1.7.1 Метод доступа csma/cd

Каждый узел сети имеет сетевой адаптер — схему, реализующую метод CSMA/CD на аппаратном (или микропрограммном) уровне. Адаптер имеет приемопередатчик — трансивер, подключенный к общей (разделяемой) среде передачи. Адаптер узла (для краткости — узел), нуждающийся в передаче информации, прослушивает линию и дожидается «тишины» - отсутствия сигнала (несущей). Далее он формирует кадр, начинающийся с синхронизирующей преамбулы, за которой следует поток двоичных данных в самосинхронизирующемся (манчестерском) коде. Все остальные узлы принимают этот сигнал, синхронизируются по преамбуле и декодируют его в последовательность бит, помещаемую в свой приемный буфер. Окончание кадра определяется по пропаданию несущей, и по этому событию приемники анализируют принятый кадр. Этот кадр контролируется на отсутствие ошибок (с помощью контрольной последовательности бит и по длине), после чего в "хорошем" кадре проверяется адресная информация. В каждом кадре имеется заголовок с MAC-адресами узла-источника и узла его назначения. Если адрес назначения кадра соответствует MAC-адресу данного узла, то кадр поступает на дальнейшую обработку протоколами вышестоящих уровней. Кадры, не адресованные данному узлу, им игнорируются на аппаратном уровне адаптера, не отвлекая центральный процессор узла. Теперь предположим, что два узла хотят передать данные почти одновременно: оба дождались «тишины» и стали передавать преамбулу. Столкновение двух сигналов — коллизия - приведет к их искажению, которое обнаруживается передатчиком. Передающие узлы, обнаружив коллизию, прекращают передачу кадра, после чего повторную попытку передачи сделают через случайный интервал времени (каждый через свой) после освобождения линии. Если повторная попытка также не удалась, делается следующая (и так до 16 раз), причем интервал увеличивается. Приемник обнаруживает коллизию по ненормально короткой длине (в «хорошем» кадре она не может быть меньше 64 байт, не считая преамбулы) и такие кадры отбрасывает.

Коллизии являются нормальным, хотя и нежелательным явлением в сети Ethernet. Метод CSMA/CD хорошо работает лишь при общей загрузке канала (среды передачи) до 30 %. При большей загрузке коллизии приводят к прогрессирующей деградации производительности, что является слабым местом технологии Ethernet. Несмотря на то, что в принципе Ethernet допускает наличие в одном сегменте сотен (даже тысяч) узлов, при их высокой активности разумный размер домена коллизий - группы узлов, связанных общей средой (кабелями и повторителями), - ограничен лишь несколькими десятками узлов. Протяженность домена коллизий ограничивается временем распространения сигнала между самыми удаленными друг от друга узлами.

Временные соотношения принято измерять в битовых интервалах bt (bit time). Битовый интервал – время, необходимое для передачи одного бита, которое при скорости передачи 10 Мбит/с составляет 0,1 мкс. Смежные 8-битные группы называют как байтами, так и октетами.

Двоичная информация передается в манчестерском коде. В середине каждого битового интервала происходит изменение состояния в линии: от -V к +V для единичного бита, от +V к -V — для нулевого. В начале битового интервала изменение может быть, а может и не быть. Передатчик является источником тока 40 мА, приемник - детектором уровня напряжения с высоким входным сопротивлением. Узел, не передающий в данный момент, вносит нагрузку с сопротивлением более 100 кОм. На номинальной нагрузке ток 40 мА от одного передатчика вызывает падение напряжения 1 В. Коллизия определяется передающим трансивером по большому уровню (более 1,5 В) сигнала в линии, вызванному одновременной работой двух и более передатчиков. Порог срабатывания детектора коллизий (1,5-1,6 В) выбирается с таким расчетом, чтобы сигнал от одного передатчика гарантированно не приводил к срабатыванию детектора, а сумма сигналов от двух передатчиков вызывала срабатывание, причем для самых худших случаев. Коллизии могут выявляться в двух режимах: в режиме передачи и в режиме приема. При выявлении коллизий в режиме передачи детектор обязан обнаружить коллизию двух (и более) передатчиков, один из которых - его собственный. Это более легкий (в плане тонкости подбора порогов) случай. При выявлении коллизий в режиме приема детектор обязан обнаружить коллизии любых двух (и более) передатчиков, при этом «вилка» возможных значений порогов сужается.

Функционирование ЛВС осуществляется по протоколу 802.2. В соответствии с ним протоколы канального уровня, разбитого на два подуровня (управление логическим каналом LLC, установление доступа к сети MAC), устанавливают поступившие с верхнего уровня пакеты данных в свои кадры, снабжая их дополнительной служебной информацией. Они обеспечивают установление связи абонентов, установление режимов передачи без ошибок на уровне битов и без потери отдельных кадров. Схема взаимодействия протоколов показана на рисунке 1.13.

Прикладная программа: обоснование концепции изделия

Поддерживаемые

сетевые службы:

файловая; обращения к

распределенным БД (архивам); коллективное использование общих ресурсов и т.п.

Прикладная программа: оценивание вариантов изделия

Процесс А

Процесс Б

Варианты

Логический канал:

Главный

конструктор

Ведущие

конструкторы

Протоколы физического уровня обеспечивают кодирование и раскодирование сигналов, установление синхронной работы приёмника с передатчиком, передачу и приём сигналов.

Кадр, передаваемый по сети и показанный на рисунке 6.14, представляет собой сложный информационный объект. Кроме пакета данных с записанным сетевым адресом, поступившего с верхнего (транспортного) уровня модели OSI, он содержит многочисленную служебную информацию, составляющую заголовок кадра, конкретного назначения. Рассмотрим её.

В кадре LLC заголовок включает два адресных поля по одному байту и управляющее поле размером в один или два байта в зависимости от типа кадра. Кроме того, имеются два флага по одному байту, служащие метками начала и конца кадра LLC при его опознавании нижележащим протоколом MAC.

Примечание. При укладке кадра LLC в кадр MAC флаги отбрасываются, как исполнившие свою роль.

Адресные поля кадра LLC (DSAP и SSAP) указывают точки входа сетевой службы, используемой протоколами верхнего уровня приёмной и передающей станций соответственно. Они обеспечивают индикацию типа протокола, который использован при передаче пакета данных. При этом указанные адреса идентифицируют соединение отправителя и получателя, действующих по выявленным протоколам. Адреса представляют собой шестнадцатеричные числа, соответствующие типу протокола при данной сетевой службе.

Роль управляющего поля CONT более ответственная, поэтому оно более сложное по строению. Сложность определяется тем, что сеть Ethernet функционирует с использованием кадров трёх типов: ненумерованного (первый); управляющего (второй); информационного (третий). Их использование обеспечивает реализацию двух способов вхождения компьютеров в связь: без предварительного установления соединения - дейтаграммный; с предварительным установлением соединения.

Два кадра при этом (первый и второй) играют служебную роль, а пакет данных передаётся только информационным (третьим) кадром. Рассмотрим процедуру использования кадров при реализации второго способа вхождения в связь, то

есть с предварительным установлением соединения, в так называемом режиме LLC2.

Примечание. Первый дейтаграммный способ использует только один информационный кадр. Но "отброшенная" им часть процедуры вхождения в связь всё равно реализуется, но протоколами более верхнего (не канального) уровня.

При установлении соединения начинают использоваться ненумерованные кадры длиной в один байт, который содержит поле М необходимых (для соединения) команд, одна из которых выбирается для установления соединения узлов (это синоним компьютера, рабочей станции сети и т.п. на канальном уровне их рассмотрения) в обговариваемом режиме их связи. Если приёмный узел согласен с этим, то в ответ он посылает ненумерованный кадр, содержащий в поле М свои дополнительные параметры соединения узлов. Узел - передатчик завершает процесс соединения посылкой третьего ненумерованного кадра, содержащего в поле М подтверждение условий обмена.

После установления соединения узлом - передатчиком начинают передаваться информационные кадры.

Если узел - приёмник их принимает, то в ответ он посылает также информационный кадр, в поле данных которого содержится квитанция на получение кадра (положительная квитанция). Если узел - приёмник кадр не получает, то по истечении обговоренного срока он направляет управляющий кадр с отрицательной квитанцией, после получения которой узел - передатчик повторяет посылку информационного кадра. В полях N(S) и N(R) информационного кадра содержится информация о нумерации последовательности кадров, используемая при её правильном восстановлении на приёмной стороне.

Таким образом, в функционирующей ЛВС в физической среде (её кабеле) устанавливается поток кадров различной длительности (но всегда кратной байту), отстоящих друг от друга на техническую паузу, равную 9,6 мкс. Наличие такой паузы является одним из признаков (поле молчания) обнаружения кадра на физическом уровне, о чём более подробно будет сказано ниже.

Но кадр LLC, как таковой, самостоятельно не передаётся. Он упаковывается в кадр нижележащего уровня MAC, который направляется ниже - на физический уровень для передачи по сети.

На уровне MAC к кадру LLC добавляется следующая служебная информация. (Примечание. Вся передаваемая информация "запакована" в поле данных кадра LLC и к ней ничего не добавляется.)

1. Вводятся уникальные адреса абонентов сети (приёмника и передатчика DA и SA соответственно), размещающиеся ("зашитые") в сетевых адаптерах компьютеров сети. Тем самым вводится "физическая" адресация передаваемого сообщения, распознаваемая адаптерами, в отличие от ранее назначенной логической адресации, которая более понятна пользователям сети. (Примечание. В двусторонности адресации сообщений заключается принципиальное отличие локальной сети от глобальной, в которой используется только адресация получателя, а узел - отправитель присутствует инкогнито.)

2. Вводится информация о длине поля данных, содержащихся в кадре (LEN).

3. Вводится поле выравнивания (PAD), служащее для того, чтобы в кадре минимальной длины поле данных не было меньше 64 байт.

4. Вводится поле контрольной суммы (FCS), служащее индикатором наличия ошибки в принятом кадре.

На физическом уровне к кадру MAC добавляется преамбула (PRE) размером в семь байт для обеспечения синхронности работы передатчика и приёмника и поле начала кадра (SFD), равное одному байту. Такой совокупный четырёхуровневый кадр, показанный на рисунке 1.15, и передаётся по кабелю ЛВС манчестерским кодом. Из-за открытости линии такой кадр может быть перехвачен злоумышленником, который должен его идентифицировать и расшифровать.