Двумя основными способами доступа к общей среде передачи являются управляемый доступ с применением опроса и случайный доступ. В свою очередь, существуют различные типы стратегий случайного доступа.

Методы случайного доступа полностью децентрализованы. Пользователь может передавать сообщения когда угодно, лишь с незначительными ограничениями, зависящими от метода доступа.

Из-за случайности моментов времени, в которые пользователи могут решить начать передачу, независимо от метода не исключена возможность того, что два или несколько пользователей могут выйти на связь в пересекающиеся промежутки времени. Это приводит к столкновениям (коллизиям), которые сначала должны быть распознаны, а затем разрешены. При увеличении нагрузки увеличивается и вероятность коллизий, что приводит к возможной неустойчивости работы рассматриваемых механизмов.

В результате производительность ограничивается некоторым максимальным значением, меньшим пропускной способности канала, и это значение в каждом случае зависит от первоначального механизма доступа и алгоритма разрешения коллизий.

Сначала методы случайного доступа были предложены для случаев, когда большое число пользователей пытались довольно редко передавать пачки сообщений или когда друг с другом связывалось небольшое число ЭВМ. Но применительно к производственным процессам, которые требуют строгого управления задержкой доступа, более предпочтителен управляемый доступ. Рассмотрим два простейших типа стратегии случайного доступа: чистую Алоху и синхронную Алоху [36].

Чистая Алоха. Эта схема сначала была применена для доступа к общему каналу сотрудниками Гавайского университета в начале 1970-х гг. По этой схеме пользователь, желающий передать сообщение, делает это когда угодно. В результате два или несколько сообщений могли наложиться во времени, вызвав столкновение (коллизию).

Распознавание коллизий и сообщение о них пострадавшим пользователям в первоначальной системе Алоха направлялись по радио на центральный пункт. Это могло осуществляться также путем применения положительных подтверждений в сочетании с перерывом. При обнаружении столкновения пострадавшие станции предпринимают попытки повторной передачи потерянного сообщения, но они должны распределять время попыток случайным образом, следуя некоторому алгоритму уменьшения вероятности нового конфликта.

Стратегия доступа типа чистой Алохи позволяет добиться производительности самое большее 1/2е = 0,18 пропускной способности канала. Рассмотрим пример, вводя одновременно некоторые определения. За доступ к каналу состязаются N станций. Станция передает в среднем X пакетов в секунду (интенсивность обращений к сети). Величина Мт представляет собой пропускную способность канала (р) в передаваемых пакетах в секунду. В случае, если передаваемые сообщения (пакеты) имеют среднюю длину т, соответствующую т единицам времени передачи, будем считать, что интенсивность нагрузки S (эквивалентна р-норми-рованной по ц нагрузке) характеризует использование канала вновь поступающими пакетами:

Величина 1/т, которая обозначается ц, представляет собой пропускную способность канала, измеряемую в передаваемых пакетах в секунду. Таким образом, = Шлг - относительное использование канала, или производительность, нормированная относительно Ц --■ Общая интенсивность пакетов, передавае-т мых в канал, включая вновь генерируемые и передаваемые повторно, имеет некоторое значение X' > X. Тогда фактическая интенсивность нагрузки, или использование канала, является параметром О, который равен: О = Ш!т.

Рассмотрим типичное сообщение длительностью т (рис. 6.18). Оно подвергается столкновению с другим сообщением, если эти два сообщения будут наложены одно на другое в любой точке. Легко заметить, "передвигая" пунктирное сообщение во времени, что столкновение может произойти в промежутке продолжительностью 2т с. Вероятность того, что в промежутке 2т с не произойдет столкновения, равна: е^ш=е~^2с.

Рис. 6.18. Диаграмма столкновения двух сообщений Отношение 5/О представляет долю сообщений из числа передаваемых в канал, которые проходят успешно. Это число должно быть равно вероятности отсутствия столкновений. Таким образом, уравнение производительности для чистой Алохи имеет вид:

График зависимости О от 5 имеет вид двузначной кривой (рис. 6.19).

Отметим, что 5имеет максимум: Л' - 0,5е¹~ 0,18 при О = 0,5. Судя по формуле (6.1) или кривой при малой поступающей нагрузке 5, столкновения происходят редко, и О ~ 5. Когда 5 начи-

Рис. 6.19. Кривая производительности при чистой Алохе нает расти, приближаясь к максимальному значению 0,18, число столкновений быстро увеличивается, что ведет, в свою очередь, к росту вероятности столкновения. Система теряет устойчивость, S падает, а О увеличивается до больших значений.

Синхронная Алоха. Максимально возможная производительность схемы чистой Ал охи может быть удвоена с помощью простого приема разметки шкалы времени и разрешения пользователям начинать попытки передачи сообщений только в начале каждого временного интервала т (равного длительности сообщения). Эта схема требует, чтобы работа всех пользователей системы была синхронизирована во времени. Пример работы такой системы показан на рис. 6.20, на котором одно сообщение передано успешно, а с другим произошло столкновение.

Поскольку сообщения могут быть переданы только в размеченные промежутки времени, столкновения происходят, лишь когда одна или несколько попыток передачи совершаются в том же промежутке.

Вероятность успешной передачи задается в виде е'°, а уравнение производительности для синхронной Алохи имеет вид:

Нормированная производительность 5 достигает максимального значения: 1/е ~ 0,368 при О - , Зависимость пропущенной нагрузки от производительности для синхронной Алохи показана на рис. 6.21, где она сравнивается с соответствующей зависимостью для чистой Алохи.

Рис. 6.21. Кривые производительности при чистой и синхронной Алохе Из приведенной характеристики видно, что ввиду двух возможных значений G при заданной производительности S для этой системы доступа также характерна неустойчивость.

Случайный доступ типа МДПН/ОС (CSMA/CD). Протокол многостанционного доступа с проверкой несущей и обнаружением столкновений (МДПН/ОС, CSMA/CD - Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) основан на методе чистой Алохи и позволяет улучшить ее характеристики. Метод МДПН/ОС входит в протокол сети Ethernet и принят как один из стандартных 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. 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 передачу, что и вызовет столкновение. Если станции обнаруживают столкновение, 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.

Предложенные методы МДПН различаются тем, как происходит управление передачей, если канал оказывается занятым. Например, в схеме с настойчивостью р станция, обнаружившая занятый канал, осуществляет передачу после того, как канал станет свободным, с вероятностью р. С вероятностью (1 -р) передача откладывается на промежуток времени х распространения сигнала. При схеме с настойчивостью 1 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, принят в качестве протокола в схеме ЕШегпе1. Если обнаруживается столкновение и передача прекращается, попытка повторной передачи предпринимается 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 извещает вышестоящие уровни о нарушении связи. Это удвоение промежутка, называемое процедурой двоичного замедления, может улучшить характеристику системы.

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 (рис. 6.22).

Рис. 6.22. Манчестерский код При этой схеме половина символьного интервала применяется для передачи логического дополнения к разряду данного интервала, в течение второй половины передается исходное значение этого разряда. Таким образом, единицы передаются положительным переходом сигнала, а нули - отрицательным переходом. 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 (рис. 6.23).

Рис. 6.23. Дифференциальный манчестерский код В дифференциальном манчестерском коде для переноса двоичной информации применяются две полярности и переходы происходят в середине двоичного интервала. Однако для разряда 1 первая половина двоичного интервала несет ту же полярность, что и вторая половина предыдущего интервала. Для разряда О переход происходит как в начале, так и в середине двоичного интервала. При этой процедуре возникают две возможности в зависимости от полярности в конце интервала, предшествующего первому интервалу (см. рис. 6.23).

⇐Виды протоколов | Информационные системы и технологии в зкономике | Спецификации ethernet⇒