Глава 4

Подуровень управления доступом к среде

Все сетевые технологии могут быть разделены на две категории: использующие соединения от узла к узлу и сети с применением широковещания. Двухточечные связи мы рассматривали в главе 2; эта глава посвящена широковещательным каналам и их протоколам.

Главной проблемой любых широковещательных сетей является вопрос о том, как определить, кому предоставить канал, если пользоваться им одновременно хотят несколько компьютеров. Для примера представьте себе конференцию, в которой принимают участие шесть человек, причем каждый использует свой телефон. Все они соединены таким образом, что каждый может слышать всех остальных. Весьма вероятно, что когда один из них закончит свою речь, сразу двое или трое начнут говорить одновременно, тем самым создав неловкую ситуацию. При личной встрече подобные проблемы предотвращаются внешними средствами, например поднятием руки для получения разрешения говорить. Когда доступен лишь один канал, определить, кто может говорить следующим, значительно труднее. Для решения этой проблемы разработано множество протоколов, которые и будут обсуждаться в данной главе. В литературе широковещательные каналы иногда называют каналами с множественным доступом (multiaccess channels) или каналами с произвольным доступом (random access channels).

Протоколы, применяющиеся для определения того, кто будет говорить следующим, относятся к подуровню канального уровня, называемому MAC (Medium Access Control — управление доступом к среде). Подуровень MAC особенно важен в локальных сетях, в частности в беспроводных, так как они по своей природе являются широковещательными каналами. В глобальных сетях, напротив, применяются двухточечные соединения. Исключением являются только спутниковые сети. Поскольку каналы множественного доступа тесно связаны с локальными сетями, в данной главе в основном будут обсуждаться локальные сети, включая некоторые вопросы, напрямую не связанные с темой подуровня MAC. Главной темой будет управление каналом.

Технически подуровень управления доступом к среде является нижней частью канального уровня, поэтому логичнее было бы изучить сначала его, а затем протоколы «точка-точка», рассмотренные в главе 3. Тем не менее большинству людей понять протоколы, включающие многих участников, легче после того, как хорошо изучены протоколы с двумя участниками. По этой причине при рассмотрении уровней мы слегка отклонились от строгого следования снизу вверх по иерархической лестнице.

4.1.    Проблема распределения канала

Центральной проблемой, обсуждаемой в этой главе, является распределение одного широковещательного канала между многочисленными пользователями, претендующими на него. Канал может представлять собой часть беспроводного спектра в некотором географическом регионе или один проводной или оптический канал, к которому присоединено несколько узлов. Это не имеет значения. В обоих случаях канал соединяет каждого пользователя со всеми остальными пользователями, и любой пользователь, полностью нагружающий канал, мешает другим, которые также хотели бы передавать данные.

Сначала мы в общих чертах рассмотрим недостатки статических схем распределения канала в случае неравномерного трафика. Затем изложим ключевые предположения, применяемые для моделирования динамических схем. После этого обсудим несколько примеров таких схем.

4.1.1.    Статическое распределение канала

Традиционный способ разделения одного канала, например телефонного кабеля, между многочисленными конкурирующими пользователями — в разделении емкости с помощью одной из схем мультиплексирования или уплотнения каналов, таких как FDM (Frequency Division Multiplexing — частотное уплотнение). При наличии N пользователей полоса пропускания делится на N диапазонов одинаковой ширины, и каждому пользователю предоставляется один из них. Поскольку при такой схеме у каждого оказывается свой личный частотный диапазон, то конфликта между пользователями не возникает. При постоянном небольшом количестве абонентов, каждый из которых отправляет стабильный поток или большие партии трафика, частотное уплотнение предоставляет простой и эффективный механизм распределения. Аналогичный беспроводной пример — радиостанции FM-диапазона. Каждая станция получает часть FM-полосы и использует ее почти постоянно, передавая свой сигнал.

Однако при большом и постоянно меняющемся количестве отправителей данных, или пульсирующем трафике, частотное уплотнение не может обеспечить достаточно эффективное распределение канала. Если количество пользователей в какой-либо момент времени меньше числа диапазонов, на которые разделен спектр частот, то большая часть спектра не используется и тратится попусту. Если, наоборот, количество пользователей окажется больше числа доступных диапазонов, то некоторым придется отказать в доступе к каналу, даже если абоненты, уже захватившие его, почти не будут использовать пропускную способность.

Даже если предположить, что количество пользователей можно каким-то способом удерживать на постоянном уровне, то разделение канала на статические подканалы все равно является неэффективным. Основная проблема здесь состоит в том, что

если какая-то часть пользователей не пользуется каналом, то эта часть спектра просто пропадает. Они сами при этом занимают линию, не передавая ничего, и другим не дают передать данные. Статическое разделение плохо подходит для большинства компьютерных систем, в которых трафик является чрезвычайно неравномерным, с частыми пиками (вполне обычным является отношение пикового трафика к среднему как 1000:1). Следовательно, большую часть времени большая часть каналов не будет использоваться.

То, что характеристики статического частотного уплотнения оказываются неудачными, можно легко продемонстрировать на примере простых вычислений теории массового обслуживания. Для начала сосчитаем среднее время задержки T для отправки кадра по каналу емкостью C бит/с. Предполагается, что кадры прибывают в случайном порядке со средней скоростью

кадров в секунду. Длина кадров является случайной величиной, среднее значение которой равно

бита. При таких параметрах скорость обслуживания канала равна

кадров в секунду. Теория массового обслуживания говорит о том, что

(Для любознательных: это результат для очереди M/M/1. Требуется, чтобы случайность длительности промежутков между кадрами и длины кадров соответствовали экспоненциальному распределению или, что эквивалентно, являлись результатом пуассоновского процесса.)

В нашем примере C равно 100 Мбит/с, средняя длина кадра

рость прибытия кадров X = 5000 кадров в секунду. Тогда T = 200 мкс. Обратите внимание: если бы мы не учли задержки при формировании очереди и просто посчитали, сколько времени нужно на передачу кадра длиной 10 000 бит по сети с пропускной способностью 100 Мбит/с, то получили бы неправильный ответ: 100 мкс. Это число приемлемо лишь при отсутствии борьбы за канал.

Теперь давайте разделим канал на N независимых подканалов, у каждого из которых будет пропускная способность C/N бит/с. Средняя входная скорость в каждом подканале теперь будет равна