Protokoły dostępu do łącza fizycznego SIECI KOMPUEROWE PROOKOŁY DOSĘPU DO ŁĄCZA FIZYCZEGO W sieciach lokalnych, w celu zapewnienia efektywnego korzystania z łącza, konieczne jest ustalenie reguł, zgodnie z którymi każda z włączonych do sieci stacji będzie zdolna do rozstrzygnięcia, w którym momencie może uzyskać prawo do rozpoczęcia nadawania i przez jaki czas to prawo jej przysługuje. Istnieje wiele algorytmów przyznawania stacjom prawa dostępu do medium. ajogólniej można je podzielić na: a) algorytmy z zarządzaniem centralnym, b) algorytmy zdecentralizowane. W przypadku algorytmów typu a), fragmenty czasu łącza są przyznawane poszczególnym stacjom przez jeden wytypowany układ, zwany arbitrem, a każda stacja ma tylko zdolność rozpoznania sygnałów arbitra upoważniających ją, bądź nie, do podjęcia nadawania. W przypadku algorytmów typu b), każda ze stacji musi być zdolna do analizowania sieci i stwierdzenia, czy łącze jest wolne, czy zajęte. Zdecentralizowane zarządzanie dostępem do medium przyjęto w sieciach LA Każda stacja na podstawie nasłuchu łącza i analizy sytuacji w sieci zgodnej z obowiązującymi regułami dostępu musi samodzielnie podejmować decyzje o wysyłaniu ramek informacyjnych bądź organizacyjnych do innych stacji. ie jest to zadanie łatwe chociażby ze względu na fakt, że w sieci lokalnej liczba aktywnych stacji może się często zmieniać. Muszą być przewidziane rozwiązania pozwalające podejmować ubieganie się o łącze stacjom nowo uaktywnionym. Konieczne jest też uniknięcie rezerwowania czasu łącza dla stacji nieaktywnych, czy też oczekiwania na wysłanie przez stację, która stała się nagle nieaktywna, jakichś ramek organizacyjnych. Ponadto, żadna stacja nie może zmonopolizować łącza w sytuacji, gdy inne stacje ubiegają się o dostęp oraz praktycznie cała przepustowość łącza powinna być w każdym odcinku czasowym wykorzystywana przez stacje aktualnie ubiegające się o dostęp i to przy pełnym równouprawnieniu tych stacji (żadna stacja nie ma przywilejów związanych z jej adresem, położeniem, itd.). Dobry protokół dostępu do łącza powinien być jeszcze łatwy w implementacji oraz odporny na zakłócenia transmisji lub uszkodzenia poszczególnych stacji. DOSĘP RYWALIZACYJY Idea dostępu rywalizacyjnego (ang. random access) opiera się na, założeniu, że ograniczenia w możliwościach nadawania wprowadza się tylko wtedy jeśli jest to konieczne i nie są one bardzo drastyczne. Jeśli w trakcie nadawania wystąpi kolizja, to zniekształconej z tego względu jest po pewnym czasie powtarzane. 1
SIECI KOMPUEROWE PROOKOŁY DOSĘPU DO ŁĄCZA FIZYCZEGO Pierwowzorem, a zarazem najbardziej liberalnym protokołem tej klasy był protokół ALOHA, stosowany w sieciach radiowych. W protokole tym można rozpocząć w dowolnym momencie, a otrzymanie przez odbiorcę musi być pokwitowane potwierdzeniem, generowanym oddzielnie (poza protokołem dostępu) w określonym przedziale czasu. a) t=0 A B C Odległość b) A B C Odległość C nadaje C nadaje A nadaje zajętość łącza P C kończy A nadaje A wykrywa A przerywa J zajętość łącza J C stwierdza C przerywa C stwierdza ciszę na łą czu ciszę na łączu A stwierdza ciszę na łączu a) ilustracja protokołu CSMA, b) ilustracja protokołu CSMA/CD; t - czas propagacji sygnału w łączu, P - czas nadawania, J - czas zagłuszenia po wykryciu kolizji, A, B, C, - stacje rozmieszczone wzdłuż magistrali biernej Przy używaniu takiej metody dostępu wystąpienie kolizji staje się możliwe jedynie w początkowym odcinku czasowym nadawania, nie dłuższym niż podwójny czas propagacji sygnału w łączu. Odbiorniki (nadajniki) mają zdolność wykrywania kolizji w łączu i gdy to nastąpi przerywają transmisję (w rzeczywistych rozwiązaniach transmisja jest podtrzymywana jeszcze przez pewien czas - tzw. wymuszanie kolizji - po to, by zwiększyć prawdopodobieństwo wykrycia kolizji przez wszystkie stacje)(1). adajnik sam rozpoznaje, więc nie jest konieczne przesyłanie przez odbiornik dodatkowych potwierdzeń oznaczających brak kolizji adajnik po pewnej zwłoce ponawia transmisję (2). Agorytmy uwzględniające pierwszą (1) z tych modyfikacji noszą nazwę CSMA (ang. Carrier Sense Multiple Access), algorytmy uwzględniające obie modyfikacje to algorytmy CSMA/CD (ang. Collision Detection). W celu zdefiniowania protokołu CSMA lub CSMA/CD należy sprecyzować czas - opóźnienie - między kolejnymi próbami nadawania przez pojedynczą stację (gdyby była to wartość identyczna dla wszystkich stacji to po kolizji następowałaby kolejne) oraz jak powinny zachować się stacje, które 2
SIECI KOMPUEROWE PROOKOŁY DOSĘPU DO ŁĄCZA FIZYCZEGO przed rozpoczęciem nadawania stwierdziły zajętość łącza. Można np. czekać na jego zwolnienie i rozpocząć natychmiast (jeśli czekało wiele stacji, to nastąpi kolizja) albo przerwać swe działanie na pewien czas (trzeba określić jak długi), a następnie ponownie przeprowadzić nasłuch łącza; wówczas jednak możliwe jest marnotrawstwo czasu łącza, gdy transmisja w łączu zakończyła się, a stacja zainteresowana m nie wykryła tego faktu, bo trwa przerwa w jej działaniu. OSI REFERECE MODEL LAERS aplikacji prezentacji sesji transportowa sieciowa HIGHER LAYERS LLC LOGICAL LIK COROL MAC MEDIA ACCES COROL PLS PHYSICAL SIGALIG AUI DE DE liniowa fizyczna PMA PHYSICAL MEDIUM AACHME MAU MEDIUM MDI AUI - AACHME UI IERFACE - Interfejs modułu przyłącza MAU - MEDIUM AACHME UI - Moduł przyłącza do medium MDI - MEDIUM DEPEDE IERFACE - Interface zależny od medium Warstwy modelu OSI w odniesieniu do protokołu CSMA/CD Protokół CSMA/CD zdefiniowany jest w normie ISO 8802.3, zgodnie z którą obowiązuja w nim następujące założenia: a) każda aktywna stacja prowadzi w sposób ciągły nasłuch łącza, rejestrując chwile, gdy z punktu widzenia stacji: - jest ono zajęte (łącze jest uznawane za zajęte, jeśli odbiornik stwierdza obecność sygnałów dowodzących aktywności jednego lub wielu nadajników), - trwa strefa buforowa (pewien odcinek czasu po ustaniu zajętości łącza), - łącze jest wolne. b) stacja może nadawać tylko wówczas, gdy łącze jest wolne. Gdy tak nie jest, odkłada rozpoczęcie nadawania do końca strefy buforowej, c) pierwsza próba nadawania jest podejmowana po otrzymaniu przez podwarstwę dostępu odpowiedniego żądania, a ewentualne dalsze próby zgodnie z niżej opisanymi założeniami. Jeśli w sytuacji, w której spełniony jest warunek b), po rozpoczęciu nadawania jednak zostanie wykryta kolizja, po okresie wymuszenia kolizji stacja zawiesza swą aktywność na czas t i po czym ponownie podejmuje próbę nadawania, 3
SIECI KOMPUEROWE PROOKOŁY DOSĘPU DO ŁĄCZA FIZYCZEGO d) stacja prócz pierwszej próby podejmuje co najwyżej 15 prób dodatkowych, a jeśli żadna z nich się nie powiedzie, to przerywa działanie i sygnalizuje ten fakt obiektowi warstwy wyższej, który zgłosił żądanie transmisji. Może on po pewnym czasie zgłosić ponowne żądanie wysłania tej samej, ale jest to traktowane jako zupełnie nowe zgłoszenie, e) czas t i jest wyznaczony z zależności t i =r i S, przy czym r i jest liczbą losową z przedziału <0; 2k-1>, k=min{i,10}, a S jest wartością tzw. szczeliny czasowej. W algorytmie tym preferowani są ci uczestnicy kolizji, którzy zrealizowali mniejszą liczbę prób dostępu, f) szczelina czasowa jest umowną wielkością wyznaczoną jako podwojony maksymalny czas propagacji sygnału, powiększony o czas niezbędny do wykrycia i wymuszenia kolizji. Dla podstawowego wariantu normy ISO 8802.3 dostosowanego do szybkości transmisji 10 Mb/s obowiązują następujące dane liczbowe: strefa buforowa 9,6 ms szerokość szczeliny czasowej 51,2 µs czas wymuszania kolizji 3,2 µs Zalety protokołu CSMA/CD: a) wszystkie stacje są całkowicie równouprawnione, b) protokół jest prosty, nie wymaga wymiany ramek organizacyjnych między stacjami, c) dołączenie nowych stacji bądź wyłączenie stacji aktywnych nie wymaga żadnych specjalnych działań, d) niektóre zakłócenia w pracy sieci mogą być traktowane jako kolizje - następuje wówczas natychmiastowe powtórzenie transmisji, e) żądanie nadawania przy wolnym łączu jest natychmiast realizowane. Wady CSMA/CD: a) konieczność wyposażenia warstwy fizycznej w niezawodnie działające układy rozpoznawania kolizji, b) nieograniczony czas (ze względu na możliwość odrzucenia żądania transmisji po 16 próbach) oczekiwania na dostęp do łącza, c) ta metody dostępu nie jest zalecane dla sieci, w których wymagana jest praca w czasie rzeczywistym. 4
SIECI KOMPUEROWE PROOKOŁY DOSĘPU DO ŁĄCZA FIZYCZEGO adanie Odbiór Formatowanie Start odbioru Oczekiwanie na wolne medium (medium wolne) Odbiór zakończony Start transmisji Ramka <64 (kolizja) Kolizja ransmisja zakończona adaj sygnał kolizji Rozpoznano adres Zwiększ liczbę prób Odprawa CRC Przekroczenie Obliczenie czasu odłączenia oczekiwania ransmisja OK Błąd przekroczenia liczby kolizji Algorytm przesyłania i odbierania w protokole CSMA/CD (uwzględnienie wystąpienia kolizji) Odmianą metody CSMA/CD jest metoda CSMA/CA (ang. Collision Avoidance), w której stacje są w stanie przewidzieć wystąpienie kolizji i wstrzymują się z transmisją aż do chwili, gdy uznają, że kolizja nie wystąpi. Metoda ta jest tańsza w implementacji, gdyż nie wymaga stosowania układów do wykrywania kolizji. Powoduje jednak większe opóźnienia i zmniejsza przepustowość sieci. Podsumowanie: efektywność metod dostępu do łącza fizycznego Efektywność ocenia się na podstawie różnych wskaźników i z różnych punktów widzenia. Ze względów ekonomicznych istotny jest stopień wykorzystania zasobu (łącza), z punktu widzenia użytkownika najważniejszy jest czas oczekiwania na dostęp do zasobu. a charakterystyki efektywności wpływają m.in. takie parametry jak: liczba aktywnych stacji, długość ramek, czas propagacji sygnału w łączu, symetria lub asymetria w ruchu sieciowym. 5