Коллизии

Возникновение коллизий

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.

Коллизия — это нормальная ситуация в работе сетей Ethernet. В примере, изоб­раженном на рис., 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.

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 бит, называемой

jam-последовательностью.

рис.14

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 технологии Ethernet 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 или 100 нс);

L представляет собой целое число, выбранное с равной вероятностью из диапазона [О, 2N], 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 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 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.

Время двойного оборота и распознавание коллизий

Четкое 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 ею передан верно, то этот кадр данных будет утерян. Из-за наложения сигналов при коллизии информация кадра исказится, и он будет отбракован принимающей станцией (возможно, из-за несов­падения контрольной суммы). Скорее всего, искаженная информация будет по­вторно передана каким-либо протоколом верхнего уровня, например транспортным или прикладным, работающим с установлением соединения. Но повторная передача сообщения протоколами верхних уровней произойдет через значительно более дли­тельный интервал времени (иногда даже через несколько секунд) по сравнению с микросекундными интервалами, которыми оперирует протокол Ethernet. Поэтому если коллизии не будут надежно распознаваться узлами сети Ethernet, то это при­ведет к заметному снижению полезной пропускной способности данной сети. Для надежного распознавания коллизий должно выполняться следующее соот­ношение:

Т > PDV,

где Т — время передачи кадра минимальной длины, а PDV — время, за которое сигнал коллизии успевает распространиться до самого дальнего узла сети. Так как в худшем случае сигнал должен пройти дважды между наиболее удаленными друг от друга станциями сети (в одну сторону проходит неискаженный сигнал, а на обратном пути распространяется уже искаженный коллизией сигнал), то это вре­мя называется временем двойного оборота (Path Delay Value, PDV).

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

Очевидно, что выполнение этого условия зависит, с одной стороны, от длины | минимального кадра и пропускной способности сети, а с другой стороны, от длины.

Максимальное расстояние между станциями сети уменьшается пропорционально уве­личению скорости передачи. В стандарте Fast Ethernet оно составляет около 210м, а в стандарте Gigabit Ethernet оно было бы ограничено 25 метрами, если бы разра­ботчики стандарта не предприняли некоторых мер по увеличению минимального размера пакета.

Так как сеть CSMA/CD является равноранговой сетью, станции запрашивают канал, только когда у них есть данные для передачи. Соперничество за канал может возникнуть тогда, когда сигналы вводятся в кабель от разных станций примерно одновременно. Когда это происходит, возникает наложение и искажение сигналов. Их правильный прием станциями невозможен. Центральным аспектом коллизий является окно коллизий. Этим термином описывается интервал времени, необходимый для распространения сигнала по каналу и обнаружения его любой станцией сети. Например, предположим, что в сети имеется кабель длиной 0,6 миль. Если станции расположены в самом дальнем конце кабеля, расстояние до самой отдаленной станции составляет около 0,6 мили. Передача сигнала на это расстояние потребует 4,2 мкс. Когда станция А готова передавать данные, она «прослушивает» кабель, чтобы определить, имеется ли сигнал в цепи. Если станция В ранее передала кадр в канал, но он еще не достиг станции А, то станция А ошибочно будет считать, что канал свободен, и начнет передачу своего пакета. В данной ситуации произойдет коллизия двух сигналов.