Метод доступа – набор правил, определяющих использование сети.
Реализуется на физическом уровне.
Задачей метода доступа является решение вопроса об испльзовании кабеля, соединяющего пользователей в сети.
Множественный доступ с прослушиванием несущей и разрешением конфликтов.
Любой ПК в сети «слышит» каждую передачу, однако не любой ПК ее принимает.
Любой ПК передает сообщение, в котором есть адрес приемника и отправителя. Все ПК слышат сообщения, но только один распознает его, принимает, посылает подтверждение.
Конфликт происходит, если два ПК одновременно передают сообщения. Тогда они прекращают передачу на случайный интервал времени, а затем возобновляют ее.
Метод доступа с эстафетной передачей для сети со звездообразной топологией.
ПК может передать сообщение, если получит маркер (token) – последовательность битов, созданную одним из ПК. Маркер перемещается по цепи как по кольцу. Все ПК имеютномер (от 0 до 255). Маркер идет от ПК к ПК. Когда ПК получает маркер, он может передать пакет данных (до 512 байт), включая адрес отправителя и приемника. Весь пакет идет от узла к узлу, пока не достигнет адресата. В этом узле данные выводятся, а маркер идет дальше.
Преимущество данного метода – предсказуемость, т.к. известен путь маркера, т.е. можно посчитать, сколько нужно времени для передачи.
Недостаток – любой узел функционирует в качестве повторителя, принимая и регенерируя маркер. В случае неправильной работы маркер мржет быть искажен или потерян.
Передача маркера по кольцу (кольцевая топология)
При получении пустого маркера ПК может передать сообщение в течении определенного времени. Такое сообщение называется кадр (frame). Приемник копирует сообщение в свою память, но не выводит его из кольца. Это делает передающий компьютер, когда получает свое сообщение обратно.
Существует механизм приоритетов.
Преимущество – надежность и простота.
Можно отключать неисправные ПК
Сеть передачи данных обеспечивает связь между абонентами путем установления соединений. Важная характеристика сетипередачи данных – время доставки данных , коорое зависит от структуры сети передачи данных, ??? узлов связи и пропускной способности линий связи, а также от способа организации каналов связи между абонентами и способа передачи данных по каналам.
Рассмотрим сеть передачи данных (диаграмма а):
Информационная связь между абонентами может устанавливаться 3-мя способами: коммутацией каналов, сообщений, пакетов.
Обеспечивает выделение физического канала для прямой передачи данных между абонентами.
Абонент a i инициирует установление связи с a j . Узел связи А, реагируя на адрес a j ,устанавливает соединение, в результате чего линия абонента a i коммутируется с линией, соединяющей узелAи В. Затем процедура установления связи повторяется для узловB, C, D. В конечном счете коммутируется канал между абонентамиa i иa j . По окончании коммутацииa j посылает сигнал обратной связи, после получения которого абонентa i начинает передавать данные. Время передачи данных зависит от длины сообщения и скорости передачи данных.
Метод доступа - это способ определения того, какая из рабочих станций сможет следующей использовать ЛВС. То, как сеть управляет доступом к каналу связи (кабелю), существенно влияет на ее характеристики. Примерами методов доступа являются:
В сетях Ethernet используется метод доступа к среде передачи данных, называемый методом коллективного доступа с опознаванием несущей и обнаружением коллизий (carrier-sense-multiply-access with collision detection, CSMA/CD). Этот метод используется исключительно в сетях с общей шиной. Все компьютеры такой сети имеют непосредственный доступ к общей шине, поэтому она может быть использована для передачи данных между любыми двумя узлами сети. Простота схемы подключения - это один из факторов, определивших успех стандарта Ethernet. Считается, что кабель, к которому подключены все станции, работает в режиме коллективного доступа (multiply-access,MA). Все данные, передаваемые по сети, помещаются в кадры определенной структуры и снабжаются уникальным адресом станции назначения. Затем кадр передается по кабелю. Все станции, подключенные к кабелю, могут распознать факт передачи кадра, и та станция, которая узнает собственный адрес в заголовках кадра, записывает его содержимое в свой внутренний буфер, обрабатывает полученные данные и посылает по кабелю кадр-ответ. Адрес станции-источника также включен в исходный кадр, поэтому станция-получатель знает, кому нужно послать ответ. При описанном подходе возможна ситуация, когда две станции одновременно пытаются передать кадр данных по общему кабелю. Для уменьшения вероятности этой ситуации непосредственно перед отправкой кадра передающая станция слушает кабель, чтобы обнаружить, не передается ли уже по кабелю кадр данных от другой станции. Если опознается несущая (carrier-sense, CS), то станция откладывает передачу своего кадра до окончания чужой передачи, и только потом пытается вновь его передать. Но даже при таком алгоритме две станции одновременно могут решить, что по шине в данный момент времени нет передачи, и начать одновременно передавать свои кадры. При этом происходит коллизия, так как содержимое обоих кадров сталкивается на общем кабеле, что приводит к искажению информации. Чтобы корректно обработать коллизию, все станции одновременно наблюдают за возникающими на кабеле сигналами. Если передаваемые и наблюдаемые сигналы отличаются, то фиксируется обнаружение коллизии (collision detection, CD). Для увеличения вероятности немедленного обнаружения коллизии всеми станциями сети, ситуация коллизии усиливается посылкой в сеть станциями, начавшими передачу своих кадров, специальной последовательности битов, называемой jam-последовательностью. После обнаружения коллизии передающая станция обязана прекратить передачу и ожидать в течение короткого случайного интервала времени, а затем может снова сделать попытку передачи кадра. Из описания метода доступа видно, что он носит вероятностный характер, и вероятность успешного получения в свое распоряжение общей среды зависит от загруженности сети - интенсивности возникновения в станциях потребности передачи кадров. При разработке этого метода предполагалось, что скорость передачи данных в 10 Мб/с очень высока по сравнению с потребностями компьютеров во взаимном обмене данными, поэтому загрузка сети будет всегда небольшой. Это предположение остается справедливым и по сей день, однако уже появились приложения, работающие в реальном масштабе времени с мультимедийной информацией, для которых требуются гораздо более высокие скорости передачи данных. Поэтому наряду с классическим Ethernet растет потребность и в новых высокоскоростных технологиях. Метод CSMA/CD определяет основные временные и логические соотношения, гарантирующие корректную работу всех станций в сети:
Протокол множественного случайного доступа к среде с разрешением коллизий CSMA/CD воплотил в себе идеи выше перечисленных алгоритмов и добавил важный элемент - разрешение коллизий. Поскольку коллизия разрушает все передаваемые в момент ее образования кадры, то и нет смысла станциям продолжать дальнейшую передачу своих кадров, коль скоро они (станции) обнаружили коллизии. В противном случае, значительной была бы потеря времени при передаче длинных кадров. Поэтому для своевременного обнаружения коллизии станция прослушивает среду на всем протяжении собственной передачи. Основные правила алгоритма CSMA/CD для предающей станции. Передача кадра (рисунок 2.2):
Межкадровый интервал IFG (interframe gap) составляет 9,6 мкм или (12 байт). Он необходим для того, чтобы принимающая станция могла корректно завершить прием кадра. Кроме этого, если бы станция передавала кадры непрерывно, она бы полностью захватила канал и тем самым лишила другие станции возможности передачи.
Рисунок 2.2- Блок- схема алгоритма CSMA/CD (уровень MAC): при передаче кадра станцией
Jam-сигнал (jamming - дословно глушение). Передача jam-сигнала гарантирует, что не один кадр не будет потерян, так как все узлы, которые передавали кадры до возникновения коллизии, приняв jam-сигнал, прервут свои передачи и замолкнут в преддверии новой попытки передать кадры. Jam-сигнал должен быть достаточной длины, чтобы он дошел до самых удаленных станций коллизионного домена, с учетом дополнительной задержки SF (safety margin) на возможных повторителях. Содержание jam-сигнала не принципиально за исключением того, что оно не должно соответствовать значению поля CRC частично переданного кадра (802.3), и первые 62 бита должны представлять чередование `1" и `0" со стартовым битом `1".
На рисунке 2.3 проиллюстрирован процесс обнаружения коллизии применительно к топологии шина (на основе тонкого или толстого коаксиального кабеля (стандарты 10Base5 и 10Base2 соответственно)). В момент времени узел A (DTE A) начинает передачу, естественно прослушивая свой же передаваемый сигнал. В момент времени, когда кадр почти дошел узла B(DTE B), этот узел, не зная о том, что уже идет передача, сам начинает передавать. В момент времени, узел B обнаруживает коллизию (увеличивается постоянная составляющей электрического сигнала в прослушиваемой линии). После этого узел B передает jam-сигнал и прекращает передачу. В момент времени сигнал коллизии доходит до узла A, после чего A также передает jam-сигнал и прекращает передачу.
Рисунок 2.3 - обнаружение коллизии при использовании схемы CSMA/CD
По стандарту IEEE 802.3 узел не может предавать очень короткие кадры, или иными словами вести очень короткие передачи. Как говорилось при описании формата кадра, даже если поле данных не заполнено до конца, то появляется специальное дополнительное поле, удлиняющее кадр до минимальной длины 64 байта без учета преамбулы. Время канала ST (slot time)- это минимальное время, в течении которого узел обязан вести передачу, занимать канал. Это время соответствует передаче кадра минимального допустимого размера, принятого стандартом. Время канала связано с максимальным допустимым расстоянием между узлами сети - диаметром коллизионного домена. Допустим, что в приведенном выше примере реализуется наихудший сценарий, когда станции A и B удалены друг от друга на максимальное расстояние. Время, распространения сигнала от A до B обозначено через. Узел A начинает передавать в нулевой момент времени. Узел B начинает передавать в момент времени и обнаруживает коллизию спустя интервал после начала своей передачи. Узел A обнаруживает коллизию в момент времени. Для того, чтобы кадр, испущенный A, не был потерян, необходимо, чтобы узел A не прекращал вести передачу к этому моменту, так как тогда, обнаружив коллизию, узел A будет знать, что его кадр не дошел, и попытается передавать его повторно. В противном случае кадр будет потерян. Максимальное время, спустя которое с момента начала передачи узел A еще может обнаружить коллизию равно - это время называется задержкой на двойном пробеге RTD (round-trip delay). В более общем случае RTD определяет суммарную задержку, связанную как с задержкой из-за конечной длины сегментов, так и с задержкой, возникающей при обработке кадров на физическом уровнем промежуточных повторителей и оконечных узлов сети. Также удобно использовать другую единицу измерения времени: битовое время BT (bit time). Время в 1 BT соответствует времени, необходимому для передачи одного бита, т.е. 0,1 мкс при скорости 10 Мбит/с.
Стандартом Ethernet регламентированы следующие правила обнаружения коллизии конечным узлом сети:
При передаче больших кадров, например 1500 байт, коллизия, если она вообще возникнет, обнаруживается практически в самом начале передачи, не позднее первых 64 переданных байт (если коллизия не возникла в это время, то позже она уже не возникнет, поскольку все станции прослушивают линию и, "слыша" передачу, будут молчать). Так как jam-сигнал значительно короче полного размера кадра, то при использовании алгоритма CSMA/CD количество израсходованной в холостую емкости канала сокращается до времени, требуемого на обнаружение коллизии. Раннее обнаружение коллизий приводит к более эффективному использованию канала. Позднее обнаружение коллизий, свойственное более протяженным сетям, когда диаметр коллизионного домена составляет несколько километров, снижает эффективность работы сети. На основании упрощенной теоретической модели поведения загруженной сети (в предположении большого числа одновременно передающих станций и фиксированной минимальной длины передаваемых кадров у всех станций) можно выразить производительность сети U через отношение RTD/ST:
где - основание натурального логарифма. На производительность сети влияет размер транслируемых кадров и диаметр сети. Производительность в наихудшем случае (когда RDT=ST) составляет около 37%, а в наилучшем случае (когда RTD много меньше, чем ST) стремится к 1. Хотя формула и выведена в пределе большого числа станций, пытающихся передавать одновременно, она не учитывает особенностей алгоритма усеченной бинарной экспоненциальной задержки, рассмотренного ниже, и не справедлива для сильно перегруженной коллизиями сети, например, когда станций, желающих передавать, становится больше 15.
Усеченная бинарная экспоненциальная задержка (truncated binary exponential backoff). При возникновении коллизии в алгоритме CSMA/CD стация подсчитывает, сколько раз подряд при отправке пакета возникает коллизия. Поскольку повторяющиеся коллизии свидетельствуют о высокой загруженности среды, MAC-узел пытается увеличивать задержку между повторными попытками передачи кадра. Соответствующая процедура увеличения интервалов времени подчиняется правилу усеченной бинарной экспоненциальной задержки и работает следующим образом. Количество слотовых времен (интервалов по 51,2 мкс), которое станция ждет, перед тем как совершить N-ую попытку передачи (N-1 попыток из-за возникновения коллизий во время передачи не удались) представляет случайное целое число с однородной функцией распределения в интервале 0?R<2 k где K =min(N,BL), и BL (backoff limit) - установленная стандартом предельная задержка, равная 10. Если количество последовательных безуспешных попыток отправить кадр доходит до 16 - коллизия возникает 16 раз подряд, то кадр сбрасывается.
Алгоритм CSMA/CD с использованием усеченной бинарной экспоненциальной задержки признан лучшим среди множества алгоритмов случайного доступа и обеспечивает эффективную работу сети как при малых, так и при средних загрузках. При больших загрузках следует отметить два недостатка. Во-первых, при большом числе коллизий станция 1, которая впервые собирается отправить кадр (до этого не пыталась передавать кадры), имеет преимущество перед станцией 2, которая уже несколько раз безуспешно пыталась передать кадр, натыкаясь на коллизии. Поскольку станция 2 ожидает значительное время перед последующими попытками в соответствии с правилом бинарной экспоненциальной задержки. Таким образом, может наблюдаться нерегулярность передачи кадров, что нежелательно для зависящих от времени приложений. Во-вторых, при большой загруженности снижается эффективность работы сети в целом. Оценки показывают, что при одновременной передаче 25 станций общая полоса пропускания снижается примерно в 2 раза. Но число станций в коллизионном домене может быть больше, поскольку далеко не все они одновременно будут обращаться к среде.
Прием кадра структурно изображен на рисунке 2.4.
Рисунок 2.4 - Структурная схема алгоритма CSMA/CD (уровень MAC): при приеме кадра станцией
Принимающая станция или другое сетевое устройство, например, концентратор или коммутатор первым делом синхронизируется по преамбуле и затем преобразовывает манчестерский код в бинарную форму (на физическом уровне). Далее обрабатывается бинарный поток. На уровне MAC оставшиеся биты преамбулы сбрасываются, а станция читает адрес назначения и сравнивает его со своим собственным. Если адреса совпадают, то поля кадра за исключением преамбулы, SDF и FCS помещаются в буфер и вычисляется контрольная сумма, которая сравнивается с полем контрольной последовательности кадра FCS (используется метод циклического суммирования CRC-32). Если они равны, то содержимое буфера передается протоколу более высокого уровня. В противном случае кадр сбрасывается. Возникновение коллизии при приеме кадра обнаруживается либо по изменению электрического потенциала, если используется коаксиальный сегмент, либо по факту приема дефектного кадра, неверная контрольная сумма, если используется витая пара или оптическое волокно. В обоих случая принятая информация сбрасывается. Значения основных параметров процедуры передачи кадра по стандарту 802.3 приведены в таблице 2.1.
Таблица 2.1 - Значения основных параметров передачи кадра стандарта 802.3
Множественный доступ с передачей полномочия (Token Passing Multiple Access - TPMA) или метод с передачей маркера TPMA . Метод с передачей маркера - это метод доступа к среде, в котором от рабочей станции к рабочей станции передается маркер, дающий разрешение на передачу сообщения. При получении маркера рабочая станция может передавать сообщение, присоединяя его к маркеру, который переносит это сообщение по сети. Каждая станция между передающей станцией и принимающей видит это сообщение, но только станция - адресат принимает его. При этом она создает новый маркер. Маркер (token), или полномочие, - уникальная комбинация битов, позволяющая начать передачу данных. Алгоритм множественного доступа с передачей полномочия, или маркера, приведен на рисунке 2.5.
Рисунок 2.5 - Алгоритм TPMA
Каждый узел принимает пакет от предыдущего, восстанавливает уровни сигналов до номинального уровня и передает дальше. Передаваемый пакет может содержать данные или являться маркером. Когда рабочей станции необходимо передать пакет, ее адаптер дожидается поступления маркера, а затем преобразует его в пакет, содержащий данные, отформатированные по протоколу соответствующего уровня, и передает результат далее по ЛВС. Пакет распространяется по ЛВС от адаптера к адаптеру, пока не найдет своего адресата, который установит в нем определенные биты для подтверждения того, что данные достигли адресата, и ретранслирует его вновь в ЛВС. После чего пакет возвращается в узел, из которого был отправлен. Здесь после проверки безошибочной передачи пакета, узел освобождает ЛВС, выпуская новый маркер. Таким образом, в ЛВС с передачей маркера невозможны коллизии (конфликты). Метод с передачей маркера в основном используется в кольцевой топологии.
Данный метод характеризуется следующими достоинствами:
Вместе с тем он имеет существенные недостатки:
Множественный доступ с разделением во времени (Time Division Multiple Access - TDMA) основан на распределении времени работы канала между системами (рисунок 2.6). Доступ TDMA основан на использовании специального устройства, называемого тактовым генератором. Этот генератор делит время канала на повторяющиеся циклы. Каждый из циклов начинается сигналом Разграничителем. Цикл включает n пронумерованных временных интервалов, называемых ячейками. Интервалы предоставляются для загрузки в них блоков данных.
Рисунок 2.6 - Структура множественного доступа с разделением во времени
Данный способ позволяет организовать передачу данных с коммутацией пакетов и с коммутацией каналов.
Первый (простейший) вариант использования интервалов заключается в том, что их число (n) делается равным количеству абонентских систем, подключенных к рассматриваемому каналу. Тогда во время цикла каждой системе предоставляется один интервал, в течение которого она может передавать данные. При использовании рассмотренного метода доступа часто оказывается, что в одном и том же цикле одним системам нечего передавать, а другим не хватает выделенного времени. В результате неэффективное использование пропускной способности канала.
Второй, более сложный, но высокоэкономичный вариант заключается в том, что система получает интервал только тогда, когда у нее возникает необходимость в передаче данных, например при асинхронном способе передачи. Для передачи данных система может в каждом цикле получать интервал с одним и тем же номером. В этом случае передаваемые системой блоки данных появляются через одинаковые промежутки времени и приходят с одним и тем же временем запаздывания. Это режим передачи данных с имитацией коммутации каналов. Способ особенно удобен при передаче речи.
Множественный доступ с разделением частоты (Frequency Division Multiple Access - FDMA) или множественный доступ с разделением длины волны (Wavelength Division Multiple Access - WDMA). Доступ FDMA основан на разделении полосы пропускания канала на группу полос частот (рисунок 2.7), образующих логические каналы. Широкая полоса пропускания канала делится на ряд узких полос, разделенных защитными полосами. Размеры узких полос могут быть различными. При использовании FDMA, именуемого также множественным доступом с разделением волны WDMA, широкая полоса пропускания канала делится на ряд узких полос, разделенных защитными полосами. В каждой узкой полосе создается логический канал. Размеры узких полос могут быть различными. Передаваемые по логическим каналам сигналы накладываются на разные несущие и поэтому в частотной области не должны пересекаться. Вместе с этим, иногда, несмотря на наличие защитных полос, спектральные составляющие сигнала могут выходить за границы логического канала и вызывать шум в соседнем логическом канале.
Рисунок 2.7 - Схема выделения логических каналов
В оптических каналах разделение частоты осуществляется направлением в каждый из них лучей света с различными частотами. Благодаря этому пропускная способность физического канала увеличивается в несколько раз. При осуществлении этого мультиплексирования в один световод излучает свет большое число лазеров (на различных частотах). Через световод излучение каждого из них проходит независимо от другого. На приемном конце разделение частот сигналов, прошедших физический канал, осуществляется путем фильтрации выходных сигналов. Метод доступа FDMA относительно прост, но для его реализации необходимы передатчики и приемники, работающие на различных частотах.
В 1980 году в Международном институте инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (Institute of Electronics Engineers–IEEE) был организован комитет 802 по стандартизации локальных сетей. Комитет 802 разработал семейство стандартов IЕЕЕ802. x, которые содержат рекомендации по проектированию нижних уровней локальных сетей. Стандарты семейства IЕЕЕ802.x охватывают только два нижних уровня семиуровневой модели OSI – физический и канальный, так как именно эти уровни в наибольшей степени отражают специфику локальных сетей. Старшие же уровни, начиная с сетевого, в значительной степени имеют общие черты, как для локальных, так и глобальных сетей. К наиболее распространенным методам доступа относятся: Ethernet, ArcNet и Token Ring, которые реализованы соответственно в стандартах IЕЕЕ802.3, IЕЕЕ802.4 и IЕЕЕ802.5. Кроме того, для сетей, работающих на оптическом волокне, американским институтом по стандартизации ASNI был разработан стандарт FDDI, обеспечивающий скорость передачи данных 100 Мбит/с. В этих стандартах канальный уровень разделяется на два подуровня, которые называются уровнями:
управление логическим каналом (LCC - Logical Link Control)
управление доступом к среде (MAC - Media Access Control) Уровень управления доступом к среде передачи данных (MAC) появился, так как в локальных сетях используется разделяемая среда передачи данных. В современных локальных сетях получили распространение несколько протоколов уровня MAC, реализующих разные алгоритмы доступа к разделяемой среде. Эти протоколы полностью определяют специфику таких технологий, как Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, Token Ring, FDDI. После того, как доступ к среде получен, ею может воспользоваться более высокий канальный уровень – уровень LCC, организующий передачу логических единиц данных, кадров информации, с различным уровнем качества транспортных услуг.
Для ЛВС, использующих разделяемую среду передачи данных (например, ЛВС с топологией шина и физическая звезда), актуальным является доступ рабочих станций к этой среде, так как если два ПК начинают одновременно передавать данные, то в сети происходит столкновение. Для того чтобы избежать этих столкновений необходим специальный механизм, способный решить эту проблему. Шинный арбитраж - это механизм призванный решить проблему столкновений. Он устанавливает правила, по которым рабочие станции определяют, когда среда свободна, и можно передавать данные. Существуют два метода шинного арбитража:
обнаружение столкновений
передача маркера
Обнаружение столкновений. Когда в сети работает метод обнаружения столкновений, компьютер сначала слушает, а потом передает. Если компьютер слышит, что передачу ведет кто-то другой, он должен подождать окончания передачи данных и затем предпринять повторную попытку. В этой ситуации (два компьютера, передающие в одно и то же время) система обнаружения столкновений требует, чтобы передающий компьютер продолжал прослушивать канал и, обнаружив на нем чужие данные, прекращал передачу, пытаясь возобновить ее через небольшой (случайный) промежуток времени. Прослушивание канала до передачи называется “прослушивание несущей” (carrier sense), а прослушивание во время передачи - обнаружение столкновений (collision detection). Компьютер, поступающий таким образом, использует метод, называющийся “обнаружение столкновений с прослушиванием несущей”, сокращенно CSCD.
Передача маркера.
Системы с передачей маркера работают иначе. Для того чтобы передать данные, компьютер сначала должен получить разрешение. Это значит, он должен “поймать” циркулирующий в сети пакет данных специального вида, называемый маркером. Маркер перемещается по замкнутому кругу, минуя поочередно каждый сетевой компьютер. Каждый раз, когда компьютер должен послать сообщение, он ловит и держит маркер у себя. Как только передача закончилась, он посылает новый маркер в путешествие дальше по сети. Такой подход дает гарантию, что любой компьютер рано или поздно получит право поймать и удерживать маркер до тех пор, пока его собственная передача не закончится.
Метод доступа определяет алгоритм , согласно которому узлы сети получают доступ к среде передачи данных и осуществляют мультиплексирование / демультиплексирование данных.
В 1970-х годах Норман Абрахамсон вместе с сотрудниками Гавайского университета предложил оригинальный способ решения проблемы доступа к сети, который был назван позднее ALOHA . Этот алгоритм использовался для доступа к радиоканалу большого числа независимых пользователей. ALOHA разрешает всем пользователям передачу тогда, когда им это оказалось нужно. При этом неизбежны столкновения и искажения передаваемых данных. Алгоритм , благодаря обратной связи, позволяет отправителям узнать, были ли данные в процессе передачи искажены. Если зарегистрировано такое столкновение, все вовлеченные участники выжидают некоторое время и предпринимают повторную попытку. Время выдержки выбирается случайным образом, что делает повторные столкновения менее вероятными.
Принципиальное отличие алгоритма ALOHA от CSMA/CD (используемого в Ethernet) с точки зрения столкновений заключается в том, что в первом случае столкновения детектируются на входе получателя, а во втором – на выходе отправителя .
Мультиплексирование можно осуществлять по частоте ( по длине волны - FDM ), предоставляя разным клиентам разные частотные диапазоны, или по времени (TDM ), разрешая доступ клиентов к сетевой среде по очереди и резервируя каждому из них для работы фиксированные последовательные временные интервалы. При этом необходима синхронизация работы всех участников процесса. В последнее время стало использоваться также мультиплексирование по кодам CDMA (Code Division Multiple Access ), где каждому участнику выделяется уникальный чип-код и допускается использование всеми клиентами всего частотного диапазона в любой момент времени.
Большая часть современных локальных сетей базируется на алгоритме доступа CSMA/CD ( Carrier Sensitive Multiple Access with Collision Detection ), где все узлы имеют равные возможности доступа к сетевой среде, а при одновременной попытке фиксируется столкновение и сеанс передачи повторяется позднее. Ряд разновидностей такого протокола рассмотрели Кляйнрок и Тобаги еще в 1975 году. После передачи очередного пакета (кадра) обычно делается некоторая пауза. После этого любой узел, подключенный к сетевому сегменту, может попытать счастья. Модификацией CSMA-алгоритма является схема, в которой после передачи кадра выделяется определенный временной домен (соревнования), когда претенденты могут выяснять отношения между собой. При столкновении начало передачи возможно только во время очередного домена соревнования. В этой модификации должен быть предусмотрен некоторый механизм синхронизации и исключения бесконечной череды столкновений.
Алгоритм CSMA предпочтительнее ALOHA , так как здесь ни один из пользователей не начинает передачу, если канал занят. Этот способ доступа покрывается патентами США 4063220 и 4099024 (Ксерокс), но IEEE имеет соглашение с этой компанией, которое разрешает использовать данный алгоритм без каких-либо ограничений. Здесь нет возможности приоритетного доступа, и по этой причине такие сети плохо приспособлены для задач управления в реальном масштабе времени. Некоторое видоизменение алгоритма CSMA/CD (как это сделано в сетях CAN или в IBM DSDB) позволяют преодолеть эти ограничения. Доступ по схеме CSMA/CD (из-за столкновений) предполагает ограничение на минимальную длину пакета. По существу метод доступа CSMA/CD (в полудуплексном случае) предполагает широковещательную передачу пакетов (не путать с широковещательной адресацией). Все рабочие станции логического сетевого сегмента воспринимают эти пакеты хотя бы частично, чтобы прочесть адресную часть. При широковещательной адресации пакеты не только считываются целиком в буфер , но и производится прерывание процессора для обработки факта прихода такого пакета.
Логика поведения субъектов в сети с доступом CSMA/CD может варьироваться. Здесь существенную роль играет то, синхронизовано ли время доступа у этих субъектов. В случае Ethernet такой синхронизации нет. В общем случае при наличии синхронизации возможны следующие алгоритмы:
Алгоритм А на первый взгляд представляется привлекательным, но в нем заложена возможность столкновений с вероятностью 100%. Алгоритмы Б и В более устойчивы в отношении этой проблемы.
Эффективность алгоритма CSMA зависит от того, как быстро передающая сторона узнает о факте столкновения и прерывает передачу, ведь продолжение бессмысленно - данные уже повреждены. Это время зависит от длины сетевого сегмента и задержек в оборудовании сегмента. Удвоенное значение задержки определяет минимальную длину пакета, передаваемого в такой сети. Если пакет короче, он может быть передан так, что передающая сторона не узнает о его повреждении в результате столкновения. Для современных локальных сетей Ethernet, построенных на переключателях и полнодуплексных соединениях, эта проблема неактуальна .
С целью пояснения этого утверждения рассмотрим случай, когда одна из станций (1) передает пакет самой удаленной ЭВМ (2) в данном сетевом сегменте. Время распространения сигнала до этой машины пусть равно Т. Предположим также, что машина (2) попытается начать передачу как раз в момент прихода пакета от станции (1). В этом случае станция (1) узнает о столкновении лишь спустя время 2Т после начала передачи (время распространения сигнала от (1) до (2) плюс время распространения сигнала столкновения от (2) к (1)). Следует учитывать, что регистрация столкновения - это аналоговый процесс и передающая станция должна "прослушивать" сигнал в кабеле в процессе передачи, сравнивая результат чтения с тем, что она передает. Важно, чтобы схема кодирования сигнала допускала детектирование столкновения. Например, сумма двух сигналов с уровнем 0 этого сделать не позволит. Можно подумать, что передача короткого пакета с искажением из-за столкновения - не такая уж большая беда, проблему может решить контроль доставки и повторная передача.
Следует только учесть, что повторная передача в случае зарегистрированного интерфейсом столкновения осуществляется самим интерфейсом, а повторная передача в случае контроля доставки по отклику выполняется прикладным процессом, требуя ресурсов центрального процессора рабочей станции .
Сопоставление эффективности использования канала для различных протоколов произвольного доступа произведено на рис. 10.5 .
Рис.
10.5.
Протокол доступа CSMA может предполагать, что когда канал оказывается свободным, а рабочая станция готова начать передачу, реальная пересылка кадра в рамках заданного временного домена происходит с определенной вероятностью p . С вероятностью 1-р передача будет отложена до следующего временного домена. В следующем домене, если канал свободен, с вероятностью р осуществится передача или будет отложена до следующего домена и так далее. Процесс продолжается до тех пор, пока кадр не будет передан. На рисунке эта вероятность р отмечена цифрами после аббревиатуры "CSMA". В случае Ethernet эта вероятность равна единице (CSMA-1) , то есть рабочая станция безусловно начнет передачу, если она к этому готова, а канал свободен. Из рисунка видно, что чем меньше эта вероятность , тем выше эффективность (среднее время доступа к сетевой среде также увеличивается). Очевидно, что все разновидности протокола доступа CSMA эффективнее протокола ALOHA в обеих его разновидностях. Связано это с тем, что ни одна станция не начинает передачу, если обнаружит, что сетевая среда занята. Существует еще одна разновидность протокола CSMA (nonpersistent ), в которой сетевой субъект при готовности анализирует состояние сетевой среды и, если канал занят, возобновляет попытку спустя псевдослучайный интервал времени, то есть ведет себя так, будто произошло столкновение. Такой алгоритм повышает эффективность использования канала при существенном возрастании усредненной задержки доступа.
трудно что-либо придумать. Напротив, когда задержка доступа несущественна, а загрузка канала велика, то следует использовать одну из разновидностей протокола доступа CSMA или один из протоколов, исключающих возможность столкновения кадров. Такие алгоритмы описаны ниже .Рассмотрим, как можно избежать проблем столкновений пакетов. Пусть к сетевому сегменту подключено N рабочих станций. После передачи любого пакета выделяется N временных интервалов. Каждой подключенной к сетевому сегменту машине ставится в соответствие один из этих интервалов длительностью L . Если машина имеет данные и готова начать передачу, она записывает в этот интервал бит , равный 1. По завершении этих N интервалов рабочие станции по очереди, определяемой номером приписанного интервала, передают свои пакеты (см. рис. 10.6 , N = 8 ).
В примере на рис. 10.6 сначала право передачи получают станции 0, 2 и 6, а в следующем цикле - 2 и 5 (пересылаемые пакеты окрашены в серый цвет). Если рабочая станция захочет что-то передать, когда ее интервал ( домен ) уже прошел, ей придется ждать следующего цикла . По существу данный алгоритм является протоколом резервирования. Машина сообщает о своих намерениях до того, как начинает что-либо передавать. Чем больше ЭВМ подключено к сетевому сегменту, тем больше временных интервалов должно быть зарезервировано и тем ниже эффективность сети. Понятно, что эффективность растет с ростом L .
Вариация данного алгоритма доступа реализована в сетях сбора данных реального времени CAN ( Controller Area Network - http://www.kvaser.se/can/protocol/index.htm - алгоритм доступа CSMA/CA - collision avoidance - с исключением столкновений). Там в указанные выше интервалы записывается код приоритета рабочей станции. Причем станции должны быть синхронизованы и начинать запись своего уникального кода одновременно, если все или часть из них готовы начать передачу. Эти сигналы на шине суммируются с помощью операции "проволочное ИЛИ" (если хотя бы один из участников выставляет логическую единицу, на шине будет низкий уровень). В процессе побитового арбитража каждый передатчик сравнивает уровень передаваемого сигнала с реальным уровнем на шине. Если эти уровни идентичны, он может продолжить, в противном случае передача прерывается и шина остается в распоряжении более приоритетного кадра. Для пояснения работы алгоритма предположим, что N = 5 и одновременно производится попытка начать передачу станции с кодами приоритета 10000, 10100 , и 00100 . Первыми будут посланы станциями биты 1, 1 и 0. Третья станция сразу выбывает из конкурса (ее
Для управления обменом в сети существует ряд правил, определяющих способы доступа к среде передачи. Эти правила регламентированы в методе управления обменом (или методе доступа к среде передачи) – одном из важнейших параметров сети, который определяется особенностями топологии, архитектурой и т.д. От эффективности выбранного метода зависит скорость обмена информацией между узлами, нагрузочная способность сети, время реакции сети на внешние события и т.д.
Существует следующая классификация методов управления:
· централизованные методы , при которых управление сосредоточено в одном месте. Недостатками являются: малая гибкость управления и неустойчивость к отказам центра. Достоинство – отсутствие конфликтов;
· децентрализованные методы , при которых отсутствует центр управления. Высокая устойчивость к отказам и большая гибкость – достоинства таких методов, однако здесь возможны конфликты, которые необходимо разрешать.
Можно привести другую классификацию методов:
· детерминированные методы , которые функционируют по четким правилам, по которым происходит захват сети узлами. При этом существует система приоритетов, в общем случае различных для разных узлов. Конфликты здесь практически исключены;
· случайные методы , которые подразумевают случайное чередование передающих узлов. Конфликты, неизбежно возникающие в этом случае, разрешаются с помощью заранее определенного алгоритма.
Рассмотрим некоторые конкретные реализации методов доступа.
Метод CSMA / CD (множественный доступ с контролем носителя и обнаружением коллизий) в настоящее время является одним из наиболее распространенных. Используется этот метод в архитектуре Ethernet. Отличительные особенности этого метода следующие:
· контроль носителя – перед передачей в сеть данных узел сначала проверяет состояние линии связи (носителя) на предмет занятости передачей других данных;
· множественный доступ – несколько узлов одновременно могут начать передачу данных в сеть;
· обнаружение конфликтов
– если линия занята, то узел ждет ее освобождения. Может так случиться, что два узла, одновременно опросив линию, убеждаются в том, что она свободна и начинают передачу, и, как следствие, возникает конфликт сигналов. В этом случае оба передающих узла прекращают передачу и ожидают некоторое время (выбранное случайным образом для каждого), а затем повторяют запрос линии. В силу случайности вероятность того, что выбранные периоды времени одинаковы, практически мала. Также после посылки кадров каждый узел ожидает некоторое время, а затем, в случае отсутствия ошибок в сети, вновь начинает посылать данные.
Метод CSMA / CA (множественный доступ с контролем носителя и предотвращением конфликтов) работает вначале аналогично CSMA/CD. Однако, если узел не находит в линии чужих сигналов, он посылает запрос на передачу (RTS), тем самым объявляя всем, что он намерен выполнить передачу. Поэтому здесь возможен только конфликт запросов RTS, а не пакетов данных, т.е. конфликты исключены. Производительность этого метода меньше, чем CSMA/CD практически вдвое. Используется этот метод в сетях AppleTalk.
Методы CSMA/CD и CSMA/CА еще называют конкурентными методами (в них узлы как бы конкурируют за право передачи).
Метод с передачей маркера неконкурентный. Сигнал, называемый маркером, передается по сети от одного узла к другому, пока не достигнет того, который хочет начать передачу данных. Как правило, такой метод используется в кольцевой топологии, но может применяться и в шине. Пример сети с методом передачи маркера – Token Ring. В ней при попадании маркера на компьютер, который готов передавать данные, этот компьютер захватывает управление маркером, добавляет данные к сигналу маркера и передает его в сеть. При прохождении пакета по сети все компьютеры последовательно передают его дальше до тех пор, пока он не достигнет того, кому он предназначен. После этого компьютер-получатель добавляет в маркер данные об успешном приеме и передает маркер дальше по кругу. Компьютер-передатчик опять добавляет данные к маркеру и передает его по кругу или, если передавать нечего, вместо данных вставляет отметку о том, что маркер свободен. В некоторых архитектурах с передачей маркера, например, FDDI, по сети могут циркулировать несколько маркеров.
Метод доступа с приоритетами запросов был разработан для локальной сетевой архитектуры 100VG-AnyLAN (высокоскоростная, гибкая и эффективная архитектура, призванная заменить Ethernet). В этих сетях используется древовидная топология, аналогичная звезде (рис.2.15).
Рис.2.15. Топология 100VG-AnyLAN
Концентраторы выполняют карусельный обзор подключенных узлов для обнаружения запросов на передачу данных. Определенным типам данных может быть присвоен приоритет для их обработки концентратором в первую очередь, что гарантирует необходимую пропускную способность для высокоскоростных приложений в реальном времени.
Этот метод запросов более эффективен, нежели CSMA/CD, потому что здесь используются пары кабелей (четыре кабеля к одному компьютеру, т.е. можно одновременно и передавать, и принимать), и сигналы передаются только тому концентратору, к которому подключен узел, а не всей сети. Это также повышает безопасность передаваемых данных.
