Базовые технологии локальных сетей методы доступа и протоколы передачи в лвс. Введение в сети передачи данных

При обмене данными между компьютерами используются три метода передачи данных:

Симплексная (однонаправленная) передача (телевидение, радио);

Полудуплексная (прием/передача информации осуществляется поочередно);

Дуплексная (двунаправленная), каждая станция одновременно передает и принимает данные.

Для передачи данных в информационных системах наиболее часто применяется последовательная передача. Широко используются асинхронная и синхронная передачи.

При асинхронной передаче каждый символ передается отдельной посылкой. Стартовые биты предупреждают приемник о начале передачи. Затем передается символ. Для определения достоверности передачи используется бит четности (бит четности =1, если количество единиц в символе нечетно, и 0 в противном случае). Последний бит "стоп бит" сигнализирует об окончании передачи.

Преимущества: несложная отработанная система; недорогое (по сравнению с синхронным) интерфейсное оборудование.

Недостатки: третья часть пропускной способности теряется на передачу служебных битов (старт/стоповых и бита четности); невысокая скорость передачи по сравнению с синхронной; при множественной ошибке с помощью бита четности невозможно определить достоверность полученной информации.

Асинхронная передача используется в системах, где обмен данными происходит время от времени и не требуется высокая скорость передачи данных. Некоторые системы используют бит четности как символьный бит, а контроль информации выполняется на уровне протоколов обмена данными.

При синхронной передаче данные передаются блоками. Для синхронизации работы приемника и передатчика в начале блока передаются биты синхронизации. Затем передаются данные, код обнаружения ошибки и символ окончания передачи. При синхронной передаче данные могут передаваться и как символы, и как поток битов. В качестве кода обнаружения ошибки обычно используется Циклический Избыточный Код Обнаружения Ошибок (CRC). Он вычисляется по содержимому поля данных и позволяет однозначно определить достоверность принятой информации.

Преимущества: высокая эффективность передачи данных; высокие скорости передачи данных; надежный встроенный механизм обнаружения ошибок.

Недостатки: интерфейсное оборудование более сложное и, соответственно, более дорогое.

Протоколы SDLC и HDLC основываются на синхронной бит-ориентированной передаче данных.

Для доступа к сети используются несколько методов:

Ø Метод коллективного доступа с опознаванием (прослушиванием) несущей и обнаружением коллизий. CSMA/CD (carrier-sense-miltiply-acct with collision detection).

Применяют в сетях, где компьютеры имеют непосредственный доступ к каналу связи (общей шине) и могут немедленно получить данные, которые передаются любым компьютерам. Данные передаются кадрами, в которых указываются адрес узла получателя и узла отправителя. Кадр передается как только освобождается канал связи. Принимающий узел при нормальном получении кадра передает сообщение отправителю.

Коллизия – ситуация, когда несколько узлов пытаются одновременно передавать сообщения. Передающий узел, обнаруживший коллизию, прекращает передачу кадра, делает паузу случайной длины и повторяет попытку захвата передающей среды и передачи кадра. После 16 попыток передачи кадра кадр отбрасывается.

При увеличении количества коллизий, когда передающая среда заполняется по­вторными кадрами, реальная пропускная способность сети резко уменьшается. В этом случае необходимо уменьшить трафик сети любыми доступными метода­ми (уменьшение количества узлов сети, использование приложений с меньшими затратами сетевых ресурсов, реструктуризация сети).

Этот метод нашел широкое распространение вследствие своей простоты.

Ø Приоритетный доступ по требованию . Отдельный узел запрашивает у центрального узла разрешение на передачу данных. Если канал свободен, то центральный узел осуществляет передачу. В противном случае запрос ставится в очередь. В сети поддерживаются 2 уровня приоритетов: высокий и низкий.

Узел, имеющий низкий приоритет, может получить высокий приоритет в том случае, если он достаточно долго не может получить доступ к каналу связи.

Ø Маркерный метод . Право доступа к каналу передается с помощью специального кадра, который называется маркером. Все узлы ретранслируют кадры, и маркер передается от узла к узлу. Узел, получив маркер, определяет наличие у него данных для передачи. Если данных нет, то узел передает маркер дальше. Если данные есть, то маркер изымается из сети и узел передает свои данные по кольцу. Каждый кадр снабжается как адресом получателя, так и адресом отправителя. Узел, получивший кадр с адресом получателя, совпадающим с его собственным адресом, копирует данные, вставляет в кадр признак подтверж­дения приема и оправляет кадр дальше. Получив обратно посланный кадр с подтверждением получения, узел-отправитель отправляет в сеть новую копию маркера для передачи доступа к сети. Время доступа к сети ограничивается временем удержания маркера, в течение которого узел может послать несколько кадров дан­ных и после чего узел обязан передать маркер в сеть.

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.

Метод доступа определяет алгоритм , согласно которому узлы сети получают доступ к среде передачи данных и осуществляют мультиплексирование / демультиплексирование данных.

В 1970-х годах Норман Абрахамсон вместе с сотрудниками Гавайского университета предложил оригинальный способ решения проблемы доступа к сети, который был назван позднее ALOHA . Этот алгоритм использовался для доступа к радиоканалу большого числа независимых пользователей. ALOHA разрешает всем пользователям передачу тогда, когда им это оказалось нужно. При этом неизбежны столкновения и искажения передаваемых данных. Алгоритм , благодаря обратной связи, позволяет отправителям узнать, были ли данные в процессе передачи искажены. Если зарегистрировано такое столкновение, все вовлеченные участники выжидают некоторое время и предпринимают повторную попытку. Время выдержки выбирается случайным образом, что делает повторные столкновения менее вероятными.

Принципиальное отличие алгоритма ALOHA от CSMA/CD (используемого в Ethernet) с точки зрения столкновений заключается в том, что в первом случае столкновения детектируются на входе получателя, а во втором – на выходе отправителя .

Мультиплексирование можно осуществлять по частоте ( по длине волны - FDM ), предоставляя разным клиентам разные частотные диапазоны, или по времени (TDM ), разрешая доступ клиентов к сетевой среде по очереди и резервируя каждому из них для работы фиксированные последовательные временные интервалы. При этом необходима синхронизация работы всех участников процесса. В последнее время стало использоваться также мультиплексирование по кодам CDMA (Code Division Multiple Access ), где каждому участнику выделяется уникальный чип-код и допускается использование всеми клиентами всего частотного диапазона в любой момент времени.

Большая часть современных локальных сетей базируется на алгоритме доступа CSMA/CD ( Carrier Sensitive Multiple Access with Collision Detection ), где все узлы имеют равные возможности доступа к сетевой среде, а при одновременной попытке фиксируется столкновение и сеанс передачи повторяется позднее. Ряд разновидностей такого протокола рассмотрели Кляйнрок и Тобаги еще в 1975 году. После передачи очередного пакета (кадра) обычно делается некоторая пауза. После этого любой узел, подключенный к сетевому сегменту, может попытать счастья. Модификацией CSMA-алгоритма является схема, в которой после передачи кадра выделяется определенный временной домен (соревнования), когда претенденты могут выяснять отношения между собой. При столкновении начало передачи возможно только во время очередного домена соревнования. В этой модификации должен быть предусмотрен некоторый механизм синхронизации и исключения бесконечной череды столкновений.

Алгоритм CSMA предпочтительнее ALOHA , так как здесь ни один из пользователей не начинает передачу, если канал занят. Этот способ доступа покрывается патентами США 4063220 и 4099024 (Ксерокс), но IEEE имеет соглашение с этой компанией, которое разрешает использовать данный алгоритм без каких-либо ограничений. Здесь нет возможности приоритетного доступа, и по этой причине такие сети плохо приспособлены для задач управления в реальном масштабе времени. Некоторое видоизменение алгоритма CSMA/CD (как это сделано в сетях CAN или в IBM DSDB) позволяют преодолеть эти ограничения. Доступ по схеме CSMA/CD (из-за столкновений) предполагает ограничение на минимальную длину пакета. По существу метод доступа CSMA/CD (в полудуплексном случае) предполагает широковещательную передачу пакетов (не путать с широковещательной адресацией). Все рабочие станции логического сетевого сегмента воспринимают эти пакеты хотя бы частично, чтобы прочесть адресную часть. При широковещательной адресации пакеты не только считываются целиком в буфер , но и производится прерывание процессора для обработки факта прихода такого пакета.

Логика поведения субъектов в сети с доступом CSMA/CD может варьироваться. Здесь существенную роль играет то, синхронизовано ли время доступа у этих субъектов. В случае Ethernet такой синхронизации нет. В общем случае при наличии синхронизации возможны следующие алгоритмы:

1. Если канал свободен, терминал передает пакет с вероятностью 1.
2. Если канал занят, терминал ждет его освобождения, после чего производится передача.

1. Если канал свободен, терминал передает пакет.
2. Если канал занят, терминал определяет время следующей попытки передачи. Это время может задаваться некоторым статистическим распределением.

1. Если канал свободен, терминал с вероятностью р передает пакет, а с вероятностью 1р он откладывает передачу на t секунд (например, на следующий временной домен).
2. При повторении попытки в случае свободного канала алгоритм не изменяется.
3. Если канал занят, терминал ждет, пока канал не освободится, после чего действует снова согласно алгоритму пункта 1.

Алгоритм А на первый взгляд представляется привлекательным, но в нем заложена возможность столкновений с вероятностью 100%. Алгоритмы Б и В более устойчивы в отношении этой проблемы.

Эффективность алгоритма CSMA зависит от того, как быстро передающая сторона узнает о факте столкновения и прерывает передачу, ведь продолжение бессмысленно - данные уже повреждены. Это время зависит от длины сетевого сегмента и задержек в оборудовании сегмента. Удвоенное значение задержки определяет минимальную длину пакета, передаваемого в такой сети. Если пакет короче, он может быть передан так, что передающая сторона не узнает о его повреждении в результате столкновения. Для современных локальных сетей Ethernet, построенных на переключателях и полнодуплексных соединениях, эта проблема неактуальна .

С целью пояснения этого утверждения рассмотрим случай, когда одна из станций (1) передает пакет самой удаленной ЭВМ (2) в данном сетевом сегменте. Время распространения сигнала до этой машины пусть равно Т. Предположим также, что машина (2) попытается начать передачу как раз в момент прихода пакета от станции (1). В этом случае станция (1) узнает о столкновении лишь спустя время 2Т после начала передачи (время распространения сигнала от (1) до (2) плюс время распространения сигнала столкновения от (2) к (1)). Следует учитывать, что регистрация столкновения - это аналоговый процесс и передающая станция должна "прослушивать" сигнал в кабеле в процессе передачи, сравнивая результат чтения с тем, что она передает. Важно, чтобы схема кодирования сигнала допускала детектирование столкновения. Например, сумма двух сигналов с уровнем 0 этого сделать не позволит. Можно подумать, что передача короткого пакета с искажением из-за столкновения - не такая уж большая беда, проблему может решить контроль доставки и повторная передача.

Следует только учесть, что повторная передача в случае зарегистрированного интерфейсом столкновения осуществляется самим интерфейсом, а повторная передача в случае контроля доставки по отклику выполняется прикладным процессом, требуя ресурсов центрального процессора рабочей станции .

Сопоставление эффективности использования канала для различных протоколов произвольного доступа произведено на рис. 10.5 .

Рис. 10.5.

Протокол доступа CSMA может предполагать, что когда канал оказывается свободным, а рабочая станция готова начать передачу, реальная пересылка кадра в рамках заданного временного домена происходит с определенной вероятностью p . С вероятностью 1-р передача будет отложена до следующего временного домена. В следующем домене, если канал свободен, с вероятностью р осуществится передача или будет отложена до следующего домена и так далее. Процесс продолжается до тех пор, пока кадр не будет передан. На рисунке эта вероятность р отмечена цифрами после аббревиатуры "CSMA". В случае Ethernet эта вероятность равна единице (CSMA-1) , то есть рабочая станция безусловно начнет передачу, если она к этому готова, а канал свободен. Из рисунка видно, что чем меньше эта вероятность , тем выше эффективность (среднее время доступа к сетевой среде также увеличивается). Очевидно, что все разновидности протокола доступа CSMA эффективнее протокола ALOHA в обеих его разновидностях. Связано это с тем, что ни одна станция не начинает передачу, если обнаружит, что сетевая среда занята. Существует еще одна разновидность протокола CSMA (nonpersistent ), в которой сетевой субъект при готовности анализирует состояние сетевой среды и, если канал занят, возобновляет попытку спустя псевдослучайный интервал времени, то есть ведет себя так, будто произошло столкновение. Такой алгоритм повышает эффективность использования канала при существенном возрастании усредненной задержки доступа.

трудно что-либо придумать. Напротив, когда задержка доступа несущественна, а загрузка канала велика, то следует использовать одну из разновидностей протокола доступа CSMA или один из протоколов, исключающих возможность столкновения кадров. Такие алгоритмы описаны ниже .

Рассмотрим, как можно избежать проблем столкновений пакетов. Пусть к сетевому сегменту подключено N рабочих станций. После передачи любого пакета выделяется N временных интервалов. Каждой подключенной к сетевому сегменту машине ставится в соответствие один из этих интервалов длительностью L . Если машина имеет данные и готова начать передачу, она записывает в этот интервал бит , равный 1. По завершении этих N интервалов рабочие станции по очереди, определяемой номером приписанного интервала, передают свои пакеты (см. рис. 10.6 , N = 8 ).

Рис. 10.6.

В примере на рис. 10.6 сначала право передачи получают станции 0, 2 и 6, а в следующем цикле - 2 и 5 (пересылаемые пакеты окрашены в серый цвет). Если рабочая станция захочет что-то передать, когда ее интервал ( домен ) уже прошел, ей придется ждать следующего цикла . По существу данный алгоритм является протоколом резервирования. Машина сообщает о своих намерениях до того, как начинает что-либо передавать. Чем больше ЭВМ подключено к сетевому сегменту, тем больше временных интервалов должно быть зарезервировано и тем ниже эффективность сети. Понятно, что эффективность растет с ростом L .

Вариация данного алгоритма доступа реализована в сетях сбора данных реального времени CAN ( Controller Area Network - http://www.kvaser.se/can/protocol/index.htm - алгоритм доступа CSMA/CA - collision avoidance - с исключением столкновений). Там в указанные выше интервалы записывается код приоритета рабочей станции. Причем станции должны быть синхронизованы и начинать запись своего уникального кода одновременно, если все или часть из них готовы начать передачу. Эти сигналы на шине суммируются с помощью операции "проволочное ИЛИ" (если хотя бы один из участников выставляет логическую единицу, на шине будет низкий уровень). В процессе побитового арбитража каждый передатчик сравнивает уровень передаваемого сигнала с реальным уровнем на шине. Если эти уровни идентичны, он может продолжить, в противном случае передача прерывается и шина остается в распоряжении более приоритетного кадра. Для пояснения работы алгоритма предположим, что N = 5 и одновременно производится попытка начать передачу станции с кодами приоритета 10000, 10100 , и 00100 . Первыми будут посланы станциями биты 1, 1 и 0. Третья станция сразу выбывает из конкурса (ее

В локальную сеть всегда входит несколько абонентов, причем каждый из них, как правило, работает самостоятельно и в любой момент может обратиться к сети. Однако, если два компьютера попытаются передавать данные одновременно, их пакеты «столкнутся» и будут испорчены – возникнет так называемая коллизия. Для упорядочения использования сети различными абонентами, предотвращения или разрешения конфликтов между ними требуется управление доступом к сети. Существует три основных метода доступа:

Множественный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий;

Множественный доступ с контролем несущей и с предотвращением коллизий;

Доступ с передачей маркера;

Доступ по приоритету запроса.

Первый метод применяется исключительно в сетях с логической общей шиной. Все компьютеры такой сети имеют непосредственный доступ к общей шине, поэтому она может быть использована для передачи данных между двумя компьютерами. 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. Говорят, что кабель, к которому подключены все станции, работает в режиме множественного доступа (Multiply Access, MA). Суть метода состоит в следующем:

а) станция, желающая передать данные, должна убедиться, что разделяемая среда свободна. Это достигается прослушиванием основной гармоники сигнала, которая называется несущей частотой (carrier-sense, CS). Признаком занятости 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 может начать передачу данных. После окончания передачи данных все узлы сети обязаны выдержать технологическую паузу (Inter Packet Gap) в 9,6 мкс. Эта пауза нужна для приведения адаптеров в исходное состояние, а также для предотвращения монопольного захвата среды одной станцией;

б) после окончания технологической паузы узлы имеют право начать передачу данных, так как среда свободна. При передаче данных все станции одновременно наблюдают за возникающими на кабеле сигналами. Если передаваемые и наблюдаемые сигналы отличаются, то фиксируется обнаружение коллизии (collision detection, CD) (столкновения пакетов);

в) если станция обнаружила коллизию, то, для увеличения вероятности скорейшего обнаружения этого столкновения всеми станциями сети, она прерывает передачу своих данных и усиливает ситуацию коллизии посылкой в сеть специальной последовательности из 32 бит,называемой jam-последовательностью;

г) 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 данных. Случайная пауза выбирается по следующему алгоритму: t зад = N·t с, где N – случайное число, а t с определяется задержкой в сети и не должно превышать 2L/V (L - полная длина сети, V - скорость распространения сигнала в кабеле).

На рис.2.8. показана схема возникновения и распространения коллизии.

Рисунок 2.8. Схема возникновения и распространения коллизии

Чем больше компьютеров в сети, тем интенсивнее сетевой трафик, и число коллизий возрастает, а это приводит к замедлению сети.

Для уменьшения интенсивности возникновения коллизий нужно либо уменьшить трафик, сократив, например, количество узлов в сегменте или заменив приложения, либо повысить скорость протокола.

Второй метод – самый непопулярный из всех методов доступа. Используя CSMA/CA, каждый компьютер перед передачей данных в сеть сигнализирует о своем намерении, поэтому остальные компьютеры «узнают» о готовящейся передаче и могут избежать коллизий. Однако широковещательное оповещение увеличивает общий трафик сети и уменьшает ее пропускную способность. Поэтому CSMA/CA работает медленнее, чем CSMA/CD.

Метод доступа с передачей маркера заключается в следующем:

а) специальный пакет, называемый маркером (token), циркулирует по кольцу от компьютера к компьютеру, синхронизируя работу абонентов сети. Компьютер, желающий послать данные в сеть, должен дождаться прихода свободного маркера и захватить его. Захватив маркер, компьютер помечает его как занятый (разбивает на кадры, в заголовке которых находится информация об адресе получателя и отправителя), добавляет к нему свой пакет и отправляет полученную связку (маркер + пакет) дальше в кольцо;

б) каждый компьютер, получивший эту связку, проверяет, ему ли адресован пакет. Если пакет не его, компьютер отправляет его дальше по «кольцу». Надо учесть, что в данном случае пакет обязательно должен быть принят каждым компьютером, и только потом отправлен (или не отправлен) дальше;

в) компьютер, распознавший пакет, который адресован ему, принимает этот пакет, устанавливает в маркере специально выделенный бит подтверждения и отправляет связку из маркера и пакета дальше;

г) передавший компьютер получает обратно свою посылку, прошедшую через все кольцо и снова посылает маркер в сеть. При этом ему уже известно принят его пакет адресатом или нет из анализа бита подтверждения.

На рис.2.9. показан метод доступа с передачей маркера.

Рисунок 2.9. Метод доступа с передачей маркера

Доступ по приоритету запроса(demand priority) – относительно новый метод доступа, разработанный для сети Ethernet со скоростью передачи данных 100 Мбит/с – 100VG – AnyLAN.

Этот метод учитывает своеобразную конфигурацию сетей 100VG-AnyLAN, которые состоят только из коммутаторов и оконечных устройств. Коммутатор управляет доступом к кабелю, последовательно опрашивая каждый узел в сети и выявляя запросы на передачу. Станция, желающая передать пакет, посылает специальный низкочастотный сигнал коммутатору и указывает его приоритет. В сети 100VG – AnyLAN используется два уровня приоритетов – низкий и высокий. Низкий уровень приоритета соответствует обычным данным (файловая служба, служба печати и т.п.), а высокий приоритет соответствует данным, чувствительным к временным задержкам (например, мультимедиа).

Если сеть свободна, то коммутатор разрешает передачу пакета. После анализа адреса получателя в принятом пакете коммутатор автоматически отправляет пакет станции назначения. Если сеть занята, коммутатор ставит полученный запрос в очередь, которая обрабатывается в соответствии с порядком поступления запросов и с учетом приоритетов (вначале обрабатывается запрос с более высоким приоритетом). Если к порту подключен другой коммутатор, то опрос приостанавливается до завершения опроса коммутатором нижнего уровня.

В сетях с использованием доступа по приоритету запроса связь устанавливается только между компьютером – отправителем, коммутатором и компьютером – получателем. Такой вариант более эффективен, чем CSMA/CD, где передача ведется для всей сети. Кроме того, в таких сетях каждый компьютер может одновременно передавать и принимать данные, поскольку в них применяется восьмипроводной кабель, по каждой паре проводов которого сигналы передаются с частотой 25 МГц. На рис.2.10 показан метод доступа по приоритету запроса.

Рисунок 2.10. Метод доступа по приоритету запроса

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).

CSMA/CD

Алгоритм множественного доступа с прослушиванием несущей и разрешением коллизий приведен на рис. 4.1.

Рис. 4 .1 Алгоритм CSMA/CD

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.

Все сетевые интерфейсные платы запрограммированы на разные псевдослучайные промежутки времени. Если конфликт возникнет во время повторной передачи сообщения, этот промежуток времени будет увеличен. Стандарт типа Ethernet определяет сеть с конкуренцией, в которой несколько рабочих станций должны конкурировать друг с другом за право доступа к сети.

TPMA

Алгоритм множественного доступа с передачей полномочия, или маркера, приведен на рис. 4.2.

Рис. 4 .2 Алгоритм 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.

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.

TDMA

Множественный доступ с разделением во времени основан на распределении времени работы канала между системами (рис.4.7).

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. 4 .3 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.

FDMA

Доступ FDMA основан на разделении полосы пропускания канала на группу полос частот (Рис. 4.8), 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. 4 .4 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.