Сети и телекоммуникации

351

а)

t

t

б)

t

t

в)

t

t

Рис. 25.3. Сигналы в каналах ЛВС

Для уменьшения затрат оборудования в передающей среде каналы стро-

ятся по однолинейной схеме — на основе одной витой пары, коаксиального ка-

беля или волоконно-оптической линии. При использовании электрических сиг-

налов передача единичных и нулевых значений битов может производиться разнополярными сигналами. На рис. 25.3,в значение 1 передается импульсом положительной полярности, а значение 0 — импульсом отрицательной поляр-

ности. При этом биты данных представляются отдельными сигналами, которые

352

синхронизируют процесс передачи данных. Для передачи данных по одноли-

нейному моноканалу однополярными сигналами используется самосинхрони-

зирующийся, так называемый манчестерский код, идеализированная форма си-

гналов которого изображена на рис. 25.3,г. Значение 1 представляется переклю-

чением сигнала, например из 0 в 1, и тогда значение 0 — переключением сиг-

нала из 1 в 0. Момент переключения сигнала отмечает середину такта, а напра-

вление переключения определяет значение передаваемого бита. В момент пер-

вого переключения сигнала приемник запускает систему синхронизации, кото-

рая разрешает прием сигнала в промежутке времени [ , + ], /2, следую-

щем за моментом поступления предыдущего сигнала. Сигнал, поступивший в этом промежутке времени, несет значение бита 0 или 1 и одновременно исполь-

зуется как очередной сигнал синхронизации. На основе его выделяется сле-

дующий промежуток времени [ , + ], в течение которого приемник готов принять очередной бит данных.

Организация моноканалов

Наиболее существенные аспекты организации моноканала:

конфигурация ЛВС;

способ доступа к каналу;

протоколы управления физическим и информационным каналом.

Эффективность организации моноканала характеризуется следующими

основными показателями:

затратами оборудования в адаптере, зависящими от конфигурации ЛВС и протоколов канального уровня;

пропускной способностью;

средней задержкой передачи данных;

надежностью, связанной в первую очередь с сохранением работоспособ-

ности моноканала при отказах отдельных адаптеров и систем сети.

353

Значимость показателей эффективности зависит от области применения сети: в сетях персональных ЭВМ наиболее значимым может быть показатель затрат оборудования, а в производственных и бортовых системах — надеж-

ность моноканала.

Моноканалы ЛВС строятся из соображений надежности в основном по принципу распределенного управления доступом к каналу, поскольку при цен-

трализованном управлении выход из строя контроллера канала является катаст-

рофическим для сети в целом. При распределенном управлении все станции,

подключенные к каналу, функционируют одинаковым образом, получая инфор-

мацию о занятости и освобождении канала только исходя из состояния физиче-

ского канала. В этом случае для каждой станции канал является равнодоступ-

ным средством передачи данных, порядок доступа к которому определяется со-

ответствующим протоколом. Приѐм данных производится путѐм селекции —

выделения из множества данных тех, которые адресованы конкретной системе.

Различают три основных способа доступа к моноканалу: свободный, уп-

равляемый и комбинированный доступ. При свободном (случайном) доступе

каждая система захватывает канал для передачи данных в произвольный мо-

мент времени. Если две или более системы одновременно передают данные в канал, за счет интерференции сигналов данные искажаются и подлежат повтор-

ной передаче, момент которой назначается по специальному, алгорит-

му. Управляемый (детерминированный) доступ основан на поочередном пре-

доставлении системам разрешения на передачу данных. Комбинированный дос-

туп основан на использовании свободного и управляемого доступа к каналу на разных фазах работы систем. В ЛВС с магистральной структурой наиболее ши-

роко используется свободный, а с кольцевой структурой — управляемый дос-

туп.

Свободный доступ с проверкой столкновений (СДПС)

Этот способ наиболее широко применяется в магистральных структурах.

Система захватывает канал и начинает передачу в любой момент времени. По-

354

скольку централизованное управление отсутствует, две и более системы могут вести передачу кадров одновременно. В этом случае происходит столкновение

— интерференция (наложение) кадров, передаваемых одновременно, в резуль-

тате чего все передаваемые кадры искажаются. Столкновения обнаруживаются путѐм приѐма каждой системой передаваемого ею кадра (рис. 25.4). При этом биты, передаваемые в канал, сравниваются с битами, принимаемыми из канала.

Если регистрируется несовпадение пере-

жуток времени с достаточно большим средним значением ср. Задержка пере-

дачи формируется как случайная величина, равномерно распределенная в ин-

тервале [0, max], где max — максимальная задержка повторной передачи.

Из-за столкновений реальная пропускная способность моноканала оказы-

вается меньше номинальной пропускной способности физического канала. В

целях упрощения математических выражений пропускные способности оцени-

вают числом кадров, передаваемых за время Т, достаточное для передачи одно-

го кадра по физическому каналу. Время передачи одного кадра по физическому каналу Т называют окном. Окно T=L/V, где L – длина кадра в битах, и V – про-

пускная способность физического канала, бит/с. С учѐтом сказанного пропуск-

ная способность моноканала S характеризуется средним числом кадров, пере-

даваемых в одном окне. Очевидно, что S 1.

Пропускная способность моноканала при СДПС оценивается следующим образом. Столкновения исключаются, если в течение периода 2Т, называемого

355

периодом уязвимости, передается только один кадр (рис. 25.5). Если в течение периода уязвимости будет передаваться еще один кадр, который начинается,

те этого порождающих пуассоновский поток запросов с суммарной интенсив-

ностью G запросов на одно окно. Вероятность передачи кадра без столкновения определяется вероятностью поступления в период уязвимости только одного кадра и равна q = e-2G. Следовательно, только q-я часть кадров будет передана без искажений и интенсивность потока неискаженных кадров

мость которой от интенсивности потока запросов G представлена на рис. 25.6

кривой СДПС. Максимум пропускной способности достигается при G=0,5 за-

просов на окно и составляет

356

держки повторной передачи и является случайной величиной. Отношение q =

S/G характеризует долю кадров, передаваемых без искажений, то есть вероят-

ность передачи без столкновений. Число попыток до успешной передачи — геометрически распределенная случайная величина pn = (1 - q)n-1q, где n = 1, 2,

… . Величина рn – вероятность передачи кадра с n-й попытки. Среднее число попыток

Обычно значение ср представляют в нормированном виде — в числе окон длительностью Т. В таком случае нормированная средняя задержка кадра,

где н — нормированная задержка повторной передачи.

Обратим внимание на зависимость интенсивности запросов G от задерж-

ки передачи: чем меньше н, тем больше интенсивность запросов G, поскольку каждая система с уменьшением н начинает чаще обращаться к каналу. Если попытаться уменьшить задержку, интенсивность запросов возрастет, и скорость передачи кадров S будет отставать от скорости запросов на передачу данных.

Это приведет к тяжелым последствиям: возрастет число кадров, ожидающих передачи, увеличится задержка передачи кадров, а скорость передачи будет уменьшаться до весьма малых значений, в результате чего система потеряет ус-

тойчивость. Чтобы избежать этого, необходимо ограничивать интенсивность потока запросов (чтобы она не превышала 0,5 кадра на окно), за счет увеличе-

ния задержки на повторную передачу кадра. Более детально устойчивость сис-

тем со свободным доступом обсуждается ниже.

Таким образом, СДПС приводит к значительней потере пропускной спо-

собности канала. Однако этот способ прост в реализации, поскольку обнаруже-

357

ние столкновений и формирование случайной задержки на повторную передачу обеспечивается весьма простыми средствами. Простота реализации приводит к повышению надежности адаптеров, а, следовательно, и моноканала в целом.

Существенный недостаток способа — возможность потери устойчивости из-за пульсаций потока запросов на передачу кадров.

Устойчивость моноканала со свободным доступом

При свободном доступе к каналу зависимость числа кадров, ожидающих передачи, от скорости передачи кадров по каналу и средней задержки повтор-

ной передачи имеет вид, представленный на рис. 25.7. Скорость передачи кад-

ров ограничена предельным значением (для СДПС — значением 0,184 кадра на окно). При фиксированной задержке повторной передачи увеличение интен-

сивности поступления кадров приводит к увеличению пропускной способности канала. При этом число кадров т, ожидающих передачи, в том числе и повтор-

ной, оказывается незначительным и задержка доставки кадров также невелика.

Однако если в некоторый момент времени скорость поступления кадров превы-

сит предельную пропускную способность, канал переходит в режим, при кото-

ром число кадров т, ожидающих передачи, и, следовательно, задержка переда-

чи кадров принимает большие значения. В этом режиме из-за большого числа кадров, ожидающих передачи, увеличивается вероятность столкновений и с ростом т пропускная способность моноканала падает.

Основываясь на представленной зависимости m = f(S, н), оценим эффект от пульсации потока запросов на передачу кадров. Пусть к каналу подключе-

но М систем, из которых кадры на передачу поступают с интенсивностью S .

При этом каждая система порождает новый кадр с вероятностью

= S /M. Нагрузку на канал в произвольный момент времени t будем характе-

ризовать вектором [m(t), s(t)], где m(t) — число кадров (систем), ожидающих повторной передачи, и s(t) — скорость поступления новых кадров, которую бу-

дем характеризовать числом кадров, поступающих для передачи в течение ок-

359

дельной пропускной способностью канала, а также за счет выбора времени за-

держки повторной передачи. Интенсивность потока кадров S* должна быть меньше предельной пропускной способности канала, и чем она меньше, тем меньше вероятность потери устойчивости при пульсации нагрузки. Среднюю задержку на повторную передачу следует увеличивать, в результате чего сни-

зится интенсивность повторных передач кадров при столкновениях.

Синхронный свободный доступ с проверкой столкновений (ССДПС)

Способ ССДПС применяется в основном в магистральных структурах.

Для уменьшения периода уязвимости работа систем синхронизируется — все системы начинают передачу в один и тот же момент времени. Период синхро-

низации равен длительности окна Т, используемо-

без столкновения.

Для ССДПС скорость передачи кадров по моноканалу при бесконечном

а при числе систем М

Зависимость (1.7) представлена на рис. 25.6 кривой ССДПС. Максималь-

ная скорость передачи кадров достигается при G = 1 запрос на окно и составля-

Таким образом, при ССДПС пропускная способность моноканала увели-

чивается в 2 раза по сравнению с СДПС, но составляет менее 37% пропускной способности физического канала. Средняя задержка передачи кадра определя-

ется по формулам (1.4), (1.5), причем нормированная средняя задержка повтор-

ной передачи н = max/2. Зависимость задержки от скорости передачи кадров по моноканалу представлена на рис. 25.8.

По сравнению с СДПС при ССДПС существенно повышается пропускная способность моноканала, но требуются генератор синхронизирующих сигналов и линии для их передачи, в результате чего увеличиваются затраты, оборудова-

ния и снижается надежность моноканала.

Свободный доступ с проверкой несущей (СДПН)

Система, имеющая кадр для передачи, перед тем как начать передачу,

проверяет состояние моноканала — наличие в нем сигналов, используемых для передачи данных (сигналы несущей частоты, потенциальные или импульсные).

Операция проверки состояния канала называется проверкой несущей. Если ка-

нал свободен, адаптер системы начинает передачу кадра. Если канал занят, пе-

редача откладывается, на время со средним значением, например, Т/2, где Т —

время передачи кадра по моноканалу. За счет проверки несущей вероятность столкновений существенно уменьшается (поскольку происходят они только в том случае, если две системы начинают передачу практически одновременно).

В результате этого увеличивается степень использования пропускной способ-

ности канала, т. е. скорость передачи данных.