3.2 Керування обміном у мережі з топологією шина

При топології шина також можливо централізоване керування. При цьому один з абонентів ("центральний") посилає по шині всім іншим ("периферійним") запити (керуючі пакети), з'ясовуючи, хто з них хоче передати, потім дозволяє передачу одному з абонентів. Абонент, що одержав право на передачу, по тій же шині передає свій інформаційний пакет тому абонентові, якому хоче. А після закінчення передачі абонент, що передавав, усе по тій же шині повідомляє "центру", що він закінчив передачу (керуючим пакетом) , і "центр" знову починає опитування рис. 4.9).

Рис. 4.9. Централізоване керування в мережі з топологією шина

Переваги й недоліки такого керування - ті ж самі, що й у випадку централізовано керованої зірки. Єдина відмінність полягає в тому, що центр тут не пересилає інформацію від одного абонента до іншого, як у топології активна зірка, а тільки управляє обміном.

Набагато частіше в шині використовується децентралізоване випадкове керування, тому що мережні адаптери всіх абонентів у цьому випадку однакові, і саме цей метод найбільше органічно підходить шині. При виборі децентралізованого керування всі абоненти мають рівні права доступу до мережі, тобто особливості топології збігаються з особливостями методу керування. Рішення про те, коли можна передавати свій пакет, приймається кожним абонентом на місці, виходячи тільки з аналізу стану мережі. У цьому випадку виникає конкуренція між абонентами за захоплення мережі, і, отже, можливі конфлікти між ними й спотворення переданої інформації через накладення пакетів.

Існує множина алгоритмів доступу або, як ще говорять, сценаріїв доступу, часом дуже складних. Їхній вибір залежить від швидкості передачі в мережі, довжини шини, завантаженості мережі (інтенсивності обміну або трафика мережі), використовуваного коду передачі.

Суть всіх випадкових методів керування обміном досить проста.

Якщо мережа вільна (тобто ніхто не передає своїх пакетів), то абонент, що бажає передавати, відразу починає свою передачу. Час доступу в цьому випадку дорівнює нулю.

Якщо ж у момент виникнення в абонента заявки на передачу мережа зайнята, то абонент, що бажає передавати, чекає звільнення мережі. У противному випадку спотворяться й пропадуть обидва пакети. Після звільнення мережі абонент, що бажає передавати, починає свою передачу.

Виникнення конфліктних ситуацій (зіткнень пакетів, колізій), у результаті яких передана інформація спотворюється, можливо у двох випадках.

• При одночасному початку передачі двома або більше абонентами, коли мережа вільна ( рис. 4.10). Ця ситуація досить рідка, але все-таки цілком можлива.

• При одночасному початку передачі двома або більше абонентами відразу після звільнення мережі ( рис. 4.11). Ця ситуація найбільш типова, тому що за час передачі пакета одним абонентом цілком може виникнути кілька нових заявок на передачу в інших абонентів.

Існуючі випадкові методи керування обміном (арбітражу) розрізняються тим, як вони запобігають можливим конфліктам або ж дозволяють уже виниклі. Жоден конфлікт не повинен порушувати обмін, всі абоненти повинні, зрештою, передати свої пакети.

У процесі розвитку локальних мереж було розроблено кілька різновидів випадкових методів керування обміном.

Рис. 4.10. Колізії у випадку початку передачі при вільній мережі

Рис. 4.11. Колізії у випадку початку передачі після звільнення мережі

Наприклад, був запропонований метод, при якому не всі передавальні абоненти розпізнають колізію, а тільки ті, які мають менші пріоритети. Абонент із максимальним пріоритетом із всіх, що почали передачу, закінчить передачу свого пакета без помилок. Інші, виявивши колізію, припинять свою передачу й будуть чекати звільнення мережі для нової спроби. Для контролю колізії кожен передавальний абонент робить побітове порівняння переданої їм у мережу інформації й даних, присутніх у мережі. Перемагає той абонент, заголовок пакета якого довше інших не спотворюється від колізії. Цей метод, називаний децентралізованим кодовим пріоритетним методом, відрізняється низькою швидкодією й складністю реалізації.

При іншому методі керування обміном кожен абонент починає свою передачу після звільнення мережі не відразу, а, витримавши свою, строго індивідуальну затримку, що запобігає колізії після звільнення мережі й тим самим зводить до мінімуму загальна кількість колізій. Максимальним пріоритетом у цьому випадку буде володіти абонент із мінімальною затримкою. Зіткнення пакетів можливі тільки тоді, коли два й більше абоненти захотіли передавати одночасно при вільній мережі. Цей метод, називаний децентралізованим тимчасовим пріоритетним методом, добре працює тільки в невеликих мережах, тому що кожному абонентові потрібно забезпечити свою індивідуальну затримку.

В обох випадках є система пріоритетів, все-таки дані методи ставляться до випадкових, тому що результат конкуренції неможливо пророчити. Випадкові пріоритетні методи ставлять абонентів у нерівні умови при великій інтенсивності обміну по мережі, тому що высокоприоритетные абоненти можуть надовго заблокувати мережа для низкоприоритетных абонентів.

Найчастіше система пріоритетів у методі керування обміном у шині відсутній повністю. Саме так працює найпоширеніший стандартний метод керування обміном CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection -множинний доступ з контролем несучої й виявленням колізій), використовуваний у мережі Ethernet. Його головне достоїнство в тім, що всі абоненти повністю рівноправні, і жоден з них не може надовго заблокувати обмін іншому (як у випадку наявності пріоритетів). У цьому методі колізії не запобігають, а дозволяються.

Суть методу полягає в тому, що абонент починає передавати відразу, як тільки він з'ясує, що мережа вільна. Якщо виникають колізії, то вони виявляються всіма передавальними абонентами. Після чого всі абоненти припиняють свою передачу й відновляють спробу почати нову передачу пакета через часовий інтервал, тривалість якого вибирається випадковим образом. Тому повторні колізії малоймовірні. Докладніше метод CSMA/CD буде розглянутий у главі 7.

Ще один розповсюджений метод випадкового доступу - CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance - множинний доступ з контролем несучої й запобіганням колізій) що застосовується, наприклад, у мережі Apple LocalTalk. Абонент, що бажає передавати й виявив звільнення мережі, передає спочатку короткий керуючий пакет запиту на передачу. Потім він заданий час чекає відповідного короткого керуючого пакета підтвердження запиту від абонента-приймача. Якщо відповіді ні, передача відкладається. Якщо відповідь отримана, передається пакет. Колізії повністю не усуваються, але в основному зіштовхуються керуючі пакети. Зіткнення інформаційних пакетів виявляються на більше високих рівнях протоколу.

Подібні методи будуть добре працювати тільки при не занадто великій інтенсивності обміну по мережі. Уважається, що прийнятна якість зв'язку забезпечується при навантаженні не вище 30-40% (тобто коли мережа зайнята передачею інформації приблизно на 30-40% усього часу). При більшому навантаженні повторні зіткнення частішають настільки, що наступає так званий колапс або крах мережі, що представляє собою різке падіння її продуктивності.

Недолік всіх випадкових методів полягає ще й у тому, що вони не гарантують величину часу доступу до мережі, що залежить не тільки від вибору затримки між спробами передачі, але й від загальної завантаженості мережі. Тому, наприклад, у мережах, що виконує задачі керування встаткуванням (на виробництві, у наукових лабораторіях), де потрібна швидка реакція на зовнішні події, мережі з випадковими методами керування використаються досить рідко.

При будь-якому випадковому методі керування обміном, що використає детектирование колізії (зокрема, при CSMA/CD), виникає питання про те, який повинна бути мінімальна тривалість пакета, щоб колізію виявили всі що почали передавати абоненти. Адже сигнал по будь-якому фізичному середовищу поширюється не миттєво, і при більших розмірах мережі (діаметрі мережі) затримка поширення може становити десятки й сотні мікросекунд. Крім того, інформацію про одночасно, що відбуваються подіях, різні абоненти одержують не в один час. Для того щоб розрахувати мінімальну тривалість пакета, варто звернутися до рис. 4.12.

Рис. 4.12. Розрахунок мінімальної тривалості пакета

Нехай L – повна довжина мережі, V – швидкість поширення сигналу у використовуваному кабелі. Допустимо, абонент 1 закінчив свою передачу, а абоненти 2 й 3 захотіли передавати під час передачі абонента 1 і чекали звільнення мережі.

Після звільнення мережі абонент 2 почне передавати відразу ж, тому що він розташований поруч із абонентом 1. Абонент 3 після звільнення мережі довідається про цю подію й почне свою передачу через часовий інтервал проходження сигналу по всій довжині мережі, тобто через час L/V. При цьому пакет від абонента 3 дійде до абонента 2 ще через часовий інтервал L/V після початку передачі абонентом 3 (дорога назад сигналу). До цього моменту передача пакета абонентом 2 не повинна закінчитися, інакше абонент 2 так і не довідається про зіткнення пакетів (про колізії), у результаті чого буде переданий неправильний пакет.

Получается, що мінімально припустима тривалість пакета в мережі повинна становити 2L/V, тобто рівнятися подвоєному часу поширення сигналу по повній довжині мережі (або по шляху найбільшої довжини в мережі). Цей час називається подвійним або круговим часом затримки сигналу в мережі або PDV (Path Delay Value). Цей же часовий інтервал можна розглядати як універсальну міру одночасності будь-яких подій у мережі.

Стандартом на мережу задається саме величина PDV, що визначає мінімальну довжину пакета, і з її вже розраховується припустима довжина мережі. Справа в тому, що швидкість поширення сигналу в мережі для різних кабелів відрізняється. Крім того, треба ще враховувати затримки сигналу в різних мережних пристроях. Розрахункам припустимих конфігурацій мережі Ethernet присвячена глава 10.

Окремо варто зупинитися на тім, як мережні адаптери розпізнають колізію в кабелі шини, тобто зіткнення пакетів. Адже простої побітове порівняння переданої абонентом інформації з тієї, котра реально є присутнім у мережі, можливо тільки у випадку найпростішого коду NRZ, використовуваного досить рідко. При застосуванні манчестерського коду, що звичайно мається на увазі у випадку методу керування обміном CSMA/CD, потрібно принципово інший підхід.

Як ми вже відзначали, сигнал у манчестерському коді завжди має постійну складову, рівну половині розмаху сигналу (якщо один із двох рівнів сигналу нульовий). Однак у випадку зіткнення двох і більше пакетів (при колізії) це правило виконуватися не буде. Постійна складова сумарного сигналу в мережі буде обов'язково більше або менше половини розмаху ( рис. 4.13). Адже пакети завжди відрізняються друг від друга й до того ж зрушений друг щодо друга в часі. Саме по виходу рівня постійної складової за встановлені межі й визначає кожен мережний адаптер наявність колізії в мережі.

Рис. 4.13. Визначення факту колізії в шині при використанні манчестерського коду

Задача виявлення колізії істотно спрощується, якщо використовується не щира шина, а рівноцінна їй пасивна зірка ( рис. 4.14).

Рис. 4.14. Виявлення колізії в мережі пасивна зірка

При цьому кожен абонент з'єднується із центральним концентратором, як правило, двома кабелями, кожний з яких передає інформацію у своєму напрямку. Під час передачі свого пакета абонентові досить усього лише контролювати, чи не приходить йому в цей момент по зустрічному кабелі (прийомному) інший пакет. Якщо зустрічний пакет приходить, то детектується колізія. Точно так само виявляє колізії й концентратор.