Множественный доступ с передачей полномочий для циклического кольца

Примером циклического кольца может служить сеть Token Ring. В такой сети любая станция всегда непосредственно получает данные только от одной станции — той, которая является предыдущей в кольце. А передает данные своему ближайшему соседу вниз по потоку данных.

Получив полномочие, станция анализирует его и при отсутствии у нее данных для передачи, передает полномочие к следующей станции. Станция, которая имеет данные для передачи, при получении полномочия изымает его из кольца, что дает ей право доступа к физической среде для передачи своих данных. Затем эта станция выдает в кольцо кадр данных установленного формата последовательно по битам. Кадр снабжается адресами приемника и источника.

Переданные данные проходят по кольцу всегда в одном направлении от одной станции к другой. Все станции кольца ретранслируют кадр побитно, как повторители. Если кадр проходит через станцию назначения, то, распознав свой адрес, эта станция копирует кадр в свой внутренний буфер и вставляет в кадр признак подтверждения приема. Станция, выдавшая кадр данных в кольцо, получив его с подтверждением приема, изымаер свой кадр из кольца и передает в сеть новое полномочие, давая другим станциям сети возможность передавать данные.

Как и в случае с моноканалом, время владения разделяемой средой ограничено фиксированной величиной, называемой временем удержания полномочия (обычно это 10 мс). После истечения этого времени станция обязана прекратить передачу собственных данных (текущий кадр разрешается завершить) и передать полномочие далее по кольцу. Станция может успеть передать за время удержания один или несколько кадров.

В сетях Token Ring 16 Мбит/с используется модернизированный вариант алгоритма доступа к кольцу, называемый алгоритмом раннего освобождения. В соответствии с ним станция передает полномочие следующей станции сразу же после окончания передачи последнего бита кадра, не дожидаясь возвращения по кольцу этого кадра с подтверждением о доставке. В этом случае пропускная способность кольца используется более эффективно, так как по кольцу одновременно продвигаются кадры нескольких станций. Тем не менее свои кадры в каждый момент времени может генерировать только одна станция — та, которая в данный момент владеет полномочием. Остальные станции в это время только повторяют чужие кадры.

Для различных видов сообщений могут назначаться различные приоритеты (от 0 до 7, 7 — высший приоритет). Решение о приоритете конкретного кадра принимает передающая станция. Полномочие также всегда имеет некоторый уровень текущего приоритета. Станция имеет право захватить переданное ей полномочие лишь в том случае, если приоритет кадра, который она хочет передать, выше приоритета полномочия (или равен ему). В противном случае станция обязана передать полномочие следующей по кольцу станции.

За наличие в сети полномочия, причем единственного, отвечает активный монитор. Если он не получает полномочия в течение длительного времени (2,6 с), то он порождает новое полномочие.

Оценка максимального времени доставки сообщения в сетях с методами доступа IEEE 802.4, IEEE 802.5

Методы доступа, описанные в стандартах IEEE 802.4, IEEE 802.5, являются детерменированными, то есть максимальное время ожидания доступа к среде всегда известно. Это позволяет оценить максимальное время доставки сообщения.

Для 802.4 максимальное время доставки одного кадра будет равно (Tп+Tк)*n, где Tп — время передачи полномочия между двумя соседними станциями, Tк — время передачи кадра между двумя соседними станциями.

Соотвественно, если сообщение состоит из m кадров, то максимальное время доставки всего сообщения будет равно (Tп+Tк)*n*m.

Для 802.5 соответственно (Tп+Tк)*n² и (Tп+Tк)*n²*m. Квадрат степени возникает из-за того, что кадр каждый раз проходит все кольцо.

Архитектура сети Ethernet

Ethernet — это самая распространенная на сегодняшний день технология локальных сетей. Наиболее известны фирменный вариант — Ethernet DIX, 10-мегабитные варианты стандарта IEEE 802.3, а также новые высокоскоростные технологии Fast Ethernet и Gigabit Ethernet. Почти все виды технологий Ethernet используют один и тот же метод разделения среды передачи данных — метод случайного доступа CSMA/CD, который определяет облик технологии в целом.

Следствием использования метода случайного доступа являются коллизии — ситуации, когда две станции одновременно пытаются передать кадр данных по общей среде. Наличие коллизий — это неотъемлемое свойство сетей Ethernet, являющееся следствием принятого случайного метода доступа. Возможность четкого распознавания коллизий обусловлена правильным выбором параметров сети, в частности соблюдением соотношения между минимальной длиной кадра и максимально возможным диаметром сети.

На характеристики производительности сети большое значение оказывает коэффициент использования сети, который отражает ее загруженность. При значениях этого коэффициента свыше 50 % полезная пропускная способность сети резко падает: из-за роста интенсивности коллизий, а также увеличения времени ожидания доступа к среде.

Технология Ethernet поддерживает 4 разных типа кадров, которые имеют общий формат адресов узлов. Существуют формальные признаки, по которым сетевые адаптеры автоматически распознают тип кадра. Кадр: преамбула(8б), адрес получателя (6б), адрес источника(6б), размер поля данных (2б), поле данных (4-1500б), поле обнаружения ошибки (4б).

В зависимости от типа физической среды стандарт IEEE 802.3 определяет различные спецификации: 10Base-5, 10Base-2, 10Base-T, FOIRL, 10Base-FL, 10Base-FB. Для каждой спецификации определяются тип кабеля, максимальные длины непрерывных отрезков кабеля, а также правила использования повторителей для увеличения диаметра сети: правило «5-4-3» (не более 4-х повторителей, соответственно не более 5-и сегментов кабеля, и только 3-и сегмента могут буть нагруженными, то есть такими, к которым подключаются конечные узлы) для коаксиальных вариантов сетей, и правило «4-х хабов» (максимальное число концентраторов между любыми станцими сети не должно превышать 4-х) для витой пары и оптоволокна.

Максимально возможная пропускная способность сегмента Ethernet в кадрах в секунду достигается при передаче кадров минимальной длины и составляет 14 880 кадр/с. При этом полезная пропускная способность сети составляет всего 5,48 Мбит/с, что лишь ненамного превышает половину номинальной пропускной способности — 10 Мбит/с.

Архитектура сети Arcnet

ArcNet представляет собой стандарт на локальные сети, разработанный корпорацией Datapoint в 1977 году. Позже эта сеть легла в основу стандарта IEEE 802.4. Эта сеть базируется на идее маркерной шины (метод доступа с передачей полномочий) и может позволить реализовать топологию шины, кольца или звезды при скорости обмена 2,5 Мбит/с. Сеть строится вокруг активных и пассивных повторителей (HUB). Активные повторители (обычно 8-канальные) могут соединяться друг с другом, с пассивными повторителями/разветвителями и оконечными ЭВМ (рабочими станциями). Длина таких соединений, выполняемых 93-омным коаксиальным кабелем (RG-62, разъемы BNC), может достигать 600 м. Допускается применение скрученных пар (RS485) или оптического волокна. Пассивный 4-входовый повторитель позволяет подключать до трех рабочих станций кабелем длиной до 35 м, один из входов всегда занят соединением с активным повторителем. Пассивные повторители не могут соединяться друг с другом. Активные повторители могут образовывать иерархическую структуру. Максимальное число рабочих станций в сети равно 255. Предельная суммарная длина кабелей многосегментной сети составляет около 7 км.

Сеть имеет кольцевую логическую топологию.

Особенностью сети ArcNet является отсутствие коллизий и известное максимальное время доставки сообщения, в связи с чем такая сеть находит применение в промышленности.

Архитектура сети Token Ring

Сети Token Ring описываются стандартом IEEE 802.5. Их, так же как и сети Ethernet, характеризует разделяемая среда передачи данных, которая в данном случае состоит из отрезков кабеля, соединяющих все станции сети в кольцо. Кольцо рассматривается как общий разделяемый ресурс, и для доступа к нему требуется не случайный алгоритм, как в сетях Ethernet, а детерминированный, основанный на передаче станциям права на использование кольца в определенном порядке. Это право передается с помощью кадра специального формата, называемого маркером или токеном (token).

Сети Token Ring работают с двумя битовыми скоростями — 4 и 16 Мбит/с. Смешение станций, работающих на различных скоростях, в одном кольце не допускается.

Технология Token Ring является более сложной технологией, чем Ethernet. Она обладает свойствами отказоустойчивости. В сети Token Ring определены процедуры контроля работы сети, которые используют обратную связь кольцеобразной структуры — посланный кадр всегда возвращается в станцию — отправитель.

Для контроля сети одна из станций выполняет роль так называемого активного монитора. Активный монитор выбирается во время инициализации кольца как станция с максимальным значением МАС-адреса. Если активный монитор выходит из строя, процедура инициализации кольца повторяется и выбирается новый активный монитор. Чтобы сеть могла обнаружить отказ активного монитора, последний в работоспособном состоянии каждые 3 секунды генерирует специальный кадр своего присутствия. Если этот кадр не появляется в сети более 7 секунд, то остальные станции сети начинают процедуру выборов нового активного монитора.

В сетях Token Ring, так же как и в сетях ArcNet отсутствуют коллизии и максимальное время доставки сообщения всегда известно (следствия детерменированного метода доступа к разделяемой среде).