Горячев А.В. Основы сетевых технологий

Подождите немного. Документ загружается.

Коллизии распространяются на физические сегменты сети, к которым

подключаются сетевые объекты. Такие соединения образуют единое

пространство коллизий (collision space), в котором влияние коллизий

распространяется на всех ее участников. Для уменьшения размеров

пространств коллизий путем сегментации физической сети можно

использовать мосты и другие сетевые устройства, обладающие функциями

фильтрации трафика на канальном уровне.

Сеть не может нормально работать до тех пор, пока все ее объекты не

смогут контролировать коллизии, управлять ими, устранять или хотя бы

ослаблять их влияние. Снижать число коллизий или интерференции

(наложения) одновременных сигналов можно различными методами.

Существуют стандартные методы доступа к среде передачи,

описывающие правила, в соответствии с которыми осуществляется

управление разрешением на передачу информации для сетевых устройств:

состязание, передача маркера и опрос. Перед тем как выбрать протокол, в

котором реализован один из методов доступа к среде передачи данных,

следует обратить особое внимание на следующие факторы:

- характер передач - непрерывный или импульсный;

- количество передач данных;

- необходимость передачи данных в строго определенные интервалы

времени;

- количество активных устройств в сети.

Каждый из этих факторов в сочетании с их преимуществами и

недостатками поможет определить, какой из методов доступа к среде

передачи является наиболее подходящим для конкретной сети.

Состязание. Системы на основе состязания (конкуренции - contention)

предполагают, что доступ к среде передачи реализуется на основе принципа

«первым пришел – первым обслужен». Другими словами, каждое сетевое

устройство борется за контроль над средой передачи. Системы,

использующие метод состязания, разработаны таким образом, чтобы все

устройства в сети могли передавать данные только по мере надобности. Эта

практика, в конечном счете, приводит к частичной или полной потере данных,

потому что в действительности коллизии все же происходят. По

мере добавления к сети новых устройств количество коллизий может

возрастать в геометрической прогрессии. Увеличение количества коллизий

снижает производительность сети, а в случае полного насыщения среды

передачи информации - снижает работоспособность сети до нуля.

Для уменьшения количества коллизий разработаны специальные

протоколы, в которых реализована функция прослушивания среды передачи

информации до начала передачи данных станцией. Если прослушивающая

станция обнаруживает передачу сигнала (от другой станции), то она

воздерживается от передачи информации и будет пытаться повторить ее

позже. Эти протоколы называются протоколами множественного доступа с

контролем несущей (Carrier Sense Multiple Access, CSMA). Протоколы CSMA

значительно уменьшают число коллизий, но не устраняют их полностью.

Коллизии происходят, когда две станции опрашивают кабель, не

обнаруживают никаких сигналов, решают, что среда передачи данных

свободна, а затем одновременно начинают передачу данных.

Примерами таких состязательных протоколов являются:

- множественный доступ с контролем несущей/обнаружением

коллизий (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection, CSMA/CD);

- множественный доступ с контролем несущей/предотвращением

коллизий (Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance, CSMA/CA).

Протоколы CSMA/CD. Протоколы CSMA/CD не только прослушива-

ют кабель перед передачей, но также обнаруживают коллизии и инициали-

зируют повторные передачи. При обнаружении коллизии станции, передавав-

шие данные, инициализируют специальные внутренние таймеры случайными

значениями. Таймеры начинают обратный отсчет, и при достижении нуля

станции должны попытаться повторить передачу данных. Поскольку тайме-

ры были инициализированы случайными значениями, то одна из станций бу-

дет пытаться повторить передачу данных раньше другой. Соответственно

вторая станция определит, что среда передачи данных уже занята, и дождется

ее освобождения.

Примерами протоколов CSMA/CD являются Ethernet version 2

(Ethernet_II, разработанный в корпорации DEC) и IEEE802.3.

Протоколы CSMA/CA используют такие схемы, как доступ с

квантованием времени (time slicing) или посылка запроса на получение

доступа к среде. При использовании квантования времени каждая станция

может передавать информацию только в строго определенные для этой

станции моменты времени. При этом в сети должен реализовываться

механизм управления квантами времени. Каждая новая станция,

подключаемая к сети, оповещает о своем появлении, тем самым инициируя

процесс перераспределения квантов времени для передачи информации. В

случае использования централизованного управления доступом к среде

передачи каждая станция формирует специальный запрос на передачу,

который адресуется управляющей станции. Центральная станция регулирует

доступ к среде передачи для всех сетевых объектов. Примером CSMA/CA

является протокол LocalTalk фирмы Apple Computer.

Основными преимуществами доступа к среде с помощью метода

состязания являются:

- относительно простое и производительное программное обеспечение;

- немедленный и полный контроль над средой передачи, пока другие

сетевые устройства не имеют к ней доступа.

Главные недостатки данного метода заключаются в следующем:

- время доступа непредсказуемо (случайно);

- невозможно использование приоритетов для более быстрого доступа

некоторых устройств;

- с добавлением новых устройств число коллизий может

увеличиваться в геометрической прогрессии.

Системы на основе метода состязания больше всего подходят для

использования при импульсном трафике (при передаче больших файлов) в

сетях с относительно небольшим количеством пользователей.

Системы с передачей маркера. В таких системах (token passing)

небольшой фрейм (маркер) передается в определенном порядке от одного

устройства к другому (рис. 3.10). Маркер - это специальное сообщение,

которое передает временное управление средой передачи устройству,

владеющему маркером. Передача маркера распределяет управление

доступом между устройствами сети.

Каждое устройство знает, от какого устройства оно получает маркер и

какому устройству его следует передать. Обычно этими устройствами

являются ближайшие соседи владельца маркера. Каждое устройство

периодически получает контроль над маркером, выполняет свои действия

(передает информацию), а затем передает маркер для использования

следующему устройству. Протоколы ограничивают время контроля над

маркером каждым устройством.

Существует несколько протоколов передачи маркера. Стандартами

локальных сетей, использующих передачу маркера, являются IEEE 802.4 To-

ken Bus и IEFE 802.5 Token Ring. В сети Token Bus используются управление

доступом с передачей маркера и физическая или логическая шинная

топология, в то время как в сети Token Ring используется управление

доступом с передачей маркера и физическая или логическая кольцевая

топология. Еще одним стандартом передачи маркера (для волоконно-

оптических JIC) является распределенный волоконно-оптический интерфейс

(Fiber-distributed data interface - FDDI).

Главные преимущества описанного метода доступа к среде передачи

заключаются в том, что передача маркера'

- является детерминированной, так как создает предсказуемые

загрузку и запаздывание;

- обеспечивает более быстрый и надежный доступ к среде передачи

благодаря возможности назначения передачам данных приоритетов;

- устраняет коллизии и может обеспечить наивысшую из возможных

в условиях высокой загрузки пропускную способность.

Основные недостатки доступа к среде передачи с помощью метода

передачи маркера состоят в том, что для его реализации:

- требуется применение на всех устройствах относительно сложного

интеллектуального программного обеспечения;

- необходима настройка параметров программного обеспечения

каждый раз при добавлении устройства в среду передачи или изъятии из нее;

- требуется некоторое дополнительное контролирующее устройство

для обнаружения неисправностей и восстановления работоспособности.

Сети с передачей маркера следует использовать при наличии

зависящего от времени приоритетного трафика типа цифровых аудио- или

видеоданных или же при очень большом количестве пользователей.

Ни метод состязания, ни метод передачи маркера при доступе к среде

передачи не дают радикального превосходства с точки зрения про-

изводительности. Тем не менее, в определенных обстоятельствах и тот, и

другой способы могут продемонстрировать превосходство в про-

изводительности. Реальная производительность зависит от уровня загрузки

сети и особенностей передаваемых данных.

Вообще говоря, при большой нагрузке (уровни трафика высоки), метод

передачи маркера обеспечивает высокую сетевую производительность. С

другой стороны, благодаря ограничению непроизводительных затрат в

условиях малой нагрузки метод состязания может превосходить по

быстродействию метод передачи маркера.

Опрос (polling) - это метод доступа, при котором специально

выделенное устройство (называемое контроллером, первичным или мастер-

устройством) служит арбитром доступа к среде. Это устройство опрашивает

остальные устройства (вторичные) в некотором предопределенном порядке,

чтобы узнать, есть ли у них информация для передачи. Чтобы получить

данные, первичное устройство направляет вторичному соответствующий

запрос, а полученные данные направляет устройству-получателю. Затем

первичное устройство запрашивает другое вторичное устройство и

принимает данные от него и т. д. Протокол ограничивает количество

данных, которое может передать после запроса каждое вторичное

устройство.

Доступ к среде методом опроса предоставляет следующие пре-

имущества:

- централизованный доступ к каналу, что обеспечивает больший

контроль над сетью;

- максимальное и минимальное время доступа и уровень данных в

канале предсказуемы и фиксированы (детерминированы);

- для обеспечения скорейшего доступа могут быть назначены

приоритеты;

- позволяет полностью использовать возможности среды передачи за

счет устранения коллизий.

Главные недостатки доступа к среде методом опроса:

- задержки из-за опроса других устройств могут быть

неприемлемыми для некоторых приложений;

- пропускная способность значительно снижается из-за уведомлений и

подтверждений или прослушивания сообщений;

- предполагает большие, по сравнению с другими методами доступа к

среде передачи, непроизводительные расходы.

Опросные системы идеальны для сетевых устройств, чувствительных

ко времени, используемых, например, при автоматизации оборудования.

Распознаются объекты вычислительной сети с помощью адресации.

Канальный уровень имеет дело только с физическими адресами устройств

(иногда называются также МАС-адресами). Физические адреса устройств —

это уникальные адреса оборудования. Чаще всего они назначаются

производителями оборудования, которые используют адреса, закрепленные

за ними стандартизирующей организацией. Формат адреса зависит oт

используемого метода доступа к среде передачи.

Хотя сетевые компьютеры могут быть идентифицированы по их

физическим адресам, фактическая доставка данных в локальной сети

обычно осуществляется передачей фрейма всем сетевым устройствам.

Каждое устройство читает физический адрес фрейма, и если его

физический адрес соответствует адресу во фрейме, забирает данные. Bce

другие устройства игнорируют остальную часть фрейма. Физические адреса

устройств используются мостами для выборочного повтора сигналов данных

на раздельных сегментах среды передачи.

Синхронизация передачи. Вычислительные сети структурируют биты,

организуя их в группы, называемые символами, байтами, октетами или

фреймами. В дополнение к синхронизации бит-временных интервалов

сетевые компьютеры должны координировать передачу фреймов, для чего

используются асинхронный, синхронный и изохронный методы.

Метод асинхронной передачи (asynchronous transmission) возлагает

поддержку собственных внутренних генераторов на передатчик и приемник.

Эти два устройства используют одинаковую синхронизацию, но не

синхронизируют свои тактовые генераторы.

Асинхронные устройства посылают каждый фрейм отдельно,

используя метод асинхронной синхронизации битов (рис. 3.11). Каждый

фрейм начинается стартовым и заканчивается стоповым битами, обоз-

начающими начало и конец потока данных соответственно. Кроме того, эти

биты указывают, когда приемнику следует определять присутствие битов.

При передаче фрейма полностью игнорируются другие передачи.

Поскольку строки битов относительно короткие, ошибки син-

хронизации между тактами двух устройств не вызывают ошибки рас-

познавания начала фрейма у принимающего устройства. Однако при

асинхронной передаче возможны поразрядные ошибки. Для обнаружения

ошибок в конец каждого байта добавляют дополнительный бит, называемый

паритетным битом, или битом контроля. Для обнаружения ошибок может

проводиться контроль по четности (even parity) или по нечетности (odd par-

ity). При контроле по четности число посланных единичных битов, включая

контрольный, должно быть четным, а при контроле по нечетности -

нечетным. Приемник и передатчик должны согласовывать контрольную

сумму. Главная проблема такого контроля заключается в возможности

одновременного искажения нескольких битов, которое не может быть

обнаружено и, тем более, исправлено.

Преимуществами применения асинхронной передачи являются:

- несложная технология;

- недорогая аппаратура.

Недостатки заключаются в следующем:

- обычно 20-30% времени при каждой передаче непроизводительно

теряются на работу с фреймами и обнаружение ошибок;

- искажение нескольких битов делает невозможным обнаружение

ошибок;

- медленная по сравнению с возможностями асинхронной передачи

скорость.

Метод синхронной передачи (synchronous transmission) требует, чтобы

взаимодействующие устройства могли синхронизировать передачу (или

фреймы). Это может быть реализовано с помощью либо отдельных битовых

строк или синхронизирующих или управляющих символов, либо отдельного

синхронизирующего канала, зарезервированного за тактовым генератором.

Такой тип передачи часто применяется при генерации символов через

случайные интервалы.

Оба эти метода указывают, с какого бита начинается байт или фрейм,

и приемник узнает момент, когда требуется начинать прием данных и

считать биты, чтобы заполнить байт или фрейм. Для поддержки работы с

фреймами, когда данные не передаются, системы синхронной передачи

используют биты заполнения (рис. 3.12). Передатчик при этом может

поддерживать целостность синхронизации передачи.

Поскольку и передатчик, и приемник используют один и тот же

тактовый генератор, синхронные передачи лучше, чем асинхронные,

противостоят ошибкам синхронизации. Для обнаружения ошибок часто

используется метод контроля циклическим избыточным кодом (Cyclic Re-

dundancy Check - CRT). Процесс CRC обрабатывает блок данных с

помощью специального алгоритма. Результат вычисления (CRC)

присоединяется к блоку данных до начала передачи. Принимающая сторона

использует тот же самый алгоритм, и его результаты сравниваются с полем

CRC. Любое различие может быть истолковано как повреждение фрейма

при передаче. CRC менее уязвим по отношению к множественным

разрядным ошибкам, чем асинхронные методы обнаружения ошибок. Этот

метод наиболее эффективен для передачи больших блоков данных

Преимущества применения синхронной передачи заключаются в том,

что она:

- эффективнее, чем асинхронная;

- обеспечивает высокую скорость передачи;

- лучше обнаруживает ошибки.

Недостатком синхронной передачи является то, что требуется более

сложная и дорогая аппаратура как на передающей, так и на принимающей

стороне.

При изохронном методе передачи (Isochronous fransmission) для

создания временных слотов используют тактовые генераторы передачи с

фиксированной частотой. Тактовый сигнал генерируется выделенным

сетевым устройством и передается на все другие устройства в сети.

При использовании предписанных правил доступа к среде передачи

сетевые устройства контролируют сеть на предмет наличия свободного

пространства внутри слотов и по мере необходимости вставляют туда

данные. В каждый слот можно вставить множество фреймов, вплоть до его

заполнения. При использовании изохронного метода передачи тактовый

генератор обеспечивает тактовую частоту специальным выделенным

устройством, которое не участвует в процессе передачи данных. От метода

асинхронной передачи изохронный метод отличается тем, что тактовый

сигнал не предусматривается в каждом фрейме. А в отличие от метода

синхронной передачи тактовый сигнал не обеспечивается отправителем в

начале строки.

Преимущества метода изохронной передачи в том, что уровни

передачи гарантированы и детерминированы и метод требует исключительно

малых накладных расходов. Однако для его реализации необходим

устойчивый к сбоям внешний тактовый генератор.

Канальный уровень обеспечивает сервис соединений. Существует три

типа сервиса соединений:

- сервис без подтверждения и без установления соединений (unac-

knowledged connectionless) - посылает и получает фреймы без управления

потоком и без контроля ошибок или последовательности пакетов;

- сервис, ориентированный на соединение (connection-oriented), -

обеспечивает управление потоком, контроль ошибок и последовательности

пакетов посредством выдачи квитанций (подтверждений);

- сервис с подтверждением без установления соединения (acknowl-

edged connectionless) - использует квитанции для управления потоком и

контроля ошибок при передачах между двумя узлами сети.

Сервис соединений использует подтверждения, или квитанции (ac-

knowledgment), представляющие собой специальные сообщения, которые

подтверждают факт приема фрейма или пакета данных. Подтверждения

используются для управления потоком данных LLC-уровня и для контроля

ошибок.

Управление потоком данных LLC-уровня. Сетевые устройства

различаются скоростями передачи данных, возможностями их хранения и

обработки. Правила управления потоком данных (flow control) регулируют

количество данных, которое может быть передано за определенное время.

Правила позволяют более медленным устройствам замедлять более

быстрые.

Существуют две стратегии управления потоком данных. Оконное

управление потоком данных (window flow control) организует буфер или

окно, в которое может быть помещено определенное количество фреймов

данных. Оконное управление потоком данных может быть двух типов:

статическое и динамическое.