Методы доступа к сети

Технологии передачи

Методы доступа к сети

Адресация пакетов

Каждый узел сети должен иметь свой уникальный адрес MAC-адрес для того, чтобы ему можно было адресовать пакеты . Существуют две основные системы присвоения адресов сетевым адаптерам абонентам сети.

Первая система . В сети каждому абоненту присваивается индивидуальный порядковый адрес, например, от 0 до 30 или от 0 до 254. Присваивание адресов производится программно или с помощью переключателей на плате адаптера. При этом требуемое количество разрядов адреса определяется из неравенства:

2 n > N max,

где n – количество разрядов адреса, а N max – максимально возможное количество абонентов в сети. Так, восемь разрядов адреса достаточно для сети из 255 абонентов. Один адрес 1111....11 отводится для широковещательной передачи и используется для пакетов , адресованных всем абонентам.

Именно такой подход применен в сети Arcnet . Достоинства – малый объем служебной информации в пакете, а также простота аппаратуры адаптера, распознающей адрес пакета. Недостаток – трудоемкость задания адресов и возможность ошибки – двум абонентам может быть присвоен один и тот же адрес. Контроль уникальности сетевых адресов всех абонентов возлагается на администратора сети.

Вторая система была разработана институтом IEEE, занимающимся стандартизацией сетей. Именно эта система сейчас используется в сетях. Идея состоит в том, чтобы присваивать уникальный сетевой адрес каждому адаптеру еще на стадии изготовления. Если количество возможных адресов будет достаточно большим, то можно быть уверенным, что в любой сети по всему миру никогда не будет абонентов с одинаковыми адресами. Поэтому был выбран 48-битный формат адреса, что соответствует примерно 280 триллионам различных адресов. Понятно, что столько сетевых адаптеров никогда не будет выпущено.

Для того, чтобы распределить диапазоны адресов среди производителей сетевых адаптеров, была предложена следующая структура адреса:

Ø Младшие 24 разряда кода адреса называются OUA (Organizationally Unique Address ) – организационно уникальный адрес. Именно их присваивает каждый из производителей сетевых адаптеров. Всего возможно свыше 16 миллионов комбинаций, то есть каждый изготовитель может выпустить 16 миллионов сетевых адаптеров.

Ø Следующие 22 разряда кода называются OUI (Organizationally Unique Identifier ) – организационно уникальный идентификатор. IEEE присваивает один или несколько OUI каждому производителю сетевых адаптеров. Это позволяет исключить совпадения адресов адаптеров от разных производителей. Всего возможно свыше 4 миллионов разных OUI. Это означает, что теоретически может быть зарегистрировано 4 миллиона производителей. Вместе OUA и OUI называются UAA (Universally Administered Address ) – универсально управляемый адрес или IEEE-адрес.

Ø Два старших разряда адреса управляющие, они определяют способ интерпретации остальных 46 разрядов. Старший бит I/G (Individual/Group ) указывает на тип адреса. Если он установлен в 0 , то индивидуальный , если в 1 , то групповой . Пакеты с групповым адресом получат все имеющие этот групповой адрес сетевые адаптеры. Причем групповой адрес определяется 46 младшими разрядами. Второй управляющий бит U/L (Universal/Local ) называется флажком универсального/местного управления и определяет, как был присвоен адрес данному сетевому адаптеру. Обычно он установлен в 0 . Установка бита U/L в 1 означает, что адрес задан не производителем сетевого адаптера, а организацией, использующей данную сеть. Это случается довольно редко.

Для широковещательной передачи применяется специально выделенный сетевой адрес, все 48 битов которого установлены в единицу. Его принимают все абоненты сети независимо от их индивидуальных и групповых адресов.

Данной системы адресов придерживаются такие популярные сети, как Ethernet , Fast Ethernet , Token Ring , FDDI , 100VG-AnyLAN . Ее недостатки – высокая сложность аппаратуры сетевых адаптеров, а также большая доля служебной информации в передаваемом пакете – адреса источника и приемника вместе требуют уже 96 битов пакета или 12 байт.

Во многих сетевых адаптерах предусмотрен так называемый циркулярный режим . В этом режиме адаптер принимает все пакеты , приходящие к нему, независимо от значения поля адреса приемника . Такой режим используется, например, для проведения диагностики сети, измерения ее производительности, контроля ошибок передачи. При этом один компьютер принимает и контролирует все пакеты, проходящие по сети, но сам ничего не передает. В данном режиме работают сетевые адаптеры мостов и коммутаторы, которые должны обрабатывать перед ретрансляцией все пакеты, приходящие к ним.

Методы доступа

Каждый абонент сети может передавать свои пакеты. Но по одному кабелю одновременно передавать два или более пакетов нельзя, иначе может возникнуть коллизия (конфликт), которая приведет к искажению или потере всех пакетов, участвующих в конфликте. Значит, надо установить очередность доступа к сети всем абонентам, желающим передавать свои пакеты. В сети обязательно применяется метод доступа, предотвращающий конфликты между абонентами. Метод доступа к сети определяет алгоритм, согласно которому узлы сети получают доступ к среде передачи данных и осуществляют передачу. От эффективности работы выбранного метода управления обменом зависят скорость обмена информацией между компьютерами, нагрузочная способность сети, то есть способность выполнять обмен с различной интенсивностью, время реакции сети на внешние события и т.д. Метод доступа к сети – один из важнейших параметров.

Тип метода доступа во многом определяется особенностями топологии сети, но в то же время он не привязан жестко к топологии.

Методы управления обменом в локальных сетях делятся на две группы :

Ø Централизованные методы , в которых все управление доступом сосредоточено в одном месте. Недостатки таких методов – неустойчивость к отказам центра, недостаточная гибкость управления, так как центр обычно не может оперативно реагировать на все события в сети. Достоинство централизованных методов – отсутствие коллизий, так как центр всегда предоставляет право на передачу только одному абоненту.

Ø Децентрализованные методы , в которых отсутствует центр управления доступом. Всеми вопросами предотвращения, обнаружения и разрешения конфликтов занимаются все абоненты сети. Достоинства децентрализованных методов – высокая устойчивость к отказам и большая гибкость. Однако все же возможны коллизии, которые надо разрешать.

Существует и другое деление методов доступа, относящееся, главным образом, к децентрализованным методам:

Ø Детерминированные методы определяют четкие правила, по которым чередуются захватывающие сеть абоненты. Абоненты имеют определенную систему приоритетов. При этом, как правило, конфликты полностью исключены, но некоторые абоненты могут дожидаться своей очереди на передачу слишком долго. К детерминированным методам относится, например, маркерный доступ (сети Token Ring , FDDI ), при котором право передачи передается по эстафете от абонента к абоненту.

Ø Случайные методы подразумевают случайное чередование передающих абонентов. При этом возможность конфликтов подразумевается, но предлагаются способы их разрешения. Случайные методы значительно хуже детерминированных, работают при большом трафике сети и не гарантируют абоненту величину времени доступа . В то же время они обычно более устойчивы к отказам сетевого оборудования и более эффективно используют сеть при малой интенсивности обмена. Пример случайного метода – CSMA/CD (сеть Ethernet ).

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:

• - множественный доступ с прослушиванием несущей и разрешением коллизий (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection - CSMA/CD);
• - множественный доступ с передачей полномочия (Token Passing Multiple Access - TPMA) или метод с передачей маркера;
• - множественный доступ с разделением во времени (Time Division Multiple Access - TDMA);
• - множественный доступ с разделением частоты (Frequency Division Multiple Access - FDMA) или множественный доступ с разделением длины волны (Wavelength Division Multiple Access - WDMA).

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:

• - Между двумя последовательно передаваемыми по общей шине кадрами информации должна выдерживаться пауза в 9.6 мкс; эта пауза нужна для приведения в исходное состояние сетевых адаптеров узлов, а также для предотвращения монопольного захвата среды передачи данных одной станцией.
• - При обнаружении коллизии (условия ее обнаружения зависят от применяемой физической среды) станция выдает в среду специальную 32-х битную последовательность (jam-последовательность), усиливающую явление коллизии для более надежного распознавания ее всеми узлами сети.
• - После обнаружения коллизии каждый узел, который передавал кадр и столкнулся с коллизией, после некоторой задержки пытается повторно передать свой кадр. Узел делает максимально 16 попыток передачи этого кадра информации, после чего отказывается от его передачи. Величина задержки выбирается как равномерно распределенное случайное число из интервала, длина которого экспоненциально увеличивается с каждой попыткой. Такой алгоритм выбора величины задержки снижает вероятность коллизий и уменьшает интенсивность выдачи кадров в сеть при ее высокой загрузке.

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):

• - Станция, собравшаяся передавать, прослушивает среду. И передает, если среда свободна. В противном случае переходит к шагу 2. При передаче нескольких кадров подряд, станция выдерживает определенную паузу между посылками кадров - межкадровый интервал, причем после каждой такой паузы перед отправкой следующего кадра станция вновь прослушивает среду (возвращение на начало шага 1);
• - Если среда занята, станция продолжает прослушивать среду до тех пор, пока среда не станет свободной, и затем сразу же начинает передачу;
• - Каждая станция, ведущая передачу прослушивает среду, и в случае обнаружения коллизии, не прекращает сразу же передачу а сначала передает короткий специальный сигнал коллизии - jam-сигнал, информируя другие станции о коллизии, и прекращает передачу;
• - После передачи jam-сигнала станция замолкает и ждет некоторое произвольное время в соответствии с правилом бинарной экспоненциальной задержки и затем возвращаясь к шагу 1.

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:

• - Узел A должен обнаружить коллизию до того, как передаст свой 512-й бит, включая биты преамбулы;
• - Узел A должен прекратить передачу раньше, чем будет передан кадр минимальной длины - передано 576 бит (512 бит, начиная отсчет после ограничителя начала кадра SFD);
• - Перекрытие между передачами узлов A и B - битовый интервал начиная с момента передачи первого бита преамбулы узлом A и заканчивая приемом узлом A последнего бита испущенного узлом B - должно быть меньше чем 575 BT. Это условие для сети Ethernet является наиболее важным, поскольку его выполнение автоматически влечет выполнение и первых двух. Это третье условие задает ограничение на диаметр сети. Применительно к задержке на двойном пробеге RTD третье условие можно сформулировать в виде: T.

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:

• - гарантирует определенное время доставки блоков данных в сети;
• - дает возможность предоставления различных приоритетов передачи данных.

Вместе с тем он имеет существенные недостатки:

• - в сети возможны потеря маркера, а также появление нескольких маркеров, при этом сеть прекращает работу;
• - включение новой рабочей станции и отключение связаны с изменением адресов всей системы.

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.

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.

Классификация сетей по топологии

Сети на основе сервера

В сетях с выделœенным сервером, появляется иерархия, призванная упростить управление различными функциями сети по мере увеличения ее размера. Часто такие сети называют с архитектурой клиент/сервер.

В подобных сетях основная часть совместно используемых ресурсов сосредоточена на отдельном компьютере, называемом сервером. На сервере обычно нет базовых пользователœей, вместо этого они являются многопользовательскими компьютером, то есть предоставляют возможность совместного использования своих ресурсов клиентам сети.

Серверному подходу присуще множество преимуществ:

Можно поддерживать более строгую безопасность, по сравнению с одноранговой сетью;

Упрощение регулярного и надежного выполнения административных задач;

Пользователям не нужно запоминать, где хранятся различные ресурсы, как это было в одноранговых сетях.

Сеть на основе сервера имеет одно ограничение - ее развертывание и эксплуатация обходится намного дороже одноранговых сетей.

Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, сети на основе сервера оказываются очень эффективными в больших организациях. При обстоятельствах, требующих строго соблюдения безопасности или четкого управления ресурсами.

Сегодня широко используется комбинация однораногового и серверного доступа к ресурсам одной сети. Примером может послужить сеть с сервером, на котором централизованы ресурсы для универсального использования. Локальные рабочие группы такой сети могут предоставлять одноранговый доступ к своим ресурсам для своих внутренних нужд (комбинированные сети).

Топология сети - ϶ᴛᴏ схема соединœения компьютеров и других сетевых устройств с помощью кабеля или другой сетевой среды.

1.4.1 Сети с топологией «шина»

Шина представляет собой сеть, проложенную по линии (рис.2). Кабель проходит от од­ного компьютера к следующему, затем к следующему и т.д.

Рисунок 2 – Топология «шина»

В сети с шинной топологией сообщения, посылаемые каждым компьютером, по­ступают на всœе компьютеры, подключенные к шинœе. Каждый сетевой адаптер анали­зирует заголовки сообщений и таким образом определяет, предназначено ли сообще­ние для этого компьютера. В случае если да, то сообщение обрабатывается, в противном слу­чае отбрасывается. Причем в каждый момент времени передачу может вести только один компьютер. По этой причине пропускная способность делится между всœеми узлами сети.

В топологии «шина» существует проблема отражения сигнала. Электрические сигналы распространяются от одного конца кабеля к другому и если не предпринимать никаких специальных мер, сигнал, достигая конца кабеля, будет отражаться и создавать помехи, не позволяя другим компьютерам осуществлять передачу. По этой причине на концах кабеля электрические сигналы нужно гасить. Для этого используют терминатор (оконечное устройство).

Преимущества сети с шинной топологией.

Шинную топологию очень просто реализовать. Она относительно дешевая, потому что требует меньше кабелœей, чем другие топологии. Это решение особенно пригодно для небольших сетей, которые будут использоваться всœего несколько дней или недель, к примеру в классной комнате.

Недостатки сети с шинной топологией.

Недостаток шинной топологии состоит в том, что если происходит раз­рыв кабеля (или один из пользователœей вынимает разъем из гнезда, чтобы отклю­читься от сети), то вся сеть разрывается. При этом происходит не только разрыв связи между двумя группами изолированных компьютеров, но и возникает отра­жение сигнала из-за отсутствия терминаторов на концах, вследствие чего вся сеть выходит из строя.

1.4.2 Топология «Звезда»

Звезда – одна из наиболее популярных топологий локальных сетей. Звезда образуется путем соединœения каждого компьютера с центральным компонентом- концентратором (рис.3).

Рисунок 3- Топология «звезда»

Сигналы от передающего компьютера поступают на концентратор, где усиливается и передается на всœе порты ко всœем компьютерам. В этой топологии, как и в шинœе, сигнал поступает на всœе компьютеры. Получив сообщение, компьютер анализирует его заголовок и принимает решение: обработать или отбросить сообщение.

Главное преимущество этой топологии перед шиной – существенно большая надежность. Любые неисправности с кабелœем выводят из строя только тот компьютер, который им был подключен. И лишь неисправность концентратора выводит из строя всю сеть.

Легко менять конфигурацию сети – добавление нового компьютера заключается в присоединœении одного разъема кабеля.

Недостатком данной топологии является более высокая стоимость из-за приобретения концентратора, возможности по наращиванию количества узлов в сети ограничено количеством портов концентратора.

1.4.3 Топология «кольцо»

Сеть с топологией «кольцо» похожа на сеть с топологией «шина»: логически компьютеры в ней также соединœены друг с другом последовательно. Отличие состоит по сути в том, что в топологии «кольцо» два конца кабеля соединœены вместе. Сигнал, сгенерированный одним из компьютеров, движется по кольцу ко всœем остальным компьютерам и в конце концов возвращается в исходную точку.

Важно понимать, что в большинстве случаев «кольцо» - это логическая, а не физическая конструкция. Сетевое «кольцо» реализовано логически с помощью соединœения проводов внутри кабелœей и специального концентратора - модуля множественного доступа . Он получает данные через один порт и по очереди передает их через всœе остальные (рис.4).

Рисунок 4 - Топология «кольцо»

Использование физической топологии «звезда» в сети с топологией «кольцо» обеспечивает функционирование сети даже в случае повреждения кабеля или разъема. С помощью специальной схемы модуль множественного доступа просто исключает неисправную рабочую станцию из кольца, сохраняя его логическую топологию. В случае если компьютеры подключены к обоим кольцам, сеть может функционировать, даже если одно из них выйдет из строя.

Существует несколько различных методов доступа, однако наибольшее распространение получили следующие методы:

Передача маркера (эстафетный доступ);

1.5.1 Метод CSMA/CD

Сегодня самый распространенный метод управления доступом в локальную сеть - это CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection - множественный доступ с контролем носителя и обнаружением конфликтов).

Чтобы понять, как он работает, рассмотрим отдельно фрагменты его названия.

Контроль носителя - когда компьютер собирается передать данные в сеть методом CSMA/CD, он должен сначала проверить, передает ли в это время по этому же кабелю свои данные другой компьютер. Другими словами, проверить состояние носителя: занят ли он передачей других данных.

Множественный доступ - это означает, что несколько компьютеров могут начать передачу данных в сеть одновременно.

Обнаружение конфликтов - это главная задача метода CSMA/CD. Когда компьютер готов передавать, он проверяет состояние носителя. В случае если кабель занят, компьютер не посылает сигналы. В случае если же компьютер не слышит в кабелœе чужих сигналов, он начинает передавать. При этом может случиться, что кабель прослушивают два компьютера и, не обнаружив сигналов, начинают передавать оба одновременно. Такое явление принято называть конфликтом сигналов (коллизией). Обнаружив коллизию, система немедленно останавливает передачу данных и начинает передачу сигнала затора, сигнализируя всœем системам, что нужно подождать освобождения сети. К омпьютеры ждут на протяжении случайного периода времени и посылают эти же сигналы повторно.

1.5.2 Метод CSMA/CA

Название метода расшифровывается как Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance - множественный доступ с контролем носителя и предотвращением конфликтов. По сравнению с предыдущим методом заменено лишь одно слово - "обнаружение (конфликтов)" на "предотвращение".

Первый шаг при попытке передать пакет: компьютер прослушивает кабель и определяет, свободен ли он. При этом, если компьютер не находит в кабелœе других сигналов, он сначала посылает сигнал запроса на передачу- RTS (Request to Send). Этим он объявляет другим компьютерам, что намерен начать передачу данных. В случае если другой компьютер сделает то же самое в тот же момент времени, то произойдет конфликт сигналов RTS, а не пакетов данных. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, пакеты данных никогда не смогут конфликтовать. Это принято называть предотвращением конфликтов

На первый взгляд, метод с предотвращением конфликтов значительно совершеннее, чем с обнаружением. При этом его производительность ниже из-за того, что дополнительно к данным приходится посылать сигналы RTS, подавляющее большинство которых не нужны. Фактически количество поступающих на кабель сигналов почти удваивается.

При обмене данными между компьютерами используются три метода передачи данных:

Симплексная (однонаправленная) передача (телевидение, радио);

Полудуплексная (прием/передача информации осуществляется поочередно);

Дуплексная (двунаправленная), каждая станция одновременно передает и принимает данные.

Для передачи данных в информационных системах наиболее часто применяется последовательная передача. Широко используются асинхронная и синхронная передачи.

При асинхронной передаче каждый символ передается отдельной посылкой. Стартовые биты предупреждают приемник о начале передачи. Затем передается символ. Для определения достоверности передачи используется бит четности (бит четности =1, если количество единиц в символе нечетно, и 0 в противном случае). Последний бит "стоп бит" сигнализирует об окончании передачи.

Преимущества: несложная отработанная система; недорогое (по сравнению с синхронным) интерфейсное оборудование.

Недостатки: третья часть пропускной способности теряется на передачу служебных битов (старт/стоповых и бита четности); невысокая скорость передачи по сравнению с синхронной; при множественной ошибке с помощью бита четности невозможно определить достоверность полученной информации.

Асинхронная передача используется в системах, где обмен данными происходит время от времени и не требуется высокая скорость передачи данных. Некоторые системы используют бит четности как символьный бит, а контроль информации выполняется на уровне протоколов обмена данными.

При синхронной передаче данные передаются блоками. Для синхронизации работы приемника и передатчика в начале блока передаются биты синхронизации. Затем передаются данные, код обнаружения ошибки и символ окончания передачи. При синхронной передаче данные могут передаваться и как символы, и как поток битов. В качестве кода обнаружения ошибки обычно используется Циклический Избыточный Код Обнаружения Ошибок (CRC). Он вычисляется по содержимому поля данных и позволяет однозначно определить достоверность принятой информации.

Преимущества: высокая эффективность передачи данных; высокие скорости передачи данных; надежный встроенный механизм обнаружения ошибок.

Недостатки: интерфейсное оборудование более сложное и, соответственно, более дорогое.

Протоколы SDLC и HDLC основываются на синхронной бит-ориентированной передаче данных.

Для доступа к сети используются несколько методов:

Ø Метод коллективного доступа с опознаванием (прослушиванием) несущей и обнаружением коллизий. CSMA/CD ( carrier-sense-miltiply-acct with collision detection).

Применяют в сетях, где компьютеры имеют непосредственный доступ к каналу связи (общей шине) и могут немедленно получить данные, которые передаются любым компьютерам. Данные передаются кадрами, в которых указываются адрес узла получателя и узла отправителя. Кадр передается как только освобождается канал связи. Принимающий узел при нормальном получении кадра передает сообщение отправителю.

Коллизия – ситуация, когда несколько узлов пытаются одновременно передавать сообщения. Передающий узел, обнаруживший коллизию, прекращает передачу кадра, делает паузу случайной длины и повторяет попытку захвата передающей среды и передачи кадра. После 16 попыток передачи кадра кадр отбрасывается.

При увеличении количества коллизий, когда передающая среда заполняется по­вторными кадрами, реальная пропускная способность сети резко уменьшается. В этом случае необходимо уменьшить трафик сети любыми доступными метода­ми (уменьшение количества узлов сети, использование приложений с меньшими затратами сетевых ресурсов, реструктуризация сети).

Этот метод нашел широкое распространение вследствие своей простоты.

Ø Приоритетный доступ по требованию . Отдельный узел запрашивает у центрального узла разрешение на передачу данных. Если канал свободен, то центральный узел осуществляет передачу. В противном случае запрос ставится в очередь. В сети поддерживаются 2 уровня приоритетов: высокий и низкий.

Узел, имеющий низкий приоритет, может получить высокий приоритет в том случае, если он достаточно долго не может получить доступ к каналу связи.

Ø Маркерный метод . Право доступа к каналу передается с помощью специального кадра, который называется маркером. Все узлы ретранслируют кадры, и маркер передается от узла к узлу. Узел, получив маркер, определяет наличие у него данных для передачи. Если данных нет, то узел передает маркер дальше. Если данные есть, то маркер изымается из сети и узел передает свои данные по кольцу. Каждый кадр снабжается как адресом получателя, так и адресом отправителя. Узел, получивший кадр с адресом получателя, совпадающим с его собственным адресом, копирует данные, вставляет в кадр признак подтверж­дения приема и оправляет кадр дальше. Получив обратно посланный кадр с подтверждением получения, узел-отправитель отправляет в сеть новую копию маркера для передачи доступа к сети. Время доступа к сети ограничивается временем удержания маркера, в течение которого узел может послать несколько кадров дан­ных и после чего узел обязан передать маркер в сеть.