Э. Таненбаум - Компьютерные сети. (4-е издание) (PDF) (1130118), страница 76
Текст из файла (страница 76)
Когдабыл изобретен метод доступа в Интернет по кабельным сетям, вновь возниклапроблема распределения единственного канала между большим числом конкурирующих абонентов. Тогда с полок достали запыленные описания дискретнойALOHA. He раз уже было так, что вполне работоспособные протоколы и методыоказывались невостребованными по политическим причинам (например, когдакакая-нибудь крупная компания выражала желание, чтобы все на свете использовали исключительно ее продукцию), однако по прошествии многих лет какойнибудь мудрый человек вспоминал о существовании одного древнего метода,способного решить современную проблему.
По этой причине мы изучим в этойглаве ряд элегантных протоколов, которые сейчас широко не используются, нозапросто могут оказаться востребованными в будущем — если, конечно, об их существовании будет знать достаточное количество разработчиков сетей. Разумеется, мы изучим и используемые в настоящее время протоколы.Протоколы множественного доступас контролем несущейВ дискретной системе ALOHA максимальный коэффициент использования канала, который может быть достигнут, равен 1/е. Такой скромный результат неудивителен, поскольку станции передают данные, когда хотят, не считаясь с тем,что делают остальные станции. В такой системе неизбежно возникает большоеколичество коллизий.
Однако в локальных сетях можно организовать процесс таким образом, что станции будут учитывать поведение друг друга. За счет этогоможно достичь значения коэффициента использования канала значительнобольшего, чем 1/е. В данном разделе мы рассмотрим некоторые протоколы, позволяющие улучшить производительность канала.Протоколы, в которых станции прослушивают среду передачи данных и действуют в соответствии с этим, называются протоколами с контролем несущей.Было разработано много таких протоколов. Кляйнрок (Kleinrock) и Тобаги(Tobagi) в 1975 году детально исследовали несколько таких протоколов. Далеемы рассмотрим несколько версий протоколов с контролем несущей.Настойчивый и ненастойчивый CSMAПервый протокол с опросом несущей, который мы рассмотрим, называется 1-настойчивый протокол CSMA (Carrier Sense Multiple Access — множественныйдоступ с контролем несущей). Когда у станции появляются данные для передачи,она сначала прослушивает канал, проверяя, свободен он или занят.
Если каналзанят, то есть по нему передает какая-либо другая станция, станция ждет, пока оносвободится. Когда канал освобождается, станция передает кадр. Если происхо-Протоколы коллективного доступа 3 0 1дит столкновение, станция ждет в течение случайного интервала времени, затемснова прослушивает канал и, если он свободен, пытается передать кадр еще раз.Такой протокол называется протоколом CSMA с настойчивостью 1, так как станция передает кадр с вероятностью 1, как только обнаружит, что канал свободен.Задержка распространения сигнала оказывает сильное влияние на производительность данного протокола. Существует небольшая вероятность того, что кактолько станция начнет передачу, другая станция также окажется готовой к передаче и опросит канал.
Если сигнал от первой станции еще не успел достичь второй станции, вторая станция решит, что канал свободен, и также начнет передачу,результатом чего будет коллизия. Чем больше время распространения сигнала,тем выше вероятность столкновений и ниже производительность протокола.Даже при нулевой задержке распространения сигнала все равно будут столкновения. Если две станции придут в состояние готовности в то время, когда передает какая-то третья станция, обе будут ждать, пока она не закончит передачу,после чего сами одновременно станут передавать, и в результате произойдетстолкновение.
Если бы они не были столь нетерпеливы, количество столкновений было бы меньшим. Однако даже такая система значительно лучше чистойсистемы ALOHA, так как обе станции воздерживаются от передачи, пока передает третья станция. Очевидно, что благодаря этому производительность системыс опросом несущей должна быть выше даже чем у дискретной системы ALOHA.Вторым протоколом с опросом несущей является ненастойчивый протоколCSMA.
В данном протоколе предпринята попытка сдержать стремление станцийначинать передачу, как только освобождается канал. Прежде чем начать передачу, станция опрашивает канал. Если никто не передает в данный момент по каналу, станция начинает передачу сама. Однако если канал занят, станция не ждетосвобождения канала, постоянно прослушивая его и пытаясь захватить сразу,как только он освободится, как в предыдущем протоколе.
Вместо этого станцияждет в течение случайного интервала времени, а затем снова прослушивает линию. Очевидно, данный алгоритм должен привести к лучшему использованиюканала и к большим интервалам ожидания, чем протокол CSMA с настойчивостью 1.Наконец, третий протокол, который мы рассмотрим, это протокол CSMA снастойчивостью р.
Он применяется в дискретных каналах и работает следующим образом. Когда станция готова передавать, она опрашивает канал. Если канал свободен, она с вероятностью р начинает передачу. С вероятностью q-\-pона отказывается от передачи и ждет начала следующего такта. Этот процесс повторяется до тех пор, пока кадр не будет передан или какая-либо другая станцияне начнет передачу. В последнем случае станция ведет себя так же, как в случаестолкновения.
Она ждет в течение случайного интервала времени, после чего начинает все снова. Если при первом прослушивании канала он оказывается занят,станция ждет следующего интервала времени, после чего применяется тот же алгоритм. На рис. 4.4 показана расчетная зависимость производительности каналаот предлагаемого потока кадров для всех трех протоколов, а также для чистойи дискретной систем ALOHA.302Протоколы коллективного доступаГлава 4.
Подуровень управления доступом к средеCSMA с настойчивостью 0,01Ненастойчивый CSMA„дет состоять из чередования периодов конкуренции и передачи, а также периодов простоя канала (когда все станции молчат).•CSMA с настойчивостью 0,1CSMA с настойчивостью 0,5Кадр1.ПНИИнтервалыконкуренцииКадрА,IIIIIIIIПериодПериодпередачи tюнкуренци*13456789Рис. 4.4. Сравнение использования канала в зависимости от его загрузки для различныхпротоколов коллективного доступаПротокол CSMA с обнаружением конфликтовНастойчивый и ненастойчивый протоколы CSMA, несомненно, являются улучшениями системы ALOHA, поскольку они гарантируют, что никакая станция неначнет передачу, если она определит, что канал уже занят.
Еще одним шагом вперед является прекращение станцией передачи, если выясняется, что произошелконфликт. Другими словами, если две станции, обнаружив, что канал свободен,одновременно начали передачу, они практически немедленно обнаруживаютстолкновение. Вместо того чтобы пытаться продолжать передачу своих кадров,которые все равно уже не могут быть приняты получателями, им следует прекратить передачу. Таким образом экономится время и улучшается производительность канала.
Такой протокол, называемый CSMA/CD (Carrier-Sense MultipleAccess with Collision Detection — множественный доступ с контролем несущей иобнаружением конфликтов), широко применяется в локальных сетях в подуровне MAC. В частности, он является основой чрезвычайно популярных ЛВСEthernet, поэтому мы уделим некоторое время более или менее подробному рассмотрению CSMA/CD.В протоколе CSMA/CD, так же как и во многих других протоколах локальных сетей, применяется концептуальная модель, показанная на рис. 4.5. В момент времени t0 одна из станций закончила передачу кадра. Все остальные станции, готовые к передаче, теперь могут попытаться передать свои кадры.
Если двеили более станций одновременно начнут передачу, то произойдет столкновение.Столкновения могут быть обнаружены по мощности или длительности импульса принимаемого сигнала в сравнении с передаваемым сигналом.Обнаружив коллизию, станция прекращает передачу, ждет случайный периодвремени, после чего пытается снова при условии, что к этому моменту не началапередачу другая станция.
Таким образом, наша модель протокола CSMA/CD бу-IIКадрКадрПериодпростояВремяG (количество попыток за время кадра)303—•Рис. 4 . 5 . Протокол CSMA/CD может находиться в одном из трех состояний: конкуренции,передачи и простояРассмотрим более подробно алгоритм борьбы за право передачи по каналу.Предположим, две станции одновременно начали передачу в момент времени t0.Сколько понадобится времени на то, чтобы они поняли, что произошло столкновение? От ответа на этот вопрос зависит длина периода конкуренции, а следовательно, величина задержки и производительность канала.
Минимальное времяобнаружения конфликта равно времени распространения сигнала от одной станции до другой.Исходя из этих рассуждений, можно предположить, что станция, которая неслышит столкновения в течение времени, требующегося для прохождения сигнала по всему кабелю, может быть уверена, что ей удалось захватить кабель. Подтермином «захватить» имеется в виду, что все остальные станции знают, что этастанция передает, и не будут сами пытаться передавать. Однако такое заключение неверно. Рассмотрим следующий сценарий.
Пусть время, необходимое дляпрохождения сигнала между двумя самыми дальними станциями, равно т. В момент времени t0 одна из станций начинает передачу. Через интервал временит - е, за мгновение до того, как сигнал достигнет самой дальней станции, та станция также начинает передавать. Конечно, почти мгновенно она обнаруживаетстолкновение и останавливается, но всплеск шума, вызванный столкновением,достигает передающей станции только через интервал времени 2т - б с моментаначала передачи. Другими словами, станция не может быть уверена в том, что захватила канал, до тех пор, пока не пройдет интервал времени 2т с момента начала передачи.
По этой причине для моделирования интервала конкуренции мыбудем использовать дискретную систему ALOHA с шириной интервала 2т. В коаксиальном кабеле длиной 1 км т * 5 мкс. Для простоты мы будем предполагать,что каждый интервал времени 2т содержит всего 1 бит. Как только канал захвачен, станция может передавать с любой скоростью, не обязательно 1 бит за 2т с.Следует отметить, что обнаружение столкновения является аналоговым процессом. Аппаратура станции должна прослушивать кабель во время передачи.При этом, если то, что она слышит, отличается от того, что она передает, станцияпонимает, что произошло столкновение.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
