Közeghozzáférés vezérlés

A lokális hálózatban lévő eszközök mindegyike a közös fizikai csatornán való hozzáférésért küzd.



 A LAN kialakításokban ezen a szinten számos hozzáférés-vezérlési módszert használnak ütközésest és ütközés mentest egyaránt, a bizottság ezek közül — ahogy ezt már az előbbiekben is leírtuk — a CSMA/CD, a vezérjel-busz és a vezérjel-gyűrű hozzáférés módszereket választotta ki szabványosításra. A közeghozzáférés-vezérlési alréteg szabványa négy funkciót határoz meg:

1. Közeghozzáférés-irányítás: A hálózati állomások szabályokat ill. eljárásokat használnak, hogy vezéreljék a fizikai csatorna megosztását.
2. Keretezés: Kezdeti és záró információ jelzés hozzáadására van szükség ahhoz, hogy azonosítani lehessen az üzenetek elejét és végét, hogy az adó és a vevő szinkronizálódjon, és felismerjék a hibákat.
3. Címzés: A hálózat címzést használ, hogy azonosítani tudja az üzenet adásában és vételében résztvevő eszközöket.
4. Hibafelismerés: Célja a helyes üzenetadás és vétel ellenőrzése.

A hálózati állomások szabályokat, illetve eljárásokat használnak, hogy vezéreljék a fizikai csatorna megosztását.

Kezdeti és záró információ jelzés hozzáadására van szükség ahhoz, hogy azonosítani lehessen az üzenetek elejét és végét, hogy az adó és a vevő szinkronizálódjon, és felismerjék a hibákat.

A hálózat címzést használ, hogy azonosítani tudja az üzenet adásában és vételében résztvevő eszközöket.

Már tudjuk, hogy a hálózatok a hosztok kapcsolatát tekintve alapvetően pont-pont és multipont típusba sorolhatók. Ismerjük már ezeknek a fogalmaknak a jelentését is. Elsősorban a multipont topológiánál, de néha a pont-pont struktúránál is problémát jelenthet az az eset, amikor egyszerre többen szeretnének üzenetet küldeni ugyanazon a csatornán. Ez a jelenség az ütközés, amit értelemszerűen el kell kerülni, meg kell akadályozni, vagy esetleg megfelelő módon le kell kezelni. Mivel a jelenség az üzenetszórásos kommunikációs alhálózatoknál kivétel nélkül előfordul, ilyen topológián mutatjuk be az esemény kezelésének módjait.

A multipont topológiájú hálózatoknál minden hoszt ugyanazon az adatátviteli közegen osztozik. Ehhez a közeghez minden állomásnak hozzá kell férnie. A hozzáférés esetén csupán az adás problémás, mivel vétel esetén a hosztok nem ütközhetnek. Ahhoz, hogy az ütközést kezelni lehessen, fontos, hogy az állomások képesek legyenek ennek az érzékelésére, valamint felismerjék a csatorna foglaltságát. A hozzáférés-vezérlés megvalósítása többféle lehet, a tényleges kialakítás függ a hálózat topológiájától. A hosztok közeghez való hozzáférésének megfelelően három fő módszert különböztethetünk meg:

• Véletlen vezérlés. Ebben az esetben az átviteli közeget bármelyik állomás használhatja, de csak abban az esetben, ha az adás pillanatában más nem használja azt. Erről természetesen az adás előtt meg kell győződnie.
• Osztott vezérlés. Az ilyen vezérlést alkalmazó hálózatok résztvevői csak megadott időtartamban jutnak adási joghoz. Ez a jog a hosztok között jár körbe-körbe.
• Központosított vezérlés. Az ilyen elven működő hálózatokban van egy kitüntetett szerepű állomás, amely az egész hálózat működését vezérli, ez engedélyezi a hosztokat. Minden állomás figyeli, hogy mikor kapnak jogosultságot a hálózat elérésére.

Véletlen átvitelvezérlés

Az ilyen alhálózatokban minden állomás figyeli a csatornát. Amennyiben szabadnak érzékeli, az információ elküldésének idejére kisajátítja azt. Az elnevezés abból adódik, hogy a működési módból adódóan nem lehet felső korlátot adni arra, hogy mikor adhat valamely állomás. Ez azt is jelenti, hogy nincs az adási jog meghatározására vonatkozó eljárás.

Ütközést jelző vivőérzékeléses többszörös hozzáférés (Carryer Sense Multiple Access with Collision Detection, CSMA/CD)

Ma az egyik leggyakrabban használatos átvitel-vezérlési mód. Az adni készülő hoszt az adást megelőzően belehallgat a csatornába. Ezzel a tevékenyéggel próbálja meg a csatorna foglaltságát felderíteni. Ezt a folyamatot jelenti az elnevezésben a vivőérzékelés. Amennyiben a csatorna csendes, azaz egyik hoszt sem használja, akkor az állomás elküldheti az üzenetét. Az elküldött üzeneteket minden állomás veszi és a benne található címmező ellenőrzésével eldöntheti, hogy neki szól-e. A módszer alkalmazásakor felmerülhet az a helyzet, hogy amikor belehallgat egy állomás a csatornába, még csendes, de amikor az üzenetet elküldi, már másik hoszt is elküldött egy üzenetet. Ez összeütközést okoz, amit ki kell küszöbölni. Első lépésként fel kell ismerni az ütközést, amit a struktúra már alaphelyzetben biztosít, mivel minden állomás veszi az üzeneteket, ezért ha a küldő nem a saját üzenetét veszi, akkor az azt jelenti, hogy más is használja a közeget. Ennek az észlelésekor az üzenet küldését azonnal beszüntetik. A következő küldési kísérletet megelőzően minden adni készülő állomás egy véletlenszerű ideig várakozik, majd ismételten belehallgat a csatornába. Természetesen az az állomás küldheti el az üzenetét, amely a legrövidebb ideig várakozott. Ezzel a módszerrel az ütközés jelensége felismerhető és kiküszöbölhető.

A CSMA/CD technika nagyon jó módszer kis méretű, vagy gyér adatforgalmú hálózatokban. Ennek a magyarázata, hogy a nagyméretű hálózatokban a működés jelentősen lelassul, mivel a sok ütközés miatt az állomások jelentős idejüket várakozással töltik. További problémát jelenthet, hogy szintén a nagy kiterjedésű hálózatokban nem lehet garantálni, hogy minden állomás egy bizonyos időintervallumban képes lesz az üzenetét elküldeni.

Réselt gyűrű (Slotted Ring)

Ezt az átvitel-vezérlési módszert a gyűrű topológiára fejlesztették ki, bár elvileg sín topológiánál is alkalmazható. A felfűzött állomások megadott hosszúságú üzeneteket adnak körbe-körbe. Ezeket nevezik réseknek, ahonnan az elnevezés is származik. Minden résben van egy jelzés, ami jelzi ennek a foglaltságát. Az állomások akkor küldhetnek üzenetet, ha egy üres jelzésű rést vesznek. A résben elhelyezi az üzenetet, majd foglaltra állítja. Természetesen mivel a rés hossza állandó, ezért a továbbítandó adatmennyiséget fel kell ekkora darabokra osztani, és ezeket egyenként elküldeni. A küldő állomás feladata az üzenet kivonása a gyűrűből, majd a rés szabadra állítása. Előfordulhat, hogy a küldő meghibásodik azelőtt, hogy ki tudná vonni az üzenetet a gyűrűből. Annak érdekében, hogy ne keringjenek ilyen esetekben a feleslegesen lefoglalt rések, egy kinevezett állomás figyeli a gyűrűt és az olyan réseket, amelyek nem kerülnek alapállapotba, egy idő után eltávolítja.

A réselt gyűrűnél nem léphet fel ütközés, mivel csak abban az esetben van egy hosztnak küldési joga, ha egy nem foglalat rést vesz.

Regiszter beszúrásos gyűrű (Register Insertion Ring)

Ezt a módszert is a gyűrű topológiájú hálózatoknál alkalmazzák. A működése meglehetősen bonyolultnak tűnhet, azonban meglátjuk, hogy egy nagyon ötletesen kialakított technológiával van dolgunk. A hálózati illesztőben két regisztert használnak, amelyből az egyik léptetőregiszter. Felmerülhet a kérdés, hogy mi is az a regiszter, a léptetőregiszterről már nem is beszélve. A regiszterek adatok átmeneti tárolására szolgáló tárolóeszközök. Jellemzőjük, hogy kevés adatot képesek tárolni. A regisztereknek több fajtájuk ismeretes, a számunkra most legfontosabbak a párhuzamos- és a léptetőregiszterek. A párhuzamos regiszterek egy lépésben írhatók és olvashatók. Ezzel szemben a léptetőregiszterek egyik oldalán a digitális információ bitjei egyesével kerülnek tárolásra. Az, hogy hova kerül beírásra a bit, egy mutató határozza meg, amely mindig a legelső üres rekeszen áll. A mutató minden bit tárolása után egy helyiértékkel eltolásra kerül. A kiolvasás is így történik, a mutató által meghatározott rekesz tartalma kerül a kimenetre. A fent leírtakat szemlélteti az 5. ábra.

A kis kitérő után visszatérve a közeghozzáférés vezérléséhez, vizsgáljuk meg a 6. ábrán bemutatott felépítést.

A gyűrű indításakor a léptetőregiszter mutatója a kezdőpozícióban van, ebbe íródnak be az átviteli közegen érkező információk. Amikor tárolásra kerül egy bit, a mutató egy helyiértékkel balra léptetődik. A tárolás megkezdése után a hálózati interfész meghatározza az üzenetből a célállomás címét. Amennyiben nem neki szól, a kapcsoló 1-es állában állításával ki is lépteti a biteket. A vett információ mindig abba a rekeszbe íródik, amely éppen felszabadul. Miután az állomás vette az üzenet végét is, a maradék biteket is kilépteti, majd a mutató ismét a kezdő pozícióba áll.

Amennyiben a címdekódolás során kiderül, hogy az adott hosztnak szól, akkor a kapcsoló a 2-es állásba kerül, ezzel akadályozva meg az üzenet kiléptetését. Ezzel a hoszt kivonta a gyűrűből a neki szóló üzenetet.

Ha az állomás szeretne csomagot küldeni, akkor az a kimeneti tároló regiszterbe kell beírnia. Üzenet küldése csak akkor következhet be, ha a léptetőregiszterből az előzőleg vett csomag utolsó bitje is kiléptetésre került. Ekkor a kapcsoló 3-as állásba kerül, így a kimenetre kerül az üzenet, természetesen bitenként. Eközben a bemeneten esetlegesen vett információ feltölti a léptető regisztert. Miután kiürült a kimeneti regiszter, a kapcsolót ismét 1-es pozícióba állítva a vett információ küldésre kerülhet.

Osztott átvitelvezérlés

Szintén három különböző technikát mutatunk be. Ezeknél a megoldásoknál közös, hogy minden állomás a közeghez való hozzáférés vezérlésének a funkcióját is betölti a már megismert funkció mellett.

Vezérjeles gyűrű (Token Ring)

Ez a leggyakrabban használt közeghozzáférés vezérlési módszer a gyűrű topológiájú hálózatoknál. A gyűrűben egy speciális üzenet, a vezérjel (token) halad körbe-körbe a hosztok között. A vezérjel hordozza magában a hálózat foglaltságát. Amikor egy állomás veszi a tokent, megvizsgálja, hogy foglalt-e. Amennyiben szabad jelzést észlel, foglaltra állítja, majd az üzenetével együtt továbbküldi. Az üzenetet minden állomás veszi, majd megvizsgálja, hogy neki szól-e. Amennyiben igen, veszi az üzenetet, majd feldolgozza. Ha nem, egyszerűen továbbküldik. A küldő állomás veszi a saját üzenetét, kivonja azt a vezérjelből, szabadra állítja, majd továbbküldi. Így kerül a küldési jog ahhoz az állomáshoz, amely a küldést befejező után helyezkedik el.

Előfordulhat, hogy a küldő meghibásodik, így nem tudja az üzenetét kivonni a gyűrűből. Ez dugulást eredményez, ezért kijelölnek egy aktív felügyelő állomást. Ez figyeli az ilyen árva üzeneteket, és kivonja a gyűrűből. A többi állomás egyszerűen figyeli ezt a tevékenységet. Amennyiben meghibásodik az aktív felügyelő állomás is, valamelyik átveszi a helyét.

A módszerrel biztosítható, hogy minden állomás egy időtartamon belül küldési joghoz jusson. Lehetőség van fontossági sorrend (prioritás) felállítására is, ahol a fontosabb állomások előbb juthatnak küldési joghoz.

A fent leírtakat mutatja be a 7. ábra.

Vezérjeles sín (Tooken Bus)

A működése hasonlít a vezérjeles gyűrű működésére, azonban ez a sín topológiájú hálózatokra került kifejlesztésre. A sínre fűzött állomások egy logikai gyűrűt képeznek úgy, hogy az utolsó állomás után az első következik. A vezérjel ennek megfelelően halad a hosztok között körbe-körbe. Küldési joga annak van, aki a szabad jelzésű vezérjelet birtokolja.

A működés megfigyelhető a 8. ábrán.

Ütközést elkerülő, vivőérzékeléses többszörös hozzáférés (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance, CSMA/CA)

A módszer már ismerős lehet a CSMA/CD pont alatt bemutatottakból. Itt azonban nem léphet fel ütközés, amit a működés biztosít. Az adás előtt minden állomás belehallgat a csatornába. Ha csendesnek találja, akkor agy előre meghatározott ideig várakozik. Amennyiben ennek a leteltével sem használja más az átviteli közeget, megkezdheti adását.

Központosított közeghozzáférés vezérlés

A közös ezeknél a módszereknél, hogy a hálózatban van egy kitüntetett szerepű számítógép, amely elvégzi a közeghozzáférés vezérlését.

Lekérdezéses (Polling) vezérlés

Az ilyen módon működő hálózatokban van egy főállomás (master, mester) és vannak a mellékállomások (slave, szolga vagy secondary, másodlagos). A főállomás sorban kérdezi le a mellékállomásokat, hogy van-e küldenivalójuk. Amennyiben van küldenivalójuk, elküldik a főállomásnak, amely meghatározza a célállomást, majd továbbítja neki az üzenetet. Látható, hogy a mellékállomások csak a főállomás közvetítésével képesek egymással kapcsolatot létesíteni. Ha nincs küldenivalója a megszólított állomásnak, akkor egy negatív választ küld a főállomásnak, amely ezt véve folytatja a lekérdezést.

A megoldás előnye, hogy nem léphet fel ütközés, valamint megoldható, hogy akár több üzenetet is küldhessen egy állomás egymás után. Lehetőség van fontossági sorrend meghatározására is, amivel biztosítani lehet a fontos állomások gyakoribb adási jogosultságát. Komoly probléma, hogy a főállomás meghibásodása esetén az egész hálózat működése megbénul.

Vonalkapcsolás

Ennél a módszernél a főállomás kapcsolóáramköröket tartalmaz, amivel kialakíthatók az egymással kommunikálni kívánó állomások között a kapcsolat. Így tulajdonképpen minden ilyen esetben pont-pont kapcsolat jön létre. Ha az üzenetátvitel befejeződött, a kapcsolók bontásával a csatorna felszabadul. Lehetőség van egyszerre több kapcsolat kialakítására is, ehhez csupán több kapcsolóáramkört kell kialakítani.

Időosztásos többszörös hozzáférés (Time Division Multiple Access, TDMA)

Ezt a technikát elsősorban a sín topológiájú hálózatoknál használják. Minden állomás egy magadott időtartamban (időszeletben) adhat. Emennyiben nincs küldeni valója, az időszelet kihasználatlan marad.