4. MAC-alikerros yleislähetys (broadcast)

Esitys aiheesta: "4. MAC-alikerros yleislähetys (broadcast)"— Esityksen transkriptio:

1 4. MAC-alikerros yleislähetys (broadcast)
multiaccess channel random access channel LAN (Ethernet) langaton ongelma: käyttövuoron ‘jakelu’ 12/5/2018

2 4.1 Kanavan varausongelma
staattinen varaus kiinteät varaukset purskeisessa liikenteessä aina tehottomampi dynaaminen varaus käyttöoikeus tarpeen mukaan 12/5/2018

3 Yleistä yhteiskäytöstä
staattinen/dynaaminen purskeisessa käytössä dynaaminen tehokkaampi vrt. esim. piirikytkentä <=> pakettikytkentä voidaan osoittaa esim jonoteorian peruslaskulla tietokoneen datan siirto on yleensä hyvin purskeista hajautettu/keskitetty keskitetyssä joku erikoisasemassa oleva huolehtii käyttövuorojen jakamisesta entä jos vuoronjakaja vikaantuu? 12/5/2018

4 Eri yhteiskäyttötapoja on hyvin paljon
kilpailu CSMA, Aloha ‘se ottaa kun ehtii’ vuorotellen: pollaus, vuoromerkki ‘sinä ensin ja sitten on minun vuoroni’ kanava jaetaan: TDMA, FDMA, CDMA ‘käytä sinä tätä puolta ja minä tätä toista’ varataan ensin ja sitten käytetään usein varaus muulla menetelmällä rajoitettu kilpailu 12/5/2018

5 Törmäys yksi yhteinen kanava lähettäjille
lähetys onnistuu vain, jos yksi lähettää Jos useampi kuin yksi lähettää, syntyy yhteentörmäys (collision) kaikki törmänneet sanomat tuhoutuvat ja ne on lähetettävä uudelleen vaikka törmäisivät vain yhden bitin verran aina kaikkien havaittavissa ainoa häiriö MAC-kerroksella 12/5/2018

6 Aika jatkuva aika viipaloitu aika (slotted time)
lähetykset voivat alkaa milloin vain ei mitään synkronointi, ei yhteistä aikaa viipaloitu aika (slotted time) aika lokeroitu aikaviipaleiksi lähetys voi alkaa vain aikaviipaleen alussa aikaviipaleessa ei kukaan lähetä => hukkaan yksi lähetys => ok useita lähetyksiä => törmäys 12/5/2018

7 Väylän kuuntelu (carrier sense)
käynnissä olevan lähetyksen havaitseminen asema tutkii, onko kanava jo käytössä ennen lähetystä tutkitaan, onko joku muu lähettämässä jos on, ei lähetetä yleensä lähiverkot asema ei tutki kanavan käyttöä asema lähettää aina kun haluaa lähettämisen jälkeen havaitaan onnistuiko esim. satelliitilähetys 12/5/2018

8 Kanavan kuuntelu ei aina paljasta jo alkanutta lähetystä
etenemisviipeen takia tai ole järkevää esim. satelliittikanavan kuuntelu ei paljasta sitä, onko joku toinen maa-asema jo aloittanut lähetyksen langattomassa lähiverkossa lähettäjän ympäristön kuuntelu ei kerro sitä, onko vastaanottaja saamassa sanomia muualta 12/5/2018

9 4.2. Yleislähetysprottokollia
Esimerkkejä: CSMA/CD (Aloha) mm. Ethernet-verkossa käytetty kilpailuprotokolla CDMA radiolinjoilla käytetty koodinjakoon perustuva protokolla 12/5/2018

10 Linkin yhteiskäyttö: staattinen allokointi
Esim. taajuuskanavointi (FDM) annetaan kullekin käyttäjälle oma osuus tehokkuus? N kanavaa käyttäjien lkm vaihtelee käyttöprofiili on purskeinen 12/5/2018

11 ALOHA Hawaiilla, 70-luvulla radiotietä varten puhdas ALOHA:
asema lähettää aina, kun sillä lähetettävää ja samalla kuuntelee, onnistuiko lähetys lähiverkossa törmäys havaitaan ‘heti’, sillä siirtoviive pieni toisin satelliitilla! jos törmäys, niin lähettäjä odottaa satunnaisen ajan ja yrittää uudelleen kilpailujärjestelmä (contention system) 12/5/2018

12 Viipaloitu ALOHA lähetysaika jaettu aikaviipaleiksi
lähetys voi alkaa vain aikaviipaleen alussa törmäykset täydellisiä lähetykset samassa aikaviipaleessa törmäysvaara-aika = yhden aikaviipaleen mittainen suorityskyky kaksinkertaistuu S = Ge**-G => maksimi ~ 37% siis 37% tyhjiä, 37% onnistuneita, 26% törmäyksiä 12/5/2018

13 CSMA (Carrier Sense Multiple Access)
toiminta kuuntele linjaa ennen lähettämistä jos linja vapaa lähetä jos linja varattu odota satunnainen aika ja yritä uudelleen Suorituskyky: törmäysvaara vain jos asemat lähettävät niin samanaikaisesti, että eivät siirtoviipeen vuoksi havaitse toista lähetystä ongelma: jos siirtoviive pitkä 12/5/2018

14 1-persistent CSMA jos kanava vapaa, lähetä
jos kanava varattu, jää kuuntelemaan ja lähetä heti, kun kanava vapautu 1-sitkeä, koska lähettää aina kun kanava vapaa ongelma: kaksi asemaa odottaa lähetyksen loppumista ja aloittaa lähettämisen samaan aikaan => TÖRMÄYS 12/5/2018

15 nonpersintent CSMA jos kanava vapaa, lähettää
jos kanava varattu, odottaa satunnaisen ajan ja yrittää uudelleen ‘luopuva’, koska luopuu odottamisesta välttää törmäyksiä, mutta hukkaa myös lähetysvuoroja odotusajan keskim. pituus 12/5/2018

16 p-persistant CSMA aikaviipaloitu kanava kuuntelee kanavaa
jos alussa heti varattu, odottaa seuraavaa vapaata aikaviipaletta kun vapaa, lähettää todennäköisyydellä p todennäköisyydellä q = 1-p odottaa seuraavaa aikaviipaletta tätä toistetaan kunnes saadaan lähetettyä tai joku toinen on jo aloittanut lähettämisen, jolloin asema luopuu eli odottaa satunnaisen ajan ja aloittaa taas alusta 12/5/2018

17 CSMA/CD (Collision Detection)
keskeyttää lähettämisen heti, kun havaitsee törmäyksen tapahtuneen törmäyksen aiheuttama hukka-aika pienenee ‘epävarmuuden aika’ on 2t, t on maksimisiirtoviive kahden aseman välillä jos törmäys => havaitaan ja lopetetaan lähetys => yritetään uudestaan ‘eksponentiaalinen peruutus’ 12/5/2018

18 Varausprotokollat ei törmäyksiä! lähetysvuorot varataan etukäteen
varausvaihe kilpaillaan varauksista lähetysvaihe kaikki varanneet lähettävät sanomansa 12/5/2018

19 Bittikarttaprotokolla
jokaisella asemalla oma varausviipaleensa N asemaa, N varausviipaletta varausviipale on yksi bitti varausvaiheessa kaikki lähetyshalukkaat asettavat oman varausbittinsä lähetysvaiheessa kaikki vuoron varanneet lähettävät järjestyksessä kukin asema tietää lähetysjärjestyksen 12/5/2018

20 MACA (Multiple Access with Collision Avoidance), MACAW
Langaton LAN kussakin solussa vain yksi kanava CSMA ei sovi “kuuntele, jos hiljaista lähetä” ongelma: kuuntelu lähettäjän ympäristössä ei vastaanottajan => hidden station problem 12/5/2018

21 exposed station problem:
B:n lähetys A:lle estää turhaan C:tä lähettämästä D:lle 12/5/2018

22 Datan lähetys A --> B
A lähettää B:lle RTS-kehyksen (Request To Send) datalähetyksen pituus => A:n naapurit osaavat varoa B lähettää A:lle CTS-kehyksen (Clear To Send) => B:n naapurit osaavat varoa 12/5/2018

23 törmäykset usea asema lähettää RTS-kehyksen samaan aikaan ==> TÖRMÄYS odottavat satunnaisen ajan + uudelleenlähetys 12/5/2018

24 Soluradiot pitkäaikaisia yhteyksiä
kanavan varaus GSM (Global System for Mobile communication) CDPD (Cellular Digital Packet Data) CDMA (Code Division Multiple Access) 12/5/2018

25 GSM (Global System for Mobile communication)
yhden solun sisällä 124 kaksisuuntaista 200 kHz kanavaa ‘downlink’ tukiasemalta liikkuville ‘uplink’ liikkuvilta tukiasemalle kullakin kanavalla 8 TDM-yhteyttä max 992 kanavaa / solu kaikkia ei voi käyttää: ‘naapurit’ häiriintyvät 12/5/2018

26 kehyshierarkia TDM-viipale 148 bitin datakehys
547 mikrosekunnin välein kehyksen alku ja loppu: 000 kaksi 57-bitin datakenttää kaksi kontrollibittiä: dataa vai ääntä 26 bitin tahdistuskenttä 12/5/2018

27 8 TDM-viipaletta => TDM-kehys 26 TDM-kehystä => 120 ms monikehys
24 datakehystä 1 kontrollikehys 1 tulevaan käyttöön 12/5/2018

28 Kontrollikehyksen käyttö
broadcast control channel: tukiaseman tunnus ja kanavan tila liikkuvat testaavat signaalin voimakkuutta onko uusi solu? dedicated control channel: hallintakanava: sijaintitiedot, rekisteröinti ja yhteydenmuodostus 12/5/2018

29 Common Control Channel
Paging Channel tulevat puhelut liikkuvat kuuntelevat koko ajan Random Access Channel varaukset yhteyden muodostamista varten ALOHA käytössä Access Grant Channel yhteydelle varatun aikaviipaleen numero 12/5/2018

30 CDPD (Cellular Digital Packet Data)
AMPS:n päällä 19.2 kbps, mutta paljon yleisrasitetta => ~9600 bps OSI-mallin mukainen mikrolohkoja ~3.125 ms 12/5/2018

31 uplink-kanavan lähetysvuorot
DSMA ~nonpersistent CSMA tutkii kanavaa tukiasema ilmoittaa, onko seuraava mikrolohko vapaa vai varattu jos varattu odottaa satunnaisen ajan ja yrittää uudelleen jos vapaa, lähettää 12/5/2018

32 jos usea valitsee saman vapaan mikrolohkon ==> törmäys
tukiasema ilmoittaa onnistumisesta viive 2 mikrolohkoa 12/5/2018

33 CDMA (Code Division Multiple Access)
yksi kanava usea samanaikainen lähetys kukin koko kanavan taajuudella! yhden bitin lähetysaika jaetaan pienempiin osiin (aikasiruihin) 64 tai 128 sirua bittiä kohden kullakin asemalla oma bittikuvio 1-bitin lähetykseen (0-bitti on tämän yhden komplementti) 12/5/2018

34 Esimerkiksi aseman A 1-bitti: 00011011 0-bitti: 11100100
aseman B 1-bitti: 0-bitti: aseman C 1-bitti: 0-bitti: 12/5/2018

35 Kaikki bittikuviot parittain ortonaalisia
S lT = 0 = 1/m SSiTi (sisätulo) S l S = 1 -S l S = -1 => yhteissignaalista löydetään eri asemien omat lähetykset 12/5/2018

36 kukin asema lähettää omat 1-bittinsä ja 0-bittinsä
kun moni lähettää samanaikaisesti tuloksena on yhteissignaali S. lähetettyjen signaalien ‘summa’ aseman datan ‘purkaminen’ yhteissignaalista A = aseman oma bittikuvio S l A tuottaa aseman lähettämän bitin kerrottuna bitin aikasirujen lukumäärällä

37 esim. S = (-2 -2 0 -2 0 -2 4 0) C = (-1 1 -1 1 1 1 -1 -1)
merkintä 1 =1, 0 = -1, helpompi laskea yhteen S = ( ) C = ( ) S l C = ( ) = -8 => -1 eli C lähetti 0-bitin