Metody sdílení síťových prostředků datových sítí

Metody sdílení síťových prostředků datových sítí přednáška na FEI, VŠB TU Ostrava, v předmětu Úvod do komunikačních technologií Doc. Ing. Vít Novotný, Ph.D. novotnyv@feec.vutbr.cz 28.4.2014 Tato přednáška je podporována projektem č. CZ.1.07/2.2.00/28.0062 "Společné aktivity VUT a VŠB-TUO při vytváření obsahu a náplně odborných akreditovaných kurzů ICT

2 / 47 Vít Novotný Telekomunikace vysvětlení pojmu komunikace na dálku pomocí elektřiny (přesněji elektromagnetické energie), dnes chápaná především za pomoci elektronických systémů; dříve i mechanických, optických a elektromechanických systémů. První použití slova telekomunikace (francouzsky Télécommunication) v publikaci z roku 1904 (Edouard Estaunié)

3 / 47 Vít Novotný Telekomunikační systém Systém vytvořený pro zprostředkování přenosu informace (pro poskytování telekomunikačních služeb) za pomoci elektromagnetického signálu jako základního nosiče informace. Systém zahrnuje: o telekomunikační síť, o soubor poskytovaných služeb a jejich parametrů, o informační systém obsahující informace o účastnících, aktivovaných službách a data o realizovaných službách, a o soubor organizačních pravidel definující jednotlivé činnosti prováděné na síti s důrazem na zabezpečení přenášené informace v síti proti nadměrnému zkreslení (chybám), nezákonnému odposlechu, změně či zničení a na zabezpečení chodu systému jako celku.

4 / 47 Vít Novotný Telekomunikační síť Telekomunikační síť je soubor koncových zařízení, přenosových, spojovacích, signalizačních, dohledových a řídicích prostředků pro realizaci telekomunikačních služeb v požadované kvalitě Dohled a management telefonní síť datová síť mobilní síť rozhlasová síť televizní síť

5 / 47 Vít Novotný Typy telekomunikačních sítí síť se sestavováním fyzických okruhů, síť s přepojováním datových jednotek.

6 / 47 Vít Novotný Sítě se sestavováním fyzických okruhů Princip fungování např. telefonní síť

7 / 47 Vít Novotný Vlastnosti sítí se sestavováním fyzických okruhů před vlastní komunikací se mezi komunikujícími stranami sestavuje fyzický okruh, který se ruší až po ukončení komunikace, lze realizovat pouze spojově orientované služby nelze odeslat cíli informaci bez sestavení spojení, okruh je vyhrazen pouze pro dané spojení, a prostředky sítě pro udržení okruhu jsou obsazeny a tedy k dispozici, a to i když se po okruhu nic nepřenáší, dokud není spojení ukončeno, nízká režie přenosu uživatelské informace po sestavení spojení informaci lze vysílat z koncového zařízení do sítě téměř okamžitě po jejím vzniku či vybavení z paměti, tj. fyzická přenosová rychlost kanálu = aplikační přenosová rychlost, nízké a stálé zpoždění přenosu informace -> vhodné pro služby v reálném čase, nízká efektivita využití síťových zdrojů, například hovor je z principu převážně poloduplexní komunikace, nepružnost sítě pro nasazení nových technik zpracování signálů a nových služeb, ztráta funkčnosti segmentu či uzlu sítě podél přenosové trasy způsobí přerušení služby a nutnost znovu navázat spojení

1 2 A B C 3 D E F 8 / 47 Vít Novotný Sítě s přepojováním datových jednotek IP telefon 1 2 ABC 3 DEF 4 5 6 GHI JKL MNO 7 8 9 PQRS TUV WXYZ CISCO IP 7960 PHONE messages directories i services settings www server * 0 OPER # www prohlížeč IP telefon CISCO IP PHONE 7912 SERIES 4 7 PQRS 4 5 6 G H I J K L M N O 7 8 9 P Q R ST U V W X Y Z * 0 # * Princip fungování například datová síť IP

9 / 47 Vít Novotný Vlastnosti sítí se spojováním datových jednotek - 1 základní vlastností je sdílení síťových prostředků, to vyžaduje rozdělení zprávy na malé části zvané segmenty, které se stávají základem datových jednotek nesoucí informace pro určení cesty sítí, identifikátor segmentu v rámci původní zprávy, případně i čas vzniku dat daného segmentu zprávy, síťové prostředky jsou pro relaci přidělovány pouze na nezbytně nutnou dobu pro zajištění obsluhy datové jednotky dané relace, nesestavuje se fyzický okruh mezi komunikujícími uzly, ale zprávu je možné začít odesílat buď okamžitě, to v případě nespojově orientované komunikace, a nebo u spojově orientovaných služeb až po navázání virtuálního spojení, vyšší stupeň efektivity využití síťových prostředků, větší pružnost pro nasazení nových technik zpracování signálů a nových služeb, nižší náklady na síť pro stejnou úroveň provozu, tedy nižší cena za službu, vyšší odolnost sítě proti výpadkům spojů a uzlů

10 / 47 Vít Novotný Vlastnosti sítí se spojováním datových jednotek 2 sdílení prostředků sítě přináší: o větší zpoždění, o proměnlivost zpoždění, o nebezpečí zahlcení síťových uzlů -> ztráta datových jednotek, o nižší úroveň bezpečnosti komunikace, řešení výskytu chyby v datové jednotce se v současných počítačových sítích na linkové vrstvě řeší: o zahozením datové jednotky, vhodnějším řešení: o rozlišení výskytu chyby datová část či hlavička, o chyba v hlavičce => data zahodit, o chyba v datové části detekce druhu dat a rozhodnutí o zahození či přepojení dál

11 / 47 Vít Novotný Zpoždění / latence systému Zpoždění (latence) systému je termín odrážející reakční čas (odezvu) systému, což je doba mezi okamžikem vstupu elementu zprávy do systému (jednotkový impulz u analogového systému, symbol u digitálního systému zpracovávajícího symbol po symbolu nebo paket u datové sítě pracující na bázi přepojování paketů) a okamžikem objevení se reakce na výstupu ze systému (u paketové datové sítě to znamená příjem paketu v cílovém bodě, který však může být stejný jako zdroj).

12 / 47 Vít Novotný Latence v telekomunikačních systémech typy - 1 latence sítě - doba reakce telekomunikační sítě o o latence řízení - prodleva určité řídicí procedury způsobená přenosem a zpracováním řídicích zpráv (například doba od vyslání žádosti na přidělení zdrojů do přijetí zprávy od sítě o přidělených síťových zdrojích, doba potřebná na provedení autentizace, doba mezi odesláním čísla volaného a přijetím kontrolního vyzváněcího tónu, apod.), a latence transportu aplikačních dat - doba přenosu elementu zprávy s aplikačními daty (telekomunikační služby) mezi koncovými body sítě (rozhraní, kam jsou připojena koncová zařízení) latence části sítě zpoždění, které vnáší pouze určitá část sítě, např. zpoždění přístupové sítě, end-to-end latence - latenci na aplikační úrovni, která zahrnuje odezvu sítě i samotných koncových zařízení, zpoždění ve smyčce (Round Trip Time - RTT) - zahrnuje dobu přenosu zprávy ze zdrojového koncového uzlu sítí k cílovému uzlu, dobu zpracování zprávy systémem cílového uzlu, dobu vygenerování odezvy a dobu jejího přenosu zpět do zdrojového uzlu.

13 / 47 Vít Novotný Latence v telekomunikačních systémech typy - 2 Zpoždění přenosu zprávy je doba přenosu celé zprávy (dopředu připravené a uložené na paměťovém médiu) mezi koncovými aplikacemi a zahrnuje celkový čas od zahájení vysílání až do doby přijetí poslední datové jednotky zprávy v cílovém uzlu. U větších zpráv, např. řádově MB a více, má pak latence specifikující dobu přenosu jedné datové jednotky sítí na celkovém zpoždění celkem zanedbatelný vliv. Zpoždění telekomunikační služby (Doba trvání telekomunikační služby) je doba od aktivace služby až po její ukončení, a zahrnuje tedy o fázi přístupu k telekomunikační síti, o o o o o žádost o poskytnutí služby a sestavování relace, přenos zprávy, potvrzení úplnosti přenosu, ukončení relace, uvolnění vyhrazených síťových prostředků.

14 / 47 Vít Novotný Zdroje zpoždění u služeb v reálném čase v paketových sítích zpoždění převodem do digitálního tvaru, zdrojovým kódováním ve zdrojovém koncovém zařízení (algoritmizační zpoždění), a naplněním paketu δ CS δ W δ A δ SW δ SR δ T zpoždění přípravy kompletní datové jednotky, zpoždění přístupu k přenosovému kanálu, zpoždění kontrolou chyb a přepojováním v uzlech sítě, serializační zpoždění (sériovým odesíláním do kanálu), zpoždění šířením elektromagnetického signálu na vedeních a v elektrických obvodech přenosových a spojovacích zařízení, δ U δ B δ CD depaketizační zpoždění, zpoždění ukládáním do vyrovnávací paměti, zpoždění převodem do zdrojového tvaru v cílovém koncovém zařízení. δ = δ + δ + δ + δ + δ + δ + δ + δ + δ C Sm W A S W j SR i T k U B C D m j i k

15 / 47 Vít Novotný Sdílení komunikačního kanálu využívání komunikačního kanálu pro přenos více datových toků jedním fyzickým přenosovým médiem. Rozlišujeme: o sdílení multiplexováním (multiplex) sdružování toků řeší jedno zařízení jménem multiplexor, který podle určitého schématu vkládá jednotlivé příspěvky do výstupního toku, o sdílení vícenásobným přístupem (multiple access) více přispěvatelů a případně řídicí uzel řeší, kdo může v daný okamžik do sdíleného komunikačního kanálu vkládat data.

16 / 47 Vít Novotný Multiplex toků operace sdružování více toků do jednoho, která je prováděna jedním zařízením multiplexorem. Rozlišujeme: o prostorový multiplex (SDM), o kmitočtový multiplex (FDM), o časový multiplex (TDM), o statistickýčasový multiplex (STDM), o kódový multiplex (CDM), o ortogonální kmitočtový multiplex (OFDM).

17 / 47 Vít Novotný Kódový multiplex - CDM (Code Division Multiplex) Princip sdílení přenosové kapacity kanálu pomocí CDM

18 / 47 Vít Novotný Kódový multiplex - CDM (Code Division Multiplex) Výkon úzkopásmový signál rozprostřený signál Kmitočet Podstata techniky CDM

19 / 47 Vít Novotný Ortogonální kmitočtový multiplex - OFDM Paralelně sériový převodník IFFT Sériově paralelní převodník nuly Sériově paralelní převodník FFT Sériově paralelní převodník nuly

20 / 47 Vít Novotný OFDM použití při komunikaci v sítích wifi Paralelně sériový převodník IFFT Sériově paralelní převodník Sériově paralelní převodník FFT Sériově paralelní převodník nuly nuly

21 / 47 Vít Novotný Statistický multiplex s podporou požadavků na QoS Příjem paketů Filtrace, klasifikace a značkování datových jednotek Třídění Prevence zahlcení Ukládání do front Plánovač paketů Fragm. a prokládání paketů

22 / 47 Vít Novotný Vícenásobný přístup je procedura, která umožňuje více zdrojům datových toků podle určitého scénáře (algoritmu) přistupovat ke sdílenému přenosovému kanálu a vkládat do něj data tak, aby pokud možno nenastávaly kolize mezi přispěvateli, a pokud ano, aby kolize byly co nejdříve detekovány a aby bylo řešeno, jak se dalším kolizím vyhnout. Vše se děje s cílem, aby metoda přístupu nebyla příliš komplikovaná, aby nefunkčnost (výpadek) uzlu neměl vliv na fungování systému sdíleného přístupu a aby se co nejefektivněji využila dostupná kapacita kanálu. V současnosti k tomu dále přibývá i požadavek na prioritizaci toků citlivých na zpoždění, jeho proměnlivost a vyžadující určitou minimální přenosovou kapacitu.

23 / 47 Vít Novotný Metody vícenásobného přístupu ke sdílenému médiu řeší problém přístupu více síťových uzlů ke sdílenému přenosovému kanálu (kmitočtové pásmo pro přenos v kabelu či ve volném prostředí). skupiny metod: o statické přenosový kanál je fixně rozdělen na dílčí subkanály přidělované jednotlivým přenosům, ve většině případů na celou dobu trvání spojení, o dynamické celá přenosová kapacita kanálu je k dispozici všem přenosům a jednotlivé zdroje se musí o přidělení možnosti vysílat určitým způsobem ucházet.

24 / 47 Vít Novotný Statické přístupové metody ke sdílenému médiu SDMA (Space Division Multiple Access) - prostorové dělení, každý spoj je řešen zvláštním vedením. U bezdrátových spojů je to řešeno dostatečnou vzdáleností či oddělenou směrovostí vyzařování v prostoru. FDMA (Frequency Division Multiple Access) kmitočtový multiplex, každé spojení je realizováno v jiném kmitočtovém pásmu TDMA (Time Division Multiple Access) časový multiplex, signál je sdružen se signály ostatních spojů do jednoho vysokorychlostního spoje. Vzniká tak rámec, kde každému spoji je přidělen určitý časový slot. CDMA (Code Division Multiple Access) - kódový multiplex, přenos s rozprostřeným spektrem, kdy každému spoji je přidělena určitá posloupnost, která řídí způsob vysílání: o o o FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) - s přeskakováním kmitočtů, THSS (Time Hopping Spread Spectrum) - s přeskakování časových slotů, DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) - s přímým rozprostřením spektra, OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) - ortogonální kmitočtový multiplex

25 / 47 Vít Novotný Techniky násobného přístupu OFDMA

26 / 47 Vít Novotný FH-CDMA kmitočet čas

27 / 47 Vít Novotný Dynamické přístupové metody ke sdílenému médiu deterministické, o centralizované na žádost, na výzvu, o distribuované předávání pověření (token passing) například Token Ring, Token Bus distribuovaná fronta (distributed queue) například DQDB (Distributed Queue Dual Bus) stochastické o Aloha, o Slotted Aloha, o CSMA CSMA/CD, CSMA/CA

28 / 47 Vít Novotný Centralizované přístupové metody přístup více přispěvovatelů ke sdílenému médiu kontroluje řídicí uzel (centrální autorita CA) existují dva typy řízení přístupu: o na žádost, o na výzvu. žádost N N žádost N žádost CA Sdílený přenosový kanál Páteřní síť výzva N N výzva N výzva CA Sdílený přenosový kanál Páteřní síť N N N N

29 / 47 Vít Novotný Distribuovaná přístupová metoda s předáváním pověření fyzický i logický kruh logický kruh

30 / 47 Vít Novotný Distribuovaná přístupová metoda - distribuovaná fronta (DQDB) RQ-C čítač žádostí (aktuální stav počtu neuspokojených požadavků na vysílání) CD-C čítač pořadí ve frontě (aktuální pořadí ve frontě pro danou stanici mající data k odeslání)

31 / 47 Vít Novotný Distribuované stochastické metody Stochastické metody o o o úspěšnost přístupu je náhodný proces a v případě současného či téměř současného pokusu o přístup dochází ke kolizím, kterým je snaha předcházet, vzniklé kolize způsobené více pokusy o vysílání naakumulovanými do jednoho krátkého časového intervalu, se řeší rozprostřením požadavků na opakování vysílání do delšího časového intervalu s případným využitím naslouchání provozu, jsou vhodné pro nižší úroveň provozu. Typy stochastických metod o Aloha, o Slotted Aloha, o CSMA (Carrier sense Multiple Access) CSMA/CD (CSMA with Collision Detection), CSMA/CA (CSMA with Collision Avoidance).

32 / 47 Vít Novotný Distribuovaná stochastická metoda - Aloha Nejjednodušší stochastická přístupová metoda Stanice, kdykoli má připravená data, může začít vysílat. Po odeslání dat čeká na potvrzení. Pokud do určitého času nepřijde, vyhodnotí se to jako kolize, a zvýší se doba čekání před dalším pokusem o znovuvyslání dat. Je-li dosažen limit čekání, jsou pokusy ukončeny a je předána chybová hláška.

33 / 47 Vít Novotný Distribuovaná stochastická metoda Aloha II Stanice A Stanice B Stanice C Stanice D čas - jednoduchá, avšak mnoho kolizí (šedé bloky), a tedy nízká efektivita využití kapacity spoje

34 / 47 Vít Novotný Distribuovaná stochastická metoda Slotted Aloha Stanice jsou synchronizovány a mohou vysílat data pouze uvnitř slotů (šedé bloky znamenají kolizi, bílé bloky znamenají úspěšné odeslání bez kolize)

35 / 47 Vít Novotný Distribuované stochastické metody Slotted Aloha a srovnání s Aloha 0.4 0.35 Slotted Aloha Aloha Využití kapacity kanálu 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 Zátěž

36 / 47 Vít Novotný Distribuované stochastické metody CSMA CSMA = Carrier Sense Multiple Access, metoda naslouchání provozu na sdíleném kanálu při požadavku na odeslání dat, je-li detekován provoz, musí se čekat, než skončí, je-li po určitou dobu klid na kanálu, je možno buď ihned začít vysílat, případně čekat ještě náhodně zvolenou dobu, hrozí nebezpečí kolizí -> je nutná kontrola správnosti odesílaných dat: o čtením kanálu, o čekáním na potvrzení bezchybnosti od příjemce.

37 / 47 Vít Novotný Distribuovaná stochastická metoda CSMA/CD metoda z rodiny CSMA s detekcí kolizí, připravenost dat k vyslání vyvolá naslouchání nosné, o detekován provoz => čekání, o detekován klid po dobu tzv. kolizního slotu => okamžité zahájení vysílání, sledování možné kolize po dobu kolizního slotu během vysílání, o různý způsob dle typu fyzického média: koaxiální kabel, UTP detekce kolize = přerušení vysílání a vyslání signálu JAM, odmlčení se na náhodnou dobu vygenerovanou z intervalu závislém na počtu předchozích kolizí, a opakování pokusu o vysílání

38 / 47 Vít Novotný MAC - CSMA/CD

39 / 47 Vít Novotný Distribuovaná stochastická metoda CSMA/CD II T T

40 / 47 Vít Novotný CSMA/CD oddělení kolizních domén pomocí přepínače nasazením přepínače do původně jedné rozsáhlé a provozem přetížené domény se dosáhne zmenšení a současně oddělení kolizních domén či v případě připojení jednoho zařízení k portu přepínače i odstranění kolizní domény jako takové Kolizní doména 1 SYST RPS STAT UTIL DUPLXSPEED MODE bez kolizní domény bez kolizní domény HUB 10BaseT/100BaseTX/1000BaseT 1 12 SYST RPS STAT UTIL DUPLXSPEED MODE bez kolizní domény Switch 10BaseT/100BaseTX/1000BaseT 1 12 bez kolizní domény bez kolizní domény Kolizní doména 2 SYST RPS STAT UTIL DUPLXSPEED MODE bez kolizní domény HUB 10BaseT/100BaseTX/1000BaseT 1 12

41 / 47 Vít Novotný Distribuovaná stochastická metoda v síti ISDN přístup k D-kanálu obdoba metody CSMA/CD sdílení vysílacího kanálu (do ústředny), jediný uzel vyhrává a to ten, který nerozpozná kolizi, ostatní ji postupně rozpoznávají a odstupují od vysílání, E-kanál kopie dopředného D-kanálu zaslaná zpětně síťovým zakončením se zpožděním 10 bitových intervalů TE1 TE1 TE1 D -kanál E -kanál NT účastnické vedení

42 / 47 Vít Novotný Distribuovaná stochastická metoda v síti ISDN přístup k D-kanálu struktura rámců downlink uplink

43 / 47 Vít Novotný Distribuovaná stochastická metoda v síti ISDN přístup k D-kanálu průběh přístupu a řešení kolizí

44 / 47 Vít Novotný Distribuovaná stochastická metoda CSMA/CA pro bezdrátové prostředí, v sítích WLAN řeší problém nemožnosti detekce kolize o snaha o vyhnutí kolizi 0-persistentní = vygenerování náhodné doby čekání, o příjem je třeba potvrzovat, možný problém skrytých uzlů řešení pomocí RTS/CTS, chování metody o není provoz po určitou dobu (DIFS) možno vysílat hned, o je provoz vyčkání až provoz skončí a klid trvá po dobu DIFS a vygenerování náhodné doby čekání, která se snižuje pouze v době, kdy je médium volné, o po odeslání se čeká na potvrzení, nepřijde-li, opakuje se vysílání. datová síť

45 / 47 Vít Novotný WLAN DCF - CSMA/CA BackoffInterv = Random(i) SlotTime Random(i) = rand[0, CW] CWmin CW CWmax V případě kolize: CWmaxnew= (CWmaxold+ 1) PF 1 kde PF=2 a CW = contention window

46 / 47 Vít Novotný Distribuovaná stochastická metoda CSMA/CA příklad komunikace

47 / 47 Vít Novotný Srovnání deterministických a stochastických přístupových metod deterministické metody jsou na řízení složitější než stochastické metody, deterministické metody nejsou postiženy kolizemi, stochastické metody ano, deterministické metody mnohem efektivněji dokážou využít kapacitu sdíleného kanálu při velké úrovni provozu, efektivita využití sdíleného přenosového média