Имя материала: Информационные системы и технологии в экономике

Автор: Т.П. Барановская

6.7. протоколы канального уровня

В последнее время международным стандартом становится протокол ВУК (высокоуровневое управление каналом передачи данных, английская аббревиатура HDLC) [36]. Стандартный формат кадра ВУК представлен на рис.

Рис. 6.16. Формат кадра HDLC (ВУК)

 

В начале и в конце кадра для установления и поддержания синхронизации применяется восьмиразрядная последовательность 01111110, называемая флагом или меткой. Поскольку в начале и в конце кадра устанавливаются флаги, определить структуру информационного поля нет необходимости: пакет, поступающий с вышестоящего сетевого уровня, может занимать любое желаемое число разрядов. Проверочное поле занимает 16 разрядов, поля адреса, контроля и управления — по 8 разрядов.

Протокол канального уровня реализует следующие функции:

соединения между концами каналов;

организации передачи данных по каналу;

разъединения каналов.

Следуя концепции многоуровневой архитектуры, ISO стандартизировала применение на каждом уровне архитектуры четырех основных примитивов услуг, чтобы взаимодействие между пользователями услуг на одном уровне и поставщиками услуг на нижестоящем уровне. Эти примитивы — к ним относятся запрос (request), признак (indication), ответ (response), подтверждение (confirm) — являются основными элементами определения обмена между пользователями услуг.

При работе примитивов два соседних уровня взаимодействуют между собой. Нижние являются поставщиками услуг, верхние — потребителями.

 

СХЕМА ОРГАНИЗАЦИИ ФАЗ КОММУНИКАЦИЙ

 

В качестве конкретного применения указанных выше примитивов рассмотрим уровень канала передачи данных. Его задачей является предоставление обслуживания сетевому уровню. Услуги делятся на три фазы: установление соединения, передачу данных и разъединение (рис. 6.17).

Предполагается, что рассматриваемый канал передачи данных в данный момент не используется в сети для передачи. Поэтому перед началом передачи должно быть установлено логическое соединение. Для этого система А выпускает примитив "СОЕДИНЕНИЕ. Запрос" в свой уровень канала передачи являющийся поставщиком услуги. После приема и соответствующей обработки этого примитива в систему В передается блок установки асинхронного балансного режима (УАБР), который приводит в действие объект уровня канала, и выдается примитив "СОЕДИНЕНИЕ. Признак". В знак согласия на запрос об установлении связи объект уровня сети отвечает примитивом ДИНЕНИЕ. Ответ". Это вызывает посылку со стороны протокола канала системы В объекту уровня канала системы А блока ненумерованного подтверждения (НП). В системе А выдается примитив "СОЕДИНЕНИЕ. Подтверждение", указывающий на завершение процесса установления соединения. Теперь на обоих концах сетевой уровень может начать передачу данных. Она будет происходить аналогично рассмотренной процедуре.

ВИДЫ ПРОТОКОЛОВ

 

Различают три вида протоколов канального уровня [36]: с остановками и ожиданием, с N-возвращениями (с непрерывной передачей), с выборочной или селективной передачей.

Протокол с остановками и ожиданием. При этой процедуре одновременно может передаваться только один кадр, после чего передающая сторона ждет подтверждения. Если поступит отрицательное подтверждение или произойдет просрочка времени ожидания ответа, кадр передается повторно. Пакет сбрасывается из накопителя передающей стороны лишь после получения положительного подтверждения. Этот протокол подходит для полудуплексной передачи, при которой передача сторон чередуется.

Протокол сії-возвращеииями (с непрерывной передачей). Здесь кадры передаются непрерывно без ожидания подтверждения. При получении отрицательного подтверждения или истечении установленного времени ожидания неподтвержденный кадр и все последующие кадры передаются вновь. Этот протокол более производительный и предполагает использование дуплексной связи.

Протокол с выборочной или селективной передачей. В этом случае повторная передача требуется только для кадра, о котором поступило отрицательное подтверждение или для которого истекло установленное время ожидания. Однако на приемном конце требуется накопитель с перестроениями, так как в этом случае кадры могут повторно передаваться и приниматься не по порядку. Из-за увеличения стоимости реализации протокол выборочного повторения не нашел коммерческой реализации.

 

МЕТОДЫ СЛУЧАЙНОГО ДОСТУПА К СЕТИ

 

Двумя основными способами доступа к общей среде передачи являются управляемый доступ с применением опроса и случайный доступ. В свою очередь, существуют различные типы стратегий случайного доступа.

Методы случайного доступа полностью децентрализованы. Пользователь может передавать сообщения когда угодно, лишь с незначительными ограничениями, зависящими от метода доступа.

Из-за случайности моментов времени, в которые пользова-

тели могут решить начать            независимо от метода не

исключена возможность что два или несколько пользова-

телей могут выйти на связь в пересекающиеся промежутки вре-

мени. Это приводит к столкновениям (коллизиям), которые сна-

чала должны быть распознаны, а затем разрешены. При увели-

чении нагрузки увеличивается и вероятность что

приводит к возможной неустойчивости работы рассматривае-

мых механизмов.

В результате производительность ограничивается некоторым максимальным значением, меньшим пропускной способности канала, и это значение в каждом случае зависит от первоначального механизма доступа и алгоритма разрешения коллизий.

Сначала методы случайного доступа были предложены для случаев, когда большое число пользователей пытались довольно редко передавать пачки сообщений или когда друг с другом связывалось небольшое число ЭВМ. Но применительно к производственным процессам, которые требуют строгого управления задержкой доступа, более предпочтителен управляемый доступ. Рассмотрим два простейших типа стратегии случайного доступа: чистую Алоху и синхронную Алоху [36].

Чистая Алоха. Эта схема сначала была применена для доступа к общему каналу сотрудниками Гавайского университета в начале 1970-х гг. По этой схеме пользователь, желающий передать сообщение, делает это когда угодно. В результате два или несколько сообщений могли наложиться во времени, вызвав столкновение (коллизию).

Распознавание коллизий и сообщение о них пострадавшим пользователям в первоначальной системе Алоха направлялись по радио на центральный пункт. Это могло осуществляться также путем применения положительных подтверждений в сочетании с перерывом. При обнаружении столкновения пострадавшие станции предпринимают попытки повторной передачи потерянного сообщения, но они должны распределять время попыток случайным образом, следуя некоторому алгоритму уменьшения вероятности нового конфликта.

Стратегия доступа типа чистой Алохи позволяет добиться

производительности самое большее 1/2е      пропускной спо-

собности канала. Рассмотрим пример, вводя одновременно некоторые определения. За доступ к каналу состязаются N станций. Станция передает в среднем X пакетов в секунду (интенсивность обращений к сети). Величина Mm представляет собой пропускную способность канала в передаваемых пакетах в секунду. В случае, если передаваемые сообщения (пакеты) имеют среднюю длину т, соответствующую т единицам времени передачи, будем считать, что интенсивность нагрузки S (эквивалентна р-норми-рованной по нагрузке) характеризует использование канала вновь поступающими пакетами:

 

S = р = Nhn.

Величина которая обозначается представляет собой

пропускную способность канала, измеряемую в передаваемых

пакетах в секунду. Таким образом,        =        — относительное

использование канала, или производительность, нормированная

относительно Ц -—■ Общая интенсивность пакетов, передавае-т

мых в канал, включая вновь генерируемые и передаваемые повторно, имеет некоторое значение X' > X. Тогда фактическая интенсивность нагрузки, или использование канала, является параметром G, который равен: G = NX'т.

Рассмотрим типичное сообщение длительностью т (рис. 6.18). Оно подвергается столкновению с другим сообщением, если эти два сообщения будут наложены одно на другое в любой точке. Легко заметить, "передвигая" пунктирное сообщение во времени, что столкновение может произойти в промежутке продолжительностью 2т с. Вероятность того, что в промежутке 2т с не

-2N ... -2G

произойдет столкновения, равна:       '" =

 

 

І

 

; т

1 1

V

 

 

1

1

Время

і—:      >

Рис. 6.18. Диаграмма столкновения двух сообщений

 

Отношение S/G представляет долю сообщений из числа передаваемых в канал, которые проходят успешно. Это число должно быть равно вероятности отсутствия столкновений. Таким образом, уравнение производительности для чистой Алохи имеет вид:

 

S = Ce2(:. (6.1)

где S — нормированная производительность (средняя скорость поступления пакетов, деленная на максимальную производительность Mm);

G — нормированная пропущенная нагрузка. Таким образом, S — независимая переменная, a G — ее функция.

График зависимости G от S имеет вид двузначной кривой (рис. 6.19).

Отметим, что Зимеет максимум: S - 0,5е-1 - 0,18 при G = 0,5. Судя по формуле (6.1) или кривой при малой поступающей нагрузке S, столкновения происходят редко, и G ~ S. Когда S начи-

 

1,5-

 

0,5-

П         "l          1          1          k.

u        oT0І2      0,3 g

Рис. 6.19. Кривая производительности при чистой Алохе

 

нает расти, приближаясь к максимальному значению число столкновений быстро увеличивается, что ведет, в свою очередь, к росту вероятности столкновения. Система теряет устойчивость, S падает, a G увеличивается до больших значений.

Синхронная Алоха. Максимально возможная производительность схемы чистой Алохи может быть удвоена с помощью простого приема разметки шкалы времени и разрешения пользователям начинать попытки передачи сообщений только в начале каждого временного интервала т (равного длительности сообщения). Эта схема требует, чтобы работа всех пользователей системы была синхронизирована во времени. Пример работы такой системы показан на рис. 6.20, на котором одно сообщение передано успешно, а с другим произошло столкновение.

Канальные интервалы

Рис. 6.20. Диаграмма передачи сообщений при синхронной Алохе

Поскольку сообщения могут быть переданы только в размеченные промежутки времени, столкновения происходят, лишь когда одна или несколько попыток передачи совершаются в том же промежутке.

 

Вероятность успешной передачи задается в виде е" , а уравнение производительности для синхронной Алохи имеет вид:

S = GtG.

Нормированная производительность S достигает максимального значения: 1/е - 0,368 при G - |, Зависимость пропущенной нагрузки от производительности для синхронной Алохи показана на рис. 6.21, где она сравнивается с соответствующей зависимостью для чистой Алохи.

Из приведенной характеристики видно, что ввиду двух возможных значений G при заданной производительности S для этой системы доступа также характерна неустойчивость.

Случайный доступ типа МДПН/ОС (CSMA/CD). Протокол многостанционного доступа с проверкой несущей и обнаружением столкновений (МДПН/ОС, CSMA/CD — Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) основан на методе чистой Алохи и позволяет улучшить ее характеристики. Метод МДПН/ОС входит в протокол сети Ethernet и принят как один из стандартных в локальных сетях. Реализация локальных сетей по образцу сети Ethernet распространена весьма широко.

Основная концепция протокола МДПН/ОС очень проста. Все станции прослушивают передачу по линии. Станция, желающая передать сообщение, выходит на связь только после обнаружения свободного состояния канала. Очевидно, что столкновения все же могут возникнуть, поскольку станции физически разнесены одна от другой и две или несколько станций могут обнаружить свободное состояние канала и начать передачу, что и вызовет столкновение. Если станции обнаруживают столкновение, они передают всем остальным станциям специальный сигнал о помехе и отменяют свои передачи. Возможность проверки несущей позволяет увеличить производительность канала по сравнению с чистой Алохой, а обнаружение столкновения с прекращением передачи вместо его завершения дает еще большее повышение производительности.

Предложенные методы МДПН различаются тем, как происходит управление передачей, если канал оказывается занятым. Например, в схеме с настойчивостью р станция, обнаружившая занятый канал, осуществляет передачу после того, как канал станет свободным, с вероятностью р. С вероятностью передача откладывается на промежуток времени х распространения сигнала. При схеме с настойчивостью 1 станция осуществляет попытку передачи, как только канал окажется свободным. При ненастойчивой схеме станция переносит передачу на другое время в соответствии с предписанным распределением задержек передачи, проверяет несущую в это время и продолжает процесс.

Эти схемы применимы прежде всего в локальных сетях или в более крупных сетях, работающих со сравнительно небольшими скоростями передачи.

Протокол МДПН/ОС, работающий по правилу 1 настойчивости с добавлением возможности обнаружения столкновений, принят в качестве протокола в схеме Ethernet. Если обнаруживается столкновение и передача прекращается, попытка повторной передачи предпринимается через случайный промежуток времени, как и в схемах Алоха. Этот случайный промежуток времени удваивается каждый раз после обнаружения нового столкновения до некоторой максимальной величины, при которой станция выходит из строя и извещает вышестоящие уровни о нарушении связи. Это удвоение промежутка, называемое процедурой двоичного замедления, может улучшить характеристику системы.

Манчестерский код. Кроме проверки двух сигналов — обнаружения столкновения и проверки несущей — блоки доступа к каналу передают символы в коаксиальный кабель и принимают их из кабеля. Блок кодирования передаваемых данных физичес-

 

8-1909

кого уровня кодирует символы в двоичные сигналы с помощью манчестерского кода (рис. 6.22).

При этой схеме половина символьного интервала применяется для передачи логического дополнения к разряду данного интервала, в течение второй половины передается исходное значение этого разряда. Таким образом, единицы передаются положительным переходом сигнала, а нули — отрицательным переходом. Функции кодирования-декодирования манчестерского кода выполняются передающим блоком кодирования и приемным блоком декодирования физического уровня. Эти блоки также генерируют и удаляют 64-разрядные серии, называемые преамбулами, которые предшествуют фактически передаваемому кадру и применяются для синхронизации.

Процедура   определенная стандартом для коль-

ца с передачей метки, предусматривает применение дифференциального манчестерского кода (рис. 6.23).

В дифференциальном манчестерском коде для переноса двоичной информации применяются две полярности и переходы происходят в середине двоичного интервала. Однако для разряда 1 первая половина двоичного интервала несет ту же полярность, что и вторая половина предыдущего интервала. Для разряда О переход происходит как в начале, так и в середине двоичного интервала. При этой процедуре возникают две возможности в зависимости от полярности в конце интервала, предшествующего первому интервалу (см. рис. 6.23).

 

СПЕЦИФИКАЦИИ ETHERNET

 

Ethernet — самая популярная в настоящее время сетевая архитектура. Она использует узкополосную передачу со скоростью 10 Мбит/с, топологию шина, а для регулирования трафика в основном сегменте кабеля — метод CSMA/CD ( МДПН/ОС ) [40].

Среда (кабель) Ethernet является пассивной, т.е. получает питание от компьютера. Следовательно, она прекращает работу из-за физического повреждения или неправильного подключения терминатора.

Характеристика сети Ethernet:

традиционная топология — линейная шина;

другие топологии — звезда — шина;

тип передачи — узкополосная;

метод доступа — CSMA/CD;

скорость передачи данных — 10 и 100 Мбит/с;

кабельная система — тонкий и толстый коаксиальный, UTP (Unshielded Twisted-Pair — неэкранированная витая пара).

Ethernet разбивает данные на пакеты (кадры), формат которых отличается от формата пакетов, используемого в других сетях. Кадры представляют собой блоки информации, передаваемые как единое целое. Кадр Ethernet может иметь длину от 64 до 1518 байт, но сама структура кадра Ethernet использует по крайней мере 18 байт, поэтому размер блока данных в Ethernet — от 46 до 1500 байт. Каждый кадр содержит управляющую информацию и имеет общую с другими кадрами организацию.

Например, передаваемый по сети кадр Ethernet II (рис. 6.24) используется для протокола управления передачей межсетевого протокола TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internetwork Protocol). Кадр состоит из полей, которые перечислены ниже.

Поле кадра

Преамбула

Местоназначение и источник Тип

 

Циклический избыточный

код (CRC)

Данные

Назначение

Отмечает начало кадра Указывает адрес источника и адрес приемника Используется для идентификации протокола сетевого уровня Поле информации для проверки ошибок Содержит передаваемую в кадре информацию

 

Преамбула Источник    Данные CRC

Приемник Тип

Приемник Тип

ю

 

Рис. 6.24. Кадр данных Ethernet II

Сети Ethernet используют различные варианты кабелей и топологий. Далее будут представлены варианты, основанные на спецификации IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers).

Ниже рассмотрены четыре топологии Ethernet со скоростью передачи данных 10 Мбит/с: lOBaseT, 10Base2, 10Base5, lOBaseFL.

WBaseT. В 1990 г. IEEE опубликовал спецификацию 802.3 для построения сети Ethernet на основе витой пары. lOBaseT (10 — скорость передачи, измеряемая мегабитами в секунду, Base — узкополосная, Г — витая пара) — сеть Ethernet, которая для соединения компьютеров обычно использует неэкранированную витую пару (UTP). Тем не менее и экранированная витая пара (STP) также может применяться в топологии lOBaseT без изменения ее параметров.

Большинство сетей этого типа строится в виде звезды, но по системе передачи сигналов представляют собой шину, как и другие конфигурации Ethernet. Обычно концентратор сети lOBaseT выступает как многопортовый репитер и часто располагается в распределительной стойке здания. Каждый компьютер подключается к другому концу кабеля, соединенного с активным концентратором (рис. 6.25), и использует две пары проводов: одну — для приема, другую — для передачи.

Максимальная длина сегмента lOBaseT — 100 м (см. рис. 6.25). Минимальная длина кабеля — 2,5 м. Сеть lOBaseT может обслуживать до компьютеров.

На рте. 6.26 показано, как сеть lOBaseT реализует преимущества топологии звезда. Кабель UTP обеспечивает скорость передачи данных 10 Мбит/с. Изменение конфигурации производится

на коммутационных панелях — простым переключением шнура из одного гнезда в другое. Эти изменения не затрагивают другие сетевые устройства.

10Base2. В соответствии со спецификацией IEEE 802.3 эта топология называется 10Base2 (2 — передача на расстояние, при-

мерно в два раза превышающее 100 м).

Сеть такого типа ориентирована на тонкий коаксиальный ка-

бель, или "тонкий Ethernet", с максимальной длиной сегмента

185 м. Минимальная длина кабеля 0,5 м. Кроме того, существует

ограничение на максимальное количество компьютеров, которое

может быть размещено на           сегменте кабеля, — 30 шт.

Компоненты кабеля "тонкий Ethernet": баррел-коннекторы, Т-коннекторы и терминаторы.

Сети на тонком Ethernet обычно имеют топологию "шина". Стандарты IEEE для "тонкого Ethernet" не предусматривают использования кабеля трансивера между Т-коннектором и компьютером. Вместо этого Т-коннектор располагают непосредственно на плате сетевого адаптера.

Баррел-коннектор, соединяя сегменты кабеля, позволяет увеличить его общую длину. Например, вам нужен кабель длиной 30 м, а у вас есть сегменты тонкого кабеля по 20 и 5 м. Соедините двумя баррел-коннекторами эти сегменты, чтобы получить кабель нужной длины. Однако использование баррел-коннекторов желательно свести к минимуму, поскольку они ухудшают качество сигнала.

Сеть на "тонком Ethernet" — экономичный способ реализации сетей для небольших отделений и рабочих групп. Используемый в такого типа сетях кабель относительно недорогой, прост в установке и легко конфигурируется.

По спецификации IEEE 802.3 сеть на "тонком Ethernet" может поддерживать до 30 узлов (компьютеров и репитеров) на один кабельный сегмент. Но при этом необходимо соблюдать правило Поясним его суть. Сеть на "тонком Ethernet" может состоять максимум из 5 сегментов кабеля, соединенных 4 репитерами, но только к 3 сегментам могут быть подключены рабочие станции. Таким образом, два сегмента остаются зарезервированными для репитеров, их называют межрепитерными связями. Такая конфигурация известна как правило

На рис. 6.27 имеется 5 магистральных сегментов и 4 репитера. К магистральным сегментам 1, 2, 5 подключены компьютеры. Магистральные сегменты 3 и 4 предназначены только для увеличения общей длины сети.

Поскольку для сетей на "тонком Ethernet" ограничения слишком жесткие, большие предприятия, чтобы соединить сегменты и увеличить общую длину сети до 925 м, используют репитеры.

WBase 5. Так называется эта технология в соответствии со спецификацией IEEE. Известно и другое ее название — стандартный Ethernet.

Сети на толстом коаксиальном кабеле ("толстый Ethernet") обычно используют топологию шина. "Толстый Ethernet" может поддерживать до 100 узлов на магистральный сегмент. Магистраль — главный кабель, к которому присоединяются трансиверы с подключенными к ним рабочими станциями и репитерами (рис. 6.28). Сегмент "толстого Ethernet" может иметь длину 500 м при общей длине сети 2500 м.

Расстояния и допуски для "толстого Ethernet" больше, чем для "тонкого Ethernet".

Трансивер

Трансивер

Рис. 6.28. "Толстый Ethernet" с подключенным трансивером

Компоненты кабельной системы:

трансиверы. Они обеспечивают связь между компьютером и главным кабелем ЛВС, совмещены с "зубом вампира", соединенным с кабелем;

кабели трансиверов (ответвляющиеся кабели). Они соединяют трансивер с платой сетевого адаптера;

DIX-коннектор илиАШ-коннектор. Расположен на кабеле трансивера;

коннекторы N-серии (в том числе баррел-коннекторы) и терминаторы N-серии.

Компоненты "толстого Ethernet" работают так же, как компоненты "тонкого Ethernet".

Суть правила 5—4—3для "толстого Ethernet"(рис. 6.29) состоит в следующем. Сеть на "толстом Ethernet" может состоять максимум из пяти магистральных сегментов, соединенных четырьмя репитерами, но только к трем сегментам могут быть подключены компьютеры. При вычислении общей длины кабеля "толстый Ethernet" длина кабеля трансивера не учитывается, т.е. в расчет принимают только длину сегмента кабеля "толстый Ethernet".

Минимальное расстояние между соседними подключениями 2,5 м. В это расстояние не входит длина кабеля трансивера. "Толстый Ethernet" был разработан для построения ЛВС в рамках большого отдела или всего здания.

Обычно в крупных сетях используют "толстый" и "тонкий Ethernet". "Толстый Ethernet" хорошо подходит в качестве магистрали, а для ответвляющихся сегментов применяют "тонкий Ethernet". Трансивер соединяется с кабелем "толстый Ethernet", кабеля трансивера включается в репитер. Ответвляющиеся сегменты "тонкого Ethernet" соединяются с репитером, а к ним уже подключаются компьютеры.

lOBaseFL. Эта топология представляет собой сеть Ethernet, в которой компьютеры и репитеры соединены оптоволоконным кабелем.

, Основная причина популярности lOBaseFL — возможность прокладывать кабель между репитерами на большие расстояния (например, между зданиями). Максимальная длина сегмента lOBaseFL составляет 2 000 м.

Стандарты IEEE на 100 Мбит/с. Новые стандарты Ethernet позволяют преодолеть скорость передачи в 10 Мбит/с. Эти новые возможности разрабатываются для таких приложений, порождающих интенсивный трафик, как: CAD (Computer-Aided Design) — системы автоматизированного проектирования, САМ (Computer-Aided Manufacturing) — системы автоматизированного производства, видео-, отображения и хранения документов.

Известны два стандарта Ethernet, которые могут удовлетворить возросшие требования:

100BaseVG-AnyLAN Ethernet;

lOOBaseX Ethernet (Fast Ethernet).

И Fast Ethernet, и   Ethernet работают при-

мерно в 5—10 раз быстрее, чем стандартный Ethernet. Кроме того, они совместимы с существующей кабельной системой lOBaseT. Следовательно, переход от нее к этим стандартам осуществляется достаточно просто и быстро.

 

Страница: | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | 19 | 20 | 21 | 22 | 23 | 24 | 25 | 26 | 27 | 28 | 29 | 30 | 31 | 32 | 33 | 34 | 35 | 36 | 37 | 38 | 39 | 40 | 41 | 42 | 43 | 44 | 45 | 46 | 47 | 48 | 49 | 50 | 51 | 52 | 53 | 54 | 55 | 56 | 57 | 58 |