PB169 – Operační systémy a sítě Řízení přístupu k médiu, MAC Marek Kumpošt, Zdeněk Říha Řízení přístupu k médiu • Více zařízení sdílí jednu komunikační linku • Zařízení chtějí nezávisle komunikovat – a posílat data skrze sdílenou linku • Řízení přístupu k médiu (MAC) je založeno na: – metodách multiplexu, které umožňují sdílet kapacitu – multiplex je poskytován na fyzické úrovni • MAC dále řeší – přiřazení multiplexu, adresování a kolize Přístup k médiu • Řízený – vyzývání, rezervace, předávání příznaku, … – stanice si rezervují časový díl – přenosy řídí primární stanice • Neřízený/náhodný – CSMA, CSMA/CA, CSMA/CD, … – Stanice musí před vysíláním vyčkat na klid • Multiplexově orientovaný Multiplexing • MUX/DEMUX Multiplexově orientované metody • 2-bodový spoj (přenos 1 signálu) nevyužije dostupnou přenosovou kapacitu média – jak zajistit sdílení souběžnými komunikacemi, když přenosová kapacita převyšuje kapacitu pro přenos 1 signálu? – přenosem více signálů jedním médiem souběžně se dosáhne efektivnější využití • Ve sdíleném prostoru – SDMA • Ve sdíleném čase – TDMA • Ve frekvenčním prostoru – FDMA • V kódovém prostoru – CDMA • Nebo kombinací předchozích metod dohromady Multiplexově orientované metody • SDMA – prostor se segmentuje pomocí směrových antén (GSM) • FDMA – šířka pásma je dělená do pásem, každé pásmo je rezervované pro vysílání jedné stanice • TDMA – šířka pásma se dělí mezi stanicemi po časových úsecích – dílech • CDMA – založeno na teorii kódování, všechny stanice používají šířku pásma současně, každá vysílaný signál unikátně kóduje Multiplexing – příklady • Frekvenční prostor – Telefonie – 4 kHz pro jeden hovor – Seskupení hovorů mezi ústřednami – 12 hovorových kanálů po 4 kHz – pásmo 60-108 kHz • (Geo) prostor – Auta na dálnicích ve více pruzích • Časový prostor – Auta na dálnici v jednom pruhu – každé v jednom čase na jiném místě využívá celou kapacitu pruhu Ochranné odstupy • SDMA – segmentace pomocí směrových antén (GSM) • FDMA – jistá frekvence pro vysílač-přijímač – jedno pásmo nebo rychlé změny (FHSS) • TDMA – pevná vysílací frekvence po jistý časový interval • CDMA – unikátní kódování s možností dekódování signálu Frekvenční multiplexing • Využitelná šířka pásma média je větší než požadovaná šířka pásma daného signálu Frekvenční multiplex • Separace dostupného spektra do menších frekvenčních pásem • Část spektra využitelná výhradně jedním komunikačním kanálem • Vhodné pro analogové signály – modulační zařízení – signál do přiděleného pásma – multiplexující zařízení – skládání modulovaných signálů – + to stejné na straně příjemce • Nevýhody: – Pokud se nevysílá souvisle, plýtvá se šířkou pásma – Jsou nutné ochranné odstupy frekvenčních pásem Časový multiplexing • Dosažitelná rychlost přenosu dat v médiu je větší než požadovaná rychlost přenosu dat daného signálu Časový multiplex • Kanál získává k výhradnímu využití na jistou dobu celé dostupné spektrum • Pro digitální i analogové signály • Vysoká propustnost • V každém okamžiku jen 1 nosný signál • Nutná precizní synchronizace • Dosažitelná rychlost musí být větší než požadovaná Časově-frekvenční multiplex • Kombinace FDM a TDM • Komunikační kanál dostane jisté frekvenční pásmo na určitou dobu – GSM, FHHS • Lepší ochrana proti odposlechu • Ochrana proti interferenci frekvencí • Nutná precizní synchronizace Dělení vlnové délky (WDM) • Používané v optických sítích • Paprsky se rozkládají v hranolu – na paprsky s různými frekvenčními rozsahy • Na druhé straně se sdružují a putují sdíleným optickým vláknem • Jiná varianta – polarizace Kódový multiplex, CDMA • Každý signál kódován unikátním kódem – přijímač vše ostatní vnímá jako šum – v reálné praxi např. 128 bitů – kódový prostor je proti frekvenčnímu prostoru obrovský (např. 232) • Signály používají stejnou frekvenci • Efektivní využití šířky pásma • Není potřeba precizní synchronizace • Dobrá ochrana proti odposlechu • Nižší rychlosti • Složitější regenerace signálu Kódový multiplex, CDMA • Založeno na teorii kódování • Každá stanice má unikátní kód (bitový) Řízení přístupu k přenosovému médiu • Koordinace přístupů více stanic k sdílenému přenosovému médiu • Cílem je eliminace kolizí při vysílání – souběžně do jediného přenosového prostředí CSMA – Carrier Sense Multiple Access • Protokol naslouchání signálu s vícenásobným přístupem (a detekcí kolizí) • Slouží k přenosu dat mezi uzli využitím souběžného všesměrového vysílání • Může docházet ke kolizím – dvě stanice začnou vysílat zároveň – I kvůli tomu je omezená fyzická délka spojení • Pokud dojde ke kolizi, musí se data poslat znovu (prodleva je náhodná) CSMA – Carrier Sense Multiple Access • Protokoly neřízeného přístupu (vývoj) – MA – CSMA – CSMA/CD – CSMA/CA • Stanice vysílá, když je klid v komunikačním médiu • Počet kolizí se redukuje, ale ne zcela – CSMA se vždy používá ve variantě CD nebo CA • Kdy stanice může přistupovat k médiu? • Co může stanice dělat, když je médium obsazené? • Jak stanice pozná, zda došlo či nedošlo ke kolizi? • Co může stanice dělat, když došlo ke kolizi? CSMA – naléhání a vysílání • Stanice zjistí volné médium – vysílá rámec • Stanice zjistí obsazené médium – vyčká náhodnou dobu před příštím testováním média • snižuje se efektivnost, když je médium volné – nebo testuje okamžitě znovu • zvyšuje se pravděpodobnost kolize CSMA/CD – využití v LAN • Detekována kolize – Stanice vyšle další pakety, aby kolizi detekovali všechny stanice – Zvýší čítač – Počká jistou dobu (podle počtu zjištěných kolizí) – Začne opět vysílat CSMA/CA – využití v bezdrátu • Vyloučení/vyhnutí se kolizím – Je-li médium po určitou dobu volné, lze vysílat, pokud se vysílání nezdaří čeká se (exponenciální charakter) – Pokud je médium obsazené, počká se na uvolnění a pak se exp. čeká • Exponenciální čekání – zvyšování doby o dvojnásobek sníží pravděpodobnost opětovných kolizí