Коммутация пакетов Технология Fast ethernet Технология Gigabit ethernet Технология FDDI Технология виртуальных сетей Структура глобальной сети Информационные сети

Основные принципы технологии АТМ Технология мобильных сетей Организация физических и логических каналов в стандарте GSM Схема взаимодействия локальных, городских и глобальных вычислительных сетей Удаленный доступ


Учебник по информационным технологиям. Информационные сети

Методы уплотнения.

Различают временное и частотное уплотнение каналов. Временное уплотнение реализуется при помощи мультиплексора, предоставляющего каждому из подключенных к общему каналу низко скоростных устройств один временной такт, в течение которого это устройство получает в свое монопольное пользование быстродействующий канал, обслуживающий всю совокупность таких устройств.

Сами устройства выдают данные со свойственным им быстродействием, поэтому используются короткие временные такты и каждое из устройств может часто обращаться к общему каналу. На противоположном конце канала необходим демультиплексор для идентификации данных, поступающих в потоке, и распределении их по отдельным устройствам. Применение метода временного уплотнения, при котором используются фиксированные временные такты, достаточно эффективно, если каждое из устройств постоянно передает или принимает информацию. Подобная ситуация на практике встречается исключительно редко.

Принцип, на котором основывается метод статистического временного уплотнения заключается в том, что временные такты предоставляются устройству лишь тогда, когда оно в них действительно нуждается. Устройства, подключенные к такому мультиплексору, могут соперничать друг с другом за право доступа к общему каналу. Однако маловероятно, чтобы все они одновременно требовали использования разделяемого канала. Поэтому при одинаковой пропускной способности статистический мультиплексор сможет поддержать большее количество устройств, чем обычный мультиплексор с временным уплотнением. Статистический мультиплексор, очевидно, должен быть в достаточной степени «интеллектуальным» для того, чтобы определить, какому из устройств требуется такт, а также для того, чтобы выполнить обычную функцию уплотнения в том случае, когда нескольким устройствам одновременно требуется общий канал.

При использовании частотного уплотнения широкая полоса пропускания некоторой среды передачи данных разделяется на некоторое число индивидуальных каналов.

Рассмотренные методы уплотнения успешно применяют в локальных сетях. Кроме того, для локальных сетей разработаны новые разновидности этих методов для различных передающих сред, топологических структур и режимов работы. В локальных сетях редко применяется центральный мультиплексор с разделением времени или концентратор для распределения пропускной способности сети. Вместо этого ответственность за распределение пропускной способности сети обычно распределяется между всеми станциями, имеющими доступ к сети. Рабочие частоты назначаются супервизором сети, а в более сложных системах специальным управляющим устройством. Фирма IBM

Метод вставки регистра.

Системы, использующие метод вставки регистра, применяют в локальных сетях с кольцевой топологией. Принцип их работы следующий. Когда узел имеет информацию для передачи, он помещает ее в сдвиговой регистр. Этот регистр может быть последовательно включен (вставлен) в канал, обеспечивая передачу как собственной информации, так и транзитной. Регистр остается включенным в кольцо до тех пор, пока в него полностью не загрузится переданный ранее этим узлом пакет. Узел-получатель пакета должен прочитать данные и вставить признак того, что данные приняты. Ответственность за удаление пакета из кольца несет узел-источник информации.

Метод с тактируемым доступом

Системы, использующие метод с тактируемым доступом, реализуют в локальных сетях с кольцевой топологией. Для них не нужны сдвиговые регистры и высокоскоростные переключатели в повторителях или подключаемых к кольцу узлах. Здесь используется один или несколько контейнерных пакетов, или тактов, непрерывно циркулирующих по кольцу. Их число никогда не меняется и определяется длиной такта, общей длиной кольца и процедурой начального запуска кольца. Если кольцо очень короткое, то короткими должны быть и используемые такты, а их число невелико, иначе придется вставлять в кольцо буфер с задержкой, так как начало такта может возвратиться к отправителю раньше, чем тот завершит передачу данного пакета. По этой причине во многих практических реализациях кольцевых сетей с тактируемым доступом применяется только один короткий такт и буфер с задержкой. В момент запуска кольца один из повторителей или узлов формирует пакет-контейнер и отправляет его по кольцу. Если он вернется к отправителю, то это будет означать, что кольцо замкнуто, и можно начинать работу.

В данном методе, несмотря на явные потери времени из-за того, что заполненный пакет-контейнер вынужден совершать полный оборот, он используется как для передачи данных в прямом направлении, так и для доставки подтверждения на обратном пути.

При данном методе за ошибками в сети обычно следит специальное устройство, которое освобождает пакет-контейнер, проходящий мимо данного устройства в неизменном состоянии более одного раза, а также отвечает за запуск сети в работу.

Методы случайного доступа.

Если нескольким узлам разрешить одновременно пересылать пакеты, то может произойти их столкновение, в результате которого информация будет испорчена. В системах случайного доступа необходимо как можно быстрее удалить поврежденные при столкновениях пакеты и освободить канал для последующих передач пакетов. Наиболее просто это реализуется в структурах с общей шиной, где удаление пакетов происходит автоматически за короткий промежуток времени. Поэтому локальные сети, в которых реализованы методы случайного доступа, имеют логическую структуру «общая шина».

Простейшая система случайного доступа, осуществляющая множественный доступ к среде передачи состоит из двух каналов: один отведен для передачи сообщений от ЭВМ к терминалам, другой - от терминалов к ЭВМ. В первом канале используется только одно передающее устройство, поэтому никаких трудностей с распределением канала не возникает, второй же канал используется всеми терминалами. Такая сеть впервые была создана в Гавайском университете и носит название ALOHA.

Если у некоторого терминала имеется пакет, готовый к отправке, терминал передает этот пакет, не обращая внимания на то, занят канал в данный момент или нет. По завершению передачи пакета терминал запускает таймер. Если по истечении определенного времени терминал не получил подтверждения от центральной ЭВМ о приеме пакета, то считается, что произошло столкновение, и терминал повторяет передачу того же пакета. Для уменьшения вероятности повторного конфликта между теми же пакетами интервал, через который терминал повторит передачу пакета, задается случайным образом.

Приемник на центральной ЭВМ принимает как нормальные, так и искаженные пакеты. Каждый пакет проверяется на наличие ошибок. Если в пакете ошибок не обнаружено, то по каналу ЭВМ - терминал, для которого конфликтная ситуация, вызываемая столкновением пакетов, исключена, посылается подтверждение о получении. Если обнаруживается ошибка, то подтверждение не посылается.

Даже если длительность временного промежутка, в течение которого происходит наложение пакетов, очень мала, оба пакета искажаются и их необходимо передавать заново.

Суммарная продолжительность потерянного при передаче времени исчисляется от начала передачи первого пакета до завершения передачи второго. Преимущество такой системы состоит в простоте ее реализации, а недостаток - в очень низком коэффициенте использования тракта передачи (не более 19%) при большой нагрузке на сеть.

Одним из способов повышения производительности сети является тактирование. Центральная ЭВМ формирует серию последовательных временных тактов (слот-тайм), и передача пакета осуществляется только в начале каждого такта. Следовательно, конфликт может возникнуть лишь в начальной фазе такта. Подобный прием позволяет почти удвоить коэффициент использования тракта (до 37 %).

Другой способ уменьшения вероятности столкновения пакетов реализован в системе множественного доступа с контролем носителя (МДКН), в которой посылка пакета начинается только после освобождения среды передачи (носителя информации). Столкновения в системе МДКН возможны лишь в случае, когда два или более узла одновременно пытаются переслать пакет сразу после освобождения канала. Поэтому существуют различные способы начала передачи пакета. В соответствии с этими способами, системы МДКН подразделяются на системы I-, N- и p-типа.

В системах I-типа передача пакета начинается сразу же после освобождения тракта передачи. Вероятность возникновения столкновений в такой системе больше, чем для систем р- и N-типа.

В системах N-типа, если канал оказывается занятым, передача пакета откладывается на более поздний момент, чем освобождение тракта передачи, и с учетом этого осуществляется корректировка расписания пересылки пакетов. Вероятность возникновения столкновений в такой системе незначительна, однако существенно возрастает вероятность простоя канала, а коэффициент использования тракта передачи остается в целом невысоким.

Система р-типа представляет собой некий компромиссный вариант систем I-типа и N-типа. В этой системе после освобождения носителя посылка пакета начинается с вероятностью р, поэтому такой метод еще называют p-настойчивым МДКН. Если известна зависимость между вероятностью появления запроса на передачу пакета и длительностью передачи, то можно определить оптимальное значение вероятности р. Использование оптимальной величины р обеспечивает небольшие вероятности возникновения столкновений и простоя тракта передачи.

Теоретические верхние границы коэффициента использования тракта передачи для систем I-, р- и N-типа соответственно составляют: 52, 83, 81 %.

В локальных сетях, реализующих метод МДКН, как и в сетях типа ALOHA, факт приема посланных данных устанавливается с помощью подтверждения, посылаемого в виде специального пакета с приемного узла узлу-отправителю.

В случае, когда узел, пересылающий пакет, не может узнать о имеющем место в процессе передачи столкновении и продолжает передавать пакет, информационный канал сети работает вхолостую. Если же такой узел своевременно оповещен о столкновении, то коэффициент использования тракта передачи данных повышается путем прерывания передачи пакетов из всех тех узлов, которые имеют отношение к столкновению. Кроме того, если известно, что пакеты не разрушены в результате столкновения, то можно считать, что пакет достиг адресата.

Система МДКН I-типа, в которой предусмотрено обнаружение столкновении, называется системой множественного доступа с контролем носителя и обнаружением столкновений (МДКН/ОС).

Посылка и прием пакетов в локальной сети с МДКН/ОС иллюстрирует рис. 60. При столкновений пакетов необходима повторная их передача. Время Тож, по истечении которого пакет посылается вторично, обычно определяется по следующим методам: с использованием константы, линейного замедления, двоичного экспоненциального алгоритма замедления.

Рис. 60. Временная диаграмма МДКН/ОС

В методе с использованием константы (используемом в системах ALOHA и с МДКН) искомый интервал является целым кратным длительности установленного для системы кванта и определяется как произведение случайного числа R (0 < R < 1) и константы К:

Тож = RK. (3.1)

Согласно методу линейного замедления, искомый интервал в квантах определяется как случайное число R, умноженное на произведение константы К и числа столкновений в конкретной передаче на рассматриваемый момент времени n:

Тож = R(Kn), (3.2)

здесь частоту столкновений п можно рассматривать как один из критериев, характеризующих количество запросов на передачу.

Таким образом, введение замедления при возрастании числа столкновений является своеобразной формой управления перегрузками в локальной сети.

По методу двоичного экспоненциального алгоритма замедления интервал ожидания повторной посылки равен:

Тож = 2nRK.  (3.3)

Для этого метода характерно, что даже при возрастании числа запросов на передачу производительность системы не снижается, поэтому он нашел применение практически во всех локальных сетях, реализующих МДКН/ОС. МДКН/ОС на практике оказался очень эффективным, при нем коэффициент использования тракта передачи достигает более 90 %. В локальных сетях, реализующих этот метод, не требуется специальных подтверждений приема отдельных пакетов для информирования отправителя о том, что посланный пакет не был искажен при передаче. Однако на практике имеют место различные недостатки. случаи разрушения пакетов по различным причинам, например из-за помех. Кроме того, может оказаться, что емкость буфера недостаточна для приема пакетов, в результате чего. Другими словами, процедуры распределения каналов и приема пакетов не всегда удачно согласованы.

Для устранения таких недостатков как разрушение пакетов из-за помех и недостаточных размеров буфера, в результате чего даже при отсутствии столкновений посланные пакеты не могут использоваться абонентом, несмотря на то, что они до него дошли, была разработана система с подтверждением, обеспечивающая следующие возможности:

• с приемом каждого информационного пакета осуществляется посылка в

обратном направлении пакета с подтверждающим ответом;

• пересылка обоих пакетов (информационного и с подтверждающим отве-

том) по одному и тому же каналу;

• отсутствие столкновения пакета с подтверждающим ответом с другими

пакетами.

Рис. 61. Временная диаграмма МДКС/ОС с подтверждением

Узел такой системы, имеющий запросы на передачу, посылает пакеты только при возможности неоднократного использования канала после получения подтверждения о том, что он свободен, и по истечении определенной паузы, называемой основным временем ожидания (рис. 61). Время ожидания определяется как сумма времени распространения сигнала в передающей среде в прямом и обратном направлениях и времени задержки от момента окончания приема информационного пакета до начала передачи пакета с подтверждающим ответом. Узел, принявший информационный пакет, старается как можно быстрее отослать подтверждение. Пакет с подтверждающим ответом всегда имеет приоритет перед информационным пакетом. В течение основного времени ожидания передающий узел либо принимает пакеты с подтверждением, либо ждет окончания основного времени ожидания прежде, чем принять решение о необходимости повторной посылки искаженного пакета.

Принцип работы систем с подтверждением основывается, как правило, на методах МДКН и МДКН/ОС. Примерами таких систем являются OMNINET и Acknowledging Ethernet.


Технология мобильных сетей