Eficiencia de La Red Ethernet

EFICIENCIA DE LA RED ETHERNET En Ethernet definimos la eficiencia como en tiempo en el cual los paquetes son transmitidos sin que existan colisiones en el canal, cuando hay una cantidad suficientemente grande de nodos transmitiendo, esto debido a que cuando hay muchas estaciones que quieren transmitir la taza de transmisión de Ethernet disminuye frecuentemente hasta un 50 % del valor de diseño de la red. Recordemos un poco el funcionamiento de CSMA/CD: Al utilizar el método conocido como acceso múltiple por detección de portadora por detección de colisiones (CSMA/CD), cada uno de los equipos de la red, incluyendo a los clientes y a los servidores, comprueban el cable para detectar el tráfico de la red. Los equipos sólo pueden transmitir datos si el cable está libre. Un equipo sólo puede enviar datos cuando «detecta» que el cable está libre y que no hay tráfico en el cable. Una vez que el equipo haya trasmitido los datos al cable, ningún equipo puede transmitir datos hasta que éstos hayan llegado a su destino y el cable vuelva a estar libre. Recuerde que si dos o más equipos tratan de enviar datos en el mismo instante de tiempo, habrá una colisión de datos. Cuando eso ocurre, los dos equipos implicados dejarán de transmitir datos durante un período de tiempo aleatorio y volverán a transmitir los datos. Cada equipo determina su propio período de espera, por lo que se reduce la posibilidad de que los dos equipos vuelvan a transmitir simultáneamente. Teniendo esto en cuenta, comprenderá el nombre del método de acceso, acceso múltiple por detección de portadora por detección de colisiones (CSMA/CD). Los equipos oyen o «detectan» el cable (detección de portadora). Normalmente, muchos equipos de la red intentan transmitir datos (acceso múltiple); primero, cada uno oye para detectar posibles colisiones. Si un equipo detecta una posible colisión, espera un período de tiempo aleatorio antes de volver a intentar transmitir (detección de colisiones). La posibilidad de detección de colisiones es el parámetro que impone una limitación en cuanto a distancia en CSMA/CD. Debido a la atenuación, el debilitamiento de una señal transmitida a medida que se aleja del origen, el mecanismo de detección de colisiones no es apropiado a partir de 2.500 metros (1.5 millas). Los segmentos no pueden detectar señales a partir de esa distancia y, por tanto, no se puede asegurar que un equipo del otro extremo esté transmitiendo. Si más de un equipo transmite datos en la red al mismo tiempo, se producirá una colisión de datos y los datos se estropearán.

CONSIDERACIONES SOBRE CSMA/CD: 

A mayor cantidad de equipos en la red, mayor tráfico de red. A medida que aumenta el tráfico, tienden a aumentar la anulación de colisiones y las colisiones, que ralentizan la red, de forma que CSMA/CD puede convertirse c onvertirse en un método de acceso lento.



Después de cada colisión, ambos equipos tendrán que retransmitir sus datos. Si la red está muy saturada, es posible que los intentos de ambos equipos produzcan colisiones en la red con los paquetes de otros equipos. Si ocurre esto, tendremos cuatro equipos (los dos originales y los dos equipos cuyos paquetes han colisionado con los paquetes

retransmitidos) que tienen que volver a transmitir. Este aumento de las retransmisiones puede hacer que la red quede paralizada. 

La ocurrencia de este problema depende del número de usuarios que intenten utilizar la red y de las aplicaciones que estén utilizando. Las aplicaciones de bases de datos tienen a colocar en la red más datos que las aplicaciones de procesamiento de textos.



Dependiendo de los componentes hardware, del cableado y del software de red, la utilización de una red CSMA/CD con muchos usuarios utilizando aplicaciones de bases de datos puede llegar a ser frustrante, debido al elevado tráfico de la red.

Con esto en mente pasemos ahora a analizar el modelo de rendimiento: como vimos cada estación puede enviar un paquete pero no está garantizada una transmisión exitosa, por lo que tendremos que utilizar un método probabilístico para determinar el rendimiento. Habiendo definido la eficiencia como la relación entre el tiempo que se transmite el paquete y el tiempo que el canal está ocupado para que no existan colisiones. Ese tiempo de ocupación del canal lo podemos ver como el tiempo que le lleva a la estación enviar el paquete y esperar hasta que es recibido en el destino, considerando el tiempo de espera que puede haber en caso de que haya alguna otra estación transmitiendo, o el tiempo de retransmisión en caso de que haya habido alguna colisión. Como las reglas de este protocolo son complicadas para realizar un análisis práctico se utilizara un modelo un poco simplificado el cual será comparado con el modelo real, siendo ambos bastante similares. En el modelo simplificado forzaremos la condición de que la estación utiliza ranuras de tiempo para efectuar la transmisión, por lo que cada estación sigue el siguiente procedimiento para transmitir:

1. 2. 3. 4.

La estación espera para empezar hasta el comienzo del siguiente slot time La estación escucha la línea Si la línea está libre, la estación envía el frame Si la estación escucha una colisión durante el resto del tiempo del slot, vuelve al paso 1.

Podemos asegurar que la estación puede escuchar la colisión antes del comienzo del pr óximo time slot. Ponemos el time slot de acuerdo a la fórmula 1:

    (1) Considerando el peor caso, de una estación en cada punta del cable. La señal llega a la punta en tiempo D, si la otra estación comienza a transmitir un instante antes, hay una colisión. La colisión requiere otros D segundos para llegar hasta la primera estación. Necesitamos dos veces el tiempo de demora de propagación para garantizar que la primera estación escuche la colisión.

PROBABILIDAD DE ÉXITO: Ahora calcularemos la probabilidad de que el paquete llegue a destino de manera exitosa, es decir que una estación encuentre una ranura sin que haya colisiones. Suponemos que hay n estaciones, y que la probabilidad que cada estación tenga un frame para transmitir sea p,

asumiremos igual probabilidad para cada una y denominaremos  



, lo que maximiza la



probabilidad. Podemos entonces escribir la probabilidad de éxito como: 

                 (2) 

Podemos, a manera ilustrativa evaluar esa relación para varios ejemplos de redes: 1. Si hay 3 estaciones: sustituyendo n = 3 en (1) obtenemos P = 0.44 0 44% 2. Para n = 10, P = 0.39 o 39% 3. Para n = 1000, P = 0.368 o 36.8 % 4. Para n = 10000, P = 0.3679 o 36,79% Observamos que ya para cuando n sigue aumentando el valor se acerca al límite que es 1/e, cuando n tiende a infinito, o 0.36, lo cual sería el límite inferior. Por tanto en este modelo una estación puede enviar exitosamente un frame por lo menos un 36 % del tiempo. Ahora este cálculo no nos da la eficiencia del modelo, para eso tenemos que ver primero cuantas ranuras se requieren, en promedio, para que la estación pueda encontrar una ranura que le permita enviar la información sin que exista colisión. Esto se determina de manera sencilla, si la probabilidad de una ranura sin colisiones es  , entonces en promedio, la probabilidad de una ranura exitosa es entonces la cuarta ranura





. Por ejemplo si  , es 0.25,

 

 es en el que se puede enviar el frame de manera exitosa. Con



esto podemos calcular cuántas ranuras debemos esperar para poder enviar la información de manera exitosa:

 

 



  

                   (3)

CALCULO DE LA EFICIENCIA: Así que en promedio se necesitan esperar 1.71 ranuras para asegurar que el paquete se enviara sin colisiones. Ahora si se puede determinar la eficiencia teórica para este modelo simplificado:

  

         

 

(4)

El tiempo que la estación ocupa el medio es N ranura antes de enviar el paquete más el tiempo necesario para enviar el paquete:

  

   



   



 

(5)

Esta vendría siendo la eficiencia del modelo simplificado que se asumió para poder realizar la aproximación, la eficiencia real de una red Ethernet esta computada (mediante mediciones) y es inclusive menor a esta aproximación:

  

 

 

(6)