Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Методы и средства передачи данных в автоматизированных системах. Учебное пособие
.pdf
4.2. Топологии сетей передачи данных в распределенных информационных…
71
Рассмотрим последовательно особенности каждой топологии.
Сеть с топологией «общая шина». Также носит название моноканальной сети. Логично, что это сеть, основой для которой служит «моноканал». Однозначно характеризуется подключением группы абонентских систем к одному моноканалу.
Топология с общей шиной обладает преимуществами:
1) в небольших сетях работает наиболее надежно;
2) очень проста в использовании;
3) понятна для проектировщика;
4) требует немного кабеля для соединения по сравнению с другими
топологиями;
5) как следует из предыдущего пункта, «общая шина» дешевле дру-
гих типов построения сетей;
6) легко расширить, просто подключив новых абонентов к уже име-
ющейся шине;
7) общая протяженность кабелей меньше, чем у альтернативных ре-
шений;
8) как следует из п. 7, у таких сетей более высокая надежность;
9) как следует из п. 8, выход из строя одного узла не нарушает рабо-
тоспособности сети в целом.
Недостатки топологии с общей шиной состоят в следующем:
1) обрыв основного кабеля может привести к нарушению работы
сразу всей сети;
2) разрыв моноканала в одном месте как минимум поделит «шину»
на две независимые части;
3) по единственному каналу прокачивается трафик с высокой на-
грузкой;
4) как следует из п. 3, производительность такой сети снижается при
увеличении «прокачки» данных;
5) информация в системе слабо защищена на физическом уровне;
6) как следует из п. 5, сообщения могут быть приняты и на любом
другом подключенном компьютере или вообще перехвачены или изменены
аппаратной «закладкой».
Сеть со «звездообразной» топологией – это разновидность древовидной сети, в которой имеется только один центральный узел. Этот же узел
Глава 4. Основы применения компьютерных сетей в автоматизированных…
72
считается промежуточным, так как через него осуществляется передача
всех информационных пакетов и служебных сообщений.
В качестве центрального элемента сети обычно выступает мульти-
плексор, концентратор или маршрутизатор.
Мультиплексор ‒ это устройство, которое преобразует несколько
входящих сигналов в один исходящий.
Концентратор ‒ это устройство, позволяющее обслуживать большее
количество источников и приемников данных по небольшому числу каналов.
Маршрутизатор – это устройство, управляющее трафиком на основе
таблиц маршрутизации и устанавливающее соединения на физическом и
логическом уровне между абонентами.
«Звездообразная» сеть, как уже сказано выше, имеет только один
узел «в центре сети» и набор расходящихся от него связей со станциями на
концах. В «звездообразной топологии» все станции никак не связаны друг
с другом напрямую, но взаимодействуют исключительно через этот центральный узел. Этот же самый узел управляет потоком сообщений в сети,
а также контролирует и пропускает через себя весь трафик.
Естественно, что при выходе из строя этого центрального узла, сеть
уничтожается полностью, т.е. перестает функционировать.
Расширять звездообразную топологию можно следующим образом:
вместо одного из компьютеров подключают еще один концентратор и присоединяют к подсоединенному концентратору дополнительные машины,
образуя вторичную сеть, которая логически является просто одной машиной для первичной сети.
Следует сказать, что сейчас такая топология является самой распространенной как для проводных и беспроводных сетей. В бытовом секторе,
например, часто ставят маршрутизатор Wi-Fi и подключают к нему все
устройства по беспроводному каналу. Этот маршрутизатор и является центральным звеном сети.
Преимущества сети звездообразной топологии состоят в том, что:
1) сеть дешева в построении и в эксплуатации;
2) сеть допускает добавление активных устройств, не нарушая уже
имеющуюся архитектуру;
3) центральный узел удобно использовать:
4.2. Топологии сетей передачи данных в распределенных информационных…
73
а) для мониторинга;
б) диагностики;
в) фильтрации трафика;
г) защиты данных;
д) проверки лицензий;
е) также других служебных целей;
4) отказ одного из подключенных узлов не приводит к остановке
сети;
5) в сети допускается применение нескольких типов физических со-
единений – это все зависит только возможностей центрального узла (есть
соответствующие порты) и возможностей абонента.
Недостатки подобной сети заключаются в том, что:
1) отказ центрального узла «ломает» всю сеть;
2) нужно много кабелей для соединения всех элементов, так как ка-
нал тянется ко всем участникам сети, что сказывается на конечной стоимости (хотя это не так актуально для беспроводной сети, так как мы там платим только за центральный узел – маршрутизатор).
Следующий тип сети носит название «кольцевая топология». По
своей сути – это сеть, в которой каждый элемент соединен с другими узлами последовательно, но последний связан с первым. Таким образом, сообщения всегда будут передаваться с выхода одного узла на вход другого
и с выхода последнего на вход первого. Каждая станция выступает в роли
ретранслятора пакетов и прямо связана с двумя соседними.
Сеть с кольцевой топологией все же обладает определенными пре-
имуществами:
1) все сетевые карты компьютеров имеют один и тот же уровень до-
ступа и приоритет, но никто из них не может монополизировать сеть и «вытеснить» других участников обмена;
2) система более надежна по сравнению с другими топологиями, так
как к каждому компьютеру подведено два канала связи, а в современных
реализациях разрыв соединения просто делит сеть на два сегмента;
3) совместное использование передающей среды делает предсказуе-
мой нагрузку и производительность, даже в условиях увеличения числа
абонентов.
Глава 4. Основы применения компьютерных сетей в автоматизированных…
74
Недостатки сети с кольцевой топологией:
1) у таких сетей большая протяженность кабелей, так как необходимо
покрыть все подключенные машины «с двух сторон»;
2) сетевая карта компьютера в кольцевой топологии сложнее в про-
изводстве, так как априори имеет два коннектора;
3) более слабая защищенность информации по сравнению со «звез-
дой» и другими технологиями и возможность подключить «прозрачную закладку» в разрез сети и перехватывать трафик;
4) более низкое быстродействие по сравнению с топологией «звезда»,
но сравнимое с более простыми технологиями.
Мы рассмотрели простые топологические решения для компьютерных сетей, – они однородны внутри и являются «чистыми».
Однако в реальной ситуации топологии сетей являются комбинацией других более простых типов вследствие их размера и сложности. Рассмотрим далее несколько вариантов топологий, которые все чаще применяются на практике.
Это топологические организации сетей, имеющие сложную структуру: ячеистую, сотовую или полносвязную.
Например, полносвязная топология – это сеть, в которой все узлы
связаны со всеми другими узлами сразу. Подобная сеть характеризуется
наличием избыточных связей между устройствами. Для большого числа сетевых устройств такая схема вообще неприемлема, но отлично проявляет
себя в высокопроизводительных вычислительных системах, в коммутационных матрицах устройств и в многопроцессорных системах [5].
Древовидная топология фактически является объединением нескольких «слоев» звездообразных сетей, где каждый следующий «слой»
подключается к лучу предыдущего «слоя».
Следующим вариантом является сеть гибридной топологии. Такая
сеть применяется чаще всего для подключения нескольких сетей, причем
каждая такая подсеть может иметь свою топологию. Например, часто
встречается сочетание магистральной линии в виде «кольца» и разветвленной системы древовидных подключений. С другой стороны, гибридная топология используется для создания глобальных вычислительных сетей.
Как следует из реальной практики, топология практически любой
реальной сети может повторять одну из приведенных выше или включать
их комбинацию.
4.3. Методы коммутации и доступа к моноканалу
75
4.3. Методы коммутации и доступа к моноканалу
Мы рассмотрели варианты построения локальных сетей с различ-
ными топологиями и упомянули, что все они в той или иной мере используют «моноканал» для передачи данных между участниками обмена.
Следует учесть важность понятия «моноканала» и рассмотреть ме-
тоды доступа к этому общему ресурсу.
Мы можем поделить все методы доступа:
1) на случайные методы доступа:
а) Pure ALOHA;
б) Slotted ALOHA;
в) CSMA;
г) CSMA/CD;
д) CSMA/CA.
2) детерминированные методы доступа:
а) Token Bus;
б) вариации Token Bus.
Рассмотрим далее сущность этих методов.
Первой в истории компьютерных сетей системой доступа к монока-
налу была Истинная Алоха (Pure ALOHA). Эта сеть была создана на Гавайских островах. Ее использовали для связи между одной главной станцией
и рабочими станциями (сервером и клиентами). Идея создания сервера принадлежала Гавайскому университету в Гонолулу. Все терминалы в основном были расположены на ближайших островах архипелага.
Сеть начала свою работу в 1970 г. Для обеспечения работоспособно-
сти сети, ученые специально разработали два радиочастотных канала:
1) прямой канал для трансляции пакетов данных от сервера к рабочим
станциям;
2) обратный канал для обратной передачи сообщений от станций к
серверу.
В случае передачи от сервера к конечным станциям – все просто: для
всех станций имеется только один источник сигнала (сервер) и никаких
трудностей при передаче данных в этом направлении не возникает.
Второй канал, разворачиваемый в обратном направлении от станций
к серверу, используется одновременно всеми клиентами для передачи и
Глава 4. Основы применения компьютерных сетей в автоматизированных…
76
фактически делится между участниками обмена как общий кабель. При
этом две и более станций могут одновременно испытывать необходимость
что-либо передать серверу или ответить на его запрос.
Так как канал передачи для них един, то он становится разделяемым
ресурсом и в нем возникают коллизии в виде наложений пакетов от различных источников.
Для разделения этого канала между множеством абонентов был разработан и внедрен метод Pure Aloha. Согласно спецификации метода, каждая из рабочих станций в один момент времени может выполнять только
одну функцию: прослушивание канала сервер-клиент. Поэтому станции не
могут знать, занимает ли канал в данный момент времени кто-либо другой
или канал свободен.
Как только у станции подготавливается пакет для отправки, она
транслирует его напрямую в канал и не обращает внимание на то, что канал
в данный момент может быть занят кем-то еще.
В конце трансляции пакета передавшая его станция запускает специальный таймер, отсчитывающий время, прошедшее после факта окончания передачи. В течение этого времени пост-процесс определяет, был ли
пакет испорчен или успешно дошел до сервера.
Если после истечения данного времени станция не получила подтверждение со стороны сервера при помощи специального пакета-квитанции, то она повторяет передачу того же самого пакета и, как следствие,
опять запуская таймер.
Попытки передать пакет будут продолжаться до того момента, когда
пакет будет все-таки успешно передан. Для уменьшения вероятности возможного конфликта таймаут после передачи будет увеличиваться или просто задается случайным образом.
Приемник сервера в процессе работы будет принимать как нормальные, так и конфликтующие пакеты. Поэтому каждый принятый пакет проверяется на наличие ошибок.
Если ошибок не было обнаружено в процессе обмена между клиентом и сервером, то в ответ по второму каналу сервер посылает положительную квитанцию. Так как для канала связи сервер-станции ситуация с конфликтами не может возникнуть (станции только слушают этот канал), то
квитанция будет в конце концов получена.
4.3. Методы коммутации и доступа к моноканалу
77
Если конфликт возник между более чем двумя пакетами, получен-
ные данные разобрать будет невозможно. В этом случае положительная
квитанция так и не будет отправлена. Таким образом, через определенное
время все отправлявшие пакеты станции «поймут», что произошел конфликт и начнут свои периоды ожидания с разными таймаутами.
У такого подхода есть очевидный недостаток – всегда нужно ждать
определенное время, пока придет или не придет квитанция от сервера или
ожидать таймаут между попытками отправить конфликтующий пакет.
Фактически мы можем рассчитать суммарную продолжительность потерянного при передаче времени и назвать его интервалом потерь. Интервал
потерь рассчитывается от начала передачи первого пакета до завершения
передачи следующего удачного пакета.
Данная сеть прошла успешные испытания, но ее эффективность или
КПД были невелики (менее 30 %). Для того чтобы повысить «отдачу» от
сети, был придуман следующий метод доступа к моноканалу.
Тактированная Алоха или Slotted ALOHA.
Данный метод является усовершенствованной версией классического метода Pure ALOHA. При этом улучшения метода касались в основном сокращения суммарных потерь времени. По сути, здесь весь интервал времени разбивается сервером на временные такты или слоты (slot)
равной длины.
Любая станция «имеет право» начинать трансляцию исключительно
в начале определенного такта. В самом начале происходит синхронизация
всех станций и сервера. С этого момента они все начинают работать по
«серверному» времени в пределах определенных интервалов.
В таком случае конфликт может возникнуть только, если две и более
станции начали передачу пакетов в одном и том же слоте.
Пакеты передаются целиком, как это происходит и в первой версии
технологии, но делается это уже синхронно, так как начало передачи пакета
по времени совпадает с началом слота.
Вследствие этого суммарные потери времени не могут превышать
длительность одного слота по времени.
Такой подход к синхронизации пакетов резко сокращает суммарные
потери времени в сети, а полезная загрузка канала передачей неконфликтующих пакетов увеличивается по сравнению с Pure ALOHA, и составляет
уже более 40 %.
Глава 4. Основы применения компьютерных сетей в автоматизированных…
78
У обоих рассмотренных методов есть один серьезный недостаток –
они не контролируют состояние линии перед началом передачи.
Поэтому был создан еще один вариант сети, уже с прослушиванием
среды передачи, что позволяло определять: свободен ли сейчас моноканал
или нет.
Этот метод называется множественным доступом с контролем несу-
щей или carrier sense multiple access (CSMA).
Суть метода проста и основана на принципе повышения общей эффективности методов посредством реализации отказа от передачи пакета,
если обнаружен факт передачи данных другой станцией.
По сути, любая станция должна «слушать» канал и откладывать
свою передачу, если специальный алгоритм определяет, что канал «занят».
Если канал определяется как занятый, то все станции, у которых скопились
данные на отправку, ожидают окончания сессии, постоянно проверяя состояние моноканала, прослушивая его несущую частоту.
Как только прослушивающая аппаратура определяет, что среда передачи освободилась, передающая станция начинает передачу пакета данных. В этом случае она сама занимает канал до конца передачи пакета данных, а другие станции продолжают прослушивание.
Основной проблемой в таком подходе является то, что в любом случае
даже сигналу с высокой скоростью распространения требуется какое-то
время для распространения по моноканалу и достижения крайних точек сети.
Поэтому станции на разном удалении друг от друга получают возможность определить присутствие несущей частоты в разное время. Этот
факт обусловлен физикой распространения сигнала и, например, в рассматриваемой сети среднее время пробега сигналом 1 км кабеля для кабельной
системы составляет примерно 5 мкс.
Может возникнуть ситуация, когда две или более станции начнут передачу в одно и то же время, потому что они прослушивали канал и не
«увидели» на нем чужую передачу. В этот момент времени моноканал считается свободным, хотя в действительности же пакет от другой передающей станции просто еще не «дошел» до приемника нашей станции.
Передаваемые пакеты, в этом случае, все равно будут нарушены.
Задержка прохождения пакета данных может быть описана термином «окно конфликтов» или window collision.
4.3. Методы коммутации и доступа к моноканалу
79
Согласно спецификации метода множественного доступа с контролем, несущей предполагается, что источник пакета после начала передачи
собственного пакета сразу же перестает следить за моноканалом.
Если в описанной ситуации возникает конфликт, то подтверждение
нормального приема, т.е. положительная квитанция, также не отправляется.
Это приводит к тому, что по окончании таймаута источники данных считают, что все пакеты были повреждены. Как следствие, они пытаются передать их снова, но уже после следующего таймаута.
Для защиты пакетов от повторного конфликта станции включают режим ожидания и пропускают случайный интервал времени до следующей
попытки.
Отметим, что при реализации данного метода сильно сокращаются
суммарные и среднестатистические потери времени от конфликтов. Полезная загрузка канала в этом случае составляет уже более 80 %.
Логическим продолжением работы по совершенствованию методов
доступа к моноканалу является метод CSMA/CD или множественный доступ с контролем несущей и обнаружением конфликтов (Carrier Sense Mul-
tiple Access with Collision Detection).
Создатели данного метода пытались учесть недостатки предыдущих
вариантов. Например, в рассмотренных выше методах, пакеты передаются
полностью в любых ситуациях, даже тогда, когда обнаруживается конфликт и наложение пакетов.
При этом работает правило, что, чем больше участников обмена, тем
выше вероятность конфликта и тема ниже коэффициент полезного действия (КПД) сети.
В такой ситуации повышение эффективности сети может произойти
только тогда, когда среда передачи прослушивается все время, т.е. и до
начала передачи данных и во время этой передачи:
1) контроль несущей – это прослушивание моноканала до начала пе-
редачи;
2) обнаружение конфликтов – это прослушивание моноканала во
время выдачи пакета.
При всем этом, если происходит какой-либо конфликт пакетов в какой-нибудь момент времени, то передавшие сообщения станции примут
смесь различных сигналов вместо нормальных данных. Все они обнаружат
Глава 4. Основы применения компьютерных сетей в автоматизированных…
80
ошибку и прекратят передачу, не расходуя больше самый ценный ресурс –
время занятия моноканала.
Конечные потери времени при конфликтах в этом методе доступа
оказываются на порядок меньше, чем у предыдущих вариантов.
Естественно, что после аварийного завершения передачи, станции
попробуют повторить передачу через случайные промежутки времени.
Также естественно, что даже в этом случае остается возможность повторения конфликта между этими пакетами. Более того, конфликт может произойти и между совершенно другими пакетами и даже от других станций.
В этом случае каждая последующая ситуация конфликта будет иметь даже
большую вероятность.
Для того чтобы нивелировать эффект «снежного кома», таймаут
ожидания повторной передачи будет задаваться случайным образом, увеличиваясь после каждой неудачной транзакции.
Если после некоторого количества неудачных попыток трансляции
данных передачу все же не удается выполнить, станция, которая является
«источником» такой ошибки, прекращает попытки передать сообщения и
сообщает пользователю или администратору сети о такой ситуации.
Как показывает общая практика применения метода CSMA/CD, он
является очень эффективным, так как использует более 90 % пропускной
способности канала связи.
Стоит также сказать, что в настоящее время метод CSMA/CD применяется в качестве базового для многих современных реализаций локальных компьютерных сетей.
Рассмотрим далее еще одну модификацию подобной технологии, ко-
торая называется CSMA/CA, т.е. множественный доступ с контролем несущей и избеганием конфликтов или Carrier Sense Multiple Access with Colli-
sion Avoidance.
CSMA/CA разрабатывался как логическое развитие метода
CSMA/CD в целях уменьшения задержек во времени, возникающих вслед-
ствие конфликтов, возникающих в процессе передачи.
Данный подход состоит в следующем: если у станции имеются данные для отправки, то она выполняет следующие действия:
1) прослушивает моноканал;
2) определяет, занят он или нет;
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]