Сети с маркерным методом доступа (стандарт IEEE 802.4)
Стандарт IEEE802.4 определяет подуровень управления доступом к передающей среде канального уровня и физический уровень локальных компьютерных сетей шинной топологии. Доступ осуществляется с помощью непрерывно передаваемого 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. 11.14) предшественником является станция СтЗ, а преемником — станция Ст1.
\ Для Ст2 Преемник Предшественник Рис. 11.14. Организация логического кольца в шине с маркерным доступом Следует заметить, что последовательность расположения станций в логическом кольце не обязательно должна соответствовать последовательность их физического размещения на шине. Более того, некоторые станции могут быть вообще не включены в логическое кольцо. Так, представленные на рис. 11.14 станции с номерами с первого по пятый принадлежат логическому кольцу, а шестая — нет. Основное различие между ними заклю- чается 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 включение 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: ф генерацию (реконфигурацию) логического кольца; 4 контроль за передачей маркера; 4 изменение параметров управляющих алгоритмов; 4 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. 11.15) и различаются между собой только содержимым поля управления кадром, а также полем данных. Байты: 2 или 6 2 или 6
Разряды: 12345678
Рис. 11.15. Структура кадра стандарта IEEE 802.4, где: НО - начальный ограничитель; КПК- контрольная последовательность кадра; УК- указатель кадра; z- бит типа кадра; КО- конечный ограничитель 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 шести байтные поля адресов получателя и отправителя информации. Последующее за ним поле данных содержит информацию, поступающую с подуровня управления логическим каналом, либо формируемую диспетчером. Под значение контрольной последовательности кадра отведены следующие шесть байт. Кадр завершается однобайтовым полем конечного ограничителя. Два младших разряда поля управления кадром указывают на тип кадра: 00 — управление доступом к передающей среде; 01— данные подуровня управления логическим звеном; 10 — данные диспетчера; 11 — резервный кадр. Кроме того, существует семь типов управляющих кадров, которые кодируются (см. табл. 11.1) с помощью четырех старших разрядов поля управления кадром. Таблица 11.1
Кадр "Заявка маркера" используется для восстановления маркера в случае его потери, содержит поле данных равное О, 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. За кадром "Запрос преемника 1" размещается одно окно ответа, в которое разрешается помещать ответ только одной станции с меньшим адресом. За кадром "Запрос преемника 2" помещается два окна ответа. Первое для ответа станции с меньшим адресом, а второе — с большим адресом. Кадр "Запрос преемника 2" используется только последней станцией логического кольца, преемником которой является станция с максимальным адресом. Для всех других станций используется кадр "Запрос преемника 1". Под окном ответа подразумевается максимальный интервал времени, в течение которого станция должна ждать ответа на переданный кадр. Размер окна ответа определяется удвоенным значением времени передачи по сети и задержкой на ответ. 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. 11.16) имеет укороченный формат, в нем отсутствует поле данных. Последним в табл. 11.1 находится кадр "Установить преемника", который совместно с кадром "Запрос преемника" управляет подключением станций к логическому кольцу.
Рис. 11.16. 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" так же несут определенную смысловую нагрузку. Так 3, 4 и 5 разряды определяют следующие операции подуровня: 0 — запрос, не требующий подтверждения; 1 — запрос, требующий подтверждения; В свою очередь, 6, 7 и 8 разряды задают приоритет кадра, а именно: значение 111 соответствует высшему, а 000 — низшему приоритету. Заметим, что для кадра "Данные диспетчера" и, естественно, для резервного кадра не определено значение старших разрядов поля управления кадрами. Конечный ограничитель кроме указания конца кадра дополнительно несет определенную 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. В соответствии со спецификацией протокола подуровня управления доступом к передающей среде стандарта IEEE 802.4 множество функций подуровня сгруппировано между собой по функциональному признаку. Каждая из таких групп представлена в виде некоторого логического конечного автомата (КА) с фиксирован- ным числом состояний. В частности для автомата управления доступом (УД КА) определено 11 состояний, с каждым из которых связаны определенные события и операции. Начальным следует считать состояние "Автономное", в котором УД КА находится после включения питания или при обнаружении некоторых ошибочных условий. В этом состоянии станция производит самотестирование и проверку соединений с физической средой. После установки базовых сетевых параметров и получения команды перехода в неавтономный режим УД_КА переходит в состояние "Дежурное", в котором станция следит за состоянием физической среды, не имея возможности самой передавать информацию. Переход УД КА в другое состояние осуществляется только в результате поступления управляющего кадра или кадра маркера. В состоянии "Заявка маркера" станция пытается инициировать логическое кольцо с помощью кадра "Заявка маркера", в результате чего в сети генерируется маркер. В состоянии "Использование маркера" станция осуществляет передачу кадра данных. После окончания передачи текущего кадра УД КА в зависимости от состояния факультативной функции назначения приоритетов переходит в состояние "Ожидание ответа ИНТ КА" или состояние "Контроль класса доступа". Находясь в первом состоянии УД КА ждет ответа от конечного автомата интерфейса (ИНТ_КА). Состояние "Контроль класса доступа" используется для управления передачей кадров данных различных приоритетов. Из этих двух состояний УД_КА возвращается обратно в состояние " Использование маркера". В состоянии "Передача маркера" станция осуществляет передачу маркера своему преемнику, после чего она переходит в состояние "Контроль передачи маркера". Состояния "Ожидание ответа", "Запрос вхождения" и "Задержка запроса" используются для определения кандидатов в преемники маркера. Таким образом, переходя их одного состояния в другое под воздействием управляющих кадров, УД_КА станций обеспечивают передачу данных между абонентскими системами компьютерной сети. Одной из основных процедур, выполняемых УД КА, является генерация маркера, необходимость в которой возникает каждый раз при включении компьютерной сети или потере маркера в процессе ее работы. Так, при включении компьютерной сети ее станции переходят из состояния "Автономное" в состояние "Дежурное" и начинают прослушивать передающую среду. Не обнаружив по истечению определенного момента времени присутствия маркера в сети, УД КА станций переходят в состояние "Заявка маркера". В этом состоянии каждая из станций формирует и передает в моноканал кадр "Заявка маркера" с длиной поля данных равной 0, 2, 4 или 6 тактов, в зависимости от значения первых двух старших разрядов адреса. Заметим, что длина поля данных и, соответственно, всего кадра играет основную роль в процессе генерации маркера. 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. 11.2. Таблица 11.2
В соответствие 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, СтЗ 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. "Заявка маркера" Ст4 Прослушивание канала станцией Ст4
Состояние канала Рис. 11.17. Начальный этап инициализации маркера Инициализации маркера начинается (рис. 11.17) 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 11 заканчивает передачу кадра, а в момент времени Т2 начинает прослушивать моноканал. В этот момент времени станции Ст2, СтЗ 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, СтЗ 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, СтЗ и Ст4, повторяют передачу кадров "Заявка маркера", длина которых определяется на основании следующих двух разрядов адреса (рис. 11.18). "Заявка маркера" Ст4 Прослушивание канала станцией Ст4
"Заявка маркера" СтЗ Прослушивание канала станцией СтЗ li
Состояние канала К\\\\\\\\\\\\\1\\кКУ\1 т, т2 тз Рис. 11.18. Второй шаг инициализации маркера В соответствии со значениями этих разрядов длина поля данных кадра "Заявка маркера" станции Ст2 будет равна 2 тактам, станции СТЗ — 4 тактам и станции Ст4 — 6 тактам. Станция Ст2 прослушивает моноканал в момент времени Т1, который оказывается занят. В результате этого станция Ст2 переходит в состояние "Дежурное". Станция СтЗ прослушивает моноканал несколько позднее, в момент времени Т2, и так же переходит в состояние "Дежурное". В момент времени ТЗ Ст4 убеждается, что канал свободен и на основании очередных двух символов адреса формирует новый кадр "Заявка маркера" и процесс повторяется. 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. 11.19). Станции (Ст1, Ст2, СтЗ), 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 приемника". 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. "Разрешение соперничества" Окна ответа 1234 Ст4 "Установить преемника" СтЗ СтЗ "Установить преемника" Ст2 Ст2 "Установить преемника" Ст1 Ст1 Состояние канала Рис. 11.19. Начальный этап формирования логического кольца В нашем случае станции Ст2 и СтЗ имеют одинаковое значение двух первых разрядов адресов, поэтому они помещают свои кадры "Установить преемника" в одно и то же окно ответа. Это приводит к искажению информации и повторной попытке установить преемника. Станция Ст1 вообще не получает доступа к пе- редающей среде, так как к допустимому для нее моменту времени передачи канал оказывается занятым. Обнаружив столкновение кадров, станция Ст4 повторно выдает (рис. 11.20) кадр "Разрешение соперничества", предоставляя станциям Ст2 и СтЗ разрешить между собой конфликтную ситуацию. В этом случае используются следующие два разряда адреса, значение которых больше у станции СтЗ. На основании этого станция СтЗ без помех передает кадр "Установить преемника", подключаясь вслед за станцией Ст4 к логическому кольцу. Процесс повторяется до подключения всех желающих станций. "Разрешение соперничества" Окна ответа 1234 Ст4 "Установить преемника" СтЗ СтЗ "Установить преемника" Ст2 Ст2 Состояние канала
\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\ \\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\ Рис. 11.20. Повторная попытка установить преемника После завершения процедуры формирования логического кольца, станция с максимальным адресом переходит в состояние "Использование маркера" и начинает передачу кадров данных. Пусть это будет станция Ст4. После завершения передачи последнего кадра данных, на что указывает "О" в 3, 6 и 7 разрядах конечного ограничителя кадров, станция Ст4, передает его следующей станции (СтЗ) логического кольца. Однако на этом ее работа не заканчивается. Станция, передавшая маркер, прослушивает передающую среду, чтобы удостовериться в том, что станция-преемник находится в рабочем состоянии и получила кадр маркера. При обнаружении ошибочных сигналов или кадра с неправильной контрольной последовательностью, станция выжидает в течение четырех окон ответа, после чего повторно передает кадр маркера. Если и вторая попытка окажется безуспешной, то станция предполагает, что ее преемник — станция СтЗ, находится в нерабочем состоянии. В этом случае станция Ст4 инициирует процесс (рис. 11.21) поиска очередного преемника, посылая управляющий кадр "Кто следующий?". Время Передача кадров Среда передачи
Станция Ст4 (предшественник) Станция СтЗ (старый преемник) Станция Ст2 (новый преемник) Станция Ст4 (предшественник) т„._ Рис. 11.21. Установление нового преемника В поле данных этого кадра указывается адрес старого преемника — станции СтЗ. Как уже говорилось, за кадром "Кто следующий?" следует три окна ответа. Станция, адрес предшественника которой совпал с содержимым поля данных этого кадра, посылает кадр "Установить преемника". В нашем случае это станция Ст2, которая в поле адреса получателя кадра "Установить преемника" заносит адрес отправителя последнего принятого кадра. В данном случае это адрес станции Ст4. В поле данных кадра "Установить преемника" станция Ст2 заносит собственный адрес. Таким образом, получателем этого кадра становится станция Ст4, которая на основании содержимого поля данных кадра "Установить преемника" определяет, что ее новым преемником становится станция Ст2. Однако данная процедура позволяет "обойти" только одну станцию. При выключенных двух и более последовательных станций адрес старого преемника ни для какой активной станции не совпадет с адресом ее предшественника. Естественно, что в этом случае ни одна из станций не передаст кадр "Установить преемника". Разрешение этой ситуации происходит следующим образом. Если после двух попыток передачи кадра "Кто следующий?" станция Ст4 не получила ответа, она как бы сама себе посылает кадр "Запрос преемника 2" с собственным адресом в адресных полях получателя и отправителя. Все станции, желающие передавать данные, должны в интервале окна послать ответ на этот кадр. Станция с меньшим адресом помещает свой ответный кадр "Установить преемника" в первое окно ответа, а станция с большим адресом — во второе окно ответа. Возникающие при этом конфликты, как и ранее (см. рис. 11.19 и рис. 11.20), разрешаются с помощью процедуры "окно ответа". Если и в этом не будет восстановлено логическое кольцо, то станция предполагает разрыв кабеля или неисправность своего приемопередатчика и переходит в состояние " Дежурное". В процессе работы компьютерной сети может динамически меняться ее логическое кольцо, то есть станции могут как отключаться, так и подключаться к ней. Станция, желающая отключиться от логического кольца, посылает кадр "Установить преемника" с адресом своего преемника в поле данных. Тем самым станция указывает своему предшественнику, что у него будет новый преемник. Затем станция переходит в состояние "Дежурное". Процесс подключения новых станций происходит несколько сложнее и чем-то напоминает процедуру генерации логического кольца. Каждая станция через определенное время (п-поступле-ний маркера) передает кадр "Запрос преемника 1" или "Запрос преемника 2", в случае наименьшего адреса станции. Как и раньше, в поле данных помещается адрес текущего приемника. Станция, адрес которой располагается между адресом запрашивающей станции и адресом ее преемника, выдает кадр "Установить преемника". В его поле адреса получателя указывается адрес станции, пославшей запрос на подключение станций, а в поле данных станция указывает свой собственный адрес. На основании этой информации, станция, пославшая кадр "Запрос преемника 1 (2)", устанавливает у себя адрес нового преемника. Одновременно с этим ее текущий преемник изменяет значение адреса своего предшественника, становясь преемником вновь подключенной станции. В случае, когда между станцией и ее преемником находится несколько станций, желающих подключиться к логическому кольцу, возникает конфликт. Разрешение этого конфликта осуществляется с помощью процедуры "окно ответа". На рис. 11.22 представлена схема подключения новых станций в случае конфликтных ситуаций. Станция Ст4 является предшественником станции Ст1 в логическом кольце. Адреса станций СтЗ и Ст2 лежат в диапазоне между адресами станций Ст4 и Ст1, причем адрес станции СтЗ больше адреса станции Ст2. Как обычно, процесс подключения инициируется кадром "Запрос преемника", в ответ на который станции СтЗ и Ст2 формируют и передают в моноканал свои кадры "Установить преемника". Попадая практически одновременно в передающую среду, эти кадры искажают друг друга. Зафиксировав конфликт передачи, станция Ст4 после освобождения моноканала передает кадр "Разрешение соперничества" за которым следует четыре окна ответа. В результате разрешения конфликтной ситуации, осуществляемого с помощью все той же процедуры "окно конфликтов", станция СтЗ, успешно передав кадр "Установить преемника", включается в логическое кольцо между станциями Ст4 и Ст1. Учитывая, что при подключении возник конфликт, станция СтЗ инициирует процедуру подключения новых станций. В результате чего осуществляется подключение станции Ст2. При этом конфликта не наблюдается, так как Ст2 является единственной станцией, требующей подключения.
до подключения станций Станция СтЗ Станция Ст2 Станция Ст1 (преемник) Станция Ст4 Новая конфигурация |g=i логического кольца ~~- Станция СтЗ
Среда передачи "Кто следующий?" "Запрос преемника" СтЗ :. "- " Конфликт "Разрешение соперничества" "Установить преемника" Рис. 11.22. Разрешение конфликта при подключении новых станций 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: 4 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; 4 TRTn — заданное для класса п время вращения маркера, где п=0,2,4. Определяет максимальное время, за которое должен быть получен маркер для передачи данных класса п; 4 TTRT — реальное время вращения маркера, определяемое по специальному таймеру, отслеживающему интервал между двумя приходами маркера. При этом реализуются следующие условия передачи кадров данных: 1. Первыми в течение времени ТНТ передаются синхронные 2. После передачи синхронных данных можно передавать дан 3. Условия передачи для классов 2 и 0 аналогичны условию Нормальное функционирование протоколов канального уровня обеспечивается определенным перечнем услуг, предоставляемых физическим уровнем. Перечень и функциональное назначение этих услуг во многом подобны перечню и назначению услуг физического уровня стандарта IEEE 802.3. Одно из отличий заключается в использовании 75-омного кабеля вместо 50-омного кабеля. Далее, 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, предъявляемая жесткие требования к сетевому трафику. В первую очередь сюда относятся компьютерные сети крупных машиностроительных заводов.
|
Логическое кольцо
