Устойчивость моноканала со свободным доступом

При свободном доступе к каналу зависимость числа кадров, ожидающих передачи, от скорости передачи кадров по каналу и средней задержки повторной передачи имеет вид, представленный на рис. 25.7. Скорость передачи кадров ограничена предельным значением (для СДПС — значением 0,184 кадра на окно). При фиксированной задержке повторной передачи увеличение интенсивности поступления кадров приводит к увеличению пропускной способности канала. При этом число кадров т, ожидающих передачи, в том числе и повторной, оказывается незначительным и задержка доставки кадров также невелика. Однако если в некоторый момент времени скорость поступления кадров превысит предельную пропускную способность, канал переходит в режим, при котором число кадров т, ожидающих передачи, и, следовательно, задержка передачи кадров принимает большие значения. В этом режиме из-за большого числа кадров, ожидающих передачи, увеличивается вероятность столкновений и с ростом т пропускная способность моноканала падает.

Основываясь на представленной зависимости m = f(S, t_н), оценим эффект от пульсации потока запросов на передачу кадров. Пусть к каналу подключено М систем, из которых кадры на передачу поступают с интенсивностью S^*. При этом каждая система порождает новый кадр с вероятностью
s = S^*/M. Нагрузку на канал в произвольный момент времени t будем характеризовать вектором [m(t), s(t)],где m(t) — число кадров (систем), ожидающих повторной передачи, и s(t) —скорость поступления новых кадров, которую будем характеризовать числом кадров, поступающих для передачи в течение окна. Нагрузка на канал [m(t), s(t)]=[m, (M – m)s], где (M – m)s— число новых кадров, порождаемых (M – m) системами, каждая из которых в течение окна может получить кадр с вероятностью s. С уве

Считается, что канал устойчив, если линия нагрузки пересекает кривую m = f(S, t_н) хотя бы в одной точке, и неустойчив, если они не соприкасаются. Устойчивый режим характеризуется тем, что увеличение числа кадров, ожидающих передачи, сопровождается увеличением пропускной способности канала, за счет чего очередь будет «рассасываться». При неустойчивом режиме увеличение числа кадров в очереди на передачу сопровождается снижением пропускной способности канала, в результате чего канал переходит в нерабочее состояние, при котором все М систем хранят кадры для передачи и из-за столкновений ни один кадр не может быть передан. Из этого состояния сеть может быть выведена только путем внешнего вмешательства.

Из рис. 25.7 видно, что устойчивость канала обеспечивается за счет согласования интенсивности потока кадров S*, генерируемого системами, с предельной пропускной способностью канала, а также за счет выбора времени задержки повторной передачи. Интенсивность потока кадров S* должна быть меньше предельной пропускной способности канала, и чем она меньше, тем меньше вероятность потери устойчивости при пульсации нагрузки. Среднюю задержку на повторную передачу следует увеличивать, в результате чего снизится интенсивность повторных передач кадров при столкновениях.

Синхронный свободный доступ с проверкой столкновений (ССДПС)

Для ССДПС скорость передачи кадров по моноканалу при бесконечном числе систем

S = Ge^-G , (1.7)

а при числе систем М

S = G(1 – G/M)^M-1 . (1.8)

Зависимость (1.7) представлена на рис. 25.6 кривой ССДПС. Максимальная скорость передачи кадров достигается при G = 1 запрос на окно и составляет

S = 1/e » 0,368 кадра на окно. (1.9)

Таким образом, при ССДПС пропускная способность моноканала увеличивается в 2 раза по сравнению с СДПС, но составляет менее 37% пропускной способности физического канала. Средняя задержка передачи кадра определяется по формулам (1.4), (1.5), причем нормированная средняя задержка повторной передачи t_н = t_max/2. Зависимость задержки от скорости передачи кадров по моноканалу представлена на рис. 25.8.

По сравнению с СДПС при ССДПС существенно повышается пропускная способность моноканала, но требуются генератор синхронизирующих сигналов и линии для их передачи, в результате чего увеличиваются затраты, оборудования и снижается надежность моноканала.

Свободный доступ с проверкой несущей (СДПН)

Система, имеющая кадр для передачи, перед тем как начать передачу, проверяет состояние моноканала — наличие в нем сигналов, используемых для передачи данных (сигналы несущей частоты, потенциальные или импульсные). Операция проверки состояния канала называется проверкой несущей. Если канал свободен, адаптер системы начинает передачу кадра. Если канал занят, передача откладывается, на время со средним значением, например, Т/2, где Т — время передачи кадра по моноканалу. За счет проверки несущей вероятность столкновений существенно уменьшается (поскольку происходят они только в том случае, если две системы начинают передачу практически одновременно). В результате этого увеличивается степень использования пропускной способности канала, т. е. скорость передачи данных.

Скорость передачи данных при СДПН оценивается следующим образом. Предположим, что для всех пар систем сети время распространения сигнала одинаково и равно а. Это время влияет на вероятность столкновения кадров. Если одна система начинает передачу в момент времени t, а другая система в момент времени t + d, где d < a, происходит столкновение кадров, поскольку в течение времени а после начала передачи занятый канал воспринимается: любой системой как свободный. Вероятность того, что ни одна система не начнет передачу в течение интервала а, равна e^-aG, где a = a/T — нормированное время распространения сигнала по моноканалу. Скорость передачи по моноканалу

S = Ge^-aG/[G(1 + 2a) + e^-aG] . (1.10)

При a ® 0

Зависимость (1.10) для a=0 и a=0,02 представлена на рис. 25.6. При малом времени распространения сигнала по каналу (a << T) с увеличением интенсивности потока запросов на передачу кадров G скорость передачи кадров по моноканалу возрастает, приближаясь к пропускной способности физического канала. Нормированная средняя задержка при передаче кадра

U_н = (1 + a) + (G/S – 1)(2a + 1 + t_н) . (1.12)

Проверка несущей реализуется достаточно простой схемой, встраиваемой в сетевой адаптер, и приводит к существенному повышению пропускной способности моноканала. Однако СДПК не исключает возможности столкновения кадров из-за конечности времени распространения сигналов а, в течение которого две или более системы могут начать передачу кадров. Последствия столкновения кадров ликвидируются двумя способами. Во-первых, в адаптеры систем можно встраивать схемы проверки столкновений. В этом случае доступ к каналу осуществляется с проверкой несущей и столкновений (СДПНС). Во-вторых, для ликвидации последствий столкновений можно использовать механизм квитанций и перезапроса. При этом передающая система не контролирует столкновения и возможно искажение кадров. Принимающая система проверяет поступивший кадр с помощью контрольного суммирования к передаваемой с кадром проверочной последовательности. Если ошибки в кадре не обнаружены, передающей системе направляется квитанция о приеме кадра. При отсутствии квитанции по истечении тайм-аута передающая система вновь направляет кадр адресату.

Эстафетный доступ

В магистральных структурах эстафетный доступ реализуется по схеме, приведенной на рис. 25.9. Сетевые адаптеры систем, подключенные к моноканалу, связаны кольцевой цепью, по которой между адаптерами передается эстафета — сигнал, разрешающий доступ к моноканалу. Если в адаптере кадр на передачу отсутствует, этот адаптер передает эстафету следующему адаптеру. Если адаптер хранит кадр для передачи, то по прибытии эстафеты адаптер начинает передачу кадра в канал и по окончании передачи пересылает эстафету следующему адаптеру. При эстафетном доступе почти полностью используется пропускная способность канала. Время доставки кадра не превышает NT, где N —число активных систем в сети и Т — время передачи кадра по каналу. Все системы находятся в одинаковых условиях и получают право на передачу с частотой не ниже 1/(NТ).

Рис. 25.9. Эстафетный доступ к каналу ЛВС с магистральной структурой

В кольцевых структурах эстафетный доступ к каналу реализуется с использованием эстафеты — маркера, последовательно передаваемого по кольцу от одной системы к другой. В качестве маркера используется специально выделенный для этого разряд кадра — бит в последовательности начала кадра ПНК (рис. 25.10). Если система находится в состоянии готовности к передаче кадра к приходит маркер, она изымает его из кольца и направляет в канал кадр, пример структуры которого приведен на рис. 25.10. Кадр поступает в следующую систему сети, которая ретранслирует его к очередной системе, и т. д. Каждая система сравнивает свой собственный адрес с адресом получателя, указанным в кадре. Если адреса совпадают, система принимает кадр в свою память и одновременно транслирует его дальше. Факт приема кадра системой отмечается установкой в 1 специального бита приема, выделяемого для этой цели в последовательности конца кадра ПКК. Передающая система находится в состоянии передачи до возвращения в нее отправленного кадра. Принимая ранее переданный кадр, передающая система сравнивает его с хранимым в памяти текстом, анализирует значение бита приема и, установив правильность передачи и факт приема кадра, посылает маркер следующей системе, которая по получении маркера имеет право на передачу своего кадра. Если в системе отсутствуют данные для передачи, то она передает маркер следующей системе сети. Таким образом, маркер последовательно передается между системами кольца, поочередно предоставляя им право на передачу данных.

Рис. 25.10. Структура кадра

При начальном запуске ЛВС необходимо сформировать маркер. Функция формирования маркера может быть возложена на одну главную систему или на несколько систем сети. В результате помех, воздействующих на канал, и отказов систем маркер может быть потерян. Факт потери устанавливается главной системой с помощью тайм-аута, длительность которого равна максимальной продолжительности передачи маркера по кольцу. Если маркер потерян, главная система генерирует его повторно в автоматическом режиме или под управлением оператора.