Схемы с состязаниями ALOHA

Лекция №6. Классификация методов доступа к среде передачи данных и их сравнение.

Вопросы:

1. Схемы с состязаниями ALOHA

2. Метод доступа CSMA/CD

3. Схемы с резервированием

4. Схемы с маркерами

5. Области применения сетей с различными методами доступа.

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 вносит также и дополнительную проблему — терми­налам нужно разрешать использовать эту 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 надежна;

· 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, базирующимися 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 за­ем этот контроллер применяет резервирование для их распределения терми­там. Эту стратегию используют многие радиосистемы.

Самой простой системой доступа к среде передачи, базирующейся на состяза­ниях, является 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 значит, 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 перегружает канал. Так как терминалы перед передачей не прослушивают канал, чтобы определять, свободна ли среда передачи, то чем больше размер передаваемого пакета, тем больше шансов, что 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.

2. Метод доступа CSMA/CD

CSMA/CD - 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 применяется исключительно в сетях с логической общей шиной (к которым относятся 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 1обнаружил, что среда свободна, и начал пере­давать свой кадр. В классической сети CSMA/CD на коаксиальном кабеле сигналы передатчика узла 1распространяются 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.

Рис. 1.10. Метод случайного доступа CSMA/CD

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 кадровым 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 сиг 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.1.10, коллизию породила одновременная передача данных узлами 3 и 1. 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, к тому времени, когда второй узел решает начать передачу своего кадра, 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, СD). 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.

Схема возникновения и распространения коллизий изображена на рис.1.11.

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 х (интервал отсрочки),

где интервал отсрочки равен 512 битовым интервалам (в технологии CSMA/CD 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 не);

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 сегмент сети. При этом коллизии возникают гораздо чаще. При значительной интенсивности коллизий полезная пропускная способность сети с методом доступа 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.

Рис.1.11. Схема возникновения и распространения коллизии

Следует отметить, что метод доступа CSMA/CD вообще не гарантирует станции, что она когда-либо сможет получить доступ к среде. Конечно, при неболышой 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.