Доступ до середовища та колізії.

Розглянемо детальніше алгоритм змагання за доступ до каналу. Приймемо, що дві станції одночасно розпочинають передавання в момент t₀. Для визначення тривалості періоду змагання, величини затримки та пропускної здатності важливо знати, як довго можуть передавати обидві станції перед виявленням колізії. Мінімальний час для виявлення колізії точно рівний часу, який потребує сигнал для поширення від однієї станції до іншої. Приймемо такий сценарій для найгіршого випадку. Нехай час поширення сигналу між двома найвіддаленішими станціями рівний t. У момент t₀ станція починає передавати. В інтервалі t-e перед тим, як сигнал осягне найбільш віддалену станцію, ця станція продовжує передавання. Як тільки вона виявить колізію, то негайно припиняє передавання, генерує сигнали глушіння, обумовлені колізією, які, однак, не можуть досягнути станцію-джерело раніше, ніж мине час 2 t-e. Іншими словами, у найгіршому випадку станція не може довідатися про зайнятість каналу раніше, ніж за час 2 t. Із цих міркувань можна моделювати часовий інтервал змагання за доступ до каналу шириною часової щілини 2 t. Для спрощення приймемо, що кожна щілина містить точно один біт. Як тільки канал захоплений, то станція може передавати з будь-якою швидкістю, а не точно один біт за 2 t секунд.

Рис.4.5. CSMA/CD в одному з трьох станів: змагання, передавання, вільний.

Сигнали глушіння - це неспецифіковані дані довжиною 32 біти, які висилає станція, коли виявлена колізія. Однак ці дані не можуть відповідати 4-байтовому слову контрольної суми (CRC) для даних, переданих попередньо. Їх завдання полягає в уникненні припинення передачі безпосередньо після колізії.

Оскільки правильне функціонування механізмі виявлення колізій є умвою правильного функціонування протоколу CSMA/CD, то система Ethernet передбачає використання спеціального т есту “биття серця” або тестової функції SQE (Signal Quality Error) для верифікації операцій кіл виявлення колізій. Цей тест вноситься комбінацією контроллера та MAU після закінчення передавання кожної рамки. Тест викликається також при стані наявності колізії на час 10 мкс. Кінець рамки позначений наявністю сигналу IDL в рядку DO (data out) MAU.

Важливо підкреслити, що виявлення колізій - це аналоговий процес. Обладнання, точніше, мережева карта станції повинна прослуховувати кабель для виявлення передавання. Якщо те, що приймається, відмінне від того, що власне передається, то це означає наявність колізії. Звідси витікає, що кодування сигналу повинне дозволяти виявлення колізії (наприклад, колізія двох сигналів з амплітудою 0 В не може бути виявлена). Із цих міркуваннях в системах з протоколом CSMA/CD для передавання бітів на Фізичному рівні всі застосування стандарту 802.3, включно з Ethernet, вживають манчестерський код. Для передавання використовують електричні імпульси в діапазоні ±0.85 В, так що різниця потенціалів становить 1.7 В. Ця різниця потенціалів існує між центральним провідником коаксіального кабеля та його оболонкою (стандарти 10Base5 і 10Base2) або між парою скручених провідників при використанні кабеля типу UTP (стандарт 10BAse-T). Простоюванню мережі відповідає відсутність напруги (0 В).

Невдало, що проектанти Ethernet вжили слово “колізія” до цього аспекту механізму управління доступом до середовища Ethernet. Із сьогоднішньої точки зору цей механізм слід назвати “стохастичним вибором можливості” (stochastic arbitration event - SAE). Термін “колізія” звучить погано, оскільки більшість людей асоціює колізію з ознакою аварії в мережі, у той час як колізії є цілком нормальними ситуаціями в Ethernet і просто означають, що протокол CSMA/CD працює так, як повинен. Чим більше комп’ютерів додано до даної мережі Ethernet, тим більше зростає трафік і тим більше колізій з’являється як нормальна частина операцій в Ethernet.

Довжина рамки в стандарті IEEE 802.3 лежить в межах від 64 октетів до 1518 октетів, рахуючи від адреси призначення до контрольної суми включно. Коли трансівер виявляє колізію, він припиняє передавання, тобто обрізає поточну рамку, а це означає, що фрагменти рамок постійно наявні в кабелі. Щоб простіше відрізнити правильну рамку від пошкодженої, стандарт 802.3 встановлює, що правильна рамка повинна мати довжину щонайменше 64 октети, тобто 512 бітів. Іншою причиною встановлення мінімальної довжини рамки є бажання запобігти ситуації, коли станція завершує передавання рамки, перш ніж її перший біт досягає до віддаленого кінця кабеля, де може виникнути колізія з іншою рамкою.

Час обігу петлі.

Щоб система управління доступу до середовища працювала належним чином, усі інтерфейси Ethernet повинні бути здатні відповідати на інші сигнали всередині певного часового інтервалу. Синхронізація сигналів базована на інтервалі часу, даному для того, щоб сигнал, висланий від одного кінця повної системи сигнального середовища, повернувся назад; цей інтервал відомий як час обігу петлі. Максимальний час обігу петлі для сигналу в спільному каналі Ethernet є строго обмежений, щоб забезпечити будь-який інтерфейс можливістю слухати всі мережеві сигнали всередині визначеного інтервалу часу, передбаченого в системі управління доступом до середовища Ethernet. Чим довший даний сегмент мережі, тим більше часу потрібно, щоб сигнал перемістився через нього.

Передавання сигналу триває певний час, за який сигнал поширюється вздовж кабеля. Якщо затримка поширення занадто велика, то процес передавання може бути закінчений перед тим, як вузол виявить колізію. Для уникнення цього затримка не повинна перевищувати часу, еквівалентного тривалості передавання 512 бітів (тобто 64 октетів). Мінімальна довжина рамки не повинна бути менша від 64 октетів, щоб механізм виявлення колізій діяв правильно.

Максимальна кількість рамок, які можуть бути вислані за секунду, може бути обчислена так. При швидкості 10 Мб/с тривалість передавання рамки довжиною 64 октети (512 бітів) становить 51.2 мкс. Преамбула (8 октетів) передається за 6.4 мкс. До цього слід додати часовий інтервал між рамками, рівний 9.6 мкс. Сума становить 67.2 мкс, тому за секунду можна передати не більше від 14880 рамок. При швидкості 100Мб/с за секунду можна передати 148809 рамок довжиною 64 октети.

Завершення пакету даних (рамки) завжди сигналізується шляхом включення сигналу стану IDL в потік бітів. Він завжди починається з високого рівня і триває протягом часового інтервалу щонайменше 2 бітів. Якщо останні біти були нулями, то в потік бітів включається додатковий перехід через нуль (transition).

Розв'язання колізій.

Система Ethernet спроектована так, що більшість колізій в мережі, яка не перевантажена, розв’язуються за мікросекунди. Звичайно колізія не приводить до втрати даних. У випадку колізії інтерфейс Ethernet очікує відступу кілька мікросекунд і потім автоматично повторює передавання даних. Для мереж, перевантажених трафіком, може трапитися, що колізії наступають багаторазово при спробах передавання даного пакету. Це також нормальний режим. Якщо при спробах здійснити передавання трапляються повторні колізії, то станція розпочинає розвивати систему часових інтервалів затримки, в яких випадково вибирається момент часу для повторного передавання. Повторні колізії для даної спроби передавання пакету вказують на зайнятість мережі. Розподіл процесу затримки, формально відомий як обмежений бінарний експоненціальний відступ, є розумною властивістю MAC Ethernet, який забезпечує для станції автоматичний метод підстроювання характеристик трафіку мережі. Тільки після 16 послідовних колізій для даної спроби передавання пакету інтерфейс може остаточно відкинути пакет Ethernet. Це може статися тільки тоді, коли канал Ethernet перевантажений протягом достатньо довгого періоду часу або розірваний в іншим чином.

Розглянемо тепер, як здійснюється рандомізація в алгоритмі обмеженого бінарного експоненціального відступу. Для цього знову використаємо модель рис. 4.5. Після колізії час ділиться на дискретні інтервали (часові щілини), довжина яких дорівнює найгіршому випадку для часу обігу петлі в кабелі (2 t). Для пристосування до найдовшого можливого шляху, який дозволяється в кабельній системі стандартом 802.3 (2500 м і чотири повторювачі для мережі 10Base5) тривалість інтервалу (щілини) становить величину, кратну до 512 біт (або 51.2 мкс при швидкості 10 Мб/с).

Графік повторного передавання базується на такій формулі:

-1,

де I - кількість часових щілин перед повторним передаванням, вибирається випадково;

k=min(n,10), при цьому n - це порядковий номер спроби повторного передавання.

Це означає, що після першої колізії кожна станція вибирає випадково 0 або1 часових інтервалів для очікування, перш ніж розпочати повторну спробу. Після другої колізії (ймовірність якої дорівнює 0.5) випадковий вибір для очікування здійснюється з 0, 1, 2 або 3 інтервалів. В загальному випадку після k -ї колізії вибирається випадкове число I в інтервалі 0..2 ^k -1 і очікується таку кількість часових інтервалів. Однак піся 10 колізій інтервал випадкового вибору обмежується до 1023 щілин. Після 16 колізій контроллер припиняє повторні спроби і видає повідомлення про аварійну ситуацію.

Цей алгоритм вибраний для динамічного пристосування до кількості станцій, які пробують отримати доступ до середовища для передавання. Якщо інтервал випадкового вибору для всіх колізій лежить в межах 0..1023, то шанс повторної колізії двох станцій нехтуюче малий, однак середнє очікування після колізії може становити сотні часових інтервалів, що викликає значну затримку. З другого боку, якщо вибір здійснюється в інтервалі чисел 0..1, то коли 100 станцій пробують отримати доступ, то вони знову і знову вступають в колізії, що може тривати дуже довго. Через експоненціальне зростання інтервалу випадкового вибору щілини при колізіях, які послідовно наступають одна за одною, алгоритм гарантує малий час затримки при малій кількості станцій, що вступають у колізію, і гарантує, що колізії розв'язуються у прийнятний інтервал часу, якщо багато станцій колідують між собою.