Доступ к линии передачи

Блок CSMA/CD на рис. 2.29 выполняет прослушивание линии передачи (CS - "Carrier Sense"), чтобы определить ее занятость; обеспечивает доступ многим участникам сети к общей линии передачи (MA - "Multiple Access") и обнаруживает коллизии в линии (CD - "Collision Detection"). Если при прослушивании линии обнаружено, что она свободна, может начинаться передача данных. Если в то же время передачу начинают и другие устройства в сети, это считается нормальным событием (напомним, что в RS-485 интерфейсе одновременная передача нескольких устройств является запрещенным режимом и приводит к перегреву выходных каскадов передатчиков).

а)	б)
Рис. 2.30. Цоколевка разъемов Ethernet-кабеля: нормального (а) и перекрещивающегося (б)

Если при прослушивании линии устройство обнаруживает, что во время работы его передатчика в линии имеются данные от других устройств (это состояние линии называется коллизией), то передача прекращается и возобновляется по истечении случайного промежутка времени. Коллизии возникают не только при одновременном начале передачи несколькими устройствами, но и в случае, когда в сети имеется большая задержка (например, из-за большой длины кабеля или большого количества повторителей). При наличии задержки возможна ситуация, когда одна станция начала передачу, но данные еще не дошли до другой станции, которая прослушивает линию с целью начать передачу.

Для нормального распознавания коллизии она должна бать обнаружена во время передачи кадра (а не после). Для этого задержка сигнала в сети не должна быть слишком большой. Так, при скорости передачи 100 Мбит/с длина кабеля не должны превышать 100 м и между любыми двумя станциями должно быть не более четырех концентраторов.

Во время передачи данных по линии все устройства сети находятся в режиме приема, но только одно из них, которое узнает в передаваемом кадре свой адрес, принимает данные в буфер и посылает кадр-ответ. После завершения одного акта обмена данными все станции должны выдержать паузу длиной в 9,6 мкс при скорости передачи 10 Мбит/с и 0,96 мкс при 100 Мбит/с.

Коллизии и повторные попытки передачи кадра являются причиной того, что время доставки сообщения в сети Ethernet не является детерминированным и его величина резко возрастает с ростом загруженности сети. Причина состоит в том, что при возникновении коллизий Загруженность сети возрастает вследствие попыток повторной передачи одних и тех же кадров при возникновении коллизий. Поэтому теоретически возможна ситуация, при которой устройство никогда не получит доступ к сети.

Такое положение явилось основной причиной, по которой сеть Ethernet долгое время не находила применение в промышленной автоматизации. Эту проблему удалось решить с помощью коммутаторов.

Коммутаторы

Коммутатор представляет собой интеллектуальное многопортовое устройство, которое устанавливает физическую связь между двумя Ethernet-устройствами. При этом другие устройства сети оказываются не подключены к образованному каналу передачи. Таким образом, вместо обобществленного канала передачи коммутатор позволяет получить несколько независимых друг от друга каналов между парами устройств. Сеть оказывается разделена на независимые сегменты, в каждом из которых может происходить обмен информацией независимо от других. Это приводит к увеличению пропускной способности сети, снижению коэффициента загруженности, а также к устранению коллизий.

Коллизии полностью устраняются только при полнодуплексной передаче, поскольку благодаря коммутатору в одно и то же время в любом сегменте сети могут одновременно передавать данные только два устройства, и они могут это делать не мешая друг другу благодаря дуплексному каналу, использующему две витые пары проводов. При полудуплексной связи оба устройства могут начать передачу одновременно, и, поскольку они подключены к одной и той же паре проводов, может возникнуть коллизия, хотя и с очень малой вероятностью. Заметим, что полнодуплексный режим возможен только при соединении "точка-точка", которое реализуется с помощью коммутаторов.

Для выполнения задачи сегментирования сети коммутатор содержит таблицу MAC-адресов сетевых устройств (до нескольких тысяч [Кисилев]). Таблица адресов может быть занесена в коммутатор при его настройке или сгенерирована коммутатором автоматически. В последнем случае некоторое время после инсталляции коммутатор пассивно наблюдает за деятельностью сети, собирая MAC-адреса устройств, от которых приходят данные и занося их в таблицу. После завершения акта "обучения" коммутатор пользуется созданной таблицей для распределения входящих в него кадров.

MAC-адрес (Ethernet-адрес) - это аппаратный, или физический адрес устройства (или сетевой карты) в сети. Состоит из 48 бит (6 байт, например, 00-08-74-4 lang=EN>C-7 lang=EN>F-1 lang=EN>D), три из которых устанавливаются организацией IEEE каждому производителю индивидуально, а вторые три устанавливает производитель. MAC-адрес записан в ПЗУ сетевого устройства и не может быть изменен. MAC-адрес надо отличать от IP-адреса (например, 192.168.0.1), который является логическим (протокольным, виртуальным) адресом и назначается администратором сети (младшие цифры), интернет-провайдером и региональным интернет-регистратором.

Если 2N устройств соединяются через коммутатор попарно, пропускная способность сети возрастает в N раз. Однако в общем случае увеличение пропускной способности может быть меньше, если несколько устройств пытаются соединиться через коммутатор с одним и тем же сетевым устройством. Поскольку пропускная способность выходного порта коммутатора ограничена, входящий трафик оказывается в несколько раз больше исходящего, а буферная память коммутатора ограничена. Это может привести к потере данных, если не предпринять мер для подавления входящего трафика. Подавление выполняется с помощью специальной технологии "Advanced Flow Control", когда сетевой адаптер, поддерживающий этот стандарт, после получения команды от коммутатора «Приостановить передачу», прекращает передачу кадров, а после команды «Возобновить передачу» возобновляет ее.