PRACTICA 1 (ENUNCIADO) 2009-10

1. Simulación elemental del protocolo CSMA/CD 1-­‐persistente El objetivo general de las tres prácticas que siguen consiste en que el alumno aprenda a evaluar el grado de eficiencia de diferentes protocolos de acceso al medio compartido que caracteriza a las redes LAN (Local Area Network). En particular, como objetivos más específicos que exhiben mayor valor pedagógico, se pretende que comprenda, con cierta profundidad, dos tipos de protocolos de acceso al medio (MAC = Medium Access Control) utilizados en algunas redes LAN. Por una lado, se incidirá en la técnica CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) 1-­‐
persistente, ejemplo representativo de técnica de contención y, por otro, se trabajará con una técnica de paso de testigo que servirá para ilustra un caso sencillo de protocolo libre de colisión (planificado), en concreto, basado en consulta. 1.1. Introducción El estándar IEEE 802.3 utiliza como técnica de acceso al medio el protocolo CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) 1-­‐
persistente. Aunque se da por supuesto que el alumno conoce ya los aspectos básicos de éste método de acceso al medio (compartido), sin embargo, hemos PRÁCTICA 1
pensado que no es mala idea resumirlos a modo de recordatorio. El procedimiento es básicamente como sigue: • Cuando una estación necesita transmitir datos procede a “escuchar” (o sondear) el canal de transmisión. • Sólo cuando detecta que dicho canal está desocupado entonces la estación comenzará a emitir. • En cambio, si el canal está ya ocupado por otra transmisión, la estación en cuestión continuará escuchando hasta que lo encuentre libre. Éste es el funcionamiento básico que intenta detectar la presencia de “colisiones”, es decir, la existencia de más de una transmisión de datos sobe el canal único. Para profundizar un poco más en sus propiedades se propone el siguiente modelado. 1.2. Hipótesis simplificadoras En esta práctica se pretende que el alumno comprenda, con claridad, cómo funciona este estándar, que pueda modelar y evaluar su eficiencia y que extraiga de ello conclusiones propias que pueda debatir de forma crítica. Para ayudarle en ello es práctico utilizar algunas hipótesis simplificadoras: • La topología es en bus, pero con algunas particularidades como las ilustradas en la Fig. 1. Tiene N estaciones equiespaciadas, conectadas a un bus de longitud L BUS = LTOTAL • Todas las tramas (de datos) tienen la misma longitud (L TRAMA (bits) = L). Así que, si R [bps] es la velocidad binaria de la LAN, el tiempo que dura cada trama es tTRAMA =
€
2 LTRAMA (b)
R(bps)
(1) SIMULACIÓN ELEMENTAL DEL PROTOCOLO CSMA/CD 1-PERSISTENTE
Fig. 1. Topología de la red sobre la que se implementara el protocolo. Consiste en un bus al que se conectan N estaciones equiespaciadas. • Suponiendo que las N estaciones tienen la misma probabilidad de transmitir (p =1/N), entonces, la probabilidad de llevar a cabo una transmisión “con éxito” se puede aproximar, idealmente, por: N−1
⎛
1 ⎞
PEXITO ≈ ⎜1 − ⎟ ⎝ N ⎠
(2) • Decimos "idealmente" porque, a veces, no se completa la transmisión de toda la trama. Por ejemplo, cuando se detecta una colisión (es € hay otra estación transmitiendo), se interrumpe la decir, que transmisión ("se contiene"). Precisamente, el tiempo máximo que tardaría una estación en detectar la existencia de una colisión (y por tanto suspender la transmisión), se llama intervalo de contención. Y el número medio de veces que intenta transmitir y fracasa (porque hay colisión y tiene que contener su transmisión) (o número medio de intervalos de contención) resulta poder aproximarse por: 1 − PEXITO
κ≈
= NFRACASOS = NINTER CONTEN PEXITO
(3) €
3 PRÁCTICA 1
1.3. ¿Qué hay que hacer? 1. Calcule cuánto dura el intervalo de contención, iCONT, (o tiempo máximo que tardaría en detectarse la ocurrencia de una colisión). Ayuda: para ponernos en el caso peor, fíjese en la Fig. 2. El truco está en considerar las dos estaciones más alejadas entre sí. Fig. 2. Representación esquemática para estudiar la duración máxima que podría tener un intervalo de contención. 2. Programe (en excel, matlab, lo que quiera,...) la probabilidad de éxito (PEXITO) y represente ésta en función del número de estaciones que pretenden transmitir en un determinado instante de tiempo. Para empezar nuestro estudio, el número de estaciones en dicha gráfica debe estar comprendida entre N=1.000001 y N=5. A todo esto, ¿por qué no le hemos sugerido que pruebe con el valor N=1? 3. Represente probabilidad de éxito (PEXITO) en función del número de estaciones, pero ahora con N entre 1.000001 y 100. 4. Ahora que ya estamos familiarizado con el comportamiento de PEXITO, imaginemos que, para cuantificar lo bien o mal que se accede al medio compartido, definimos la eficiencia de la técnica como t
Eficiencia = η = IDEAL tREAL
(4) donde: • t IDEAL €
representa el tiempo que se necesitaría para completar la emisión de una trama en el caso idealizado en el que no hubiese ninguna colisión en la red ( la transmisión se realiza con éxito al primer intento). 4 SIMULACIÓN ELEMENTAL DEL PROTOCOLO CSMA/CD 1-PERSISTENTE
• t REAL simboliza, por el contrario, el tiempo total efectivo que pasa desde que una estación intenta empezar a transmitir hasta que lo consigue (completar la transmisión de la trama). Recuerde que cada vez que se detecte una colisión, se para (se contiene) la transmisión. Por eso, el tiempo real (efectivo) total que se necesita para completar la trasmisión de la trama es t REAL = t TRAMA +t TMC , donde tTMC es el tiempo Total Medio que duran todas las Contenciones. A su vez, el tiempo total medio de contención es €
t TMC = iCONT × NINTER CONT , es decir, el intervalo de contención multiplicado por el número medio de éstos. Si normalizamos el tiempo de propagación por el de duración de la €
trama ( t P /t TRAMA = ξ ), calcule una fórmula que sirva para estimar la eficiencia del protocolo presentado. 5. Programe la eficiencia y represéntela en función del número de €
estaciones que en un cierto instante de tiempo pretenden transmitir, y parametrizada por t P /t TRAMA = ξ . Considere que el número mínimo es Nmin=1.000001 y el máximo de estaciones conectadas a la red es NMAX = 100. Represente 4 curvas parametrizadas por ξ = 0,1, 1,5, 5 y 10. €
a. ¿Qué papel representa el parámetro t P /t TRAMA = ξ ? En relación a la duración de la trama y del tiempo de propagación, ¿qué significa €
que ξ = 0,1. €
b. ¿Cómo influye el hecho de que, en un cierto instante de tiempo, exista un número grande de estaciones que intentan transmitir? €
6. Para ξ = 0,1, calcule cuánto vale la eficiencia para N = 1+10–6, 10 y 102. Calcule cuánto vale la eficiencia cuando N
→∞ . 7. Calcule la eficiencia cuando la P
EXITO →1 . ¿Cuántas estaciones están €
intentando transmitir en ese instante de tiempo caracterizado por tener €
? P
→1
EXITO
€
€
8. Ayudándose de todos los resultados anteriores, discuta qué pasa cuando: • la carga es pequeña (es decir, en un cierto instante de tiempo, hay pocas estaciones que quieren transmitir), y 5 PRÁCTICA 1
• cuando la carga es grande (es decir, en un cierto instante de tiempo, hay muchas estaciones quieren transmitir). El protocolo esbozado, ¿funciona mejor cuando la carga es muy baja o cuando la carga es muy alta? 1.4. Bibliografía W. STALLINGS, Comunicaciones y redes de computadores, Pearson-­‐Prentice Hall, Madrid, 2004, ISBN: 84-­‐205-­‐4110-­‐9. A. LEÓN-­‐GARCÍA E I. WIDJAJA, Redes de comunicación. Conceptos fundamentales y arquitecturas básicas, McGraw-­‐Hill, 2001, ISBN: 84-­‐481-­‐3197-­‐5. A.D. TANENBAUM, Computers Networks, Prentice-­‐Hall, 2003. 6