Методы доступа в кольцевых сетях

Стандарт IEEE802.4 определяет подуровень управления доступом к передающей среде канального уровня и физический уровень локальных компьютерных сетей шинной топологии. Доступ осуществляется с помощью кадра маркера определенного формата. Передача маркера происходит от одной станции к другой в порядке убывания их логических адресов. Станция с наименьшим адресом циклически передает кадр маркера станции с наибольшим адресом, тем самым замыкая логическое кольцо передачи маркера. Станция, которая получает маркер от другой станции, относительно нее называется преемником.Соответственно станция, от которой поступает маркер, называется предшественником.Так, для станции Ст2 (рис. 14) предшественником является станция Ст3, а преемником — станция Ст1.

Рис. 14 — Организация логического кольца

в шине с маркерным доступом

Последовательность расположения станций в логическом кольце не обязательно должна соответствовать последовательности их физического размещения на шине. Более того, некоторые станции могут быть вообще не включены в логическое кольцо. Основное различие между ними заключается в том, что станция, не входящая в логическое кольцо, не получает кадр маркера, и, соответственно, она не может передавать кадры данных. Такая станция считается пассивной и может только принимать адресованные ей кадры данных. Протоколом функционирования сети предусмотрена возможность включения пассивных станций в логическое кольцо, после чего они получают право передавать кадры данных. Управление сетью, в том числе и реконфигурация логического кольца, осуществляется децентрализованным способом. В каждый момент времени функции управления берет на себя станция, владеющая маркером. В том числе она осуществляет:

· генерацию (реконфигурацию) логического кольца;

· контроль за передачей маркера;

· изменение параметров управляющих алгоритмов;

· прием и обработку запросов на подключение пассивных станций к логическому кольцу.

Для передачи данных и управления сетью определены кадры: данных, управления и прерывания. Кадры данных и управления имеют одинаковую структуру (рис. 15) и различаются между собой только содержимым поля управления кадром, а также полем данных.

Рис. 15 —Структура кадра стандарта IEЕЕ 802.4,

где УК — указатель кадра; z — бит типа кадра

Каждому кадру предшествует преамбула, включающая от одного до нескольких символов заполнителей в зависимости от скорости передачи и применяемого метода модуляции сигналов. За преамбулой следует начальный ограничитель кадра длиной в один байт. Следующий за ним байт содержит управляющую информацию, с помощью которой определяется тип кадра. За полем управления кадром следуют двух- или шестибайтные поля адресов получателя и отправителя информации. Последующее за ним поле данных содержит информацию, поступающую с подуровня управления логическим каналом, либо формируемую диспетчером. Максимальное его значение 1318 байт. Под значение контрольной последовательности кадра отведены следующие четыре байта. Кадр завершается однобайтовым полем конечного ограничителя.

Два младших разряда поля управления кадром указывают на тип кадра:

Кроме того, существует семь типов управляющих кадров, которые кодируются (см. табл. 2) с помощью четырех старших разрядов поля управления кадром.

Таблица 2 — Коды четырех старших разрядов поля «управление кадром»

Кадр «Заявка маркера» используется для восстановления маркера в случае его потери, содержит поле данных, равное 0, 2, 4 или 6 интервалам ответа, обязательно кратным байту. Кадры «Запрос преемника 1» и «Запрос преемника 2» используются для включения новой станции в логическое кольцо. Кадр «Кто следующий?» используется для обхода очередной станции в случае, если она не передает данные или маркер, т.е. молчит. За кадром должно следовать три окна ответа, в которые помещают свои адреса ближайшие станции, желающие подключиться к логическому кольцу. Кадр «Разрешение соперничества» предоставляет станции возможность подключиться к логическому кольцу. С этой целью после данного кадра размещается четыре окна ответа.

Среди управляющих кадров особое место занимает «Кадр маркера», с помощью которого регулируется доступ к передающей среде. Кадр маркера (рис. 16) имеет укороченный формат, в нем отсутствует поле данных. Последним в табл. 2 находится кадр «Установить преемника», который совместно с кадром «Запрос преемника» управляет подключением станций к логическому кольцу.

Рис. 16 — Структура кадра маркера, где НО — начальный ограничитель; КПК — контрольная последовательность кадра; УК — указатель кадра;

z — бит типа кадра; КО — конечный ограничитель. Старшие разряды поля управления кадра «Данные подуровня управления логическим звеном» также несут определенную смысловую нагрузку

Конечный ограничитель, кроме указания конца кадра, несет дополнительную смысловую нагрузку. Единицы в 3, 6 и 7 разрядах указывают, что кадр является промежуточным и передача информации будет продолжена. Нулевое значение этих разрядов указывает на последний передаваемый кадр. Единица в 8 разряде конечного ограничителя указывает на наличие ошибки в данном кадре, а 0 — на ее отсутствие.

Самым коротким среди кадров является кадр «Прерывание», состоящий только из начального и конечного ограничителей. Данный кадр выдается станцией, которая желает прервать передачу кадра. Прерывание осуществляется после передачи очередного байта текущего кадра.

Рассмотрим случай, когда четыре станции (Ст1 — Ст4) одновременно находятся в состоянии «Заявка маркера». Допустим, что эти станции различаются по первым четырем битам своего адреса, значение которых приведено в табл. 3.

Таблица 3 — Значения четырех старших разрядов адреса

В соответствии с первыми двумя разрядами адреса длина поля данных кадра «Заявка маркера» станции Ст1 равна 0 тактов и минимальна среди кадров остальных станций. Для станций Ст2, Ст3 и Ст4 первые два разряда (10) адреса одинаковы, соответственно и длина поля данных их кадров «Заявка маркера» в данном случае равна между собой и составляет 4 такта.

Инициализация маркера начинается (рис. 17) с передачи станциями кадров «Заявка маркера». Завершив передачу кадра, каждая из станций после одного окна ответа прослушивает передающую среду. Так, станция Ст1 в момент времени Т1 заканчивает передачу кадра, а в момент времени Т2 начинает прослушивать моноканал. В этот момент времени станции Ст2, Ст3 и Ст4 продолжают передачу кадров «Заявка маркера». Присутствие сигналов в передающей среде говорит станции Ст1 о том, что какая-то одна или несколько станций с большим номером пытаются заявить маркер. В нашем случае таких станций три. В результате этого станция Ст1 переходит в состояние «Дежурное». Одновременно закончив, передачу, кадра, станции Ст2, Ст3 и Ст4 в момент времени Т4 прослушивают моноканал, отсутствие сигналов в нем создает у каждой из станций впечатление, что она единственная заявляет маркер. Для исключения подобной ситуации станции Ст2, Ст3 и Ст4 повторяют передачу кадров «Заявка маркера», длина которых определяется на основании следующих двух разрядов адреса

Рис. 17 — Начальный этап инициализации маркера

Если после выборки двух последних бит адреса наблюдается отсутствие передачи, то данная станция выиграла процесс инициализации маркера.

Таким образом, маркер оказывается у станции с максимальным адресом, в нашем случае это станция Ст4.

При отсутствии логического кольца станция Ст4 начинает формировать его, используя для этого процедуру контролируемого соперничества станций, называемую «окно ответа». С этой целью она передает кадр «Разрешение соперничества», за которым следует четыре окна ответа (рис. 18). Станции (Ст1, Ст2, Ст3), желающие подключиться к логическому кольцу, выбирают в соответствии со значениями первых двух разрядов своего адреса одно из окон ответа и при свободном предыдущем окне ответа начинают передачу кадра «Установить преемника». В поле адреса получателя этого кадра указывается адрес станции, пославшей кадр «Разрешение соперничества», а в поле данных станция помещает свой собственный адрес. С помощью этой информации станция, инициирующая логическое кольцо, определяет своего преемника. Обнаружив столкновение кадров, станция Ст4 повторно выдает кадр «Разрешение соперничества», предоставляя станциям Ст2 и Ст3 разрешить между собой конфликтную ситуацию. В этом случае используются следующие два разряда адреса, значение которых больше у станции Ст3. На основании этого станция Ст3 без помех передает кадр «Установить преемника», подключаясь вслед за станцией Ст4 к логическому кольцу. Процесс повторяется до подключения всех желающих станций.

Рис. 18 — Начальный этап формирования логического кольца

После завершения процедуры формирования логического кольца станция с максимальным адресом переходит в состояние «Использование маркера» и начинает передачу кадров данных. По окончании передачи передает кадр маркера следующей станции.

В процессе работы компьютерной сети может динамически меняться ее логическое) кольцо, то есть станции могут как отключаться, так и подключаться к ней.

В качестве дополнительных (факультативных) возможностей обеспечивается механизм приоритетного доступа к передающей среде. Определено четыре класса обслуживания с номерами 6, 4, 2, 0 и приоритетом в порядке убывания номера класса. Определяющими являются следующие величины:

· ТНТ — время удержания маркера, определяющее максимальное время, которое станция может удерживать маркер при передаче кадров класса 6. Этот класс обеспечивает абсолютный приоритет, позволяя передавать кадры данных с минимально возможной задержкой, поэтому он получил название класса синхронных данных;

· TRTn — заданное для класса n время вращения маркера, где n=0,2,4. Определяет максимальное время, за которое должен быть получен маркер для передачи данных класса n;

· TTRT — реальное время вращения маркера, определяемое по специальному таймеру, отслеживающему интервал между двумя приходами маркера.

Нормальное функционирование протоколов канального уровня обеспечивается определённым перечнем услуг, предоставляемых физическим уровнем. Перечень и функциональное назначение этих услуг во многом подобны перечню и назначению услуг физического уровня стандарта IEЕЕ 802.3. Одно из отличий заключается в использовании 75-ом-ного кабеля вместо 50-омного кабеля. Протокол IEEE 802.4 допускает использование трех методов модуляции сигналов:

1) фазонепрерывная модуляция сдвигом частоты, при которой изменение частоты сигнала осуществляется непрерывно при переходе с одной частоты на другую;

2) фазокогерентная модуляция сдвигом частоты, в этом случае переход с одной частоты сигнала на другую осуществляется при пересечении нулевого уровня сигналом несущей;

3) многоуровневая двубинарная амплитудно-фазовая модуляция является разновидностью амплитудно-фазовой модуляции с более чем двумя уровнями амплитуд.

В зависимости от используемых сетевых средств может быть реализована различная топология сети: линейная, звездообразная или древовидная. Наиболее известной среди сетей данного типа является сеть ARCNET фирмы Datapoint с явно выраженной звездообразной топологией. Основной областью применения сетей стандарта IEEE 802.4 является сфера производственных сетей, предъявляющая жесткие требования к сетевому трафику. Хотя на данный момент это уже отживший стандарт, практически нигде не применяемый и не используемый.

В основу стандарта на сети с методом тактируемого доступа к кольцу положены протоколы доступа локальной сети Cambridge Ring. Физическая среда данной сети представляет собой коаксиальный кабель с набором активных повторителей, обеспечивающих скорость передачи до 10 Мбит/с. Абонентские системы (компьютеры) к передающей среде подключаются с помощью блока подключения (вилки связности), кабеля-сопряжения, повторителя и станции.

Вилка связности представляет собой устройство, замыкающее кольцо при механическом отключении станции. Повторитель — устройство, осуществляющее кодирование, декодирование, регенерацию, прием и передачу сигналов из кольца или станции. Следует заметить, что в рамках стандарта ISO/DIS 8802/7 под станцией понимается устройство, реализующее функции подуровня управления доступом к среде. Сюда относятся функции управления передачей по кольцу, обнаружение ошибок и информация о них, параллельно-последовательные и обратные преобразования. По сути станция представляет собой сетевой адаптер. Станция в совокупности с повторителем образует узел.

Для обеспечения нормальной работы сети в ее состав должны входить монитор, регистрирующая станция, ретрансляторы и вторичные источники питания.

Монитор представляет собой специализированную станцию, выполняющую функции инициализации и управления кольцом.

Регистрирующая станция представляет собой устройство, осуществляющее учет состояния сети, в том числе регистрирующее ошибки и информирующее о них.

Автономный повторитель, выполняющий только функции регенерации сигналов, называется ретранслятором. Основное назначение ретранслятора — увеличение протяженности сети.

Питание повторителей осуществляется с помощью специального вторичного источника питания с напряжением 28В. Для этой цели вводится дополнительная пара проводников. С целью снижения влияния различных помех на передачу информации проводники распределяются следующим образом: первая пара содержит провод положительного постоянного питания и один информационный провод. Вторая пара проводов состоит из провода отрицательного уровня питания и второго информационного провода.

Для одновременного подключения нескольких компьютеров используются различные узлы — мультиплексоры.

С учетом сказанного выше может быть представлена следующая конфигурация сети (рис. 22).

Рис. 22 — Сеть с тактируемым доступом

При рассмотрении основных временных соотношений следует учитывать, что каждые 100 метров кабеля вносят задержку длительностью 450 нс. При скорости передачи 10 Мбит/с можно представить сегмент длиной 100 метров в виде памяти емкостью 4,5 бита. В каждом конкретном случае длина кабеля и, следовательно, время циркулирования данных по кольцу будет различно. Для обеспечения целого числа бит в кольце номинальная частота 10 МГц может несколько изменяться. Для обеспечения целого числа тактов фиксированной длины и минимального числа (двух) межкадровых пробелов используются дополнительные биты-заполнители. Длина сегмента выбирается из значений 40, 56, 72 или 88 битовых позиций. Количество бит-заполнителей должно выбираться в пределах от 2 до 255, большее число пробелов рассматривается как разрыв логического кольца. В зависимости от времени вращения данных по кольцу и выбранной длины сегмента в сети может циркулировать от 1 до 255 кадров фиксированной структуры.

На рис. 23 представлена структура кадра с входящим в его состав пакетом. Первый бит каждого кадра всегда равен единице и определяет начало кадра. Следующий разряд определяет, занят или свободен текущий сегмент. Бит монитора, как и в других кольцевых сетях, используется для исключения зацикливания кадров. Однако в отличие от других сетей единица в этом разряде устанавливается передающей станцией, а монитор устанавливает нулевое значение данного разряда. Если монитор обнаруживает значение бита монитора равное нулю, а бит «занят/пустой» в этот момент равен единице (сегмент занят), то он предполагает зацикливание кадра. В этом случае монитор обнуляет кадр данных, устанавливая нулевое значение бита «занят/пустой».

Рис. 23 — Структура кадра стандарта IEEE 802.7

Пакет включает адреса получателя и отправителя сообщения. Поле данных пакета содержит данные подуровня управления логическим звеном или служебную информацию подуровня управления доступом к передающей среде. Тип данных определяется двумя битами «типа октета». Размер поля данных зависит от величины выбранного кадра и может составлять 2, 4, 6 или 8 байт. Биты ответа используются для информации станции-отправителя о результате приема посланного им кадра данных. Первоначально значение этих разрядов равно единицам. Если получатель отсутствует, то кадр возвращается отправителю с единицами в этих разрядах.

В свою очередь получатель может установить следующие значения этих разрядов:

00 получатель занят или временно не готов к получению пакета;

01 получатель принял пакет данных;

10 получатель подтвердил поступление кадра данных, но не может принять пакет, поскольку не может идентифицировать отправителя, или он «замаскирован» от данного пакета.

Бит четности используется для обнаружения ошибок при передаче кадра данных. Небольшой размер кадра данных в сочетании с достаточно высокой надежностью передающей среды позволяет заменить контрольную последовательность.

Передача данных кадра с одним битом четности происходит следующим образом. Станция, готовая передавать данные, следит за появлением начала очередного сегмента. При обнаружении пустого сегмента станция отмечает его как занятый. В конце передаваемого пакета в поле «ответ» устанавливаются две единицы. После передачи пакета запускается счетчик тактов. Пакет возвращается при совпадении значения счетчика тактов с числом сегментов кольца. При появлении «своего» кадра станция устанавливает бит «занят/пустой» в ноль, отмечая его как свободный. Биты ответа копируются станцией для анализа результата передачи пакета. Если пакет по каким-то причинам не принят, то по истечении одного кругового цикла производится повторная попытка его передачи. С целью предотвращения циркулирования бесполезной информации последующие попытки передачи задерживаются на более длительные интервалы времени.

Очередной кадр данных станция может передавать только после возвращения предыдущего кадра. Это условие обеспечивает равные права доступа для всех станций сети. Очевидно, что для оптимальной загрузки сети необходимо, чтобы число станций было равно или больше числа сегментов кольца. В противном случае количество сегментов, равное разнице между общим числом сегментов и станций, не будет использоваться.

Основным преимуществом сети является малое время ответа, которое достигается, однако, за счет очень низкой эффективности использования канала передачи данных. В большинстве случаев до 60 % общей пропускной способности канала затрачивается на передачу служебных и управляющих бит. Поэтому наиболее характерной областью применения подобных сетей следует считать системы оперативного контроля и управления технологическими процессами.