Методы доступа к моноканалу. Случайные методы доступа
Методы доступа к моноканалу. Устройства одного сегмента сети подключены к общей физической среде передачи данных или каналу передачи, который называется также моноканалом. Такое название указывает на возможность передачи без искажений по каналу в любой момент времени сообщения только от одной станции сети. Среда передачи в этом случае не имеет значения: регламентировать доступ станций к моноканалу необходимо как для проводных, так и для беспроводных линий связи.
 |
Регламентация коллективного доступа станций сети к моноканалу осуществляется специальными методами, которые обеспечивают поочередное и эффективное использование физической среды множеством станций сети. Эти методы называют методами доступа.
Существует большое число методов доступа (порядка тридцати), которые принято разделять на случайные и детерминированные. К основным детерминированным методам относят методы разделения времени (методы опроса), маркерные методы (передачи полномочий) и тактируемый доступ. К основным случайным методам доступа относятся множественный доступ с контролем несущей и множественный доступ с контролем несущей и обнаружением конфликтов между кадрами. На рис. 4.1 отдельно выделены методы доступа, соответствующие им протоколы и ЛВС, которые реализованы на практике и которые Вы будете рассматривать на лекциях и в лабораторных работах.
Рассмотрим основные методы доступа, применяемые в ЛВС, а также особенности построения ЛВС, реализующих эти методы.
Случайные методы доступа
Методы случайного доступа используются в сетях только с шинной топологией. В таких сетях пользователь, желающий передать данные, начинает передачу в любой момент времени, как только в этом возникла необходимость. В конфликтных ситуациях два или более сообщений могут наложиться во времени и будут оба испорчены.
Изначально разработчиками были предложены два простейших случайных метода доступа – простой множественный доступ (ПМД) и тактируемого множественного доступа (ТМД). Для ПМД относительное использование канала вновь поступающим пакетом из-за большой вероятности повторной передачи искаженных сообщений составляет 0,18. Для ТМД относительное использование канала чуть больше и составляет 0,368 за счет синхронизации работы всех пользователей во времени. Оба этих метода на практике не используются, поэтому мы их рассматривать на лекции не будем.
Эти методы были не эффективны, поскольку в них не были заложены механизмы контроля за средой передачи. Одним из путей повышения общей эффективности случайных методов доступа явилась реализация прослушивания канала связи и отказа от передачи кадра, если какой-то другой пользователь уже передает свой кадр. Этот подход применен в таком методе случайного доступа, как множественный доступ с контролем несущей (МДКН – Carrier-Sense Multiple Access – CSMA).
Множественный доступ с контролем несущей. Для реализации МДКН необходимо, чтобы станция "прослушивала" канал до того, как она приступит к передаче. Если канал уже занят, данная станция ожидает завершения текущей передачи, а затем начинает передачу собственного кадра. Между тем, сигналу требуется конечное время для того, чтобы достичь крайних (самых удаленных) точек сети. Это время называется окном конфликтов. Из-за наличия окна конфликтов могут быть ситуации, когда две или более станции начнут передачу в одно и тоже время. В этом случае все передаваемые кадры искажаются, например как, показано на рис. 4.2.
Станция-отправитель перестает следить за передающей средой сразу же после того, как приступила к передаче собственного кадра. При этом, кадры хотя и искажаются, но передаются целиком до конца, поэтому время неэффективного использования канала связи достаточно велико (см. рис. 4.2).
При наличии коллизии положительное подтверждение о приеме кадров не высылается, и, по истечении некоторого времени, станция-отправитель считает, что отправленные кадры повреждены, и пытается передать их повторно. Далее попытка передать поврежденные кадры возобновляется через случайный интервал времени.
Различают две разновидности МДКН – настойчивый и ненастойчивый. При ненастойчивом МДКН станция, ожидающая прекращения текущей передачи, совершает попытку передать кадр не обязательно сразу после освобождения сети.
Если станция попытается осуществить передачу при первой же возможности с вероятностью P, то этот метод доступа называется P настойчивым МДКН. Если при этом методе М станций ожидают возможности передачи, то, как только канал освободится, M*P станций начнет передавать информацию. При Р=1 каждая из М станций начнет передавать сразу после освобождения канала. Если таких станций будет более одной, то все следующие передачи кадров приведут к конфликтам. Для избежания этого значение Р выбирается меньше 1. Увеличение вероятности Р приводит к уменьшению времени, в течение которого канал будет свободен (т.е. линия будет меньше простаивать и увеличится пропускная способность сети), тогда как уменьшение Р снижает число возможных конфликтов, что также увеличивает пропускную способность.
Выбор оптимального значения вероятности передачи Р зависит от многих факторов: от времени, требуемого для передачи информации в удаленные участки сети (зависит от окна конфликтов); от длины кадра; от числа пользователей, ждущих возможности передать кадры и т.п. Эта величина устанавливается случайным образом для каждой станции сети.
Множественный доступ с контролем несущей и обнаружением конфликтов передачи кадров(МДКН/ОК – Carrier-Sense Multiple Access/Collision Detection – CSMA/CD) наиболее распространен среди случайных методов доступа и используется в сети Ethernet (IEEE 802.3). Вы исследуете этот метод доступа и регламентирующий его протокол в лабораторной работе № 1 самостоятельно. На лекции мы пройдем лишь основные его особенности.
Этот метод, как и МДКН, является широковещательным методом, когда все станции равноправны по доступу к сети.
Все перечисленные выше разновидности случайного доступа являются неэффективными, поскольку даже конфликтующие кадры передаются полностью. В сетях, где расстояния между станциями малы, время распространения сигнала по всем участкам сети невелико по сравнению с временем передачи кадра. Таким образом, период времени, в течение которого канал кажется свободным, хотя одна из станций передает информацию, очень короток. В этот период (окно конфликтов), может быть передано более одного кадра, которые столкнуться друг с другом, и будут испорчены.
Значительное усовершенствование может быть достигнуто посредством введения "прослушивания" сети как до начала передачи кадра (т.е. контроль несущей), так и во время передачи (обнаружение конфликтов). Когда отправитель знает, что его кадр конфликтует с другими, то он прекращает передачу, и, тем самым, экономит время бесполезного захвата сети (время неэффективного использования канала значительно снижается по сравнению с МДКН и не может быть больше окна конфликтов) (рис. 4.3). В этом методе время повторной передачи кадра также задается случайным образом.
Если после определенного числа повторных попыток (их 16) все же не удается осуществить передачу, то станция-отправитель прекращает попытки и сообщает своему пользователю о возможности какой-то ошибки. По мере роста нагрузки на сеть падает интенсивность передач от отдельных станций.
При работе в такой сети каждая станция анализирует адресную часть передаваемых по сети кадров с целью обнаружения и приема кадров, предназначенных для нее.
Станция-отправитель может обнаружить конфликт передачи двумя способами: 1) побитным сравнением данных, передаваемых в линию (неискаженных) и получаемых из нее (искаженных); 2) по появлению постоянной составляющей напряжения в линии, что обусловлено искажением используемого для представления данных манчестерского кода.
Первый способ неэффективен, т.к. требуется много времени для декодирования сигналов в двоичные символы и сравнения переданных и принятых двоичных символов. На практике используется второй способ, когда распознавание конфликтов идет на уровне сигналов. Для этого данные специально кодируются манчестерским кодом, поскольку именно он позволяет обнаружить конфликт очень просто.
Вы на других предметах уже проходили этот способ кодирования и должны его знать.
Правила Манчестерского кодирования:
1) информация записывается в середине такта;
2) 1 записывается перепадом от низкого напряжения к высокому;
3) 0 записывается перепадом от высокого напряжения к низкому;
4) если подряд записывается несколько 0 или 1, то в начале такта записывается дополнительный перепад напряжения.
При этом кодировании передача в сети асинхронная, то есть в сеть не передается синхросигнал, поэтому, чтобы правильно декодировать принимаемый код, приемник должен настроить тактовый генератор. Настройка заключается в определении периода сигнала.
Как Вы уже знаете из лабораторной работы № 1 каждый кадр в сети Ethernet обязательно начинается со специального поля – преамбулы – которое состоит из 7 байт чередующейся последовательности 1010… При кодировании манчестерским кодом на выходе передатчика будут появляться периодические перепады импульсов. Эти перепады служат для синхронизации приемника станции-получателя. Но для синхронизации достаточно передать только один байт такой последовательности – зачем же их семь?
Семь байт выбрано разработчиками протокола с той целью, чтобы конфликты обнаруживались на передаче именно преамбулы, а не остальных полей, т.к. это наиболее просто сделать. Разработчики рассчитали самое максимальное окно конфликтов при худшем случае построения сети Ethernet, когда две станции сети будут удалены на максимально возможное расстояние, и будет использоваться самый «плохой» кабель с низкой скоростью распространения сигнала. За это время последний из семи байт преамбулы «дойдет» до самой дальней точки сети и все станции уже будут знать, что линия занята. Поэтому конфликты возможны только при передаче преамбулы, а распознаются они очень просто – если период перепадов импульсов сбился (появилась постоянная составляющая напряжения в линии) – то значит два или более кадра наложились друг на друга.
Из-за наличия окна конфликтов протоколом оговорен и минимальный размер поля данных кадра – 46 байт (ни для одной другой сети такого ограничения нет). Это ограничение введено для того, чтобы не было эффекта «короткого кадра». Маленький кадр очень быстро может передаться станцией-отправителем и передача его последнего бита будет завершена еще до того, когда его первый бит дойдет до самой дальней станции сети. Если в это время другая станция начнет передачу, то возникнет конфликт, о котором станция-отправитель знать не будет, т.к. она уже завершила передачу и перестала контролировать линию. Поэтому потерянный (искаженный) кадр повторно передан не будет. Чтобы избежать такой ситуации и ввели ограничение на минимальный размер поля данных кадра, рассчитав, чтобы полное время распространения такого кадра превышало окно конфликтов.
Обнаружив конфликт, станция должна оповестить об этом партнера по конфликту, послав дополнительный сигнал затора (специальную 32-разрядную битовую последовательность (101010…) – jam-последовательность), после чего станции должны отложить попытки выхода в линию на случайный промежуток времени.
Как станция-партнер по конфликту узнает, что сигнал затора предназначен именно ей, и как станция обнаружившая первая конфликт, узнает с кем она конфликтует и кому передавать сигнал затора? МДКН/ОК – это широковещательный метод: первая станцияпошлет сигнал всем, а станция, которая в это время передает, получив сигнал затора, поймет, что это ей.
Метод МДКН/ОК принят как один из стандартных методов в локальных сетях. Он используется для сетей с проводной и беспроводной линией связи, в частности в таких ЛВС с шинной топологией, как Fast Ethernet, Radio Ethernet, Ethernet TСР/IP LAN, LAN System и др.