4.5.2. Подуровень доступа к среде. Спецификации локальных сетей
В этом разделе будут рассмотрены несколько спецификаций, на базе которых строятся современные ЛС. Рассмотрение каждой из них будет затрагивать МАС-протокол, структуру кадра и некоторые особенности физического уровня. Напомним, что обязательной службой канального уровня в стеке протоколов ЛС является служба доставки данных без предварительного установления соединения. Для её поддержания функции подуровня LLC, вообще говоря, не являлись бы обязательным, поскольку этот вид сервиса в практических реализациях сетей различных технологий всегда решал MAC-протокол.
4.5.2.1. Сети Ethernet и ieee 802.3
Протокол Ethernet был разработан в начале 1970-х годов фирмой Xerox как средство объединения рабочих станций. В начале 1980-х годов DEC, Intel и Xerox завершили разработку стандарта Ethernet DIX для сетей на толстом (диаметром 12 мм) коаксиальном кабеле, со скоростью передачи данных 10 Мбит/с. Этот стандарт стал основой для рабочей группы комитета IEEE 802.3, которая создала группу одноименных спецификаций для локальных сетей. Первая из них, опубликованная в 1985 году, описывала сеть, использующую в качестве среды передачи толстый коаксиальный кабель. Следует заметить, что и фирма Novell внесла свой вклад в разнообразие вариантов Ethernet. Все эти варианты отличаются, главным образом, в определении одного поля заголовка кадра и на этом отличии мы остановимся ниже.
Стандарты семейства IEEE 802.3 регулярно пересматриваются и расширяются каждые несколько лет. Так, были разработаны спецификации для различных сред передачи: «тонкого» коаксиала (6 мм), кабеля «витая пара»; многомодового и одномодового волоконно-оптическогих кабелей. В 1995 году было одобрено описание технологии Fast Ethernet (100 Мбит/с), в 1998 – Gigabit Ethernet (1000 Мбит/с), в 2004 - 10Gigabit Ethernet а в июне 2010 г. – 40/100 Gigabit Ethernet. Заметим, что перечисленные спецификации локальных сетей отличаются, главным образом, реализацией физического уровня, сохраняя неизменным MAC-протокол, что открывает путь к их совместимости.
4.5.2.1.1. Особенности алгоритма доступа к среде и его эффективность
Исходная спецификация IEEE 802.3 предусматривала шинную топологию сети и применение алгоритма МДКН/ОК для управления доступом к среде передачи. Напомним схему функционирования станции при таком методе доступа.
Станция, имеющая кадр для передачи,
«слушает» среду (контроль «несущей») и
если обнаруживает, что она свободна, с
некоторой случайной задержкой начинает
передачу кадра, продолжая контролировать
ее состояние. Отсутствие коллизии в
течение интервала
свидетельствует об успешном захвате
среды передачи, и станция завершает
передачу кадра. Если в указанном интервале
времени фиксируется коллизия, станция
прекращает передачу и выполняет алгоритм
«отката», вычисляющий на основе случайного
выбора из определенного интервала
момент следующей попытки передачи. Если
(n-1)-я попытка
передачи кадра оказалась неудачной, то
значение интервала задержки (измеряемое
числом тайм-слотов, длительностью
)
до следующей, n-й,
попытки захвата среды вычисляется как
случайное число из диапазона целых
чисел
.
Удвоение верхней границы этого диапазона
при каждой следующей попытке передачи
кадра увеличивает вероятность успеха,
поскольку случайное значение времени
задержки начала передачи станция
выбирает из более широкого диапазона,
но это одновременно, увеличивает и
задержку передачи кадра. Максимальное
количество попыток равно 16, после чего
кадр уничтожается.
Тайм-слот времени в алгоритме доступа к среде принимается равным . Этот параметр является критически важным для систем, использующих алгоритм МДКН/ОК. Рекомендация IEEE 802.3 определила скорость передачи в канале равную 10 Мбит/с и максимальный диаметр сети 2500 м. Построение сети такого диаметра с учетом потерь в толстом коаксиальном кабеле требовало включения 4 повторителей. В этих условиях, максимальное удвоенное время распространения сигнала между двумя станциями (с учетом задержек в повторителях) могло составлять 51,2 мкс. Этот интервал времени при скорости передачи 10 Мбит/с соответствует 512 битовым интервалам (длительность битового интервала чуть меньше 0.1 мкс). Отсюда было получено ограничение на минимальную длину кадра - 64 байта. При меньшем размере кадра существовала бы опасность пропуска коллизии. Действительно, отправитель должен «владеть» каналом в момент получения потенциально возможного сигнала коллизии, иначе у него не будет достаточно веских оснований считать этот сигнал результатом столкновения своего кадра, а не кадра какой-то другой станции, захватившей канал после завершения им передачи. Максимальное значение величины кадра было определено равным 1518 байт.
П
ри
нагрузке канала близкой к предельной
(т.е., в любой момент есть кадр, ожидающий
передачи), распределение во времени
состояний канала представлено на
рис.4.19. Здесь учтено, что среднее время
захвата канала, как было установлено в
4.2.2.2, составляет 2etp
Межкадровый интервал ICG (InterFrame Gap), длительностью tp необходим для того, чтобы все станции могли убедиться в завершении передачи предыдущего кадра. Максимальная эффективность использования среды определяется выражением
(4.15)
При работе с кадрами минимального
размера параметр
,
что обеспечивает величину
.
Для кадров максимального размера (1518
байт) а = 0,02 и метод МДКН/ОК обеспечивает
весьма высокую эффективность использования
пропускной способности среды,
.
С ростом нагрузки увеличивается среднее время задержки доставки кадров. В монографии Шварца «Сети связи», т.2 проведен анализ этой характеристики Ethernet-канала. По причине громоздкости мы не будем повторять его и ограничимся представлением результата для случая, когда все кадры имеют одинаковую длину L, интервалы времени между поступлениями кадров случайны с экспоненциальным законом распределения, а моменты прибытия кадров взаимно независимы.
.
(4.16)
Графики, соответствующие зависимости
(4.16), для нескольких значений параметра
а, представлены на рис.4.20. Хорошо
видно, что средняя задержка передачи
при приближении нагрузки канала к
растет очень быстро.
.
Заметим также, что в силу случайного характера механизма отката и явления коллизий время доставки кадра может испытывать значительные вариации