Лекция 7 Тема занятия Производительность ЛСЕ Учебные вопросы

Лекция 7 Тема занятия: Производительность ЛСЕ Учебные вопросы: 2. 7. 3 Доступ к ФСПД в ЛСЕ 2. 7. 4 Время двойного оборота и распознавание коллизий 2. 7. 5 Формат кадров и максимальная производительность ЛСЕ 1

2. 7. 3 Доступ к ФСПД в ЛСЕ

Основной принцип ЛСЕ Основной принцип Ethernet – случайный доступ к разделяемой среде передачи данных. В данном случае разделяемая среда – кабельный канал, соединяющий все компьютеры в ЛСЕ Суть принципа Компьютер в ЛСЕ может передавать данные лишь если сеть свободна, то есть никакой другой компьютер не занимается передачей. Если среда доступна, компьютер ее захватывает ровно на время передачи одного кадра информации. Кадр в ЛСЕ это – единица данных, аналог пакета.

Основной принцип ЛСЕ При попадании кадра в разделяемую среду остальные компьютеры начинают его принимать. Если адрес назначения в кадре совпадает с адресом конкретной ЭВМ, кадр помещается в буфер ее сетевой карты для дальнейшей обработки. Иногда возникает «коллизия» , когда два или более компьютеров решат, что сеть свободна и начинают передавать данные.

Обнаружение коллизий В ЛСЕ предусмотрено обнаружение коллизий и их корректная обработка. Она предполагает после обнаружения коллизии, прекращения передачи данных всеми компьютерами. После паузы случайной длительности ЭВМ снова пытаются получить доступ к среде и передать тот кадр, который вызвал коллизию.

Метод доступа CSMA/CD Указанный метод доступа к ФСПД имеет название «Метод коллективного доступа с опознаванием несущей и обнаружения коллизий» (Carrier Sense Multiply Access with Collision Detection – CSMA/CD). Рассмотрим его суть на примере ЛСЕ из двух компьютеров. Процесс начинается с анализа незанятости разделяемой среды. Для этого прослушивается основная гармоника сигнала, называемая несущей частотой (Carrier Sense – CS).

Метод доступа CSMA/CD Эта несущая частота для ЛСЕ лежит в пределах 5… 10 МГц, в зависимости от последовательности кодов нулей и единиц, передаваемых в данный момент (рис. 2. 9).

Передача информации в ЛСЕ Если среда свободна, узел 1 начинает передачу кадра. В процессе этой передачи у узла 2 возникает необходимость передать свои данные. Однако он ожидает, поскольку обнаружил занятость канала. После освобождения канала и технологической паузы ТТ=9, 6 мкс узел 2 захватывает канал и передает свой кадр. Пауза необходима для исключения монопольного захвата среды одним из узлов.

Возникновение коллизии При передаче кадра 3 возникает коллизия. Узел 1, до которого не успела дойти несущая от передаваемого узлом 2 третьего кадра, тоже начинает передачу. Наличие на общей шине двух кадров вызывает их искажение и обнаруживается передающими узлами. При обнаружении искажений узел передает в сеть специальную iam – последовательность из 32 бит, усиливающую искажения. Она легко обнаруживаются всеми компьютерами.

Обработка коллизии После обнаружения коллизии все ЭВМ прекращают передачу и делаю короткую паузу случайной длительности. Длительность паузы ТП определяется компьютерами по формуле ТП=L·512 bt , (2. 1) где L – целое число, выбранное из диапа зона [0, 2 M] c равной вероятностью; М – номер повторной попытки передачи данного кадра; bt – битовый интервал времени, для скорости 10 Мбит/с он составляет 0, 1 мкс.

Обработка коллизии После десятой попытки значение М не увеличивается и случайная пауза может принимать значение от 0 до 52, 4 мс. Если 16 попыток передачи кадра продолжают вызывать коллизию, передатчик должен отбросить этот кадр без передачи. Таким образом, рассмотренный метод доступа носит вероятностный характер и принципиально не гарантирует узлу когданибудь получить доступ к ФСПД. При небольшой нагрузке сети такая вероятность не доступа мала.

Передача напряженного трафика Однако, в современных условиях появились мультимедийные приложения, работающие в реальном масштабе времени, и компьютерные процессоры с огромной производительностью >3, 5 ГГц. Это резко увеличивает нагрузку на сеть и число возможных коллизий в ней. При интенсивных коллизиях пропускная способность ЛСЕ резко падает, так как сеть почти все время занята повторными попытками передачи кадров.

Борьба с коллизиями Для уменьшения интенсивности коллизий необходимо либо снизить трафик, посредством логического сегментирования сети и уменьшения числа узлов в сегменте, либо заменив ресурсоемкое приложение, либо повысить скорость передачи данных, применив более современную технологию, например Fast Ethernet. Указанную технологию рассмотрим на следующей лекции. Сейчас же оценим, от чего зависит вероятность возникновения коллизий и возможно ли ее снижение, посредством выбора геометрических размеров сети.

2. 7. 4 Время двойного оборота и распознавание коллизий

Условие распознавания коллизий Если передающий компьютер в сети не распознает коллизию, он решит, что кадр передан им правильно. В результате произойдет потеря кадра. Действительно, повторной передачи кадра не будет, а принимающая ЭВМ его отбросит из-за искажения кадра наложениями кадров других компьютеров. Скорее всего в нем не совпадет контрольная сумма с вычисленным приемником значением. Для надежного распознавания коллизий минимальное время Tmin передачи кадра минимальной длины, должно быть больше времени TPDV , за которое сигнал коллизии успевает распространиться до самого дальнего узла сети.

Время двойного оборота В худшем случае сигнал должен дважды пройти межу наиболее удаленными друг от друга узлами. В одну сторону проходит не искаженный сигнал, а в другую сторону идет он же, но уже искаженный коллизией. Поэтому TPDV называют временем двойного оборота (Path Delay Value).

Условие распознавания коллизий Должно выполняться Tmin ≥TPDV, тогда передающая РС успеет обнаружить коллизию, вызванную переданной ею кадром, еще до конца передачи. Выполнение этого условия зависит от длины минимального кадра, длины ФСПД и скорости распространения сигнала в ней. Для ЛСЕ принят объем минимального кадра 72 байт=576 бит информации. Следовательно, его длина составляет Тк= 575 битовых интервалов bt.

Условие распознавания коллизий С учетом (2. 1): TPDV= Тк· bt=575·0, 1=57, 5 мкс. (2. 2) За это время сигнал пройдет расстояние Sc=Vc· TPDV, где Vc≈2, 31·108 м/с для толстого коаксиального кабеля. Тогда Sc=2, 31·108·57, 5·10 – 6 =13283 м. Это расстояние кадр пройдет в прямом направлении от передатчика до приемника, а потом возвращается по тому же пути обратно.

Максимальная длина сети Поэтому максимальная длина Dmax сети не может превышать половинного значения Sc: Dmax≤ Sc/2=6636 м. В этом случае говорят, что ЛС входит в один домен коллизий. Сравним данные для стандарта 10 Base-5 с полученным Dmax. Из сравнения (см. п. 2. 7. 1) следует 2500<<Dmax=6636 м, то есть условие выполняется со значительным запасом.

Справедливость правил сегментирования В реальности запас существенно меньше, так как сигнал в многосегментных ЛВС дополнительно задерживается повторителями на несколько десятков битовых интервалов. Кроме того возможен некоторый разброс по параметрам кабеля и повторителей. В результате учета этих факторов в стандарте ЛСЕ и появились ограничения на максимальную длину сети и тщательно подобранные правила « 5 -4 -3» и « 4 -х хабов» (см. п. 2. 7. 2).

2. 7. 5 Формат кадров и максимальная производительность ЛСЕ

Формат DIX Возможны четыре типа форматов кадра в ЛСЕ, которые, как правило, все поддерживаются современным сетевым оборудованием. В качестве примера, рассмотрим формат DIX, предложенный консорциумом фирм Digital, Intel и Xerox (рис. 2. 10).

Поля кадра Кадр состоит из 7 -ми полей: 1) Поле преамбулы Р, содержит 7 байт синхронизирующей последовательности 1010…, дающей при передаче сигнал, частотой 5 м. Гц. 2) Начальный ограничитель кадра SFD (Start of Frame Delimiter), состоит из 1 -го байта 10101011. Эта последовательность подготавливает прием заголовка кадра.

Поля кадра 3) Адрес назначения DA (Destination Address) 4) 5) – 6 байт, содержащих либо индивидуальный адрес узла, либо групповой адрес, если в сети выделены группы узлов. Адрес может быть и широковещательным для всех узлов если он состоит из одних единиц. Адрес источника SA (Sourse Address) – 6 байт, первый бит всегда имеет значение 0. Длина L (Length) – 2 -х битовое поле, определяющее длину поля данных в кадре.

Поля кадра 6) Поле данных. Может содержать от 0 до 1500 байт. Если длина поля меньше 46 байт, то используется дополнительное поле, заполняющее кадр до минимально допустимой длины в 46 байт. 7) Поле контрольной суммы FCS (Frame Check Sequence) – 4 байта.

Производительность ЛСЕ Рассчитаем максимальную производительность сегмента ЛСЕ, которую оценивают в кадрах/с – fps (frames per second) или пакетах/с – pps (packets per second). При передаче кадров минимальной длины (в поле данных – 46 байт) в кадре содержится вместе с преамбулой 8+6+6+2+46+4=72 байта. По формуле (2. 2) размер кадра составит Тк 1=57, 5 мкс. Учтем также технологическую паузу ТТ=9, 6 мкс между кадрами.

Производительность ЛСЕ Поэтому период следования минимальных кадров Тск 1=Тк 1+ТТ=67, 1 мкс (рис. 2. 11). Откуда максимально возможная пропускная способность сегмента для минимального кадра составляет: П 1=1/Тск 1=14903 кадр/с. (2. 3)

Для максимальных кадров Кадры максимальной длины в ЛСЕ имеют поле данных 1500 байт, а совместно со служебной информацией и преамбулой – 1526 байт или 1526 8=12208 бит. Откуда длительность кадра Тк 2=12207 0, 1=1220, 7 мкс, а период следования Тск 2= Тк 2+ТТ=1230, 3 мкс. Наконец найдем пропускную способность для кадров максимальной длины П 2=1/Тск 2=813 кадр/с.

Полезная пропускн. способность Представляет интерес оценка полезной пропускной способности, под которой понимают скорость передачи только пользовательских данных, содержащихся в поле данных. Для кадров минимальной длины: СП 1=П 1 46 8=14903 46 8=5, 48 Мбит/с. (2. 5) Это меньше стандартных 10 Мбит/с, но кадры минимальной длины применяют, как правило, лишь для передачи квитанций. Для максимальных кадров оценка составляет СП 2=П 2 1500 8=813 1500 8=9, 76 Мбит/с. (2. 6)

Полезная пропускн. способность Последняя оценка СП 2 уже весьма близка к стандартной скорости ЛСЕ. Однако, такой скорости можно достичь только, когда корреспондирующим узлам не мешают другие узлы. Наличие в сегменте нескольких узлов снижает значения П 1 и П 2 за счет ожидания доступа к среде и при повторной передаче кадров во время коллизий. Соответственно снижаются и скорости СП 1 и СП 2.

Выводы 1. В настоящее время такие скорости является уже явно недостаточными. 2. Для коренного их улучшения следует применять современные высокоскоростные технологии Ethernet. Рассмотрим их на следующей лекции.