full

где е — основание натурального логарифма. На производительность сети влияет размер транслируемых кадров и диаметр сети. Производительность в наихудшем случае (когда RDT = ST) составляет около 37%, а в наилучшем случае (когда RTD много меньше, чем ST) стремится к 1. Хотя формула и выведена в пределе большого числа станций, пытающихся передавать одновременно, она не учитывает особенностей алгоритма усеченной бинарной экспоненциальной задержки, рассмотренного ниже, и не справедлива для сильно перегруженной коллизиями сети, например, когда станций, желающих передавать, становится больше 15.

Усеченная бинарная экспоненциальная задержка. Алгоритм, принятый в стандарте IEEE 802.3 CSMA/CD, наиболее близок к 1-постоянному алгоритму, но отличается дополнительным элементом — усеченной бинарной экспоненциальной задержкой. При возникновении коллизии станция подсчитывает, сколько раз подряд при отправке пакета возникает коллизия.

Поскольку повторяющиеся коллизии свидетельствуют о высокой загруженности среды, МАС-узел пытается увеличивать задержку между повторными попытками передачи кадра. Соответствующая процедура увеличения интервалов времени подчиняется правилу усеченной бинарной экспоненциальной задержки и работает следующим образом.

Количество слотовых времен (интервалов по 51,2 мкс), которое станция ждет перед тем, как совершить N-ую попытку передачи (N — 1 попыток потерпели фиаско из-за возникновения коллизий во время передачи), представляет случайное целое число R с однородной функцией распределения в интервале 0<r<2K, где К = min(N,BL), и BL (backoff limit) — установленная стандартом предельная задержка, равная 10. Если число последовательных безуспешных попыток отправить кадр доходит до 16, то есть коллизия возникает 16 раз подряд, то кадр сбрасывается.</r<2

Алгоритм CSMA/CD с использованием усеченной бинарной экспоненциальной задержки признан лучшим среди множества алгоритмов случайного доступа и обеспечивает эффективную работу сети как при малых, так и при средних загрузках. При больших загрузках следует отметить два недостатка. Во-первых, при большом числе коллизий станция 1, которая впервые собирается отправить кадр (до этого не пыталась передавать кадры), имеет преимущество перед станцией 2, которая уже несколько раз безуспешно пыталась передать кадр, натыкаясь на коллизии, поскольку станция 2 ожидает значительное время перед последующими попытками в соответствии с правилом бинарной экспоненциальной задержки. Таким образом, может наблюдаться нерегулярность передачи кадров, что нежелательно для зависящих от времени приложений. Во-вторых, при большой загруженности снижается эффективность работы сети в целом. Оценки показывают, что при одновременной передаче 25 станциями общая полоса пропускания снижается примерно в 2 раза . Но число станций в коллизионном домене может быть больше, поскольку далеко не все они одновременно будут обращаться к среде.

Прием кадра (рис. 7.4 б). Принимающая станция или другое сетевое устройство, например концентратор или коммутатор, первым делом синхронизируется по преамбуле и затем преобразовывает манчестерский код в бинарную форму (на физическом уровне). Далее обрабатывается бинарный поток.

На уровне MAC оставшиеся биты преамбулы сбрасываются, а станция читает адрес назначения и сравнивает его со своим собственным. Если адреса совпадают, то поля кадра, за

исключением преамбулы, SDF и FCS помещаются в буфер и вычисляется контрольная сумма, которая сравнивается с полем контрольной последовательности кадра FCS (используется метод циклического суммирования CRC-32). Если они равны, то содержимое буфера передается протоколу более высокого уровня. В противном случае кадр сбрасывается. Возникновение коллизии при приеме кадра обнаруживается либо по изменению электрического потенциала (если используется коаксиальный сегмент), либо по факту приема дефектного кадра (неверная контрольная сумма), если используется витая пара или оптическое волокно. В обоих случаях принятая информация сбрасывается.

Основные функциональные параметры стандарта Ethernet приведены в табл. 7.1. Таблица 7.1. Основные функциональные параметры Ethernet IEEE 802.3

26. Анализ сетевых топологий.

Анализ сетевых топологий и обоснование архитектуры сети, необходимой для организации распределенных вычислений

В связи с распространением персональных компьютеров и созданием на их основе автоматизированных рабочих мест (АРМ) возросло значение локальных вычислительных сетей (ЛВС). Правильно организованная и умело эксплуатируемая сеть обеспечивает целый ряд преимуществ по сравнению с отдельным компьютером.

∙Распределение данных ( Data Sharing ). Данные в сети хранятся на центральном РС и

могут быть доступны для любого РС, подключенного к сети, поэтому не надо на каждом рабочем месте хранить одну и ту же информацию.

∙Распределение ресурсов ( Resource Sharing ). Периферийные устройства могут быть

доступны для всех пользователей сети, например: принтер, факс-модем, сканер, диски, выход в глобальную сеть.

∙Распределение программ ( Software Sharing ). Все пользователи сети могут иметь доступ к программам, которые были один раз централизованно установлены.

∙Электронная почта ( Electronic Mail ). Все пользователи сети могут передавать и принимать сообщения.

∙Обеспечение широкого диапазона решаемых задач, предъявляющих повышенные требования к производительности и объему памяти.

Локальные сети имеют некоторые особенности.

Главная из них — это связь. Она должна быть быстрой, надежной и удобной. Обычно, локальные сети не выходят за пределы нескольких комнат или одного здания, поэтому длина линии связи обычно не превышает нескольких сотен метров. Они связывают между собой ограниченное количество РС. Все это позволяет обеспечить качественную связь. Поэтому скорость передачи данных обычно составляет от 10 Мбит/с и выше. К тому же, требуется надежная связь, иначе при исправлении ошибок теряется выигрыш в скорости. Также необходимо небольшое время ожидания установления связи, так как оно включено в общее время передачи информации. При таких высоких требованиях в локальных сетях используются специальные технические средства.

При построении сетей ЭВМ, в т.ч. локальных, говорят о их топологии.

Топология — описание способа, при помощи которого рабочие станции и серверы физически соединяются между собой. Топологии различаются требуемой длиной соединительного кабеля, удобством соединения, возможностями подключения дополнительных абонентов, отказоустойчивостью, возможностями управления обменом. Топологическая структура влияет напропускную способность и стоимость локальной сети. Каждая топология сети налагает ряд условий. Например, она может диктовать не только тип кабеля, но и способ его прокладки. Отличительной особенностью ЛВС является наличие моноканала, т.е. единственного маршрута, связывающего любые две станции. В связи с этим при подключении устройств к сети используются три топологии.

Звездообразная сеть IBM Token Ring, ARCnet)

"Звезда" — принципиально централизованная топология (рис. 3.1), в которой всегда есть четко выделенный центральный абонент, осуществляющий все управление обменом в сети, и через который идет вся информация в сети. В этом есть свои плюсы и минусы. Любое жестко централизованное управление по своей сути бесконфликтно, но такая сеть не будет работать при любой неисправности центрального абонента. Поэтому центральный компьютер должен отличаться от остальных высокой надежностью, а, следовательно, и более высокой стоимостью. К тому же, выполнять другие задачи на центральном компьютере станет невозможно, так как он будет загружен работой с сетью. К недостаткам топологии

относится также ограниченное число абонентов, которое обычно в локальных сетях не превышает 16 пользователей. Затруднительно соединение звезд между собой. К плюсам данной конфигурации можно отнести ее малую чувствительность к выходу из строя соединительного кабеля. Разрыв кабеля в любом месте всегда нарушает связь только с одним абонентом.

Рис. 3.1. Сеть типа "звезда" Кольцевая сеть FDDI, IBM Token Ring)

"Кольцо" — последовательное соединение абонентов в замкнутое кольцо (рис. 3.2), что и определяет его особенности. Во-первых, вся передаваемая информация проходит через всех абонентов. Поэтому выход из строя любого из них нарушает работу всей сети в целом. Вовторых, разрыв кабеля в любой точке нарушает целостность кольца и выводит из строя всю сеть. Для этого применяют дублирование кабеля. Управление может быть как централизованным, так и децентрализованным, оно не так жестко зависит от топологии, как в случае "звезды". Все адаптеры должны быть одинаковы, но иногда один из них выполняет функции диспетчера сети, тогда он значительно сложнее.

Рис. 3.2. "Кольцевая" сеть

Эта топология допускает большое число абонентов, причем возможно изменение их количества. В кольце происходит автоматическое усиление передаваемого сигнала каждым абонентом, поэтому его размеры могут быть очень большими, и ограничены они только временем прохождения сигнала по всему кольцу.

Шинная организация (Ethernet, ARCnet)

"Шина" — ориентирована на полное равноправие всех абонентов и идентичность их адаптеров (рис. 3.3). Это не означает, что управление обменом не может быть централизованным. Однако центр будет заниматься только управлением обменом, а не перераспределением информации. "Шина" может логически работать как "звезда" или "кольцо". "Шина", в отличие от других топологий, сильно зависит от электрического согласования используемых линий связи, потому что при любом повреждении кабеля возникают отражения и наложения сигналов. В таком случае нарушается работа всей сети.

Однако, к выходу из строя компьютеров данная топология не чувствительна, нарушается обмен только с поврежденным компьютером, а вся остальная сеть остается в рабочем состоянии. Максимально допустимое количество абонентов в "шине" такое же, как и в "кольце". В "шине" легко менять количество подключенных абонентов, иногда даже в процессе работы. В связи со сложностью децентрализованного обмена, сложность аппаратуры в адаптерах выше, чем в других топологиях. Однако децентрализованное управление гораздо надежнее централизованного и лучше приспосабливается к изменяющимся внешним условиям.

Рис. 3.3. Сеть с общей шиной

Существуют также смешанные топологии, такие как "звезда-шина", "звезда-кольцо", которые имеют свои преимущества.

Для организации распределенных вычислений необходимо выбрать такую топологию сети, которая поддерживает равноправную, "симметричную" связь "каждый с каждым". Среди рассмотренных топологий таким требованиям в максимальной степени соответствует

шинная архитектура. Преимущества этой архитектуры отображены исторически при практическом объединении ЭВМ в распределенные вычислительные комплексы для совместного решения сложных задач.

27. Реализация скользящего окна в протоколе TCP

Концепция квитирования

В рамках соединения правильность передачи каждого сегмента должна подтверждаться квитанцией получателя. Квитирование - это один из традиционных методов обеспечения надежной связи. Идея квитирования состоит в следующем.

Для того, чтобы можно было организовать повторную передачу искаженных данных отправитель нумерует отправляемые единицы передаваемых данных (далее для простоты называемые кадрами). Для каждого кадра отправитель ожидает от приемника так называемую положительную квитанцию - служебное сообщение, извещающее о том, что исходный кадр был получен и данные в нем оказались корректными. Время этого ожидания ограничено - при отправке каждого кадра передатчик запускает таймер, и если по его истечению положительная квитанция на получена, то кадр считается утерянным. В некоторых протоколах приемник, в случае получения кадра с искаженными данными должен отправить отрицательную квитанцию - явное указание того, что данный кадр нужно передать повторно.

Существуют два подхода к организации процесса обмена положительными и отрицательными квитанциями: с простоями и с организацией "окна".

Во втором методе для повышения коэффициента использования линии источнику разрешается передать некоторое количество кадров в непрерывном режиме, то есть в максимально возможном для источника темпе, без получения на эти кадры ответных квитанций. Количество кадров, которые разрешается передавать таким образом, называется размером окна. Рисунок 6.2 иллюстрирует данный метод для размера окна в W кадров. Обычно кадры при обмене нумеруются циклически, от 1 до W. При отправке кадра с номером 1 источнику разрешается передать еще W-1 кадров до получения квитанции на кадр 1. Если же за это время квитанция на кадр 1 так и не пришла, то процесс передачи приостанавливается, и по истечению некоторого тайм-аута кадр 1 считается утерянным (или квитанция на него утеряна) и он передается снова.

Рис. 6.2. Метод "окна" - непрерывная отправка пакетов

Если же поток квитанций поступает более-менее регулярно, в пределах допуска в W кадров, то скорость обмена достигает максимально возможной величины для данного канала и принятого протокола.

Этот алгоритм называют алгоритмом скользящего окна. Действительно, при каждом получении квитанции окно перемещается (скользит), захватывая новые данные, которые разрешается передавать без подтверждения.

Реализация скользящего окна в протоколе TCP

В протоколе TCP реализована разновидность алгоритма квитирования с использованием окна. Особенность этого алгоритма состоит в том, что, хотя единицей передаваемых данных является сегмент, окно определено на множестве нумерованных байт неструктурированного потока данных, поступающих с верхнего уровня и буферизуемых протоколом TCP.

Квитанция посылается только в случае правильного приема данных, отрицательные квитанции не посылаются. Таким образом, отсутствие квитанции означает либо прием искаженного сегмента, либо потерю сегмента, либо потерю квитанции.

В качестве квитанции получатель сегмента отсылает ответное сообщение (сегмент), в которое помещает число, на единицу превышающее максимальный номер байта в полученном сегменте. Если размер окна равен W, а последняя квитанция содержала значение N, то отправитель может посылать новые сегменты до тех пор, пока в очередной сегмент не попадет байт с номером N+W. Этот сегмент выходит за рамки окна, и передачу в таком случае необходимо приостановить до прихода следующей квитанции.

∙ Покажите вариант максимального удаления узлов в ЛВС, использующих технологию Ethernet

10 Мбит/с Ethernet

FOIRL — (акроним от англ. Fiber-optic inter-repeater link). Базовый стандарт для технологии Ethernet, использующий для передачи данных оптический кабель. Максимальное расстояние передачи данных без повторителя 1 км.

Быстрый Ethernet (Fast Ethernet, 100 Мбит/с)

100BASE-T — общий термин для обозначения стандартов, использующих в качестве среды передачи данных витую пару. Длина сегмента до 100 метров. Включает в себя стандарты 100BASE-TX, 100BASE-T4 и 100BASE-T2.

100BASE-TX, IEEE 802.3u — развитие стандарта 10BASE-T для использования в сетях топологии «звезда». Задействована витая пара категории 5, фактически используются только две неэкранированные пары проводников, поддерживается

28. Соответствие нижних подуровней модели OSI и уровня сетевого интерфейса модели TCP.

Соответствие модели OSI и других моделей сетевого взаимодействия

Поскольку наиболее востребованными и практически используемыми стали протоколы (например TCP/IP), разработанные с использованием других моделей сетевого взаимодействия, далее необходимо описать возможное включение отдельных протоколов других моделей в различные уровни модели OSI.

Семейство TCP/IP

Семейство TCP/IP имеет три транспортных протокола: TCP, полностью соответствующий OSI, обеспечивающий проверку получения данных; UDP, отвечающий транспортному уровню только наличием порта, обеспечивающий обмен датаграммами между приложениями, не гарантирующий получения данных; и SCTP, разработанный для устранения некоторых недостатков TCP, в который добавлены некоторые новшества. (В семействе TCP/IP есть ещё около двухсот протоколов, самым известным из которых является служебный протокол ICMP, используемый для внутренних нужд обеспечения работы; остальные также не являются транспортными протоколами).

На заметку:

Транспортный уровень

Основная статья: Транспортный уровень

Транспортный уровень (англ. transport layer) модели предназначен для обеспечения надёжной передачи данных от отправителя к получателю. При этом уровень надёжности может варьироваться в широких пределах. Существует множество классов протоколов транспортного уровня, начиная от протоколов, предоставляющих только основные транспортные функции (например, функции передачи данных без подтверждения приема), и заканчивая протоколами, которые гарантируют доставку в пункт назначения нескольких пакетов данных в надлежащей последовательности, мультиплексируют несколько потоков данных, обеспечивают механизм управления потоками данных и гарантируют достоверность принятых данных. Например, UDP ограничивается контролем целостности данных в рамках одной датаграммы и не исключает возможности потери пакета целиком или дублирования пакетов, нарушения порядка получения пакетов

данных; TCP обеспечивает надёжную непрерывную передачу данных, исключающую потерю данных или нарушение порядка их поступления или дублирования, может перераспределять данные, разбивая большие порции данных на фрагменты и, наоборот, склеивая фрагменты в один пакет.