Трубаков 2 Канальный и физический уровни Классификация

Трубаков 2
Канальный и физический уровни
Классификация методов передачи данных
…
Особенности двухточечного метода доступа
…
Основные протоколы двухточечного метода доступа
Двухточечные методы доступа:
o SLIP
o HDLC
o РРР
Из набора существующих двухточечных протоколов протокол IP сегодня
использует два: HDLC и РРР. Существует также устаревший протокол SLIP (Serial Line
Internet Protocol — межсетевой протокол для последовательного канала), который долгое
время был основным протоколом удаленного доступа индивидуальных клиентов к IP-сети
через телефонную сеть. Однако сегодня он полностью вытеснен протоколом РРР.
Протокол HDLC (High-level Data Link Control — высокоуровневое управление
линией связи) представляет целое семейство протоколов, образующих канальный уровень
для следующих сетей и устройств:
 LAP-В – сетей Х.25,
 LAP-D – сетей ISDN,
 LAP-M — асинхронно-синхронных модемов,
 LAP-F — сетей Frame Relay.
Формат кадра
Типы кадров
 Ненумерованные кадры предназначены для установления и разрыва логического
соединения, а также информирования об ошибках. Поле М ненумерованных кадров
содержит коды, определяющие тип команд, которыми пользуются два узла на
этапе установления соединения, например:
 Управляющие кадры предназначены для передачи команд и ответов в контексте
установленного логического соединения, в том числе для передачи запросов на
повторную передачу искаженных информационных блоков:
1
Трубаков 2

Информационные кадры предназначены для передачи данных пользователя. В
процессе передачи информационных блоков осуществляется их нумерация в
соответствии с алгоритмом скользящего окна.
Надежная передача
При работе HDLC для обеспечения надежности передачи используется скользящее окно
размером в 7 кадров (при размере поля управления 1 байт) или 127 кадров (при размере
поля управления 2 байта). Для поддержания алгоритма окна в информационных кадрах
станции-отправителя отводится два поля:
 N(S) — номер отправляемого кадра;
 N(R) — номер кадра, который станция ожидает получить от своего партнера по
диалогу.
Предположим для определенности, что станция А отправила станции В информационный
кадр с некоторыми значениями NA(S) и NA(R). Если в ответ на этот кадр приходит кадр
от станции В, в котором номер посланного этой станцией кадра NB(S) совпадает с
номером ожидаемого станцией А кадра NA(R), то передача считается корректной. Если
станция А принимает кадр-ответ, в котором номер отправленного кадра NB(S) неравен
номеру ожидаемого NA(R), то станция А этот кадр отбрасывает и посылает
отрицательную квитанцию REJ (отказ) с номером NA(R). Приняв отрицательную
квитанцию, станция В обязана повторить передачу кадра с номером NA(R), а также всех
кадров с большими номерами, которые она уже успела отослать, пользуясь механизмом
скользящего окна.
2
Трубаков 2
Двухточечный доступ: протокол PPP
Основные понятия и назначение
Протокол РРР (Point-to-Point Protocol) является стандартным протоколом Интернета.
Протокол РРР так же, как и HDLC, представляет собой целое семейство протоколов, в
которое, в частности, входят:
 протокол управления линией связи (Link Control Protocol, LCP);
 протокол управления сетью (Network Control Protocol, NCP):
 многоканальный протокол РРР (Multi Link PPP. MLPPP);
 протокол аутентификации по паролю (Password Authentication Protocol, PAP);
 протокол аутентификации по квитированию вызова (Challenge Handshake
Authentication Protocol, CHAP).
Свойства и требования к протоколу
Оригинальные требования, заложенные рабочей группой IETF в идею протокола РРР
(RFC 1547):
•
Формирование кадра
•
Прозрачность
•
Поддержка различных протоколов сетевого уровня
•
Поддержка различных типов линий
•
Обнаружение ошибок
•
Живучесть соединения
•
Согласование адресов сетевого уровня
•
Простота
Протокол РРР не должен реализовывать:
•
Исправление ошибок
•
Управление потоком
•
Порядок доставки кадров
•
Многоточечные линии
Формат кадра
3
Трубаков 2
Коллективный доступ
Основные определения и понятия
Коллективный доступ – метод передачи данных, при котором группа узлов имеет
одновременный доступ к физической среде передачи.
Обмен данными в компьютерных сетях управляется наборами правил, составляющих так
называемые протоколы коллективного доступа.
На практике по одному широковещательному каналу могут обмениваться данными сотни
или даже тысячи узлов. Поскольку передавать кадры могут все узлы, возможна ситуация,
когда одновременно начнут передачу несколько узлов. Когда такое происходит, каждый
из узлов одновременно получает несколько кадров, то есть на принимающих узлах имеет
место коллизия переданных кадров.
Примеры
Группы протоколов
За годы с помощью широкого спектра технологий канального уровня были реализованы
десятки протоколов коллективного доступа. Тем не менее практически любой из этих
протоколов мы можем отнести к одной из трех категорий:
 протоколы разделения канала,
 протоколы произвольного доступа,
 протоколы последовательного доступа.
Характеристики идеального протокола
В идеальном случае протокол коллективного доступа для широковещательного канала со
скоростью передачи данных R бит/с должен обладать следующими характеристиками:
 Когда данные для передачи есть только у одного узла, этот узел обладает
пропускной способностью в R бит/с.
 Когда данные для передачи есть у М узлов, каждый из этих узлов обладает
пропускной способностью в R/M бит/с. Это не означает, что каждый из М узлов в
каждый момент времени может передавать данные со скоростью R/M бит/с, — это
средняя скорость передачи данных каждого из узлов.
 Протокол является децентрализованным, то есть не существует управляющих
узлов, выход из строя которых может остановить работу всей сети.
 Протокол прост и дешев в реализации.
4
Трубаков 2
Коллективный доступ с разделением канала
Цели, задачи и способы
Цель: Обеспечить коллективный доступ к среде передачи, при котором каждому узлу
будет предоставлена некоторая минимально гарантированная скорость обмена и будет
обеспечено отсутствие коллизий в сети.
Способы:
 С временным разделением (TDM)
 С частотным разделением (FDM)
 С кодовым разделением
Коллективный доступ с временным разделением канала (TDM)
Принцип работы метода
TDM - Time-Division Multiplexing
Предположим для примера, что канал поддерживает N узлов и скорость передачи данных
в канале равна R бит/с. При временном разделении канала время делится на интервалы,
называемые кадрами, каждый из которых делится на N элементарных интервалов
времени, называемых слотами. Затем каждому из N узлов назначается один временной
слот. Когда у узла есть кадр для отправки, он передает биты этого кадра в течение
назначенного ему элементарного интервала времени.
Достоинства и недостатки
Привлекательность временного разделения канала заключается в том, что такая
схема полностью устраняет коллизии и обладает идеальной справедливостью: каждый
узел получает выделенную скорость передачи данных, равную R/N бит/с в течение
каждого временного кадра.
Однако у данной схемы есть два существенных недостатка.
 Во-первых, каждый узел ограничен средней скоростью передачи данных в R/N
бит/с даже в том случае, когда этот узел единственный, кому нужно передавать
данные в этот момент.
 Во-вторых, при передаче узел всегда должен ждать своей очереди, даже когда
кроме него никто не передает данные.
Таким образом, очевидно, что временное разделение канала плохо подходит для
протокола коллективного доступа.
5
Трубаков 2
Коллективный доступ с частотным разделением канала (FDM)
Принцип работы метода
FDM - Frequent-Division Multiplexing
Метод мультиплексирования с частотным разделением делит канал с пропускной
способностью R бит/с на частотные диапазоны с полосой пропускания R/N бит/с, при эгом
каждому узлу выделяется собственный частотный диапазон. Таким образом, при методе
частотного разделения из одного канала с пропускной способностью R бит/с создается iV
каналов с пропускной
Коллективный доступ с частотным разделением канала (FDM)
Достоинства и недостатки
Мульти-плексирование с частотным разделением канала обладает теми же
преимуществами и недостатками, что и с временным. Устраняются коллизии и
обеспечивается справедливое распределение пропускной способности между узлами, но
пропускная способность каждого узла ограничена значением R/N бит/с, независимо от
текущей загруженности канала.
6
Трубаков 2
Коллективный доступ с кодовым разделением канала (CDMA)
Принцип работы метода
Кодирование позволяет мультиплексировать несколько каналов в одном диапазоне.
Техника такого мультиплексирования называется множественным доступом с кодовьш
разделением (Code Division Multiple Access, CDMA).
Недостатки и сложности реализации
Особенность расширяющих последовательностей, используемых в CDMA, состоит в том,
что они являются взаимно ортогональными. Это значит, что если их рассматривать как
векторы, то при попарном умножении они дают нулевой результат, например, взаимно
ортогональными являются векторы координат пространства: A(1 0 0), В(0 1 0) и С(0 0 1).
Однако помимо взаимной ортогональности нужно, чтобы такие векторы были
ортогональны с инверсиями членов набора векторов (так как инверсии применяются для
кодирования нулей исходной информации).
На практике CDMA является весьма сложной технологией, которая оперирует не
условными значениями +1 и -1, а модулированными сигналами, например сигналами
BPSK. Кроме того, узлы сети не синхронизированы между собой, а сигналы, которые
приходят от удаленных на различные расстояния от приемника узлов, имеют разную
мощность. Проблема синхронизации приемника и передатчика решается за счет передачи
длинной последовательности определенного кода, называемого пилотным сигналом. Для
того же, чтобы мощности всех передатчиков были примерно равны для базовой станции, в
CDMA применяются специальные процедуры управления мощностью.
Коллективный доступ с произвольным методом доступа
Основные понятия и принципы
В протоколе произвольного доступа передающий узел всегда передает данные в канал с
максимальной скоростью, то есть R бит/с. Когда возникает коллизия, каждый
вовлеченный в нее узел передает свой кадр повторно до тех пор, пока ему не удастся
7
Трубаков 2
пройти по каналу без коллизий. Однако, испытав коллизию, узел, как правило, не
повторяет передачу тут же, а выжидает в течение случайного интервала времени.
Благодаря разной длительности случайных интервалов времени существует ненулевая
вероятность того, что интервал, выбранный одним из узлов, окажется меньше, чем у
других вовлеченных в коллизию узлов
Протокол ALOHA
Дискретный протокол ALOHA: принцип работы
Введем предположения:
 все кадры состоят ровно из L бит;
 время разделено на интервалы времени (слоты) длительностью L/R секунд
(это время, за которое передается один кадр);
 узлы начинают передачу кадров только в момент начала очередного слота;
 узлы синхронизируются так, что каждый узел знает, когда начинается слот;
 если в течение данного временного слота сталкиваются несколько кадров,
тогда все узлы обнаруживают факт столкновения, прежде чем закончится
данный слот.
Принцип работы: когда у узла есть новый кадр для передачи, он ждет, пока не начнется
новый временной слот, после чего весь кадр передается в течение одного временного
слота. Если передача проходит без коллизии, повторная передача кадра не требуется (узел
может подготовить к передаче новый кадр). В случае коллизии узел обнаруживает факт
коллизии, прежде чем заканчивается данный слот. Затем при наступлении каждого
последующего слота с вероятностью р узел передает кадр повторно до тех пор, пока кадр
не будет передан без коллизии.
Дискретный протокол ALOHA: пример ситуации с коллизией
Дискретный протокол ALOHA: достоинства
•
Достоинства:
– позволяет активному в сети узлу передавать кадры без перерыва с
максимальной скоростью R (если активный узел в сети всего один);
– Дискретный протокол ALOHA является в большой степени
децентрализованным, так как каждый узел сам обнаруживает факт коллизии
и независимо от других узлов принимает решение о времени повторной
передачи.
8
Трубаков 2
•
•
•
– Представляет собой чрезвычайно простой протокол
Недостатки:
Требуется синхронизация узлов;
Плохая производительность при наличии нескольких передающих узлов в сети. На
это влияют следующие факторы:
– определенная доля слотов тратится впустую из-за коллизий;
– некоторая доля слотов тратится напрасно, когда все активные узлы
одновременно отказываются от передачи.
Теоретический предел работоспособности сети:
– При большом количестве активных узлов сети, сеть используется в среднем
на 37%, 26% времени происходит обработка коллизий, 37% сеть
простаивает из-за такой обработки.
Чистый протокол ALOHA: принцип работы
В чистом протоколе ALOHA, узел немедленно передает весь кадр целиком в
широковещательный канал как только в этом появляется необходимость. Если
переданный кадр сталкивается с одним или несколькими другими кадрами, с
вероятностью р узел немедленно передает кадр повторно. В противном случае узел
выжидает в течение времени, необходимого для передачи одного кадра, после чего опять
с вероятностью р передает кадр либо пережидает еще один интервал времени
Чистый протокол ALOHA: пример коллизии
•
Теоретический предел работоспособности сети в два раза меньше: ~16,5%
Протокол CSMA
Принцип работы
Основные правила, отличающие CSMA от ALOHA:
 Слушайте, прежде чем передавать (CSMA: Carrier Sense Multiple Access —
множественный доступ с контролем несущей)
 Если кто-то начал передачу, прекращайте свою передачу (CSMA/CD: CSMA with
Collision Detection — множественный доступ с контролем несущей и
обнаружением коллизий)
9
Трубаков 2
Протокол коллективного доступа с последовательным методом доступа
Последовательный метод доступа: принцип работы, группы протоколов
Недостатки произвольного метода доступа:
• Протоколы не обеспечивают «справедливого доступа» для всех
• Не большие значения использования сети при больших нагрузках
Методы последовательного доступа:
• Протокол опроса
• Протокол передачи маркера
Протоколы опроса. Основные понятия и принципы
Алгоритмы опроса чаще всего основаны на централизованной схеме. В сети существует
выделенный узел, который играет роль арбитра в споре узлов за разделяемую среду.
Арбитр периодически опрашивает остальные узлы сети, есть ли у них кадры для
передачи. Собрав заявки на передачу, арбитр решает, какому узлу он предоставит право
использования разделяемой среды. Затем он сообщает свое решение выбранному узлу, и
тот передает свой кадр, захватывая разделяемую среду. После завершения передачи кадра
фаза опроса повторяется.
Достоинства:
• Устраняет коллизии
• Повышает процент использования сети при больших нагрузках на сеть
Недостатки:
• Затраты времени на опрос всех узлов перед началом передачи
• Наличие в сети центрального узла
Протоколы коллективного доступа с передачей маркера
Основные понятия и принципы
Основные понятия и принципы
•
•
•
•
Достоинства:
Устраняет коллизии
Повышает процент использования сети при больших нагрузках на сеть
Отсутствует центральный узел (или он является не явным)
Недостатки:
Сложности по восстановлению сети при выходе из строя определенного узла
Проблема «сумасшедших» узлов
10