Конспект лекций по дисциплине «Сетевые технологии»

Управление обменом централизованное.

Рис. 6.7. Централизованный метод управления обменом в сетях топологией «звезда»

 

Преимущества:

• невозможность конфликтов между абонентами.
• гарантированное время доступа, т.е. время между возникешим желанием передать до момента предачи.

Недостатки:

• низкая устойчивость к отказам (если Ц выходит из строя)
• недостаточная гибкость (Ц всегда работает по жестко заданному алгоритму)
• низкая скорость управления (если работает только один ему приходится ждать пока опросят всех).

 

6.6.3.Управление обменом в сети типа «шина».

Тоже возможны два решения:

Централизованное и децентрализованное

Централизованное управление, как и в звезде (физически шина, но логически звезда). Ц посылает всем АП запросы, выясняя, кто хочет предать, разрешая ему передачу. После окончания передачи АП посылает сообщение, что он закончил и Ц начинает опрос снова. Единственное отличие от звезды, что Ц не перекачивает информацию от одного АП к другому, а только управляет обменом.

Однако гораздо чаще в шине используется децентрализованное  случайное управление - при этом все абоненты имеют равный доступ к сети, т.к. аппаратные средства всех АП одинаковы, и они имеют одинаковые права доступа к сети. Решение о том, когда можно передавать свой пакет, принимается каждым абонентом исходя из анализа состояния сети. Возникает конкуренция за захват сети и, следовательно, возможны искажения передаваемых сигналов из-за наложения пакетов.

Существует множество алгоритмов доступа или сценариев доступа. Рассмотрим некоторые:

Децентрализованный кодовый приоритетный арбитраж. Его смысл состоит в распознавании столкновений двух или более пакетов в начале передачи и прекращения в случае столкновения передачи всеми абонентами кроме одного. Т.е. нужно определить, занята или свободна сеть, для этого передаваемые пакеты снабжаются начальной (кодовой) информацией. Идет жесткая привязка к коду передачи информации.

Децентрализованный временной приоритетный арбитраж. Основная идея данного метода состоит в том, чтобы свести вероятность столкновений к пренебрежимо малой величине. Предлагается следующий алгоритм. Сначала все абоненты следят за состоянием сети. Если она свободна, то передача начинается сразу же после возникновения заявки на нее. Если сеть занята, то сразу же после ее освобождения все абоненты отсчитывают свой собственный уникальный временной интервал, пропорциональный коду сетевого адреса данного абонента. Таким образом абонент 0 начинает передачу сразу, абонент с 1-м адресом через время t со вторым через время 2t и т.д. Если к концу временного интервала сеть все еще остается свободной, то абонент начинает передачу. В противном случае ждет освобождения сети.

При большой загрузке сети абонентам с малыми приорететами приходится долго ждать. Приоритет определяетмя исходя из времени задаржки начала передачи минимальное  время - максимальный приоритет. О гарантированном времени доступа к сети для всех абонентов и говорить не приходится. Этот метод полностью не исключает столкновений (заявки на передачу при свободной сети могут возникнуть одновременно).

Третий метод можно считать развитием второго и он получил название множественный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий (столкновений). (МНДК/ОК CSMA/CD Carrier-Sense Multiple Access/Collision Detection). Один из самых популярных, используемый в сетях Ethernet, Fast Ethernet. Относится к децентрализованным случайным (точнее квазислучайным) методам. Подробнее о названии метода. В сети работавшей с 1970 года на Гавайских островах, использовался Радиоканал и установленный на спутнике ретранслятор – отсюда слово «несущая» в названии метода. В этой сети был реализован множественный доступ с контролем несущей без обнаружения коллизий. В сетях Ethernet, Fast Ethernet в качестве несущей частоты выступает синхросигнал «подмешиваемый» в передаваемые данные.

Идея метода состоит в том , чтобы уравнять в правах всех абонентов, т.е. чтобы не было фиксированных приоритетов, и абоненты не могли надолго заблокировать обмен. Для этого время задержки вычисляется каждым абонентом самостоятельно. Информация передается абонентами кадрами или пакетами (для МНДК/ОК понятия кадр и пакет не различаются).  Алгоритм МНДК/ОК можно представить следующим образом:

1. Абонент желающий передавать следит за состоянием сети (контроль несущей частоты Мачестер 2). Если сеть свободна, то передача начинается после того, как прошло время, составляющее межкадровый интервал - промежуток времени между передаваемыми пакетами (блок 1, 2).
2. После освобождения сети абонент сразу же начинает передавать и одновременно после передачи каждого бита контролирует состояние сети (обнаружение коллизий), если столкновений не обнаруживается, то передача доводится до окончания пакета. В этом случае считается, что передача прошла успешно.
3. Если после передачи какого либо бита столкновение обнаружено, то передача пакета прекращается. Абонент усиливает коллизию передавая 32-битный сигнал ПРОБКА. Увеличивает значение счетчика попыток. Максимальное число попыток не более 16. Если счетчик переполнился, то считается, сто сеть сильно перегружена, в ней сильно много коллизий, ситуация аварийная и обрабатывается на более высоких уровнях протоколов обмена.
4. После прекращения неудачной передачи абонент вычислчет время задержки по некоторой формуле, где присутствует генератор случайных чисел. Выдерживает выбранный промежуток времени и повторяет попытку(п. 1)
5. Если в момент возникновения заявки на передачу сеть занята, то абонент ждет освобождения сети.

При любом случайном методе управления обменом возникает вопрос о том, какой должна быть минимальная длительность пакета, чтобы коллизию обнаружили все начавшие предавать абоненты. Минимально допустима длительность пакета в сети должна составлять Dmin=2L/V, где  L – полная длина сети; V- скорость распространения сигнала в используемом кабеле. Это время называют двойным или круговым временем задержки сигнала в пути или PVD (Path Delay Value). Этот временной интервал можно рассматривать как универсальную меру одновременности любых событий в сети.

Рис. 6 8 Расчет минимальной длительности пакета

Например, абонент 1 закончил свою передачу, а абоненты 2 и 3 захотели передавать во время передачи абонента 1. После освобождения сети абонент 3 узнает об этом событии и начинает свою передачу через временной интервал прохождения сигнала по всей длине сети, то есть через время L/V, а абонент2 начнет передавать сразу после освобождения сети. Пакет от абонента 3 дойдет до абонента 2 еще через временной интервал L/V после начала передачи абонентом 3 (обратный путь сигнала). К этому моменту передача пакета абонентом 2 ни в коем случае не должна еще закончиться, иначе абонент 2 так и не узнает столкновении пакетов (о коллизии).

Отдельно стоит остановиться на том, как сетевые адаптеры распознают коллизию, то есть столкновение пакетов. Ведь простое сравнение передаваемой абонентом информации с той, которая реально присутствует в сети, возможно только в случае самого простого кода NRZ, используемого довольно редко. При применении кода Манчестер-2, который обычно подразумевается в случае метода управления обменом CSMA/CD, требуется принципиально другой подход.

Сигнал в коде Манчестер-2 всегда имеет постоянную составляющую, равную половине размаха сигнала (если один из двух уровней сигнала нулевой). Однако в случае столкновения двух и более пакетов (коллизии) это правило выполняться не будет. Постоянная составляющая суммарного сигнала в сети будет обязательно больше или меньше половины размаха (рис. 6.9). Ведь пакеты всегда отличаются друг от друга и к тому же сдвинуты друг относительно друга во времени. Именно по выходу уровня постоянной составляющей за установленные пределы и определяет каждый сетевой адаптер наличие коллизии в сети.

Рис 6.9 Определение факта коллизии при использовании кода Манчестер-2

 

6.6.4Управление обменом в сети типа «кольцо».

Кольцевая топология имеет свои особенности при выборе управления обменом. Важным фактором является то, что любой пакет, посланный по кольцу последовательно пройдя всех абонентов, через некоторое время возвратится в ту же точку - топология замкнутая. Здесь нет одновременного распространения сигнала в обе стороны как по шине. Отметим, что сети типа кольцо бывают однонаправленными и двунаправленными. Мы будем рассматривать только однонаправленные, как более распространенные.

Наиболее популярными методами управления обменом в сетях типа кольцо считаются маркерные (эстафетные) методы, которые используют небольшой специальный управляющий пакет – маркер.

Маркерный метод управления относится, как и методы опроса (централизованые), к детерминированным. В отличие от рассмотренных случайных детерминированные методы принципиально исключают любые конфликты в сети, т.к. в них предусмотрен механизм временного распределения сети между абонентами. При случайных методах АП могут начать передачу в любой момент  времени поэтому там конфликты неизбежны.

СМ- свободный маркер; ЗМ- занятый маркер;ПМ-занятый маркер с подтверрждением; ПД – пакет данных

Рис.  Маркерный метод управления обменом

Идея метода состоит в том, что по кольцу запускается специальный пакет, называемый маркером, который отмечает время возможного начала пакета. Маркер ходит по кольцу, синхронизируя работу абонентов сети.

Алгоритм управления предполагает следующую последовательность действий:

1. А1, желающий передать ждет свободный маркер (пакет, помеченный как свободный). Получив его А1 помечает его как занятый, добавляя к нему свой пакет и отправляет полученный блок следующему по кольцу абоненту.
2. Каждый абонент кольца (А1,А2,А3) получив блок маркер+пакет проверяет ему ли адресован пакет и если пакет не его отправляют дальше по кольцу.
3. Абонент, распознавший пакет (пусть это будет А3) принимает пакет и устанавливает в маркере бит подтверждение и отправляет посылку маркер + пакет  дальше.
4. Передававший абонент (А1) получает обратно свою посылку освобождает маркер и снова посылает маркер в сеть.

Приоритет в данном случае географический, т.е. право передачи переходит к следующему за передававшим по кольцу. Здесь нет выделенного центра, однако один и АП или спец. устройство должен следить за тем, чтобы маркер не потерялся. Надежность в этом случае снижается. Однако основным преимуществом является гарантированное время доступа. Следует отметить, что метод маркерного доступа используется не только в кольце IBM Token Ring, но и в шине Arcnet-BUS, и в звезде Arcnet-STAR. В этих случаях используется логическое кольцо.

Метод кольцевых сегментов - слотов. Примером сети, использующий этот метод может служить Cambridge Ring. Основное отличие этого метода от маркерного состоит в том, что нескольким абонентам разрешена передача одновременно и в любой момент. Вместо одного маркера в сети используются несколько так называемых слотов (от 2 до 8), которые выполняют туже функцию, что и маркер. Эти слоты идут довольно часто, временной интервал между ними невелик и поэтому информации между ними может уместиться немного обычно от 8 до 32 байт. При этом каждый слот может находится в свободном или занятом состоянии. Алгоритм включает в себя следующие этапы:

• АП, желающий передавать разбивает информацию на слоты
• затем ждет прихода свободного слота и загружает в него часть своей информации, ждет прихода следующего свободного и загружает следующую часть и т.д. В каждом слоте существует бит - свободен или занят слот, поле сетевого адреса приемника и передатчика и бит признака конца информации.
• АП, которому адресована информация выбирает слоты, содержащие адресованную ему информацию и устанавливает бит подтверждения и так продолжается до последнего адресованного ему слота.
• Передающий АП получает свои слоты обратно по кольцу и освобождает их - помечает как свободные.

Преимущество данного метода перед маркерным состоит в том, что сеть занимается несколькими абонентами. Время доступа гарантированное и в наихудшем случае случае оно составит время передачи пакета помноженное на число абонентов в сети.

Основное преимущество данных методов перед CSMA/CD состоит в гарантированности времени доступа, величина которого составляет

, где N- число абонентов в сети;

- время доступа абонент;

- время прохождения пакета  по кольцу.

 

 

7. БАЗОВЫЕ СЕТЕВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ.

 

Базовая сетевая технология - это согласованный набор протоколов и реализующих их программно-аппаратных средств, достаточный для построения вычислительной сети. В общем случае физический и канальный уровень отражают всю специфику сети. Спецификаций физического уровня существует много. Все они отличаются определенной используемой кабельной системой (тонкий коаксиальный кабель, толстый коаксиальный кабель, витая пара и т.п.), и способом физического кодирования сигналов в кабелях (NRZI, манчестерское кодирование). Причем большинство базовых технологий локальных сетей допускает использование различных спецификаций физического уровня в одной сети. Обеспечение же взаимодействия узлов в локальной сети приходится на долю канального уровня. Протоколы канального уровня, которые работают в локальных сетях, ориентируются на использование разделяемой среды передачи между компьютерами сети. Канальный уровень локальной сети обеспечивает доставку кадра между двумя узлами локальной сети с совершенно определенной топологией связей, для которой он был разработан. Топологии, которые поддерживают протоколы канального уровня локальных сетей - это хорошо известные нам, типовые топологии - общая шина, кольцо и звезда. Для каждой топологии разрабатываются определенные правила передачи данных и используются различные средства физического уровня, главное, чтобы все вместе работало согласованно.

Таким образом, базовая сетевая технология - это совместимость канального и физического уровня для построения сети.