Технология локальных сетей, или проблема доступа к моноканалу

Сети обычно строятся на основе единого высокоскоростного (широкополосного) моноканала, доступного множеству подключенных к нему устройств. Моноканал организован обычно в виде кольца или общей шины. На бытовом уровне используются разные дисциплины обслуживания клиентов. Чаще всего реализуется случайный доступ. Клиенты приходят тогда, когда им надо, независимо друг от друга. Когда клиентов становится слишком много, они все чаще попадают в очередь. Дисциплины организации очереди могут быть разные. Теоретическими проблемами организации обслуживания занимается математическая дисциплина "Теория массового обслуживания" (теория очередей). Например, на рис. 1 приведена зависимость времени обслуживания заявки в системе M/M/1 от коэффициента загрузки прибора. В системе M/M/1 время между поступлением заявок и время обслуживания распределены экспоненциально (пуассоновский поток на входе и выходе системы).

График, приведенный на рисунке, говорит о том, что в системах со случайным доступом загрузка устройств более, чем на 50% нежелательна. Используется в Ethernet. Поэтому для снижения времени обслуживания применяют методы детерминированного доступа, когда клиентам назначают каким-либо способом момент времени начала обслуживания. Таким образом, случайные методы доступа привлекательны простотой организации, а детерминированные имеют достоинства, связанные с уменьшением времени ожидания начала обслуживания и увеличением пропускной способности обслуживающего прибора (ресурса). Методы доступа к каналу в локальных сетях различаются способами определения момента начала передачи данных (опрос, передача маркера, тактирование канала, случайный доступ), параметрами запросов, учитываемыми при организации очередности передачи (приоритет, время поступления запроса, тип запроса), дисциплинами организации очередей. В настоящее время известны десятки методов использования моноканала, различным образом сочетающие в себе перечисленные свойства. Популярные методы доступа к каналам локальных сетей Методы, имеющие наибольшую популярность, представлены на рисунке.

Среда ArcNet (Attached resource computer Network) была разработана Datapoint Corporation в 1977 году. Первые платы ArcNet были выпущены в 1983году. Это простая, гибкая, недорогая сетевая архитектура для сетей масштаба группы. Организует логическое кольцо, используя общую шину. По логическому кольцу передается маркер. Устройство, получившее маркер, имеет право на передачу порции данных в канал. Стандартный кадр ArcNet может содержать до 508 байтов данных. В ArcNet Plus эта величина увеличена до 4096 байтов. Принимает данные то устройство, чей адрес указан в блоке данных. Каждому подключенному устройству присваивается номер. Последовательность обхода маркера определяется номерами устройств. Первые сети ArcNet использовали скорость передачи 2.5 Мбит/с. Скорость передачи ArcNet Plus доведена до 20Мбит/с. Внешне может выглядеть как звезда и как общая шина. В первом случае общая шина реализуется внутри концентратора. Технология Token Ring (маркерное кольцо) основана на передаче маркера по физическому кольцу. Она была запатентована в 1981г. Устройство, владеющее маркером, имеет право передать кадр. Передаваемый кадр добавляется (цепляется) к маркеру. В более поздних версиях к маркеру могут подцепить свои кадры несколько станций. Величина кадра практически не ограничена. В кадре указываются адреса передатчика и приемника. Кадр принимает то устройство, которому он адресован. После принятия кадра устройство делает в нем пометку о приеме и отправляет с маркером дальше по кольцу. Передатчик, получив свой кадр, удаляет его из кольца. Внешне Token Ring может выглядеть как кольцо или как звезда. В последнем случае кольцо должно быть реализовано внутри концентратора. Достоинством технологии Token Ring является большая устойчивость к высоким нагрузкам на канал, относительно стабильное время доступа к каналу. Недостатком является повышенная сложность и стоимость. Технология FDDI является развитием Token Ring применительно к оптоволоконному кольцу. Технология Ethernet основана на методе доступа CSMA/CD (carrier sense multiple access with collision detection) - множественный доступ с контролем несущей и обнаружением конфликтов. Ее прообразом явилась технология пакетной радиосети ALOHA. Первые сети Ethernet были выпущены фирмой Xerox в 1975г. Сеть Ethernet использует магистральный высокоскоростной моноканал, организованный в виде общей шины. Каждая станция, имеющая данные для передачи, отслеживает состояние канала (прослушивает канал). Если канал свободен, станция передает кадр в канал. Если одновременно две станции начали передачу кадра в канал, происходит столкновение передач (конфликт, коллизия). В этом случае на каждой станции случайным образом разыгрывается интервал времени, через который она может начать передачу. С большой вероятностью этот интервал времени будет разным у всех конфликтующих станций. Поэтому одна из них начнет передачу первой. Внешне Ethernet может выглядеть как общая шина или звезда. В последнем случае общая шина реализуется внутри концентратора. Обычная скорость передачи 10 и 100Мбит/c. Основные достоинства Ethernet связаны с благоприятным соотношением параметров цена/производительность. Основной недостаток заключается в резком увеличении времени доступа к каналу и снижении производительности канала при превышении 50% рубежа загрузки. Разновидности метода случайного доступа к общей шине Метод CSMA/CА - (carrier sense multiple access with collision avoid) - множественный доступ с контролем несущей и предотвращением конфликтов. При этом способе станция прежде, чем передать данные, оповещает о своих намерениях другие станции. При этом методе увеличивается объем передаваемых служебных сообщений. Этот метод используется в RadioEthernet, в архитектуре сетей корпорации Apple (AppleTalk, Local Talk). Программное обеспечение сетей Apple встроено в операционную систему Macintosh. Приоритетный доступ. При этом способе концентратор, получив одновременно два запроса, отдает предпочтение тому, который имеет более высокий приоритет. 100VG (Voice Grade) AnyLan. Эта технология основана на технологии 100BaseVG, разработанной фирмой Hewlett-Packard на основе Ethernet. Фактически объединяет в себе стандарты и идеи Ethernet (IEEE 802.3) и Token Ring (IEEE 802.5). Разрабатывается в рамках стандарта IEEE 802.12. Использует общую шину. Технология доступа реализуется в виде системы с опросом. Интеллектуальный концентратор (hub, центр звезды) опрашивает подключенные к нему узлы. Узлу, выставившему запрос на передачу, разрешается передача данных. При наличии запросов от нескольких узлов очередность передачи определяется в соответствии с их приоритетами. Технология 100VG AnyLan имеет следующие возможности: - скорость передачи данных более 100Мбит/c; - поддержка структурированной кабельной системы на основе витой пары категории 3, 4, 5 и оптоволоконного кабеля; - метод доступа - по приоритету запроса (различают только два уровня приоритета); - поддержка концентратором средств фильтрации персонально адресованных кадров (для повышения степени конфиденциальности); - поддержка передачи кадров Ethernet и Token Ring. Реализация методов доступа в локальных сетях осуществляется сетевыми адаптерами (сетевыми платами). Справка. В 1993г. в мире было выпущено 8 млн. адаптеров Ethernet, 2 млн. Token Ring, 300тыс. ArcNet.