Методы доступа к среде передачи данных в сетях

Метод доступа в среде передачи данных определяет технологию совместного использования среды множеством узлов сети. Методы доступа в общем случае делятся на:

1. Вероятностные;

2. Детерминированные.

При вероятностном методе доступа узел, желающий послать кадр в сеть, «слушает» линию связи. Если линия занята или обнаружены переходные процессы, вызванные столкновением сигналов от разных источников, то попытка передачи откладывается на случайный интервал времени. Отсюда недостаток вероятностных методов доступа – неопределенное время прохождения кадра, экспоненциально возрастающее при увеличении загрузки сети, что ограничивает его применение в высокоскоростных магистральных сетях и системах реального времени.

При детерминированном методе узлы получают доступ к среде в предопределенном порядке. Порядок определяется путем задания последовательности доступа, приоритетов, способов разделения единой среды и т.д. Преимуществом метода – ограниченное время прохождения пакетов, слабо зависящее от загрузки сети. Рассмотри некоторые методы доступа подробнее.

1. Одним из первых методов доступа был разработан метод коллективного доступа с опознаванием несущей и обнаружением коллизий (Сarrier Sense Multiply Access with Collision Detection - CSMA/CD). По технологии данные, помещаются в кадры с адресом станции назначения. Все станции, подключенные к среде, получают кадр, и та станция, которая узнает свой адрес в его заголовке, переписывает содержимое в свой буфер. Если две станции начнут передачу одновременно, то может возникнуть ситуация, которая называется коллизией. В этом случае содержимое кадров сталкивается в среде, возникают переходные процессы, что приводит к искажению информации. Для предотвращения коллизий перед отправкой кадра передающая станция «слушает» среду (принимает и анализирует электрические сигналы на предмет обнаружения модулированного несущего сигнала), чтобы обнаружить, не передается ли кадр данных от другой станции. Если опознается несущая частота, то станция откладывает передачу своего кадра до окончания чужой передачи на случайный промежуток времени. Если две станции все равно начнут передавать свои кадры одновременно и произойдет коллизия, то станции должны уметь отличить искаженные кадры от нормальных. Для этого станции сравнивают возникающие на кабеле сигналы и если передаваемые и наблюдаемые сигналы отличаются, то коллизия сначала фиксируется, а затем усиливается посредством посылаемой после каждого кадра jam-последовательностью электромагнитных сигналов.

После обнаружения и распознавания коллизии передающая станция прекращает передачу и ожидает в течение случайного интервала времени окончания переходных процессов, а затем снова пытается передать кадр. Основной недостаток заключается в том, что вероятность успешной работы в среде зависит от ее загруженности. Другой недостаток заключается в том, что распознавание коллизий станциями является необходимым условием правильной работы сети. Если станция не распознает коллизию, то кадр данных будет утерян, а его повторная передача протоколами верхнего уровня приведет к снижению пропускной способности сети. Экспериментально установлено, что для распознавания коллизий минимальная длина поля данных кадра должна быть не менее 46 байт. Это влияет на выбор длины кабельной системы, которая подбирается так, чтобы за время передачи кадра минимальной длины сигнал коллизии успел распространиться до самого дальнего узла сети. Рассмотренная технология доступа используется в большинстве локальных сетей.

2. Для решения проблемы коллизий разработан приоритетный метод доступа с рассылкой предупреждений. Метод похож на предыдущий и применяется в основном в беспроводных сетях. Здесь перед отправкой кадра данных передающая станция высылает предупреждение о том, что сейчас будет происходить передача, а остальные станции, получив предупреждение откладывают свою передачу на случайный интервал времени. Данная процедура минимизирует число коллизий.

3. Другим способом борьбы с коллизиями является методмаркерного доступа, который обеспечивает приоритетный метод обслуживания станций сети, связанных в кольцо. Кольцо рассматривается как общий разделяемый ресурс, и для доступа к нему используется алгоритм передачи станциями права на использование кольца с помощью кадра, называемого маркеромили токеном. Маркер (токен) - уникальный кадр данных, постоянно циркулирующий между узлами кольцевой сети и определяющий право на доступ к кольцу только одной станции в момент времени. Станция кольца может начать передачу данных только после получения маркера. Поскольку в кольце может быть только один маркер, то, соответственно, только одна станция в момент времени имеет право на передачу данных.

При отсутствии у станции данных для передачи она просто пересылает маркер к следующей по кольцу. Если такие данные есть, то станция при получении маркера изымает его из кольца, и посылает в кольцо свой кадр данных. Кадр данных проходит по кольцу, каждая станция анализирует его заголовок, и совпадении адреса копирует кадр в буфер, вставляет в него флаг подтверждения приема и отсылает дальше. Станция-источник получает кадр с подтверждением, изымает его из кольца и выдает маркер для обеспечения возможности другим станциям передавать данные. Время удержания одной станцией маркера ограничено тайм-аутом удержания маркера, по истечении которого станция обязана передать маркер далее по кольцу, даже если она не получит подтверждения приема. Одна из станций кольца обозначается как активный монитор, который осуществляет управление тайм-аутом в кольце, порождает новые маркеры, чтобы сохранить рабочее состояние в случае его потери, и генерирует диагностические кадры.

4. Следующий способ - методприоритетных запросов (Demand Priority Protocol - DPP). Метод основан на том, что узел, которому нужно передать кадр по сети, сначала передает запрос на выполнение этой операции коммутатору. Каждый запрос может иметь низкий или высокий приоритеты. Высокоприоритетные запросы обслуживаются раньше. Каждый коммутатор ведет отдельные очереди для низкоприоритетных и высокоприоритетных запросов. Низкоприоритетные запросы обслуживаются до тех пор, пока не получен высокоприоритетный запрос. В этом случае текущая передача низкоприоритетного кадра завершается и обрабатывается высокоприоритетный запрос. Перед возвратом к обслуживанию низкоприоритетных кадров должны быть обслужены все высокоприоритетные запросы. Как правило, станция, желающая передать пакет, запрашивает низкий приоритет для обычных данных и высокий приоритет для данных, чувствительных к временным задержкам, например, мультимедиа информации. Приоритеты запросов имеют статическую и динамическую составляющие. Если сеть свободна, 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. Если к порту подключен другой коммутатор, то опрос приостанавливается до завершения опроса коммутатором нижнего уровня.

Мультиплексирование

В глобальных сетях используются следующие методы доступа с общей разделяемой среде:

- мультиплексирование с временным разделением(Time Division Multiplexing - TDM);

- мультиплексирование с частотным разделением (Frequency Division Multiplexing - FDM).

1. В первом случае каждому узлу для передачи данных выделяется определенный временной интервал. Когда наступает его временной интервал и узел имеет кадр для передачи, он его отправляет. Мультиплексирование с разделением времени подходит только для работы с данными в цифровой форме. Примером TDM является стандарт Т1мультиплексирования по времени, распространенный в США и Японии (рис. 4.1.).

Рис. 4.1. Стандарт мультиплексирования по времени Т1

В канале Т1 мультиплексируется 24 голосовых канала в течение каждых 125 миллисекунд. При этом каждый канал оцифровывается последовательно один за другим и передает 8 бит информации: 7 бит - данные, 1 бит - сигнальный. Весь 24-канальный кадр Т1 начинается со специального сигнального бита и передает всего 24*8+1=193 бита. Тогда каждые 125 миллисекунд передается по 193 бита, что дает общую скорость передачи – 1 544 Мb/s. В Европе и Великобритании используется стандарт Е1, по которому мультиплексируется 32 восьмиразрядных канала каждые 125 миллисекунд, что дает скорость 2 048 Мb/s. Кроме того, для передачи данных используется все 8 бит информации

Технология TDM позволяет мультиплексировать каналы по принципу вложенности. Например, в стандарте Т1 - 4 первичных канала могут быть объединены в один, затем 6 объединенных вторичных каналов в один и т.д. (Рис. 4.2.).

Рис. 4.2. Множественное мультиплексирование

2. В технологии с частотным мультиплексированием каждому узлу для передачи пакетов данных выделяется свой частотный диапазон, в котором пе­ресылаемые данные модулируются на соответствующих несущих частотах. Частотное разделение хорошо работает в условиях, когда число пользователей постоянно, и каждый максимально полно загружает выделенный канал. Однако, если число пользователей велико, или трафик нерегулярный, то метод FDM имеет свои недостатки. Например, если диапазон разделен на N частотных диапазонов, но не всем из N узлов требуется передача, то часть пропускной способности будет потеряна. С другой стороны, если число пользователей больше числа допустимых диапазонов N, то часть из них получит отказ из-за недостатка пропускной способности. Чисто частотное мультиплексирование в основном применяется для передачи данных в аналоговой форме.

Общим недостатком двух методов является то, что в обоих случаях, временные интервалы/частотные диапазоны используются узлами по мере необходимости и могут определенное время простаивать.

3. Модификацией частотного мультиплексирования для работы с цифровыми данными в оптических каналах передачи информации является мультиплексирование с разделением длины волны. Здесь свет, проходя через призму, смешивается в единый пучок, который на другом конце канала передачи данных разделяется с помощью другой призмы. Общая пропускная способность оптоволоконного канала может достигать до 25 000 ГГц и ограничена скоростью преобразования светового сигнала в электрический.