Метод управління обміном CSMA/CD

Як вже мовилося в розділі 3, метод управління обміном CSMA/CD (Carrier-Sense Multiple Access with Collision Detection – множинний доступ з контролем тієї, що несе і виявленням колізій) відноситься до децентрализованным випадкових (точніше, квазівипадковим) методів. Він використовується як в звичайних мережах типа Ethernet, так і у високошвидкісних мережах (Fast Ethernet, Gigabit Ethernet). Оскільки характеристики і сфери застосування цих популярних на практиці мереж пов'язані саме з особливостями використовуваного методу доступу, його варто розгледіти детальніше.

Спочатку про назву методу. У ранній мережі типа Alohanet, що працювала з 1970 р. на Гавайських островах, використовувався радіоканал і встановлений на супутнику ретранслятор (звідси слово "несе" в назві методу), а також порівняно простий метод доступу CSMA (без виявлення колізій). У мережах типа Ethernet і Fast Ethernet як несе виступає синхросигнал, що "підмішується" до передаваних даних так, щоб забезпечити надійну синхронізацію на приймальному кінці. Це реалізується за рахунок організації (при необхідності) додаткових примусових переходів сигналу між двома (як в коді МАНЧЕСТЕР-П) або трьома електричними рівнями (як в коді типа 8В6Т, використовуваному в сегменті Fast Ethernet 100BaseT4 на основі чотирьох неекранованих витих пар). В порівнянні з класичним методом CSMA в методі CSMA/CD додано виявлення конфліктів (колізій) під час передачі, що підвищує швидкість доставки інформації.

При описі тимчасових діаграм мереж|сітей| типа|типу| Ethernet| і Fast| Ethernet|, а також граничних розмірів пакетів (кадрів) широко використовуються наступні|слідуючі| терміни:

• IPG| (interpacket| gap|, міжпакетна|пакетна| щілина) – мінімальний проміжок часу між передаваними пакетами (9,6 мкс для Ethernet| / 0,96 мкс для Fast| Ethernet|). Інша назва – міжкадровий інтервал.
• ВТ (Bit| Time|, час бита) – інтервал часу для передачі одного біта (100 нс| для Ethernet| / 10 нс| для Fast| Ethernet|).
• PDV| (Path| Delay| Value|, значення затримки в дорозі) – час проходження сигналу між двома вузлами мережі|сіті| (круг|коло|, тобто|цебто| подвоєне). Враховує сумарну затримку в кабельній системі, мережевих|мережних| адаптерах, повторителях| і інших мережевих|мережних| пристроях|устроях|.
• Collision window (вікно колізій) – максимальне значення PDV для даного сегменту.
• Collision domain (область колізій, зона конфлікту) – частка мережі, на яку розповсюджується ситуація колізії, конфлікту.
• Slot time (час каналу) – максимально допустиме вікно колізій для сегменту (512• ВТ).
• Minimum| frame| size| – мінімальний розмір кадру (512 битий).
• Maximum| frame| size| – максимальний розмір кадру (1518 байт).
• Maximum network diameter (максимальний діаметр мережі) -максимальная допустима довжина сегменту, при якій його вікно колізій не перевищує slot time, часу каналу.
• Truncated binary exponential back off (усічене двійкове експоненціальне відстрочення) – затримка перед наступною спробою передачі пакету після колізії (допускається максимум 16 спроб). Обчислюється вона по наступній формулі:

RAND(0,2min(^N,10)) x 512 x ВТ

де N – значення лічильника спроб, RAND(а, b) – генератор випадкових нормально розподілених цілих чисел в діапазоні а...b, включаючи крайні значення. Діськрет зміни даного параметра дорівнює мінімальній довжині пакету або максимально допустимій подвійній затримці розповсюдження сигналу в мережі (PDV).

Алгоритм доступу до мережі|сіті|

На рис. 10.1 показана структурна схема алгоритму доступу до мережі відповідно до методу CSMA/CD для одного з абонентів, що мають дані (кадри) для передачі.

На початку з|із| кадру, призначеного для передачі, абонент (вузол) формує пакет. Далі при позначенні блоків інформації, передаваних по мережі|сіті| при використанні алгоритму CSMA/CD, поняття "кадр" і "пакет" не розрізняються, що не зовсім правильно, але|та| відповідає практиці, що склалася.

Якщо після|потім| підготовки пакету мережа|сіть| вільна, то абонент (вузол) має право зачати|починати| передачу. Але|та| насамперед|передусім| він повинен перевірити, чи минуло|проходило| мінімально допустимий час IPG| після|потім| попередньої передачі (блок 1 на малюнку). Тільки|лише| після закінчення часу IPG| абонент може зачати|починати| передачу бітів свого пакету (блок 2 на малюнку).

Після передачі кожного біта абонент перевіряє наявність конфлікту (колізії) в мережі. Якщо колізій немає, передача бітів триває до закінчення пакету (блок 4 на малюнку). В цьому випадку вважається, що передача минула успішно.

Якщо після передачі якогось біта виявлена колізія, то передача пакету припиняється. Абонент (вузол) підсилює колізію, передаючи 32-бітовий сигнал ПРОБКА (JAM) і зачинає готуватися до наступної спроби передачі (блок 3 на малюнку). Сигнал ПРОБКА гарантує, що факт наявності колізії виявлять всі абоненти, що беруть участь в конфлікті.

Після передачі сигналу ПРОБКА абонент, що виявив колізію, збільшує значення лічильника числа спроб (перед початком передачі лічильник був скинутий в нуль). Максимальне число спроб передачі має бути не більше 16, тому якщо лічильник спроб переповнився, то спроби передати пакет припиняються. Вважається, що в цьому випадку мережа сильно переобтяжена, в ній дуже багато колізії. Ця ситуація – аварійна, і обробляється вона на вищих рівнях протоколів обміну.

Якщо ж кількість спроб не перевищила 16, то проводиться|виробляє| обчислення|підрахунок| величини затримки за приведеною формулою, а потім і витримка|витяг| обчисленого|вичисляти| тимчасового інтервалу. Випадковий характер величини затримки з|із| високим ступенем|мірою| вірогідності|ймовірності| гарантує, що у всіх абонентів, що беруть участь в конфлікті, затримки будуть різними. Потім спроба передати пакет повторюється з початку. Абонент, біля|в| якого обчислена|вичисляти| затримка буде менша, зачне|починатиме| наступну|таку| передачу першим і заблокує решту всіх передач.

Мал. 10.1. Структурна схема алгоритму доступу до мережі відповідно до методу CSMA/CD

Якщо у момент виникнення заявки на передачу (після|потім| закінчення підготовки пакету) мережа|сіть| зайнята|позичати| іншим абонентом, ведучим передачу, то даний абонент чекає звільнення|визволення| мережі|сіті| (блок 5 на малюнку). Після|потім| звільнення|визволення| мережі|сіті| він повинен почекати час IPG| після|потім| попередньої передачі по мережі|сіті| до початку власної передачі. Це пов'язано з кінцевою|скінченною| швидкодією вузлів, що здійснюють перевірку наявності тієї, що несе (зайнятості середи|середовища| яким-небудь передавальним абонентом).

Таким чином, виходить, що метод CSMA/CD не лише не запобігає колізії, навпаки, він їх передбачає і навіть провокує, а потім вирішує. Наприклад, якщо заявки на передачу виникли у декількох абонентів під час зайнятості мережі, то після її звільнення всі ці абоненти одночасно зачнуть передачу і утворять колізію. Колізії з'являються і в разі вільної мережі, якщо заявки на передачу виникають у декількох абонентів одночасно. У обох випадках під словом "одночасне" розуміється "в межах інтервалу подвійного проходження сигналу по мережі", тобто в межах 512-бітових інтервалів. Так само в межах 512-бітових інтервалів виявляються всі колізії в мережі.

Якщо колізія виявляється раніше 480 – бітового інтервалу, то в результаті в мережі утворюються пакети, довжина яких менше нижньої встановленої межі в 512 – бітових інтервалів (64 байти) навіть з додаванням сигналу ПРОБКА. Такі пакети (кадри) називаються карликовими (runt frames). Якщо ж колізія виявляється в кінці 512-бітового інтервалу (після 480 – бітового інтервалу), то в результаті може вийти пакет допустимої довжини (разом з сигналом ПРОБКА). Такі пакети називати карликовими не зовсім коректно. Сигнал ПРОБКА, створюючий 32 останніх біта пакету, виступає у вигляді контрольної суми пакету. Проте вірогідність того, що ПРОБКА відповідатиме правильній контрольній сумі пакету, нескінченно мала (приблизно 1 випадок на 4,2 мільярда).

Колізії (накладення пакетів в процесі передачі) можуть і повинні виявлятися до закінчення передачі. Дійсно, аналіз прийнятого в кінці кожного пакету поля FCS, що фактично містить перешкодостійкий циклічний код CRC (Cyclic Redundancy Check), привів би до невиправданого зниження швидкості передачі.

Практично колізії виявляються або самим передавальним абонентом, або повторителями в мережі, можливо, задовго до закінчення передачі свідомо зіпсованого пакету. Якщо врахувати, що довжина пакетів в локальній мережі типа Ethernet / Fast Ethernet може лежати в діапазоні від 64 до 1518 байт, то дострокове припинення передачі і звільнення лінії означає помітне підвищення ефективності використання її пропускної спроможності.

Першою ознакою виникнення колізії є факт отримання сигналу ПРОБКА передавальним абонентом під час передачі пакету. Інші ознаки пов'язані з невірним форматом пакетів, передача яких була достроково припинена із-за виникнення колізії:

• довжина пакету менше 64 байт (512 битий);
• пакет має невірну контрольну суму FCS (точніше, невірний циклічний код);
• довжина пакету не кратна восьми.

Нарешті, в таких мережах як Ethernet використовується код Манчестер-ii і апаратний спосіб визначення колізії, заснований на аналізі відхилення середнього значення сигналу від нуля.

Навіть при завантаженій мережі для одного абонента число підряд наступних колізій зазвичай не перевищує 3. Цьому сприяє випадковий характер виникнення запиту на передачу і випадкова дискретна величина відстрочення наступної спроби передачі при виникненні колізії. Число колізій тим більше, чим більше діаметр (розмір) сегменту і чим далі розташовані один від одного абоненти з інтенсивним трафіком.

Оцінка продуктивності мережі|сіті|

Питання про оцінку продуктивності мереж, що використовують випадковий метод доступу CSMA/CD, не очевидний через те, що існують декілька різних показників. Перш за все, слід згадати три зв'язані між собою показника, характеризуючі продуктивність мережі в ідеальному випадку – за відсутності колізій і при передачі безперервного потоку пакетів, розділених тільки міжпакетним інтервалом IPG. Очевидно, такий режим реалізується, якщо один з абонентів активний і передає пакети з максимально можливою швидкістю. Неповне використання пропускної спроможності в цьому випадку зв'язане, окрім існування інтервалу IPG, з наявністю службових полів в пакеті Ethernet (див. )рис. 10.2рис. 10.2.

Пакет максимальної довжини є|з'являється| найменш надлишковим|надмірним| по відносній частці|долі| службової інформації. Він містить|утримує| 12304 битий (включаючи інтервал IPG|), з|із| яких 12000 є|з'являються| корисними даними.

Тому максимальна швидкість передачі пакетів (або, інакше, швидкість в кабелі– wire speed) складе в разі мережі Fast Ethernet

Пропускна спроможністьє швидкістю передачі корисної інформації і в даному випадку буде рівна

Нарешті, ефективність використанняфізичної швидкості передачі мережі, в разі Fast Ethernet рівною 100 Мбіт/с, по відношенню тільки до корисних даних складе

При передачі пакетів мінімальної довжини істотно|суттєвий| зростає швидкість в кабелі, що означає всього лише|усього лише| факт передачі великого числа коротких пакетів. В той же час пропускна спроможність і ефективність помітно (майже в два рази) погіршуються із-за зростання відносної частки|долі| службової інформації.

Для реальних мереж, зокрема Fast Ethernet з великим числом активних абонентів N пропускна спроможність на рівні 12,2 Мбайт/с для якого-небудь абонента є піковим значенням, що рідко реалізовується. При однаковій активності всіх абонентів середня пропускна спроможність для кожного з них складе 12,2/N Мбайт/с, а насправді може опинитися ще менше із-за виникнення колізій, помилок в роботі мережевого устаткування і впливу перешкод (в разі роботи локальної мережі в умовах, коли кабельна система схильна до впливу великих зовнішніх електромагнітних наведень). Вплив перешкод, так само як і пізніх конфліктів (late collision) в некоректних мережах, відстежується за допомогою аналізу поля FCS пакету.

Для реальних мереж більш інформативний такий показник продуктивності, як показник використання мережі (network utilization), який є часткою у відсотках від сумарної пропускної спроможності (не поділеною між окремими абонентами). Він враховує колізії і інші чинники. Ні сервер, ні робочі станції не містять засобів для визначення показника використання мережі, цій меті служать спеціальні, не завжди доступні із-за високої вартості такі апаратно-програмні засоби, як аналізатори протоколів.

Вважається, що для завантажених систем Ethernet і Fast Ethernet хорошим значенням показника використання мережі є 30%. Це значення відповідає відсутності тривалих простоїв в роботі мережі і забезпечує достатній запас в разі пікового підвищення навантаження. Проте якщо показник використання мережі значний час складає 80...90% і більш, то це свідчить про практично повністю використовувані (зараз) ресурси, але не залишає резерву на майбутнє. Втім, для реальних мереж, наприклад Fast Ethernet, це швидше гіпотетична ситуація.

На рис. 10.2 приведена залежність показника використання мережі від часу за умови, що запропоноване навантаження (offered load), тобто поточний запит на пропускну спроможність, лінійно зростає. Спочатку показник використання мережі також лінійно підвищується, але потім конкуренція за володіння середою передачі породжує колізії, і даний показник досягає максимуму (точка повного навантаження на графіці). При подальшому збільшенні запропонованого навантаження показник використання мережі зачинає зменшуватися, особливо різко після точки насичення. Це "погана" область роботи мережі. Вважається, що мережа працює добре, якщо і запропоноване навантаження, і показник використання мережі високі.

Мал. 10.2. Залежність показника використання мережі від часу при лінійному збільшенні запропонованого навантаження (1 – якнайкраща область роботи, 2 – прийнятна, 3 – погана)

Деякі автори пропонують для широко поширеного поняття "перевантаження" (overload) мереж на основі методу доступу CSMA/CD наступне визначення: мережа переобтяжена, якщо вона не може працювати при повному навантаженні протягом 80% свого часу (при цьому 20% часу показник використання мережі неприпустимо малий із-за колізій). Після точки насичення настає крах Ethernet (Ethernet collapse), коли зростаюче запропоноване навантаження помітно перевищує можливості мережі. Варто відмітити, що реально маловірогідно, щоб запропоноване навантаження постійно збільшувалося в часі і надовго перевищувало пропускну спроможність мережі типа Fast Ethernet. Більш того, будь-який детермінований метод доступу не може забезпечити реалізацію скільки завгодно великого запропонованого навантаження, що існує тривалий час. Якщо даний варіант детермінованого методу доступу не використовує, як і метод CSMA/CD, систему пріоритетів, то ніякий з абонентів не може захопити мережу більш ніж на час передачі одного пакету, проте передача даних окремими пакетами з довгими паузами між ними веде до зниження швидкості передачі для кожного абонента. Перевага детермінованих методів полягає в можливості простий організації системи пріоритетів, що корисно із-за наявності певної ієрархії в будь-якому крупному колективі.

Використання перешкодостійких код для виявлення помилок в мережі|сіті|

Існуючі перешкодостійкі коди можна розділити на лаву груп, тільки частка з яких застосовуються для виявлення помилок в передаваних по мережі пакетах (на рис. 10.3 використовувані для цієї мети групи виділені потовщеними стрілками). У групі систематичних (лінійних) код спільною властивістю є те, що будь-яка дозволена комбінація може бути отримана в результаті лінійних операцій над незалежними векторами. Це сприяє спрощенню апаратної і програмної реалізації даних код, підвищує швидкість виконання необхідних операцій. Простими систематичними кодами є біти парності/непарності. Вони не дозволяють виявити помилки парної кратності (тобто помилки одночасно в двох, чотири і так далі бітах) і тому використовуються при невисоких вимогах до вірності даних, що приймаються (або при малій вірогідності помилок в лінії передачі). Прикладом може служити біт Parity (відповідність) в установках режимів роботи послідовного порту за допомогою команди MODE (MS DOS). Не дивлячись на обмежені можливості виявлення помилок, біти парності / непарності мають велике значення в теорії перешкодостійкого кодування. Одні з перших математично обгрунтованих і практично використаних раніше для захисту інформації в пристроях перешкодостійких код, що запам'ятовують, – коди Хеммінга є простою сукупністю перехресних перевірок на парність/непарність. Циклічні коди можуть розглядуватися як узагальнені перевірки на парність/непарність (див. далі).

Сигнали, безпосередньо передавані по послідовних лініях (типа витої пари, коаксіального кабелю або телефонної лінії), схильні до впливу лави чинників, дія яких може привести до виникнення помилок в прийнятій інформації. Помилки можуть виникати унаслідок впливу на канал зв'язку наведень і перешкод природного або штучного походження, а також унаслідок зміни конфігурації системи передачі інформації з тимчасовим порушенням або без порушення цілісності каналу зв'язку (наприклад, в разі підключення нових абонентів до існуючої локальної інформаційної мережі). Деякі з помилок можуть бути виявлені на підставі аналізу виду прийнятого сигналу, оскільки в нім з'являються характерні спотворення. Прикладом може служити код Манчестер-ii, використовуваний в мережах Ethernet. На передавальному кінці лінії цей код обов'язково містить перехід з низького електричного рівня на високий або назад в середині кожного тактового інтервалу, потрібного для передачі одного біта інформації. Він також має середню складову, близьку до нуля. Ці властивості коди Манчестер-ii можуть використовуватися для виявлення різного роду помилок. Зокрема, відзнака середньої складової сигналу від нуля є одним з ознак виникнення колізій (накладень пакетів від різних абонентів), характерних для методу доступу CSMA/CD в мережах типа Ethernet. Проте скільки-небудь серйозну систему виявлення помилок, викликаних дією перешкод з непередбачуваною поведінкою, на цій основі побудувати неможливо. Стандартні протоколи обміну інформації в мережах передбачають введення обов'язкового поля для розміщення перешкодостійкої (що коректує) коди. Якщо в результаті обробки прийнятого пакету виявиться невідповідність прийнятої і знов обчисленої перешкодостійкої коди, з великою часткою вірогідності можна стверджувати, що серед прийнятих біт є помилкові. Передачу такого пакету потрібно буде повторити (з розрахунку на випадковий характер перешкод).