Методы доступа к среде передачи данных

Представим себе сеть, в которой всем устройствам позволено функционировать безо всяких правил получения доступа к среде передачи. Если бы все устройства передавали сигналы по мере готовности данных, эти передачи иногда совпадали бы во времени. В результате наложения сигналы исказились бы и произошла бы потеря передаваемых данных. Такая ситуация называется коллизией (collision). Коллизии не позволяют организовать надежную и эффективную передачу информации между сетевыми объектами

Рисунок 89. Возникновение коллизии.

Коллизии распространяются на физические сегменты сети, к которым подключаются сетевые устройства. Такие соединения образуют единое пространство(домен) коллизий (collision domain), в котором влияние коллизий распространяется на всех ее участников. Для уменьшения размеров пространств коллизий путем сегментации физической сети можно использовать мосты и другие сетевые устройства, обладающие функциями фильтрации трафика на канальном уровне. Сеть не может нормально работать до тех пор, пока все ее объекты не смогут контролировать коллизии, управлять ими, устранять или хотя бы ослаблять их влияние. Логические топологии используют специальные правила, управляющие разрешением на передачу сигналов данных другим сетевым объектам. Процесс управления называется доступом к среде передачи данных.

Снижать число коллизий или интерференции(наложения) одновременных сигналов можно различными методами. Существуют стандартные методы доступа к среде передачи, описывающие правила, в соответствии с которыми осуществляется управление разрешением на передачу информации для сетевых устройств: состязание, передача маркера и опрос.

Состязание. Системы на основе состязания (конкуренции) предполагают, что доступ к среде передачи реализуется на основе принципа «первым пришел – первым обслужен». Другими словами, каждое сетевое устройство борется за контроль над средой передачи. Системы,использующие метод состязания, разработаны таким образом, чтобы все устройства в сети могли передавать данные только по мере надобности. Эта практика, в конечном счете, приводит к частичной или полной потере данных, потому что в действительности коллизии все же происходят.

Системы с передачей маркера. В таких системах (token passing) небольшой фрейм (маркер) передается в определенном порядке от одного устройства к другому. Маркер - это специальное сообщение,которое передает временное управление средой передачи устройству, владеющему маркером. Передача маркера распределяет управление доступом между устройствами сети. В основном этот метод получил развитие в сетях Token Ring, и FDDI.

Опрос (polling) - это метод доступа,при котором специально выделенное устройство (называемое контроллером,первичным или мастер устройством) служит арбитром доступа к среде. Это устройство опрашивает остальные устройства (вторичные) в некотором предопределенном порядке, чтобы узнать, есть ли у них информация для передачи.Чтобы получить данные, первичное устройство направляет вторичному соответствующий запрос, а полученные данные направляет устройству-получателю.Затем первичное устройство запрашивает другое вторичное устройство и принимает данные от него и т. д. Протокол ограничивает количество данных, которое может передать после запроса каждое вторичное устройство.

В сетях Ethernet используется метод доступа к среде передачи данных, называемый методом коллективного доступа с опознаванием несущей и обнаружением коллизий (carrier-sense-multiply-accesswith collision detection, CSMA/CD). Принято говорить, что кабель, к которому подключены все узлы, работает в режиме коллективного доступа (multiply-access,MA). Все данные, передаваемые по сети, помещаются в кадры определенной структуры и снабжаются уникальным адресом узла назначения. Затем кадр передается по кабелю. Все узлы, подключенные к кабелю, могут распознать факт передачи кадра, и тот узел, который узнает собственный адрес в заголовках кадра, записывает его содержимое в свой внутренний буфер, обрабатывает полученные данные и посылает по кабелю кадр-ответ. Адрес узла-источника также включен в исходный кадр, поэтому получатель знает, кому нужно послать ответ.

При описанном подходе возможна ситуация,когда два узла одновременно пытаются передать кадр данных по общему кабелю. Для уменьшения вероятности этой ситуации непосредственно перед отправкой кадра передающий узел слушает кабель (то есть принимает и анализирует возникающие на нем электрические сигналы), чтобы обнаружить, не передается ли уже по кабелю кадр данных от другой станции. Если опознается несущая (carrier-sense, CS), то узел откладывает передачу своего кадра до окончания чужой передачи, и только потом пытается вновь его передать. Но даже при таком алгоритме два узла одновременно могут решить, что по шине в данный момент времени нет передачи, и начать одновременно передавать свои кадры. Говорят, что при этом происходит коллизия,так как содержимое обоих кадров сталкивается на общем кабеле, что приводит к искажению информации.

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

После обнаружения коллизии передающий узел обязан прекратить передачу и ожидать в течение короткого случайного интервала времени, а затем может снова сделать попытку передачи кадра. 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. Такой алгоритм выбора величины задержки снижает вероятность коллизий и уменьшает интенсивность выдачи кадров в сеть при ее высокой загрузке.

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 передачи кадров. При разработке этого метода предполагалось, что скорость передачи данных в 10 Мб/сочень высока по сравнению с потребностями компьютеров во взаимном обмене данными, поэтому загрузка сети будет всегда небольшой. Это предположение остается часто справедливым и по сей день, однако уже появились приложения,работающие в реальном масштабе времени с мультимедийной информацией, для которых требуются гораздо более высокие скорости передачи данных. Поэтому наряду с классическим Ethernet растет потребность и в новых высокоскоростных технологиях.

Кроме метода доступа к среде передачи данных, называемым методом множественного доступа с опознаванием несущей и обнаружением коллизий (CSMA/CD, CarrierSense Multiple Access With C ollision D etection),существует метод множественного доступа с прослушиванием несущей и избеганием коллизий (CSMA/CA, Carrier Sense MultipleAccess With Collision Avoidance).

Протоколы CSMA/CA используют такие схемы,как доступ с квантованием времени (time slicing) или посылка запроса на получение доступа к среде.

При использовании квантования времени каждая станция может передавать информацию только в строго определенные для этой станции моменты времени. При этом в сети должен реализовываться механизм управления квантами времени. Каждая новая станция, подключаемая к сети,оповещает о своем появлении, тем самым, инициируя процесс перераспределения квантов времени для передачи информации.

В случае использования централизованного управления доступом к среде передачи каждая станция формирует специальный запрос на передачу, который адресуется управляющей станции. Центральная станция регулирует доступ к среде передачи для всех сетевых объектов. Примером CSMA/CA является протокол LocalTalk фирмы Apple Computer.

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 данных будет утерян, так как информация кадра исказится из-за наложения сигналов при коллизии, он будет отбракован принимающей станцией (скорее всего из-за несовпадения контрольной суммы).Скорее всего, искаженная информация будет повторно передана каким-либо протоколом верхнего уровня, например, транспортным или прикладным, работающим с установлением соединения и нумерацией своих сообщений. Но повторная передача сообщения протоколами верхних уровней произойдет через гораздо более длительный интервал времени (десятки секунд) по сравнению с микросекундными интервалами,которыми оперирует протокол Ethernet. Поэтому, если коллизии не будут надежно распознаваться узлами сети Ethernet, то это приведет к заметному снижению полезной пропускной способности данной сети.

Передача кадра Ethernet

Уточним основные параметры операций передачи и приема кадров Ethernet. Станция, которая хочет передать кадр, должна сначала с помощью MAC-узла упаковать данные в кадр соответствующего формата. Затем для предотвращения смешения сигналов с сигналами другой передающей станции, MAC-узел должен прослушивать электрические сигналы на кабеле и вслучае обнаружения несущей частоты 10 МГц отложить передачу своего кадра. После окончания передачи по кабелю станция должна выждать небольшую дополнительную паузу, называемую межкадровым интервалом (interframe gap), что позволяет узлу назначения принять и обработать передаваемый кадр, и после этого начать передачу своего кадра. 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, после 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, 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. Пауза всегда составляет целое число так называемых интервалов отсрочки. Это время тесно связано с другим важным временным параметром сети - окном коллизий. Интервал отсрочки выбирается равным величине окна коллизий плюс некоторая дополнительная величина задержки для гарантии:

интервал отсрочки = окно коллизий + дополнительная задержка

В стандартах IEEE 802.3 большинство временных интервалов измеряется в количестве межбитовых интервалов, величина которых для битовой скорости 10 Мб/с составляет 0.1 мкс и равна времени передачи одного бита.

Величина интервала отсрочки в стандарте IEEE 802.3 определена равной512 битовым интервалам, и эта величина рассчитана для максимальной длины коаксиального кабеля в 2.5 км.Величина 512 определяет и минимальную длину кадра в 64 байта, так как при кадрах меньшей длины станция может передать кадр и не успеть заметить факт возникновения коллизии из-за того, что искаженные коллизией сигналы дойдут до станции в наихудшем случае после завершения передачи. Такой кадр будет просто потерян. Время паузы после N-ой коллизии полагается равным L интервалам отсрочки, где L - случайное целое число, равномерно распределенное в диапазоне[0, 2N]. Величина диапазона растет только до 10 попытки (напомним, что их не может быть больше 16), а далее диапазон остается равным [0, 210], то есть [0,1024].

 

Интервал отсрочки (slot time) - это время, в течение которого станция гарантированно может узнать, что в сети нет коллизии.

Окно коллизий (collision window) -равно времени двукратного прохождения сигнала между самыми удаленными узлами сети - наихудшему случаю задержки, при которой станция еще может обнаружить, что произошла коллизия.

 

Значения основных параметров процедуры передачи кадра стандарта IEEE 802.3 приведено в таблице.

Таблица 4. основные параметры кадра 802.3

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 в14880 пакет(кадр)/с.

В 1995 году принят стандарт IEEE 802.3uFast Ethernet со скоростью 100 Мбит/с и появилась возможность работы в режиме полный дуплекс. В 1997 году был принят стандарт IEEE 802.3z Gigabit Ethernet со скоростью 1000 Мбит/с для передачи по оптоволокну и еще через два года для передачи по витой паре.

В зависимости от скорости передачи данных и передающей среды были разработаны несколько вариантов технологии.

10BASE5, IEEE 802.3 — первоначальная разработка технологии со скоростью передачи данных 10 Мбит/с. Следуя раннему стандарту IEEE использует коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 50 Ом(RG-8), с максимальной длиной сегмента 500 метров.

10BASE2, IEEE 802.3a используется кабель RG-58, с максимальной длиной сегмента 200 метров, компьютеры присоединялись один к другому, для подключения кабеля к сетевой карте нужен T-коннектор, а на кабеле должен быть BNC-коннектор. Требуется наличие терминаторов на каждом конце. Многие годы этот стандарт был основным для технологии Ethernet.

StarLAN 10 — Первая разработка,использующая витую пару для передачи данных на скорости 10 Мбит/с. В дальнейшем эволюционировал в стандарт 10BASE-T.

Несмотря на то, что теоретически возможно подключение к одному кабелю (сегменту) витой пары более чем двух устройств,работающих в симплексном режиме, такая схема никогда не применяется для Ethernet, в отличие от работы с коаксиальным кабелем. Поэтому, все сети навитой паре используют топологию «звезда», в то время как, сети на коаксиальном кабеле построены на топологии «шина».

10BASE-T, IEEE 802.3i — для передачи данных используется 4 провода кабеля витой пары (две скрученные пары)категории-3 или категории-5. Максимальная длина сегмента 100 метров.

FOIRL — (акроним от англ. Fiber-opticinter-repeater link). Базовый стандарт для технологии Ethernet, использующий для передачи данных оптический кабель. Максимальное расстояние передачи данных без повторителя 1 км.

10BASE-F, IEEE 802.3j — Основной термин для обозначения семейства 10 Мбит/с ethernet-стандартов, использующих оптоволоконный кабель на расстоянии до 2 километров: 10BASE-FL, 10BASE-FB и 10BASE-FP. Из перечисленного только 10BASE-FL получил широкое распространение.

10BASE-FL (Fiber Link) — Улучшенная версия стандарта FOIRL. Улучшение коснулось увеличения длины сегмента до 2 км.

10BASE-FB (Fiber Backbone)— Сейчас не используемый стандарт, предназначался для объединения повторителей в магистраль.

10BASE-FP (Fiber Passive)- Топология«пассивная звезда», в которой не нужны повторители— никогда не применялся.