ПРОТОКОЛЫ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ НИЖНЕГО УРОВНЯ. Лекция 3.

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.

Методы доступа Метод доступа это способ « захвата » передающей среды, способ определения того, какая из рабочих станций сети может следующей использовать ресурсы сети. Но так же называется и набор правил ( алгоритм ), используемых сетевым оборудованием, чтобы направлять поток сообщений через сеть, и 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 : 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 ); методы, основанные на соперничестве ( методы случайного доступа, методы « состязаний » абонентов ), каждая PC пытается « захватить » передающую среду. Могут использоваться несколько способов : 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 ». 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. кольцевые методы предназначены специально для ЛВС с кольцевой топологией ( хотя большинство указанных методов могут использоваться в таких сетях ). К ним относятся два метода вставка регистров и сегментированная передача ( метод временных сегментов ).

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. Рассмотрим более подробно ППД в соответствии с их классификационной структурой, приведенной на рисунке :

Классификация ППД нижнего уровня 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 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.

В сетях с многоточечными линиями применяется также опрос по принципу « готов вперед ». В каждой многоточечной линии опрос начинается с самого удаленного вторичного 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.

Рассмотрим пример по оценке времени на удовлетворение запроса абонента в сети с опросом Пример Оценить Т р,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 = 2 с 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 к 1 = 4096 бит длина кадра - запроса на обслуживание ( для всех абонентов принимается одинаковой ); Т с время обработки запроса в ЦОИ ( принимается одинаковым для всех абонентов ); Е к 2 = 8192 бита длина кадра, передаваемого от ЦОИ к абоненту и содержащего результаты обработки запроса в ЦОИ ( принимается одинаковой для всех абонентов ).

В соответствии с условиями этого примера максимальное 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 формуле

Непрерывный автоматический запрос на повторение передачи данных в дуплексных системах ( точнее, в системах передачи данных с решающей обратной связью ), которые допускают передачу данных 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.

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.

Пример Оценить Т р, мах при тех же исходных данных, что и в при ­ мере 12.1, 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 р, min = Т опр + Е k1 +/ V им + Т оз + Е к 2 /V им Т р, min = / /9600=4,28 с. Максимальное время реакции на запрос будет для абонента, запрос которого оказался последним в очереди. Следовательно, Т р max = Т опр + Т о r,max + Е к 1 / V им + Т оз + Е к 2 /V им = Т р, мин + Т or, max где T or, max максимальное время пребывания запроса на обслуживание в очереди, причем T or, max =(M-1) ( Т р, min - Т опр ); T or, max =(20 -1) (4,28-2) = 43,32 с. Тогда Т р max = 4,28+ 43,32 = 47,6 с.

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 2 раза меньше, чем в сетях с опросом, а максимально допустимое число активных абонентов при ограничении времени реакции на запрос почти в 2 раза больше.

Протокол типа « запрос передачи / разрешение передачи » применяется довольно широко в полудуплексных каналах связи ЛВС, так как взаимосвязан с распространенным коротко дистанционным физическим интерфейсом RS-232-C. Протокол типа « разрешить / запретить передачу » часто используется периферийными устройствами ( печатающими устройствами, графопостроителями ) для управления входящим в них трафиком. Главный орган ( обычно ЭВМ ) посылает данные в удаленный периферийный узел, скорость работы которого существенно меньше скорости работы ЭВМ и скорости передачи данных каналом. 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.

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. 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 множественного доступа с прослушиванием несущей и разрешением коллизий, CSMA/CD Са n е r Sense Maltiple Access with Collision Detection) 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. Поскольку сеть CSMA/CD является равноранговой, в результате соперничества за канал могут возникнуть коллизии : станция В может передать свой кадр, не зная, что станция А уже захватила канал, по ­ скольку 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 ).

При обработке коллизии компонент управления доступом к среде передающей станции выполняет две функции : усиливает эффект коллизии путем передачи специальной последовательности битов, называемой затором. 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. 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.

Протокол типа « Маркерная Шина » 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 бит информации ( уникальный кадр ). В сетях типа « маркерная шина » 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 » 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. 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 ).

Протокол типа « Маркерная Шина » 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 » 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 двух ­ точечные пути между узлами. Узлы и однонаправленные звенья соединяются последовательно, образуя физическое кольцо а маркер свободен ; б маркер занят ; М - маркер ; К - кадр ; КИУ кольцевое интерфейсное устройство

Протокол типа « Маркерное Кольцо » 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. 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 ). 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 ( и в 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.

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 установле ­ ния приоритетов применяются следующие : предшествующее владе ­ ние слотом ; время ответа, которое удовлетворяет станцию - отправи ­ теля ; объем передаваемых данных ( чем меньше объем, тем выше при ­ оритет ) и др. 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 появления коллизий. Главная станция для управления использованием канала не предусматривается. 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 пере дачи 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.

Вопросы : Дайте определения : - протоколами передачи данных ( ППД ) - Метод доступа - Протокол в общем виде - Протокол типа « запрос передачи / разрешение передачи » - Протокол типа « разрешить / запретить передачу » - Множественный доступ с временным разделением Преимущества / недостатки : - Протокол типа Маркерное кольцо - Протокол типа Маркерная шина