Piggybacking e protocolli di accesso multiplo

Go-Back-N e Selective Repeat a confronto

Nel Go-Back-N la finestra di ricezione è di una sola trama: il ricevitore accetta la trama attesa e scarta le altre, anche se corrette, perché fuori sequenza. Se una trama si perde, la finestra del trasmettitore non scorre. Allo scadere del timer il trasmettitore ritrasmette la trama mancante e tutte le successive non riscontrate.

Nel Selective Repeat la finestra di ricezione è più ampia: le trame corrette fuori sequenza restano in un buffer. Allo scadere del timer si ritrasmette solo la trama mancante e, quando arriva, le finestre di trasmissione e di ricezione saltano in avanti.

Piggybacking

Se A e B si scambiano dati, ciascuno è insieme trasmettitore e ricevitore. B non manda i riscontri in trame a parte: li inserisce nelle trame di dati che deve comunque spedire ad A. È il piggybacking. Un riscontro non parte quando serve, ma con la prima trama di B in partenza.

Ogni trama ha due campi:

• SN, il numero di sequenza della trama stessa;
• RN, il numero della prossima trama che chi spedisce si aspetta dall'altro, cioè $R_{\text{next}}$. Riscontra anche tutte le trame precedenti.

Nelle trame di A questi campi sono $S^A_{\text{recent}}$ e $R^A_{\text{next}}$, in quelle di B sono $S^B_{\text{recent}}$ e $R^B_{\text{next}}$. Ogni entità ha la propria finestra di emissione, da $S_{\text{last}}$ a $S_{\text{last}}+W_s-1$, e la propria finestra di ricezione.

Esercizio: Go-Back-N con piggybacking

A e B usano il Go-Back-N da A verso B. B trasmette di continuo trame proprie ad A e vi inserisce i riscontri. La finestra di emissione di A è $W^A_s=4$, quella di ricezione di B è di una trama. Gli errori colpiscono solo le trame da A verso B. Bisogna scrivere gli SN nelle trame di A, gli RN in quelle di B, i limiti della finestra di A in certi istanti e l'operazione che B svolge negli istanti segnati.

Con la trama 2 persa si ragiona così.

• B scrive l'RN quando compone la trama, con ciò che ha ricevuto fino a quel momento. La sua prima trama parte prima che arrivi qualcosa da A, quindi chiede la prima trama della sequenza, la 1.
• Finché la trama attesa non arriva corretta, B ripete lo stesso RN. Con la 2 persa le trame 3, 4 e 5 sono fuori sequenza: B le scarta e continua a scrivere $\mathrm{RN}=2$.
• Allo scadere del timer A ritrasmette dalla più vecchia non riscontrata: 2, 3, 4, 5. Quando la 2 arriva corretta B porta l'RN a 3, quando arriva la 3 lo porta a 4.
• Il limite inferiore della finestra di A è l'ultimo RN ricevuto, quello superiore è $\mathrm{RN}+3$. Con $\mathrm{RN}=2$ la finestra è 2–5 e non scorre. Con $\mathrm{RN}=3$ diventa 3–6, e così via.

I riscontri cumulativi rendono innocui quelli persi: se se ne perdono 99 e arriva il centesimo, questo conferma anche i 99 precedenti e la trasmissione prosegue in ordine, senza ripartire da capo.

Collegamenti condivisi e protocolli MAC

I protocolli MAC (Medium Access Control) sono protocolli dello strato di collegamento. Servono quando l'accesso al collegamento è distribuito: chi trasmette sta in posti distanti e più di due sistemi usano il collegamento insieme. Ne sono esempi più computer collegati a un cavo comune, come nelle reti locali (LAN) cablate a bus, oggi poco usate, una rete Wi-Fi e più stazioni su un collegamento via satellite. Due trasmissioni sovrapposte si disturbano: è una collisione.

Se il collegamento ha bit rate $R$ e vi accedono $N$ utenti, il caso ideale è la suddivisione equa: ogni utente ha a disposizione la banda

$$\frac RN$$

Su un collegamento distribuito la si ottiene con un protocollo di accesso multiplo. Le famiglie sono tre:

• suddivisione del canale (statica): si stabilisce in anticipo come ripartire il canale, per esempio in slot di tempo o in bande di frequenza;
• accesso controllato (dinamico): gli utenti si coordinano in anticipo, ma possono ottenere tempi di trasmissione diversi;
• accesso casuale (dinamico): nessun coordinamento preventivo.

Suddivisione del canale: TDMA e FDMA

Nel TDMA (Time Division Multiple Access) il canale si divide in intervalli di tempo, gli slot, raccolti in trame. Ogni utente trasmette negli slot che gli sono assegnati e gli slot non usati restano inattivi.

Il TDM ha lo stesso schema di slot, ma un nodo centrale raccoglie le comunicazioni e le dispone negli slot. Nel TDMA invece è il terminale a mettersi nel proprio slot. Deve quindi conoscerlo, e restare sincronizzato con la scansione temporale: se sbaglia slot disturba un altro utente.

Nel FDMA (Frequency Division Multiple Access) gli utenti trasmettono su bande di frequenza diverse, e il terminale si sintonizza sulla sua. Dispositivi sulla stessa banda, per esempio a 5 GHz nel Wi-Fi, la condividono comunque.

TDMA e FDMA

TDMA

trama$t$

• slot inattivo
• slot 1
• slot 3
• slot 4

FDMA

$t$$f$

• banda inattiva
• banda 1
• banda 3
• banda 4

Tempo e frequenza si possono combinare: il canale diventa una matrice di slot e bande e a una comunicazione si assegna un insieme di caselle. I sistemi cellulari di quarta e quinta generazione usano questa combinazione, perché dà più flessibilità.

Tempo e frequenza insieme

$t$$f$

• canale
• utente A
• utente B
• utente C

In una rete cellulare l'assegnazione cambia da una comunicazione all'altra, ma durante la singola comunicazione resta fissa: per questo la suddivisione è statica. Con $N$ utenti, nel TDMA e nel FDMA ciascuno ha $R/N$.

Accesso controllato: il token passing

Nel token passing trasmette solo chi possiede il token, un pacchetto che passa da un utente al successivo. Il coordinamento è preventivo, perché senza token non si trasmette, e non ci sono collisioni. È dinamico, perché ciascuno tiene il token quanto gli serve: chi non ha niente da inviare lo passa subito, chi ha molto da dire lo trattiene più a lungo.

La banda di un utente non è quindi $R/N$. Dipende dal tempo in cui tiene il token, e un utente che non trasmette non ne ottiene.

Token passing su una rete ad anello

ABCDEFtoken

Accesso casuale: il Wi-Fi

Nell'accesso casuale gli utenti trasmettono senza coordinarsi. Se due trasmettono insieme collidono, e la mancanza di coordinamento non esclude le collisioni: esistono protocolli nati proprio per gestirle.

La rete cellulare usa di solito protocolli statici, perché le collisioni disturberebbero le comunicazioni. Il Wi-Fi usa l'accesso casuale: con molti utenti sulla stessa banda le collisioni aumentano e la rete rallenta.