Reti di Calcolatori
a.a. 2005/06
Lezione 9
Reti di Calcolatori
Andrea Frosini
1
Nel modello di riferimento:
Application
Transport
Network
Data Link
Fisico
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2
Protocolli bi-direzionali
Nei protocolli di livello Data Link uni-direzionali i frame dati viaggiano sempre nella
stessa direzione ed i frame ack nell’altra
Una comunicazione bi-direzionale si può realizzare con due canali di comunicazione
(almeno half-duplex) ciascuno utilizzante un protocollo uni-direzionale
In questo caso la banda passante di un canale è sotto-utilizzata se i frame dati
viaggiano prevalentemente in una sola direzione
I protocolli bi-direzionali consentono di far viaggiare frame dati e frame ack sullo
stesso canale di comunicazione full-duplex in entrambe le direzioni
Per distinguere i due tipi di frame si utilizza il campo kind posto nella testata del frame
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3
Piggybacking I
Il piggybacking (letter. portare sulle spalle) è una tecnica che minimizza
l’overhead dovuto alla trasmissione delle informazioni di acknowledgement
Funziona solo con protocolli bi-direzionali
Una entità di livello Data Link A invia un frame dati ad una entità di pari livello B
L’entità B che riceve il frame dati non invia subito un frame ack al mittente A. Al
contrario, l’acknowledgement è trasmesso codificando l’informazione nel campo
ack del successivo frame dati che B dovrà spedire a A
Si evita così l’overhead della costruzione del frame ack, del calcolo del
checksum, e della sua trasmissione (quindi si realizza un miglior uso della banda
del canale)
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4
Piggybacking II
Non è possibile che B attenda ad oltranza un frame dati a cui affidare
l’acknowledgement
Se l’attesa fosse troppo lunga, il frame ack non potrebbe arrivare al mittente A prima
della scadenza del timer, e quindi A rispedirebbe inutilmente il frame dati
L’attesa di B per un frame dati a cui affidare il trasporto dell’acknowledgement deve
essere regolata da un timer
Scaduto il termine (pochi millisecondi), B deve inviare un normale frame ack
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5
Protocolli sliding window (a finestra scorrevole)
I protocolli sliding window sono una classe di protocolli per il livello Data Link
• sono bi-direzionali
• possono utilizzare il piggybacking
• sono più efficienti dei protocolli PAR
L’assunzione di base di questi protocolli è che il canale di comunicazione (livello
Fisico) sia wire-like: due frame senza errori saranno ricevuti nello stesso ordine in cui
sono stati trasmessi
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6
Protocolli sliding window – Numeri di sequenza
In generale, nei protocolli sliding window non è necessario attendere
l’acknowledgement di un frame dati prima di inviare il successivo
Di conseguenza, sono necessari più di due numeri di sequenza
In generale, assumiamo che il campo seq del frame sia costituito da n bit, e che
dunque il numero di sequenza vari tra 0 e 2n – 1
Ad ogni istante sia chi trasmette che chi riceve mantiene una “finestra” (intervallo) di
numeri di sequenza ammessi
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7
Protocolli sliding window – Finestra di trasmissione
In ogni protocollo sliding window, al trasmittente è consentito inviare solo frame dati
aventi un numero di sequenza compreso nella finestra di trasmissione (od anche
finestra di invio)
La dimensione della finestra di trasmissione può variare, così come la sua posizione
all’interno dell’insieme di numeri di sequenza. Ad esempio, se n=3 abbiamo 23 = 8
numeri di sequenza
0 1
7
6
2
3
finestra di
dimensione 3
5 4
Nota Bene: se la finestra di trasmissione è vuota (ha dimensione zero), è sempre
possibile estendere la sua dimensione ed inviare un frame!
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8
Protocolli sliding window – Finestra di ricezione
In ogni protocollo sliding window, al ricevente è consentito accettare solo frame dati
aventi un numero di sequenza compreso in un determinato intervallo chiamato
finestra di ricezione. La posizione all’interno dell’insieme di numeri di sequenza della
finestra di ricezione può variare; in genere (ma non sempre) la dimensione è fissata
0 1
7
2
6
3
finestra di
dimensione 4
del ricevente
5 4
La finestra di ricezione di una certa entità non è in alcun modo legata alla finestra di
trasmissione della stessa entità. In generale, nel protocollo sliding window, la finestra
di trasmissione del trasmittente e quella di ricezione del ricevente non sono identiche
(possono essere in posizioni differenti nella sequenza di numeri, possono avere
dimensioni differenti, eccetera)
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9
Protocolli sliding window – Trasmissione I
I numeri di sequenza all’interno della finestra di trasmissione rappresentano frame
dati inviati, ma non ancora confermati
Quando il livello Network fornisce un nuovo pacchetto da inviare, l’entità del livello
Data Link:
1. controlla che la finestra di trasmissione non abbia già raggiunto la dimensione
massima
2. assegna al nuovo frame dati il più vicino numero di sequenza alla destra della
finestra di trasmissione
3. trasmette il frame dati
4. allarga la finestra di trasmissione per includere il nuovo numero di sequenza
(ovviamente non dovrà essere possibile allargare la finestra fino a comprendere tutti
i 2n numeri)
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10
Protocolli sliding window – Trasmissione II
Tutti i frame dati il cui numero di sequenza è all’interno della finestra di trasmissione
devono essere conservati in memoria
Infatti, la mancanza di conferma della loro ricezione implica la possibilità che essi
debbano essere ritrasmessi
Quando si riceve un acknowledgement per il numero di sequenza più a sinistra della
finestra di trasmissione:
1. la finestra viene accorciata escludendo tale numero
2. il buffer contenente il frame dati viene liberato
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11
Protocolli sliding window – Ricezione
I numeri di sequenza all’interno della finestra di ricezione rappresentano i frame dati
che l’entità Data Link può accettare. La finestra di ricezione generalmente conserva
sempre la stessa dimensione
Quando l’entità Data Link riceve un frame dati:
1. Se il suo numero di sequenza è al di fuori della finestra di ricezione, il frame dati
viene scartato
2. Se il suo numero di sequenza è uguale al numero più a sinistra nella finestra, il
pacchetto viene trasmesso al livello Network e la finestra di ricezione viene spostata
verso destra e viene inviato l’ack corrispondente
3. Se il suo numero di sequenza è dentro la finestra di ricezione, ma non è il numero
più a sinistra, il frame viene salvato in un buffer e NON viene inviato l’ack
corrispondente (si ricordi l’assunzione che il canale è supposto wire-like, quindi il
pacchetto più a sinistra è necessariamente andato perduto)
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12
Protocolli sliding window – Esempio
Trasmissione
0 1
7
6
Ricezione
0 1
2
3
7
6
0 1
2
3
7
6
0 1
2
3
7
6
2
3
5 4
5 4
5 4
5 4
Inizialmente
Invio seq = 1
Ricez. seq = 1
Ricez. ack = 1
0 1
0 1
0 1
0 1
7
6
2
3
5 4
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7
6
2
3
5 4
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7
6
2
3
5 4
7
6
2
3
5 4
13
Protocollo one bit sliding windows I
E’ un protocollo stop-and-wait
La dimensione massima della finestra di trasmissione è 1
La dimensione della finestra di ricezione è fissata a 1
Simile al protocollo PAR, ma è bi-direzionale e usa il piggybacking
I numeri di sequenza sono solo 0 e 1
In trasmissione si controlla il campo ack di ciascun frame ricevuto: contiene il numero
dell’ultimo frame passato al livello Network dall’altra entità:
• Se coincide con quello nella finestra di trasmissione, la finestra si svuota ed un
nuovo pacchetto del livello Network può essere accettato
• Se il numero non coincide, il frame nella finestra di trasmissione viene ritrasmesso
• Se scade il timer fatto partire all’invio di un frame si ha ritrasmissione
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14
Protocollo one bit sliding windows II
In ricezione si accettano solo i frame il cui campo seq ha il valore incluso nella
finestra di ricezione:
• Si pone nel campo ack del prossimo frame uscente il numero di sequenza del frame
accettato
• Si fa avanzare la finestra di ricezione (si inverte il valore del numero di sequenza)
Anche quando il frame non è accettato, si continua ad impostare il campo ack dei
successivi frame uscenti con il numero dell’ultimo frame accettato
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15
Protocollo One Bit Sliding Window – Esempio I
host1
Network
host1
host2
(0,1,A0)
(0,1,A0)
(0,0,B0)
(0,0,B0)
(1,0,A1)
(1,0,A1)
(1,1,B1)
(1,1,B1)
Network
host2
(0,1,A2)
(0,1,A2)
Leggi:
(seq, ack, packet number)
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16
Protocollo One Bit Sliding Window – Anomalia
Una strana anomalia accade quando host1 e host2 trasmettono i propri pacchetti
simultaneamente, come mostrato nel lucido seguente:
• sia host1 che host2 ricevono due volte tutti i pacchetti inviati
• nella rete non ci sono perdite o errori nei pacchetti
• tale situazione può verificarsi anche nel caso in cui ci sia un primo trasmettitore, ma
uno dei due timeout sia troppo breve
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17
Protocollo One Bit Sliding Window – Esempio II
host1
Network
host1
host2
(0,1,A0)
(0,1,B0)
(0,0,B0)
Network
host2
(0,1,A0)
(0,1,B0)
(0,0,A0)
(0,0,B0)
(0,0,A0)
(1,0,A1)
(1,0,B1)
(1,1,B1)
(1,0,A1)
(1,0,B1)
(1,1,A1)
Leggi:
(seq, ack, packet number)
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18
Protocolli sliding window con pipelining I
Il protocollo One Bit Sliding Window, ed in generale tutti i protocolli stop-and-wait,
sono altamente inefficienti se il canale di comunicazioni ha un elevato round trip time
(tempo di andata e ritorno del segnale)
Esempio: in un canale satellitare il ritardo tra la trasmissione di un frame e la
ricezione di un ack può essere dell’ordine di 500 millisecondi
I protocolli sliding window con una finestra di trasmissione maggiore di uno sono
molto più efficienti: è possibile inviare diversi frame prima di bloccare per attendere la
conferma
La tecnica è in effetti un particolare tipo di pipelining
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19
Utilizzo del canale con un protocollo stop and wait
Se il canale ha una capacità di b bit/sec, la dimensione del frame è l bit e il round trip
time è R secondi, il massimo utilizzo della linea (in una direzione) è pari a
tempo invio frame
tempo totale operazione
l/b
l/b+R
l
=
l+bR
Se il prodotto b R è grande, l’efficienza sarà bassa, a meno di non utilizzare frame
molto lunghi
Ad esempio, l’efficienza di un protocollo stop and wait su un canale satellitare con
b = 100 kbps, l = 1000 bit e R = 500 millisecondi è
1000
1000 + 100000 · 0.5
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=
Andrea Frosini
1
51
 2%
20
Utilizzo del canale con pipelining
Supponiamo di spedire W frame prima di bloccare in attesa della prima conferma.
L’utilizzo del canale sarà allora pari a:
W·l/b
=
W · l / b + (R - (W - 1) · l / b )
Wl
l+bR
Ad esempio, l’efficienza di un protocollo pipelining su un canale satellitare con
b = 100 kbps, l = 1000 bit, R = 500 millisecondi e W = 26 è
26 · 1000
1000 + 100000 · 0.5
Reti di Calcolatori
=
Andrea Frosini
26
51
 50 %
21
Protocolli sliding window con pipelining II
Se un frame inviato insieme a tanti altri è danneggiato, esso deve essere scartato
Cosa fare con tutti gli altri frame ricevuti dopo quello scartato?
Vi sono essenzialmente due distinte strategie:
• Protocollo Go back n
• Protocollo Selective repeat
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22
Protocollo Go back n
Nel protocollo Go back n, tutti i frame ricevuti dopo un frame danneggiato (o perso)
sono scartati: la finestra di ricezione è lunga 1
Se un frame ricevuto è scartato perché fuori sequenza, esso non viene mai
confermato e neppure si confermano i successivi frame che arrivano (però il
protocollo è bidirezionale, quindi continuano ad essere inviate le conferme relative
all’ultimo frame passato al livello Network)
Quando il trasmittente va in time-out sul primo frame errato, ritrasmette l’intera
sottosequenza di frame
Se il trasmittente riceve conferma per un certo frame, tale conferma vale anche per
tutti i frame inviati precedentemente a lui e non ancora confermati
Questa strategia minimizza il numero di buffer dell’entità ricevente: vengono accettati
solo i frame che possono essere immediatamente inviati al livello Network
sovrastante
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23
Protocollo Go back n – Esempio
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24
Protocollo Go back n – Numeri di sequenza
Data una finestra di trasmissione di dimensione N + 1, i numeri di sequenza dei
frame che potranno essere inviati saranno compresi tra 0 e N +1
Attenzione! Se venissero utilizzati soltanto numeri di sequenza da 0 a N, il protocollo
non funzionerebbe, come mostra l’esempio:
1. Il trasmittente invia N +1 frame con numeri da 0 a N
2. Alla fine si riceve una conferma per il frame N
3. Il trasmittente invia altri N +1 frame con numeri da 0 a N
4. Alla fine si riceve un’altra conferma (via piggybacking) per il frame N
Problema: Se tutti i frame trasmessi al passo 3 fossero persi (o semplicemente
venisse perso il frame 0, e tutti gli altri fossero scartati dal ricevente), il ricevente
continuerebbe a trasmettere l’acknowledgement dell’ultimo frame del passo 1
accettato (frame N) e si creerebbe una situazione anomala
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25
Protocollo Selective repeat
Il protocollo Go back n non è efficiente su canali di comunicazione con elevato tasso
d’errore. In questi casi il protocollo Selective repeat è migliore perché ha una finestra
di ricezione di lunghezza maggiore di 1
Il destinatario memorizza in un buffer tutti i frame ricevuti dopo l’arrivo di un frame
rovinato, con il rispettivo numero di sequenza all’interno della finestra di ricezione.
Nessun ack viene inviato
Non appena il frame danneggiato viene ricevuto nuovamente, il destinatario passa
tutti i frame presenti nel buffer al livello Network e invia un acknowledgment con il più
alto numero di frame trasmesso al livello Network, ossia l’ultimo frame della
sequenza completa ricevuta
Il trasmittente ritrasmette un frame solo in conseguenza di un timeout (oppure in caso
di NAK—Negative Acknowledgement)
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26
Protocollo Selective repeat – Esempio
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27
Protocollo Selective repeat – Gestione frame
Osserviamo:
• mittente e destinatario devono entrambi gestire un buffer per mantenervi i frame
non confermati (mittente) successivi ad un errore (destinatario)
hack
host1
host2
X
• per entrambi i precedenti protocolli:
- è necessaria la gestione di timer multipli (uno per ogni frame inviato e non
confermato)
- il ricevente, per inviare gli ack, usa il piggybacking se possibile, altrimenti invia
un apposito frame
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28
Protocollo Selective repeat – Numeri di sequenza I
Date finestre di trasmissione e ricezione di dimensione N, i numeri di sequenza dei
frame saranno compresi tra 0 e 2N - 1
Attenzione! Se venissero utilizzati una quantità inferiore di numeri di sequenza il
protocollo non funzionerebbe. Siano i numeri tra 0 e M, con M < 2N - 1
1. Il trasmittente invia frame con numeri da 0 a N - 1
2. Il ricevente li accetta e aggiorna la finestra di ricezione; se M < 2N - 1, 0 è
incluso nella nuova finestra
3. Tutte le conferme sono perse, ed il trasmittente invia nuovamente il frame 0
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29
Protocollo Selective repeat – Numeri di sequenza II
4. il frame 0 viene memorizzato come nuovo, e si invia l’ack per N - 1 (ultimo
trasmesso a livello Network)
5. Il trasmittente assume che tutti i frame inviati nel passo 1 sono stati accettati,
quindi invia N, N +1, N +2, . . . , M. . .
6. Il ricevente vede il frame M, che è all’interno della finestra di ricezione e lo passa
al livello Network.
7. Il ricevente controlla il buffer per il frame 0: è pieno, dunque lo passa al livello
Network
Problema: il frame 0 passato al livello Network la seconda volta appartiene alla
prima sequenza!
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30
Negative Acknowledgement
Fino ad ora un frame con errori era considerato come un frame non arrivato e quindi
semplicemente scartato
La tecnica chiamata NAK (Negative Acknowledgement) permette di migliorare
l’efficienza dei protocolli
Un frame NAK è inviato al mittente quando il destinatario
• riceve un frame con errori, oppure
• riceve un frame con un numero di sequenza diverso da quello atteso
Il frame NAK contiene il numero di sequenza del frame che deve essere rispedito.
Migliora le prestazioni perché il trasmittente non deve aspettare la scadenza del
timeout relativo
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31
Protocollo Selective repeat con NAK– Esempio
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32
Approfondimenti
Consideriamo il paragrafo
3.5 PROTOCOL VERIFICATION
del libro di testo “Computer Networks” di A.S. Tanenbaum
1.
Cosa è un automa a stati finiti (finite state machine)?
2.
Cosa è una rete di Petri (Petri net)?
3.
Come possono essere utilizzati entrambi questi strumenti per specificare
formalmente un protocollo?
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33
Protocollo HDLC
Il protocollo HDLC = High-level Data Link Control
• è un protocollo Data Link standard emanato dall’ISO ed è derivato dal protocollo
SDLC (Synchronous Data Link Control) della architettura IBM SNA. Si è evoluto nei
protocolli CCITT LAP (Link Access Procedure) e LAPB dello standard X.25
• è orientato al bit (non ai caratteri): usa la tecnica del bit stuffing per il framing
• il codice per la rilevazione di errori è una variante del CRC-CCITT (la variante
facilita la rilevazione dei flag byte persi)
• la gestione della trasmissione e flusso è essenzialmente un protocollo sliding
window “Go back N” con numeri di sequenza a tre bit, dimensione massima della
finestra di trasmissione pari a 7, NAK e piggybacking
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34
Protocollo HDLC – Struttura del frame
8 bit
01111110
8 bit
8 bit
 0 bit
16 bit
Address Control Data Checksum
8 bit
01111110
• Address: nelle linee multi-punto identifica i diversi terminali
• Control: informazioni di controllo quali numeri di sequenza e ack. Identifica
anche il tipo di frame:
1. Information, per la trasmissione dei dati
2. Supervisory, per le conferme e per controllare diverse modalità di trasmissione
3. Unnumbered, per traffico di controllo o comunque non affidabile
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35
Protocollo SLIP
Il protocollo SLIP = Serial Line IP
• è il più vecchio protocollo Data Link utilizzato nell’architettura Internet Protocol
Suite (1984), nato per collegare workstation Sun alla rete Internet tramite
modem
• spedisce pacchetti IP terminati dal carattere 0xC0 (usa character stuffing
sostituendo 0xDB 0xDC al posto di 0xC0 entro il pacchetto IP)
Non ha controllo di errori
Ha solo IP con indirizzi statici, e non ha alcuna forma di autenticazione
Non è standard ufficiale di Internet (regolato da RFC 1055 e 1144, ma
esistono molte implementazioni incompatibili)
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36
Livello Data Link in Internet
processo client
che usa TCP/IP
home PC
linea telefonica
convenzionale
modem
connessione TCP/IP
basata su PPP
router
modem
In Internet c’è la necessità di un protocollo point-to-point (PPP protocol) per la
gestione delle funzioni Data Link di framing, controllo errori, controllo del flusso etc.
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37
Protocollo PPP
Il protocollo PPP (= Point-to-Point Protocol)
• è uno standard Internet ufficiale (RFC 1661, 1662, 1663, 2153, e molti altri)
• meccanismo di framing basato su character stuffing, ove i byte delimitatori sono il
flag byte 01111110, e il carattere di stuffing è il byte 01111101
• rilevazione d’errori con codice polinomiale, con 16 o 32 bit di controllo per frame
• supporta diversi protocolli di livello Network: IP, IPX, AppleTalk, . . . anche
contemporaneamente
• generalmente non usa numeri di sequenza e ack , quindi non offre realmente un
servizio affidabile (ma possono essere attivati, cfr RFC 1663)
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38
Sotto-protocolli LCP e NCP
Il protocollo PPP definisce due sotto-protocolli, i cui pacchetti vengono trasportati
all’interno dei frame PPP
• LCP (Line Control Protocol): attiva e disattiva la linea seriale di comunicazione, e
negozia i parametri a basso livello quali formato del frame, velocità di
trasmissione…
• NCP (Network Control Protocol): negozia opzioni di livello network:
1.
Per ogni livello network supportato c'è un differente NCP
2.
Nel IP, NCP viene usato per negoziare un indirizzo IP dinamico
3.
Il traffico derivante dall'uso dei protocolli LCP e NCP viene trasportato nei
frame PPP
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39
Formato del frame PPP
8 bit
01111110
8 bit
8 bit
8 bit
Address
11111111
Control
00000011
Protocol
variabile 2 o 4 byte
Data
8 bit
Checksum 01111110
• Protocol: indica il protocollo di livello Network utilizzato (RFC 1700)
• Address: indica trasmissione broadcast, può essere assente
• Control: niente numero di sequenza e ack, può essere assente
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40
Esercizi
1.
Sia data la seguente codifica:
A: 01000111 B: 11100011 FLAG: 01111110 ESC: 11100000
Mostrare la sequenza binaria per il messaggio A B ESC FLAG con i framing
- conteggio dei caratteri
- flag bytes con byte stuffing
- flag di inizio e fine e bit stuffing
2.
La stringa di bit 0111101111101111110 deve essere trasmessa dal livello Data Link.
Come si presenta tale stringa dopo il bit stuffing?
3.
Messaggi di sedici bits sono trasmessi utilizzando il codice di Hamming per la
correzione del singolo errore. Quanti check bits sono necessari? Assumendo la
parità “pari”, qual è il messaggio trasmesso per la stringa di bit
1101001100110101 ?
4.
Qual è il messaggio inviato se vogliamo utilizzare la codifica CRC per il messaggio
10100001 con polinomio generatore G(x)=1001?
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41
Esercizi
5.
La stringa di bit 10011101 viene trasmessa utilizzando la codifica CRC con
G(x)=1001. Durante la trasmissione il terzo bit del messaggio viene invertito.
Mostrare che tale errore viene riconosciuto.
6.
Un canale ha un bit rate di 4 kbps e un tempo di propagazione di 20 msec. Per
quali valori della lunghezza del messaggio un protocollo stop-and-wait raggiunge
l’efficienza del 50%?
7.
Si consideri un canale satellitare privo di errore con velocità 64 kbps che invia
messaggi di 512 byte ciascuno, con lunghezza dell’Ack trascurabile. Qual è il
massimo bit rate se si utilizzano finestre di dimensione 1, 7, 15 e 127? Si assuma
che il tempo di propagazione di un canale satellitare è posto a 270 msec.
8.
Si consideri un cavo T1 (24 canali di ampiezza 8 bit ciascuno, con frequenza di
invio di ciascun frame 8000 Hz) lungo 100 Km. La velocità di propagazione al suo
interno è circa 2/3 c. Quanti bits “entrano” all’interno del cavo ad un determinato
istante?
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42
Esercizi
9.
Calcolare la lunghezza minima di un frame per ottenere un’efficienza del 40% su di
un canale con bit rate di 600 kbps, tempo di propagazione di 200 msec e protocollo
a finestra scorrevole con ampiezze W uguale a 1, 30, 100. Nel caso di W=30 qual
è l’informazione massima (in bit) codificata in ciascun frame se si utilizza lo
standard HDLC con correzione d’errore di Hamming per singolo bit?
10. Simulare la comunicazione tra due stazioni su di un canale con tasso d’errore del
20% e protocolli
i) Go back n
ii) Selective repeat
usando piggybacking, finestra trasmittente di ampiezza 6, finestra ricevente
massima (caso ii)) di ampiezza 3 e 3 bit nel campo Seq.
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