Классификация сетей по топологии

Сети на основе сервера

В сетях с выделœенным сервером, появляется иерархия, призванная упростить управление различными функциями сети по мере увеличения ее размера. Часто такие сети называют с архитектурой клиент/сервер.

В подобных сетях основная часть совместно используемых ресурсов сосредоточена на отдельном компьютере, называемом сервером. На сервере обычно нет базовых пользователœей, вместо этого они являются многопользовательскими компьютером, то есть предоставляют возможность совместного использования своих ресурсов клиентам сети.

Серверному подходу присуще множество преимуществ:

Можно поддерживать более строгую безопасность, по сравнению с одноранговой сетью;

Упрощение регулярного и надежного выполнения административных задач;

Пользователям не нужно запоминать, где хранятся различные ресурсы, как это было в одноранговых сетях.

Сеть на основе сервера имеет одно ограничение - ее развертывание и эксплуатация обходится намного дороже одноранговых сетей.

Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, сети на основе сервера оказываются очень эффективными в больших организациях. При обстоятельствах, требующих строго соблюдения безопасности или четкого управления ресурсами.

Сегодня широко используется комбинация однораногового и серверного доступа к ресурсам одной сети. Примером может послужить сеть с сервером, на котором централизованы ресурсы для универсального использования. Локальные рабочие группы такой сети могут предоставлять одноранговый доступ к своим ресурсам для своих внутренних нужд (комбинированные сети).

Топология сети - ϶ᴛᴏ схема соединœения компьютеров и других сетевых устройств с помощью кабеля или другой сетевой среды.

1.4.1 Сети с топологией «шина»

Шина представляет собой сеть, проложенную по линии (рис.2). Кабель проходит от од­ного компьютера к следующему, затем к следующему и т.д.

Рисунок 2 – Топология «шина»

В сети с шинной топологией сообщения, посылаемые каждым компьютером, по­ступают на всœе компьютеры, подключенные к шинœе. Каждый сетевой адаптер анали­зирует заголовки сообщений и таким образом определяет, предназначено ли сообще­ние для этого компьютера. В случае если да, то сообщение обрабатывается, в противном слу­чае отбрасывается. Причем в каждый момент времени передачу может вести только один компьютер. По этой причине пропускная способность делится между всœеми узлами сети.

В топологии «шина» существует проблема отражения сигнала. Электрические сигналы распространяются от одного конца кабеля к другому и если не предпринимать никаких специальных мер, сигнал, достигая конца кабеля, будет отражаться и создавать помехи, не позволяя другим компьютерам осуществлять передачу. По этой причине на концах кабеля электрические сигналы нужно гасить. Для этого используют терминатор (оконечное устройство).

Преимущества сети с шинной топологией.

Шинную топологию очень просто реализовать. Она относительно дешевая, потому что требует меньше кабелœей, чем другие топологии. Это решение особенно пригодно для небольших сетей, которые будут использоваться всœего несколько дней или недель, к примеру в классной комнате.

Недостатки сети с шинной топологией.

Недостаток шинной топологии состоит в том, что если происходит раз­рыв кабеля (или один из пользователœей вынимает разъем из гнезда, чтобы отклю­читься от сети), то вся сеть разрывается. При этом происходит не только разрыв связи между двумя группами изолированных компьютеров, но и возникает отра­жение сигнала из-за отсутствия терминаторов на концах, вследствие чего вся сеть выходит из строя.

1.4.2 Топология «Звезда»

Звезда – одна из наиболее популярных топологий локальных сетей. Звезда образуется путем соединœения каждого компьютера с центральным компонентом- концентратором (рис.3).

Рисунок 3- Топология «звезда»

Сигналы от передающего компьютера поступают на концентратор, где усиливается и передается на всœе порты ко всœем компьютерам. В этой топологии, как и в шинœе, сигнал поступает на всœе компьютеры. Получив сообщение, компьютер анализирует его заголовок и принимает решение: обработать или отбросить сообщение.

Главное преимущество этой топологии перед шиной – существенно большая надежность. Любые неисправности с кабелœем выводят из строя только тот компьютер, который им был подключен. И лишь неисправность концентратора выводит из строя всю сеть.

Легко менять конфигурацию сети – добавление нового компьютера заключается в присоединœении одного разъема кабеля.

Недостатком данной топологии является более высокая стоимость из-за приобретения концентратора, возможности по наращиванию количества узлов в сети ограничено количеством портов концентратора.

1.4.3 Топология «кольцо»

Сеть с топологией «кольцо» похожа на сеть с топологией «шина»: логически компьютеры в ней также соединœены друг с другом последовательно. Отличие состоит по сути в том, что в топологии «кольцо» два конца кабеля соединœены вместе. Сигнал, сгенерированный одним из компьютеров, движется по кольцу ко всœем остальным компьютерам и в конце концов возвращается в исходную точку.

Важно понимать, что в большинстве случаев «кольцо» - это логическая, а не физическая конструкция. Сетевое «кольцо» реализовано логически с помощью соединœения проводов внутри кабелœей и специального концентратора - модуля множественного доступа . Он получает данные через один порт и по очереди передает их через всœе остальные (рис.4).

Рисунок 4 - Топология «кольцо»

Использование физической топологии «звезда» в сети с топологией «кольцо» обеспечивает функционирование сети даже в случае повреждения кабеля или разъема. С помощью специальной схемы модуль множественного доступа просто исключает неисправную рабочую станцию из кольца, сохраняя его логическую топологию. В случае если компьютеры подключены к обоим кольцам, сеть может функционировать, даже если одно из них выйдет из строя.

Существует несколько различных методов доступа, однако наибольшее распространение получили следующие методы:

Передача маркера (эстафетный доступ);

1.5.1 Метод CSMA/CD

Сегодня самый распространенный метод управления доступом в локальную сеть - это CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection - множественный доступ с контролем носителя и обнаружением конфликтов).

Чтобы понять, как он работает, рассмотрим отдельно фрагменты его названия.

Контроль носителя - когда компьютер собирается передать данные в сеть методом CSMA/CD, он должен сначала проверить, передает ли в это время по этому же кабелю свои данные другой компьютер. Другими словами, проверить состояние носителя: занят ли он передачей других данных.

Множественный доступ - это означает, что несколько компьютеров могут начать передачу данных в сеть одновременно.

Обнаружение конфликтов - это главная задача метода CSMA/CD. Когда компьютер готов передавать, он проверяет состояние носителя. В случае если кабель занят, компьютер не посылает сигналы. В случае если же компьютер не слышит в кабелœе чужих сигналов, он начинает передавать. При этом может случиться, что кабель прослушивают два компьютера и, не обнаружив сигналов, начинают передавать оба одновременно. Такое явление принято называть конфликтом сигналов (коллизией). Обнаружив коллизию, система немедленно останавливает передачу данных и начинает передачу сигнала затора, сигнализируя всœем системам, что нужно подождать освобождения сети. К омпьютеры ждут на протяжении случайного периода времени и посылают эти же сигналы повторно.

1.5.2 Метод CSMA/CA

Название метода расшифровывается как Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance - множественный доступ с контролем носителя и предотвращением конфликтов. По сравнению с предыдущим методом заменено лишь одно слово - "обнаружение (конфликтов)" на "предотвращение".

Первый шаг при попытке передать пакет: компьютер прослушивает кабель и определяет, свободен ли он. При этом, если компьютер не находит в кабелœе других сигналов, он сначала посылает сигнал запроса на передачу- RTS (Request to Send). Этим он объявляет другим компьютерам, что намерен начать передачу данных. В случае если другой компьютер сделает то же самое в тот же момент времени, то произойдет конфликт сигналов RTS, а не пакетов данных. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, пакеты данных никогда не смогут конфликтовать. Это принято называть предотвращением конфликтов

На первый взгляд, метод с предотвращением конфликтов значительно совершеннее, чем с обнаружением. При этом его производительность ниже из-за того, что дополнительно к данным приходится посылать сигналы RTS, подавляющее большинство которых не нужны. Фактически количество поступающих на кабель сигналов почти удваивается.

Метод доступа – это способ определения того, какая из рабочих станций сможет следующей использовать ЛВС. То, как сеть управляет доступом к каналу связи (кабелю), существенно влияет на ее характеристики. Примерами методов доступа являются:

Множественный доступ с прослушиванием несущей и разрешением коллизий (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection – CSMA/CD);

Множественный доступ с передачей полномочия (Token Passing Multiple Access – TPMA) или метод с передачей маркера;

Множественный доступ с разделением во времени (Time Division Multiple Access – TDMA);

Множественный доступ с разделением частоты (Frequency Division Multiple Access – FDMA) или множественный доступ с разделением длины волны (Wavelength Division Multiple Access – WDMA).

Метод множественного доступа с прослушиванием несущей и разрешением коллизий (CSMA/CD) устанавливает следующий порядок: если рабочая станция хочет воспользоваться сетью для передачи данных, она сначала должна проверить состояние канала: начинать передачу станция может, если канал свободен. В процессе передачи станция продолжает прослушивание сети для обнаружения возможных конфликтов. Если возникает конфликт из-за того, что два узла попытаются занять канал, то обнаружившая конфликт интерфейсная плата, выдает в сеть специальный сигнал, и обе станции одновременно прекращают передачу. Принимающая станция отбрасывает частично принятое сообщение, а все рабочие станции, желающие передать сообщение, в течение некоторого, случайно выбранного промежутка времени выжидают, прежде чем начать сообщение.

Алгоритм множественного доступа с прослушиванием несущей и разрешением коллизий приведен на рис. 3.5.

Все сетевые интерфейсные платы запрограммированы на разные псевдослучайные промежутки времени. Если конфликт возникнет во время повторной передачи сообщения, этот промежуток времени будет увеличен.

Рис. 3.5. Алгоритм CSMA/CD

Стандарт типа Ethernet определяет сеть с конкуренцией, в которой несколько рабочих станций должны конкурировать друг с другом за право доступа к сети.

Метод с передачей маркера – это метод доступа к среде, в котором от рабочей станции к рабочей станции передается маркер, дающий разрешение на передачу сообщения. При получении маркера рабочая станция может передавать сообщение, присоединяя его к маркеру, который переносит это сообщение по сети. Каждая станция между передающей станцией и принимающей видит это сообщение, но только станция – адресат принимает его. При этом она создает новый маркер.

Маркер (token), или полномочие, – уникальная комбинация битов, позволяющая начать передачу данных.

Алгоритм множественного доступа с передачей полномочия, или маркера, приведен на рис. 3.6.

Рис. 3.6. Алгоритм TPMA

Каждый узел принимает пакет от предыдущего, восстанавливает уровни сигналов до номинального уровня и передает дальше. Передаваемый пакет может содержать данные или являться маркером. Когда рабочей станции необходимо передать пакет, ее адаптер дожидается поступления маркера, а затем преобразует его в пакет, содержащий данные, отформатированные по протоколу соответствующего уровня, и передает результат далее по ЛВС.

Пакет распространяется по ЛВС от адаптера к адаптеру, пока не найдет своего адресата, который установит в нем определенные биты для подтверждения того, что данные достигли адресата, и ретранслирует его вновь в ЛВС. После чего пакет возвращается в узел из которого был отправлен. Здесь после проверки безошибочной передачи пакета, узел освобождает ЛВС, выпуская новый маркер.

Таким образом, в ЛВС с передачей маркера невозможны коллизии (конфликты). Метод с передачей маркера в основном используется в кольцевой топологии.

Данный метод характеризуется следующими достоинствами:

Гарантирует определенное время доставки блоков данных в сети;

Дает возможность предоставления различных приоритетов передачи данных.

Вместе с тем он имеет существенные недостатки:

В сети возможны потеря маркера, а также появление нескольких маркеров, при этом сеть прекращает работу;

Включение новой рабочей станции и отключение связаны с изменением адресов всей системы.

Множественный доступ с разделением во времени основан на распределении времени работы канала между системами (рис. 3.7).

Доступ TDMA основан на использовании специального устройства, называемого тактовым генератором. Этот генератор делит время канала на повторяющиеся циклы. Каждый из циклов начинается сигналом Разграничителем. Цикл включает n пронумерованных временных интервалов, называемых ячейками. Интервалы предоставляются для загрузки в них блоков данных.

Рис. 3.7. Структура множественного доступа с разделением во времени

Данный способ позволяет организовать передачу данных с коммутацией пакетов и с коммутацией каналов.

Первый (простейший) вариант использования интервалов заключается в том, что их число (n) делается равным количеству абонентских систем, подключенных к рассматриваемому каналу. Тогда во время цикла каждой системе предоставляется один интервал, в течение которого она может передавать данные. При использовании рассмотренного метода доступа часто оказывается, что в одном и том же цикле одним системам нечего передавать, а другим не хватает выделенного времени. В результате неэффективное использование пропускной способности канала.

Второй, более сложный, но высокоэкономичный вариант заключается в том, что система получает интервал только тогда, когда у нее возникает необходимость в передаче данных, например при асинхронном способе передачи. Для передачи данных система может в каждом цикле получать интервал с одним и тем же номером. В этом случае передаваемые системой блоки данных появляются через одинаковые промежутки времени и приходят с одним и тем же временем запаздывания. Это режим передачи данных с имитацией коммутации каналов. Способ особенно удобен при передаче речи.

Доступ FDMA основан на разделении полосы пропускания канала на группу полос частот (рис. 3.8), образующих логические каналы.

Широкая полоса пропускания канала делится на ряд узких полос, разделенных защитными полосами. Размеры узких полос могут быть различными.

При использовании FDMA, именуемого также множественным доступом с разделением волны WDMA, широкая полоса пропускания канала делится на ряд узких полос, разделенных защитными полосами. В каждой узкой полосе создается логический канал. Размеры узких полос могут быть различными. Передаваемые по логическим каналам сигналы накладываются на разные несущие и поэтому в частотной области не должны пересекаться. Вместе с этим, иногда, несмотря на наличие защитных полос, спектральные составляющие сигнала могут выходить за границы логического канала и вызывать шум в соседнем логическом канале.

Рис. 3.8. Схема выделения логических каналов

В оптических каналах разделение частоты осуществляется направлением в каждый из них лучей света с различными частотами. Благодаря этому пропускная способность физического канала увеличивается в несколько раз. При осуществлении этого мультиплексирования в один световод излучает свет большое число лазеров (на различных частотах). Через световод излучение каждого из них проходит независимо от другого. На приемном конце разделение частот сигналов, прошедших физический канал, осуществляется путем фильтрации выходных сигналов.

Метод доступа FDMA относительно прост, но для его реализации необходимы передатчики и приемники, работающие на различных частотах.

В быту востребованный

Глава 4. Локальные вычислительные сети
4.1. Методы доступа.

Типичная среда передачи данных в ЛВС - отрезок (сегмент) коаксиального кабеля. К нему через аппаратуру окончания канала данных подключаются узлы - компьютеры и возможно общее периферийное оборудование. Поскольку среда передачи данных общая, а запросы на сетевые обмены у узлов появляются асинхронно, то возникает проблема разделения общей среды между многими узлами, другими словами, проблема обеспечения доступа к сети.

Доступом к сети называют взаимодействие станции (узла сети) со средой передачи данных для обмена информацией с другими станциями. Управление доступом к среде - это установление последовательности, в которой станции получают доступ к среде передачи данных.

Различают случайные и детерминированные методы доступа. Среди случайных методов наиболее известен метод множественного доступа с контролем несущей и обнаружением конфликтов (МДКН/ОК). Англоязычное название метода - Carrier Sense Multiple Access /Collision Detection (CSMA/CD). Этот метод основан на контроле несущей в линии передачи данных и устранении конфликтов, возникающих из-за попыток одновременного начала передачи двумя или более станциями, путем повторения попыток захвата линии через случайный отрезок времени.

МДКН/ОК является широковещательным (broadcasting) методом. Все станции при применении МДКН/ОК равноправны по доступу к сети. Если линия передачи данных свободна, то в ней отсутствуют электрические колебания, что легко распознается любой станцией, желающей начать передачу. Такая станция захватывает линию. Любая другая станция, желающая начать передачу в некоторый момент времени t, если обнаруживает электрические колебания в линии, то откладывает передачу до момента t + t d , где t d - задержка.

Различают настойчивый и ненастойчивый МДКН/ОК в зависимости от того, как определяется t d . В первом случае попытка захвата канала происходит сразу после его освобождения, что допустимо при слабой загрузке сети. При заметной загрузке велика вероятность того, что несколько станций будут претендовать на доступ к сети сразу после ее освобождения, и, следовательно, конфликты станут частыми. В ненастойчивом МДКН/ОК задержка t d является случайной величиной.

При работе сети каждая станция анализирует адресную часть передаваемых по сети кадров с целью обнаружения и приема кадров, предназначенных для нее. Рис. 4.1. Алгоритмы доступа по методу МДКН/ОК

На рис. 4.1 представлены алгоритмы приема и передачи данных в одном из узлов при МДКН/ОК.

Конфликтом называется ситуация, при которой две или более станции "одновременно" пытаются захватить линию. Понятие "одновременность событий" в связи с конечностью скорости распространения сигналов по линии конкретизируется как отстояние событий во времени не более чем на величину 2*d, называемую окном столкновений , где d - время прохождения сигналов по линии между конфликтующими станциями. Если какие-либо станции начали передачу в окне столкновений, то по сети распространяются искаженные данные. Это искажение и используется для обнаружения конфликта либо сравнением в передатчике данных, передаваемых в линию (неискаженных) и получаемых из нее (искаженных), либо по появлению постоянной составляющей напряжения в линии, что обусловлено искажением используемого для представления данных манчестерского кода. Обнаружив конфликт, станция должна оповестить об этом партнера по конфликту, послав дополнительный сигнал затора, после чего станции должны отложить попытки выхода в линию на время t d . Очевидно, что значения t d должны быть различными для станций, участвующих в столкновении (конфликте); поэтому t d - случайная величина. Ее математическое ожидание должно иметь тенденцию к росту по мере увеличения числа идущих подряд неудачных попыток захвата линии.

Среди детерминированных методов преобладают маркерные методы доступа . Маркерный метод - метод доступа к среде передачи данных в ЛВС, основанный на передаче полномочий передающей станции с помощью специального информационного объекта, называемого маркером. Под полномочием понимается право инициировать определенные действия, динамически предоставляемые объекту, например станции данных в информационной сети.

Применяется ряд разновидностей маркерных методов доступа. Например, в эстафетном методе передача маркера выполняется в порядке очередности; в способе селекторного опроса (квантированной передачи) сервер опрашивает станции и передает полномочие одной из тех станций, которые готовы к передаче. В кольцевых одноранговых сетях широко применяется тактируемый маркерный доступ, при котором маркер циркулирует по кольцу и используется станциями для передачи своих данных.

Оригинальный метод применен в высокоскоростных сетях FDDI, рассматриваемый далее.

Метод доступа - это способ определения того, какая из рабочих станций сможет следующей использовать ЛВС. То, как сеть управляет доступом к каналу связи (кабелю), существенно влияет на ее характеристики. Примерами методов доступа являются:

• - множественный доступ с прослушиванием несущей и разрешением коллизий (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection - CSMA/CD);
• - множественный доступ с передачей полномочия (Token Passing Multiple Access - TPMA) или метод с передачей маркера;
• - множественный доступ с разделением во времени (Time Division Multiple Access - TDMA);
• - множественный доступ с разделением частоты (Frequency Division Multiple Access - FDMA) или множественный доступ с разделением длины волны (Wavelength Division Multiple Access - WDMA).

В сетях Ethernet используется метод доступа к среде передачи данных, называемый методом коллективного доступа с опознаванием несущей и обнаружением коллизий (carrier-sense-multiply-access with collision detection, CSMA/CD). Этот метод используется исключительно в сетях с общей шиной. Все компьютеры такой сети имеют непосредственный доступ к общей шине, поэтому она может быть использована для передачи данных между любыми двумя узлами сети. Простота схемы подключения - это один из факторов, определивших успех стандарта Ethernet. Считается, что кабель, к которому подключены все станции, работает в режиме коллективного доступа (multiply-access,MA). Все данные, передаваемые по сети, помещаются в кадры определенной структуры и снабжаются уникальным адресом станции назначения. Затем кадр передается по кабелю. 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 и посылает по кабелю кадр-ответ. Адрес станции-источника также включен в исходный кадр, поэтому станция-получатель знает, кому нужно послать ответ. При описанном подходе возможна ситуация, когда две станции одновременно пытаются передать кадр данных по общему кабелю. Для уменьшения вероятности этой ситуации непосредственно перед отправкой кадра передающая станция слушает кабель, чтобы обнаружить, не передается ли уже по кабелю кадр данных от другой станции. Если опознается несущая (carrier-sense, CS), то станция откладывает передачу своего кадра до окончания чужой передачи, и только потом пытается вновь его передать. Но даже при таком алгоритме две станции одновременно могут решить, что по шине в данный момент времени нет передачи, и начать одновременно передавать свои кадры. При этом происходит коллизия, так как содержимое обоих кадров сталкивается на общем кабеле, что приводит к искажению информации. 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 немедленного обнаружения коллизии всеми станциями сети, ситуация коллизии усиливается посылкой в сеть станциями, начавшими передачу своих кадров, специальной последовательности битов, называемой jam-последовательностью. После обнаружения коллизии передающая станция обязана прекратить передачу и ожидать в течение короткого случайного интервала времени, а затем может снова сделать попытку передачи кадра. Из описания метода доступа видно, что он носит вероятностный характер, и вероятность успешного получения в свое распоряжение общей среды зависит от загруженности сети - интенсивности возникновения в станциях потребности передачи кадров. При разработке этого метода предполагалось, что скорость передачи данных в 10 Мб/с очень высока по сравнению с потребностями компьютеров во взаимном обмене данными, поэтому загрузка сети будет всегда небольшой. Это предположение остается справедливым и по сей день, однако уже появились приложения, работающие в реальном масштабе времени с мультимедийной информацией, для которых требуются гораздо более высокие скорости передачи данных. Поэтому наряду с классическим Ethernet растет потребность и в новых высокоскоростных технологиях. Метод CSMA/CD определяет основные временные и логические соотношения, гарантирующие корректную работу всех станций в сети:

• - Между двумя последовательно передаваемыми по общей шине кадрами информации должна выдерживаться пауза в 9.6 мкс; эта пауза нужна для приведения в исходное состояние сетевых адаптеров узлов, а также для предотвращения монопольного захвата среды передачи данных одной станцией.
• - При обнаружении коллизии (условия ее обнаружения зависят от применяемой физической среды) станция выдает в среду специальную 32-х битную последовательность (jam-последовательность), усиливающую явление коллизии для более надежного распознавания ее всеми узлами сети.
• - После обнаружения коллизии каждый узел, который передавал кадр и столкнулся с коллизией, после некоторой задержки пытается повторно передать свой кадр. Узел делает максимально 16 попыток передачи этого кадра информации, после чего отказывается от его передачи. Величина задержки выбирается как равномерно распределенное случайное число из интервала, длина которого экспоненциально увеличивается с каждой попыткой. Такой алгоритм выбора величины задержки снижает вероятность коллизий и уменьшает интенсивность выдачи кадров в сеть при ее высокой загрузке.

Протокол множественного случайного доступа к среде с разрешением коллизий CSMA/CD воплотил в себе идеи выше перечисленных алгоритмов и добавил важный элемент - разрешение коллизий. Поскольку коллизия разрушает все передаваемые в момент ее образования кадры, то и нет смысла станциям продолжать дальнейшую передачу своих кадров, коль скоро они (станции) обнаружили коллизии. В противном случае, значительной была бы потеря времени при передаче длинных кадров. Поэтому для своевременного обнаружения коллизии станция прослушивает среду на всем протяжении собственной передачи. Основные правила алгоритма CSMA/CD для предающей станции. Передача кадра (рисунок 2.2):

• - Станция, собравшаяся передавать, прослушивает среду. И передает, если среда свободна. В противном случае переходит к шагу 2. При передаче нескольких кадров подряд, станция выдерживает определенную паузу между посылками кадров - межкадровый интервал, причем после каждой такой паузы перед отправкой следующего кадра станция вновь прослушивает среду (возвращение на начало шага 1);
• - Если среда занята, станция продолжает прослушивать среду до тех пор, пока среда не станет свободной, и затем сразу же начинает передачу;
• - Каждая станция, ведущая передачу прослушивает среду, и в случае обнаружения коллизии, не прекращает сразу же передачу а сначала передает короткий специальный сигнал коллизии - jam-сигнал, информируя другие станции о коллизии, и прекращает передачу;
• - После передачи jam-сигнала станция замолкает и ждет некоторое произвольное время в соответствии с правилом бинарной экспоненциальной задержки и затем возвращаясь к шагу 1.

Межкадровый интервал IFG (interframe gap) составляет 9,6 мкм или (12 байт). Он необходим для того, чтобы принимающая станция могла корректно завершить прием кадра. Кроме этого, если бы станция передавала кадры непрерывно, она бы полностью захватила канал и тем самым лишила другие станции возможности передачи.

Рисунок 2.2- Блок- схема алгоритма CSMA/CD (уровень MAC): при передаче кадра станцией

Jam-сигнал (jamming - дословно глушение). Передача jam-сигнала гарантирует, что не один кадр не будет потерян, так как все узлы, которые передавали кадры до возникновения коллизии, приняв jam-сигнал, прервут свои передачи и замолкнут в преддверии новой попытки передать кадры. Jam-сигнал должен быть достаточной длины, чтобы он дошел до самых удаленных станций коллизионного домена, с учетом дополнительной задержки SF (safety margin) на возможных повторителях. Содержание jam-сигнала не принципиально за исключением того, что оно не должно соответствовать значению поля CRC частично переданного кадра (802.3), и первые 62 бита должны представлять чередование `1" и `0" со стартовым битом `1".

На рисунке 2.3 проиллюстрирован процесс обнаружения коллизии применительно к топологии шина (на основе тонкого или толстого коаксиального кабеля (стандарты 10Base5 и 10Base2 соответственно)). В момент времени узел A (DTE A) начинает передачу, естественно прослушивая свой же передаваемый сигнал. В момент времени, когда кадр почти дошел узла B(DTE B), этот узел, не зная о том, что уже идет передача, сам начинает передавать. В момент времени, узел B обнаруживает коллизию (увеличивается постоянная составляющей электрического сигнала в прослушиваемой линии). После этого узел B передает jam-сигнал и прекращает передачу. В момент времени сигнал коллизии доходит до узла A, после чего A также передает jam-сигнал и прекращает передачу.

Рисунок 2.3 - обнаружение коллизии при использовании схемы CSMA/CD

По стандарту IEEE 802.3 узел не может предавать очень короткие кадры, или иными словами вести очень короткие передачи. Как говорилось при описании формата кадра, даже если поле данных не заполнено до конца, то появляется специальное дополнительное поле, удлиняющее кадр до минимальной длины 64 байта без учета преамбулы. Время канала ST (slot time)- это минимальное время, в течении которого узел обязан вести передачу, занимать канал. Это время соответствует передаче кадра минимального допустимого размера, принятого стандартом. Время канала связано с максимальным допустимым расстоянием между узлами сети - диаметром коллизионного домена. Допустим, что в приведенном выше примере реализуется наихудший сценарий, когда станции A и B удалены друг от друга на максимальное расстояние. Время, распространения сигнала от A до B обозначено через. Узел A начинает передавать в нулевой момент времени. Узел B начинает передавать в момент времени и обнаруживает коллизию спустя интервал после начала своей передачи. Узел A обнаруживает коллизию в момент времени. Для того, чтобы кадр, испущенный A, не был потерян, необходимо, чтобы узел A не прекращал вести передачу к этому моменту, так как тогда, обнаружив коллизию, узел A будет знать, что его кадр не дошел, и попытается передавать его повторно. В противном случае кадр будет потерян. Максимальное время, спустя которое с момента начала передачи узел A еще может обнаружить коллизию равно - это время называется задержкой на двойном пробеге RTD (round-trip delay). В более общем случае RTD определяет суммарную задержку, связанную как с задержкой из-за конечной длины сегментов, так и с задержкой, возникающей при обработке кадров на физическом уровнем промежуточных повторителей и оконечных узлов сети. Также удобно использовать другую единицу измерения времени: битовое время BT (bit time). Время в 1 BT соответствует времени, необходимому для передачи одного бита, т.е. 0,1 мкс при скорости 10 Мбит/с.

Стандартом Ethernet регламентированы следующие правила обнаружения коллизии конечным узлом сети:

• - Узел A должен обнаружить коллизию до того, как передаст свой 512-й бит, включая биты преамбулы;
• - Узел A должен прекратить передачу раньше, чем будет передан кадр минимальной длины - передано 576 бит (512 бит, начиная отсчет после ограничителя начала кадра SFD);
• - Перекрытие между передачами узлов A и B - битовый интервал начиная с момента передачи первого бита преамбулы узлом A и заканчивая приемом узлом A последнего бита испущенного узлом B - должно быть меньше чем 575 BT. Это условие для сети Ethernet является наиболее важным, поскольку его выполнение автоматически влечет выполнение и первых двух. Это третье условие задает ограничение на диаметр сети. Применительно к задержке на двойном пробеге RTD третье условие можно сформулировать в виде: T.

При передаче больших кадров, например 1500 байт, коллизия, если она вообще возникнет, обнаруживается практически в самом начале передачи, не позднее первых 64 переданных байт (если коллизия не возникла в это время, то позже она уже не возникнет, поскольку все станции прослушивают линию и, "слыша" передачу, будут молчать). Так как jam-сигнал значительно короче полного размера кадра, то при использовании алгоритма CSMA/CD количество израсходованной в холостую емкости канала сокращается до времени, требуемого на обнаружение коллизии. Раннее обнаружение коллизий приводит к более эффективному использованию канала. Позднее обнаружение коллизий, свойственное более протяженным сетям, когда диаметр коллизионного домена составляет несколько километров, снижает эффективность работы сети. На основании упрощенной теоретической модели поведения загруженной сети (в предположении большого числа одновременно передающих станций и фиксированной минимальной длины передаваемых кадров у всех станций) можно выразить производительность сети U через отношение RTD/ST:

где - основание натурального логарифма. На производительность сети влияет размер транслируемых кадров и диаметр сети. Производительность в наихудшем случае (когда RDT=ST) составляет около 37%, а в наилучшем случае (когда RTD много меньше, чем ST) стремится к 1. Хотя формула и выведена в пределе большого числа станций, пытающихся передавать одновременно, она не учитывает особенностей алгоритма усеченной бинарной экспоненциальной задержки, рассмотренного ниже, и не справедлива для сильно перегруженной коллизиями сети, например, когда станций, желающих передавать, становится больше 15.

Усеченная бинарная экспоненциальная задержка (truncated binary exponential backoff). При возникновении коллизии в алгоритме CSMA/CD стация подсчитывает, сколько раз подряд при отправке пакета возникает коллизия. Поскольку повторяющиеся коллизии свидетельствуют о высокой загруженности среды, MAC-узел пытается увеличивать задержку между повторными попытками передачи кадра. Соответствующая процедура увеличения интервалов времени подчиняется правилу усеченной бинарной экспоненциальной задержки и работает следующим образом. Количество слотовых времен (интервалов по 51,2 мкс), которое станция ждет, перед тем как совершить N-ую попытку передачи (N-1 попыток из-за возникновения коллизий во время передачи не удались) представляет случайное целое число с однородной функцией распределения в интервале 0?R<2 k где K =min(N,BL), и BL (backoff limit) - установленная стандартом предельная задержка, равная 10. Если количество последовательных безуспешных попыток отправить кадр доходит до 16 - коллизия возникает 16 раз подряд, то кадр сбрасывается.

Алгоритм CSMA/CD с использованием усеченной бинарной экспоненциальной задержки признан лучшим среди множества алгоритмов случайного доступа и обеспечивает эффективную работу сети как при малых, так и при средних загрузках. При больших загрузках следует отметить два недостатка. Во-первых, при большом числе коллизий станция 1, которая впервые собирается отправить кадр (до этого не пыталась передавать кадры), имеет преимущество перед станцией 2, которая уже несколько раз безуспешно пыталась передать кадр, натыкаясь на коллизии. Поскольку станция 2 ожидает значительное время перед последующими попытками в соответствии с правилом бинарной экспоненциальной задержки. Таким образом, может наблюдаться нерегулярность передачи кадров, что нежелательно для зависящих от времени приложений. Во-вторых, при большой загруженности снижается эффективность работы сети в целом. Оценки показывают, что при одновременной передаче 25 станций общая полоса пропускания снижается примерно в 2 раза. Но число станций в коллизионном домене может быть больше, поскольку далеко не все они одновременно будут обращаться к среде.

Прием кадра структурно изображен на рисунке 2.4.

Рисунок 2.4 - Структурная схема алгоритма CSMA/CD (уровень MAC): при приеме кадра станцией

Принимающая станция или другое сетевое устройство, например, концентратор или коммутатор первым делом синхронизируется по преамбуле и затем преобразовывает манчестерский код в бинарную форму (на физическом уровне). Далее обрабатывается бинарный поток. На уровне MAC оставшиеся биты преамбулы сбрасываются, а станция читает адрес назначения и сравнивает его со своим собственным. Если адреса совпадают, то поля кадра за исключением преамбулы, SDF и FCS помещаются в буфер и вычисляется контрольная сумма, которая сравнивается с полем контрольной последовательности кадра FCS (используется метод циклического суммирования CRC-32). Если они равны, то содержимое буфера передается протоколу более высокого уровня. В противном случае кадр сбрасывается. Возникновение коллизии при приеме кадра обнаруживается либо по изменению электрического потенциала, если используется коаксиальный сегмент, либо по факту приема дефектного кадра, неверная контрольная сумма, если используется витая пара или оптическое волокно. В обоих случая принятая информация сбрасывается. Значения основных параметров процедуры передачи кадра по стандарту 802.3 приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1 - Значения основных параметров передачи кадра стандарта 802.3

Множественный доступ с передачей полномочия (Token Passing Multiple Access - TPMA) или метод с передачей маркера TPMA . Метод с передачей маркера - это метод доступа к среде, в котором от рабочей станции к рабочей станции передается маркер, дающий разрешение на передачу сообщения. При получении маркера рабочая станция может передавать сообщение, присоединяя его к маркеру, который переносит это сообщение по сети. Каждая станция между передающей станцией и принимающей видит это сообщение, но только станция - адресат принимает его. При этом она создает новый маркер. Маркер (token), или полномочие, - уникальная комбинация битов, позволяющая начать передачу данных. Алгоритм множественного доступа с передачей полномочия, или маркера, приведен на рисунке 2.5.

Рисунок 2.5 - Алгоритм TPMA

Каждый узел принимает пакет от предыдущего, восстанавливает уровни сигналов до номинального уровня и передает дальше. Передаваемый пакет может содержать данные или являться маркером. Когда рабочей станции необходимо передать пакет, ее адаптер дожидается поступления маркера, а затем преобразует его в пакет, содержащий данные, отформатированные по протоколу соответствующего уровня, и передает результат далее по ЛВС. Пакет распространяется по ЛВС от адаптера к адаптеру, пока не найдет своего адресата, который установит в нем определенные биты для подтверждения того, что данные достигли адресата, и ретранслирует его вновь в ЛВС. После чего пакет возвращается в узел, из которого был отправлен. Здесь после проверки безошибочной передачи пакета, узел освобождает ЛВС, выпуская новый маркер. Таким образом, в ЛВС с передачей маркера невозможны коллизии (конфликты). Метод с передачей маркера в основном используется в кольцевой топологии.

Данный метод характеризуется следующими достоинствами:

• - гарантирует определенное время доставки блоков данных в сети;
• - дает возможность предоставления различных приоритетов передачи данных.

Вместе с тем он имеет существенные недостатки:

• - в сети возможны потеря маркера, а также появление нескольких маркеров, при этом сеть прекращает работу;
• - включение новой рабочей станции и отключение связаны с изменением адресов всей системы.

Множественный доступ с разделением во времени (Time Division Multiple Access - TDMA) основан на распределении времени работы канала между системами (рисунок 2.6). Доступ TDMA основан на использовании специального устройства, называемого тактовым генератором. Этот генератор делит время канала на повторяющиеся циклы. Каждый из циклов начинается сигналом Разграничителем. Цикл включает n пронумерованных временных интервалов, называемых ячейками. Интервалы предоставляются для загрузки в них блоков данных.

Рисунок 2.6 - Структура множественного доступа с разделением во времени

Данный способ позволяет организовать передачу данных с коммутацией пакетов и с коммутацией каналов.

Первый (простейший) вариант использования интервалов заключается в том, что их число (n) делается равным количеству абонентских систем, подключенных к рассматриваемому каналу. Тогда во время цикла каждой системе предоставляется один интервал, в течение которого она может передавать данные. При использовании рассмотренного метода доступа часто оказывается, что в одном и том же цикле одним системам нечего передавать, а другим не хватает выделенного времени. В результате неэффективное использование пропускной способности канала.

Второй, более сложный, но высокоэкономичный вариант заключается в том, что система получает интервал только тогда, когда у нее возникает необходимость в передаче данных, например при асинхронном способе передачи. Для передачи данных система может в каждом цикле получать интервал с одним и тем же номером. В этом случае передаваемые системой блоки данных появляются через одинаковые промежутки времени и приходят с одним и тем же временем запаздывания. Это режим передачи данных с имитацией коммутации каналов. Способ особенно удобен при передаче речи.

Множественный доступ с разделением частоты (Frequency Division Multiple Access - FDMA) или множественный доступ с разделением длины волны (Wavelength Division Multiple Access - WDMA). Доступ FDMA основан на разделении полосы пропускания канала на группу полос частот (рисунок 2.7), образующих логические каналы. Широкая полоса пропускания канала делится на ряд узких полос, разделенных защитными полосами. Размеры узких полос могут быть различными. При использовании FDMA, именуемого также множественным доступом с разделением волны WDMA, широкая полоса пропускания канала делится на ряд узких полос, разделенных защитными полосами. В каждой узкой полосе создается логический канал. Размеры узких полос могут быть различными. Передаваемые по логическим каналам сигналы накладываются на разные несущие и поэтому в частотной области не должны пересекаться. Вместе с этим, иногда, несмотря на наличие защитных полос, спектральные составляющие сигнала могут выходить за границы логического канала и вызывать шум в соседнем логическом канале.

Рисунок 2.7 - Схема выделения логических каналов

В оптических каналах разделение частоты осуществляется направлением в каждый из них лучей света с различными частотами. Благодаря этому пропускная способность физического канала увеличивается в несколько раз. При осуществлении этого мультиплексирования в один световод излучает свет большое число лазеров (на различных частотах). Через световод излучение каждого из них проходит независимо от другого. На приемном конце разделение частот сигналов, прошедших физический канал, осуществляется путем фильтрации выходных сигналов. Метод доступа FDMA относительно прост, но для его реализации необходимы передатчики и приемники, работающие на различных частотах.

В 1980 году в Международном институте инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (Institute of Electronics Engineers–IEEE) был организован комитет 802 по стандартизации локальных сетей. Комитет 802 разработал семейство стандартов IЕЕЕ802. x, которые содержат рекомендации по проектированию нижних уровней локальных сетей. Стандарты семейства IЕЕЕ802.x охватывают только два нижних уровня семиуровневой модели OSI – физический и канальный, так как именно эти уровни в наибольшей степени отражают специфику локальных сетей. Старшие же уровни, начиная с сетевого, в значительной степени имеют общие черты, как для локальных, так и глобальных сетей. К наиболее распространенным методам доступа относятся: Ethernet, ArcNet и Token Ring, которые реализованы соответственно в стандартах IЕЕЕ802.3, IЕЕЕ802.4 и IЕЕЕ802.5. Кроме того, для сетей, работающих на оптическом волокне, американским институтом по стандартизации ASNI был разработан стандарт FDDI, обеспечивающий скорость передачи данных 100 Мбит/с. В этих стандартах канальный уровень разделяется на два подуровня, которые называются уровнями:

 управление логическим каналом (LCC - Logical Link Control)

 управление доступом к среде (MAC - Media Access Control) Уровень управления доступом к среде передачи данных (MAC) появился, так как в локальных сетях используется разделяемая среда передачи данных. В современных локальных сетях получили распространение несколько протоколов уровня MAC, реализующих разные алгоритмы доступа к разделяемой среде. Эти протоколы полностью определяют специфику таких технологий, как Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, Token Ring, FDDI. После того, как доступ к среде получен, ею может воспользоваться более высокий канальный уровень – уровень LCC, организующий передачу логических единиц данных, кадров информации, с различным уровнем качества транспортных услуг.

Методы доступа к среде передачи данных (методы доступа к каналам связи)

Для ЛВС, использующих разделяемую среду передачи данных (например, ЛВС с топологией шина и физическая звезда), актуальным является доступ рабочих станций к этой среде, так как если два ПК начинают одновременно передавать данные, то в сети происходит столкновение. Для того чтобы избежать этих столкновений необходим специальный механизм, способный решить эту проблему. Шинный арбитраж - это механизм призванный решить проблему столкновений. Он устанавливает правила, по которым рабочие станции определяют, когда среда свободна, и можно передавать данные. Существуют два метода шинного арбитража:

 обнаружение столкновений

 передача маркера

Обнаружение столкновений. Когда в сети работает метод обнаружения столкновений, компьютер сначала слушает, а потом передает. Если компьютер слышит, что передачу ведет кто-то другой, он должен подождать окончания передачи данных и затем предпринять повторную попытку. В этой ситуации (два компьютера, передающие в одно и то же время) система обнаружения столкновений требует, чтобы передающий компьютер продолжал прослушивать канал и, обнаружив на нем чужие данные, прекращал передачу, пытаясь возобновить ее через небольшой (случайный) промежуток времени. Прослушивание канала до передачи называется “прослушивание несущей” (carrier sense), а прослушивание во время передачи - обнаружение столкновений (collision detection). Компьютер, поступающий таким образом, использует метод, называющийся “обнаружение столкновений с прослушиванием несущей”, сокращенно CSCD.

Передача маркера.

Системы с передачей маркера работают иначе. Для того чтобы передать данные, компьютер сначала должен получить разрешение. Это значит, он должен “поймать” циркулирующий в сети пакет данных специального вида, называемый маркером. Маркер перемещается по замкнутому кругу, минуя поочередно каждый сетевой компьютер. Каждый раз, когда компьютер должен послать сообщение, он ловит и держит маркер у себя. Как только передача закончилась, он посылает новый маркер в путешествие дальше по сети. Такой подход дает гарантию, что любой компьютер рано или поздно получит право поймать и удерживать маркер до тех пор, пока его собственная передача не закончится.