8-1Алгоритмы сети Ethernet (Лекции)

Алгоритмы сети Ethernet/Fast Ethernet:
В данной лекции излагается метод управления обменом CSMA/CD, используемый в широко распространенных сетях семейства Ethernet, оказывающий существенное влияние на их особенности и характеристики.

Рассмотрим основной алгоритм, применяемый в самой распространенной сегодня сети Ethernet/Fast Ethernet. Речь идет о методе управления обменом (доступа) CSMA/CD. Этот же алгоритм используется во многих других локальных сетях. Например, метод доступа CSMA/CD применяется в сетях IBM PC Network, AT&T Starlan, Corvus Omninet, PC Net, G-Net и др.

Метод управления обменом CSMA/CD

Как уже говорилось, метод управления обменом CSMA/CD (Carrier-Sense Multiple Access with Collision Detection – множественный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий) относится к децентрализованным случайным (точнее, квазислучайным) методам. Он используется как в обычных сетях типа Ethernet, так и в высокоскоростных сетях (Fast Ethernet, Gigabit Ethernet). Поскольку характеристики и области применения этих популярных на практике сетей связаны именно с особенностями используемого метода доступа, его стоит рассмотреть более подробно.

Сначала о названии метода. В ранней сети типа Alohanet, работавшей с 1970 г. на Гавайских островах, использовался радиоканал и установленный на спутнике ретранслятор (отсюда слово "несущая" в названии метода), а также сравнительно простой метод доступа CSMA (без обнаружения коллизий). В сетях типа Ethernet и Fast Ethernet в качестве несущей выступает синхросигнал, "подмешиваемый" к передаваемым данным таким образом, чтобы обеспечить надежную синхронизацию на приемном конце. Это реализуется за счет организации (при необходимости) дополнительных принудительных переходов сигнала между двумя (как в коде Манчестер-II) или тремя электрическими уровнями (как в коде типа 8В6Т, используемом в сегменте Fast Ethernet 100BaseT4 на основе четырех неэкранированных витых пар). По сравнению с классическим методом CSMA в методе CSMA/CD добавлено обнаружение конфликтов (коллизий) во время передачи, что повышает скорость доставки информации.

При описании временных диаграмм сетей типа Ethernet и Fast Ethernet, а также предельных размеров пакетов (кадров) широко используются следующие термины:

• IPG (interpacket gap, межпакетная щель) – минимальный промежуток времени между передаваемыми пакетами (9,6 мкс для Ethernet / 0,96 мкс для Fast Ethernet). Другое название – межкадровый интервал.

• ВТ (Bit Time, время бита) – интервал времени для передачи одного бита (100 нс для Ethernet / 10 нс для Fast Ethernet).

• PDV (Path Delay Value, значение задержки в пути) – время прохождения сигнала между двумя узлами сети (круговое, то есть удвоенное). Учитывает суммарную задержку в кабельной системе, сетевых адаптерах, повторителях и других сетевых устройствах.

• Collision window (окно коллизий) – максимальное значение PDV для данного сегмента.

• Collision domain (область коллизий, зона конфликта) – часть сети, на которую распространяется ситуация коллизии, конфликта.

• Slot time (время канала) – максимально допустимое окно коллизий для сегмента (512• ВТ).

• Minimum frame size – минимальный размер кадра (512 бит).

• Maximum frame size – максимальный размер кадра (1518 байт).

• Maximum network diameter (максимальный диаметр сети) -максимальная допустимая длина сегмента, при которой его окно коллизий не превышает slot time, времени канала.

• Truncated binary exponential back off (усеченная двоичная экспоненциальная отсрочка) – задержка перед следующей попыткой передачи пакета после коллизии (допускается максимум 16 попыток). Вычисляется она по следующей формуле:

RAND(0,2^min(N,10)) x 512 x ВТ

где N – значение счетчика попыток, RAND(a, b) – генератор случайных нормально распределенных целых чисел в диапазоне а...b, включая крайние значения. Дискрет изменения данного параметра равен минимальной длине пакета или максимально допустимой двойной задержке распространения сигнала в сети (PDV).

Алгоритм доступа к сети

На рис. 1 показана структурная схема алгоритма доступа к сети в соответствии с методом CSMA/CD для одного из абонентов, имеющих данные (кадры) для передачи.

В начале из кадра, предназначенного для передачи, абонент (узел) формирует пакет. Далее при обозначении блоков информации, передаваемых по сети при использовании алгоритма CSMA/CD, понятия "кадр" и "пакет" не различаются, что не совсем правильно, но соответствует сложившейся практике.

Если после подготовки пакета сеть свободна, то абонент (узел) имеет право начать передачу. Но в первую очередь он должен проверить, прошло ли минимально допустимое время IPG после предыдущей передачи (блок 1 на рисунке). Только по окончании времени IPG абонент может начать передачу битов своего пакета (блок 2 на рисунке).

После передачи каждого бита абонент проверяет наличие конфликта (коллизии) в сети. Если коллизий нет, передача битов продолжается до окончания пакета (блок 4 на рисунке). В этом случае считается, что передача прошла успешно.

Если после передачи какого-то бита обнаружена коллизия, то передача пакета прекращается. Абонент (узел) усиливает коллизию, передавая 32-битовый сигнал ПРОБКА (JAM) и начинает готовиться к следующей попытке передачи (блок 3 на рисунке). Сигнал ПРОБКА гарантирует, что факт наличия коллизии обнаружат все абоненты, участвующие в конфликте.

После передачи сигнала ПРОБКА абонент, обнаруживший коллизию, увеличивает значение счетчика числа попыток (перед началом передачи счетчик был сброшен в нуль). Максимальное число попыток передачи должно быть не более 16, поэтому если счетчик попыток переполнился, то попытки передать пакет прекращаются. Считается, что в этом случае сеть сильно перегружена, в ней слишком много коллизий. Эта ситуация – аварийная, и обрабатывается она на более высоких уровнях протоколов обмена.

Если же количество попыток не превысило 16, то производится вычисление величины задержки по приведенной формуле, а затем и выдержка вычисленного временного интервала. Случайный характер величины задержки с высокой степенью вероятности гарантирует, что у всех абонентов, участвующих в конфликте, задержки будут различными. Затем попытка передать пакет повторяется сначала. Абонент, у которого вычисленная задержка будет меньше, начнет следующую передачу первым и заблокирует все остальные передачи.

Рис. 1.  Структурная схема алгоритма доступа к сети в соответствии с методом CSMA/CD

Если в момент возникновения заявки на передачу (после окончания подготовки пакета) сеть занята другим абонентом, ведущим передачу, то данный абонент ждет освобождения сети (блок 5 на рисунке). После освобождения сети он должен выждать время IPG после предыдущей передачи по сети до начала собственной передачи. Это связано с конечным быстродействием узлов, осуществляющих проверку наличия несущей (занятости среды каким-либо передающим абонентом).

Таким образом, получается, что метод CSMA/CD не только не предотвращает коллизии, наоборот, он их предполагает и даже провоцирует, а затем разрешает. Например, если заявки на передачу возникли у нескольких абонентов во время занятости сети, то после ее освобождения все эти абоненты одновременно начнут передачу и образуют коллизию. Коллизии появляются и в случае свободной сети, если заявки на передачу возникают у нескольких абонентов одновременно. В обоих случаях под словом "одновременно" понимается "в пределах интервала двойного прохождения сигнала по сети", то есть в пределах 512-битовых интервалов. Точно так же в пределах 512-битовых интервалов обнаруживаются все коллизии в сети.

Если коллизия обнаруживается раньше 480 – битового интервала, то в результате в сети образуются пакеты, длина которых меньше нижнего установленного предела в 512 – битовых интервалов (64 байта) даже с добавлением сигнала ПРОБКА. Такие пакеты (кадры) называются карликовыми (runt frames). Если же коллизия обнаруживается в конце 512-битового интервала (после 480 – битового интервала), то в результате может получиться пакет допустимой длины (вместе с сигналом ПРОБКА). Такие пакеты называть карликовыми не совсем корректно. Сигнал ПРОБКА, образующий 32 последних бита пакета, выступает в виде контрольной суммы пакета. Однако вероятность того, что ПРОБКА будет соответствовать правильной контрольной сумме пакета, бесконечно мала (примерно 1 случай на 4,2 миллиарда).

Коллизии (наложения пакетов в процессе передачи) могут и должны обнаруживаться до окончания передачи. Действительно, анализ принятого в конце каждого пакета поля FCS, фактически содержащего помехоустойчивый циклический код CRC (Cyclic Redundancy Check), привел бы к неоправданному снижению скорости передачи.

Практически коллизии обнаруживаются либо самим передающим абонентом, либо повторителями в сети, возможно, задолго до окончания передачи заведомо испорченного пакета. Если учесть, что длина пакетов в локальной сети типа Ethernet / Fast Ethernet может лежать в диапазоне от 64 до 1518 байт, то досрочное прекращение передачи и освобождение линии означает заметное повышение эффективности использования ее пропускной способности.

Первым признаком возникновения коллизии является факт получения сигнала ПРОБКА передающим абонентом во время передачи пакета. Другие признаки связаны с неверным форматом пакетов, передача которых была досрочно прекращена из-за возникновения коллизии:

• длина пакета меньше 64 байт (512 бит);

• пакет имеет неверную контрольную сумму FCS (точнее, неверный циклический код);

• длина пакета не кратна восьми.

Наконец, в таких сетях как Ethernet используется код Манчестер-II и аппаратный способ определения коллизии, основанный на анализе отклонения среднего значения сигнала от нуля.

Даже при загруженной сети для одного абонента число подряд следующих коллизий обычно не превышает 3. Этому способствует случайный характер возникновения запроса на передачу и случайная дискретная величина отсрочки следующей попытки передачи при возникновении коллизии. Число коллизий тем больше, чем больше диаметр (размер) сегмента и чем дальше расположены друг от друга абоненты с интенсивным трафиком.

Оценка производительности сети

Вопрос об оценке производительности сетей, использующих случайный метод доступа CSMA/CD, не очевиден из-за того, что существуют несколько различных показателей. Прежде всего, следует упомянуть три связанные между собой показателя, характеризующие производительность сети в идеальном случае – при отсутствии коллизий и при передаче непрерывного потока пакетов, разделенных только межпакетным интервалом IPG. Очевидно, такой режим реализуется, если один из абонентов активен и передает пакеты с максимально возможной скоростью. Неполное использование пропускной способности в этом случае связано, кроме существования интервала IPG, с наличием служебных полей в пакете Ethernet (см. рис. .2).

Пакет максимальной длины является наименее избыточным по относительной доле служебной информации. Он содержит 12304 бит (включая интервал IPG), из которых 12000 являются полезными данными.

Поэтому максимальная скорость передачи пакетов (или, иначе, скорость в кабеле – wire speed) составит в случае сети Fast Ethernet

10⁸ бит/с/ 12304 бит ≈ 8127,44 пакет/с.

Пропускная способность представляет собой скорость передачи полезной информации (которая переносится полем данных кадра) и в данном случае будет равна

B=8127,44 пакет/с * 1500 байта*8 ≈ 97,6 Мбит/с. (12,2 Мбайт/c)

Наконец, эффективность использования физической скорости передачи сети, в случае Fast Ethernet равной 100 Мбит/с, по отношению только к полезным данным составит

8127,44 пакет/с x 12000 бит/ 10⁸ бит/с ≈ 98%.

При передаче пакетов минимальной длины существенно возрастает скорость в кабеле, что означает всего лишь факт передачи большого числа коротких пакетов. В то же время пропускная способность и эффективность заметно (почти в два раза) ухудшаются из-за возрастания относительной доли служебной информации.

Для реальных сетей, в частности Fast Ethernet с большим числом активных абонентов N пропускная способность на уровне 12,2 Мбайт/с для какого-либо абонента является пиковым, редко реализуемым значением. При одинаковой активности всех абонентов средняя пропускная способность для каждого из них составит 12,2/N Мбайт/с, а на самом деле может оказаться еще меньше из-за возникновения коллизий, ошибок в работе сетевого оборудования и влияния помех (в случае работы локальной сети в условиях, когда кабельная система подвержена влиянию больших внешних электромагнитных наводок). Влияние помех, так же как и поздних конфликтов (late collision) в некорректных сетях, отслеживается с помощью анализа поля FCS пакета.

Для реальных сетей более информативен такой показатель производительности, как показатель использования сети (network utilization), который представляет собой долю в процентах от суммарной пропускной способности (не поделенной между отдельными абонентами). Он учитывает коллизии и другие факторы. Ни сервер, ни рабочие станции не содержат средств для определения показателя использования сети, этой цели служат специальные, не всегда доступные из-за высокой стоимости такие аппаратно-программные средства, как анализаторы протоколов.

Считается, что для загруженных систем Ethernet и Fast Ethernet хорошим значением показателя использования сети является 30%. Это значение соответствует отсутствию длительных простоев в работе сети и обеспечивает достаточный запас в случае пикового повышения нагрузки. Однако если показатель использования сети значительное время составляет 80...90% и более, то это свидетельствует о практически полностью используемых (в данное время) ресурсах, но не оставляет резерва на будущее. Впрочем, для реальных сетей, к примеру Fast Ethernet, это скорее гипотетическая ситуация.

На рис. 2 приведена зависимость показателя использования сети от времени при условии, что предложенная нагрузка (offered load), то есть текущий запрос на пропускную способность, линейно возрастает. Сначала показатель использования сети также линейно повышается, но затем конкуренция за владение средой передачи порождает коллизии, и рассматриваемый показатель достигает максимума (точка полной нагрузки на графике). При дальнейшем увеличении предложенной нагрузки показатель использования сети начинает уменьшаться, особенно резко после точки насыщения. Это "плохая" область работы сети. Считается, что сеть работает хорошо, если и предложенная нагрузка, и показатель использования сети высоки.

Рис. 2.  Зависимость показателя использования сети от времени при линейном увеличении предложенной нагрузки (1 – наилучшая область работы, 2 – приемлемая, 3 – плохая)

Некоторые авторы предлагают для широко распространенного понятия "перегрузка" (overload) сетей на основе метода доступа CSMA/CD следующее определение: сеть перегружена, если она не может работать при полной нагрузке в течение 80% своего времени (при этом 20% времени показатель использования сети недопустимо мал из-за коллизий). После точки насыщения наступает крах Ethernet (Ethernet collapse), когда возрастающая предложенная нагрузка заметно превышает возможности сети. Стоит заметить, что реально маловероятно, чтобы предложенная нагрузка постоянно увеличивалась во времени и надолго превышала пропускную способность сети типа Fast Ethernet. Более того, любой детерминированный метод доступа не может обеспечить реализацию сколь угодно большой предложенной нагрузки, существующей продолжительное время. Если данный вариант детерминированного метода доступа не использует, как и метод CSMA/CD, систему приоритетов, то никакой из абонентов не может захватить сеть более чем на время передачи одного пакета, однако передача данных отдельными пакетами с долгими паузами между ними ведет к снижению скорости передачи для каждого абонента. Преимущество детерминированных методов состоит в возможности простой организации системы приоритетов, что полезно из-за наличия определенной иерархии в любом крупном коллективе.