11.5.3. Сравнение производительности сетей CSMA/CD и Token Ring
Локальные сети (local area network — LAN) могут использоваться для связи компьютеров, терминалов, принтеров и других устройств, расположенных недалеко друг от друга (например, в одном здании). Если из экономических соображений в глобальных сетях применяются телефонные сети общего пользования, то для создания локальных сетей обычно устанавливаются собственные кабели высокой пропускной способности. Следовательно, в последнем случае ширина полосы не является столь "дефицитным" ресурсом, как при глобальных сетях. Поскольку в оптимизации использования полос нет необходимости, в системах локальных сетей могут применяться простые алгоритмы доступа [6, 25-27].
11.5.1. Сети CSMA/CD
Схема Ethernet, представляющая собой метод доступа для локальных сетей, была разработана корпорацией Xerox. Данный метод основывается на предположении, что каждое локальное устройство может узнать состояние общего широковещательного канала связи перед попыткой его использования. Такой метод называется множественным доступом к среде с обнаружением конфликтов и детектированием несущей (carrier-sense multiple access with collision detection — CSMA/CD). В данном случае "несущая" означает любую электрическую активность в кабеле. На рис. 11.41, а изображен формат битового поля данных для спецификации Ethernet. Пояснения к рисунку приводятся ниже.
1. Максимальный размер пакета равен 1526 байт, где байт включает 8 бит. Структура пакета является следующей: начальная комбинация битов (8 байт) + заголовок (14 байт) + данные (1500 байт) + биты четности (4 байт).
2. Минимальный размер пакета равен 72 байт. Пакет включает начальную комбинацию битов (8 байт) + заголовок (14 байт) + данные (46 байт) + биты четности (4 байт).
3. Минимальная пауза между пакетами равна 9,6 мкс.
4. Начальная комбинация битов содержит 64-битовый шаблон синхронизации, состоящий из чередующихся единиц и нулей, причем два последних символа — единицы: (101010 ...1 01011).
5. Принимающая станция изучает поле адреса в заголовке пакета, после чего решает, принимать ли ей этот пакет. Первый бит указывает тип адреса (0 — индивидуальный адрес, 1 — групповой). Поле, состоящее из одних единиц, обозначает широковещание на все станции.
Рис. 11.41. Поле данных и формат РСМ схемы Ethernet: а) спецификация Ethernet; б) формат манчестерской модуляции РСМ
6. Адрес источника — это уникальный адрес передающей машины.
7. Тип поля определяет, как необходимо интерпретировать поле данных. Например, биты поля могут использоваться для описания кодировки данных, шифрования, приоритета сообщения и т.д.
8. Поле данных состоит из целого числа байт (минимум — 46, максимум — 1500 байт).
9. Поле проверки четности содержит биты четности, генерируемые с помощью следующего полинома (см. раздел 6.7).
В алгоритме множественного доступа Ethernet определены следующие действия или отклики пользователя.
1. Отложить. Пользователь не должен передавать данные при наличии несущей или в течение минимального времени, разделяющего пакеты.
2. Передать. Если не используется предыдущее действие, пользователь может передавать данные до окончания времени передачи пакета или до возникновения конфликта.
3. Прервать. При возникновении конфликта пользователь должен прекратить передачу данных и оповестить других пользователей, участвующих в конфликте.
4. Передать повторно. Пользователь должен предпринять попытку повторной передачи после паузы случайной протяженности (аналогично схеме ALOHA).
5. Откат. Пауза перед n-й попыткой повторной передачи — это равномерно распределенное случайное число от 0 до 2n - 1, где (0<n<10). При п>10 интервал остается в пределах от 0 до 1023. Единицей измерения времени для интервала задержки перед повторной передачей является 512 бит (51,2 мкс).
На рис. 11.41, б показан поток данных со скоростью 10 Мбит/с при использовании манчестерской схемы РСМ из спецификации Ethernet. Отметим, что при таком форматировании каждый однобитовый элемент или позиция двоичного разряда содержит переход. Двоичная единица описывается переходом с низкого уровня на высокий, двоичный нуль — переходом с высокого уровня на низкий. Следовательно, наличие переходов служит показателем наличия несущей. Если в течение определенного промежутка времени (от 0,75 до 1,25 периода передачи бита) переход не наблюдается — несущая потеряна, что свидетельствует об окончании пакета.
11.5.2. Сети Token Ring
Сеть с детектированием несущей состоит из кабеля, к которому пассивно подключаются все станции. Кольцевая сеть включает в себя несколько двухточечных кабелей, последовательно соединяющих станции. Сопряжение между кольцом и станциями является уже не пассивным, а активным. На рис. 11.42, а представлено стандартное однонаправленное кольцо с подключением через интерфейсы к нескольким станциям. На рис. 11.42, б показано состояние интерфейса для режима ожидания и режима передачи. В режиме ожидания входные биты копируются на выход с задержкой, равной времени прохождения одного бита. В режиме передачи соединение разрывается так, что станция может вводить в кольцо собственные данные. Маркер (token) — это специальная последовательность бит (например, 11111111), которая циркулирует по кольцу, когда все станции находятся в "холостом" состоянии. Как система может гарантировать, что последовательность бит, составляющая маркер, не встретится как часть передаваемых данных? Для этого используется метод заполнения битами (bit stuffing). Для приведенного примера 8-битового маркера, после каждой информационной последовательности из семи единиц система будет помещать нуль. При извлечении данных приемник использует подобный алгоритм для удаления введенного бита, перед которым идут семь единиц. Кольцевая сеть с маркерным доступом (сеть Token Ring) работает следующим образом.
Рис. 11.42. Кольцевая сеть с маркерным доступом: а) сеть; б) режимы ожидания и передачи
1. Станция, желающая передавать, отслеживает появление маркера на интерфейсе. При прохождении маркера станция инвертирует последний бит (например, 11111110). Затем она прерывает интерфейсное соединение и вводит в кольцо собственные данные.
2. После прохождения по кольцу биты удаляются отправителем. Размер пакетов не ограничен, поскольку никакой пакет не появится в сети мгновенно.
3. После передачи последнего бита сообщения станция должна восстановить маркер. После прохождения по кольцу последним бит данных удаляется, а интерфейс переключается в режим ожидания.
4. В системе с маркерным доступом возникновение конфликтных ситуаций невозможно. При весьма активном обмене данными маркер сразу после восстановления захватывается следующей станцией кольца. Таким образом, разрешение на передачу данных последовательно передается по кольцу. Поскольку используется только один маркер, конфликтные ситуации не возникают.
Кольцевая система должна делать такую паузу, чтобы позволить передачу маркера по кольцу, когда все станции находятся в холостом состоянии. Важным моментом при проектировании кольцевых сетей является расстояние распространения или "длина" бита. Если скорость передачи данных равна R Мбит/с, бит выпускается за каждые (1/R) мкс. Поскольку скорость распространения по типичному коаксиальному кабелю равна 200 м/мкс, бит занимает 200/R метров кольца.
Пример 11.4. Минимальный размер кольца
Пусть скорость передачи данных в кольцевой сети с маркерным доступом равна 5 Мбит/с, а размер маркера — 8 бит. Определите минимальное расстояние распространения dp, необходимое для охвата кольца. Скорость распространения vp равна 200 м/мкс.
Решение
R = 5Мбит/с
Время, необходимое для передачи одного бита, tb, равно следующему.
Время передачи восьмибитового маркера, tt
Расстояние распространения восьмибитового маркера.
11.5.3. Сравнение производительности сетей CSMA/CD и Token Ring
На рис. 11.43 сравнивается зависимость задержки от пропускной способности для сети CSMA/CD и кольцевой сети с маркерным доступом. В каждом случае используется кабель протяженностью 2 км, сеть включает 50 станций, средняя длина пакета равна 1 000 бит, размер заголовка сообщения равен 24 бит. На рис. 11.43, а, где скорость передачи данных равна 1 Мбит/с, графики практически совпадают. На рис. 11.43, б, по сравнению с предыдущим, был изменен один параметр — скорость передачи данных увеличена до 10 Мбит/с. Видим, что в данном случае разница между двумя системами является значительной. При нормированной пропускной способности 
< 0,22, CSMA/CD превосходит по производительности систему с маркерным доступом. Однако при р > 0,22 характеристики системы с маркерным доступом значительно лучше, чем системы CSMA/CD. Чтобы понять причину низкой производительности CSMA/CD (рис. 11.43, б), напомним определение р из уравнений (11.17) и (11.19).
Рис. 11.43. Зависимость задержки от нормированной пропускной способности для сетей с маркерным доступом и CSMA/CD: а) скорость передачи данных 1 Мбит/с; б) скорость передачи данных 10 Мбит/с. (Перепечатано с разрешения автора из Вих W. "Local-Area Subnetworks: A Performance Comparison ". IEEE Trans. Commun., vol. COM29, n. 10, October, 1981, pp. 1465-1473. © 1981, IEEE.)
Здесь 
— пропускная способность канала в бит/с, a R — емкость канала (максимальная скорость передачи битов). По мере роста R пропускная способность канала должна возрастать в соответствии с заданным значением р. При высокой пропускной способности большинство попыток передачи в системе CSMA/CD приводит к конфликтам [26].