Solucionario_Tema11

Departamento de Sistemas de Comunicación y Control

R ed e d e s y C o m u n i c ac ac i o n es

Solucionario

Tema 11 (Tema 12 del libro de texto): Acceso múltiple

Tema 11: Acceso múltiple

Resumen

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Se puede considerar que el nivel de enlace de datos tiene dos subniveles. El subnivel superior es responsable del control del enlace de datos, y el subnivel inferior es responsable de resolver el acceso al medio compartido.

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Se han desarrollado muchos protocolos formales para gestionar el acceso a un enlace compartido. Se clasifican en tres grupos: protocolos de acceso aleatorio, protocolos de acceso compartido y protocolos de canalización.

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En los métodos de acceso aleatorio o métodos de contención, ninguna estación es superior a otra y ninguna tiene control sobre otra.

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ALOHA permite el acceso múltiple (MA) al medio compartido. Existe la posibilidad de colisiones en este método. Cuando una estación envía datos, otra estación puede intentar hacerlo al mismo tiempo. Los datos de las dos estaciones colisionan y se destruyen.

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Para minimizar la posibilidad de colisiones y, por tanto, incrementar las prestaciones, se desarrollo el método CSMA. La posibilidad de que ocurra una colisión se puede reducir si una estación comprueba el medio antes de utilizarlo. El acceso múltiple por detección de portadora (CSMA) requiere que cada estación escuche primero el medio antes de enviar datos. Se han desarrollado tres métodos de comprobación de portadora: de persistencia 1, no persistencia y de persistencia p.

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El acceso múltiple por detección de portadora con detección de colisiones (CSMA/CD) mejora el algoritmo CSMA al contemplar las colisiones. En este método, una estación monitoriza el medio después de enviada la trama para comprobar si la transmisión se realiza con éxito. Si es así, la estación finaliza. Sin embargo, si hay una colisión, la trama se envía de nuevo.

11.3

Redes y Comunicaciones

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Para evitar las colisiones en redes inalámbricas, se desarrollo el método de acceso múltiple por detección de portadora con evitación de colisiones (CSMA/CA). Las colisiones se evitan mediante el use de tres estrategias: el espacio entre tramas, la ventana de contención y los mensajes de confirmación.

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En el acceso controlado, una estación no puede enviar a no ser que haya sido autorizada por otras estaciones. Se han descrito t res métodos de acceso controlado muy populares: de reservas, de muestreo y de paso de testigo.

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En el método de acceso basado en reservas, una estación necesita hacer una reserva antes de enviar sus datos. El tiempo se divide en intervalos. En cada intervalo, una trama de reserva precede a las tramas de datos enviadas en ese intervalo.

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En el método de muestreo, todos los intercambios de datos se hacen a través de un dispositivo primario incluso aunque el destinatario sea un dispositivo secundario. El dispositivo primario controla el enlace; los dispositivos secundarios siguen sus instrucciones.

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En el método de paso de testigo, las estaciones en la red se organizan en un anillo lógico. Cada estación tiene un predecesor y un sucesor. Un paquete especial denominado testigo circula por el anillo.

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La canalización es un método de acceso múltiple en el que el ancho de banda disponible de un enlace se comparte en el tiempo, en la frecuencia o a través de códigos, entre diferentes estaciones. Se han descrito tres protocolos de canalización: FDMA, TDMA y CDMA.

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En el acceso múltiple por división de frecuencia (FDMA), el ancho de banda disponible se divide en bandas de frecuencias. Cada estación tiene asignada una banda para enviar sus datos. En otras palabras, cada banda esta reservada para una estación concreta y pertenece a la estación t odo el tiempo. 11.4


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En el acceso múltiple por división en el tiempo (TDMA), las estaciones comparten el ancho de banda del canal en el tiempo. Cada estación tiene asignada una ranura de tiempo durante Ia cual puede enviar datos. Cada estación transmite sus datos en la r anura de tiempo asignada.

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En el acceso múltiple por división de códigos (CDMA), las estaciones utilizan códigos diferentes para conseguir el acceso múltiple. CDMA se basa en la teoría de la codificación y utiliza secuencias de números denominados chips. Las secuencias se generan utilizando códigos ortogonales tales como las tablas de Walsh.

11.5


Problemas resueltos

Problema 1 Indique las tres categorías de protocolos de acceso múltiple descritos en este capitulo. Solución: Las tres categorías de protocolos de acceso múltiple son acceso aleatorio, acceso controlado y canalización.

Problema 3 Defina el acceso controlado e indique tres protocolos de esta categoría. Solución: En los métodos de acceso controlado, las estaciones consultan a otras para encontrar que estaciones tienen el derecho a enviar. Una estación no puede enviar a menos que haya sido autorizada por las otras estaciones. Los tres métodos más populares son: De reserva (reservation), Muestreo ( polling ) y Paso de testigo (token passing ).

Problema 5 Explique por que la colisión es un problema en el protocolo de acceso aleatorio pero no en el acceso controlado ni en los protocolos de canalización. Solución: En los métodos de acceso aleatorio, no hay control de acceso (como lo hay en los métodos de acceso controlado) y no hay canales predefinidos (como en la 11.7


canalización). Cada estación puede transmitir cuando desee. Esta libertad puede crear colisión.

Problema 7 Compare y contraste un protocolo de acceso aleatorio con un protocolo de canalizacion. Solución: En el método de acceso aleatorio todo el ancho de banda disponible pertenece a la estación que gana la contención; las otras estaciones necesitan esperar. En el método de canalización el ancho de banda disponible se divide entr e las estaciones. Si una estación no tiene datos que enviar, el canal alojado permanece desocupado.

Problema 9 ¿Es necesario un protocolo de acceso múltiple cuando se utiliza el bucle local de la compañía telefónica para acceder a Internet? ¿Por qué? Solución: No se necesita métodos de acceso múltiple en este caso. El bucle local proporciona una conexión dedicada punto-a-punto para la compañía telefónica.

Problema 11 Se dispone de una red ALOHA pura con 100 estaciones. Si Tfr = 1 microsegundo, ¿cuál es el número de tramas por segundo que cada estación puede enviar para conseguir la máxima eficiencia? Solución:

11.8


Para conseguir la máxima eficacia en una red ALOHA pura, G = ½. Si se toma ns como el número de estaciones y nfs como el número de tramas que una estación puede enviar por segundo y T fr , el tiempo de transmisión: G = ns × nfs × Tfr = 100 × nfs × 1 μs = 1/2 → nfs = 5000 tramas/s

Problema 13 Cien estaciones en una red ALOHA pura comparten un canal de 1 Mbps. Si las tramas son de 1000 bits, encuentre la productividad si cada estación envía 10 tramas por segundo. Solución: Se puede calcular primero Tfr , G y después la productividad, S: Tfr = (1000 bits) / 1 Mbps = 1 ms G = ns × nfs × Tfr = 100 × 10 × 1 ms = 1 Para una ALOHA pura → S = G × e2G ≈ 13.53 % Esto significa que cada estación puede enviar con éxito sólo 1.35 tramas por segundo.

Problema 15 En una red CDMA/CD con una tasa de datos de 10 Mbps, se ha determinado que el mínimo tamaño de trama es de 512 bits para una operación correcta del proceso de detección de colisiones. ¿Cuál debería ser el tamaño mínimo de la trama si se incrementa la tasa a 100 Mbps, a 1Gbps y a 10 Gbps? Solución:

11.9


Para que el método CSMA/CD funcione, se necesita una restricción sobre el tamaño de las tramas. Antes de enviar el último bit de la trama, la estación que envía debe detectar una colisión en caso de que exista y abortar la transmisión. Esto es debido a que la estación , una vez que ha enviado la trama entera, no guarda una copia de la trama y no monitoriza la línea para detectar la colisión. Por lo tanto, el tiempo de transmisión de la trama, Tfr , debe ser al menos dos veces el máximo tiempo de propagación Tp. Vamos a encontrar la relación entre el tamaño de trama mínimo y la tasa de datos: Tfr = (tamaño de trama) / (tasa de datos) = 2 × Tp = 2 × distancia / (vel. propagación) o (tamaño trama) = [2 × (distancia) / (vel. propagación)] × (tasa datos)] o (tamaño trama) = K × (tasa datos) Esto significa que el tamaño de trama mínimo es proporcional a la tasa de datos (K es una constante). Cuando la tasa de datos se incrementa, el tamaño de la trama debe ser incrementada en una red con una longitud fija para continuar la operación propia del CSMA/CD. En el ejemplo 12.5 del libro de texto, se mencionó que el tamaño de trama mínimo para la tasa de datos de 10 Mbps es 512 bits. Se calcula el tamaño de trama mínimo en base a la relación de proporcionalidad siguiente: Tasa de datos = 10 Mbps → tamaño de trama mínimo = 512 bits

Tasa de datos = 100 Mbps → tamaño de trama mínimo = 5120 bits

Tasa de datos = 1 Gbps → tamaño de trama mínimo = 51200 bits

Tasa de datos = 10 Gbps → tamaño de trama mínimo = 512000 bits 11.10


Problema 17 En la Figura 11.1 (Figura 12.12 del libro), la tasa de datos es de 10 Mbps, la distancia entre la estación A y C es de 2000 m y la velocidad de propagación es de 2 x 108 m/s. La estación A comienza a enviar una trama larga en el instante t 1 = 0; la estación C comienza a enviar una trama larga en el instante t 2 = 3 microsegundos. El tamaño de la trama es suficientemente largo para garantizar la detección de la colisión por ambas estaciones. Encuentre: a. El tiempo en el que la estación C detecta la colisión (t 3). b. El tiempo en el que la estación A detecta la colisión (t 4). c. El número de bits que la estación A ha enviado antes de detectar la colisión. d. El número de bits que la estación C ha enviado antes de detectar la colisión.

Figura 11.1 (Figura 12.12 del libro)

Solución: Se tiene t1 = 0 y t2 = 3 µs a. t3 − t1= (2000 m) / (2 × 108 m/s) =10 µs → t3 = 10 µs + t1 = 10 µs

b. t4 − t2 = (2000 m) / (2 × 108 m/s) =10 µs → t4 = 10 µs + t2 = 13 µs

c. Tfr(A) = t4 − t1 = 13 − 0 = 13 µs → Bits A = 10 Mbps × 13 µs = 130 bits

11.11


d. Tfr(C) = t3 − t2 = 10 − 3 = 7µs → BitsC = 10 Mbps × 7 µs = 70 bits.

Problema 19 Calcule la tabla de Walsh W 8 a partir de la tabla W 4 de la Figura 11. 2 (Figura 12.29).

a. Dos reglas básicas

b. Generación de W1, W2 W4 FIGURA 11.2. Figura 12.29 del libro de texto

Solución:

FIGURA 11.3. Solución ejercicio 11.19

11.12


Problema 21 Demuestre la tercera y la cuarta propiedad de los chips de la tabla de Walsh para W 4 de la Figura 11. 2 (Figura 12.29). Solución: La tercera propiedad: Si se multiplican dos secuencias iguales, elemento a elemento, y se suma el resultado, se obtiene N, donde N es el número de elementos en cada secuencia. A este producto se le denomina producto interno (inner product ) de dos secuencias iguales: Row 1 • Row 1 [+1 +1 +1 +1] • [+1 +1 +1 +1] = +1 + 1 + 1 + 1 = 4 Row 2 • Row 2 [+1 −1 +1 −1] • [+1 −1 +1 −1] = +1 + 1 + 1 + 1 = 4 Row 3 • Row 1 [+1 +1 −1 −1] • [+1 +1 −1 −1] = +1 + 1 + 1 + 1 = 4 Row 4 • Row 4 [+1 −1 −1 +1] • [+1 −1 −1 +1] = +1 + 1 + 1 + 1 = 4 La cuarta propiedad: Si se multiplican dos secuencias diferentes, elemento a elemento y se suma el resultado se obtiene 0. Para esta propiedad se necesita probar las seis relaciones siguientes: Row 1 • Row 2 [+1 +1 +1 +1] • [+1 −1 +1 −1] = +1 − 1 + 1 − 1 = 0 Row 1 • Row 3 [+1 +1 +1 +1] • [+1 +1 −1 −1] = +1 + 1 − 1 − 1 = 0 Row 1 • Row 4 [+1 +1 +1 +1] • [+1 −1 −1 +1] = +1 − 1 − 1 + 1 = 0 Row 2 • Row 3 [+1 −1 +1 −1] • [+1 +1 −1 −1] = +1 − 1 − 1 + 1 = 0 Row 2 • Row 4 [+1 −1 +1 −1] • [+1 −1 −1 +1] = +1 + 1 − 1 − 1 = 0 Row 3 • Row 4 [+1 +1 −1 −1] • [+1 −1 −1 +1] = +1 − 1 + 1 − 1 = 0

Problema 23 11.13


Repita el escenario mostrado en las Figuras 12.27 y 12.28 del libro de texto si las estaciones 1 y 3 están en silencio. Solución: La figura 11.4 muestra la codificación, los datos del canal y la decodificación:

FIGURA 11.4. Solución ejercicio 12.23

Problema 25 Una red con un dispositivo primario y cuatro secundarios utiliza muestreo. El tamaño de una trama de datos es de 1000 bytes. El tamaño de las tramas de muestreo de ACK y NACK es de 32 bytes cada una. Cada estación tiene 5 tramas para enviar. ¿Cuál es el número total de bytes que se intercambian si no hay limitación en el número de tramas que una estación puede enviar en respuesta a un mensaje de muestreo?

11.14


Repita el ejercicio si cada estación sólo puede enviar una trama en respuesta a un muestreo. Solución: Se puede decir: Muestreo y transferencia de datos: Estación 1: [poll + 5 × (tr ama + ACK)]

Estación 2: [poll + 5 × (tr ama + ACK)]

Estación 3: [poll + 5 × (tr ama + ACK)]

Estación 4: [poll + 5 × (tr ama + ACK)] Muestreo y envío NAKs Estación 1: [poll + NAK]

Estación 2: [poll + NAK]


Estación 4: [poll + NAK] Actividad total: 8 polls + 20 tramas + 20 ACKs + 4 NAKs = 21024 bytes Se tienen 1024 bytes de sobrecarga.

11.15


Ahora repetiremos el ejercicio si cada estación sólo puede enviar una trama en respuesta a un muestreo. Se puede decir: Muestreo y transferencia de datos: Trama 1 para todas las cuatro estaciones: 4 × [poll + trama + ACK]

Trama 2 para todas las cuatro estaciones: 4 × [poll + trama + ACK]



Trama 5 para todas las cuatro estaciones: 4 × [poll + trama + ACK] Muestreo y envío NAKs Estación 1: [poll + NAK]



Estación 4: [poll + NAK] Actividad total: 24 polls + 20 tramas + 20 ACKs + 4 NAKs = 21536 bytes Se tienen 1536 bytes de sobrecarga lo cual son 512 bytes más que en el caso anterior. Esta es la razón por la que se necesitan enviar 16 polls extra.

11.16

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