Технология Ethernet (802.3) Метод доступа csma/cd

Метод коллективного доступа с опознаванием несущей и обнаружением коллизий (carrier-sense-multiply-access with collision detection, CSMA/CD)

Этапы доступа к среде:

1. Все данные, передаваемые по сети, помещаются в кадры определенной структуры и снабжаются уникальным адресом станции назначения.

2. Чтобы получить возможность передавать кадр, станция должна убедиться, разделяемая среда свободна. Это достигается прослушиванием основной гармоники сигнала (несущая частота, при манчестерском коде 5-10 МГц, в зависимости от последовательности нулей и единиц).

3. Если среда свободна, узел начинает передавать свой кадр в обе стороны, так что все узлы их получают. Кадр данных всегда сопровождается преамбулой, которая состоит из 7 байт вида 10101010 и 8-го байта вида 10101011.

4. Все станции подключенные к кабелю могут распознать факт передачи кадра, и та станция, которая узнает собственный адрес в заголовках кадра, записывает его в свой внутренний буфер, обрабатывает полученные данные, передает их вверх по своему стеку, а затем посылает ответ. Адрес станции источника также содержится в исходном кадре.

5. После окончания передачи кадра все узлы сети обязаны выдержать технологическую паузу (Inter Packet Gap) в 9,6 мкс. Она нужна для приведения адаптера в исходное состояния и для предотвращения захвата среды одной станцией.

Возникновение коллизий

Две станции могут начать передавать сигнал одновременно (сигнал одной из начавших передавать станций не дошел до второй), решив, что среда свободна, - коллизия. Содержимое обоих кадров сталкивается в кабеле и происходит искажение информации - методы кодирования Ethernet не позволяют выделить сигналы каждой станции из общего сигнала.

Все станции одновременно наблюдают за возникающими на кабеле сигналами. Если передаваемые и наблюдаемые сигналы отличаются, то фиксируется обнаружение коллизии. Для увеличения вероятности скорейшего обнаружения коллизии всеми станциями сети станция, которая обнаружила коллизию, прерывает передачу своего кадра и посылает в сеть специальную последовательность из 32 бит - jam-последовательность, усиливающую ситуацию коллизии. После этого станция, обнаружившая коллизию, делает паузу в течение короткого случайного интервала времени.

Пауза = L x (интервал отсрочки),

где интервал отсрочки равен 512 битовым интервалам (интервал между появлениями двух последовательных бит данных на кабеле, для 10 Мбит/с он равен 0,1 мкс). L представляет собой целое число, выбранное с равной вероятностью из диапазона [0, 2^N], где N - номер повторной попытки передачи данного кадра: 1, 2, .... 10. После 10-ой попытки интервал, из которого выбирается пауза, не увеличивается - от 0 до 52,4 мс. Если 16 последовательных попыток передачи кадра вызывают коллизию, то передатчик прекращает попытки и отбрасывает этот кадр.

Время двойного оборота и распознавание коллизий

Четкое распознавание коллизий всеми станциями сети является необходимым условием корректной работы сети Ethernet. Если какая-либо передающая станция не распознает коллизию и решит, что кадр данных ею передан верно, то этот кадр будет утерян.

Для надежного распознавания коллизий должно выполняться следующее соотношение:

Tmin >= PDV,

где Tmin - время передачи кадра минимальной длины, а PDV - время, за которое сигнал коллизии успевает распространиться до самого дальнего узла сети. Так как в худшем случае сигнал должен пройти дважды между наиболее удаленными друг от друга станциями сети, то это время называется времени двойного оборота (Path Delay Value).

Выполнение этого условия зависит от длины минимального кадра и пропускной способности сети, а также от длины кабельной системыи скорости распространения сигнала в кабеле.

В стандарте Ethernet принято, что минимальная длина поля данных кадра составляет 46 байт, вместе со служебными полями - 64 байта, вместе в преамбулой - 72 байта или 576 бит.

В 10-мегабитном Ethernet время передачи кадра минимальной длины равно 575 битовых интервала, значит время двойного оборота должно быть меньше 57,5 мкс. Расстояние, которое сигнал может пройти за это время зависит от типа кабеля и для толстого коаксиального кабеля равно примерно 13280 м. С учетом двойного прохода сигнала расстояние между узлами станции не должно быть больше 6635 м. В стандарте величина этого ограничения существенно меньше из-за других, более строгих ограничений, например, ограничений по затуханию сигнала. Длина непрерывного сегмента толстого коаксиального кабеля с учетом вносимого им затухания выбрана в 500 м. Эта величина выбрана с учетом возможности создания многосегментных сетей с помощью повторителей, которые усиливают сигнал. В коаксиальных реализациях число сегментов ограничено пятью, и, следовательно, суммарная длина сети составляет 2500 м. Большой запас обусловлен тем, что сами повторители вносят задержку.

С увеличением скорости передачи кадров в новых стандартах, максимальное расстояние между станциями сети уменьшается пропорционально увеличению скорости передачи. В стандарте Fast Ethernet это 210 м, в стандарте Gigabit Ethernet оно было бы равно 25 метров, если бы разработчики не приняли специальных мер по увеличению минимального размера пакета.

Параметры уровня МАС Ethernet, не зависящие от реализации физической среды.

Битовая скорость	10 Мбит/с
Интервал отсрочки	512 битовых интервалов
Межкадровый интервал (IPG)	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 байт
Минимальная длина кадра (без преамбулы)	64 байта (512 бит)
Длина преамбулы	64 бита
Минимальная длина случайной паузы после коллизии	0 битовых интервала
Максимальная длина случайной паузы после коллизии	524000 битовых интервала
Максимальное расстояние между станциями сети	2500 м
Максимальное число станций в сети	1024

Максимальная производительность сети Ethernet

На основе приведенной выше таблицы рассчитаем чистую максимальную пропускную способность сегмента Ethernet в кадрах в секунду в деалном случае, когда в сети нет коллизий и нет дополнительных задержек, вносимых мостами, коммутаторами и маршрутизаторами.

Размер кадра минимальной длины вместе с преамбулой составляет 72 байта или 576 бит. Н его передачу затрачивается 57,5 мкс. Прибавим межкадровый интервал 9,6 мкс получим, что период следования кадров минимальной длины составляет 67,1 мкс. Отсюда максимально возможная пропускная способность сегмента Ethernet составляет 14880 кадр/c. Наличие в сегменте нескольких узлов снижает эту величину за счет ожидания доступа к среде, а также за счет коллизий.

Кадры максимальной длины вместе с преамбулой составляют 1526 байт или 12208 бит. Максимально возможноя пропускная способность сегмента Ethernet для кадров максимально возможной длины - 813 кадр/с.

При работе с большими кадрами нагрузка на мосты, коммутаторы и маршрутизаторы заметно снижается.

Полезная пропускная способность - скорость передачи пользовательских данных, которые переносятся полем данных кадра. Она всегда меньше номинальной битовой скорости из-за:

• служебной информации кадра

• межкадровых инфорвалов

• ожидания доступа к среде.

Для кадров минимальной длины: Сп = 14880 х 46 х 8 = 5,48 Мбит/c.

Для кадров максимальной длины: Сп = 813 х 1500 х 8 = 9,76 Мбит/с.

При использовании кадров среднего размера с полем данных 512 байт пропускная способность сети составляет 9,29 Мбит/c.