Случайный доступ типа мдпн/ос (csma/cd)

Протокол МДПН/ОС основан на методе чистой Алохи и позволяет улучшить ее характеристики. Метод МДПН/ОС входит в протокол сети Ethernet и принят, как один из стандартных методов в локальных сетях. Реализация локальных сетей по образцу сети Ethernet распространена весьма широко.

Основная концепция протокола МДПН/ОС очень проста . Все станции прослушивают передачу по линии. Станция, желающая передать сообщение, выходит на связь только после обнаружения свободного состояния канала. Эта процедура называется проверкой несущей, а стратегия, основанная на такой проверке, схемой многостанционного доступа с проверкой несущей (МДПН). Очевидно, что столкновения все же могут возникнуть, поскольку станции физически разнесены одна от другой, и две или несколько станций могут обнаружить свободное состояние канала и начать передавать, что и вызовет столкновение. Если станции обнаруживают столкновение (обнаружение столкновения - ОС), они передают всем остальным станциям специальный сигнал о помехе и отменяют свои передачи. Возможность проверки несущей позволяет увеличить производительность канала по сравнению с чистой Алохой, а обнаружение столкновения с прекращением передачи, вместо его завершения дает еще большее повышение производительности.

Был предложен и проанализирован ряд методов МДПН. Они различаются тем, как происходит управление передачей, если канал оказался занятым. Например, в схеме с p-настойчивостью станция, обнаружившая занятый канал, осуществляет передачу после того, как канал станет свободным, с вероятностью p. С вероятностью (1-p) передача откладывается на промежуток времени t распространения сигнала. При схеме с 1- настойчивостью станция осуществляет попытку передачи, как только канал окажется свободным. При ненастойчивой схеме станция переносит передачу на другое время в соответствии с предписанным распределением задержек передачи, проверяет несущую в это время и продолжает процесс.

Эти схемы применимы прежде всего в локальных сетях или в более крупных сетях, работающих со сравнительно небольшими скоростями передачи.

Протокол МДПН/ОС, работающий по правилу 1-настойчивости с добавлением возможности обнаружения столкновений в целях дальнейшего улучшения характеристик принят в качестве протокола в схеме Ethernet. Если обнаруживается столкновение и передача прекращается, попытка повторной передачи принимается через случайный промежуток времени, как и в схемах Алоха. Этот случайный промежуток времени удваивается каждый раз после обнаружения нового столкновения до некоторой максимальной величины, при которой станция выходит из строя и извещают вышестоящие уровни о нарушении связи. Это удвоение промежутка называется процедурой двоичного замедления и может улучшить характеристику системы.

Получим результаты анализа системы с дискретным временем, чтобы выявить характеристики задержек протокола МДПН/ОС.

Рассмотрим шинную структуру.

Рис. 5.28. Модель МДПН/ОС

Станции подключаются через пассивные ответвления к двусторонней шине. Сосредоточим внимание на двух наиболее удаленных станциях (А и В). Рассчитаем среднее время, требуемое для успешного запуска сообщения в шину. Обратная величина этого времени и будет максимальной производительностью. Назовем время до успешного завершения передачи сообщения виртуальным временем передачи t_v. Это время имеет три составляющие( см. рис. 5.29). Оно включает время m, требуемое для передачи сообщения, время t, требуемое для проверки завершения передачи, и время, кратное 2t единицам, для разрешения столкновений, если они обнаруживаются.

Пусть возникло столкновение между сигналами, передаваемыми станциями А и В. В худшем случае обнаружение столкновения займет на станциях А и В время в 2t с, после чего передача будет немедленно выключена. Это показано на рисунке 4.27 : станция А начинает передачу в некоторый момент времени. Перед тем, как сообщение станции А поступит на станцию В, последняя решает начать передачу. Станция В проверяет канал, находит его свободным и начинает собственную передачу. Это очевидное столкновение, которое обнаружится только через t c.

Рис. 5.29. Расчет виртуального времени передачи МДПН/ОС

Общее время до обнаружения столкновения составит 2t единиц времени , что и показано на рисунке.

Если произошло столкновение, предположим, что для его разрешения потребуется 2tJ единиц времени. J представляет собой среднее число повторных передач после того, как произошло столкновение. Оно сравнимо с параметром

E=G/S-1, который был введен при изучении системы Алоха. Тогда виртуальное время передачи имеет вид:

t_v = m + t + 2tJ = m [1+a(1+2J)], aºt/m (5.13)

Далее найдем величину J. Она зависит от стратегии повторной передачи.

Рис. 5.30 Наихудший случай обнаружения столкновения

Предположим, что длительность интервала столкновения (рис. 5.29) описывается геометрическим распределением единиц 2t с параметром u. В частности, интервал равен одной единице (2t) с вероятностью u, двум единицам с вероятностью u*(1-u) и т.д. Таким образом, u является вероятностью успеха в конце интервала, а (1-u) - вероятностью столкновения. Среднее число повторных передач J=1/u, а именно

Это рассуждение переносит тяжесть нахождения J на u.

Теперь вероятность u находится путем следующего рассуждения.

Пусть в возможных передачах участвуют n станций (n >> 1). Пусть вероятность того, что одна станция намеревается передавать в промежутке времени 2t c, равна p. Тогда вероятность того, что передает одна станция, и эта передача успешн

u = n p (1-p)^n-1 (5.14)

Используя величину p=1/n и учитывая, как предполагалось, что n >> 1, в пределе получим, что

u_max = (1-1/n)^n-1 ® e ^-1, n ®¥

Таким образом, величина u, которую нужно подставить в (5.14), равна e ^-1. И равенство (5.13) принимает вид:

t_v = m [1+a(1+2e)], a º t / m (5.15)

Заметим, что эта модель повторной передачи напоминает синхронную Алоху и фактически приводит к величине производительности синхронной Алохи e^-1.

Максимальная производительность l_max в числе сообщений за единицу времени равна 1/t_u. Обозначая через l среднее число сообщений, передаваемых по каналу за единицу времени от всех пользователей, и нормируя его относительно пропускной способности 1/m (в сообщениях за единицу времени), из (5.15) находим

а º t / m

Пусть в качестве примера а=0.1. Это значит, что длительность сообщений в 10 раз больше времени распространения сигнала из конца в конец. Для этого значения а имеем

r < 0.6

Очевидно, что это существенное улучшение по сравнению с эффективностью 0.18 для чистой Алохи и 0.368 для синхронной Алохи. Если значение а уменьшить еще больше (путем сокращения длины кабеля или уменьшения пропускной способности в бит/с с целью увеличения m), соответственно увеличится r_max, приближаясь к максимально возможному
значению 1.

Манчестерский код

Кроме проверки двух сигналов - обнаружения столкновения и проверки несущей, - блоки доступа к каналу передают символы в коаксиальный кабель и принимают их из кабеля. Блок кодирования передаваемых данных физического уровня кодирует символы в двоичные сигналы с помощью манчестерского кода. Пример такого кода показан на рисунке 5.31.

Рис. 5.31. Манчестерский код

При этой схеме половина символьного интервала применяется для передачи логического дополнения к разряду этого интервала; в течение второй половины передается исходное значение этого разряда. Таким образом, единицы передаются положительным переходом сигнала, а нули - отрицательным переходом (рис. 5.31). Функции кодирования/декодирования манчестерского кода выполняются передающим блоком кодирования и приемным блоком декодирования физического уровня. Эти блоки также генерируют и удаляют 64-разрядные серии, называемые преамбулами, которые предшествуют фактически передаваемому кадру и применяются для синхронизации.

Процедура кодирования , определенная стандартом для кольца с передачей метки, предусматривает применение дифференциального манчестерского кода. Этот метод отличается от применения описанного выше манчестерского кода.

Рис. 5.32. Дифференциальный манчестерский код

В дифференциальном манчестерском коде для переноса двоичной информации применяются две полярности, и переходы происходят в середине двоичного интервала. Однако, в случае разряда 1 первая половина двоичного интервала несет ту же полярность, что и вторая половина предыдущего интервала. В случае же разряда 0 переход происходит как в начале, так и в середине двоичного интервала. Пример на рисунке 5.32 показывает, что при этой процедуре возникают две возможности в зависимости от полярности в конце интервала, предшествующего первому интервалу на рисунке.

Спецификации ETHERNET

Ethernet - самая популярная в настоящее время сетевая архитектура. Она использует узкоплосную передачу со скоростью 10 Мбит/с, топологию "шина", а для регулирования трафика в основном сегменте кабеля - CSMA/CD ( МДПН/ОС ) [1].

Среда (кабель) Ethernet является пассивной, т.е. получает питание от компьютера. Следовательно, она прекратит работу из-за физического повреждения или неправильного подключения терминатора.

Сеть Ethernet имеет следующие характеристики:

· традиционная топология - линейная шина

· другие топологии - звезда-шина

· тип передачи - узкополосная

· метод доступа - CSMA/CD

· скорость передачи данных - 10 и 100 Мбит/с

· кабельная система - тонкий и толстый коаксиальный, UTP.

ФОРМАТ КАДРА

Ethernet разбивает данные на пакеты (кадры), формат которых отличается от формата пакетов, испльзуемого в других сетях. Кадры представляют собой блоки информации, передаваемые, как единое целое. Кадр Ethernet может иметь длину от 64 до 1518 байтов, но сама структура кадра Ethernet использует по крайней мере 18 байтов, поэтому размер блока данных в Ethernet - от 46 до 1500 байтов. Каждый кадр содержит управляющую информацию и имеет общую с другими кадрами организацию.

Например, передаваемый по сети кадр Ethernet II используется для протокола TCP/IP. Кадр состоит из частей, которые перечислены в таблице.

Ошибка! Ошибка связи.

Рис. 5.33. Кадр данных Ethernet II

Поле кадра Описание

Преамбула Отмечает начало кадра

Местоназначение и источник Указывает адрес источника и адрес приемника

Тип Используется для идентификации протокола Сетевого уровня

Циклический избыточный код Поле информации для проверки ошибок

Сети Ethernet используют различные варианты кабелей и топологий. Далее будут представлены варианты, основанные на спецификации IEEE.