Анализ ЛВС с множественным доступом с учетом пакетных очередей и характеристики времени доставки пакетов данных

Протокол Industrial Ethernet, используемый в промышленных локальных вычислительных сетях (далее — ЛВС), использует технологи. передачи данных, именуемую методом коллективного доступа с опознаванием несущей и обнаружением коллизий (carrier-sense-multiply-access with collision detection, CSMA/CD). Industrial Ethernet предназначен и применяется для обмена данными между системами человеко-машинного интерфейса и программируемыми контроллерами.

Метод CSMA/CD применим преимущественно в ЛВС с общей шиной передачи данных. Все узлы такой сети имеют прямой доступ к общей шине, в следствие чего данная шина может быть применима для обмена данными между любой парой узлов ЛВС. Одним из факторов, явившимся залогом успеха стандартов Industrial Ethernet является простота схемы подключения. Шина, к которой подключаются все узлы ЛВС, работает в режиме коллективного доступа (multiply-access,MA).

Все данные, передаваемые посредством общей шины, помещаются в кадры, имеющие определенную структуру, и снабжаются уникальным адресом узла назначения, после чего кадр передается по шине. Все узлы ЛВС, подключенные к шине, призваны распознавать факт передачи кадра, и тот узел, который узнает собственный адрес в заголовке кадра, фиксирует его содержимое в собственный буфер, после чего обрабатывает входящие данные, формирует и отправляет кадр-ответ. Адрес узла-источника также интегрирован в исходный кадр, вследствие чего узел-получатель обладает информацией, кому нужно отправить ответ.

При вышеописанном подходе возможна ситуация, когда два узла в одно и то же время пытаются отправить пакет данных по общей шине (рисунок № 1) [5].

Рис. 1. Вариативная схема коллизии в методе CSMA/CD (tp - задержка распространения сигнала между узлами A и B)

Для уменьшения вероятности возникновения коллизии в момент непосредственно перед отправкой кадра передающий узел принимает и анализирует возникающие на общей шине сигналы, чтобы выявить, не осуществляется ли передача по кабелю кадра данных от другого узла. Если опознается несущая (carrier-sense, CS), то узел отказывается от передачи собственного кадра до окончания чужой передачи данных, и только потом, обнаружив отсутствие передачи данных, пытается вновь передать свой кадр. Но даже при таком алгоритме два узла в одно время могут решить, что по кабелю в текущий момент времени нет передачи данных, и начать передавать свои кадры, при этом происходит коллизия, что является источником искажения информации.

Чтобы корректно выйти из коллизии, все узлы ЛВС осуществляют мониторинг возникающих в шине сигналов. В случае обнаружения отличий в передаваемых и наблюдаемых сигналах фиксируется обнаружение коллизии (collision detection, CD). Для роста вероятности незамедлительного обнаружения коллизии всеми узлами ЛВС, наличие коллизии усиливается отправкой в ЛВС узлами, начавшими передачу своих кадров, специальной последовательности данных, имеющей название jam - последовательности.

При обнаружении коллизии узел-отправитель обязан прервать передачу кадров и ожидать в течение непродолжительного случайного временного интервала, а затем от узла-отправителя может опять последовать попытка передачи кадра.

Особенность данного метода доступа является вероятностный характер, и вероятность удачной отправки и получения кадра в общей среде пропорционально загруженности ЛВС, то есть зависит от интенсивности возникновения в узлах необходимости передачи данных. Метод CSMA/CD определяет основной логический и временной баланс, давая возможность корректной работы всех узлов в ЛВС:

• Между двумя передаваемыми последовательно по общей шине кадрами данных необходимо соблюдение паузы в 0.96 мкс; данная пауза нужна для приведения в исходное состояние сетевых адаптеров узлов, а также для предотвращения монополизации среды передачи данных одним узлом.

• В момент обнаружении коллизии узел ЛВС формирует и отправляет в среду jam - последовательность, которая увеличивает явление коллизии для очевидного распознавания оной всеми станциями ЛВС.

• После обнаружения коллизии каждый узел, осуществлявший передачу кадра и столкнувшийся с коллизией, после непродолжительной задержки пытается повторно отправить свой кадр. Станция делает не более 16 попыток передачи этого кадра данных, после чего при невозможности передачи кадра, его отправка прекращается. Величина задержки берется как равномерно распределенное случайное число из интервала и длина оного при каждой попытке экспоненциально увеличивается. При таком алгоритме выбора величины задержки снижается возможность наступления коллизий и уменьшается интенсивность отдачи кадров в ЛВС при высокой загрузке на нее.

Явственное распознавание коллизий всеми узлами ЛВС является необходимым аспектом корректной работы сети Industrial Ethernet. Если какой-либо передающий узел не распознает коллизию и примет решение, что кадр информации им передан правильно, то этот кадр данных будет потерян, так как данные кадра деформируются из-за наложения сигналов при коллизии, он будет отбракован узлом-получателем. Вероятнее всего, искаженная информация будет вторично передана каким-либо протоколом верхнего уровня, к примеру,прикладным или транспортным, функционирующим с установкой соединения и нумерацией собственных сообщений. Но повторная передача пакетов данных протоколами верхних уровней случится спустя гораздо более длительный промежуток времени в сравнении с микросекундными интервалами, которыми оперирует протокол Industrial Ethernet. В следствие чего, если коллизии не будут четко идентифицироваться станциями, использующими метод Industrial Ethernet, то это приведет к заметному уменьшению полезной пропускной способности общей шины.

Все характеристики метода Industrial Ethernet подобраны так, чтобы при обычной работе станций ЛВС коллизии всегда ясно идентифицировались. Как раз по этой причине минимальной длине поля данных кадра надлежит быть не менее 46 байт. Протяженность кабельной системы берется таким образом, чтобы в период передачи кадра данных минимальной длины сигнал коллизии успел бы транслироваться до самой дальней станции ЛВС.

Помимо вышеозначенного, любой из вариантов физической среды прибавляет к этим характеристикам свои ограничения, выполнения которых принципиально важно.

Следует детально указать базовые параметры процедуры отправки и получения кадров в методе Industrial Ethernet, кратко изложенные выше.

Узел ЛВС, который намерен передать кадр, сначала должен посредством MAC-узла сгруппировать данные в кадр, после MAC-узел должен осуществлять мониторинг электрических сигналов в шине и при обнаружении несущей частоты 10 МГц прекратить передачу своего кадра на время, именуемое межкадровым интервалом (interframe gap), что дает возможность узлу-получателю принять и обработать передаваемый кадр, и после этого начать передачу собственного кадра-ответа.

Синхронно с передачей кадра приемно-передающее устройство узла ЛВС контролирует входящие по общей шине данные, чтобы своевременно выявить коллизию. При не обнаружении коллизии осуществляется передача всего кадра, поле чего MAC-уровень станции-получателя готов получить кадр из ЛВС либо от LLC-уровня.

Если же происходит фиксирование коллизии, то MAC-узел останавливает передачу кадра, формирует и посылает jam-последовательность, увеличивающую состояние коллизии. По завершении отправки в ЛВС jam-последовательности MAC-узел осуществляет случайную паузу и пытается вторично передать собственный кадр.

При повторении коллизий определено максимально допустимое число попыток повторной передачи кадра (attempt limit), равное 16. Когда достигается данный предел протоколируется ошибка отправки кадра. Данный протокол передается протоколу верхнего уровня.

Для уменьшения количества коллизий, каждый MAC-узел с каждой новой попыткой случайным образом наращивает длительность интервала между попытками. Время задержки перед последующей отправкой кадра определяется на основании усеченного двоичного экспоненциального алгоритма отсрочки (truncated binary exponential backoff). Пауза всегда является целым числом интервалов отсрочки передачи.

Время, за которое узел ЛВС с неопровержимой точностью определяет интервал между передачами кадра, т. е. определяет, что коллизия в ЛВС устранена, называется интервалом отсрочки (slot time). Это показатель напрямую связан с другим не менее важным параметром ЛВС - окном коллизий (collision window). Удвоенное время прохождения сигнала между наиболее удаленными узлами сети носит определение окна коллизии и является наименее благоприятным случаем задержки, при которой узел еще в состоянии обнаружить наступление коллизии. Интервал отсрочки определяется равным величине окна коллизий в сумме с некоторой дополнительной величиной задержки для обеспечения гарантии:

интервал отсрочки = окно коллизий + дополнительная задержка [5]

В стандартах 802.3 паузы преимущественно измеряются количеством межбитовых интервалов, величина вышеозначенных для пропускной способности канала 100 Мб/с составляет 0.01 мкс и составляет время передачи одного бита.

В стандарте 802.3 размер интервала отсрочки составляет 512 битовых интервалов, минимальная длина кадра при этом составляет 64 байта, потому как при кадрах меньшей длины узел может осуществить передачу кадра и не успеть зафиксировать факт наступления коллизии вследствие того, что деформированные коллизией сигналы поступят в узел после окончания передачи данных. Данный кадр будет потерян.

Время паузы после N-ой коллизии берется равным L интервалам отсрочки, где L - целое случайное число, распределенное в диапазоне [0, 2N]. Размер диапазона увеличивается только до 10 итерации, а далее диапазон остается равным [0, 1024]. Значения основных характеристик процедуры отправки и приема кадра стандарта 802.3 приведено в таблице 1 [5].

Таблица 1

Основные параметры процедуры передачи кадра стандарта 802.3

При приведенных характеристиках, не представляет трудности рассчитать максимальную производительность стандарта Industrial Ethernet в количестве переданных пакетов минимальной длины в секунду когда в шине нет коллизий и нет дополнительных задержек, вносимых мостами и маршрутизаторами.

Размер кадра минимального размера вместе с преамбулой формируется равным 64+8 = 72 байта или 576 битов, то на его отправку расходуется 5.76 мкс. Просуммировав межкадровый интервал в 0.96 мкс, принимаем, что время следования пакетов минимальной длины равен 6.72 мкс, что является максимально возможной пропускной способностью стандарта Industrial Ethernet.

Литература:

1. Лукьянов В.С. Модели топологических структур проводных телекоммуникационных сетей: монография / В.С. Лукьянов, Д.Г. Владнев, А.В. Старовойтов; ВолгГТУ - Волгоград, 2006. – 176с.

2. Лукьянов В. С. Модели анализа вероятностно-временных характеристик и структур сетей передачи данных : монография / В. С. Лукьянов, А. В. Старовойтов, И. В. Черковский ; ВолгГТУ. - Волгоград : РПК "Политехник", 2006. - 184 с.

3. Модели компьютерных сетей с Удостоверяющими Центрами : монография / В. С. Лукьянов [и др.] ; ВолгГТУ. - Волгоград : ВолгГТУ, 2009. - 242 с.

4. Лукьянов В. С. Имитационное моделирование грид-систем : монография / В. С. Лукьянов [и др] ; ВолгГТУ. - Волгоград : ВолгГТУ, 2012. - 214, [1] с.

5. citforum.ru: Форум для ИТ-специалистов. Информационная статья [Электронный ресурс] - Режим доступа. - url: http://citforum.ru, свободный.