Лекция № 15, 16 Метод разделяемой среды передачи
1 Принципы разделения среды.
Разделяемой средой называется физическая среда передачи данных, к которой непосредственно подключено несколько конечных узлов сети. Причем в каждый момент времени один из конечных узлов получает доступ к разделяемой среде и задействует ее для передачи пакета (нескольких пакетов) другому узлу, подключенному к этой же среде.
В качестве разделяемой среды может использоваться коаксиальный кабель, витая пара, оптическое волокно или радиоволны. Одним из возможных подходов к разделению среды является метод случайного доступа. Управление доступом к среде в данном случае осуществляется децентрализовано: в этом процессе участвуют все сетевые интерфейсы, непосредственно подключенные к разделяемой среде. В ЭВМ эту функцию выполняют сетевые интерфейсные карты, или сетевые адаптеры.
Суть случайного метода:
Компьютер может передавать данные по сети, только если сеть свободна, т.е. если никакой другой компьютер в данный момент не занимается обменом и электрические (оптические) сигналы в среде отсутствуют.
После того как компьютер убеждается, что сеть свободна, он начинает передачу, захватывая среду. Время монопольного использования разделяемой среды одним узлом ограничивается временем передачи одного кадра.
При попадании кадра в разделяемую среду все сетевые адаптеры одновременно начинают принимать этот кадр. Каждый из них анализирует адрес назначения, располагающийся в одном из начальных полей кадра.
Если этот адрес совпадает с их собственным адресом, кадр помещается во внутренний буфер сетевого адаптера.
При методе случайного доступа может возникать ситуация, когда одновременно два или более компьютеров решают, что сеть свободна, и начинают передавать информацию. В этом случае возникает коллизия, которая препятсвует правильной передаче данных по сети. Вероятность ее возникновения зависит от интенсивности сетевого трафика. После обнаружения коллизии сетевые адаптеры, которые пытались передать свои кадры, прекращают передачу и после паузы случайной длительности пытаются снова получить доступ к среде, чтобы передать кадр, вызвавший коллизию.
Другим распространенным способом доступа к разделяемой среде является метод детерминированного доступа. Этот метод основан на использовании кадра специального формата, который называется маркером, или токеном, доступа. Компьютер имеет право пользоваться разделяемой средой только тогда, когда он владеет токеном. Время владения токеном ограничено, так что после истечения этого срока компьютер обязан передать токен другому компьютеру.
Метод детерминированного доступа может быть реализован на основе как распределенного , так и централизованного подходов. В первом случае в сети нет узла, определяющего очередность владения распределенной средой, во втором - такой узел существует и называется арбитром доступа.
2. Коллизия. Обнаружение коллизий.
Механизм прослушивания среды и пауза между кадрами не гарантируют исключения такой 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. 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. 1).
Чтобы корректно обработать коллизию, все станции одновременно наблюдают за возникающими на кабеле сигналами. Если передаваемые и наблюдаемые сигналы отличаются, то фиксируется факт обнаружения коллизии (Collision Detection, CD). Для увеличения вероятности скорейшего обнаружения коллизии всеми станциями сети станция, которая обнаружила коллизию, прерывает передачу своего кадра (в произвольном месте, возможно, и не на границе байта) и усиливает ситуацию коллизии посылкой в сеть специальной последовательности из 32 бит, называемой jаm - последовательностью.
Рис. 1 – Схема возникновения и распространения коллизии
После этого обнаружившая коллизию передающая станция обязана прекратить передачу и сделать паузу в течение короткого случайного интервала времени. Затем она может снова предпринять попытку захвата среды и передачи кадра. Случайная пауза выбирается по следующему алгоритму:
Пауза = L х (интервал отсрочки).
В технологии Еthегпеt интервал отсрочки выбран равным значению 512 битовых интервалов. Битовый интервал соответствует времени между появлением двух последовательных битов данных на кабеле; для скорости 10 Мбит/с величина битового интервала равна 0,1 мкс, или 100 нс.
L представляет собой целое число, выбранное с равной вероятностью из диапазона [0, 2N], где N - номер повторной попытки передачи данного кадра: 1,2,..,10. После 10-й попытки интервал, из которого выбирается пауза, не увеличивается.
Таким образом, случайная пауза в технологии Ethernet может принимать значения от 0 до 52,4 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.
Администраторы сетей Ethernet с разделяемой средой руководствуются простым эмпирическим правилом - коэффициент использования среды не должен превышать 30 %. Для поддержки чувствительного к задержкам трафика сети Ethernet (и другие сети с разделяемой средой) могут применять только один метод поддержания характеристик QoS - недогруженный режим работы.
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 приамбулой – 72 байт, или 576 бит). Отсюда может быть вычислено ограничение на расстояние между станциями. В стандарте Ethemet 10 Мбит/с время передачи кадра минимальной длины равно 575 битовых интервалов, следовательно, время оборота должно быть меньше 57,5 мкс. Расстояние, которое сигнал может пройти за это время, зависит от типа кабеля и для толстого коаксиального кабеля равно примерно 13280 метров. Учитывая, что за время 57,5 мкс сигнал должен пройти по линии связи дважды, расстояние между двумя узлами не должно быть больше 6635 м. В стандарте величина этого расстояния выбрана существенно меньше с учетом других, более строгих ограничений.
Одно из таких ограничений связано с предельно допустимым затуханием сигнала. Для обеспечения необходимой мощности сигнала при его прохождении между наиболее удаленными друг от друга станциями максимальная длина непрерывного сегмента толстого коаксиального кабеля с учетом вносимого им затухания выбрана в 500 м. Очевидно, что на кабеле в 500 м условия распознавания коллизий будут выполняться с большим запасом для кадров любой стандартной длины, в том числе и 72 байт (время оборота по кабелю 500 м составляет всего 43,3 битовых интервала). Поэтому минимальная длина кадра могла бы быть установлена еще меньше. Однако разработчики технологии не стали уменьшать минимальную длину кадра, имея в виду сети, которые строятся из нескольких сегментов, соединенных повторителями.
Повторители увеличивают мощность передаваемых с сегмента на сегмент сигналов, что позволяет использовать сеть гораздо большей длины. В коаксиальных реализациях Ethernet разработчики ограничили максимальное количество сегментов в сети пятью, что, в свою очередь, ограничивает общую длину сети 2500 метрами. Даже в такой много сегментной сети условие обнаружения коллизий по-прежнему выполняется с большим запасом (сравним полученное из условия допустимого затухания расстояние в 2500 м с вычисленным выше максимально возможным по времени распространения сигнала расстоянием 6635 м). Однако в действительности временной запас существенно меньше, поскольку в много сегментных сетях сами повторители вносят в распространение сигнала дополнительную задержку в несколько десятков битовых интервалов. Небольшой запас был сделан также для компенсации отклонений параметров кабеля и повторителей.
С увеличением скорости передачи кадров, что имеет место в новых стандартах, базирующихся на том же методе доступа CSMA/CD, например в Fast Ethemet, стали пропорционально уменьшать максимальное расстояние между станциями сети. В стандарте Fast Ethemet оно составляет около 210 м, а в стандарте Gigabit Ethernet оно было бы ограничено значением 25 м, если бы разработчики стандарта не увеличили минимальный размер пакета.