Возникновение коллизий

Случайный метод доступа CSMA/CA

Рис. 4. 1. Метод случайного доступа CSMA/CD

Преамбула нужна для вхождения приемника в побитовый и побайтовый синхронизм с передатчиком. Все станции, подключенные к кабелю, могут распознать факт передачи кадра, и та станция, которая узнает собственный адрес в заголовках кадра, записывает его содержимое в свой внутренний буфер, обрабатывает полученные данные, передает их вверх по своему стеку, а затем посылает по кабелю кадр-ответ. Адрес станции источника содержится в исходном кадре, поэтому станция-получатель знает, кому нужно послать ответ. Узел 2во время передачи кадра узлом 1также пытался начать передачу своего кадра, однако обнаружил, что среда занята — на ней присутствует несущая частота, — поэтому узел 2вынужден ждать, пока узел 1не прекратит передачу кадра.

После окончания передачи кадра все узлы сети обязаны выдержать технологическую паузу (Inter Packet Gap)в 9,6 мкс. Эта пауза, называемая также межкадровым интервалом, 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. Из-за задержек распространения сигнала по кабелю не все узлы строго одновременно фиксируют факт окончания передачи кадра узлом 1. В приведенном примере узел 2дождался окончания передачи кадра узлом 1, сделал паузу в 9,6 мкс и начал передачу своего кадра.

При описанном подходе возможна ситуация, когда две станции одновременно пытаются передать кадр данных по общей среде. Механизм прослушивания среды и пауза между кадрами не гарантируют от возникновения такой ситуации, когда две или более станции одновременно решают, что среда свободна, и начинают передавать свои кадры. Говорят, что при этом происходит коллизия (collision),так как содержимое обоих кадров сталкивается на общем кабеле и происходит искажение информации - методы кодирования, используемые в Ethernet, не позволяют выделять сигналы каждой станции из общего сигнала.

Заметим, что этот факт отражен в составляющей «Base(band)», присутствующей в названиях всех физических протоколов технологии Ethernet (например, 10Base-2,10Base-T и т. п.). Baseband network означает сеть с немодулированной передачей, в которой сообщения пересылаются в цифровой форме по единственно-му каналу, без частотного разделения.

Коллизия - это нормальная ситуация в работе сетей Ethernet. В примере, изображенном на рис. 4.2, коллизию породила одновременная передача данных узлами 5 и1. Для возникновения коллизии не обязательно, чтобы несколько станций начали передачу абсолютно одновременно, такая ситуация маловероятна. Более вероятно, что коллизия возникает из-за того, что один узел начинает передачу раньше другого, но до второго узла сигналы первого просто не успевают дойти к тому времени, когда второй узел решает начать передачу своего кадра. То есть коллизии - это следствие распределенного характера сети.

Чтобы корректно обработать коллизию, все станции одновременно наблюдают за возникающими на кабеле сигналами. Если передаваемые и наблюдаемые сигналы отличаются, то фиксируется обнаружение коллизии (collision detection, CD).

Рис. 4.2. Схема возникновения и распространения коллизии

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 32бит, называемой jam - последовательностью. 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),

где интервал отсрочки равен 512 битовым интервалам (в технологииEthernet принято все интервалы измерять в битовых интервалах; битовый интервал обозначается как bt и соответствует времени между появлением двух последовательных бит данных на кабеле; для скорости 10 Мбит/с величина битового интервала равна 0,1 мкс или100 нc);

L представляет собой целое число, выбранное с равной вероятностью из диапазона [0, 2 в ^{степени N}], 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 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.

Из описания метода доступа видно, что он носит вероятностный характер, и вероятность успешного получения в свое распоряжение общей среды зависит от загруженности сети, то есть от интенсивности возникновения в станциях потребности в передаче кадров. При разработке этого метода в конце 70-х годов предполагалось, что скорость передачи данных в 10 Мбит/с очень высока по сравнению с потребностями компьютеров во взаимном обмене данными, поэтому загрузка сети будет всегда небольшой. Это предположение остается иногда справедливым и по сей день, однако уже появились приложения, работающие в реальном масштабе времени с мультимедийной информацией, которые очень загружают сегменты Ethernet. При этом коллизии возникают гораздо чаще. При значительной интенсивности коллизий полезная пропускная способность сетиEthernet резко падает, так как сеть почти постоянно занята повторными попытками передачи кадров. Для уменьшения интенсивности возникновения коллизий нужно либо уменьшить трафик, сократив, например, количество узлов в сегменте или заменив приложения, либо повысить скорость протокола, например перейти на Fast Ethernet.

Следует отметить, что метод доступа CSMA/CD вообще не гарантирует станции, что она когда-либо сможет получить доступ к среде. Конечно, при небольшой загрузке сети вероятность такого события невелика, но при коэффициенте использования сети, приближающемся к 1, такое событие становится очень вероятным. Этот недостаток метода случайного доступа — плата за его чрезвычайную простоту, которая сделала технологию Ethernet самой недорогой. Другие методы доступа — маркерный доступ сетей Token Ring и FDDI, метод Demand Priority сетей 100VG-AnyLAN - свободны от этого недостатка.

При методе доступа CSMA/CD каждый компьютер сети, включая клиентов и серверы, проверяет кабель для передачи в сети:

1. Компьютер «чувствует», что кабель свободный, когда нет передачи по кабелю.

2. Компьютер может посылать данные.

3. Если в кабеле присутствуют данные, ни один компьютер не может передавать до тех пор, пока данные не получат доступа к их получателю и кабель снова свободен. (Анимация)

Помните, если два или более компьютера начнут передачу одновременно, точно в один и тот же момент времени, будет столкновение. Когда это случается, два компьютера прекращают передачу на случайный отрезок времени и затем пытаются повторить передачу.

С этих точек зрения, название метода доступа - случайный множественный доступ с контролем несущей и обнаружением конфликтов CSMA/CD (carrier cense multiple access with collision detection)имеет смысл. Компьютер проверяет или “чувствует” (слышит) среду передачи (контроль несущей). Обычно имеется много компьютеров в сети, пытающихся передать данные (multiply access), в то же самое время прослушивающих, происходят ли какие-то столкновения, которые заставляют компьютеры ожидать, перед тем как повторить передачу. (Анимация)

Метод доступаCSMA/CD известен как состязательный метод, потому что компьютеры в сети состязаются или конкурируют между собой за получение возможности передать данные. Когда вы начинаете просмотр, заметьте, что компьютеры 3, 4 и 6, все трое, готовы к передаче. Компьютер 6 получает доступ к кабелю. Компьютеры 3 и 4 готовы к передаче. Зеленый шарик над компьютерами 3 и 4 показывает, что они готовы к передаче. (Анимация)

Достоинства этого метода: простота реализации; малое время задержки при небольшом количестве cообщений в сети; независимость работы систем друг от друга;

Недостатки этого метода: отсутствие гарантий на время доставки сообщений; рост конфликтных ситуаций (числа столкновений кадров) с увеличением интенсивности трафика (потока информации в канале). Из-за этого возникают трудности связанные с обеспечением синхронного взаимодействия нескольких прикладных процессов. Здесь также нелегко организовать приоритетный допуск, хотя часто желательно передать короткое сообщение в первую очередь, более длинное - во вторую очередь.