Особенности организации доступа к среде в сети Ethernet

Общий недостаток вероятностных методов доступа — неопределенное время прохождения кадра, резко возрастающее при увеличении нагрузки на сеть, что ограничивает его применение в системах реального времени [4].

В сети Ethernet этот недостаток вызван возникновением коллизий, 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. При этом происходит коллизия, так как содержимое обоих кадров сталкивается на общем кабеле и происходит искажение информации, а методы кодирования, используемые в Ethernet, не позволяют выделять сигналы каждой станции из общего сигнала.

В примере, изображенном на рис. 4.3, коллизию породила одновременная передача данных узлами 3 и 1. Для возникновения коллизии не обязательно, чтобы несколько станций начали передачу абсолютно одновременно, такая ситуация маловероятна. Гораздо вероятней, 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.

Рисунок 4.3 - Схема возникновения и распространения коллизии

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). 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 битов, 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 принятому в Ethernet алгоритму [4].

Если 16 последовательных попыток передачи кадра вызывают коллизию, то передатчик должен прекратить попытки и отбросить этот кадр.

Рассмотренный метод доступа 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 значительной интенсивности коллизий полезная пропускная способность сети Ethernet 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, либо повысить скорость протокола, например, перейти на Fast Ethernet.

Метод доступа CSMA/CD не гарантирует станции, что она когда-либо сможет получить доступ к среде. Несмотря на то, что при небольшой загрузке сети вероятность такого события невелика, 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.

В технологии Ethernet, независимо от применяемого стандарта физического уровня, существует понятие домена коллизий.

Домен коллизий (collision domain) — это часть сети Ethernet, все узлы которой распознают коллизию независимо от того, в какой части этой сети коллизия возникла. Сеть Ethernet, построенная на повторителях (repeator) и концентраторах (hub), всегда образует один домен коллизий. Домен коллизий соответствует одной разделяемой среде, то есть такой среде передачи информации, где данные, передаваемые или принимаемые одним узлом сети принимаются всеми узлами, подключенными к данной среде передачи.

Приведенная на рис. 4.4 сеть представляет собой один домен коллизий. Если, например, столкновение кадров произошло в концентраторе (хабе) 4, то в соответствии с логикой работы концентраторов сигнал коллизии распространится по всем портам всех концентраторов.

Узлы, образующие один домен коллизий, работают синхронно, как единая распределенная электронная схема.

Рисунок 4.4 - Иерархическое соединение концентраторов Ethernet