Министерство образования и науки РФ
РЯЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ РАДИОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра ЭВМ
Сети эвм и телекоммуникации
Методические указания к лабораторной работе
«Исследование характеристик метода доступа в сетях Ethernet»
Составил А.А.Логинов
Рязань 2011
Лабораторная работа
«Исследование характеристик метода доступа в сетях Ethernet»
Цель работы
Целью данной лабораторной работы является изучение принципов реализации метода доступа к моноканалу, используемого в сетях Ethernet, и исследование основных характеристик данного метода.
1 Метод доступом csma/cd в сети Ethernet
Метод доступа к разделяемой среде – моноканалу (МК) является одним из главных факторов, определяющих эффективность совместного использования этого общего ресурса сетевыми узлами (СУ) локальной сети. Метод доступа формирует «облик» технологии, позволяет отличать данную технологию от других. В технологии Ethernet применяется очень простой алгоритм доступа, позволяющий СУ передавать данные в те моменты времени, когда он считает, что МК свободен. Простота метода доступа определила простоту и низкую стоимость оборудования Ethernet. Негативным атрибутом метода доступа технологии Ethernet являются коллизии, то есть ситуации, когда кадры, передаваемые разными СУ, сталкиваются друг с другом в МК. Коллизии снижают пропускную способность сети и придают её работе непредсказуемый характер.
Технология Ethernet для разделяемой среды передачи, предназначена для использования в сетях c обшей шиной, где в качестве кабельной системы используются коаксиальный кабель или витая пара с концентраторами (хабами).
Используемый метод доступа к МК – CSMA/CD (Carrier-Sense Multiple Access with Collision Detection - множественный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий) относится к децентрализованным случайным методам. Он используется как в обычных сетях типа Ethernet, так и в высокоскоростных сетях (FastEthernet, GigaEthernet). Характеристики и области применения этих популярных на практике сетей связаны именно с особенностями используемого метода доступа CSMA/CD.
Передача кадра
Если среда свободна, то СУ имеет право начать передачу кадра. В примере, показанном на рис. 1, узел 1 обнаружил, что среда свободна, и начал передавать свой кадр. В коаксиальном кабеле сигналы передатчика узла 1 распространяются в обе стороны, так что их получают все узлы сети.
Все станции, подключенные к кабелю, начинают записывать байты передаваемого кадра в свои внутренние буферы. Первые 6 байт кадра содержат адрес назначения. Та станция, которая узнает собственный адрес в заголовке кадра, продолжает записывать его содержимое в свой внутренний буфер, а
Рис. 1. Метод случайного доступа CSMA/CD
остальные станции на этом прием кадра прекращают. Станция назначения обрабатывает полученные данные и передает их вверх по своему стеку протоколов.
Узел 2 во время передачи кадра узлом 1 также пытался начать передачу своего кадра, однако обнаруживает, что среда занята — на ней присутствует несущая частота, — поэтому узел 2 вынужден ждать, пока узел 1 не прекратит передачу кадра.
После окончания передачи кадра все узлы сети обязаны выдержать технологическую паузу, равную межпакетному интервалу (Inter Packet. Gap, IPG) в 9,6 мкс. Эта пауза нужна для приведения сетевых адаптеров в исходное состояние, а также для предотвращения монопольного захвата среды одной станцией. После окончания технологической паузы узлы имеют право начать передачу своего кадра, так как среда свободна. В приведенном примере узел 2 дождался окончания передачи кадра узлом 1, сделал паузу в 9,6 мкс и начал передачу своего кадра.
Возникновение коллизии
Механизм прослушивания среды и пауза между кадрами не гарантируют исключения ситуации, когда две или более станции одновременно решают, что среда свободна, и начинают передавать свои кадры. Говорят, что при этом происходит коллизия, так как содержимое обоих кадров сталкивается на общем кабеле и происходит искажение информации.
Коллизия — это нормальная ситуация в работе сетей Ethernet. В примере на рис. 1 и рис. 2 коллизию породила одновременная передача данных узлами 3 и 1. Для возникновения коллизии не обязательно, чтобы несколько станций начали передачу абсолютно одновременно, такая ситуация маловероятна. Более вероятна ситуация, когда один узел начинает передачу, а через некоторое (короткое) время другой узел, проверив среду и не обнаружив несущую (сигналы первого узла еще не успели до него дойти), начинает передачу своего кадра. Таким образом, возникновение коллизии является следствием распределения узлов сети в пространстве.
Рис. 2. Схема возникновения и распространения коллизии
Чтобы корректно обработать коллизию, все СУ одновременно прослушивают МК. Если передаваемые и принимаемые сигналы отличаются, то фиксируется факт обнаружения коллизии (Collision Detection, CD). Для повышения вероятности обнаружения коллизии всеми СУ сети тот СУ, который обнаружил коллизию, прерывает передачу своего кадра в произвольном месте, и усугубляет коллизию посылкой в сеть специальной последовательности из 32 бит, называемой jam-последовательностью (глушение). После этого обнаружившая коллизию передающий СУ обязана прекратить передачу и сделать паузу в течение случайного интервала времени τ. Затем СУ может снова предпринять попытку захвата МК и передачи кадра. Случайная пауза выбирается по следующему алгоритму:
τ = L х (интервал отсрочки).
В технологии Ethernet интервал отсрочки выбран равным значению 512 битовых интервалов (BT – Bit Time). BT соответствует времени между появлением двух последовательных битов данных на кабеле; для скорости 10 Мбит/с величина BT равна 0,1 мкс, или 100 нс. Величина L представляет собой целое число, выбранное с равной вероятностью из диапазона [0, 2min(10, N}], где N — номер повторной попытки передачи данного кадра: 1, 2, ..., 16. После 10-й попытки интервал, из которого выбирается пауза, не увеличивается.
Таким образом, максимально пауза τ может равновероятно принимать значения от 0 до 52,4 мс с дискретностью Δτ = 512 х BT = 0,0512 мс.
Если 16 последовательных попыток передачи кадра вызывают коллизию, то передатчик должен прекратить попытки и отбросить этот кадр. Описанный алгоритм носит название усеченного экспоненциального двоичного алгоритма отсрочки (Truncated binary exponential back off).
Число коллизий тем больше, чем больше диаметр (размер) МК и чем дальше расположены друг от друга СУ с интенсивным трафиком.
Поведение сети Ethernet при значительной нагрузке, когда коэффициент использования МК растет и начинает приближаться к 1, характеризуется большими задержками в передаче кадров из-за высокой вероятности коллизий и как следствие роста N и среднего значения паузы τ.
Администраторы сетей Ethernet на разделяемой среде руководствуются простым эмпирическим правилом — коэффициент использования среды не должен превышать 30-40 %. То есть для поддержки чувствительных к задержкам приложений в сети Ethernet можно применять только один подход — обеспечивать недогруженный режим работы.
Время оборота и распознавание коллизий
Надежное распознавание коллизий всеми СУ сети является необходимым условием корректной работы сети Ethernet. Если какая-либо передающая станция не распознает коллизию и решит, что кадр данных передан ею верно, этот кадр будет утерян. Из-за наложения сигналов при коллизии информация кадра исказится, и он будет отбракован принимающей станцией. Скорее всего, недошедшие до получателя данные будут повторно переданы каким-либо протоколом верхнего уровня, например транспортным или прикладным, работающим с установлением соединения, либо протоколом канального подуровня LLC. Однако повторная передача сообщения протоколами верхних уровней произойдет гораздо позже (иногда по прошествии нескольких секунд), чем повторная передача средствами сети Ethernet (первая попытка повторной передачи при N = 0 произойдет не более чем через τmax = 0,1024 мс). Поэтому если коллизии не будут надежно распознаваться узлами сети Ethernet, то это приведет к заметному снижению полезной пропускной способности сети.
Для надежного распознавания коллизий должно выполняться следующее соотношение:
Tmin > RTT,
где Tmin — время передачи кадра минимальной длины, a RTT — время оборота, то есть время, за которое сигнал коллизии успевает распространиться до самого дальнего узла сети. В худшем случае сигнал должен пройти дважды между наиболее удаленными друг от друга станциями сети (в одну сторону проходит неискаженный сигнал, а в обратном направлении — сигнал, уже искаженный коллизией). При выполнении этого условия передающая станция должна успеть обнаружить коллизию, которую вызвал переданный её кадр, еще до того, как она закончит передачу этого кадра.
Очевидно, что выполнение этого условия зависит, с одной стороны, от минимальной длины кадра и скорости передачи данных протокола, а с другой стороны, от длины кабельном системы сети и скорости распространения сигнала в кабеле (для разных типов кабеля эта скорость несколько отличается).
Так, стандарт Ethernet определяет минимальную длину поля данных кадра в 46 байт, что вместе со служебными полями дает минимальную длину кадра 64 байт, а вместе с преамбулой — 72 байт, или 576 бит. Отсюда может быть вычислено ограничение на расстоянии между станциями. Таким образом, время передачи кадра минимальной длины равно Tmin = 576 BT, следовательно для стандарта Ethernet 10 Мбит/c, время оборота RTT должно быть меньше Tmin = 57,6 мкс.
Расстояние, которое проходит сигнал за время Tmin равно
L = VTmin,
где V - скорость распространения сигнала зависит от типа кабеля, но обычно не менее V = 230 м/мкс. В этом случае L = 13248 м.
Учитывая, что за время Tmin сигнал должен пройти по линии связи дважды, расстояние между двумя узлами (диаметр сети) не должно быть больше L/2 = 6624 м. В стандарте величина этого расстояния выбрана равной 2500 м, что существенно меньше. Это объясняется тем, что повторители, которые нужны для соединения пяти сегментов кабеля, вносят задержки в распространение сигнала.
Описанные соображения объясняют выбор минимальной длины поля данных кадра в 46 байт. Уменьшение этого значения до 0 привело бы к значительному сокращению максимальной длины сети.
Требование Tmin > RTT имеет одно интересное следствие: чем выше скорость протокола, тем меньше должна быть максимальная длина сети. Поэтому для FastEthernet на разделяемой среде при скорости в 100 Мбит/с максимальная длина сети пропорционально уменьшается до 250 м, а для GigaEthernet при скорости в 1 Гбит/с — до 25 м. Эта зависимость, наряду с резким ростом задержек при повышении загрузки сети, говорит о еще одном коренном недостатке методе доступа CSMA/CD.