8.Архітектура мереж. Характеристики мереж.

9.Метод доступу csma/cd. Передача даних.

У мережах Ethernet використовується метод доступу до середовища передачі даних, званий методом колективного доступу з пізнанням несучої і виявленням колізій (carrier-sense-multiply-access with collision detection, CSMA / CD).

Цей метод використовується виключно в мережах з загальною шиною (до яких відносяться і радіомережі, що породили цей метод). Всі комп'ютери такої мережі мають безпосередній доступ до загальної шини, тому вона може бути використана для передачі даних між будь-якими двома вузлами мережі. Простота схеми підключення - це один з факторів, що визначили успіх стандарту Ethernet. Кажуть, що кабель, до якого підключені всі станції, працює в режимі колективного доступу (multiply-access, MA).

Всі дані, передані по мережі, поміщаються в кадри певної структури та забезпечуються унікальною адресою станції призначення. Потім кадр передається по кабелю. Усі станції, підключені до кабелю, можуть розпізнати факт передачі кадру, і та станція, яка дізнається власну адресу в заголовках кадру, записує його вміст у внутрішній буфер, обробляє отримані дані і посилає по кабелю кадр-відповідь. Адреса станції-джерела також входить 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 (рис. 3). Для зменшення ймовірності цій ситуації безпосередньо перед відправкою кадру передає станція слухає кабель (тобто приймає і аналізує виникають на ньому електричні сигнали), щоб виявити, не передається Чи вже по кабелю кадр даних від іншої станції. Якщо розпізнається несуча (carrier-sense, CS), то станція відкладає передачу свого кадру до закінчення чужий 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. Кажуть, що при цьому відбувається колізія, оскільки вміст обох кадрів зіштовхується на загальному кабелі, що призводить до спотворення інформації.

Щоб коректно обробити колізію, усі станції одночасно спостерігають за виникаючими на кабелі сигналами. Якщо передані і спостережувані сигнали відрізняються, то фіксується виявлення колізії (collision detection, CD). Для збільшення ймовірності негайного виявлення колізії всіма станціями мережі, ситуація колізії посилюється посилкою в мережу станціями, начавшими передачу своїх кадрів, спеціальної послідовності бітів, званої jam-послідовністю.

Після виявлення колізії передавальна станція зобов'язана припинити передачу і 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 ймовірність успішного одержання у своє розпорядження загального середовища залежить від завантаженості мережі, тобто від інтенсивності виникнення в станціях потреби передачі кадрів. При розробці цього методу передбачалося, що швидкість передачі даних у 10 Мб / с дуже висока в порівнянні з потребами комп'ютерів у взаємному обміні даними, тому завантаження мережі буде завжди невеликий. Це припущення залишається часто справедливим і донині, проте вже з'явилися програми, що працюють у реальному масштабі часу з мультимедійною інформацією, для яких потрібні набагато більш високі швидкості передачі даних. Тому поряд з класичним Ethernet'ом зростає потреба і в нових високошвидкісних технологіях.

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

Між двома послідовно переданими по загальній шині кадрами інформації повинна витримуватися пауза в 9.6 мкс; ця пауза потрібна для приведення в початковий стан мережевих адаптерів вузлів, а також для запобігання монопольного захоплення середовища передачі даних однією станцією.

При виявленні колізії (умови її виявлення залежать від застосовуваної фізичної середовища) станція видає в середу спеціальну 32-х бітну послідовність (jam-послідовність), посилюючу явище колізії для більш надійного розпізнавання її всіма вузлами мережі.

Після виявлення колізії кожен вузол, який передавав кадр і зіткнувся з колізією, після деякої затримки намагається повторно передати свій кадр. Вузол робить максимально 16 спроб передачі цього кадру інформації, після чого відмовляється від його передачі. Величина затримки вибирається як рівномірно розподілене випадкове число з інтервалу, довжина якого експоненціально збільшується з кожною спробою. Такий алгоритм вибору величини затримки знижує ймовірність колізій і зменшує інтенсивність видачі кадрів в мережу при її високого завантаження.

Рис. 3. Схема виникнення колізії в методі випадкового доступу CSMA / CD (tp - затримка розповсюдження сигналу між станціями A і B)

Чітке розпізнавання колізій всіма станціями мережі є необхідною умовою коректної роботи мережі Ethernet. Якщо яка-небудь передавальна станція не може розпізнавати колізію і вирішить, що кадр даних нею переданий вірно, то цей кадр даних буде загублений, тому що інформація кадру спотвориться через накладення сигналів при колізії, він буде відбракований приймаючої станцією (швидше за все через неспівпадання контрольної суми). Звичайно, швидше за все перекручена інформація буде повторно передана яким-небудь протоколом верхнього рівня, наприклад, транспортним або прикладним, працюючим із установленням з'єднання і нумерацією своїх повідомлень. Але повторна передача повідомлення протоколами верхніх рівнів відбудеться через набагато більш тривалий інтервал часу (десятки секунд) порівняно з мікросекундними інтервалами, якими оперує протокол Ethernet. Тому, якщо колізії НЕ будуть надійно розпізнаватися вузлами мережі Ethernet, то це призведе до помітного зниження корисної пропускної спроможності даної мережі.

Всі параметри протоколу Ethernet підібрані таким чином, щоб при нормальній роботі вузлів мережі колізії завжди чітко розпізнавалися. Саме для цього мінімальна довжина поля даних кадру повинна бути не менше 46 байт (що разом зі службовими полями дає мінімальну довжину кадру в 72 байти або 576 біт). Довжина кабельної системи вибирається таким чином, щоб за час передачі кадру мінімальної довжини сигнал колізії встиг би поширитися до самого далекого вузла мережі. Тому для швидкості передачі даних 10 Мб / с, використовуваної в стандартах Ethernet, максимальна відстань між двома будь-якими вузлами мережі не повинно перевищувати 2500 метрів.

Зі збільшенням швидкості передачі кадрів, що має місце в нових стандартах, що базуються на тому ж методі доступу CSMA / CD, наприклад, Fast Ethernet, максимальна довжина мережі зменшується пропорційно збільшенню швидкості передачі. У стандарті Fast Ethernet вона становить 210 м, а в гігабітному Ethernet обмежена 25 метрами.

Незалежно від реалізації фізичного середовища, всі мережі Ethernet повинні задовольняти двом обмеженням, пов'язаним з методом доступу:

• максимальна відстань між двома будь-якими вузлами не повинно перевищувати 2500 м,

• в мережі не повинно бути більше 1024 вузлів.

Крім того, кожен варіант фізичного середовища додає до цих обмежень свої обмеження, які також повинні виконуватися.

Уточнимо основні параметри операцій передачі і прийому кадрів Ethernet, коротко описані вище.

Станція, яка хоче передати кадр, повинна спочатку за допомогою MAC-вузла упакувати дані в кадр відповідного формату. Потім для запобігання змішування сигналів з ​​сигналами інший передавальної станції, MAC-вузол повинен прослуховувати електричні сигнали на кабелі і у випадку виявлення несучої частоти 10 МГц відкласти передачу свого кадру. Після закінчення передачі по кабелю станція повинна виждати невелику додаткову паузу, звану міжкадрових інтервалом (interframe gap), що дозволяє вузлу призначення прийняти і обробити переданий кадр, і після цього почати передачу свого кадру.

Одновременно с передачей битов кадра приемно-передающее устройство узла следит за принимаемыми по общему кабелю битами, чтобы вовремя обнаружить коллизию. Если коллизия не обнаружена, то передается весь кадр, поле чего MAC-уровень узла готов принять кадр из сети либо от LLC-уровня.

Если же фиксируется коллизия, то MAC-узел прекращает передачу кадра и посылает jam-последовательность, усиливающую состояние коллизии. После посылки в сеть jam-последовательности MAC-узел делает случайную паузу и повторно пытается передать свой кадр.

В случае повторных коллизий существует максимально возможное число попыток повторной передачи кадра (attempt limit), которое равно 16. При достижении этого предела фиксируется ошибка передачи кадра, сообщение о которой передается протоколу верхнего уровня.

Для того, чтобы уменьшить интенсивность коллизий, каждый MAC-узел с каждой новой попыткой случайным образом увеличивает длительность паузы между попытками. Временное расписание длительности паузы определяется на основе усеченного двоичного экспоненциального алгоритма отсрочки (truncated binary exponential backoff). Пауза всегда составляет целое число так называемых интервалов отсрочки.

Интервал отсрочки (slot time) - это время, в течение которого станция гарантированно может узнать, что в сети нет коллизии. Это время тесно связано с другим важным временным параметром сети - окном коллизий (collision window). Окно коллизий равно времени двукратного прохождения сигнала между самыми удаленными узлами сети - наихудшему случаю задержки, при которой станция еще может обнаружить, что произошла коллизия. Интервал отсрочки выбирается равным величине окна коллизий плюс некоторая дополнительная величина задержки для гарантии:

Інтервал відтермінування = вікно колізій + додаткова затримка

У стандартах 802.3 більшість тимчасових інтервалів вимірюється в кількості міжбітовий інтервалів, величина яких для бітової швидкості 10 Мб / с становить 0.1 мкс і дорівнює часу передачі одного біта.

Величина інтервалу відстрочки в стандарті 802.3 визначена рівною 512 бітовим інтервалам, і ця величина розрахована для максимальної довжини коаксіального кабелю в 2.5 км. Величина 512 визначає і мінімальну довжину кадру в 64 байта, тому що при кадрах меншої довжини станція може передати кадр і не встигнути помітити факт виникнення колізії через те, що спотворені колізією сигнали дійдуть до станції в найгіршому випадку після завершення передачі. Такий кадр буде просто втрачений.

Час паузи після N-ої колізії покладається рівним L інтервалам відстрочки, де L - випадкове ціле число, рівномірно розподілене в діапазоні [0, 2N]. Величина діапазону росте тільки до 10 спроби (нагадаємо, що їх не може бути більше 16), а далі діапазон залишається рівним [0, 210], тобто [0, 1024]. Значення основних параметрів процедури передачі кадру стандарту 802.3 наведено в таблиці 1.

Битовая скорость	10 Мб/c
Интервал отсрочки	512 битовых интервалов
Межкадровый интервал	9.6 мкс
Максимальное число попыток передачи	16
Максимальное число возрастания диапазона паузы	10
Длина jam-последовательности	32 бита
Максимальная длина кадра (без преамбулы)	1518 байтов
Минимальная длина кадра (без преамбулы)	64 байта (512 бит)
Длина преамбулы	64 бита

Учитывая приведенные параметры, нетрудно рассчитать максимальную производительность сегмента Ethernet в таких единицах, как число переданных пакетов минимальной длины в секунду (packets-per-second, pps). Количество обрабатываемых пакетов Ethernet в секунду часто используется при указании внутренней производительности мостов и маршрутизаторов, вносящих дополнительные задержки при обмене между узлами. Поэтому интересно знать чистую максимальную производительность сегмента Ethernet в идеальном случае, когда на кабеле нет коллизий и нет дополнительных задержек, вносимых мостами и маршрутизаторами.

Так как размер пакета минимальной длины вместе с преамбулой составляет 64+8 = 72 байта или 576 битов, то на его передачу затрачивается 57.6 мкс. Прибавив межкадровый интервал в 9.6 мкс, получаем, что период следования минимальных пакетов равен 67.2 мкс. Это соответствует максимально возможной пропускной способности сегмента Ethernet в 14880 п/с.