4.2. Множественный доступ к среде передачи

4.2.1. Классификация методов множественного доступа

Классификацию методов использования общей среды передачи можно представить схемой рис.4.3.

Методы статического выделения каналов, как следует из их названия, формируют отдельные каналы связи, которые на постоянной основе закрепляются за сетевыми станциями. Такой подход радикально решает проблему управления доступом к среде и оправдан в условиях, когда сетевые устройства генерируют достаточно равномерный и не очень интенсивный трафик. Сети связи, базирующиеся на радиоканалах, могут служить примером сетей с общей средой передачи и статическим выделением каналов. Так в спутниковой системе связи обычно выделяются один частотный диапазон для передачи сигналов на спутник (up-link) и другой частотный диапазон (down-link) для передачи информации наземным станциям. В ЛВС такой способ использования общей среды не нашел сколько-нибудь заметного применения.

Вторая группа методов реализует динамический принцип выделения одной из пар станций всех ресурсов среды на время, необходимое для передачи определенного объема данных (обычно, одного кадра). При этом, управление доступом к среде может базироваться либо на принципе саморегулирования, либо на принципе расписания. Заметим, что сети шинной топологии преимущественно используют доступ с саморегулированием, а в сетях кольцевой топологии чаще реализуется доступ по расписанию. Но всегда, в явном или неявном виде, должен существовать механизм управления доступом к общей среде передачи. Реализация такого механизма является основной задачей МАС-протоколов. Любой из них предполагает расход части коммуникационных ресурсов среды для реализации своих управляющих функций, что и определяет эффективность того, или другого, протокола. Проанализируем факторы, влияющие на эффективность МАС-протоколов, поддерживающих различные методы доступа.

4.2.2. Случайный доступ к среде передачи

4.2.2.1. Показатели эффективности использования среды

Б удем считать, что среду передачи разделяют всего две станции А и В, а доступ к ней регулируется «случайным» алгоритмом. Примем допущение, что станции имеют какой-либо механизм контроля состояния среды. Тогда, станция А прежде, чем начать передачу кадра, «слушает» среду, чтобы убедиться в ее незанятости. (Механизм прослушивания может представлять собой измерение уровня сигнала на зажимах подключения станции к «общему кабелю»). Пусть интервал времени от отсылки первого бита кадра станцией А до получения этого бита станцией В составляет (время распространения сигнала в среде). Если в течение этого времени станция В не начнет передачу своего кадра, то процесс передачи от станции А завершится успешно. Однако, в какой-то момент , когда станция B еще «не знала» о занятости среды, она может начать передачу своего кадра (рис. 4.4). В момент времени сигналы этих станций «встретятся» и аналоговое состояние линии изменится. Это изменение состояния линии, свидетельствующее о факте коллизии, будет зафиксировано станциями в разные моменты времени и (в приведенном примере ). Очевидно, что необходим механизм разрешения возникшего соперничества за среду передачи.

F_B

А

В

Ненулевая вероятность возникновения коллизий сама по себе уже приводит к определенным «накладным расходам», снижающим эффективность использования пропускной способности среды передачи. Предположим, что только станция А имеет данные для передачи. Завершение передачи ею первого кадра станет известным всем станциям в сети через время после передачи последнего бита кадра. И это время сама станция А не имеет права начать передачу очередного кадра. Исходя из принципа "справедливости" станция А должна дать возможность доступа к среде другим станциям и из желания избежать коллизии (станция А ведь «не знает», что у других станций нет кадров для передачи), она попытку передать свой второй кадр должна будет задержать еще на время , в течение которого выясняется, что никакая другая станция не начала свою передачу. Из этого элементарного анализа вытекает, что время является минимальным межкадровым интервалом, необходимым для координации доступа станций к среде передачи (назовем его интервалом уязвимости). Если номинальная скорость работы интерфейса составляет R бит/сек, то минимальное количество «потерянных» бит (то их количество, которое не будет передано в силу реализации дисциплины доступа к среде) составит . Поскольку такие потери сопровождают передачу каждого кадра, то при его размере L бит эффективность использования пропускной способности канала (производительность метода доступа к среде) определится выражением:

(4.1)

Видно, что величина произведения и для МАС-протоколов играет существенную роль. Из выражения (4.1) также следует желательность малой величины параметра а и это накладывает ограничения как на диаметр сети, так и на размер кадра (L). При типичных для ЛС значениях диаметра сети 100 м ( сек) и скорости передачи R=10 Мбит/с для кадра величиной L=12000 бит параметр а оказывается равным , а для кадра с L=512 бит . При таких его значениях максимально достижимая производительность механизма случайного доступа к среде оказывается достаточно высокой.

Однако, выражение (4.1) учитывает лишь один, совершенно неустранимый источник потерь пропускной способности канала, – межкадровый интервал. Это выражение не учитывает время, затрачиваемое на регулирование доступа к среде, время повторных передач кадров испорченных коллизиями. В общем случае, при передаче одного кадра могут возникать несколько коллизий, и их число будет расти с увеличением количества станций в сети.

Для оценки регулирующих свойств МАС-протокола представляет интерес зависимость S(G), где G – предлагаемая нагрузка, измеряемая общим числом кадров, полученных от приложения МАС-модулями передатчиков всех сетевых станций за единицу времени, а S – число кадров, успешно полученных приемниками за тот же интервал времени. Обычно величины G и S нормируют к значению , т.е. к предельному числу кадров, которые могут быть переданы за единицу времени; близкая к такой ситуация может быть достигнута в условиях, когда только одна станция ведет передачу данных, число кадров у нее бесконечно, а межкадровый интервал много меньше времени передачи кадра. Нетрудно предположить, что в реальной сети при малых интенсивностях генерации кадров эта зависимость будет линейной; с ростом предлагаемой нагрузки доля успешно доставляемых кадров будет уменьшаться, а при очень больших нагрузках она должна стремиться к нулю, поскольку вероятность коллизий становится очень высокой.

Второй, не менее важной характеристикой алгоритма доступа, является среднее время доставки кадра ( ). Время доставки кадра ( ) измеряется длительностью интервала от момента прибытия первого бита в МАС-модуль станции отправителя до момента получения последнего бита кадра МАС-модулем станции получателя. Величина этого интервала зависит, в частности, от принятой дисциплины доступа к среде и служит еще одной мерой, характеризующей регулирующую способность МАС-протокола.

Интуитивно ясно, что основной причиной роста времени доставки кадра является рост числа коллизий. Предельная нагрузка , при которой время передачи становится недопустимо большим, должна уменьшаться с ростом параметра a. Действительно, если рост a связан с уменьшение величины кадра, то следствием этого будет увеличение числа передаваемых кадров (попыток получения доступа к среде); следовательно, будет увеличиваться доля времени, затрачиваемого на доступ к каналу и число коллизий. Соответственно, среднее время доставки кадра достигнет своих предельных значений при меньших значениях предлагаемой нагрузки. Если же рост параметра a связан с увеличением битовой скорости интерфейса (R), то при неизменных остальных параметрах это означает увеличение доли времени простоя ( ) в общей длительности цикла передачи кадра , что приводит к увеличению нормированного среднего времени передачи кадра. Рис.4.5 качественно иллюстрирует эту зависимость.