Reti di Calcolatori a.a. 2005/06 Lezione 9

1. Reti di Calcolatori a.a. 2005/06 Lezione 9 Andrea Frosini

2. Nel modello di riferimento: Andrea Frosini

3. Protocolli bi-direzionali Nei protocolli di livello Data Link uni-direzionali i frame dati viaggiano sempre nella stessa direzione ed i frame ack nell’altra Una comunicazione bi-direzionale si può realizzare con due canali di comunicazione (almeno half-duplex) ciascuno utilizzante un protocollo uni-direzionale In questo caso la banda passante di un canale è sotto-utilizzata se i frame dati viaggiano prevalentemente in una sola direzione I protocolli bi-direzionali consentono di far viaggiare frame dati e frame ack sullo stesso canale di comunicazione full-duplex in entrambe le direzioni Per distinguere i due tipi di frame si utilizza il campo kind posto nella testata del frame Andrea Frosini

4. Piggybacking I Il piggybacking(letter. portare sulle spalle)è una tecnica che minimizza l’overhead dovuto alla trasmissione delle informazioni di acknowledgement Funziona solo con protocolli bi-direzionali Una entità di livello Data Link A invia un frame dati ad una entità di pari livello B L’entità B che riceve il frame dati non invia subito un frame ack al mittente A. Al contrario, l’acknowledgement è trasmesso codificando l’informazione nel campo ackdel successivo frame dati che B dovrà spedire a A Si evita così l’overhead della costruzione del frame ack, del calcolo del checksum, e della sua trasmissione (quindi si realizza un miglior uso della banda del canale) Andrea Frosini

5. Piggybacking II Non è possibile che B attenda ad oltranza un frame dati a cui affidare l’acknowledgement Se l’attesa fosse troppo lunga, il frame ack non potrebbe arrivare al mittente A prima della scadenza del timer, e quindi A rispedirebbe inutilmente il frame dati L’attesa di B per un frame dati a cui affidare il trasporto dell’acknowledgement deve essere regolata da un timer Scaduto il termine (pochi millisecondi), B deve inviare un normale frame ack Andrea Frosini

6. Protocolli sliding window (a finestra scorrevole) I protocolli sliding window sono una classe di protocolli per il livello Data Link • sono bi-direzionali • possono utilizzare il piggybacking • sono più efficienti dei protocolli PAR L’assunzione di base di questi protocolli è che il canale di comunicazione (livello Fisico) sia wire-like: due frame senza errori saranno ricevuti nello stesso ordine in cui sono stati trasmessi Andrea Frosini

7. Protocolli sliding window – Numeri di sequenza In generale, nei protocolli sliding window non è necessario attendere l’acknowledgement di un frame dati prima di inviare il successivo Di conseguenza, sono necessari più di due numeri di sequenza In generale, assumiamo che il campo seq del frame sia costituito da n bit, e che dunque il numero di sequenza vari tra 0 e 2n– 1 Ad ogni istante sia chi trasmette che chi riceve mantiene una “finestra” (intervallo) di numeri di sequenza ammessi Andrea Frosini

8. Protocolli sliding window – Finestra di trasmissione In ogni protocollo sliding window, al trasmittente è consentito inviare solo frame dati aventi un numero di sequenza compreso nella finestra di trasmissione (od anche finestra di invio) La dimensione della finestra di trasmissione può variare, così come la sua posizione all’interno dell’insieme di numeri di sequenza. Ad esempio, se n=3 abbiamo 23 = 8 numeri di sequenza 0 1 finestra di dimensione 3 7 2 6 3 5 4 Nota Bene: se la finestra di trasmissione è vuota (ha dimensione zero), è sempre possibile estendere la sua dimensione ed inviare un frame! Andrea Frosini

9. Protocolli sliding window – Finestra di ricezione In ogni protocollo sliding window, al ricevente è consentito accettare solo frame dati aventi un numero di sequenza compreso in un determinato intervallo chiamato finestra di ricezione. La posizione all’interno dell’insieme di numeri di sequenza della finestra di ricezione può variare; in genere (ma non sempre) la dimensione è fissata 0 1 finestra di dimensione 4 del ricevente 7 2 6 3 5 4 La finestra di ricezione di una certa entità nonè in alcun modo legata alla finestra di trasmissionedella stessa entità. In generale, nel protocollo sliding window, la finestra di trasmissione del trasmittente e quella di ricezione del ricevente non sono identiche (possono essere in posizioni differenti nella sequenza di numeri, possono avere dimensioni differenti, eccetera) Andrea Frosini

10. Protocolli sliding window – Trasmissione I I numeri di sequenza all’interno della finestra di trasmissione rappresentano frame dati inviati, ma non ancora confermati Quando il livello Network fornisce un nuovo pacchetto da inviare, l’entità del livello Data Link: 1. controlla che la finestra di trasmissione non abbia già raggiunto la dimensione massima 2. assegna al nuovo frame dati il più vicino numero di sequenza alla destra della finestra di trasmissione 3. trasmette il frame dati 4. allarga la finestra di trasmissione per includere il nuovo numero di sequenza (ovviamente non dovrà essere possibile allargare la finestra fino a comprendere tutti i 2n numeri) Andrea Frosini

11. Protocolli sliding window – Trasmissione II Tutti i frame dati il cui numero di sequenza è all’interno della finestra di trasmissione devono essere conservati in memoria Infatti, la mancanza di conferma della loro ricezione implica la possibilità che essi debbano essere ritrasmessi Quando si riceve un acknowledgement per il numero di sequenza più a sinistra della finestra di trasmissione: 1. la finestra viene accorciata escludendo tale numero 2. il buffer contenente il frame dati viene liberato Andrea Frosini

12. Protocolli sliding window – Ricezione I numeri di sequenza all’interno della finestra di ricezione rappresentano i frame dati che l’entità Data Link può accettare. La finestra di ricezione generalmente conserva sempre la stessa dimensione Quando l’entità Data Link riceve un frame dati: 1. Se il suo numero di sequenza è al di fuori della finestra di ricezione, il frame dati viene scartato 2. Se il suo numero di sequenza è uguale al numero più a sinistra nella finestra, il pacchetto viene trasmesso al livelloNetwork e la finestra di ricezione viene spostata verso destra e viene inviato l’ack corrispondente 3. Se il suo numero di sequenza è dentro la finestra di ricezione, ma non è il numero più a sinistra, il frame viene salvato in un buffer e NON viene inviato l’ack corrispondente (si ricordi l’assunzione che il canale è supposto wire-like, quindi il pacchetto più a sinistra è necessariamente andato perduto) Andrea Frosini

13. Protocolli sliding window – Esempio Trasmissione 0 1 0 1 0 1 0 1 7 2 7 2 7 2 7 2 6 3 6 3 6 3 6 3 5 4 5 4 5 4 5 4 Ricezione Inizialmente Invio seq = 1 Ricez. seq = 1 Ricez. ack = 1 0 1 0 1 0 1 0 1 7 2 7 2 7 2 7 2 6 3 6 3 6 3 6 3 5 4 5 4 5 4 5 4 Andrea Frosini

14. Protocollo one bit sliding windows I • E’ un protocollo stop-and-wait • La dimensione massima della finestra di trasmissione è 1 • La dimensione della finestra di ricezione è fissata a 1 • Simile al protocollo PAR, ma è bi-direzionale e usa il piggybacking • I numeri di sequenza sono solo 0 e 1 • In trasmissione si controlla il campo ack di ciascun frame ricevuto: contiene il numero dell’ultimo frame passato al livello Network dall’altra entità: • • Se coincide con quello nella finestra di trasmissione, la finestra si svuota ed un nuovo pacchetto del livello Network può essere accettato • Se il numero non coincide, il frame nella finestra di trasmissione viene ritrasmesso • Se scade il timer fatto partire all’invio di un frame si ha ritrasmissione Andrea Frosini

15. Protocollo one bit sliding windows II In ricezione si accettano solo i frame il cui campo seq ha il valore incluso nella finestra di ricezione: • Si pone nel campo ack del prossimo frame uscente il numero di sequenza del frame accettato • Si fa avanzare la finestra di ricezione (si inverte il valore del numero di sequenza) Anche quando il frame non è accettato, si continua ad impostare il campo ack dei successivi frame uscenti con il numero dell’ultimo frame accettato Andrea Frosini

16. Protocollo One Bit Sliding Window – Esempio I Network host1 host1 host2 Network host2 (0,1,A0) (0,1,A0) (0,0,B0) (0,0,B0) (1,0,A1) (1,0,A1) (1,1,B1) (1,1,B1) (0,1,A2) (0,1,A2) Leggi: (seq, ack, packet number) Andrea Frosini

17. Protocollo One Bit Sliding Window – Anomalia • Una strana anomalia accade quando host1 e host2 trasmettono i propri pacchetti simultaneamente, come mostrato nel lucido seguente: • • sia host1 che host2 ricevono due volte tutti i pacchetti inviati • • nella rete non ci sono perdite o errori nei pacchetti • tale situazione può verificarsi anche nel caso in cui ci sia un primo trasmettitore, ma uno dei due timeout sia troppo breve Andrea Frosini

18. (0,1,A0) (0,1,B0) (1,0,B1) (1,1,A1) (0,0,A0) (1,1,B1) (0,0,B0) (1,0,A1) Protocollo One Bit Sliding Window – Esempio II Network host1 host1 host2 Network host2 (0,1,A0) (0,1,B0) (0,0,A0) (0,0,B0) (1,0,A1) (1,0,B1) Leggi: (seq, ack, packet number) Andrea Frosini

19. Protocolli sliding window con pipelining I Il protocollo One Bit Sliding Window, ed in generale tutti i protocolli stop-and-wait, sono altamente inefficienti se il canale di comunicazioni ha un elevato round trip time (tempo di andata e ritorno del segnale) Esempio: in un canale satellitare il ritardo tra la trasmissione di un frame e la ricezione di un ack può essere dell’ordine di 500 millisecondi I protocolli sliding window con una finestra di trasmissione maggiore di uno sono molto più efficienti: è possibile inviare diversi frame prima di bloccare per attendere la conferma La tecnica è in effetti un particolare tipo di pipelining Andrea Frosini

20. l/ b l = l/ b + R l +bR Utilizzo del canale con un protocollo stop and wait Se il canale ha una capacità di bbit/sec, la dimensione del frame è lbit e il round trip time è R secondi, il massimo utilizzo della linea (in una direzione) è pari a tempo invio frame tempo totale operazione Se il prodotto b R è grande, l’efficienza sarà bassa, a meno di non utilizzare frame molto lunghi Ad esempio, l’efficienza di un protocollo stop and wait su un canale satellitare con b = 100 kbps, l = 1000 bit e R = 500 millisecondi è 1000 1  2 % = 1000+ 100000·0.5 51 Andrea Frosini

21. W·l/ b W l = l +bR W·l/ b + (R - (W- 1) ·l/ b ) Utilizzo del canale con pipelining Supponiamo di spedire W frame prima di bloccare in attesa della prima conferma. L’utilizzo del canale sarà allora pari a: Ad esempio, l’efficienza di un protocollo pipelining su un canale satellitare con b = 100 kbps, l = 1000 bit, R = 500 millisecondi e W = 26 è 26·1000 26  50 % = 1000+ 100000·0.5 51 Andrea Frosini

22. Protocolli sliding window con pipelining II Se un frame inviato insieme a tanti altri è danneggiato, esso deve essere scartato Cosa fare con tutti gli altri frame ricevuti dopo quello scartato? Vi sono essenzialmente due distinte strategie: • Protocollo Go back n • Protocollo Selective repeat Andrea Frosini

23. Protocollo Go back n Nel protocollo Go back n, tutti i frame ricevuti dopo un frame danneggiato (o perso) sono scartati: la finestra di ricezione è lunga 1 Se un frame ricevuto è scartato perché fuori sequenza, esso non viene mai confermato e neppure si confermano i successivi frame che arrivano (però il protocollo è bidirezionale, quindi continuano ad essere inviate le conferme relative all’ultimo frame passato al livello Network) Quando il trasmittente va in time-out sul primo frame errato, ritrasmette l’intera sottosequenza di frame Se il trasmittente riceve conferma per un certo frame, tale conferma vale anche per tutti i frame inviatiprecedentemente a lui e non ancora confermati Questa strategia minimizza il numero di buffer dell’entità ricevente: vengono accettati solo i frame che possono essere immediatamente inviati al livello Network sovrastante Andrea Frosini

24. Protocollo Go back n – Esempio Andrea Frosini

25. Protocollo Go back n – Numeri di sequenza Data una finestra di trasmissione di dimensione N + 1, i numeri di sequenza dei frame che potranno essere inviati saranno compresi tra 0 e N +1 Attenzione!Se venissero utilizzati soltanto numeri di sequenza da 0 a N, il protocollo non funzionerebbe, come mostra l’esempio: 1. Il trasmittente invia N +1 frame con numeri da 0 a N 2. Alla fine si riceve una conferma per il frame N 3. Il trasmittente invia altri N +1 frame con numeri da 0 a N 4. Alla fine si riceve un’altra conferma (via piggybacking) per il frame N Problema: Se tutti i frame trasmessi al passo 3 fossero persi (o semplicemente venisse perso il frame 0, e tutti gli altri fossero scartati dal ricevente), il ricevente continuerebbe a trasmettere l’acknowledgement dell’ultimo frame del passo 1 accettato (frame N) e si creerebbe una situazione anomala Andrea Frosini

26. Protocollo Selective repeat Il protocollo Go back n non è efficiente su canali di comunicazione con elevato tasso d’errore. In questi casi il protocollo Selective repeat è migliore perché ha una finestra di ricezione di lunghezza maggiore di 1 Il destinatario memorizza in un buffer tutti i frame ricevuti dopo l’arrivo di un frame rovinato, con il rispettivo numero di sequenza all’interno della finestra di ricezione. Nessun ack viene inviato Non appena il frame danneggiato viene ricevuto nuovamente, il destinatario passa tutti i frame presenti nel buffer al livello Network e invia un acknowledgment con il più alto numero di frame trasmesso al livello Network, ossia l’ultimo frame della sequenza completa ricevuta Il trasmittente ritrasmette un frame solo in conseguenza di un timeout (oppure in caso di NAK—Negative Acknowledgement) Andrea Frosini

27. Protocollo Selective repeat – Esempio Andrea Frosini

28. hack Protocollo Selective repeat – Gestione frame • Osserviamo: • mittente e destinatario devono entrambi gestire un buffer per mantenervi i frame non confermati (mittente) successivi ad un errore (destinatario) X host1 host2 • per entrambi i precedenti protocolli: - è necessaria la gestione di timer multipli(uno per ogni frame inviato e non confermato) - il ricevente, per inviare gli ack, usa il piggybacking se possibile, altrimenti invia un apposito frame Andrea Frosini

29. Protocollo Selective repeat – Numeri di sequenza I Date finestre di trasmissione e ricezione di dimensione N, i numeri di sequenza dei frame saranno compresi tra 0 e 2N - 1 Attenzione! Se venissero utilizzati una quantità inferiore di numeri di sequenza il protocollo non funzionerebbe. Siano i numeri tra 0 e M, con M < 2N - 1 1. Il trasmittente invia frame con numeri da 0 a N - 1 2. Il ricevente li accetta e aggiorna la finestra di ricezione; se M < 2N - 1, 0 è incluso nella nuova finestra 3. Tutte le conferme sono perse, ed il trasmittente invia nuovamente il frame 0 Andrea Frosini

30. Protocollo Selective repeat – Numeri di sequenza II 4. il frame 0 viene memorizzato come nuovo, e si invia l’ack per N - 1 (ultimo trasmesso a livello Network) 5. Il trasmittente assume che tutti i frame inviati nel passo 1 sono stati accettati, quindi invia N, N +1, N +2, . . . , M. . . 6. Il ricevente vede il frame M, che è all’interno della finestra di ricezione e lo passa al livello Network. 7. Il ricevente controlla il buffer per il frame 0: è pieno, dunque lo passa al livello Network Problema: il frame 0 passato al livello Network la seconda volta appartiene alla prima sequenza! Andrea Frosini

31. Negative Acknowledgement Fino ad ora un frame con errori era considerato come un frame non arrivato e quindi semplicemente scartato La tecnica chiamata NAK (Negative Acknowledgement) permette di migliorare l’efficienza dei protocolli Un frame NAK è inviato al mittente quando il destinatario • riceve un frame con errori, oppure • riceve un frame con un numero di sequenza diverso da quello atteso Il frame NAK contiene il numero di sequenza del frame che deve essere rispedito. Migliora le prestazioni perché il trasmittente non deve aspettare la scadenza del timeout relativo Andrea Frosini

32. Protocollo Selective repeat con NAK– Esempio Andrea Frosini

33. Approfondimenti • Consideriamo il paragrafo • 3.5 PROTOCOL VERIFICATION • del libro di testo “Computer Networks” di A.S. Tanenbaum • Cosa è un automa a stati finiti (finite state machine)? • Cosa è una rete di Petri (Petri net)? • Come possono essere utilizzati entrambi questi strumenti per specificare formalmente un protocollo? Andrea Frosini

34. Protocollo HDLC Il protocollo HDLC = High-level Data Link Control • è un protocollo Data Link standard emanato dall’ISO ed è derivato dal protocollo SDLC (Synchronous Data Link Control) della architettura IBM SNA. Si è evoluto nei protocolli CCITT LAP (Link Access Procedure) e LAPB dello standard X.25 • è orientato al bit (non ai caratteri): usa la tecnica del bit stuffing per il framing • il codice per la rilevazione di errori è una variante del CRC-CCITT (la variante facilita la rilevazione dei flag byte persi) • la gestione della trasmissione e flusso è essenzialmente un protocollo sliding window “Go back N” con numeri di sequenza a tre bit, dimensione massima della finestra di trasmissione pari a 7, NAK e piggybacking Andrea Frosini

35. Protocollo HDLC – Struttura del frame 8 bit 8 bit 8 bit 8 bit  0 bit 16 bit Address Control Data Checksum 01111110 01111110 • Address: nelle linee multi-punto identifica i diversi terminali • Control: informazioni di controllo quali numeri di sequenza e ack. Identifica anche il tipo di frame: 1. Information, per la trasmissione dei dati 2. Supervisory, per le conferme e per controllare diverse modalità di trasmissione 3. Unnumbered, per traffico di controllo o comunque non affidabile Andrea Frosini

36. Protocollo SLIP Il protocollo SLIP= Serial Line IP • è il più vecchio protocollo Data Link utilizzato nell’architettura Internet Protocol Suite (1984), nato per collegare workstation Sun alla rete Internet tramite modem • spedisce pacchetti IP terminati dal carattere 0xC0(usa character stuffing sostituendo 0xDB 0xDC al posto di 0xC0 entro il pacchetto IP) Non ha controllo di errori Ha solo IP con indirizzi statici, e non ha alcuna forma di autenticazione Non è standard ufficiale di Internet (regolato da RFC 1055 e 1144, ma esistono molte implementazioni incompatibili) Andrea Frosini

37. home PC router Livello Data Link in Internet linea telefonica convenzionale processo client che usa TCP/IP modem connessione TCP/IP basata su PPP modem In Internet c’è la necessità di un protocollo point-to-point (PPP protocol) per la gestione delle funzioni Data Link di framing, controllo errori, controllo del flusso etc. Andrea Frosini

38. Protocollo PPP Il protocollo PPP (= Point-to-Point Protocol) • è uno standard Internet ufficiale (RFC 1661, 1662, 1663, 2153, e molti altri) • meccanismo di framing basato su character stuffing, ove i byte delimitatori sono il flag byte 01111110, e il carattere di stuffing è il byte 01111101 • rilevazione d’errori con codice polinomiale, con 16 o 32 bit di controllo per frame • supporta diversi protocolli di livello Network: IP, IPX, AppleTalk, . . . anche contemporaneamente • generalmente non usa numeri di sequenza e ack , quindi non offre realmente un servizio affidabile (ma possono essere attivati, cfr RFC 1663) Andrea Frosini

39. Sotto-protocolli LCP e NCP • Il protocollo PPP definisce due sotto-protocolli, i cui pacchetti vengono trasportati all’interno dei frame PPP • • LCP (Line Control Protocol): attiva e disattiva la linea seriale di comunicazione, e negozia i parametri a basso livello quali formato del frame, velocità di trasmissione… • • NCP (Network Control Protocol): negozia opzioni di livello network: • Per ogni livello network supportato c'è un differente NCP • Nel IP, NCP viene usato per negoziare un indirizzo IP dinamico • Il traffico derivante dall'uso dei protocolli LCP e NCP viene trasportato nei frame PPP Andrea Frosini

40. Formato del frame PPP 8 bit 8 bit 8 bit 8 bit variabile 2 o 4 byte 8 bit 01111110 Address 11111111 Control 00000011 Protocol Data Checksum 01111110 • Protocol: indica il protocollo di livello Network utilizzato (RFC 1700) • Address: indica trasmissione broadcast, può essere assente • Control: niente numero di sequenza e ack, può essere assente Andrea Frosini

41. Esercizi • Sia data la seguente codifica: • A: 01000111 B: 11100011 FLAG: 01111110 ESC: 11100000 • Mostrare la sequenza binaria per il messaggio A B ESC FLAG con i framing • - conteggio dei caratteri • - flag bytes con byte stuffing • - flag di inizio e fine e bit stuffing • La stringa di bit 0111101111101111110 deve essere trasmessa dal livello Data Link. Come si presenta tale stringa dopo il bit stuffing? • Messaggi di sedici bits sono trasmessi utilizzando il codice di Hamming per la correzione del singolo errore. Quanti check bits sono necessari? Assumendo la parità “pari”, qual è il messaggio trasmesso per la stringa di bit • 1101001100110101 ? • Qual è il messaggio inviato se vogliamo utilizzare la codifica CRC per il messaggio 10100001 con polinomio generatore G(x)=1001? Andrea Frosini

42. Esercizi • La stringa di bit 10011101 viene trasmessa utilizzando la codifica CRC con G(x)=1001. Durante la trasmissione il terzo bit del messaggio viene invertito. Mostrare che tale errore viene riconosciuto. • Un canale ha un bit rate di 4 kbps e un tempo di propagazione di 20 msec. Per quali valori della lunghezza del messaggio un protocollo stop-and-wait raggiunge l’efficienza del 50%? • Si consideri un canale satellitare privo di errore con velocità 64 kbps che invia messaggi di 512 byte ciascuno, con lunghezza dell’Ack trascurabile. Qual è il massimo bit rate se si utilizzano finestre di dimensione 1, 7, 15 e 127? Si assuma che il tempo di propagazione di un canale satellitare è posto a 270 msec. • Si consideri un cavo T1 (24 canali di ampiezza 8 bit ciascuno, con frequenza di invio di ciascun frame 8000 Hz) lungo 100 Km. La velocità di propagazione al suo interno è circa 2/3 c. Quanti bits “entrano” all’interno del cavo ad un determinato istante? Andrea Frosini

43. Esercizi • Calcolare la lunghezza minima di un frame per ottenere un’efficienza del 40% su di un canale con bit rate di 600 kbps, tempo di propagazione di 200 msec e protocollo a finestra scorrevole con ampiezze W uguale a 1, 30, 100. Nel caso di W=30 qual è l’informazione massima (in bit) codificata in ciascun frame se si utilizza lo standard HDLC con correzione d’errore di Hamming per singolo bit? • Simulare la comunicazione tra due stazioni su di un canale con tasso d’errore del 20% e protocolli • i) Go back n • ii) Selective repeat • usando piggybacking, finestra trasmittente di ampiezza 6, finestra ricevente massima (caso ii)) di ampiezza 3 e 3 bit nel campo Seq. Andrea Frosini