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Advanced Computer Networks: Lecture 10 - Dr. Amir Qayyum

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CS716
Advanced Computer Networks
By Dr. Amir Qayyum
1


Lecture No. 10


Ethernet MAC – CSMA/CD
• Multiple access
– Nodes send and receive frames over a 
shared link

• Carrier sense
– Nodes can distinguish between an idle 
and busy link

• Collision detection
– A node listens as it transmits to detect 
collision

3


CSMA/CDMACAlgorithm
ã Iflineisidle(nocarriersensed)
Sendimmediately
Upperboundmessagesizeof~1500
bytes
Mustwait9.6àsbetweenbackưtoư


backframes
4


CSMA/CD  MAC  Algorithm
• If line is busy (carrier sensed) …
– Wait until the line becomes idle and 
then transmit immediately
– Called 1­persistent  (special case of p­
persistent)

• If collision detected
– Stop sending data and jam signal
– Try again later

5


Collision Detection
my­machine

your­machine

start 
transmission 
at time 0

start 
transmission 
at time T

almost there 
at time T

collision !!!

How to ensure that my­machine knows about the collision?
6


Constraints on Collision Detection
• In our example, consider
– my­machine’s message reaches your­
machine at T
– your­machine’s message reaches my­
machine at 2T

• Thus, my­machine must still be 
transmitting at 2T
7


Constraints on Collision Detection
• Specifics of IEEE 802.3
– bounds 2T to 51.2 microseconds
– packet must be at least 64B long

• Jam after the collision, for 32 bits, then 
stop transmitting frame (runt frame of 
96 bits)
– ensures that all hosts notice collision

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Ethernet Min. Frame Size
• RTT on a maximally configured Ethernet 
of 2500m, with 4 repeaters is about 51.2 μs
– 2500m / 2 x 108 m/s = 12.5 us
– 2 x 12.5 = 25 us + repeater delays

• 51.2 μs on 10 Mbps corresponds to 512 bits 
(64 bytes)
• Therefore, the minimum frame length for 
Ethernet is 64 bytes (header +46 bytes data)9


Collision Detection
my­machine

your­machine

start 
transmission 
at time 0

start 
transmission 
at time T
almost there 
at time T


collision

my­machine notices collision before transmission ends at 2T
10


Retry After the Collision
• How long should a host wait to 
retry after a collision ?

– Binary exponential backoff
• maximum backoff doubles with 
each failure (exponential)
• after N failures, pick an N­bit 
number
• 2N discrete possibilities from 0 to 
maximum
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Retry After the Collision

• Delay and try again algorithm

– 1st time: 0 or 51.2us
– 2nd time: 0, 51.2, or 102.4us
– 3rd time51.2, 102.4, or 153.6us
– nth time: k x 51.2us, for randomly 
selected k=0..2n ­ 1
– Give up after several tries 

(usually 16)
12


Binary Exponential Backoff
choices after 
1 collision
0

Ts

choices after 
2 collisions
2Ts

3Ts
time

time of last 
collision

• Why used fixed time slots ?
• How long slots should be ?
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Binary Exponential Backoff
• Ts is 51.2 microseconds for IEEE 802.3
• Consider that k hosts collide
– each picks random number from 0 to 2( N­1)

– if minimum value is unique
• all other hosts see busy line
• remember that Ethernet RTT < 51.2 
microseconds
14


Binary Exponential Backoff
• Consider that k hosts collide
– if minimum value is not unique
• hosts in minimum value slot 
collide again
• following slot idle
• consider next smallest backoff 
value

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Ethernet Frame Reception
• Sender handles all access control
• Receiver simply pulls frames from 
network
• Ethernet controller/card
– sees all frames
– selectively passes frames to host 
processor

16



Ethernet Frame Reception
• Acceptable frames
– addressed to host, or;
– to multicast address to which host 
belongs or;
– to a broadcast address
– anything if in promiscuous mode 
(packet sniffing and tcpdump 
requirement)

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Ethernet Collision Detection
• Bus topology Ethernets
– Transceiver handles
• Carrier detection
• Collision detection
• Jamming after a collision
– Transceiver sees voltage sum
• Outgoing signal + Incoming signal
– Looks for voltages impossible for local alone
• Attenuation can prevent detection
• Limits segment length

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Ethernet Collision Detection

• Hub topology Ethernets
– Controller/card handles carrier detection
– Hub handles
• Collision detection
• Jamming after a collision
– Detect transmission activity on each line
– If more than 1 line (host) active
• Assert collision to all lines
• Continue until no lines active
– Attenuation is less critical

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Experience With Ethernet
• Number of hosts limited to 200 in 
practice, standard allows 1024
• Range much shorter than 2.5 km 
limit in standard
• Round­trip time is typically 5 or 10 
μs, not 50μs
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Experience With Ethernet
• Higher­level flow control (i.e., TCP) limits 
load
– 30% maximum load recommended
– Large packets recommended


• Star topologies easier to administer than Bus
– Failure isolation, node addition w/o complex 
topology

• (Backwards) Compatibility more important 
than elegance or raw performance (1 > 0)
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Token Ring

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Token Ring Overview
• Token Ring network “was” a candidate to replace 
Ethernet; used in some MAN backbones
– 16Mbps IEEE 802.5 (based on earlier 4Mbps IBM ring)
– 100Mbps Fiber Distributed Data Interface (FDDI)

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Token Ring Rationale
• Why emulate a shared medium with point­
to­point links?
• Why a shared medium?
– convenient broadcast capabilities
– switches are costly


• Why emulation?
– simpler MAC algorithm: only have 2 wires
– fairer access arbitration
– fully digital (802.3 collision detection requires 24
analog)


IBM Token Ring – IEEE 802.5
• Data flows in a particular 
direction
– a node receives frames from its 
upstream neighbor
– a node forwards frames to its 
downstream neighbor
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