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Note per Studenti Esercizio - Traffico massimo con bridge in una LAN 10Base-T

Esercizio - Traffico massimo con bridge in una LAN 10Base-T

In questa pagina 5

Testo. Si consideri una LAN Ethernet 10Base-T in cui il traffico di N=16N=16 utenti è gestito da un bridge. Si assuma che il traffico generato da ciascun utente sia distribuito in modo uniforme fra tutti gli altri utenti e che il bridge operi in modo efficiente (cioè sia in grado di gestire tutte le connessioni in ingresso e in uscita senza ritardi aggiuntivi). Calcolare il traffico massimo (in Mbit/s) che ogni utente può generare.

Si ripeta il calcolo supponendo che gli utenti siano divisi in due gruppi da 88. Le connessioni fra utenti dello stesso gruppo sono gestite da un bridge dedicato, e i due bridge sono collegati da un cavo Ethernet full-duplex di velocità (a) 1010 Mbit/s oppure (b) 100100 Mbit/s.

Teoria usata: Elementi di rete - hub, switch e routerI dispositivi che interconnettono le reti si distinguono per il livello della pila che arrivano a leggere. Hub (livello 1): ripetitore, rigenera il segnale e lo manda su tutte le porte, tutte le stazioni condividono la capacità. Bridge e switch (livello 2): leggono l'indirizzo MAC e inoltrano solo verso la porta giusta, imparando la tabella (FDB) dagli indirizzi sorgente. Router (livello 3): leggono l'indirizzo IP e collegano reti indipendenti (internetwork). Switch e bridge isolano il traffico e sono plug and play; il router fa instradamento ottimo ma va configurato.Elementi di rete - hub, switch e router →, LAN - Ethernet e Wi-FiUna LAN copre un'area limitata ed è definita dalla famiglia IEEE 802.x (802.3 Ethernet, 802.11 Wi-Fi), che divide il livello di collegamento in LLC e MAC. Ethernet è senza connessione, senza controllo di flusso e senza ACK; usa CSMA/CD 1-persistent; il frame va da 64 a 1518 byte (indirizzi di 6 byte, tipo/lunghezza, dati 46-1500, CRC di 4) e il minimo di 64 B deriva da $t_F\ge2\tau_p$. Dal 10 Mbit/s a coassiale fino al 10 Gbit/s su fibra, con switch full-duplex che eliminano le collisioni. Il Wi-Fi (802.11) usa CSMA/CA, ha i modi BSS (con access point) e ad hoc, EBSS con sistema di distribuzione; adatta il bitrate all'SNR; ha problemi del terminale nascosto e del terminale esposto, risolti in parte da RTS/CTS e NAV.LAN - Ethernet e Wi-Fi →, Analisi delle prestazioni di reteLe prestazioni di una rete si misurano con tre famiglie di metriche: traffico (bitrate $R_0$ massimo del collegamento, throughput $S\le R_0$ dati consegnati con successo, goodput al livello applicazione), ritardo (end-to-end $d_{tot}=d_{proc}+d_{queue}+d_{trans}+d_{prop}$ con $d_{trans}=L/R$ e $d_{prop}=d/v$; jitter; RTT) e capacità del tubo (BDP $=R\cdot$ ritardo, bit che riempiono il collegamento), più l'affidabilità (PER, PDR, PLR). Il throughput di un percorso è quello del collegamento collo di bottiglia, $\min$ dei bitrate, ricordando che i collegamenti condivisi dividono la capacità.Analisi delle prestazioni di rete → (collo di bottiglia e collegamento condiviso).

Modello

  • Il bridge non è un mezzo condiviso (come lo sarebbe un hub): ogni utente ha un collegamento 10Base-T dedicato verso il bridge, da 1010 Mbit/s in ciascuna direzione. Il bridge inoltra solo verso la porta giusta, senza ritardo, quindi l'unico limite è la capacità dei collegamenti: quello di ogni utente e, nella seconda parte, quello fra i due bridge.
  • Il traffico di un utente è distribuito in modo uniforme: se verso ognuno degli altri utenti manda xx, in totale genera 15x15x (nella prima parte).
  • Per le capacità conta ciò che passa su un collegamento in una direzione: il canale full-duplex ha 1010 Mbit/s in uscita e 1010 Mbit/s in entrata, indipendenti.

Parte 1: un solo bridge, N=16N=16

Collegamento di un utente, direzione uscente. L'utente manda xx a ciascuno dei 1515 altri: 15x≤1015x\le10 Mbit/s.

Direzione entrante. Ciascuno dei 1515 altri manda xx verso di lui: 15x≤1015x\le10 Mbit/s. La condizione è la stessa (traffico simmetrico).

xmax=10 Mbit/s15=666,7 kbit/s per ogni destinazione.x_{max}=\frac{10\ \text{Mbit/s}}{15}=666{,}7\ \text{kbit/s}\ \text{per ogni destinazione}.

Il traffico totale che ogni utente può generare è quindi 15xmax=10 Mbit/s15x_{max}=\mathbf{10\ Mbit/s} (tutta la capacità del suo collegamento). In altre parole 666666 kbit/s è il flusso massimo verso ciascun altro utente e 1010 Mbit/s è il totale per utente.

Parte 2: due bridge da 88 utenti

Ogni utente ha 77 compagni nel suo gruppo e 88 utenti nell'altro gruppo. Chiamiamo xsx_s il flusso verso ciascun utente dello stesso gruppo e xdx_d quello verso ciascun utente dell'altro gruppo.

Traffico che attraversa il collegamento fra i bridge, in una direzione (per esempio dal gruppo 1 al gruppo 2): ogni utente del gruppo 1 manda xdx_d a ciascuno degli 88 utenti del gruppo 2, e gli utenti sono 88; le coppie (mittente, destinatario) sono 8⋅8=648\cdot8=64: 8⋅8⋅xd=64 xd≤Cponte.8\cdot8\cdot x_d=64\,x_d\le C_{ponte}. Nell'altra direzione passa lo stesso traffico (flussi simmetrici), e il cavo full-duplex ha la capacità CponteC_{ponte} in ciascuna direzione indipendentemente: il vincolo è lo stesso.

(a) Cavo fra i bridge da 1010 Mbit/s

xd≤10 Mbit/s64=156,25 kbit/s.x_d\le\frac{10\ \text{Mbit/s}}{64}=156{,}25\ \text{kbit/s}.

Per i flussi interni al gruppo il limite resta quello del collegamento dell'utente (xs=666,7x_s=666{,}7 kbit/s, come nella prima parte, valore con cui la soluzione ufficiale lavora). Il traffico massimo generato da ogni utente è 7xs+8xd=7⋅666,7+8⋅156,25=4666,7+1250=5916,7 kbit/s≈5,92 Mbit/s.7x_s+8x_d=7\cdot666{,}7+8\cdot156{,}25=4666{,}7+1250=5916{,}7\ \text{kbit/s}\approx\mathbf{5{,}92\ Mbit/s}. Controllo del collegamento utente: 5,92<105{,}92<10 Mbit/s (non è saturo). Il vero limite è il cavo fra i bridge: il ponte da 1010 Mbit/s fa perdere circa il 41%41\% del traffico possibile.

(b) Cavo fra i bridge da 100100 Mbit/s

xd≤100 Mbit/s64=1,5625 Mbit/s.x_d\le\frac{100\ \text{Mbit/s}}{64}=1{,}5625\ \text{Mbit/s}. Questo limite è molto più largo di quello del collegamento utente (x≤666,7x\le666{,}7 kbit/s per destinazione): il cavo fra i bridge non è più il collo di bottiglia. Vale quindi di nuovo il vincolo di una porta, 15x≤1015x\le10 Mbit/s, e ogni utente può generare 1010 Mbit/s, come con un solo bridge.

In funzione della capacità CponteC_{ponte} (in Mbit/s) il traffico massimo per utente è min⁡{10, 7⋅1015+8⋅Cponte64}=min⁡{10, 4,667+Cponte8}\min\{10,\ 7\cdot\frac{10}{15}+8\cdot\frac{C_{ponte}}{64}\}=\min\{10,\ 4{,}667+\frac{C_{ponte}}{8}\} Mbit/s: cresce linearmente finché il ponte è il collo di bottiglia e poi si ferma a 1010 Mbit/s, il limite del collegamento dell'utente. Il passaggio avviene quando 4,667+Cponte/8=104{,}667+C_{ponte}/8=10, cioè Cponte=42,7C_{ponte}=42{,}7 Mbit/s.

Grafico interattivo: Traffico massimo per utente in funzione della capacità del ponte tra i due bridge: min(10, 4,667 + C/8) Mbit/s; con 10 Mbit/s di ponte è 5,92 Mbit/s, con 100 Mbit/s il ponte non è più il limite e si arriva a 10 Mbit/s

Caso Limite che conta Traffico per utente
Un bridge collegamento utente 1010 Mbit/s
Due bridge, ponte 1010 Mbit/s ponte: xd≤156,25x_d\le156{,}25 kbit/s ≈5,92\approx5{,}92 Mbit/s
Due bridge, ponte 100100 Mbit/s collegamento utente 1010 Mbit/s

Confronto con la soluzione ufficiale

  • Un bridge: ufficiale 666666 kbit/s (per destinazione), 1010 Mbit/s totali. Coincide.
  • Due bridge, (a): ufficiale 666666 kbit/s verso utenti dello stesso gruppo, 156156 kbit/s verso l'altro gruppo, totale 5,915{,}91 Mbit/s. Coincide (5,91675{,}9167 Mbit/s; l'ufficiale tronca invece di arrotondare). Il testo dice "distribuito in modo uniforme", ma l'ufficiale usa flussi diversi per gruppo (666 e 156 kbit/s): se si imponesse xs=xdx_s=x_d si avrebbe x=156,25x=156{,}25 kbit/s e solo 15⋅156,25=2,3415\cdot156{,}25=2{,}34 Mbit/s per utente. Si segue la lettura ufficiale: i flussi interni non sono limitati dal ponte, quindi restano al massimo possibile della prima parte.
  • (b): ufficiale 1010 Mbit/s. Coincide.

Errori comuni

  • Trattare il bridge come un hub e dividere 1010 Mbit/s fra tutti gli utenti: il bridge isola il traffico, ogni collegamento è dedicato.
  • Dimenticare che sul ponte passano i flussi di tutti gli 88 utenti verso tutti gli 88 dell'altro gruppo (6464 coppie), non di uno solo.
  • Dividere per 1616 invece che per 1515 nel calcolo della prima parte: un utente non manda traffico a se stesso.
  • Confondere flusso per destinazione (666666 kbit/s) e traffico totale per utente (1010 Mbit/s).

(Verificato con Python: 10/15=666,6710/15=666{,}67 kbit/s; 10/64=156,2510/64=156{,}25 kbit/s; 7⋅666,67+8⋅156,25=5916,77\cdot666{,}67+8\cdot156{,}25=5916{,}7 kbit/s; 100/64=1,5625100/64=1{,}5625 Mbit/s.)

Versione ripasso

Dati. N=16N=16 utenti su una LAN 10Base-T con un bridge, traffico uniforme verso gli altri utenti, bridge senza ritardi aggiuntivi. Nella seconda parte gli utenti sono in due gruppi da 88, ciascuno con un bridge dedicato, collegati da un cavo full-duplex da 1010 Mbit/s oppure 100100 Mbit/s (Elementi di rete - hub, switch e routerI dispositivi che interconnettono le reti si distinguono per il livello della pila che arrivano a leggere. Hub (livello 1): ripetitore, rigenera il segnale e lo manda su tutte le porte, tutte le stazioni condividono la capacità. Bridge e switch (livello 2): leggono l'indirizzo MAC e inoltrano solo verso la porta giusta, imparando la tabella (FDB) dagli indirizzi sorgente. Router (livello 3): leggono l'indirizzo IP e collegano reti indipendenti (internetwork). Switch e bridge isolano il traffico e sono plug and play; il router fa instradamento ottimo ma va configurato.Elementi di rete - hub, switch e router →, LAN - Ethernet e Wi-FiUna LAN copre un'area limitata ed è definita dalla famiglia IEEE 802.x (802.3 Ethernet, 802.11 Wi-Fi), che divide il livello di collegamento in LLC e MAC. Ethernet è senza connessione, senza controllo di flusso e senza ACK; usa CSMA/CD 1-persistent; il frame va da 64 a 1518 byte (indirizzi di 6 byte, tipo/lunghezza, dati 46-1500, CRC di 4) e il minimo di 64 B deriva da $t_F\ge2\tau_p$. Dal 10 Mbit/s a coassiale fino al 10 Gbit/s su fibra, con switch full-duplex che eliminano le collisioni. Il Wi-Fi (802.11) usa CSMA/CA, ha i modi BSS (con access point) e ad hoc, EBSS con sistema di distribuzione; adatta il bitrate all'SNR; ha problemi del terminale nascosto e del terminale esposto, risolti in parte da RTS/CTS e NAV.LAN - Ethernet e Wi-Fi →, Analisi delle prestazioni di reteLe prestazioni di una rete si misurano con tre famiglie di metriche: traffico (bitrate $R_0$ massimo del collegamento, throughput $S\le R_0$ dati consegnati con successo, goodput al livello applicazione), ritardo (end-to-end $d_{tot}=d_{proc}+d_{queue}+d_{trans}+d_{prop}$ con $d_{trans}=L/R$ e $d_{prop}=d/v$; jitter; RTT) e capacità del tubo (BDP $=R\cdot$ ritardo, bit che riempiono il collegamento), più l'affidabilità (PER, PDR, PLR). Il throughput di un percorso è quello del collegamento collo di bottiglia, $\min$ dei bitrate, ricordando che i collegamenti condivisi dividono la capacità.Analisi delle prestazioni di rete →).

Modello. Ogni utente ha un collegamento dedicato da 1010 Mbit/s verso il bridge, per direzione. Il bridge isola il traffico (non è un mezzo condiviso), quindi l'unico limite è la capacità dei collegamenti.

Un bridge. Ogni utente manda xx a ciascuno dei 1515 altri: 15x≤1015x\le10 Mbit/s, cioè x=666,7x=666{,}7 kbit/s per destinazione e 1010 Mbit/s in totale per utente.

Due bridge. Sul ponte, in una direzione, passano i flussi di tutte le 8⋅8=648\cdot8=64 coppie (mittente, destinatario) tra i due gruppi: 64 xd≤Cponte64\,x_d\le C_{ponte}.

  • (a) Ponte da 1010 Mbit/s. xd=156,25x_d=156{,}25 kbit/s. I flussi interni al gruppo restano a xs=666,7x_s=666{,}7 kbit/s, quindi il traffico totale per utente è 7⋅666,7+8⋅156,25≈5,927\cdot666{,}7+8\cdot156{,}25\approx\mathbf{5{,}92} Mbit/s. Il ponte fa perdere circa il 41%41\% del traffico possibile.
  • (b) Ponte da 100100 Mbit/s. xd≤1,56x_d\le1{,}56 Mbit/s non è più il collo di bottiglia: vale di nuovo il vincolo di una porta, 1010 Mbit/s per utente.

In funzione della capacità del ponte, il traffico per utente è min⁡{10, 4,667+Cponte/8}\min\{10,\ 4{,}667+C_{ponte}/8\} Mbit/s: il limite della porta si raggiunge per Cponte≈42,7C_{ponte}\approx42{,}7 Mbit/s.

Risultati ufficiali. Un bridge: 666666 kbit/s per destinazione e 1010 Mbit/s. Due bridge, ponte da 1010: 5,91675{,}9167 Mbit/s (la soluzione tronca a 5,915{,}91). Ponte da 100100: 1010 Mbit/s. Coincidono.

Errori tipici.

  • Trattare il bridge come un hub e dividere 1010 Mbit/s tra tutti gli utenti.
  • Dimenticare che sul ponte passano le 6464 coppie, non un solo flusso.
  • Dividere per 1616 invece che per 1515: un utente non manda traffico a se stesso.
  • Confondere il flusso per destinazione (666666 kbit/s) con il traffico totale per utente (1010 Mbit/s).

Teoria collegata