Час подвійного обороту та розпізнавання конфліктів

 

 

Чітке розпізнавання конфліктів (колізій) всіма станціями мережі є необхідною умовою коректної роботи мережі Ethernet. Для надійного розпізнавання колізій повинне виконуватися наступне співвідношення:

 

,

 

де  - час передачі кадру мінімальної довжини, а  -  час, за який сигнал колізії встигає розповсюдитися до найдальшого вузла мережі. Оскільки у гіршому разі сигнал повинен пройти двічі між найбільш віддаленими один від одного станціями мережі (в один бік проходить неспотворений сигнал, а по дорозі назад розповсюджується вже спотворений колізією сигнал), то цей час називається часом подвійного обороту (Path Delay Value, PDV).

Для нормального функціонування мережі передавальна станція повинна встигати виявити колізію, яку викликав переданий її кадр, ще до того, як вона закінчить передачу цього кадру. Очевидно, що виконання цієї умови залежить, з одного боку, від довжини мінімального кадру і пропускної спроможності мережі, а з іншого боку, від довжини кабельної системи мережі і швидкості розповсюдження сигналу в кабелі (для різних типів кабелю ця швидкість декілька відрізняється).

У стандарті Ethernet прийняте, що мінімальна довжина поля даних кадру складає 46 байт, що разом із службовими полями дає мінімальну довжину кадру 72 байт або 576 бит. Звідси може бути визначене обмеження на максимальну відстань між станціями.

Отже, в 10-мегабитном Ethernet час передачі кадру мінімальної довжини рівний 575 бітових інтервалів, отже, час подвійного обороту повинен бути менше 57,5 мкс. Відстань, яку сигнал може пройти за цей час, залежить від типу кабелю і для товстого коаксіального кабелю рівні приблизно 13 280 м. Враховуючи, що за цей час сигнал повинен пройти по лінії зв'язку двічі, відстань між двома вузлами не повинна бути більше 6 635 м. У стандарті величина цієї відстані вибрана істотно менше, з урахуванням інших, строгіших обмежень. Довжина сегменту товстого коаксіального кабелю з урахуванням загасання, що вноситься ним, вибрана 500 м.

Повторювачи збільшують потужність передаваних з сегменту на сегмент сигналів, в результаті загасання сигналів зменшується і можна використовувати мережу набагато більшої довжини, що складається з декількох сегментів. У коаксіальних реалізаціях Ethernet розробники обмежили максимальну кількість сегментів в мережі п'ятьма, що у свою чергу обмежує загальну довжину мережі 2500 метрами. Навіть у такій багатосегментній мережі умова виявлення колізій як і раніше виконується з великим запасом (порівняємо отримане з умови допустимого загасання відстань в 2500 м з обчисленим вище максимально можливим за часом розповсюдження сигналу відстанню 6635 м). Проте насправді часовий запас є істотно менше, оскільки в багатосегментних мережах самі повторители вносять до розповсюдження сигналу додаткову затримку в декілька десятків бітових інтервалів. Природно, невеликий запас був зроблений також для компенсації відхилень параметрів кабелю і повторителей.

В результаті обліку всіх цих і деяких інших чинників було ретельно підібрано співвідношення між мінімальною довжиною кадру і максимально можливою відстанню між станціями мережі, яке забезпечує надійне розпізнавання колізій. Цю відстань називають також максимальним діаметром мережі.

У табл. 1 приведені значення основних параметрів процедури передачі кадру стандарту 802.3, які не залежать від реалізації фізичного середовища. Важливо відзначити, що кожен варіант фізичного середовища технології Ethernet додає до цих обмежень свої, часто строгіші обмеження, які також повинні виконуватися і які будуть розглянуті нижче.

 

Таблиця 1. Параметри рівня MAC Ethernet

 

Параметри	Значення
Бітова швидкість	10 Мбіт/с
Міжкадровий інтервал (IPG)	9,6 мкс
Максимальне число спроб передачі	16
Максимальне число зростання діапазону паузи	10
Довжина jam-последовательности	32 бита
Максимальна довжина кадру (без преамбули)	1518 байт
Мінімальна довжина кадру (без преамбули)	64 байт (512 битий)
Довжина преамбули	64 битий
Мінімальна довжина випадкової паузи після колізії	0 бітових інтервалів
Максимальна довжина випадкової паузи після колізії	524 000 бітових інтервалу
Максимальна відстань між станціями мережі	2500 м
Максимальне  число станцій в мережі	1024

 

 

\Максимальна продуктивність мережі Ethernet

 

Кількість оброблюваних кадрів Ethernet в секунду часто указується виробниками мостів/комутаторів і маршрутизаторів як основна характеристика продуктивності цих пристроїв. У свою чергу, цікаво знати чисту максимальну пропускну спроможність сегменту Ethernet в кадрах в секунду в ідеальному випадку, коли в мережі немає колізій і немає додаткових затримок, що вносяться мостами і маршрутизаторами. Такий показник допомагає оцінити вимоги до продуктивності комунікаційних пристроїв, оскільки в кожен порт пристрою не може поступати більше кадрів в одиницю часу, чим дозволяє це зробити відповідний протокол.

Для комунікаційного устаткування найбільш важким режимом є обробка кадрів мінімальної довжини. Це пояснюється тим, що на обробку кожного кадру міст, комутатор або маршрутизатор витрачає приблизно один і той же час, пов'язаний з прогляданням таблиці просування пакету, формуванням нового кадру (для маршрутизатора) і тому подібне А кількість кадрів мінімальної довжини, що поступають на пристрій в одиницю часу, природно більше, ніж кадрів будь-якої іншої довжини.

Використовуючи параметри, приведені в табл. 1, розрахуємо максимальну продуктивність сегменту Ethernet в таких одиницях, як число переданих кадрів (пакетів) мінімальної довжини в секунду

Для розрахунку максимальної кількості кадрів мінімальної довжини, що проходять по сегменту Ethernet, відмітимо, що розмір кадру мінімальної довжини разом з преамбулою складає 72 байт або 576 битий (мал. 1), тому на його передачу витрачається 57,5 мкс. Додавши міжкадровий інтервал в 9,6 мкс, отримуємо, що період проходження кадрів мінімальної довжини складає 67,1 мкс. Звідси максимально можлива пропускна спроможність сегменту Ethernet складає 14 880 кадра/с.

 

 

Рисунок 1 - До розрахунку пропускної спроможності протоколу Ethernet

 

 

Природно, що наявність в сегменті декількох вузлів знижує цю величину за рахунок очікування доступу до середовища, а також за рахунок колізій, що приводять до необхідності повторної передачі кадрів.

Кадри максимальної довжини технології Ethernet мають поле довжини 1500 байт, що разом із службовою інформацією дає 1518 байт, а з преамбулою складає 1526 байт або 12 208 битий. Максимально можлива пропускна спроможність сегменту Ethernet для кадрів максимальної довжини складає 813 кадр/с. Очевидно, що при роботі з великими кадрами навантаження на мости, комутатори і маршрутизатори досить відчутно знижується.

Тепер розрахуємо, якою максимальною корисною пропускною спроможністю в біт в секунду володіють сегменти Ethernet при використанні кадрів різного розміру.

Під корисною пропускною спроможністю протоколу розуміється швидкість передачі призначених для користувача даних, які переносяться полем даних кадру. Ця пропускна спроможність завжди менше номінальної бітової швидкості протоколу Ethernet за рахунок декількох чинників:

- службовій інформації кадру;

- міжкадрових інтервалів (IPG);

- очікування доступу до середовища.

 

Для кадрів мінімальної довжини корисна пропускна спроможність рівна:

 

Сп = 14880 х 46 х 8 = 5,48 Мбіт/с.

 

Це набагато менше 10 Мбіт/с, але слід врахувати, що кадри мінімальної довжини використовуються в основному для передачі квитанцій, так що до передачі власне даних файлів ця швидкість відношення не має.

Для кадрів максимальної довжини корисна пропускна спроможність рівна:

 

Сп = 813 х 1500 х 8 = 9,76 Мбіт/с

 

що вельми близько до номінальної швидкості протоколу.

Ще раз підкреслимо, що такій швидкості можна досягти тільки у тому випадку, коли двом взаємодіючим вузлам в мережі Ethernet інші вузли не заважають, що буває украй рідко.

При використанні кадрів середнього розміру з полем даних в 512 байт пропускна спроможність мережі складе 9,29 Мбіт/с, що теж достатньо близько до граничної пропускної спроможності в 10 Мбіт/с. Відношення поточної пропускної спроможності мережі до її максимальної пропускної спроможності називається коефіцієнтом використання мережі (network utilizalion).

За відсутності колізій і очікування доступу коефіцієнт використання мережі залежить від розміру поля даних кадру і має максимальне значення 0,982 при передачі кадрів максимальної довжини. Очевидно, що в реальній мережі Ethernet середнє значення коефіцієнта використання мережі може значно відрізнятися від цієї величини.

 

Формати кадрів технології Ethernet

 

Стандарт технології Ethernet, описаний в документі IEEE 802.3, дає опис єдиного формату кадру рівня MAC. Проте на практиці в мережах Ethernet на канальному рівні використовуються кадри 4-х різних форматів (типів). Це пов'язано з тривалою історією розвитку технології Ethernet, що налічує період існування до ухвалення стандартів IEEE 802, коли підрівень LLC не виділявся із загального протоколу і, відповідно, заголовок LLC не застосовувався. тут під кадром розуміється весь набір полів, які відносяться до канального рівня, тобто поля MAC і LLC рівнів.

Відмінності у форматах кадрів можуть приводити до несумісності в роботі апаратури і мережевого програмного забезпечення, розрахованого на роботу тільки з одним стандартом кадру Ethernet. Проте сьогодні практично всі мережеві адаптери, драйвери мережевих адаптерів, мости/комутатори і маршрутизатори уміють працювати зі всіма використовуваними на практиці форматами кадрів технології Ethernet, причому розпізнавання типу кадру виконується автоматично.

Один і той же тип кадру може мати різні назви, тому нижче для кожного типу кадру приведено по декілька найбільш споживаних назв:

- кадр 802.3/LLC (кадр 802.3/802.2 або кадр Novell 802.2);

- кадр Raw 802.3 (або кадр Novell 802.3);

- кадр Ethernet DIX (або кадр Ethernet II);

- кадр Ethernet SNAP.

 

 

Рисунок 2 - Формати кадрів Ethernet

 

Стандарт 802.3 визначає вісім полів заголовка (мал. 2, поле преамбули і початковий обмежувач кадру на малюнку не показані). Розглянемо  формати і призначення полів кадру Novell 802.3.

- Поле преамбули (Preamble) складається з семи що синхронізують байт 10101010. При манчестерському кодуванні ця комбінація представляється у фізичному середовищі періодичним хвилевим сигналом з частотою 5 Мгц.

- Початковий обмежувач кадру (Start-of-frame-delimiter, SFD) складається з одного байта 10101011. Поява цієї комбінації біт є вказівкою на те, що наступний байт - це перший байт заголовка кадру.

- Адреса призначення (Destination Address, DA) може бути завдовжки 2 або 6 байт. На практиці завжди використовуються адреси з 6 байт. Перший біт старшого байта адреси призначення є ознакою того, є адреса індивідуальною. або груповим. Якщо він рівний 0, то адреса є індивідуальною (unicast), а якщо 1, то це групова адреса (multicast). Групова адреса може призначатися всім вузлам мережі або ж певній групі вузлів мережі.

- Адреса джерела (Source Address, SA) - це 2- або 6-байтове поле, що містить адресу вузла - відправника кадру. Перший біт адреси завжди має значення 0.

- Довжина (Length, L) - 2-байтове поле, яке визначає довжину поля даних в кадрі.

- Поле даних (Data) може містити від 0 до 1500 байт. Але якщо довжина поля менше 46 байт, то використовується наступне поле - поле заповнення, - щоб доповнити кадр до мінімально допустимого значення в 46 байт.

- Поле заповнення (Padding) складається з такої кількості байт заповнювачів, яке забезпечує мінімальну довжину поля даних в 46 байт. Це забезпечує коректну роботу механізму виявлення колізій. Якщо довжина поля даних достатня, то поле заповнення в кадрі не з'являється.

-  Поле контрольної суми (Frame Check Sequence, FCS) складається з 4 байт, що містять контрольну суму. Це значення обчислюється по алгоритму CRC-32. Після отримання кадру робоча станція виконує власне обчислення контрольної суми для цього кадру, порівнює набутого значення із значенням поля контрольної суми і, таким чином, визначає, чи не спотворений отриманий кадр.