3.3.3.3. Управление обменом в сети типа «шина»

В этой топологии возможно точно такое же централизованное управление, как и в «звезде» (т.е. физически сеть – «шина»), а логически – звезда (рисунок 3.11).

Рисунок 3.11

При этом один из абонентов – центральный посылает всем остальным (периферийным) запросы, выясняя кто хочет передать, затем разрешает передачу одному из них. После окончания передачи передававший абонент сообщает «центру», что он закончил передачу и центр начинает новый опрос. Все преимущества и недостатки такого управления – те же, что и в случае «звезды». Единственное принципиальное отличие состоит в том, что центр здесь не перекачивает через себя информацию от одного абонента другому, а только управляет доступом.

Возможна также реализация логического «кольца», когда все абоненты последовательно передают друг другу все пакеты по замкнутой цепочке (рисунок 3.11).

Однако гораздо чаще в шине реализуется децентрализованное управление, так как аппаратные средства абонентов одинаковы. При этом все абоненты также имеют равный доступ к сети, и решение, когда можно передавать принимается каждым абонентом на месте, исходя из анализа состояния сети. Возможна конкуренция между абонентами за захват сети и, следовательно, возможны искажения передаваемых данных из - за наложения пакетов.

Существует множество алгоритмов доступа. Их выбор зависит от скорости передачи в сети, от длины шины, загруженности сети (трафика сети) и т.д. «По-крупному» эти методы доступа можно классифицировать как методы «с прослушиванием канала и обнаружением столкновений» и «методы с прослушиванием канала и избежанием столкновений». Рассмотрим некоторые из них.

Метод децентрализованного приоритетного арбитража. Идея метода заключается в следующем. Сначала все абоненты следят за состоянием сети. Если она свободна, то передача начинается сразу после появления заявки на нее. Если же сеть занята, то сразу после ее освобождения все абоненты отсчитывают свой собственный уникальный временной интервал, пропорциональный коду сетевого адреса (приоритету) данного абонента. Таким образом, абонент с нулевым адресом начинает передачу сразу, абонент с первым адресом – через некоторый интервал Т₀, абонент со вторым адресом – через время 2Т₀ и т.д. Если к концу этого интервала сеть все еще остается свободной, то абонент начинает передачу. В противном случае - снова ждет освобождения сети. Остается открытым вопрос – как выбрать дискрет задержки Т₀ (точнее его минимальное значение). Ход рассуждений здесь такой. Пусть абонент 1 закончил передавать (рисунок 3.12). У абонента 2 задержка 2Т_0, у абонента 3 – 3Т₀. Абонент 3 начнет передавать через время 3Т₀ после освобождения сети абонентом 1, а абонент 2 – через время (2т₀+L/V), где V- скорость распространения сигнала в данном кабеле. Абонент 3 узнает о том, что абонент 2 начал передавать, через время (2Т₀+2L/V). И это время должно быть больше, чем 3Т₀, следовательно Т₀ должно быть меньше, чем 2L/V.

К недостаткам данного метода следует отнести тот факт, что при большой интенсивности обмена абоненты с малыми приоритетами могут довольно долго ждать доступа к сети, и о гарантированном времени доступа к сети здесь говорить не приходится. Кроме того, при большом количестве абонентов и большой длине сети задержки становятся очень большими. Например, при длине сети 1км, задержке в кабеле 4 нс/м и количестве абонентов 256 двойное время прохождения сигнала в сети (минимальная задержка) составит 8 мкс, следовательно для абонента сетевым адресом 255 задержка будет составлять 255 8=2040 мкс, что уже достаточно существенно. Для сравнения: если пакет имеет размер 1Кбайт, то при скорости передачи в сети 10Мбит/с его длительность будет всего 0,8 мс.

Метод доступа с контролем несущей и обнаружением коллизий (столкновений) МДКН/ОК. Идея метода состоит в том, чтобы уравнять всех абонентов в любой возможной ситуации, то есть добиться, чтобы не было больших и малых фиксированных приоритетов. Для этого используются времена задержки, вычисляемые каждым абонентом по определенному алгоритму. Алгоритм состоит в следующем:

а) абонент, желающий передавать, следит за состоянием сети и в случае ее занятости ждет ее освобождения (это называется контролем несущей). Если сеть свободна, то передача начинается без всякого ожидания;

б) после освобождения сети абонент сразу начинает передавать и одновременно контролирует состояние сети (это тот самый контроль столкновений или обнаружение коллизий). Если столкновений не обнаруживается, передача доводится до конца;

в) если столкновение обнаружено, то абонент усиливает его (передает еще некоторое время) для гарантии обнаружения всеми передающими абонентами, а затем прекращает передачу. Точно также поступают другие передававшие абоненты;

г) после прекращения неудачной передачи абонент выдерживает случайно выбранный промежуток времени, а затем повторяет свою попытку передать, при этом контролируя столкновения. Так как этот промежуток времени случайный, вероятность повторного столкновения пакетов будет довольно мала. Выбираемое время задержки определяется как

Т_зад=N Т₀,

где N-случайное число, а величина Т₀ определяется аналогично предыдущему случаю.

При обнаружении повторного столкновения существует довольно много алгоритмов выбора Т_зад (например, Т_зад увеличивается вдвое). Но в любом случае столкновения не предотвращаются полностью, и гарантировать величину времени доступа к сети нельзя. Такой метод доступа используется в распространенной локальной сети Ethernet. К достоинствам метода следует отнести полное равноправие абонентов (т.е. ни один из них не может надолго захватить сеть). К недостаткам – возможность повторения столкновений.

Суть методов доступа с избежанием столкновений заключается в применении процедур, предотвращающих столкновение информационных пакетов, искажения которых критичны. Одна из таких процедур состоит в том, что после освобождения сети всеми желающими передавать абонентами передается не пакет данных, а специальный сигнал, контролируя который, они обнаруживают коллизии. Другая процедура заключается в том, что в передаваемом по сети пакете данных содержится информация о продолжительности его передачи. Прослушивающие сеть абоненты по этой информации могут планировать время своего выхода в сеть и.т.д.

По способу обмена данными интерфейсы делятся на параллельные, последовательные и параллельно-последовательные. Во внутрисистемных каналах используются, как правило, параллельные интерфейсы, а в межсистемных – последовательные (иногда параллельно-последовательные).

По принципу обмена данными различают интерфейсы:

- синхронной передачей данных (когда момент считывания данных приемником постоянно привязан к тактовым или синхронизирующим импульсам);

- с асинхронной передачей (когда момент считывания данных приемником определяется по сигналам оповещения или запуска от передатчика; по окончании пересылки приемник передает передатчику сигнал об окончании цикла передачи);

- комбинированная передача из двух режимов.

В каналах межмодульного обмена используются преимущественно передача с асинхронно й организацией, при которой автоматически поддерживается оптимальное соотношение между скоростью передачи данных и временем прохождения сигнала. При синхронной же организации обмен информацией идет в темпе задатчика без учета быстродействия исполнителя.

Способ представления и разделения сигналов при передаче их по интерфейсу определяется физическими характеристиками канала передачи, а именно:

а) средой распространения;

б) протяженностью канала;

в) требованиями к пропускной способности;

г) требованиями к помехоустойчивости.

Физическая среда может быть непрерывной на всем протяжении канала или состоять из отдельных сегментов с повторителями (ретрансляторами) сигналов между ними. Традиционным для многих интерфейсов является использование в качестве физической среды кабелей и проводов с металлическими проводниками и видеоимпульсный способ представления сигналов. Для передачи видеосигналов необходимы гальванически связанные цепи (кондуктивная связь), обладающие низкой помехоустойчивостью, особенно с увеличением длины линии связи. Этот недостаток можно существенно уменьшить, если перейти к обмену модулированными сигналами, спектр которых располагается в некоторой полосе частот (F₁ F_i) при F₁ 0.

В качестве информационных параметров при представлении сигналов видеоимпульсами могут быть амплитуда напряжения или тока, длительность импульса и (или) паузы (широтно-импульсная модуляция), сочетание импульсов с различными признаками (кодово-импульсная модуляция), а при представлении модулированными сигналами также частота и фаза модулированного сигнала. Модулированные сигналы используются, как правило, в каналах последовательной передачи: электрических кабелях большой протяженности и световодных кабелях.

При видеоимпульсном представлении сигналов для их разделения используют:

- пространственный способ разделения (в каналах с параллельной передачей);

- временной способ разделения информационных битов относительно синхронизирующих сигналов (в каналах с последовательной передачей);

При модулированных сигналах кроме временного способа разделения применяется частотное разделение, обеспечивающее одновременную передачу по одному кабелю нескольких разрядов, либо одновременную коммутацию нескольких каналов, каждый из которых использует свою несущую частоту.

Следующим отличительным признаком являются тип физической среды и пропускная способность линии передачи.

В качестве физической среды распространения каналов межмодульного обмена используются витые пары (проводные лини связи), коаксиальный кабель, а также световодные волоконно-оптические кабели.

Области использования каналов с различной физической средой в зависимости от их длины L и скорости передачи V приведены на рисунке 3.13.

Рисунок 3.13

Витая пара – самый дешевый тип соединительных проводов. Представляет собой скрученные между собой два провода в диэлектрической изоляции. Витая пара характеризуется исключительной простотой монтажа и ремонта повреждений. Как правило, витая пара используется для передачи на скорости до 10Мбит/с. К недостаткам витой пары относятся низкий уровень защищенности от электрических и магнитных помех и большой уровень собственных излучений, а также возможность простого несанкционированного подключения к сети с целью прослушивания или вредительства. Иногда используется экранированная витая пара, свободная от первых двух недостатков. Витая пара обычно используется для связи на расстояниях не более нескольких сот метров. Затухание сигнала на частоте 10Мгц составляет около (1.0 3.0) дБ/м. Задержка сигнала в витой паре обычно не превышает (8 12) нс/м. Как и при использовании любого электрического кабеля здесь очень важна проблема гальванической развязки абонентов друг от друга. При отсутствии такой развязки возможен выход из строя аппаратуры абонентов при различных неисправностях в сети.

Коаксиальный кабель – наиболее распространенный тип линии связи, сочетающий в себе легкость монтажа и высокую помехозащищенность. Представляет собой центральный проводник в изоляции, помещенный в гибкий металлический коаксиальный экран. Стоимость коаксиального кабеля значительно выше (в несколько раз) стоимости витой пары. Затухание сигнала на частоте 10Мгц составляет порядка (0,1 1.0)дБ/м. Задержка распространения сигнала в коаксиальном кабеле – (4 5)нс/м. При использовании коаксиального кабеля (как и витой пары) важно обеспечить гальваническую развязку и согласование на концах линии. Условия согласования показаны на рисунке 3.14.

Рисунок 3.14.

Наличие экрана у коаксиального кабеля значительно снижает собственное излучение. Несанкционированное подключение к коаксиальному кабелю сложнее , чем в витой паре, но возможно. Допустимая длина линии связи – несколько километров, а пропускная способность (50 100)Мбит/с.

Волоконно-оптический кабель - это качественно иной тип среды передачи информации. Сигнал по нему передается не электрический, а световой, что требует преобразования электрического сигнала в световой на передающем конце и обратного преобразования – на приемном. Это, конечно увеличивает стоимость аппаратуры. Однако, уникальные характеристики волоконно-оптических кабелей обеспечивают им все большее распространение. Свет с длиной волны 0,85 мкм или 1,2 мкм передается по тонкому (порядка 10 мкм) стекловолокну, заключенному в оболочку, которая имеет значительно меньший коэффициент преломления. Это приводит к эффекту полного внутреннего отражения и свет проходит по кабелю не выходя наружу. Главное достоинство этого типа кабеля – чрезвычайно высокий уровень помехозащищенности и отсутствие излучения (высокая скрытность). Практически невозможно несанкционированное подключение. Максимальная длина кабеля без ретрансляции может достигать нескольких десятков километров. Задержка сигнала – около 5нс/м , скорость передачи до 3Гбит/с. Затухание сигналов – 5дБ/км. При этом с ростом частоты затухание увеличивается гораздо меньше, чем в коаксиальном кабеле, поэтому на частотах более 200Мгц волоконно-оптические кабели имеют несомненное преимущество по этому показателю перед любыми электрическими кабелями.

К недостаткам волоконно-оптических линий связи следует отнести высокую сложность их монтажа, так как при соединении кабелей требуется микронная точность, меньшую механическую прочность и долговечность, а также чувствительность к ионизирующим излучениям (снижается прозрачность оптоволокна). Зато не требуется гальванической развязки и согласования на концах.

Кроме вышеперечисленных типов линий связи можно упомянуть радиоканал и инфракрасный канал. Однако они не получили пока такого же широкого распространения в локальных сетях из-за низких помехозащищенности и скрытности передачи информации, хотя и имеют свои несомненные преимущества: высокая скорость и практически неограниченная дальность - для радиоканала, нечувствительность к электромагнитным помехам – для инфракрасного канала.