В случае использования несколькими передатчиками одного канала передачи данных (при условии, что все подключенные к этому каналу приемники должны иметь возможность принимать сигналы всех пере­датчиков) практически всегда требуется эффективное решение задачи управления доступом к среде передачи. В рассмотренных ранее систем­ных и периферийных шинах управление доступом к шине несколь­ких передатчиков и приемников осуществляется посредством механизма арбитража шин. В сетевых телекоммуникациях применение такого ре­шения оказывается неприемлемым из-за значительной протяженности среды передачи данных и обусловленных этим существенных задержек арбит­ражных запросов и ответов. Использование внеполосных сигналов для арбитража невозможно, так как обычно все синхронизирующие и другие служебные сигналы распространяются в той же среде, что и данные.

       Прием сигналов двух и большего количества одновременно рабо­тающих передатчиков как правило приводит к невосстановимой потере данных. Ситуация, когда приемник слышит сигнал двух или более передатчиков, носит название коллизии (от лат. collision –столкнове­ние). Так как сигнал распространяется по среде с конечной скоростью, то во многих современных сетях время распространения кадра данных по среде сравнимо с временем его передачи. При этом последовательность событий оказывается обусловленной тем, из какой точки сети эти собы­тия наблюдаются: вполне может оказаться, что один приемник получит два разнесенных по времени кадра, второй же обнаружит коллизию.

       Время распространения кадра данных по сети определяется ее геометри­ческими размерами и скоростью распространения сигнала. Важнейшим параметром является так называемый диаметр сети: наибольшее рас­стояние между двумя приемопередатчиками (пространственное для бес­проводных сетей или по кабелю для сетей кабельных). Для сетей с выде­ленной центральной станцией важнейшим параметром оказывается ра­диус сети: расстояние от центральной станции до самой удаленной рабо­чей станции. Размер сети часто измеряют не линейными единицами, а временем прохождения сигнала. Это особенно важно для кабельных се­тей, в которых скорость прохождения сигнала отличается от световой, а также возможна ситуация, когда скорость прохождения сигнала различна в разных сегментах сети (например, при сочетании медных и волоконно-оптических кабелей или кабелей и радиосегментов).

       Множество рабочих станций, функционирование которых может приводить к возникновению коллизий, на­зывается доменом коллизий. Вероятность возникновения коллизии зависит от степени вероятности одновременной передачи данных каж­дой станцией и общего количества работающих станций.

       Один из способов решения проблемы доступа к среде в простейшем случае двухточечного канала является прокладка двух однонаправлен­ных каналов навстречу друг другу. Второй способ состоит в том, что приемник вычитает из сигнала, распространяющегося в кабеле, сигнал собственного передатчика. Этот способ используется сущест­венно реже, потому что требует значительного усложнения приемника.

       В сетях с чисто кольцевой топологией управление доступом к среде осуществляется посредством использования так называемого маркера, который предваряет сообщение. Такой маркер обычно представляет со­бой короткий кадр, состоящий из стандартной преамбулы и поля, указы­вающего, что за маркером не следует данных. Маркер также может со­держать поле приоритета. При маркерном управлении доступом в коль­цевой сети в ситуации, когда какой-либо станции нечего передавать, она безусловно транслирует проходящий через нее маркер. Если всем станциям нечего передавать, пустой маркер циркулирует по кольцу. На­конец, если у какой-то из станций появляются данные для передачи, то эта станция, получив маркер, захватывает его и передает кадр. Получа­тель кадра может принять его (если имеет свободные буферы) или может отказаться от приема, отметив в трейлере кадра этот факт. Безотноси­тельно к этому, он транслирует полученный кадр дальше по кольцу. Задача удаления кадра из кольца возлагается на отправителя. Таким образом отправитель может узнать судьбу своих данных: нашли ли они адре­сата, и если нашли, то были ли приняты. Смысл удаления кадра отправителем заключается в обеспечении «справедливого» управления доступом: удаление кадра из кольца сопровождается генерацией свободного марке­ра. Если бы оно производилось получателем, то какая-либо из пар «отправитель–получатель» могла бы завладеть маркером на неограниченное время. Маркерные кольца имеют ряд преимуществ, главным из которых яв­ляется хорошая реакция на перегрузку: не получив маркер, сетевой ин­терфейс ничего не может передать, что обеспечивает эффективное распределение доступа к среде и возможность передачи данных реально­го времени, в том числе и в сочетании с пакетными данными. Недостат­ком маркерных колец является необходимость ожидания маркера, что при низкой загрузке сети может привести к неоправданно большим за­держкам. Наличие нескольких маркеров в кольце сглаживает этот недостаток.

       Технология передачи маркера имеет успех не только в физически кольцевых сетях, но и в некоторых сетях шинной и звездообразной топологии. В ряде сетей маркер передается по шине. Маркер содержит адрес станции, которая имеет право начать передачу.

      Существуют два основ­ных способа генерации маркера: логическое кольцо и выделенный кон­троллер. В логическом кольце маркер поочередно генерируется всеми станциями. Получив маркер, станция, возможно, посылает пакет данных и после этого обязана породить маркер для следующей по кольцу стан­ции. Определенную сложность при этом представляет включение новых станций в логическое кольцо. В сетях с контроллером маркер генериру­ется одним устройством. В некоторых сетях контроллер выбирается ди­намически и им может оказаться любой (или почти любой) адаптер: на­пример, при включении сети или пропадании старого контроллера (про­падание определяется по отсутствию маркера в течение определенного интервала) производятся выборы, в которых побеждает станция с наи­меньшим адресом. В шинных сетях основной недостаток маркерной схемы – большие задержки – не может быть скомпенсирован запуском нескольких маркеров, поэтому маркерные шины эффективны лишь в низкоскоростных сетях и при небольшом количестве станций.

       Для широковещательных сред передачи без централизованного ар­битра распространенным решением проблемы доступа к среде является применение соревновательного механизма доступа.

       Простейший протокол соревновательного доступа к среде был реали­зован в начале 1970-х годов в экспериментальной радиосети ALOHANet (название ALOHA не является аббревиатурой). Использо­ванный в этой сети протокол достаточно прост и состоит в том, что станции передают пакеты данных, когда сочтут нужным. Если в результате произойдет коллизия, считается, что этому пакету «не повезло». Не по­лучив в течение определенного времени подтверждения на отправлен­ный пакет, станция делает вывод, что он был потерян, и повторяет пере­дачу. Главный смысл механизма доступа протокола ALOHA, воспроизведенного позднее в ряде других протоколов доступа к среде, заключается в том, что повторять передачу сразу после истечения таймера нельзя: если пакет был потерян в результате коллизии, то вторая станция также сделает по­вторную попытку передачи. Если интервал между попытками определя­ется только тайм-аутом ожидания подтверждения, все последующие по­пытки также будут приводить к коллизиям и, следовательно, к блокиров­ке. Чтобы избежать блокировок в сетях ALOHA время ожидания перед повторной передачей определяется генераторами случайных чисел. Оче­видно, что пропускная способность среды с таким алгоритмом управле­ния доступом будет невелика: коллизии редки только при малом числе посылаемых пакетов. Преимуществами стратегии ALOHA являются простота и нечувствительность к диаметру сети – эта стратегия работо­способна практически при любых условиях. Характерным преимущест­венным свойством ALOHA и других подобных алгоритмов разрешения коллизий является малая задержка при низких уровнях загрузки сети. В этих ус­ловиях средняя величина задержки в сетях с соревновательным досту­пом значительно меньше, чем в маркерных – несмотря на то, что макси­мальная величина задержки в такой сети вообще ничем не ограничена. Напротив, в маркерных сетях существует гарантированное максимальное время задержки (за это приходится расплачиваться увеличением значений мини­мальной и средней задержек).

       Сравнительный анализ относительного распространения маркерных и соревновательных сетей показывает, что при построении локальных сетей разработчики склонны предпочитать низкую среднюю задержку гарантированной максимальной, а малую эффективность соревнователь­ных сред компенсировать разделением домена коллизий и расширением полосы пропускания.

Одним из эффективных приемов повышения производительности соревновательных сетей является разделение домена коллизий. Напри­мер, при разделении частотного диапазона на два поддиапазона и работе одной половины станций в одном поддиапазоне, а второй половины – в другом, происходит разделение сегмента, за который происходит сорев­нование, на две части. При этом ожидаемое число попыток передачи уменьшается более чем вдвое.

       Ряд протоколов соревновательного доступа используют экспоненциальный откат – при каждой последующей коллизии время ожидания увеличивается в определенное число раз (чаще всего в два раза). Это по­зволяет сохранить низкие задержки при малых загрузках и сгладить ко­роткие всплески сетевой активности. Экспоненциальный откат в некото­рых случаях приводит к «несправедливому» распределению пропускной способности. А именно, при множественной коллизии, в которой участ­вовало несколько станций, та станция, которой удалось успешно пере­дать пакет, начинает следующую попытку с нулевым счетчиком колли­зий и будет использовать при следующей коллизии меньший интервал ожидания. Чтобы компенсировать это явление, многие протоколы, применяющие экспоненциальный откат, ограничивают количество попы­ток повторных передач после коллизии.

Существенного улучшения характеристик сети можно добиться, синхронизировав передатчики (то есть заставив их всех начинать переда­чу в дискретные промежутки времени). На практике это вдвое снижает интервал перекрытия пакетов, а максимальная пропускная способность сети оказывается вдвое выше и достигается при вдвое большей интен­сивности посылки пакетов. Такую реализацию доступа к среде называют дискретной (или синхронной) ALOHA. Однако из-за конечной скорости распространения сигналов возникает следующая ситуация: тот момент времени, который с точки зрения одного приемника является началом дискретного интервала, с точки зрения другого приемника не попадает на начало интервала. В результате этого синхронная ALOHA применима лишь в сетях с выделенной базовой станцией. Кроме того, синхронная ALOHA требует согласования часов передатчиков. На практике это час­то достигается рассылкой синхросигналов с базовой станции. При значи­тельных диаметрах сети интервалы часто приходится разделять защит­ными паузами.

       Практически важным усовершенствованием протокола ALOHA яв­ляется протокол CSMA (Carrier Sence Multiple Access –множественный доступ с контролем несущей), который состоит в том, что станция перед началом передачи прослушивает среду и только убеждаясь, что никто больше не передает, начинает свою передачу. Из-за конечного времени распространения сигнала это не исключает возможности коллизий, но оказывается эффективным. В отличие от ALOHA, этот протокол устанавливает ограничение на диаметр сети: если время распространения сигнала по сети превосходит время передачи самого короткого из воз­можных пакетов, он сводится к базовому ALOHA. He удается также отказаться и от подтверждений на отправленные пакеты. Значительное улучшение характеристик CSMA может быть достигнуто за счет отказа от «настойчивости»: если станция при попытке передачи обнаруживает, что среда занята, она не начинает свою передачу сразу по освобождении среды, а выжидает случайный промежуток времени, как и при коллизии. «Ненастойчивый» CSMA устойчив в том смысле, что график пропускной способности в зависимости от активности не имеет максимума и асим­птотически (хотя и относительно медленно) приближается к 1. За это приходится платить увеличением задержек и некоторым снижением эф­фективности при низких загрузках. В целом CSMA представляет лишь некоторое улучшение по сравнению с базовыми вариантами ALOHA. Тем не менее CSMA, ALOHA и их варианты часто используются, но обычно их роль оказывается вспомогательной.

Важное улучшение алгоритма CSMA может быть достигнуто, если передатчик прослушивает среду не только до начала передачи, но и во время передачи. Таким образом, коллизия может быть обнаружена не только по отсутствию подтверждения от приемника, но и непосредст­венно во время ее возникновения. Это позволяет отказаться от подтвер­ждений, но ограничение на размер сети становится критически важным. Такой алгоритм (и соответствующий протокол) имеет название CSMA/CD (Carrier Sence Multiple Access/Collision Detection – множественный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий). Размер пакета в CSMA/CD должен быть ограничен как сверху, так и снизу. Ограничение сверху обусловлено, во-первых, желанием обеспе­чить «справедливость» – имея возможность передавать пакеты неограни­ченной длины, станция может занять среду на практически неограничен­ное время (по этой же причине запрещено передавать кадры вплотную один за другим); во-вторых, как и во всех других пакетных протоколах, станции должны иметь буфер, достаточный для приема пакета (иначе они попросту не смогут его принять); в третьих, использование длинных пакетов сведет на нет главное преимущество соревновательных сред – малые задержки. Ограничение снизу обусловлено требованием, чтобы самый короткий из пакетов успевал распространиться по всей среде и все станции, которые могли бы начать за это время передачу, обнаружили бы столкновение. Для этого время передачи минимального пакета должно превосходить удвоенное время прохождения сигнала по среде.

       CSMA/CD можно рассматривать как протокол, переходный от чисто соревновательных протоколов к обширному семейству протоколов с ре­зервированием пропускной способности: передав начало пакета (размер которого определяется диаметром сети), абонент резервирует среду пе­редачи на весь остальной пакет. Для резервирования используется алго­ритм CSMA. Реальная производительность CSMA/CD определяется не только интенсивностью передачи, но и средней длиной пакета. Увеличе­ние длины пакета приводит к повышению эффективности.

Алгоритм CSMA/CD удобен в кабельных сетях, где затухание сигна­ла на пути от передатчика к приемнику невелико. В беспроводных сетях мощность собственного сигнала на антенне нередко превосходит мощ­ность принимаемых сигналов на несколько порядков. В этих условиях обнаружение коллизий практически не реализуемо, но большой успех имеет родственный протокол, называемый CSMA/CA (Carrier Sence Multiple Access/Collision Avoidance – множественный доступ с контролем несущей и избежанием коллизий). Другое название этого протокола – МАСА (Multiple Access with Collision Avoidance – множественный доступ с из­бежанием коллизий). CSMA/CD использует для резервирования алго­ритм CSMA, a CSMA/CA – алгоритм ALOHA.

Станция, желающая передать пакет данных, сначала посылает в сеть запрос RTS (Request To Send – запрос на отправку) с указанием адресата будущего пакета. Если адресат нормально принимает этот пакет, то он посылает CTS (Clear To Send – разрешение отправки) с указанием адреса от­правителя. Получив CTS, отправитель передает пакет данных и ждет под­тверждения АСК (ACKnowledge – подтверждение). Все остальные станции, услышав обмен пакетами RTS/CTS, воспринимают это как резервирование полосы пропускания и воздерживаются от каких-либо передач или до прохода пакета АСК, или (если в течение заданного интервала времени АСК не последует) выжидают, как при коллизии, случайный интервал времени.