Затраты на абонентские линии составляют значительную долю капитальных затрат на строительство и эксплуатацию сети. Поэтому постоянно идет борьба за снижение их стоимости. В последнее время возникла проблема регулировки доступа потребителя к услугам и службам, предоставляемым различными сетями. Если раньше сети различались по назначению (например, сеть передачи данных и телефонная сеть), то теперь они различаются технологиями (например, сеть Internet, использующая свои специфические средства и протоколы, и обычная телефонная сеть). Дело осложняется тем, что абоненты могут выбирать сети и временно (по потребности и материальным возможностям) подключаться к ним. Простейшие методы, используемые в существующей телефонии, например, ручная кроссировка, в настоящее время уже невозможны из-за своей неоперативности и не сопрягаются с современными цифровыми техническими средствами. Поэтому возникли новые технологии, базирующиеся на сетях доступа. Рассмотрим для начала проблему снижения стоимости абонентской линии.

Подстанции и выносы

Если в одном районе сконцентрировано большое число абонентов, имеет смысл устанавливать в нем подстанцию ( рис. 1.1).

Экономическая целесообразность установки подстанции вычисляется следующим образом.

Имеется некоторое число абонентских линий , каждая длиной , при стоимости единицы длины . При установке подстанции их длина уменьшается до . При этом появляется некоторое число соединительных линий , каждая длиной и стоимостью . Учитывая, что стоимость всего оборудования и установки подстанции равна ., экономическая целесообразность установки определяется неравенством

Логика видна из формулы. Чтобы установка подстанции была экономически оправдана, стоимость решения без использования подстанции должна быть больше, чем при установке подстанции.

Но целесообразность установки подстанции определяется и другими факторами - например, эксплуатационными затратами, относительной ценой аренды абонентской и соединительной линии. Для многих малых предприятий установка подстанции может намного снизить расходы по аренде.

В сельской местности с низкой концентрацией и большим разбросом абонентов вынесение емкости с помощью малых подстанций может оказаться единственно правильным решением. Современные системы позволяют включать до 300 тыс. портов. Вынесение подстанций предусматривается всеми производителями оборудования. При этом возможно "многоступенчатое" включение (рис. 1.2).

Необходимо отметить важность терминологии. Подстанция обозначает вынесенное оборудование с самостоятельным или дистанционным управлением. Обязательным признаком подстанции является замыкание внутреннего трафика внутри подстанции без занятия межстанционных линий.

Вынос - это часть станционного оборудования, вынесенного в область концентрации абонентов и управляемого опорной станцией без замыкания внутреннего трафика. Для варианта, показанного на рис. 1.2, в основном применяется выносное оборудование (выносы).

Локальная сеть

Локальная сеть передачи данных (LAN - Local Area Network) обычно охватывает небольшую территорию - отдельные офисы, здания, - и используется, как правило, на относительно коротких расстояниях. Локальная сеть позволяет объединить между собой рабочие места пользователей и периферийные устройства в единую среду, работающую под управлением единой сетевой операционной системы. Благодаря коротким расстояниям достигается высокая скорость передачи данных (100 Мбит/с) и широкий набор услуг в режиме реального времени.

Локальная сеть разрабатывается обычно для того, чтобы позволить общее использование ресурсов персональным компьютерам или рабочим станциям. Ресурсы обычно включают в себя оборудование (например, принтеры), программное обеспечение (например, прикладные программы) или данные. Типичным примером локальной сети может служить сеть, которая объединяет несколько деловых помещений, рабочих групп, компьютеров, выполняющих целевые задачи. Например, один из компьютеров может обладать большой емкостью внешней памяти и обслуживать серверы других клиентов. Программное обеспечение может быть сосредоточено на центральном сервере и использоваться другими группами так, как им это нужно. В этом примере не оговаривается размер локальной сети, он определяется числом пользователей, объемом программного обеспечения, его сложностью и числом необходимых копий, распределенных по серверам, а также операционной системой.

Локальные сети также отличаются друг от друга средой передачи и ее топологией. Большинство локальных сетей используют скорости от 4-16 Мбит/c. На сегодняшний день имеются локальные сети со скоростью 100 Мбит/c - 1 Гбит/c.

Локальные сети подключаются к телефонной сети общего пользования (рис. 1.3).

Локальные сети содержат аппаратурную часть и программное обеспечение.

Аппаратурная часть локальной сети имеет три составляющие: станции, среду передачи и подключающие устройства .

Станции (узлы локальной сети) - это компьютеры, принтеры, модемы или все три компоненты вместе.

Каждая станция может осуществлять подключение к сети и имеет аппаратурное и программное обеспечение, выполняющее такие задачи, как передачу и прием данных, наблюдение за состоянием сети. Последнюю задачу обычно выполняет карта сетевого интерфейса (Network Interface Card - NIC), которая устанавливается внутри станции и содержит необходимые схемы (в виде микросхем) для сетевых функций.

Среда передачи - это путь, соединяющий станции между собой. Он может быть исполнен в виде проводного соединения (провод или кабель) или воздушного (радиодоступ).

Подключающие устройства содержат преобразователи для передачи сигналов в данной среде, а также устройства типа повторителей (промежуточных усилителей) и объединяющих мостов.

Программное обеспечение локальной сети разделяется на две большие части: сетевая операционная система и прикладные программы.

Центр эксплуатации сети (Network Operation System - NOS) - это центр, координирующий работу сети, который позволяет подключать станции и устройства к сети. Он обеспечивает пользователям доступ к ресурсам и разделение их между многими пользователями.

Прикладные программы позволяют пользователю решать свои специальные вопросы. Наиболее популярные операционные системы для локальных сетей - Windows NT, Windows 2000, Unix, Novell Netware.

Методы доступа к среде передачи

Как уже было отмечено, все станции одной локальной сети имеют общую среду передачи (например, кабель). При этом могут возникнуть попытки доступа к среде более чем одной станции, когда две и более станции пытаются послать данные в одно и то же время. В результате возможен конфликт (collision). Чтобы избежать этой ситуации, используются методы управления доступом к среде (Medium Access Control). Эти методы определяют процедуры, которым должны следовать станции при передаче информации, и тем самым гарантируют, что конфликты между станциями не возникнут.

Методы доступа к среде разделяются на две категории:

• методы случайного доступа;
• методы управляемого доступа.

Методы управляемого доступа разделяются на фиксированный и по требованию.

Методы случайного доступа

При случайных методах (иногда их называют методы состязаний) станции не имеют приоритетов. При каждой попытке передачи данных станция использует протокол, который позволяет определить состояние среды (свободно или занято), чтобы принять решение, посылать информацию или нет.

Имеется две процедуры. Первая управляет временем предоставления станциям возможности передачи. Это расписание предоставляет время передачи по случайному закону. Поэтому эти методы называются методами случайного доступа;.

Вторая группа методов не определяет, какая станция будет передавать данные в следующий момент времени. Станции сами определяют доступ к сети. Эти методы называются методами состязания.

При методах случайного доступа станция не управляет другими станциями. Однако если две и более станции пытаются послать информацию, то возникает конфликт и передаваемый кадр может быть нарушен или искажена полезная информация. Чтобы избежать конфликта или выйти из него, когда это случится, каждая станция должна использовать процедуру, которая должна дать ответы на следующие вопросы:

• Когда станция имеет доступ к среде?
• Что должна делать станция, если среда занята?
• Как должна станция определить успешное прохождение информации или ошибку при передаче?
• Что должна делать станция, если возник конфликт?

Ниже приведены методы случайного многостанционного доступа (Multiple Access - MA).

ALOHA

ALOHA¹⁾ - это протокол случайного многостанционного доступа, т.е. такого, когда ресурс каналов доступен каждой станции. Он имеет следующие свойства:

• Многостанционный доступ. Среда доступна любой станции.
• Отсутствие контроля состояния среды. Станции не проверяют состояние канала (свободен или занят), а передают информацию в любые случайные моменты времени.
• Отсутствие проверки конфликта. Станции не проверяют наличие конфликта, а при его возникновении, когда две или более станций передают пакет в одно и то же время (или перекрывающиеся интервалы), приемник неспособен правильно принять номер.
• Необходимость подтверждения правильного приема. Передатчик не получает подтверждение явного или неявного (например, ответного) сигнала и осуществляет повторную передачу информации через случайный интервал времени.

Различают два метода такого доступа: чистая (несегментированная) и сегментированная ALOHA.

Чистая ALOHA (Pure ALOHA)

Она работает по перечисленным выше принципам, но повторная передача информации осуществляется через случайное время , которое определяется по формуле (экспоненциальный закон)

Формула означает, что вероятность времени повторения превысит заранее заданную величину с вероятностью .

- расчетный параметр, определяющий среднюю задержку между повторными передачами.

Ожидание повторной передачи снижает пропускную способность общего ресурса среды передачи. Она не превышает 18,4 %

На рис. 1.4 показано критическое время, в течение которого может возникнуть конфликт.

На этом рисунке станция посылает кадр в момент времени . Представим, что станция уже послала кадр в момент времени между . Ясно, что возникнет конфликт между кадром станции и кадром станции . Конец кадра будет "состязаться" с началом кадра . С другой стороны, представим себе, что станция послала кадр в момент времени между и . Ясно, что здесь также имеет место конфликт между станцией и . Начало кадра будет конфликтовать с концом кадра . рис. 1.4 показывает, что критическое время, в которое может возникнуть конфликт, равно двум временам передачи:

Синхронная ALOHA

Синхронная ALOHA разделяет время передачи на временные отрезки (слоты), и каждая станция может начать передачу только в начале слота.

Станция, пропустившая этот момент, должна ждать, пока не начнется следующий слот. Это означает, что станция, начавшая передачу в начале слота, закончит без конфликта свой кадр. Конечно, при этом все равно возможно состязание. Конфликт возникает, если две станции пытаются начать передачу в начале слота. Однако критическое время уменьшается в два раза. Это повышает пропускную способность общего ресурса передающей среды до 36,5%.

ALOHA с настойчивой стратегией

ALOHA с настойчивой стратегией (persistent strategy) доступа передает запросы, пока не будет получено подтверждение приема. При использовании такой стратегии длительность повторной передачи осуществляется согласно случайному закону (например, экспоненциальному вероятностному распределению). Если в течение установленного времени подтверждение не получено, то станция повторяет попытку через случайно выбранный интервал времени.

Настойчивая стратегия осуществляет слежение за состоянием передающей среды. Кадр посылается, если среда свободна.

Заметим, что существует ненастойчивая стратегия (nonpersistent strategy), при которой станция опрашивает передающую среду через случайные интервалы времени. После каждой неудачной попытки интервал опроса обычно удваивается, что существенно уменьшает вероятность возникновения конфликта, но приводит к увеличению задержки при передаче информации.

Настойчивая стратегия имеет две разновидности (алгоритма):

• настойчивый алгоритм с вероятностью передачи 1(1persistent algorithm);
• настойчивый алгоритм с вероятностью передачи p(ppersistent algorithm).

Настойчивый алгоритм с вероятностью передачи 1 (1persistent algorithm)

При таком алгоритме станция следит за состоянием передающей среды. Если среда занята, то станция переходит в режим ожидания и предпринимает попытку передачи, как только среда освободится. При возникновении конфликта станция прекращает сеанс связи и вновь начинает по случайному закону. Согласно этому алгоритму, если среда свободна, то сеанс связи начинается с вероятностью .

Настойчивый алгоритм с вероятностью передачи p(ppersistent algorithm)

Он отличается от предыдущего только тем, что передача осуществляется при наличии свободного канала через время, определяемое по случайному закону. В случае конфликта время также определяется по случайному закону (чаще всего по экспоненциальному закону, приведенному выше).

Например, вероятность означает, что станция пошлет информацию после освобождения среды с вероятностью 0,3 и не пошлет с вероятностью 0,7. Технически это реализуется за счет того, что станция имеет генератор случайных чисел, который генерирует случайные числа от 1 до 100. Если в данный момент получено число 20 и меньше, то станция пошлет информацию, в противном случае информация не посылается.

Такая стратегия позволяет уменьшить вероятность конфликта.

Многостанционный доступ с контролем несущей и обнаружением конфликта (CSMA/CD)

При использовании метода CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) - например, в сети Ethernet (будет рассмотрена далее). применяется отсрочка передачи (backoff) . Каждая станция посылает кадр, и если среда передачи свободна, то все проходит в обычном режиме и станция заканчивает свою работу. Если в процессе передачи возник конфликт, то передача осуществляется вновь, но для уменьшения вероятности конфликта станция ожидает некоторое время, которое называется время отсрочки передачи. Основной вопрос - чему равна величина этого времени. Наверное, рационально, чтобы станция во второй раз ожидала несколько больше, чем до времени первого конфликта, а после второй передачи - несколько больше, чем до времени второго конфликта, и т. д.

При показательном законе отсрочки принято, что станция должна ждать интервал времени между и (максимальное время распространения), где - число попыток передачи. Другими словами, время ожидания передачи равно:

от до (максимальное время распространения) в первый раз;

от до (максимальное время распространения) во второй раз и т. д.

Время внутри этого интервала выбирается по случайному закону.

Алгоритм передачи следующий. Если станция имеет информацию для передачи, устанавливается параметр . При возникновении конфликта первая из станций, обнаружившая его, посылает другим станциям сигнал о сетевом конфликте (jam signal).

Станции, получившие этот сигнал:

• удаляют полученные кадры;
• увеличивают значение параметра отсрочки

Значение параметра отсрочки ограничено (обычно числом 15).

В случае если число попыток не превышено, станция ожидает случайное время, основанное на текущем значении параметра отсрочки передачи.

На рис. 1.6 показан пример передачи информации согласно методу CSMA/CD. Первый канал начал передачу. Вторая станция в это время задерживает передачу (предполагается, что она передавала информацию ранее), после чего начинает передачу снова. Первая станция после некоторой паузы начала передачу, но во время передачи третья станция тоже начала передачу. Станции обнаруживают конфликт, прекращают передачу и возобновляют ее по истечении случайного времени. В данном примере случайное время передачи не вызвало повторного конфликта.

При большой загрузке среды вероятность повторного конфликта велика (возможно поступление информации от другой станции). Поэтому метод CSMA/CD эффективно работает при удельной нагрузке (занятие среды в единицу времени) среды 0,3 (30%), после чего повторение попыток приводит к резкому ухудшению характеристик сети.

Многостанционный доступ с контролем несущей и устранением конфликта (CSMA/CA)

Процедура CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) отличается от предыдущей процедуры тем, что пытается избежать конфликтов. Станция перед посылкой информации проверяет, нет ли информации в среде передачи, и после этого ждет интервал безопасности от конфликта (interframe gap) . Если в этот момент не возникнет передача от другой станции, то станция ждет случайное время и захватывает среду. Это предотвращает возможность одновременного занятия, поскольку, если в этот момент две станции "пробуют" свободность, то случайное время начала передачи позволяет им разнести передачи по времени. Далее процесс идет согласно обычному алгоритму. Если приемник получает подтверждение в течение заданного времени, то передача прошла успешно. Если подтверждение не получено, станция увеличивает свой параметр задержки и время интервала безопасности.

Управляемый доступ. Передача маркера

При управляемом доступе применяется механизм решения, который указывает, какая станция в данный момент времени может передавать информацию.

Метод, рассматриваемый ниже, относится к сети с кольцевой структурой, в которой станции образуют физическое или логическое кольцо (подробнее она рассматривается в лекции 2).

При физическом кольце каждая станция физически соединена с единственной предыдущей и с единственной последующей станциями.

При логическом кольце это делается с помощью соответствующей адресации, независимо от физической структуры.

Метод многостанционного доступа с передачей маркера состоит в передаче по сети специальной комбинации "кадрмаркер". Станция, которая принимает этот кадр, действует следующим образом:

1. Если у нее нет данных для передачи, она с минимальной задержкой транслирует его следующей станции.
2. Если у станции есть такие данные, то она "захватывает" маркер и может удерживать его в течение одного кадра, после чего передает его следующей станции.

Благодаря этому алгоритму в каждый момент времени передачу данных осуществляет одна станция, а поэтому в такой среде не возникает конфликтов. Сеть с маркерным доступом может успешно функционировать даже в условиях сильной перегрузки.

Методы коллективного широкополосного абонентского доступа

Наряду с уже рассмотренными в лекции 4 курса "Оконечные устройства и линии абонентского участка информационной сети" методами уплотнения абонентских линий, которые относятся к методам фиксированного доступа, в последнее время появились технологии, обеспечивающие доступ к широкополосным линиям в месте концентрации абонента.

Эти методы закреплены в стандартах, предложенных HomePNA (PNA - Phoneline Networking Alliance) - организацией, которая разрабатывает стандарты на коллективный широкополосный доступ.

Применение этой технологии определяется тем, что высокая стоимость некоторых широкополосных технологий существенно сужает круг их вероятных клиентов. В результате операторам не удается привлечь самую массовую часть рынка - жилой сектор и малые офисы.

На рис. 1.7 показана установка коллективного доступа к широкополосной сети с использованием DSL модемов и частотных разделителей (сплиттеров).

Указанные на рис. 1.7 устройства включаются в месте концентрации абонентов. При таком включении устройство xDSL имеет два входа. Пользователь может одновременно использовать компьютер и телефонный аппарат. Далее несколько устройств xDSL подключаются к частотным разделителям, которые распределяют информацию в различные сети. Для входа в каждую сеть устанавливается DSLмультиплексор доступа.

Достоинства таких систем коллективного доступа обусловлены:

• низкой стоимостью оборудования (благодаря существенному упрощению схемотехники);
• высокой надежностью сетевых решений (из-за снижения количества оборудования);
• низкими требованиями к среде передачи;
• минимальными затратами на монтаж и эксплуатацию;
• простотой маркетинга (работа ведется с группами пользователей);
• возможностью использования существующей инфраструктуры ГТС;
• относительно низкой абонентской платой.

Единственный недостаток - то, что при коллективном доступе, как во всех устройствах группового пользования, возникают потери на установление соединения, которые определяются включенной группой абонентов и поступающей нагрузкой.

Эти потери легко подсчитываются и устраняются установкой дополнительного оборудования и уменьшением группы доступа (конечно, при этом увеличиваются затраты).

Заметим, что система коллективного широкополосного доступа позволяет локальной сети концентрировать широкополосную нагрузку для сети Internet

Краткие итоги

• В случае концентрации в одном районе большого числа абонентов в нем устанавливается подстанция.
• Целесообразность установки подстанции определяется стоимостью абонентских и соединительных линий и подстанции.
• Подстанция обозначает вынесенное оборудование с самостоятельным или дистанционным управлением. Обязательным признаком подстанции является замыкание внутреннего трафика внутри подстанции без занятия межстанционных линий. Вынос - это часть станционного оборудования, вынесенного в область концентрации абонентов и управляемого опорной станцией без замыкания внутреннего трафика.
• Локальная сеть передачи данных (LAN - Local Area Network) обычно охватывает небольшую территорию - отдельные офисы, здания, - и использует относительно короткие состояния LAN.
• Локальная сеть разрабатывается обычно для того, чтобы разрешить общее использование ресурсов персональным компьютерам или рабочим станциям. Ресурсы обычно включают в себя оборудование (например, принтеры), программное обеспечение (например, прикладные программы) или данные.
• Аппаратурная часть локальной сети имеет три составляющие: станции, среду передачи и подключающие устройства.
• Все станции одной локальной сети имеют общую среду передачи (например, кабель). Поэтому возможны попытки доступа к среде более чем одной станции. В результате возникает конфликт (collision).
• Методы доступа к среде разделяются на две категории: методы случайного доступа; методы управляемого доступа.
• ALOHA - это протокол случайного многостанционного доступа, т.е. такой протокол, при котором ресурс каналов после конфликта доступен каждой станции через случайное время..
• Чистая ALOHA (Pure ALOHA) работает так же, как ALOHA, но повторная передача информации осуществляется через случайное время , определяемое по экспоненциальному закону.
• Критическое время - это время работы станции, в течение которого может возникнуть конфликт.
• Синхронная ALOHа разделяет время передачи на временные отрезки (слоты), и каждая станция может начать передачу только в начале слота.
• ALOHа с настойчивой стратегией (persistent strategy) доступа передает запросы, пока не будет получено подтверждение приема.
• Настойчивый алгоритм с вероятностью передачи 1 (1persistent algorithm): при возникновении конфликта станция прекращает сеанс связи и вновь начинает по случайному закону. Согласно этому алгоритму, если среда свободна, то сеанс связи начинается с вероятностью p=1.
• Настойчивый алгоритм с вероятностью передачи p (ppersistent algorithm): при возникновении конфликта станция прекращает сеанс связи и вновь начинает по случайному закону. Согласно этому алгоритму, если среда свободна, то сеанс связи начинается через время, определяемое по случайному закону.
• При использовании метода многостанционного доступа с контролем несущей и обнаружением конфликта CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) применяется отсрочка передачи (backoff).
• Многостанционный доступ с контролем несущей и устранением конфликтаCSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) отличается от предыдущей процедуры тем, что пытается избежать конфликтов. При управляемом доступе применяется механизм решения, который указывает, какая станция в данный момент времени может передавать информацию.
• Метод многостанционного доступа с передачей маркера состоит в передаче по сети специальной комбинации "кадрмаркер".
• Методы коллективного широкополосного абонентского доступа обеспечивают доступ к широкополосным линиям в местах концентрации абонентов.