Множественный доступ с контролем несущей и обнаружением конфликтов

Протоколы случайного множественного доступа (СМД) к среде передачи (называемые также методами доступа) используются на MAC-подуровне в широковещательных сетях, к которым относятся локальные вычислительные сети (ЛВС) с шинной топологией. В широковещательной сети посылаемое сообщение может быть получено более или менее одновременно во всех точках сети. Общей для всех систем такого рода является проблема состязаний. Проблема возникает при передаче, поскольку все передающие станции имеют доступ к одному каналу. Первой информационно-вычислительной сетью, в которой использовался моноканал со случайным доступом, была радиосеть ALOHA, разработанная в Гавайском университете. В ней моноканалом служил радиоканал. Наиболее широкое распространение получила предложенная фирмой Xerox моноканальная кабельная ЛВС Ethernet. Наиболее известными являются следующие протоколы СМД: «простая ALOHA», «тактированная ALOHA», множественный доступ с контролем несущей (CSMA), множественный доступ с контролем несущей и обнаружением столкновений (CSMA/CD). Последние два протокола являются наиболее распространенными среди других. Это объясняется эффективностью обнаружения и устранения конфликтов и простотой схемных решений MAC-уровней, а также возможностью высокой загрузки моноканала и большой нагрузки ЛВС. Положительные характеристики ЛВС Ethernet, использующей метод доступа CSMA/CD, привели к тому, что на ее основе созданы международные стандарты. Протокол CSMA/CD был определен в американском стандарте IEEE 802.3 и в его европейском аналоге – стандарте ECMA-82. Ниже приводится содержательное описание процедуры управления каналом, соответствующей протоколу CSMA/CD, используемому в ЛВС типа Ethernet. 1. Передача. Станция может начать передачу в некоторый момент времени, когда условия задержания отсутствуют; станция может продолжать передачу всех бит пакета (кадра) до конца пакета или до момента обнаружения конфликта

2. Аварийное прекращение передачи. Если обнаружен конфликт, передача пакета прекращается и передается «заглушка» (4–6 байт произвольных данных) для того, чтобы гарантировать надежное обнаружение конфликта всеми другими станциями, начавшими передачу. 3. Повторная передача. После того, как станция обнаружила конфликт и прекратила передачу, она должна ждать случайное время, задержать передачу в соответствии с пунктом 5, а затем пытаться повторить пакет.

4. Отсрочка передачи. Величина задержки повторной передачи вычисляется на основе усеченного экспоненциального двоичного алгоритма отсрочки. Цель алгоритма – устранить с высокой вероятностью состязание между N станциями (N = 0…1024).

5. Задержка передачи. Станция должна задержать передачу, если обнаружен сигнал передачи от другой станции и не закончился минимальный интервал паузы между пакетами после завершения сигнала передачи. Ethernet— пакетная технология передачи данных преимущественно локальных компьютерных сетей.

Стандарты Ethernet определяют проводные соединения и электрические сигналы на физическом уровне, формат кадров и протоколы управления доступом к среде — на канальном уровне модели OSI. Ethernet в основном описывается стандартами IEEE группы 802.3. Ethernet стал самой распространённой технологией ЛВС в середине 90-х годов прошлого века, вытеснив такие устаревшие технологии, как Arcnet, FDDI и Token ring.

В стандарте первых версий (Ethernet v1.0 и Ethernet v2.0) указано, что в качестве передающей среды используется коаксиальный кабель, в дальнейшем появилась возможность использовать витую пару и оптический кабель.

Преимущества использования витой пары по сравнению с коаксиальным кабелем:

• возможность работы в дуплексном режиме;

• низкая стоимость кабеля «витой пары»;

• более высокая надёжность сетей при неисправности в кабеле (соединение точка-точка: обрыв кабеля лишает связи два узла. В коаксиале используется топология "шина", обрыв кабеля лишает связи весь сегмент);

• минимально допустимый радиус изгиба меньше;

• большая помехозащищенность из-за использования дифференциального сигнала;

• возможность питания по кабелю маломощных узлов, например IP-телефонов (стандарт Power over Ethernet, POE);

• гальваническая развязка трансформаторного типа. При использовании коаксиального кабеля в российских условиях, где, как правило, отсутствует заземление компьютеров, применение коаксиального кабеля часто сопровождалось пробоем сетевых карт и иногда даже полным «выгоранием» системного блока.^{[источник не указан 420 дней]}

Причиной перехода на оптический кабель была необходимость увеличить длину сегмента без повторителей.

Метод управления доступом (для сети на коаксиальном кабеле) — множественный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий (CSMA/CD Collision), скорость передачи данных 10 Мбит/с, размер пакета от 72 до 1526 байт, описаны методы кодирования данных. Режим работы полудуплексный, то есть узел не может одновременно передавать и принимать информацию. Количество узлов в одном разделяемом сегменте сети ограничено предельным значением в 1024 рабочих станции (спецификации физического уровня могут устанавливать более жёсткие ограничения, например, к сегменту тонкого коаксиала может подключаться не более 30 рабочих станций, а к сегменту толстого коаксиала — не более 100). Однако сеть, построенная на одном разделяемом сегменте, становится неэффективной задолго до достижения предельного значения количества узлов, в основном по причине полудуплексного режима работы.

MAC-адреса

При проектировании стандарта Ethernet было предусмотрено, что каждая сетевая карта (равно как и встроенный сетевой интерфейс) должна иметь уникальный шестибайтный номер (MAC-адрес), прошитый в ней при изготовлении. Этот номер используется для идентификации отправителя и получателя кадра, и предполагается, что при появлении в сети нового компьютера (или другого устройства, способного работать в сети) сетевому администратору не придётся настраивать MAC-адрес.

Уникальность MAC-адресов достигается тем, что каждый производитель получает в координирующем комитете диапазон из шестнадцати миллионов адресов, и по мере исчерпания выделенных адресов может запросить новый диапазон. Поэтому по трём старшим байтам MAC-адреса можно определить производителя. Существуют таблицы, позволяющие определить производителя по MAC-адресу; в частности, они включены в программы типа arpalert.

Все современные сетевые платы позволяют программно изменить MAC-адрес, однако если плата будет обесточена, то восстановится исходный MAC-адрес. Программы из Microsoft Office, начиная с версии Office 97, записывали MAC-адрес сетевой платы в редактируемый документ в качестве составляющей уникального GUID-идентификатора

Доступ к среде и передача данных Предполагая для простоты изложения, что каждый узел (станция) имеет только один сетевой интерфейс, рассмотрим, как на основе алгоритма CSMA/CD происходит передача данных в сети Ethernet. Все компьютеры в сети с разделяемой средой имеют возможность немедленно получить данные, которые любой из компьютеров начал передавать в общую среду. Чтобы получить возможность передавать кадр, интерфейс-отправитель должен убедиться, что разделяемая среда свободна. Это достигается прослушиванием основной гармоники сигнала (Carrier Sense, CS). Признаком «незанятости» среды является отсутствие на ней несущей частоты. Если среда свободна, то узел имеет право начать передачу кадра. 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 остальные станции на этом прием кадра прекращают. Станция назначения обрабатывает полученные данные, передает их вверх по своему стеку. После окончания передачи кадра все узлы сети обязаны выдержать технологическую паузу, равную межпакетному интервалу ( IPG) в 9,6 мкс. Возникновение коллизии 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. 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, начинает передачу своего кадра. Таким образом, возникновение коллизии является следствием распределения узлов сети в пространстве. Время оборота и распознавание коллизий Надежное распознавание коллизий всеми станциями 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 из-за несовпадения контрольной суммы. Скорее всего, недошедшие до получателя данные будут повторно переданы каким-либо протоколом верхнего уровня, например транспортным или прикладным, работающим с установлением соединения. Но повторная передача сообщения протоколами верхних уровней произойдет гораздо позже , чем повторная передача средствами сети Ethernet, работающей с микросекундными интервалами. 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:

время передачи кадра минимальной длины дожжно быть больше время оборота

БИЛЕТ № 28