• Multiplexing und Multiple‐Access

(1)

Grundlagen der Rechnernetze

Medienzugriffskontrolle

(2)

Übersicht

• Multiplexing und Multiple‐Access

• Dynamische Kanalzuweisung

• Multiple‐Access‐Protokolle

• Spread‐Spectrum

• Orthogonal‐Frequency‐Division‐Multiplexing

(3)

Multiplexing und Multiple‐Access

(4)

Motivation

Multiple‐Access‐Kanal

Generelles Problem in diesem Vorlesungskapitel

Unkontrollierter Medienzugriff führt zu Nachrichtenkollisionen

Mögliche Lösung: Multiplexing

Kapazität C bps

N Subkanäle mit Kapazität jeweils C/N bps

Bildquelle: Prof. Karl, Vorlesung Rechnernetze, WS 2011/2012

Wie erreicht man eigentlich Multiplexing eines Kanals? ...

Multiplexer Demultiplexer

(5)

Frequency‐Division‐Multiplexing (FDM)

To Z To Z

(in frequency 1) (in frequency 2)

Bildquelle: Prof. Karl, Vorlesung Rechnernetze, WS 2011/2012, Andrew S. Tanenbaum, Computer Networks, 4th Edition, 2003

(6)

FDM‐Implementation

Bildquelle: William Stallings, „Data and Computer Communications“, Seventh Edition, 2004

(7)

FDM‐Implementation

(8)

Time‐ und Space‐Division‐Multiplexing

To Z To Z

Time‐Division‐Multiplexing (TDM)

Space‐Division‐Multiplexing (SDM)

To Z To Z

(9)

TDM‐Implementation

(10)

TDM‐Implementation

(11)

Code‐Division‐Multiplexing (CDM)

r

₁

r

₂

s

₁

s

₂

Zeit

Bandbr eit e

Zeit

Bandbr eit e Zeit

Bandbr eit e

(12)

Multiplexing und Multiple‐Access

• Auf der Physikalischen Schicht

– Multiplexing um eine Leitung für mehrere Übertragungen zugleich zu verwenden

– Beispiele: Kabel‐TV, Telefon

• Auf der Verbindungsschicht

– Multiplexing um konkurrenten Zugriff auf ein geteiltes Medium zu kontrollieren

– Man spricht dann von Multiple‐Access

– Also: FDMA, TDMA, CDMA, SDMA

(13)

Statisches Multiplexing

• Auf der Physikalischen Schicht

– Medium wird in N Kanäle mit gleicher Bandbreite unterteilt

– Man spricht auch von statischem Multiplexing

• Multiplexing auf der Verbindungsschicht?

• Möglichkeit 1: Jedem Kommunikationspaar wird einer der N Kanäle der der physikalischen Schicht zugeordnet

• Sinnvoll wenn

 Kanal fasst die Datenrate der Quelle

 Datenrate der Quelle sättigt immer den Kanal

(14)

Problem Traffic‐Bursts

• Datenverkehr mit Bursts bedeutet: große

Differenz zwischen Spitzen‐ und Durchschnittsrate

• Eine Hausnummer in Computer‐Netzen: Spitzen‐

versus Durchschnittsrate = 1000 : 1

Time

Sour ce da ta ra te

Mean rate

(15)

Statisches Multiplexing und Traffic‐Bursts

• Statisch aufgeteilte Ressourcen müssen entweder:

Sour ce da ta ra te Time

Mean rate Required rate

 Groß genug sein, um auch die Spitzendatenrate unmittelbar bedienen zu können

! Ressourcenverschwendung, da die Linkkapazität im Mittel nicht

ausgeschöpft wird

 für den mittleren Fall

dimensioniert sein, aber wir benötigen dann einen Puffer

! Was ist der Delay bis ein Paket übertragen werden kann?

Queues Packets

New packets

MUX

(16)

Delay‐Rechnung

Betrachte:

• Kanal mit Kapazität C bps

• Exponential verteilte Paket‐Ankunftsrate von  Pakete/Sekunde

• Exponential verteilte Paketlängen mit mittlerer Paketlänge von 1/ Bits/Frame

Was ist die mittlere Wartezeit T eines Pakets bei idealem Kanalzugriff mit einer zentralen globalen Warteschlange?

Was ist die mittlere Wartezeit T _FDM von statischem FDM (andere

Multiplexing‐Verfahren analog)?

(17)

Delay‐Rechnung an der Tafel

(18)

Dynamische Kanalzuweisung

(19)

Dynamische Kanalzuweisung

• Statisches Multiplexing nicht geeignet für Verkehr mit Bursts

– Wesentlicher Grund: Zeitweise ungenutzte Kanäle – Telefon oder TV hat keine Bursts: statisches

Multiplexing sinnvoll

– Computer‐Netze hingegen haben Traffic‐Bursts: wir brauchen hier eine andere Form der Kanalzuweisung

• Alternative: Weise Kanal‐Ressourcen den

Quellknoten zu, die aktuell Daten zu senden

haben

(20)

Annahmen für folgende Protokolldefinitionen

• Stationsmodell (oder Terminal‐model)

– N unabhängige Stationen teilen sich eine Ressource

• Single‐Channel‐Annahme

– Ein einziger Kanal für alle Stationen

– Keine weiteren Kanäle über die Kontrollsignale kommuniziert werden können

• Kollisionsannahme

– Zu jedem Zeitpunkt kann nur ein Paket erfolgreich übertragen werden

– Zwei oder mehr zeitlich überlappende Pakete kollidieren und werden damit ungültig

– (Ausnahmen bestätigen die Regel)

(21)

Annahmen für folgende Protokolldefinitionen

• Zeit‐Modell

– Kontinuierliche Zeit: Übertragungen können zu beliebigem Zeitpunkt beginnen

– Zeit‐Slots: Zeit wird in Slots eingeteilt;

Übertragungen können nur zu Slot‐

Startpunkten stattfinden. Jeder Slot kann ungenutzt, erfolgreich oder mit einer Kollision behaftet sein.

• Carrier‐Sensing

– Stationen können bzw. können nicht erkennen, ob der Kanal von einem anderen benutzt wird oder nicht – Detektion kann immer mit

Ungenauigkeiten behaftet sein (z.B., überhören einer laufenden

Übertragung)

Time

?

(22)

Bewertungen der folgenden Protokolle

• Wie bewertet man die Effizienz eines dynamischen Medienzugriffs?

– Intuition: es sollten soviele Pakete wie möglich so schnell wie möglich erfolgreich übertragen werden

• Bei hoher Last (viele Übertragungen pro Zeiteinheit):

Durchsatz ist das entscheidende Maß – stelle sicher dass möglichst viele Pakete erfolgreich übertragen werden

• Bei geringer Last (wenige Übertragungsversuche pro Zeiteinheit):

Delay ist das entscheidende Maß – stelle sicher dass Pakete nicht zu lange warten müssen

• Fairness: Wird jede Station gleich wie die die anderen

bedient?

(23)

Durchsatz über angebotener Last

Paketankünfte Erfolgreiche Pakete (S)

Ein Paket pro Paketzeit Ein Paket

pro

Paketzeit

Reale MAC‐Protocolle

Ideales MAC‐Protocol

Angebotene Last G = Anzahl der Pakete pro Paketübertragungszeit, die das Protokoll zur

Abarbeitung erhält

(24)

Stochastisches Modell für die angebotene Last

Große

Benutzerpopulation

Benutzer erzeugen unabhängig voneinander Pakete mit einer Gesamtrate von  Paketen pro Zeiteinheit