Протоколы передачи данных и методы доступа к передающей среде в ЛВС

Протоколы передачи данных нижнего уровня, получившие распространение в ЛВС, приведены на рис. 13.1.

Типичными методами доступа к передающей среде в современных ЛВС являются:

• множественный доступ с контролем несущей и обнаружением конфликтов (CSMA/CD), иначе называемый методом доступа Ethernet, так как именно в этой сети получил наибольшее распространение;
• маркерное кольцо (метод доступа Token Ring);
• маркерная шина (метод доступа Arcnet).

Указанные методы доступа реализованы соответственно на стандартах ГЕЕЕ802.3, ШЕЕ802.5, IEEE802.4.

Метод доступа Ethernet (метод случайного доступа) разработан фирмой Xerox в 1975 г. и используется в ЛВС с шинной топологией, обеспечивает высокую скорость передачи данных и надежность. Это метод множественного доступа с прослушиванием несущей и разрешением конфликтов (коллизий). Каждая PC перед началом передачи определяет, свободен канал или занят. Если канал свободен, PC начинает передачу данных, осуществляемую пакетами, упакованными в кадры. Из-за различных системных задержек могут возникнуть коллизии. В этом случае станция задерживает передачу на определенное время. Для каждой PC устанавливается свое время ожидания перед повторной передачей кадра. Коллизии приводят к снижению быстродействия сети только при сравнительно большом количестве активных PC (до 80-100).

Метод доступа Token Ring разработан фирмой IBM и рассчитан на кольцевую топологию сети. Это селективный метод доступа в кольцевой моноканал, именуемый “маркерное кольцо”. В качестве маркера используется уникальная последовательность битов. Маркер не имеет адреса и может находиться в одном из двух состояний - свободном или занятом. Если ни одна PC не готова к передаче данных, свободный маркер циркулирует по кольцу. Станция, имеющая кадр для передачи, ждет подхода свободного маркера, захватывает его, изменяет состояние маркера на “занятый” и добавляет к нему кадр. Занятый маркер с кадром перемещается по кольцу и возвращается к станции-отправителю, причем при прохождении через узел назначения снимается копия кадра. Станция-отправитель удаляет свой кадр из кольца, изменяет состояние маркера на “свободный” и передает его дальше по кольцу. С этого момента любая станция может изменить состояние маркера на “занятый” и начать передачу данных. Описанная процедура характерна для сети, в которой все станции имеют одинаковый приоритет. В рамках метода “маркерное кольцо” предусматривается возможность передачи кадров станции с учетом их приоритетов. Тогда станции с низким приоритетом могут захватывать кольцо в случае неактивности станций с более высоким приоритетом.

Метод доступа Arcnet разработан фирмой Datapoint Corp и используется в ЛВС с топологией “звезда” и “общая шина”. Это селективный метод доступа в моноканал, называемый “маркерная шина”. Маркер создается одной из станций сети и имеет адресное поле, где указывается номер (адрес) станции, владеющей маркером. Передачу производит только та станция, которая в данный момент владеет маркером (эстафетной палочкой). Остальные станции работают на прием. Последовательность передачи маркера от одной станции к другой задается управляющей станцией сети. Станции, последовательно получающие маркер для передачи кадров, образуют “логическое кольцо”. Станция, получившая маркер (полномочия на передачу информации), передает свой подготовленный кадр в шину. Если кадра для передачи нет, она сразу посылает маркер другой станции согласно установленному порядку передачи полномочий. Так продолжается до тех пор, пока управляющая станция не инициирует новую последовательность передач маркера. Станция назначения, получившая маркер с кадром, “отцепляет” кадр от маркера и передает маркер следующей станции в установленной последовательности передач. При таком методе доступа в моноканал имеется возможность обеспечить приоритетное обслуживание абонентов, например в течение одного цикла, когда маркер совершает полный оборот по “логическому кольцу”, станции с более высоким приоритетом получают маркер не один раз, а несколько.

В качестве примера приведем структуру пакета по стандарту IEEE 802.3 с указанием длины каждого поля в байтах.

Преамбула - это поле, содержащее семь одинаковых байтов 10101010, предназначенных для синхронизации.

Признак начала пакета - однобайтовое поле для обозначения начала пакета.

Назначение - поле длиной 2 или 6 байт (в зависимости от типа ЛВС) Указывает, для какой PC данный пакет предназначен.

Источник - в этом поле содержится адрес отправителя пакета.

Длина - здесь содержится информация о длине данных в пакете.

Данные - в это поле записываются данные, составляющие передаваемое сообщение.

Набивка - сюда вставляют пустые символы для доведения длины пакета до минимально допустимой величины. При достаточно большой длине поля данных поле набивки может отсутствовать.

CRC-сумма - здесь содержится контрольное число, используемое на приемном пункте для выявления ошибок в данных принятого пакета. В качестве контрольного числа применяется остаток избыточной циклической суммы, вычисленный с помощью полиномов типа CRC-32. На приемном пункте также производятся вычисление этого остатка и затем его сравнение с содержимым рассматриваемого поля с целью обнаружения ошибок в принятых данных.

Общая длина пакета стандарта ШЕЕ 802.3 находится в диапазоне от 64 до 1518 байт, не считая преамбулы и признака начала пакета.

Пример 13.1. Найти максимально допустимое расстояние S_МАХ между наиболее удаленными станциями локальной сети Ethernet, если известны величины:

• E_П,MIN= 512 бит - минимальная длина пакета (кадра);
• V_K = 10 Мбит/с - скорость передачи данных по коаксиальному кабелю (передающей среде в сети);
• V_C-=50 000 км/с - скорость распространения сигнала в передающей среде;
• T_П >= 2T_C,MAX, т. е. время передачи пакета (ТП) должно быть более чем вдвое больше, чем время распространения сигнала (T_C,MAX) между наиболее удаленными станциями сети.

Условие T_П >= 2T_C,MAX означает, что от длины пакета значительно зависит общая протяженность сети, в которой реализован метод доступа CSMA/CD.

Очевидно, что

S_MAX=V_C*T_C,MAX

или

S_MAX<=0.5* V_C*T_П;

S_MAX<=0.5* V_C*(E_П,MIN/V_C);

S_MAX<=0.5* 50000*(512/10*10⁶);

S_MAX<=1.28 км.

Пример 13.2. Определить максимальное время реакции на запрос пользователя (T_P.MAX) в локальной сети с кольцевой топологией, где реализуется ПОД типа “маркерное кольцо” без приоритетов, если заданы величины:

• N_PC = 25 - число рабочих станций в сети;
• V_C = 50 000 км/с - скорость распространения сигнала по коаксиальному кабелю (передающей среде);
• T₃ = 1500 мкс - время задержки маркера с кадром в одном узле (рабочей станции) сети;
• S_K = 12,5 км - длина кольцевого моноканала;
• Е_K = 512 байт - общая длина маркера и кадра;
• V_K = 4 Мбит/с - скорость передачи данных по моноканалу;
• все абоненты сети активные, т. е. каждый из них готов к передаче своего кадра и выполняет эту операцию, когда подходит его очередь.

Время реакции на запрос пользователя - это промежуток времени между моментом готовности подать запрос в сеть (т.е. готовности передать кадр в моноканал) и моментом получения ответа на запрос (т.е. возвращения отправленного кадра, что является подтверждением в получении этого кадра адресатом).

Следовательно,

T_P.MAX=T_ОЖ.MAX+T_ОБСЛ.

где T_ОЖ.MAX - максимальное время ожидания подачи запроса (кадра) в моноканал; T_ОБСЛ - время собственно обслуживания запроса.

Очевидно, что

T_ОЖ.MAX=(N_PC-1)T_ОБ,

где T_ОБ - время, в течение которого маркер вместе с кадром совершает полный оборот в моноканале. Составляющими этого времени будут:

T_С - время распространения сигнала в передающей среде через весь моноканал; T_К - время передачи кадра через весь моноканал; T_ОЗ - суммарное время задержки передаваемого по кольцу кадра в узлах сети.

Так как

T_С=S_K/V_C; T_K=E_K/V_K; T_СЗ=N_PC*T_З;

то

T_ОБ=S_K/V_C+E_K/V_K+N_PC*T_З;

T_ОБ=(12,5/50000)*10⁶+512*8/4*10⁶+25*1500=38774 мкс.

Тогда

T_ОЖ.MAX=(25-1)38774=9360576 мкс.

Можно считать, что T_ОБСЛ = T_ОБ, поэтому

T_P.MAX=930576+38774=969350 мкс,

т.е. максимальное время реакции на запрос при заданных условиях равно почта одной секунде.

Пример 13.3. Определить максимальное время (T_MAX) на передачу кадра от одной рабочей станции к другой в сети с звездообразной топологией и эстафетой передачей маркера по логическому кольцу (маркер переходит последовательно от одной PC к другой в порядке возрастания их сетевых номеров), если заданы величины:

• S_PC = 0,5 км - расстояние между двумя PC сети (для всех PC оно принимается одинаковым);
• V_C = 50 000 км/с - скорость распространения сигнала в передающей среде (в коаксиальном кабеле);
• Е_K = 512 байт - длина кадра вместе с маркером;
• V_K = 4 Мбит/с - скорость передачи данных в сети;
• T_З = 1500 мкс - время задержки кадра в одном узле сети;
• N_PC =32 - число рабочих станций в сети.

"Максимальное время на передачу кадра от одной рабочей станции (PC) сети к другой будет в случае, когда станция-отправитель имеет минимальный порядковый номер, а станция-получатель - максимальный номер.

Тогда

T_MAX=(T_C+T_K+T_З)*(N_PC-1),

где T_E - время распространения сигнала в передающей среде от одной PC к другой; T_K - время передачи кадра (вместе с маркером) от одной PC к другой.

Так как

T_C=S_PC/V_C; T_K=E_K/V_K,

то

T_MAX=(S_PC/V_C+E_K/V_K+T_З)*(N_PC-1); (13.2)

T_MAX=((0,5/50000)*10⁶+512*8/4*10⁶+1500)*(32-1);

T_MAX=78554 мкс.

До сих пор рассматривались ППД нижнего уровня, работающие на первых трех уровнях семиуровневой модели ВОС и реализующие методы доступа к передающей среде. В соответствии с этими ППД передаются сообщения (пакеты) между рабочими станциями, но не решаются вопросы, связанные с сетевыми файловыми системами и переадресацией файлов. Эти протоколы не включают никаких средств обеспечения правильной последовательности приема переданных данных и средств идентификации прикладных программ, нуждающихся в обмене данными.

В отличие от протоколов нижнего уровня, обеспечивающих доступ к передающей среде, протоколы верхнего уровня (называемые также протоколами среднего уровня, так как они реализуются на 4-м и 5-м уровнях модели ВОС) служат для обмена данными. Они предоставляют программам интерфейс для передачи данных методом дейтаграмм, когда пакеты адресуются и передаются без подтверждения получения, и методом сеансов связи, когда устанавливается логическая связь между взаимодействующими станциями (источником и адресатом) и доставка сообщений подтверждается.

Протоколы верхнего уровня подробно рассматриваются в следующей главе. Здесь лишь коротко отметим протокол IPX/SPX, получивший широкое применение в локальных сетях, особенно в связи с усложнением их топологии (вопросы маршрутизации перестали быть тривиальными) и расширением предоставляемых услуг.

Протокол IPX/SPX. Этот протокол является набором протоколов IPXи SPX. Фирма Nowell в сетевой операционной системе NETWARE применяет протокол IPX для обмена дейтаграммами и протокол SPX для обмена в сеансах связи.

Протокол IPX/SPX относится к программно-реализованным протоколам.

Он не работает с аппаратными прерываниями, используя функции драйверов операционных систем. Пара протоколов IBX/SPX имеет фиксированную длину заголовка, что приводит к полной совместимости разных реализации этих протоколов Протокол IPX применяется маршрутизаторами в СОС NETWARE. Он соответствует сетевому уровню модели ВОС и выполняет функции адресации, маршрутизации и переадресации в процессе передачи пакетов сообщений. Несмотря на отсутствие гарантий доставки сообщений (адресат не передает отправителю подтверждения о получении сообщения), в 95% случаев не требуется повторной передачи. На уровне IPX выполняются служебные запросы к файловым серверам, и каждый такой запрос требует ответа со стороны сервера. Этим и определяется надежность работы методом дейтаграмм, так как маршрутизаторы воспринимают реакцию сервера на запрос как ответ на правильно переданный пакет.

Протокол SPX работает на транспортном уровне модели ВОС, но имеет и функции, свойственные протоколам сеансового уровня. Он осуществляет управление процессами установки логической связи, обмена и окончания связи между любыми двумя узлами (рабочими станциями) ЛВС. После установления логической связи сообщения могут циркулировать в обоих направлениях с гарантией того, что пакеты передаются без ошибок. Протокол SPX гарантирует очередность приема пакетов согласно очередности отправления.