2) Přístupové metody lokálních a páteřních sítí.
- V síti musí počítače sdílet přenosové médium – tedy kabel ať už je metalický, optický anebo se používá pro přenos dat radiových vln. Pokud by se dva či více počítačů snažilo vysílat svoje data ve stejný čas došlo by to ke kolizi a data všech účastníků komunikace by byla nečitelná. K tomu aby se takové případy vhodně řešily slouží přístupové metody. Je to soubor pravidel, definujících jak přistupuje počítač na sdílené přenosové médium a také jakým způsobem data z média vybírá. Přístupové metody zajišťují, aby svoje data vysílala jen jedna stanice v síti v určitém okamžiku a dále aby data neničila kolidováním s jinými daty vysílanými jinými stanicemi. Všechny stanice v síti musí používat stejné přístupové metody, jinak síť nefungovala.
- Dělení:- deterministické- je přesně stanoveno kdo a jak dlouho bude vysílat (TokenRing)
- nedeterministické- není přesně stanoveno kdo a jak dlouho bude vysílat (CSMA/CD, CSMA/CA, TDMA, FDMA, CDMA)
Deterministický- je přesně stanoveno kdo a jak dlouho bude vysílat
- TokenRing- ta stanice která má tento protokol má právo vysílat (běhá po síti dokola)
- tento token může držet buď 10ms nebo dokud nepošle co chce
- protože kruh může být dost velký může na něm putovat více tokenů
Nedeterministický- mohou o přístup žádat dva současně
- CSMA/CD- metoda v lokálních sítích Ethernet
- Stanice dokáží rozpoznat, zda někdo používá přenosové médium a po tu dobu mlčí a naslouchají. Když chce jiná stanice vysílat počká až ta první dokončí přenos a pokusí se vysílat. Stejný požadavek, ale může mít ve stejnou dobu i jiná stanice. V tom okamžiku dojde ke kolizi, kterou obě stanice detekují a okamžitě přestanou vysílat. → Každá stanice si vygeneruje náhodné číslo z určité intervalu a po tuto dobu vyčkává než se pokusí znova vysílat. Pak tedy začne vysílat ale kolize se nemusí, ale také může opakovat. V tom případě postupuje obdobně jako při první kolizi, ale s tím rozdílem, že interval, ze kterého generuje prodlevu, zdvojnásobí, aby se zvětšila šance na volnou linku. Ovšem i pak se kolize může opět opakovat… Pokud se ale tato kolize objeví desetkrát, ohlásí vyšší vrstvě, že síť je nedostupná.
- CSMA/CA- signalizuje svůj záměr vysílat data před tím, než je skutečně vysílat začne. V takovém případě to ostatní počítače zaregistrují a vyhnou se tak kolizi.
- TDMA- s časovým dělením, vysílá od obou po malých částech (zaráz)
FDMA- s frekvenčním dělením
CDMA- každá má unikátně zakódovaný signál (používá se současně s TDMA nebo s FDMA)
CSMA
CSMA (Carrier Sense Multiple Access) je pravděpodobnostní protokol přístupu k médiu (Media Access Control protocol, MAC protocol), ve kterém uzel ověřuje nepřítomnost dalšího provozu před vysíláním na sdíleném fyzickém médiu, jako například elektrickém propojovacím vedení či pásmu elektromagnetického spektra. Jedná se o modifikaci sítě Aloha.
„Carrier Sense“ („Naslouchání nosné“) popisuje fakt, že vysílač naslouchá nosné vlně před pokusem vysílat. To znamená, že se pokouší detekovat přítomnost signálu přenášeného z jiné stanice před pokusem o vysílání. Je-li nosná detekována, uzel před pokusem o započetí jeho vlastního vysílání počká, než probíhající vysílání skončí.
„Multiple Access“ („Vícenásobný přístup“) popisuje fakt, že na médiu vysílá a přijímá více uzlů. Vysílání jednoho uzlu je obecně přijímáno všemi ostatními uzly užívajícími médium.
Kolize
Současné vysílání více uzlů vede ke kolizi rámců. Více vysílání navzájem interferuje, takže jsou všechny zkresleny a přijímače nejsou schopny rozlišit překrývající se přijaté signály jeden od druhého. V sítích CSMA je nemožné zcela zabránit kolizím, avšak existují způsoby, jak se s nimi vypořádat.
V čistém CSMA je pro zabránění kolizím použito jen naslouchání nosné. Pokud se dva uzly pokusí vysílat v téměř totožném čase, žádný nedetekuje nosnou, takže oba začnou vysílat. Vysílající nezjišťují kolize, takže přenesou celý rámec (a plýtvají šířkou pásma). Přijímače nemohou rozlišit mezi kolizemi a jinými zdroji chyb rámců, takže obnova z kolize závisí na schopnosti komunikujících uzlů detekovat chyby rámců a vyvolat proceduru obnovy z chyb. Například přijímač nepošle požadované potvrzení, což přiměje vysílač myslet si, že došlo k vypršení časového limitu a opakovat pokus o odeslání.
V CSMA/CA (CSMA s předcházením kolizím, Carrier Sense Multiple Access With Collision Avoidance) musí každý uzel informovat ostatní uzly o úmyslu vysílat. Jakmile byly ostatní uzly informovány, informace je vyslána. Toto opatření zabrání kolizím, protože všechny uzly vědí o vysílání dříve, než k němu dojde. Kolize jsou nicméně stále možné a nejsou detekovány, takže mají stejné důsledky jako v čistém CSMA. CSMA/CA se využívá především v bezdrátových sítích, protože účastníci bezdrátového přenosu nejsou schopni zároveň vysílat a přijímat.
V CSMA/CD (CSMA s detekcí kolizí, Carrier Sense Multiple Access With Collision Detection) jsou vysílající uzly schopny detekovat výskyt kolize a zastavit vysílání okamžitě a počkat náhodnou dobu před dalším pokusem o odeslání. Toto vede k mnohem efektivnějšímu využití média, protože se neplýtvá časem na vysílání celých kolidujících rámců. CSMA/CD však nelze použít pro všechna média (např. pro rádio) a vyžaduje přídavnou elektroniku (to při současných technologiích nepředstavuje vážnější problém, ale je jedním z důvodů proč Apple použil LocalTalk založený na CSMA/CA namísto tehdy podstatně dražšího Ethernetu).
V CSMA/BA (CSMA s bitovou arbitráží, Carrier Sense Multiple Access With Bitwise Arbitration, rovněž známo jako CSMA/CR, Carrier Sense Multiple Access with Collision Resolution, CSMA s rozlišením kolizí) je všem uzlům na propojovacím vedení přiřazeno identifikační číslo či kód priority. Při výskytu kolize jeden z uzlů pokoušejících se vysílat současně dostane prioritu vysílat podle identifikačního čísla či kódu priority (oproti počkání náhodnou dobu a znovuvyslání jako v CSMA/CD). Používáno v CAN komunikacích, často k nalezení na vozidlech.
Existuje další novější technologie zvaná CSMA/CP (CSMA se zábranou kolizím, Carrier Sense Multiple Access With Collision Prevention).
Existují tři typy kolizí:
Lokální kolize
Vzdálená kolize
Pozdní kolize
CSMA/CD
Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection CSMA/CD) je protokol pro přístup k přenosovému médiu v počítačových sítích. Patří do třídy CSMA, tedy metod s vícenásobným kolizním přístupem a nasloucháním nosné.
Na rozdíl od čistého CSMA u CSMA/CD stanice při svém vysílání současně kontroluje přenosové médium, zda nezachytí jiné vysílání, které koliduje s jejím. Z této vlastnosti je odvozena přípona „s detekcí kolizí“ (with Collision Detection) v názvu metody. Pokud stanice zjistí kolizi, zastaví vysílání, počká náhodnou dobu a opakuje svůj pokus znovu. CSMA/CD je proto efektivnější než samotné CSMA či CSMA/CA − v nich se kolize nezjišťují a dojde-li k nim, zbytečně se odvysílá celý datový rámec, který bude beztak nutno opakovat.
CSMA/CD v Ethernetu
Nejrozšířenějším představitelem CSMA/CD je klasický Ethernet. Ten byl postaven na sběrnicové topologii a algoritmus CSMA/CD v něm řídí přístup stanic ke sdílené sběrnici představované koaxiálním kabelem. Stanice, která chce odeslat datový rámec, se podle jeho pravidel chová následovně:
1. Naslouchá, zda je médium volné. Dokud není, čeká na jeho uvolnění.
2. Zahájí vysílání. Současně s odesíláním rámce naslouchá, zda nepřichází signál od jiné stanice. Pokud ano, došlo ke kolizi. Stanice ukončí vysílání, odešle signál umožňující rozpoznat kolizi také ostatním (jam signal) a přejde k opakování pokusu podle bodu 3.
3. Stanice vybere náhodné číslo z intervalu od 0 do 2k - 1, kde k je pořadové číslo pokusu (od 10. pokusu se interval již nezvětšuje a horní hranice zůstává 210 - 1, tedy 1023). Náhodné číslo určuje délku čekací doby, po jejímž uplynutí stanice opakuje pokus o odeslání od bodu 1. Maximální počet pokusů je 16, poté je pokus o odeslání považován za neúspěšný.
Modernější varianty Ethernetu však opouštějí sdílené přenosové médium, používají přepínače s plně duplexním režimem provozu a metoda CSMA/CD u nich není nadále uplatňována.
Kolizní okénko
Vzhledem k tomu, že stanice před zahájením vysílání kontroluje, zda je médium volné, může ke kolizi dojít jen pokud dvě či více stanic zahájí vysílání téměř současně. Jakmile se stanici podaří obsadit svým signálem celé médium, ostatní už zjistí probíhající vysílání a počkají dle bodu 1 výše na jeho ukončení. Doba, která uplyne od okamžiku začátku vysílání stanice do okamžiku, kdy se její signál rozšíří do celého média, je označována jako kolizní okénko. Pouze během této doby může dojít ke kolizi.
Signál se šíří (téměř) rychlostí světla, velikost kolizního okénka je proto dána délkou média a zpožděním signálu v aktivních prvcích (opakovačích) na cestě. Aby metoda CSMA/CD fungovala dobře, musí být kolizní okénko menší než doba vysílání minimálního rámce. Jedině tak je zajištěno, že signál obsadí celé médium dříve, než stanice ukončí vysílání rámce. Jinak by mohlo docházet k nezjištěným kolizím.
Dodržení uvedené nerovnosti má významné důsledky:
Rámec nesmí být příliš krátký. Proto má datová část ethernetového rámce minimální délku 46 B, což společně s hlavičkami představuje minimální rámec velikosti 64 B.
Maximální délka média a počet opakovačů na trase jsou omezeny.
Komplikuje se zvýšení přenosové rychlosti. Vede ke zkrácení doby vysílání minimálního rámce, která vynucuje příslušné zkrácení kolizního okénka (zpravidla zkrácením média).
CSMA/CA
Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance (CSMA/CA) patří v počítačových sítích do třídy protokolů označovaných jako metody s vícenásobným přístupem a nasloucháním nosné (CSMA). Jejich charakteristikou je, že před začátkem vysílání paketu stanice určitý čas poslouchá, zda je přenosové médium volné. Pokud ano, může zahájit vysílání. V opačném případě čeká na konec právě probíhajícího vysílání.
Protokoly skupiny CSMA/CA na rozdíl od CSMA/CD nezjišťují výskyt kolizí (současného vysílání více stanic). Jednotlivé varianty se od sebe mírně odlišují. V CSMA/CA protokolu použitém v síti LocalTalk stanice při volném médiu nejprve ohlásí ostatním, že bude vysílat a médium si tak „zamluví“. Následně odvysílá datový rámec. Bezdrátové sítě standardu 802.11 používají jiný přístup − zde stanice při volném médiu počká náhodně zvolenou dobu a pokud do té doby neobsadí médium někdo jiný, odvysílá datový rámec a následně čeká na jeho potvrzení.
Detaily
CSMA/CA je jednou z modifikací čistého CSMA. Předcházení kolizím slouží ke zvýšení přenosového výkonu, stanice díky němu nejsou tak „hladové“ při přístupu k přenosovému médiu. Pokud před vysíláním zjistí, že je obsazeno, počkají náhodnou dobu a snižují tak pravděpodobnost kolize.
CSMA/CA se používá tam, kde vzhledem k vlastnostem komunikačního kanálu nelze použít CSMA/CD. Uplatnil se například v bezdrátových sítích standardu 802.11 (a, b, g, h), pro nějž je charakteristický poloduplexní režim práce − stanice buď naslouchá nebo vysílá a to na tomtéž kanálu, nikoliv obojí naráz. Detekce kolizí zde proto není možná. Navíc by vysílání jedné stanice v některých částech sítě mohlo kolidovat s vysíláním stanice jiné, jejíž vysílání však sama přímo neslyší.
Standard 802.11 předepisuje následující (zjednodušené) chování stanice při vysílání datového rámce:
1. Je-li médium volné po určenou dobu, může stanice zahájit vysílání. Pokud je vysílání neúspěšné (druhá strana nepotrvdí příjem), zahájí exponenciální čekání.
2. Pokud je médium obsazeno, počká na jeho uvolnění a následně zahájí exponenciální čekání, stejně jako při neúspěšném odvysílání.
3. Exponenciální čekání znamená odložený pokus o vysílání. Stanice si náhodně vybere dobu z intervalu, jehož velikost se během opakovaných pokusů zdvojnásobuje. Tuto náhodnou dobu čeká a zároveň sleduje, zda nezačal vysílat někdo jiný. Pokud ano, vrátí se ke kroku 2. Zůstalo-li médium volné, odvysílá rámec. Jestliže vysílání neuspěje, opakuje exponenciální čekání. Náhodný výběr čekací doby z rychle rostoucího intervalu má za cíl snížit pravděpodobnost, že kolidující stanice spolu budou při dalším pokusu kolidovat znovu.
Multiplexování
Multiplexování je v elektronice, telekomunikacích a počítačových sítích termín popisující proces, ve kterém je více analogových signálů nebo digitálních datových toků kombinováno do jednoho signálu. Cílem je co možná nejefektivnější využití daného přenosového média. Zařízení provádějící multiplexování se nazývá se multiplexor (MUX) a zařízení provádějící převod signálu zpět na jednotlivé signály se nazývá demultiplexor (DEMUX).
Metody multiplexování
Dva nejzákladnější druhy multiplexování je časový multiplex (TDM – Time Division Multiplexing) a frekvenční multiplex (FDM – Frequency Division Multiplexing). V telekomunikačních aplikacích, využívajících jako médium optické vlákno, se FDM označuje jako WDM (Wavelength Division Multiplexing), tedy vlnový multiplex.
Pro zpracování datových toků o nestejné přenosové rychlosti je výhodné použít „statistické multiplexování“. Příkladem jsou paketové sítě. Data jsou rozdělena do mnoha fragmentů, paketů, které obsahují kromě užitečných dat také informace o odesílateli a příjemci, na základě kterých jsou směrovány napříč přenosovou sítí, aniž by byly vázány na konkrétní přenosovou cestu.
U bezdrátové komunikace lze také využít multiplexování různými polarizacemi signálu.
U digitálního zpracování signálu přichází v úvahu také kódový multiplex (CDMA – Code Division Multiple Access), kde různé signály používají odlišné kódy přenášených informací. Lze také využít ortogonální multiplex s kmitočtovým dělením (OFDM – Orthogonal frequency-division multiplexing).
Časový multiplex
Časový multiplex (TDM z anglického time division multiplex) je princip přenosu více signálů jedním společným přenosovým médiem. Jednotlivé signály jsou odděleny tím, že se každý z nich vysílá (přenáší) pouze krátký pevně definovaný časový okamžik. Laicky řečeno „každý chvilku tahá pilku“. Prakticky ve všech případech se používá rámcové struktury, která je rozdělena na stejně velké timesloty (TS), časové intervaly pro vysílání, pro každý signál jeden. Tento rámec se v čase neustále opakuje a tedy každý signál se přenáší stále se stejnou pravidelností.
Vlastnosti časového multiplexu
Pokud budeme mít čtyři signály A,B,C a D, bude vysílání pomocí časového multiplexu vypadat následovně: ABCDABCDABCDABCD… a tak stále dokola.
Hlavní problém spočívá v tom, jak rozlišit kde timeslot pro konkrétní signál začíná a kde končí. Nejčastějším řešením je přidání speciálního timeslotu s přesně definovaným obsahem na začátek rámce, který označuje „toto je začátek rámce“. Protože jsou všechny timesloty stejně dlouhé (časově), stačí na straně přijímače najít tento startovní bod a potom odpočítat potřebnou dobu do začátku hledaného TS.
Ve výše uvedeném případě by se tedy vysílal rámec vypadající takto: SABCDSABCDSABCDSABCD…kde S označuje „startovní“ timeslot, častěji označovaný spíše jako synchronizační timeslot ,synchroskupina rámce nebo také rámcová synchronizace.
Jak je vidět, tento přístup nám pomůže s problémem určení konkrétní časové polohy, ale přináší objem dat navíc, která nelze využít pro přenášené signály. Klesá tím tedy efektivita přenosu. V našem případě jsme pro přenos našich čtyř signálů mohli použít jen 80% přenášené kapacity, jednu pětinu zabrala synchroskupina.
Další snížení efektivity přichází v situaci, kdy se v daném timeslotu nepřenáší žádná data. Typickým příkladem je přenos telefonního hovoru. Užitečná data se v timeslotu přenáší pouze ve chvíli, kdy je hovor spojený a účastníci spolu mluví. Pokud si například jeden z nich odejde pro tužku a papír, aby si poznamenal zjištěnou informaci, nebudou se v timeslotu přenášet žádná data a tato volná přenosová kapacita by se mohla využít pro jiné účely.
Pro lepší představu opět náš příklad, timesloty A,B a D budou obsazené hovorem, ale účastníci hovoru přenášeném v timeslotu C budou mlčet. Vysílaný rámec tedy bude SAB_DSAB_DSAB_DSAB_D… kde S je opět rámcová synchroskupina a _ označuje timeslot kde se v tuto chvíli nic nepřenáší. Efektivita přenosu tedy znovu klesá, v tomto konkrétním případě na 60%, protože potřebná data přenáší už jen tři z pěti timeslotů.
Hlavní výhoda je garantovaná přenosová kapacita pro každý z přenášených signálů, čehož se velmi často využívá pro digitální telefonii i přenos dat.
Principu časového multiplexu TDM využívá např. Plesiochronní Digitální Hierarchie (PDH),Synchronní Digitální Hierarchie (SDH), ISDN přípojky.
Kódový multiplex
Kódový multiplex (CDMA, code division multiple access) je metoda digitálního multiplexování, tzn. přenosu vícero digitálních signálů prostřednictvím jediného sdíleného média, která jednotlivé signály rozlišuje tím, že každé z nich používá odlišné (vhodně navržené) kódování. Zkratkou CDMA se pak také označuje konkrétní využití této technologie v mobilní telefonii, které řeší digitální multiplexing. CDMA bylo použito v mnoha komunikačních systémech, včetně GPS nebo například satelitních systémech Qualcomm OmniTRACS pro logistická řešení. Vícero termínů je označováno tímto akronymem - původní americký standard definovaný Qualcomm je znám jako IS-95 (Iterim Standard asociace telekomunikačního průmyslu). IS-95 je též znám pod další zkratkou - 2G nebo též 'druhá mobilní generace'. Produktové jméno cdmaOne Qualcommu může též odkazovat na standard CDMA v rámci 2G. CDMA bylo navrženo Mezinárodní Telekomunikační Unii (ITU) pro schválení jakožto standard mobilního rozhraní.
CDMA řeší vícenásobný přístup (multiple access) nikoli serializací jednotlivých kanálů ('rozdělením' v čase jako TDMA) ani rozdělením frekvencí pro jednotlivé kanály (jako v případě FDMA) ale kóduje data speciálním kódem (kde používá kódové sekvence PN pro zpětné, respektive Walshovy kódy pro dopředné kanály), který je přiřazen každému kanálu a používá vlastnosti tzv. konstruktivní interference speciálních kódů pro dosažení multiplexování.
Žádné komentáře:
Okomentovat