4.1.4.Протокол csma/cd.

4.1.4.1.Загальні відомості.

Протоколи, в яких станції прослухують носій (тобто розпізнають наявність передавання) і діють відповідно до його присутності або відсутності, називають протоколами з розпізнаванням носія. Це означає, що принципово можна розрізнити сигнали для логічних "1", "0" і відсутність сигналів у каналі зв'язку. В термінології Ethernet, будь-який інтерфейс мусить очікувати до моменту, коли в каналі немає сигналу, і тільки тоді починати передавання. Якщо в цей час передає інший інтерфейс, то в каналі буде наявний сигнал, який називають носієм. Всі інші інтерфейси мусять чекати, доки наявність носія припиниться, перш ніж пробувати передавати, і цей процес називають розпізнаванням носія.

Всі інтерфейси Ethernet рівні у своїй можливості вислати пакет у мережу, тобто жоден не має вищого пріорітету. Це називають множинним доступом.

Оскільки сигнал потребує певного часу, щоб переміститися з одного кінця мережі до іншого, то перший біт переданого пакету не осягає всіх частин мережі одночасно. Отже, можливо, що два інтерфейси, прослуховуючи мережу, встановлюють, що вона простоює і одночасно починають передавання своїх пакетів. Якщо це стається , то система Ethernet має шлях для виявлення колізії, зупинки передавання і повторного передавання пакетів. Це називають виявленням колізії. При виявленні колізії кожна із станцій повинні негайно припинити передавання, перш ніж завершиться висилання їх рамок. Негайне припинення висилання фрагментів рамок зберігає час та ширину смуги.

Протокол CSMA/CD, як і багато інших протоколів LAN, використовує концептуальну модель, зображену на рис. 4.5. У точці, позначеній як t₀,, станція завершує передавання рамки. Будь-яка інша станція, яка у цей момент має рамку, готову до передавання, може спробувати це зробити. Якщо дві або більше станції одночасно вирішать передавати, то виникне колізія. Кожна станція виявить колізію, перерве своє передавання, вичекає протягом випадкового інтервалу часу і спробує передавати знову за умови, що в цьому часовому проміжку жодна інша станція вже не почала передавати. Отже, ця модель для CSMA/CD містить періоди змагання за доступ до каналу та передавання, при чому періоди простою з'являються тоді, коли всі станції не передають.

4.1.4.2.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 . У момент t₀ станція починає передавати. В інтервалі  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. Іншими словами, у найгіршому випадку станція не може довідатися про зайнятість каналу раніше, ніж за час 2. Із цих міркувань можна моделювати часовий інтервал змагання за доступ до каналу шириною часової щілини 2. 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 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 тесту “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.