Каналните протоколи в локалните компютърни мрежи

4.7.1.2.Протокол CSMA/CD - контрол на носещата честота с откриване на колизия (802.3 Ethernet).

Таблица 4.1 маркира етапите в разработването и развитието на протоколната спецификация Ethernet.

Таблица 4.1

Спецификацията Ethernet е съвместна разработка на фирмите Xerox, Intel и Digital Equipment, като е обогатена и доразвита от институтите IEE и ANSI, като спецификацията се предлага за разглеждане от комитетът 802 на IEEE и с малки изменения е включена като основа на стандарт IEEE 802.3.

Спецификацията CSMA/CD Ethernet обслужва двете най-ниски нива от Еталонния модел - физическото и каналното.

МАС - поднивото е изпълнено от 4-обекта, по два в предавателната и приемната част.

Обектът "Формиране на кадрите" е обект от предавателната част. В този обект се формира валидния МАС-кадър (Таблица 4.2).

Таблица 4.2

При формирането на МАС-кадъра се инициализира полетата за целеви адрес, адрес на източника и полето за контрол. Протоколния LLC блок е прозрачен за МАС поднивото.

Обектът "Управление на достъпа до средата" е обект както от предавателната, така от приемната среда. Основната му функция е да предаде МАС-кадъра към физическото ниво и да приеме съответен МАС-кадър от физическото ниво. Приемането и предаването на MAC-кадъра към и от физическото ниво се съпътства от следните допълнителни функции.

• 
  буфериране на МАС-кадъра;
  
• 
  обработка и отстраняване на колизии.
  

Обектът "Кодиране/декодиране на данните” има следните функции:

• 
  формиране на синхросигнали за идентификация за идентификация на МАС-кадъра;
  
• 
  кодиране на битовия поток до самосинхронизиращ се манчестърски код, който се декодира от същия обект в приемната среда.
  

МАС-кадъра се предава до всички станции, включени в канала. Сигналите се разпространяват от възела източник симетрично в двете посоки от комутационния канал. Приемащата станция отделя валидния МАС-кадър от преносимата среда и го буферира. Буферният кадър се идентифицира по адресната част. Ако целевият адрес, записан в кадъра съвпадне със собствения адрес на приемащия възел, кадъра се разпакетира и LLC блока данни се изпраща към LLC под-нивото за обработка.

Характерна особеност на IEEE 802.3 е предвидената система за откриване и разрешаване на колизии.

Тъй като CSMA/CD е равнорангова дисциплина за достъп до физическия канал, то възлите заявяват необходимостта да използват канала само, когато желаят да предадат данни. Съперничество за канала се проявява тогава, когато повече от една станция се опитват едновременно да извеждат валидни данни. Получава се наслагване и изкривяване на информацията и тя се лишава от достоверност - правилното u приемане е невъзможно. Такова състояние на шината се нарича колизия. Възлово място в анализа на колизиите заема така наречения прозорец на колизията. Този термин характеризира интервала от време, необходим за разпространението на активен сигнал по канала и откриването на този сигнал от всяка от включените в съединението станции. На практика това е времето за откриване на колизията от опониращите заемането на канала възли. В най-тежкия случай времето за откриването на колизията е равно на удвоената продължителност на прозореца на колизията. Прозорецът се удвоява, тъй като за откриването на колизията от предавателния възел е необходимо до този възел да достигне насложения, в резултат на стълкновението сигнал.

Колизията е нежелано явление, тъй като води до генерирането на грешки при транспортирането на данни. Също така при предаването на дълги кадри колизията "поглъща" голяма част от каналното време. Този ефект не е така силно проявен при малка дължина на кадъра. При CSMA/CD протокола този проблем се решава чрез прекъсване на кадъра в момента на откриване на колизията.

Ако поредица от сигнали се разпространяват във всички достъпни части на канала без колизии, то се говори че възелът, предаващ тези сигнали е завладял канала.

При случая на колизия обектът за достъп до канала в предаващата страна открива наслагването на сигналите и изработва към обекта за управление на достъпа до средата сигнал за колизия. Обектът “Управление достъпа до средата” изпълнява две функции за обработка на колизията:

• 
  усилване ефекта на колизията - предава се специализирана последователност от битове, наречена пакет “jam” (задръстване). Целта на “jam”- пакета е да осигури такава продължителност на ефекта на колизия с цел надеждна детекция на колизията от всички предавателни станции, сблъскващи се по канала. “jam”- пакета е с размер от 32 до 48 бита. Горната граница се поставя за разграничаване на “jam”- пакета от обичайните МАС-пакети;
  
• 
  прекратяване на предаването и планиране на следващия опит за заемане на канала.
  

Както в спецификацията Ethernet, така и в стандарта IEEE 802,3 се използва “едно-настойчив” метод за управление на колизията, а за планирането на повторното предаване се прилага вероятностен метод, наречен усреднен двоичен експоненциален възврат (truncated binary exponencial back-off).

След завършване на “jam”-пакета се генерира времезадръжка, преди следващия опит за повторно предаване. Величината на времезадръжката е кратна цяло число пъти на дължината на слота. Броят на слотовете интервали, в рамките на които се изчаква преди n-тия опит за повторно предаване се избира като равномерно разпределена случайна величина.

Методът CSMA/CD е най-ефективен при относително ниски претоварвания на канала в рамките на 25-30%. В случаите на локална мрежа с ефективни натоварвания на 50% е по-подходящо да се използват други дисциплини за достъп до физическата среда.

Преди да започне предаването е необходимо възлите да ”послушат” канала дали е “зает” или “свободен”. Наличието на носеща честота е достатъчно и необходимо условие, че каналът е “зает”/ При освобождаване на канала всеки възел, който има данни за предаване може да започне предаването. Ако повече от един възел започнат едновременно предаване в комуникационната среда се открива конфликт – колизия.

Р
Активен предавател

Случай 1:

В

Фиг. 4.19

“С” предава информацията на другите станции. В момента to включваме осцилоскопа и на екрана имаме носеща честота.

Случай 2:

В

Фиг. 4.20

Отпадането на носещата дава възможност за инициатива на “А” и “D” да предават данни. В един момент двете носещи се наслагват. “A” и “D” предават данни, не се отркива веднава “колизия”, тъй като станциите са отдалечение на разстояние l_c.

Прозорецът на колизията интервал от време:

t_WТ = t(l_MAX) + t(sd_LOW) + t(JAM)

JAM е специализиран по структура пакет, който информира за колизията. Използва се за привеждане на протоколната логика в начало състояние за разрешаване на колизията.

На таблица 4.2 са представени три метода за разрешаване на колизията: ненастойчив, 1-настойчив и P-настойчив. Описва се поведението на протоколната логика в зависимост от базовите състояния на канала – свободен, зает и състояние на колизия

Таблица 4.2. Методи за разрешаване на колизията.

Методи Състояние	Ненастойчив	P – настойчив	1-настойчив
Сободен	Станцията започва да предава веднага	с вероятност (р) – станцията започва предаване с вероятност (1-р) – отлага предаването за случайно генериран интервал от време	Станцията започва да предава веднага
Зает	Проверката се осъществява през случайно генериран интервал от време – “ненастойчива” проверка	с вероятност (р) – станцията проверява състоянието на канала с вероятност (1-р) – отлага проверката със случайно генериран интервал от време	Непрекъсната проверка на състоянието на канала.
Колизия	В момента tC се установява колизия. Предаването се отлага със случайно генериран интервал от време tC. tC е различен за всяка станция. Станцията с най-малък tC заема канала.	В момента tC се установява колизия. Предаването се отлага със случайно генериран интервал от време tC. tC е различен за всяка станция. Станцията с най-малък tC заема канала.	В момента tC се установява колизия. Предаването се отлага със случайно генериран интервал от време tC. tC е различен за всяка станция. Станцията с най-малък tC заема канала.

Анализът на методите за разрешаване на колизията показва, че ненастойчивият метод предполага най-малко колизии, но при него физическото съединение се използва неефективно – възможно са периоди на изчакване и не използване на физическия канал. При 1-настойчивия метод физическият канал се използва най-ефективно, но метода работи с най-много колизии и реалния пренос на потребителски данни се накъсва от процедури по разрешаване на възникналите колизии. За отстраняване на недостатъците на първите два метода е създаден p-настойчивият метод. При този метод променяйки стойността на вероятността (p). Така от една страна се регулира броя и честотата на колизиите, а от друга се достига до относително ефективно използване на физическото съединение.

Изграждането на МАС поднивото по стандарта IEEE 802.3 е удачно за локални мрежи с висока интензивност информационното натоварване при относително “къси” сесии на обмен за всяко от установяващите се канални съединения.

4.7.2.Равнорангови приоритетни протоколи

Един типичен представител на равноранговите приоритетни протоколи е приоритетното маркерно колело.

Подходът за реализиране на приоритетни маркерни колела за управление на достъпа до физическата среда се използва широко в практиката на локалните мрежи и е систематизиран в стандарта ІЕЕЕ 802.5.

Приоритетните маркерни колела се развиват на базата на усъвършенстване на неприоритетните маркерни системи, т. е. в сила са общите правила за изграждане на маркерните колела. Маркерът циркулира непрекъснато по колелото, преминавайки през всяка от станциите. Всяка станция приема, проверява и препредава маркера. Ако маркерът е в състояние "зает" приемащата станция го регенерира и го предава към следващата станция. Копиране на данни от маркера се осъществява, само ако пренасяните данни са необходими за приложните процеси, функциониращи в изчислителната среда на съответния възел.

Стандартът ІЕЕЕ 802.5 осигурява приоритетен достъп до колелото на базата на разширяване на управляващите полета в композицията на маркера и вграждане на съответната приоритетна логика във всеки един от включените в съединението възли:

• 
  полета на маркера:
  

РРР - битове за приоритет - указват приоритета на маркера и станциите, които могат да го използват;

• 
  регистри във възлите:
  

Рr - регистър на приоритета;

Sr - стеков регистър на приоритетите Рr;

Sх - стеков регистър за съхраняване на стойностите на полетата за последния предаден маркер;

Рm - приоритет на текущата заявка.

Приоритетният механизъм работи по такъв начин, че за всички станции притежаващи един и същ приоритет да се осигури равно вероятностен достъп до колелото. Основния принцип на приоритетния механизъм гласи: всяка станция, която повишава нивото на приоритета за обслужване в колелото (запомняща станция - stacking station) възстановява изходната стойност на сервизния приоритет.

Действието на приоритетния механизъм е следното: когато конкретна страница има кадър за предаване, тази станция (възел) заявява маркера чрез резервиране (RRR). Ако нивото на приоритета на кадъра (Рm), готов за предаване е по-голям от стойността на битовете RRR, възелът увеличава стойността на полето RRR до величината Рm. Ако RRR  Pm, то полето за резервиране се регенерира без изменение. След като станцията е заявила маркер, тази станция предава кадри, докато не завърши предаването на всички кадри "натоварени" след маркера.

Ако предаването на поредния маркер не се реализира до препълването на специализиран системен таймер, станцията генерира нов маркер по колелото.

Ако станцията няма текущи кадри за предаване и няма заявка за резервиране (Rr), по-голяма от текущия приоритет на обслужване на колелото (Рr), то маркера се предава с приоритет равен на текущия приоритет на обслужване в колелото. Полето за резервиране се пресмята от израза:

RRR = MAX(Pr, Pm)

Ако в станцията има готов за предаване кадър или заявка за резервиране (Rr), всеки от които има по-висок приоритет от текущия за обслужване на колелото, тогава маркера се генерира с приоритет.

PPP = MAX(Pm,Rm) a RRR = 0

Тъй като станцията повишава нивото на обслужване по колелото, тази станция се установява като запомняща. Като такава конкретната станция съхранява старото значение на приоритета на обслужване по колелото, като Sr и новото значение на приоритета като Sx. Тези стойности се използват в един по късен момент за понижаване приоритета на обслужване по колелото, когато се изчерпят кадрите, готови за предаване в колелото с приоритет Pm  Sx.

Запомнящата станция изисква всеки маркер, който тя получава да има приоритет PPP, равен на Sx. Полето RRR се анализира с цел повишаване, запазване или намаляване приоритета на обслужване на колелото. Всеки нов маркер се предава с поле PPP, равно на полето за резервиране RRR, но не по-малко от запомнен приоритет за обслужване Sr.

Ако новото значение на приоритета на обслужване на колелото PPP е по-голямо от Sr, то полето RRR се нулира; старото значение на приоритета на обслужване на колелото се заменя Sx = PPP и станцията запазва своята функционалност на запомняща.

Ако резервирания приоритет на обслужване е по-малък или равен на запомнящия приоритет Sr, то новият маркер се предава с поле за приоритета PPP = Sr; Sx и Sr се извеждат от стека и ако в стека няма други стойности за Sx и Sr, станцията прекратява изпълнението на функцията за запомняща станция. Този метод позволява на станции с нисък приоритет да използват колелото, когато вече са обслужени станциите с по-висок приоритет.

Стандартът IEEE 802.5 предполага използването на три формата за разпространение на информацията в колелото.

• 
  маркерен формат - състои се от два разделителя за идентификация на валиден формат и поле за управление на достъпа, съдържащо 8 бита: три бита PPP - индикатор на приоритета; три бита RRR - индикатор на резервациите; един бит T - за тип на информацията (T = 0 - маркер, T = 1 - данни); един бит M - мониторен бит, използва се от разрешения набор функции по управление на колелото;
  
• 
  маркерен формат за аварийно завършване - състои се от начален и краен разделител. Този формат се използва за прекъсване предаването на съобщения при възникнали аномални ситуации в мрежовата среда.;
  
• 
  информационен формат - използва се за същинското транспортиране на информацията. При композиране на формата на информационния кадър са включени съответните LLC и MAC опаковки.
  

• 
  използване на няколко ситемни таймера за възстановяване на колелото;
  
• 
  възможности за генериране на система от отчети за натоварването на станциите и др.