СПОСОБ МНОГОСТАНЦИОННОГО ДОСТУПА В СЕТЬ ETHERNET
METHOD FOR MULTI-STATION ACCESS TO ETHERNET NETWORK

Изобретение относится к способам передачи информации между логическими объектами в локальных вычислительных сетях (ЛВС) Ethernet, в частности к способам многостанционного доступа к коллективному каналу передачи данных с опознаванием несущей частоты и разрешением коллизий.
Известен способ доступа с опознаванием несущей частоты, сущность которого заключается в том, что ресурс канала коллективного пользования делят на временные сегменты, присваивают сегменты рабочим станциям; анализируют несущую в течение только своего выделенного сегмента; осуществляют передачу информации в канал коллективного пользования при условии, что в течение своего выделенного сегмента не обнаружены передачи информации от других рабочих станций ЛВС (патент RU 2099877 C1, опубликовано 1997.12.20).
К недостаткам способа относится низкая производительность сети, поскольку рабочие станции лишены одновременного доступа к каналу и каждый сегмент сети ожидает доступа к каналу, пока не закончится интервал времени, выделенный на передачу другим сегментам сети.
Известен также способ работы локальной вычислительной сети, реализованный в «Устройстве повышения быстродействия работы адаптера локальной вычислительной сети Ethernet» (патент RU 2248039 C2, опубликовано 10.03.2005, Бюл. №7).
По известному способу во все адаптеры рабочих станций ЛВС при использовании доступа к каналу коллективного пользования с опознаванием несущей устанавливают устройство повышения быстродействия работы адаптера локальной вычислительной сети Ethernet, с помощью которого в каждом адаптере формируется импульс блокировки доступа к общей шине так, что разница между длительностями импульсов блокировки любой пары адаптеров будет не меньше двойного времени распространения сигнала из конца в конец локальной вычислительной сети. При этом конфликты между адаптерами будут практически невозможны, поскольку каждый раз после освобождения общей шины данных различные адаптеры будут пытаться занять шину данных в различное время.
Способ отличается низкой производительностью сети, поскольку рабочие станции лишены одновременного доступа к каналу и необходимо формирование дополнительной задержки и временного разделения по доступу к общей шине рабочих станций, что существенно снижает потенциальный ресурс по скорости передачи данных.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является способ передачи данных с опознаванием несущей и обнаружением коллизий по каналу коллективного пользования, состоящий в том, что сетевой адаптер рабочей станции - инициатора установления соединения - в случае незанятости сети излучает в сеть пакет с адресом вызываемого абонента, пакет воспринимается всеми абонентами сети и вскрывается только адресатом. В случае обнаружения коллизии участники попытки соединения выдерживают технологическую паузу, длительность которой задается генератором случайных чисел, после которой попытка установления соединения повторяется (Щербо В.К. Стандарты вычислительных сетей. Взаимосвязи сетей. Справочник. 2000).
Недостаток способа состоит в низкой информационной производительности сети при большом количестве обращений рабочих станций к коллективному каналу передачи данных. Информационной производительностью сети является передача пользовательских данных без учета служебной информации.
В основу изобретения положена задача повышения информационной производительности сетей, работающих на основе технологии Ethernet, посредством частотного разделения сигналов рабочих станций с использованием N несущих частот, где N - максимально допустимое количество несущих частот.
Поставленная задача решается тем, что в способе многостанционного доступа в сеть Ethernet, состоящем в том, что рабочие станции излучают в общую шину пакеты данных независимо друг от друга на фиксированной несущей частоте в случае ее незанятости, при обнаружении коллизий рабочие станции повторяют попытки занятия общей шины, согласно изобретению общую шину используют в виде ресурса с частотным разделением сигналов рабочих станций при закреплении фиксированной(ых) несущей(их) частоты из ресурса N несущих частот на время передачи по запросу рабочей(их) станции(ий) с возможностью параллельного приема/передачи сигналов других рабочих станций, где N - максимально допустимое количество несущих частот.
Сущность предложенного способа многостанционного доступа в сеть Ethernet состоит в использовании общей шины в виде многоканального ресурса с разделением рабочих станций по несущей частоте и параллельным режимом приема/передачи во всех каналах с опознаванием несущей частоты. В основе лежит принцип частотного разделения сигналов рабочих станций, который подразумевает модуляцию несущей частоты исходным сообщением. Каждая из рабочих станций сети передает информацию на выделенной несущей частоте. Частоты не закреплены за источниками, а предоставляются по заявке рабочей станции по мере освобождения. Эффективность способа заключена в снижении количества коллизий, что, в конечном счете, повышает производительность ЛВС.
На фиг.1 показана структурная схема устройства многостанционного доступа в сеть Ethernet, поясняющего предлагаемый способ, на фиг.2 показан алгоритм работы анализатора данных, на фиг.3 показан алгоритм работы анализатора состояния каналов, на фиг.4 показаны временные диаграммы, поясняющие способ многостанционного доступа в сеть Ethernet.
1
N
1
N
1
1
N
Устройство многостанционного доступа в сеть Ethernet содержит передающий узел 1, выходом соединенный с общей шиной 2, модулятор 3, выходом соединенный со входом передающего узла 1, формирователь пакетов данных 4, выходом соединенный с первым входом модулятора 3, при этом второй вход модулятора 3 подключен к синтезатору частот 5. Устройство многостанционного доступа в сеть Ethernet содержит также многоканальный анализатор коллизий 6, включающий анализатор данных 7 и N логических элементов «И» 8, …, 8. Выходы 1,…,N анализатора данных 7 соединены с соответствующими первыми входами логических элементов «И» 8, … 8, а выход N+1 анализатора данных 7 соединен со вторым входом передающего узла 1 и с первым из входов формирователя пакетов 4. Входы 1…N анализатора данных 7 соединены с соответствующими выходами многоканального приемника 9 и соответствующими вторыми входами логических элементов «И» 8, …, 8N, а (N+1)-й вход анализатора данных 7 соединен с первым входом модулятора 3 и выходом формирователя пакетов 4. Выходы 1, …, N многоканального приемника 9 соединены также с соответствующими входами анализатора адреса/фильтра пакетов 10 и соответствующими входами анализатора состояния каналов 11, а вход многоканального приемника 9 соединен с общей шиной 2. Выходы логических элементов «И» 8, …, 8 соединены соответственно с входами N+1, …, 2N анализатора состояния каналов 11, который первым выходом подключен ко второму входу формирователя пакетов 4, к входу синтезатора частот 5 и входу "снятие запрета" анализатора данных 7, а вторым выходом подключен к третьему входу формирователя пакетов 4. Выход анализатора адреса/фильтра пакетов подключен к входу рабочей станции 12, выход которой соединен с четвертым входом формирователя пакетов 4.
Для примера пояснения заявляемого способа рассмотрим случай использования четырех несущих частот, т.е. N=4.
N
1
Рабочая станция 12 формирует запрос на передачу данных. При этом с выхода рабочей станции 12 на соответствующий вход формирователя пакетов 4 поступает управляющий сигнал. Формирователь пакетов 4 передает данные, оформленные в виде пакетов. Каждый пакет содержит служебную информацию, включающую адрес получателя и адрес отправителя. Пакеты поступают на первый вход модулятора 3, а на второй вход модулятора 3 с выхода синтезатора частоты 5 поступает несущая частота f (N=1, 2, 3, 4). Модулированный сигнал с выхода модулятора 3 поступает на первый вход передающего узла 1, а с выхода передающего узла 1 сигнал поступает на общую шину 2. По умолчанию синтезатор частот 5 формирует несущую частоту f.
Многоканальный приемник 9 принимает сигналы с общей шины 2 на всех несущих частотах из ресурса несущих частот, демодулирует принимаемые сигналы и формирует их в виде битовой последовательности до уровня пакетов данных. Далее биты этих пакетов в последовательном виде поступают с выходов многоканального приемника 9 на входы анализатора адреса/фильтра пакетов 10. В анализаторе адреса/фильтре пакетов 10 в каждом канале производится анализ адреса получателя. В случае соответствия адреса в принятом пакете адресу рабочей станции 12 пакет вскрывается и поступает на рабочую станцию 12.
1
Одновременно битовые сигналы с выходов многоканального приемника 9 поступают на соответствующие входы анализатора состояния каналов 11 и на соответствующие входы анализатора данных 7. Функцией анализатора коллизий 6 является выявление коллизии на общей шине 2, т.е. случая совместной работы в одном частотном канале более одной рабочей станции 12, которых в сети может быть больше N. Это происходит следующим образом. Анализатор данных 7 сравнивает данные, поступающие на его вход (N+1)=5 в последовательном виде с формирователя пакетов 4, с данными, поступающими на один из его входов - первый или второй, или третий, или (N) четвертый, с соответствующих выходов многоканального приемника 9. Допустим, что передача производится на частоте f, т.е. в первом частотном канале. Поэтому будет производиться сравнение сигналов только на пятом и первом входах анализатора данных 7. При работе на других частотах в сравнении будут участвовать сигналы на втором, третьем или четвертом входах анализатора данных 7 соответственно.
Допустим, коллизия не произошла. Блок 7 не выставляет логические управляющие сигналы на первый и (М+1)-й выходы.
При появлении коллизии данные на первом и пятом входах блока 7 не совпали. Это означает, что в анализируемом частотном канале работает(ют) другая (или другие) рабочая(ие) станция(и), кроме рабочей станции 12. При этом анализатор данных 7 формирует на пятом выходе логический сигнал запрета на передачу.
Блок-схема алгоритма работы анализатора данных 7 приведена на фиг.2. Алгоритм анализатора данных работает следующим образом. Анализатор данных 7 считывает данные, поступающие на его входы. Последовательно происходит определение номера несущей частоты, поступающего на вход "снятие запрета", на которой в текущий момент времени работает рабочая станция. После чего согласно номеру несущей частоты (номера частотного канала) происходит сравнение данных, поступающих по входу N+1 и входу соответствующего частотного канала (входы 1, 2, 3, …, N). Если данные отличаются, то это говорит о том, что в частотном канале происходит коллизия и необходимо прекратить передачу на текущей несущей частоте.
При появлении коллизии необходимо произвести смену несущей частоты. Это выполняется с помощью управляющего битового сигнала, поступающего на синтезатор частоты 5 с первого выхода анализатора состояния каналов 11. Функцией анализатора состояния каналов 11 является слежение за использованием набора несущих частот и выбор несущей частоты для сеанса передачи данных. Блок-схема алгоритма работы анализатора состояния каналов 11 приведена на фиг.3.
1
1
2
2
3
3
N
N
Анализатор состояния каналов 11 считывает данные, поступающие на его входы. При этом данные с первого, второго, третьего, N-го входов формируются в массив Y (таблица 1), а данные со входов N+1, N+2, N+3, 2N формируются в массив Х (таблица 2). Далее происходит последовательная проверка присутствия пар сигналов X-Y, X-Y, Х-Y, X-Y, что соответствует состоянию каждого частотного канала.
Таблица 1
Y
№ входа
Обозначение
1
Y<sub>1</sub>
2
Y<sub>2</sub>
3
Y<sub>3</sub>
<img file="00000001.tif" he="5" wi="2" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000002.tif" he="5" wi="2" img-content="undefined" img-format="tif" />
N
Y<sub>N</sub>
Таблица 2
X
№ входа
Обозначение
N+1
X<sub>1</sub>
N+2
X<sub>2</sub>
N+3
Х<sub>3</sub>
<img file="00000001.tif" he="5" wi="2" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000003.tif" he="5" wi="2" img-content="undefined" img-format="tif" />
2N
X<sub>N</sub>
1
2
3
4
1
2
3
4
Одновременно, при N=4, с формированием на (N+1)=5 выходе анализатора данных 7 логического сигнала запрета на передачу на первом, или втором, или третьем, или четвертом выходах анализатора данных 7, формируется управляющий сигнал согласно номеру частотного канала (несущей частоты), в котором произошла коллизия. Этот сигнал поступает на первый вход логического элемента "И" 8, или 8, или 8, или 8, соответствующего номеру частотного канала (несущей частоты), в котором произошла коллизия. На второй вход логического элемента "И" 8, или 8, или 8, или 8 поступает сигнал с соответствующего выхода многоканального приемника 9.
N
Анализатор состояния каналов 11 по наличию/отсутствию сигналов на выходах многоканального приемника 9 оценивает, занят канал передачи или нет, и осуществляет выбор номера частотного канала (несущей частоты) (f), который затем с первого выхода анализатора состояния каналов 11 передается на вход синтезатора частот 5, второй вход формирователя пакетов 4 и вход "снятие запрета" на передачу анализатора данных 7.
1
2
3
4
N
1
2
3
4
N
N
В случае, если сигнал на пятом, шестом, седьмом, восьмом входах анализатора состояния каналов 11, поступающий с выходов логических элементов "И" 8,8,8,8, присутствует, то это соответствует коллизии в заданном частотном канале, и анализатор состояния каналов 11 меняет на первом выходе номер несущей частоты f. Если же сигнал на пятом, шестом, седьмом, восьмом входах анализатора состояния каналов 11, поступающий с выходов логических элементов "И" 8,8,8,8, отсутствует, то номер несущей частоты f не меняется и остается фиксированным. Когда отсутствуют свободные несущие частоты f, на втором выходе анализатора состояния каналов 11 формируется сигнал "нет частот", который поступает на третий вход формирователя пакетов 4 и запрещает передачу данных до момента, когда освободится хотя бы одна несущая частота, и ее номер появится на первом выходе анализатора состояния каналов 11.
N
N
При обнаружении коллизии в канале, анализатор данных 7 формирует сигнал запрета на передачу данных, который поступает с (N+1)=5 выхода анализатора данных 7 на первый вход формирователя пакетов 4, второй вход передающего узла 1. Сигнал f поступает на второй вход формирователя пакетов 4. Синтезатор частот 5 генерирует сигнал, частота которого соответствует f, далее сигнал с выхода синтезатора частот 5 поступает на второй вход модулятора 3, в котором осуществляется модуляция несущей частоты данными, поступающими с выхода формирователя пакетов 4. Сигнал с выхода модулятора 3 поступает на первый вход передающего узла 1, который, в свою очередь, передает его на общую шину 2.
0
11
1
0
2
0
1
1
21
1
6
6
11
21
дос1
0
9
7
8
Для иллюстрации преимущества предлагаемого способа рассмотрим работу сети при количестве рабочих станций М=2. Коллизия в этом случае может возникнуть в связи с пространственным разнесением рабочих станций. Временные диаграммы работы приведены на фиг.4. Символы «а» и «b» в обозначении рабочих станций введены для различения ситуаций при работе по прототипу и предлагаемому способу соответственно. Пусть РС1а (рабочая станция 1а) в момент времени t начала передачу пакета данных П (первый пакет от первой станции), который поступит к РС2а (рабочая станция 2а) к моменту t. При использовании в сети Ethernet пакетов наибольшей длины, время, необходимое на доставку одного пакета, t-t=1,2 мс. Максимальная длина пакета с преамбулой в сети Ethernet составляет 12208 бит, а скорость передачи 10 Мбит/с. Поэтому время 12208 на доставку такого пакета информации составит  РС2а, анализируя состояние общей шины в интервале t-t по наличию/отсутствию несущей частоты, ошибочно принимает решение о том, что общая шина свободна, и поэтому начинает в момент времени t передачу своего пакета данных П. Сигнал двух рабочих станций суммируется в общей шине. В результате этого в общей шине происходит коллизия - столкновение пакетов. В соответствии со стандартом Ethernet первая из работающих рабочих станций, обнаруживших коллизию, прерывает передачу и усиливает ситуацию коллизии передачей в сеть специальной последовательности из 32 бит. По факту обнаружения коллизии в работе каждой PC выдерживается технологическая пауза в интервале времени с t по t, длина которой больше наибольшей длины пакета в сети. Затем РС1а и РС2а могут снова предпринять попытку занятия общей шины, захвата среды и передачи кадра. Длительность технологической паузы носит случайный характер и может принимать значения до 52,4 мс. Передача данных может возобновиться с момента времени t. Таким образом, с учетом возможности коллизии, оба пакета П и П будут переданы по назначению за время доставки Т=t-t=52,4 мс + 2·1,2 мс + 9,6 мкс≈54,9 мс. В соответствии со стандартом Ethernet при завершении удачной передачи на общей шине выдерживается пауза, длительность которой равна t-t, что составляет 9,6 мкс. Она необходима для установления всех возможных переходных процессов.
1
2
1
2
1
2
Работа сети в соответствии с предлагаемым способом при использовании f и f иллюстрируется на фиг.4. Примем, что несущие частоты f и f фиксированы и закреплены за рабочими станциями, т.е. PC1b работает на частоте f, рабочая станция РС2b работает на частоте f.
0
дос2
0
2
Поскольку каждая рабочая станция ведет передачу на своей частоте, то в этом случае вероятность возникновения коллизии в общей шине равна нулю, и передача пакетов каждой из двух РСb возможна в совпадающее время, т.е., например, с момента t. Также отсутствие коллизии снимает необходимость технологической паузы, что позволяет использовать канал для передачи информационных данных без потери времени на обработку коллизии. Таким образом, время доставки в этом случае Т=t-t=1,2 мс. Если PC1b и РС2b начали работать одновременно, доставка обоих пакетов данных произойдет в момент приема последнего бита каждого из двух пакетов, если пренебречь временем распространения, обычно малым.
9
9
1
9
4
1
2
Эффективность предложенного способа можно определить как отношение числа пакетов, переданных по прототипу и предлагаемому способу за одинаковый отрезок времени. В качестве такого отрезка времени возьмем t, когда будет успешно завершена передача обоих пакетов по прототипу. Число пакетов, переданных за t, по прототипу, учитывая факт возникновения коллизии, n=2. Число пакетов, переданных за t≈54,9 мс по предлагаемому способу,  Отсюда следует, что предлагаемый способ эффективнее прототипа в  раз. Если рассмотреть ситуацию, при которой не происходит коллизии в канале при работе по прототипу, то в качестве анализируемого отрезка времени можно взять t. При этом число пакетов, переданных по прототипу, будет составлять n=1, а число пакетов, переданных по предлагаемому способу, n=2. Следовательно, предлагаемый способ эффективнее прототипа минимум в  раза.