Методы доступа к среде передачи данных

Тема 3.1. Методы доступа к среде передачи данных

Широкополосная и узкополосная передача

Чаще всего в ЛВС используется общая сетевая среда. По кабелю, соединяющему компьютеры, в данный момент времени может передаваться лишь один сигнал, и потому все системы вынуждены пользоваться кабелем по очереди. Сеть такого типа называется узкополосной (baseband). Чтобы организовать эффективное использование узкополосной сети многими компьютерами, передаваемые каждой системой данные разбиваются на отдельные фрагменты — пакеты (packets).

Подключившись к кабелю узкополосной сети и исследовав поток сигналов в нем, Вы увидите непрерывную последовательность пакетов, сгенерированных разными системами и предназначенных для разных систем Сообщение электронной почты, например, разбивается на множество пакетов, каждый из которых передается в сеть отдельно. Если другому компьютеру в сети тоже нужно что-то передать, он делает это точно так же: по одному пакету за раз. Когда все пакеты из конкретной передачи достигают целевой системы, она компонует из них исходное сообщение. В этом заключается основной принцип работы сети с коммутацией пакетов (packet-switching). Альтернативой является сеть с коммутацией каналов (circuit-switching), в которой две системы, нуждающиеся в связи, прежде чем начать передачу информации, устанавливают для нее канал. Он остается открытым на все время обмена информацией и исчезает лишь после прекращения связи. В узкополосной сети такая организация обмена данными неэффективна: есть вероятность того, что две системы надолго монополизируют сетевую среду, лишив связи другие системы. Коммутация каналов чаще всего используется в системах, подобных обычной телефонной сети, в которой соединение между телефонами (Вашим и Вашего собеседника) остается открытым на все время разговора.

Чтобы сделать коммутацию пакетов более эффективной, телефонные компании используют широкополосные (broadband) сети, допускающие, в отличие от узкополосных, передачу по одному кабелю не скольких сигналов одновременно. Из всех широкополосных сетей Вам, вероятно, чаще всего приходится сталкиваться с сетью местной кабельной телевизионной компании. Служба кабельного телевидения прокладывает в дом клиента единственный кабель, но передает по нему сигналы множества телевизионных каналов одновременно и, кроме того, зачастую предоставляет доступ в Интернет. Широкополосные технологии в локальных сетях почти не применяются, но в глобальных сетях их популярность растет.

Инкапсуляция данных

По сути, взаимодействие протоколов, работающих на разных уровнях модели OSI, проявляется в том, что каждый протокол добавляет заголовок (header) или (в одном случае) трейлер (footer) к информации, которую он получил от уровня, расположенного выше. Например, приложение генерирует запрос к сетевому ресурсу. Этот запрос продвигается по стеку протоколов вниз. Когда он достигает транспортного уровня, протоколы этого уровня добавляют к запросу собственный заголовок, состоящий из полей с информацией, специфической для функций данного протокола. Сам исходный запрос становится для протокола транспортного уровня полем данных (полезной нагрузкой). Добавив свой заголовок, протокол транспортного уровня передает запрос сетевому уровню. Протокол сетевого уровня добавляет к заголовку протокола транспортного уровня свой собственный заголовок. Таким образом, для протокола сетевого уровня полезной нагрузкой становятся исходный запрос и заголовок протокола транспортного уровня. Вся эта конструкция становится полезной нагрузкой для протокола канального уровня, который добавляет к ней заголовок и трейлер. Итогом этой деятельности является пакет (packet), готовый для передачи по сети. Когда пакет достигает места назначения, процесс повторяется в обратном порядке. Протокол каждого следующего уровня стека (теперь снизу вверх) обрабатывает и удаляет заголовок эквивалентного протокола передающей системы. Когда процесс завершен, исходный запрос достигает приложения, которому он предназначен, в том же виде, в каком он был сгенерирован.

Процесс добавления заголовков к запросу, сгенерированному приложением, называется инкапсуляцией данных (data encapsulation).

По сути эта процедура напоминает процесс подготовки письма для отправки по почте. Запрос — это само письмо, а добавление заголовков аналогично вкладыванию письма в конверт, написанию адреса, штемпелеванию и собственно отправке.

Протокол канального уровня добавляет к данным, полученным от протокола сетевого уровня, заголовок и трейлер, превращая их в кадр (frame). Если снова прибегнуть к аналогии с почтой, заголовок и трейлер — это конверт для отправки письма. В них содержатся адреса системы-отправителя и системы-получателя пакета. Для протоколов ЛВС, подобных Ethernet и Token Ring, эти адреса представляют собой 6-байтные шестнадцатеричные строки, присвоенные сетевым адаптерам на заводе-изготовителе. Они, в отличие от адресов, используемых на других уровнях модели OSI, называются аппаратными адресами (hardware address) или МАС-адресами (см. ниже).

Протоколы различных уровней модели OSI по-разному называют структуры, создаваемые ими путем добавления заголовка к данным, пришедшим от вышестоящего протокола. Например, то, что протокол канального уровня называет кадром, для сетевого уровня будет дейтаграммой. Более общим названием для структурной единицы данных на любом уровне является пакет.

Методы доступа к среде передачи данных

При построении сетей необходимо определить методы или правила, согласно которым рабочие станции, подключенные к сети, смогут получать доступ к разделяемой среде передачи дан­ных и, соответственно, праву на передачу.

Методы доступа к среде передачи делятся на централизован­ные и децентрализованные.

В централизованных методах все управление доступом сосре­доточено в одном узле (центре). Недостатки таких методов: неус­тойчивость к отказам центра, малая гибкость управления, так как центр обычно не может оперативно реагировать на все события в сети. Достоинство централизованных методов — отсутствие конфликтов, так как центр всегда предоставляет право на передачу только одному абоненту, которому не с кем конфликтовать.

В децентрализованных методах центр управления отсутствует. Управление доступом, в том числе предотвращение, обнаружение и разрешение конфликтов, осуществляется всеми абонентами сети. Главные достоинства децентрализованных методов: высокая устойчивость к отказам и большая гибкость. Однако в данном случае возможны конфликты, которые необходимо разрешать.

Децентрализованные методы делятся на детерминированные и случайные.

Детерминированные методы определяют четкие правила, по которым осуществляется порядок предоставления доступа або­нентам сети. Абоненты имеют определенную систему приоритетов, причем приоритеты эти различны для всех абонентов. Конфликты при этом практически полностью исключены.

Случайные методы подразумевают произвольный (случайный) порядок получения доступа к среде передачи. При этом возможность возникновения конфликтов подразумевается, но опре­делены и способы их разрешения. Случайные методы не гарантируют абоненту время доступа. Но зато они обычно более устойчивы к отказам сетевого оборудования и более эффективно используют сеть при малой интенсивности обмена.

Одним из самых распространенных методов доступа к среде передачи является метод множественного доступа с прослушива­нием несущей и разрешением коллизий (Carrier Sense Multiply Access with Collision Detection — CSMA/CD).

Метод заключается в том, что сетевой адаптер прослушивает среду передачи (Carrier Sense), будь то кабель или радиочастота, чтобы определить, свободна ли она в данный момент времени. Если среда передачи свободна, то сетевой адаптер начинает пере­дачу кадра.

Кадр (или пакет) — это единица информации, пересылаемая с одного компьютера на другой.

Если в среде передачи обнаруживается сигнал, свидетельст­вующий об уже ведущейся передаче данных, то сетевой адаптер откладывает передачу своих кадров на некоторый интервал вре­мени, по истечении которого попытка получить доступ к среде передачи и, соответственно, разрешение на передачу данных предпринимается вновь.

После завершения передачи кадра любой узел должен выждать паузу — межкадровый интервал (Inter Packet Gap — IGP), — равную 9,6 нс.

В случае, когда одновременно два сетевых адаптера прослушивают среду, обнаруживают, что она не занята передачей, и на­чинают одновременно передавать свои кадры, происходит ошибка передачи — коллизия.

Поскольку время распространения сигнала в среде переда­чи величина, отличная от нуля, то коллизия может возникнуть и в том случае, когда сигнал, переданный с одной рабочей станции, еще не дошел до другой. Эта станция, прослушав среду, и решив, что среда передачи не занята, начинает пересылку своих кадров, что и приводит к сбою.

Каждый сетевой адаптер должен постоянно прослушивать среду передачи данных, в том числе и во время своей передачи, это позволяет более быстро обнаружить коллизию в сети и при­нять меры по ее устранению.

Сетевой адаптер – это преиферийное устройство компьютера. Именно сетевой адаптер непосредственно взаимодействует со средой передачи данных, которая прямо или через коммуникационное оборудование связывает его с другими компьютерами

При обнаружении коллизии (Collision Detection) рабочие станции прерывают передачу данных и переходят в режим ожидания. Продолжительность режима ожидания у каждой станции вы­бирается случайным образом и может составлять от 0 до 52,4 мс. После истечения режима ожидания производится попытка завладеть средой передачи данных и возобновить прерванную пересылку кадров. Таким образом, метод доступа к среде передачи данных для технологии Ethernet имеет случайный характер.

Другим методом доступа к среде передачи является маркер­ный метод доступа. Этот метод применяется в сетях с топологией «кольцо» и имеет детерминированный характер. Суть этого мето­да заключается в поочередной передаче права на пересылку кадров от одного компьютера сети к другому. Это право передается с помощью маркера — кадра специального формата.

Сеть с маркерным доступом контролируется активным монитором — рабочей станцией сети, которая выбирается при инициа­лизации сети. Одной из функций активного монитора является генерация маркера, который передается следующей по кругу станции.

Кроме того, активный монитор осуществляет контроль над наличием маркера в сети. Если после генерации и посылки мар­кера, он не возвращается к активному монитору, то по истечении определенного времени генерируется и запускается в кольцо новый маркер.

При получении маркера станция проверяет наличие данных, которые требуется переслать. Если таковые отсутствуют, то маркер передается далее по кольцу. Если имеются данные для пересылки, то станция изымает маркер из кольца и начинает передачу кадров.

Данные в сети с маркерным доступом передаются последовательно от одной рабочей станции к другой в одном направлении. Все станции в сети, получив кадр, ретранслируют его далее по кольцу. Если адресатом полученного кадра является данная станция, то она копирует этот кадр во внутренний буфер и добавляет в него признак подтверждения приема.

Обойдя круг по кольцу, кадры возвращаются с пометкой о подтвержденном приеме на породившую их станцию, которая изымает их из кольца, после этого передает маркер другой машине.

Существует такое понятие как время удержания маркера — это время, в течение которого машина может передавать свои данные в сеть. По истечении этого временного интервала должна быть завершена передача текущего кадра, после этого маркер пе­редается далее по кольцу.

Все кадры в такой сети имеют различные приоритеты от низшего (0) до высшего (7). Если приоритет кадров для пересылки соответствует приоритету маркера или выше него, то только в этом случае станция может захватить переданный ей маркер, иначе она должна передать его дальше по сети.

Еще один метод доступа к разделяемой среде передачи дан­ных называется приоритетным доступом по требованию (Demand Priority).

Суть метода заключается в передаче концентратору функций арбитра сети, который разрешает порядок доступа к разделяемой среде.

Концентратор — это многопортовый повторитель.

Повторитель — устройство, дублирующее получаемые сигналы.

То есть информация, поступившая на один из портов концен­тратора, дублируется на всех остальных его портах.

При работе по методу приоритетного доступа по требованию концентратор циклически опрашивает свои порты. Если рабочей станции необходимо передать данные, она передает на порт кон­центратора специальный сигнал, а также сообщает приоритет — низкий или высокий — кадра, который собирается передать.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: