Методи доступу до середовища передавання даних

Метод доступу CSMA/CD.

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

Цей метод застосовується винятково в мережах із логічною структурою «загальна шина». Усі комп'ютери такої мережі мають безпосередній доступ до загального середовища, тому вона може бути використана для передачі даних між будь-якими двома вузлами мережі. Одночасно всі комп'ютери мережі мають можливість негайно (з урахуванням затримки поширення сигналу по фізичному середовищу) одержати дані, які будь-який із комп'ютерів почав передавати в загальне середовище. Тобто середовище, до якого підключені всі станції, працює в режимі колективного доступу (Multiply Access, MA)

Простота методу доступу CSMA/ CD — один з факторів, що визначили успіх технології Ethernet..

Припускаючи для простоти викладу, що кожен вузол (станція) має тільки один мережевий інтерфейс, розглянемо алгоритм доступу до поділюваного середовища. Щоб одержати можливість передавати кадр, інтерфейс-відправник повинен переконатися, що поділюване середовище вільне. Це досягається прослуховуванням основної гармоніки сигналу, що також називається несучою частотою (carrier-sense, CS). Ознакою незайнятості середовища є відсутність на ній несучої частоти, що при манчестерському способі кодування дорівнює 5-10 МГц, у залежності від послідовності одиниць і нулів, переданих у даний момент.

Якщо середовище вільне, то вузол має право почати передачу кадру, що показаний на мал. 6 першим. Вузол 1 знайшов, що середовище вільне, і почав передавати свій кадр. У класичній мережі Ethernet на коаксіальному кабелі сигнали передавача вузла 1 поширюються в обидва боки, так що усі вузли мережі їх одержують. Кадр даних завжди супроводжується преамбулою (preamble), що складається з 7 байтів, що складаються зі значень 10101010, і 8-го байта, рівного 10101011. Останній байт називають обмежувачем початку кадру — Start of Frame. Преамбула потрібна для входження приймача в побітовий і побайтовий синхронізм із передавачем.

Усі станції, підключені до кабеля, можуть розпізнати факт передачі кадру, і та станція, що довідається власну адресу в заголовках кадру, записує його вміст у свій внутрішній буфер, обробляє отримані дані, передає їх вверх по протокольному стеку, а потім посилає по кабелю кадр-відповідь. Адреса станції-джерела утримується у вихідному кадрі, тому станція-одержувач знає, кому потрібно послати відповідь.

Вузол 2 під час передачі кадру вузлом 1 також намагався почати передачу свого кадру, однак знайшов, що середовище зайняте — на ній є присутнім несуща частота, — тому вузол 2 змушений чекати, поки вузол 1 не припинить передачу кадру.

 

Рис. 6. Метод випадкового доступу CSMA/CD

 

Після закінчення передачі кадру усі вузли мережі зобов'язані витримати технологічну паузу (Inter Packet Gap) у 9,6 мкс. Ця пауза (міжкадровий інтервал), потрібна для приведення мережевих адаптерів у вихідний стан, а також для запобігання монопольного захоплення середовища одною станцією. Після закінчення технологічної паузи вузли мають право почати передачу свого кадру, тому що середовище вільне. Через затримки поширення сигналу по кабелю не усі вузли строго одночасно фіксують факт закінчення передачі кадру вузлом 1.

У приведеному прикладі вузол 2 дочекався закінчення передачі кадру вузлом 1, зробив паузу в 9,6 мкс і почав передачу свого кадру.

При описаному підході можлива ситуація, коли дві станції одночасно намагаються передати кадр даних по загальному середовищу. Механізм прослуховування середовища і пауза між кадрами не гарантують виключення такої ситуації, коли дві або більш станції одночасно вирішують, що середовище вільне, і починають передавати свої кадри. Говорять, що при цьому відбувається колізія (collision), тому що вміст обох кадрів зіштовхується на загальному кабелі і відбувається перекручування інформації — методи кодування, використовувані в Ethernet, не дозволяють виділяти сигнали кожної станції з загального сигналу.

Помітимо, що цей факт відбитий у складовій «Base(band)», що є присутньою у назвах усіх фізичних протоколів технології Ethernet (наприклад, 10Base-2, 10Base-T і т.п.). Термін «Baseband network» означає мережа з немодульованою передачею, у якій повідомлення пересилаються в цифровій формі по єдиному каналу без частотного поділу.

 

Рис. 7. Схема виникнення і поширення колізії

 

Колізія — це нормальна ситуація в роботі мереж Ethernet. У прикладі на мал. 7 колізію породила одночасна передача даних вузлами 3 і 1. Для виникнення колізії не обов'язково, щоб кілька станцій почали передачу абсолютно одночасно, така ситуація малоймовірна. Колізія виникає через те, що один вузол починає передачу раніш іншого, але до другого вузла сигнали першого просто не встигають дійти на той час, коли другий вузол вирішує почати передачу свого кадру. Тобто колізії — це наслідок розподіленого характеру мережі.

Щоб коректно обробити колізію, усі станції одночасно спостерігають за виникаючими на кабелі сигналами. Якщо передані сигнали і сигнали, що спостерігаються, відрізняються, то фіксується виявлення колізії (collision detection, CD). Для збільшення імовірності якнайшвидшого виявлення колізії всіма станціями мережі станція, що знайшла колізію, перериває передачу свого кадру (у довільному місці, можливо, і не на границі байта) і підсилює ситуацію колізії посилкою в мережу спеціальної послідовності з 32 біт (jam-послідовності).

Після цього передавальна станція, що знайшла колізію, зобов'язана припинити передачу і зробити паузу протягом короткого випадкового інтервалу часу. Потім вона може знову почати спробу захоплення середовища і передачі кадру. Випадкова пауза вибирається за наступним алгоритмом:

Пауза = L * (інтервал відстрочки).

Тут інтервал відстрочки дорівнює 512 бітовим інтервалам (у технології Ethernet прийнятоі всі інтервали вимірювати в бітових інтервалах; бітовий інтервал позначається як bt і відповідає часу між появою двох послідовних біт даних на кабелі; для швидкості 10 Мбит/c величина бітового інтервалу дорівнює 0,1 мкс або 100 нc). L є цілим числом, вибраним з рівною імовірністю із діапазону [0, 2^N], де N — номер повторної спроби передачі даного кадру: 1, 2,.... 10.

Після 10-ї спроби інтервал, з якого вибирається пауза, не збільшується. Таким чином, випадкова пауза може приймати значення від 0 до 52,4 мс.

Якщо 16 послідовних спроб передачі кадру викликають колізію, то передавач повинен припинити спроби і відкинути цей кадр.

З опису методу доступу видно, що він носить імовірнісний характер, і ймовірність успішного захоплення загального середовища залежить від завантаженості мережі, тобто від інтенсивності виникнення в станціях потреби в передачі кадрів. При розробці цього методу наприкінці 70-х років передбачалося, що швидкість передачі даних у 10 Мбит/с дуже висока в порівнянні з потребами комп'ютерів у взаємному обміні даними, тому завантаження мережі буде завжди невеликим. Однак уже з'явилися програмні продукти, що працюють у реальному масштабі часу з мультимедійною інформацією і дуже завантажують сегменти Ethernet. При цьому колізії виникають набагато частіше. При значній інтенсивності колізій корисна пропускна здатність мережі Ethernet різко падає, тому що мережа майже постійно зайнята повторними спробами передачі кадрів. Для зменшення інтенсивності виникнення колізій потрібно або знизити трафік, скоротивши кількість вузлів у сегменті чи замінивши програмний продукт, або підвищити швидкість протоколу, наприклад перейти на Fast Ethernet.

Слід зазначити, що метод доступу CSMA/CD узагалі не гарантує станції, що вона коли-небудь, зможе одержати доступ до середовища. Звичайно, при невеликому завантаженні мережі імовірність такої невдачі невелика, але при коефіцієнті використання мережі, що наближається до 1, неможливість одержання доступу стає дуже ймовірною. Цей недолік методу випадкового доступу — плата за його надзвичайну простоту, що зробила технологію Ethernet найбільш дешевою. Інші методи доступу — маркерний доступ в мережах Token Ring і FDDI, метод Demand Priority технології l00VG-AnyLAN — вільні від цього недоліку.