• 0.- Introducción.
• 1.- Técnicas de Reserva.
• 1.1.- FDM.
• 1.2.- TDM Síncrona.
• Trama T1.
• Trama E1.
• 1.3.- TDM Asíncrona.
• 1.4.- Inconvenientes de las Técnicas de Reserva.
• 2.- Técnicas de Contienda.
• 2.1.- Contienda Simple.
• 2.1.1- Aloha Simple.
• 2.1.2.- Aloha Ranurado.
• 2.2.- Contienda con Escucha. CSMA.
• 2.3.- Contienda con Escucha y Detección de Colisión. CSMA/CD.
• 3.- Técnicas de Paso de Testigo.
• 4.- Comparación entre Técnicas de Contienda y Paso de Testigo.

         En el capítulo 7 se estudiaron técnicas para el control de flujo de un enlace de datos en una conexión punto a punto (ver apartado 2.2.1 del capitulo1). De lo que se trata ahora es de estudiar cómo compartir el canal cuando varias estaciones quieren hacer uso del mismo (ya que como es obvio no todos pueden utilizarlo de forma simultánea ni descontrolada). Para ello deberá existir algún mecanismo encargado de decidir quien puede acceder al canal cuando hay competencia por él. Estos canales de difusión a veces se denominan canales multiacceso o de acceso aleatorio. 

         Existen muchos protocolos que se encargan de manejar este problema, y todos ellos pertenecen a una subcapa del nivel de enlace denominada MAC (Medium Access Control). La subcapa MAC es muy importante en las redes de área local, ya que su comunicación se basa en ella.

         Hay una primera subdivisión, muy general, entre las técnicas de acceso al medio:

• Reparto estático del canal: es el método clásico; se divide la capacidad del canal entre tantas estaciones como haya conectadas al mismo. Resulta eficiente si el número de usuarios es reducido, y la carga que hacen del canal es alta y constante. Sin embargo cuando el número de transmisores es grande y varía continuamente, o cuando el tráfico es a ráfagas, el reparto estático es totalmente ineficiente puesto que el canal está siendo infra utilizado. A esta categoría pertenecen las técnicas de reserva,...
• Reparto dinámico del canal: se va concediendo el acceso al canal a las distintas fuentes según los requerimientos de éstas y las disponibilidades del canal en cada momento. La utilización del canal es mucho más eficiente que en el caso anterior puesto que está ocupado más tiempo, sin embargo el acceso inmediato al medio no está garantizado para ningún transmisor. Engloba todas las técnicas de contienda,...

        El multiplexor (mezclador)  es un dispositivo encargado de recibir N entradas (procedentes de distintos usuarios ) y acoplarlas al canal siguiendo unos criterios que dependerán de la técnica de acceso al medio que se esté utilizando. 

         Existen varios tipos de técnicas de compartición del canal: 

• RESERVA.---> cada estación posee una parte del enlace. Ej: CATV, telefonía,... 
• SELECCIÓN.---> una entidad indica quién puede transmitir. Ej: HDLC,... 
• CONTIENDA.---> vale todo, el primero que llega tiene el canal... Ej: Aloha, CSMA... 

         Cada estación tiene reservado para sí una parte de la capacidad del canal. El acceso al medio se realiza mediante multiplexación. El amplio uso de esta técnica se puede explicar por dos razones fundamentales: 

• Cuanto mayor sea la tasa binaria, más económica resulta la aplicación. Es decir, dadas una aplicación y una distancia el coste por Kbps disminuye si la velocidad del canal aumenta.
• La mayor parte de los dispositivos de comunicaciones personales requieren tasas relativamente modestas, por ejemplo las necesidades de un ordenador personal se sitúan entre los 9600bps y los 64Kbps.

• Multiplexación por división en frecuencia - FDM: empleada en radio, televisión,... 
• Multiplexación síncrona por división en el tiempo - TDM síncrona: se usa para multiplexar flujos de voz digitalizada y de datos. 
• Multiplexación asíncrona por división en el tiempo - TDM asíncrona: también denominada TDM estadística, es mucho más compleja que la anterior.

         En FDM el ancho de banda disponible se divide en un número determinado de slots o segmentos independientes (sin solapaminetos). Cada segemento lleva una señal de información, como por ejemplo un canal de voz. 

         La función del multiplexor es desplazar la señal en frecuencia. 

El demultiplexor filtra y traslada de nuevo la señal a su frecuencia original.

         FDM es posible sólo cuando el ancho de banda disponible del medio de transmisión es superior que el ancho requerido por las señales a transmitir.  Para prevenir problemas de interferencias los canales están separados por bandas de guardia, que son porciones de espectro que no se usan. 

         Los dos principales problemas a los que FDM tiene que hacer frente son: 
 

         Este sistema de transmisión sólo es posible cuando la tasa binaria del medio de transmisión es mayor que la de las señales binarias a transmitir.Se pueden enviar múltiples señales digitales, o analógicas que actuan de portadoras de datos digitales, intercalando trozos de cada señal en el tiempo.La TDM síncrona asigna de forma fija las ranuras de tiempo a cada señal de entrada. Si ocurriera que no hay información que transmitir, se transmitirían blancos (lo que la diferencia de la TDM asíncrona). 

         El multiplexor TDM construye tramas con cada una de las entradas de datos que tiene. Estas tramas están constituidas por celdas que pueden tener diferentes longitudes, por ejemplo un bit o un carácter. Las tramas tienen longitud fija, y cada una de las celdas que las integran está asignada de antemano a una de las entradas al multiplexor, cuyo número es constante.

         El multiplexor recoge lo datos (bits, caracteres,...) de unos buffers, cada uno correspondiente a una fuente de datos diferente, donde se van acumulando. En recepción el demultiplexor los va depositando en el buffer destino apropiado. En ambos extremos se trabaja con la misma tasa:  hay una fuente origen que pasa los datos al canal a la misma velocidad conque son recogidos en el otro extremo, de forma que no es necesario nigún mecanismo de control de flujo. 

         En canales de este tipo el control de flujo, el control de errores,...y otras cosas que mejoran la eficiencia del enlace están en manos de protocolos de control de datos como por ejemplo el HDLC. Supongamos el caso en que tenemos dos fuentes, ambas generan tramas HDLC, pero mientras que para una la trama está formada por cuatro octetos de datos para la otra sólo por tres. El mezclador intercala los caracteres de una y otra, y en el canal multiplexado las tramas pierden su formato (1º- flag, 2º-campo dirección, 3º- datos,4º- campo de control...) y no son reconocibles. El multiplexor de recepción se encarga de volver a entramarlas correctamente y devolverlas a su destino con su formato original: 
 
 

         En definitiva hemos demostrado que no es necesario un protocolo de control de enlace. Hay sin embargo, un requerimiento mínimo referido al entramado. No se ha dicho nada de flags o caracteres SYNC que definan los límites de la trama, pero es necesario algún mecanismo que asegure su sincronización. Mantener la sincronización del enlace es importante porque los datos que hay en el canal se pierden si los extremos del enlace están desincronizados. Un mecanismo típico es añadir un dígito reservado a cada trama TDM: conociendo el formato de las tramas, consiste en alternar el bit final entre 0 y 1; el demultiplexor hasta que reconoce la delimitación y consigue sincronizarse con el receptor descarta las primeras tramas: 

         Usada en USA y Japón, contiene 193 bits y está compuesta por 24 canales (23B+D) de 8bits, que pueden ser de datos o de voz. Se define para servicios de telefonía, con un mecanismo de decodificación PCM de 8bits, con 8000 muestras por segundo, siendo 1 muestra 8 bits. La velocidad del la línea es por tanto: 

         Y la del canal: 

         En el caso de datos la muestra PCM son 7 bits más uno de sincronización, la velocidad del canal en este caso es  8000 x 7 = 56Kbps. 
         Si quisiéramos enviar datos a una velocidad de 9600bps (FAX) debemos utilizar sólo 6 bits (de los 8 de cada canal) para transmitir datos, de tal manera que la capacidad por cada canal es de 6bits/125micros.=48000bps, lo que quiere decir que podemos multiplexar 5 canales de 9600bps.

Figura 4

·  TRAMA E1.

 Figura 5: Trama E1

1.3.-INCONVENIENTES DE LAS TÉCNICAS DE RESERVA.

     Se nombran a continuación:

· Ineficiencia en el caso de un reparto estático. 
· No resulta adecuada en entornos en los que el número de estaciones sea elevado o dinámico.
· Si hay N estaciones que comparten un canal de capacidad C (bps), y ésta se reparte por igual a cada estación (C/N), cuanto mayor sea el número de estaciones que utilizan el canal simultáneamente, menor será la capacidad adjudicada a cada estación.

      En esta situación no existen mecansimos de reparto del canal. Cuando un emisor quiera transmitir lo hará a la capacidad máxima del enlace. En el caso en que intenten transmitir más de uno se producirá una colisión, y como consecuencia ningún terminal transmitirá. Cada emisor esperará un tiempo aleatorio e intentará retransmitir de nuevo, tantas veces como sea necesario hasta que se realice la transmisión con éxito. 

      Con este mecansismo no se garantiza el tiempo máximo de acceso a la red, pero sin embargo goza de otras ventajas que iremos mencionando poco a poco. 

 Existen varias técnicas de contienda: 

       *Contienda simple (Ej: Aloha simple y Aloha ranurado).
        *Contienda con escucha (CSMA).
        *Contienda con escucha y detección de colisión (CSMA/CD).
 

2.1.-CONTIENDA SIMPLE.

· Ahoha Simple:
    Inventado en los años 70 por Norman Abramson para solventar un problema de conexión entre islas a través de un ordenador central. La comunicación se realizaba por radio empleando todos los terminales la misma frecuencia (recurso compartido) para comunicarse con el ordenador central, mientras que este utilizaba otra frecuencia distinta para comunicarse con los terminales. 
Aloha simple es un sistema en el que los usuarios no coordinados (terminales) compiten por el uso de un sólo canal compartido (frecuencia) .  De esta manera cada estación transmite sin esperar (desconocen si hay alguien transmitiendo). 
 El algoritmo de funcionamiento es: 
  1 ¿Tengo datos?
   Sí  transmito, ir a 2
   No  ir a 1
  2 ¿Hay colisión? 
   Sí  Retransmito la trama.
   No  ir a1
   Si se produce una colsión el ordenador central no recibe ninguna información y no envía ninguna señal de confirmación (ACK), por lo que el terminal al vencer el tiempo de asentimiento (espera al ACK) retransmie. 
 Como hemos observado no existe ningún mecanismo de detección de colisiones a priori. 

 Antes de continuar vamos a definir el tipo de tráfico existente en el medio de comunicación: 
· Tráfico generado ( I ):Es el tráfico que genera una estación. De éste una parte se cursa (si no hay colisiones) y otra se retransmite (existen colisiones). 
· Tráfico ofrecido (G): Es el tráfico tranmitido. 
· Tráfico cursado (S): Es el que recibe el ordenador central (el que llega al destino). 

Generalmente G es mayor o igual que I, pues existen retransmisiones. Una representación esquemática sería: 
 

 Siendo A la tasa de tráfico generado, Ao la suma del tráfico generado y el que colisiona y Ac el tráfico cursado. 
 De esta manera sabemos que si el sistema es estable  Ac es prácticamente igual a A, y en caso contrario (existan muchas colisiones) Ac<< A 
 Definimos el periodo vulnerablecomo el periodo de tiempo con respecto a una trama en el que, si otra estación transmite, se produce una colisión. 
 Por ejemplo, si la duración de la trama es tt el periodo vulnerable es por lo tanto 2*tt, pues una trama i  puede cosisionar con otra j  si se emite tt segundos antes o tt segundos depués que la trama j. 
 

Figura 7: periodo vulnerable. 
En el caso de que la longitud de la trama sea variable habrá que establecer una cota superior para realizar los cálculos. 
     Un detalle importante es que aloha necesita realimentación para saber si se ha producido o no una colisión, por lo que se empleará con enlaces dúplex o semidúplex. 
 
· Aloha Ranurado: 
 Para mejorar las prestaciones de Aloha se definió Aloha ranurado (Roberts 1972), con el mismo funcionamiento que Aloha, y con la única diferecia de que las estaciones sólo pueden transmitir en unos determinados instantes de tiempo o slots. De esta manera se disminuye el periodo vulnerable a  tt. Este sincronismo hace que cuando un terminal quiera transmitir debe esperar al inicio del nuevo periodo para hacerlo. 

 
Fig.8
Observamos que la línea del tiempo esta dividida en slots, y que existen dos terminales que quieren transmitir (una representada en la parte de arriba y otra en la de abajo). 
 En primer lugar las dos estaciones quieren transmitir, y esperan hasta el siguiente slot, produciéndose una colisión. Vuelven a intentarlo una vez más, produciéndose una nueva colisión. A partir de ahí las dos estaciones consiguen transmitir con éxito. De esta manera el número de colisiones producidas es menor que si trabajáramos con aloha simple (en el que se hubieran producido cuatro colisiones que aquí han sido transmisiones con éxito (3+4)). 
 
 Para comparar ambas técnicas  partimos de unas hipótesis de partida: 
     Modelo de una estación: 
- Tenemos n estaciones independientes. 
- La probabilidad de generar una trama en un intervalo(t) de tipo es l*t, siendo l la tasa de tráfico de una estación. 
- Las estaciones se bolquean hasta finalizar la transmisión. 
  Modelo del canal: 
- Canal Semidúplex (el dúplex no se amortiza) 
- Todas las estaciones transmiten y reciben. 
  Modelo de colisiones: 
- Solape de tramas. 
- Todas las estaciones son capaces de detectar colisiones. 
- No existe otro tipo de error. 
- Una vez que las tramas colisionan son retransmitidas. 
Modelo del tiempo: 
- Tiempo continuo: una estación transmite en cualquier instante (Aloha simple) 
- Tiempo discreto: la estación sólo transmite al comienzo del slot (Aloha ranurado). 
Portadora: 
- Sistemas con detección de portadora. Los sistemas "escuchan" el canal y saben cuando está ocupado. 
- Sistemas sin detección de portadora. No saben cuando el canal está libre u ocupado. 

Sabemos que el tráfico generado se distribuye según una Poisson: 

 P(t) = (l*t)k exp (-*t)/ k! 

 Siendo p(t) la probabilidad de K llegadas en un tiempo t 
  l el tráfico generado. 

El tráfico cursado 

 S= G* (1-Pcolisión) = G*Pno colisión 
 
 

En Aloha Simple: 

Donde Pno colisión  = P(2tt) = (*tt)0 exp (-2*tt)/0! = 0 exp (-2*tt) 
siendo tt el tiempo de duración de una trama 
           G = *tt, por lo que el tráfico cursado resulta: 
 

 S= G exp (-2G)  Aloha
Un estudio más detallado de esta función nos hace ver que el máximo ocurre cuando G= 0.5, en el que S=0.18. Obviamente esta función está muy lejos de lo esperado idealmente. 
Para Aloha Ranunado, el procedimiento es el mismo, pero hay que tener en cuenta que el periodo vulnerable es la mitad, por lo que en este caso resulta 
 
 S= G exp (-G)  Aloha ranurado
Ocurriendo el máximo cuando G=1, con un valor de S = 0.37, algo mayor que en el caso anterior (doble aproximadamente). 
 
 
2.2 CONTIENDA CON ESCUCHA (CSMA). 

 Con esta técnicas de acceso al medio la tranmisión está condicionada al estado del canal, o lo que es lo mismo las estaciones tienen capacidad para escuchar o determinar el estado del canal (libre u ocupado). 
 Ahora si la estación tiene datos que transmitir y cree que el canal está libre comienza la transmisión, y si está ocupado espera hasta que se libere. En esta nueva situación las colisiones se producirán cuando la estación crea que el canal está libre cuando realmente no lo está: 


Fig. 10
La estación 1 comienza a transmitir datos, y antes de que éstos se propagen por todo el bus, a las estaciones 2 y 4  les surge la necesidad de transmitir. La estación 2 escucha el canal y ve que está ocupado, por lo que no transmite, y la 4, por el contrario observa que está libre, y transmite, por lo que se producirá una colisión.

Dentro del protocolo CSMA existen varias variantes que comentamos a continuación: 
- CSMA 1-Persistente. Si el canal está ocupado monitorizan el canal constantemente y esperan hasta que haya un instante libre en el que no se transmita para enviar sus tramas. 
De esta manera las colisiones ocurren cuando o bien dos estaciones distintas quieren transmitir y el canal está ocupado: 


 
Fig. 11
El terminal 1 ha comenzado a transmitir porque el terminal que tranmitía anteriomente a terminado. Un instante después y antes de que los nuevos datos recorran todo el bus al terminal 3 le surge la necesidad de transmitir, produciéndose una colisión. 

  O bien porque los terminales creen que el canal está libre, pero en realidad no es así. (Figura 10). 

- CSMA no persistente. La estación no escucha constantemente el medio para evitar el problema anterior. Ahora se espera un tiempo aleatorio para volver a mirar el canal. El inconveniente que se presenta es que los más probable es que el último terminal en llegar sea el que transmita el primero (efecto LIFO). 
- CSMA p-persistente. Para no retrasar tanto el acceso al medio de un terminal (que es lo que ourre en CSMA no persistente), se propone la siguiente solución: Enviar los datos con una probabilidad p si el canal está libre, y esperar un tiempo t para volver a mirar el canal con una probabilidad 1-p. 

2.3 CONTIENDA CON ESCUCHA Y DETECCIÓN DE COLISIONES (CSMA/CD). 

 Es otra variante de CSMA capaz de detectar colisiones. Esto quiere decir que cuando se produce la colisión el terminal deja de transmitir la trama, no se espera a que se acabe de enviar ésta como ocurre en CSMA. De esta maera se libera el canal lo antes posible. Posteriormente se espera un tiempo aleatorio antes de volver a transmitir. Hay que tener en cuenta que ahora aparecerán en el bus fragmentos de colisión. 
 Para que una colisión se detecte a tiempo de parar la transmisión se debe cumplir que 

tt>>2*tiempo de propagación (tp) 
pues la trama tiene que poder llegar hasta el terminal más lejano (tp) y después necesitamos otro tiempo tp para darnos cuenta de que se ha producido ( o no ) una colisión (tp) 
Existen 3 tipos: 
- 1-persistente 
- no persistente. 
- P-persistente. 
TIEMPOS ALEATORIOS

 La espera de un tiempo t cuando se produce una colisión se distribuye según una distribución uniforme: 
    T * U (0,*i *tt). 
 El valor de i se incrementa en cada colisión, de tal manera que el intervalo va creciendo a medida que aumentan el número de retransmisiones. Tt sigue siendo la duración en segundos de cada trama. 
 De esta manera se pretenden evitar las ráfagas de colisiones, y tras un número máximo de intentos (16 aproximadamente) podemos 

- Abandonar la transmisión, lo que se conoce como tirar el enlace. 
- Notificar la situación al nivel superior. 

         Una comparación entre las cuatro técnicas estudiadas hasta ahora permite una clasificación de éstas según el intervalo vulnerable (1) o según el tiempo que se ocupe el canal con colisiones (tiempo perdido) (2): 
 
 
 

Periodo Vulnerable (1) Aloha  > Aloha Ranurado   >  CSMA    =  CSMA/CD 
Tiempo perdido       (2) CSMA   =   Aloha Ranurado   > Aloha    > CSMA/CD 
 
 
 
 
 
 

3.1 Token Bus. 
Token Bus está pensado para que las estaciones se conecten a un solo bus. Para que una estación transmita, necesitará un testigo o token, que es único. Aparece por tanto la necesidad de establecer un testigo (token) que se pasa de una estación a otra (será necesario por tanto enumerar las estaciones) y determinar cúal de ellas tiene el turno para transmitir. 
Cuando un terminal recibe el token se lo puede quedar durante un tiempo máximo, durante el que transmite. Pasado este se lo pasa al siguiente. 

Fig.12
Aunque la estructura física sea lineal, y los terminales estén numerados de izquierda a derecha el token nose pasa de manera circular, en un orden que no tiene que coincidir con la numeración asignada.

Para controlar el paso del token se usan las técnicas Token holding Time (THT). 

 El token es generado por un sistema aparte.También debe tenerse en cuenta que si se introduce una nueva estación éste debe llegar también a él. De igual manera ocurre cuando una estación se cae .Si se pierde el token debe crearse uno nuevo… en definitiva, se necesitan mecanismos de gestión e insercción. 

3.2 Token Ring. 

En esta tecnología el medio no es compartido. La estructura que forman los terminales que se conectan entre sí es algo parecido a: 

Fig. 13

Como conclusión diremos que las técnicas de paso de testigo no garantiza el tiempo de acceso, aunque sí se evitan las colisiones que ocurrían con el empleo de técnicas de contienda. 
 

4. COMPARACIÓN ENTRE TÉCNICAS DE CONTIENDA Y PASO DE TESTIGO. 

La elección de una técnia u otra depende de la situación en la que se vaya a emplear. Por ejemplo si hay poco tráfico (baja carga) CSMA es mejor que Token, puesto que en este último el tiempo mínimo que tiene que esperar una estación para transmitir es el que tarda el token en dar una vuelta completa. 
 Si por el contrario hay mucha carga, obviamente Token es mejor que CSMA. 

 Pero no sólo esta elección depende del tráfico de cada usuario, sino del número de éstos. Cuando mayor sea el número mayor retardo introducirán las técnicas de paso de testigo.