Методы множественного доступа

Современный взгляд на комплексирование информационных сетей позволяет выделить систему связи, включающую в себя среду передачи и сетевые адаптеры, прикладное программное обеспечение, поддерживаемое сетевыми операционными системами, и интерфейс между ними. Для системы связи огромное значение имеет используемый метод множественного доступа, реализуемый сетевым адаптером.

Управление каналом связи может быть как централизованным, так и распределенным, когда все сетевые станции считаются равноправными. Как правило, метод множественного доступа при распределенном управлении относится к одному из следующих классов:

– случайный доступ;

– пропорциональный доступ;

– приоритетный доступ;

– локально-приоритетный способ, свойственный последовательному каналу связи.

 При случайном доступе возможно возникновение конфликтов из-за одновременной передачи сообщений несколькими станциями. В этом случае передача считается неуспешной, и источники начинают ее заново со случайным сдвигом во времени. Метод управления каналом чрезвычайно прост: как только на станции появляется кадр данных, он выталкивается в канал. При таком подходе велика вероятность конфликтов, когда сообщения разных станции накладываются друг на друга и для исправления их необходима повторная передача. По мере развития случайный метод доступа подвергся многим улучшениям, и его производительность может достигать 0,93 пропускной способности канала, что считается лучшим достижением в области ВС.

Во-первых, было предложено прослушивание до передачи для определения того, свободен или занят канал, и для контроля несущей, т.е. основной частоты, на которой ведется передача. Во-вторых, каждый кадр данных начинается с преамбулы определенной длины, во время передачи которой ведется прослушивание. Длина преамбулы подбирается таким образом, что она дает возможность определить конфликт между двумя наиболее удаленными друг от друга станциями. В случая определения конфликта станция уже не выталкиваются в канал, а вместо них высекается короткая заглушка, что уменьшает время непроизводительной работы сети. При определении конфликта станция организует повторную передачу со случайным сдвигом во времени, что уменьшает вероятность повторного конфликта. Кроме того, вводится так называемое глобальное тактирование, когда после каждого сообщения в сети все станции выдерживают строго определенную паузу молчания. Окончание этой паузы дает разрешение всем станциям на передачу сообщений.

Для пропорциональных методов доступа характерна работа по заранее известному расписанию, изменить которое довольно сложно. Управление сетью при этом методе доступа может быть как распределенное, так и централизованное. При централизованном управлении, которое используется только для топологии общая шина, наиболее часто употребляются способы опрос и раструб. При опросе, станция-арбитр последовательно адресует управляющий кадр каждой станции в сети.

Получение управляющего символа означает право на передачу в канал. Если станция не имеет информации для передачи, она просто молчит. Арбитр фиксирует паузу молчания в канале и адресует управляющий кадр следующей станции. Если станция передает информационный кадр в канал сразу после получения разрешения, то пауза молчания фиксируется арбитром после этого информационного кадра. Таким образом, арбитр последовательно опрашивает все станции в сети по заранее известному расписанию. Введение новых станций в этом случае должно сопровождаться изменением расписания опроса.

Улучшением метода опроса может служить раструб. В этом случае арбитр вырабатывает только один управляющий кадр и передает его станции. В зависимости от своего состояния станция либо сразу переадресует его следующей станции, либо сначала, выпускает информационный кадр, а затем отдаст право на передачу. Управляющий кадр последовательно обходит все станции на сети и возвращается к арбитру. При таком способе управления не происходит потерь из-за регистрации пауз молчания. Однако при введении новых станций или удалении имеющихся возникают непредвиденные трудности, т.к. приходится корректировать адреса пересылки управляющих кадров не только для арбитра, но и для большинства станций.

Распределенные методы пропорционального управления повышают надежность сети и расширяют возможную топологию. Очень хорошо себя зарекомендовала передача жезла (маркера) на общей шине, звезде и в кольце. При жезловом управлении жезл последовательно передается от одной станции к другой, давая им право на передачу. Адреса станций при этом образуют логическое кольцо, по которому постоянно передается жезл. Для одних сетей передача жезла осуществляется в сторону уменьшения адресов, для других – в сторону увеличения. Для ввода и вывода станций и при потере жезла используются специальные процедуры, позволяющие обеспечить правильность функционирования сети.

К основным достоинствам пропорциональных методов доступа следует отнести высокую надежность, гарантированное время доступа к каналу связи, хорошую производительность при равномерной и высокой активности станций в сети. Однако следует учесть, что возможность модификации сети требует дорогостоящих программно-аппаратных добавлений, что сильно влияет на стоимость таких сетей.

Локально-приоритетные способы доступа свойственны последовательному кольцевому каналу. При этом станция-источник передает информацию в канал в зависимости от приоритета проходящего мимо пакета информации и своего собственного состояния. К таким сетям относятся Cambridge Ring, Planet, Эстафета. При кольцевой топологии жезл передается от станции к станции в зависимости от их физического подключению к сети. К достоинствам локально-приоритетных методов доступа принято относить независимость основных параметров от дальности действия, малое время передачи при низких нагрузках, гарантированное время доступа к каналу связи, возможность многократно использовать пропускную способность канала связи. Особенно эффективны методы для интенсивно взаимодействующих абонентов, обменивающихся короткими сообщениями.

Наиболее широкое распространение в сетях связи получили следующие методы множественного доступа.

CSMA – c arrier s ense m ultiple a ccess – вероятностный сетевой протокол канального уровня. Узел, желающий передать пакет данных, выполняет процедуру оценки чистоты канала, то есть слушает шумы в передающей среде в течение заранее определённого периода времени. Если передающая среда оценивается как чистая, узел может передать пакет данных. В противном случае, если выполняется другая передача, узел ждёт определённое количество времени, прежде чем опять предпринять процедуру отправки пакета.

CSMA/CD – c arrier s ense m ultiple a ccess with c ollision d etection – множественный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий. Метод относится к децентрализованным случайным методам. Он используется как в обычных сетях типа Ethernet, так и в высокоскоростных сетях, например, Gigabit Ethernet.

CSMA / CA – c arrier s ense m ultiple a ccess w ith c ollision a voidance – множественный доступ с прослушиванием несущей волны и избеганием коллизий. В данном методе используется схема прослушивания несущей волны. Станция, которая собирается начать передачу, посылает сигнал затора (jam signal). После продолжительного ожидания всех станций, которые могут послать jam signal, станция начинает передачу пакета. Если во время передачи станция обнаруживает jam signal от другой станции, она останавливает передачу на отрезок времени случайной длины и затем повторяет попытку. CSMA/CA – это модификация чистого CSMA. CSMA/CA отличается от CSMA/CD тем, что коллизиям подвержены не пакеты данных, а только jam-сигналы. Отсюда и название "collision avoidance" – предотвращение коллизий (именно пакетов данных).

CDMA – c ode d ivision m ultiple a ccess – множественный доступ с кодовым разделением. Каналы трафика при таком способе разделения среды создаются присвоением каждому пользователю отдельного числового кода, который распространяется по всей ширине полосы. Нет временного разделения, все абоненты постоянно используют всю ширину канала. Полоса частот одного канала очень широка, вещание абонентов накладывается друг на друга но, поскольку их коды отличаются, они могут быть дифференцированы.

FDMA – f requency d ivision m ultiple a ccess – множественный доступ с разделением каналов по частоте. Это способ использования радиочастот, когда в одном частотном диапазоне находится только один абонент, разные абоненты используют разные частоты в пределах соты. Поэтому, пока начальный запрос не закончен, канал закрыт к другим сеансам связи. Полная дуплексная FDMA передача требует двух каналов, один для передачи и другой для получения.

TDMA – t ime d ivision m ultiple a ccess – множественный доступ с разделением по времени. Это способ использования радиочастот, когда в одном частотном интервале находятся несколько абонентов, разные абоненты используют разные временные слоты (интервалы) для передачи. Таким образом, TDMA предоставляет каждому пользователю полный доступ к интервалу частоты в течение короткого периода времени. TDMA в настоящее время является доминирующей технологией для мобильных сотовых сетей и используется в стандартах GSM и PDC.