ПЕРЕДАЧА ДАННЫХ МЕЖДУ ЭВМ, ЭВМ И ТЕРМИНАЛАМИ

РАЗДЕЛ 2. ПЕРЕДАЧА ДАННЫХ МЕЖДУ ЭВМ, ЭВМ И ТЕРМИНАЛАМИ.

Для описания процедур и логики процесса обмена данными используются протоколы.

Как правило, для управления передачей данных используется нескольких различных протоколов.

Рассмотрим два из них:

- один протокол отвечает за управление потоком трафика по каждому каналу;

- второй протокол выбирает канал (среди нескольких), наилучший с точки зрения применения первого протокола,

Первый протокол называется канальным протоколом (linkилиline protocol)илипротоколом управления каналом (data link control).

Второй протокол называется протоколом коммутации или маршрутизации.

Тема 2.1. Управление трафиком и отчетность о прохождении трафика (квитирование).

 

На рис. 2.2 показано, что с терминала «А» должны быть переданы данные в удаленную ЭВМ «Б». Передача производится через промежуточный пункт – ЭВМ, расположенную в «В».

Узел «В» выполняет функции коммутации.

 

В событии «1» данные передаются из «А» в «В».

Событием «2» «В» посылает подтверждение о принятых данных терминалу «А». Подтверждение означает, что узел «В» осуществил проверку наличия возможных ошибок и данные приняты без ошибок или с ошибками. Он извещает об этом, передавая другой кадр назад по обратному каналу осуществляющему индикацию приема.

 

В промышленности средств передачи данных используются два термина, описывающие реакцию (ответ) на событие «2».

Термин АСК означает положительное подтверждение, а термин NAK – отрицательное.

 

NAK обычно имеет место, когда передаваемое сообщение искажается из-за возникающих в канале помех.

 

Кадр события «2» будет либо АСК,либо NAK. В случае ошибки передачи терминал «А» получает отрицательное подтверждение NAK, поэтому он повторно передает данные пока не получит положительное подтверждение.

Если узел «А» при событии «2» получит АСК, то считается, что данные приняты в «В» правильно и система передачи данных в «А» может исключить это сообщение из своей очереди.

Продолжая процесс в событиях «3» и «4», предположим, что кадр АСК вернулся из «Б» в «В».

Конечный пользователь «А» считает благодаря событию «2», что данные поступили «Б». Однако это не обеспечивает сквозного подтверждения, т.е. уверенности, что данные поступили к получателю.

Для обеспечения сквозного подтверждения происходит событие «5». Событие «5» говорит о том, что «Б» получало данные.

Протоколы сквозного подтверждения усложняют процесс и увеличивают стоимость.

 

Тема 2.2. Глобальные, широкомасштабные, городского масштаба и локальные сети.

 

Современные вычислительные сети предоставляют пользователю следующий набор услуг:

- Информационно-поисковые (банки данных и программ математического обеспечения, справочные службы, обмен файлами данных между различными вычислительными комплексами).

- Диалоговые (отладка математических программ, службы обучения и оценки знаний, обработка графической информации, разработка новой техники).

- Системы распределения вычислений (решение сложных математических задач, моделирование процессов и систем, логическое преобразование данных, удаленный ввод заданий, выполнение финансовых и торговых операций).

 

Информационно-вычислительные сети подразделяются на:

1. Локальные вычислительные сети LAN (Local Area Network).

2. Сети городского масштаба MAN (Metropolitan Area Network).

3. Широкомасштабные сети WAN (Wide Area Network).

4. Глобальные сети GAN (Global Area Network).

 

На рис. 2.1 показана структура информационно-вычислительной сети.

 

Применение методов контроля ошибок и отчетности на основе кадров подтверждения ACK/NAK является необходимым для обеспечения целостности данных.

Сценарий, рассмотренный на рис. 2.2, предполагает, что канал связи является ненадежным, с частым возникновением ошибок. Это характерно для обычной телефонной линии.

Если пользователь не требует безошибочного приема каждого знака и/или канал связи является надежным, затраты на выполнение вспомогательных функций, показанных на рис. 2.2, могут быть неоправданными.

Проблема контроля ошибок становится важной, когда пользователь подключается к сложной сети с несколькими уровнями протоколов, такой, как глобальная (широкомасштабная) сеть на рис. 2.3.

 

Эта сеть состоит из устройств ОКД (оборудование коммутации данных), связанных между собой высокоскоростными выделенными каналами (например, линия со скоростью передачи 56 Кбит/сек). Каждое устройство ОКД использует протокол, отвечающий за маршрутизацию данных, а также обеспечивающий поддержку связанных с ним ЭВМ или терминалов конечных пользователей.

Функция поддержки устройств ООД (терминалов и ЭВМ работающих в терминальном режиме) называется сборкой – разборкой пакетов (СРП).

Устройство ОКД реализует СРП для устройств ООД терминального режима при передаче данных в сеть и получения данных из сети.

 

Центр управления сетью (ЦУС) отвечает за эффективное, надежное функционирование сети. В некоторых системах ЦУС управляет маршрутизацией, реализуемой устройствами ОКД.

 

На рис. 2.4 более подробно показан один их фрагментов рис. 2.3 на котором показаны разнообразные способы подключения устройств ООД к ОКД/СРП:

А. ЭВМ пользователя подключается на основе асинхронного протокола с использованием коммутируемых аналоговых линий.

B. Буферный процессор в месторасположении пользователя подключается к устройству ОКД на основе синхронного протокола.

С. Асинхронный терминал или персональная ЭВМ, работающая в терминальном режиме, пользователя подключается к устройству ОКД с использованием коммутируемых аналоговых линий.

D. В местоположении пользователя имеется выделенное устройство ОКД, подключенное к сети с использованием цифровых линий связи.

 

На рис. 2.3 и 2.4 отражена топология глобальной (широкомасштабной) сети(ГС). Этот тип сети обладает следующими характеристиками:

- каналы обычно предоставляются крупными телефонными компаниями с месячной оплатой выделенных линий и повременной оплатой коммутируемых линий;

- каналы являются сравнительно медленными (от 300 Кбит/сек до 1,544 Мбит/сек);

- устройства ООД и АКД обычно располагаются друг от друга на расстоянии от нескольких километров до нескольких сотен и тысяч километров;

- каналы имеют сравнительно высокий уровень ошибок.

 

Локальная сеть (ЛС) существенно отличается от глобальной и описывается следующими характеристиками:

- каналы обычно принадлежат организации пользователя;

- каналы являются высокоскоростными (1 – 400 Мбит/сек);

- устройства ООД располагаются неподалеку друг от друга, в пределах здания или территории предприятия;

- каналы имеют более высокое качество по сравнению с каналами ГС.

Тема 2.3. Контактные и бесконтактные сети.

 

Устройства ООД обмениваются данными через сеть ОКД/СРП, используя один из двух методов:

- контактный (ориентированный на логическое соединение);

- бесконтактный (без установления логического соединения).

Часто применяют термины «сети с установлением соединение» и «дейтаграммные сети».

 

На рис. 2.5 показана процедура передачи данных обоих методов.

 

Чтобы ЭВМ или терминалы могли обмениваться данными посредством контактной сети (сети с установлением соединения), они должны пройти через этап установления или «рукопожатия» (handshake).

Как только соединение установлено, производится переход в состояние передачи данных и обмен данными пользователей на основе заданного протокола.

Далее устройства ООД производят разъединение («освобождают соединение»), и после чего возвращаются в состояние покоя.

Контактная сеть обеспечивает сопровождение данных пользователя.

Эта процедура требует:

- подтверждение, что установлено соединение, или сеть информирует запрашиваемое устройство ООД в случае не установления соединения;

- чтобы в сети производились управление потоками данных (т.е. обеспечение того, чтобы все данные поступали правильно, в требуемом порядке и не перегружали устройства ОКД и ООД в различных частях сети);

- контроля и исправление ошибок.

 

Контактные сети характеризуются глобальным и непрерывным контролем сеансов связи между устройствами ООД и с большой вероятностью гарантируют, что данные пользователя не будут потеряны в сети. Реализация большого числа соответствующих функций поддержки сопряжена с большими эксплуатационными расходами.

 

Бесконтактная (дейтаграммная) сеть переходит непосредственно из состояния покоя в состояние передачи данных, которое следует за состоянием покоя.

Основное отличие заключается в отсутствии фазы установления соединения и фазы разъединения. Более того, в бесконтактной сети нет сквозного для всей сети механизма подтверждения, управления потоками данных, исправления ошибок, хотя эти услуги обеспечиваются на уровне отдельных звеньев сети.

Бесконтактная сеть требует меньших эксплуатационных затрат.

 

Контактные сети получили широкое распространение при создании глобальных (ГС) и широкомасштабных сетей из-за присущей телефонной системе низкой надежности.

Локальные сети или сети MAN реализуются на основе бесконтактной сети. Технология ЛС обеспечивает гораздо меньшую вероятность ошибок.

 

Типичный телефонный канал, связанный с ГС, имеет интенсивность ошибок примерно в в диапазоне 1 : 10 до 1 : 10 - один ошибочный бит на каждые 1000 – 100 000 переданных битов. Для каналов связи ЛС характерна интенсивность ошибок 1 : 10 .

 

В настоящее время разработано несколько сетей, использующих бесконтактные протоколы в глобальных сетях и в системах передачи данных между сетями. Сквозная целостность передаваемых данных обеспечивается логикой (верхнего уровня) вне сети. Этот уровень называется транспортным уровнем.

Тема 2.4. Классификация протоколов передачи данных.

 

Устройства ООД обмениваются между собой и с устройствами АКД, СРП и ОКД с использованием методов, перечисленных на рис. 2.6. Предполагается, что дерево классификации (рис. 2.6) не является всеохватывающим, но используется как некоторая структура, отправляясь от которой будет легче понять методы передачи данных.

 

Протоколы, упомянутые на рисунке, называются линейными (канальными) протоколами или протоколами управления каналом (звеном данных) – УК. Они называются так потому, что управляют потоками трафика между станциями на одном физическом канале связи (одной линии).

Канальные протоколы управляют всем коммуникационным трафиком в канале. Например, если коммуникационный порт имеет несколько пользователей УК отвечает за то, чтобы данные всех пользователей были переданы без ошибок в принимающий узел канала. УК не «осознает» того, что данные, передаваемые по каналу, принадлежат многим пользователям.

 

Протоколы УК при осуществлении управления каналом связи выполняют этапы:

- установление связи. Если узел имеет физическое соединение с удаленным узлом, УК «квитирует установление связи» с удаленным УК, чтобы гарантировать, что обе системы готовы к обмену данными.

- передача информации. Производится обмен данными пользователя по каналу связи между двумя устройствами. УК осуществляет контроль ошибок передачи и посылает подтверждение обратно передающему устройству.

- окончание связи. УК прекращает управление каналом. Это означает, что данные не могут передаваться до тех пор, пока связь не будет установлена снова. УК поддерживает канал в активном состоянии, пока пользователи хотят производить обмен данными.

 

Один методов управлению каналом является первичный/вторичный или главный/подчиненный.

Этот метод выделяет в качестве первичного узла одно из устройств ООД или ОКД. Первичный (главный) узел (обычно ЭВМ) управляет всеми остальными станциям, подключенными к каналу, и определяет, когда и какие устройства могут производить обмен данными (рис. 2.6).

 

Второй метод реализуется на основе равнорангового протокола.

В этом методе не предусмотрен первичный узел, а предполагается одинаковый статус всех узлов канала. Однако узлы могут и не иметь равноправный доступ в сеть, поскольку им может быть предварительно присвоен разный приоритет.

Равноранговые системы применяются в локальных вычислительных сетях с кольцевой, шинной или ячеистой топологией.

 

 

Тема 2.5. Система опроса/выбора.

 

Конфигурация системы опроса/выбора на рис. 2.7 содержит главную ЭВМ в узле 1 и терминал в узле 2. Могут быть и другие конфигурации (например, многоточечное соединение или кольцевая топология).

Системы опроса/выбора основаны на двух командах: Опрос и Выбор. Назначение команды Опрос состоит в передаче данных первичному узлу. Назначение команды Выбор – противоположное: передавать данные из первичного узла во вторичный.

 

На рис. 2.7,а команда Опроспосылает посылается из первичного узла 1 во вторичный узел 2.

Если во вторичном узле имеются данные, готовые к передаче, они посылаются в опрашивающий узел.

Первичный узел осуществляет контроль ошибок и посылает АСК (при отсутствии ошибок) и NAK (при их наличии).

Передача данных и ACK/NAK могут происходить много раз до тех пор, пока у вторичного узла больше не останется данных, которые необходимо передать.

По окончании данных вторичная станция посылает уведомление о том, что она закончила передачу: код конца передачи EOT (end-of-transmission).

Команда Выбор поясняется на рис. 2.7,б.

Выбор означает, что на станции 1 имеются данные для станции 2.

Подтверждение АСК в ответ на выбор означает, что станция 2 готова принимать данные.

Данные передаются, проверяются на наличие ошибок.

Прием данных подтверждается АСЛ.

Процесс может повторяться.

По окончании данных узел 1 посылает ЕОТ.

 

На рис. 2.2,в метод опроса/выбора представлен в усложненном виде и называется последовательностью опроса/выбора.

Отрицательное подтверждение NAK означает, что узел не может вести прием. Он может быть занят выполнением других задач или не иметь необходимой памяти (пространства в буфере) для приема данных. В другом случае у него могут иметься данные для передачи в первичный узел. Система опроса/выбора решает проблему таким образом, что первичный узел инициирует опрос, который позволяет вторичному узлу послать данные и очистить свои буферы.

 

Последняя последовательность операций на рис. 2.6,г показывает, что происходит в сети опроса/выбора, когда производится опрос вторичного узла и он отвечает отрицательно. В этом случае в системе используется NAK для уведомления об отрицательной реакции на опрос.

 

Недостатком системы опроса/выбора является наличие неоднократных ответных реакций на опрос, что может быть сопряжено с потреблением дорогостоящих ресурсов канала.

 

Для уменьшению накладных расходов используются динамические таблицы опроса/выбора.

Если продолжается опрос терминала и он не отвечает после определенного числа попыток, его приоритет в таблице опроса понижается. Следовательно в дальнейшем, он меньше обслуживается и опрашивается меньшее число раз. Не реагирующая станция понижается в приоритете, а те устройства, которые положительно реагировали на опрос, продвигаются вверх в таблице приоритетов.

 

Выборочный опрос.

На рис. 2.8 изображена система опроса/выбора, используемая для управления трафиком между двумя вторичными устройствами ООД на одном и том же… В системе используется выборочный опрос. Устройство В хочет обменяться данными с устройством А. Чтобы эта передача произошла, первичный узел событием 1…

Непрерывный автоматический запрос на повторение (скользящие окна).

Этот подход использует дуплексную передачу между устройствами, поддерживающими связь.   Устройства, реализующие метод, используют понятия передающих и принимающих окон.

Запрос передачи/разрешение передачи.

Запрос передачи/разрешение передачи (RTS/CTS) считается низкоуровневым подходом к протоколам и передаче данных. Однако он находит широкое применение вследствие того, что взаимоувязан с интерфейсом RS-232-C, и поддерживается этим интерфейсом.

Использование интерфейса RS-232-C для обеспечения передачи данных между устройствами ООД типично для локальных условий, потому что интерфейс RS-232-C является короткодистанционным интерфейсом.

Как показано на рис. 2.12,а, устройства могут управлять передачей данных между ними, повышая и понижая уровень сигнала RTS/CTS в канале RS-232-C (контакты 4 и 5 соответственно). Терминал запрашивает использование канала, повышая уровень сигнала на линии RTS (4). ЭВМ отвечает на запрос повышением уровня сигнала на линии CTS (5). После этого терминал посылает свои данные мультиплексору по линии передачи данных (2).

 

Xon/Xoff.

 

Метод типа первичный/вторичный без опроса Xon/Xoff представлен на рис. 2.12,б.

Xon является знаком кода IA5. Знак Xon обычно реализуется с помощью DC1 (0010001).

Периферийные устройства (принтеры, плоттеры) используют метод Xon/Xoff для управления трафиком, входящим в них. Главная или первичная станция (ЭВМ) посылает данные в удаленный периферийный… Так как плоттер или принтер обладает малой скоростью по сравнению со скоростью передачи ЭВМ, их буфера могут…

Система с контролем несущей (с коллизиями).

Системы с контролем несущей (с коллизиями) широко используются в локальных вычислительных сетях. В сети с контролем несущей все станции считаются равноправными. Прежде чем начать передачу, требуется, чтобы станции «прослушали» канал и определили , является ли канал активным…

Каждый порт имеет предварительно установленный временной порог. После того как этот временной порог пройден, порт на основании некоторого временного параметра определяет, когда можно вести передачу.

 

Значения времени устанавливаются 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.

 

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.

 

Системы с передачей маркера (приоритетные).

 

Улучшенная схема передачи маркера предполагает дополнительное использование приоритетов в маркерной сети, как правило, маркерном кольце.

Каждой системе, подключаемой к маркерной сети, приписывается некоторый приоритет.

Назначение приоритетной схемы 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 последующие циклы.

Если какой-то узел не увеличит еще больше значение поля резервирования (станция с наивысшим приоритетом), этой станции разрешается использовать маркер и канал во время следующей передачи по кольцу.

 

Станция, захватывающая маркер, запоминает предыдущее значение поля резервирования маркера 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.