Методы регулярного доступа к среде передачи

Существует несколько методов управления, обеспечивающих регулярный доступ станций сети к совместно используемой среде передачи. Мы рассмотрим один из них, а именно метод маркерного доступа, который нашел наиболее широкое применение в ЛВС кольцевой топологии. Компьютеры в такой сети подключаются посредством двухпортовых интерфейсных устройств, которые последовательно соединены между собой линиями передачи (рис.4.13).

Интерфейсные устройства выполняют, в частности, роль повторителей. В режиме прослушивания сети каждый бит, поступающий на входной порт интерфейса, копируется в буфер и транслируется на выходной порт. Ясно, что на выходе интерфейса каждый бит, воспроизводится с задержкой, равной, как минимум, длительности битового интервала. Скопированные интерфейсом биты, в их определенной совокупности, подвергаются проверкам, позволяющим определить тип кадра в кольце, адрес его назначения и т.п.

Входной поток проверяется, прежде всего, на предмет обнаружения в нем специальной последовательности бит, называемой маркером (token). Маркер выполняет функции управления доступом к среде передачи и может находиться в двух состояниях: «свободен», «занят». Если сетевой интерфейс получает маркер в состоянии «Занят», то это означает, что за ним будут следовать биты кадра какой-либо станции. После приема заголовка кадра проверяется его адрес назначения и если он совпадает с адресом подключенной к этому интерфейсу станции, то этот кадр бит за битом копируется в память сетевого узла. В противном случае интерфейс просто копирует биты с входного порта в выходной.

Получение интерфейсом маркера в состоянии «Свободен» предоставляет право станции передать в кольцо информационные кадры. Если такие кадры есть, то интерфейс изменяет состояние маркера на «Занят», отправляет его далее в кольцо и переключается в состояние отсылки кадра «своей» станции.

В сетях с большим диаметром кольца время обращения бита по кольцу может превосходить время, необходимое интерфейсу для инжекции кадра в кольцо, и, следовательно, существует потенциальная возможность «разместить» в кольце несколько кадров (это могут быть кадры одной станции, или кадры разных станций). В таком варианте, в интервале времени, необходимом для инжекции кадра в кольцо, на входной порт станции могут поступать биты кадра, ранее отправленного в кольцо другой станцией. Они буферизируются и после завершения передачи станцией «своего» кадра, отправляются по кольцу далее (эта буферизация и является источником случайной компоненты задержки доставки кадра).

Если же время передачи бита по кольцу меньше времени инжекции кадра (что чаще всего и бывает), то на входе интерфейса передающей станции появятся ранее инжектированные ею биты этого же кадра (т.е. все кольцо оказывается заполненным битами одного кадра). Повторная передача их в кольцо редко бывает необходимой и такие биты должны выводиться из кольца.

Таким образом, кроме механизмов инжекции кадра и передачи его по кольцу, необходим и механизм удаления кадра из кольца. Здесь существует два варианта действий. Первый из них возлагает эту задачу на станцию назначения. Второй, более предпочтительный, позволяет кадру возвратиться к отославшему его интерфейсу, который и отправляет его своей станции для удаления. Такая процедура решает задачу подтверждения доставки кадра, а при необходимости, и повторной его передачи.

Основным элементом механизма управления кольцом являются правила генерации маркеров, управления их состоянием, восстановления в случае потери и т.д. Именно правилами освобождения маркера после завершения передачи кадра определяются три возможных режима работы маркерного кольца.

1. Первый режим предусматривает генерацию маркера в состоянии «свободен» сразу же после передачи станцией последнего бита своего кадра. Это минимизирует время, требуемое для получения свободного маркера другой станцией, и позволяет, если кадры короткие и кольцо большое, одновременно иметь несколько кадров в разных участках кольца. Очевидно, что в этом режиме требуется инжекция в кольцо нескольких маркеров. Поэтому, такой режим получил название многомаркерного.

2. Второй режим, – одномаркерный, - свободный маркер генерируется станцией сразу после возвращения к ней первого бита последнего из переданных ею кадра, т.е. до завершения приема и удаления из кольца этого кадра. Очевидно, что маркер совершает полный оборот по кольцу, находясь в состоянии «Занят». Отличия первого и второго режимов работы кольца проявляются, когда время кольца больше времени передачи кадра. В такой ситуации будет возникать некоторый временной интервал между передачей в кольцо последнего бита кадра и появлением в кольце свободного маркера. Этот режим допускает одновременное наличие в кольце битов двух кадров, но лишь одного маркера в состояние «свободен».

3. Третий режим, обычно называемый однокадровым, также является одномаркерным и предполагает освобождение маркера лишь после получения станцией-отправителем всех битов последнего переданного ею кадра; в этом случае возникает возможность проверки наличия в прошедшем по кольцу кадре ошибок. Если ошибки обнаруживаются, то производится повторная передача этого кадра. Ясно, что такой алгоритм обеспечивает наличие в кольце в любой момент лишь одного кадра, а маркер совершает полный оборот по кольцу, находясь в состоянии «Занято».

Все технологии маркерного доступа тем, или иным, образом ограничивают возможность вести передачу станции, которая владеет маркером. Эти ограничения накладываются либо на число кадров, которые могут быть переданы (например, только один кадр), либо на время, в течение которого станция может вести передачу. Так, стандарт IEEE 802.5 (Token Ring, 4 и 16 Mбит/с) ограничивает время передачи 10 мс. Ясно, что эти ограничения оказывают свое влияние на производительность алгоритма.

Получим выражения для оценки максимальной производительности маркерного метода доступа к среде в рассмотренных выше трех режимах. Предположим, что только один кадр может быть передан станцией в кольцо за время владения маркером. Обозначим - полное время кольцевой задержки (сек) и - нормированное время кольцевой задержки; они описываются следующими выражениями

.

В этих выражениях:

- время распространения сигнала по кольцу, - задержка в интерфейсе, измеренная количеством битовых интервалов, M – число интерфейсов в кольце, Е[X] – средняя длительность интервала передачи кадра, R - скорость интерфейса (бит/сек).

Определим производительность алгоритма доступа как отношение времени, в течение которого среда передачи занята передачей бит М кадров к полному времени передачи всех этих кадров, с учетом особенности режима доступа к кольцу. При этом будем считать, что станции всегда имеют кадры для передачи, т.е. кольцо не «простаивает» по причине отсутствия данных. В этих условиях производительность алгоритма доступа (использование среды передачи) достигает своей максимальной величины.

В многомаркерном режиме станция передает кадр (время E[X]) и генерирует свободный маркер, время передачи которого к следующей станции равно . Следовательно, общее время, затрачиваемое всеми станциями на передачу своих кадров, будет равно . Соответственно, максимальная производительность кольца определится соотношением

. (4.10)

В одномаркерном режиме время занятости кольца, необходимое для передачи одного кадра, равно - если длительность передачи кадра меньше времени кольца (короткий кадр) и E[X] – в случае «длинного» кадра; в общем случае, время, затрачиваемое на передачу кадра равно максимальной из величин . Следовательно:

. (4.11)

Слагаемое в знаменателе выражения (4.11) отражает совокупные затраты времени на передачу освобожденного маркера следующей станции кольца.

Наконец, в однокадровом режиме эффективное время передачи кадра всегда равно Е[X] + ; второе слагаемое учитывает необходимость полного обхода кольца кадром, прежде чем маркер будет передан следующей станции. Следовательно,

(4.12)

На рис.4.14 представлены зависимости для рассмотренных режимов маркерного доступа.

Самой высокой производительностью обладает алгоритм многомаркерного доступа, что вполне ожидаемо. Наиболее низкую производительность демонстрирует однокадровый алгоритм, предусматривающий наличие в кольце в любой момент времени не более одного кадра. При этом, для больших значений , т.е., когда кольцевая задержка много больше времени передачи кадра, производительность однокадрового и одномаркерного алгоритмов становится почти одинаковой и приближается к значению . Такая ситуация возможна либо при очень большом диаметре кольца, либо при очень высокой скорости передачи. Обратим также внимание на то, что при малых значениях нормированной задержки передачи ( ) производительность многомаркерного и одномаркерного режимов становятся одинаковыми (в обоих режимах кольцо полностью «занято» передаваемыми битами одного кадра).

Рассмотрение характеристик алгоритмов маркерного доступа завершим результатами исследования среднего времени ожидания доступа к среде. Приведенные ниже выражения получены в предположении, что время передачи кадра (Х) включает в себя и полное время передачи маркера (последнее пренебрежимо мало).

Для кольца, работающего в многомаркерном режиме, и при ограничении «один кадр/маркер» среднее время ожидания доступа к среде (E[t_w]), нормированное к средней продолжительности передача кадра, описывается выражением*)

(4.13)

Из выражения (4.13.) хорошо видно, что когда нагрузка кольца становится близкой к нормированное время ожидания существенно увеличивается; это является достаточно естественным, т.к. стремление к означает все более полную загрузку кольца кадрами. Эта предельная нагрузка хорошо согласуется с выражением (4.10). Рис. 4.15 отражает поведение времени задержки в зависимости от величин и .

Для однокадрового режима работы аналогичная зависимость описывается выражением (4.14), а графики, соответствующие ей, приведены на рис.4.16.

, (4.14)

Напомним, что в однокадровом режиме маркер не освобождается до момента прибытия последнего бита кадра на интерфейс станции, с которой он был отправлен. Сравнение рис. 4.15 и рис.4.16 показывает, что нормированное время ожидания передачи в однокадровом режиме оказывается существенно более чувствительным к величине нормированной кольцевой задержки ( ) и когда она становится больше 1, многомаркеный режим кольца является предпочтительным.

Оценим максимальное время доступа к среде в режиме многомаркерного доступа. Напомним, что максимальное время доступа к среде по методу МДКН может быть бесконечно большим, поскольку станция может оказаться «неудачливой» настолько, что любая ее попытка начать передачу будет приводить к коллизии. Для регулярных алгоритмов время доступа к среде всегда является конечной величиной. Узел А (для определенности) будет максимально долго ждать разрешение на доступ к среде в ситуации когда:

1. он получает кадр для передачи сразу после начала передачи предыдущего кадра и

2. все станции кольца имеют кадры для передачи.

Ясно, что этот узел должен будет завершить передачу текущего кадра, затратив на это X=L/R сек., отдать маркер другой станции и ждать пока все остальные (М-1) станций кольца передадут свои кадры. Таким образом

.

При = 8 мкС, M=32, L=4 кБ и R=16 Mбит/с получаем (t_w)_max= 64 мС – это величина вполне приемлемая даже для аудиотрафика.