Канальный уровень модели ISO/OSI. Протоколы доступа к среде (семейство протоколов ALOHA, протокол CSMA, полнодуплексный доступ).

Назначение, функции и услуги канального уровня модели ISO/OSI

Функции протоколов канального уровня различаются в зависимости от того, предназначен ли данный протокол для передачи информации в локальных или в глобальных сетях. Протоколы канального уровня, используемых в локальных сетях, ориентируются на использование разделяемых между компьютерами сети сред передачи данных. Поэтому в этих протоколах имеется подуровень доступа к разделяемой среде. Хотя канальный уровень локальной сети и обеспечивает доставку кадра между любыми двумя узлами локальной сети, он это делает только в сети с совершенно определенной топологией связей, именно той топологией, для которой он был разработан. К таким типовым топологиям, поддерживаемым протоколами канального уровня локальных сетей, относятся общая шина, кольцо и звезда.

Использование разделяемой среды передачи данных делает в локальных сетях ненужными процедуры управления потоком кадров. Локальная сеть базовой топологии не может переполниться кадрами, так как узлы сети не могут начать генерацию нового кадра до приема предыдущего кадра станцией назначения.

Еще одной особенностью протоколов канального уровня локальных сетей является широкое использование дейтаграмнных процедур. Это объясняется хорошим качеством каналов связи, редко искажающим биты в передаваемых кадрах.

Примерами протоколов канального уровня для локальных сетей являются протоколы Token Ring, Ethernet, Fast Ethernet, 100VG-AnyLAN, FDDI.

В глобальных сетях, которые редко обладают регулярной топологией, канальный уровень обеспечивает обмен сообщениями между двумя соседними компьютерами, соединенными индивидуальной линией связи. К таким протоколам типа "точка-точка" относятся протоколы PPP, SLIP, LAP-B, LAP-D. Эти протоколы не используют подуровня доступа к среде, но требуют наличия процедур управления потоком кадров, так как промежуточные коммутаторы могут переполниться при слишком высокой интенсивности трафика по некоторым индивидуальным каналам. Кроме того, из-за высокой степени зашумленности глобальных каналов связи в протоколах этих сетей широко используются методы передачи данных с предварительным установлением соединения и повторными передачами кадров при их искажениях и потерях.

Канальный уровень оперирует единицами данных называемыми кадрами (frame). В общем случае каждый протокол канального уровня имеет свой особый формат кадра.

В локальных сетях канальный уровень разделяется на два подуровня:

• уровень управления логическим каналом (logical link control, LLC).
• уровень доступа к среде (media access layer, MAC),

Уровень LLC отвечает за достоверную передачу кадров данных между узлами, а также реализует функции интерфейса с прилегающим к нему сетевым уровнем. MAC-уровень лежит ниже LLC-уровня и выполняет функции обеспечения доступа к разделяемой между узлами сети общей среде передачи данных. Стандартные протоколы канального уровня часто различаются реализацией метода доступа к разделяемой среде, в то время как функции LLC-уровня гораздо меньше варьируются от одного стандарта к другому.

Уровень LLC дает более высоким уровням возможность управления качеством услуг, предоставляемых канальным уровнем. Так передача данных на канальном уровне может быть выполнена дейтаграммным способом либо с установлением соединений, с подтверждением правильности приема либо без подтверждения.

Прием кадра из сети и отправка его в сеть связаны с процедурой доступа к среде передачи данных. В локальных сетях используется разделяемая среда передачи данных, поэтому все протоколы канального уровня локальных сетей включают процедуру доступа к среде, которая и является главной функцией МАС-уровня. Кроме того, МАС-уровень должен согласовать дуплексный режим работы уровня LLC с полудуплексным режимом работы физического уровня. Для этого он буферизует кадры с тем, чтобы при получении доступа к среде, передать их по назначению.

Для доступа к разделяемой среде в локальных сетях используется два типа методов доступа:

• методы случайного доступа,
• методы маркерного доступа.

Особенностью всех методов доступа к передающей среде, используемых в локальных сетях, является распределенный характер механизма их реализации, то есть в решении этой задачи участвуют все компьютеры на равных (или почти равных) основаниях. Такая децентрализация делает работу сети более надежной.

Методы случайного доступа основаны на том, что каждая станция сети пытается получить доступ к среде в тот момент времени, когда ей это становится необходимым. Если среда уже занята, то станция повторяет попытки доступа до тех пор, пока очередная попытка не окажется успешной. Хотя принцип случайного доступа допускает различные реализации, широко используется только метод случайного доступа технологии Ethernet.

Методы маркерного доступа основаны на детерминированной передаче от одного узла сети другому специального кадра информации - маркера (токена) доступа. Маркерные методы доступа используются в сетях Token Ring, ArcNet и FDDI. В таких сетях право на доступ к среде передается циклически от станции к станции по логическому кольцу.

Канальный уровень обеспечивает корректность передачи каждого кадра, помещая специальную последовательность бит в начало и конец каждого кадра, чтобы отметить его, а также вычисляет контрольную сумму, суммируя все байты кадра определенным способом и добавляя контрольную сумму к кадру. Когда кадр приходит, получатель снова вычисляет контрольную сумму полученных данных и сравнивает результат с контрольной суммой из кадра. Если они совпадают, кадр считается правильным и принимается. Если же контрольные суммы не совпадают, то фиксируется ошибка.

Функции канального уровня реализуются установленными в компьютерах сетевыми адаптерами и соответствующими им драйверами, а также различным коммуникационным оборудованием: мостами, коммутаторами, маршрутизаторами, шлюзами. В зависимости от того, какой протокол реализует сетевой адаптер, адаптеры делятся на Ethernet-адаптеры, Token Ring-адаптеры, FDDI-адаптеры и т. д. Аналогично, коммутаторы, мосты и машрутизаторы могут иметь порты, поддерживающие различные канальные протоколы.

Все эти устройства могут выполнять следующие действия:

• Формирование кадра - включает размещение данных, поступивших с верхнего уровня, в поле данных кадра, а также формирование заголовка, то есть определение и занесение в соответствующие поля кадра контрольной суммы, MAC-адресов отправителя и получателя, отметки о типе протокола верхнего уровня, пакет которого упакован в поле данных кадра, и возможно некоторой другой информации. Кадры могут быть информационными, содержащими данные конечных пользователей, (они формируются в компьютерах), и служебными, источником которых может быть любое устройство, использующее канальный уровень. Служебные кадры формируются, например, мостами для реализации алгоритма покрывающего дерева, маршрутизаторами при обмене маршрутной информацией, компьютерами при объявлении выполняемых ими сервисов.
• Анализ заголовка кадра и обработка кадра на основании результатов проведенного анализа могут заключаться, например, в уничтожении кадра при несовпадении контрольной суммы, в принятии решения о передаче кадра в сеть при несовпадении адреса назначения с адресом данного узла и т.п.
• Прием кадра из сети и отправка кадра в сеть прежде всего связаны с получением доступа к передающей среде, эта процедура единообразным образом выполняется всеми устройствами сети, построенной с использованием общей базовой сетевой технологии. Как правило, принимаемые кадры помещаются в буфер, а при отправке - выбираются из буфера.

Доступ к среде, модели статического и динамического выделения канала.

При доступе к среде возникает проблемма распределения одно- го широковещательного канала между несколькими пользователями. Можно выделить две схемы выделения канала: статическую и дина- мическую. Рассмотрим динамическое выделение канала.

Динамическое выделение канала

Многостационная модель.
В рамках этой модели рассматри- вается N независимых станций, каждая из которых порождает кадры с вероятностью ? t за период t, где ? — некоторый? ? параметр. После отправки кадра станция блокируется и ничего не предпринимает, пока кадр не будет успешно передан.

Модель единого канала.
Для всех коммуникаций используется один канал. Все станции эквивалентны.

Модель с коллизиями.
Если два кадра передаются одновремен- но, они перекрываются и возникает коллизия. Все станции мо- гут детектировать коллизии. Эти кадры должны быть переданы ещё раз. За исключеним коллизий других ошибок нет.

Временные модели:

a) Модель непрерывного времени.
Передача кадров может произойти в любой момент времени. Время непрерывно.

b) Модель тактированного времени.
Время разбивается на дискретные интервалы — такты (slots). Передача кадров происходит всегда в начальный момент такта.

Модели с несущей:

a) Модель с прослушиванием несущей.
Прежде чем исполь- зовать канал, станции запрашивают состояние канала. Ес- ли он занят, то все станции перестают его использовать до тех пор, пока он не освободится.

b) Модель без прослушивания несущей.
Станции не запрашивают состояние канала перед началом передачи.

Протоколы множественного доступа:

Семейство протоколов ALOHA

В 1970-х годах в Гавайском университете под руководством Нор- мана Абрамсона была разработана система ALOHA. Она использова- лась для наземной системы радиодоступа. Центральный узел, называемый базовой станцией, принимает па- кеты, передаваемые другими узлами на частоте f0 = 417 Мгц и ре- транслирует эти пакеты на частоте f1 = 413 Мгц. Узлы сети ALOHA передавали пакеты со скоростью 9600 бит/с. Узлы передают пакеты по общему каналу. Когда передача двух пакетов происходит одновременно, они искажают друг друга. Возни- кают коллизии. В начальной реализации сети ALOHA центральный узел подтверждает верно принятые пакеты. Когда узел не получает подтверждение за определённый промежуток времени, он полагает, что произошла коллизия и передаёт пакет снова. ALOHA не использует контроль несущей и не прекращает переда- чу пакета при обнаружении конфликта. Контроль несущей бесполе- зен, поскольку узлы расположены далеко друг от друга, и узел может завершить передачу прежде, чем другой узел заметит передачу. По тем же причинам обнаружение конфликтов слишком запаздывает. Мы рассмотрим две версии протокола ALOHA: чистую (pure ALOHA) и тактированную (синхронную) (slotted ALOHA). В первой используется модель непрерывного времени, а во второй — тактированного.

Чистая ALOHA

В данной модели станция начинает передачу данных сразу же, как у неё есть данные. При возникновении коллизии посылающая станция ждёт случайный промежуток време- ни, а затем повторяет передачу этого кадра. Таким образом, если станция начала передачу в то время, пока предыдущий кадр находится в канале, возникает коллизия. Оба па- кета разрушаются и должны быть переданы повторно.

Протоколы множественного доступа с контролем несущей с определением коллизий (CSMA/CA)

Множественный доступ с контролем несущей и предотвращением коллизий (сокращенно CSMA/CA) не так популярен, как CSMA/CD или передача маркера. Используя CSMA/CA, каждый компьютер перед передачей данных в сеть сигнализирует о своем намерении, поэтому остальные компьютеры "узнают" о готовящейся передаче и могут избежать коллизий.

Однако широковещательное оповещение увеличивает общий трафик сети, уменьшает ее пропускную способность. Отсюда — CSMA/CA работает медленнее, чем CSMA/CD.

Примером протокола CDSMA/CA является LokalTalk фирмы Apple Computer. Системы на основе CSMA/CA больше всего подходят для сетей с импульсным трафиком (то есть при передаче больших файлов) с небольшим количеством пользователей.

Устойчивый и неустойчивый CSMA

1-устойчивый (1-persistent) CSMA
Когда станция готова к переда- че данных, она прослушивает канал, чтобы определить, не пе- редаёт ли данные кто-либо другой. Если канал занят, станция ждёт, когда он освободится. Если же канал свободен, станция передаёт информацию. При возникновении коллизии станция ждёт случайный промежуток времени, а потом продолжает дей- ствовать по вышеописанному алгоритму. Протокол называется 1-устойчивый, потому что в случае свободного канала станция осуществляет передачу с вероятностью 1.

Неустойчивый (nonpersistent) CSMA
Этот случай немного отли чается от предыдущего. Здесь опять перед передачей данных станция прослушивает канал. Но в случае, если канал уже ис- пользуется, то станция ожидает случайный период времени и повторяет алгоритм.

p-устойчивый (p-persistent) CSMA
Данный вид применяется к так- тированному каналу. Если канал свободен, то передача осу- ществляется с вероятностью p. Соответственно с вероятностью q = 1 p станция будет ждать следующего такта. Если и тогда канал свободен, то передача данных или ожидание следующе- го такта происходят с вероятностью p и q соответственно. Этот процесс продолжается до тех пор, пока либо кадр не будет пере- дан, либо пока другая станция не начнёт передачу. В последнем случае возникает коллизия; станция ожидает случайный период времени и пытается снова осуществить передачу данных. Если же при начале прослушивания канала он оказывается занятым, то станция ждёт до начала следующего такта и повторяет алго- ритм.

Устойчивый и неустойчивый CSMA являются непосредственным улучшением протоколов семейства ALOHA, поскольку в них для определения состояния канала осуществляется его прослушивание.

Протоколы множественного доступа с контролем несущей и определением коллизий

В русскоязычной литературе иногда используется обозначе- ние МДКН/ОК. Мы будем использовать англоязычный термин CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection). Эти протоколы являются дальнейшимулучшениепротоколов, рас- смотренных в предыдущем пункте. Здесь при возникновении колли- зии станции сразу же прекращают передачу данных (вместо того, чтобы продолжать передачу, что бессмысленно, потому что данные всё равно будут испорчены). Это позволяет сэкономить и время, и полосу пропускания.

При обнаружении коллизии станция прекращает передачу данных и ждёт случайное время. По истечении данного времени станция опять пытается передать данные.

Разберём алгоритм определения коллизий подробнее. Пусть две станции начали передачу данных в один и тот же момент времени. Время определения коллизии будет зависеть от времени распростра- нения сигнала между двумя этими станциями.

Обозначим через a время прохождения сигнала между двумя наи- более станциями. Пусть первая станция начинает передачу данных в некоторый момент времени t0. Если в промежуток времени [t0,t0 +a) вторая станция тоже начнёт передачу, она обнаружит коллизию. Что- бы коллизию обнаружила и первая станция, сигнал должен вернуть обратно, то есть коллизия будет обнаружена в промежуток времени [t0,t0 + a). Временной интервал 2a называется временем двойного оборота (Path Delay Value, PDV).

Доступ с передачей маркера

Суть доступа с передачей маркера заключается в следующем: пакет особого типа, маркер (token) циркулирует по кольцу от компьютера к компьютеру. Маркер — это специальное сообщение, которое передает временное управление средой передачи устройству, владеющему маркером. Чтобы послать данные в сеть, любой из компьютеров сначала должен дождаться прихода свободного маркера и захватить его.

Когда какой-либо компьютер "наполнит" маркер своей информацией и пошлет его по сетевому кабелю, другие компьютеры уже не могут передавать данные. Так в каждый момент времени только один компьютер будет использовать маркер, в сети не возникнет ни состязания, ни коллизий, ни временных пауз.

Имеется несколько протоколов передачи маркера. Двумя стандартами ЛС, использующими передачу маркера, являются IEEE 802.4 Token Bus и 802.5 Token-Ring. В сети Token Bus используется управление доступом с передачей маркера и физическая или логическая шинная топология, в то время как в сети Token-Ring используется управление доступом с передачей маркера и физическая или логическая кольцевая топология. Другим стандартом передачи маркера является Fiber-distributed interface (FDDI) — распределенный волоконно-оптический интерфейс данных.

Сети с передачей маркера следует использовать при наличии зависящего от времени приоритетного трафика, типа цифровых видео— и аудиоданных, или при наличии очень большого количества пользователей.

Доступ по приоритету запроса

Доступ по приоритету запроса — относительно новый метод доступа, разработан для стандарта сети Ethernet со скоростью передачи данных 100 Мбит/с — 100VG-AnyLAN. Он стандартизован IEEE в категории 802.12.

Этот метод доступа основан на том, что все сети 100VG-AnyLAN строятся только из концентраторов и оконечных узлов. Концентраторы управляют доступом к кабелю, последовательно опрашивая все узлы в сети и выявляя запросы на передачу. Концентратор должен знать все адреса, связи и узлы и проверять их работоспособность. Оконечным узлом, в соответствии с определением 100VG-AnyLAN, может быть компьютер, мост, маршрутизатор или коммутатор.

Состязание приоритетов запроса

Как и при CSMA/CD, при доступе по приоритету запроса два компьютера могут бороться за право передать данные. Однако только последний метод реализует схему, по которой определенные типы данных — если возникло состязание, — имеют соответствующий приоритет. Получив одновременно два запроса, концентратор вначале отдаст предпочтение запросу с более высоким приоритетом. Если запросы имеют одинаковый приоритет, они будут обслужены в произвольном порядке.

В сетях с использованием доступа по приоритету запроса каждый компьютер может одновременно передавать и принимать данные (дуплексный обмен данными), поскольку для этих сетей разработана специальная схема кабеля. В них применяется восьмипроводной кабель, по каждой паре проводов сигналы передаются с частотой 25 МГц.

Опросные системы идеальны для сетевых устройств, чувствительных ко времени, например, при автоматизации оборудования.

Примеры протоколов множественного доступа

ALOHA, CSMA, Bit-Map

Литература.

1. К.Е. Самуйлов, Д.С. Кулябов. Учебно-методическое пособие по курсу "Сети и системы телекоммуникаций".- М.: РУДН.- 2002
   
2. Доступ к среде передачи данных // сайт Красноярского государственного технического университета.