Для чего применяются ненастойчивые методы csma cd

Настойчивый и ненастойчивый CSMA

Задержка распространения сигнала оказывает сильное влияние на производительность данного протокола. Существует небольшая вероятность того, что как только станция начнет передачу, другая станция также окажется готовой к передаче и опросит канал.

Даже при нулевой задержке распространения сигнала все равно будут столкновения. Если две станции придут в состояние готовности в то время, когда передает какая-то третья станция, обе будут ждать, пока она не закончит передачу, после чего сами одновременно станут передавать, и в результате произойдет столкновение. Если бы они не были столь нетерпеливы, количество столкновений было бы меньшим. Однако даже такая система значительно лучше чистой системы ALOHA, так как обе станции воздерживаются от передачи, пока передает третья станция.

Вторым протоколом с опросом несущей является ненастойчивый протокол CSMA. В данном протоколе предпринята попытка сдержать стремление станций начинать передачу, как только освобождается канал. Прежде чем начать передачу, станция опрашивает канал. Если никто не передает в данный момент по каналу, станция начинает передачу сама. Однако если канал занят, станция не ждет освобождения канала, постоянно прослушивая его и пытаясь захватить сразу, как только он освободится, как в предыдущем протоколе. Вместо этого станция ждет в течение случайного интервала времени, а затем снова прослушивает линию. Очевидно, данный алгоритм должен привести к лучшему использованию канала и к большим интервалам ожидания, чем протокол CSMA с настойчивостью 1.

Источник

Для чего применяются ненастойчивые методы csma cd

В сетях Ethernet используется метод доступа к среде передачи данных, называемый методом коллективного доступа с опознаванием несущей и обнаружением коллизий (carrier-sense-multiply-access with collision detection, CSMA/CD).

Все данные, передаваемые по сети, помещаются в кадры определенной структуры и снабжаются уникальным адресом станции назначения. Затем кадр передается по кабелю. Все станции, подключенные к кабелю, могут распознать факт передачи кадра, и та станция, которая узнает собственный адрес в заголовках кадра, записывает его содержимое в свой внутренний буфер, обрабатывает полученные данные и посылает по кабелю кадр-ответ. Адрес станции-источника также включен в исходный кадр, поэтому станция-получатель знает, кому нужно послать ответ.

При описанном подходе возможна ситуация, когда две станции одновременно пытаются передать кадр данных по общему кабелю (рис. 3). Для уменьшения вероятности этой ситуации непосредственно перед отправкой кадра передающая станция слушает кабель (то есть принимает и анализирует возникающие на нем электрические сигналы), чтобы обнаружить, не передается ли уже по кабелю кадр данных от другой станции. Если опознается несущая (carrier-sense, CS), то станция откладывает передачу своего кадра до окончания чужой передачи, и только потом пытается вновь его передать. Но даже при таком алгоритме две станции одновременно могут решить, что по шине в данный момент времени нет передачи, и начать одновременно передавать свои кадры. Говорят, что при этом происходит коллизия, так как содержимое обоих кадров сталкивается на общем кабеле, что приводит к искажению информации.

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 немедленного обнаружения коллизии всеми станциями сети, ситуация коллизии усиливается посылкой в сеть станциями, начавшими передачу своих кадров, специальной последовательности битов, называемой jam-последовательностью.

После обнаружения коллизии передающая станция обязана прекратить передачу и ожидать в течение короткого случайного интервала времени, а затем может снова сделать попытку передачи кадра.

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 передачи кадров. При разработке этого метода предполагалось, что скорость передачи данных в 10 Мб/с очень высока по сравнению с потребностями компьютеров во взаимном обмене данными, поэтому загрузка сети будет всегда небольшой. Это предположение остается часто справедливым и по сей день, однако уже появились приложения, работающие в реальном масштабе времени с мультимедийной информацией, для которых требуются гораздо более высокие скорости передачи данных. Поэтому наряду с классическим Ethernet’ом растет потребность и в новых высокоскоростных технологиях.

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, так как информация кадра исказится из-за наложения сигналов при коллизии, он будет отбракован принимающей станцией (скорее всего из-за несовпадения контрольной суммы). Конечно, скорее всего искаженная информация будет повторно передана каким-либо протоколом верхнего уровня, например, транспортным или прикладным, работающим с установлением соединения и нумерацией своих сообщений. Но повторная передача сообщения протоколами верхних уровней произойдет через гораздо более длительный интервал времени (десятки 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.

Все параметры протокола Ethernet подобраны таким образом, чтобы при нормальной работе узлов сети коллизии всегда четко распознавались. Именно для этого минимальная длина поля данных кадра должна быть не менее 46 байт (что вместе со служебными полями дает минимальную длину кадра в 72 байта или 576 бит). Длина кабельной системы выбирается таким образом, чтобы за время передачи кадра минимальной длины сигнал коллизии успел бы распространиться до самого дальнего узла сети. Поэтому для скорости передачи данных 10 Мб/с, используемой в стандартах Ethernet, максимальное расстояние между двумя любыми узлами сети не должно превышать 2500 метров.

С увеличением скорости передачи кадров, что имеет место в новых стандартах, базирующихся на том же методе доступа CSMA/CD, например, Fast Ethernet, максимальная длина сети уменьшается пропорционально увеличению скорости передачи. В стандарте Fast Ethernet она составляет 210 м, а в гигабитном Ethernet ограничена 25 метрами.

Кроме того, каждый вариант физической среды добавляет к этим ограничениям свои ограничения, которые также должны выполняться.

Уточним основные параметры операций передачи и приема кадров Ethernet, кратко описанные выше.

Станция, которая хочет передать кадр, должна сначала с помощью MAC-узла упаковать данные в кадр соответствующего формата. Затем для предотвращения смешения сигналов с сигналами другой передающей станции, MAC-узел должен прослушивать электрические сигналы на кабеле и в случае обнаружения несущей частоты 10 МГц отложить передачу своего кадра. После окончания передачи по кабелю станция должна выждать небольшую дополнительную паузу, называемую межкадровым интервалом (interframe gap), что позволяет узлу назначения принять и обработать передаваемый кадр, и после этого начать передачу своего кадра.

Одновременно с передачей битов кадра приемно-передающее устройство узла следит за принимаемыми по общему кабелю битами, чтобы вовремя обнаружить коллизию. Если коллизия не обнаружена, то передается весь кадр, поле чего MAC-уровень узла готов принять кадр из сети либо от LLC-уровня.

Если же фиксируется коллизия, то MAC-узел прекращает передачу кадра и посылает jam-последовательность, усиливающую состояние коллизии. После посылки в сеть jam-последовательности MAC-узел делает случайную паузу и повторно пытается передать свой кадр.

В случае повторных коллизий существует максимально возможное число попыток повторной передачи кадра (attempt limit), которое равно 16. При достижении этого предела фиксируется ошибка передачи кадра, сообщение о которой передается протоколу верхнего уровня.

Для того, чтобы уменьшить интенсивность коллизий, каждый MAC-узел с каждой новой попыткой случайным образом увеличивает длительность паузы между попытками. Временное расписание длительности паузы определяется на основе усеченного двоичного экспоненциального алгоритма отсрочки (truncated binary exponential backoff). Пауза всегда составляет целое число так называемых интервалов отсрочки.

интервал отсрочки = окно коллизий + дополнительная задержка

В стандартах 802.3 большинство временных интервалов измеряется в количестве межбитовых интервалов, величина которых для битовой скорости 10 Мб/с составляет 0.1 мкс и равна времени передачи одного бита.

Величина интервала отсрочки в стандарте 802.3 определена равной 512 битовым интервалам, и эта величина рассчитана для максимальной длины коаксиального кабеля в 2.5 км. Величина 512 определяет и минимальную длину кадра в 64 байта, так как при кадрах меньшей длины станция может передать кадр и не успеть заметить факт возникновения коллизии из-за того, что искаженные коллизией сигналы дойдут до станции в наихудшем случае после завершения передачи. Такой кадр будет просто потерян.

Учитывая приведенные параметры, нетрудно рассчитать максимальную производительность сегмента Ethernet в таких единицах, как число переданных пакетов минимальной длины в секунду (packets-per-second, pps). Количество обрабатываемых пакетов Ethernet в секунду часто используется при указании внутренней производительности мостов и маршрутизаторов, вносящих дополнительные задержки при обмене между узлами. Поэтому интересно знать чистую максимальную производительность сегмента Ethernet в идеальном случае, когда на кабеле нет коллизий и нет дополнительных задержек, вносимых мостами и маршрутизаторами.

Так как размер пакета минимальной длины вместе с преамбулой составляет 64+8 = 72 байта или 576 битов, то на его передачу затрачивается 57.6 мкс. Прибавив межкадровый интервал в 9.6 мкс, получаем, что период следования минимальных пакетов равен 67.2 мкс. Это соответствует максимально возможной пропускной способности сегмента Ethernet в 14880 п/с.

Источник

Методы доступа к среде передачи

Материал из ПИЭ.Wiki

Методы доступа к среде передачи делятся на вероятностные и детерминированные.

Содержание

Вероятностные методы доступа

При вероятностном (probabilistic) методе доступа узел, желающий послать кадр в сеть, прослушивает линию. Если линия занята или обнаружена коллизия (столкновение сигналов от двух передатчиков), попытка, передачи откладывается на некоторое время. Основные разновидности:

CSMA/CA

CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance) — множественный доступ с прослушиванием несущей и избежанием коллизий. Узел, готовый послать кадр, прослушивает линию. При отсутствии несущей он посылает короткий сигнал запроса на передачу (RTS) и определенное время ожидает ответа (CTS) от адресата назначения. При отсутствии ответа (подразумевается возможность коллизии) попытка передачи откладывается, при получении ответа в линию посылается кадр. При запросе на широковещательную передачу (RTS содержит адрес 255) CTS не ожидается. Метод не позволяет полностью избежать коллизий, но они обрабатываются на вышестоящих уровнях протокола. Метод применяется в сети Apple LocalTalk, характерен простотой и низкой стоимостью цепей доступа.

CSMA/CD

CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect) — множественный доступ с прослушиванием несущей и обнаружением коллизий. Узел, готовый послать кадр, прослушивает линию. При отсутствии несущей он начинает передачу кадра, одновременно контролируя состояние линии. При обнаружении коллизии передача прекращается, и повторная попытка откладывается на случайное время. Коллизии — нормальное, хотя и не очень частое явление для CSMA/CD. Их частота связана с количеством и активностью подключенных узлов. Нормально коллизии могут начинаться в определенном временном окне кадра, запоздалые коллизии сигнализируют об аппаратных неполадках в кабеле или узлах. Метод эффективнее, чем CSMA/CA, но требует более сложных и дорогих схем цепей доступа. Применяется во многих сетевых архитектурах: Ethernet, EtherTalk (реализация Ethernet фирмы Apple), G-Net, IBM PC Network, AT&T Star LAN.

Приведем основные правила алгоритма CSMA/CD для предающей станции.

Межкадровый интервал IFG (interframe gap) составляет в 9,6 мкм (12 байт). С одной стороны он необходим для того, чтобы принимающая станция могла корректно завершить прием кадра. Кроме этого, если бы станция передавала кадры непрерывно, она бы полностью захватила канал и тем самым лишила другие станции возможности передачи.

Источник

Абонентские сети доступа

Синхронная ALOHA

Синхронная ALOHA разделяет время передачи на временные отрезки (слоты), и каждая станция может начать передачу только в начале слота.

Станция, пропустившая этот момент, должна ждать, пока не начнется следующий слот. Это означает, что станция, начавшая передачу в начале слота, закончит без конфликта свой кадр. Конечно, при этом все равно возможно состязание. Конфликт возникает, если две станции пытаются начать передачу в начале слота. Однако критическое время уменьшается в два раза. Это повышает пропускную способность общего ресурса передающей среды до 36,5%.

ALOHA с настойчивой стратегией

ALOHA с настойчивой стратегией (persistent strategy) доступа передает запросы, пока не будет получено подтверждение приема. При использовании такой стратегии длительность повторной передачи осуществляется согласно случайному закону (например, экспоненциальному вероятностному распределению). Если в течение установленного времени подтверждение не получено, то станция повторяет попытку через случайно выбранный интервал времени.

Настойчивая стратегия осуществляет слежение за состоянием передающей среды. Кадр посылается, если среда свободна.

Заметим, что существует ненастойчивая стратегия (nonpersistent strategy), при которой станция опрашивает передающую среду через случайные интервалы времени. После каждой неудачной попытки интервал опроса обычно удваивается, что существенно уменьшает вероятность возникновения конфликта, но приводит к увеличению задержки при передаче информации.

Настойчивая стратегия имеет две разновидности (алгоритма):

Настойчивый алгоритм с вероятностью передачи 1 (1persistent algorithm)

При таком алгоритме станция следит за состоянием передающей среды. Если среда занята, то станция переходит в режим ожидания и предпринимает попытку передачи, как только среда освободится. При возникновении конфликта станция прекращает сеанс связи и вновь начинает по случайному закону. Согласно этому алгоритму, если среда свободна, то сеанс связи начинается с вероятностью .

Настойчивый алгоритм с вероятностью передачи p(ppersistent algorithm)

Он отличается от предыдущего только тем, что передача осуществляется при наличии свободного канала через время, определяемое по случайному закону. В случае конфликта время также определяется по случайному закону (чаще всего по экспоненциальному закону, приведенному выше).

Например, вероятность означает, что станция пошлет информацию после освобождения среды с вероятностью 0,3 и не пошлет с вероятностью 0,7. Технически это реализуется за счет того, что станция имеет генератор случайных чисел, который генерирует случайные числа от 1 до 100. Если в данный момент получено число 20 и меньше, то станция пошлет информацию, в противном случае информация не посылается.

Такая стратегия позволяет уменьшить вероятность конфликта.

Многостанционный доступ с контролем несущей и обнаружением конфликта (CSMA/CD)

При показательном законе отсрочки принято, что станция должна ждать интервал времени между и (максимальное время распространения), где — число попыток передачи. Другими словами, время ожидания передачи равно:

от до (максимальное время распространения) в первый раз;

от до (максимальное время распространения) во второй раз и т. д.

Время внутри этого интервала выбирается по случайному закону.

Алгоритм передачи следующий. Если станция имеет информацию для передачи, устанавливается параметр . При возникновении конфликта первая из станций, обнаружившая его, посылает другим станциям сигнал о сетевом конфликте ( jam signal ).

Станции, получившие этот сигнал:

Значение параметра отсрочки ограничено (обычно числом 15).

В случае если число попыток не превышено, станция ожидает случайное время, основанное на текущем значении параметра отсрочки передачи.

На рис. 1.6 показан пример передачи информации согласно методу CSMA/CD. Первый канал начал передачу. Вторая станция в это время задерживает передачу (предполагается, что она передавала информацию ранее), после чего начинает передачу снова. Первая станция после некоторой паузы начала передачу, но во время передачи третья станция тоже начала передачу. Станции обнаруживают конфликт, прекращают передачу и возобновляют ее по истечении случайного времени. В данном примере случайное время передачи не вызвало повторного конфликта.

При большой загрузке среды вероятность повторного конфликта велика (возможно поступление информации от другой станции). Поэтому метод CSMA/CD эффективно работает при удельной нагрузке (занятие среды в единицу времени) среды 0,3 (30%), после чего повторение попыток приводит к резкому ухудшению характеристик сети.

Источник