Эндрю Уэзеролл - Компьютерные сети. 5-е издание

Двоичный обратный отсчет

Недостатком базового протокола битовой карты, а также протокола с передачей маркера являются накладные расходы в один бит на станцию, из-за чего они плохо масштабируются на большие сети с тысячами станций. Используя двоичный адрес станции, можно улучшить эффективность канала. Станция, желающая занять канал, объявляет свой адрес в виде битовой строки, начиная со старшего бита. Предполагается, что все адреса станций имеют одинаковую длину. Будучи отправленными одновременно, биты адреса в каждой позиции логически складываются (логическое ИЛИ) средствами канала. Мы будем называть этот протокол протоколом с двоичным обратным отсчетом( binary countdown). Он использовался в сети Datakit (Fraser, 1987). Неявно предполагается, что задержки распространения сигнала пренебрежимо малы, поэтому станции слышат утверждаемые номера практически мгновенно.

Во избежание конфликтов следует применить правило арбитража: как только станция с 0 в старшем бите адреса видит, что в суммарном адресе этот 0 заменился единицей, она сдается и ждет следующего цикла. Например, если станции 0010, 0100, 1001 и 1010 конкурируют за канал, то в первом битовом интервале они передают биты 0, 0, 1 и 1 соответственно. В этом случае суммарный первый бит адреса будет равен 1. Следовательно, станции с номерами 0010 и 0100 считаются проигравшими, а станции 1001 и 1010 продолжают борьбу.

Следующий бит у обеих оставшихся станций равен 0 — таким образом, обе продолжают. Третий бит равен 1, поэтому станция 1001 сдается. Победителем оказывается станция 1010, так как ее адрес наибольший. Выиграв торги, она может начать передачу кадра, после чего начнется новый цикл торгов. Схема протокола показана на рис. 4.8. Данный метод предполагает, что приоритет станции напрямую зависит от ее номера. В некоторых случаях такое жесткое правило может играть положительную, в некоторых — отрицательную роль.

Рис. 4.8. Протокол с двоичным обратным отсчетом. Прочерк означает молчание

Эффективность использования канала при этом методе составляет d/(d + log 2W). Однако можно так хитро выбрать формат кадра, что его первое поле будет содержать адрес отправителя, тогда даже эти log 2W бит не пропадут зря и эффективность составит 100 %.

Двоичный обратный отсчет является примером простого, элегантного и эффективного протокола, который еще предстоит открыть заново разработчикам будущих сетей. Хочется надеяться, что когда-нибудь он займет свою нишу в сетевых технологиях.

4.2.4. Протоколы с ограниченной конкуренцией

Итак, мы рассмотрели две основные стратегии предоставления доступа к каналу в широковещательных сетях: соревнование, как в CSMA, и бесконфликтные протоколы. Каждую стратегию можно оценить по двум важным параметрам: времени задержки при низкой загрузке канала и эффективность канала при большой загрузке. В условиях низкой загрузки конфликты (то есть чистая или дискретная системы ALOHA) предпочтительнее, так как время задержки в таких системах меньше (коллизий меньше). По мере роста загруженности канала системы со столкновениями становятся все менее привлекательными, поскольку возрастают накладные расходы, связанные с конфликтами. Для бесконфликтных протоколов справедливо обратное. При низкой нагрузке у них относительно высокое время задержки, но по мере увеличения нагрузки эффективность использования канала не уменьшается, как у конфликтных протоколов, а наоборот, возрастает (накладные расходы фиксированные).

Очевидно, было бы неплохо объединить лучшие свойства обеих стратегий и получить протокол, использующий разные стратегии при разной загруженности канала. Такие протоколы мы будем называть протоколами с ограниченной конкуренцией ( limited-contention protocols). Они в самом деле существуют, и их рассмотрением мы завершим изучение сетей с опросом носителя.

До сих пор мы рассматривали только симметричные протоколы коллективного доступа, в которых каждая станция пытается получить доступ к каналу с равной вероятностью р. Интересно, что производительность всей системы может быть улучшена при использовании асимметричного протокола, в котором станциям назначаются различные вероятности.

Прежде чем приступить к рассмотрению асимметричных протоколов, давайте кратко рассмотрим производительность в симметричном случае. Предположим, что k станций борются за доступ к каналу. Вероятность передачи каждой станции в каждый интервал времени равна р. Вероятность того, что какая-то станция успешно получит доступ к каналу на данный интервал времени, составляется из вероятности того, что любая станция передает данные с вероятностьюр, а все остальные k - 1 станций воздерживаются от передачи, каждая с вероятностью 1 - р. Итоговое значение равно kp(1 - p) k-1. Чтобы найти оптимальное значение вероятности р, продифференцируем данное выражение по р , приравняем результат нулю и решим полученное уравнение относительно р . В результате мы получим, что наилучшее значение р равно 1/k. Заменяя в формуле р на 1/k, получаем вероятность успеха при оптимальном значении р:

Зависимость этой вероятности от количества готовых станций графически показана на рис. 4.9. Для небольшого числа станций значение вероятности успеха является неплохим, однако как только количество станций достигает хотя бы пяти, вероятность снижается почти до асимптотической величины, равной 1/e.

Рис. 4.9.Вероятность получения доступа к каналу в симметричном протоколе

Из рисунка очевидно, что вероятность получения доступа к каналу для какой-либо станции можно увеличить, только снизив конкуренцию за канал. Этим занимаются протоколы с ограниченной конкуренцией. Они сначала делят все станции на группы (необязательно непересекающиеся). Состязаться за интервал 0 разрешается только членам группы 0. Если кто-то из них выигрывает, он получает канал и передает по нему кадр. Если никто из них не хочет передавать или происходит столкновение, члены группы 1 состязаются за интервал 1 и т. д. При соответствующем разбиении на группы конкуренция за каждый интервал времени уменьшается, что увеличивает вероятность его успешного использования (см. левую часть графика).

Вопрос в том, как разбивать станции на группы. Прежде чем обсуждать общий случай, рассмотрим несколько частных случаев. В одном из крайних случаев в каждой группе будет по одной станции. Такое разбиение гарантирует полное отсутствие конфликтов, так как на каждый интервал времени будет претендовать только одна станция. Подобные протоколы уже рассматривались ранее (например, протокол с двоичным обратным отсчетом). Еще одним особым случаем является разбиение на группы, состоящие из двух станций. Вероятность того, что обе станции одновременно начнут передачу в течение одного интервала, равна p 2, и при малых значениях p этим значением можно пренебречь. По мере увеличения количества станций в группах, вероятность столкновений будет возрастать, однако длина битовой карты, необходимой, чтобы перенумеровать все группы, будет уменьшаться. Другим предельным случаем будет одна группа, в которую войдут все станции (то есть дискретная система ALOHA). Нам требуется механизм динамического разбиения станций на группы, с небольшим количеством крупных групп при слабой загруженности канала и большом количестве мелких групп (может быть, даже состоящих из одной станции каждая), когда загруженность канала высока.