Классификация методов доступа к среде передачи данных и их сравнение

Одной из задач, решаемых на канальном уровне семиуровневой модели OSI, является организация совместного доступа к среде передачи данных.

Совместное использование общей среды передачи – довольно эффективная стратегия. Однако она выносит также и дополнительную проблему – терминалам нужно разрешать использовать среду, когда у них возникает в этом необходимость, но когда ее уже используют другие терминалы. Это и есть задача управления средой доступа. Для любой схемы управления доступом к среде можно сформулировать следующие требования:

· система должна быть надежной;

· протокол должен быть устойчив;

· схема должна обеспечивать абсолютный доступ к системе;

· необходимо управлять доступом к системе в соответствии с потребностями служб или по другим причинам;

· схема должна быть эффективной; она должна быть простой в управлении.

Существует несколько различных схем доступа. Их можно разделить на две категории – централизованные схемы, в которых ресурсы сети распределяются специальными узлами, и распределенные схемы, в которых все узлы работают кооперативно и в одинаковой манере.

Другое различие проводят между системами, базирующимися на резервировании где конкретные ресурсы распределяются между терминалами), и системами, базирующимся на состязаниях за обладание этими ресурсами(где терминалы запрашивают ресурсы, когда они в них нуждаются). Возможны также гибридные схемы, включающие как резервирование, так и состязания, и базирующиеся на требуемом обслуживании. Централизованная схема может также основываться на системе, в которой состязания используются терминалом для того, чтобы информировать центральный контроллер о том, что требуются ресурсы, а затем этот контроллер применяет резервирование для их распределения термитам. Эту стратегию используют многие радиосистемы.

Схемы с состязаниями ALOHA

Самой простой системой доступа к среде передачи, базирующейся на состязаниях, являются ALOHA (сетевая система университета штата Гавайи (США), базирующаяся на спутниковых радиоканалах.). Эта система работает следующим образом – когда у терминала имеется информация для передачи, он передает ее. Если в это время начинает передачу другой терминал, то происходит наложение пакетов, и обе передачи искажаются. Это называется столкновением кадров. Если терминал принимает подтверждение своей передачи, это означает, что принимающий узел принял данные. Если – нет, то, вероятно, произошло столкновение с другой передачей, и должен быть получен отказ. Затем передатчик ждет в течение случайного промежутка времени и снова пытается выполнить передачу. Важен тот факт, что этот период времени является случайным. Если бы терминал ждал фиксированный промежуток времени, и на первой же попытке передачи произошло столкновение с кадром другого терминала, то это происходило бы также и при всех последующих попытках передач. Еще одна тонкость, связанная со схемой ALOHA, -- следует ограничить количество данных, передаваемых в любой момент времени. Это не только хорошо для других пользователей, но и не перегружать каналтой системой доступа к среде передачи, базирующейся на состязаниях, являются ФДЩРФ ичинам;улировать следующие требован. Так как терминалы перед передачей не прослушивают канал, чтобы определять, свободна ли среда передачи, то чем больше размер передаваемого пакета, тем больше шансов, сто другой терминал тоже будет передавать свой пакет и столкнется с ним.

ALOHA – простая система, и поскольку она не требует централизованного управления, то ею довольно просто управлять. Однако она крайне неэффективна. В лучшем случае она может использовать в среднем только 18% емкости канала.

Метод доступа CSMA/CD

CSMA/CD—метод доступа к среде передачи данных, называемый методом коллективного доступа с опознанием несущей и обнаружением коллизий (carrier-sense-multiply-access with collision detection, CSMA/CD).

Этот метод применяется исключительно в сетях с логической общей шиной ( к которым относится и радиосети, породившие этот метод). Пример: сеть Ethernet IEEE 802.2. Все компьютеры такой сети имеют непосредственный доступ к общей шине, поэтому она может быть использована для передачи данных между любыми двумя узлами сети. Одновременно все компьютеры сети имеют возможность немедленно (с учетом задержки распространения сигнала по физической среде) получить данные, которые любой из компьютеров начал передавать на общую шину. Простота схемы подключения – это один из факторов, определивших успех данного метода. Кабель, к которому подключены все станции, работает в режиме коллективного доступа (Multiply Access, MA).

ЭТАПЫ ДОСТУПА К СРЕДЕ

Все данные, передаваемые по сети, помещаются в кадры определенной структуры и снабжаются уникальным адресом станции назначения.

Чтобы получить возможность передавать кадр, станция должна убедиться, что разделяемая среда свободна. Это достигается прослушиванием основной гармоники сигнала, которая также называется несущей частотой (carrier-sense, CS). Признаком незанятости среды является отсутствие на ней несущей частоты, которая при манчестерском способе кодирования равна 5-10 МГц, в зависимости от последовательности единиц и нулей, передаваемых в данный момент.

Если среда свободна, то узел имеет право начать передачу кадра. Этот кадр изображен на рис. 1.10. первым. Узел 1 обнаружил, что среда свободна, и начал передавать свой кадр. В классической сети Ethernet на коаксиальном кабеле сигналы передатчика узла 1 распространяются в обе стороны, так что все узлы сети их получают. Кадр данных всегда сопровождается преамбулой (preamble), которая состоит из 7 байт, состоящих из значений 10101010, и 8-го байта, равного 10101011. Преамбула нужна для вхождения приемника в побитовый и побайтовый синхронизм с передатчиком.

Все станции, подключенные к кабелю, могут распознать факт передачи кадра, и та станция, которая узнает собственный адрес в заголовках кадра, записывает его содержимое в свой внутренний буфер, обрабатывает полученные данные, передает их вверх по своему стеку, а затем посылает по кабелю кадр-ответ. Адрес станции источника содержится в исходном кадре, поэтому станция-получатель знает, кому нужно послать ответ.

Узел 2 во время передачи кадра узлом 1 также пытался начать передачу своего кадра, однако обнаружил, что среда занята - на ней присутствует несущая частота, - поэтому узел 2 вынужден ждать, пока узел 1 не прекратит передачу кадра.

После окончания передачи кадра все узлы сети обязаны выдержать технологическую паузу (Inter Packet Gap) в 9,6 мкс. Эта пауза, называемая также межкадровым интервалом, нужна для приведения сетевых адаптеров в исходное состояние, а также для предотвращения монопольного захвата среды одной станцией. После окончания технологической паузы узлы имеют право начать передачу своего кадра, так как среда свободна. Из-за задержек распространения сигнала по кабелю не все узлы строго одновременно фиксируют факт окончания передачи кадра узлом 1.

В приведенном примере узел 2 дождался окончания передачи кадра узлом 1, сделал паузу в 9,6 мкс и начал передачу своего кадра.

ВОЗНИКНОВЕНИЕ КОЛЛИЗИИ

При описанном подходе возможна ситуация, когда две станции одновременно пытаются передать кадр данных по общей среде. Механизм прослушивания среды и пауза между кадрами не гарантируют от возникновения такой ситуации, когда две или более станции одновременно решают, что среда свободна, и начинают передавать свои кадры. Говорят, что при этом происходит коллизия (collision), так как содержимое обоих кадров сталкивается на общем кабеле и происходит искажение информации.

Коллизия - это нормальная ситуация в работе сетей CSMA/CD. В примере, изображенном на рис. 1.11, коллизию породила одновременная передача данных узлами 3 и У. Для возникновения коллизии не обязательно, чтобы несколько станций начали передачу абсолютно одновременно, такая ситуация маловероятна. Гораздо вероятней, что коллизия возникает из-за того, что один узел начинает передачу раньше другого, но до второго узла сигналы первого просто не успевают дойти к тому времени, когда второй узел решает начать передачу своего кадра. То есть коллизии - это следствие распределенного характера сети.

Чтобы корректно обработать коллизию, все станции одновременно наблюдают за возникающими на кабеле сигналами. Если передаваемые и наблюдаемые сигналы отличаются, то фиксируется обнаружение коллизии (collision detection, CD). Для увеличения вероятности скорейшего обнаружения коллизии всеми станциями сети станция, которая обнаружила коллизию, прерывает передачу своего кадра (в произвольном месте, возможно, и не на границе байта) и усиливает ситуацию коллизии посылкой в сеть специальной последовательности из 32 бит, называемой jam-последовательностью.

Рис. 1.11. Схема возникновения и распространения коллизии

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. Случайная пауза выбирается по следующему алгоритму:

Пауза = L *(интервал отсрочки),

где интервал отсрочки равен 512 битовым интервалам (в технологии Ethernet принято все интервалы измерять в битовых интервалах; битовый интервал обозначается как bt и соответствует времени между появлением двух последовательных бит данных на кабеле; для скорости 10 Мбит/с величина битового интервала равна 0,1 мкс или 100 нс);

L представляет собой целое число, выбранное с равной вероятностью из диапазона [0, 2^N ], где N - номер повторной попытки передачи данного кадра: 1,2,..., 10.

После 10-й попытки интервал, из которого выбирается пауза, не увеличивается. Таким образом, случайная пауза может принимать значения от 0 до 52,4 мс.

Если 16 последовательных попыток передачи кадра вызывают коллизию, то передатчик должен прекратить попытки и отбросить этот кадр.

Из описания метода доступа видно, что он носит вероятностный характер, и вероятность успешного получения в свое распоряжение общей среды зависит от загруженности сети, то есть от интенсивности возникновения в станциях потребности в передаче кадров. При разработке этого метода в конце 70-х годов предполагалось, что скорость передачи данных в 10 Мбит/с очень высока по сравнению с потребностями компьютеров во взаимном обмене данными, поэтому загрузка сети будет всегда небольшой. Это предположение остается иногда справедливым и по сей день, однако уже появились приложения, работающие в реальном масштабе времени с мультимедийной информацией, которые очень загружают сегменты сети. При этом коллизии возникают гораздо чаще. При значительной интенсивности коллизий полезная пропускная способность сети CSMA/CD резко падает, так как сеть почти постоянно занята повторными попытками передачи кадров. Для уменьшения интенсивности возникновения коллизий нужно либо уменьшить трафик, сократив, например, количество узлов в сегменте или заменив приложения, либо повысить скорость протокола.

Следует отметить, что метод доступа CSMA/CD вообще не гарантирует станции, что она когда-либо сможет получить доступ к среде. Конечно, при небольшой загрузке сети вероятность такого события невелика, но при коэффициенте использования сети, приближающемся к 1, такое событие становится очень вероятным. Этот недостаток метода случайного доступа - плата за его чрезвычайную простоту.

Схемы с резервированием

Более эффективное использование среды передачи обеспечивают схемы с резервированием, потому что при этом доступ становиться управляемым и столкновений не происходит. Их можно разделить на системы с опросом, использующие центральное устройство управления, и распределенные системы. Опрос

Опрос

В схеме с опросом за разрешение доступа к разделяемой среде отвечает центральный контроллер. Он направляет хост-узлам специальные сообщения, разрешающие им использовать среду в течение определенного периода времени. Пример: технология 100VG-AnyLAN.

Самый простой метод – схема циклического опроса, когда контроллер входит в контакт с каждым опрашиваемым хост-узлом и приглашает его передавать свои данные. Когда тот заканчивает передачу, центральный контроллер опрашивает следующий хост-узел. В расширенной методике время передачи хост-узла ограничено, так что каждый узел получает хороший шанс для передачи. Существенное преимущество схемы с центральным управлении состоит в том, что у хост-узлов появляется возможность сообщать центральному контроллеру об имеющемся у них трафике, который часто измеряется в терминах наполнения их локальной чередой, но это можно, например, сделать также на основе приоритета или скорости поступления трафика. Отсюда следует, что центральный контроллер имеет глобальное представление о состоянии системы, намного превосходящее боле ограниченное представление о состоянии хост-узлов, и поэтому может располагать доступом к соответствующим хост-узлам по приоритетам. В примере (рис. 1.12 а) очередь хост-узла почти полна, и контроллер назначает ему высокий приоритет передач (рис. 1.12 б). Так как контроллер преобладает знаниями о доступе к каналу, то он может в некоторых пределах предсказать требования хост-узлов, уменьшая тем самым необходимость сообщать ему их точное состояние.

Рис. 1.12. Схема опроса, базирующегося на приоритетах

Одним из недостатков данной схемы опроса является то, что хост-узел опрашивается независимо от того, имеются ли у него данные для передачи или нет. Если ему нечего передавать, он немедленно просигнализирует об этом контроллеру, и тот будет опрашивать следующий хост-узел. Если в сети имеется достаточно большое количество хост-узлов, которые не часто передают свою информацию, то в этом процессе наблюдаются значительные издержки. Обойти эти проблемы позволяют, так называемые, гибридные схемы, использующие в определенные «установочные» периоды времени схему с состязаниями, а все остальное время – схему с опросом.

В гибридных схемах вместо опроса всех хост-узлов контроллер хранит список опроса активных узлов и опрашивает только узлы из этого списка. В установочные периоды хост-узлы используют схему с состязаниями для того, чтобы информировать контроллер о том, что они имеют информацию для передачи. Контроллер будет помещать информировавшие его узлы в список опроса и управлять их передачами вне установочных периодов (по схеме с опросом). Когда хост-узлы заканчивают передачу, они удаляются из списка опроса.

Схемы с маркерами

Схемы с маркерами позволяют организовать опрос в распределенной манере, так что никакого центрального контроллера не требуется, хотя на практике один из узлов должен первоначально сгенерировать специальный кадр – маркер – и затем постоянно проверять, распространяется ли он по сети. Маркер в такой схеме передается от узла к узлу. Обладание маркером дает разрешение на передачу данных. Чтобы гарантировать успешный доступ, отрезок времени, в течение которого узел может хранить маркер и передавать свои данные, ограничивается. Когда достигается конец этого интервала или узлу с маркером нечего передавать, он пересылает маркер на следующий узел. Этот процесс продолжается в цикле или логическом кольце до тех пор, пока все узлы не получат шанс принять маркер и передать данные, после чего цикл повторяется.

Существует много разновидностей схем с маркером, однако типичным представителем такой системы является MAC-стандарт IEEE 802.5 «Маркерное кольцо» (Token Ring). Маркер в этой системе формируется из пустого информационного кадра. Если данные для передачи отсутствуют, то маркер (или пустой кадр) передается от узла к узлу. Когда у узла есть что передавать, он ждет маркерный кадр, вставляет в него данные, которые он должен передавать, а также адрес пункта назначения (и свой собственный адрес – в качестве адреса источника), и посылает его в сеть. Приняв информационный кадр, каждый узел проверяет его, чтобы узнать, не является ли адрес пункта назначения его собственным адресом. Если нет, то кадр пересылается дальше без изменения. Когда достигается адрес узла назначения, тот извлекает информацию из кадра, заменяет его данные подтверждением приема и направляет его назад в кольцо для отправки к источнику. Получив этот кадр, узел источника извлекает подтверждение (получив, таким образом, подтверждение приема отправленных адресату данных) и пересылает пустой кадр назад в кольцо к следующему узлу. Это означает, что каждый узел может передавать свои данные только один раз, когда он владеет маркером. Если все узлы имеют какие-то данные для передачи, то они будут циклически перемещаться вокруг кольца от терминала к терминалу.

В качестве примера рассмотрим цепочку событий в системе, где узел А хочет послать данные узлу С, узел А ждет свободный маркер (рис. 1.13. а).

Поучив его, заполняет его своими данными, устанавливает флажок занятости маркера и направляет этот кадр по кольцу к узлу С (рис. 1.13. б). Узел С принимает кадр, устанавливает в «хвосте» кадра биты ответа, подтверждающие прием данных от узла А, и помещает его обратно в кольцо для отправки к узлу А (рис. 1.13. в). Узел А принимает кадр, подтверждающий получение данных, сбрасывает биты ответа и возвращает свободный маркер в кольцо (рис. 1.13. г).

Рис. 1.13. Маркерная схема доступа к среде

Другой протокол канального уровня – FDDI (Fiber Distributed Data Interface, интерфейс передачи данных по оптоволокну) – использует ту же базовую «процедуру» хотя и с некоторыми различиями в деталях. Главное различие состоит в том, что под управлением FDDI узел посылает свободный маркер сразу же после того, как он послал свои данные ( то есть перед тем как он примет подтверждение). В больших сетях, для которых был разработан FDDI, ожидание подтверждения перед освобождением маркера было бы слишком неэффективным. При этом появляется возможность второй (и даже нескольких) передач данных или их подтверждений по кольцу, но так, чтобы в любой данный момент только одна передача присутствовала в каждой отдельно части кольца.

Существенным преимуществом схем с маркерами по отношению к распределенным CSMA/CD-схемами с состязаниями является то, что, продолжая работать в распределенной манере, они могут назначать передачам различные приоритеты. Для этого в маркере выделяется специальное поле – поле приоритета и указывается, что использовать маркер могут только те службы, приоритет которых больше, чем уровень приоритета, заданный в маркере. Чтобы гарантировать передачу кадров в приоритетном порядке, необходимо также дополнительное поле для указания приоритета следующего передаваемого кадра. Различные маркерные схемы по-разному реализуют систему управления доступа к среде передачи, но самой типичной общей процедурой является протокол IEEE 802.5.

Когда у зла имеется кадр для передачи, он вычисляет его приоритет, причем этот приоритет, по всей вероятности, будет связан со службой, для которой предназначены данные. Так, наприер, передача речи, требующая более жестоких ограничений на задержку, будет иметь более высокий приоритет, чем передача файла. В каждом маркере указывается текущий и резервный уровни приоритета. Когда свободный маркер достигает узла, желающего передавать данные с приоритетом, равным или меньшим, чем приоритет передаваемого трафика, узел использует кадр нормальным способом. Если приоритет маркера больше, чем приоритет трафика, то маркер передается немедленно.

Чтобы сигнализировать, что у них имеется готовая для отправки приоритетная информация, узлы используют второе приоритетное поле кадра – поле резервирования (reservation field). В нем указывается так называемый резервный приоритет (или приоритет резервирования). Если приоритет в поле резервирования проходящего кадра оказывается ниже, чем у данных, ожидающих передачи, то узел вставляет в поле резервирования передаваемого кадра приоритетный уровень этих данных. Когда владелец маркера освобождает маркер, подтверждающий прием его кадра, он сравнивает приоритет маркера с приоритетом в поле резервирования. Если приоритет резервирования оказывается больше, чем приоритет маркера, то приоритет маркера повышается до приоритета резервирования, что гарантирует передачу маркера по кольцу до тех пор, пока он не достигнет высокоприоритетного передатчика.

Этот приоритетный механизм работает следующим образом. Для всех пользователей одного приоритетного уровня кадры передач следуют друг за другом в циклической последовательности, а когда все передачи на этом уровне заканчиваются, происходит переход к передачам следующего приоритетного уровня и т.д.

Любой узел, который при освобождении маркера с подтверждением повышает его приоритетный уровень до уровня резервирования, отвечает также и за понижение этого уровня до его предыдущего значения. Это произойдет только тогда, когда высокоприоритетные передачи заканчиваются, и кроме того, это позволяет избежать ситуации блокировки сети с высокоприоритетным маркером при наличии низкоприоритетного трафика, который ожидает продолжения передачи.

Пример работы маркерной схемы с приоритетами приведен на рис. 1.14. где показано 6 последовательных состояний этой схемы.

В исходном состоянии (рис. 1.14. а) отражена текущая ситуация, когда текущий передающий узел А посылает в кольцо кадр с параметрами P(Priority)=0 и R(Reservation)=0, а в узлах В и С имеются данные для передачи с приоритетами 3 и 4 соответственно.

Когда этот кадр передается узлу В, он занят трафиком данных узла А, потому узел В только заполняет поле резервирования кадра значением приоритета своих данных (R=3) и отправляет кадр дальше (рис. 1.14. б). Когда он достигает узла С, который имеет данные более высокого приоритета, то тоже только заменят приоритет резервирования на 4 (то есть устанавливает R=4) (рис. 1.14. в). Когда узел А освобождает маркер с подтверждением приема своих данных, он помещает в поле приоритета значение 4 (Р=4) (рис. 1.14. г). Этот маркер снова передается в узел В, который устанавливает поле резервирования значение 3 (R=3) (рис. 1.14. д). Получив этот маркер, узел С начинает передачу своих данных (рис. 1.14. е). Когда их передача будет закончена, он выпустит в сеть свободный маркер, но вследствие того что принял маркер с приоритетным уровнем 4 (Р=4), оставит этот приоритет на том же уровне. Затем свободный маркер, циркулируя по кольцу, прибывает в узел А, который распознает ( по полю Priority), что перед этим высокоприоритетный трафик и поэтому уменьшает приоритетный уровень. В обычной ситуации узел А уменьшил бы этот уровень до 0, но из-за того, что он получил свободный маркер с уровнем резервного приоритета 3 (R=3), выпустит маркер с приоритетом 3, запомнив, что он теперь поднял приоритет маркера с 0 до 3, но возвратит приоритет к уровню 0 в следующий раз, когда встретится с пустым маркером приоритета 3.

У протокола FDDI другая система приоритетов, потому что узлы передают маркеры немедленно после посылки своих данных, но результат тот же.

Рис. 1.14. Маркерная схема с приоритетами