Эндрю Уэзеролл - Компьютерные сети. 5-е издание

На рис. 4.4 показана расчетная зависимость производительности канала от предлагаемого потока кадров для всех трех протоколов, а также для чистой и дискретной систем ALOHA.

Рис. 4.4. Сравнение использования канала в зависимости от его загрузки для различных протоколов коллективного доступа

Протокол CSMA с обнаружением коллизий

Настойчивый и ненастойчивый протоколы CSMA, несомненно, являются улучшениями системы ALOHA, поскольку они гарантируют, что никакая станция не начнет передачу, если она определит, что канал уже занят. Однако если две станции, обнаружив, что канал свободен, одновременно начали передачу, столкновение все равно произойдет. Еще одно улучшение — способность станций быстро распознавать коллизию и немедленно прекращать передачу (а не завершать ее), так как данные все равно искажены. Эта стратегия экономит время, и улучшается производительность канала.

Такой протокол, называемый CSMA/CD (Carrier-Sense Multiple Access with Collision Detection — множественный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий), является основой чрезвычайно популярных ЛВС Ethernet, поэтому мы уделим некоторое время более или менее подробному рассмотрению CSMA/CD. Важно понимать, что распознавание коллизий представляет собой аналоговый процесс. Оборудование станции должно «прослушивать» канал во время передачи. Если оно считывает сигнал и понимает, что он отличается от пересылаемого, то сразу понятно — произошла коллизия. Следствие таково, что полученный сигнал не обязательно должен идеально совпадать с отправленным (что может быть сложно в беспроводных сетях — принимаемый сигнал нередко в 1 000 000 раз слабее передаваемого) и что необходимо выбирать такой способ уплотнения, который позволит распознавать коллизии (например, коллизию двух 0-вольтовых сигналов распознать практически невозможно).

В протоколе CSMA/CD, так же как и во многих других протоколах локальных сетей, применяется концептуальная модель, показанная на рис. 4.5. В момент времени t 0одна из станций закончила передачу кадра. Все остальные станции, готовые к передаче, теперь могут попытаться передать свои кадры. Если две станции или более одновременно начнут передачу, то произойдет столкновение. Обнаружив коллизию, станция прекращает передачу, ждет случайный период времени, после чего пытается снова, при условии, что к этому моменту не начала передачу другая станция. Таким образом, наша модель протокола CSMA/CD будет состоять из чередования периодов конкуренции и передачи, а также периодов простоя канала (когда все станции молчат).

Рис. 4.5.Протокол CSMA/CD может находиться в одном из трех состояний: конкуренции,

передачи и простоя

Рассмотрим более подробно алгоритм борьбы за право передачи по каналу. Предположим, две станции одновременно начали передачу в момент времени t 0. Сколько

понадобится времени на то, чтобы они поняли, что произошло столкновение? От ответа на этот вопрос зависит длина периода конкуренции, а следовательно, величина задержки и производительность канала.

Минимальное время обнаружения конфликта равно времени распространения сигнала от одной станции до другой. Исходя из этих рассуждений, можно предположить, что станция, которая не слышит столкновения в течение времени, требуемого для прохождения сигнала по всему кабелю, может быть уверена, что ей удалось захватить кабель. Под термином «захватить» имеется в виду, что все остальные станции знают, что эта станция передает, и не будут сами пытаться передавать. Однако такое заключение неверно.

Рассмотрим следующий сценарий наихудшей ситуации. Пусть время, необходимое для прохождения сигнала между двумя самыми дальними станциями, равно т. В момент времени t 0одна из станций начинает передачу. Через интервал времени т - е, за мгновение до того, как сигнал достигнет самой дальней станции, та станция также начинает передавать. Конечно, почти мгновенно она обнаруживает столкновение и останавливается, но всплеск шума, вызванный столкновением, достигает передающей станции только через интервал времени 2т - е с момента начала передачи. Другими словами, станция не может быть уверена в том, что захватила канал, до тех пор пока не пройдет интервал времени 2т с момента начала передачи.

Понимая это, конкурирование CSMA/CD можно рассматривать как дискретную систему ALOHA с шириной интервала 2т. В коаксиальном кабеле длиной 1 км т = 5 мкс. Различие между CSMA/CD и дискретной системой ALOHA состоит в том, что в первом случае за слотом, в течение которого передачу осуществляет только одна станция (то есть когда канал захвачен), следует передача оставшейся части кадра. Это позволит значительно улучшить производительность, если время кадра будет намного больше времени распространения сигнала по каналу.

4.2.3. Протоколы без столкновений

Хотя в протоколе CSMA/CD столкновения не могут происходить после того, как станция захватывает канал, они могут случаться в период конкуренции. Эти столкновения снижают производительность системы, особенно когда произведение полосы пропускания на значение задержки велико, то есть при большой длине кабеля (и больших т) и коротких кадрах. Коллизии не только уменьшают пропускную способность, они делают время пересылки кадра непостоянным, что очень плохо для трафика, передаваемого в режиме реального времени, такого как голосовые данные по протоколу IP. Метод CSMA/CD оказывается не универсальным.

В данном разделе мы рассмотрим протоколы, которые решают проблему борьбы за право занять канал, причем делают это даже без периода конкуренции. Большинство из них в крупных системах сегодня не используются, но в такой изменчивой отрасли всегда хорошо иметь про запас несколько протоколов с великолепными свойствами, которые можно будет применить в будущем.

В описываемых ниже протоколах предполагается наличие N станций, у каждой из которых запрограммирован постоянный уникальный адрес в пределах от 0 до N - 1. То что некоторые станции могут часть времени оставаться пассивными, роли не играет.

Также предполагается, что задержка распространения сигнала пренебрежимо мала. Главный вопрос остается неизменным: какой станции будет предоставлен канал после передачи данного кадра? Мы будем по-прежнему использовать модель, изображенную на рис. 4.5, с ее дискретными интервалами конкуренции.