Метод коммутации

Одной из центральных проблем организации передачи данных по физическим каналам является проблема параллельного использования одного и того же канала несколькими парами абонентов. Методы, лежащие в основе ее решения получили название методов коммутации. В настоящее время существует два основных метода коммутации: коммутация каналов и коммутация пакетов. Коммутация каналов предполагает, что перед началом передачи данных должна быть выполнена процедура установления соединения, в результате которой образуется составной канал. По окончании сеанса связи соединение разрывается, и канал освобождается. Классическим примером реализации коммутации каналов является телефонная связь, которая подразумевает, что абонент перед началом разговора набирает номер второго абонента, в результате чего последовательное переключение промежуточных коммутаторов позволяет образовать непрерывный канал связи между абонентами. Коммутация каналов удобна для организации линий связи, в которых подразумевается передача потоков данных "постоянной интенсивности", например, таких, как телефонный разговор, в силу чего этот метод оказывается недостаточно гибким при построении компьютерных сетей. Метод коммутации пакетов основан на разбиении передаваемых по сети данных на небольшие "порции". Каждая такая "порция" передается по сети как единое целое и называется пакетом. Такой метод является очень удобным для параллельного использования физического канала несколькими парами абонентов: канал является занятым только во время прохождения пакета. Временные промежутки между передачей пакетов одним абонентам могут быть использованы другими для отправки собственных пакетов. Пакет обычно состоит из двух частей – заголовка, содержащего служебные данные, необходимые для управления доставкой пакета, и собственно данных, подлежащих передаче. Порядок обмена пакетами, а также конкретный состав заголовка пакетов определяется сетевым протоколом.

Для именования пакетов различных уровней модели OSI, используются специальные термины. Для канального уровня используется термин "кадр", для сетевого – "пакет", для транспортного – "сегмент", "дейтаграмма", для сессионного и более высоких уровней – "сообщение".

Протоколы канального уровня

Протоколы канального уровня определяют удобный для сетевого обмена способ представления информации, а также необходимый набор правил, позволяющий упорядочивать взаимодействие абонентов. На канальном уровне данные рассматриваются как последовательный поток битов. Перед передачей по физическим каналам этот поток, в соответствии с принципом пакетной коммутации, разделяется на "порции", каждая из которых снабжается заголовком, содержащим некоторую служебную информацию, т.е. формируется пакет. На канальном уровне пакет называется кадром (frame). Структура заголовка кадра зависит от набора задач, которые решает протокол. Сложность канальных протоколов во многом определяется сложностью топологии сети. Очевидно, что организовать общение всего двух абонентов существенно проще, чем упорядочивать информационный обмен в сетях, где возможно параллельное взаимодействие нескольких пар абонентов. Поэтому канальные протоколы удобно разделять на две группы:

• протоколы для соединений типа "точка-точка";

• протоколы для сетей сложных топологий.

Адресация абонентов

Для обеспечения адресации абонентов в заголовке кадров должны присутствовать следующие поля: 1. Адрес отправителя – некоторое число (или набор чисел), позволяющее идентифицировать сетевой адаптер (а, следовательно, и компьютер, в котором она установлена), который осуществил передачу кадра данных в сеть. Адреса присваиваются сетевым адаптерам на заводе-изготовителе, и, как правило, не изменяются в дальнейшем, хотя большинство современных адаптеров позволяют перепрограммировать сетевой адрес.

Достаточно часто в литературе, посвященной компьютерным сетям, аппаратный адрес сетевого адаптера называется MAC-адресом. Аббревиатура MAC происходит от названия функционального подуровня управления доступом к среде передачи (Media Access Control, MAC), который выделяется внутри канального уровня, и в задачи которого входит, в том числе, и обеспечение адресации абонентов.

2. Адрес получателя, определяющий компьютер, который должен принять и обработать кадр. Очевидно, что кадр данных, отправленный кем-либо, "виден" сетевыми адаптерами всех компьютеров, подключенных к общему носителю. Каждый сетевой адаптер, получивший кадр, сравнивает адрес получателя, записанный в кадре со своим собственным адресом. Если они совпадают, то кадр адресован данному компьютеру и подлежит дальнейшей обработке. В противном случае кадр отбрасывается, поскольку он направлен другому абоненту. Адрес получателя может иметь специальное значение – так называемый широковещательный адрес. Такой тип адресации получателя предполагает, что кадр должен приниматься и обрабатываться всеми компьютерами, которые его получили.

Метод доступа к среде передачи

Важной проблемой передачи данных по сети с коммутацией пакетов, является проблема одновременной передачи данных несколькими компьютерами. Поскольку одновременно в сети может присутствовать только один пакет, то доступ компьютеров к среде передачи должен определенным образом упорядочиваться. В настоящее время существует три основных метода управления доступом к среде передачи: "Обнаружение коллизий", "Предупреждение коллизий" и "Передача маркера".

• Метод обнаружения коллизий. Полное название этого метода – "Множественный доступ к сетям с проверкой несущей и обнаружением коллизий" (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection, CSMA/CD). Данный метод предполагает, что перед передачей данных передающий компьютер должен убедиться в "свободном состоянии" линии, а в процессе передачи – "прослушивать" канал. При обнаружении коллизии (столкновения с "чужими данными", collision) он должен прекратить передачу и попытаться возобновить ее через определенный промежуток времени. Обычно этот способ используется в сетях с топологией "шина".

• Метод предупреждение коллизий. Полное название этого метода – "Множественный доступ к сетям с проверкой несущей и предупреждением коллизий" (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance, CSMA/CA). Этот метод также предполагает, что передающий компьютер перед началом передачи определяет занятость канала. Убедившись в том, что кабель свободен, он оповещает другие компьютеры о начале передачи, предупреждая тем самым возможность одновременной посылки данных. Главный недостаток этого метода состоит в значительном объеме широковещательной рассылки.

• Метод передачи маркера. Принцип этого метода достаточно прост. Для того чтобы передать данные, компьютер должен получить разрешение. Для этого он должен "поймать" пакет данных специального вида – маркер (token). Маркер перемещается по замкнутому кругу от одного компьютера к другому. Получив маркер, компьютер может передать его дальше или вместо него отправить пакет с данными. Когда данные достигнут компьютера-получателя, тот, в свою очередь, должен снова "выставить" в сеть маркер. Такой алгоритм используется, как правило, в сетях с топологией кольцо.