Для трех основных топологий характерны три наиболее типичных метода доступа.

Доступ к сети с топологией звезда

Для топологии звезда лучше всего подходит централизованный метод управления. Это связано с тем, что все информационные потоки проходят через центр управление обменом в сети. Причем не так важно, что находится в центре звезды: компьютер – центральный абонент или же специальный концентратор, управляющий обменом, но сам не участвующий в нем. В случае компьютера речь идет об активной звезде, а в случае концентратора центр не является полноценным абонентом, но управляет обменом.

Самый простейший централизованный метод состоит в следующем.

Периферийные абоненты, желающие передать свой пакет, посылают центру свои запросы – управляющие пакеты или специальные сигналы. Центр предоставляет им право передачи пакета в порядке очередности, например, по их физическому расположению в звезде по часовой стрелке. После окончания передачи пакета каким-то абонентом право передавать получит следующий по порядку (по часовой стрелке) абонент, имеющий заявку на передачу. Например, если передает второй абонент, то после него имеет право на передачу третий. Если же третьему абоненту не надо передавать, то право на передачу переходит к четвертому и т.д. (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Централизованный метод доступа в сети с топологией звезда

В этом случае говорят, что абоненты имеют географические приоритеты (по их физическому расположению). В каждый конкретный момент наивысшим приоритетом обладает следующий по порядку абонент, но в пределах полного цикла опроса ни один из абонентов не имеет никаких преимуществ перед другими. Никому не придется ждать своей очереди слишком долго. Максимальная величина времени доступа для любого абонента в этом случае будет равна суммарному времени передачи пакетов всех абонентов сети, кроме данного. Для топологии, показанной на рис. 4.1, она составит четыре длительности пакета. Никаких столкновений пакетов при этом методе в принципе быть не может, так как все решения о доступе принимаются в одном месте.

Рассмотренный метод управления – это метод с пассивным центром, так как центр пассивно прослушивает всех абонентов. Возможен и другой принцип реализации централизованного управления – метод с активным центром.

В этом случае центр посылает запросы о готовности передавать всем периферийным абонентам. Получив одновременно два ответа, центр вначале отдает предпочтение абоненту с более высоким приоритетом. В дальнейшем центр проводит сеанс обмена именно с ним. Если запросы имеют одинаковый приоритет, они будут выполнены в произвольном порядке. После окончания этого сеанса центральный абонент продолжает опрос периферийных абонентов по кругу, как на рис. 4.1. Если желает передавать центральный абонент, он передает вне очереди.Это, к примеру, реализовано в сети 100VG-AnyLAN.

Как в первом, так и во втором случае никаких конфликтов быть не может, так как решение принимает единый центр, которому не с кем конфликтовать. Но центр должен быть исключительно надежен, иначе будет парализован весь обмен. Механизм управления не слишком гибок, так как центр работает по жестко заданному алгоритму. К тому же скорость управления невысока. Ведь даже в случае, когда передает только один абонент, ему все равно приходится ждать после каждого переданного пакета, пока центр опросит всех остальных абонентов.

Как правило, централизованные методы управления применяются в небольших сетях с числом абонентов не более чем несколько десятков. В случае больших сетей нагрузка по управлению обменом на центр существенно возрастает.

Доступ к сети с топологией шина

При топологии шина также возможно централизованное управление. При этом один из абонентов "центральный" посылает по шине всем остальным периферийным абонентам управляющие пакеты, выясняя, кто из них хочет передать, затем разрешает передачу одному из абонентов. Абонент, получивший право на передачу, по той же шине передает свой информационный пакет нужному абоненту. После окончания передачи передававший абонент по той же шине сообщает управляющим пакетом центру, что он закончил передачу, и центр снова начинает опрос (рис. 4.2).

Рис. 4.2. Централизованное управление в сети с топологией шина

Преимущества и недостатки такого управления – те же самые, что и в случае централизованно управляемой звезды. Единственное отличие состоит в том, что центр здесь не пересылает информацию от одного абонента к другому, как в топологии активная звезда, а только управляет обменом.

Гораздо чаще в шине используется децентрализованное случайное управление, так как сетевые адаптеры всех абонентов в данном случае одинаковы, и именно этот метод наиболее органично подходит шине. При выборе децентрализованного управления все абоненты имеют равные права доступа к сети, то есть особенности топологии совпадают с особенностями метода управления. Решение о том, когда можно передавать свой пакет, принимается каждым абонентом на месте, исходя только из анализа состояния сети. В данном случае возникает конкуренция между абонентами за захват сети, и, следовательно, возможны конфликты между ними и искажения передаваемой информации из-за наложения пакетов.

Выбор алгоритма доступа зависит от скорости передачи в сети, длины шины, трафика сети, используемого кода передачи.

Суть всех случайных методов управления доступом к сети довольно проста. Если сеть свободна, то есть никто не передает своих пакетов, то абонент, желающий передавать, сразу начинает свою передачу. Время доступа в этом случае равно нулю.

Если же в момент возникновения у абонента заявки на передачу сеть занята, то абонент, желающий передавать, ждет освобождения сети. В противном случае исказятся и пропадут оба пакета. После освобождения сети абонент, желающий передавать, начинает свою передачу.

Возникновение конфликтных ситуаций, в результате которых передаваемая информация искажается, происходит в двух случаях:

Ø при одновременном начале передачи двумя или более абонентами, когда сеть свободна. Это ситуация довольно редкая, но вполне возможная;

Ø при одновременном начале передачи двумя или более абонентами после освобождения сети. Это ситуация наиболее типична, так как за время передачи пакета одним абонентом вполне может возникнуть несколько новых заявок на передачу у других абонентов.

Существующие случайные методы управления обменом различаются тем, как они предотвращают возможные конфликты или же разрешают уже возникшие. Ни один конфликт не должен нарушать обмен, все абоненты должны, в конце концов, передать свои пакеты.

В процессе развития локальных сетей было разработано несколько разновидностей случайных методов доступа к сети.

Например, был предложен метод, при котором не все передающие абоненты распознают коллизию, а только те, которые имеют меньшие приоритеты. Абонент с максимальным приоритетом из всех, начавших передачу, закончит передачу своего пакета без ошибок. Остальные, обнаружив коллизию, прекратят свою передачу и будут ждать освобождения сети для новой попытки. Для контроля коллизии каждый передающий абонент производит побитное сравнение передаваемой им в сеть информации и данных, присутствующих в сети. Побеждает тот абонент, заголовок пакета которого дольше других не искажается от коллизии. Этот метод, называемый децентрализованным кодовым приоритетным методом, отличается низким быстродействием и сложностью реализации.

При другом методе доступа к сети каждый абонент начинает свою передачу после освобождения сети не сразу, а, выдержав свою, строго индивидуальную задержку, что предотвращает коллизии после освобождения сети и тем самым сводит к минимуму общее количество коллизий. Максимальным приоритетом в этом случае будет обладать абонент с минимальной задержкой. Столкновения пакетов возможны только тогда, когда два и более абонента захотели передавать одновременно при свободной сети. Этот метод, называемый децентрализованным временным приоритетным методом, хорошо работает только в небольших сетях, так как каждому абоненту нужно обеспечить свою индивидуальную задержку.

В обоих случаях имеется система приоритетов, все же данные методы относятся к случайным, так как исход конкуренции невозможно предсказать. Случайные приоритетные методы ставят абонентов в неравные условия при большой интенсивности обмена по сети, так как высокоприоритетные абоненты могут надолго заблокировать сеть для низкоприоритетных абонентов.

Чаще всего система приоритетов в методе доступа в шине отсутствует полностью. Именно так работает наиболее распространенный стандартный метод доступа CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection – множественный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий), используемый в сети Ethernet. Его главное достоинство в том, что все абоненты полностью равноправны, и ни один из них не может надолго заблокировать доступ другому. В этом методе коллизии не предотвращаются, а разрешаются.

Суть метода состоит в том, что абонент начинает передавать сразу, как только он выяснит, что сеть свободна. Если возникают коллизии, то они обнаруживаются всеми передающими абонентами. После чего все абоненты прекращают свою передачу и возобновляют попытку начать передачу пакета через временной интервал, длительность которого выбирается случайным образом. Поэтому повторные коллизии маловероятны.

Еще один распространенный метод случайного доступа – CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance – множественный доступ с контролем несущей и предотвращением коллизий) применяется, например, в сети Apple LocalTalk. Абонент, желающий передавать и обнаруживший освобождение сети, передает сначала короткий управляющий пакет запроса на передачу. Затем он заданное время ждет ответного короткого управляющего пакета подтверждения запроса от абонента-приемника. Если ответа нет, передача откладывается. Если ответ получен, передается пакет. Коллизии полностью не устраняются, но в основном сталкиваются управляющие пакеты. Столкновения информационных пакетов выявляются на более высоких уровнях протокола.

Подобные методы будут хорошо работать только при не слишком большой интенсивности обмена по сети. Считается, что приемлемое качество связи обеспечивается при нагрузке не выше 30—40%, то есть когда сеть занята передачей информации примерно на 30—40% всего времени. При большей нагрузке повторные столкновения учащаются настолько, что наступает коллапс сети, представляющий собой резкое падение ее производительности.

Недостаток всех случайных методов состоит еще и в том, что они не гарантируют величину времени доступа к сети, которая зависит не только от выбора задержки между попытками передачи, но и от общей загруженности сети. Поэтому, например, в сетях, выполняющих задачи управления оборудованием (на производстве, в научных лабораториях), где требуется быстрая реакция на внешние события, сети со случайными методами управления используются довольно редко.

При любом случайном методе управления обменом, использующем факт возникновения коллизии, возникает вопрос о том, какой должна быть минимальная длительность пакета, чтобы коллизию обнаружили все начавшие передавать абоненты. Ведь сигнал по любой физической среде распространяется не мгновенно, и при больших размерах сети задержка распространения может составлять десятки и сотни микросекунд. Кроме того, информацию об одновременно происходящих событиях разные абоненты получают не в одно время.

Стандартом на сеть задается величина, определяющая минимальную длину пакета, и из нее уже рассчитывается допустимая длина сети. Дело в том, что скорость распространения сигнала в сети для разных кабелей отличается. Кроме того, надо еще учитывать задержки сигнала в различных сетевых устройствах.

Рассмотрим и вопрос о том, как сетевые адаптеры распознают коллизию в кабеле шины. Ведь простое побитное сравнение передаваемой абонентом информации с той, которая реально присутствует в сети, возможно только в случае самого простого кода NRZ, используемого довольно редко. При манчестерском коде, который обычно используется с методом CSMA/CD, требуется принципиально другой подход.

Сигнал в манчестерском коде всегда имеет постоянную составляющую, равную половине амплитуды сигнала, если один из двух уровней сигнала нулевой. Однако при коллизии это правило выполняться не будет. Постоянная составляющая суммарного сигнала в сети будет обязательно больше или меньше половины размаха (рис. 4.3). Ведь пакеты всегда отличаются друг от друга и к тому же сдвинуты друг относительно друга во времени. Именно по выходу уровня постоянной составляющей за установленные пределы и определяет каждый сетевой адаптер наличие коллизии в сети.

Рис. 4.3. Определение факта коллизии в шине при использовании манчестерского кода

Задача обнаружения коллизии существенно упрощается, если используется не истинная шина, а равноценная ей пассивная звезда (рис. 4.4).

Рис. 4.4. Обнаружение коллизии в сети пассивная звезда

Каждый абонент соединяется с центральным концентратором, как правило, двумя кабелями, каждый из которых передает информацию в своем направлении. Во время передачи своего пакета абоненту достаточно всего лишь контролировать, не приходит ли ему в данный момент по приемному кабелю другой пакет. Если встречный пакет приходит, то детектируется коллизия. Точно так же обнаруживает коллизии и концентратор.

Управление обменом в сети с топологией кольцо

Кольцевая топология имеет свои особенности при выборе метода доступа. В этой топологии важно, чтобы любой пакет, посланный по кольцу, последовательно пройдя всех абонентов, через некоторое время возвратится в ту же точку, к тому же абоненту, который его передавал. Здесь нет одновременного распространения сигнала в две стороны, как в топологии шина. Сети с топологией кольцо бывают однонаправленными и двунаправленными. Наиболее распространены однонаправленные.

Самые популярные методы управления в кольцевых сетях маркерные, которые используют небольшой управляющий пакет специального вида. Именно передача маркера по кольцу позволяет передавать право на захват сети от одного абонента к другому. Маркерные методы относятся к децентрализованным и детерминированным методам управления обменом в сети. В них нет явно выраженного центра, но существует четкая система приоритетов, и потому не бывает конфликтов.

Работа маркерного метода управления в сети с топологией кольцо представлена на рис. 4.5. По кольцу непрерывно передвигается специальный управляющий пакет минимальной длины – маркер, предоставляющий абонентам право передавать свои данные. Алгоритм действий абонентов:

1.Абонент 1, желающий передать свой пакет, должен дождаться прихода к нему свободного маркера. Затем он присоединяет к маркеру свой пакет, помечает маркер как занятый и отправляет эту посылку следующему по кольцу абоненту.

2.Все остальные абоненты (2, 3, 4), получив маркер с присоединенным пакетом, проверяют, не им ли адресован пакет. Если пакет адресован не им, то они передают полученные маркер + пакет дальше по кольцу.

Рис. 4.5. Маркерный метод управления обменом (СМ—свободный маркер, ЗМ— занятый маркер, МП— занятый маркер с подтверждением, ПД—пакет данных)

3.Если какой-то абонент (допустим 2) распознает пакет как адресованный ему, то он его принимает, устанавливает в маркере бит подтверждения приема и передает маркер + пакет дальше по кольцу.

4.Передававший абонент 1 получает свою посылку, прошедшую по всему кольцу, обратно, помечает маркер как свободный, удаляет из сети свой пакет и посылает свободный маркер дальше по кольцу. Абонент, желающий передавать, ждет этого маркера, и все повторяется снова.

Приоритет при данном методе управления получается географический, то есть право передачи после освобождения сети переходит к следующему по направлению кольца абоненту от последнего передававшего абонента. Но эта система приоритетов работает только при большой интенсивности обмена. При малой интенсивности обмена все абоненты равноправны, и время доступа к сети каждого из них определяется только положением маркера в момент возникновения заявки на передачу.

В чем-то рассматриваемый метод похож на централизованный метод опроса, хотя явно выделенного центра здесь не существует. Однако некий центр обычно все-таки присутствует. Один из абонентов или специальное устройство должны следить, чтобы маркер не потерялся в процессе прохождения по кольцу, например, из-за действия помех или сбоя в работе какого-то абонента, а также из-за подключения и отключения абонентов. В противном случае механизм доступа работать не будет. Следовательно, надежность управления в данном случае снижается, а выход центра из строя приводит к полной дезорганизации обмена. Существуют специальные средства для повышения надежности и восстановления центра контроля маркера.

Основное преимущество маркерного метода перед CSMA/CD состоит в гарантированной величине времени доступа. Его максимальная величина, как и при централизованном методе, составит (N-1)• t_пк, где N – число абонентов в сети, t_пк – время прохождения пакета по кольцу. Вообще, маркерный метод управления обменом при большой интенсивности обмена в сети гораздо эффективнее случайных методов. Он позволяет сети работать с большей нагрузкой, которая теоретически может даже приближаться к 100%.

Метод маркерного доступа используется не только в кольце, например, в сети IBM Token Ring или FDDI, но и в шине, в частности, сеть Arcnet-BUS, а также в пассивной звезде – сеть Arcnet-STAR. В этих случаях реализуется не физическое, а логическое кольцо, то есть все абоненты последовательно передают друг другу маркер, и эта цепочка передачи маркеров замкнута в кольцо. При этом совмещаются достоинства физической топологии шина и маркерного метода управления.