Задания для студентов

1.      Внимательно изучите представленный теоретический материал

2.      Составьте конспект, используя представленный материал, по следующему плану:

2.1    Определение методов доступа и характеристика групп методов

2.2    Характеристика метода коллективного доступа с опознаванием несущей и обнаружением коллизий (привести алгоритм)

2.3    Характеристика метода с передачей маркера (привести алгоритм)

2.4    Характеристика методов множественного доступ с разделением во времени и  с разделением частоты

2.5    Адресация узлов сети 

 Отчет о работе: На электронную почту преподавателя [email protected] прислать 09.11.2021г. до 16.00 сравнительную характеристику групп методов доступа?

Методы доступа к среде передачи данных

К физической среде ЛС подключается множество компьютеров, поэтому на канальном и физическом уровнях возникает проблема организации доступа к ней. Такой доступ называется множественным. 

При использовании одной линии передачи (связи) несколькими абонентами (источниками сообщений) возникает проблема раздельного подключения (доступа) к ней. Для решения этой проблемы разработано большое количество различных методов, определяющих строгие правила доступа к разделяемой среде передачи данных. 

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.  Можно выделить следующие группы методов:

•              селективные методы, при которых передача начинается после получения соответствующего разрешения:

–          метод циклического опроса, когда центральное устройство по очереди

направляет разрешение каждой станции (компьютеру),

–          метод с передачей маркера (или токена), когда разрешение передается от станции к станции. Различают централизованный и децентрализованный маркерный метод;

•              методы, основанные на принципе соперничества, когда каждая станция перед началом передачи пытается получить доступ к линии связи. Ситуация одновременного обращения к одному каналу передачи называется коллизией (Collision – столкновение). Для ее разрешения должна соблюдаться определенная дисциплина. Эту группу составляют методы состязаний:

– с прослушиванием линии связи до передачи, – прослушиванием до передачи и во время передачи, – прогнозированием столкновений, – обучающим прогнозированием столкновений и др.;

  методы с резервированием времени, когда любая станция осуществляет передачу только в течение тех интервалов времени, которые заранее выделены (зарезервированы) для нее. Резервирование производится в начале соединения, а также в любой нужный пользователю момент.

С точки зрения причинной обусловленности различают методы:

•                    со случайным доступом, основанные на соперничестве. Они строятся с учетом возможности возникновения конфликтов и определяют способы их разрешения. Методы устойчивы к отказам сетевого оборудования, однако не гарантируют быстрого доступа;

•                    с детерминированным доступом, к которым относятся селективные и кольцевые. Эти методы определяют четкий порядок предоставления доступа абонентам сети и практически полностью исключают конфликты.

По используемому принципу управления методы доступа к среде передачи разделяются:

•                    на централизованные, когда все управление доступом сосредоточено в одном узле сети. Центральный узел всегда имеет возможность предоставить право на передачу только одному абоненту, поэтому отсутствие конфликтов является достоинством этих методов. Однако при централизованном управлении невозможно оперативно реагировать на все события в сети, следовательно возможны частые отказы в доступе;

•                    децентрализованные (распределенные), когда центр управления отсутствует и управление доступом полностью предоставлено абонентам сети, т.е. каждый узел самостоятельно обнаруживает и предотвращает все возможные конфликты. Достоинства этих методов – высокая устойчивость к отказам и большая гибкость.

В качестве примера рассмотрим распространенный метод коллективного доступа с опознаванием несущей и обнаружением коллизий (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection – CSMA/CD).

Метод CSMA/CD основан на принципе соперничества и находит применение в сетях Ethernet.

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.

Алгоритм множественного доступа с прослушиванием несущей и разрешением коллизий приведен на рис. 3.5.

Все сетевые интерфейсные платы запрограммированы на разные псевдослучайные промежутки времени. Если конфликт возникнет во время повторной передачи сообщения, этот промежуток времени будет увеличен.

Организация доступа к среде и передачи сообщений. Прежде чем начать передачу, сетевой адаптер прослушивает линию связи, чтобы выявить, свободна она в данный момент времени или нет. Если среда свободна, то сетевой адаптер начинает передачу кадра, представляющего собой единицу данных, пересылаемых в сети Ethernet от одной станции к другой. Признаком незанятости среды является отсутствие в ней сигналов.

Если в среде передачи обнаруживается сигнал, то передача на некоторое время откладывается. Затем предпринимается повторная попытка получить доступ к среде передачи (путем прослушивания).

Если среда свободна, то станция инициирует передачу кадра. Кадр данных всегда сопровождается преамбулой из семи одинаковых байт 10101010 и 8-го байта 10101011. Преамбула служит для вхождения приемника в синхронизацию с передатчиком. Две последние единицы в восьмом байте свидетельствуют о том, что преамбула закончилась и следующий бит является началом кадра. В первых шести байтах кадра содержатся адреса передающей станции и станции назначения. Все подключенные к линии станции записывают байты передаваемого кадра в свои внутренние буферы. Станция назначения обнаруживает собственный адрес и продолжает записывать содержимое кадра в свой внутренний буфер, после чего приступает к обработке данных. Остальные станции прекращают прием кадра.

После окончания передачи кадра все станции сети обязаны выдержать технологическую паузу, необходимую для приведения сетевых адаптеров в исходное состояние, а также для предотвращения монопольного захвата среды одной станцией. Длительность паузы, или межпакетного интервала (Inter Packet Gap – IPG), равна 9,6 мкс. После ее окончания станции могут инициировать передачу своего кадра, поскольку линия связи свободна.

Возникновение, обнаружение и обработка коллизий. Механизм прослушивания линии связи и наличие межпакетного интервала между кадрами не исключают коллизии, для возникновения которой не обязательно, чтобы несколько станций начали передачу абсолютно одновременно. В реальных условиях инициирование передачи двумя и более станциями после проверки занятости линии связи происходит неодновременно, пусть с очень коротким, но конечным интервалом времени, поэтому в нее может поступать несколько сигналов.

Для обнаружения коллизии все станции, инициирующие передачу, контролируют линию связи. Каждая станция сравнивает передаваемый и наблюдаемый сигналы, и если они различаются, то фиксируется факт обнаружения коллизии (Collision Detection – CD). Станция, обнаружившая коллизию, сразу прерывает передачу своего кадра и посылает в сеть специальную последовательность из 32 бит, называемую jamпоследовательностью. Такая мера повышает эффективность обнаружения коллизии всеми станциями сети.

После обнаружения коллизии передающая станция должна прекратить передачу в течение короткого интервала времени, т.е. сделать случайную паузу. Затем она может попытаться снова инициировать передачу кадра. Случайная пауза в сети Ethernet может принимать значения от 0 до 52,4 мс. После 16 последовательных попыток, приводящих к коллизии, передатчик должен их прекратить и отбросить этот кадр. Описанная процедура обработки коллизии носит название усеченного экспоненциального двоичного алгоритма отсрочки.

TPMA (Token Passing Multiple Access)

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.

Алгоритм множественного доступа с передачей полномочия, или маркера, приведен на рис. 3.6.

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.

Рис. 3.6. Алгоритм TPMA

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 (Time Division Multiple Access)

Множественный доступ с разделением во времени основан на распределении времени работы канала между системами (рис. 3.7).

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. 3.7. 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(Frequency Division Multiple Access) -  множественный доступ с разделением частоты

Доступ FDMA основан на разделении полосы пропускания канала на группу полос частот (рис. 3.8), 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. 3.8. 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.

Адресация узлов сети

Одной из важнейших проблем при передаче сообщений является адресация узлов сети, или сетевых интерфейсов. Узлом сети называют оконечное (или промежуточное) устройство, наделенное одним или несколькими адресами, а сетевым интерфейсом – точку сопряжения устройства с сетью.

Множество различных адресов можно классифицировать по следующим признакам.

По числу адресуемых узлов (интерфейсов) различают:

•              • уникальные адреса, используемые для обращения к отдельным узлам сети;

•              • адреса произвольной рассылки, представляющие собой группу адресов, которые позволяют обратиться к любому из узлов этой группы;

•              • групповые адреса, обеспечивающие одновременный доступ ко всем узлам выделенной группы;

•              • широковещательные адреса, предназначенные для обращения ко всем узлам сети.

По способу описания адреса разделяются на две группы:

•              • числовые адреса, представленные в виде JV-разрядного числа в двоичной или другой системе счисления, например, 129.26.255.255 или 81.1A.FFFF;

•              • символьные адреса, для описания которых используются буквы латинского алфавита. Такой адрес обычно несет смысловую нагрузку и легко запоминается.

В процессе пересылки сообщения, как правило, используются различные способы адресации. Например, для пользователей удобно адресовать узлы

(компьютеры) иерархическими символьными именами. Для ускорения передачи сообщения из одной сети в другую такие имена автоматически заменяются числовыми адресами. После доставки сообщения в сеть назначения вместо иерархического числового адреса используется линейный аппаратный адрес компьютера.

Преобразование адресов из одного вида в другой осуществляется согласно специальным вспомогательным протоколам, которые называются протоколами разрешения адресов.