Хотя csma cd по прежнему является особенностью ethernet почему это больше не нужно

Обновлено: 06.07.2024

Протоколы передачи данных часто бывают многоуровневыми, причем нижние уровни предоставляют услуги по одному переходу, средний набор уровней предоставляет услуги от конца до конца между двумя устройствами и, возможно, набор уровней предоставляет услуги от конца до конца между двумя приложениями или двумя экземплярами одного приложения. Рисунок 1 иллюстрирует это.

Каждый набор протоколов показан как пара протоколов, потому что, как показано в модели рекурсивной архитектуры Интернета (RINA), рассмотренной в предыдущих лекциях, транспортные протоколы обычно входят в пары, причем каждый протокол в паре выполняет определенные функции. В этой серии лекций будут рассмотрены физические протоколы и протоколы передачи данных, как показано на рисунке 1. В частности, в этой лекции будут рассмотрены два широко используемых протокола для передачи данных "точка-точка" в сетях: Ethernet и WiFi (802.11).

ETHERNET

Многие из ранних механизмов, разработанных для того, чтобы позволить нескольким компьютерам совместно использовать один провод, были основаны на проектах, заимствованных из более ориентированных на телефонные технологии. Как правило, они фокусировались на передаче токенов и других более детерминированных схемах для обеспечения того, чтобы два устройства не пытались использовать одну общую электрическую среду одновременно. Ethernet, изобретенный в начале 1970-х Bob Metcalf (который в то время работал в Xerox), разрешал перекрывающиеся разговоры другим способом-с помощью очень простого набора правил для предотвращения большинства перекрывающихся передач, а затем разрешал любые перекрывающиеся передачи путем обнаружения и обратного отсчета.

Первоначальное внимание любого протокола, который взаимодействует с физической средой, будет сосредоточено на мультиплексировании, поскольку до решения этой первой проблемы можно решить лишь несколько других проблем. Поэтому эта лекция будет начинаться с описания мультиплексирующих компонентов Ethernet, а затем рассмотрены другие аспекты работы.

МУЛЬТИПЛЕКСИРОВАНИЕ

Чтобы понять проблему мультиплексирования, с которой столкнулся Ethernet, когда он был впервые изобретен, рассмотрим следующую проблему: в сети с общим носителем вся общая среда представляет собой единую электрическую цепь (или провод).

Когда один хост передает пакет, каждый другой хост в сети получает сигнал. Это очень похоже на беседу, проводимую на открытом воздухе- звук, передаваемый через общую среду (воздух), слышен каждому слушателю. Нет никакого физического способа ограничить набор слушателей во время процесса передачи.

CSMA/CD

В результате система, получившая название множественного доступа с контролем несущей и обнаружением коллизий (CSMA/CD), работает с использованием набора шагов:

Хост слушает среду, чтобы увидеть, есть ли какие-либо существующие передачи; это часть процесса со стороны оператора связи.
Узнав, что другой передачи нет, хост начнет сериализацию (передача битов сериями) битов кадра в сеть.

Эта часть проста - просто слушать перед передачей. Конечно, передачи двух (или более) хостов могут конфликтовать, как показано на рисунке 2. На рисунке 2:

В момент времени 1 (T1) A начинает передачу кадра на совместно используемый носитель. Для прохождения сигнала от одного конца провода к другому требуется некоторое время - это называется задержкой распространения.
В момент времени 2 (T2) C прослушивает сигнал на проводе и, не обнаружив его, начинает передачу кадра на совместно используемый носитель. В этот момент уже произошла коллизия, поскольку оба A и C передают кадр в один и тот же момент, но ни один из них еще не обнаружил коллизию.
В момент времени 3 (T3) два сигнала фактически сталкиваются в проводе, в результате чего они оба деформируются и, следовательно, не читаются.

Столкновение можно обнаружить в точке А в тот момент, когда сигнал от С достигает точки А, прослушав свой собственный сигнал, передаваемый по проводу. Когда сигнал от С достигнет А, А получит искаженный сигнал, вызванный комбинацией этих двух сигналов (результат столкновения). Это часть обнаружением столкновений (участок СD) работы локальные сети CSMA/CD.

Что должен сделать хост при обнаружении столкновения? В оригинальном конструкции Ethernet хост будет посылать сигнал блокировки достаточно долго, чтобы заставить любой другой хост, подключенный к проводу, обнаружить конфликт и прекратить передачу. Длина сигнала блокировки изначально была установлена таким образом, чтобы сигнал блокировки потреблял, по крайней мере, время, необходимое для передачи кадра максимального размера по проводу по всей длине провода. Почему именно столько времени?

Если при определении времени передачи сигнала помехи использовался более короткий, чем максимальный кадр, то хост со старыми интерфейсами (которые не могут посылать и принимать одновременно) может фактически пропустить весь сигнал помехи при передаче одного большого кадра, что делает сигнал помехи неэффективным.
Важно дать хозяевам, подключенным на самом конце проводов, достаточно времени, чтобы получить сигнал помехи, чтобы они почувствовали столкновение и предприняли следующие шаги.

Как только сигнал помехи получен, каждый хост, подключенный к проводу, установит таймер обратного отсчета, так что каждый из них будет ждать некоторое случайное количество времени, прежде чем пытаться передать снова. Поскольку эти таймеры установлены на случайное число, когда два хоста с кадрами, ожидающими передачи, пытаются выполнить свою следующую передачу, столкновение не должно повториться.

Если каждый хост, подключенный к одному проводу, получает один и тот же сигнал примерно в одно и то же время (учитывая задержку распространения по проводу), как любой конкретный хост может знать, должен ли он на самом деле получать определенный кадр (или, скорее, копировать информацию внутри кадра из провода в локальную память)? Это работа Media Access Control (MAC).

Каждому физическому интерфейсу назначается (как минимум) один MAC-адрес . Каждый кадр Ethernet содержит MAC-адрес источника и назначения; кадр форматируется таким образом, что MAC-адрес назначения принимается раньше любых данных. После того, как весь MAC-адрес назначения получен, хост может решить, следует ли ему продолжать прием пакета или нет. Если адрес назначения совпадает с адресом интерфейса, хост продолжает копировать информацию с провода в память. Если адрес назначения не совпадает с адресом локального интерфейса, хост просто прекращает прием пакета.

А как насчет дубликатов MAC-адресов? Если несколько хостов, подключенных к одному и тому же носителю, имеют один и тот же физический адрес, каждый из них будет получать и потенциально обрабатывать одни и те же кадры. Существуют способы обнаружения повторяющихся MAC-адресов, но они реализуются как часть межслойного обнаружения, а не самого Ethernet;

MAC-адреса будут правильно назначены системным администратором, если они назначены вручную.
MAC-адреса назначаются производителем устройства, поэтому дублирование MAC-адресов исключено, независимо от того, сколько хостов подключено друг к другу.

(Поскольку MAC-адреса обычно перезаписываются на каждом маршрутизаторе, они должны быть уникальными только в сегменте или широковещательном домене. В то время как многие старые системы стремились обеспечить уникальность каждого сегмента или широковещательного домена, это обычно должно быть обеспечено с помощью ручной конфигурации, и поэтому в значительной степени было отказано в пользу попытки предоставить каждому устройству глобальный уникальный MAC-адрес, "вшитый" в чипсете Ethernet при создании.)

Первое решение трудно реализовать в большинстве крупномасштабных сетей- ручная настройка MAC-адресов крайне редка в реальном мире вплоть до ее отсутствия. Второй вариант, по существу, означает, что MAC-адреса должны быть назначены отдельным устройствам, чтобы ни одно из двух устройств в мире не имело одного и того же MAC-адреса. Как такое возможно? Путем назначения MAC-адресов из центрального хранилища, управляемого через организацию стандартов. Рисунок 3 иллюстрирует это.

MAC-адрес разбит на две части: уникальный идентификатор организации (OUI) и идентификатор сетевого интерфейса. Идентификатор сетевомого интерфейса присваивается заводом-изготовителем микросхем для Ethernet. Компаниям, производящим чипсеты Ethernet, в свою очередь, присваиваются уникальный идентификатор организации Институтом инженеров электротехники и электроники (Institute of Electrical and Electronic Engineers -IEEE). До тех пор, пока организация (или производитель) назначает адреса чипсету с его OUI в первых трех октетах MAC-адреса и не назначает никаким двум устройствам один и тот же идентификатор сетевого интерфейса в последних трех октетах MAC-адреса, никакие два MAC-адреса не должны быть одинаковыми для любого набора микросхем Ethernet.

Два бита в пространстве OUI выделяются, чтобы сигнализировать, был ли MAC-адрес назначен локально (что означает, что назначенный производителем MAC-адрес был переопределен конфигурацией устройства), и предназначен ли MAC-адрес в качестве одного из следующих:

Unicast адрес, означает, что он описывает один интерфейс
Multicast-адрес , означает, что он описывает группу получателей

КОНЕЦ ЭПОХИ CSMA / CD

Модель развертывания Ethernet с разделяемой средой в значительной степени (хотя и не полностью!) заменена в большинстве сетей. Вместо общей среды большинство развертываний Ethernet теперь коммутируются, что означает, что одна электрическая цепь или один провод разбивается на несколько цепей путем подключения каждого устройства к порту на коммутаторе. Рисунок 4 демонстрирует это.

На рисунке 4 каждое устройство подключено к разному набору проводов, каждый из которых оканчивается одним коммутатором. Если сетевые интерфейсы на трех хостах ( A, B и C ) и сетевые интерфейсы коммутатора могут отправлять или получать в любой момент времени вместо того, чтобы делать и то, и другое, A может отправлять, пока коммутатор тоже отправляет. В этом случае процесс CSMA / CD все равно должен соблюдаться для предотвращения коллизий, даже в сетях, где только два передатчика подключены к одному проводу. Такой режим работы называется полудуплексом.

КОНТРОЛЬ ОШИБОК

CSMA/CD предназначен для предотвращения одного вида обнаруживаемой ошибки в Ethernet: когда коллизии приводят к искажению кадра. Однако в сигнал могут входить и другие виды ошибок, как и в любой другой электрической или оптической системе. Например, в кабельной системе с витой парой, если скрученные провода слишком сильно "разматываются" при установке коннектора, один провод может передавать свой сигнал другому проводу через магнитные поля, вызывая перекрестные помехи. Когда сигнал проходит по проводу, он может достигать другого конца провода и отражаться обратно по всей длине провода.

Как Ethernet контролирует эти ошибки? Оригинальный стандарт Ethernet включал в себя 32-битную циклическую проверку избыточности ( Cyclic Redundancy Check-CRC ) в каждом кадре, которая позволяет обнаруживать большой массив ошибок при передаче. Однако на более высоких скоростях и на оптических (а не электрических) транспортных механизмах CRC не обнаруживает достаточно ошибок, чтобы повлиять на работу протокола. Чтобы обеспечить лучший контроль ошибок, более поздние (и более быстрые) стандарты Ethernet включили более надежные механизмы контроля ошибок.

Например, Gigabit Ethernet определяет схему кодирования 8B10B, предназначенную для обеспечения правильной синхронизации часов отправителя и получателя; эта схема также обнаруживает некоторые битовые ошибки. Ten-Gigabit Ethernet часто реализуется аппаратно с помощью Reed-Solomon code Error Correction (EC) и системы кодирования 16B18B, которая обеспечивает прямое исправление ошибок ( FEC ) и синхронизацию часов с 18% -ными издержками.

Схема кодирования 8B10B пытается обеспечить наличие примерно одинакового количества битов 0 и 1 в потоке данных, что позволяет эффективно использовать лазер и обеспечивает встроенную в сигнал тактовую синхронизацию. Схема работает путем кодирования 8 бит данных (8B) в 10 передаваемых битов по проводу ( 10B ), что означает около 25% накладных расходов на каждый передаваемый символ. Ошибки четности одного бита могут быть обнаружены и исправлены, потому что приемник знает, сколько "0" и "1" должно быть получено.

МАРШАЛИНГ ДАННЫХ

Ethernet передает данные пакетами и кадрами : пакет состоит из преамбулы, кадра и любой конечной информации. Фрейм содержит заголовок, который состоит из полей фиксированной длины и переносимых данных. На рисунке 5 показан пакет Ethernet.

На рисунке 5 преамбула содержит маркер начала кадра, информацию, которую приемник может использовать для синхронизации своих часов для синхронизации с входящим пакетом, и другую информацию. Адрес назначения записывается сразу после преамбулы, поэтому получатель может быстро решить, копировать этот пакет в память или нет. Адреса, тип протокола и передаваемые данные являются частью кадра. Наконец, любая информация FEC и другие трейлеры добавляются в кадр, чтобы составить последний раздел (ы) пакета.

Поле type представляет особый интерес, поскольку оно предоставляет информацию для следующего уровня-протокола, предоставляющего информацию, переносимую в поле data - для идентификации протокола. Эта информация непрозрачна для Ethernet-чипсет Ethernet не знает, как интерпретировать эту информацию (только где она находится) и как ее переносить. Без этого поля не было бы последовательного способа для передачи переносимых данных в правильный протокол верхнего уровня, или, скорее, для правильного мультиплексирования нескольких протоколов верхнего уровня в кадры Ethernet, а затем правильного демультиплексирования.

Метод доступа CSMA/CD

В сетях Ethernet используется метод доступа к среде передачи данных, называемый методом коллективного доступа с опознаванием несущей и обнаружением коллизий (carrier-sense-multiply-access with collision detection, CSMA/CD).

Этот метод применяется исключительно в сетях с логической общей шиной (к которым относятся и радиосети, породившие этот метод). Все компьютеры такой сети имеют непосредственный доступ к общей шине, поэтому она может быть использована для передачи данных между любыми двумя узлами сети. Одновременно все компьютеры сети имеют возможность немедленно (с учетом задержки распространения сигнала по физической среде) получить данные, которые любой из компьютеров начал передавать на общую шину. Простота схемы подключения - это один из факторов, определивших успех стандарта Ethernet. Говорят, что кабель, к которому подключены все станции, работает в режиме коллективного доступа (Multiply Access, MA).

Этапы доступа к среде

Все данные, передаваемые по сети, помещаются в кадры определенной структуры и снабжаются уникальным адресом станции назначения.
Чтобы получить возможность передавать кадр, станция должна убедиться, что разделяемая среда свободна. Это достигается прослушиванием основной гармоники сигнала, которая также называется несущей частотой (carrier-sense, CS). Признаком незанятости среды является отсутствие на ней несущей частоты, которая при манчестерском способе кодирования равна 5-10 МГц, в зависимости от последовательности единиц и нулей, передаваемых в данный момент.

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

Узел2 во время передачи кадра узлом 1 также пытался начать передачу своего кадра, однако обнаружил, что среда занята - на ней присутствует несущая частота, - поэтому узел 2 вынужден ждать, пока узел 1 не прекратит передачу кадра.

После окончания передачи кадра все узлы сети обязаны выдержать технологическую паузу (Inter Packet Gap) в 9,6 мкс. Эта пауза, называемая также межкадровым интервалом, нужна для приведения сетевых адаптеров в исходное состояние, а также для предотвращения монопольного захвата среды одной станцией. После окончания технологической паузы узлы имеют право начать передачу своего кадра, так как среда свободна. Из-за задержек распространения сигнала по кабелю не все узлы строго одновременно фиксируют факт окончания передачи кадра узлом 1.

В приведенном примере узел2 дождался окончания передачи кадра узлом 1, сделал паузу в 9,6 мкс и начал передачу своего кадра.

Возникновение коллизии

При описанном подходе возможна ситуация, когда две станции одновременно пытаются передать кадр данных по общей среде. Механизм прослушивания среды и пауза между кадрами не гарантируют от возникновения такой ситуации, когда две или более станции одновременно решают, что среда свободна, и начинают передавать свои кадры. Говорят, что при этом происходит коллизия (collision),так как содержимое обоих кадров сталкивается на общем кабеле и происходит искажение информации - методы кодирования, используемые в Ethernet, не позволяют выделять сигналы каждой станции из общего сигнала.

Коллизия - это нормальная ситуация в работе сетей Ethernet. В примере, изображенном на рисунке ниже, коллизию породила одновременная передача данных узлами 3 и 1. Для возникновения коллизии не обязательно, чтобы несколько станций начали передачу абсолютно одновременно, такая ситуация маловероятна. Гораздо вероятней, что коллизия возникает из-за того, что один узел начинает передачу раньше другого, но до второго узла сигналы первого просто не успевают дойти к тому времени, когда второй узел решает начать передачу своего кадра. То есть коллизии - это следствие распределенного характера сети.

Чтобы корректно обработать коллизию, все станции одновременно наблюдают за возникающими на кабеле сигналами. Если передаваемые и наблюдаемые сигналы отличаются, то фиксируется обнаружение коллизии (collision detection, CD).Для увеличения вероятности скорейшего обнаружения коллизии всеми станциями сети станция, которая обнаружила коллизию, прерывает передачу своего кадра (в произвольном месте, возможно, и не на границе байта) и усиливает ситуацию коллизии посылкой в сеть специальной последовательности из 32 бит, называемой jam-последовательностью.

После этого обнаружившая коллизию передающая станция обязана прекратить передачу и сделать паузу в течение короткого случайного интервала времени. Затем она может снова предпринять попытку захвата среды и передачи кадра. Случайная пауза выбирается по следующему алгоритму:

Пауза = L *(интервал отсрочки),

где интервал отсрочки равен 512 битовым интервалам (в технологии Ethernet принято все интервалы измерять в битовых интервалах; битовый интервал обозначается как bt и соответствует времени между появлением двух последовательных бит данных на кабеле; для скорости 10 Мбит/с величина битового интервала равна 0,1 мкс или 100 нс);

L представляет собой целое число, выбранное с равной вероятностью из диапазона [0, 2N], где N - номер повторной попытки передачи данного кадра: 1,2. 10.

После 10-й попытки интервал, из которого выбирается пауза, не увеличивается. Таким образом, случайная пауза может принимать значения от 0 до 52,4 мс.

Если 16 последовательных попыток передачи кадра вызывают коллизию, то передатчик должен прекратить попытки и отбросить этот кадр.

Из описания метода доступа видно, что он носит вероятностный характер, и вероятность успешного получения в свое распоряжение общей среды зависит от загруженности сети, то есть от интенсивности возникновения в станциях потребности в передаче кадров. При разработке этого метода в конце 70-х годов предполагалось, что скорость передачи данных в 10 Мбит/с очень высока по сравнению с потребностями компьютеров во взаимном обмене данными, поэтому загрузка сети будет всегда небольшой. Это предположение остается иногда справедливым и по сей день, однако уже появились приложения, работающие в реальном масштабе времени с мультимедийной информацией, которые очень загружают сегменты Ethernet. При этом коллизии возникают гораздо чаще. При значительной интенсивности коллизий полезная пропускная способность сети Ethernet резко падает, так как сеть почти постоянно занята повторными попытками передачи кадров. Для уменьшения интенсивности возникновения коллизий нужно либо уменьшить трафик, сократив, например, количество узлов в сегменте или заменив приложения, либо повысить скорость протокола, например перейти на Fast Ethernet.

Следует отметить, что метод доступа CSMA/CD вообще не гарантирует станции, что она когда-либо сможет получить доступ к среде. Конечно, при небольшой загрузке сети вероятность такого события невелика, но при коэффициенте использования сети, приближающемся к 1, такое событие становится очень вероятным. Этот недостаток метода случайного доступа - плата за его чрезвычайную простоту, которая сделала технологию Ethernet самой недорогой. Другие методы доступа - маркерный доступ сетей Token Ring и FDDI, метод Demand Priority сетей 100VG-AnyLAN - свободны от этого недостатка.

Время двойного оборота и распознавание коллизий

Для надежного распознавания коллизий должно выполняться следующее соотношение:

где Тmin- время передачи кадра минимальной длины, a 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 (в одну сторону проходит неискаженный сигнал, а на обратном пути распространяется уже искаженный коллизией сигнал), то это время называется временем двойного оборота (Path Delay Value, PDV).

При выполнении этого условия передающая станция должна успевать обнаружить коллизию, которую вызвал переданный ее кадр, еще до того, как она закончит передачу этого кадра.

Очевидно, что выполнение этого условия зависит, с одной стороны, от длины минимального кадра и пропускной способности сети, а с другой стороны, от длины кабельной системы сети и скорости распространения сигнала в кабеле (для разных типов кабеля эта скорость несколько отличается).

Все параметры протокола Ethernet подобраны таким образом, чтобы при нормальной работе узлов сети коллизии всегда четко распознавались. При выборе параметров, конечно, учитывалось и приведенное выше соотношение, связывающее между собой минимальную длину кадра и максимальное расстояние между станциями в сегменте сети.

В стандарте Ethernet принято, что минимальная длина поля данных кадра составляет 46 байт (что вместе со служебными полями дает минимальную длину кадра 64 байт, а вместе с преамбулой - 72 байт или 576 бит). Отсюда может быть определено ограничение на расстояние между станциями.

Итак, в 10-мегабитном Ethernet время передачи кадра минимальной длины равно 575 битовых интервалов, следовательно, 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 13 280 м. Учитывая, что за это время сигнал должен пройти по линии связи дважды, расстояние между двумя узлами не должно быть больше 6 635 м. В стандарте величина этого расстояния выбрана существенно меньше, с учетом других, более строгих ограничений.

Одно из таких ограничений связано с предельно допустимым затуханием сигнала. Для обеспечения необходимой мощности сигнала при его прохождении между наиболее удаленными друг от друга станциями сегмента кабеля максимальная длина непрерывного сегмента толстого коаксиального кабеля с учетом вносимого им затухания выбрана в 500 м. Очевидно, что на кабеле в 500 м условия распознавания коллизий будут выполняться с большим запасом для кадров любой стандартной длины, в том числе и 72 байт (время двойного оборота по кабелю 500 м составляет всего 43,3 битовых интервала). Поэтому минимальная длина кадра могла бы быть установлена еще меньше. Однако разработчики технологии не стали уменьшать минимальную длину кадра, имея в виду многосегментные сети, которые строятся из нескольких сегментов, соединенных повторителями.

Повторители увеличивают мощность передаваемых с сегмента на сегмент сигналов, в результате затухание сигналов уменьшается и можно использовать сеть гораздо большей длины, состоящую из нескольких сегментов. В коаксиальных реализациях Ethernet разработчики ограничили максимальное количество сегментов в сети пятью, что в свою очередь ограничивает общую длину сети 2500 метрами. Даже в такой многосегментной сети условие обнаружения коллизий по-прежнему выполняется с большим запасом (сравним полученное из условия допустимого затухания расстояние в 2500 м с вычисленным выше максимально возможным по времени распространения сигнала расстоянием 6635 м). Однако в действительности временной запас является существенно меньше, поскольку в многосегментных сетях сами повторители вносят в распространение сигнала дополнительную задержку в несколько десятков битовых интервалов. Естественно, небольшой запас был сделан также для компенсации отклонений параметров кабеля и повторителей.

В результате учета всех этих и некоторых других факторов было тщательно подобрано соотношение между минимальной длиной кадра и максимально возможным расстоянием между станциями сети, которое обеспечивает надежное распознавание коллизий. Это расстояние называют также максимальным диаметром сети.

С увеличением скорости передачи кадров, что имеет место в новых стандартах, базирующихся на том же методе доступа CSMA/CD, например Fast Ethernet, максимальное расстояние между станциями сети уменьшается пропорционально увеличению скорости передачи. В стандарте Fast Ethernet оно составляет около 210 м, а в стандарте Gigabit Ethernet оно было бы ограничено 25 метрами, если бы разработчики стандарта не предприняли некоторых мер по увеличению минимального размера пакета.

В табл. 1 приведены значения основных параметров процедуры передачи кадра стандарта 802.3, которые не зависят от реализации физической среды. Важно отметить, что каждый вариант физической среды технологии Ethernet добавляет к этим ограничениям свои, часто более строгие ограничения, которые также должны выполняться и которые будут рассмотрены ниже.

Передача кадра (рис. 7.4 а):

Межкадровый интервал IFG (mterframe gap) составляет 9,6 мкм (12 байт). С одной стороны, он необходим для того, чтобы принимающая станция могла корректно завершить прием кадра. Кроме этого, если бы станция передавала кадры непрерывно, она бы полностью захватила канал и, тем самым, лишила другие станции возможности передачи.

Рис. 7.4. Структурная схема алгоритма CSMA/CD (уровень MAC):
а) при передаче кадра станцией; б) при приеме кадра станцией

В момент времени t0 узел A (DTE А) начинает передачу, естественно прослушивая свой же передаваемый сигнал. В момент времени t1 когда кадр почти дошел до узла В (DTE В), этот узел, не зная о том, что уже идет передача, сам начинает передавать. В момент времени t2 = t1 + А , узел В обнаруживает коллизию (увеличивается постоянная составляющей электрического сигнала в прослушиваемой линии). После этого узел В передает jam-сигнал и прекращает передачу. В момент времени t3 сигнал коллизии доходит до узла А, после чего А также передает jam-сигнал и прекращает передачу.

Рис. 7.5. Обнаружение коллизии в шине при использовании схемы CSMA/CD стандарта Ethernet

По стандарту Ethernet узел не может передавать очень короткие кадры, или, иными словами, вести очень короткие передачи. Как говорилось при описании формата кадра, даже если поле данных не заполнено до конца, то появляется специальное дополнительное поле, удлиняющее кадр до минимальной длины 64 байта без учета преамбулы.

Стандартом Ethernet регламентированы следующие правила обнаружения коллизии конечным узлом сети:

Прием кадра (рис. 7.4 б). Принимающая станция или другое сетевое устройство, например концентратор или коммутатор, первым делом синхронизируется по преамбуле и затем преобразовывает манчестерский код в бинарную форму (на физическом уровне). Далее обрабатывается бинарный поток.

На уровне MAC оставшиеся биты преамбулы сбрасываются, а станция читает адрес назначения и сравнивает его со своим собственным. Если адреса совпадают, то поля кадра, за исключением преамбулы, SDF и FCS помещаются в буфер и вычисляется контрольная сумма, которая сравнивается с полем контрольной последовательности кадра FCS (используется метод циклического суммирования CRC-32). Если они равны, то содержимое буфера передается протоколу более высокого уровня. В противном случае кадр сбрасывается. Возникновение коллизии при приеме кадра обнаруживается либо по изменению электрического потенциала (если используется коаксиальный сегмент), либо по факту приема дефектного кадра (неверная контрольная сумма), если используется витая пара или оптическое волокно. В обоих случаях принятая информация сбрасывается.

Основные функциональные параметры стандарта Ethernet приведены в табл. 7.1.

Таблица 7.1. Основные функциональные параметры Ethernet IEEE 802.3

Метод заключается в том, что все рабочие станции постоянно находятся в режиме прослушивания канала на предмет обнаружения передаваемого кадра данных. Соответственно, когда одна из станций обнаруживает, что передаваемый кадр содержит в заголовке ее адрес как адрес получателя, то она продолжит чтение кадра и по окончании приема проинформирует отправителя о его успешной доставке. Адрес станции-источника также включен в исходный кадр, поэтому станция-получатель знает, кому нужно послать ответ.

Чтобы корректно обработать коллизию, все станции одновременно наблюдают за возникающими на кабеле сигналами. Если передаваемые и наблюдаемые сигналы отличаются, то фиксируется обнаружение коллизии (collision detection, CD). Для увеличения вероятности немедленного обнаружения коллизии всеми станциями сети, ситуация коллизии усиливается посылкой в сеть станциями, начавшими передачу своих кадров, специальной последовательности битов, называемой jam-последовательностью.

После обнаружения коллизии передающая станция обязана прекратить передачу и ожидать в течение короткого случайного интервала времени, а затем может снова сделать попытку передачи кадра.

Метод CSMA/CD определяет основные временные и логические соотношения, гарантирующие корректную работу всех станций в сети:

Между двумя последовательно передаваемыми по общей шине кадрами информации должна выдерживаться пауза в 9.6 мкс; эта пауза нужна для приведения в исходное состояние сетевых адаптеров узлов, а также для предотвращения монопольного захвата среды передачи данных одной станцией.
При обнаружении коллизии станция выдает в среду специальную 32-х битную последовательность (jam-последовательность), усиливающую явление коллизии для более надежного распознавания ее всеми узлами сети.
После обнаружения коллизии каждый узел, который передавал кадр и столкнулся с коллизией, после некоторой задержки пытается повторно передать свой кадр. Узел делает максимально 16 попыток передачи этого кадра информации, после чего отказывается от его передачи. Величина задержки выбирается как равномерно распределенное случайное число из интервала, длина которого экспоненциально увеличивается с каждой попыткой.

Четкое распознавание коллизий всеми станциями сети является необходимым условием корректной работы сети Ethernet. Для надежного распознавания коллизий должно выполняться следующее соотношение:

В 10-мегабитном Ethernet время передачи кадра минимальной длины равно 575 битовых интервалов, следовательно, время двойного оборота должно быть меньше 57,5 мкс. Для скорости передачи данных 10 Мб/с, используемой в стандартах Ethernet, максимальное расстояние между двумя любыми узлами сети не должно превышать 2500 метров, максимальное число станций в сети 1024.

Читайте также: