Access — множественный доступ с контролем несущей). Длинноватое название для простейшей схемы CSMA. Когда у станции появляются данные для передачи, она сначала прослушивает канал, проверяя, свободен ли он. Когда канал простаивает, станция сразу отправляет данные. Если же он занят — она ждет освобождения линии, а затем передает фрейм. В случае коллизии станция ждет в течение случайного интервала времени, затем снова прослушивает канал, и если он свободен, повторяет передачу. Такой протокол называется CSMA с настойчивостью 1, поскольку станция передает фрейм с вероятностью 1, как только обнаружит, что канал свободен.

Может показаться, что в этой схеме отсутствуют коллизии (за исключением редких случаев одновременной отправки), но это не так. Допустим, две станции пришли в состояние готовности во время работы третьей. Обе они ждут, пока та не закончит отправку, после чего начинают передавать одновременно, и в результате происходит коллизия. Если бы станции не были столь нетерпеливы, коллизий было бы меньше.

Если копнуть чуть глубже, можно увидеть, что на число коллизий значительное влияние оказывает задержка распространения сигнала. Существует небольшая вероятность того, что как только одна станция начнет передачу, другая также придет в состояние готовности и опросит канал. Если сигнал от первой станции еще не успел достичь второй, она решит, что канал свободен, и также начнет передачу, в результате произойдет коллизия. Эта вероятность зависит от числа фреймов, помещающихся в канал, то есть от показателя «полоса пропускания, умноженная на задержку» (bandwidth-delay product) для данного канала. Если канал вмещает лишь небольшую часть фрейма, как бывает в большинстве LAN, где задержка распространения невелика, то и шанс коллизии мал. Чем больше время распространения сигнала, тем выше вероятность коллизий и ниже производительность протокола. Однако даже такая система значительно лучше чистой ALOHA, так как обе станции воздерживаются от передачи, пока передает третья станция, в результате чего ее фрейм остается неповрежденным. То же самое можно сказать о дискретной системе ALOHA.

Далее мы рассмотрим ненастойчивый протокол CSMA. В нем предпринята попытка сдержать стремление станций начинать передачу, как только канал освобождается. Как и в случае с предыдущим протоколом, прежде чем начать передачу, станция опрашивает канал. Если в данный момент никто ничего не передает, станция сразу же начинает передачу сама. Однако если канал занят, станция не ждет его освобождения, постоянно прослушивая его и пытаясь захватить сразу, как только он освободится, как в предыдущем протоколе. Вместо этого она ждет в течение случайного интервала времени, а затем снова прослушивает линию. В результате количество коллизий уменьшается и повышается эффективность использования канала. При этом увеличивается интервал ожидания по сравнению с протоколом CSMA с настойчивостью 1.

Третий протокол с контролем несущей — CSMA с настойчивостью p. Он применяется в дискретных каналах и работает следующим образом. Когда станция готова передавать, она опрашивает канал. Если канал свободен, она с вероятностью p начинает передачу. С вероятностью q = 1 – p она отказывается от передачи и ждет начала следующего слота. Этот процесс повторяется до тех пор, пока фрейм не будет передан или какая-либо другая станция не начнет передачу. В последнем случае станция ведет себя так же, как в случае коллизии. Она ждет в течение случайного интервала времени, после чего начинает все заново. Если при первом прослушивании канала выясняется, что он занят, станция ждет следующий слот, а затем применяет тот же алгоритм IEEE 802.1 с использованием более совершенного протокола CSMA с настойчивостью p, который мы обсудим далее в разделе 4.4.

На илл. 4.4 показана расчетная зависимость производительности канала от предлагаемого потока фреймов для всех трех протоколов, а также для чистой и дискретной систем ALOHA.

Илл. 4.4. Сравнение использования канала в зависимости от его загрузки для различных протоколов коллективного доступа

Протокол CSMA с обнаружением коллизий

Настойчивый и ненастойчивый протоколы CSMA, несомненно, более эффективны по сравнению с системой ALOHA, поскольку гарантируют, что ни одна станция не начнет передачу, если канал уже занят. Однако если две станции, обнаружив, что канал свободен, одновременно начали передачу, коллизия все равно произойдет. Еще одно улучшение — станции способны быстро распознать коллизию и немедленно прекратить передачу (а не доводить ее до конца), так как данные все равно искажены. Эта стратегия обеспечивает более экономное использование времени и пропускной способности канала.

Протокол CSMA с обнаружением коллизий (CSMA/CD) лежит в основе классических локальных сетей Ethernet и потому заслуживает подробного рассмотрения. Важно понимать, что распознавание коллизий представляет собой аналоговый процесс. Оборудование станции должно прослушивать канал во время передачи. Если считываемый сигнал отличается от пересылаемого, становится понятно, что произошла коллизия. Полученный сигнал не обязательно должен идеально совпадать с отправленным. Это затруднительно для беспроводных сетей, в которых принятый сигнал нередко в 1 000 000 раз слабее отправленного. Необходимо выбрать такую модуляцию, которая позволит распознавать коллизии (например, коллизию двух 0-вольтовых сигналов распознать практически невозможно).

В протоколе CSMA/CD, как и во многих других протоколах LAN, применяется концептуальная модель, показанная на илл. 4.5. В момент времени t0 одна из станций заканчивает передачу фрейма. Все остальные станции, готовые к передаче, теперь могут попытаться отправить свои фреймы. Если две или несколько станций одновременно начнут передачу, то произойдет коллизия. Обнаружив ее, станция прекращает передачу, ждет в течение случайного периода времени, после чего пытается снова, при условии, что к этому моменту не начала передачу другая станция. Таким образом, простая модель протокола CSMA/CD состоит из чередующихся периодов конкуренции и передачи, а также периодов простоя (когда все станции молчат).

Илл. 4.5. Протокол CSMA/CD может находиться в одном из трех состояний: передачи, конкуренции и простоя

Рассмотрим более подробно алгоритм борьбы за право использования канала. Предположим, две станции одновременно начали передачу в момент t0. Сколько понадобится времени на то, чтобы они поняли, что произошла коллизия? От ответа на этот вопрос зависит длина периода конкуренции, а следовательно, величина задержки и производительность канала.

Минимальное время обнаружения коллизии равно времени распространения сигнала от одной станции до другой. Исходя из этого, можно предположить, что станция, которая не фиксирует коллизию за время, требуемое для прохождения сигнала по всему кабелю, может быть уверена, что ей удалось захватить канал. «Захват» означает, что все остальные станции знают, что она осуществляет передачу, и не мешают ей. Однако такое заключение неверно.

Рассмотрим наихудший сценарий. Пусть время, необходимое для прохождения сигнала между двумя самыми дальними станциями, равно τ. В момент времени t0 одна из станций отправляет