animowane prezentacje zasad działania protokołów sieciowych

Dariusz Kościelnik
Jacek Stępień
Katedra Elektroniki
Akademia Górniczo-Hutnicza
al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków
[email protected], [email protected]
2006
Poznańskie Warsztaty Telekomunikacyjne
Poznań 7 - 8 grudnia 2006
ANIMOWANE PREZENTACJE ZASAD DZIAŁANIA PROTOKOŁÓW
SIECIOWYCH
Streszczenie: W artykule przedstawiono przykłady,
opracowanych przez autorów prezentacji multimedialnych,
wykorzystywanych podczas zajęć z przedmiotu Sieci
Komputerowe, dla studentów kierunku Elektronika.
Animacje przybliżają wybrane aspekty działania
protokołów sieciowych, pozwalając na łatwiejsze
zrozumienie dynamicznych procesów zachodzących w
sieciach transmisji danych.
1.
WPROWADZENIE
Specyfika zajęć z zakresu sieci komputerowych
prowadzonych dla studentów kierunku Elektronika w
Katedrze Elektroniki AGH wymaga rozszerzenia
klasycznych metod wykładowych, bazujących na
slajdach i foliach, o prezentacje multimedialne.
Pozwalają
one
na
pełniejsze
zobrazowanie
dynamicznych procesów zachodzących w sieciach
komputerowych.
Prezentacje
te
nie
stanowią
rozszerzenia zakresu materiałowego, omawianego na
wykładzie, a raczej pokazują te same zagadnienia w
sposób łatwiej trafiający do słuchacza. Ponieważ
pokazywanie animacji podczas wykładu raczej rozprasza
a nie utrwala materiał, wykorzystywane są one jako
jeden z elementów zajęć laboratoryjnych, realizowanych
już po wysłuchaniu przez studentów wykładu.
Techniki
multimedialne
stwarzają
obecnie
praktycznie nieograniczone możliwości przygotowania
wykładów, w postaci animacji, klipów video, czy też
prezentacji audiowizualnych. Ponieważ w omawianym
przypadku znacznie ważniejsze jest przekazaniu
określonej treści niż na wyszukana forma animacji,
podczas ich tworzenia skupiono się na dokładnym
zobrazowaniu mechanizmów działania wybranych
protokołów sieci komputerowych. Aby były one łatwiej
łączone przez studentów z całością materiału
prezentowanego na wykładach, forma graficzna animacji
oparta została o „statyczne” slajdy prezentowane
podczas wykładu.
Swoistej
ewolucji
podlegały
narzędzia
wykorzystywane do tworzenia prezentacji. Początkowo
wykorzystywano do tego oprogramowanie CorelMove,
natomiast od pewnego czasu realizowane są one na bazie
programów Macromedia Director i Macromedia Flash.
Zmiana narzędzi wymuszona została nie kwestiami
konieczności rozszerzenia możliwości oferowanych
przez programy narzędziowe, a raczej funkcjonalnością
samych animacji. Nowe oprogramowanie umożliwia
tworzenie form multimedialnych, do odtworzenia
których nie są konieczne żadne programy narzędziowe,
możliwe jest również stworzenie na ich bazie animacji,
dostępnych za pośrednictwem klasycznej przeglądarki
internetowej.
2. OPIS PREZENTACJI MULTIMEDIALNYCH
W kolejnych podpunktach pokrótce omówiono
część z zagadnień przedstawionych w postaci animacji,
dla poszczególnych protokołów sieciowych.
2.1. PROTOKÓŁ CSMA/CD
Prezentacje z zakresu protokołu CSMA/CD
podzielone zostały na dwie części:
• Część „wprowadzającą”, dotyczącą protokołu
i sieci CSMA (ang. Carier Sense Multiple Access)
• Omówienie protokołu CSMA/CD (ang. Carier
Sense Multiple Access – Collision Detection) na
przykładzie sieci Ethernet w standardzie IEEE802.3
W części pierwszej przedstawiany jest materiał
dotyczący metod śledzenia i przejmowania kanału
transmisyjnego
oraz
mechanizm
transmisji
i
pozytywnych potwierdzeń, wykorzystywany w sieciach
CSMA. W formie animacji zobrazowane zostały
algorytmy bez nalegania (ang. non-persistent), z
naleganiem typu P (ang. p-persistent) i z naleganiem
typu I (ang. I-persistent). Szczególna uwaga zwracana
jest na fakt możliwości różnego zinterpretowania stanu
zajętości kanału transmisyjnego przez stacje podłączone
do magistrali w różnych jej punktach, związany ze
skończonym czasem propagacji sygnału wzdłuż medium
transmisyjnego. Przedstawiono również mechanizm
retransmisji zagubionych ramek, z uwzględnieniem
pseudolosowej generacji czasu opóźnienia retransmisji.
W części drugiej prezentacje skupiają się na
podkreśleniu nowych mechanizmów, poprawiających
efektywność protokołu sieciowego, wprowadzonych
przez standard CSMA/CD. Główny nacisk położony
został na zaprezentowanie procedury obsługi kolizji,
generację i detekcję sygnału JAM oraz algorytm
back-off (ang. binary exponential algotithm). Ponadto
jedna z prezentacji wyjaśnia zależności, z których
wynika konieczność wprowadzenia minimalnej długości
ramki transmisyjnej. Przykładowy wygląd ekranu z
animacji dotyczących sieci CSMA/CD przedstawiono na
Rys. 1.
Rys.1. Przykład jednego z ekranów animacji dotyczącej sieci CSMA/CD
2.2. PROTOKÓŁ TOKEN BUS
Pomimo, iż współcześnie protokół sieciowy Token
Bus jest niewykorzystywany w praktycznych
zastosowaniach, z punktu widzenia dydaktyki stanowi
bardzo ciekawy przykład ewolucji protokołów
magistralowych w kierunku sieci pierścieniowych.
Struktura fizyczna sieci TokenBus bazuje na topologii
magistrali,
logicznie
metoda
transmisji
jest
charakterystyczna dla sieci pierścieniowych.
W kolejnych prezentacjach przedstawiono zasadę
działania mechanizmu przekazywania tokena pomiędzy
stacjami, oraz typy transmitowanych w tej sieci ramek.
Uwaga zwracana jest na zagadnienie adresacji,
pozwalające na transmisję zarówno pomiędzy stacjami z
pętli logicznej, jak również możliwość komunikacji ze
stacjami spoza pętli logicznej, podłączonymi do
wspólnej magistrali.
Niezwykle charakterystycznym procesem dla sieci
TokeBus jest przyłączanie nowych stacji do pierścienia
logicznego oraz modyfikacja pętli w momencie
zamierzonego lub awaryjnego odłączenia jednej lub
kilku stacji. Procedura przyłączania nowego terminala
do pętli logicznej jest również podstawą do
zobrazowania procesu rywalizacji adresów fizycznych
interfejsów sieciowych, determinującego która stacja
zostanie w danym momencie przyłączona do pętli.
Proces rywalizacji adresów oraz metodę wyboru stacji –
generatora tokena, przedstawia kolejna prezentacja. Obie
omówione powyżej prezentacje stanowią również
podstawę do zobrazowania różnic procesów rywalizacji,
nadzorowanej przez stację monitorującą proces oraz bez
arbitrażu.
Przykładowy zrzut ekranowy z animacji
dotyczących sieci TokenBus przedstawiono na Rys. 2.
Rys. 2. Ekran z prezentacji protokołu Token Bus
2.3. PROTOKÓŁ TOKEN RING
Kolejnym protokołem, który przedstawiany jest za
pomocą animacji jest Token Ring. W tym wypadku na
podstawie porównania z omawianym wcześniej
protokołem TokenBus pokazywane są
zalety
wykorzystania fizycznej struktury pierścieniowej,
łącznie z pierścieniowa logiką transmisji. Ponieważ jest
to pierwszy z omawianych protokołów pierścieniowych
prezentacje rozpoczynają się od zobrazowania metod
generacji tokena oraz usuwania ramek z sieci. W
animacjach przedstawiono metody transmisji z
pojedynczym i wielokrotnym tokenem (ang. single,
multiple token) oraz mechanizm usuwania ramek przez
stację źródłową i docelową (ang. source, destination
removal). Właściwości protokołu omówione są na bazie
najpopularniejszej implementacji, jaką jest IBM Token
Ring. Szczególny nacisk w prezentacji położono na
przedstawienie funkcjonalności jednobitowych buforów
opóźniających, wykorzystywanych przez stacje w sieci
oraz możliwości poprawnego rozpoznania wolnego i
zajętego tokena. Przedstawiono zaimplementowaną w
omawianym protokole metodę rezerwacji tokena i
priorytetyzacji transmisji. Ponieważ w tego typu sieci po
raz pierwszy występuje stacja monitora, więc dokładnie
omówiono i przedstawiono metodę wyboru stacji
monitora oraz dodatkowe zadania realizowane przez tę
stację. Zobrazowano mechanizm usuwania krążących
ramek przez stację monitora, wykrycia zagubienia i
generacji
nowego
tokena
oraz
konieczność
wprowadzenia i zasady regulacji dodatkowego
opóźnienia wnoszonego przez monitor sieci.
Przykładowy
wygląd
ekranu
prezentacji
multimedialnej omawiającej protokół Token Ring
przedstawiono na Rys. 3.
2.4. PROTOKÓŁ FDDI
Ostatnią z sieci „kablowych” omawianą podczas
zajęć stanowi rodzina protokołów FDDI (ang. Fiber
Distribution Data Interface). Zakres prezentacji
dotyczących tego protokołu ograniczony został do
standardu FDDI I. Wstępne animacje przedstawiają
problem powstawania opóźnień oraz przyspieszania
obiegu pętli przez token oraz sposób reakcji stacji na
odebranie tokena z wyprzedzeniem i opóźnieniem
czasowym. Na tej podstawie prezentowana jest następnie
zasada transmisji stacji w sieci FDDI, ze szczególnym
uwzględnieniem podziału transmitowanych danych na
dane synchroniczne i asynchroniczne. Prezentacje
podkreślają ukierunkowanie sieci FDDI na transmisję
danych synchronicznych oraz podrzędną role transmisji
danych asynchronicznych. Na podstawie przykładzie
pętli z dwoma aktywnymi stacjami prezentowany jest
efekt przesunięcia fazy licznika odmierzającego czas do
kolejnego otrzymania wolnego tokena przez stację, które
prowadzi do stałego opóźnienia tokena i w efekcie
całkowitego
uniemożliwienia
transmisji
asynchronicznych jednej ze stacji.
Jedna z prezentacji poświęcona jest mechanizmowi
inicjalizacji pętli w sieci FDDI oraz zasadom ustalania
parametrów
działania
sieci.
Na
zakończenie
prezentowany jest zasada działania podwójnego
pierścienia w sieci FDDI oraz reakcje stacji typu SAS
(ang. Single Atachment Station) oraz DAS (ang. Dual
Atachment Station) na uszkodzenie pierścienia
pierwotnego. Prezentowane są metody rekonfiguracji
pierścienia oraz następstwa wystąpienia awarii.
Przykładowy ekran prezentacji przedstawiono na
Rys. 4.
2.5. PROTOKÓŁ FDDI
Materiał przedstawiany podczas wykładu z Sieci
Komputerowych obejmuje jeszcze dwa inne protokoły
sieciowe: FDDI II oraz DQDB (ang. Distributed Queue
Dual Bus). W przypadku tych protokołów znacznie
trudniejsze jest opracowanie animacji, które w czytelny
sposób przedstawiałyby zasady działania całej sieci
Rys. 3. Prezentacja sieci Token Ring
Rys.4. Prezentacja sieci FDDI
„Szczelinowy” charakter procesu transmisji powoduje,
że animacje charakteryzować się muszą znacznie
bardziej rozbudowaną formę graficzną, a to z kolei
powoduje rozpraszanie uwagi i problemy z
wyselekcjonowaniem
najistotniejszych
procesów.Dlatego w tym przypadku animacje
ograniczyliśmy
do
kilku,
najbardziej
charakterystycznych cech protokołu, bez bardziej
ogólnego odwoływania się do struktur sieciowych. W
przypadku sieci FDDI II prezentujemy animacje
dotyczące struktury i tworzenia kanałów WBC (ang.
Wide Band Chanel), transmisji izochronicznych z
uwzględnieniem mechanizmów wykrywania błędów
przez stację monitora oraz realizacji transmisji
synchronicznych/asynchronicznych.Dla sieci DQDB
zrealizowaliśmy animacje przedstawiające transmisję
danych synchronicznych, w trybie połączeniowym z
rezerwacją szczelin (ze szczególnym uwzględnieniem
procesu rezerwacji), tworzenia rozproszonej kolejki oraz
mechanizmy dostępu do medium transmisyjnego.
3.
PODSUMOWANIE
Przedstawione
prezentacje
multimedialne
wykorzystywane są podczas zajęć ze studentami jako
uzupełnienie wykładu z przedmiotu Sieci Komputerowe.
Wykorzystane do stworzenia animacji narzędzia
pozwalają na ich prezentację w postaciciągłego „filmu”,
umożliwiają również zatrzymanie animacji w dowolnym
momencie, w celu np. szerszego omówienia
prezentowanego aktualnie zagadnienia. Pozwalają one
również na bardzo proste ustawianie parametrów
animacji, takich jak prędkość odtwarzania, co pozwala
na łatwe spowolnienie czy przyspieszenie animacji, w
zależności od stopnia ważności informacji bądź
zaawansowania wiedzy słuchaczy. Możliwe jest ponadto
odtworzenie przez studenta animacji na dowolnym
komputerze, dzięki czemu mogą one zostać
wykorzystane do nauki w domu.
Niewątpliwie zakres prezentowanych animacji nie
pokrywa w pełni wszystkich zagadnień związanych z
protokołami sieciowymi, omawianymi podczas wykładu.
Ponieważ jednak stworzone dotychczas animacje są od
siebie zupełnie niezależne, możliwa jest ich ciągła
aktualizacja i unowocześnianie, co pozwala na ich
dopasowanie do zakresu materiałowego omawianego
podczas konkretnego kursu.
W zakresie protokołów prezentowanych w
animacjach nie znalazły się jak dotychczas protokoły
sieci bezprzewodowych. Wynika to z faktu, że tematyka
wykładu ograniczona jest jedynie do protokołów
lokalnych sieci „kablowych”. Ponieważ od bieżącego
roku akademickiego autorzy prowadzić będą również
zajęcia z przedmiotu Sieci Bezprzewodowe planowane
jest również stworzenie animacji uzupełniających dla tej
tematyki. Aktualnie animacje takie są tworzone,
ukończone są prezentacje protokołów Aloha,
IEEE802.11 oraz Bluetooth, w najbliższym czasie
zrealizowane zostaną również prezentacje dotyczące
sieci IEEE802.16 i Hiperlan.
SPIS LITERATURY
[1] Krzysztof Brzeziński, Sieci lokalne,
Wydawnictwo Politechniki Warszawa 1995
[2] Krzysztof Nowicki, Józef Woźniak, Sieci LAN,
MAN i WAN – protokoły komunikacyjne,
Wydawnictwo Fundacji Postępu Telekomunikacji
Kraków 1998
[3] Mark Sportack, Sieci komputerowe. Księga
eksperta, Helion 1998
[4] Andre Persidsky, Po prostu Macromedia
Director 7, Helion, Gliwice 2000