Курс лекций "Сетевым технологиям"

Если в момент возникновения заявки на передачу (после окончания подготовки пакета) сеть занята другим абонентом, ведущим передачу, то данный абонент ждет освобождения сети (блок 5 на рисунке). После освобождения сети он должен выждать время IPG после предыдущей передачи по сети до начала собственной передачи. Это связано с конечным быстродействием узлов, осуществляющих проверку наличия несущей (занятости среды каким-либо передающим абонентом).

Таким образом, получается, что метод CSMA/CD не только не предотвращает коллизии, наоборот, он их предполагает и даже провоцирует, а затем разрешает. Например, если заявки на передачу возникли у нескольких абонентов во время занятости сети, то после ее освобождения все эти абоненты одновременно начнут передачу и образуют коллизию. Коллизии появляются и в случае свободной сети, если заявки на передачу возникают у нескольких абонентов одновременно. В обоих случаях под словом "одновременно" понимается "в пределах интервала двойного прохождения сигнала по сети", то есть в пределах 512-битовых интервалов. Точно так же в пределах 512-битовых интервалов обнаруживаются все коллизии в сети.

Рис. 4.  Структурная схема алгоритма доступа к сети в соответствии с методом CSMA/CD

Для распознавания коллизий должно выполняться:

Тmin>=PDV,

Тmin- время передачи кадра минимальной длины;

PDV – 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, искаженный коллизией) .

При выполнении этого условия передающая станция успевает обнаружить коллизию, которую вызвал переданный кадр, до того как она закончит передачу этого кадра.

Выполнение этого условия зависит:

       От минимальной длины кадра и скорости передачи данных протокола;

       От длины кабельной системы сети и скорости распространения сигнала в кабеле.

Все параметра протокола Ethernet подобраны таким образом, чтобы при нормальной работе сети коллизии четко распознавались.

Требование Тmin>=PDV имеет одно интересное следствие: чем выше скорость протокола, тем меньше должна быть максимальная длина сети. Поэтому для Ethernet на разделяемой среде при скорости 100 Мбит/сек максимальная длина сети пропорционально уменьшается до 250 м ( в 10- Мегабитной Ethernet эта величина =2500м), а при скорости 1 Г/бит – до 25 м. Эта зависимость, наряду с резким ростом задержек при повышении загрузки сети, говорит об еще одном недостатке метода доступа CSMA/CD.

Если коллизия обнаруживается раньше 480 – битового интервала, то в результате в сети образуются пакеты, длина которых меньше нижнего установленного предела в 512 – битовых интервалов (64 байта) даже с добавлением сигнала ПРОБКА. Такие пакеты (кадры) называются карликовыми (runt frames). Если же коллизия обнаруживается в конце 512-битового интервала (после 480 – битового интервала), то в результате может получиться пакет допустимой длины (вместе с сигналом ПРОБКА). Такие пакеты называть карликовыми не совсем корректно. Сигнал ПРОБКА, образующий 32 последних бита пакета, выступает в виде контрольной суммы пакета. Однако вероятность того, что ПРОБКА будет соответствовать правильной контрольной сумме пакета, бесконечно мала (примерно 1 случай на 4,2 миллиарда).

Коллизии (наложения пакетов в процессе передачи) могут и должны обнаруживаться до окончания передачи. Действительно, анализ принятого в конце каждого пакета поля FCS, фактически содержащего помехоустойчивый циклический код CRC (Cyclic Redundancy Check), привел бы к неоправданному снижению скорости передачи.

Практически коллизии обнаруживаются либо самим передающим абонентом, либо повторителями в сети, возможно, задолго до окончания передачи заведомо испорченного пакета. Если учесть, что длина пакетов в локальной сети типа Ethernet / Fast Ethernet может лежать в диапазоне от 64 до 1518 байт, то досрочное прекращение передачи и освобождение линии означает заметное повышение эффективности использования ее пропускной способности.

Первым признаком возникновения коллизии является факт получения сигнала ПРОБКА передающим абонентом во время передачи пакета. Другие признаки связаны с неверным форматом пакетов, передача которых была досрочно прекращена из-за возникновения коллизии:

                    длина пакета меньше 64 байт (512 бит);

                    пакет имеет неверную контрольную сумму FCS (точнее, неверный циклический код);

                    длина пакета не кратна восьми.

Наконец, в таких сетях как Ethernet используется код Манчестер-II и аппаратный способ определения коллизии, основанный на анализе отклонения среднего значения сигнала от нуля.

Даже при загруженной сети для одного абонента число подряд следующих коллизий обычно не превышает 3. Этому способствует случайный характер возникновения запроса на передачу и случайная дискретная величина отсрочки следующей попытки передачи при возникновении коллизии. Число коллизий тем больше, чем больше диаметр (размер) сегмента и чем дальше расположены друг от друга абоненты с интенсивным трафиком.

Спецификации физической среды Ethernet

Исторически первые сети технологии Ethernet были созданы на коаксиальном кабеле диаметром 0,5 дюйма. В дальнейшем были определены и другие специфи­кации физического уровня для стандарта Ethernet, позволяющие задействовать различные среды передачи данных. Метод доступа CSMA/CD и все временные параметры остаются одними и теми же для любой спецификации физической среды технологии Ethernet 10 Мбит/с.

Физические спецификации технологии Ethernet на сегодня включают следую­щие среды передачи данных.

       10Base-5 — коаксиальный кабель диаметром 0,5 дюйма, называемый «толстым» коаксиалом. Имеет волновое сопротивление 50 Ом. Максимальная длина сег­мента — 500 метров (без повторителей).

       10Base-2 — коаксиальный кабель диаметром 0,25 дюйма, называемый «тон­ким» коаксиалом. Имеет волновое сопротивление 50 Ом. Максимальная дли­на сегмента — 185 метров (без повторителей).

       10Base-Т — кабель на основе неэкранированной витой пары (UTP). Образует звездообразную топологию на основе концентратора. Расстояние между кон­центратором и конечным узлом — не более 100 м.

       10Base-F — волоконно-оптический кабель. Топология аналогична топологии стандарта 10Base-T. Имеется несколько вариантов этой спецификации — FOIRL (расстояние до 1000 м), 10Base-FL (расстояние до 2000 м), 10Base-FB (рас­стояние до 2000 м).

Число. 10 в указанных выше названиях обозначает номинальную битовую ско­рость передачи данных этих стандартов — 10 Мбит/с, а слово «Base» — метод пе­редачи на одной базовой частоте 10 МГц — в отличие от методов, использующих несколько несущих частот (они называются широкополосными и имеют в своем составе слово «Broadband»). Последний символ в названии стандарта физиче­ского уровня обозначает тип кабеля.

Стандарт 10Base-5

Стандарт 10Base-5 в основном соответствует экспериментальной сети Ethernet фирмы Xerox и может считаться классическим стандартом Ethernet. Различные компоненты сети, выполненной на толстом коаксиале и состоящей из трех сег­ментов, соединенных повторителями, показаны на рис. 5.

Кабель используется как моноканал для всех станций. Сегмент кабеля макси­мальной длины в 500 м (без повторителей) должен иметь на концах согласующие терминаторы («заглушки») сопротивлением 50 Ом, поглощающие распростра­няющиеся по кабелю сигналы и препятствующие возникновению отраженных сигналов. При отсутствии терминаторов в кабеле возникают стоячие волны, так что одни узлы получают мощные сигналы, а другие — настолько слабые, что их прием становится невозможным.

Станция должна подключаться к кабелю при помощи приемопередатчика — трансивера. Трансивер — это часть сетевого адаптера; он устанавливается непо­средственно на кабеле и питается от сетевого адаптера компьютера. Трансивер может подсоединяться к кабелю как методом прокалывания, обеспечивающим непосредственный физический контакт, так и бесконтактным методом.

Рис. 5. Компоненты физического уровня сети стандарта 10Base-5, состоящей из трех сегментов

Трансивер соединяется с сетевым адаптером интерфейсным кабелем AUI (Attach­ment Unit Interface — интерфейс подключаемых устройств) длиной до 50 м, со­стоящим из 4 витых пар (адаптер должен иметь разъем AUI). Наличие стандарт­ного интерфейса между трансивером и остальной частью сетевого адаптера очень полезно при переходе с одного типа кабеля на другой. Для этого достаточно только заменить трансивер, а остальная часть сетевого адаптера остается неиз­менной, так как она отрабатывает протокол уровня MAC. При этом необходимо только, чтобы новый трансивер (например, трансивер для витой пары) поддер­живал стандартный интерфейс АUI.

Допускается подключение к одному сегменту не более 100 трансиверов, причем расстояние между подключениями трансиверов не должно быть меньше 2,5 м. На кабеле имеется разметка через каждые 2,5 м, обозначающая точки подключе­ния трансиверов. При подсоединении компьютеров в соответствии с разметкой влияние стоячих волн в кабеле на сетевые адаптеры сводится к минимуму.

Стандарт разрешает использование в сети не более 4 повторителей и, соответственно, не более 5 сегментов кабеля. При максимальной длине сегмента кабеля в 500 м это дает максимальную длину сети 10Base-5 в 2500 м. Это в точности соответствует общему ограничению стандарта на максимальный диаметр Ethernet.

Только 3 сегмента из 5 могут быть нагруженными, то есть такими, к которым подключаются конечные узлы. Между нагруженными сегментами должны быть ненагруженные сегменты, так что максимальная конфигурация сети представляет собой два нагруженных крайних сегмента, которые соединяются ненагруженными сегментами еще с одним центральным нагруженным сегментом. Ранее на рис. 1 был приведен пример сети Ethernet, состоящей из трех сегментов, объ­единенных двумя повторителями. Крайние сегменты являются нагруженными, а промежуточный — ненагруженным.

Правило применения повторителей в сети Ethernet 10Base-5 носит название правила 5-4-3: 5 сегментов, 4 повторителя, 3 нагруженных сегмента.

Ограниченное число повторителей объясняется дополнительными задержками распространения сигнала, которые они вносят. Применение повторителей уве­личивает время оборота сигнала, которое для надежного распознавания колли­зий не должно превышать время передачи кадра минимальной длины, то есть кадра в 72 байт или 576 бит. Каждый повторитель подключается к сегменту од­ним своим трансивером, поэтому к нагруженным сегментам можно подключить не более 99 узлов (а не 100). Максимальное число конечных узлов в сети 10Base-5 таким образом составляет 99 * 3 = 297 узлов.

Стандарт 10Base-2

В стандарте 10Base-2 в качестве передающей среды используется «тонкий» коаксиал Ethernet. Максимальная длина сегмента без повторителей составляет 185 м, сегмент должен иметь на концах согласующие терминаторы 50 Ом. Тонкий ко­аксиальный кабель дешевле толстого, поэтому сети 10Base-2 иногда называют Cheapernet (дословно — дешевая сеть). Но за дешевизну кабеля приходится рас­плачиваться качеством — «тонкий» коаксиал обладает худшей помехозащищен­ностью, худшей механической прочностью и более узкой полосой пропускания.

Станции подключаются к кабелю с помощью высокочастотного Т-коннектора, который представляет собой тройник, один отвод которого соединяется с сете­вым адаптером, а два других — с двумя концами разрыва кабеля. Максимальное количество станций, подключаемых к одному сегменту, — 30. Минимальное рас­стояние между станциями —1м. Кабель «тонкого» коаксиала имеет разметку для подключения узлов с шагом в 1 м.

Стандарт 10Base-2 также предусматривает использование повторителей по правилу 5-4-3.

В этом случае сеть будет иметь максимальную длину в 5 * 185 = 925 м. Очевид­но, что это ограничение является более сильным, чем общее ограничение стан­дарта Ethernet в 2500 м.

Общее количество узлов в сети 10Base-2 не должно превышать 29 * 3 = 87.

Стандарт 10Base-2 очень близок к стандарту 10Base-5, но трансиверы в нем объ­единены с сетевыми адаптерами за счет того, что более гибкий тонкий коакси­альный кабель может быть подведен непосредственно к выходному разъему платы сетевого адаптера, установленной в шасси компьютера. Кабель в данном случае «висит» на сетевом адаптере, что затрудняет физическое перемещение компьютеров.

Типичный состав сети стандарта 10Base-2, состоящей из одного сегмента кабеля, показан на рис. 6.

Рис. 6. Сеть стандарта 10BASE-2

Реализация этого стандарта на практике приводит к наиболее простому реше­нию для кабельной сети, так как для соединения компьютеров требуются только сетевые адаптеры, Т-коннекторы и терминаторы 50 Ом. Однако этот вид кабель­ных соединений наиболее сильно подвержен авариям и сбоям. Кабель более восприимчив к помехам, чем «толстый» коаксиал. В моноканале имеется большое количество механических соединений: каждый Т-коннектор дает три механи­ческих соединения, два из которых имеют жизненное значение для всей сети. Пользователи имеют доступ к разъемам и могут нарушить целостность монока­нала. Кроме того, эстетика и эргономичность этого решения оставляют желать лучшего, так как от каждой станции через Т-коннектор отходят два довольно заметных провода, которые под столом часто образуют моток кабеля — запас, необходимый на случай даже небольшого перемещения рабочего места. Общим недостатком стандартов 10Base-5 и 10Base-2 является отсутствие оперативной информации о состоянии моноканала. Повреждение кабеля обнаруживается сразу же (сеть перестает работать), но для поиска отказавшего отрезка кабеля необходим специальный прибор — кабельный тестер.