ИС - Доступ

4.3 МЕТОДЫ ДОСТУПА К РАЗДЕЛЯЕМОЙ СРЕДЕ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ

Только сеть с полносвязной топологией предоставляет отдельную линию связи для обмена информацией между каждой парой абонентских станций. Во всех осталь- ных случаях возникает необходимость совместного использования линий связи компь- ютерами сети. Эта задача решается разработкой и применением методов множествен- ного доступа к разделяемой среде (shared media) передачи данных.

Множественный доступ (multiple access) – это процедура взаимодействия не- скольких абонентских систем с общим ресурсом информационной сети. Очевидно, эффективность функционирования сети во многом будет определять-

ся применяемым методом доступа к разделяемым линиям связи. Ситуация, в которой несколько объектов хотят одновременно использовать общий ресурс, называется со- стязанием. Упорядочение этой ситуации осуществляется недопущением или прекра- щением состязаний. Недопущение состязаний заключается в таком методе доступа, ко- гда ресурс в принципе может одновременно использовать только один объект. В про- тивоположность этому может также использоваться метод допускающий возникнове- ние состязаний, но обеспечивающий в случае их появления четкое и быстрое прекра- щение.

Исходя их этого, различают детерминированные (deterministic) и вероятност-

ные (probabilistic) методы доступа к разделяемой среде передаче данных.

При использовании детерминированных методов абонентская система получает гарантированный доступ к среде передачи. Время ожидания доступа может быть фик- сированным или принадлежать четко определенному интервалу. Процедура доступа реализуется либо отдельным устройством – централизованно, либо распределенно – оборудованием всех узлов.

Получение доступа при использовании вероятностных методов не гарантирует- ся. Вероятность доступа к ресурсу определяется наличием запросов от других абонен- тов сети. Время ожидания доступа резко возрастает при увеличении количества ком- пьютеров, участвующих в состязании.

Указанные особенности методов доступа определяют их возможное примене- ние. Так, методы детерминированного доступа могут использоваться в системах реаль- ного времени и сетях с большим количеством абонентов. Вероятностные методы более просты в реализации, но характеризуются неопределенным временем доставки кадров, поэтому обычно применяются в небольших сетях.

Далее в качестве примеров рассмотрим некоторые распространенные методы доступа.

CSMA/CA

CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access / Collision Avoidance) – множественный доступ с прослушиванием несущей и избеганием коллизий. Основные этапы доступа к среде приведены на следующем рисунке.

Рис. 4.3–1 Метод доступа CSMA/CA

Узел, готовый послать кадр, прослушивает линию. При отсутствии несущей он

посылает короткий сигнал запроса на передачу и определенное время ожидает ответа от адресата назначения. При отсутствии ответа (подразумевается возможность колли- зии) попытка передачи откладывается, при получении ответа в линию посылается кадр.

При запросе на широковещательную передачу ответ не ожидается.

Метод не позволяет избежать коллизий. CSMA/CA характеризуется простотой и низкой стоимостью оборудования, основной недостаток – затраты времени на ожида- ние ответа. Метод CSMA/C применяется в сети Apple LocalTalk.

CSMA/CD

CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access / Collision Detect) – множественный дос-

туп с прослушиванием несущей и обнаружением коллизий. Данный метод доступа опи- сан в стандарте IEEE 802.3 и применяется во многих базовых сетевых технологиях: Ethernet (Fast Ethernet, Gigabit Ethernet), EtherTalk (реализация Ethernet фирмы Apple), IBM PC Network, AT&T StarLAN и др.

Основные этапы доступа к среде приведены на следующем рисунке.

Рис. 4.3–2 Метод доступа CSMA/CD

Чтобы получить возможность передавать данные, станция должна убедиться, что среда передачи свободна. Для этого адаптер этого узла «прослушивает» (sense) ли- нию на наличие несущей (carrier) частоты. Если среда свободна, то узел имеет право начать передачу данных – он формирует кадр определенной структуры, снабжает уни- кальным МАС-адресом станции назначения и отправляет в линию связи.

Все станции, подключенные к кабелю, могут распознать факт передачи кадра, и та станция, которая узнает собственный адрес в заголовках кадра, записывает его со- держимое в свой внутренний буфер, после чего кадр поступает на обработку протоко- лами вышестоящих уровней. Кадры, не адресованные данному узлу, им игнорируются.

Если во время передачи этого кадра другому узлу также необходима передача, то обнаружив занятость линии, он будет дожидаться ее освобождения. После оконча- ния передачи кадра все узлы сети обязаны выдержать паузу – межкадровый интервал (Inter Packet Gap) в 9,6 мкс., которая нужна для приведения сетевых адаптеров в исход- ное состояние, а также для предотвращения монопольного захвата среды одной станци- ей.

Теперь допустим, что два узла хотят передавать данные почти одновременно – оба дождались освобождения линии и начали передавать кадры. Механизм прослуши- вания среды и пауза между кадрами не гарантируют от возникновения такой ситуации.

При этом в общей среде передачи происходит наложение сигналов обоих кадров и они искажаются – происходит коллизия (collision). Чтобы обнаружить подобное адаптеры передающих узлов одновременно прослушивают входные сигналы и если они отлича-

ются от передаваемых, то фиксируется коллизия (collision detect) и передача кадров прекращается. Чтобы ускорить обнаружение коллизии станция, которая обнаружила коллизию, прерывает передачу своего кадра (в произвольном месте, возможно, и не на границе байта) и передает специальную последовательность из 32-48 бит, называемую

затором (jam).

После этого обнаружившая коллизию передающая станция обязана прекратить передачу и сделать паузу в течение короткого случайного интервала времени. Затем она может снова предпринять попытку захвата среды и передачи кадра. Если 16 после- довательных попыток передачи кадра вызывают коллизию, то передатчик должен пре- кратить попытки и отбросить этот кадр, сообщив о неудаче на вышестоящие уровни.

Группа узлов, связанных общей средой (кабелями и повторителями) образует домен коллизий (collision domain) – часть сети, все узлы которой гарантированно распо- знают коллизию.

Подобный механизм обнаружения коллизий накладывает пространственные ограничения на размер домена коллизий, обусловленные конечной скоростью распро- странения сигнала в среде и задержками, вносимыми повторителями. Для надежного

распознавания коллизий необходимо чтобы время передачи самого короткого кадра было больше, чем так называемое время двойного оборота (round trip time или path delay value) – время за которое сигнал коллизии успевает распространиться до самого дальнего узла сети. В худшем случае сигнал должен дважды пройти между наиболее удаленными друг от друга станциями – в одну сторону проходит неискаженный сигнал, а обратно – уже искаженный коллизией.

Из описания метода доступа видно, что он носит вероятностный характер, и ве- роятность успешного получения в свое распоряжение общей среды зависит от загру- женности сети, то есть от интенсивности возникновения в станциях потребности в пе- редаче кадров.

TDMA

TDMA (Time Division Multiple Access) - множественный доступ с разделением во времени основан на распределении времени работы канала между системами.

Доступ TDMA основан на использовании специального устройства, называемо- го тактовым генератором. Этот генератор делит время канала на повторяющиеся цик- лы. Каждый из циклов начинается сигналом - разграничителем. Цикл включает n про- нумерованных временных интервалов, называемых ячейками. Интервалы предостав- ляются для загрузки в них блоков данных.

Рис. 4.3–3 Структура цикла разделения времени

Первый (простейший) вариант использования интервалов заключается в том, что их число (n) делается равным количеству абонентских систем, подключенных к рассматриваемому каналу. Тогда во время цикла каждой системе предоставляется один интервал, в течение которого она может передавать данные. Подобный подход называ- ют технологией синхронной передачи STM (Synchronous Transfer Mode)/ При использо- вании рассмотренного метода доступа часто оказывается, что в одном и том же цикле одним системам нечего передавать, а другим не хватает выделенного времени. В ре- зультате – неэффективное использование пропускной способности канала.

Второй, более сложный, но высокоэкономичный вариант заключается в том, что система получает интервал только тогда, когда у нее возникает необходимость в пере- даче данных, например при асинхронном способе передачи ATM (Asynchronous Transfer Mode). Для передачи данных система может в каждом цикле получать интервал с одним и тем же номером. В этом случае передаваемые системой блоки данных появля-

ются через одинаковые промежутки времени и приходят с одним и тем же временем запаздывания. Это режим передачи данных с имитацией коммутации каналов. Способ особенно удобен при передаче речи. В другом режиме система в различных циклах по- лучает интервалы с разными номерами. Более того, в течении одного интервала систе- ма в зависимости от потребностей в передаче данных может получать не только один, но и несколько интервалов. Это режим передачи с имитацией коммутации пакетов. И первый и второй режим могут сосуществовать – в этом случае выделение интервалов во втором режиме осуществляется динамически в зависимости от того, какие интерва- лы в циклах заняты в режиме коммутации каналов.

FDMA

FDMA (Frequency Division Multiple Access) – множественный доступ, основан-

ный на разделении полосы пропускания канала на группу полос частот, образующих логические каналы.

Рис. 4.3–4 Разделение полосы пропускания на логические каналы

Широкая полоса пропускания канала делится на ряд узких полос, разделенных защитными полосами. Размеры узких полос могут быть различными.

Вкаждой узкой полосе создается логический канал. Передаваемые по логиче- ским каналам сигналы накладываются на разные несущие и поэтому в частотной об- ласти не должны пересекаться. Вместе с этим, иногда, несмотря на наличие защитных полос, спектральные составляющие сигнала могут выходить за границы логического канала и вызывать шум в соседнем логическом канале.

Воптических каналах разделение частоты осуществляется направлением в каж- дый из них лучей света с различными частотами (длиной волны) – WDM (Wave Division Multiplexing). Благодаря этому пропускная способность физического канала увеличива- ется в несколько раз.

При осуществлении этого мультиплексирования в один световод излучает свет большое число лазеров (на различных частотах). Через световод излучение каждого из них проходит независимо от другого. На приемном конце разделение частот сигналов, прошедших физический канал, осуществляется путем фильтрации выходных сигналов.

Метод доступа FDMA относительно прост, но для его реализации необходимы передатчики и приемники, работающие на различных частотах.

TPMA

TPMA (Token Passing Multiple Access) – множественный доступ с передачей полномочия.

Сущность TPMA заключается в том, что абонентские системы передают по ло- гическому кольцу друг другу особый блок данных называемый полномочием или мар- кером (token). Получив полномочие, система может передать один, либо несколько (по предварительному соглашению) блоков данных. После окончания передачи данных система передает маркер следующей по списку узлу. Если системе, получившей пол- номочие нечего передавать, то она немедленно передает маркер дальше.

Метод TPMA имеет следующие преимущества:

∙Гарантированное время доставки данных,

∙исключает столкновения сообщений,

∙возможность установки приоритетов различным узлам.

Основным недостатком является необходимость с помощью специальных про- цедур постоянно отслеживать потерю маркера или появление нескольких маркеров, чтобы восстановить потерянный маркер или удалить все, кроме одного полномочия.

Метод TPMA определен стандартами IEEE для моноканала и циклического кольца:

∙IEEE 802.4 (Token Bus LAN),

∙IEEE 802.5 (Token Ring LAN),

∙IEEE 802.8 (Fiber Technical Advisory Group)

Стандарт IEEE 802.4 - Token Bus LAN определяет метод доступа к шине с пе- редачей маркера, прототип – ARCnet фирмы Datapoint. При подключении устройств в ArcNet применяют физическую топологию «шина» или «звезда» при логической топо- логии «шина». Этот метод предусматривает следующие правила:

−все устройства, подключённые к сети, могут передавать данные, только полу- чив разрешение на передачу (маркер);

−в любой момент времени только одна станция в сети обладает таким правом;

−кадр, передаваемый одной станцией, одновременно анализируется всеми ос- тальными станциями сети.

Последовательность действий абонентов при данном методе следующая: 1. Абонент, желающий передавать, ждет прихода маркера.

2. Получив маркер, он посылает запрос на передачу приемнику информации (т.е. спрашивает, готов ли приемник принять его пакет).

3. Приемник, получив запрос, посылает ответ (т.е. подтверждает свою готов- ность).

4. Получив подтверждение готовности, передатчик посылает свой пакет. 5. Получив пакет, приемник посылает подтверждение приема пакета.

6. Передатчик, получив подтверждение приема пакета, посылает маркер сле- дующему абоненту.

Таким образом, в данном случае пакет передается только тогда, когда есть уве- ренность в готовности приемника принять его. Это существенно увеличивает надеж- ность передачи, но увеличивает загрузку канала.

Стандарт IEEE 802.5 - Token Ring LAN описывает метод доступа к кольцу с передачей маркера, прототип – Token Ring компании IBM. Сети стандарта Token Ring имеют физическую топологию «звезда» или «кольцо-звезда», на основе которой орга- низуется логическое «кольцо».

Всети Token Ring любая станция всегда непосредственно получает данные только от одной станции - той, которая является предыдущей в кольце. Передачу же данных станция всегда осуществляет своему ближайшему соседу вниз по потоку дан- ных.

Получив маркер, станция анализирует его и при отсутствии у нее данных для передачи обеспечивает его продвижение к следующей станции. Станция, которая имеет данные для передачи, при получении маркера изымает его из кольца, что дает ей право доступа к физической среде и передачи своих данных. Затем эта станция выдает в кольцо кадр данных установленного формата последовательно по битам. Кадр снабжен адресом назначения и адресом источника.

Все станции кольца ретранслируют кадр побитно, как повторители. Если кадр проходит через станцию назначения, то, распознав свой адрес, эта станция копирует кадр в свой внутренний буфер и вставляет в кадр признак подтверждения приема. Станция, выдавшая кадр данных в кольцо, при обратном его получении с подтвержде- нием приема изымает этот кадр из кольца и передает в сеть новый маркер для обеспе- чения возможности другим станциям сети передавать данные. Такой алгоритм доступа применяется в сетях Token Ring со скоростью работы 4 Мбит/с, описанных в стандарте

802.5.

Время владения разделяемой средой в сети Token Ring ограничивается временем удержания маркера (token holding time), после истечения которого станция обязана пре- кратить передачу собственных данных (текущий кадр разрешается завершить) и пере- дать маркер далее по кольцу.

Всетях Token Ring 16 Мбит/с используется также несколько другой алгоритм доступа к кольцу, называемый алгоритмом раннего освобождения маркера (Early Token Release). В соответствии с ним станция передает маркер доступа следующей станции сразу же после окончания передачи последнего бита кадра, не дожидаясь воз- вращения по кольцу этого кадра с битом подтверждения приема. В этом случае пропу-

скная способность кольца используется более эффективно, так как по кольцу одновре- менно продвигаются кадры нескольких станций. Тем не менее свои кадры в каждый момент времени может генерировать только одна станция - та, которая в данный мо- мент владеет маркером доступа. Остальные станции в это время только повторяют чу- жие кадры, так что принцип разделения кольца во времени сохраняется, ускоряется только процедура передачи владения кольцом.

Для различных видов сообщений, передаваемым кадрам, могут назначаться раз- личные приоритеты: от 0 (низший) до 7 (высший). Решение о приоритете конкретного кадра принимает передающая станция (протокол Token Ring получает этот параметр через межуровневые интерфейсы от протоколов верхнего уровня, например прикладно- го). Маркер также всегда имеет некоторый уровень текущего приоритета. Станция име- ет право захватить переданный ей маркер только в том случае, если приоритет кадра, который она хочет передать, выше (или равен) приоритета маркера. В противном слу- чае станция обязана передать маркер следующей по кольцу станции.

За наличие в сети маркера, причем единственной его копии, отвечает активный монитор. Если активный монитор не получает маркер в течение длительного времени, то он порождает новый маркер.

Стандарт IEEE 802.8 - Fiber Technical Advisory Group – техническая консуль-

тационная группа по оптоволоконным сетям - содержит обсуждение использования оптических кабелей в сетях 802.3 – 802.6, а также рекомендации по оптоволоконным сетевым технологиям, носителям, интерфейсу и оборудованию, прототип – сеть FDDI

(Fiber Distributed Data Interface).

Стандарт FDDI использует оптоволоконный кабель и доступ с применением маркера. Сеть FDDI строится на основе двух оптоволоконных колец, которые образуют основной и резервный пути передачи данных между узлами сети.

Кольца в сетях FDDI рассматриваются как общая разделяемая среда передачи данных, поэтому для нее определен специальный метод доступа. Этот метод очень бли- зок к методу доступа сетей Token Ring.

Разработчики технологии решили, что деление трафика на 8 уровней приорите- тов избыточно и достаточно разделить трафик на два класса - асинхронный и синхрон- ный. Это позволяет учитывать потребности приложений, работающих на станциях. Обычно синхронным приложениям (приложениям реального времени) нужно чаще пе- редавать данные в сеть небольшими порциями, а асинхронным приложениям лучше

получать доступ к сети реже, но большими порциями. Предпочтение отдается станци- ям, передающим синхронный трафик.

Для передачи синхронных кадров станция всегда имеет право захватить маркер при его поступлении. При этом время удержания маркера имеет заранее заданную фик- сированную величину.

Для асинхронного трафика, который не критичен к небольшим задержкам пере- дачи кадров время удержания маркера в сети FDDI не является постоянной величиной, как в сети Token Ring. Это время зависит от загрузки кольца - при небольшой загрузке оно увеличивается, а при больших перегрузках может уменьшаться до нуля. Метод доступа FDDI для асинхронного трафика является адаптивным и хорошо регулирует временные перегрузки сети.

Demand Priority

Demand Priority Access – метод доступа с приоритетом запросов обеспечивает более справедливое распределение пропускной способности сети по сравнению с мето- дом CSMA/CD, Кроме того, этот метод поддерживает приоритетный доступ для син- хронных приложений. Данный метод доступа описан в стандарте IEEE 802.12 и приме- няется в базовой сетевой технологии 100VG-AnyLAN, разработанной фирмами HewlettPackard и AT&T Microelectronics как развитие Ethernet.

Вотличие от Fast Ethernet в сетях 100VG-AnyLAN нет коллизий, метод доступа Demand Priority основан на передаче концентратору функций арбитра, решающего про- блему доступа к разделяемой среде. В технологии l00VG-AnyLAN арбитром, решаю- щим вопрос о предоставлении станциям доступа к разделяемой среде, является концен- тратор, поддерживающий метод Demand Priority - приоритетные требования.

Концентратор циклически выполняет опрос портов. Станция, желающая пере- дать пакет, посылает специальный низкочастотный сигнал концентратору, запрашивая передачу кадра и указывая его приоритет. Если сеть свободна, то концентратор разре- шает передачу пакета. После анализа адреса получателя в принятом пакете концентра- тор автоматически отправляет пакет станции назначения. Если сеть занята, концентра- тор ставит полученный запрос в очередь, которая обрабатывается в соответствии с по- рядком поступления запросов и с учетом приоритетов.

Всети l00VG-AnyLAN используются два уровня приоритетов - низкий и высо- кий. Низкий уровень приоритета соответствует обычным данным (файловая служба, служба печати и т. п.), а высокий приоритет соответствует данным, чувствительным к временным задержкам (например, мультимедиа). Приоритеты запросов имеют статиче-