Введение в сети передачи данных

Следующим по популярности после CSMA/CD является маркерный доступ (Token Ring, IEEE-802.4, ArcNet и FDDI), который более гибок и обеспечивает приоритетную иерархию обслуживания. Массовому его внедрению препятствует сложность и дороговизна. Хотя региональные сети имеют самую разнообразную топологию, практически всегда они строятся на связях "точка-точка".

В таблице 10.1 представлены сводные данные по основным видам локальных сетей, используемых в настоящее время (список не является полным).

Приведенная таблица не может претендовать на полноту. Так, сюда не вошла сеть IBM DSDB, разработанная в начале 1980-х годов. Полоса пропускания сети составляет 64 Мбит/с. Эта сеть рассчитана на обслуживание процессов реального времени. Сеть имеет топологию шины с приоритетным доступом (длина шины — до 500м). Коммуникационная шина логически делится на три магистрали: сигнальная — для реализации приоритетного доступа; лексемная шина — для резервирования в буфере места назначения; и, наконец, коммуникационная шина — для передачи данных. Каждая из указанных магистралей использует идеологию независимых временных доменов, границы которых синхронизованы для всех трех магистралей. Схема доступа сходна с описанной для сетей CAN (CSMA/CA — Collision Avoidance).

Существует целое семейство методов доступа, исключающих столкновение: это мультиплексирование по времени ( TDM ), по частоте ( FDM ) или длине волны ( WDMA — Wavelength Division Multiple Access). Здесь каждому клиенту выделяется определенный временной домен или частотный диапазон. Когда наступает его временной интервал и клиент имеет кадр (или бит), предназначенный для отправки, он делает это. При этом каждый клиент ждет в среднем N/2 временных интервалов (предполагается, что работает N клиентов). При FDM передача не требует ожидания, так как каждому из участников выделяется определенный частотный диапазон, которым он может пользоваться когда угодно по своему усмотрению. Методы доступа TDM и FDM могут совмещаться. Но в обоих случаях временные интервалы или частотные диапазоны используются клиентом по мере необходимости и могут заметное время быть не заняты (простаивать). Следует также учесть, что если мы хотим обеспечить двухсторонний обмен при фиксированном частотном диапазоне, максимально возможное число участников следует уменьшить вдвое. Такие протоколы доступа часто используются в мобильной связи. Схема работы алгоритма WDMA показана на рис. 10.8.

Рис. 10.8. Пояснение работы алгоритма доступа WDMA

На рисунке 10.8 представлен случай с четырьмя станциями (A, B, C и D). Каждая станция имеет два канала. Один канал (менее широкополосный) является управляющим каналом станции. Второй (широкополосный) служит для передачи данных. В каждом из каналов выделяется определенное число временных доменов. Будем считать, что число доменов в управляющем канале равно k, а число доменов в информационном канале – N+1, где N из них предназначены для данных, а последний служит для передачи станцией своего статуса (например, информации о свободных доменах). Все каналы синхронизуются от общих часов. Протокол поддерживает три типа трафика: постоянный поток данных с ориентацией на соединение (1), например видеотрафик; переменный поток, ориентированный на соединение (2), и поток дейтограмм, например UDP (3). В протоколах, ориентированных на соединение, станция А, прежде чем осуществить обмен с В, должна послать запрос на соединение (CONNECTION REQUEST), в свободном домене канала управления станции В. Если станция В воспринимает запрос, обмен осуществляется через канал данных станции А. Каждая станция имеет два передающих элемента и два принимающих.

1. Приемник с фиксированной длиной волны для прослушивания своего собственного канала управления.
2. Настраиваемый передатчик для посылки сообщений управляющим каналам других станций.
3. Передатчик с фиксированной длиной волны для посылки информационных кадров.
4. Настраиваемый приемник для приема данных от одного из передатчиков.

Каждая станция прослушивает свой управляющий канал с целью приема запросов и настраивается на длину определенного передатчика для получения данных. Настройка на определенную длину волны производится с помощью ячеек Фабри-Перо или интерферометров Маха-Цандера (предполагается, что мы работаем с оптическими волокнами).

Рассмотрим, как станция А устанавливает тип обмена b со станцией В, например, для файлового обмена. Сначала А настраивает свой приемник данных на частоту информационного канала В и ждет его статусного домена. Этот домен позволяет определить, какой из управляющих доменов свободен (на рисунке занятые домены окрашены в серый цвет). На рис. 10.8 В имеет 8 доменов, из них 0, 3 и 5 свободны. Пусть принято решение занять запросом на соединение домен 5. Так как станция В постоянно прослушивает свой управляющий канал, она предоставит свободный домен для станции А. Это присвоение отражается в статусном домене информационного канала. Когда станция А обнаружит, что присвоение выполнено, можно считать, что осуществлено однонаправленное соединение между А и В. Если для А требуется двунаправленное соединение (что реально для протокола FTP), то В повторит ту же процедуру со станцией А. Вполне возможна ситуация, когда одновременно станции А и С пытаются захватить один и тот же домен с номером 5. Ни одна из них его не получит и узнает об этом из статусного кода в домене управляющего канала В. После этого обе станции ждут псевдослучайное время и делают еще одну попытку.

Для осуществления пересылки файла станция А посылает В управляющее сообщение типа "загляните в домен данных 3, там кадр для вас". Когда В получает управляющее сообщение, она настраивает свой приемник на выходной канал А, чтобы принять кадр данных от А. Станция В может использовать ту же схему для посылки подтверждения получения кадра, если это необходимо. Заметим, что может возникнуть проблема, если с В имеют одновременно соединения А и С и обе станции предлагают В заглянуть в информационный домен 3. Станция В воспримет одно из этих сообщений, второе будет потеряно. При постоянной скорости передачи используется модификация данного протокола. Когда станция А запрашивает соединение, она одновременно посылает сообщение типа "не возражаете, если я буду посылать данные в каждом домене 3?". Если В способна принять данные (домен 3 не занят), устанавливается соединение с фиксированной полосой. Если это не так, А может попытаться использовать другой свободный временной домен. Для типа обмена 3 (дейтограммы) используется другая вариация протокола. Вместо посылки запроса соединения в найденный свободный домен управляющего канала станция записывает сообщение "DATA FOR YOU in SLOT 3" (для вас есть данные в домене 3). Если В свободна во время следующего информационного домена 3, обмен будет успешным, в противном случае кадр теряется. Существует большое число различных вариантов протокола WDMA, например, с общим управляющим каналом для всех рабочих станций.

Рассмотрим случай ( FDM ) в предположении, что длина кадра имеет экспоненциальную плотность вероятности со средним значением 1/m, тогда среднее время задержки T для канала с пропускной способностью С бит/с при частоте кадров f с^-1 составит T = 1/(mC-f). Теперь предположим, что канал поделен на N независимых субканалов с пропускной способностью C/N бит/с. Средняя загрузка каждого из субканалов станет равной f/N. Теперь для среднего значения задержки мы получим выражение

Таким образом, FDM -доступ в N раз хуже, чем вариант, когда мы все кадры помещаем каким-то образом в некоторую общую очередь. Точно такая же аргументация может быть применена для метода TDM. По этой причине предпочтительнее динамические методы организации доступа к каналу (сетевой среде).

Интересной разновидностью Ethernet является широкополосная сеть типа Net/One. Она может базироваться на коаксиальном кабеле (суммарная длина до 1500 м) или на оптическом волокне (полная длина до 2500 м). Эта сеть по многим характеристикам аналогична обычному Ethernet ( CSMA/CD ), за исключением того, что коммуникационное оборудование передает данные на одной частоте, а принимает — на другой. Для каждого канала выделяется полоса 5 Мбит/с (полоса пропускания 6 МГц соответствует телевизионному стандарту). Предусматривается 5 передающих (59,75-89,75 МГц) и 5 принимающих (252-282 МГц) каналов для каждого из сетевых сегментов. Частота ошибок ( BER ) для сети данного типа меньше 10^-8.

Другой Ethernet-совместимой сетью является Fibercom Whispernet. Сеть имеет кольцевую структуру (до 8 км), полосу пропускания 10 Мбит/c, число узлов до 100 на сегменте при полном числе узлов в сети — 1024. Число кольцевых сегментов может достигать 101. Максимальное межузловое расстояние — 2 км.

Примером нетрадиционного типа сети может служить Localnet 20 (Sytek). Сеть базируется на одном коаксиальном кабеле и имеет полную полосу пропускания 400 МГц. Сеть делится на 120 каналов, каждый из которых работает со скоростью 128 Кбит/с. Каналы используют две 36МГц-полосы, одна для передачи, другая для приема. Каждый из коммуникационных каналов занимает 300 КГц из 36 МГц. Сеть использует алгоритм доступа CSMA/CD, что позволяет подключать к одному каналу большое число сетевых устройств. Предусматривается совместимость с интерфейсом RS-232. Вероятность ошибок в сети не более 10^-8.

Традиционные сети и телекоммуникационные каналы образуют основу сети – ее физический уровень. Реальная топология сети может динамически изменяться, хотя это и происходит обычно незаметно для участников. При реализации сети применяются десятки протоколов. В любых коммуникационных протоколах важное значение имеют операции передачи данных, ориентированные на установление соединения (connection-oriented), и операции, не требующие связи (connectionless — "бессвязные", ISO 8473). Интернет использует оба типа операций. При первом типе пользователь и сеть сначала устанавливают логическую связь и только затем начинают обмен данными. Причем между отдельными пересылаемыми блоками данных (пакетами) поддерживается некоторое взаимодействие. "Бессвязные" операции не предполагают установления какой-либо связи между пользователем и сетью (например, протокол UDP) до начала обмена. Отдельные блоки передаваемых данных в этом случае абсолютно независимы и не требуют подтверждения получения. Пакеты могут быть потеряны, задублированы или доставлены не в порядке их отправки, причем ни отправитель, ни получатель не будут об этом оповещены. Именно к этому типу относится базовый протокол Интернет — IP.

Для каждой сети характерен свой интервал размеров пакетов (MTU). Среди факторов, влияющих на выбор размеров кадра, можно выделить:

• аппаратные ограничения, например, размер домена при мультиплексировании по времени;
• операционная система, например, размер буфера 512 байт;
• протокол (например, число бит в поле длины пакета);
• обеспечение совместимости с определенными стандартами;
• желание уменьшить число ошибок при передаче ниже заданного уровня (это, пожалуй, наиболее важный фактор, когда длина пакета определяется уровнем BER );
• стремление уменьшить время занятости канала при передаче пакета.

Ниже приведены максимальные размеры пакетов ( MTU – Maximum Transfer Unit) для ряда сетей. Таблица 10.11.

Не следует думать, что современные сети, в частности Ethernet, обладают таким уж высоким быстродействием по сравнению с "традиционными" средствами транспорта.

Предположим, что товарный вагон загружен 10000 картриджами Exabyte, емкостью 10 Гбайт каждый (эта цифра может быть и больше). Вагон движется со скоростью 72 км/ч. Какой информационный поток создает такой вагон? В секунду он перемещается на 20 метров, перенося 10000*10*109*8 10¹⁵ бит данных. Скорость передачи данных по скрученной паре или оптическому волокну составляет около 200000 км/c. Если измерять передающую способность в м*бит/с, то для 100 Мбит/c Ethernet это будет 20*10^15 м*бит/c, как и для нашего вагона. Таким образом, вагон обеспечивает тот же темп переноса данных, что и Fast Ethernet.

Приведенное выше соображение, безусловно, поверхностно, так как не учитывает того факта, что мало доставить данные, надо их загрузить в ЭВМ (а вагоны машиной приниматься не могут). Но при построении сетей передачи данных и столь архаичный вариант не следует совершенно снимать со счетов.

Операции, ориентированные на установление связи (например, протокол TCP), предполагают трехстороннее соглашение между двумя пользователями и провайдером услуг. В процессе обмена они хранят необходимую информацию друг о друге, с тем чтобы не перегружать вспомогательными данными пересылаемые пакеты.

В этом режиме обмена обычно требуется подтверждение получения пакета, а при обнаружении сбоя предусматривается механизм повторной передачи поврежденного или потерянного пакета. "Бессвязная" сеть более надежна, так как она может отправлять отдельные пакеты по разным маршрутам, обходя поврежденные участки. Такая сеть не зависит от протоколов, применяемых в субсетях. Большинство протоколов Интернета используют именно эту схему обмена, например базовый протокол IP. Концептуально TCP/IP-сети предлагают три типа сервиса в порядке нарастания уровня иерархии:

1. "бессвязная" доставка пакетов;
2. надежная транспортировка информации;
3. реализация прикладных задач.

Для сопоставления быстродействия различных видов сетей Сталлингс (Stallings, W. Data and Computer Communications, New York: Mac-Millan Publishing Company, 1985) в 1985 году разработал важный критерий. Этот критерий предполагает вычисление битовой длины BL (максимальное число бит в сегменте), которая равна произведению максимальной длины сегмента ( L в метрах) на полосу пропускания ( W в бит/с), поделенному на скорость распространения сигнала в сегменте ( s в метрах в секунду):

BL=L*W/s

Для Ethernet BL = [200(м)*100 10⁶(бит/c)]/2 10⁸ (м/c) = 100 бит.

Коэффициент использования сети равен , где

Для Ethernet при длине пакета 1500 байт , что дает для эффективности использования сети 0,93. Таким образом, максимальная пропускная способность Ethernet составляет 93 Мбит/c или 11,6 Мбайт/с (для 100-мегабитного Ethernet). Разумеется, в этом подходе не учитываются издержки, связанные с заголовками пакетов, которые дополнительно снижают эффективность сети. Из данного рассмотрения может показаться, что чем больше пакет, тем лучше. С точки зрения пропускной способности так оно и есть. Но с увеличением длины пакета увеличивается время отклика сети. Таким образом, выбор MTU определяется реальными требованиями пользователей.