Логическая топология и методы доступа к среде

Логическая топология и тесно связанный с ней метод доступа (Media Access Method) привязаны к двум нижним уровням модели OSI.

В логической шине информация одновременно доступна для всех узлов, подключенных к одному сегменту. Реальное считывание производит только тот узел, которому адресуется данный пакет. Реализуется на физической топологии шины, звезды, дерева или сетки. Метод доступа — вероятностный (Probabilistic), основанный на прослушивании сигнала в шине.

В логическом кольце информация передается последовательно от узла к узлу. Каждый узел принимает пакеты только от предыдущего и посылает только последующему узлу по кольцу. Узел транслирует все пакеты и обрабатывает те, которые адресованы ему. Реализуется на физической топологии кольца или звезды с внутренним кольцом в концентраторе. Метод доступа — детерминированный (Deterministic), базирующийся на сетевом адресе узла.

При вероятностном методе доступа узел, желающий послать пакет в сеть, прослушивает линию. Если линия занята или обнаружена коллизия (столкновение сигналов от двух передатчиков), попытка передачи откладывается на случайный интервал времени.

Основные разновидности вероятностных методов:

1. CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance) — множественный доступ с прослушиванием несущей и избежанием коллизий. Узел, готовый послать пакет, прослушивает линию. При отсутствии несущей он посылает короткий сигнал запроса на передачу (RTS) и определенное время ожидает ответ (CTS) от адресата. При отсутствии ответа (подразумевается возможность коллизии) попытка передачи откладывается, при получении ответа в линию посылается пакет. При запросе на широковещательную передачу (RTS содержит адрес 255) CTS не ожидается. Метод не позволяет полностью избежать коллизий, но они обрабатываются на более высоких уровнях протокола. Метод применяется в сети Apple LocalTalk, характеризуется простотой и низкой стоимостью цепей доступа;

2. CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect) — множественный доступ с прослушиванием несущей и обнаружением коллизий. Узел, готовый послать пакет, прослушивает линию. При отсутствии несущей он начинает передачу пакета, одновременно контролируя состояние линии. При обнаружении коллизии (по повышению активности линии) передача прекращается и повторная попытка откладывается на случайное время. Коллизии — нормальное, хотя и не очень частое, явление для CSMA/CD. Их количество зависит от количества и активности подключенных узлов. При нормальной работе коллизии возникают в определенном временном окне пакета, ранние или запоздалые коллизии сигнализируют об аппаратных неполадках в кабеле или узлах. Метод эффективнее, чем CSMA/CA, но требует более сложных и дорогих схем цепей доступа. Применяется во многих сетевых архитектурах: Ethernet, Ether-Talk (реализация Ethernet фирмы Apple), G-Net, IBM PC Network, AT&T StarLAN. Общий недостаток вероятностных методов доступа — неопределенное и существенно возрастающее при увеличении нагрузки на сеть время прохождения пакета, что ограничивает их применение в системах реального времени.

Протоколы CSMA/CD

Протоколы CSMA/CD не только прослушивают кабель перед передачей, но также обнаруживают коллизии и инициализируют повторные передачи. Протоколы CSMA/CD чрезвычайно популярны. Примером протоколов CSMA/CD являются сети Ethernet, которые будут рассмотрены позднее.

Протоколы CSMA/CA

CSMA/CA использует такие схемы, как доступ с квантованием времени (time slicing) или посылка запроса на получение доступа к среде. Примером CSMA/CA является протокол LocalTalk фирмы Apple Computer.

Системы на основе метода состязания больше всего подходят для использования при импульсном трафике (т.е. при передаче больших файлов) в сетях с небольшим количеством пользователей.

При детерминированном методе узлы получают доступ к среде в предопределенном порядке.

Основные типы детерминированных методов:

1. доступ с передачей маркера (Token Passing), применяемый в сетях ARCnet, Token Ring, FDDI;

2. поллинг (Polling) — опрос готовности, применяемый в больших машинах (Mainframes). Основное преимущество метода — ограниченное время прохождения пакета, мало зависящее от нагрузки в сети.

Сети с большой нагрузкой требуют более эффективных методов доступа. Один из способов повышения эффективности — перенос управления доступом от узлов в кабельные центры (хабы). При этом узел посылает пакет в интеллектуальный хаб по своей готовности. Задача хаба — обеспечить пересылку пакета к адресату с оптимизацией общей производительности сети, возможно, используя коммутацию каналов.

Передача маркера

В системах с передачей маркера (token passing) небольшой фрейм (маркер) передается в определенном порядке от одного устройства к другому. Маркер — это специальное сообщение, которое передает временное управление средой передачи устройству, владеющему маркером. Передача маркера распределяет управление доступом между устройствами сети.

Каждое устройство знает, от какого устройства оно получает маркер и какому устройству его следует передать. Каждое устройство периодически получает контроль над маркером, выполняет свои обязанности, а затем передает маркер для использования следующему устройству. Протоколы ограничивают время контроля каждого устройства над маркером.

Имеется несколько типов сетей, использующих метод передачи маркера для управления доступом к среде передачи. Например, сети IEEE 802.4 Token Bus и 802.5 Token-Ring.

В сети Token Bus используется управление доступом с передачей маркера и физическая или логическая шинная топология, в то время как в сети Token-Ring используется управление доступом с передачей маркера и физическая или логическая кольцевая топология.

Другим стандартом передачи маркера (для волоконно-оптических ЛС) являются сети FDDI (Fiber-distributed data interface).

Сети с передачей маркера следует использовать при наличии зависящего от времени приоритетного трафика, типа цифровых аудио- или видеоданных, или же при наличии с очень большого количества пользователей.

Сравнительная эффективность систем с передачей маркера и систем с методом состязаний является предметом больших дискуссий в сетевых кругах. Ни одна радикально не превосходит другую, с точки зрения производительности. Однако в определенных конкретных обстоятельствах та или другая могут продемонстрировать превосходящую производительность.

Вообще говоря, при большой нагрузке (уровни трафика высоки), методы доступа передачи маркера обеспечивают более высокую сетевую производительность. В таких условиях производительность методов состязания намного скромнее. С другой стороны, благодаря ограничению на непроизводительные затраты в условиях малой загрузки, методы состязания могут превосходить по быстродействию методы передачи маркера.

Опрос

Опрос (Polling) — это метод доступа, при котором выделяется одно устройство (называемое контроллером, первичным или мастер-устройством) в качестве арбитра доступа к среде. Это устройство опрашивает все остальные устройства (именуемые здесь вторичными) в некотором предопределенном порядке, чтобы узнать, имеют ли они информацию для передачи.

Чтобы получить данные от вторичного устройства, первичное устройство направляет ему соответствующий запрос, а затем получает данные от вторичного устройства и направляет их устройству-получателю. Затем первичное устройство опрашивает другое вторичное устройство и принимает данные от него, и так далее. Протокол ограничивает количество данных, которое может передать после опроса каждое вторичное устройство.

Опросные системы идеальны для сетевых устройств, чувствительных ко времени, например, при автоматизации оборудования.