Системы без приоритетов

Системы без приоритетов. Мультиплексная передача с временным разделением (TDM), или слот. Мультиплексная передача с временным разделением (TDM) является, возможно, самым простым примером равноранговых неприоритетных систем. В системе TDM каждой станции выделяется интервал времени (слот) использования канала связи и все интервалы распределяются поровну между пользователями. Каждый пользователь во время этого интервала времени получает канал в свое полное распоряжение. Метод TDM используется как в ЛС,так и ГС. 3.1.2. Вставка регистра.

В ряде сетей с кольцевой топологией для управления трафиком используется метод вставки регистра. Любая станция может вести передачу при условии, что канал находится в состоянии покоя.

Если во время передачи она получает кадр, он записывается в регистр и передается вслед за кадром станции. Этот подход допускает "подсадку" в кольце нескольких кадров. Вставка регистра является развитием метода "слотированного кольца". 3.1.3. Система с контролем несущей ( с коллизиями). Сети с контролем несущей (с коллизиями) являются еще одним примером равноранговых бесприоритетных систем.

Этот метод широко используется в локальных вычислительных сетях. В сети с контролем несущей все станции имеют равное право на использование канала.(Однако можно ввести систему приоритетов на основе различных времен выдержки для различных устройств).Прежде чем начать передачу, требуется, чтобы станции "прослушали" канал и определили, является ли канал активным (т.е. ведет ли какая-либо другая станция передачу данных по каналу). Если канал находится в состоянии покоя, любая станция, имеющая данные для передачи, может послать свой кадр в канал. Если канал занят, станции должны ждать завершения передачи сигнала.

А В Слушать Слушать Слушать С D D передает а А В С D б А В С D в Рис.1. Системы с контролем несущей (с коллизиями) а- станции А и В ожидают, контролируя несущую; б - канал свободен, станции А и В пытаются захватить его; в - станция А передает, станция В ожидает конца передачи.

Иллюстрацией сети с контролем несущей (с коллизией) является рис.1.Станции А,В,С и D подключены к шине или каналу (с горизонтальной топологией) с помощью шинных интерфейсных устройств. Предположим, что станции А и В должны передать данные;однако в это время канал использует станция D,поэтому интерфейсные устройства станций А и В "слушают" и ждут окончания передачи кадра из станции D.Как только линия переходит в состояние покоя (рис 1 б) ,станции А и В пытаются захватить канал.

В сетях с контролем несущей предусмотрено несколько методов захвата канала. Одним из методов является метод "ненастойчивого" контроля несущей, обеспечивающего всем станциям возможность начинать передачу немедленно после того, как обнаруживается, что канал свободен (без арбитража перед передачей).В случае если канал занят, станции выжидают случайный период времени перед тем, как снова проверить состояние канала. Другим методом, который используется в системах с квантованием времени, является метод" р- настойчивого" контроля несущей;он предусматривает для каждой станции некотрый алгоритм ожидания ( р означает вероятность).Например, станции А и В не начинают немедленно передачу после того, как контроль обнаружил, что канал перешел в состояние покоя;в этом случае каждая станция вызывает программу генерации случайного числа - времени ожидания (обычно несколько микросекунд).Если станция обнаруживает, что канал занят, она выжидает некотрый период времени (слот) и делает новую попытку. Она произведет передачу в освободившийся канал с вероятностью р и с вероятностью 1- р отложит передачу до следующего слота. Однако, имеется еще один метод - "1-настойчивого" контроля несущей, предусматривающий, что станция начинает передачу сразу же после того, как обнаруживает, что канал находится в состоянии покоя.

Когда возникает коллизия, перед тем как снова произвести контроль канала, станции выжидают в течение случайного периода времени. Этот метод называется "1-настойчивым" потому, что станция производит передачу с вероятностью 1,когда обнаруживает, что канал свободен.

Метод " р -настойчивого" контроля разработан с двоякой целью : во-первых, уменьшить время пребывания канала в состоянии покоя, что обеспечивается методом "1-настойчивого" контроля несущей, и,во-вторых, уменьшить вероятность коллизий, на что направлен метод "ненастойчивого контроля"Однако величина р должна быть выбрана достаточно небольшой, чтобы обеспечить приемлимые эксплутационные характеристики. Это может показаться удивительным, но многие поставщики и рабочие группы по стандартизации оказывают предпочтение методу "1-настойчивого" контроля.

Продолжая рассматривать системы с контролем несущей, будем считать, что станция А на рис. 1 в захватывает канал до того, как станция В имеет возможность закончить свое ожидание в течение случайно выбранного времени. По истечении этого времени она "прослушивает" канал и определяет, что А начала передачу данных и захватила канал. Следовательно, в условиях занятости канала необходимо придерживаться одного из трех методов пока он не освободился Так как требуется некоторое время, чтобы данные, переданные станцией А, достигли станции В,станция В может и не знать, что в канале распределяется сигнал. В этой ситуации канал В может передавать свой кадр, даже если предположить, что станция А захватила канал. Эта проблема называется окном коллизии.

Окно коллизии - это фактор задержки распространения сигнала и расстояния между двумя конкурирующими станциями. Например, если А и В отстоят друг от друга на расстоянии 1 км, сигналу станции А потребуется примерно 4,2мкс, чтобы достичь станции В.За это время В имеет возможность начать передачу, что приводит к коллизии со станцией А. Сети с контролем несущей обычно реализуются в локальных сетях, потому что окно коллизии увеличивается по мере увеличения длины глобального канала. В протяженном канале возникает больше коллизий и уменьшается пропускная способность сети. Обычно большая задержка распространения (большая задержка до того момента, когда некоторая станция узнает о том, что другая станция ведет передачу) вызывает большую вероятность коллизий. Большая длина кадров может уменьшить эффект длительной задержки.

В случае коллизии станции имеют возможность определить искаженные данные. Каждая станция способна одновременно вести передачу и "слушать".Когда происходит наложение двух сигналов, в уровне напряжения в канале возникают аномалии, которые обнаруживаются станциями, участвующими в коллизии. Эти станции прекращают передачу и после случайного времени ожидания пытаются снова захватить канал. Случайность времени ожидания является определенной гарантией того, что коллизия не повторится, так как мало вероятно, что в конкурирующих станциях будет сгенерировано одинаковое случайное время ожидания.

Сети с контролем несущей обобщены в табл.1. Условие Ненастойчивый р- настойчивый 1-настойчивый Канал Передать немедленно Передать с вероятностью Передать свободен р, отложить с вероятностью немедленно 1 - р Канал Случайное время Передать с вероятностью Непрерывно занят ожидания и р, отложить с вероятностью контролировать контроль 1 - р несущую Коллизия Повторно передать Повторно передать Повторно после случайного после случайного передать после времени ожидания времени ожидания случайного времени ожидания Таблица 1. Сети с контролем несущей. 3.1.4. Передача маркера.

Передача маркера - это еще один метод, широко используемый для реализации равноранговых неприоритетных и приоритетных систем. Приоритетные системы будут рассмотрены позднее. Этот метод применяется во многих локальных сетях. Некотрые системы с передачей маркера реализованы на основе горизонтальной шинной топологии, другие - на основе кольцевой топологии.

Маркерное кольцо.

Кольцевая топология иллюстрируется на рис.2. Е Е А D A D Свободен Занят B C B C а б Рис.2 Маркерное кольцо а - маркер (свободный) циркулирует по кольцу; б - станция А захватывает кольцо; кольцевое интерфейсное устройство (КИУ) Станции подключаются к кольцу с помощью кольцевого интерфейсного устройства (КИУ).Каждое КИУ отвечает за контроль данных, проходящих через него, а также за функции усиления-формирования сигнала (регенерацию сообщения) и передачу его до следующей станции.

Если адрес заголовка сообщения показывает, что данные предназначены некоторой станции, интерфейсное устройство копирует данные и передает информацию устройству ООД пользователя или устройствам ООД,подключенным к нему. Если кольцо находится в состоянии покоя (то есть кольцо не занимают никакие данные пользователя),"свободный"марке р передается по кольцу от узла к узлу. Маркер используется для управления использованием кольца с помощью индикации состояний "свободен" или "занят".Наличие занятого маркера является признаком того, что некоторая станция захватила кольцо и передает данные. Свободный маркер означает, что кольцо свободно и что любая станция, имеющая данные для передачи, может использовать маркер для передачи данных. Управление кольцом последовательно передается по кольцу от узла к узлу. Этот метод реализуется в системах с явным маркером, называемых так потому, что любой станции разрешено передавать данные, когда она получает свободный маркер.

В то время, когда станция владеет маркером, она контролирует сеть. Захватив маркер (т.е. пометив его признаком "занят"),передающая станция (станция А на рис. 2) помещает данные вслед за маркером и передает эти данные в кольцо. Мониторные функции КИУ заключаются в регенерации сигнала, проверке адреса в заголовке данных и передаче данных следующей станции. В конце концов данные будут получены станцией-отправителем. Эта станция должна будет пометить маркер признаком "свободен" и передать его следующей станции в кольце. Это требование предотвращает монополизацию всего кольца одной станцией. Если маркер обходит кольцо и его не использует ни одна станция, то эта станция (отправитель) может опять захватить маркер и передать данные.

В некоторых системах предусматривается, что маркер удаляется из кольца, кадр другого пользователя помещается после первого элемента данных, а маркер помещается позади последнего элемента данных. Это дает эффект "подсадки" кадров ( piggybacking) в сети, аналогичной вставке регистра, который приводит к циркуляции в кольце кадров нескольких пользователей."Подсадка" особенно эффективна в случае больших колец, для которых характерно большое время задержки передачи по кольцу.

Маркерная шина. Системы, основанные на маркерной шине, обеспечивают доступ к каналу таким образом, как если бы он был физическим кольцом. Протокол устраняет коллизии, которые могут иметь место в системах с контролем несущей ( с коллизиями) и допускают использование канала некольцевого (шинного) типа. Простой пример такой системы представлен на рис.3. S = D S = C Логическое кольцо B D Физическая шина A C S = B S = A Рис.3 Маркерная шина. S - адрес следующей станции, которой будет передан маркер (приемник) - ООД. Необходимо помнить, что маркерная шина не требует физического упорядочения станций, подключенных к шине. С помощью механизма логической конфигурации может быть обеспечен любой порядок передачи станцией маркера.

Протокол использует управляющий кадр, называемый правом доступа или маркером доступа.

Этот маркер предоставляет шину в исключительное распоряжение станции.

Станция, удерживающая маркер, использует шину в течение периода времени, необходимого для посылки и приема данных (или даже для опроса других станций),а затем передает маркер определенной станции. В шинной топологии все станции "слушают" канал и могут получить маркер доступа, но единственная станция, которая имеет возможность захватить канал это станция, которая указана в маркере доступа. Все другие станции должны ждать своей очереди, чтобы получить маркер. Станции получают маркер в циклической последовательности, что и образует логическое кольцо в физической шине. Этот вид передачи маркера называется явной маркерной системой, поскольку шинная топология требует упорядочения использования канала станциями. 3.2. Приоритетные системы.

Важная группа сетевых систем передачи данных - это равноранговые приоритетные системы. Как следует из классификации (схема 1),эти системы представлены тремя подходами:приоритетный слотовый, контроль несущей (без коллизий) и передача маркера (с приоритетами). 3.2.1. Приоритетные слотовые системы.

Приоритетные слотовые системы подобны обычным системам с квантованием времени и мультиплексированием, которые были рассмотрены нами ранее. Однако использование канала производится на приоритетной основе. Например, для использования канала можно предложить следующие критерии для установления приоритетов: - предшествующее владение слотом (квантом времени); - время ответа, которое удовлетворяет станцию; - объем передаваемых данных; - требования к характеристикам передачи данных в течение суток.

Приоритетные слотовые системы могут быть образованы без главной станции. Управление использованием слотов обеспечивается путем загрузки параметров приоритетов в каждой станции.

Приоритетные слотовые системы широко используются в спутниковой связи. 3.2.2. Системы с контролем несущей (без коллизий). Системы этого типа имеют много общих черт с сетями, основанными на контроле несущей (с коллизиями).Основное отличие состоит в использовании специальной логики для предотвращения возникновения коллизий. Системы без коллизий можно реализовать с помощью методов и средств, аналогичных тем, которые используются в слотовой сети. Еще один подход состоит в том, чтобы использовать в сети дополнительное устройство, называемое таймером или арбитром. Это устройство определяет, когда станция может вести передачу без опасности коллизий. Временные параметры определяются каждой станцией;главная станция для использования канала не предусмотрена.

Каждый порт имеет предварительно установленный временной порог. После того как этот временной порог пройден, порт на основании некотрого временного параметра определяет, когда можно вести передачу.(Это напоминает концепцию "захвата" маркера.)Значения времени могут устанавливаться на приоритетной основе, причем у порта с наивысшим приоритетом переполнение таймера наступает раньше всего. Если этот порт не намерен вести передачу, канал будет находиться в состоянии покоя. Станция со следующим по величине приоритетом обнаруживает, что канал свободен. Ее таймер показывает, что лимит времени, когда может вестись передача, не исчерпан, поэтому она может захватить канал.

Станции с высоким приоритетом в случае, если они не ведут передачу, переводят канал в состояние покоя, что позволяет станциям с более низким приоритетом использовать его. В традиционных слотовых сетях время покоя представляет собой не что иное, как упущенные возможности для передачи данных. Однако сеть без коллизий использует арбитра, чтобы дать возможность станции со следующим по величине приоритетом в канале захватить время покоя, если у нее есть данные, которые необходимо передать. Этот подход значительно уменьшает время покоя канала. 3.2.3. Системы с передачей маркера (приоритетные). Последний пример одноранговых приоритетных систем - это улучшенная схема передачи маркера, предполагающая дополнительное использование приоритетов в маркерной сети, как правило, маркерном кольце. Каждой системе, подключаемой к маркерной сети, приписывается некоторый приоритет. Обычно назначается восемь приоритетов. Назначение приоритетной системы с передачей маркера состоит в том, чтобы дать каждой станции возможность зарезервировать использование кольца для следующей передачи по кольцу. Когда маркер и данные распространяются по кольцу, каждый узел анализирует маркер, который содержит поле резервирования. Если собственный приоритет узла выше, чем значение приоритета в поле резервирования, он увеличивает значение поля резервирования до своего уровня, тем самым резервируя маркер на следующий цикл. Если какой-то другой узел не увеличит еще больше значение поля резервирования, этой станции разрешается использовать маркер и канал во время следующей передачи по кольцу.

Станция, захватывающая маркер, должна запоминать предыдущее значение поля резервирования в области своей временной памяти. После "высвобождения" маркера, когда он завершит полный оборот по кольцу, станция восстанавливает предыдущий запрос к сети, имеющий более низкий приоритет. Таким образом, как только маркер в следующем цикле делается свободным, станции с наивысшим значением резервирования разрешается его захватить. Приоритетные системы с передачей маркера широко применяются в ЛС,поэтому рассмотрим их более подробно. 3.2.4.