Методы управления обменом

Сеть объединяет несколько абонентов, каждый из которых имеет право передавать свои сообщения, разделенные на пакеты. Но по одному кабелю не может одновременно передаваться даже два пакета, произойдет коллизия, которая приведет к потере обоих пакетов. Для устранения коллизий в любой сети применяется метод управления обменом (метод доступа, метод арбитража), разрешающий или предотвращающий конфликты между абонентами. От выбранного метода зависит скорость обмена информацией и нагрузочная способность сети.

Методы управления обменом делятся на две группы.

· Централизованные методы, при которых все управление сосредоточенно в одном месте. Недостатки: неустойчивость к отказам центра, малая гибкость управления. Достоинство - отсутствие конфликтов.

· Децентрализованные методы, при которых отсутствует центр управления. Главные достоинства: высокая устойчивость к отказам и большая гибкость. Недостаток - возможны конфликты.

В свою очередь децентрализованные методы можно также разделить на две группы.

· Случайные методы подразумевают случайное чередование передающих абонентов. В этом случае возможность конфликтов подразумевается, но предлагаются способы их разрешения. Случайные методы работают хуже, чем детерминированные, при больших информационных потоках в сети (при большом трафике сети) и не гарантируют абоненту величину времени доступа (это интервал между возникновением желания передавать и получением возможности передать свой пакет). Пример случайного метода - CSMA/CD.

· Детерминированные методы определяют четкие правила, по которым чередуются захватывающие сеть абоненты. При этом, как правило, конфликты полностью исключены (или маловероятны). К детерминированным методам относится, например, маркерный доступ, при котором право передачи передается по эстафете от абонента к абоненту.

Суть централизованных методов состоит в том, что один, центральный компьютер предоставляет право передачи пакетов абонентам сети. Способ, с помощью которого центральный компьютер узнает о «желании» передать пакет конкретным абонентом, может быть различным. Либо абоненты посылают центру свои запросы на передачу, либо центр в определенной очередности опрашивает абонентов о «желании» передать. В любом случае никаких конфликтов не происходит, Если все абоненты очень активны и заявки на передачу поступают интенсивно, то все они будут передавать по очереди.

При случайном децентрализованном управлении решение о том, когда можно передавать свой пакет, принимается каждым абонентом, исходя только из анализа состояния сети. В данном случае существует конкуренция между абонентами за захват сети и, следовательно, возможны конфликты между ними и искажения передаваемых данных из-за наложения пакетов. Суть всех случайных методов управления обменом довольно проста. Пока сеть занята, то есть по ней идет передача пакета, абонент, желающий передавать, ждет освобождения сети. Ведь в противном случае неминуемо исказятся и пропадут оба пакета. После освобождения сети абонент, желающий передавать, начинает свою передачу. Если одновременно с ним начали передачу еще несколько абонентов, то возникает коллизия (конфликт, столкновение пакетов). Конфликт этот детектируется всеми абонентами, передача прекращается, и через некоторое время предпринимается повторная попытка передачи. При этом не исключены повторные коллизии и новые попытки передать свой пакет. И так продолжается до тех пор, пока пакет не будет передан без коллизий.

Существует несколько разновидностей случайных методов управления обменом. В некоторых из них каждый абонент начинает свою передачу после освобождения сети не сразу, а выдержав свою, строго индивидуальную задержку. Примером может служить ненастойчивый метод управления обменом CSMA/CD, используемый в самой популярной сети Ethernet. Протокол CSMA с настойчивостью p применяется в дискретных каналах и работает следующим образом. Когда абонент готов передать пакет, он опрашивает канал. Если канал свободен, он начинает передачу с вероятностью p. С вероятностью q = 1 – p он отказывается от передачи и ждет следующего такта. Этот процесс повторяется до тех пор, пока пакет не будет передан или какой-либо другой абонент не начнет передачу. В последнем случае абонент ведет себя так же, как в случае коллизии. Он ждет в течение случайного интервала времени, после чего начинает все снова.

Понятно, что все подобные методы будут хорошо работать только при не слишком большой интенсивности обмена по сети. Считается, что приемлемое качество связи обеспечивается только при нагрузке не выше 30-40% (то есть сеть занята не более 30-40% всего времени).

Рис. 9.7. Протокол с двоичным обратным отсчетом

Детерминированные методы используют протоколы, позволяющие абонентом «договориться» между собой о порядке использования линии и, тем самым, избежать коллизий. Примером может служить протокол с двоичным обратным отсчетом (рис. 9.7). Каждой рабочей станции назначается некоторый двоичный виртуальный адрес. В период конкуренции за канал, в каждый отсчет времени объединяются по ИЛИ соответствующие разряды виртуального адреса, начиная со старшего разряда. Если результатом является «1», то все станции, у которых в данном разряде «0» - сдаются и в дальнейшей конкуренции не участвуют. На рис. 9.4 у таких станций проставлен прочерк. Во втором отсчете времени сдалась станция 1001 и победителем стала станция с наибольшим виртуальным номером 1010. Она и осуществляет передачу пакета, после чего начнется новый цикл торгов. Для того, чтобы приоритет в предоставлении линии не зависел от номера n станции можно после каждой удачной передачи пакета, присвоить ей новый виртуальный номер 0, а приоритеты всех станций с приоритетами меньшими n сдвинуть на единицу.

Эталонные модели

Прообразом самой популярной сети Интернет послужила разработка, начатая Министерством обороны США (DoD – Department of Defence) еще в 1957 году. Перед управлением перспективного планирования научно-исследовательских работ (ARPA – Advanced Research Project Agency) была поставлена задача разработать архитектуру высоконадежной распределенной сети. В то время военные телекоммуникации базировались на общественной телефонной сети, которая была сочтена слишком уязвимой. Уязвимость заключалась в том, что потеря всего одного коммутатора или междугородной станции (рис. 9.8) разделила бы сеть на разрозненные участки.

Рис. 9.8. Структура телефонной сети и архитектура распределенной сети

Экспериментальную сеть ARPPANET, объединяющую четыре университета, удалось запустить только в 1969 году. После ее запуска было выяснено, что имеющиеся протоколы были непригодны. В результате дополнительных экспериментальных и теоретических исследований были изобретены модели и протоколы TCP/IP для управления обменом пакетами по интерсетям, которые по сути являются основными в Интернет. На базе ARPANET объединение сетей происходило высокими темпами. Достаточно сказать, что высокий прирост абонентов сети в 80-е годы заставил разработать службу именования доменов DNS (Domain Name System), которая также по сей день обслуживает Интернет.

Эталонная модель TCP/IP включает протоколы, которые активно используются сейчас. Верхний уровень занимают протоколы:

· Telnet – Протокол передачи символьных данных;

· FTP - File Transfer Protocol - Протокол передачи файлов;

· SMTP -Simple Mail Transfer Protocol - Простой протокол пересылки почты;

· DNS - Domain Name System – Служба именования доменов;

на следующем уровне расположены:

· TCP – Transmission Control Protocol – Протокол управления передачей;

· UDP – User Datagram Protocol – Пользовательский протокол дейтаграмм;

и, наконец, на нижнем:

· IP – Internet Protocol – Межсетевой протокол.

Эталонная модель OSI.

В настоящее время наибольшее распространение получила эталонная модель обмена информацией открытой системы OSI (Open System Interchange). Под термином «открытая система» в данном случае понимается незамкнутая в себе система, имеющая возможность взаимодействия с какими-то другими системами (в отличие от закрытой системы). Модель OSI была предложена Международной организацией стандартов ISO (International Standards Organization) в 1984 году. С тех пор ее используют (более или менее строго) все производители сетевых продуктов.

Все сетевые функции в модели разделены на 7 уровней (рис. 9.9). Вышестоящие уровни выполняют более сложные задачи, для чего используют в своих целях нижестоящие уровни, а также управляют ими. Цель нижестоящего уровня — предоставление услуг вышестоящему уровню, причем вышестоящему уровню не важны детали выполнения этих услуг. Нижестоящие уровни выполняют более простые функции. Каждый уровень взаимодействует только с теми, которые находятся рядом с ним (выше него и ниже него). Самый верхний уровень соответствует прикладной задаче, а самый нижний - непосредственной передаче сигналов по каналу связи.

Функции, входящие в показанные на рис. 9.9 уровни, реализуются каждым абонентом сети. При этом каждый уровень на одном абоненте работает так, как будто он имеет прямую связь с соответствующим уровнем другого абонента, то есть между одноименными уровнями абонентов сети существует виртуальная связь. Реальную же связь абоненты одной сети имеют только на самом нижнем, первом, физическом уровне.

Рис. 9.9. Уровни модели OSI

В передающем абоненте информация проходит все уровни, начиная с верхнего и заканчивая нижним. В принимающем абоненте полученная информация совершает обратный путь: от нижнего уровня к верхнему.

Прикладной уровень (Application), или уровень приложений, самый верхний уровень модели. Он обеспечивает услуги, непосредственно поддерживающие приложения пользователя, например программные средства передачи файлов, доступа к базам данных, средства электронной почты, службу регистрации на сервере. Этот уровень управляет остальными шестью уровнями.

Уровень представления (Presentation), или представительский уровень, определяет и преобразует форматы данных и их синтаксис в форму, удобную для сети, то есть выполняет функцию переводчика. Здесь же выполняется шифрование и дешифрирование данных, а при необходимости - их сжатие.

Сеансовый уровень (Session), или сессионный уровень, управляет проведением сеансов связи (то есть устанавливает, поддерживает и прекращает связь). Этот же уровень распознает логические имена абонентов, контролирует предоставленные им права доступа.

Транспортный уровень (Transport) обеспечивает доставку пакетов без ошибок и потерь, в нужной последовательности. Здесь же производится разбивка передаваемых данных на блоки, помещаемые в пакеты, и восстановление принимаемых данных.

Сетевой уровень (Network) отвечает за адресацию пакетов и перевод логических имен в физические сетевые адреса (и обратно), а также за выбор маршрута, по которому пакет доставляется по назначению (если в сети имеется несколько маршрутов).

Канальный уровень (Data link), или уровень управления линией передачи, отвечает за формирование пакетов стандартного вида. Здесь же производится управление доступом к сети, обнаруживаются ошибки передачи и производится повторная пересылка ошибочных пакетов.

Физический уровень (Physical) - это самый нижний уровень модели. Он отвечает за кодирование передаваемой информации и ее обратное декодирование при приеме. Здесь же определяются требования к соединителям, разъемам, электрическому согласованию, заземлению, защите от помех и т.д.

Большинство функций двух нижних уровней модели (1 и 2) обычно реализуются аппаратно (часть функций уровня 2 - программным драйвером сетевого адаптера). Именно на этих уровнях определяется скорость передачи и топология сети, метод управления обменом и формат пакета, то есть то, что имеет непосредственное отношение к типу сети. Более высокие уровни не работают напрямую с конкретной аппаратурой, хотя уровни 3,4 и 5 еще могут учитывать ее особенности. Уровни 6 и 7 вообще не имеют к аппаратуре никакого отношения. Замены аппаратуры сети на другую они просто не заметят.

В канальном уровне часто выделяют два подуровня:

· верхний подуровень (LLC - Logical Link Control) осуществляет управление логической связью, то есть устанавливает виртуальный канал связи (часть его функций выполняется программой драйвера сетевого адаптера);

· нижний подуровень (MAC - Media Access Control) осуществляет непосредственный доступ к среде передачи информации (каналу связи). Он напрямую связан с аппаратурой сети.

Эталонная модель IEEE Project 802.

Помимо рассмотренных, существует также модель IEEE Project 802, принятая в феврале 1980 года (отсюда и число 802 в названии). Стандарты, определяемые этой моделью (так называемые 802-спецификации), делятся на категории, каждой из которых присвоен свой номер. Наиболее популярные в настоящее время перечислены ниже:

· 802.3 - Локальная сеть (Ethernet).

· 802.11 - Беспроводная сеть (WiFi).

· 802.15 - Персональные сети (Bluetooth).

· 802.16 - Широкополосные беспроводные сети (WiMAX)

· 802.20 - Глобальные сети.

В заключение раздела отметим организации имеющие самое непосредственное отношение к становлению и развитию компьютерных сетей различного класса – они представлены в табл. 9.3.

Таблица 9.3

Документы RFC (Request For Comments) - запрос на комментарии - включают в себя огромное число материалов описывающих особенности и стандарты работы сетей. Там, в частности, описаны протоколы стека TCP/IP, сетевые службы, принципы их реализации и другие сопутствующие вопросы. Исходно это были действительно документы, предназначенные для обсуждения, но впоследствии сформировавшиеся стандарты также оформлялись в виде RFC. RFC-документу может быть присвоено одно из состояний стандартизации:

· Утвержденный стандарт (Standard),

· Предложенный к рассмотрению,

· Экспериментальный,

· Устаревший.

Все документы RFC можно получить, например, с Web-узла http://www.ripn.net/nic/archive.html

Контрольные вопросы

1. Опишите преимущества и недостатки трех классических топологий локальных сетей.

2. В чем особенность полудуплексного режима передачи данных?

3. Назовите основные задачи администратора локальной сети.

4. В чем заключается особенность работы подсети с коммутацией пактов?

5. Какой способ кодирования используется в сетях Ethernet и почему?

6. Опишите типовую структуру пакета и назначение полей.

7. Где применяется и как работает протокол CSMA с настойчивостью p?

8. В чем преимущество распределенной архитектуры сети над телефонной сетью?

9. Назовите протоколы эталонной модели TCP/IP и объясните их назначение.

10. Перечислите уровни модели OSI и охарактеризуйте их назначение.

11. Объясните топологию «пассивная» звезда. Где она применяется?

12. Как и для чего используются маршрутизаторы?

13. Объясните принцип работы метода доступа CSMA/CD.

14. В чем состоит основная особенность манчестерского кода?

15. Как сетевые платы могут обнаруживать коллизию?

16. Для чего служит и как формируется контрольная сумма пакета?

17. В чем состоит особенность инкапсуляции пакетов и для чего она используется?

18. Опишите протокол с двоичным обратным отсчетом и его назначение.

19. В чем основное различие протоколов UDP и FTP?

20. Какой протокол, кроме SMTP, необходим для электронной пчты?

21. Какие задачи решаются на транспортном уровне протокола OSI?

22. Сравните две эталонные модели TCP/IP и OSI по числу и назначению уровней.

23. Назовите основные технические характеристики сети WiFi.

24. В чем главное назначение технологии WiMAX?