3. Verkkoarkkitehtuurit

Kahdessa ensimmäisessä luvussa keskityimme verkon fyysiseen rakenteeseen. Tässä luvussa keskitymme siihen, miten saamme yhteyden verkon kaapeleihin. Ensimmäinen menetelmä perustuu periaatteeseen "ensimmäisenä perillä olevaa palvellaan ensin". Toisessa menetelmässä, vuoromerkin käytössä, odotetaan omaa vuoroa. Kolmas metodi on kysynnän priorisointi. Tutustumme myös tavallisimpiin verkkoarkkitehtuureihin (Ethernet ja Token Ring).

3.1 Verkkoon pääsyn metodit

Verkkotekniikassa pääsy johonkin resurssiin tarkoittaa mahdollisuutta käyttää tuota resurssia. Houkutteleva lähtökohta - ja välttämätön!

Varausmetodi ja kaapelin liikenteen kontrollointi

Varausmetodiksi (access method) kutsutaan niiden sääntöjen joukkoa, jotka määräävät, miten tietokoneet vievät tietoa kaapeliin ja noutavat tietoa kaapeleista.

Verkko on kuin rautatie, jota pitkin monet junat liikkuvat. Rautatieasemat katkaisevat muuten yhtenäisen rataverkon. Kun yksi juna on raiteilla, muiden junien on noudatettava jotain sääntöä, joka kertoo niille, milloin ja miten ne voivat lähteä mukaan liikennevirtaan. Ilman selkeitä sääntöjä asemalta lähtevä juna saattaisi törmätä jo raiteella olevaan junaan.

Rautatieverkoston ja tietokoneverkon välillä on kuitenkin eräitä tärkeitä eroja. Verkossa kaikki liikenne näyttää kulkevan samanaikaisesti ilman keskeytystä. Tämä on kuitenkin illuusiota, sillä todellisuudessa tietokoneet pääsevät verkkoon kukin vuorollaan, vaikka nämä varausvuorot toteutuvatkin hyvin pienten aikavälien sisällä. eli ero johtuu tietoverkkojen liikenteen nopeudesta.

Useiden tietokoneiden on jaettava pääsy kaapeliin. Mutta jos kaksi tietokonetta veisi dataa kaapeliin yhtä aikaa, niiden datapaketit törmäisivät toisiinsa ja kummankin paketit tuhoutuisivat, ks. kuva 46.

Kuva 46. Törmäys, mikä johtuu siitä, kun kaksi konetta vievät dataa kaapeliin yhtäaikaa.

Jos dataa on lähetettävä verkkoon käyttäjältä toiselle tai data on haettava palvelimilta, on oltava jokin metodi, jolla data voidaan viedä kaapeliin ilman että se törmää toiseen dataan. Vastaanottavan koneen on puolestaan oltava varma siitä, että sen vastaanottama data ei ole tuhoutunut lähetyksen aikana datalähetyksen törmäyksen johdosta.

Varausmetodien on oltava yhdenmukainen siinä tavassa, jolla ne käsittelevät tietoa. Jos eri tietokoneet käyttäisivät  erilaisia metodeja, verkko kaatuisi, koska jokin metodeista pääsisi hallitsemaan kaapelia. Varausmetodit siis estävät samanaikaisen pääsyn kaapeliin.

Seis! Katso rompulta videot 19, 20 ja 21 siitä, miten varausmetodit auttavat varmistamaan datan järjestelmällisen siirtämisen verkossa.


Tärkeimmät varausmetodit

Kaapelin simultaanikäytön estämiseksi on kolme tapaa:


CSMA/CD-metodi

Menetelmässä kukin verkon tietokone, asiakaskoneet ja palvelimet mukaan lukien, tarkistaa kaapelin verkkoliikenteen. Vain silloin kun tietokone aistii, että kaapeli on vapaa ja siinä ei ole liikennettä, se voi lähettää tietoa. Heti kun yksi tietokone on lähettänyt dataa kaapeliin, muiden tietokoneiden lähetys estetään siihen saakka kunnes siirtyvä data on saavuttanut määränpäänsä ja kaapeli on taas vapaa. Jos kaksi tai useampia tietokoneita sattuu lähettämään tietoa yhtä aikaa, tapahtuu yhteentörmäys. Silloin kumpikin tietokone lopettaa lähettämisen satunnaiseksi ajaksi ja yrittää sen jälkeen uudelleen. Kukin tietokone määrittelee itse omat odotusaikansa: tämä vähentää sitä mahdollisuutta, että kaksi tietokonetta odottaa samaan aikaan ja lähettää jälleen samanaikaisesti.

Tässä mielessä metodin nimi on looginen: tietokoneet kuuntelevat kaapelia (carrier sense). Tavallisesti useampi tietokonetta yrittää lähettää dataa täsmälleen yhtä aikaa (multiple access), ja kukin niistä kuuntelee mahdollisia datan törmäyksiä (collision detect) siltä varalta, että niiden on odotettava jokin satunnainen aikaväli ennen kuin ne voivat lähettää uudelleen.

Täsmäyksen tarkistusmahdollisuus on parametri, josta aiheutuu CSMA/CD-metodille tietty etäisyysrajoitus. Vaimentumisilmiön vuoksi törmäyksen tarkistus ei ole tehokasta 2500 m pidemmällä matkalla. Segmentit eivät voi aistia signaalia yli tämän etäisyyden ja siten ne eivät voi tietää onko pitkän kaapelin päässä tietokone lähettämässä ja aiheuttamassa mahdollista datan törmäystä.

Seis! Katso rompulta videot 22 ja 23 joissa näet demot CSMA/CD-metodista.


Kilpailumetodi

CSMA/CD tunnetaan kilpailumetodina, koska verkon tietokoneet kilpailevat mahdollisuudesta lähettää dataa. Tämä saattaa vaikuttaa kummalliselta tavalta viedä dataa kaapeliin, mutta nykyisillä tavoilla CSMA/CD-metodit ovat niin nopeita, etteivät käyttäjät ole edes tietoisia siitä, että he käyttävät kilpailutyyppistä varausmetodia.

Seis! Katso rompulta videot 24, mikä selittää sen, miksi CSMA/CD:tä pidetään kilpailukykyisenä kilpailumetodina.


Vuoromerkin käyttö

Vuoromerkin käytöksi tai välittämiseksi (token passing) kutsutussa varausmetodissa erityinen paketti, jota sanotaan vuoromerkiksi, kiertää kaapelinrenkaassa tietokoneelta toiselle. Kun jokin tietokone renkaassa haluaa lähettää dataa verkkoon, sen on odotettava vuoromerkkiä. Kun tietokone havaitsee vapaan vuoromerkin, se voi ottaa merkin haltuunsa. Tämän jälkeen tietokone voi alkaa lähettää dataa. Se on ottanut kontrolliinsa renkaan vapaan vuoromerkin ja lähettää tietoa koneelle, jonka osoite on 400080865402 (vrt. kuva 47.).

Kuva 47. Vuoromerkin käyttö varausmetodina.

Kun vuoromerkki on jonkin tietokoneen käytössä, muut tietokoneet eivät voi lähettää. Koska vain yksi kone  kerrallaan käyttää merkkiä, ei kilpailua tai törmäyksiä esiinny eikä aikaa kulu verkon liikenteen vuoksi muiden tietokoneiden uudelleenlähetysten odottamiseen.

Kysynnän priorisointi

Kysynnän priorisoinnissa voi  kaksi tietokonetta (CSMA/CD:n tavoin) aiheuttaa kilpailutilanteen yrittämällä lähettää dataa samaan aikaan. Tässä menetelmässä on kuitenkin mahdollista toteuttaa kaavio, jonka mukaan tietyn tyyppiset datat saavat etusijan kilpailutilanteessa. Jos kaksi pyyntöä saapuu keskittimeen samaan aikaan, palvellaan ensin korkeamman prioriteetin pyyntöä. Jos molemmat pyynnöt kuuluvat samaan prioriteettiluokkaan, palvellaan molempia vaihtelemalla niiden välillä. Kysynnän priorisoinnissa tietokoneen voivat vastaanottaa ja lähettää samaan aikaan, koska kaapelointiskeema on määritelty tälle metodille. 

Kysynnän priorisoinnissa kommunikointia tapahtuu vain lähettävän tietokoneen, keskittimen ja vastaanottavan tietokoneen välillä. Tämä on tehokkaampaa kuin CSMA/CD.ssä, joka lähettää data aina koko verkkoon. eli kysynnän priorisoinnissa on seuraavat edut CSMA/CD:hen nähden:

Kun vedämme yhteen kaikki varausmetodien ominaisuudet, homma näyttää pääpiirteissään seuraavalta:

Toiminto CSMA/CD CSMA/CA Vuoromerkki Priorisointi
Kommuni-
kointityyppi
Lähetys kaikille Lähetys kaikille Vuoromerkki-
pohjainen
Keskitin-
pohjainen
Varausmetodi Kilpailu Kilpailu Ei kilpailua Kilpailu
Verkkotyyppi Ethernet LocalTalk Token ring
Arcnet
100vg-Anylan

Kertauksena voidaan sanoa, että