Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
49
Оглавление
|
Введение ………………………………………………………………….. |
4 |
|
Цель, порядок выполнения и защиты лабораторных работ ……….….. |
5 |
|
Перечень принятых сокращений ……………………………………….. |
6 |
|
Перечень основных условных обозначений …………………………… |
6 |
|
Лабораторная работа №1. Исследование модели шинной ЛВС со случайным доступом ……………………………………………………... |
8 |
|
Лабораторная работа №2. Исследование модели шинной ЛВС с маркерным доступом …………………………………………………….… |
22 |
|
Лабораторная работа №3. Исследование модели кольцевой ЛВС с маркерным доступом …………………………………………………….… |
36 |
|
Пример расчета локальных вычислительных сетей……………………. |
50 |
|
Заключение …………………………………………………….…………. |
96 |
|
Основные определения ………………………………………………….. |
97 |
|
Список литературы …………………………………………………….… |
101 |
Введение
Современные информационно-вычислительные сети (ИВС) – это сложный комплекс технических и программных средств, при проектировании которого решается многокритериальная задача. Для того, чтобы детально изучить архитектуру традиционных сетей, таких как Ethernet, Token Ring и т.д., а также сетей нового типа, таких как ATM, FDDI, сети интегрального обслуживания, и принципы их работы, необходимо не только знание специальной литературы, но и изучение поведения этих сетей в различных ситуациях. Бесспорно, наиболее подходящим для этих целей средством являются программные модели сетей различного типа.
Лабораторные занятия по дисциплине «Сети ЭВМ и распределенная обработка информации» направлены на исследование локальных вычислительных сетей (ЛВС) с различной топологией и методами доступа, а также способов их объединения в информационно-вычислительные сети с использованием мостов, коммутаторов и маршрутизаторов. Такие сети призваны реализовывать распределенную обработку информации в рамках одного из перспективных направлений развития современных вычислительных средств.
Лабораторные занятия способствуют:
1) расширению и углублению теоретических знаний студентов;
2) получению навыков грамотного применения теоретических расчетов ЛВС на практике;
3) выработке умения обобщать результаты исследований;
4) подготовке студентов к научно-исследовательской работе (НИРС и УИРС);
5) комплексному решению задачи инженерного образования студентов.
Тематика лабораторных работ охватывает значительную часть разделов дисциплины «Сети ЭВМ и распределенная обработка информации», в частности, построения ЛВС.
Разнообразие задач и тематики лабораторных занятий, приближенных к задачам, решаемым на практике, позволяет активизировать познавательную деятельность студентов и использовать полученные результаты исследований для анализа реальных ИВС. Теоретическая часть лабораторных работ условно делится на две части. В первой части (лабораторные работы с №1 по №4) излагаются основы построения и поведения ЛВС с различной топологией и методами доступа к моноканалу на основе протоколов подуровня управления доступом к среде эталонной модели взаимодействия открытых систем (ВОС), дана методика расчетов основных параметров ЛВС. Во второй части (лабораторные работы №5 и №6) даны принципы построения ИВС с использованием мостов, коммутаторов и маршрутизаторов на основе протоколов канального и сетевого уровней эталонной модели ВОС. Этот материал позволяет студенту овладеть навыками анализа поведения ЛВС различной конфигурации в зависимости от изменения внешних факторов и осуществления выбора конфигурации сети по полученным теоретическим расчетам.
Первая часть лабораторных работ подкреплена программным комплексом, в котором заложены методики расчетов основных характеристик ЛВС на основе их аналитического моделирования. При помощи данного программного комплекса студенты при выполнении лабораторных работ №1-№3 могут рассчитать основные параметры ЛВС различной конфигурации, вводя в программу исходные данные, согласно своему индивидуальному заданию, выбранному по табл. 1.2. В программный комплекс заложены методики расчетов, приведенные в разделе «Пример расчета локальных вычислительных сетей» данного лабораторного практикума, на основе которых студенты могут выполнять свои расчеты вручную, не используя программный комплекс.
Лабораторный практикум предназначен для самостоятельной и аудиторной работы студентов и способствует более глубокому овладению знаниями при подготовке инженеров-программистов и инженеров-системотехников ЭВМ.
Цель, порядок выполнения и защиты лабораторных работ
Цель лабораторного практикума – овладение знаниями и навыками по созданию и исследованию на ЭВМ моделей ЛВС, проверки адекватности модели исследуемым объектам при различных режимах работы сетей, правильной интерпретации полученных результатов и обоснованному выбору оптимальной конфигурации ЛВС в зависимости от проведенных расчетов, а также овладение знаниями поведения ИВС при использовании мостов, коммутаторов и маршрутизаторов.
До выполнения лабораторной работы в классе ЭВМ студент должен:
самостоятельно ознакомиться с теоретическими сведениями, необходимыми для решения поставленной задачи;
выписать данные своего индивидуального задания.
Во время выполнения лабораторной работы следует поэтапно проводить исследования и расчеты, записывая полученные результаты.
После выполнения работы составляется отчет в установленной форме. Содержание отчета указывается для каждой работы отдельно. При защите студент должен владеть изученным материалом в полном объеме, уметь качественно объяснять полученные результаты, обобщать и использовать в своих ответах на вопросы весь пройденный материал по дисциплине «Сети ЭВМ и распределенная обработка информации» и другим смежным дисциплинам.
АО - адрес отправителя
АП - адрес получателя
ВОС - взаимодействие открытых систем
ДК - длина кадра
ДО - длина области
ДП - длина поля
ЗАП - заполнитель
ЗО - значение области
ИВС - информационно-вычислительная сеть
ИЗС - интерфейс, зависящий от среды
ИНФО - информационное поле (данные)
ИО - идентификатор области
ИП - идентификатор поля
ИС - интерфейсный соединитель
КО - конечный ограничитель
КПК - контрольная последовательность кадра
ЛВС - локальная вычислительная сеть
МДКН/ОК - множественный доступ с контролем несущей и обнаружением конфликтов
МДС - модуль доступа к среде
МСС - модуль сопряжения со средой
НО - начальный ограничитель
ПБД - протокольный блок данных
ПМБ - преамбула кадра
ПФС - передача физических сигналов
СМО - система массового обслуживания
УДС - управления доступом к среде
УДСП - узел управления доступом к среде передачи
УК - управление кадром
УЛК - управление логическим каналом
М - число станций в сети
N - число маркеров в кольцевой сети
R - загрузка канала
C - пропускная способность канала
i - средняя интенсивность потока сообщений от i-й станции
- интенсивность суммарного потока сообщений, успешно переданных по каналу связи
’ - интенсивность общего потока сообщений, передаваемых по каналу
- вероятность бесконфликтной передачи
k - интенсивность потока сообщений, попавших в конфликт и возвращенных для повторной передачи
- среднее значение времени передачи сообщений в сети
- время распространения сигнала между двумя максимально удаленными в сети станциями для сети шинной топологии
р - среднее время распространения сигнала в сети шинной топологии
nр - число ретрансляторов в сети
рт - максимальное время задержки всех ретрансляторов, встречающихся на пути сигнала
- виртуальное время передачи
J - среднее число повторных передач после конфликта
- нормирующий коэффициент задержки распространения сигнала
li - среднее число сообщений, находящихся в очереди i-й станции
- среднее время ожидания сообщений в очереди
- коэффициент загрузки канала от i-й станции
- среднее время обслуживания сообщения от i-й станции прибором П
- коэффициент вариации для i-й станции
- время задержки передачи сообщения с учетом времени его распространения по каналу связи
М - длительность передачи маркерного кадра
М - среднеквадратическое отклонение длительности передачи маркерного кадра
L- время, необходимое для подготовки станции к передаче
ТL - латентный период сети
Li - латентное время i-й станции
Pi - задержка времени на распространение сигнала между двумя соседними станциями для сети кольцевой топологии
tp - полное время распространения сигнала по кольцевой сети
B - скорость модуляции сигнала в линии связи
- время цикла сети
ТО - период опроса станций в кольцевой сети
* - рациональная длина пакета данных, передаваемого по сети ЭВМ
1 - рациональный размер буфера, отводимого под пакет данных
2 - рациональная длина пакета с точки зрения экономии памяти и минимизации системных издержек процессора при сборке (разборке) сообщения
3 - рациональная длина пакета, обеспечивающая максимальную скорость передачи данных при заданной достоверности канала связи
SН - номинальная скорость передачи данных по каналу связи
SЭ - эффективная скорость передачи пакета по каналу связи
l - средняя длина передаваемого сообщения
М - вероятность ошибки в пакете
В - вероятность искажения одного бита передачи
Лабораторная работа № 1
Исследование модели шинной ЛВС
со случайным доступом
1. Цель работы
Исследование особенностей построения и функционирования шинной ЛВС со случайным методом доступа и определение основных характеристик сети. В результате выполнения лабораторной работы студент получает знания по структуре, форматам кадров и протоколам физического и канального уровней для ЛВС данного типа и навыки по расчету основных характеристик для сетей с различными параметрами.
2. Задание
2.1. Изучить структуру и принципы построения ЛВС с шинной топологией со случайным методом доступа к моноканалу.
2.2. Изучить особенности работы шинных ЛВС со случайным методом доступа на основе протоколов канального и физического уровней эталонной модели ВОС.
2.3. Определить основные характеристики ЛВС шинной топологии со случайным методом доступа на основе исследования аналитической модели сети.
2.4. Исследовать зависимость нормированного времени доставки сообщений от коэффициента загрузки и пропускной способности канала от средней длительности информационного кадра.
3. Рабочее место
Работа выполняется на ПЭВМ. При выполнении работы используется программный комплекс для исследования моделей ЛВС.
4. Теоретическая часть
4.1. Структура шинной ЛВС со случайным доступом
Топология локальной вычислительной сети в значительной степени определяет метод доступа к общей среде передачи данных (моноканалу). Алгоритмы совместного использования физической среды, в свою очередь, определяют основные особенности ЛВС и реализуются подуровнем управления доступом к среде (УДС) канального уровня эталонной модели ВОС. На физическом уровне обеспечивается сопряжение станции с физической средой, кодирование и декодирование сигналов, их буферизация, поддерживается битовая синхронизация передачи. Этот уровень, согласно стандарту 802 комитета IEEE, условно делится на три следующих подуровня: передачи физических сигналов (ПФС), интерфейса с модулем сопряжения (ИМС) и модуля сопряжения со средой (МСС).
Подуровень ПФС обеспечивает для подуровня УДС последовательный битовый интерфейс с физической средой. Подуровень ИМС представляет собой интерфейсный кабель с интерфейсными соединителями (ИС), позволяющий размещать станцию на некотором удалении от физической среды (рис. 1.1). Кабель может заканчиваться соединителями с ПФС и с модулем доступа к среде (МДС), что характерно для ЛВС с шинной топологией (рис. 1.1), или жестко соединяться с ПФС и МДС и иметь ИС в разрыве кабеля, что характерно для ЛВС с кольцевой топологией (рис. 3.2).
Подуровень МСС предназначен для согласования параметров сигналов, поступающих из подуровня ПФС, с характеристиками физической среды и обеспечения использования определенного интерфейса ПФС с различными типами физической среды. В подуровень МСС входят МДС и интерфейс, зависящий от среды (ИЗС). МДС содержит схемы подключения станции к физической среде. ИЗС чаще всего бывает пассивным и выполняет только функции приема и передачи сигналов для станции.
В сетях с шинной топологией для управления обменом информацией применяются как централизованные, так и децентрализованные методы доступа к среде [1]. Среди всех этих методов широкое распространение получил множественный доступ с контролем несущей и обнаружением конфликтов (МДКН/ОК, CSMA/CD – Carrier-Sense Multiple Access/ Collision Detection). В данной лабораторной работе исследуется модель шинной ЛВС со случайным методом доступа, а именно с МДКН/ОК.
Конфигурация шинной сети со случайным доступом показана на рис. 1.2. Длина кабельного сегмента определяется типом используемой системы. В качестве физической среды традиционно применяется коаксиальный кабель. Однако в настоящее время, кроме «классического» тонкого 50 Ом коаксиального кабеля RG-58, коаксиального кабеля 75 Ом RG-59 (93 Ом RG-62) и толстого коаксиального кабеля, в сетях данной конфигурации используются витые пары и оптические волокна. Для увеличения размеров и расширения топологии сети за пределы коаксиального сегмента используются повторители. Повторитель представляет собой активное устройство, выполняющее функции регенерации и синхронизации сигналов в линии. Повторитель включает в себя модуль доступа к среде, модуль повторителя сигналов в линии и приемопередатчик (ПФС) (рис. 1.1). Модуль повторителя подключается к МДС и приемопередатчику с помощью ИС. В некоторых повторителях интерфейсные соединители могут отсутствовать.
Повторитель должен быть "прозрачным" для всех операций в сети и не адресуемым, выполнять функцию обнаружения конфликта, обнаруживать наличие конфликта в физической среде и передавать комбинацию "начало конфликта" во все сегменты сети, при этом первые 62 бита комбинации должны представлять собой чередующуюся последовательность двоичных единиц и нулей, начиная с единицы, и др.
Коаксиальное звено с повторителями на каждом конце образуют канальный сегмент. К канальному сегменту не допускается подключение станций. Максимальная общая длина коаксиального кабеля между двумя приемопередатчиками ограничивается величиной 1500 м. Отдельный сегмент не может превышать по длине 500 м. Максимальное число станций в любой части сети типа Ethernet равно 1024, причем в одном сегменте не может быть более 100 станций.
Коаксиальные сегменты могут быть соединены непосредственно повторителями или парами модулей повторителя, которые соединены канальным сегментом. Допустимая топология должна содержать только один активный сигнальный маршрут между любыми двумя пунктами. Такой маршрут может иметь максимум четыре повторителя, что предполагает наличие двух канальных сегментов. По таким принципам строится наиболее распространенная среди шинных ЛВС со случайным доступом – сеть Ethernet. Конфигурация сети Ethernet на основе трех коаксиальных сегментов представлена на рис. 1.3.
Типовая реализация сети Ethernet показана на рис. 1.4. При такой реализации добавление преамбулы кадра и кодирование полученного сигнала с помощью Манчестерского кода осуществляются в кодирующем блоке, расположенном в управляющем устройстве Ethernet. Кодированный поток символов поступает через кабель приемопередатчика в коаксиальный кабель. Система генерирует также сигналы проверки несущей и обнаружения столкновения.
4.2. Формат кадра и протоколы
Обмен данными между логическими объектами подуровня УДС осуществляется кадрами. Формат кадра, протокол подуровня УДС, использующего МДКН/ОК, и протокол физического уровня определяются стандартом IEEE 802.3 и ЕСМА-80, 81,82 [5]. Кадр подуровня УДС содержит восемь полей (рис.1.5), которые расположены в следующей последовательности: преамбула (ПМБ), начальный ограничитель (НО), адрес получателя (АП), адрес отправителя (АО), длина кадра (ДК), данные (ИНФО), заполнитель (ЗАП) и контрольная последовательность кадра (КПК). Все поля кадра, за исключением полей ИНФО и ЗАП, имеют фиксированную длину.
Поле ПМБ содержит 7 октет (байт). Каждый октет имеет двоичную комбинацию 10101010. При манчестерском кодировании эта комбинация в физической среде представляет собой периодическую последовательность импульсов и обеспечивает поддержание битовой синхронизации. Кроме того, такая последовательность дает время и возможность схемам подуровня ПФС перейти в устойчивый синхронизм с принимаемыми тактовыми сигналами подуровня УДС.
Поле НО представляет собой двоичную комбинацию 10101011, которая продолжает выполнение функций преамбулы и означает начало кадра.
Адрес получателя может быть либо индивидуальным, либо групповым. Групповой адрес определяет группу станций сети, которым предназначается кадр. В адресных полях АП обоих типов, как длиной 2 октета, так и 6 октет, первый бит служит для указания типа адреса. Если первый бит равен 0, то имеет место индивидуальный адрес, в противном случае - групповой или глобальный адрес. Поле АП, у которого первый бит установлен в значение 1, может идентифицировать группу станций, или все активные станции, или ни одной станции. Поле АО всегда содержит индивидуальный адрес станции-отправителя кадра, который не интерпретируется подуровнем УДС, поэтому в поле АО первый бит всегда должен быть установлен в значение 0. Длина полей АП и АО может составлять 2 или 6 октет, однако во всех станциях ЛВС в определенный момент поля АО и АП должны иметь одинаковую длину.
В 6-октетных полях АП и АО второй бит служит для различения либо локального, либо глобального адреса. В случае, когда второй бит равен 0, имеет место локальный адрес, если же второй бит принимает значение, равное 1, то адрес - глобальный. При широковещательной адресации все биты поля АП установлены в значение 1. Все станции ЛВС должны уметь распознавать глобальный адрес, однако его генерация не обязательна для каждой станции.
Поле ИНФО должно содержать целое число октет данных. Минимальное и максимальное значения длины поля зависят от конкретной реализации и не определяются стандартами. В частности, для сети Ethernet длина поля данных лежит в диапазоне 46…1500 байт. Если число октет кадра УЛК меньше установленного минимального значения, поле ИНФО дополняется необходимым числом октет, которые образуют поле ЗАП.
Поле ДК указывает число октет, содержащихся в поле ИНФО. Поле КПК служит для проверки правильности принятого кадра данных и образуется путем циклической проверки полей АП, АО, ДК, ИНФО и ЗАП с использованием стандартного образующего полинома 32-й степени. Содержимое указанных полей делится на полином, и остаток от деления образует КПК.
Кадр УДС считается недействительным при наличии одного из следующих признаков: поле ИНФО не вписывается в кадр данных по своей длине; длина кадра не соответствует установленному диапазону; в кадре содержится не целое число октет; результат проверки КПК указывает на наличие ошибки в данных. Недействительные кадры УЛК не должны передаваться подуровню УЛК, но могут быть переданы диспетчеру станции.
Протокол подуровня УДС. Протокольные операции подуровня УДС по передаче кадров осуществляются независимо от операций по приему кадров. В каждом из двух направлений передачи и приема все функции подуровня УДС подразделяются на две группы:
формирование-расформирование кадров, которое включает в себя определение границ кадра, синхронизацию, адресацию и обнаружение ошибок передачи;
распределение среды и разрешение соперничества, т.е. предотвращение и ликвидация возникших конфликтов.
Для обеспечения услуг подуровня УДС используются примитивы: ДАННЫЕ.запрос и ДАННЫЕ.индикация. Упрощенная функциональная схема подуровня УДС показана на рис. 1.6,а.
При выдаче подуровнем УЛК примитива ДАННЫХ.запрос блок компоновки данных подуровня УДС формирует кадр данных, добавляя для этого в начало полученного сервисного блока данных: поле преамбулы, НО, АП, АО, ДК, а в конце - поля ЗАП и КПК. Сформированный кадр передается блоку диспетчеризации доступа. Блок диспетчеризации доступа следит за состоянием физической среды по сигналу опознавания несущей, выдаваемому подуровнем ПФС. Если физическая среда свободна, то после короткой задержки, необходимой для стабилизации процессов в подуровне УДС и в физической среде, сформированный кадр передается последовательно по битам в подуровень ПФС. Последний генерирует из бит электрические сигналы для передачи в физическую среду, а также следит за ее состоянием и в случае ее занятости вырабатывает сигнал опознавания несущей. Если передача прошла без конфликтов, подуровень УДС информирует об этом подуровень УЛК и ожидает следующий запрос на передачу. При занятости физической среды подуровень УДС задерживает передачу кадра до ее освобождения, после чего выжидает межкадровый интервал 9,6 мс и независимо от состояния сигнала опознавания несущей начинает передачу кадра. После завершения передачи подуровень УДС возобновляет наблюдение за сигналом опознавания несущей.
Если после начала передачи кадра в среде обнаруживается кадр от другой станции, то подуровень ПФС включает сигнал наличия конфликта. По этому сигналу блок диспетчеризации вводит в физическую среду битовую комбинацию "наличие конфликта", содержимое которой определяется конкретной реализацией. После этого подуровень УДС прерывает передачу своего кадра и с некоторой задержкой повторно осуществляет попытку передачи кадра. Задержка передачи r перед n-й попыткой выбирается в соответствии с равномерным распределением в диапазоне , где k=min(n,10). После десятой попытки значение r не увеличивается, а остается случайной величиной в указанном диапазоне. Максимальное число попыток повторной передачи кадра, установленное стандартом, равно 16. После безуспешного их выполнения считается наличие ошибки передачи. До завершения этих попыток никакие другие кадры не должны передаваться.
Время, в течение которого станция может обнаружить передачу, называется окном конфликтов. Длительность окна конфликтов определяется суммарным временем распространения сигналов по физическому уровню и по физической среде.
Поступление кадра на приемной стороне обнаруживается подуровнем ПФС. ПФС включает сигнал опознавания несущей, кодирует поступающие сигналы, преобразуя их в последовательность бит кадра, и передает эти биты подуровню УДС. Приемный блок диспетчеризации доступа по сигналу опознавания несущей начинает прием и накопление бит из подуровня УДС. При совпадении поля АП кадра с адресом данной станции блок раскомпоновки данных удаляет поле преамбулы и НО, проверяет поле КПК и действительность кадра. При отсутствии ошибок в подуровень УЛК в примитиве БЛОК_ДАННЫХ.индикация передается поле данных, параметры АП и, АО, а также код состояния, указывающий на завершение приема или чрезмерную длину кадра. В последнем случае подуровень УДС может в зависимости от реализации оборвать конец кадра и оповестить об этом как об ошибке. Если длина принятого кадра не кратна длине октета, подуровень УДС может удалить концевые биты кадра до ближайшей границы октета.
Наименьшая длина кадра должна быть не менее окна конфликта, и поскольку появление таких кадров считается обычным явлением, то подуровень УЛК не информируется об их поступлении и удалении.
Протокол физического уровня. По методу МДКН/ОК передача данных в сеть производится только в случае, если в физической среде нет энергии. Во время передачи ведется контроль за столкновениями кадров, при обнаружении столкновения кадров передача прекращается, и вырабатывается новая процедура занятия физической среды (рис. 1.7). Указанные функции реализует физический уровень, архитектура которого приведена на рис. 1.6,б.
Подуровни ПФС и ИМС в совокупности образуют интерфейс между подуровнями УДС и МДС. Этот интерфейс обеспечивает передачу данных с одной или с несколькими битовыми скоростями по коаксиальному кабелю длиной до 50м. Он осуществляет поддержку модулей сопряжения со средой для коаксиального и волоконно-оптического кабелей и обеспечивает независимость подуровней ПФС, УДС и УЛК от различий в типах физической среды.
Каждое направление передачи обслуживается двумя сигнальными цепями "Данные" и "Управление". Кроме этих цепей интерфейс содержит две цепи питания, цепь заземления и другие вспомогательные цепи. Для передачи сигналов данных используется псевдослучайный Манчестерский код.
Если интерфейс МДС может поддерживать несколько битовых скоростей, то в этом случае в цепях данных используется та скорость, на которую указывают сигналы управления. При предоставлении услуг для подуровня УДС физический уровень использует сервисные примитивы трех типов ПФС_ДАННЫЕ, ПФС_НЕСУЩАЯ и ПФС_СИГНАЛ (табл. 1.1). Кадр данных, передаваемый между подуровнем УДС и ИЗС, имеет следующие поля: молчание (МОЛЧ), преамбула (ПМБ), начальный ограничитель (НО), данные, конечный ограничитель (КО), молчание (рис. 1.8).
Таблица 1.1
Перечень услуг физического уровня подуровню УДС
|
Наименование примитива |
Назначение |
|
ПФС_ДАННЫЕ.запрос |
Выдача данных из подуровня ПФС в подуровень УДС для их передачи другой станции |
|
ПФС_ДАННЫЕ.индикация |
Выдача данных из подуровня ПФС в подуровень УДС той же станции, принятых из подуровня УДС удаленной станции |
|
ПФС_НЕСУЩАЯ.индикация |
Выдача из подуровня ПФС в подуровень УДС информации об активности физической среды |
|
ПФС_СИГНАЛ.индикация |
Выдача из подуровня ПФС в подуровень УДС информации о качестве сигналов |
Поле МОЛЧ обеспечивает интервал времени для наблюдения, в течение которого не происходит передачи данных и изменений уровней сигнала. Длина этого поля не определена стандартом, а минимальное ее значение устанавливается процедурой доступа.
Назначение и размеры остальных полей кадра физического уровня те же, что и кадра управления доступом к среде. Поле КО, которое передается сигналом "Пусто", указывает окончание передачи и служит для выключения передатчика. Подуровень УДС посылает в подуровень ПФС сообщение ошибки качества сигнала при наличии одного из условий:
наличие в физической среде некачественного сигнала;
наличие в физической среде конфликта, обусловленного одновременными попытками нескольких станций передавать данные.
После завершения вывода в физическую среду каждого кадра МДС должен выполнить последовательность проверки на наличие ошибки качества сигнала.
4.3. Аналитическая модель шинной ЛВС со случайным доступом
Все методы случайного доступа (МДКН, МДКН/ОК) в моноканал ЛВС, имеющих шинную структуру, предполагают возможность одновременной передачи в канал двух или нескольких сообщений, т.е. вероятность возникновения конфликтов. Сообщения, участвующие в конфликте, не передаются потребителю и подлежат повторной передаче. Необходимость повторной передачи увеличивает загрузку сети и время ожидания сообщений в очередях.
Упрощенная модель шинной ЛВС со случайным доступом представляет систему массового обслуживания с обратной связью (рис. 1.9).
, (1.1)
где - i средняя интенсивность потока сообщений от i-й станции. Каждое сообщение при обработке задерживается прибором обслуживания на некоторый промежуток времени, а затем передается в канал.
В установившемся режиме суммарный поток сообщений, успешно переданных по каналу связи, имеет также интенсивность . Эти успешно переданные сообщения составляют лишь часть общего потока сообщений с интенсивностью ’ =’, где - вероятность бесконфликтной передачи. Поток с интенсивностью k=(1-)’ представляет сообщения, попавшие в конфликт и возвращаемые для повторной передачи. Рассматриваемая модель предполагает, что за счет возникающих конфликтов увеличивается суммарная интенсивность ’ сообщений, а среднее значение времени их передачи остается неизменным.
Рассмотрим шинную структуру, в которой станции подключаются к шине через пассивные ответвления. Выделим две наиболее удаленные станции А и В. В этом случае получим наиболее худшую ситуацию, при которой будет иметь место максимальное время, требуемое для передачи сообщений.
Пусть станция А в некоторый момент времени начинает передачу. Прежде, чем сообщение со станции А поступит на станцию В, последняя решает начать передачу. Это приведет к возникновению конфликта, который обнаружится станцией А только лишь через с. Общее время до обнаружения конфликта составит 2 единиц времени. Здесь - время распространения сигнала между станциями А и В, включающее время распространения сигнала по кабелю связи р и максимальное время задержки всех ретрансляторов, встречающихся на пути сигнала - ртnр.
=ртnр+р. (1.2)
В сети Ethernet, например, между любыми станциями не должно быть более двух ретрансляторов (nр=2). Если в течение промежутка времени 2 с начала передачи станцией А станция В не начнет передачу, то она обнаружит сигнал от станции А и уже не сможет начать передачу до тех пор, пока активна станция А. Произойдет бесконфликтная передача сообщения станцией А. Конфликта не будет, если интервал времени между началами двух соседних сообщений превысит значение k =2.
Рассчитаем среднее время, требуемое для успешной передачи сообщения. Назовем это время виртуальным временем передачи. Это время имеет три составляющие. Оно включает время , требуемое для передачи сообщения, время , требуемое для проверки завершения передачи, и время, кратное 2 единицам, для разрешения столкновений, если они обнаруживаются.
Виртуальное время передачи определяется соотношением
(1.3)
где величина J представляет собой среднее число повторных передач после того, как произошел конфликт; - нормирующий коэффициент задержки распространения сигнала. Если =0,1, то это значит, что длительность сообщения в 10 раз больше времени распространения сигнала из конца в конец сегмента сети.
При суммарном значении интенсивности поступления сообщений пропускная способность канала определяется как
. (1.4)
Если значение уменьшить путем сокращения длины кабеля или увеличения длительности передачи сообщений, соответственно увеличится С, приблизившись к максимально возможному значению, равному 1.
Среднее число сообщений, находящихся в очереди каждой i-й станции,
(1.5)
пропорционально интенсивности потока сообщений, поступающих от соответствующей станции.
Упрощенное выражение, определяющее среднее время ожидания сообщений в очереди, определяется как
, (1.6)
где - коэффициент загрузки канала от i-й станции; - среднее время обслуживания сообщения от i-й станции прибором П; - загрузка канала; - коэффициент вариации для i-й станции.
Коэффициент вариации указывает, насколько случайная величина отклоняется от своего среднего значения.
Суммарное время задержки передачи сообщения с учетом времени его распространения по каналу связи определяется выражением
. (1.7)
Анализ (1.6) и (1.7) показывает, что при малых значениях загрузки полное время задержки сообщений стремится к своему минимальному значению
, (1.8)
а при загрузках, приближающихся к пропускной способности, время ожидания неограниченно возрастает.
Если сеть однородна, и для всех сообщений время их передачи одинаково (), то, в соответствии с (1.6) и (1.7), время задержки сообщений, нормированное по отношению к , определяется соотношением
. (1.9)
Если нагрузка R увеличивается, то средняя задержка передачи возрастает неограниченно по мере того, как R приближается к значению пропускной способности С. В другом предельном случае, когда загрузка R стремится к нулю, нетрудно показать, что нормированное время задержки передачи стремится к своему минимальному значению:
. (1.10)
Это результат, который можно ожидать от протокола метода МДКН/ОК. При очень низкой нагрузке станция, желающая выйти на связь, делает это немедленно, без ожидания и с очень малой вероятностью столкновения. Поэтому среднее время передачи в точности равно среднему времени обслуживания с добавлением половины времени задержки из конца в конец, которое, в среднем, пройдет до момента достижения станции получателя.
Именно в этой области значений нагрузки R(0;C) схема метода МДКН/ОК имеет преимущество перед схемами с управляемым доступом, например, схемой с передачей маркера.
5. Порядок выполнения работы
5.1. Изучить теоретический материал по принципам построения и функционирования ЛВС шинной топологии со случайным методом доступа.
5.2. Изучить основы применения сетевых моделей массового обслуживания при построении аналитической модели ЛВС шинной топологии со случайным методом доступа.
5.3. Определить исходные данные для расчета основных характеристик сети в соответствии с вариантом (табл. 1.2).
5.4. Определить относительное время задержки доставки сообщений, время передачи, пропускную способность канала, минимальное время задержки доставки сообщений на основе исследования сетевой модели (см. пример расчета ЛВС).
5.5. Изменяя исходные данные относительно заданных, установить зависимости, указанные в задании п.2.4. Значения R изменять в диапазоне (0;1) с шагом 0,1, а значения - в диапазоне (0;300) с шагом 50 мкс. Результаты оформить в виде таблиц и графиков.
5.6. Сделать выводы по полученным графикам.
Таблица 1.2
Исходные данные для расчета ЛВС
|
№ вари-анта |
S, км |
B, Мбит /с |
М |
ср, с-1 |
LИ, бит |
N |
LС, бит |
L, бит |
V105, км/с |
np |
Lp, бит |
LM, бит |
Ll, бит |
|
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6О |
7С |
8* |
9О |
10С,* |
11С,* |
12С,* |
13*,О |
14*,О |
|
|
1 |
2 |
10 |
50 |
10 |
1500 |
20 |
320 |
168 |
1600 |
2,3 |
2 |
14 |
24 |
2 |
|
2 |
2,5 |
20 |
60 |
15 |
1500 |
30 |
300 |
152 |
2000 |
2,2 |
2 |
15 |
32 |
3 |
|
3 |
1,5 |
15 |
40 |
10 |
1400 |
10 |
310 |
148 |
1500 |
2,1 |
3 |
16 |
16 |
2 |
|
4 |
2 |
25 |
45 |
10 |
1400 |
15 |
320 |
168 |
1580 |
2 |
2 |
13 |
16 |
2 |
|
5 |
2,5 |
10 |
50 |
10 |
1300 |
25 |
290 |
140 |
1400 |
2,4 |
3 |
12 |
24 |
2 |
|
6 |
1,5 |
20 |
50 |
15 |
1600 |
30 |
280 |
150 |
1700 |
2,5 |
3 |
11 |
24 |
3 |
|
7 |
2 |
15 |
60 |
20 |
1600 |
40 |
320 |
160 |
1700 |
2,5 |
3 |
10 |
32 |
2 |
|
8 |
2 |
25 |
60 |
20 |
1600 |
35 |
300 |
168 |
1700 |
2,3 |
2 |
14 |
24 |
3 |
|
9 |
1,5 |
10 |
45 |
10 |
1400 |
20 |
310 |
152 |
1500 |
2,2 |
2 |
15 |
32 |
2 |
|
10 |
1,5 |
20 |
60 |
15 |
1400 |
40 |
320 |
148 |
1580 |
2,1 |
2 |
16 |
32 |
2 |
|
11 |
2,2 |
15 |
55 |
10 |
1300 |
20 |
290 |
168 |
1800 |
2 |
2 |
13 |
16 |
2 |
|
12 |
2,5 |
25 |
55 |
20 |
1400 |
10 |
320 |
140 |
1500 |
2,4 |
3 |
12 |
32 |
3 |
|
13 |
2 |
10 |
60 |
20 |
1500 |
10 |
300 |
150 |
1600 |
2,5 |
3 |
11 |
24 |
2 |
|
14 |
2 |
20 |
60 |
10 |
1400 |
10 |
310 |
160 |
1500 |
2,3 |
2 |
10 |
24 |
3 |
|
15 |
2,5 |
20 |
40 |
15 |
1300 |
20 |
320 |
168 |
1400 |
2,3 |
3 |
10 |
24 |
2 |
|
16 |
2,5 |
10 |
45 |
15 |
1500 |
30 |
280 |
152 |
1580 |
2,2 |
2 |
14 |
16 |
2 |
|
17 |
1,5 |
10 |
55 |
10 |
1200 |
25 |
290 |
148 |
1300 |
2,1 |
3 |
15 |
16 |
2 |
|
18 |
1,5 |
15 |
50 |
10 |
1300 |
30 |
300 |
158 |
1400 |
2 |
2 |
15 |
24 |
3 |
|
19 |
2 |
25 |
50 |
20 |
1500 |
20 |
300 |
168 |
1600 |
2,4 |
2 |
14 |
32 |
3 |
|
20 |
2,5 |
10 |
60 |
20 |
1500 |
20 |
320 |
140 |
1600 |
2,5 |
3 |
13 |
16 |
2 |
|
21 |
1,5 |
20 |
40 |
15 |
1400 |
10 |
330 |
150 |
1600 |
2,3 |
2 |
12 |
16 |
2 |
|
22 |
2 |
15 |
55 |
10 |
1400 |
15 |
310 |
160 |
1580 |
2,2 |
3 |
12 |
24 |
3 |
|
23 |
2,5 |
25 |
60 |
10 |
1200 |
15 |
320 |
168 |
1500 |
2,1 |
3 |
14 |
32 |
3 |
|
24 |
2 |
10 |
45 |
20 |
1400 |
20 |
330 |
152 |
1700 |
2 |
2 |
10 |
16 |
2 |
|
25 |
2,5 |
10 |
55 |
10 |
1500 |
20 |
290 |
168 |
1600 |
2,4 |
2 |
15 |
24 |
3 |
Примечание. Исходные данные в таблице являются общими для лабораторных работ №1, №2, №3; дополнительные данные помечены индексами: С - для шинной ЛВС со случайным доступом; * - для шинной ЛВС с маркерным доступом; О - для кольцевой ЛВС с маркерным доступом.
6. Содержание отчета
6.1. Цель работы, задание.
6.2. Исходные данные для определения основных характеристик шинной ЛВС со случайным методом доступа.
6.3. Значения полученных характеристик при исследовании модели ЛВС.
6.4. Таблицы и графики полученных зависимостей.
6.5. Выводы по результатам работы.
7. Контрольные вопросы
7.1. Нарисуйте структуру шинной ЛВС с двумя канальными сегментами.
7.2. В чем заключается специфика организации структуры и функционирования шинных ЛВС со случайным методом доступа?
7.3. Какие действия, согласно протоколу подуровня УДС, предусмотрены в случае: а) чрезмерной длины кадра; б) длины кадра, не кратной 8 бит; в) длины кадра меньшей, чем окно конфликтов?
7.4. Опишите алгоритмы приема и передачи данных по МДКН/ОК, пользуясь примитивами подуровня УДС и физического уровня.
7.5. Каким образом особенности МДКН/ОК отражены в формате кадров подуровня УДС и физического уровня?
7.6. Какие функции по управлению доступом к среде возложены на подуровень УДС и физический уровень в ЛВС данного типа?
7.7. Как длина кадра влияет на относительное время передачи сообщений?
7.8. При каких значениях загрузки сети использование МДКН/ОК считается эффективным? Ответ обоснуйте.
7.9. Какой сетевой моделью массового обслуживания представляется шинная ЛВС со случайным методом доступа? Опишите эту модель.
7.10. Что показывает коэффициент вариации времени передачи кадров и от чего зависит его величина?
Лабораторная работа № 2
Исследование модели шинной ЛВС
с маркерным доступом
1. Цель работы
Исследование особенностей построения и функционирования шинной ЛВС с маркерным методом доступа и определение основных характеристик сети. В результате выполнения лабораторной работы студент получает знания по структуре, форматам кадров и протоколам физического и канального уровней для ЛВС данного типа и навыки по расчету основных характеристик для сетей с различными параметрами.
2. Задание
2.1. Изучить структуру и принципы построения ЛВС с шинной топологией с маркерным методом доступа к моноканалу.
2.2. Изучить особенности работы шинных ЛВС с маркерным методом доступа на основе протоколов канального и физического уровней эталонной модели ВОС.
2.3. Определить основные характеристики ЛВС шинной топологии с маркерным методом доступа на основе исследования аналитической модели сети.
2.4. Исследовать зависимость нормированного времени доставки сообщений от коэффициента загрузки и пропускной способности канала от средней длительности информационного кадра.
3. Рабочее место
Работа выполняется на ПЭВМ. При выполнении работы используется программный комплекс для исследования моделей ЛВС.
4. Теоретическая часть
4.1. Структура шинной ЛВС с маркерным доступом
В сетях с шинной топологией, кроме случайных методов доступа к моноканалу, применяется метод маркерного доступа. Маркерный метод управления относится к детерминированным методам. В отличие от случайных методов детерминированные методы принципиально исключают любые конфликты в сети, так как в них предусмотрен механизм временного распределения сети между абонентами. Маркерный метод координирует распределение пропускной способности среды с шинной топологией между всеми станциями за счет назначения права использовать среду путем посылки специального сигнала разрешения - маркера.
В таких сетях происходит передача кадра маркера строго заданного формата от одной станции к другой, в последовательности убывания их адресов с возвратом от станции с наименьшим адресом к станции с наибольшим адресом. Такая циркуляция кадра маркера формирует логическое кольцо (рис. 2.1) и обеспечивает станциям доступ к физической среде.
Последовательность расположения станций в логическом кольце не обязательно должна соответствовать последовательности их физического размещения на шине. Станции Н и F (рис. 2.1), не входящие в состав логического кольца, не могут передавать кадр маркера и инициировать передачу данных. Они могут принимать кадры от других станций, отвечать на них и включаться в логическое кольцо при получении разрешения. Станция, "захватившая" кадр маркера (маркер), сразу же получает доступ к физической среде.
В такой ЛВС отсутствует станция-монитор, управляющая работой логического кольца. Ее функции выполняет каждая станция, владеющая маркером.
Архитектура нижних уровней шинной ЛВС с маркерным доступом аналогична архитектуре нижних уровней шинной ЛBC со случайным доступом (см. рис. 1.1).
По такому принципу построена ЛВС Arcnet, где используется разновидность маркерного метода доступа - эстафетный метод. Структурная схема небольшой сети Arcnet приведена на рис. 2.2. К шине через пассивные и активные разветвители (концентраторы) подключаются рабочие станци. К концентратору можно подключить 4, 8, 16 или 32 ЭВМ, а между собой концентраторы соединены шиной. В качестве ши-ны в сети Arc-net, как правило, используется коаксиальный кабель марки RG-62/U с волновым сопротивлением 93 Ом. Для построения более крупных систем требуются полужесткие магистральные кабели, гибкие ответвительные кабели, усилители и источники питания. Сильно разветвленные системы имеют древовидную топологию и могут быть построены с использованием активных разветвителей как в корне основного ствола древовидной структуры, так и в корне каждой ветви этого дерева. Всем компьютерам сети присваиваются номера (адреса) от 0 до 255. Каждая рабочая станция содержит сетевую плату, связанную с кабелем. Кабели подключаются к сетевым платам и разветвителям с помощью соединительных разъемов BNG. Активные и пассивные разветвители (концентраторы) представляют собой устройства, с помощью которых подключаются несколько рабочих станции к магистрали. Активные разветвители наряду с функциями согласования выполняют функции формирования и усиления сигналов.
Для сети Arcnet характерны следующие ограничения:
максимаяьная длина кабеля между двумя наиболее удаленными станциями не может превышать 6 км;
максимальное расстояние между активным разветвителем и станцией не более 600 м;
максимальное расстояние между пассивным разветвителем и станцией не более 30 м.
При построении сети Arcnet должны соблюдаться следующие правила компоновки сети: а) активный разветвитель может соединяться с другим активным разветвителем, пассивным разветвителем и станцией; б) пассивный разветвитель может использоваться как промежуточное соединение между активными разветвителями или активными разветвителями и станциями, нельзя соединять пассивные разветвители в цепочку.
Преимуществом эстафетной передачи является ее определенность: так как маркер проходит по заранее определенному пути, то можно подсчитать, сколько времени ему необходимо для прохождения всей сети. Это дает возможность прогнозировать производительность сети.
Недостаток эстафетной передачи состоит в том, что каждый узел функционирует в качестве повторителя, принимая и регенерируя маркер. Сбой одного узла приводит к сбою всей сети.
4.2. Форматы кадров и протоколы
Объединенный стандарт ANSI/IEEE 802.4 (ISO/DIS 8802.4), совместимый со стандартами ЕСМА-90 и 1ЕС 955, определяет метод доступа с передачей маркера по шине и физический уровень [5]. Согласно этому стандарту, подуровень УДС выполняет следующие основные функции:
организует включение станций в логическое кольцо и их исключение из кольца без нарушения работы ЛВС;
инициализирует и управляет доступом станций к физической среде;
формирует кадры данных и организует их обмен с подуровнем УДС другой станции;
инициализирует и восстанавливает логическое кольцо при неисправностях (дублирование и потеря кадра маркера, дублирование адресов станции, неполномочный захват маркера, неисправность приемника и др.);
производит ограниченную буферизацию данных;
генерирует и осуществляет проверку контрольной последовательности кадра, распознает действительные кадры и маркер;
управляет приоритетностью передачи.
При представлении услуг подуровень УДС обменивается с подуровнем УЛК примитивами: запрос, ответ и индикация с наборам соответствующих параметров. Передача всей информации на подуровне УДС осуществляется кадрами трех типов: данные, маркер и прерывание, форматы которых приведены на рис. 2.3. Когда у некоторой станции сети есть данные для передачи, она ждет, чтобы ей был передан маркер от предшествующей станции, в формате которого (рис.2.3, б) указано, от какой станции и кому передается маркерный кадр. Станция, получившая маркер, изменяет поля УК, АП, АО и ДК, вставляет после них данные для передачи и вычисленную КПК. Затем кадр обрамляется полями ПМБ, НО и КО и в виде уже кадра данных (рис. 2.3, а) передается в сеть. При одном получении маркера станция может передавать несколько кадров данных, но с учетом того, что общее время передачи всех ее кадров не превышало установленного времени (тайм-аута «удержания маркера»). После того, как станция закончила передачу данных, она формирует кадр маркера с указанием в поле АП адреса следующей в логическом кольце станции.
Преамбула предшествует каждому передаваемому кадру данных и содержит от одного до нескольких октет символов. Число октет преамбулы зависит от скорости передачи данных и применяемого метода модуляции сигналов. Она обеспечивает битовую синхронизацию приемного модема, а также минимально необходимый межкадровый промежуток времени для обработки станцией ранее переданного кадра.
Поле НО представляет собой комбинацию символов NN0NN000, где N - символ "Не данные" кодируется не манчестерским кодом. Любой кадр должен начинаться с поля НО. Если это поле отсутствует или искажено, то кадр считается недействительным.
Поле УК кодируется в зависимости от вида передаваемого кадра данных. Кадры данных могут быть следующих видов: "Управление доступом", "Данные" и "Специального назначения". В табл. 2.1 приведено кодирование поля УК. В кадрах "Управление" первые два разряда поля УК имеют значения 00. Кадр "Заявка маркера" содержит поле данных произвольной длины, которое должно быть кратно октету и равняться 0,2,4 или 6 интервалам ответа.
В кадрах "Запрос преемника 1" («поиск следующей станции») и "Запрос преемника 2" отсутствуют поля данных. Поле АП кадра "Запрос преемника 1" содержит адрес следующий станции. За этим кадром должно следовать окно ответа. Поле АП кадра "Запрос преемника 2" содержит адрес следующей или собственной станции. За этим кадром должны следовать два окна ответа.
Поле данных в кадре "Кто следующий?" содержит адрес следующей станции, длина и формат которого такие же, как и поля AО. За этим кадром должны следовать три окна ответа.
В кадре "Разрешение соперничества" отсутствует поле данных. За ним должны следовать четыре окна ответа. В поле АП кадра "Установить преемника" («установить следующую станцию») содержится АО последнего принятого кадра, в поле данных - адрес следующей или собственной станции.
Таблица 2.1
Кодирование поля управления кадра подуровня УДС
|
Код поля управления |
Тип кадра УДС |
Поле данных |
|
00000000 |
требование маркера |
произвольной длины, кратной 8 бит |
|
00000001 |
запрос преемника 1 |
нет |
|
00000010 |
запрос преемника 2 |
нет |
|
00000011 |
кто следующий? |
адрес следующей станции |
|
00000100 |
разрешение соперничества |
нет |
|
00001000 |
маркер |
нет |
|
00001100 |
установка преемника |
адрес следующей станции |
В кадрах "Данные" и "Специального назначения" поле УК кодируется последовательностью символов FFMМMPPP. В этой последовательности сочетание символов FF обозначает тип кадра: 01 - кадр данных подуровня УЛК; 10 - кадр данных диспетчера; 11 - кадр "Специального назначения". Символы МММ кодируют действия подуровня УДС: 000 - запрос не требует подтверждения; 001 - запрос, требующий подтверждения; 010 - ответ на запрос. Символы PPP кодируются от 000 до 111 и указывают приоритет кадра, где 000 - низший, а 111 - высший приоритеты.
Поля АП, АО и КПК кодируются аналогично соответствующим полям кадра УДС шинной ЛВС со случайным доступом.
Поле данных не имеет ограничений на число октет, но ограничивается установленным временем передачи, т.е. тайм-аутом «удержания маркера». В зависимости от кода поля УК поле данных содержит следующую информацию:
протокольный блок данных УЛК, подлежащий передаче подуровню УЛК другой станции;
данные диспетчера, подлежащие передаче логическому объекту диспетчера подуровня УДС другой станции;
параметры, специфические для одного из кадров УДС.
В протоколе УДС используется шесть символов УДС: 0 - ноль, 1 - единица, N - не данные, Р - заполнитель, S - молчание, В - искаженный сигнал. Номинальное время передачи символа УДС (в мкс) определяется исходя из используемой скорости передачи, Мбит/с.
Поле КО кодируется последовательностью символов NNINNIIE, где N - символ "не данные", I - бит промежуточного кадра, Е - бит ошибки. Если бит промежуточного кадра принимает значение, равное 1, то следует продолжение передачи кадров, если же значение равно 0, то имеет место последний кадр. Значение бита Е=0 указывает на отсутствие ошибки, в случае наличия ошибки в кадре бит Е устанавливается в 1.
Кадр данных считается недействительным при выполнении одного из условий:
кадр не определен физическим уровнем, например, содержит все символы "Не данные" или недействительные символы;
длина кадра не кратна октету;
кадр не содержит всех необходимых полей или его поля расположены в неправильной последовательности;
при вычислении поля КПК значение остатка не соответствует требуемому значению;
поле управления кадром содержит неопределенную битовую комбинацию;
бит Е в поле КО указывает на наличие ошибки в кадре.
Кадр прерывания выдается станцией, желающей прервать текущую передачу кадра, или ретранслятором при обнаружении им неправильно закодированной последовательности. В поток данных кадр прерывания должен вводиться, начиная с границы октета. Поля начального и конечного ограничителей в кадре прерывания кодируются так же, как и в кадре данных.
Протокол УДС для управления сетью использует набор тайм-аутов, которые представляет собой совокупность процедур и булевых переменных, предназначенных для контроля и управления доступом к среде. Тайм-ауты оперируют числами, кратными целому числу октетных интервалов, и не используются одновременно, что позволяет их реализовать одним таймером.
Протокол подуровня УДС. Процедуры, описываемые протоколом подуровня УДС для шинной ЛВС с маркерным доступом, можно сгруппировать следующим образом: 1) логическое подключение новой станции; 2) логическое отключение станции; 3) восстановление после ошибок; 4) инициализация логического кольца.
Логическое подключение станции к кольцу. При нормальной работе логического кольца каждая станция ЛВС должна знать адрес станции, от которой она получает маркер, и адрес станции, которой она должна передать маркер. Эти адреса могут динамически изменяться в процессе работы ЛВС. Новые станции подключаются к кольцу посредством процедуры контролируемого соперничества станций с использованием окон ответов. Окно ответа представляет собой интервал времени, равный одному системному такту (двойное время распространения сигнала по шине), отсчитываемому от момента окончания передачи кадра управления, в течение которого станция-инициатор подключения прослушивает канал в ожидании ответов. Тайм-аут "удержания маркера" определяет время, в течение которого станция может передавать кадры данных соответствующего класса доступа. Процедура вхождения новой станции в логическое кольцо состоит в следующем. Каждая станция сети, являясь держателем маркера, может запустить данную процедуру путем посылки кадра "Поиск следующей станции" (табл. 2.1) для ввода запросов на подключение. Запросы на подключение вводятся путем посылки кадра "Установка следующей станции", в поле данных которого размещается адрес станции, запрашиваемой подключение. Как правило, для инициализации процедуры подключения станции посылается кадр "Поиск следующей станции 1", который определяет одно окно ответа и разрешает только одной станции выдать ответ, причем только той, адрес которой меньше адреса передающей станции и лежащий в диапазоне от адреса станции-отправителя до адреса ее ближайшего соседа по логическому кольцу. Если процедуру инициирует станция с наименьшим адресом, то она посылает кадр с двумя окнами ответов (одно - для станций с адресами меньше, чем ее собственный, второе - для станций с адресами больше, чем ее адрес в кольце). Затем станция, инициирующая процедуру, ожидает ответа в течение одного такта. При этом возможны следующие ситуации:
нет ответа. Это означает, что нет станций, требующих логического подключения. При этом станция-держатель маркера передает маркер следующей по порядку станции;
получен один ответ. В этом случае инициируется логическое подключение станции путем посылки подключаемой станции кадра "Установка следующей станции";
получено несколько ответов (конфликты между пакетами запросов). В этом случае опрашивающая станция посылает кадр "Разрешение соперничества" с четырьмя окнами, на который могут отвечать только те станции, которые отвечали на предыдущий запросный кадр, причем с различными заранее определенными задержками. Процесс соперничества между станциями основан на адресной схеме и должен состоять из N циклов передачи и задержки запроса:
, (2.1)
где Lао - длина поля адреса отправителя в битах. Станции записывают свои требования в окна в соответствии с первыми двумя битами своего адреса. Если попытка передать ответ завершилась неудачно, то посылка кадра повторяется, но соревнование идет по следующим двум битам адреса. Процесс соперничества завершается приемом правильного кадра (происходит подключение новой станции), отсутствием ответа (станции сняли запросы) или исчерпанием числа попыток. При этом побеждает в соперничестве станция, имеющая большую длину адреса.
Логическое отключение станции. Станция в любой момент времени может выйти из логического кольца по своей инициативе, не отвечая на переданный ей маркер. Однако это вызовет процесс инициализации логического кольца, что приведет к временному нарушению работы сети. Поэтому обычно станция, желающая выйти из кольца, дожидается прихода маркера. Затем эта станция посылает своему предшественнику кадр "Установка следующей станции", в поле данных которого находится адрес ее преемника.
Инициализация логического кольца. Для реализации этой процедуры используется тайм-аут "неактивности шины". В течение этого устанавливаемого интервала времени станция, находящаяся в дежурном состоянии, прослушивает шину с целью обнаружения отсутствия маркера в моноканале. При обнаружении любыми станциями отсутствия маркера в течение тайм-аута запускается процедура инициализации кольца. При этом станции посылают кадр "Требование маркера" с длиной информационного поля, равной 0, 2, 4 или 6 тактов, в зависимости от первых двух бит своего адреса. Станция, пославшая кадр, ожидает нужное число тактов и прослушивает среду. Если обнаруживается передача, то это означает, что в сети имеются станции с адресом, большим, чем у данной станции, и эта станция выбывает из соревнования. При отсутствии передач в среде станция выбирает следующие два бита адреса и процесс повторяется.
Процесс разрешения соперничества, как при входе станций в логическое кольцо, должен состоять из N циклов, где N определяется в соответствии с (2.1). При этом длина Q кадра "Заявка маркера" в n-м цикле вычисляется как
(2.2)
где Т0 - время распространения сигнала в линии; f - функция двух добавочных адресных бит в цикле n, равная 0, 1, 2 или 3. Если после выборки последних двух бит адреса наблюдается отсутствие передач, то данная станция выиграла процесс инициализации и стала держателем маркера.
Восстановление после ошибок. В процессе работы сети могут возникать следующие ошибочные ситуации: наличие нескольких маркеров, недоступный маркер, выход из строя станции или ее приемопередатчика, потеря маркера в сети. Если держатель маркера обнаружит кадр, указывающий, что в сети есть еще одна станция, владеющая маркером, он немедленно уничтожает свой маркер и переходит в режим прослушивания. Таким образом, число держателей маркера уменьшается на единицу. С другой стороны, станция, получившая маркер, должна или начать передачу, или передать маркер своему преемнику. Передав маркер, станция в течение одного такта прослушивает среду, чтобы убедиться в активности своего преемника по логическому кольцу.
При обнаружении пакета ошибочных сигналов или кадра с неправильной КПК станция выдерживает временной интервал, равный 4Т0. Если по окончании и этого интервала станция не обнаруживает действительного кадра, она предполагает, что в среде циркулирует ее собственный искаженный кадр данных и повторно передает кадр маркера. Если по истечении следующего такого же интервала станция ничего не обнаруживает в среде, она предполагает, что ее преемник неисправен и посылает управляющий кадр "Кто следующий?" с адресом нового преемника в поле данных. Та станция, которая в этом адресе опознала своего предшественника, сообщает передающей станции свой адрес в управляющем кадре "Установка следующей станции". Тем самым станция-владелец маркера устанавливает своего нового преемника, а неисправную станцию удаляет из логического кольца.
Если на двухразовую передачу кадра "Кто следующий?" станция не получила ответа, она посылает кадр "Поиск следующей станции 2" с собственным адресом в полях адреса получателя и адреса отправителя, предлагая любой станции ответить ей. Станция, желающая передавать данные, должна в интервале окна ответа послать ответ на этот кадр, после чего логическое кольцо восстанавливается. Если все попытки установить преемника оказались безуспешными, станция прекращает действия по восстановлению логического кольца, предполагая обрыв кабеля или неисправность своего приемопередатчика, и переходит в режим прослушивания шины.
В качестве дополнительных возможностей протокола подуровня УДС обеспечивается механизм приоритетного доступа к шине. Определено четыре класса обслуживания с номерами 6, 4, 2, 0 и приоритетом в убывающем порядке, согласно которым выделены следующие переменные:
THT - время удержания маркера, определяющее максимальное время, которое станция может удерживать маркер при передаче кадров класса 6 (синхронные данные);
TRT4 - время обращения маркера для класса 4, определяющее максимальное время, за которое должен быть получен маркер для передачи кадров класса 4;
TRT2 - время обращения маркера для класса 2;
TRT0 - время обращения маркера для класса 0.
Когда станция получит маркер, она может передать данные по следующим правилам:
1) можно передавать данные класса 6 в течение времени THT;
2) после передачи данных класса 6 или, если данные этого класса не передавались, можно передавать данные класса 4, но только если время, прошедшее после предыдущего обращения маркера (включая передачу данных класса 6), меньше, чем время TRT4;
3) аналогично для данных класса 2 отслеживается значение переменной TRT2, а для данных класса 0 - значение переменной TRT0.
В функциональную структуру подуровня УДС входят следующие блоки (рис. 2.4): интерфейсный модуль, приемник, блок управления доступом, передатчик и ретранслятор.
Интерфейсный модуль выполняет функции интерфейса и буфера между подуровнями УДС и УЛК, а также между подуровнем УДС и диспетчером станции. Интерфейсный модуль анализирует поступающие примитивы и генерирует соответствующие сервисные примитивы. Он управляет очередностью запросов на передачу протокольного блока данных подуровня УЛК и осуществляет избирательный прием только тех кадров подуровня УЛК, которые адресованы данной станции.
Блок управления доступом при овладении маркером управляет доступом станций к шине сети. Кроме того, блок управления доступом несет ответственность за инициализацию и поддержание логического кольца, включая подключение новых станций, за обнаружение сбоев и неисправностей.
Приемник принимает от физического уровня элементарные символы, объединяет их в кадры данных, проверяет их и правильные кадры передает интерфейсному модулю и блоку управления доступом. Кроме того, приемник распознает ограничители начала и конца кадра, проверяет правильность структуры и контрольную последовательность кадра, а также идентифицирует и обозначает поступление помех и состояний незанятости шины.
Передатчик принимает кадры данных от интерфейсного модуля, формирует протокольный блок данных подуровня УДС, добавляя к каждому кадру преамбулу, НО, КПК и КО, и передает их в виде последовательности элементарных символов необходимого формата физическому уровню. При работе с ретранслятором его функции могут несколько отличаться.
Ретранслятор является необязательным компонентом подуровня УДС, который содержится только в "ретрансляционных" станциях, например, в широкополосных или распределительных ремодуляторах. Ретранслятор в таких станциях, в случае необходимости, ретранслирует поступающий из физического уровня поток элементарных символов обратно в среду для повторной передачи.
Протокол физического уровня. Протокол физического уровня ориентирован на использование в качестве физической среды полужесткого коаксиального магистрального кабеля. Протокол допускает использование трех методов кодирования символов подуровня УДС и, соответственно, трех различных логических объектов физического уровня: метод непрерывной фазовой модуляции; метод когерентной фазовой модуляции и метод многоуровневой двубинарной амплитудно-фазовой модуляции.
Для сети Arcnet при использовании метода непрерывной фазовой модуляции сдвигом частоты физическая среда представляет собой неразветвленный коаксиальный кабель, к которому станции подключаются посредством очень коротких тупиковых ответвительных кабелей сопротивлением 35...50 Ом через пассивные Т-образные соединители серии BNC. Расширение топологии шины до разветвленной может осуществляться путем использования регенеративных повторителей.
Каждый символ подуровня УДС кодируется на интерфейсе с физическим уровнем в один или несколько символов физического уровня из набора: Н, L, Выкл, где символ H преобразуется в тональную частоту 6,250,08 МГц, символ L в - частоту 3,750,08 МГц, символ Выкл представляется отсутствием сигнала.
Во всех трех методах кодирования сигналов в ЛВС для защиты сети от возможных неисправностей станций каждая станция выполняет "сторожевую" функцию в отношении своего передатчика: если передатчик не выключается после установленного периода времени (примерно половина секунды), его выход автоматически блокируется, по меньшей мере, до окончания передачи.
4.3. Аналитическая модель шинной ЛВС с маркерным доступом
Модель шинной ЛВС с маркерным доступом представляется в виде одноканальной CMO (рис. 2.5), в которой предполагается, что сообщения передаются станциями поочередно и передача одновременно двух или нескольких сообщений невозможна.
В отличие от информационного маркерный кадр имеет постоянную длину и небольшое время передачи
, (2.3)
где М - длительность передачи маркерного кадра; М - ее среднеквадратическое отклонение.
Предположим, что происходит циклический опрос станций. На каждый цикл затрачивается некоторое среднее время, причем внутри цикла каждая из станций опрашивается по одному разу. Предположим, что некоторая i-я станция получила разрешение на передачу информационного сообщения. Если такое сообщение имеется в настоящий момент, станция передаст его в канал, а затем добавит одно специальное маркерное сообщение, предназначенное для передачи управления другой станции. Если же готовое для передачи информационное сообщение отсутствует, то станция немедленно передает в канал только одно маркерное сообщение.
Промежуток времени
, (2.4)
где L - время, необходимое для подготовки станции к передаче; - время распространения сигнала по шине между двумя наиболее удаленными станциями, называют латентным периодом сети.
В течение каждого цикла опроса канал всегда полностью загружен передаваемыми сообщениями, причем информационные сообщения обеспечивают коэффициент загрузки, равный R, а маркерные сообщения - коэффициент
r=(1—R). (2.5)
Маркерные сообщения "не препятствуют" передаче информационных сообщений, поскольку с увеличением загрузки R соответственно уменьшается загрузка маркерными сообщениями.
Циклический опрос представляет собой одну из бесприоритетных дисциплин обслуживания, при которых среднее время ожидания в очереди для всех передаваемых сообщений одинаково. Любое сообщение, поступившее на передачу, даже при отсутствии очереди должно ожидать получения маркера, разрешающего передачу. Это время, в среднем, равно приблизительно половине времени цикла.
Нормированное время задержки доставки сообщений по отношению к среднему времени обслуживания сообщений прибором П определяется как
. (2.6)
Анализ (2.6) показывает, что пропускная способность С, определяемая как предельное значение коэффициента загрузки R, при котором время доступа к среде неограниченно возрастает, равно единице. При больших значениях загрузки шинные структуры с маркерным управлением выгодно отличаются от сетей со случайным доступом.
5. Порядок выполнения работы
5.1. Изучить теоретический материал по принципам построения и функционирования ЛВС шинной топологии с маркерным методом доступа.
5.2. Изучить основы применения сетевых моделей массового обслуживания при построении аналитической модели ЛВС шинной топологии с маркерным методом доступа.
5.3. Определить исходные данные для расчета основных характеристик сети в соответствии с вариантом для лабораторной работы №1 (табл. 1.2).
5.4. Определить относительное время задержки доставки сообщений, время передачи, пропускную способность канала, минимальное время задержки доставки сообщений на основе исследования сетевой модели (см. пример расчета ЛВС).
5.5. Изменяя исходные данные относительно заданных, установить зависимости, указанные в задании п.2.4. Значения R изменять в диапазоне (0;1) с шагом 0,1, а значения - в диапазоне (0;300) с шагом 50 мкс. Результаты оформить в виде таблиц и графиков. Требуемые кривые зависимости необходимо строить на графиках, полученных в работе №1.
5.6. Сделать выводы по полученным графикам.
6. Содержание отчета
6.1. Цель работы, задание.
6.2. Исходные данные для определения основных характеристик шинной ЛВС с маркерным методом доступа.
6.3. Значения полученных характеристик при исследовании модели ЛВС.
6.4. Таблицы и графики полученных зависимостей.
6.5. Выводы по результатам работы.
7. Контрольные вопросы
7.1. В соответствии со структурой подуровня УДС распределите между элементами этой структуры функции передачи данных на этом подуровне.
7.2. При каких условиях кадр данных считается недействительным?
7.3. Необходимо соединить 12 станций, удаленных друг от друга следующим образом:
сетью Arcnet, при условии, что к каждому разветвителю можно подключать не более 4 станций и число активных разветвителей не должно превышать 2. Нарисуйте структуру такой сети и укажите все ее элементы.
7.4. В чем заключаются преимущества и недостатки эстафетной передачи данных?
7.5. Опишите алгоритмы функционирования шинной ЛВС с маркерным методом доступа, используя известные управляющие кадры, для случаев: а) подключения станции к логическому кольцу; б) отключения станции от логического кольца; в) восстановления логического кольца после сбоев; г) инициализации логического кольца.
7.6. В чем суть приоритетного доступа к моноканалу для шинных ЛВС с маркерным методом доступа?
7.7. Какой сетевой моделью массового обслуживания представляется шинная ЛВС с маркерным методом доступа? Опишите эту модель. В чем отличия и что общего у этой модели и модели шинной ЛВС со случайным методом доступа?
7.8. По зависимости нормированного времени доставки сообщений от загрузки сети сравните эффективность шинной ЛВС с маркерным и случайным методом доступа.
7.9. Каким образом особенности маркерного метода доступа для ЛВС с шинной топологией отражены в формате кадров подуровня УДС?
Лабораторная работа № 3
Исследование модели кольцевой ЛВС
с маркерным доступом
1. Цель работы
Исследование особенностей построения и функционирования кольцевой ЛВС с маркерным методом доступа и определение основных характеристик сети. В результате выполнения лабораторной работы студент получает знания по структуре, форматам кадров и протоколам физического и канального уровней для ЛВС данного типа и навыки по расчету основных характеристик для сетей с различными параметрами.
2. Задание
2.1. Изучить структуру и принципы построения ЛВС с кольцевой топологией с маркерным методом доступа к моноканалу.
2.2. Изучить особенности работы кольцевой ЛВС с маркерным методом доступа на основе протоколов канального и физического уровней эталонной модели ВОС.
2.3. Определить основные характеристики ЛВС кольцевой топологии с маркерным методом доступа на основе исследования аналитической модели сети.
2.4. Исследовать зависимость: нормированного времени доставки сообщений от коэффициента загрузки; пропускной способности канала от средней длительности информационного кадра; пропускной способности от числа маркеров в сети; времени цикла от числа маркеров в сети.
3. Рабочее место
Работа выполняется на ПЭВМ. При выполнении работы используется программный комплекс для исследования моделей ЛВС.
4. Теоретическая часть
4.1. Структура кольцевой ЛВС с маркерным доступом
Кольцевая топология имеет свои особенности при выборе метода управления обменом. Важным фактором является то, что любой пакет, посланный по кольцу, последовательно пройдя всех абонентов, через некоторое время возвратится в ту же точку (топология замкнутая). В сети типа "кольцо" можно также использовать различные методы управления - логическую "звезду", логическую "шину", но чаще выбирают специфические методы, в наибольшей степени соответствующие именно особенностям "кольца" - маркерный метод доступа, тактируемый и др.
Структурная схема кольцевой ЛВС с маркерным доступом представлена на рис. 3.1. Кольцевая сеть состоит из станций, соединенных последовательно двухточечными линиями. Каждая станция действует как активный повторитель, регенерирует сигналы, поступающие из входящей линии, и выдает их в исходящую линию. Одна из станций кольца выполняет функции активного монитора, обеспечивая нормальное функционирование сети. Другие станции наблюдают за наличием активного монитора и, в случае его отказа, готовы перейти в состояние активного монитора.
Для обеспечения доступа станциям ЛВС к физической среде по кольцу циркулирует кадр маркера заданного формата. Станция, получив кадр маркера, на время удаляет его из кольца. Затем она посылает по кольцу кадр данных, подготовленный для передачи. Станция-получатель копирует поступивший адресованный ей кадр данных и выдает подтверждение приема. Станция-отправитель, получив подтверждение приема кадра данных, изымает из кольца прежний свой кадр и выдает новый кадр маркера для того, чтобы обеспечить возможность другим станциям ЛВС передавать данные.
Архитектура нижних уровней кольцевой ЛВС с маркерным доступом приведена на рис. 3.2.
Протокол подуровня УДС позволяет использовать в качестве физической среды симметричный однопарный, коаксиальный или волоконно-оптический кабель. В принципе можно построить кольцевую ЛВС с неограниченным числом подключаемых станций. Однако систематическое низкочастотное фазовое дрожание, вызванное большим числом повторителей, может привести к потере битовой синхронизации. Кроме того, при чрезмерном увеличении числа станций усложняются процессы диспетчеризации сети и понижается ее пропускная способность относительно каждой станции. Поэтому рекомендуемое число подключаемых станций находится в диапазоне 100...200.
Увеличивать число охватываемых сетью станций можно с помощью моста - высокоскоростного цифрового коммутирующего устройства, который связывает несколько колец с обеспечением "прозрачных" для подключаемых станций логических маршрутов и преобразованием скоростей передачи.
Для подключения одной или нескольких взаимосвязанных мостами ЛВС к глобальным вычислительным сетям через сети общего пользования могут быть использованы специальные средства сопряжения - шлюзы, обеспечивающие преобразование не только скоростей передачи, но и протокола.
С использованием мостов, шлюзов, а также специальных схемных концентраторов, упрощающих конфигурацию сети и ее обслуживание, построена ЛВС Token Ring фирмы IBM. Сеть имеет комбинированную звездно-кольцевую топологию, обеспечивающую компромисс между требованиями минимизации длины кабеля и снижения стоимости реконфигурации и обслуживания сети.
Сеть состоит из нескольких колец (рис. 3.3), работающих со скоростью 4Мбит/с и взаимодействующих через высокоскоростные мосты. Данные передаются по кольцу кадрами. Область адресации кадра состоит из двух частей: первые два байта определяют адрес кольца, а другие два - станцию в кольце.
Операции в кольце могут выполняться в двух режимах: асинхронном для поддержки протокола SDLC канального уровня и протоколов выше расположенных уровней архитектуры SNA и синхронном. Для подключения своих персональных ЭВМ к ЛВС фирма разработала специальную плату адаптера на основе пяти БИС и пассивный схемный концентратор, обеспечивающий подключение к сети до восьми абонентов.
Все станции имеют механизмы обнаружения и устранения ошибок передачи, возникающих в результате неисправностей сети или переходных явлений при подключении и отключении станций. Для обнаружения ошибок и восстановления работоспособности кольца после устранения неисправностей используются контрольные последовательности кадров, тайм-ауты и сетевые мониторные функции.
4.2. Форматы кадров и протоколы
Вся информация на подуровне УДС должна передаваться в виде следующих кадров: данных, маркера, прерывания и заполнителя. Форматы кадров данных и маркера приведены на рис. 3.4. C целью устранения неактивного или неопределенного состояния передатчика в кольцо передающей станцией выдается заполнитель, как до начала, так и после окончания передачи любого кадра. Заполнитель образует последовательность бит, состоящую из 0 или 1, или их произвольной комбинации любой длительности с учетом ограничения тайма-аута «удержания маркера». Тайм-аут «удержания маркера» определяет время, в течение которого станция может передавать кадры данных соответствующего класса доступа.
Любой кадр должен начинаться полем НО. Если начальный ограничитель кадра отсутствует или искажен, то кадр считается недействительным. Поле УД (управление доступом) представляет собой последовательность символов PPPTMRRR. Здесь символ Р определяет биты приоритета кадра. Приоритет кадра может принимать значения от 0 (низший приоритет) до 7 (высший приоритет) в зависимости от приоритета протокольного блока данных (ПБД). Бит маркера Т принимает значение "0" в кадре маркера и "1" - в кадре данных. Если станция, имеющая ПБД для передачи, обнаруживает кадр маркера с приоритетом, меньшим или равным приоритету имеющегося на станции ПБД, то она использует поля НО и УД этого кадра маркера в качестве начала кадра данных и передает ПБД в поле ИНФО кадра. В этом случае бит маркера Т должен быть установлен в "1". При первом проходе кадра данных или кадра маркера по кольцу станция-монитор (активный монитор) устанавливает бит монитора М в "1" с целью предотвращения длительной циркуляции кадра. Если станция-монитор обнаруживает кадр данных или кадр маркера нулевого приоритета с битом монитора, равным 1, то она прерывает передачу этого кадра.
Биты RRR используются для предварительного запроса станцией требуемого приоритета (резервирования приоритета) и позволяют станции, через которую проходит маркер или кадр, зарезервировать свой приоритет (Rr) на следующий цикл генерации маркера. Приоритетное обслуживание блоков данных обеспечивается за счет использования трех переменных: Pm - приоритет кадра, передаваемого станцией; Pr - приоритет маркера; Rr - приоритет зарезервирован. При этом используется следующий механизм резервирования:
1. Станция, имеющая кадры для передачи, должна дождаться маркера с приоритетом PrPm.
2. Станция может зарезервировать свой приоритет при прохождении по кольцу кадра при Rr<Pm, а при прохождении маркера при PrPm и Rr<Pr.
3. Если у станции нет готовых к передаче ПБД, то она передает только маркер, устанавливая при этом в поле УД приоритет максимальный из Pr, Rr и Pm, а биты резервирования - в максимальное значение из Rr и Pm.
Поле УК определяет тип кадра данных, его функции и представляет последовательность символов FFZZZZZZ. Здесь F - биты, характеризующие тип кадра. Они принимают значения: 00 - для кадра УДС и 01 - для кадра УЛК. Если биты FF указывают кадр УДС, то каждая станция, подключенная к кольцу, должна воспринимать биты управления ZZZZZZ и действовать в соответствии с их значениями, учитывая при этим конечное свое состояние. Если биты FF указывают кадр УЛК, то биты управления ZZZZZZ представляют последовательность RRRYYY, в которой биты R являются резервными. Резервные биты должны устанавливаться в "0" во всех передаваемых кадрах и игнорироваться при приеме. Биты Y могут использоваться для переноса приоритета Pm ПБД от логического объекта УЛК - источника к адресуемому логическому объекту УЛК. В этом случае приоритет Р в поле УД должен быть меньше или равен приоритету Pm при передаче кадра данных по кольцу.
Поле АП указывает либо индивидуальный, либо групповой адрес станций сети, которым предназначен данный кадр. Поле АО содержит индивидуальный адрес станции - отправителя данного кадра. Адрес не интерпретируется подуровнем УДС.
Длина полей адресов отправителя и получателя может составлять 16 или 48 бит, однако во всех станциях каждой конкретной ЛВС в определенный момент поля адресов отправителя и получателя должны иметь одинаковую длину.
В адресах обоих типов (16 - рис. 3.5,а или 48 бит - рис. 3.5,б) первый слева бит (И/Г) поля АП служит для обозначения типа адреса. Если первый бит равен 0, то имеет место индивидуальный адрес. Если же первый бит поля АП равен 1, то адрес является либо групповым, либо глобальным. В поле АО первый бит всегда должен быть установлен в значение "0".
В 48-битовых полях АП и АО второй слева бит (У/Л) служит для различения локального адреса (бит равен 1) и глобального адреса (бит равен 0) станции. При широковещательной адресации всех станций все биты поля АП установлены в значение "1".
Структура адресов кадра УДС в кольцевой ЛВС с маркерным доступом рассчитана как на однокольцевые ЛВС, так и на ЛВС, состоящие из нескольких объединенных между собой сетей с помощью устройств, называемых мостами. Иерархия адресов подуровня УДС позволяет мостам использовать прямой алгоритм распознавания кадров, адресованных станциям других колец. Формат адресов одинаков для адреса получателя и адреса отправителя и показан на рис.3.5.
В области "номер кольца" указывается двоичное значение номера того кольца, в котором работает адресуемая станция. При однокольцевой структуре ЛВС или неизвестном номере кольца эта область заполняется нулями.
Поле информации (ИНФО) может иметь любую длину, кратную длине октета с учетом ограничения тайм-аута удержания маркера. Формат поля информации, согласно стандарту 802.5, зависит от типа кадра данных. Для кадра УЛК формат поля информации существующими стандартами не определен. Однако все станции ЛВС должны воспринимать кадр данных, у которого поле информации может иметь длину до 133 октет.
Формат поля информации для кадров УДС приведен на рис. 3.6. Поле информации представляется совокупностью областей: длины поля (ДП), идентификатора поля (ИП), длины области (ДО), идентификатора области (ИО) и значения области (ЗО). Причем совокупности ДО, ИО и ЗО образуют информационные зоны, которые могут повторяться несколько раз в поле информации. Число информационных зон определяется тайм-аутом удержания маркера.
Область ДП определяет длину поля информации в октетах, включая и область ДП. Ее содержимое может принимать значения от Х'0004' до X'FFFF'. Здесь цифры, обозначаемые Х'n', соответствуют значениям соответствующего шестнадцатеричного числа n.
Область ИП представляет собой идентификатор (тип) поля информации. Первый октет области ИП определяет класс получателя (4 бита) и класс отправителя (4 бита). Класс получателя обеспечивает средства для направления кадра к получателю и на обработку соответствующей функцией управления внутри станции. Определены следующие классы функций и значения этих классов: станция кольца - Х'0'; служба отчета о конфигурации - Х'4'; служба параметров кольца - Х'5'; монитор ошибок кольца - Х'6'. Класс отправителя позволяет станции убедится в том, что источник информации правильный.
Второй октет области ИП содержит код, однозначно идентифицирующий поле информации. Кодовые значения в диапазоне от X'C0' до X'FF' зарезервированы с целью определения специфичных для системы функций.
Область ДО идентифицирует длину информационной зоны в байтах, включая ДО. Область ИО идентифицирует информационную зону. Значение идентификатора информационной зоны в диапазоне от Х'00' до X'7F' используется для стандартного формирования и обозначения общих для многих областей последовательностей данных УДС и диспетчера станции. 3начения идентификатора информационной зоны в диапазоне от Х'80'до X'FF' специфичны и определены в пределах конкретного поля информации областью ИО. Область ЗО содержит подлежащие передаче данные или их разновидность. Каждая информационная зона может содержать в себе другие области, а также дополнительные поля, уникальные лишь для данной содержащей их области.
Поле конечного ограничителя имеет вид, аналогичный полю КО в кадрах данных ЛВС с шинной топологией. Приемные станции должны считать КО действительным, если первые шесть символов приняты без ошибок.
Поле состояние кадра имеет вид АСRRАСRR, где А - бит распознавания адреса, а бит С - копирования кадра, эти биты устанавливаются первой станцией, скопировавшей данный кадр; R - бит, зарезервированный для будущего использования. Передающая станция должна устанавливать биты R в 0, а при приеме они должны анализироваться.
Поле контрольной последовательности кадра образуется и кодируется так же, как в ЛВС с шинной топологией со случайным доступом.
Протокол подуровня УДС. Подкомитет 802.5 выработал объединенный стандарт ANSI/IEEE 802.5 (ISO/DIS 8802/5), совместимый со стандартом ЕСМА-89. Стандарт определяет метод доступа с передачей полномочий по кольцу и физический уровень.
При необходимости передачи протокольных блоков данных подуровень УДС формирует на основе управляющей информации протокола поля УК, АП, АО, добавляет их к протокольному блоку данных в виде префикса и ставит сформированный кадр данных в очередь ожидания кадра маркера. Приоритет получаемого кадра маркера должен быть выше или равен приоритету ПБД, подлежащего передаче. Рассматриваемый протокол управляет пятью основными процессами в зависимости от состояния сети.
Процесс управления кадром и маркером. Мониторный бит устанавливается в нуль при выдаче кадра или маркера станцией-отправителем. При прохождении этого кадра или маркера через активный монитор он устанавливает бит М=1. Если бит М уже установлен в 1, то предполагается зацикливание кадра или маркера. При этом активный монитор запускает процесс очистки кольца.
Процесс соревнования за право быть активным монитором. Процесс запускается путем широковещательной посылки всем станциям кадра "Требование маркера". Станция, получившая данный кадр, сравнивает адрес отправителя с собственным адресом и, если ее адрес меньше адреса отправителя, то станция повторяет кадр в исходящую линию. В противном случае, станцией генерируется собственный кадр "Требование маркера". Получение станцией кадра "Требование маркера" с собственным адресом отправителя означает, что она выиграла соревнование за право быть активным монитором. Данная станция запускает процесс очистки кольца и генерирует новый маркер.
Процесс сигнализации о неисправностях. Станция, обнаружившая аппаратный отказ в кольце, широковещательно передает всем станциям "Сигнальный кадр". При приеме данного кадра каждая станция отключается от кольца и самотестируется. При обнаружении аппаратного отказа подключения станции к кольцу не происходит. В противном случае станция подключается к кольцу. Если после истечения определенного промежутка времени отказ не обнаружен, то станция, пославшая "Сигнальный кадр", также отключается от кольца и проводит самотестирование. Если отказ при этом не обнаружен, то он не может быть исправлен автоматически и требуется вмешательство оператора.
Процесс подключения новой станции. Перед подключением к кольцу новая станция производит самотестирование, если отказов не обнаружено, то происходит физическое подключение. Затем станция проверяет уникальность своего сетевого адреса путем посылки кадра "Тест на дублирование адреса" с ее собственным адресом. Если этот кадр не был скопирован другими станциями, то ее адрес является в сети уникальным. После этого станция ожидает ближайшей процедуры определения соседней станции для сообщения своего адреса преемнику.
Процесс определения соседних станций инициируется активным монитором и служит для идентификации активного монитора и для определения новых станций, подключившихся к кольцу. Активный монитор начинает процесс посылкой кадра "Наличие активного монитора". Получив этот кадр, который содержит глобальный адрес получателя, соседняя нижняя станция выполняет следующие действия:
сбрасывает свой "тайм-аут дежурного монитора" на основе анализа поля "управление кадром" кадра "Наличие активного монитора";
при наличии возможности копирует кадр "Наличие активного монитора" и запоминает адрес отправителя, указанный в кадре, в ячейке своей памяти как "адрес соседней верхней станции";
устанавливает биты А и С (если кадр копируется) поля "состояние кадра" ретранслируемого кадра "Наличие активного монитора" в 1 (последующие станции кольца, анализируя кадр "Наличие активного монитора", не будут воспринимать его адрес отправителя, поскольку биты А и С в нем уже установлены в 1);
при появлении возможности передает кадр "Наличие активного монитора" с глобальным адресом получателя.
Каждая станция по очереди получает кадр "Наличие активного монитора" с битами А и С, установленными в 0, запоминает адрес соседней верхней станции и передает этот кадр следующей станции.
Для определения отказа активного монитора и других неисправностей кольца остальные станции поддерживают режим неактивного монитора. Каждая станция отслеживает два таймера. Один таймер имеет длительность, намного превышающую длительность таймера потери маркера активного монитора. Этот таймер снова запускается при каждом переходе маркера. При истечении данного таймера предполагается отказ активного монитора и запускается процесс соревнования за право быть активным монитором. Другой таймер перезапускается при прохождении "Кадра активного монитора". Завершение этого таймера также запускает процесс соревнования за право быть активным монитором.
Характеристики физического уровня. В стандарте специфицируется сбалансированная витая пара с передачей сигналов в основной полосе частот с использованием дифференциального манчестерского кодирования, служащая для подключения станций к кольцу. Среда передачи в стандарте не определена, а скорость передачи данных может составлять 1 и 4 Мбит/с.
Физический уровень кодирует поступающие из подуровня УДС символы данных и декодирует поступающие из физической среды сигналы. Преобразование символов подуровня УДС производится с использованием манчестерского кода. В отличие от кодирования сигналов в шинной ЛВС со случайным доступом здесь полярность первой половины символов 1 и 0 строго не устанавливается, она может быть любой.
При появлении сигналов на входе физического уровня генерация заполнителя прекращается. Физический уровень декодирует новый битовый поток, передает сообщение диспетчеру станции и выдает декодированные сигналы (символы) в подуровень управления доступом к среде.
Исходный синхронизатор или главный генератор кольца установлен в активном мониторе. Все станции подстраивают частоту и фазу своих сигналов под сигналы активного монитора. Они выделяют синхросигналы из полученных данных с помощью так называемой петли подстройки фазы.
4.3. Аналитическая модель кольцевой ЛВС с маркерным доступом
Наиболее упрощенная модель ЛВС с кольцевой структурой представляет собой последовательное соединение нескольких систем массового обслуживания, замкнутых в кольцо, как это показано на рис. 3.7. СМО моделируют станции, работающие в децентрализованном режиме. На каждую i-ю станцию из всех М станций сети поступает для передачи поток сообщении с интенсивностью i и средним временем передачи i.
Поскольку каждая i-я станция сама удаляет из кольца все поступившие от нее сообщения, среднее значение интенсивностей входных и удаляемых потоков сообщений равны i.
Таким образом, по кольцу циркулирует суммарный поток сообщений с интенсивностью
. (3.1)
Рассмотрим простейший случай организации сети, когда каждая из станций может одновременно принимать сообщения от предыдущей и передавать сообщения последующей станции. Сообщения, принимаемые от предыдущей станции, и собственные сообщения, подготовленные для передачи, в каждой из станций образуют очереди Оi. Несмотря на то, что каждое из сообщений, поступивших в сеть, должно транслироваться М раз, в результате одновременной передачи сообщений всеми станциями, средняя загрузка сети сообщениями i-го типа равна средней загрузке этими же сообщениями каждой из станций:
, (3.2)
а суммарная загрузка сети всеми сообщениями определяется как
. (3.3)
Помимо задержек, связанных с ожиданием в очередях, сообщениям приходится преодолевать задержки, возникающие на каждой станции в процессе продвижения вдоль всего кольца. Задержка, связанная с потерей времени на подготовку данной i-й станции к повторной передаче, называется ее латентным временем Li. Задержку времени на распространение сигнала между двумя соседними станциями обозначим через Pi.
Полное время распространения сигнала по всему кольцу определяется как
. (3.4)
Суммарное время
(3.5)
называют латентным временем всех станций. Сумма латентного времени станций и времени полного распространения сигнала по кольцу образуют латентный период кольца
. (3.6)
Если задержки на каждой станции выразить в битах и считать для всех станций одинаковыми и равными b-бит, то, разделив эту величину на скорость модуляции (B), получим латентное время станции
,
а латентный период при этом определится соотношением
. (3.7)
Полное среднее время пребывания сообщения в сети, начиная с момента поступления до момента удаления, составляет цикл сети.
Предположим, что в некоторый момент времени, принимаемый за начало цикла, на вход станции полностью поступил маркер длительностью . Спустя некоторое время L, необходимое для подготовки станции к передаче, на ее выходе появится кадр сообщений длительностью . Спустя промежуток времени P, необходимый для распространения сигнала между первой и второй станциями, на входе второй станции появится кадр сообщений , передача которого завершается маркером длительности и т.д. Время цикла ТЦ образуется суммированием всех перечисленных промежутков времени:
. (3.8)
Если в сети циркулирует не один, а N маркеров, то в течение времени цикла ТЦ каждая станция будет опрашиваться N раз, а период опроса
. (3.9)
Рассмотрим дисциплину обслуживания, когда в течение каждого опроса станция передает один кадр длительностью :
.
В связи с этим пропускная способность сети
(3.10)
существенно зависит от числа станций M в кольце и при одномаркерном способе опроса весьма мала. Если в сети организован многомаркерный опрос, такой, что М=N, то пропускная способность сети незначительно зависит от задержек распространения сигнала
. (3.11)
Теперь обратимся к рассмотрению модели с дисциплиной обслуживания сообщений, при которой во время каждого опроса станции передаются все имеющиеся в ее очереди сообщения. В установившемся режиме каждый раз будут передаваться все сообщения, накопившиеся в очереди за время TO между двумя соседними опросами станции. Следовательно,
. (3.12)
Время цикла ТЦ определяется соотношением
. (3.13)
При одномаркерном способе управления (N=1) значение ТЦ весьма быстро возрастает, и система становится неустойчивой. При многомаркерном способе (N=М) ТЦ определяется как
. (3.14)
Время цикла здесь увеличивается в связи с необходимостью передачи маркерных сообщений. Величина ТЦ является гарантированным временем доставки сообщений, и для его уменьшения следует использовать многомаркерный способ управления сетью.
Для кольцевой сети с маркерным доступом нормированное время задержки доставки сообщений по отношению к определяется соотношением
, (3.15)
гдe - параметр, аналогичный параметру дальнодействия - нормированный коэффициент распространения сигналов.
При весьма малых загрузках среднее время задержки доставки сообщений
(3.16)
и определяется латентным периодом сети и средним значением времени передачи сообщений.
5. Порядок выполнения работы
5.1. Изучить теоретический материал по принципам построения и функционирования ЛВС кольцевой топологии с маркерным методом доступа.
5.2. Изучить основы применения сетевых моделей массового обслуживания при построении аналитической модели ЛВС кольцевой топологии с маркерным методом доступа.
5.3. Определить исходные данные для расчета основных характеристик сети в соответствии с вариантом для лабораторной работы №1 (табл. 1.2).
5.4. Определить относительное время задержки доставки сообщений, время передачи, пропускную способность канала, минимальное время задержки доставки сообщений для числа маркеров в сети, равных 1 и N, на основе исследования сетевой модели (см. пример расчета ЛВС).
5.5. Изменяя исходные данные относительно заданных, установить зависимости, указанные в задании п.2.4, для числа маркеров в сети (1;N). Значения R изменять в диапазоне (0;1) с шагом 0,1, а значения - в диапазоне (0;300) с шагом 50 мкс. Результаты оформить в виде таблиц и графиков. Требуемые кривые зависимостей необходимо строить на графиках, полученных в работах №1 и №2 (где это необходимо).
5.6. Сделать выводы по полученным графикам.
5.7. Сравнить ЛВС различной конфигурации, исследованные в лабораторных работах №1-№3.
6. Содержание отчета
6.1. Цель работы, задание.
6.2. Исходные данные для определения основных характеристик кольцевой ЛВС с маркерным методом доступа.
6.3. Значения полученных характеристик при исследовании модели ЛВС.
6.4. Таблицы и графики полученных зависимостей.
6.5. Выводы по результатам работы.
7. Контрольные вопросы
7.1. Сравните архитектуру нижних уровней эталонной модели ВОС для ЛВС с шинной и кольцевой топологией. Отличия архитектуры связаны с топологией или с методом доступа? Ответ поясните.
7.2. Какие возможности предусмотрены для расширения сетей Token Ring и подключения их к глобальным сетям?
7.3. На примере форматов адресов кадров подуровня УДС опишите все виды адресации, возможные в ЛВС с кольцевой топологией.
7.4. Чем определяется время передачи кадров станции, захватившей маркер? Ответ поясните.
7.5. Каким образом особенности маркерного метода доступа отражены в формате кадров подуровня УДС?
7.6. Какие функции по управлению доступом к среде возложены на подуровень УДС и физический уровень?
7.7. Опишите алгоритмы функционирования кольцевой ЛВС с маркерным доступом, используя известные управляющие кадры и указывая их форматы, для случаев: а) определения соседних станций; б) управления кадром и маркером; в) соревнования за право быть активным монитором; г) сигнализации о неисправностях; д) подключения новой станции к сети.
7.8. Охарактеризуйте возможности приоритетного доступа.
7.9. Какой сетевой моделью массового обслуживания представляется кольцевая ЛВС со случайным методом доступа? Опишите эту модель.
Пример расчета локальных вычислительных сетей
При проектировании ЛВС необходимо выбрать ту топологию соединения узлов сети, в которой при заданных параметрах (число узлов сети, тип среды передачи и т.д.) характеристики передачи будут наилучшими. Произведем расчеты для ЛВС шинной топологии со случайным и маркерным методом доступа и ЛВС кольцевой топологии с маркерным доступом.
Зададим следующие исходные данные сети:
протяженность сети S=2 км (максимальное расстояние между двумя станциями);
скорость модуляции В=10 Мбит/с;
число станций М=50;
скорость распространения сигнала по кабелю связи V=2,3 -105 км/с;
максимальное число ретрансляторов np между двумя станциями np=2;
максимальная задержка одного ретранслятора в битах Lp=14 бит;
тип протокола, из которого устанавливаются:
а) средняя длина информационной части кадра LИ=1600 бит;
б) средняя длина служебной части кадра LС=320 бит;
закон распределения длин информационной части кадра (обычно экспоненциальный) И=l;
закон распределения длин служебной части кадра (обычно детерминированный) С=0;
среднее значение интенсивности сообщений, поступающих от каждой станций ср=10(1/с).
Обычно сеть принимается однородной.
Рассчитаем ЛВС шинной топологии со случайным методом доступа.
На основании указанных исходных данных произведем расчет времени задержки в сети и определим ее пропускную способность.
1. Время распространения сигнала по кабелю между двумя наиболее удаленными станциями:
2. Максимальное время задержки сигналов в ретрансляторах
3. Полное время распространения сигнала
4. Длительность информационной части кадра
5. Длительность служебной части кадра
6. Суммарная средняя длительность кадра
7. Коэффициент вариации времени передачи кадров сообщений
8. Суммарное значение интенсивности поступления сообщений
9. Суммарный коэффициент загрузки
10. Коэффициент дальнодействия, с учетом времени задержки в ретрансляторах
11. Относительное время задержки доставки сообщения, определенное по соотношению (1.9)
12. Время передачи
13. Пропускная способность канала
14. Предельно допустимое значение суммарной интенсивности, при котором загрузка достигает пропускной способности канала
15. Минимальное время задержки доставки ( при R=0)
При малых значениях загрузки время доставки , рассчитанное по п.12, незначительно превышает минимальное время .
Рассмотрим пример расчета времени доставки сообщений в шинной ЛВС с маркерным методом доступа. Исходные данные берутся те же, что и в предыдущем случае. В соответствии с ранее рассмотренным протоколом шинной сети с маркерным доступом длина служебной части кадра LС составляет 168 бит. Дополнительно примем максимальную задержку станции для подготовки сообщений Ll равной 2 бита.
В отличие от шинной ЛВС со случайным доступом, в рассматриваемой сети с целью обеспечения бесконфликтной передачи добавляется маркерный кадр длиной в 24 бита: LМ=24 бита.
Полное время распространения сигнала с учетом ретрансляторов, как и прежде, будем считать =11,5 мкс.
Предположим, что в сети осуществляется исчерпывающее обслуживание, при котором станция передаст все имеющиеся у нее в очереди сообщения и лишь после этого направит маркер следующей очередной станции.
1. Длительность информационной части кадра
2. Длительность служебной части кадра
3. Длительность маркерного кадра
4. Суммарная средняя длительность информационного кадра
5. Коэффициент вариации времени передачи информационных кадров
6. Суммарное значение интенсивности поступления информационных сообщений
7. Суммарный коэффициент загрузки
8. Время, необходимое для подготовки станции к передаче,
9. Латентный период сети определяется соотношением (2.4)
10. Параметр дальнодействия определяется соотношением
11. Нормированное время задержки сообщений определяется соотношением (2.6)
12. Время доставки сообщения
13. Пропускная способность сети С, согласно формуле (2.6), равна единице, поскольку с увеличением длин очередей доля маркерных сообщений уменьшается.
14. Минимальное время задержки сообщений (R0) составляет
При малых загрузках время доставки , рассчитанное по (2.6), незначительно превышает минимальное время . Дополнительная "плата" за бесконфликтную передачу в виде маркерных сообщений приводит к несколько большим затратам времени на доставку сообщений при малых загрузках сети, зато бесконфликтность обеспечивает устойчивую работу сети с маркерным доступом при нагрузках, существенно превышающих пропускную способность сети со случайным доступом.
Итак, сети со случайным доступом эффективнее использовать при малых загрузках, а сети с маркерным доступом - при больших загрузках.
Рассмотрим пример расчета кольцевой ЛВС с маркерным методом доступа. Исходные данные берутся те же, что и в предыдущих случаях. Однако в данном случае задается средняя длина сообщения L, равная 1600 бит. Средняя длина информационной части кадра равна LИ=1500 бит; максимальная задержка станции для подготовки сообщений Ll равна 2 бита; длина маркерного кадра равна LМ=24 бита и число маркеров N=10. Расчеты будут проводиться для сети с числом маркеров 1 и 10.
1. Длительность информационной части кадра
2. Длительность маркерного кадра
3. Время распространения сигнала между двумя соседними станциями
4. Средняя длительность сообщения
5. Коэффициент вариации времени передачи информационных кадров
6. Суммарное значение интенсивности поступления информационных сообщений
7. Суммарный коэффициент загрузки
8. Время, необходимое для подготовки станции к передаче,
9. Латентный период сети определяется соотношением (3.7)
10. Параметр дальнодействия определяется соотношением
11. Пропускная способность канала при N=1и N=10 определяется по (3.10):
12. Время цикла определяется соотношением (3.13):
При одном маркере в сети система становится неустойчивой.
13. Нормированное время задержки сообщений определяется соотношением (3.15)
14. Время доставки сообщений
15. Минимальное время задержки сообщений (R0) составляет