• Wydajny podział zasobów

  • jak komputery współdzielą sieć, gdy chcą jednocześnie wymieniać komunikaty?
  • multipleksacja (multiplexing)- współdzielenie zasobu systemowego przez wielu użytkowników
  • rozważmy prostą sieć jak na rysunku
    • załóżmy, że komputer na górze (lewa strona) porozumiewa sie z komputerem na górze (prawa strona),itd.
  • w powyższej sytuacji trzy przepływy danych są poddane multipleksacji na jednym łączu fizycznym przez komutator1 a następnie poddane demultipleksji przez komutator2
  • istnieje kilka metod multipleksacji przepływów na jednym łączu fizycznym

rys. multipleksacja wielu logicznych przepływów na jednym łaczu fizycznym

1. w sieciach telefonicznych stosowana jest synchroniczna multipleksacja z podziałem czasu (synchronous-time division multiplexing- STDM)
   • ideą STDM jest podział czasu na kwanty o jednakowym rozmiarze i danie szansy każdemu przepływowi na przesłanie danych przez łącza w trybie karuzelowym (round-robin);
2. multipleksacja z podziałem czestotliwosci (frequency-division multiplexing- FDM)
   • nadawanie każdego przepływu na łączu fizycznym z różną częstotliwością (np. w telewizji kablowej)
   • istotne wady STDM i FDM
   • jeżeli jeden z przepływów nie ma już danych, to współdzielone łącze fizyczne (kwant czasu, częstotliwość) pozostaje niewykorzystane
3. dlatego stosuje sie multipleksację statystyczną(statistical multiplexing)
   • podobnnie jak w STDM łącze fizyczne jest współdzielone w czasie
   • dane z pierwszego przepływu są przesyłane przez łącze, potem dane z drugiego...
   • inaczej jednak niż w STDM, dane z każdego przepływu są przesyłane na żądanie, a nie we wcześniej określonej szczelinie czasowej
   • jeżeli np. tylko jeden przepływ ma dane do przesłania, to zaczyna je przesyłać bez czekania na swój kwant
   • nie ma mechanizmu gwarantującego, że wszystkie przepływy otrzymają szanse przesłania komunikatów
   • aby zwiekszyć taką szanse ogranicza sie transmisję konkretnego przepływu definiując górną granice rozmiaru bloku danych
   
   

rys.komutator dokonujący multipleksacji pakietów od wielu nadawców w jedno współdzielone łącze

• ten ograniczony blok danych nazywany jest pakietem ; komunikat aplikacji musi być podzielony na pakiety nadawane oddzielnie
• komputer odbiorczy ponownie połączy je w jeden komunikat
  • jak sprawiedliwie przydzielać pojemność łącza różnym przepływom? To może być mechanizm karuzelowy, a jescze lepiej wg. algorytmu FIFO (first-in-first-out) - pierwszy przyszedł-pierwszy poszedł
  • konieczność buforowania pakietów ; możliwość ich utraty w sytuacji przeciążenia (congestion) sieci

• Funkcjonalność

  • celem sieci komputerowej jest nie tylko dostawa pakietów, ale przede wszystkim dostarczanie środków komunikacji między procesami aplikacji rozproszonych na komputerach
  • aby dwa programy aplikacyjne mogły sie porozumiewać, musi zaistnieć wiele skomplikowanych zdarzeń, wykraczających poza proste nadanie komunikatów
  • zdarzenia te odpowiadają określonym funkcjom, które musi zrealizować projektant sieci
  • szereg aplikacji wymaga tych samych usług; jak więc wydzielić ten właściwy zbiór usług?

rys.procesy porozumiewające się przez abstrakcyjny kanał

• intuicyjnie możemy patrzeć na sieć jak na dostawcę kanałów logicznych, przez które procesy z poziomu aplikacji mogą sie porozumiewać
• każdy kanał dostarcza zbiory usług wymaganych prez aplikację
• wyzwanie projektanta: jakie funkcje kanał powinien dostarczać progrmowi aplikacyjnemu
  • czy można tolerować zagubienie niektórych komunikatów?
  • czy komunikaty muszą docierać w tej samej kolejności?
  • czy musi być zapewniona prywatność przesyłanych komunikatów?

Identyfikacja wspólnych wzorców komunikacji

• rozpatrzmy typowe aplikacje sieciowe, z punktu widzenia wymagań związanych z projektowaniem abstrakcyjnych kanałów

1. FTP-jedna z najwcześniejszych aplikacji
   • można tu wyróżnić składnik komunikacyjnego zdalnego dostępu do plikuu: para procesów, z których jeden żąda odczytu pliku albo zapisu do pliku (klient),a drugi to notuje(serwer)
   • czytanie z pliku pociąga za sobą nadanie przez klienta małego komunikatu do serwera i nadanie przez przez serwer dużego komunikatu zawierejącego dane z pliku
   • zapis działa również w odwrotny sposób:klient nadaje duży komunikat (dane do zapisu w serwerze), a serwer odpowiada małym komunikatem potwierdzjącym zapis na dysku
2. .najnowsza klasa aplikacji: program biblioteki cyfrowej (digital library)
   • wyszukiwany jest w bibliotece cyfrowej określony rodzaj danych: niewielki plik tekstowy, duży obraz cyfrowy, obiekt multimedialny
   • wzorzec komunikacji jest jednak podany w 1
3. .następna klasa aplikacji: odtwarzanie zapisu wideo przez sieć w aplikacji wideo na żądanie
   • potencjalna opcja: cały plik wideo jest pobierany z komputera zdalnego za pomocą aplikacji dostępu do pliku, a następnie odtworzony na komputerze lokalnym; konieczność otrzymania całego pliku przed rozpoczęciem odtwarzania (opóżnienie!)
   • inna opcja: nadawca i odbiorca są odpowiednio żródłem i ujściem ramek wideo, przesyłanych jako komunikaty i po odbiorze wyświetlonych
   • generalnie w tej aplikacji nie ma żadnych poważnych ograniczeń czasowych(np. opóżnienie 10s jest satysfakcjonujące)
   • ramki przesyłane są w jednym tylko kierunku
     • wideo samo w sobie nie jest aplikacją- to raczej typ danych wykorzystywanych jako część aplikacji wideo na żądanie, albo w aplikacji telekonferencyjnej takiej jak NV
4. .aplikacja telekonferencyjna typu NV (wideo na żywo)
   • ta aplikacja ma ścisłe ograniczenia czasowe :interakcja między użytkownikami musi zachodzić we właściwym czasie
   • gdy np. osoba wykonuje po jednej stronie jakiś gest, to odpowiadający obraz wideo musi być wyświetlony po drugiej stronie jak najszybciej; opóżnienie czyni taki system bezużyteczny
   • w wideo na żywo, ramki przepłwają zwykle w obu kierunkach

Podsumowanie

• na podstawie tych reprezentatywnych aplikacji można mówić o potzrebie dwóch typów kanałów: żądanie/odpowiedż oraz strumień komunikatów
• kanał typu żądanie/odpowiedż (przesyłanie plików, cyfrowa biblioteka)
  • będzie gwarantował, że każdy komunikat nadany przez jedną strone zostanie odebrany przez drugą stronę i będzie to tylko jedna kopia komunikatu
  • być może będzie również chronił prywtność i spójność danych
• kanał typu strumień komunikatów (wideo na żadanie, telekonferencje)
  • musi być sparametryzowany w celu obsługi ruchu jednokierunkowego albo dwukierunkowego oraz w celu wspomagania opóżnień różnych wielkości
  • nie musi gwarantować dostarczenia wszystkich komunikatów
  • ramki muszą docierać w tej samej kolejnosci, w której zostały nadane
  • kanał może wymagać wspomagania rozgłaszania grupowego
• projektanci dążą do najmniejszej liczby typów kanałów abstrakcyjnych zdolnych obsłużyć największą liczbę aplikacji

Niezawodność

• niezawodna dostawa komunikatów jest jedną z najważniejszych funkcji, jakie sieć powinna zapewnić
• sieć komputerowa nie działa jednak w doskonałym świecie
• istnieją trzy klasy uszkodzeń:
  1. błedy bitów (bit errors) mogą się pojawić gdy pakiet jest przesyłany przez łącze fizyczne (1 - 0 lub (0 - 1)
     • częściej niż uszkodzenia pojedyńczych bitów następuje błąd seryjny (burst error) uszkodzenie kilku kolejnych bitów
     • powody:uderzenie pioruna, skoki napięcia
     • błędy bitów są żądkie: jeden bit z 10⁸ lub 10⁷ w kablu miedzianym,lub jeden z 10¹² lub 10¹⁴ bitów w światłowodzie
     • istnieją techniki wykrywania i poprawiania błędów; w poważnych wypadkach pakiet trzeba przesłać powtórnie
  2. utrata całego pakietu
     • np. w przypadku nienaprawialnego błędu pakiet musi być odrzucony
     • lub z powodu oprogramowania(np. w komutatorze przekazującym pakiet z jednego łącza do drugiego)
     • z powodu przeciążenia sieci- brak miejsca w buforze na zapamiętanie pakietów (problem: czy pakiet został stracony czy tylko jest opóżniony)
  3. uzkoszenie na poziomie węzła i łącza
     • przecięcie łącza lub awaria komputera przyłączonego do danego łącza
     • uszkodzenia mogą być naprawione, ale mają radykalny wpływ na sieć w dłuższym okresie czasu
     • możliwe jest np. obejście uszkodzonego węzła w sieci z komutacją pakietów
     • problemy: rozróżnienie czy komputer jest uszkodzony czy tylko działa wolniej;czy łącze jest całkowicie przecięte czy tylko poważnie uszkodzone.

  Efektywność

  • sieć jest wykorzystywana do wymiany danych przez prowadzone na wielu komputerach obliczenia rozproszone
  • skuteczność tych obliczeń często zależy bezpośrednio od wydajności, z jaką sieć dostarcza dane

  Szerokość pasma i opóżnienie

  • efektywność sieci mierzymy na podstawie dwóch wielkości
    • pasma (bandwith) zwanego również przepustowością (throughput), oraz
    • opóżnienia (latency, delay)
  
  
  1. szerokość pasma sieci
     • określa się przez liczbę bitów, które mogą być przesłane przez sieć w pewnym czasie (łącza cyfrowe)
     • np. przepustowość 10 milionów bitów na sekundę (Mb/s) oznacza, że jest ona zdolna dostarczyć 10 milionów bitów w ciągu każdej sekundy
     • niekiedy wygodniej wyobrażać sobie szerokość pasma za pomocą ilości czasu potrzebnego do przesłania każdego bitu danych
     • dla sieci o szerokośći pasma 10 Mb/s czas ten wynosi 0.1 mikrosekundy
     • w przypadku kanału analowego (np. głosowe łącze telefoniczne) łącze wspomaga sygnały w zakresie od 300 do 3300 Hz, a szerokosc pasma wynosi 3300Hz - 300 Hz = 3000Hz

• w przypadku pojedyńczego łącza fizyczngo szerokość pasma to liczba bitów przesyłanych w 1 sekundzie
• o pojedyńczym bicie możemy myśleć jako o impulsie pewnej szerokości
• im technika nadawania i odbioru jest lepsza, tym każdy bit może być węższy,a szerokość pasma większa


• opóżnienie
  • jest to czas w którym pojedyńczy bit przemieszcza sie z jednego końca sieci na drugi może mieć czas oczekiwania równy 24 mikrosekundy (4800 km szerokości USA)
  • w wielu sytuacjach ważniejsza jest wiedza o czasie przesłania bitu z jednego końca na drugi i z powrotem; takie opóżnienie to czas podróży w obie strony (round-trip-time, RTT )
  • całkowite opóżnienie w łączu można zdefiniować: opóżnienie = opóżnienie propagacji + czas transmisji + czas kolejkowania
    opóżnienie propagacji = odległość / prękość światła
    • prędkość światła w
      • próżni: 3.0*10⁸ m/s
      • kablu miedzianym: 2.3*10⁸ m/s
      • Swiatłowodzie: 2.0*10⁸ m/s
        
  • czas transmisji = rozmiar / szerokość pasma
    • odległość - długość kabla
    • prędkość światła - efektywna prędkość światła w tym kablu
    • rozmiar - rozmiar pakietu
  • szerokość pasma sieci będzie się stale poprawiać, opóżnienie programu jest jednak ograniczone przez prędkość światła
  • kombinacja szerokości pasma i opóżnienia definiuje charakterystykę efektywności danego łącza; ich znaczenie zależy jednak od aplikacji
  • dla pewnych zastosowań opóżninie dominuje nad szerokością pasma, np. klient nadający jednobajtowy komunikat do serwera i odbierający jednobajtowy komunikat jest ograniczony opóżnieniem
  • załóżmy, że dla jakiejś aplikacji do przygotowania odpowiedzi nie są wymagane żadne poważne obliczenia
    • aplikacja korzystająca z kanału przechodzącego przez całe USA, z czasem RTT równym 100 ms , zachowa się odmiennie od aplikacji korzystającej z kanału przechodzącego przez jeden pokój z RTT = 1ms
    • czy kanał ma szerokość pasma 1Mb/s czy 100 Mb/s jest w tym przypadku mało istotne (czasy transmisji odpowiednio 8 i 0,08 mikrosekund ; )
  • rozważmy dla porównania program biblioteki cyfrowej, który odbiera żądanie przysłania obrazu o rozmiarze 25MB (megabajtów)
    • szerokość pasma kanału ma tu dominujący wpływ
    • np. jeżeli kanał ma szerokość pasma 10Mb/s to przesłanie obrazu zajmie 20 sekund , co powoduje, że jest nieistotne czy opóżnienie propagacji kanału wynosi 1ms czy 100ms; będzie to odpowiadało czasom odpowiedzi 20.001s lub 20.1s

• rysunek pokazuje (skala logarytmiczna) jak opóźnienie lub szerokość pasma może wpływać (zdominować) efektywność w rożnych okolicznościach
  • obiekt jednobajtowy (naciśnięcie klawisza)
  • obiekt o rozmiarze 2 kB (e-mail)
  • obiekt o rozmiarze 1 MB (obraz cyfrowy)

• Iloczyn opóźnienie * szerokość pasma

  • o kanale między parą procesów możemy myśleć jako o pustej rurze, gdzie opóźnienie odpowiada długości rury, a szerokość pasma odpowiada średnicy rury.
  • iloczyn opóźnienie * szerokość pasma czyli objętość rury - określa liczbę bitów, którą może ona pomieścić
  • np. transkontynentalny kanał z opóźnieniem w jednym kierunku równym 50 ms i szerokością pasma równa 45 Mb/s jest zdolny pomieścić
    50 * 10^-3s * 45 * 10⁶ bitów/s = 2.25 * 10⁶ bitów czyli około 280 kB danych
  • znajomość tego iloczynu jest ważna podczas konstruowania sieci o wysokiej efektywności
    • określa on liczbę bitów, które nadajnik musi wysłać, zanim pierwszy bit dotrze do odbiornika
    • jezeli nadajnik oczekuje na jakikolwiek sygnał od odbiornika, że bity zaczęły napływać, a kolejne opóźnienie zajmuje propagacja sygnału z powrotem do nadajnika (myślimy o RTT), wtedy nadajnik może wysłać dane aż do podwojonej wartości tego iloczynu, zanim usłyszy od odbiornika, że wszystko jest w porządku
  • w większości przypadków interesujemy się czasem podróży w obie strony (RTT), który odnosimy do iloczynu opóźnienie * szerokość pasma , bez wyraźnego określenia, czy iloczyn jest mnożony przez dwa ( czy to opźnienie w jedna czy w dwie strony - będzie wynikało z kontekstu)