Введение в сети передачи данных

10.2. Метод доступа к сети

Метод доступа определяет алгоритм, согласно которому узлы сети получают доступ к среде передачи данных и осуществляют мультиплексирование/ демультиплексирование данных.

В 1970-х годах Норман Абрахамсон вместе с сотрудниками Гавайского университета предложил оригинальный способ решения проблемы доступа к сети, который был назван позднее ALOHA. Этот алгоритм использовался для доступа к радиоканалу большого числа независимых пользователей. ALOHA разрешает всем пользователям передачу тогда, когда им это оказалось нужно. При этом неизбежны столкновения и искажения передаваемых данных. Алгоритм, благодаря обратной связи, позволяет отправителям узнать, были ли данные в процессе передачи искажены. Если зарегистрировано такое столкновение, все вовлеченные участники выжидают некоторое время и предпринимают повторную попытку. Время выдержки выбирается случайным образом, что делает повторные столкновения менее вероятными.

Принципиальное отличие алгоритма ALOHA от CSMA/CD (используемого в Ethernet) с точки зрения столкновений заключается в том, что в первом случае столкновения детектируются на входе получателя, а во втором – на выходе отправителя.

Мультиплексирование можно осуществлять по частоте (по длине волны — FDM ), предоставляя разным клиентам разные частотные диапазоны, или по времени ( TDM ), разрешая доступ клиентов к сетевой среде по очереди и резервируя каждому из них для работы фиксированные последовательные временные интервалы. При этом необходима синхронизация работы всех участников процесса. В последнее время стало использоваться также мультиплексирование по кодам CDMA (Code Division Multiple Access), где каждому участнику выделяется уникальный чип-код и допускается использование всеми клиентами всего частотного диапазона в любой момент времени.

Большая часть современных локальных сетей базируется на алгоритме доступа CSMA/CD (Carrier Sensitive Multiple Access with Collision Detection), где все узлы имеют равные возможности доступа к сетевой среде, а при одновременной попытке фиксируется столкновение и сеанс передачи повторяется позднее. Ряд разновидностей такого протокола рассмотрели Кляйнрок и Тобаги еще в 1975 году. После передачи очередного пакета (кадра) обычно делается некоторая пауза. После этого любой узел, подключенный к сетевому сегменту, может попытать счастья. Модификацией CSMA-алгоритма является схема, в которой после передачи кадра выделяется определенный временной домен (соревнования), когда претенденты могут выяснять отношения между собой. При столкновении начало передачи возможно только во время очередного домена соревнования. В этой модификации должен быть предусмотрен некоторый механизм синхронизации и исключения бесконечной череды столкновений.

Алгоритм CSMA предпочтительнее ALOHA, так как здесь ни один из пользователей не начинает передачу, если канал занят. Этот способ доступа покрывается патентами США 4063220 и 4099024 (Ксерокс), но IEEE имеет соглашение с этой компанией, которое разрешает использовать данный алгоритм без каких-либо ограничений. Здесь нет возможности приоритетного доступа, и по этой причине такие сети плохо приспособлены для задач управления в реальном масштабе времени. Некоторое видоизменение алгоритма CSMA/CD (как это сделано в сетях CAN или в IBM DSDB) позволяют преодолеть эти ограничения. Доступ по схеме CSMA/CD (из-за столкновений) предполагает ограничение на минимальную длину пакета. По существу метод доступа CSMA/CD (в полудуплексном случае) предполагает широковещательную передачу пакетов (не путать с широковещательной адресацией). Все рабочие станции логического сетевого сегмента воспринимают эти пакеты хотя бы частично, чтобы прочесть адресную часть. При широковещательной адресации пакеты не только считываются целиком в буфер, но и производится прерывание процессора для обработки факта прихода такого пакета.

Логика поведения субъектов в сети с доступом CSMA/CD может варьироваться. Здесь существенную роль играет то, синхронизовано ли время доступа у этих субъектов. В случае Ethernet такой синхронизации нет. В общем случае при наличии синхронизации возможны следующие алгоритмы:

А.

1. Если канал свободен, терминал передает пакет с вероятностью 1.
2. Если канал занят, терминал ждет его освобождения, после чего производится передача.

Б.

1. Если канал свободен, терминал передает пакет.
2. Если канал занят, терминал определяет время следующей попытки передачи. Это время может задаваться некоторым статистическим распределением.

В.

1. Если канал свободен, терминал с вероятностью р передает пакет, а с вероятностью 1р он откладывает передачу на t секунд (например, на следующий временной домен).
2. При повторении попытки в случае свободного канала алгоритм не изменяется.
3. Если канал занят, терминал ждет, пока канал не освободится, после чего действует снова согласно алгоритму пункта 1.

Алгоритм А на первый взгляд представляется привлекательным, но в нем заложена возможность столкновений с вероятностью 100%. Алгоритмы Б и В более устойчивы в отношении этой проблемы.

Эффективность алгоритма CSMA зависит от того, как быстро передающая сторона узнает о факте столкновения и прерывает передачу, ведь продолжение бессмысленно — данные уже повреждены. Это время зависит от длины сетевого сегмента и задержек в оборудовании сегмента. Удвоенное значение задержки определяет минимальную длину пакета, передаваемого в такой сети. Если пакет короче, он может быть передан так, что передающая сторона не узнает о его повреждении в результате столкновения. Для современных локальных сетей Ethernet, построенных на переключателях и полнодуплексных соединениях, эта проблема неактуальна.

С целью пояснения этого утверждения рассмотрим случай, когда одна из станций (1) передает пакет самой удаленной ЭВМ (2) в данном сетевом сегменте. Время распространения сигнала до этой машины пусть равно Т. Предположим также, что машина (2) попытается начать передачу как раз в момент прихода пакета от станции (1). В этом случае станция (1) узнает о столкновении лишь спустя время 2Т после начала передачи (время распространения сигнала от (1) до (2) плюс время распространения сигнала столкновения от (2) к (1)). Следует учитывать, что регистрация столкновения — это аналоговый процесс и передающая станция должна "прослушивать" сигнал в кабеле в процессе передачи, сравнивая результат чтения с тем, что она передает. Важно, чтобы схема кодирования сигнала допускала детектирование столкновения. Например, сумма двух сигналов с уровнем 0 этого сделать не позволит. Можно подумать, что передача короткого пакета с искажением из-за столкновения — не такая уж большая беда, проблему может решить контроль доставки и повторная передача.

Следует только учесть, что повторная передача в случае зарегистрированного интерфейсом столкновения осуществляется самим интерфейсом, а повторная передача в случае контроля доставки по отклику выполняется прикладным процессом, требуя ресурсов центрального процессора рабочей станции.

Сопоставление эффективности использования канала для различных протоколов произвольного доступа произведено на рис. 10.5.

Рис. 10.5. Сравнение эффективности канала для различных протоколов произвольного доступа и разных значений p

Протокол доступа CSMA может предполагать, что когда канал оказывается свободным, а рабочая станция готова начать передачу, реальная пересылка кадра в рамках заданного временного домена происходит с определенной вероятностью p. С вероятностью 1-р передача будет отложена до следующего временного домена. В следующем домене, если канал свободен, с вероятностью р осуществится передача или будет отложена до следующего домена и так далее. Процесс продолжается до тех пор, пока кадр не будет передан. На рисунке эта вероятность р отмечена цифрами после аббревиатуры "CSMA". В случае Ethernet эта вероятность равна единице (CSMA-1) [46, Э. Таненбаум, стр. 302], то есть рабочая станция безусловно начнет передачу, если она к этому готова, а канал свободен. Из рисунка видно, что чем меньше эта вероятность, тем выше эффективность (среднее время доступа к сетевой среде также увеличивается). Очевидно, что все разновидности протокола доступа CSMA эффективнее протокола ALOHA в обеих его разновидностях. Связано это с тем, что ни одна станция не начинает передачу, если обнаружит, что сетевая среда занята. Существует еще одна разновидность протокола CSMA ( nonpersistent ), в которой сетевой субъект при готовности анализирует состояние сетевой среды и, если канал занят, возобновляет попытку спустя псевдослучайный интервал времени, то есть ведет себя так, будто произошло столкновение. Такой алгоритм повышает эффективность использования канала при существенном возрастании усредненной задержки доступа.

Здесь уместно обратить внимание на то, что если загрузка канала невелика, а требуется малая задержка доступа к каналу, то лучше алгоритма ALOHA трудно что-либо придумать. Напротив, когда задержка доступа несущественна, а загрузка канала велика, то следует использовать одну из разновидностей протокола доступа CSMA или один из протоколов, исключающих возможность столкновения кадров. Такие алгоритмы описаны ниже.

Рассмотрим, как можно избежать проблем столкновений пакетов. Пусть к сетевому сегменту подключено N рабочих станций. После передачи любого пакета выделяется N временных интервалов. Каждой подключенной к сетевому сегменту машине ставится в соответствие один из этих интервалов длительностью L. Если машина имеет данные и готова начать передачу, она записывает в этот интервал бит, равный 1. По завершении этих N интервалов рабочие станции по очереди, определяемой номером приписанного интервала, передают свои пакеты (см. рис. 10.6, N = 8 ).

Рис. 10.6.

В примере на рис. 10.6 сначала право передачи получают станции 0, 2 и 6, а в следующем цикле — 2 и 5 (пересылаемые пакеты окрашены в серый цвет). Если рабочая станция захочет что-то передать, когда ее интервал (домен) уже прошел, ей придется ждать следующего цикла. По существу данный алгоритм является протоколом резервирования. Машина сообщает о своих намерениях до того, как начинает что-либо передавать. Чем больше ЭВМ подключено к сетевому сегменту, тем больше временных интервалов должно быть зарезервировано и тем ниже эффективность сети. Понятно, что эффективность растет с ростом L.

Вариация данного алгоритма доступа реализована в сетях сбора данных реального времени CAN (Controller Area Network — http://www.kvaser.se/can/protocol/index.htm — алгоритм доступа CSMA/CA — collision avoidance — с исключением столкновений). Там в указанные выше интервалы записывается код приоритета рабочей станции. Причем станции должны быть синхронизованы и начинать запись своего уникального кода одновременно, если все или часть из них готовы начать передачу. Эти сигналы на шине суммируются с помощью операции "проволочное ИЛИ" (если хотя бы один из участников выставляет логическую единицу, на шине будет низкий уровень). В процессе побитового арбитража каждый передатчик сравнивает уровень передаваемого сигнала с реальным уровнем на шине. Если эти уровни идентичны, он может продолжить, в противном случае передача прерывается и шина остается в распоряжении более приоритетного кадра. Для пояснения работы алгоритма предположим, что N = 5 и одновременно производится попытка начать передачу станции с кодами приоритета 10000, 10100, и 00100. Первыми будут посланы станциями биты 1, 1 и 0. Третья станция сразу выбывает из конкурса (ее бит равен 0). Первая и вторая продолжают передачу. На следующем такте станции передадут биты 0 и 0, что позволяет им продолжить передачу. На третьем такте они выдадут 0 и 1, что вынудит первую станцию выбыть из соревнования. Оставшаяся станция ( 10100 ) продолжит передачу кода приоритета, а затем и данных. Число рабочих станций, подключенных к сетевому сегменту, может достигать 2^N-1. Необходимость синхронизации ограничивает длину сетевого сегмента или быстродействие передачи.

Базовыми характеристиками алгоритмов доступа являются задержка при малых загрузках и эффективность канала при загрузках больших. Предположим, что k станций борются за доступ к каналу, каждая из них имеет вероятность р осуществить передачу. Вероятность того, что станция получит доступ к каналу при данной попытке, равна kp(1-p)^k-1. Чтобы найти оптимальное значение p, продифференцируем полученное выражение вероятности по p, а результат приравняем к нулю. После преобразования получается, что оптимальным значением является p = 1/k. Подставив это значение в выражение вероятности успешного доступа, получим

Для малого числа станций вероятность получить доступ к каналу относительно высока, но уже при k = 3 - 5 вероятность приближается к асимптотическому значению 1/e.

Существует еще один относительно эффективный алгоритм доступа к каналу, называемый адаптивным протоколом перебора. Рассмотрим случай, когда в сетевом сегменте имеется 8 активных станций. На базе этих станций строится дерево (см. рис. 10.7).

Рис. 10.7. Алгоритм адаптивного обхода

Первая ниша доступа следует за очередной успешной передачей и соответствует узлу дерева 0 (на рис. 10.7 не показан). В этом узле всем станциям предоставлена возможность доступа. Если одна из них его получила, очень хорошо. Если же произошло столкновение, то в нише узла 1 до конкурса допускаются станции, связанные с узлом 2 (А, Б, В и Г). Если одна из них получила доступ, в нише, следующей за переданным кадром, будут соревноваться станции, связанные с узлом 3 (Д, Е, Ж и З). Если же на предшествующем этапе произошло столкновение, следующая попытка предоставляется станциям, связанным узлом 4 (А и Б), и т.д. Если столкновение произошло в нише узла 0, то сначала исследуется все дерево, чтобы выявить все готовые к передаче станции. Каждая бит-ниша ассоциируется с определенным узлом дерева. Если происходит столкновение, поиск продолжается рекурсивно для правой и левой ветвей узла. Если бит-ниша пассивна (нет заявок на передачу) или если имеется только одна станция-претендент, поиск будет прерван, так как все станции-претенденты найдены. Существует достаточно большое число вариаций данного алгоритма доступа к сети.