Medium Access Control Protocols

Pendahuluan Dua tipe dasar Jaringan Switched Networks interkoneksi user dg transmission lines, multiplexer, switch memerlukan tabel routing addressing hierarkis Broadcast Networks (multiple access networks) single transmission lines digunakan bersama oleh komunitas user memerlukan medium access control protocol semua informasi diterima oleh semua user routing tidak perlu flat addressing mencukupi contoh Local Area Network (LAN)

Komunikasi Multiple Access Sejumlah user menggunakan bersama media transmisi  broadcast Jika dua/lebih station trasmit simultan  collision (tabrakan)  interferensi satu dengan lainnya

Kategori untuk Sharing Medium Transmisi Channelization sharing statis & collision-free partisi medium ke kanal-kanal terpisah cocok untuk trafik kontinyu Medium Acces Control (MAC) sharing dinamis cocok untuk trafik bursty fungsi utama MAC meminimumkan collision dua teknik dasar : random access dan scheduling

Kategori untuk Sharing Medium Transmisi

Contoh Komunikasi Satelit = fin = fout Satellite Channel

Contoh Saluran Multidrop Multidrop telephone lines Inbound line Outbound line

Contoh Jaringan Ring dan Bus Multitapped Bus Contention Ring networks Scheduled

Contoh Wireless LAN

Contoh Protokol MAC Sederhana Station senese kanal jika idle transmit Jika collision station yg duluan transmit akan retransmit stlh kanal idle (asumsi station mengetahui delay prop) Jika selesai transmit station harus diam selama 2tprop utk fairness A transmits at t = 0 Distance d meters tprop = d /  seconds A B B transmits before t = tprop and detects collision shortly thereafter A detects collision at t = 2 tprop

Delay-Bandwidth product & Kinerja MAC dimana a = tpropR/L Jika a << 1 sangat efisien, mis. a = 0,01  efisiensi = 0,98 Jika a makin besar  makin tidak efisien, mis. a = 0,5  efisiensi = 0,5

Typical Frame Transfer Delay vs Load E[T]/E[X] r rmax 1  = load = normalized throughput = actual throughput/possible max throughput

BW-Delay Product and Performance Transfer Delay Load E[T]/E[X] r rmax 1 rmax a a a > a

Random Medium Access Control Metoda Random Access dikenal juga sbg metoda Contention ALOHA Sloted ALOHA CSMA CSMA/CD

Random Access : Aloha Dikembangkan oleh Abramson, Univ of Hawaii Skim multiple access yang sederhana Paket dikirimkan jika tersedia Tunggu ACK Jika time out, backoff  retransmisi

Aloha Sender Station A: When IF, send it out; Start Tout timer for this IF; Wait for Tout (Time-out value) for ACK; If (ACK) Then clear timer; proceed to next transmission; Else backoff for a random number of Tout intervals; retransmit; If no ACK after repeated transmissions, give up Frame check sequence (as in HDLC) Receiver Station B: If (CRC(IF) OK && DA(IF) == address(B), send ACK; IF may be damaged by noise or by another station transmitting at the same time (collision) Any overlap of frames causes collision

Metoda Akses Aloha node 3 node 2 node 1 S: Success C: Collision t0-X t0+X t0+X+2tprop t0+X+2tpropB Time-out Retransmission if necessary First transmission Collision S: Success C: Collision I: Idle channel time 1 2 3 node 3 node 2 node 1 C S C C C S S E

Aloha : Analisa Throughput Penurunan formula performansi utk pure ALOHA – N stations Vulnerable period: Tvuln = perioda terpanjang dari 2 frame overlapping; Waktu transmisi: X = L/R, utk ukuran frame max; Time-out: Tout = t0+X+2Tprop Backoff period: B = jumlah waktu pengirim ‘backs off’ sebelum retransmisi; B = k Tout , dimana k adalah discrete random variable terdistribusi uniform dlm interval [0, N-1]. Transmission pertama Retransmisi t t0-X t0 t0+X t0+X+2Tprop t0+X+2TpropB Retransmission (if necessary) Time-out

Aloha : Analisa Throughput Asumsi paket mempunyai panjang konstan = L bit Bit rate kanal = R Waktu transmisi konstan = X = L/R S = arrival rate dari paket baru ke sistem (dalam unit paket/X detik)  S juga merepresentasikan throughput dari sistem G = total arrival rate (kedatangan baru + retransmisi)  total load Asumsi penyederhanaan (Abramson) : agregat arrival process mempunyai distribusi Poisson dengan jumlah kedatangan rata-rata = G kedatangan/X detik

Aloha : Analisa Throughput Throughput S = total arrival rate G dikalikan probabilitas transmisi sukses

Aloha : Analisa Throughput Delay rata-rata pada Aloha dapat diestimasi sbb: Jumlah rata-rata transmisi/paket G/S = e2G usaha per paket Jumlah usaha yang tidak sukses per paket  = G/S - 1 = e2G - 1 Tiap retransmisi memerlukan 2 tprop + X + B, dimana B adalah rata-rata waktu backoff Satu transmisi memerlukan X + tprop

Aloha : Analisa Throughput Waktu transmisi paket rata-rata : E[Taloha] = X + tprop + (e2G - 1)(X + 2tprop + B) Jika delay dinyatakan dalam X: E[Taloha]/X = 1 + a + (e2G - 1)(1 + 2a + B), a = tprop/X Jika waktu backoff didistribusikan secara uniform antara 1 dan K waktu transmisi paket, maka B = (K + 1)/2

Performansi Aloha & Slotted Aloha 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.01563 0.03125 0.0625 0.125 0.5 1 2 4 8 Ge-G Ge-2G G S 0.184 0.368

Slotted Aloha node 3 node 2 node 1 Kinerja Aloha dapat ditingkatkan dengan mengurangi kemungkinan collision Slotted Aloha membatasi station hanya bisa transmit pada awal slot yang tertentu Paket dianggap konstan dan menduduki satu slot Vulnerable period menjadi = X detik 1 2 3 node 3 node 2 node 1 C S S C I S S S I S: Success C: Collision I: Idle channel slots

Slotted Aloha t t0+X+2tpropB (k+1)X kX t0 +X+2tprop Time-out Backoff Vulnerable period Time-out Backoff Retransmission if necessary t0+X+2tpropB

Slotted Aloha Delay rata-rata dalam slotted Aloha: E[Taloha]/X = 1 + a + (eG - 1)(1 + a + B/X)

Carrier Sensing Multiple Access (CSMA) Mencegah transmisi jika yakin akan menyebabkan collision  dengan sensing medium Pengirim memerlukan waktu tprop utk capture channel, Vulnerable period = satu delay propagasi A Station A begins transmission at t=0 Station A captures channel at t=Tprop B

CSMA Collisions Collisions dp terjadi: Collision: Note: spatial layout dari nodes pd ethernet Collisions dp terjadi: delay propagasi berarti dua nodes tdk ‘mendengar’ transmisi satu dg lainnya Collision: keseluruhan waktu transmisi paket terbuang percuma Note: peranan jarak dan delay propagasi dlm menentukan prob. collision

1-Persistent CSMA Station yang punya paket untuk transmit deteksi kanal Jika kanal sibuk  deteksi kanal secara kontinyu, tunggu sampai kanal menjadi idle Begitu kanal terdeteksi idle  transmit paket Jika lebih dari satu station menunggu  collision Station-station yang mempunyai paket yang tiba dalam tprop dari transmisi sebelumnya mempunyai kemungkinan collision Station yang terlibat collision menjalankan algoritma backoff utk scheduling waktu resensing berikutnya 1-Persisten CSMA  berusaha akses medium sesegera mungkin  “greedy”  rate collision tinggi

Non-Persistent CSMA Berusaha mengurangi collision Station yg punya paket utk transmit mendeteksi kanal Jika kanal sibuk, segera backoff dan reschedule waktu resensing jika kanal idle, station transmit Dengan segera melakukan rescheduling resensing jika sibuk dan tidak ngotot (persisting)  insiden collision dikurangi dibandingkan dengan 1-persistent Rescheduling menyebabkan delay > daripada 1-persistent

p-Persistent CSMA Mengkombinasikan dua skim sebelumnya (1-persisten CSMA dan Non-persistent CSMA) Station yang punya paket untuk transmit mendeteksi kanal, jika kanal sibuk terus deteksi sampai kanal idle Jika kanal idle : dengan probabilitas p, station transmit paket dengan probabilitas 1-p station menunggu sebesar tprop sebelum sensing kanal kembali Teknik ini menyebarkan usaha transmisi oleh station-station yang telah menunggu untuk transmisi  meningkatkan kemungkinan station menunggu akan sukses menduduki medium

Throughput Non-Persistent CSMA 1 Non-Persistent CSMA 0.81 0.51 0.14 S 0.01 0.1

Throughput 1-Persistent CSMA 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.02 0.03 0.06 0.13 0.25 1 2 4 8 16 32 64 0.53 0.45 0.16 S G 0.01

Carrier Sensing Multiple Access with Collision detection (CSMA-CD) Jika station dp mengetahui apakah collision terjadi, maka bandwith yang terbuang dpt dikurangi dengan menghentikan transmisi

Carrier Sensing Multiple Access with Collision detection (CSMA-CD)

Carrier Sensing Multiple Access with Collision detection (CSMA-CD) Station yang mempunyai paket mendeteksi kanal dan transmit jika kanal idle Jika kanal sibuk, gunakan strategi dari CSMA (persist, backoff segera atau persist dengan prob. p) Jika collision terdeteksi saat transmisi, sinyal short jamming ditransmisikan untuk meyakinkan semua station mengetahui terjadi collision sebelum menghentikan transmisi, selanjutnya algoritma backoff digunakan untuk rescheduling waktu resensing

Carrier Sensing Multiple Access with Collision detection (CSMA-CD) Kanal mempunyai 3 kondisi (state): sibuk mentransmisikan frame idle perioda contention (dimana station berusaha menduduki kanal) Throughput 1-Persistent CSMA-CD dapat dianalisa dg asumsi waktu dibagi dalam minislot sebesar 2tprop det (untuk menjamin station selalu dapat mendeteksi collision) Setiap kanal menjadi idle, station memperebutkan (contend) kanal dengan transmit dan mendengar untuk mengetahui apakah sukses menduduki kanal

Carrier Sensing Multiple Access with Collision detection (CSMA-CD) Contention interval akan memerlukan 2 tprop det. Kalkulasi waktu rata-rata yang diperlukan station untuk menduduki kanal secara sukses: Mis. n station memperebutkan kanal dan misalkan tiap station transmit dlm contention mini slot dg prob. p prob. Transmisi sukses: Psukses = np(1 - p)n-1 Maksimum throughput yang dapat dicapai  gunakan p yang memaksimumkan Psukses  p = 1/n

Carrier Sensing Multiple Access with Collision detection (CSMA-CD) Frame Contention 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 2 4 6 8 10 12 14 16 n Pmax Probability of 1 successful transmission: Psuccess = n p ( 1-p )n-1 Psuccess is maximized at p = 1/n: Psuccess = n ( 1-1/n )n-1 Psuccess = lim n  Psuccess  1/e max

Carrier Sensing Multiple Access with Collision detection (CSMA-CD) Jumlah minislot rata-rata yang diperlukan sampai station sukses menduduki kanal dikalkulasi sbb:

Carrier Sensing Multiple Access with Collision detection (CSMA-CD) Throughput maksimum pada CSMA-CD:

Throughput Maksimum Random Access 0.1 Aloha Slotted Aloha 1-P CSMA Non-P CSMA CSMA/CD a max Figure 6.24 1

Frame Transfer delay untuk Ethernet

In Class Excersise A transmit pada tA = 0 B transmit pada tB = T/2 C transmit pada tC = 3T/2 Perlihatkan aktivitas (sumbu horizontal waktu) untuk: Aloha Non-Persistent CSMA Non-Persistent CSMA-CD C A