54. Колективний метод доступу до середовища (csma/cd)

Найбільш розповсюдженим методом колективного доступу є той, який використовується у мережах Ethernet – метод колективного доступу із визначенням несучої та виявленням колізій (carrier-sense-multiply-access with collision detection, CSMA/CD). Цей метод використовується у мережах із спільним розділюваним середовищем. До таких мереж можна віднести і радіомережі, розвиток яких і призвів до появи даного методу. Також до них можна віднести мережі, побудовані за фізичною шинною топологією або зірковою, якщо у якості центрального вузла зірки виступає концентратор (тоді можна говорити про так звану вироджену шину, оскільки цей пристрій також являє собою спільне розділюване середовище для всіх вузлів мережі). У такому випадку кабель, до якого під’єднано всі станції, працює у режимі колективного доступу (multiply-access, MA).

Усі дані, які передаються мережею, поміщаються в кадри визначеної структури і забезпечуються унікальною адресою станції призначення (МАС-адресою). Потім кадр передається по кабелю. Усі станції, підключені до кабелю, можуть розпізнати факт передачі кадру, і та станція, що визначить власну адресу в заголовках кадру, записує його вміст у свій внутрішній буфер, обробляє отримані дані і посилає по кабелю кадр-відповідь. Адреса станції-джерела також включена у вихідний кадр, тому станція-одержувач знає, кому потрібно послати відповідь.

При описаному підході можлива ситуація, коли дві станції одночасно намагаються передати кадр даних по загальному кабелю. Для зменшення імовірності цієї ситуації безпосередньо перед відправленням кадру передаюча станція слухає кабель (тобто приймає й аналізує виникаючі на ньому електричні сигнали), щоб визначити, чи не передається вже по кабелю кадр даних від іншої станції. Якщо визначається несуча (carrier-sense, CS), то станція відкладає передачу свого кадру до закінчення чужої передачі, і тільки потім намагається знову його передати. Але навіть при такому алгоритмі дві станції одночасно можуть вирішити, що по шині в даний момент часу немає передачі, і почати одночасно передавати свої кадри. Говорять, що при цьому відбувається колізія, тому що вміст обох кадрів зіштовхується на загальному кабелі, що приводить до перекручування інформації.

Щоб коректно обробити колізію, усі станції одночасно спостерігають за виникаючими на кабелі сигналами. Якщо передані сигнали і ті, що спостерігаються, відрізняються, то фіксується виявлення колізії (collision detection, CD). Для збільшення імовірності негайного виявлення колізії всіма станціями мережі, ситуація колізії підсилюється посилкою в мережу станціями, що почали передачу своїх кадрів, спеціальної послідовності біт,яка називається jam-послідовністю.

Після виявлення колізії передаюча станція зобов'язана припинити передачу й очікувати протягом короткого випадкового інтервалу часу, а потім може знову зробити спробу передачі кадру.

З опису методу доступу видно, що він носить імовірнісний характер, і імовірність успішного одержання у своє розпорядження загального середовища залежить від завантаженості мережі, тобто від інтенсивності виникнення в станціях потреби передачі кадрів.

Метод CSMA/CD визначає основні часові і логічні співвідношення, що гарантують коректну роботу всіх станцій у мережі:

Між двома послідовно переданими по загальній шині кадрами інформації повинна витримуватися певна пауза; вона потрібна для приведення у вихідний стан мережних адаптерів вузлів, а також для запобігання монопольного захоплення середовища передачі даних одною станцією. Вона називається міжкадровим інтервалом (interframe gap).

При виявленні колізії (умови її виявлення залежать від застосовуваного фізичного середовища) станція видає в середовище спеціальну 32-х бітну послідовність (jam-послідовність), що підсилює явище колізії для більш надійного розпізнавання її усіма вузлами мережі.

У випадку виникнення повторних колізій існує максимально можлива кількість спроб повторної передачі (attempt limit). При досягненні цього порогу фіксується помилка передачі кадру, повідомлення про яку передається протоколу верхнього рівня.

Після виявлення колізії кожен вузол, що передавав кадр і зштовхнувся з колізією, після деякої затримки намагається повторно передати свій кадр. Величина затримки вибирається як рівномірно розподілене випадкове число з інтервалу, довжина якого експоненційно збільшується з кожною спробою. Такий алгоритм вибору величини затримки знижує імовірність колізій і зменшує інтенсивність видачі кадрів у мережу при її високому завантаженні. Пауза завжди рівна цілому числу так званих інтервалів відстрочки.

Інтервал відстрочки (slot time) – це час, протягом якого станція гарантовано може дізнатися, що у мережі немає колізії. Цей час тісно пов’язаний з іншим важливим часовим параметром мережі – вікном колізій (collision window). Вікно колізій дорівнює часу подвійного проходження сигналу між двома найвіддаленішими вузлами мережі (RTT) – найгіршому випадку затримки, при якій станція може визначити, що відбулася колізія. Інтервал відстрочки обирається рівним величині вікна колізій плюс деяка додаткова величина затримки для гарантії.

У стандартах методу доступу CSMA/CD всі часові параметри описуються у бітових інтервалах (bit time) – ця величина визначає час передачі одного біта і залежить від конкретної використовуваної технології.