"Информатика (углублённый уровень)", Калинин И.А., Самылкина Н.Н.
Когда несколько устройств используют общий канал связи, им нужны правила, определяющие очередность передачи кадров. Иначе сигналы могут наложиться, а данные — повредиться. Методы доступа к среде помогают устройствам делить канал: одни проверяют его занятость и реагируют на коллизии, другие стараются их предотвратить, а маркерный метод передаёт право отправки по очереди. Понимание этих правил помогает разобраться в работе проводных и беспроводных сетей.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Среда передачи данных — общая линия или канал, по которому устройства сети передают кадры, то есть блоки сетевых данных. Если несколько устройств отправляют сигналы одновременно, они могут наложиться друг на друга. Поэтому общей среде нужны правила, которые помогают распределять время передачи.
Метод доступа к среде — правила, определяющие, когда устройство может начать передачу и что ему делать, если канал занят. По таким правилам участники сети делят общий ресурс, а не пытаются отправлять данные без очереди. Они помогают снизить число конфликтов и упорядочить работу сети.
Коллизия — наложение сигналов, возникающее, когда несколько устройств передают данные одновременно. Получателю становится трудно различить отдельные сигналы, поэтому кадры могут оказаться повреждёнными и непригодными для обработки. Обнаружение или предотвращение коллизий — одна из задач метода доступа.
CSMA/CD — метод, при котором устройство проверяет занятость среды, обнаруживает коллизию во время передачи и повторяет отправку после случайной задержки. Сокращение CD означает обнаружение коллизии. Метод нужен для того, чтобы участники общей среды могли заметить конфликт и не повторяли передачу одновременно снова.
В общей среде устройства конкурируют за один и тот же канал: в каждый момент он ограничен по пропускной способности и не может без помех передавать несколько независимых кадров. Если участники начнут отправку одновременно, сигналы наложатся, и часть данных может быть потеряна. Поэтому протоколы доступа задают порядок действий, а при некоторых методах ещё и определяют, как восстановить передачу после конфликта.
В основе CSMA лежит прослушивание канала перед отправкой. Если устройство не слышит передачи, оно начинает передавать кадр; если канал занят, ждёт, пока он освободится. Но проверка показывает состояние среды только в точке, где находится устройство: сигналу нужно время, чтобы распространиться, поэтому два участника могут почти одновременно решить, что канал свободен.
В CSMA/CD устройство продолжает контролировать среду уже после начала передачи, чтобы обнаружить наложение сигналов. При коллизии участники прекращают отправку, а затем выбирают случайное время ожидания перед повторной попыткой. Случайная пауза нужна, потому что одинаковое немедленное возобновление передачи могло бы вызвать новый конфликт.
В беспроводной сети обнаружить коллизию во время передачи сложно: собственный сигнал передатчика мешает ему надёжно услышать сигнал другого устройства. Поэтому применяют CSMA/CA — метод, который стремится предотвратить конфликт заранее. Устройство ждёт подходящего момента для отправки, а подтверждение получения кадра позволяет понять, что передача дошла; отсутствие подтверждения указывает на возможную проблему.
При маркерном доступе по сети передаётся специальный маркер — разрешение на передачу. Отправлять данные может только устройство, которому маркер принадлежит; после этого оно передаёт его дальше по установленному порядку. Так участники не соревнуются за канал одновременно, а получают возможность передавать по очереди.
Таблица помогает увидеть, в какой момент каждый метод разрешает передачу и что происходит при конфликте. Для сравнения проследи путь от проверки канала до повторной отправки: именно на этих этапах методы особенно заметно различаются. Учитывай также область применения, потому что свойства беспроводной среды влияют на выбор способа доступа.
| Свойство | CSMA/CD | CSMA/CA | Маркерный доступ |
|---|---|---|---|
| Как определяется возможность передачи | Устройство слушает канал; при свободной среде начинает отправку. | Устройство оценивает занятость среды, выдерживает ожидание и начинает передачу, когда это допустимо. | Передаёт устройство, которому принадлежит маркер. |
| Как обнаруживается или предотвращается конфликт | Коллизия обнаруживается во время передачи. | Конфликт стараются предупредить до отправки с помощью ожидания и подтверждения кадра. | Одновременную передачу исключает право отправки только у владельца маркера. |
| Действия при занятости среды | Устройство откладывает начало передачи. | Устройство ждёт и повторно проверяет возможность отправки. | Устройство без маркера ждёт его получения. |
| Как возобновляется передача после конфликта | После остановки устройства ждут случайное время и пробуют снова. | После неудачи устройство повторяет попытку, используя ожидание и проверку подтверждения. | Право передаётся дальше по порядку; отдельное разрешение на конкурирующую попытку не требуется. |
| Где применяется или применялся | В общей проводной среде Ethernet; в современном коммутируемом Ethernet коллизии обычно не возникают. | В беспроводных сетях, в частности Wi-Fi. | В сетях с передачей маркера, например Token Ring. |
Условие. Два компьютера подключены к общей среде. Первый начал передачу, когда канал был свободен; второй начал передавать почти одновременно. Нужно объяснить, почему произошла коллизия, несмотря на проверку канала.
Ответ. Прослушивание канала не даёт устройству мгновенной информации обо всей сети. Задержка распространения сигнала позволяет двум устройствам начать передачу почти одновременно.
Условие. При передаче по CSMA/CD произошла коллизия. Нужно описать действия устройств до успешной отправки кадра.
Ответ. После обнаружения коллизии передачу останавливают, выдерживают случайную задержку и повторяют отправку. Случайное ожидание снижает риск повторного совпадения попыток.
Условие. Нескольким устройствам нужно передавать данные по общей среде. Требуется сравнить CSMA/CD и маркерный доступ и показать, как они обеспечивают очередность.
Ответ. CSMA/CD — конкурентный метод с обнаружением коллизий и случайным ожиданием перед повтором. Маркерный доступ передаёт право отправки по очереди, поэтому участникам не нужно бороться за канал одновременно.
Ошибка — считать, что прослушивание канала полностью исключает коллизии. Так думают, потому что устройство проверяет среду перед отправкой, но сигнал распространяется не мгновенно. Проверь себя вопросом: успел ли сигнал первого участника дойти до второго к моменту проверки? Если нет, оба могли начать передачу.
Не путай обнаружение коллизии в CSMA/CD с её предотвращением в CSMA/CA. Названия похожи, и оба метода связаны с доступом к общей среде, но первый реагирует на уже возникший конфликт, а второй старается не допустить его. Для самопроверки сформулируй действия до и после начала передачи: обнаружение происходит во время неё, предотвращение — до возможного конфликта.
Неверно полагать, что после коллизии достаточно сразу отправить кадр снова. Если участники одновременно повторят попытку, они могут снова столкнуться, поэтому в CSMA/CD предусмотрено случайное ожидание. Проверяй себя: в описании правильной повторной попытки должны быть и остановка передачи, и случайная задержка.
Маркерный доступ не разрешает всем устройствам передавать данные одновременно. Ошибка возникает, когда слово «доступ» понимают как общее разрешение для сети, а не как право конкретного участника. Уточни, кому принадлежит маркер сейчас: передавать может только его владелец, остальные ждут.
Чтобы разобраться в доступе к среде, нужно понимать устройство локальной сети и знать, что кадр — это блок данных, передаваемый на канальном уровне. Понятия канала связи и передачи данных помогают проследить, где возникает наложение сигналов и почему оно мешает приёму. Эти знания пригодятся при изучении Ethernet, Wi-Fi и сетевого оборудования: свойства среды влияют на то, как устройства делят её и обмениваются кадрами.
Почему коллизия возможна, если устройство сначала проверило, свободен ли канал?
Сигнал распространяется по линии не мгновенно. Пока передача первого устройства ещё не дошла до второго, оно может услышать свободный канал и начать отправку. Тогда сигналы наложатся.
Чем CSMA/CD отличается от CSMA/CA?
CSMA/CD обнаруживает коллизию уже во время передачи и после этого запускает повторную попытку. CSMA/CA старается заранее уменьшить вероятность конфликта, используя ожидание и подтверждение получения кадра. Такой подход подходит для беспроводной связи, где обнаруживать коллизию во время отправки трудно.
Что делают устройства после обнаружения коллизии?
Устройства прекращают передачу, чтобы не продолжать отправлять повреждающиеся данные. Затем каждое ждёт случайное время и пробует отправить кадр снова. После одной из попыток кадр передаётся успешно, если канал освободился.
Зачем перед повторной передачей выдерживают случайную задержку?
Если устройства возобновят передачу одновременно, они могут снова столкнуться. Случайная задержка помогает разнести их попытки во времени. Поэтому вероятность повторной коллизии становится меньше.
Как маркерный доступ определяет, какое устройство может передавать данные?
По сети передаётся специальный маркер, то есть сигнал-разрешение на отправку. Передавать может устройство, которое сейчас владеет маркером. После передачи оно передаёт маркер следующему участнику, поэтому одновременная отправка не требуется.
§ 15. Доступ к среде
