Расчет полезной пропускной способности сети

3.1 Расчет полезной пропускной способности сети.

В настоящее время термин Ethernet используется для описания всех локальных сетей, использующих режим коллективного доступа к среде передачи данных с опознанием несущей и обнаружением коллизий. Этот метод используется в сетях, построенных по логической топологии с общей шиной. При такой топологии все компьютеры локальной сети имеют непосредственный доступ к физической среде передачи данных (общая шина), поэтому она может быть использована для обмена данными между двумя любыми узлами сети.

Одновременно (с учетом задержки распространения сигнала по физической среде) все компьютеры сети имеют возможность получать данные, которые любой из компьютеров начал передавать на общую шину. Кабель, к которому подключены все компьютеры, работает в режиме коллективного доступа. В конкретный момент времени передавать данные на общую шину может только один компьютер в сети. При этом все компьютеры сети обладают равными правами доступа к среде. Чтобы упорядочить доступ компьютеров к общей шине, используется метод коллективного доступа с опознанием несущей и обнаружением коллизий (CSMA/CD).

Метод состоит из двух частей:

 Первая часть - CSMA определяет, каким образом компьютер получает доступ к среде. Для того чтобы передать данные на общую шину, компьютер сначала слушает сеть, чтобы определить, не передаются ли в данный момент какие-либо данные. В стандарте Ethernet признаком свободной линии является «тишина», то есть отсутствие несущей. Если рабочая станция обнаруживает несущий сигнал, то для нее это является признаком занятости шины и передача данных откладывается, то есть станция переходит в режим ожидания.

В стандарте Fast Ethernet признаком свободного состояния среды является не отсутствие сигналов на шине, а передача по ней специального Idle-символа соответствующего избыточного кода.

Когда в сети наступает молчание, станция начинает передачу. Все данные, передаваемые по сети, формируются в кадрах определенной структуры. Каждый кадр снабжается уникальным адресом станции назначения и станции отправителя.

Кроме того, каждый кадр сопровождается 8-байтовой преамбулой - определенным сигналом, необходимым для синхронизации приемника и передатчика. Все станции, подключенные к общей шине, определяют факт передачи кадра, но только та станция, которая узнает свой адрес в заголовках кадра, записывает его содержимое в свой внутренний буфер, а затем посылает по кабелю кадр- ответ. Адрес станции- отправителя содержится в исходном кадре, поэтому станция-получатель знает, кому нужно послать ответ.

По окончании передачи кадра все узлы сети обязаны выдержать паузу, называемую межкадровым интервалом (Inter Packet Gap, IPG). Эта пауза необходима для обеспечения равных прав всем станциям на передачу данных, то естьто есть для предотвращения монопольного захвата одной станцией общей шины и для приведения сетевых адаптеров в исходное состояние. По окончании паузы станции сети определяют среду как свободную и могут начать передачу данных. Длительность межкадрового интервала для 10-мегабитного Ethernet составляет 9,6 мкс, а для 100-мегабитного Fast Ethernet - в 10 раз меньше, то есть 0,96 мкс. Межкадровый интервал в точности равен времени, необходимому для передачи 12 байт или 96 бит. Если определить в качестве единицы измерения временного интервала время, необходимое для передачи одного бита — битовый интервал (bt), то межкадровый интервал равен 96 bt. Такой способ определения временных интервалов не зависит от скорости передачи данных и часто используется в стандарте Ethernet.

При описанном способе коллективного доступа к среде передачи данных возможна ситуация, когда несколько станций одновременно решат, что шина является свободной, и начнут передавать по ней свои данные. Такая ситуация называется коллизией (collision). При этом содержимое кадров сталкивается на общей шине и происходит искажение информации. В принципе, коллизия- это нормальная и неизбежная ситуация в сетях Ethernet.

Коллизия возникает не только в том случае, когда две или больше станций начинают абсолютно одновременно передавать кадр на общую шину, что практически нереально, но и когда одна станция начинает передачу кадра, а до другой станции этот кадр еще не успел распространиться, и, решив, что шина свободна, другая станция также начинает передачу.

Коллизия- это следствие распределенного характера сети. Чем больше диаметр сети, то есть расстояние между двумя наиболее удаленными друг от друга станциями, тем больше вероятность возникновения коллизии в такой сети.

Вторая часть метода CSMA/CD – collision detect служит для разрешения конфликтных ситуаций, возникающих при коллизиях. Все узлы сети должны быть способны распознать возникающую коллизию. Четкое распознавание коллизий всеми станциями сети является необходимым условием корректной работы сети Ethernet. Если какая-либо передающая станция не распознает коллизию и решит, что кадр данных передан ею верно, то этот кадр данных будет утерян.

Из-за наложения сигналов при коллизии информация кадра исказится и он будет отбракован принимающей станцией (возможно, из- за несовпадения контрольной суммы).

Скорее всего, искаженная информация будет повторно передана каким- либо протоколом верхнего уровня, например транспортным или прикладным, работающим с установлением соединения.

Но повторная передача сообщения протоколами верхних уровней произойдет через значительно более длительный интервал времени по сравнению с микросекундными интервалами, которыми оперирует протокол Ethernet. Поэтому если коллизии не будут надежно распознаваться узлами сети Ethernet, то это приведет к заметному снижению полезной пропускной способности данной сети.

Для того чтобы иметь возможность распознать коллизию, каждая станция прослушивает сеть во время и после передачи пакета. Обнаружение коллизии основано на сравнении посылаемого станцией сигнала и регистрируемого сигнала. Если регистрируемый сигнал отличается от передаваемого, то станция определяет эту ситуацию как коллизию.

При обнаружении коллизии передающей станцией она прерывает процесс передачи кадра и посылает в сеть специальный 32-битный сигнал, называемый jam-последовательностью. Назначение этой последовательности -сообщить всем узлам сети о наличии коллизии.

После возникновения коллизии станция, ее обнаружившая, делает паузу, после которой предпринимает следующую попытку передать кадр. Пауза  после коллизии является случайной и выбирается по следующему правилу:

где

t- интервал отсрочки равный 512bt, что при скорости 100 Мбит/с составит 5.12 мкс.

L- целое случайное число, выбранное из диапазона []

N- номер повторной попытки передачи данного кадра.

После первой попытки пауза может либо отсутствовать, либо составлять один или два интервала отсрочки. После второй попытки пауза может либо отсутствовать, либо быть равной одному, двум, трем или четырем интервалам отсрочки. После 10-й попытки интервал, из которого выбирается пауза, не увеличивается. Таким образом, после десятой попытки передачи кадра случайная пауза может принимать значения от 0 до 1024 512 bt = 524 288 bt.

Для стандарта Fast Ethernet это соответствует временному диапазону от 0 до 5.24 мс.

Передатчик предпринимает всего 16 последовательных попыток передачи кадра. Если все попытки завершились неудачно, вызвав коллизию, то передатчик прекращает попытки передать данный кадр. Для надежного распознания коллизий необходимо, чтобы коллизия была обнаружена в процессе передачи кадра. В худшем варианте в конфликт могут вступить две наиболее удаленные друг от друга станции.

Пусть первая станция, решив, что шина свободна, начинает передачу кадра. До самой удаленной от нее станции этот кадр дойдет не мгновенно, а через некоторый промежуток времени t. Если в этот момент времени удаленная станция, также решив, что шина свободна, начинает передачу своего кадра, то возникает коллизия. Искаженная информация дойдет до первой станции также через время t. Поэтому коллизия будет обнаружена первой станцией через время 2t после начала передачи ею кадра. К моменту обнаружения коллизии станция не должна закончить передачу кадра.

Отсюда получается простое соотношение между временем, необходимым для передачи кадра минимальной длины и задержкой сигнала при распространении в сети:

где

t- время распространения сигнала по сети Ethernet.

Удвоенное время распространения сигнала называют временем двойного оборота (Path Delay Value, PDV). Время двойного оборота в сети определяется максимальной длиной сети, а также устройствами (концентраторами, повторителями), вносящими задержку в распространение сигнала. Минимальное время, необходимое для передачи кадра Ethernet, зависит от скорости передачи и длины кадра. Все параметры протокола Ethernet подобраны таким образом, чтобы при нормальной работе узлов сети коллизии всегда четко распознавались.

Так, для сетей Fast Ethernet, построенных на витой паре и концентраторе, максимальное расстояние между станцией и концентратором не должно превосходить 100м, а между любыми двумя станциями сети должно быть не более четырех концентраторов (правило четырех хабов).

Из описания метода коллективного доступа к общей шине и механизма реагирования на коллизии видно, что вероятность того, что станция может получить в свое распоряжение общую шину для передачи данных, зависит от загруженности сети, то есть от того, насколько часто возникает потребность у станций в передаче кадров. При значительной загруженности сети возрастает вероятность возникновения коллизий, и полезная пропускная способность сети Ethernet падает из-за повторных попыток передачи одних и тех же кадров. Следует отметить, что метод доступа CSMA/CD вообще не гарантирует станции, что она когда-либо сможет получить доступ к среде. Конечно, при небольшом сетевом трафике вероятность такого поворота событий невелика, но если сетевой трафик приближается к максимальной пропускной способности сети, подобное становится очень вероятным. Для характеристики загруженности сети вводят понятие коэффициента загруженности (использования) сети. Коэффициент загруженности сети определяется как отношение трафика, передаваемого по сети, к ее максимальной пропускной способности.

Для сетей Fast Ethenet максимальная пропускная способность равна 100Мбит/с (200 Мбит/с в полнодуплексном режиме), а трафик, передаваемый по сети, равен сумме интенсивностей трафиков, генерируемых каждым клиентом сети.

Говоря о максимальной пропускной способности сети, следует различать полезную и полную пропускную способность. Под полезной пропускной способностью понимается скорость передачи полезной информации, объем которой всегда несколько меньше полной передаваемой информации, так как каждый передаваемый кадр содержит служебную информацию, гарантирующую его правильную доставку адресату.

Отличие полезной пропускной способности от полной пропускной способности зависит от длины кадра.

Так как доля служебной информации всегда одна и та же, то, чем меньше общий размер кадра, тем выше «накладные расходы». Служебная информация в кадрах Ethernet составляет 18 байт (без преамбулы), а размер поля данных кадра меняется от 46 до 1500 байт.

Сам размер кадра меняется:

от 46 + 18 = 64 байт до 1500 + 18 = 1518 байт.

Поэтому для кадра минимальной длины полезная информация составляет всего лишь 46/64 = 0,72 от общей передаваемой информации, а для кадра максимальной длины 1500/1518 = 0,99 от общей информации.

Чтобы рассчитать полезную пропускную способность сети для кадров максимального и минимального размера, необходимо учесть различную частоту следования кадров. Естественно, что, чем меньше размер кадров, тем больше таких кадров будет проходить по сети за единицу времени, перенося с собой большее количество служебной информации.

Так, для передачи кадра минимального размера, который вместе с преамбулой имеет длину 72 байта, или 576 бит, потребуется время, равное 576 bt, а если учесть межкадровый интервал в 96 bt то получим, что период следования кадров составит 672 bt.

При скорости передачи в 100 Мбит/с это соответствует времени 6,72 мкс. Тогда частота следования кадров, то есть количество кадров, проходящих по сети за 1 секунду, составит 1/6,72 мкс = 148 809 кадр/с.

При передаче кадра максимального размера, который вместе с преамбулой имеет длину 1526 байт или 12208 бит, период следования составляет 12 208 bt + 96 bt = 12 304 bt, а частота кадров при скорости передачи 100 Мбит/с составит 1/123,04 мкс = 8127 кадр/с.

Зная частоту следования кадров и размер полезной информации, переносимой каждым кадром, нетрудно рассчитать полезную пропускную способность сети.

Для кадра минимальной длины полезная пропускная способность равна 46 байт/кадр 148 809 кадр/с = 54,76 Мбит/с, что составляет лишь немногим больше половины от общей максимальной пропускной способности сети.

Для кадра максимального размера полезная пропускная способность сети равна 1500 байт/кадр 8127 кадр/с = 97,52 Мбит/с.

Таким образом, в сети Fast Ethernet полезная пропускная способность может меняться в зависимости от размера передаваемых кадров от 54,76 до 97,52 Мбит/с, а частота следования кадров изменяется в диапазоне от 8127 до 148 809 кадр/с.

Похожие работы

Проектирование локальной вычислительной сети

Скачать

72461

12

14

... на основе TCP/IP, информация передается в виде дискретных блоков, называемых IP-пакетами (IP packets) или IP-дейтаграммами (IP datagrams). Благодаря программному обеспечению TCP/IP все компьютеры, подключенные к вычислительной сети, становятся "близкими родственниками". По существу оно скрывает маршрутизаторы и базовую архитектуру сетей и делает так, что все это выглядит как одна большая сеть. ...

Проектирование локальной вычислительной сети управления систем связи и телекоммуникаций

Скачать

32151

3

1

... у технологии Fast Ethernet существует обратная совместимость, которая позволяет использовать различные конфигурации Ethernet совместно в одной сети, в ряде случаев даже не изменяя существующую кабельную систему. 2.4   Логическое проектирование ЛВС Чтобы ЛВС управления систем связи и телекоммуникаций выполняла все задачи, целью которых стала создание сети, была выбрана топология «пассивная ...

Проектирование локальной вычислительной сети образовательного учреждения

Скачать

21652

5

6

... волоконно - оптический кабель для внешней прокладки бронир. 4 жил 50/125 многомод. ММ. Способ прокладки подземный. Рассчитаем длину кабеля: L = 95 + 100 + 24 = 219м Комплектация сервера образовательного учреждения. Kraftway Express Lite модель EL21 Конфигурация сервера Сервер построен на основе серверной архитектуры Intel с использованием серверного чипсета Intel 3000 с частотой ...

Проектирование локальной вычислительной сети с применением структурированной кабельной системы

Скачать

19596

4

1

... Switch’ей выбрано наиболее оптимальным способом, т.е. так, чтобы прокладка проектируемой ЛВС была дешевле.   2.3 Перечень и характеристики оборудования, связанного с прокладкой кабелей СКС, его размещением Структурированная кабельная система (Structured Cabling System, SCS) - это набор коммутационных элементов (кабелей, разъемов, коннекторов, кроссовых панелей и шкафов), а также методика их ...