Bài giảng Các Giao thức Điều khiển Truy nhập Môi trường và Mạng Cục bô

Thông tin Vệ tinh Kênh Vệ tinh uplink fin downlink fout... Định trình: Polling Inbound line Outbound line Host Data to M... Định trình: Trao Token Ring networks token Trạm gi

Bài giảng Mạng Viễn thông

Trần Xuân Nam

Khoa Vô tuyến Điện tử

Học viện Kỹ thuật Quân sự

1

Bài 8

Các Giao thức Điều khiển

Truy nhập Môi trường

và Mạng Cục bộ

Phần I: Điều khiển Truy nhập Môi trường

Phần II: Mạng Cục bộ

2

Phân loại Mạng

 Có 2 loại cơ bản

 Nối các người sử dụng bằng đường dây, ghép kênh và

chuyển mạch

 Chuyển gói từ nguồn tới đích, yêu cầu bảng định tuyến

 Đối với mạng lớn thì việc đánh địa chỉ cần có cấu trúc để dễ

tìm ra người phát và nhận

 Ví dụ: Mạng Internet

 Mạng Quảng bá

 Không cần bảng định tuyến do thông tin được đưa đến tất cả người dùng đồng thời

 Đánh địa chỉ đơn giản

 Cần có giao thức điều khiển truy nhập môi trường

 Ví dụ: Mạng LAN

Bài 5 Các Giao thức Điều khiển

Truy nhập Môi trường

Kỹ thuật Đa truy nhập Truy nhập Ngẫu nhiên Định trình (Scheduling)

4

Chương 6

Các Giao thức Điều khiển

Truy nhập Môi trường

và Mạng Cục bộ

Kỹ thuật Đa Truy nhập

5

Kỹ thuật Đa truy nhập

 Hình vẽ mô tả một trường hợp điển hình với M người

dùng chia sẻ chung một môi trường truyền dẫn

 Môi trường truyền dẫn là môi trường quảng bá nên khi một trạm phát thì tất cả các trạm khác đều thu được

 Khi hai hay nhiều trạm truyền đồng thời xảy ra hiện

tượng va chạm

Vấn đề: Chia sẻ môi trường như thế nào?

Các Giải pháp Chia sẻ Môi trường

Các kỹ thuật Chia sẻ Môi trường

Phân kênh Tĩnh

Điều khiển Truy nhập Môi trường Động

Định trình Truy nhập

ngẫu nhiên

MAC schemes

Kỹ thuật Phân kênh (Channelization)

rồi gán cho từng người dùng  có tên gọi là

phân kênh

tục (steady stream)  sử dụng hiệu quả kênh

truyền riêng

Thông tin Vệ tinh

Kênh Vệ tinh

uplink fin downlink fout

Di động tế bào

uplink f1 ; downlink f2

Điều khiển Truy nhập Môi trường Động

cụm “bursty”

thu được hiệu suất sử dụng môi trường hợp lý

 Định trình (scheduling)

 Truy nhập ngẫu nhiên (random access)

Định trình: Polling

Inbound line

Outbound line Host

Data to M

Định trình: Trao Token

Ring networks

token

Trạm giữ token được phát lên mạch vòng

token Data to M

Truy nhập Ngẫu nhiên

Wireless LAN

Chế độ AdHoc: trạm-tới-trạm

Chế độ cấu trúc: Trạm tới Trạm gốc (base station)

Truy nhập ngẫu nhiên & polling

Lựa chọn MACs

 Kiểu lưu lượng?

 Liên tục (steady)

 Hay “cụm” (bursty)

 Yêu cầu về thời gian thực, jitter thấp?

 Chuyển được bao nhiêu lưu lượng?

 Hỗ trợ được bao nhiêu người dùng?

 Độ tin cậy, chi phí?

Đánh giá phẩm chất MACs

 Môi trường chia sẻ là phương tiện duy nhất cho các

trạm liên lạc với nhau

 Bất kỳ sự phối hợp nào giữa các trạm đều thông qua

 Ví dụ hai trạm đơn giản

 Trạm có frame cần phát lắng nghe môi trường và thực hiện phát nếu môi trường rỗi

 Trạm giám sát môi trường để phát hiện va chạm

 Nếu có va chạm, trạm phát trước được phát lại

Ví dụ về MAC Hai trạm

Hai trạm chia sẻ môi trường chung

t = t prop & A

chiếm kênh

Case 1

B phát trước thời điểm

t = t prop và phát hiện có va chạm

ngay sau đó

Hiệu suất của Ví dụ Hai Trạm

 Mỗi lần truyền 1 frame cần khoảng thời gian yên lặng 2tprop

 Trạm B cần giữ yên lặng t prop trước và sau khi Trạm A phát

 Tốc độ R bit/s

 Số bit trong 1 frame L bits/frame

L R

Tích Trễ-Băng tần

Thời gian truyền 1 frame

Hiệu suất

Thông lượng tối đa

1

bits/second / 2 1 2

Hiệu suất MAC điển hình

Giao thức CSMA-CD (Ethernet):

Mạng Token-ring

a΄= độ trễ của vòng (bits)/độ dài trung bình của khung

Ví dụ Hai trạm:

Các Tích Trễ-Băng thông Điển hình

 Các đường truyền dài hoặc có băng thông rộng có a lớn

 Độ dài Ethernet frame max: 1500 bytes = 12.000 bits

 TCP có max segment: 65.000bytes=520.000bit

 Mạng quảng bá thích hợp với mạng LAN hoặc các mạng có tích

trễ-băng thông nhỏ

100 m 3.33 x 10 01 3.33 x 10 02 3.33 x 10 03 Mạng Cục bộ (LAN)

10 km 3.33 x 10 02 3.33 x 10 03 3.33 x 10 04 Mạng Đô thị (MAN)

1000 km 3.33 x 10 04 3.33 x 10 05 3.33 x 10 06 Mạng Vùng rộng

(WAN)

100000 km 3.33 x 10 06 3.33 x 10 07 3.33 x 10 08 Mạng Toàn cầu (GAN)

Phẩm chất MAC

 Trễ truyền Khung (Frame Transfer Delay): T

 Từ khi bit đầu tiên của khung đến MAC nguồn

 Tới khi bit cuối của khung được phân phối đến MAC đích

 Thông lượng (Throughput)

 Tốc độ truyền thực tế qua môi trường chia sẻ

 Đo bằng số frames/sec hay bits/sec

 Các tham số

Tốc độ truyền: R bits/sec

Độ dài môṭ frame: L bits/frame

Thời gian truyền 1 frame: X=L/R seconds/frame

Tốc độ tới trung bình: l frames/second

Thông lượng max (@ 100% hiệu suất): R/L fr/sec

Tải: r = lX =l(L/R)

Trễ truyền chuẩn hóa vs Tải

 Ở các tốc độ tới cao, thời gian đợi truy nhập kênh dài hơn

 Hiệu suất max thường nhỏ

hơn 100%

Sự phụ thuộc vào tải a=t prop R/L

điều phối truy nhập thấp, rmax1, khi a

lớn, chi phí điều phối nhiều, hiệu suất giảm

 Hình dáng chính xác phụ thuộc vào môi trường và MAC cụ thể, số trạm, mẫu khung đến và phân bố độ dài khung

Chương 6

Các Giao thức Điều khiển

Truy nhập Môi trường

và Mạng Cục bộ

Truy nhập Ngẫu nhiên

25

ALOHA

 Một trạm phát khi nó có dữ liệu để phát

 Nếu có nhiều frames được truyền, chúng gây nhiễu lẫn nhau (va chạm) và bị mất

 Nếu ACK không nhận được trong khoảng thời gian

timeout, thì mỗi trạm chọn một thời gian lùi ngẫu

nhiên

 Trạm phát lại frame sau thời gian “lùi”

nhiên?

Nguyên lý sơ đồ ALOHA

 Truyền lần đầu không định trình

 Kết quả truyền biết được (ACK) sau 2tprop

 Sau 2tprop nếu không nhận được ACK, sử dụng thuật toán lùi để

chọn thời gian phát ngẫu nhiên (B)

 Hoạt động của ALOHA có thể rơi vào 2 tình huống

 Phát lần đầu thành công, thỉnh thoảng xảy ra va chạm sau đó

 Snowball effect: xảy ra một loạt va chạm  nhiều trạm đợi  nguy cơ tăng số va chạm

t

t 0

t 0 -X t 0 +X t

0 +X+2t prop t 0 +X+2t prop + B

Khoảng thời gian

nguy hiểm Time-out

Khoảng thời gian B

Mô hình ALOHA

 Định nghĩa và giả thiết

 Thời gian truyền khung X=L/R cố định

 S: thông lượng (số lần truyền frame thành công trung bình trong

khoảng X giây)

 G: tổng tải (số lần thử truyền trung bình trong khoảng X giây)

 P success : xác suất truyền một khung thành công

 Một lần truyền bất kỳ bắt đầu trong khoảng thời gian nguy hiểm dẫn đến va chạm

 Lần truyền đầu tiên thành công nếu không có khung nào tới trong khoảng 2X giây

Phương pháp phân tích Abramson

 Bài toán: Tính xác suất truyền thành công lần đầu tiên?

 Giả thiết của Abramson: Quá trình đến tổng hợp do

khung mới và khung phát lại có phân bố Poisson với số́́́ lần tới trung bình trong X giây là G

 Phân bố Poinsson: xác suất k lần tới trong khoảng thời

gian t

với  là tốc độ tới

( ) [ ( ) ]

Phương pháp phân tích Abramson

! (2 )

!

G X

k G

X X

e k

0

[0 arrivals in 2X]

(2 ) 0!

Thông lượng của ALOHA

(2e)-1 = 0.184

Thông lượng của ALOHA

Số khung đến ít Snowball effect

Trễ trung bình của ALOHA

 Thời gian truyền gói đầu là

và các gói tiếp theo là với B là thời gian

lùi trung bình

 Thời gian truyền gói trung bình là

2 ALOHA

Tóm tắt ALOHA

chạm lớn

 Cải thiện bằng Slotted ALOHA

ALOHA phân khe (Slotted ALOHA)

 Các gói có độ dài không đổi và bằng 1 khe thời gian

 Thời gian được phân khe thành các khe X giây

 Các trạm đồng bộ theo thời gian của khung

 Các trạm phát khung ở ngay phần đầu của khe sau khi

có khung tới

 Khoảng thời gian “lùi” bằng bội số của các khe

t (k+1)X

Xác suất truyền thành công của S-ALOHA

0!

G G success

G

Thông lượng của S-ALOHA

G success

Thông lượng của S-ALOHA

Ví dụ ALOHA vs S-ALOHA

Tốc độ truyền frame 9600bps 1 frame/120 bits=80 frames/s

6/ 80 S-ALOHA

Thời gian truyền 1 frame X 1 / 80 [s]

Tóm tắt S-ALOHA

phí băng tần vào điều khiển va chạm gói

 Cải thiện bằng CSMA

Ý tưởng CSMA

các gói có nguy cơ gây va chạm

trạm đang phát) không?

Đa truy nhập Cảm nhận Sóng mang (CSMA)

 Trạm cảm nhận (dò) kênh trước khi bắt đầu truyền

 Nếu thấy kênh bận, hoặc là đợi hoặc là định trình lùi (tùy chọn)

 Nếu kênh rỗi, bắt đầu truyền

 Thời gian nguy hiểm giảm xuống t prop (do hệ quả chiếm kênh)

 Va chạm diễn ra trong toàn bộ thời gian truyền khung

 If t prop > X (hoặc a>1), không có tăng ích so với ALOHA hoặc S-ALOHA

Các phương pháp CSMA

 Dựa theo hành động khi kênh bận, có 3 loại CSMA

 1-persistent CSMA (most greedy)

 Truyền ngay sau khi kênh rỗi

 Độ trễ thấp, nhưng hiệu quả thấp

 Non-persistent CSMA (least greedy)

 Đợi một khoảng thời gian lùi, sau đó cảm nhận kênh lại

 Trễ lớn, nhưng hiệu suất cao

 p-persistent CSMA (adjustable greedy)

 Đợi đến khi kênh rỗi, truyền với xác suất p; hoặc đợi thêm một khe thời gian nhỏ và cảm nhận kênh lại với xác suất 1-p

 Cân bằng giữa hiệu suất và trễ

Sensing

Thông lượng 1-Persistent CSMA

 Tốt hơn Aloha &

S-Aloha với a nhỏ

 Tồi hơn Aloha với

a > 1

Thông lượng Non-Persistent CSMA

CSMA với Phát hiện Va chạm (CSMA/CD)

 Giám sát đường truyền để phát hiện va chạm & và

ngừng truyền

 Các trạm có gói truyền, cần cảm nhận sóng mang trước

 Sau khi bắt đầu truyền, các trạm tiếp tục cảm nhận kênh để phát hiện va chạm

 Nếu có va chạm, phát tín hiệu jamming thông báo cho tất cả các trạm liên quan biết để dừng phát, định trình lại thời gian lùi ngẫu nhiên, và thử lại ở thời gian định trình tiếp

theo

 Ở CSMA, va chạm gây nên lãng phí X giây dùng để

truyền hết một khung

 CSMA-CD giảm lãng phí xuống còn thời gian phát hiện

va chạm và ngừng truyền

Thời gian phản ứng CSMA/CD

Mất 2 tprop để biết kênh đã được chiếm hay chưa?

Mô hình CSMA-CD

 Giả thiết 1-persistent CSMA-CD

 Va chạm có thể phát hiện và giải quyết trong 2tprop

 Khoảng thời gian cạnh tranh được chia thành các khe có

độ dài 2tprop để đảm bảo các trạm đều phát hiện được va chạm

 Giả sử có n trạm đang cạnh tranh chiếm đường truyền, và mỗi trạm có thể truyền với xác suất p trong mỗi khe thời

gian cạnh tranh

 Sau khi kết thúc khoảng thời gian cạnh tranh (một trạm đã

chiếm được kênh), mất thêm X giây để truyền một gói

Busy Contention Busy (a)

Time

Idle Contention Busy

Giải quyết Cạnh tranh

 Bài toán: Mất bao nhiêu lâu để giải quyết xong vấn đề cạnh

tranh?

 Cạnh tranh được giải quyết khi có duy nhất một trạm truyền

trong một khe thời gian Do có n trường hợp 1 trạm phát trong

khi các trạm khác không phát nên

Hiệu suất CSMA/CD

 Hệ thống đạt được thông lượng tối đa khi quá trình cạnh tranh và truyền gói liên tiếp nhau

n meters/sec (tốc độ ánh sáng)

d meters là đường kính của hệ thống

Ứng dụng của CSMA-CD: Ethernet

 Cảm nhận sóng mang 1-persistent

 tprop = 51.2 microseconds

 512 bits = 64 byte slot

 Cho phép truyền xa 2.5 km + 4 repeaters

 Truncated Binary Exponential Backoff

 Sau va chạm thứ n, chọn lùi từ {0, 1,…, 2k – 1}, với

k=min(n, 10)

Thông lượng của MAC truy nhập Ngẫu nhiên

 Với a nhỏ: CSMA-CD có thông lượng tốt nhất

 Với a lớn: Aloha & S-Aloha có thông lượng tốt hơn

 ALOHA và S-ALOHA không thay đổi theo a do hoạt động của chúng không phụ thuộc vào thời gian phản ứng

1-P CSMA

Non-P CSMA CSMA/CD

a

max

Cảm nhận kênh và Truyền Ưu tiên

 Một số ứng dụng yêu cầu đáp ứng nhanh hơn các ứng dụng khác, ví dụ: các bản tin ACK

 Đặt quyền ưu tiên khác nhau

 Lưu lượng ưu tiên cao cảm nhận kênh ở thời gian t1

 Lưu lượng ưu tiên thấp cảm nhận kênh ở thời gian

t2>t1

 Lưu lượng ưu tiên cao chiếm kênh trước

 Cơ cấu ưu tiên này được sử dụng ở IEEE 802.11 WLAN

Chapter 6

Medium Access Control

Protocols and Local Area

Networks

Định trình

52

Định trình dùng cho MAC

môi trường chia sẻ

 Hiệu suất sử dụng kênh hiệu quả hơn

 Trễ ít biến động hơn

 Tạo công bằng đều giữa các trạm

 Tăng độ phức tạp về tính toán và thủ tục

 Đặt chỗ

 Thăm dò

Hệ thống đặt chỗ

 Các hệ thống tập trung: Một trạm trung tâm nhận yêu cầu từ

các trạm và thực hiện cấp quyền được truyền cho các trạm

 Hệ thống phân tán: các trạm thực hiện một thuật toán phân

quyền để xác định trình tự truyền

Central

Controller

Hệ thống Đặt chỗ

 Quá trình phát được tổ chức theo các chu kỳ

 Chu kỳ: khoảng thời gian đặt chỗ + Thời gian truyền khung

 Khoảng thời gian đặt chỗ có một số khe nhỏ cho từng trạm yêu cầu

đặt chỗ để truyền khung

Tùy chọn của Hệ thống Đặt chỗ

 Hệ thống Tập trung hay Phân tán

 Hệ thống tập trung: Một trạm trung tâm lắng nghe

thông tin đặt chỗ, quyết định trình tự truyền, trao

quyền

 Hệ thống Phân tán: Mỗi trạm xác định khe phát của

nó từ thông tin đặt chỗ

 Đặt chỗ Đơn khung hay Đa Khung

 Đặt chỗ một khung: chỉ có thể đặt chỗ 1 khung trong

chu kỳ đặt chỗ

 Đặt chỗ đa khung: có thể đặt chỗ hơn một khung

(b) Thời gian lan truyền không thể bỏ qua

 Ban đầu trạm 3 & 5 đặt chỗ và truyền

 Trạm 8 có khung truyền và đặt chỗ để truyền

 Chu kỳ truyền bao gồm cả các khung từ trạm 8

Hiệu suất của Hệ thống đặt chỗ

 Giả thiết độ dài của minislot (slot đặt chỗ) = vX

 Sơ đồ đặt chỗ đơn khung

 Nếu trễ truyền sóng có thể bỏ qua, truyền 1 khung đơn cần (1+v)X

seconds

 Đường truyền tải đầy khi tất cả các trạm đều truyền và hiệu suất tối

đa đạt được là:

 Sơ đồ đặt chỗ k-frame

 Nếu có thể đặt chỗ truyền k frame và nếu có M trạm, thì có Mk

frames có thể truyền trong khoảng thời gian XM(k+v) seconds

 Hiệu suất tối đa:

max

1 1

MX

max

1 1

MkX

k

Hệ thống Đặt chỗ Truy nhập Ngẫu nhiên

 Khi số trạm truyền ít không hiệu quả

 Do gán tĩnh cho mỗi trạm một khe thời gian đặt chỗ

nhỏ

 Các trạm sử dụng S-Aloha để đặt chỗ

 Trung bình, mỗi lần đặt chỗ thành công mất ít nhất e

Ví dụ: GPRS

 Dùng truyền dữ liệu trong GSM

 Các thiết bị GPRS, ví dụ ĐTDĐ hay laptop để gửi dữ liệu gói đến Internet qua đường vô tuyến

 Sử dụng đặt chỗ Slotted Aloha

 Hỗ trợ cả đặt chỗ đơn và đa khe