Цель лабораторной работы – изучение метода доступа к среде передачи данных в локальной сети Ethernet, называемого методом коллективного доступа с опознаванием несущей и обнаружением коллизий (CSMA/CD).

Коллективное использование ресурсов

Многие вопросы, возникающие при эксплуатации и проектировании сетей ЭВМ, связаны с распределением ресурсов среди конкурирующих требований на эти ресурсы. Требования могут порождаться большим числом терминалов, которые нуждаются в доступе, например, к средствам передачи информации.

Методы распределения общего ресурса являются одним из наиболее важных аспектов современного проектирования информационных систем и их работы, особенно для систем, в которых непредсказуемыми являются как моменты поступления требований, так и размеры их заявок на ресурсы. Возникает задача эффективного распределения общего ресурса по требованиям, так как качество обслуживания пользователя является важнейшим показателем работы сети.

Можно представить себе целый ряд способов распределения ресурсов, часть из которых окажется неприемлемой. Например, если объединить ресурсы и предоставить их в неограниченное использование любой из станций сети, то может произойти несправедливое распределение и по существу не будет коллективного использования ресурсов.

Имеет недостатки и регулируемый способ распределения ресурсов. Например, если предоставить каждому пользователю фиксированное время доступа к ресурсу, то возникает проблема простоя ресурса в случаях, когда пользователь не нуждается в ресурсе в выделенное для него время.

В локальных сетях широко применяется способ доступа к общему ресурсу, основанный на свободном конкурировании станций за владение ресурсом. При этом станции имеют равные права доступа: свободный ресурс может захватить любая из станций. Естественно, что при таком доступе возникают конфликтные ситуации, когда несколько станций одновременно пытаются захватить ресурс. Выход из таких ситуаций обеспечивают сетевые протоколы.

Локальную сеть с общим каналом можно анализировать с позиций теории массового обслуживания как систему с одним прибором обслуживания (каналом передачи данных), на вход которого подключено множество станций, конкурирующих за владение каналом.

Полагаем, что поток заявок в виде сообщений от каждой станции независим от потока заявок других станций и имеет случайный характер, подчиняющийся некоторому закону появления случайных событий. Все станции имеют равные права доступа к общему ресурсу. Параметры такой модели системы могут быть вычислены с помощью формул, описывающих систему с одним прибором обслуживания и некоторым числом потоков поступающих заявок [1].

Для упрощения анализа поведения системы при большом числе потоков заявок считаем, что на вход прибора поступает один поток заявок, параметры которого определяются суммой потоков от всех станций сети. Такое упрощение логической схемы системы будет корректно, если потоки независимы, имеют одинаковые параметры и все станции имеют одинаковые права доступа к общему ресурсу. Кроме того, полагаем, что заявка, принятая на обслуживание , обслуживается прибором до конца.

Однако упрощенная модель не всегда соответствует реальным характеристикам подключенных в сеть станций и протоколу доступа к общему ресурсу.

К основным параметрам любой системы коллективного использования ресурсов относятся следующие:

• время нахождения заявки в системе;

• производительность системы;

• пропускная способность ресурса;

• показатель использования ресурса.

Предположим, что имеется поток заявок к ресурсу системы на выполнение некоторой работы (передачи сообщения), причем, каждая заявка требует некоторое число операций от ресурса.

Обозначим через C пропускную способность ресурса в операциях в секунду (для общего канала в сети Ethernet эта величина равна 10.000.000 бит/с). Если известен средний размер сообщений S (в битах) , то среднее время обслуживания T , которое требуется для передачи сообщения от некоторой станции (при отсутствии перерывов в передаче), вычисляется по формуле:

T = S/C [c] . (1)

Обозначим через L среднее число заявок в секунду (интенсивность заявок), поступающих к общему ресурсу от N станций, каждая из которых формирует L₁ = L/N заявок в секунду.

Наиболее важным параметром системы массового обслуживания является коэффициент использования ресурса (загрузка системы) R, определяемый как произведение средней интенсивности L поступления заявок в систему на среднее время обслуживания T заявки :

R = L*T . (2)

Величина R равна доле времени, в течение которого занят обслуживанием заявок единственный прибор. В общем случае величина R – математическое ожидание доли используемой пропускной способности системы. Эта величина для стабильно работающей системы не может быть больше единицы. Система считается стабильной, если в течение длительного времени в ней имеются конечные задержки обслуживания заявки и длина очереди на обслуживание.

Чем ближе загрузка системы к единице, тем больше очередь и время ожидания в очереди. Именно изменение загрузки прибора обслуживания наиболее существенно влияет на основные характеристики системы.

Среднее время ожидания обслуживания в очереди равно

W = T/(1-R) (3)

Среднее время нахождения заявки в системе (время ответа) U связано со средним временем обслуживания T и средним временем ожидания обслуживания W (в условиях конкуренции) фундаментальным соотношением:

U = (T +W) [c]. (4)

Среднее число заявок N, находящихся в системе (в очереди и на обслуживании), вычисляется по формуле:

N = L*U. (5)

Средняя длина очереди K может быть вычислена по формуле:

K = L*W. (6)

Для системы с произвольным законом распределения времени обслуживания и промежутков между соседними заявками справедливо равенство:

K = N – R. (7)

Приведенные выше формулы могут быть использованы для ориентировочных расчетов параметров локальной сети, которая представляет собой систему массового обслуживания, содержащую один прибор обслуживания (общий канал).

Производительность системы передачи определяет максимальное количество информации, которое может передать система в секунду в заданных условиях и требованиях к качеству обслуживания. Она зависит от загрузки, протокола доступа к ресурсу и может быть определена с помощью имитационного моделирования на компьютере с учетом правил доступа к каналу связи.