabilitat, Tv. Si durant aquest interval es transmet més d’una trama hi haurà col·lisions. La probabilitat que es transmetin k trames en l’interval Tv, sabent que les estacions transmeten una mitjana λ de trames, és la següent: –λT

–λ2T

–λ2G

v ke k ke e Pr [ k ] = ( λT v ) ----------- = ( λ2T t ) = ------------ = ( 2G ) -----------k! k! k!

Assumim que una estació transmet una trama en un instant arbitrari t0. La probabilitat que es produeixin col·lisions és Pr[k > 0] = 1 − Pr[k = 0]. Per tant, el nombre de retransmissions per temps de trama el donaran les trames que, entre totes les trames transmeses (G), hagin experimentat col·lisions:

–2G

0 e –2G RT x = G Pr [ k > 0 ] = ( G1 – Pr [ k = 0 ] ) = G ⎛ 1 –( 2G ) -------------⎞ = G ( 1 – e ) ⎝ o! ⎠

© Universitat Oberta de Catalunya • P03/05098/02039

44

En aquesta fórmula ja podem observar que la probabilitat que no es produeixin col·lisions val Pr[k = 0] = e-2G. Aïllem de G = S + RTx per tal d’obtenir el throughput per temps de trama, S = G − RTx:

S = G − RTx = G − G(1 − e-2G) = Ge-2G

Tot seguit es mostra una gràfica d’aquesta fórmula. S té un màxim a G = 0,5:

S max = S

G = 0, 5

= 0, 5e

–1

1 = ------ = 0, 1839 2e

És a dir, el rendiment màxim que es pot aconseguir amb un algorisme Aloha pur és del 18,39%:

Aquesta fórmula permet fer un càlcul aproximat de l’eficiència de l’algorisme Aloha pur amb la hipòtesi que el nombre d’estacions tendeix a ser infinit i que les estacions transmeten independentment les unes de les altres. També permeten veure que l’algorisme Aloha té un problema d’estabilitat que veurem més endavant.

Si el nombre d’estacions és petit, el model descrit ja no es compleix, i caldria fer servir altres tipus de models matemàtics que no estudiarem en

Xarxes d’àrea local

© Universitat Oberta de Catalunya • P03/05098/02039

45

Xarxes d’àrea local

aquesta assignatura. Això no obstant, sí que podem deduir què passa si només hi ha una estació que transmet trames. Si es tracta d’una sola estació no hi haurà col·lisions. Això vol dir que l’eficiència es calcularà com si fos un protocol Stop & Wait. El temps de cicle dependrà de la longitud de la trama, del temps de propagació entre l’estació transmissora i la receptora i de la durada del reconeixement.

5.3.2. Algorisme Aloha segmentat

El sistema Aloha segmentat es va proposar a fi d’augmentar el rendiment de l’Aloha pur. En aquest sistema el temps es divideix en ranures de temps que tenen una longitud igual a la durada d’una trama (tt segons). Una manera d’aconseguir la sincronització és que una de les estacions emeti un to al començament de l’interval de sincronització. Totes les estacions que tenen una trama preparada per a transmetre han d’esperar el començament d’aquest interval de sincronització.

Ara només es poden produir col·lisions en el temps de ranura, de manera que la vulnerabilitat valdrà Tv = tt. Si fem el mateix tipus d’anàlisi que en l’algorisme Aloha pur, podem deduir que el throughput per temps de trama val:

S = G − RTx = G − G(1 − e-G) = Ge-G

i que té un màxim a G = 1:

S max = S

G=1

= e

–1

1 = -- = 0,3678 e

Vegeu el protocol Stop & Wait a l’apartat 3.2. del mòdul “Enllaç de dades” d’aquesta mateixa assignatura.

© Universitat Oberta de Catalunya • P03/05098/02039

46

Xarxes d’àrea local

És a dir, hem augmentat (duplicat) el rendiment, que ha passat del 18,39% al 36,78%:

5.3.3. Problemes d’estabilitat dels algorismes Aloha pur i Aloha segmentat Si ens fixem en la gràfica de l’eficiència podem observar que a més de tenir un baix rendiment, tots dos mecanismes tenen un problema d’estabilitat: poden arribar a saturar el canal. Ara estudiarem com es produeix aquest efecte. A la gràfica de l’eficiència podeu veure que si G augmenta, el throughput tendeix a 0. Agafem com a exemple l’algorisme Aloha segmentat. El punt de treball ideal d’aquest mecanisme seria G = 1 (a l’algorisme Aloha pur, G = 0,5). Si es produeix una col·lisió, G creix. La trama s’ha de retransmetre, de manera que G augmenta per damunt de G = 1. Com que ara G > 1, ens trobem en la zona de la corba en què el throughput tendeix a 0 (aquesta zona s’anomena zona inestable de l’algorisme). Es produeixen més col·lisions, de manera que G continua creixent fins que el throughput arriba a 0. Aquest efecte s’anomena saturació del canal.

5.3.4. Accés múltiple per escolta de portadora

Atès que un dels motius del baix rendiment dels algorismes Aloha és que les estacions no són conscients de si el medi de transmissió està ocupat o no. Una

Recordeu que G inclou les trames noves i les trames retransmeses.

© Universitat Oberta de Catalunya • P03/05098/02039

47

Xarxes d’àrea local

solució és escoltar el medi electrònicament i, si hi ha una trama en curs (hi ha senyal en el medi; és a dir, hi ha portadora), esperar i no transmetre. Aquest tipus de mecanismes s’anomenen mecanismes d’accés múltiple per escolta de portadora (CSMA).

Quan una estació vol transmetre, comprova que no n’hi hagi cap altra fent servir el medi. Si no hi ha cap estació transmetent, hi posa la seva trama; en cas contrari, cal elaborar més l’algorisme. En aquest sentit, es presenten tres alternatives:

CSMA Ja sabem que CSMA significa Carrier Sense Multiple Access, però podríem preguntar-nos per què Carrier i no Signal o Codification? La raó l’hem de buscar en els seus orígens. Ethernet originalment (nivell físic 1Broad36) treballava amb senyal modulat. Totes les versions posteriors han utilitzat codificacions digitals (per exemple, 10Base2).

• Algorisme 1-persistent. L’estació comprova que el medi estigui lliure. Si ho està, transmet immediatament; si està ocupat, espera fins que estigui lliure i, aleshores, transmet immediatament.

Aquest algorisme presenta el desavantatge que si dues estacions volen transmetre en el moment en què una tercera ja ho està fent, les dues posteriors detectaran simultàniament el medi buit, decidiran transmetre alho-

Ethernet El CSMA de les LAN Ethernet és 1-persistent.

ra i col·lisionaran. Certament, això és un greu inconvenient quan hi ha càrregues altes. Per a càrregues moderades o baixes aquest és el millor algorisme.

• Algorisme no persistent. L’estació comprova que el medi estigui lliure. Si ho està, transmet immediatament; si està ocupat, espera un temps aleatori i torna a provar de fer la transmissió.

Aquest algorisme té l’avantatge que el temps aleatori fa disminuir la probabilitat que es produeixin col·lisions. Té el desavantatge que el medi de transmissió pot estar en desús durant el temps aleatori, ja que una estació pot haver deixat de transmetre i l’altra encara ha d’esperar aquest temps aleatori. Per tant, és ineficient per a càrregues baixes (el canal es pot utilitzar poc), mentre que per a càrregues altes és millor que l’algorisme 1-persistent, ja que el nombre de col·lisions disminueix. També pot aplicar un mecanisme de back-off per tal d’alleujar les col·lisions.

• Algorisme p-persistent. Si el medi està lliure es transmet amb probabilitat p. Amb probabilitat 1 − p s’espera la ranura següent, en què es repeteix el procés. Si el medi està ocupat, s’escolta fins que estigui desocupat i es torna a engegar el procés.

És a dir, sempre que el canal està lliure es tira una moneda: amb probabilitat p es transmet i amb probabilitat 1 − p es torna a intentar a la ranura següent. Si p = 1 tenim un 1-persistent.

Vegeu el mecanisme de back off al subapartat 5.3.6 d’aquest mòdul didàctic.

© Universitat Oberta de Catalunya • P03/05098/02039

48

Xarxes d’àrea local

Cal tenir present que es poden produir col·lisions encara que les estacions es trobin en estat d’escolta del medi per a detectar si està ocupat. La raó d’aquest fet és el temps de propagació que hi ha entre les estacions.

Dues estacions A i B separades per una distància D km trigaran tp = D/vp segons a saber el que fa l’altra. És a dir, si l’estació A comença a transmetre, l’estació B, que està escoltant el medi, escoltarà el primer bit de la trama d’A tp segons més tard. Això significa que durant tp segons el medi està ocupat per una trama d’A i l’estació B el veu lliure. Si B transmet durant aquest temps es pot produir una col·lisió.

Com passava en l’algorisme Aloha, una estació no percep el que ja ha passat ni el que passarà. Si l’estació A es troba en estat d’escolta i pot transmetre una trama, no sap si tp segons abans algú ha començat a transmetre’n una altra, ja que veu el medi lliure. La figura següent mostra aquesta situació. El temps de vulnerabilitat ha disminuït de 2tt a 2tp:

CSMA: accés al medi aleatori o de reserva? Podem observar a la figura que les estacions es troben en constant competició pel medi, quan està desocupat, durant un temps equivalent a 2tp. Al llarg d’aquest temps les estacions transmeten de manera aleatòria, tal com passa amb l’algorisme Aloha. Una vegada ha acabat aquesta competició, una de les estacions “ha reservat” el medi i cap altra estació pot transmetre fins que aquesta finalitzi la transmissió. Per aquesta raó hi ha autors que classifiquen el CSMA com un accés al medi de reserva.

El temps de vulnerabilitat val Tv = 2tp, on tp = Dmax/vp és el temps de propagació determinat per la distància entre les dues estacions més allunyades entre si.

Si observem la millora oferida pel CSMA respecte de l’Aloha, podem veure que l’algorisme Aloha pur tenia un temps de vulnerabilitat de Tv = 2tt i l’algorisme Aloha segmentat, de Tv = tt, mentre que l’algorisme CSMA en té un de Tv = 2tp. Per a avaluar el rendiment d’un CSMA s’han de fer servir eines matemàtiques força complexes*. Com que aquestes eines no formen part de l’objectiu d’aquesta assignatura, ens limitarem a veure una sèrie de gràfiques en què es pugui observar el rendiment dels diferents algorismes, sense entrar en les fórmules que ens permetin calcular aquestes corbes.

* Per exemple, les cadenes de Markov.

© Universitat Oberta de Catalunya • P03/05098/02039

49

La figura anterior mostra l’eficiència (S) en funció del trànsit ofert (G) per als algorismes CSMA no persistent i CSMA 1-persistent per a diferents valors de a. Es pot observar el següent: – El CSMA 1-persistent obté rendiments molt petits (< 0,2) quan tt ≈ tp. – El CSMA 1-persistent obté rendiments mitjans (∼ 0,5) quan tt ≈ 10 tp o tt ≈ ≈ 100 tp. – El CSMA no persistent obté rendiments petits (< 0,2) quan tt ≈ tp. – El CSMA no persistent obté rendiments mitjans (< 0,5) quan tt ≈ 10tp. – El CSMA no persistent obté rendiments alts (> 0,8), quan a = 0,01 → tt ≈ ≈ 100tp a mesura que G creix. Un CSMA 1-persistent és millor que un CSMA no persistent quan el trànsit ofert (G) és petit, mentre que un CSMA 1-persistent és pitjor que un CSMA no persistent quan el trànsit ofert (G) creix.

Aquesta conclusió és lògica si pensem que quan el trànsit ofert (G) augmenta, amb un CSMA 1-persistent creix la possibilitat que hi hagi trames que col·lideixin en el medi; mentre que amb un CSMA no persistent hi ha un temps aleatori quan el medi està lliure i, per tant, és més difícil que les trames col·lideixin. En canvi, quan el trànsit ofert és petit és poc probable que hi hagi més d’una trama en el medi, de manera que amb un CSMA 1-persistent aprofitem millor el canal que amb un CSMA no persistent.

Xarxes d’àrea local

© Universitat Oberta de Catalunya • P03/05098/02039

50

5.3.5. Comparació entre els algorismes Aloha, Aloha pur i CSMA A la figura següent es comparen els algorismes Aloha pur, Aloha segmentat, CSMA no persistent i CSMA 1-persistent (CSMA amb tt ≈ 100tp):

Podem observar que el rendiment dels algorismes CSMA és superior al de l’algorisme Aloha. La corba de rendiments de l’algorisme CSMA p-persistent depèn de la probabilitat p. Només cal esmentar que obté rendiments més grans que 1-persistent a mesura que p és més petit. Fins i tot arriba a superar el rendiment d’un de no persistent per a p = 0,01. La conclusió és que ens interessa un mecanisme que, a més de reduir el temps de vulnerabilitat (el CSMA ho fa), redueixi també la durada de la col·lisió. Aquest mecanisme és l’algorisme CSMA/CD.

5.3.6. Accés múltiple per escolta de portadora amb detecció de col·lisions El MAC CSMA/CD funciona exactament com el CSMA, però afegeix dos procediments addicionals: • Quan un terminal ja ha començat a transmetre, segueix escoltant el medi per tal de detectar altres possibles transmissions. Això permet implementar la detecció de col·lisions (CD).

Xarxes d’àrea local

© Universitat Oberta de Catalunya • P03/05098/02039

51

Xarxes d’àrea local

Si no hi ha cap terminal transmetent, la detecció de col·lisions no assenyala cap problema i, per tant, la transmissió segueix el seu curs com en el CSMA. Si es detecta una transmissió; és a dir, una col·lisió, el terminal transmissor deixa de transmetre immediatament, cosa que redueix considerablement la durada de la col·lisió. Aquesta situació pot desembocar en un problema. Les dues estacions poden haver detectat la col·lisió alhora i, per tant, totes dues deixen de transmetre i totes dues tenen una trama pendent de transmetre. Si tornen a transmetre la trama immediatament, tornaran a provocar una col·lisió. Aquest problema s’obvia amb l’altre procediment addicional. • Després de detectar la col·lisió i un cop s’ha aturat la transmissió, el terminal ha d’esperar un temps aleatori per a tornar a transmetre. Aquest temps és l’anomenat temps de back-off, i en ser aleatori, evitarà una nova col·lisió quan les estacions tornin a transmetre la trama. Cal no confondre el temps de back-off amb la retransmissió p-persistent. El temps de backoff s’aplica només després d’haver transmès una trama i haver detectat la col·lisió; en canvi, la transmissió p-persistent aplica un retard aleatori abans fins i tot de transmetre. L’un s’aplica per CSMA (p-persistència) i l’altre, per CD (back-off).

Calculem els temps de vulnerabilitat i el de durada de col·lisió. El temps de vulnerabilitat no varia respecte del del CSMA. El de col·lisió, òbviament, disminueix perquè la transmissió s’atura en detectar una altra transmissió en el medi. Si tp és el temps de propagació màxim entre dos terminals, llavors la detecció de la col·lisió i, per tant, l’aturada de transmissió (i la durada del temps de col·lisió) serà: Tcol ≤ 2tp. A la taula següent resumim els diferents valors de Tv i Tcol per als mecanismes estudiats:

Resum de la durada de les col·lisions i el temps de vulnerabilitat per als mecanismes d’accés al medi aleatoris Mecanisme de funcionament

Temps de vulnerabilitat

Durada de les col·lisions

Aloha pur

Tv = 2tt

tt ≤ Tcol ≤ 2tt

Aloha segmentat

Tv = TCLK ≈ tt

Tcol = TCLK ≈ tt

CSMA

Tv = 2tp

tt ≤ Tcol ≤ tt + 2tp

CSMA/CD

Tv = 2tp

Tcol ≤ 2tp − tj

Finalment, per a aquest mecanisme el temps de vulnerabilitat defineix dos paràmetres essencials en una xarxa:

• La longitud mínima d’una trama (Lmin). La trama ha de ser prou llarga per a permetre detectar una col·lisió abans que en finalitzi la transmissió. Per

© Universitat Oberta de Catalunya • P03/05098/02039

52

Xarxes d’àrea local

tant, la durada mínima d’una trama (tmin = Lmin/vt) ha de ser més gran que el temps de vulnerabilitat.

Si la trama fos més petita que el temps de vulnerabilitat, o el seu valor màxim, l’estació transmissora no podria detectar a temps si s’ha produït una col·lisió. Des del seu punt de vista, ja hauria acabat de transmetre la trama sense que aquesta hagués experimentat cap col·lisió, ja que el primer bit de la trama de l’altre terminal encara no li hauria arribat en el moment en què ella ja l’hagués transmès correctament.

• El diàmetre màxim de la xarxa. Les xarxes CSMA/CD tenen una limitació d’abast a causa de la finestra de col·lisió. El temps que un senyal triga a anar i tornar des d’una estació a una altra ha de ser més petit que la finestra de col·lisió. Això vol dir que la suma de tots els retards de la xarxa multiplicada per dos ha de ser més petita que la finestra de col·lisions o temps de vulnerabilitat:

2 ( ∑ retards de xarxa + ∑ retards de tarjeta + ∑ retards de cables ) ≤ T v Diàmetre màxim d’una xarxa Ethernet Ethernet defineix l’ús del CSMA/CD marcant com a norma la finestra de col·lisió fixada a 512 bits. Això determina que la longitud mínima d’una trama Ethernet és de 512 bits. Si volem afegir estacions a la xarxa, la distància a què es poden connectar estarà limitada per la finestra de col·lisió. Generalment s’acostuma a afegir un marge de salvaguarda a la desigualtat, de manera que aquesta es converteix en: 2 ( ∑ retards de xarxa +

∑ retards de tarjeta + ∑ retards de cables ) + marge

≤ Tv

5.3.7. CSMA/CD o anells amb pas de testimoni En aquest subapartat mirarem d’esbrinar quin dels dos estàndards en què ens hem centat (CSMA/CD i, anell amb pas de testimoni) és més eficient. Aquesta és una qüestió difícil de respondre. Des del punt de vista tècnic (de rendiments), una xarxa CSMA/CD és molt eficient amb càrregues de trànsit petites i prou eficient amb càrregues grans. És evident que si la càrrega tendeix a infinit el nombre de col·lisions serà tan gran que l’eficiència tendirà a zero. Amb una LAN en anell amb pas de testimoni l’eficiència és petita si la càrrega és petita (si només hi ha una estació que transmet trames, ha d’esperar que el testimoni recorri tot l’anell abans de poder transmetre una altra trama). En canvi, si hi ha moltes estacions i totes volen transmetre, és una LAN molt eficient (el testimoni recorre l’anell i totes les estacions tenen l’oportunitat de transmetre les seves trames). A més, el token ring no es mostra inestable en cap situació i es comporta equitativament amb tots els terminals, sigui quina sigui la seva càrrega.

Eficiència amb càrrega de trànsit petita Amb un CSMA/CD 1-persistent, si només hi ha una estació transmetent, aquesta sempre accedeix al medi immediatament després de la transmissió d’una trama per transmetre’n una altra.

© Universitat Oberta de Catalunya • P03/05098/02039

53

Una segona qüestió que pot ser important a l’hora de triar una LAN és el cost i els problemes d’instal·lació que pot tenir un enginyer, que dependran de l’experiència que tingui amb aquest tipus de LAN. En aquests moments és evident que les LAN amb CSMA/CD comercials (xarxa Ethernet) es venen molt més que les d’anell amb pas de testimoni. Això fa que les xarxes Ethernet siguin més barates i que se’n tinguin més coneixements pràctics. A l’hora de triar una de les opcions, és recomanable analitzar a fons no tan sols l’escenari tècnic, sinó també el cost i la relació entre la senzillesa de la xarxa i el seu rendiment.

5.4. Accés múltiple per escolta de portadora amb eliminació de col·lisions El CSMA/CA és un pas endavant sobre el CSMA (no sobre el CSMA/CD) pel fet que millora el temps de col·lisió. El CSMA/CA es fa servir en xarxes on la detecció de col·lisions no és possible, com ara les xarxes sense fil. Els radiotransmissors full duplex només es poden construir si l’anada treballa en una banda de freqüència diferent de la de tornada. Això és degut al fet que la potència rebuda és molt inferior al senyal que es transmet, i només es pot discriminar amb procediments de discriminadors freqüencials (filtres). En el cas d’una LAN no podem pensar en treballar amb freqüències diferents, ja que tots els terminals en requeririen una i això malbarataria l’espectre. Estaríem parlant de l’FDMA.

Els participants d’una LAN sense fil poden “escoltar-se” parcialment; és a dir, cada terminal potser rep només una part dels terminals, perquè la resta els té massa lluny. És el que es coneix com problema del “terminal amagat”. Fins i tot si es pogués implementar la detecció de col·lisions (com en el CSMA/CD), no es resoldria aquest problema: un bus CSMA/CD garanteix que tothom escolta tothom, però una LAN sense fil no pot oferir aquesta garantia.

El problema del “terminal amagat”: el terminal A creu que el medi està lliure encara que C transmeti. El destinatari B només veu el resultat d’una col·lisió.

El CSMA/CA intenta evitar aquest problema amb l’ajuda del terminal receptor, que ha de col·laborar per detectar si el medi està ocupat: el CSMA/CA, abans de transmetre la trama, força que el terminal emissor enviï una petita trama anomenada RTS (Request To Send, ‘vull enviar’) adreçada al destinatari. El des-

Xarxes d’àrea local

© Universitat Oberta de Catalunya • P03/05098/02039

54

tinatari ha de respondre amb el corresponent CTS (Clear To Send, ‘preparat per a rebre’). Després de fer aquests passos, els terminals a l’abast del transmissor (terminal A en la figura) i els termianls a l’abast del receptor (terminal B) saben que hi haurà una transmissió:

Perquè aquestes trames siguin efectives, cal que l’RTS notifiqui la mida de la trama de dades que s’enviarà, de manera que tots els terminals de la LAN sàpiguen l’estona que la línia, en aquest cas l’aire, estarà ocupada.

El diagrama de temps resultant seria el següent:

Amb això s’aconsegueix que les col·lisions es concentrin en el període ocupat per les dues trames RTS i CTS. El temps de vulnerabilitat serà, com en el CSMA (i el CSMA/CD), si no es dóna el problema del “terminal amagat”, Tv ≈ 2tp, ja que les condicions són les mateixes.

Xarxes d’àrea local

© Universitat Oberta de Catalunya • P03/05098/02039

55

Si es dóna el problema del “terminal amagat”, els càlculs perden sentit, perquè tp no seria un valor homogeni a tota la xarxa, sinó que dependria del parell de terminals que es consideressin.

El temps de col·lisió millora apreciablement respecte del CSMA, perquè la seva durada se circumscriu també a les trames RTS i CTS, ja que durant la transmissió de la trama de dades no hi pot haver col·lisió (CA). Per tant, Tcol ≈ tRTS + + 2tp: molt millor que en el CSMA i similar al que aconsegueix el CSMA/CD (si suposem que tRTS és petit). Amb el CSMA/CA s’aconsegueix una durada de col·lisió i de vulnerabilitat similars a les aconseguides amb el CSMA/CD, (amb el diferencial comentat de la longitud de les trames RTS i CTS). Això és a costa que totes les trames d’informació vagin acompanyades de trames de control addicionals que amb el CSMA/CD no calen; per tant, l’eficiència de transmissió baixa. En algunes situacions, això pot ser un problema.

Quan les trames d’informació són petites, algunes implementacions degraden el MAC de CSMA/CA a CSMA, ja que la durada de col·lisió serà similar, però en comptes d’haver de transmetre tres trames, se’n transmet només una.

A causa de l’alta probabilitat d’error de bit, les implementacions reals CSMA/ CA sovint afegeixen una quarta trama addicional per tal d’assegurar que el receptor ha rebut la trama. Es tracta de la trama de confirmació o ACK:

Xarxes d’àrea local

© Universitat Oberta de Catalunya • P03/05098/02039

56

Xarxes d’àrea local

6. Estàndards per a xarxes d’àrea local

Gairebé tots els estàndards de LAN han estat estandarditzats per l’Institut d’Enginyers Elèctrics i Electrònics (IEEE) dels EUA, dins dels grups IEEE802.xx, i després els estàndards han estat acollits per l’Organització Internacional d’Estandardització (ISO), que ha anomenat els grups idènticament però fent servir el prefix ISO8802.xx. Tots els estàndards IEEE802, a excepció de l’IEEE802.1 i l’IEEE802.2, es refereixen a protocols MAC.

• IEEE802.1: defineix procediments per a interconnexió i gestió de commutadors, protocols per a LAN virtuals i seguretat criptogràfica de la transmissió.

• IEEE802.2: defineix el nivell d’enllaç lògic adequat per a LAN.

• Ethernet-DIX-II: estàndard de facto de CSMA/CD a 10 Mbps. Variants de l’estàndard a bastament emprades són Fast Ethernet (100 Mbps) i Gigabit Ethernet (1 Gbps). Per a totes és comú el canvi del MAC CSMA/CD per commutadors.

• IEEE802.3: MAC CSMA/CD. Similar però no interoperable amb EthernetDIX-II.

• IEEE802.4: MAC token bus. Implementa un MAC equivalent a token ring, però sobre topologia física i lògica de bus. Actualment es troba en desús.

• IEEE802.5: MAC token ring derivat del protocol Token Ring d’IBM, i compatible amb ell.

Exemple L’ISO8802.3 és totalment equivalent a l’IEEEE802.3.

© Universitat Oberta de Catalunya • P03/05098/02039

57

Xarxes d’àrea local

• IEEE802.6: MAC DQDB o Distributed Queue Dual Bus. Està dissenyat per a xarxes d’àrea metropolitana. Tot i que és un bus lògic, físicament és un anell, el que li confereix tolerància a talls a la línia. Actualment es troba en desús. Les xarxes d’àrea metropolitana (MAN, Metropolitan Area Networks) eren un concepte rellevant al començament dels noranta, quan faltaven estàndards per a xarxes l’abast de les quals estigues entre el d’una LAN i el d’una WAN. En l’actualitat, el concepte ha quedat marginat, perquè a les LAN ja es fan servir tecnologies de WAN com la commutació; per tant, l’espai teòric de les MAN ha quedat pinçat.

• ANSI X3T12 o FDDI (Fibre Distributed Data Interface): MAC token ring doble amb propietats de tolerància a fallades. Inicialment estava dissenyat per a xarxes MAN, però va tenir un nínxol de mercat en xarxes de servidor (clusters). Actualment es troba en desús, però encara se’n poden trobar instal·lacions en funcionament. • IEEE802.11 o WiFi: (Wireless Fidelity): MAC CSMA/CA per a xarxes sense fils. Probablament serà l’estàndard de LAN de major progressió. • IEEE802.12 o 100VG-AnyLAN*: estàndard a 100 Mbps aparegut als noranta com a substitució de l’Ethernet a 10 Mbps. És un MAC token ring amb prioritats i procediments per a facilitar la interoperabilitat amb l’IEEE802.3. Actualment es troba en desús a causa de l’èxit comercial de Fast Ethernet.

* VG ve de Voice Grade (categoria de veu) en referència al tipus de cablejat per telefonia que permet aquest estàndard. AnyLAN fa referència al fet que permet interoperabilitat entre CSMA/CD i token ring.

• IEEE802.15 o Bluetooth: protocol similar a l’IEEE802.11 però ajustat als requeriments de les piconets (picoxarxes o xarxes molt petites). És molt apropiat per a interconnectar ratolins, teclats, mòbils, agendes electròniques, ordinadors portàtils i, en general, petits sistemes alimentats per bateries. En els aparatats següents ens centrarem en els quatre aspectes que se citen a continuació:

• LAN més utilitzades: Ethernet i IEEE802.3.

• Cablejat estructurat: norma EIA/TIA 568.

• Xarxes sense fil: norma IEEE802.11.

• Interconnexió de LAN.

Aquesta selecció, certament, no és tècnica sinó comercial. Possiblement Ethernet no és el millor protocol, però és el més utilitzat. Actualment, l’IEEE802.11 té una part petita del mercat LAN, però se’n preveu un creixement important. D’altra banda, el cablejat estructurat és capital per a entendre què vol dir instal·lar una LAN, i n’és un punt central (per a Ethernet, token ring, telefonia, etc.). I, finalment, si a Ethernet se li preveu també un futur prometedor és, en part, per la possibilitat de fer servir l’Ethernet commutada, que és tant un procediment d’interconnexió com una nova manera de fer LAN.

Bluetooth El nom Bluetooth prové del rei víking Harald Blatand (segle X dC), que va unificar i controlar Dinamarca i Noruega. D’aquí ve la inspiració del nom: amb aquesta tecnologia es pretén unificar i interconnectar dispositius. Es creu que una de les aficions d’aquest rei era menjar móres, i per això tenia el “tint” blau de les dents (bluetooth vol dir ‘dent blava’ en anglès).

© Universitat Oberta de Catalunya • P03/05098/02039

58

Xarxes d’àrea local

6.1. Ethernet i IEEE802.3

A mitjans setanta Xerox van llançar Ethernet tal com es coneix en l’actualitat, fruit del treball d’investigació de Norm Abramson, de la Universitat de Hawaii. Abramson va dissenyar i construir el 1971 una xarxa via satèl·lit que feia servir el protocol Aloha, dissenyat a aquest efecte. Era la xarxa AlohaNet.

Per competir amb la Token Ring d’IBM, pràctica dominadora del concepte LAN, Xerox va unir esforços amb DEC (Digital Equipment Corporation) i amb Intel pr comercialitzar la seva Ethernet.

Problemes d’encaix en el model LAN d’IEEE802 (que aparegué posteriorment) fan que la versió estàndard (de iure) IEEE802.3 no sigui exactament la mateixa que la d’Ethernet. Com que, en general, emprem el mot Ethernet per a referir-nos a les dues variants, per a distingir clarament quan ens referim a l’Ethernet diferent d’IEEE802.3, li diem EthernetDIX (Digital, Intel, Xerox).

6.1.1. Nivell físic

Ethernet fa servir diferents tipus de medi físic i a diferents velocitats. Per a diferenciar els estàndards, se’ls nomena segons el patró següent:

.

– Quant a velocitat ara es pot trobar al mercat maquinari a 10, 100 i 1000 Mbps*. Està, però, a punt d’aparèixer l’estàndard a 10 Gbps.

Ethernet-DIX i IEEE802.3 Pel que fa al nivell físic, IEEE802.3 i Ethernet-DIX són gairebé idèntics.

* L’estàndard per a 10 Gbps (IEEE802.ae) va ser aprovat el juny de 2002.

– Com que totes les codificacions actuals són banda base, la part central sempre és “Base”. – La part final acostuma a ser “T” (de parell trenat) o “F” (de fibra òptica), més un sufix addicional per a distingir les variants.

Els estàndars més utilitzats són els següents:

• 10Base-2 (IEEE802.3a): 10 Mbps sobre coaxial (el 2 ve del fet que l’abast aproximat sense repetidors és de 200 m). La codificació és Manchester. Topologia coaxial. Es permeten quatre repetidors separant cinc trams de 200 m. • 10Base-Tx (IEEE802.3i): 10 Mbps sobre parell trenat. Aquest i els estàndards següents estan definits sobre cablejat estructurat. En particular,

Vegeu la codificació Manchester al subapartat 3.1.1 del mòdul “Transmissió de dades” d’aquesta assignatura.

Estudiarem cablejat estructurat al final d’aquest mateix mòdul.

10Base-T requereix cablejat de categoria 3 o superior. Codificació Manchester. Topologia en estrella que permet interconnectar quatre concentradors. • 100Base-Tx (IEEE802.3u): 100 Mbps sobre parell trenat categoria 5. Codificació NRZ amb precodificació (per a garantir el sincronisme de bit) 4B/5B (125 Mbaud). Topologia en estrella. Es permet la interconnexió de concentradors si estan a menys de 2 m de distància o bé si estan apilats.

Concentradors apilables Els concentradors apilables (stackable hubs) són una manera d’aconseguir un concentrador amb més ports més pràctica que fer una interconnexió independent de concentradors.

© Universitat Oberta de Catalunya • P03/05098/02039

59

Xarxes d’àrea local

• 1000Base-T (IEEE802.3ab): 1 Gbps sobre parell trenat categoria 5. Codificació de cinc nivells que empaqueta dos bits per símbol en paral·lel sobre els quatre parells en paral·lel, resultant en 125 Mbaud a cada parell, el mateix que en 100Base-T*. Topologia en estrella. Els concentradors només es poden interconnectar apilant-los.

* 100Base-Tx i 10Base-Tx fan servir només un parell d’anada i un altre de tornada.

Tots els estàndards en ús tenen topologia en estrella. A més tots ells funcionen sobre parell trenat. Hi ha també especificacions per a ús de fibra òptica, però no les tractarem.

6.1.2. Control d’accés al medi El control d’accés al medi és CSMA/CD 1-persistent. La finestra de col·lisió, o temps màxim de vulnerabilitat, està definit en 512 bits. Per tant, l’abast màxim teòric és 51,2 µs a 10 Mbps i 5,12 µs a 100 Mbps. A 1 Gbps s’ha modificat aquest aspecte per permetre un abast més raonable: 512 bytes, és a dir, 4.096

Ethernet-DIX i IEEE802.3 Pel que fa a control d’accés al medi, IEEE802.3 i Ethernet-DIX són gairebé idèntics.

bits; per tant la finestra de col·lisió és de 4,096 µs. Això implica un abast màxim teòric de 5 km, 500 m i 400 m respectivament. A causa de factors com l’atenuació, interferències, etc. cap dels estàndards anteriors no arriba al límit teòric. La 1-persistència cal detallar-la una mica més. Quan un terminal espera que el medi quedi lliure, ha de deixar una estona de silenci per garantir que tothom percep la finalització de la trama anterior. És l’espai intertrama*, que val tIFG = 96 bits.

* En anglès, Inter Frame Gap (IFG).

La resta de temps emprats a Ethernet estan definits en termes de finestra de col·lisió. La detecció de col·lisions també té un paràmetre que cal definir, la funció de temps de back-off. Quan hi ha una col·lisió, els terminals transmissors han d’esperar un IFG i, després, decidir aleatòriament si esperen 1 o 0 finestres de col·lisió.

• Si un terminal escull 1 i l’altre 0, hi ha un que guanya la contenció i l’altre haurà de tornar a esperar.

• Si tots dos terminals (o més, si és el cas) escullen 1 o 0 (50% de probabilitat) torna a haver-hi una col·lisió.

En aquest segon cas, el temps de back-off màxim es dobla, de manera que els terminals aleatòriament esperen 0, 1, 2 o 3 finestres de col·lisió. Si tornés a haver-hi una col·lisió, el temps de back-off aniria creixent fins a valer 210 − 1 finestres de col·lisió a la desena col·lisió. Aquest valor es manté fins a la setzena col·lisió, moment en què el driver de xarxa ha de notificar a l’aplicació que hi ha problemes.

Recordeu Aquest valor no es pot decidir de manera determinista, ja que la col·lisió seria reiterada.

© Universitat Oberta de Catalunya • P03/05098/02039

60

Xarxes d’àrea local

Aquest fet seria altament improbable com no fos que hi hagués algun problema al cablejat que provoqués ecos, com un tall o una mala connexió: l’eco es monitoritza com una col·lisió, que sistemàticament es repeteix.

6.1.3. Format de trama Ethernet Tal com hem dit, hi ha dos estàndards Ethernet, i precisament la diferencia principal radica en el format de trama. En ambdós casos el format de trama és minimalista; no hi ha pràcticament res de superflu:

Veiem els camps comuns als dos estàndards: • El preàmbul consta de 62 bits, alternativament 1 i 0. Això permet al receptor sincronitzar el rellotge del seu receptor de manera precisa. Hem de tenir en compte que abans d’una trama sempre hi ha silenci (l’IFG) i, per tant, el receptor necessita “entrenar” el rellotge de recepció (sincronisme de bit). Els dos últims bits (per a arribar a 8 bytes) són dos 1 seguits. Això permet al receptor perdre alguns bits del preàmbul i encara mantenir el sincronisme de trama. Precisament aquesta és la funció del preàmbul. • L’adreça de destinació. Cada estació té la seva adreça pròpia, i quan detecta una trama al medi, simplement ha de vigilar si porta la seva adreça. Si no, pot ignorar la resta de camps. • L’adreça origen identifica l’estació autora de la trama. • El camp CRC conté un CRC-32. Ara en veurem els camps diferencials: El quart camp en Ethernet-DIX és el tipus. Aquest camp és l’única concessió en el nivell d’enllaç en Ethernet-DIX: permet multiplexar connexions. A l’IEEE802.3

Veurem les adreces amb més profunditat en l’apartat següent.

© Universitat Oberta de Catalunya • P03/05098/02039

61

Xarxes d’àrea local

no li cal, ja que obliga a fer servir l’IEEE802.2 per sobre (un protocol d’enllaç complet). En canvi, l’IEEE802.3 fa servir el quart camp (de 2 bytes també) per a definir la longitud del contingut de dades dins de la trama. Hem de pensar que la longitud mínima de la trama és de 512 bits, és a dir, 64 bytes. Si restem tot els camps que hem vist, trobem que la trama ha de contenir: 64B – 8B – 6B – 6B – – 2B – 4B = 38B. Si la trama conté menys de 38B, el camp de longitud així ho indica, afegim els bytes de farciment* necessaris (camp de farciment) per a acon-

* Farciment, en anglès, és padding.

seguir els 64 bytes totals mínims. Ethernet no resol aquest problema. Simplement força l’aplicació a generar trames de 38 o més bytes de contingut. Si no és així, no les envia i retorna un error. Això no és problema si l’Ethernet transporta TCP/IP. La capçalera IP són 20 bytes, i la TCP, 20 més. Qualsevol paquet TCP/IP fa, doncs, 40 bytes o més.

Ara se’ns planteja una pregunta que ja hem resolt en part: pot coexistir trànsit Ethernet-DIX i IEEE802.3 dins d’una mateixa xarxa? Des del punt de vista físic ja hem vist que poden coexistir. Des del punt de vista de la trama, cal tenir present que hi ha un camp que és diferent en els dos estàndards: tipus i longitud. Sortosament, la longitud de trames, tant Ethernet-DIX com IEEE802.3, està limitada a 1.500 bytes. Com que els tipus EthernetDIX estan estandarditzats, simplement cal vigilar de no assignar tipus amb un identificador inferior a 1.500. Aquesta correcció es va fer a l’estàndard Ethernet-DIX quan va aparèixer l’IEEE802.3. És el que s’anomena Ethernet-DIX-II. Quan parlem d’Ethernet-DIX ens referim sempre a Ethernet-DIX-II.

6.1.4. Adreces Les adreces en Ethernet i en tots els estàndards IEEE802 es defineixen igual. Són 48 bits que identifiquen inequívocament al terminal qualsevol estació Ethernet, IEEE802.3 o de qualsevol altre tipus de LAN, que té una adreça única. Això s’aconsegueix repartint un identificador de 22 bits a cada fabricant, que l’utilitza com a prefix per a les adreces de les targetes de xarxa que fabrica. L’adreça final té un format com aquest: 2 bits

22 bits

24 bits

“00”

Identificador d’organització

Identificador de targeta

Per tant, cada fabricant té un límit de 224 adreces: 16 milions de targetes. Els fabricants que superen aquesta xifra reben un nou identificador. Els dos identificadors inicials són sempre 0 per a adreces úniques. Però en certs casos es fan servir tipus especials. Si el primer bit és un 1, el format canvia: els 47 bits restants es fan servir per a identificar grups de terminals: 1 bit

47 bits

“1”

Identificador de grup

Podeu trobar una llista actualitzada de tipus d’Ethernet reconeguts i de fabricants registrats a l’adreça següent: http/www.iana.org/assignments/ ethernet-numbers.

© Universitat Oberta de Catalunya • P03/05098/02039

62

Les adreces de grup o adreces multicast es fan servir només com a adreça de destinació (mai com a adreça origen) per a enviar la trama a tots els que pertanyen al grup. El grup amb tota l’adreça a “1” és el grup broadcast. Totes les estacions pertanyen al grup broadcast. Hi ha un tercer tipus d’adreça, que són les adreces localment definides i que comencen per “01”. Aquesta prestació no es fa servir gaire, i moltes targetes no la suporten. A més, moltes targetes permeten canviar els 46 bits de l’adreça d’estació.

6.1.5. Concentradors i commutadors Quan tenim una Ethernet funcionant amb CSMA/CD, hi ha terminals connectats a un concentrador. El concentrador és un repetidor que retransmet tot el que detecta en un port per la resta.

Tots els terminals han d’implementar el CSMA/CD. A efectes d’estudi, la presència del concentrador és anecdòtica, i podríem suposar-lo invisible. El senyal es difon pel medi fins a arribar a tots els terminals.

Al diagrama de temps s’ha reflectit un petit retard del senyal al seu pas pel concentrador. Aquest retard és degut al fet que el concentrador és un repetidor i, per tant, ha de regenerar la temporització dels bits. Això implica un cert retard d’uns pocs bits.

Concentrador, terminals i tot el cablejat estan dins d’un mateix medi. És el que anomenem domini de col·lisió. Un domini de col·lisió és un àmbit dins del qual un únic MAC governa les transmissions. Si dos terminals inicien la comunicació simultàniament en un mateix domini de col·lisió, hi haurà col·lisió. En un domini de col·lisió 10BaseT, cap terminal ni cap combinació de terminals pot arribar mai a transmetre en total més de 10 Mbps.

Xarxes d’àrea local

© Universitat Oberta de Catalunya • P03/05098/02039

63

Per tant, si eixamplem una xarxa a còpia d’augmentar el nombre de terminals, fins i tot si hi afegim més concentradors, tanmateix, tindrem un únic domini de col·lisió i, per tant, cada cop la capacitat disponible per a cada terminal individual serà menor. Només hi ha dues maneres d’augmentar la capacitat d’una xarxa: • Canviar l’estàndard per un altre a major velocitat. Per exemple, passar de 10Base-T a 100Base-T o 1000Base-T. Aquesta solució és bastant dràstica. Penseu que no només s’han de canviar els concentradors (i potser el cablejat) sinó també totes les targetes dels terminals. Passar de 10 Mbps a 100 Mbps és car. • Segmentar el domini de col·lisió de manera que el nombre de terminals per domini de col·lisió sigui inferior. Aquesta solució sovint és més senzilla. Per a dividir o interconnectar dominis de col·lisió necessitem un commutador. Els commutadors poden tenir vuit, setze o vint-i-quatre ports i, per tant, des d’aquest punt de vista són similars als concentradors. Però a diferència d’aquests, els ports d’un commutador tracten la informació individualment: cada trama que reben s’emmagatzema dins de la memòria del port (o la memòria assignada al port), s’analitzen els possibles errors i s’interpreta per decidir on es dirigeix. En segmentar la xarxa, com que cada port rep la trama, l’emmagatzema i es retransmet pel port de sortida tornant a aplicar el CSMA/CD, estem parlant de dominis de col·lisió diferents. Cada port d’un commutador connecta dominis de col·lisió diferents.

Xarxes d’àrea local

© Universitat Oberta de Catalunya • P03/05098/02039

64

Els ponts (bridges) són una solució similar. Funcionalment són el mateix que un commutador, però tècnicament es basen en arquitectures totalment diferents i s’han fet servir en altres èpoques. En l’actualitat s’utilitzen commutadors.

Un concentrador no du a terme cap d’aquestes operacions, la trama com a tal és irrellevant per a ell: quan en rep els primers bits els copia immediatament (“connecta” seria una paraula més gràfica) a tota la resta de ports. El concentrador no detecta errors ni interpreta ni res; des del punt de vista lògic, un concentrador és un sistema passiu. Cal, però, reconèixer almenys un avantatge als concentradors sobre els commutadors. Per tal que un commutador pugui decidir què fa amb les trames entrants, cal que emmagatzemi les trames rebudes, encara que només sigui momentàniament, per poder processar-ne el contingut (bàsicament l’adreça de destinació i el CRC). Aquest emmagatmemament, com es reflecteix en el diagrama de temps següent, comporta un retard de transmissió:

El retard de transmissió és, aproximadament, el doble que el que compoprta l’ús de concentradors (si suposem retards de propagació negligibles). Com a contrapartida, el commutador deixa els n−2 terminals restants amb el port lliure per a poder transmetre: un commutador pot, teòricament, mantenir n/2 transmissions simultànies de trames entre tots els ports:

Xarxes d’àrea local

© Universitat Oberta de Catalunya • P03/05098/02039

65

Hi ha commutadors que encaminen la trama abans fins i tot que hagi estat rebuda completament. Són els commutadors ràpids o cut-through, que tan bon punt reben el camp d’adreça (al 14è. byte) en decideixen el port de sortida i comencen a transmetre la trama. El retard és molt inferior, però en cas que la trama sigui errònia la transmetran igualment, ja que no ho poden saber.

Els commutadors ràpids presenten un problema addicional: si hi ha una col·lisió al domini origen es propaga al domini destinació. Per a solucionar aquesta eventualitat, hi ha una variant de commutadors (Run-free cut-through) que espera la finestra de col·lisió (64 bytes) per assegurar-se que no hi ha col·lisió al domini origen.

A la figura anterior, cada terminal té el seu propi domini de col·lisió. De fet, les col·lisions encara són possibles, ja que es pot donar el cas que el port del commutador i el terminal associat decideixin casualment començar a transmetre de manera simultània.

Xarxes d’àrea local

© Universitat Oberta de Catalunya • P03/05098/02039

66

Xarxes d’àrea local

Si en comptes de connectar directament al commutador els terminals connectem concentradors, el sistema també millora quant a rendiment respecte d’un connectat únicament amb concentradors:

En qualsevol cas, cada domini de col·lisió addicional suposa un increment de la capacitat agregada de la xarxa si les trames van majoritàriament adreçades a estacions situades en el mateix domini de col·lisió que l’estació origen. El commutador filtra aquestes trames de manera que no ocupin innecessàriament la resta de dominis de col·lisió. Teòricament, si segmentéssim el domini original perfectament, el commutador no retransmetria cap trama, amb la qual cosa la capacitat de la xarxa s’hauria multiplicat directament pel nombre de nous dominis de col·lisió.

Els commutadors coneixen la posició dels terminals per un procediment d’aprenentatge automàtic. Mentre que aquest procediment no hagi finalitzat (per exemple, quan el commutador arrenca), el commutador reparteix les trames per tots els ports: com que no coneix encara la posició de les estacions, actua de manera similar a un concentrador. Quan rebi les primeres trames descobrirà, mirant l’adreça origen, la posició de totes les estacions.

En realitat, quan afegim un commutador, la segmentació mai no serà tan dràstica*; per tant, el commutador no filtra tot el trànsit. Conseqüentment, cada domini suporta el seu trànsit intern, més un percentatge del trànsit dels altres dominis. En general, si el trànsit no és intern, ocuparà només dos dominis de col·lisió; per tant, la resta de n–2 dominis estarà lliures per a transmetre. En el pitjor dels casos, tot el trànsit ocuparà dos dominis i, per tant, la inserció d’un commutador augmenta la capacitat de la LAN agregada entre n/2 i n vegades, on n és el nombre de ports. Això suposant que es canvia un concentrador per un commutador. Si hi ha més commutadors, llavors una única trama pot arribar a ocupar tres o més dominis de col·lisió.

Els commutadors és poden interconnectar com si fossin concentradors per fer xarxes més grans. De fet, com que cada domini de col·lisió té un MAC independentment, l’abast màxim d’una xarxa amb commutadors és teòricament il·limitat.

* No estem parlant de terminals connectats accidentalment.

© Universitat Oberta de Catalunya • P03/05098/02039

67

Xarxes d’àrea local

6.1.6. Ethernet full-duplex Ethernet full-duplex

Afegir commutació significa una nova possibilitat a Ethernet: l’Ethernet full-duplex. En aquesta xarxa, d’Ethernet en queda ja bastant poc, ja que

Ethernet full-duplex ha estat estandarditzada a l’IEEE802.3x.

desapareix completament el CSMA/CD: les trames poden viatjar en les dues direccions de la línia simultàniament, sense problemes (sense col·lisions). De fet, el que tenim són enllaços punt a punt que anecdòticament fan servir com a format de trama l’Ethernet i com a codificació 10Base-T, 100Base-T, etc. Òbviament no es poden construir concentradors full-duplex, ja que en cada domini de col·lisió només hi pot haver una transmissió activa en cada instant. De fet, el concepte domini de col·lisió és de poca o nul·la aplicació en ports full-duplex.

Fins ara, la substitució d’un concentrador per un commutador no exigia cap més canvi. Però amb Ethernet full-duplex cal canviar les targetes de les estacions, ja que les normals aplicarien el CSMA/CD de manera contumaç, avortant qualsevol transmissió simultània en les dues direccions.

6.1.7. Sistemes multiestàndard

Els sistemes Ethernet moltes vegades suporten diferents estàndards. Com que hi ha diferents codificacions especificades per a un mateix medi de transmissió (parell trenat categoria 5e, per a ser precisos) una mateixa targeta, commutador o concentrador poden implementar una gran combinació d’estàndards. Fonamentalment, els següents:

HDX

FDX

10Base-Tx

X

X

100Base-Tx

X

X

1000Base-T

X

X

Si un sistema disposa de diferents estàndards, cada vegada que un dels seus ports es reinicia, engega un procediment d’autonegociació, que consisteix a acordar amb l’oponent l’estàndard de més prestacions que tinguin en comú.

Un commutador suporta diferents ports treballant a diferents velocitats, halfduplex o full-duplex. Per tant, si tenim un maquinari heterogeni, el commutador s’hi connectarà de la millor manera possible.

En canvi, un concentrador no pot actuar de la mateixa manera: no pot tenir ports full-duplex, i tampoc ports de diferents velocitats. Un concentrador és simplement un repetidor del senyal que rep; per tant, no és possible que un senyal rebut a una velocitat es retransmeti a una velocitat diferent.

Autonegociació Aquest procediment ha estat estandarditzat en la mateixa revisió que la Fast Ethernet: l’IEEE802.3u.

© Universitat Oberta de Catalunya • P03/05098/02039

68

Xarxes d’àrea local

Cal tenir present que parlem de concentradors reals. El mercat és ple de concentradors multivelocitat, a 10/100 Mbps i a 10/100/1000 Gbps (half duplex tots ells, això sí) i amb capacitat d’autonegociació. L’entrellat es resol quan n’estudiem l’arquitectura, i és que no es tracta d’un concentrador, sinó de dos (o tres) interconnectats mitjançant un commutador de dos o tres ports. L’arquitectura per a un concentrador 10/100 és la següent:

Un concentrador 10/100 crea dos dominis de col·lisió (un concentrador 10/100/1000 en crea tres) interconnectats per un commutador. Per tant, la capacitat del concentrador serà 10 Mbps + 100 Mbps = 110 Mbps (1,11 Gbps en un concentrador 10/100/1000).

6.2. EIA/TIA 568 Fins ara, hem vist estàndards per al control d’accés al medi, però no hem parat atenció al medi. Des del final dels vuitanta va sorgir una pressió per part dels fabricants per normalitzar les comunicacions dins dels edificis i independitzar-les dels serveis, ja fossin de dades, de telefonia, etc. El 1991 es va publicar l’EIA/TIA 568* referent al cablejat de telecomunicacions per a edificis comercials. Aqust estàndard tenia els objectius següents: • Ser universal, tant en serveis suportats com en fabricants compatibles. • Ser la base per al desenvolupament d’altres estàndards de comunicacions (veu, imatge, LAN, WAN, etc.). Bàsicament per comunicacions en oficines. • Definir paràmetres que permetin definir i establir el cablejat de l’edifici abans fins i tot que l’empresa s’hi estableixi. Es concep el cablejat com un servei més de l’edifici (llum, aigua... i dades). L’abast de l’estàndard cobreix l’especificació del senyal i la mecànica (tant pel que fa a l’ús de parells trenats com de fibra òptica): • Definició de senyal: prestacions, amplada de banda, soroll i interferències límit.

* La versió actual és l’EIA/TIA 568B.

© Universitat Oberta de Catalunya • P03/05098/02039

69

• Definició mecànica: els connectors, disposició de contactes, armaris, geometria del cablejat, abast, etc.

Tot i que l’estàndard defineix tant l’ús de fibres òptiques multimode com monomode, actualment, l’alternativa més utilitzada és el parell trenat. Tard o d’hora, la fibra substituirà el coure com a suport de les comunicacions a causa de la seva major capacitat teòrica, però per ara les successives millores en la fabricació del cablejat, i sobretot, la millora dels equips terminals de circuit de dades han fet que la vida prevista del parell trenat s’allargui.

6.2.1. Topologia

La topologia bàsica d’aquest estàndard és l’estrella, que es fa servir en el cablejat de planta. El cablejat de planta distribueix des d’un punt central o armari de planta a tots els punts de la superfície o connectors. L’estàndard defineix l’ús previst de connectors.

Com que la definició del cablejat és prèvia a la instal·lació de les oficines, la localització dels connectors no es pot basar en la distribució final, ja que no es coneix.

Hi ha diversos mecanismes de distribució, però el més utilitzat és el de superfície, que estableix la instal·lació d’un connector doble cada 10 m2 d’espai de treball. Aquest és l’espai que es considera que ocupa un lloc de treball i se li preveu l’ús d’un terminal informàtic i un telèfon.

Els diferents armaris de planta (usualment un per planta si les dimensions ho permeten) estan connectats a la sala d’equipaments. Aquesta sala concentra els baixants dels armaris de planta, amb el cablejat extern (telefonia, WAN, etc). El cablejat entre armaris de planta i la sala d’equipaments pot fer fins a 90 m si és de coure i fins a 3 km si és de fibra.

Tant l’armari de planta com la sala d’equipaments contenen racks. Dins dels racks hi ha dues parts, que corresponen a dues funcions. Les entrades de planta (patch panels) identifiquen els connectors distribuïts per la planta. Mitjançant cables o ponts (patch cords) es connecta al servei desitjat: concentrador, commutador, centraleta telefònica, etc. El cablejat horitzontal pot fer com a molt 90 m (tant si és coure com fibra), que sumats a la longitud dels ponts de l’armari i els ponts per a connectar els terminals fan un total de 100 m com a màxim.

Els racks dels armaris de planta tenen connexió amb la sala d’equipaments. Per això normalment es parla de topologia en estrella jeràrquica. La principal té el punt central a la sala d’equipaments i cada punta, els armaris de planta, són els nusos de les estrelles subordinades.

Xarxes d’àrea local

© Universitat Oberta de Catalunya • P03/05098/02039

70

6.2.2. Medi físic Com a medi físic, hi ha diferents tipus de parell trenat i de fibra òptica: Amplada de banda

Serveis possibles

UTP Categoria 1

Sense definir

Telefonia

UTP Categoria 3

16 MHz

LAN de baixa velocitat: Ethernet 10BaseT

UTP Categoria 4

20 MHz

LAN de baixa velocitat: Token Ring 16 Mbps

UTP Categoria 5e

100 MHz

LAN d’alta velocitat: Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, Fiber Channel, CDDI, etc.

UTP Categoria 6

250 MHz

Sense serveis exclusius a hores d’ara, però permet els serveis anteriors i serveis de major amplada de banda

F.O. multimode de salt d’índex

100 MHz

LAN d’alta velocitat: Fast Ethernet, FDDI, etc.

F.O. multimode de gradient d’índex

>1 GHz

LAN d’alta velocitat: Gigabit Ethernet, Fiber Channel

F.O. monomode

>1 GHz

Transmissió a llarga distància.

Els medis conductors estan dividits en categories que es diferencien bàsicament pels sistemes de connexió (connectors, panells), el cablejat (densitat del trenat dels parells) i els mecanismes de certificació. En l’actualitat, el cablejat més utilitzat és el de categoria 5e. De fet, la categoria 5e és una variació en els paràmetres de certificació de l’antiga categoria 5 per garantir el correcte funcionament de les LAN Gigabit Ethernet i Fiber Channel (llavors en procés de definició). Teòricament, un cablejat categoria 5 és capaç de suportar trànsit Gigabit Ethernet (per amplada de banda, interferències, etc.), però es recomana afegir els tests addicionals categoria 5e.

Cadascun dels terminals rep quatre parells trenats que permeten suportar tot tipus de serveis. El servei el reben per mitjà d’un connector RJ45:

Cada connector rep un cable amb quatre parells de fils amb colors distintius:

Cable categoría 5 al descobert.

És molt delicat treballar amb cablejats categoria 5e i superior, ja que la geometria de la trena està especialment estudiada per a evitar les interferències entre els quatre parells i la resta de cables que hi pugui haver a les rodalies. Un error

Xarxes d’àrea local

© Universitat Oberta de Catalunya • P03/05098/02039

71

Xarxes d’àrea local

en el “grimpat” del connector que desfés només una volta de trena podria convertir una instal·lació categoria 5 o 5e en categoria 3.

El trenat s’ha de continuar, fins i tot, en els connectors:

6.2.3. Certificació

El procés de certificació homologa una instal·lació (sencera) com d’una categoria o d’una altra. Usualment, es fan servir equips que realitzen totes les operacions que tot seguit comentarem, de manera automàtica. Els mesuraments bàsics que fan els equips de tests són els següents:

Continuïtat. Es mesura que la connexió pin a pin sigui correcta.

Connectors terminals i d’armari. La connexió als ponts és just a la inversa

Longitud. Es llancen polsos de senyal i es cronometra el senyal de l’eco. D’aquesta manera es comprova que el cablejat no supera la longitud màxima permesa. Amb aquest mesurament també es poden identificar problemes d’homogeneïtat de la línia segons els ecos addicionals que es puguin detectar.

El test Cadascun dels valors que mencionem té una cota definida, que el test verifica que es compleixi. Per passar el test cal que totes les mesures siguin positives: una instal·lació passa o no passa el test, no hi ha termes internitjos.

© Universitat Oberta de Catalunya • P03/05098/02039

72

Xarxes d’àrea local

Atenuació. S’envia un senyal patró des d’un emissor i es mesura l’atenuació amb un receptor a tots quatre parells a l’altre extrem del cable. El senyal de mesura ha de tenir una freqüència que ocupi sobretot la banda alta de freqüències, ja que les freqüències altes són les que més atenuació pateixen.

NEXT o autointerferència. El NEXT* es mesura aplicant un senyal a potència nominal i freqüència màxima en un parell i mesurant el senyal que passa per

* NEXT és la sigla de Near End Cross(X)-Talk.

radiació als altres tres parells en el mateix extrem. Aquesta mesura es repeteix per a tots quatre parells.

Un valor més gràfic que el NEXT és l’ACR (Attenuation to Crosstalk Ratio), que mesura la diferència entre el NEXT i l’atenuació. Com més gran sigui l’ACR, millor.

Altres tests Amb l’aparició de serveis sobre cablejat estructurat, com la Gigabit Ethernet, que fan servir els quatre parells en les dues direccions simultàniament, s’han anat afegint altres mesures, com per exemple el càlcul del retard diferencial als quatre parells, els ecos, etc.

6.3. IEEE802.11 o WiFi

L’IEEE802.11 especifica un MAC CSMA/CA per a xarxes sense fil. L’estàndard especifica diverses bandes possibles, i fins i tot LAN per infrarojos, però les més utilitzades són les bandes ISM* de 2,4 GHz i 5 GHz.

Banda ISM La banda ISM defineix les bandes d’accés lliure regulat de 0,9 GHz, 2,4 GHz i 5,7 GHz:

ISM

fmín

fmàx

Banda 0,9 GHz

902 MHz

928 MHz

Banda 2,4 GHz

2,4000 GHz

2,4835 GHz

Banda 5 GHz

5,150 GHz

5,825 GHz

La banda de 5 GHz està dividida en dues subbandes, separades per un buit d’entre 5,35 GHz i 5,725 GHz.

* ISM és la sigla de Industrial, Scientific and Medical.

© Universitat Oberta de Catalunya • P03/05098/02039

73

Xarxes d’àrea local

L’IEEE802.11 defineix dos modes de funcionament, l’un basat en un punt central (punt d’accés) i l’altre sense aquest punt. En el primer mode de funcionament, a part del control d’accés CSMA/CA, es pot reservar, sota petició al punt d’accés, una fracció del temps per a trànsit síncron (per veu o imatge en temps real). Nosaltres ens centrarem exclusivament en el trànsit de dades, per tant, controlat per CSMA/CA.

6.3.1. Nivell físic L’IEEE802.11 defineix diversos nivells físics d’entre 1 Mbps i 54 Mbps. Però els més utilitzats en l’actualitat són els següents: • IEEE802.11b. (11 Mbps). Fa servir la banda de 2,4 GHz de la ISM. És el més emprat actualment. Disposa de catorze canals amb una amplada de banda de 22 MHz cadascun. En cas que l’SNR empitjori, automàticament la velocitat baixa a 5,5 Mbps, 2 Mbps i 1Mbps. Els catorze canals es reparteixen els 83,5 MHz disponibles. Per tant, és obvi que no es poden utilitzar simultàniament, ja que s’interferirien. Com a màxim es poden fer servir tres canals dins d’una àrea determinada (per exemple l’1, el 6 i l’11).

El nombre de canals disponibles varia en cada país, ja que la banda regulada pot variar. Com es pot veure a la taula següent, les legislacions espanyola i francesa són particularment restrictives, tot i que s’espera que això canviï tal com ja ha passat al Japó: Dominis reguladors Identificació de canal

Freqüència (MHz)

X’10’

X’20’

X’30’

X’31’

X’32’

X’40’

X’41’

FCC

IC

ETSI

Espanya

França

Japó

Japó

1

2412

X

X

X

—

—

—

X

2

2417

X

X

X

—

—

—

X

© Universitat Oberta de Catalunya • P03/05098/02039

Identificació de canal

Freqüència (MHz)

74

Xarxes d’àrea local

Dominis reguladors X’10’

X’20’

X’30’

X’31’

X’32’

X’40’

X’41’

FCC

IC

ETSI

Espanya

França

Japó

Japó

3

2422

X

X

X

—

—

—

X

4

2427

X

X

X

—

—

—

X

5

2432

X

X

X

—

—

—

X

6

2437

X

X

X

—

—

—

X

7

2442

X

X

X

—

—

—

X

8

2447

X

X

X

—

—

—

X

9

2452

X

X

X

—

—

—

X

10

2457

X

X

X

X

X

—

X

11

2462

X

X

X

X

X

—

X

12

2467

—

—

X

—

X

—

X

13

2472

—

—

X

—

X

—

X

14

2484

—

—

—

—

—

X

—

Font: IEEE802.11b

Els països marcats com ETSI són els europeus, excepte França i Espanya. FCC són els EUA, i IC, el Canadà. • IEEE802.11a (54 Mbps). Fa servir la banda de 5 GHz de la ISM. Té un abast una mica inferior a l’IEEE802.11b i, possiblement, serà superada per l’IEEE802.11g. En cas que l’SNR empitjori, la velocitat de transmissió s’ajusta a 24 Mbps, 12 Mbps i 6 Mbps (encara que algunes altres velocitats intermèdies es poden implementar opcionalment). • IEEE802.11g (54 Mbps). És equivalent a l’IEEE802.11a, però fa servir la banda de 2,4 GHz de la ISM, que és menys vulnerable als obstacles (major abast) i és interoperable amb targetes IEEE802.11b.

6.3.2. Control d’accés al medi En aquest estàndard no es pot fer servir el CSMA/CD com a control d’accés al medi perquè requereix que l’electrònica de transmissió sigui capaç de transmetre i rebre alhora. Per a aconseguir que en radiotransmissió es pogués transmetre i rebre alhora caldria utilitzar bandes de freqüència diferents per a transmetre i per a rebre. Això exigeix dividir l’amplada de banda en subbandes més petites, cosa que ens faria perdre prestacions*.

CSMA/CD no és aplicable per a controlar l’accés al medi en aquest estàndard perquè la detecció de col·lisions (CD) exigeix tenir un transmissor-receptor full duplex.

Cal no confondre el fet que l’electrònica de transmissió del CSMA/CD sigui full duplex, amb que el MAC CSMA/CD sigui full duplex. El CSMA/CD i tota la resta de protocols MAC

* En aquest cas, parlaríem d’FDMA.

© Universitat Oberta de Catalunya • P03/05098/02039

75

Xarxes d’àrea local

són half duplex per definició. Això ve del fet que el que un terminal transmet ho reben els n–1 restants. Si transmetessin dos, els n–2 rebrien la suma dels dos senyals sense tenir oportunitat d’entendre res.

Els enginyers van haver d’escollir un control d’accés al medi alternatiu al CSMA/CD. MAC dinàmic estava fora de discussió, ja que una de les premisses del disseny era el suport de sistemes mòbils en moviment (roaming): anar-se movent per l’espai saltant d’una LAN a una altra implicaria una reconstrucció de l’anell (lògic forçosament) que va ser descartada des d’un bon principi. Entre els sistemes aleatoris, el CSMA és el millor dels que no requereixen transmissors-receptors full-duplex. El problema és que es degrada ràpidament quan es treballa en xarxes on la cobertura de senyal no és completa. Tal com hem vist a l’apartat anterior, el més adequat és un CSMA/CA. De totes maneres, l’IEEE802.3 permet treballar amb CSMA en els casos on la durada de la col·lisió es consideri un factor secundari (xarxes amb pocs terminals i/o poc trànsit). Amb això la velocitat efectiva (si el medi està lliure) augmenta degut a l’estalvi de trames RTS i CTS que es produeix.

Vegeu CSMA/CA en l’apartat 5.4 d’aquest mòdul didàctic.

6.3.3. Topologia Ja hem vist que l’única topologia possible per a xarxes sense fil és el bus. Cada domini de col·lisió s’anomena BSS o Basic Service Set. Dins una mateix volum només hi pot haver un BSS per a cada canal. Amb tot, WiFi aporta dos modes de funcionament alternatius, cadascun amb els seus avantatges: • Mode ad-hoc. És el més pur dels dos, ja que el bus (l’aire) és compartit sense intermediaris. Les estacions seleccionen la banda de freqüències que volen fer servir i poca cosa més. Cada banda de freqüències, el canal, és un domini de col·lisió independent.

Recordeu Els estàndards IEEE802.11b i IEE802.11g defineixen catorze canals.

• Mode amb infraestructura. El BSS està comandat per un punt d’accés (Access Point o AP). Totes les transmissions són entre l’AP i els terminals, mai entre terminals. És aproximadament equivalent* a una topologia en estrella, on l’AP és el repetidor o concentrador: totes les transmissions d’estació a estació han de passar forçosament a través de l’AP. El mode ad-hoc té l’avantatge que no necessita maquinari addicional a les targetes de les estacions: dos terminals amb les corresponents targetes ja es poden posar a treballar. El mode amb infraestructura té l’avantatge que els terminals poden connectarse encara que no tinguin connexió (“visió”) directa. Això, que a primer cop

* Algú podria discutir –i amb raó– que és una falsa estrella, ja que les estacions es connecten al concentrador a través de la mateixa línia. En un concentrador Ethernet, el domini de col·lisió és únic, però les línies són individuals per terminal.

© Universitat Oberta de Catalunya • P03/05098/02039

76

d’ull sembla una trivialitat, no ho és tant ja que els terminals normalment estan sobre taules i es mouen; en canvi, els AP se solen posar aixecats del terra en posicions fixes i estudiades. És molt més fàcil garantir connexió de tots contra l’AP, que de tots contra tots. En definitiva, el mode ad-hoc és més útil per a xarxes casuals (per exemple, una reunió) que per a treball diari.

Xarxes d’àrea local

© Universitat Oberta de Catalunya • P03/05098/02039

77

Resum

En aquest mòdul didàctic hem presentat el concepte de xarxa d’àrea local, els àmbits en què s’instal·len i les característiques que en defineixen el funcionament, com ara els medis de transmissió que s’utilitzen, les topologies i els protocols d’accés al medi. Des del punt de vista del medi de transmissió, distingim entre LAN cablejades, si el medi és guiat (cable o fibra òptica), i LAN sense fil, quan el medi és l’aire. Les topologies tenen un paper important en el disseny i instal·lació d’una LAN: l’estrella, el bus i l’anell són les més habituals. Darrerament han aparegut els busos i els anells en estrella; és a dir, xarxes que presenten una topologia física en estrella i es comporten com si fossin busos o anells (la topologia lògica). Com que les LAN són un medi compartit, cal establir protocols d’accés per a decidir quina estació pot transmetre trames d’informació a cada moment. Són mecanismes flexibles, justos i fàcils d’implementar. Dels molts que se n’han proposat, CSMA/CD –a les xarxes Ethernet–, el pas de testimoni –als anells– i el CSMA/CA –a les xarxes sense fil– són els més utilitzats. Finalment, s’han descrit els estàndards aprovats que descriuen totes les tecnologies explicades.

Xarxes d’àrea local

© Universitat Oberta de Catalunya • P03/05098/02039

79

Xarxes d’àrea local

Activitats 1. Busqueu informació a Internet sobre els cablejats estructurats UTP-3 i UTP-5, el tipus de connectors que utilitzen i a quin tipus de xarxa es fan servir més. 2. Enumereu els avantatges de fer servir una topologia física en estrella en comptes d’un anell o un bus. 3. Busqueu informació a Internet sobre la xarxa Ethernet.

Exercicis d’autoavaluació 1. Es disposa d’una xarxa d’àrea local amb control d’accés al medi per pas de testimoni amb les característiques següents: 100 bits i 16 bits de longitud de trama i de longitud de testimoni, respectivament, 1 Mbps de vt, 1 km de longitud de l’anell (vp = 2 · 108 m/s), 100 estacions i repetidors amb un bit de retard. a) Calculeu els paràmetres de l’anell: temps de propagació, latència, temps de trama i temps de testimoni. b) Si la transmissió és no exhaustiva, quina és l’eficiència màxima quan el funcionament de l’anell és un mecanisme single packet, un mecanisme single token i un mecanisme multiple token? 2. Repetiu l’exercici 1, però ara amb una vt de 10 Mbps. 3. Repetiu l’exercici 1, però ara amb una vt de 100 Mbps. 4. Quines conclusions podeu treure dels exercicis 1, 2 i 3 tenint en compte les eficiències màximes en les diferents condicions estudiades? Incloeu una taula amb els resultats a fi de poder-los comparar millor. 5. Repetiu els exercicis 1, 2 i 3 utilitzant una longitud de trama de L = 2.500 bits. 6. Quines conclusions podeu treure de l’exercici 5 tenint en compte les eficiències màximes en les diferents condicions estudiades? 7. Calculeu la velocitat efectiva màxima amb les dades de l’exercici 1 (L = 100 bits i vt = 1 Mbps). 8. Calculeu la velocitat efectiva mínima amb les dades de l’exercici 1 (L = 100 bits i vt = 1 Mbps). 9. Calculeu les velocitats efectives màxima i mínima amb les dades de l’exercici 2 (L = 100 bits i vt = 10 Mbps) i del 3 (L = 100 bit i vt = 100 Mbps). Incloeu les dades en una taula per poder-les comparar amb les dels exercicis 7 i 8. 10. Calculeu les velocitats efectives màxima i mínima amb les dades de l’exercici 5 (L = 2.500 bits i vt = 1 Mbs, vt = 10 Mbps i vt = 100 Mbps). Incloeu les dades en una taula per poder-les comparar amb les de l’exercici 9. 11. Traieu algunes conclusions dels exercicis 1 al 9. 12. Es disposa d’un anell amb accés al medi per pas de testimoni amb velocitat de transmissió vt, M estacions, propagació tp, retard d’un bit per repetidor, temps de transmissió de trama i testimoni tt i tk, respectivament. La trama consta de C bits de capçalera, D bits de dades i R bits de CRC. Si hi ha N estacions (N < M) que tenen repetidors en estat de curtcircuit, doneu una expressió per a la velocitat efectiva mínima si l’anell funciona en sistema single packet. 13. Es disposa d’un anell amb accés al medi per pas de testimoni amb els paràmetres següents: tp = 50 µs, 250 estacions, un bit de retard en cada repetidor i 16 Mbps de velocitat de transmissió. La longitud de la trama és de 500 bits i el testimoni és de 24 bits. Si el mecanisme és multiple token, quin és el nombre màxim de trames que hi pot haver en l’anell? 14. Es disposa d’una xarxa d’àrea local amb accés al medi per pas de testimoni amb les característiques següents: 1.000 bits (amb capçalera C = 64 bits i CRC de R = 16 bits) de longitud de trama i 16 bits de testimoni, 16 Mbps de velocitat de transmissió, 5 km de longitud de l’anell (suposeu una velocitat de propagació de vp = 2 · 108 m/s), 50 estacions i repetidors amb 8 bits de retard. Se superposa a aquest protocol un protocol Stop & Wait amb una longitud de reconeixement de 96 bits (amb capçalera C = 64 bits i CRC de R = 16 bits). Doneu una expressió per a la velocitat efectiva màxima d’una estació tenint en compte el protocol Stop & Wait si el mecanisme és single packet.

Nota Per a calcular les eficiències màximes utilitzeu sempre un diagrama de temps perquè us ajudi a resoldre el problema.

© Universitat Oberta de Catalunya • P03/05098/02039

80

En comptes de fer servir un protocol Stop & Wait podem aprofitar l’estat d’escolta del repetidor per a modificar un camp de bits al final de la trama (camp de validació). Si aquest camp és de V = 8 bits i la longitud total de la trama es manté a 1.000 bits, com millora la velocitat efectiva màxima? 15. N estacions comparteixen un canal a 56 kbps. El mètode d’accés és Aloha pur. Cada estació genera com a mitjana una trama d’un kbit per minut. Quantes estacions proporcionen un throughput màxim? 16. En un sistema Aloha simple totes les estacions generen una mitjana de 25 trames, comptant les originals i les retransmeses. La durada d’una trama és de 45 ms. a) Quant val el throughput del sistema? b) Quina probabilitat hi ha de transmetre una trama sense col·lisions? c) Quant dura una col·lisió? 17. Disposem d’una xarxa d’àrea local amb accés al medi CSMA/CD, topologia lògica en bus i topologia física en estrella (una xarxa Ethernet). Les estacions estan connectades a un centre per difusió (repetidor). La xarxa treballa a 100 Mbps. La xarxa introdueix els retards següents: el repetidor introdueix un retard equivalent a repetidor = 70Tb (temps de bit, Tb = 1 vt), les targetes de xarxa de les estacions introdueixen un retard equivalent a targeta = 25Tb, i els cables que la connecten introdueixen un retard de 0,5Tb/metre (és fibra òptica). Si la finestra de col·lisions (temps de vulnerabilitat) és equivalent a 512Tb: a) Quina és la longitud mínima de trama permesa? b) Quina és la longitud màxima a què es pot connectar cada estació? 18. Disposem d’una xarxa d’àrea local amb accés al medi CSMA/CD i topologia en bus (tp = 5 µs). La longitud de les trames és de 2.000 bits, dels quals 100 són de capçalera i 1.900 són de dades. El CSMA/CD és 1-persistent, amb la particularitat que una estació considera que el medi està lliure si ha transcorregut una ranura de temps (on la ranura de temps es defineix com el temps de vulnerabilitat). Si la velocitat de transmissió és de 10 Mbits, quina és la velocitat efectiva màxima d’una estació?

Xarxes d’àrea local

© Universitat Oberta de Catalunya • P03/05098/02039

81

Xarxes d’àrea local

Solucionari Exercicis d’autoavaluació 1. a) Per a calcular els paràmetres de l’anell es fan servir les definicions de cada un d’ells: 100 L • Temps de trama: t t = --- = ---------------= 100 µs 6 vt 1 ⋅ 10 k 16 • Temps de testimoni: t k = --- = ---------------6- = 16 µs vt 1 ⋅ 10 1.000 • Temps de propagació: t p = D ---- = ---------------= 5 µs 8 vt 2 ⋅ 10 t 5 • Temps de propagació entre estacions: t pk = ---p- = --------- = 0,05 µs 100 M M 100 • Latència: τ′ = t p + ---- = 5 + ---------------= 105 µs 6 vt 1 ⋅ 10 b) Per calcular les eficiències màximes considerarem cada cas per separat: • L’anell amb mecanisme single packet allibera el testimoni quan l’últim bit de la trama arriba a l’estació transmissora: es té un temps (τ‘ + tt) fins que l’últim bit de la trama arriba a l’estació transmissora, i un temps (tpk + tk), que és el que el testimoni triga a arribar de l’estació transmissora a l’estació següent.

tt tt 100 100 ----------------- = ---------------------------------------------------------- = ------------------ = 45,23% U max = ----- = -------------------T oi τ′ + t t + t pk + t k 105 + 100 + 0,05 + 16 221,05

• L’anell amb mecanisme single token allibera el testimoni quan el primer bit de la trama arriba a l’estació transmissora. Primer ens hem d’assegurar que pot alliberar immediatament el testimoni, és a dir, tt < τ‘ → tt = 100 µs < 105 µs = τ‘. Per tant, sí que funciona com un mecanisme single token. Aleshores tenim τ‘, fins que el primer bit de la trama arriba a l’estació transmissora i (tpk + tk) que el testimoni triga a arribar de l’estació transmissora a l’estació següent. Aleshores ens queda el resultat següent:

t tt 100 100 U max = ----- = ---------------t------------ = ---------------------------------------- = ----------------- = 82,61% T oi τ′ + t pk + t k 105 + 0,05 + 16 121,05

• L’anell amb mecanisme multiple token allibera el testimoni immediatament després de transmetre la trama: (tpk), en què el primer bit de la trama arriba des de l’estació transmissora a l’estació següent i (tt + tk), en què arriben la resta de la trama i el testimoni. Per tant: tt tt 100 100 ----------- = ---------------------------------------- = ----------------- = 86,16% U max = ----- = --------------T oi t pk + t t + t k 0,05 + 100 + 16 116,05 2. a) Per a calcular els paràmetres de l’anell es fan servir les definicions de cada paràmetre: 100 L • Temps de trama: t t = --- = ---------------= 10 µs 6 vt 1 ⋅ 10 16 k • Temps de testimoni: t k = --- = ---------------6- = 1,6 µs vt 1 ⋅ 10 • Temps de propagació: t p = D ---- = -1.000 --------------= 5 µs 8 vt 2 ⋅ 10 t 5 • Temps de propagació entre estacions: t pk = ---p- = --------- = 0,05 µs 100 M 100 M • Latència: τ′ = t p + ---- = 5 + ---------------= 15 µs 6 vt 1 ⋅ 10

Trobareu les definicions dels paràmetres de l’activitat 1 al subapartat 5.2.2 d’aquest mòdul didàctic.

© Universitat Oberta de Catalunya • P03/05098/02039

82

Xarxes d’àrea local

b) Calculem les eficiències màximes en cada cas: • Anell amb mecanisme single packet: tt tt 10 10 ---------------- = ----------------------------------------------------------- = -----U max = ----- + ----------------------------- = 37,52% T oi τ'+ t t + t pk + t k 15 + 100 + 0, 05 + 1, 6 26, 65 • Anell amb mecanisme single token: ens assegurem que pot alliberar immediatament el testimoni, és a dir, tt < τ‘ → tt = 10 µs < 15 µs = τ‘. Si l’anell funciona amb aquest mecanisme: tt t 10 10 - + --------------t----------- = ------------------------------------------ = ---------------- = 60, 06% U max = ----16, 65 15 + 0, 05 + 1, 6 T oi τ'+ t pk + t t • Anell amb mecanisme multiple token: tt tt 10 10 U max = --------------- = ------------------------------------------ = ---------------- = 85, 83% - + --------------T oi t pk + t t + t k 0, 05 + 10 + 1, 6 11, 65 3. a) Calculem els paràmetres de l’anell: L 100 = 1µs • Temps de trama: t t = --- = ----------------------6 vt 100 ⋅ 10 k 16 • Temps de testimoni: t k = --- = ----------------------6- = 0, 16µs vt 100 ⋅ 10 1.000 D = 5µs • Temps de propagació: t p = ---- = ---------------8 vt 2 ⋅ 10 t 5 • Temps de propagació entre estacions: t pk = ---p- = --------- = 5µs M 100 M 100 • Latència: τ' = t p + ---- = 5 + ----------------------6- = 6µs vt 100 ⋅ 10 b) A continuació, calculem les eficiències màximes per al cas d’un mecanisme single packet, d’un mecanisme single token i d’un mecanisme multiple token: • Anell amb mecanisme single packet: tt tt 1------------------------------ = -----1 - + -------------------------- = 13, 86% U max = -------------------- = ----------------------------7, 21 T oi τ'+ t t + t pk + t k 15 + 100 + 0, 05 + 1, 6 • Anell amb mecanisme single token: ens assegurem que pot alliberar immediatament el testimoni, és a dir, tt < τ‘ → tt = 1 µs < 6 µs = τ‘. Si l’anell funciona amb aquest mecanisme: tt tt 10 10 ----------- = ----------------------------------------- = ----------- = 16, 1% U max = ----- + --------------T oi τ'+ t pk + t k 6 + 0, 05 + 0, 16 6, 21 • Anell amb mecanisme multiple token: tt tt 1 1 U max = --------------- = ------------------------------------------ = ------------ = 82, 64% - + --------------1, 21 0, 05 + 1 + 0, 16 T oi t pk + t t + t k 4. A la taula teniu un resum dels resultats obtinguts en els exercicis d’autoavaluació 1, 2 i 3: Eficiència màxima, Umax

Funcionament de l’anell vt = 1 Mbps

vt = 10 Mbps

vt = 100 Mbps

Single packet

45,23%

37,52%

13,86%

Single token

82,61%

60,06%

16,10%

Multiple token

86,16%

85,36%

82,64%

Com es pot observar, tant el mecanisme single packet com el mecanisme single token ofereixen rendiments molt baixos en anells d’alta velocitat. També cal observar que en anells de baixa velocitat el mecanisme single token es comporta millor que el mecanisme single packet (és evident que ja no s’ha d’esperar tt segons per a alliberar la trama).

© Universitat Oberta de Catalunya • P03/05098/02039

83

Xarxes d’àrea local

5. Aquí hi ha una taula amb els resultats, ja que la resolució del problema és la mateixa que en els problemes anteriors. Eficiència màxima, Umax

Funcionament de l’anell vt = 1 Mbps

vt = 10 Mbps

vt = 100 Mbps

Single packet

95,38%

93,75%

80,10%

Single token

tt > τ‘ 99,36%

tt > τ‘ 99,34%

tt > τ‘ 99,16%

Multiple token

99,36%

99,34%

99,16%

Això significa que l’estació transmissora no pot alliberar el testimoni quan arribi el primer bit de la trama, ja que encara no està transmetent la trama. Per tant, s’ha d’esperar que acabi de transmetre. El temps d’ocupació serà doncs: Toi = tt + tpk + tk. De fet, es comporta igual que un mecanisme multiple token. P P Si P > τ‘ → U max = ------ = -------------------------T oi t pk + t t + t k 6. Sembla que quan la longitud de trama és gran les eficiències màximes són altes, independentment del sistema de funcionament de l’anell. El mecanisme multiple token ofereix rendiments propers al 100%. Seria interessant conèixer quines són les velocitats efectives en cada cas. 7. Per a calcular la velocitat efectiva màxima, cal recordar que hem de calcular el temps des que l’estació transmet una trama fins que la mateixa estació pot transmetre una altra trama (considerant una transmissió no exhaustiva) i cap altra estació no vol transmetre trames. A continuació donem els resultats per a cada mecanisme: • Mecanisme single packet: (τ‘ + tt) fins que l’últim bit de la trama arriba a l’estació transmissora i (τ‘ + tk) que el testimoni triga a arribar novament a l’estació transmissora donant tota la volta a l’anell. Cal recordar que en aquest problema l’eficiència de transmissió (Et) val 1. Aleshores: v ef

max

t tt ------------v t = 306, 74 kbps = ---------t------- = E t v t = --------------T oi min 2τ'+ t t + t k

• Mecanisme single token: τ‘ fins que el primer bit de la trama arriba a l’estació transmissora i (τ‘ + t k) que el testimoni triga a arribar donant tota la volta a l’anell. Recordem que tt < τ‘. Per tant: v ef

max

t tt -------v t = 442, 47 kbps = ---------t------- = E t v t = ---------T oi min 2τ'+ t k

• Mecanisme multiple token: τ‘ fins que el primer bit de la trama arriba a l’estació transmissora i (tt + tk) que la resta de la trama i el testimoni triguen a donar tota la volta a l’anell. Així:

v ef

max

t tt ----------v t = 452, 48 kbps = ---------t------- = E t v t = ------------T oi min τ'+ t t + t k

8. Per a calcular la velocitat efectiva mínima cal recordar que s’ha de calcular el temps des que l’estació transmet una trama fins que la mateixa estació pot transmetre una altra trama (considerant una transmissió no exhaustiva) i que totes les altres estacions volen transmetre trames. Considerem cada mecanisme per separat: • Mecanisme single packet: (τ‘ + tt) fins que l’últim bit de la trama arriba a l’estació transmissora i (tpk + tk) que el testimoni triga a arribar a l’estació següent. Aquesta inicia al seu torn la transmissió i també triga (τ‘ + tt) + (tt + tk) segons a alliberar el testimoni. Aquest procés es repeteix tantes vegades com estacions hi ha a la xarxa (M vegades). Així doncs, es té:

v ef

min

tt tt ---------------------v t = 4, 52 kbps = --------------- = E t v t = ------------------------T oi max M ( τ'+ t t + t pk + t k )

© Universitat Oberta de Catalunya • P03/05098/02039

84

Xarxes d’àrea local

• Mecanisme single token: τ‘ fins que el primer bit de la trama arriba a l’estació següent i (tpk + tk) que la resta de la trama i el testimoni triguen a arribar-hi. Cal recordar que tt < τ‘ . Aquest procés es repeteix M vegades. v ef

min

tt tt = --------------- = E t v t = ------------------------------------v t = 8, 26 kbps T oi max M ( τ'+ t pk + t k )

• Mecanisme multiple token: tpk fins que el primer bit de la trama arriba a l’estació següent i (tt + tk) que triguen a arribar-hi la resta de la trama i el testimoni. Aquest procés té lloc M vegades. v ef

min

tt tt ----------------v t = 8, 61 kbps = --------------- = E t v t = -------------------T oi max M ( t pk + t t + t k )

9. En aquesta taula incloem les velocitats efectives màxima i mínima per a longituds de trama de 100 bits i velocitats de transmissió d’1, 10 i 100 Mbps. Funcionament de l’anell

Single packet

Single token

Multiple token

Velocitats efectives vef

vt = 1 Mbps

vt = 10 Mbps

vt = 100 Mbps

vef⏐max

306,74 kbps

2,4 Mbps

7,35 Mbps

vef⏐min

4,52 kbps

37,52 kbps

130,71 kbps

vef⏐max

442,47 kbps

3,16 Mbps

7,93 Mbps

vef⏐min

8,26 kbps

60,06 kbps

150,37 kbps

vef⏐max

452,48 kbps

3,759 Mbps

13,15 Mbps

vef⏐min

8,61 kbps

85,83 kbps

606,06 kbps

10. En aquesta taula incloem les velocitats efectives màxima i mínima per a longituds de trama de 2.500 bits i velocitats de transmissió d’1, 10 i 100 Mbps. Cal tenir en compte que el mecanisme single token es comporta com un mecanisme multiple token, ja que tt > τ‘. Funcionament de l’anell

Single packet

Velocitats efectives vef

vt = 1 Mbps

vt = 10 Mbps

vt = 100 Mbps

vef⏐max

917,09 kbps

8,87 Mbps

67,27 Mbps

vef⏐min

9,538 kbps

93,75 kbps

801,02 kbps

Funcionament de l’anell

Single token

Multiple token

Velocitats efectives vef

vt = 1 Mbps

vt = 10 Mbps

vt = 100 Mbps

vef⏐max

953,8 kbps

9,37 Mbps

80,23 Mbps

vef⏐min

9,93 kbps

99,34 kbps

991,66 kbps

vef⏐max

953,8 kbps

9,37 Mbps

80,23 Mbps

vef⏐min

9,93 kbps

99,34 kbps

991,66 kbps

11. Dels exercicis anteriors es poden treure les conclusions següents: a) El mecanisme multiple token acostuma a obtenir bons rendiments, que són millors com més grans són la velocitat de transmissió i la longitud de la trama. Però obté clarament millors velocitats efectives màximes si les longituds de trama són grans. b) El mecanisme single token obté bons rendiments amb longituds de trama grans, ja que es comporta com un mecanisme multiple token. Si la longitud de trama és petita obté bons rendiments, i si la velocitat de transmissió és baixa, les velocitats efectives són acceptables.

© Universitat Oberta de Catalunya • P03/05098/02039

85

c) El mecanisme single packet obté bons rendiments i una bona velocitat efectiva si la longitud de trama és gran i la velocitat de transmissió és moderada o petita. Si la longitud de trama és petita només obté bons rendiments per a velocitats de transmissió petites, però la velocitat efectiva màxima no és molt bona (un terç de la velocitat de transmissió). Les velocitats efectives mínimes són petites, però és lògic si pensem que hi ha un gran nombre d’estacions (100 estacions). 12. Si hi ha N estacions en estat de curtcircuit, significa que no introduiran retards en els seus repetidors. La latència valdrà: –N τ' = t p + M --------------vt Què passa ara amb tpk? Havíem assumit que les estacions estaven equiespaiades a fi de resoldre eficiències i velocitats efectives. Ara assumim el mateix però estaran equiespaiades una distància corresponent a tp / (M − N). Evidentment és una aproximació, però si no l’efectuéssim necessitaríem un vector amb les distàncies entre totes les estacions, la qual cosa complicaria massa el problema. L’eficiència de transmissió val: D E t = -----------------------C+D+R Finalment, la velocitat efectiva mínima valdrà:

v ef

min

C+D+R -----------------------v tt -----------------------------E t v t = --------------------------------------------t-----------------------------------------C = --------------------------------------+ -----D ------+ -----R -- = ( M – N ) ( τ'+ t t + t pk + t k ) vt C+D+R K⎞ ⎛ ( M – N ) τ'+ ------------------------ + t pk + --⎝ vt v t⎠

tt --------------------------------------------- . = -----------------------------------------------( M – N ) ( v t ( τ'+ t pk ) + C + D + R + K ) 13. Suposem que hi caben n trames. S’ha de tenir en compte el temps que transcorre entre que dues estacions poden transmetre una trama. Aquest temps és el temps d’ocupació de l’anell (T oi). S’ha de complir que τ‘ ≤ n Toi, on T oi = t t + t pk + tk. Com que τ‘ = 65,625 µs, tt = 31,25 µs i t pk = 1,5 µs, tenim que: τ' τ' n < ------ = ------------------------ = --65 -------,---625 ----------- = 1, 98 trames 33, 0125 T oi t t + t pk + t t 14. Primer calculem els paràmetres de l’anell: tt = 62,5 µs, tk = 1 µs, tACK = 6 µs, tp = 20 µs, tpk = 0,4 µs i τ‘ = 45 µs (compte amb la latència, ja que ara els repetidors introdueixen l’equivalent a 8 bits de retard). D’altra banda, l’eficiència de transmissió val Et = D / (C + D + R) = 0,92. Per a calcular la velocitat efectiva hem de tenir en compte el protocol Stop & Wait. Suposem que l’estació A transmet (té el testimoni) i ho fa a una estació C (que retorna el reconeixement ACK). Perquè l’estació A pugui tornar a transmetre una trama ha d’esperar que li retorni el reconeixement ACK. Si li arribés el testimoni, però encara no tingués el reconeixement ACK, l’agafaria per alliberar-lo immediatament, ja que el protocol Stop & Wait el tindria blocat fins que rebés el seu ACK (és un protocol LLC de capa superior al MAC). Per tant, el temps d’ocupació mínim seria el següent: • (τ‘ + tt) segons: l’estació A transmet la trama i pot alliberar el testimoni. • (τ‘AC + tk) segons: el testimoni viatja cap a l’estació C. No l’agafa cap altra estació perquè estem calculant la velocitat efectiva màxima. • (τ‘ + tACK) segons: el temps en què l’estació C transmet el reconeixement ACK i aquest li torna perquè alliberi el testimoni. • (τ‘CA + tk) segons: el testimoni viatja de l’estació A a l’estació C. Per tant: T oi min = (τ‘ + tt) + (τ‘AC + tk) + (τ‘ + tACK) + (τ‘CA + tk) = 2τ‘ + tt + 2tk + tACK + τ‘CA + τ‘AC. Però tenim que τ‘ = τ‘CA + τ‘AC. Per tant, T oi min = 3τ‘ + tt + 2tk + tACK.

Xarxes d’àrea local

© Universitat Oberta de Catalunya • P03/05098/02039

v ef

max

86

t tt = ---------t------- = E t v t = -----------------------------------------------E t v t = 4, 47 Mbps T oi max 3τ'+ t t + 2t k + t ACK

Si fem servir el camp de validació és com si tinguéssim una trama de longitud C + D + + V + R bits i Et = D / (C + D + V + R) = 0,912. v ef

max

tt tt ------------E t v t = 5, 94 Mbps = --------------- = E t v t = --------------T oi max 2τ'+ t t + t k

Com a exercici, podríeu resoldre el mateix tipus de problema amb el mecanisme single token i amb el mecanisme multiple token. Penseu també en les velocitats efectives mínimes. 15. El throughput o rendiment màxim s’obté en el sistema Aloha pur per a G = 0,5 i val Smax = = 1/2e. Si desnormalitzem respecte a la capacitat del canal, tenim que Smax = C/2e = 56/2e = =10,3 kbps. Ara sabem que cada estació genera 1 kb per minut, és a dir, treballa a una velocitat mitjana de transmissió de vt = 1.000/60 = 16,66 bps. El nombre d’estacions que poden ocupar el canal òptimament serà el quocient entre el throughput màxim i la velocitat mitjana de cada estació: S max 10.300 N = --------- = ------------------ = 618 estacions 16 vt 16. a) Coneixem λ = 25 trames/s i t t = 45 ms. Per tant, la càrrega total del sistema és G = λ, t t = 1,125. El throughput del sistema val S = Ge-2G = 0,118. b) La probabilitat de transmetre sense col·lisions és P0 = e-2G = 0,0105. c) La durada de les col·lisions val tt = 45 ms ≤ Tcol ≤ 90 ms = 2tt. 17. a) La longitud mínima de trama és precisament la finestra de col·lisions, ja que la xarxa ha de ser capaç de detectar una col·lisió: Lmin = 512 bits. El diàmetre de la xarxa també està limitat per la finestra de col·lisions. El temps que un senyal triga a anar i tornar d’una estació a una altra ha de ser més petit que la finestra de col·lisions:

2(repetidor + 2targeta + cableA + cableB ) + marge ≤ 512Tb 2(70 + 2·25 + cableA + cableB) + 4 ≤ 512Tb cableA + cableB ≤ 134Tb.

Per tant, com que cada cable introdueix 0,5Tb/metres: cableA + cableB ≤ 268 m. Això vol dir que si posem l’estació A a 100 metres, podem situar l’estació B, com a màxim, a 168 metres. Qualsevol combinació de longitud de cable que sumi 268 metres és vàlida.

Xarxes d’àrea local

© Universitat Oberta de Catalunya • P03/05098/02039

87

18. Partim de les dades que ens proporcionen: tt = L/vt = 200 µs i la ranura és τ = Tv = 2tp = 10 µs. Això vol dir que tt = 20τ. L’eficiència de transmissió és E t = Dades / Longitud de trama = = 1.900/2.000 = 0,95. La velocitat efectiva màxima es calcula com sempre: només una estació vol accedir al medi. Quin és el temps de cicle fins que pot tornar a transmetre una trama? És Tc = tt + τ, ja que un cop transmesa la trama, l’estació es posa durant τ segons en estat d’escolta per a detectar el canal lliure abans de tornar a transmetre una trama. Per tant, tenint en compte que Tc = tt + τ ≈ tt: v ef

max

tt t = ---E ------t----E t v t ≈ E t v t = 9, 5 Mbps t vt = tc tt + τ

Glossari carrier sense medium access m Tècnica de control d’accés al medi aleatori. Quan una estació vol transmetre, primer escolta el medi, i si no està ocupat, transmet. sigla: CSMA carrier sense medium access with detection collision m Tècnica de control d’accés al medi aleatori. Quan una estació vol transmetre, primer escolta el medi, i si no està ocupat, transmet. Després de transmetre continua escoltant el medi per si hi ha col·lisions. sigla: CSMA/CD CRC m Vegeu cyclic redundancy check. CSMA m Vegeu carrier sense medium access. CSMA/CD m Vegeu carrier sense medium access with detection collision. cyclic redundancy check m Mecanisme de detecció d’errors basat en un generador polinòmic. sigla: CRC destination service access point m Una manera d’identificar l’usuari d’un servei d’un protocol. sigla: SAP EIA/TIA f Vegeu electronics/telecommunications industries association. electronics/telecommunications industries association f Organització d’estandardització. sigla: EIA/TIA FDMA m Vegeu frequency division medium access. frequency division medium access m Tècnica d’accés al medi en què s’assigna a cada canal una porció de l’amplada de banda total. sigla: FDMA IEEE m Vegeu Institute of Electrical and Electronics Engineers. Institute of Electrical and Electronics Engineers m Organització d’estandardització. sigla: IEEE International Standard Organization f Organització internacional per a la normalització. sigla: ISO ISO f Vegeu International Standard Organization. LAN f Vegeu local area network. LLC m Vegeu logical link control. local area network f Xarxa d’àrea local. sigla: LAN logical link control m Nivell d’enllaç específic per a les LAN. sigla: LLC

Xarxes d’àrea local

© Universitat Oberta de Catalunya • P03/05098/02039

88

MAC m Vegeu medium acces control. medium access control m Control d’accés al medi. sigla: MAC OSI f Vegeu open system interconnection open system interconnection f Model de referència que defineix un pla de protocols per a la interconnexió de sistemes oberts. sigla: OSI SAP m Vegeu destination service access point. shielded twisted pair m Medi de transmissió que apantalla el parell trenat amb una malla metàl·lica per reduir les interferències. sigla: STP STP m Vegeu shielded twisted pair. TDMA m Vegeu time division medium access. time division medium access m Tècnica d’accés al medi en què els canals comparteixen el medi per temps. sigla: TDMA unshielded twisted pair m Medi de transmissió del tipus parell trenat estructurat. UTP m Vegeu unshielded twisted pair. WAN f Vegeu wide area network. wide area network f Xarxa d’àrea extensa. xarxa que local. Xarxa que permet interconnectar estacions que no estan properes físicament. sigla: WAN

Bibliografia Halsall, F. (1998). Comunicación de datos, redes de computadores y sistemas abiertos (4a. ed.). Mèxic: Pearson Educación. Stallings, W. (2000). Comunicaciones y redes de computadores (6a. ed.). Madrid: Prentice Hall. Tanenbaum, A.S. (2003). Redes de computadoras (4a. ed.). Mèxic: Pearson Educación.

Xarxes d’àrea local