Организация передачи данных в компьютерной сети

Размещено на http://www.allbest.ru/

Организация передачи данных в компьютерной сети

1. Эталонная модель взаимодействия открытых систем

Многослойный (многоуровневый характер) сетевых процессов приводит к необходимости рассмотрения многоуровневых моделей телекоммуникационных сетей. В качестве эталонной утверждена семиуровневая модель - OSI Referens Model, в которой все процессы, реализуемые системой, разбиты на взаимоподчиненные уровни. Основная идея этой модели заключается в том, что каждому уровню отводится конкретная роль. Благодаря этому общая задача передачи данных расчленяется на отдельные, легко обозримые задачи.

В качестве прообраза модели взаимодействия OSI (Open System Interconnection) была использована структура, предложенная ANSI (American National Standarts Institute). Основные работы по созданию текста документа были выполнены CCITT (Consultative Committee for International Telegraphy), а итоговый документ появился в виде стандарта ISO. Статус стандарта ISO важен для данного документа, поскольку ISO 7498 является стандартом стандартов в области телекоммуникаций.

Соглашения, необходимые для связи одного уровня с выше- и нижерасположенными, называют протоколом. В семиуровневой модели сетевого обмена обмен информацией может быть представлен в виде стека протоколов межсетевого обмена OSI.

Рассмотрим кратко каждый из указанных уровней модели открытых систем.

1. Физический уровень модели определяет характеристики физической сети передачи данных, которая используется для межсетевого обмена. Это такие параметры, как напряжение в сети, сила тока, число контактов на разъемах, электрические, механические, функциональные и процедурные параметры для физической связи в системах. Протоколы физического уровня определяют вид и характеристики линий связи между компьютерами. В компьютерных сетях используются практически все известные в настоящее время способы связи от простого провода (витая пара) до волоконно-оптических линий связи (ВОЛС).

2. Канальный (или логический) уровень представляет собой комплекс процедур и методов управления каналом передачи данных, организованный на основе физического соединения. Канальный уровень формируется из данных, передаваемых первым уровнем. Для каждого типа линий связи разработан соответствующий протокол данного уровня, занимающийся управлением передачей информации по каналу. К протоколам логического уровня для телефонных линий относятся протоколы SLIP (Serial Line Interface Protocol) и PPP (Point to Point Protocol). Для связи по кабелю локальной сети - это пакетные драйверы плат ЛВС.

3. Сетевой уровень устанавливает связь между двумя абонентами. Его основная задача - маршрутизация данных. Специальные устройства - маршрутизаторы определяют для какой сети предназначено сообщений и направляют его по адресу. Протоколы сетевого уровня отвечают за передачу данных между устройствами в разных сетях, то есть занимаются маршрутизацией пакетов в сети. К протоколам сетевого уровня принадлежат IP (Internet Protocol) и ARP (Address Resolution Protocol).

4. Транспортный уровень поддерживает непрерывную передачу данных между двумя взаимодействующими удаленными пользовательскими процессами. Транспортный протокол связывает нижние уровни (физический, канальный и сетевой) с верхними уровнями, которые реализуются программными средствами. Протоколы транспортного уровня управляют передачей данных из одной программы в другую. К протоколам транспортного уровня принадлежат TCP (Transmission Control Protocol) и UDP (User Datagram Protocol).

5. Сеансовый уровень (уровень сессий) осуществляет управление сеансами связи между двумя взаимодействующими пользовательскими процессами. Кроме того, данный уровень содержит дополнительные функции управления паролями, подсчета платы за пользование ресурсами сети, управление диалогом, синхронизации и отмены связи в сеансе передачи после сбоя вследствие ошибок на нижерасположенных уровнях. Протоколы уровня сеансов связи отвечают за установку, поддержание и уничтожение соответствующих каналов. В Internet этим занимаются TCP и UDP протоколы, а также протокол UUCP (Unix to Unix Copy Protocol).

6. Уровень представления данных управляет представлением данных в необходимой для программы пользователя форме, осуществляет генерацию и интерпретацию взаимодействия процессов, кодирование и декодирование данных. Протоколы представительского уровня занимаются обслуживанием прикладных программ. К программам представительского уровня принадлежат программы, запускаемые, к примеру, на Unix-сервере, для предоставления различных услуг абонентам. К таким программам относятся: telnet-сервер, FTP-сервер, Gopher-сервер, NFS-сервер, NNTP (Net News Transfer Protocol), SMTP (Simple Mail Transfer Protocol), POP2 и POP3 (Post Office Protocol) и т.д.

7. Прикладной уровень определяет протоколы обмена данными прикладных программ. В его ведении находятся прикладные сетевые программы, обслуживающие файлы, а так же выполняются вычислительные, информационно-поисковые работы, логические преобразования информации и так далее.

Следует знать, что на разных уровнях обмен происходит в различных единицах информации: биты, кадры, фреймы, пакеты, сеансовые сообщения, пользовательские сообщения. Уровень может «ничего не знать» о содержании сообщения, но должен «знать», что дальше делать с этим сообщением. Для полной и безошибочной передачи данных необходимо придерживаться установленных в протоколе передачи данных правил.

2. Методы передачи данных на нижнем уровне

При передаче дискретных данных по каналам связи применяются два основных типа физического кодирования - на основе синусоидального несущего сигнала и на основе последовательности прямоугольных импульсов. Первый способ часто называется также модуляцией или аналоговой модуляцией, подчеркивая тот факт, что кодирование осуществляется за счет изменения параметров аналогового сигнала. Второй способ обычно называют цифровым кодированием. Эти способы отличаются шириной спектра результирующего сигнала и сложностью аппаратуры, необходимой для их реализации.

При использовании прямоугольных импульсов спектр результирующего сигнала получается весьма широким. Это не удивительно, если вспомнить, что спектр идеального импульса имеет бесконечную ширину. Применение синусоиды приводит к спектру гораздо меньшей ширины при той же скорости передачи информации. Однако для реализации синусоидальной модуляции требуется более сложная и дорогая аппаратура, чем для реализации прямоугольных импульсов.

В настоящее время все чаще данные, изначально имеющие аналоговую форму - речь, телевизионное изображение, - передаются по каналам связи в дискретном виде, то есть в виде последовательности единиц и нулей. Процесс представления аналоговой информации в дискретной форме называется дискретной модуляцией. Термины «модуляция» и «кодирование» часто используют как синонимы.

Аналоговая модуляция применяется для передачи дискретных данных по каналам с узкой полосой частот, типичным представителем которых является канал тональной частоты, предоставляемый в распоряжение пользователям общественных телефонных сетей. Типичная амплитудно-частотная характеристика канала тональной частоты представлена на рис. 1. Этот канал передает частоты в диапазоне от 300 до 3400 Гц, таким образом, его полоса пропускания равна 3100 Гц. Хотя человеческий голос имеет гораздо более широкий спектр - примерно от 100 Гц до 10 кГц, - для приемлемого качества передачи речи диапазон в 3100 Гц является хорошим решением. Строгое ограничение полосы пропускания тонального канала связано с использованием аппаратуры уплотнения и коммутации каналов в телефонных сетях.

Амплитудно-частотная характеристика канала тональной частоты

Устройство, которое выполняет функции модуляции несущей синусоиды на передающей стороне и демодуляции на приемной стороне, носит название модем (модулятор - демодулятор). Методы аналоговой модуляции.

Аналоговая модуляция является таким способом физического кодирования, при котором информация кодируется изменением амплитуды, частоты или фазы синусоидального сигнала несущей частоты. Основные способы аналоговой модуляции показаны на рис. 2. На диаграмме (рис. 2, а) показана последовательность бит исходной информации, представленная потенциалами высокого уровня для логической единицы и потенциалом нулевого уровня для логического нуля. Такой способ кодирования называется потенциальным кодом, который часто используется при передаче данных между блоками компьютера.



Различные типы модуляции

При амплитудной модуляции (рис. 2,13, б) для логической единицы выбирается один уровень амплитуды синусоиды несущей частоты, а для логического нуля - другой. Этот способ редко используется в чистом виде на практике из-за низкой помехоустойчивости, но часто применяется в сочетании с другим видом модуляции - фазовой модуляцией.

При частотной модуляции (рис. 2, в) значения 0 и 1 исходных данных передаются синусоидами с различной частотой - f₀ и f₁. Этот способ модуляции не требует сложных схем в модемах и обычно применяется в низкоскоростных модемах, работающих на скоростях 300 или 1200 бит/с.

При фазовой модуляции (рис. 2, г) значениям данных 0 и 1 соответствуют сигналы одинаковой частоты, нос различной фазой, например 0 и 180 градусов или 0,90,180 и 270 градусов.

В скоростных модемах часто используются комбинированные методы модуляции, как правило, амплитудная в сочетании с фазовой.

3. Методы доступа к передающей среде

Существуют различные процедуры обмена данными между рабочими станциями абонентских систем сети, реализующие при этом те или иные методы доступа к передающей среде. Эти процедуры называются протоколами передачи данных (ППД). Речь идет о ППД, которые относятся к категории линейных (канальных) протоколов, или протоколов управления каналом. Такое название они получили потому, что управляют потоками трафика (данных пользователя) между станциями на одном физическом канале связи. Это также протоколы нижнего уровня, так как их реализация осуществляется на нижних уровнях семиуровневой эталонной модели ВОС.

Между понятиями «протокол передачи данных нижнего уровня» и «метод доступа к передающей среде» существуют определенные различия и связь.

Метод доступа - это способ «захвата» передающей среды, способ определения того, какая из рабочих станций сети может следующей использовать ресурсы сети. Но, кроме того, так же называется набор правил (алгоритм), используемых сетевым оборудованием, чтобы направлять поток сообщений через сеть, а также один из основных признаков, по которым различают сетевое оборудование.

Протокол в общем виде - это набор правил для связи между рабочими станциями (компьютерами) сети, которые управляют форматом сообщений, временными интервалами, последовательностью работы и контролем ошибок. Протокол передачи данных нижнего уровня (протокол управления каналом) - это совокупность процедур, выполняемых на нижних уровнях семиуровневой эталонной модели ВОС по управлению потоками данных между рабочими станциями сети на одном физическом канале связи.

Методы доступа к передающей среде, определяющие правила ее «захвата», могут быть разделены на следующие классы:

1. Селективные методы, при реализации которых с помощью соответствующего ППД рабочая станция осуществляет передачу только после получения разрешения, которое либо направляется каждой PC по очереди центральным управляющим органом сети (такой алгоритм называется циклическим опросом), либо передается от станции к станции (алгоритм передачи маркера).

2. Методы, основанные на соперничестве (методы случайного доступа, методы «состязаний» абонентов), когда каждая PC пытается «захватить» передающую среду. При этом может использоваться несколько способов передачи данных: базовый асинхронный, синхронизация режима работы канала путем тактирования моментов передачи кадров, прослушивание канала перед началом передачи данных по правилу «слушай, прежде чем говорить», прослушивание канала во время передачи данных по правилу «слушай, пока говоришь». Эти способы используются вместе или раздельно и обеспечивают различные варианты загруженности канала и стоимости сети.

3. Методы, основанные на резервировании времени, принадлежат к числу наиболее ранних и простых. Любая PC осуществляет передачу только в течение временных интервалов (слотов), заранее для нее зарезервированных. Все слоты распределяются между станциями либо поровну (в неприоритетных системах), либо с учетом приоритетов АС, когда некоторые PC за фиксированный интервал времени получают большее число слотов. Станция, владеющая слотом, получает канал в свое полное распоряжение. Такие методы целесообразно применять в сетях с малым числом АС, так как канал используется неэффективно.

4. Кольцевые методы предназначены специально для ЛВС с кольцевой топологией (хотя большинство указанных методов может использоваться в таких сетях). К ним относятся два метода - вставка регистров и сегментированная передача (метод временных сегментов).

При реализации метода вставки регистра рабочая станция содержит регистр (буфер), подключаемый параллельно к кольцу. В регистр записывается кадр для передачи, и станция ожидает межкадрового промежутка в моноканале. С его появлением регистр включается в кольцо (до этого он был отключен от кольца) и содержимое регистра передается в линию. Если во время передачи станция получает кадр, он записывается в буфер и передается вслед за кадром, передаваемым этой станцией. Этот метод допускает «подсадку» в кольцо нескольких кадров.

При использовании в ЛВС с кольцевой топологией сегментированной передачи временные сегменты формируются управляющей станцией сети. Они имеют одинаковую протяженность и циркулируют по кольцу. Каждая станция, периодически обращаясь в сеть, может дождаться временного сегмента, помеченного меткой «свободный». В этот сегмент станция помещает свой кадр фиксированной длины, при этом в сегменте метка «свободный» заменяется меткой «занятый». После доставки кадра адресату сегмент вновь освобождается. Важным преимуществом такого метода является возможность одновременной передачи кадров несколькими PC. Однако передача допускается только кадрами фиксированной длины.

Используется и другая классификационная структура. Все ППД делятся на два класса: ППД типа первичный /вторичный и равноранговые ППД. При реализации ППД первого класса в сети выделяется первичный (главный) узел, который управляет всеми остальными (вторичными) узлами, подключенными к каналу, и определяет, когда и какие узлы могут производить обмен данными. В сетях, где реализуются равноранговые (одноуровневые, одноранговые) протоколы, все узлы имеют одинаковый статус. Однако, если предварительно узлам присвоить разные приоритеты, то для них устанавливается неравноправный доступ в сеть.

Указанная классификационная структура ППД приведена на рис. 3.



Классификация ППД нижнего уровня

4. ППД нижнего уровня типа первичный / вторичный

Один из широко распространенных подходов к управлению каналом связи основан на использовании протокола типа первичный / вторичный или главный / подчиненный, когда первичный (главный) узел системы определяет для всех других узлов (вторичных, подчиненных), подключенных к каналу, порядок (очередность) обмена данными.

ППД типа первичный / вторичный могут быть реализованы на основе нескольких технологий, образующих две группы: с опросом и без опроса.

В сетях с опросом широкое распространение получили протоколы, которые называются «опрос с остановкой и ожиданием» и «непрерывный автоматический запрос на повторение». Оба протокола относятся к классу ППД, реализующих селективные методы доступа к передающей среде. Технология доступа к передающей среде хорошо известна по применению в многоточечных линиях глобальных сетей. Суть ее заключается в том, что первичный узел последовательно предлагает вторичным узлам подключиться к общему каналу передачи. В ответ на такой запрос вторичный узел, имея подготовленные данные, осуществляет передачу. Если подготовленных данных нет, выдается короткий пакет данных типа «данных нет», хотя в современных системах, как правило, реакцией в таких случаях является «молчание».

Наиболее распространенный способ организации запроса - циклический опрос, т.е. последовательное обращение к каждому вторичному узлу в порядке очередности, определяемой списком опроса. Цикл завершается после опроса всех вторичных узлов из списка. Для сокращения потерь времени, связанных с опросом неактивных вторичных узлов (т.е. узлов, по той или иной причине не готовых к передаче данных), применяются специальные варианты процедуры опроса: наиболее активные вторичные узлы опрашиваются несколько раз в течение цикла; наименее активные узлы опрашиваются один раз в течение нескольких циклов; частота, с которой опрашиваются отдельные узлы, меняется динамически в соответствии с изменением активности узлов.

В сетях с многоточечными линиями применяется также опрос по принципу «готов - вперед». В каждой многоточечной линии опрос начинается с самого удаленного вторичного узла и затем сигнал опроса передается обратно от одного узла к другому, пока не достигнет узла, ближайшего к опрашивающему органу. Реализация такого принципа позволяет сократить время на распространение сигнала опроса от первичного узла к вторичным, однако это достигается за счет усложнения системы.

Основные преимущества систем с опросом - простота реализации ППД и невысокая стоимость используемого оборудования.

Недостатки таких систем:

* простаивание вторичного узла, имеющего готовые для передачи данные, в ожидании поступления сигнала «опрос»;

* неэффективное потребление дорогостоящих ресурсов канала, связанное с передачей служебной информации (сигналов опроса, сигналов ответной реакции);

* наличие узкого места по надежности (отказ первичного узла приводит к отказу всей сети) и по пропускной способности, так как обмен данными между вторичными звеньями осуществляется только через первичный узел.

Одной из простейших модификаций ППД типа первичный / вторичный с опросом является протокол, называемый «опрос с остановкой и ожиданием». В системах с таким протоколом узел после передачи кадра ожидает от адресата подтверждения в правильности его пересылки, что сопряжено с дополнительными затратами времени.

Рассмотрим пример по оценке времени на удовлетворение запроса абонента в сети с опросом.

Пример 1. Оценить Т_P,MAX - максимальное время реакции на запрос абонента сети, в которой реализуется ППД (метод доступа в сеть) типа первичный / вторичный с циклическим опросом, если известно:

М=20 - количество активных абонентов в сети, т.е. абонентов, готовых немедленно передать запрос на предоставление услуги, но вынужденных ожидать своей очереди;

Т_ОПР = 2с - время опроса одного абонента, т.е. время на передачу сигнала опроса от центра управления сетью (ЦУС) к абоненту и получение от него ответа о готовности передачи запроса на обслуживание в центре обработки информации (ЦОИ);

V_ИМ= 9600 бит/с - пропускная способность информационной магистрали между ЦУС и ЦОИ;

Е_К1= 4096 бит - длина кадра-запроса на обслуживание (для всех абонентов принимается одинаковой);

Т₀₃= 1 с - время обработки запроса в ЦОИ (принимается одинаковым для всех абонентов);

Е_К2= 8192 бита - длина кадра, передаваемого от ЦОИ к абоненту и содержащего результаты обработки запроса в ЦОИ (принимается одинаковой для всех абонентов).

Обработка запроса абонентов осуществляется последовательно: в каждом цикле сначала полностью обслуживается запрос первого абонента, затем второго и т.д. до 20-го; после этого начинается новый цикл. Время на передачу информации между узлами сети определяется емкостью передаваемой информации (временем на передачу сигнала от одного узла сети к другому пренебрегаем).

В соответствии с условиями этого примера максимальным время реакции на запрос в первом цикле будет для 20-го абонента (в последующих циклах это время для всех абонентов одинаково, поскольку они остаются активными). Его можно рассчитать по формулам:

Т_P,MAX=M*(Т_ОПР+Е_К1/V_ИМ+Т_ОЗ+Е_К2/V_ИМ)=M*Т_P,MIN;

Т_P,MAX=20*(2+4096/9600+1+8192/9600)=20*4,28;

Т_P,MAX=85,6;

Непрерывный автоматический запрос на повторение передачи данных в дуплексных системах (точнее, в системах передачи данных с решающей обратной связью), которые допускают передачу информации в обоих направлениях между узлами, поддерживающими связь. В системах с таким протоколом (он называется также протоколом ARQ) узел связи может автоматически запрашивать другой узел и повторно производить передачу данных.

В системах с протоколом ARQ на передающей и принимающей станциях устанавливаются так называемые передающие и принимающие окна. При установке окна выделяется время на непрерывную передачу (прием) фиксированного числа кадров и резервируются необходимые для такого протокола ресурсы. Кадры, принадлежащие данному окну, передаются без периодических подтверждений со стороны адресата о приеме очередного кадра. Подтверждение передается после получения всех кадров окна, что обеспечивает экономию времени на передачу фиксированного объема информации по сравнению с предыдущим протоколом. Однако приемник должен иметь достаточный объем зарезервированного буферного ЗУ для обработки непрерывно поступающего графика.

В системах ARQ важное значение имеет размер окна (количество кадров в окне). Чем больше окно, тем большее число кадров может быть передано без ответной реакции со стороны приемника и, следовательно, тем большая экономия времени достигается за счет сокращения передачи служебной информации. Но увеличение размера окна сопровождается выделением больших ресурсов и буферной памяти для обработки поступающих сообщений. Кроме того, это отражается на эффективности реализуемых способов защиты от ошибок (см. об этом в параграфе 12.4). В настоящее время в сетях, где используется протокол ARQ, предусматриваются семикадровые окна, то есть передатчик может посылать семь кадров без получения ответного подтверждения после каждого кадра.

Концепция скользящих окон, реализованная в протоколе ARQ, является достаточно простой. Сложность заключается лишь в том, что первичный узел, связанный с десятками и даже сотнями вторичных узлов, должен поддерживать окно с каждым из них, обеспечивая эффективность передачи данных, управление потоками данных.

К ППД типа первичный / вторичный без опроса, используемым в ТВС, относятся:

* запрос передачи / разрешение передачи;

* разрешить / запретить передачу;

* множественный доступ с временным разделением.

Первые два протокола реализуют селективные методы доступа к передающей среде, а третий - методы, основанные на резервировании времени. Общим для этих протоколов является то, что инициатива в подаче запроса на обслуживание принадлежит, как правило, вторичному органу, причем запрос подается первичному органу, если действительно имеется необходимость в передаче данных или в получении данных от другого органа. Эффективность этого протокола по сравнению с ППД с опросом будет тем выше, чем в большей степени вторичные органы отличаются друг от друга по своей активности, т.е. по частоте подачи запросов на обслуживание. В этом легко убедиться на конкретных примерах.

Пример 2. Оценить Т_P,MAX при тех же исходных данных, что в примере 1, но для другого ППД, а именно: ППД типа первичный / вторичный без опроса.

В соответствии с принятым ППД из запросов абонентов в ЦУС формируется очередь, которая «рассасывается» по принципу «первый пришел - первый обслужен». Для первого поступившего в ЦУС запроса время обслуживания будет минимальным:

Т_P,MIN=Т_ОПР+Е_К1/V_ИМ+Т_ОЗ+Е_К2/V_ИМ;

Т_P,MIN=2+4096/9600+1+8192/9600=4,28 с.

Максимальным время реакции на запрос будет для абонента, запрос которого оказался последним в очереди. Следовательно:

Т_P,MAX=Т_ОПР+Т_ОR,MAX+Е_К1/V_ИМ+Т_ОЗ+Е_К2/V_ИМ=Т_P,MIN+Т_ОR,MAX,

где Т_ОR,MAX - максимальное время пребывания запроса на обслуживание в очереди, причем

Т_ОR,MAX=(M-1) (Т_P,MIN-Т_ОПР);

Т_ОR,MAX=(20-1) (4,28-2)=43,32.

Тогда

Т_P,MAX=4,28+43,32=47,6 с;

Пример 3. По условиям примеров 1 и 2 найти максимально допустимое число активных абонентов в сети, если задано допустимое время реакции на запрос Т_Р,ДОП, равное 60 с.

По условиям примера 1:

M_MAX<=Т_Р,ДОП/Т_P,MIN;

M_MAX<=60/4,28=14;

По условиям примера 11.2:

Т_Р,ДОП=Т_P,MIN+Т_ОR,MAX=Т_P,MIN+(M-1) (Т_P,MIN-Т_ОПР).

Отсюда

M_MAX<=(Т_Р,ДОП-Т_P,MAX)/(Т_P,MIN-Т_ОПР)+1;

M_MAX<=(60-4,28)/(4,28-2)+1=25;

Как видно, при одних и тех же исходных данных и при условии, когда все абоненты сети являются активными, в сетях без опроса максимальное время реакции на запрос почти в два раза меньше, чем в сетях с опросом, а максимально допустимое число активных абонентов при ограничении времени реакции на запрос - почти в два раза больше.

Протокол типа запрос передачи / разрешение передачи применяется довольно широко в полудуплексных каналах связи ЛВС, так как взаимосвязан с распространенным короткодистанционным физическим интерфейсом RS-232-C. В соответствии с этим протоколом организация передачи данных между терминалом (вторичным органом) и ЭВМ (первичным органом) проводится в такой последовательности: выдача терминалом запроса на передачу - выдача ЭВМ сигнала разрешения на передачу терминалом - передача данных от терминала к ЭВМ - сброс сигнала машиной - прекращение передачи терминалом.

Протокол типа разрешить / запретить передачу часто используется периферийными устройствами (печатающими устройствами, графопостроителями) для управления входящим в них графиком. Главный орган (обычно ЭВМ) посылает данные в удаленный периферийный узел, скорость работы которого существенно меньше скорости работы ЭВМ и скорости передачи данных каналом. В связи с этим возможно переполнение буферного ЗУ периферийного узла. Для предотвращения переполнения периферийный узел посылает к ЭВМ сигнал «передача выключена». Получив такой сигнал, ЭВМ прекращает передачу и сохраняет данные до тех пор, пока не получит сигнал «разрешить передачу», означающий, что периферийный узел готов принять новые данные, так как буферное ЗУ освободилось.

Множественный доступ с временным разделением широко используется в спутниковых сетях связи. Главная (эталонная) станция принимает запросы от вторичных (подчиненных) станций на предоставление канала связи и, реализуя ту или иную дисциплину обслуживания запросов, определяет, какие именно станции и когда могут использовать канал в течение заданного промежутка времени, т.е. предоставляет каждой станции слот. Получив слот, вторичная станция осуществляет временную подстройку, чтобы произвести передачу данных за заданный слот.

5. Одноранговые ППД нижнего уровня

Одноранговые ППД разделяются на две группы: без приоритетов (в неприоритетных системах) и с учетом приоритетов (в приоритетных системах).

Мультиплексная передача с временным разделением - наиболее простая равноранговая неприоритетная система, где реализуются методы доступа к передающей среде, основанные на резервировании времени. Здесь используется жесткое расписание работы абонентов: каждой станции выделяется интервал времени (слот) использования канала связи, и все интервалы распределяются поровну между станциями. Во время слота станция получает канал в свое полное распоряжение. Такой протокол отличается простотой в реализации и широко применяется в глобальных и локальных сетях.

Недостатки протокола:

* возможность неполного использования канала, когда станция, получив слот, не может загрузить канал полностью из-за отсутствия необходимого объема данных для передачи;

* нежелательные задержки в передаче данных, когда станция, имеющая важную и срочную информацию, вынуждена ждать своего слота или когда выделенного слота недостаточно для передачи подготовленных данных и необходимо ждать следующего слота.

Система с контролем несущей (с коллизиями) реализует метод случайного доступа к передающей среде (метод CSMA/CD) и применяется в основном в локальных сетях. Все станции сети, будучи равноправными, перед началом передачи работают в режиме прослушивания канала. Если канал свободен, станция начинает передачу; если занят, станция ожидает завершения передачи. Через некоторое случайное время она снова обращается к каналу.

Так как сеть CSMA/CD является равноранговой, в результате соперничества за канал могут возникнуть коллизии: станция B может передать свой кадр, не зная, что станция А уже захватила канал, поскольку от станции А к станции В сигнал распространяется за конечное время. В результате станция В, начав передачу, вошла в конфликт со станцией А (коллизия со станцией А).

Каждая станция способна одновременно и передавать данные, и «слушать» канал. При наложении двух сигналов в канале начинаются аномалии (в виде аномального изменения напряжения), которые обнаруживаются станциями, участвующими в коллизии.

Важным аспектом коллизии является окно коллизий, представляющее собой интервал времени, необходимый для распространения сигнала по каналу и обнаружения его любой станцией сети. В наихудших для одноканальной сети условиях время, необходимое для обнаружения столкновения сигналов (коллизии), в два раза больше задержки распространения, так как сигнал, образовавшийся в результате коллизии, должен распространяться обратно к передающим станциям. Чтобы окно коллизии было меньше, такой способ доступа целесообразно применять в сетях с небольшими расстояниями между станциями, т.е. в локальных сетях. Кроме того, вероятность появления коллизий возрастает с увеличением расстояния между станциями сети.

Коллизия является нежелательным явлением, так как приводит к ошибкам в работе сети и поглощает много канального времени для ее обнаружения и ликвидации последствий. Поэтому желательно реализовать некоторый алгоритм, позволяющий либо избежать коллизий, либо минимизировать их последствия.

В сети CSMA/CD эта проблема решается на уровне управления доступом к среде путем прекращения передачи кадра сразу же после обнаружения коллизии.

При обработке коллизии компонент управления доступом к среде передающей станции выполняет две функции:

* усиливает эффект коллизии путем передачи специальной последовательности битов, называемой затором (пробкой). Цель затора - сделать коллизию настолько продолжительной, чтобы ее смогли заметить все другие передающие станции, которые вовлечены в коллизию. В ЛВС CSMA/CD затор состоит по меньшей мере из 32 бит, но не более 48 бит. Ограничение длины затора сверху необходимо для того, чтобы станции ошибочно не приняли его за действительный кадр. Любой кадр длиной менее 64 байт считается фрагментом испорченного сообщения и игнорируется принимающими станциями сети;

* после посылки затора прекращает передачу и планирует ее на более позднее время, определяемое на основе случайного выбора интервала ожидания. Прерывание передачи кадра уменьшает отрицательный эффект коллизий при передаче длинных кадров.

Системы с доступом в режиме соперничества реализуются достаточно просто и при малой загрузке обеспечивают быстрый доступ к передающей среде, а также позволяют легко подключать и отключать станции. Они обладают высокой живучестью, поскольку большинство ошибочных и неблагоприятных условий приводит либо к молчанию, либо к конфликту (а обе эти ситуации поддаются обработке), и, кроме того, нет необходимости в центральном управляющем органе сети. Их основной недостаток: при больших нагрузках время ожидания доступа к передающей среде становится большим и меняется непредсказуемо, следовательно, не гарантируется обеспечение предельно допустимого времени доставки кадров. Такие системы применяются в незагруженных локальных сетях с ' небольшим числом абонентских станций (с увеличением числа станций увеличивается вероятность возникновения конфликтных ситуаций).

Метод передачи маркера широко используется в неприоритетных и приоритетных сетях с магистральной (шинной), звездообразной и кольцевой топологией. Он относится к классу селективных методов: право на передачу данных станции получают в определенном порядке, задаваемом с помощью маркера, который представляет собой уникальную последовательность битов информации (уникальный кадр). Магистральные сети, использующие этот метод, называются сетями типа «маркерная шина», а кольцевые сети - сетями типа «маркерное кольцо».

В сетях типа «маркерная тина» рис. 4 доступ к каналу обеспечивается таким образом, как если бы канал был физическим кольцом, причем допускается использование канала некольцевого типа (шинного, звездообразного).

Протокол типа «маркерная шина»

Право пользования каналом передается организованным путем. Маркер (управляющий кадр) содержит адресное поле, где записывается адрес станции, которой предоставляется право доступа в канал. Станция, получив маркер со своим адресом, имеет исключительное право на передачу данных (кадра) по физическому каналу. После передачи кадра станция отправляет маркер другой станции, которая является очередной по установленному порядку владения правом на передачу. Каждой станции известен идентификатор следующей станции. Станции получают маркер в циклической последовательности, при этом в физической шине формируется так называемое логическое кольцо. Все станции «слушают» канал, но захватить канал для передачи данных может только та станция, которая указана в адресном поле маркера. Работая в режиме прослушивания канала, принять переданный кадр может только та станция, адрес которой указан в поле адреса получателя этого кадра.

В сетях типа «маркерная шина», помимо передачи маркера, решается проблема потери маркера из-за повреждения одного из узлов сети и реконфигурации логического кольца, когда в кольцо добавляется или из него удаляется один из узлов.

Преимущества такого метода доступа очевидны:

* не требуется физического упорядочения подключенных к шине станций, так как с помощью механизма логической конфигурации может быть обеспечен любой порядок передачи маркера станции, т.е. с помощью этого механизма осуществляется упорядочение использования канала станциями;

* имеется возможность использования в загруженных сетях;

* возможна передача кадров произвольной длины.

Протокол типа «маркерное кольцо» применяется в сетях с кольцевой топологией, которые относятся к типу сетей с последовательной конфигурацией, где широковещательный режим работы невозможен. В таких сетях сигналы распространяются через однонаправленные двухточечные пути между узлами. Узлы и однонаправленные звенья соединяются последовательно, образуя физическое кольцо (рис. 3). В отличие от сетей с шинной структурой, где узлы действуют только как передатчики или приемники и отказ узла или удаление его из сети не влияет на передачу сигнала к другим узлам, здесь при распространении сигнала все узлы играют активную роль, участвуя в ретрансляции, усилении, анализе и модификации приходящих сигналов.

Как и в случае маркерной шины, в протоколе типа «маркерное кольцо» в качестве маркера используется уникальная последовательность битов. Однако маркер не имеет адреса. Он снабжается полем занятости, в котором записывается один из кодов, обозначающих состояние маркера - свободное или занятое. Если ни один из узлов сети не имеет данных для передачи, свободный маркер циркулирует по кольцу, совершая однонаправленное (обычно против часовой стрелки) перемещение (рис. 5, а).

Протокол типа «маркерное кольцо»: а - маркер свободен; б - маркер занят.

В каждом узле маркер задерживается на время, необходимое для его приема, анализа (с целью установления занятости) и ретрансляции. В выполнении этих функций задействованы кольцевые интерфейсные устройства (КИУ).

Свободный маркер означает, что кольцевой канал свободен и любая станция, имеющая данные для передачи, может его использовать. Получив свободный маркер, станция, готовая к передаче кадра с данными, меняет состояние маркера на «занятый», передает его дальше по кольцу и добавляет к нему кадр (рис. 5, б). Занятый маркер вместе с кадром совершает полный оборот по кольцу и возвращается к станции-отправителю. По пути станция-получатель, удостоверившись по адресной части кадра, что именно ей он адресован, снимает копию с кадра. Изменить состояние маркера снова на свободное может только тот узел, который изменил его на занятое. По возвращении занятого маркера с кадром данных к станции-отправителю кадр удаляется из кольца, а состояние маркера меняется на свободное, после чего любой узел может захватить маркер и начать передачу данных. С целью предотвращения монополизации канала станция-отправитель не может повторно использовать возвращенный к ней маркер для передачи другого кадра данных. Если после передачи свободного маркера в кольцо он, совершив полный оборот, возвращается к станции-отправителю в таком же состоянии (это означает, что все другие станции сети не нуждаются в передаче данных), станция может совершить передачу другого кадра.

В кольцевой сети с передачей маркера также решается проблема потери маркера в результате ошибок при передаче или при сбоях в узле. Отсутствие передач в сети означает потерю маркера. Функции восстановления кольца в таких случаях выполняет сетевой мониторный узел.

Основные преимущества протокола типа «маркерное кольцо»:

* имеется возможность проверки ошибок при передаче данных: станция-отправитель / получив свой кадр от станции-получателя, сверяет его с исходным вариантом кадра. В случае наличия ошибки кадр передается повторно;

* канал используется полностью, его простои отсутствуют;

* протокол может быть реализован в загруженных сетях;

* имеется принципиальная возможность (ив некоторых сетях она реализована) осуществлять одновременную передачу несколькими станциями сети.

Недостатки такого протокола:

* невозможность передачи кадров произвольной длины;

* в простейшем (описанном выше) исполнении не предусматривается использование приоритетов, вследствие чего станция, имеющая для передачи важную информацию, вынуждена ждать освобождения маркера, что сопряжено с опасностью несвоевременной доставки данных адресату;

* протокол целесообразно использовать только в локальных сетях с относительно небольшим количеством узлов, так как в противном случае время на передачу данных может оказаться неприемлемо большим.

Равноранговые приоритетные системы представлены тремя подходами, реализованными в приоритетных слотовых системах (в системах с приоритетами и временным квантованием), в системах с контролем несущей без коллизий и в системах с передачей маркера с приоритетами.

Приоритетные слотовые системы подобны бесприоритетным системам, в которых осуществляется мультиплексная передача с временным разделением. Однако использование канала производится здесь на приоритетной основе. В качестве критериев для установления приоритетов применяются следующие: предшествующее владение слотом; время ответа, которое удовлетворяет станцию-отправителя; объем передаваемых данных (чем меньше объем, тем выше приоритет) и др.

Приоритетные слотовые системы могут быть реализованы без главной станции, управляющей использованием слотов. Управление обеспечивается путем загрузки параметров приоритетов в каждой станции. Кроме возможности децентрализованного обслуживания, такие системы могут применяться в загруженных сетях.

Недостатки протокола:

* данные должны передаваться строго определенной длины (в течение заданного слота они должны быть переданы);

* существует возможность простоя канала, присущая всем протоколам, которые реализуют, методы доступа, основанные на резервировании времени.

В системах с контролем несущей без коллизий в отличие от аналогичных систем с коллизиями используется специальная логика для предотвращения коллизий. Каждая станция сети, в которой реализуется такая система обслуживания запросов, имеет дополнительное устройство - таймер или арбитр. Это устройство определяет, когда станция может вести передачу без опасности коллизий. Главная станция для управления использованием канала не предусматривается.

Установка времени на таймере, по истечении которого станция может вести передачу данных, осуществляется на приоритетной основе. Для станции с наивысшим приоритетом переполнение таймера наступает раньше. Если станция с высоким приоритетом не намерена вести передачу, канал будет находиться в состоянии покоя, т.е. свободен, и тогда следующая по приоритету станция может захватить канал.

Системы с контролем несущей без коллизий могут использоваться в более загруженных и протяженных сетях. Уменьшается также время простоя канала. Все это достигается за счет усложнения оборудования системы.

Приоритетные системы с передачей маркера применяются обычно в кольцевых локальных сетях. Здесь преодолен недостаток, характерный для неприоритетных систем с передачей маркера.

Каждой станции сети определен свой уровень приоритета, причем чем выше уровень приоритета, тем меньше его номер. Назначение приоритетной схемы состоит в том, чтобы дать возможность каждой станции зарезервировать использование канала для следующей передачи по кольцу. Каждый узел анализирует перемещающийся по кольцу маркер, который содержит поле резервирования (ПР). Если собственный приоритет выше, чем значение приоритета в ПР маркера, станция увеличивает значение приоритета в ПР до своего уровня, резервируя тем самым маркер на следующий цикл. Если в данном цикле какой-то другой узел не увеличит еще больше значение уровня приоритета в ПР, то этой станции разрешается использовать маркер и канал во время следующего цикла передачи по кольцу (за время цикла маркер совершает полный оборот по кольцу).

Чтобы запросы на обслуживание со стороны станций с низким приоритетом не были потеряны, станция, захватившая маркер, должна запомнить предыдущее значение ПР в своем ЗУ. После «высвобождения» маркера, когда он завершит полный оборот по кольцу, станция восстанавливает предыдущий запрос к сети, имеющий более низкий приоритет.

Список литературы

1. Айден К., Фибельман Х., Крамер М. Аппаратные средства РС. - СПб., BHV - С. - Петербург, 1997.

2. Андриянов В.И., Соколов А.В. Средства мобильной связи. - СПб., BHV - С. - Петербург, 1998.-272 с.

3. Анин Б.Ю. Защита компьютерной информации. - Спб., БХВ, 1996.-384 с.

4. Антонюк Б.Д. Информационные системы в управлении. - М., Радио и связь, 1986.

5. Баранов В.М. Защита информации в системах и средствах информатизации и связи. / Учебное пособие - СПб., 1996. - 248 с.

6. Бертсекас Д., Галлагер Р. Сети передачи данных. - М., Мир, 1989. - 542 с.

7. Блэк Ю. Сети ЭВМ: протоколы, стандарты, интерфейсы. - М., Мир, 1990.

8. Бройдо В.Л. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации. - Спб., Питер, 2002.-688 с.

9. Вендров А.М. Проектирование программного обеспечения экономических информационных систем, - М.: Финансы и статистика, 2002.

10. Гук М. Аппаратные средства локальных сетей. СПБ., Питер, 2000.-576 с.

11. М. Гук. Аппаратные средства PC. Энциклопедия. - М. 2003.

12. Дж. Челлис, Ч. Перкинс, М. Стриб. Основы построения сетей. Учебное руководство для специалистов MCSE. - М., Лори, 1997.

13. Дженнигс Ф. Практическая передача данных: Модемы, сети и протоколы. / перевод с англ. - М., Мир, 1989.

14. Золотов С. Протоколы Internet. - Киев, BHV-Киев, 1998.

15. Крек Хант. Персональные компьютеры в сетях TCP/IP. - Киев, BHV-Киев, 1997.

16. Марк А. Спортак. Высокопроизводительные сети. Энциклопедия пользователя. - Киев, ДиаСофт, 1998.

17. Олифер В.Г., Олифер Н.А. Компьютерные сети. СПб., Питер, 2000.-672 с.

18. Олифер В.Г., Олифер Н.А. Сетевые операционные системы. - СПб., Питер, 2001.

19. Пасько В.П. Энциклопедия ПК. Аппаратура. Программы. Интернет., Киев: Издательская группа BHV; СПб., Питер, 2004. - 800 с.

20. Попов И.И., Максимов Н.В., Компьютерные сети: Учебное пособие. - М., ФОРУМ: ИНФРА-М, 2004.

21. Пятибратов А.П., Гудыно Л.Д., Кириченко А.А. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации /под ред. А.П. Пятибратова. М., Финансы и статистика, 2001.-512 с.

22. Сельская Н.С., Фокина В.Н., Беляхина Н.В., Калинин Е.И., Канаев В.И. Выпускная квалификационная работа: Методические рекомендации по выполнению и защите. - М., СГИ, 2002. - 75 с.

модуляция дискретный частота мультиплексный

Размещено на Allbest.ru

...