IEEE 802.3 CSMA/CD

Standardul IEEE 802.3 defineste protocolul de acces al mediului MAC (media access control) prin tehnica CSMA/CD (carrier sense multiple access with collision detection) pentru topologii de tip BUS, precum si diverse medii de transmisie si rate de comunicatie in cadrul nivelului fizic.

Scopul standardului IEEE 802.3

Standardul IEEE 802.3 acopera atat subnivelul MAC cat si nivelul fizic. In figura 5.1 se prezinta mai in detaliu arhitectura standardului IEEE 802.3.

Dupa cum se observa in figura, acest standard se refera la patru elemente:

serviciile subnivelului MAC

protocolul MAC

subnivelul fizic independent de mediu

subnivelul fizic dependent de mediu

Specificatiile referitoare la serviciile subnivelului MAC definesc serviciile puse la dispozitie de catre IEEE 802.3 pentru subnivelul LLC (logical link control) sau pentru alte nivele superioare. Aceste specificatii includ facilitatile pentru emiterea si receptionarea blocurilor de date numite si PDU (protocol data units) precum si generarea informatiilor de stare necesare protocoalelor de control al erorilor din nivelele superioare. S-a presupus ca nivelul superior este LLC, dar acest lucru nu este neaparat necesar. Oricum, folosirea diverselor medii de transmisie trebuie sa fie transparenta pentru utilizator.

Protocolul MAC reprezinta nucleul standardului IE 323p1520d EE 802.3 care deseori este numit standardul CSMA/CD. Specificatiile definesc structura blocurilor precum si interactiunile dintre diversele entitati ale subnivelului MAC.

Nivelul fizic este divizat in doua parti. Subnivelul independent de mediu contine interfata intre MAC si nivelul fizic. Aceasta interfata include facilitati pentru transferul a doua fluxuri seriale de biti intre cele doua nivele si functii de timing necesare algoritmului de la nivelul MAC. In plus, standardul anticipeaza faptul ca in multe cazuri statiile de lucru vor fi localizate fizic la o mica distanta de mediul fizic de comunicatie al retelei locale. In aceasta configuratie se foloseste o unitate de cuplare la mediu MAU (medium attachment unit) ce reprezinta un element separat de statia de lucru. Majoritatea hardware-ului si tot software-ul sunt plasate pe statia de lucru. Legatura intre MAU si statie se realizeaza prin intermediul AUI (attachment unit interface). Aceasta interfata include mediul de transmisie intre statie si MAU si semnalele folosite la nivelul interfetei. Aceasta nu reprezinta o cerinta a standardului, dar in multe cazuri este folositoare.

Subnivelul dependent de mediu specifica interfata cu mediul fizic de comunicatie al LAN si semnalele schimbate cu acest mediu. Aceasta parte a standardului ofera diverse optiuni in functie de mediul de comunicatie folosit, tipul semnalului (analog sau digital), rata de transmisie.

Standardul IEEE 802.3 se bazeaza pe specificatiile ETHERNET si este destinat aplicarii in mediul comercial si in mediul industrial usor.

Protocolul MAC CSMA/CD

Tehnica MAC cea mai folosita in cazul topologiilor de tip BUS este CSMA/CD. Versiunea originala a acestei tehnici a fost dezvoltata de XEROX ca o parte a retelei sale locale Ethernet.

Precursori

Toate tehnicile ce vor fi prezentate in acest capitol pot fi numite cu acces aleator. Ele trebuie sa raspunda la intrebarea: "Cine este urmatorul?" astfel incat sa asigure partajarea mediului de transmisie. Tehnicile sunt cu acces aleator in sensul ca nu exista o planificare a alocarii mediului pentru fiecare statie. Momentele de transmisie ale statiilor sunt generate aleator.

Primele astfel de tehnici sunt cunoscute sub numele de ALOHA sau pure ALOHA. Atunci cand o statie are un bloc pregatit, acesta este emis pe linie. Apoi statia asculta pentru un interval de timp egal cu timpul maxim de propagare in retea (de doua ori mai mare decat timpul de propagare intre cele mai indepartate statii). In acest interval de timp statia trebuie sa primeasca un ACK, in caz contrar retransmitand blocul. O statie receptoare determina corectitudinea blocului primit cu ajutorul sumei de control. Daca blocul este valid statia intoarce imediat ACK. Blocul poate fi insa invalid datorita zgomotului liniei sau pentru ca o alta statie a incercat sa emita in acelasi timp. In acest din urma caz cele doua blocuri vor interfera, astfel incat nici unul dintre ele nu se poate transmite corect. Aceasta se numeste coliziune, iar statiile receptoare vor ignora blocul. ALOHA este o tehnica foarte simpla, dar mai putin eficienta. In cazul cresterii incarcarii liniei se mareste numarul coliziunilor, iar eficienta maxima de utilizare a canalului este de 18%.

Pentru a marii eficienta tehnica ALOHA a fost imbunatatita prin divizarea timpului de utilizare a liniei in intervale (slot) egale cu durata de transmisie a unui cadru (bloc). Pentru sincronizarea tuturor statiilor se foloseste un ceas central sau o alta metoda, iar transmisia este permisa numai la inceputul unui interval (slot). Astfel suprapunerile de blocuri vor fi totale. Aceasta metoda cunoscuta sub numele de slotted ALOHA creste eficienta la aprox 37%.

Atat pure ALOHA cat si slotted ALOHA permit o utilizare scazuta a capacitatii de transmisie a liniei. Nici una din metode nu exploateaza faptul ca durata de propagare pe linie intre doua statii este mult mai mica decat durata de transmisie a unui bloc. Daca se presupune real acest lucru atunci in cazul in care o statie incepe sa emita un bloc toate celelalte statii vor afla acest lucru aproape imediat. Astfel, chiar daca au un bloc pregatit, ele nu vor incepe emisia, lucru ce duce la scaderea numarului de coliziuni. Altfel spus, timpii mici de propagare asigura obtinerea rapida de informatii despre starea sistemului ceea ce duce la cresterea eficientei.

Urmatorul pas in dezvoltarea acestei tehnici il reprezinta CSMA (carrier sense multiple access) sau "asculta inainte de a vorbi" (LBT - Listen Before Talk). In cazul acestei metode, o statie ce doreste sa emita un bloc trebuie inainte sa asculte linia pentru a determina daca nu cumva in acel moment se transmite un bloc de catre o alta statie. Atunci cand linia este ocupata statia va renunta pentru un scurt interval de timp dupa care va incerca din nou. In cazul in care linia este libera statia poate incepe emisia blocului. Acum se poate intampla ca doua sau mai multe statii sa incerce sa emita aproape simultan. Daca acest lucru se intampla va avea loc o coliziune. Statia emitatoare va astepta sosirea unui ACK un interval de timp suficient de mare (avand in vedere timpii de propagare si faptul ca statia ce va intoarce ACK trebuie sa astepte un moment de linie libera). Daca nu este receptionat blocul ACK se presupune ca a avut loc o coliziune si se incearca retransmisia.

Se poate observa ca aceasta strategie este eficienta in cazul in care timpul de transmisie a unui bloc este mult mai mare decat timpii de propagare pe linie. Coliziunile pot sa apara numai daca mai multe statii incep emisia intr-un interval de timp foarte mic (mai mic decat timpul de propagare pe linie). Daca o statie incepe sa emita si nu are loc o coliziune in intervalul de timp necesar ca inceputul blocului sa ajunga la cea mai indepartata statie atunci cu siguranta pe timpul transmisiei restului blocului nu va mai avea loc nici o coliziune. Tehnica CSMA asigura o eficienta mult mai mare decat cele doua variante de ALOHA prezentate.

In cazul CSMA daca linia este ocupata se respecta un algoritm ce arata ce trebuie sa faca o statie. In acest algoritm o statie ce doreste sa emita un bloc asculta linia si respecta urmatoarele regului:

Daca linia este libera, incepe emisia; altfel se trece la pasul 2

Daca linia este ocupata, continua sa asculte pana cand se detecteaza linie libera; apoi transmite imediat

Daca este o coliziune (determinata prin lipsa ACK) se asteapta un interval de timp aleator dupa care se trece la pasul 1

Descrierea CSMA/CD

CSMA chiar daca este mai eficienta decat ALOHA sau slotted ALOHA are un punct slab: cand are loc o coliziune intre doua blocuri linia ramane inutilizabila pana cand sunt emise complet blocurile corupte. In cazul unor blocuri lungi eficienta scade considerabil. Aceasta pierdere poate fi redusa daca o statie care emite continua sa asculte linia pe timpul emisiei. Algoritmul in acest caz ar fi urmatorul:

Daca linia este libera, se emite (dupa un scurt interval de timp interblocuri); altfel se trece la pasul 2

Daca linia este ocupata, continua sa asculte pana cand este detectata linie libera; apoi emite imediat

Daca este detectata o coliziune in timpul emisiei, se transmite un anumit bloc (jam) pentru ca toate statiile sa stie ca a avut loc o coliziune

Dupa transmiterea blocului jam se asteapta un interval de timp aleator dupa care se trece la pasul 1

Tehnica descrisa ridica cateva probleme de timing toate depinzand de un singur parametru numit slot time. Acest parametru descrie patru aspecte importante ale tratarii coliziunii:

Exista o limita superioara a intervalului de timp necesar pentru detectarea coliziunii

Exista o limita superioara a timpului de achizitie de la linie (timpul dupa care transmisia nu va mai suferii o coliziune)

Exista o limita superioara a lungimii unui fragment de bloc generat de o coliziune

Exista o regula de incercare a retransmisiei

Pentru a satisface aceste cerinte slot time este definit ca fiind mai mare decat suma dintre timpul total de propagare (de doua ori timpul de propagare intre cele mai indepartate statii) si durata blocului jam la nivelul MAC. Acest timp depinde de nivelul fizic.

Pentru a intelege notiunea de slot time sa analizam prima cerinta, adica timpul necesar pentru detectarea unei coliziuni.

In continuare se vor analiza cazurile corespunzand modurilor de comunicatie baseband si broadband, presupunand ca statiile se afla la o distanta cat mai mare una de cealalta.

In primul caz (baseband) intervalul de timp necesar detectarii coliziunii este de doua ori mai mare decat timpul de propagare.

In a doua situatie cazul cel mai defavorabil este cand statiile se afla foarte apropiate, timpul necesar detectarii coliziunii fiind de aceasta data de patru ori mai mare decat timpul de propagare.

In ambele cazuri s-a presupus ca lungimea blocurilor este suficient de mare astfel incat sa permita detectarea coliziunii inainte de terminarea transmisiei. Acest lucru se impune in majoritatea sistemelor ce folosesc CSMA/CD inclusiv in standardul IEEE 802.3. In caz contrar, performantele sistemului scad la nivelul protocolului CSMA in care coliziunile nu sunt detectate.De aceea slot time este folosit pentru determinarea lungimii minime a blocurilor MAC.

In cazul detectarii unei coliziuni se pune problema modului in care se va face retransmisia. Presupunand ca a aparut o coliziune, daca cele doua statii implicate incearca retransmisia dupa un interval de timp prestabilit se va produce o noua coliziune. Pentru a preveni o astfel de situatie, statiile isi vor inceta activitatea un interval de timp de lungime aleatoare. Asa cum se poate observa, aparitia coliziunilor genereaza trafic aditional. In cazul in care linia devine incarcata este foarte important sa nu supraincarcam linia cu retransmisii ce ar conduce la noi coliziuni, ce ar conduce la noi retransmisii s.a.m.d. Astfel, atunci cand o statie genereaza mai multe coliziuni, ea se dezactiveaza pentru o perioada de timp mai mare compensand supraincarcarea retelei.

Regula, cunoscuta sub numele de TBEB (Truncated Binary Exponential Backoff), este urmatoarea: timpul de dezactivare este egal cu un numar intreg de slot time; timpul de dezactivare ce precede a n-a incercare de retransmisie este ales ca un intreg aleator r in intervalul 0 < r < 2^k unde k=min(n,10). Dupa un numar de incercari predefinite subnivelul MAC presupune ca exista unele probleme, renunta si raporteaza esecul catre subnivelul LLC.

Aceasta metoda se poate reprezenta formal astfel:

while incercari < backOffLimit

k:= Min(incercari,10)

r:= Random(0,2^k)

delay:= r x slotTime

Algoritmul TBEB aproximeaza algoritmul ideal in care probabilitatea de transmisie a unui pachet este 1/Q, unde Q reprezinta numarul de statii ce incearca sa transmita.

Dezavantajul algoritmului backoff il reprezinta efectul de last-in first-out pe care il genereaza. Cu alte cuvinte, o statie care nu are coliziuni sau are coliziuni putine are sanse mai mari de transmisie decat o statie cu timpi mai mari de dezactivare.

Blocul MAC

Formatul blocului generat de IEEE 802.3 este urmatorul:

Preambul: Pattern cu lungimea de 7 octeti folosit de receptor pentru a realiza sincronismul la nivel de bit. Pattern-ul este format dintr-o secventa alternanta de 1 si 0, ultimul bit fiind 0. Aceasta structura a pattern-ului este impusa de tehnica de codificare folosita (Manchester).

Delimitator de inceput de bloc (Start frame delimiter-SFD): Este secventa 10101011. Acesta indica inceputul blocului si permite receptorului sa localizeze primul bit al blocului.

Adresa destinatiei (Destination address - DA): Specifica statia careia îii este destinat blocul. Poate fi o adresa fizica unica (o singura statie), o adresa de grup de statii, sau o adresa globala (pentru toate statiile din reteaua locala). Lungimea adresei (intre 16 si 48 biti) reprezinta o decizie ce se ia la implementare si trebuie sa fie aceeasi pentru toate statiile dintr-o retea locala.

Adresa sursei (Source address - SA): Specifica statia ce emite blocul. Lungimea SA trebuie sa fie egala cu lungimea DA.

Lungime (Lenght): Specifica numarul octetilor LLC care urmeaza.

Date LLC (LLC data): Unitate de date furnizata de LLC.

Zona de completare (Pad): Octeti adaugati pentru ca blocul sa fie suficient de lung in vederea detectarii coliziunii. Blocul trebuie sa aiba o lungime care sa necesite un slot time.

Secventa de control a blocului (Frame check sequence-FCS): Secventa de 32 de biti pentru controlul erorilor bazata pe toate campurile cu exceptia preambulului (SFD) si a FCS.

Primul bit este intotdeauna 0 in campul de adresa a sursei. In campul de adresa a destinatiei acest bit este fortat in 0 pentru a indica o adresa individuala sau in 1 pentru o adresa de grup. O adresa de grup cu toti bitii 1 desemneaza toate statiile active din reteaua locala. Toate celelalte adrese de grup desemneaza un grup logic definit la configurare sau printr-o conventie folosita la un nivel superior.

In cazul campului de adresa de 48 de biti, al doilea bit atat pentru sursa cat si pentru destinatie indica atunci cand este 0 faptul ca adresa este administrata global, iar cand este 1 ca adresa este administrata local. O adresa administrata global se foloseste pentru a asigna o adresa unica fiecarei statii din cadrul mai multor retele locale.

Asa cum s-a mentionat, se impune o lungime minima a blocului pentru a putea functiona corect mecanismul de detectare a coliziunii. In plus, este de asemenea specificata o lungime maxima a blocurilor din urmatoarele doua motive:

limitarea buffer-ului necesar statiilor emitatoare si receptoare

prevenirea situatiei in care o statie ar ocupa linia pentru o lunga perioada de timp.

Lungimea maxima a blocului (ca si cea minima) depinde de caracteristicile nivelului fizic.

Modelul functional si specificatii

IEEE 802.3 ofera o descriere narativa a algoritmului CSMA/CD. Deoarece standardul intentioneaza sa prezinte in detaliu un ghid de implementare, contine de asemenea o descriere formala. Aceasta include un model functional si o implementare in Pascal a algoritmului.

Modelul functional la nivel de schema bloc este prezentat in figura 5.2.

IEEE 802.3 Functiile MAC

Pentru emisie bloc

Accepta date de la subnivelul LLC si construieste un bloc

Furnizeaza nivelului fizic un flux de date serial in vederea emisiei prin mediul de comunicatie

Observatie. Se presupune ca datele primite de la subnivelul LLC sunt formate dintr-un numar intreg de octeti

Pentru receptie bloc

Receptioneaza de la nivelul fizic un flux de date serial

Furnizeza subnivelului LLC blocuri ce sunt adresate fie direct statiei locale fie tuturor statiilor din retea

Ignora (sau transfera administratorului de retea) blocurile ce nu sunt adresate statiei receptoare

Suspenda emisia fluxului serial atunci cand mediul fizic este ocupat

Ataseaza blocurilor destinate emisiei valoarea corespunzatoare a FCS si verifica alinierea octetilor

Verifica blocurile receptionate (FCS) in vederea detectarii erorilor de transmisie si controleaza alinierea octetilor

Intirzie emisia unui bloc cu un interval de timp interbloc specificat

Opreste emisia in momentul detectarii unei coliziuni

Programeaza retransmisia dupa detectarea coliziunii pana cand este atinsa o limita a incercarilor specificata

Forteaza coliziunea pentru a asigura propagarea in toata reteaua prin emiterea mesajului de bruiaj jam

Ignora blocurile receptionate ce au o lungime mai mica decat lungimea minima specificata

Ataseaza preambulul, delimitatorul de inceput de bloc, adresa destinatiei, adresa sursei, lungimea blocului si FCS tuturor blocurilor ce urmeaza a fi emise si insereaza zona de completare (PAD) acelor blocuri a caror lungime LLC este mai mica decat o valoare minima

Inlatura preambulul, delimitatorul de inceput de bloc, adresa destinatiei, adresa sursei, lungimea blocului, FCS si eventual zona de completare din toate blocurile receptionate

Serviciile MAC

Serviciile furnizate de MAC permit entitatilor LLC locale sa schimbe unitati de date cu entitatile LLC pereche. Primitivele si parametrii definiti de IEEE 802.3 pentru subnivelul MAC sunt urmatoarele:

MAIUNITDATA.request (adresa destinatie, m-sdu, clasa servicii)

MAIUNITDATA.indication ( adresa destinatie, adresa sursa, m-sdu, stare receptie)

MAIUNITDATAISTATUS.indication (stare transmisie)

In figura 5.4 sunt prezentate interactiunile la subnivelul MAC IEEE 802.3.

Specificatiile IEEE 802.3 referitoare la serviciile subnivelului MAC difera foarte putin de ceea ce se asteapta la subnivelul LLC. Aceste deosebiri minore vor fi probabil rezolvate in viitoarele versiuni ale standardului.

Primitiva MAIUNITDATAISTATUS.indication indica succesul sau esecul primitivei anterioare MAIDATA.request. Parametrul nu poate lua decat doua valori:

transmitOK: blocul a fost transmis fara a se detecta o coliziune

excesiveCollisionError: incercarile de retransmisie au fost abandonate deoarece s-a atins numarul maxim permis de incercari

Atunci cand este receptionat un bloc avand o adresa corespunzatoare entitatea MAC va primi o primitiva MAIUNITDATA.indication. Parametrul stare receptie poate lua una din urmatoarele valori:

receiveOK: data receptionata este transferata in parametrul m-sdu

lenghtError: valoarea din campul lungime bloc nu coincide cu lungimea blocului receptionat

frameCheckError: bitii blocului receptionat nu genereaza o suma de control CRC identica cu cea din campul FCS

alignmentError: blocul receptionat este eronat (FCS invalid) si in plus lungimea blocului nu este un numar intreg de octeti

Specificatiile standardului referitoare la nivelul fizic

Specificatiile referitoare la nivelul fizic pot fi divizate in urmatoarele grupe:

specificatii referitoare la serviciile subnivelului PLS

specificatii cu privire la subnivelul PLS si AUI

specificatii referitoare la MAU si la mediul fizic de comunicatie

specificatii despre PLS, MAU si mediu de tip baseband in cazul sistemelor lucrand cu o rata de comunicatie de 1 Mbps

unitate repetoare (repeater unit)

Pentru a deosebi modurile de implementare in functie de mediile de transmisie folosite se foloseste urmatoarea notatie:

<rata de comunicatie in Mbps><tip mediu><lungime max. a unui segment (x100m)>

Implementarile folosite sunt urmatoarele:

10BASE5

10BASE2

10BASET

10BROAD36

In cazul utilizarii unei topologii de tip stea cu fire impletite (twisted pair) notatia folosita este 10BASET.

Seviciile subnivelului PLS

Serviciile generate de nivelul fizic sunt definite prin urmatoarele primitive si parametri:

PLSIDATA.request (OUTPUTIUNIT

PLSIDATA.confirm (OUTPUTISTATUS

PLSIDATA.indication (INPUTIUNIT

PLSICARRIER.indication (CARRIERISTATUS

PLSISIGNAL.indication (SIGNALISTATUS

Primitivele PLSIDATA permit transferul datelor de la o entitate MAC catre o alta entitate MAC din cadrul aceleiasi retele locale. Datele emise de o entitate MAC folosind primitiva PLSIDATA.request sunt receptionate de catre toate entitatile MAC ce primesc PLSIDATA.indication. Parametrul OUTPUTIUNIT poate lua una din urmatoarele trei valori: ONE, ZERO sau DATAICOMPLETE. Astfel se permite entitatii MAC sa ceara transmisia unui bit de date si sa semnalizeze ca MAC nu mai are date de transmis. Nivelul fizic codifica si transmite fiecare bit de date. La transferul fiecarui bit de date de la MAC catre nivelul fizic se genereaza primitiva PLSIDATA.confirm. Parametrul OUTPUTISTATUS poate lua doua valori:

OUTPUTINEXT care indica faptul ca nivelul fizic este pregatit pentru un nou bit

OUTPUTIABORT care indica faptul ca mediul de comunicatie nu este disponibil

Fiecare statie activa cuplata la mediul de comunicatie receptioneaza bitii transmisi. La fiecare bit receptionat nivelul fizic genereaza primitiva PLSIDATA.indication cu parametrul INPUTIUNIT avand valoarea ONE sau ZERO.

Ultimele doua primitive genereaza informatiile necesare entitatii MAC locale pentru a realiza functiile de acces la mediu. PLSICARRIER.indication transfera starea activitatii in mediul fizic. Parametrul CARRIERISTATUS poate lua valorile:

CARRIERIOFF indica faptul ca mediul este liber

CARRIERION indica faptul ca mediul nu este liber ci se receptioneaza un semnal

Aceasta primitiva este emisa ori de cate ori se modifica starea mediului.

Parametrul SIGNALISTATUS al primitivei PLSISIGNAL.indication poate lua valorile:

SIGNALIERROR atunci cand este detectata o coliziune sau un semnal necorespunzator

NO-SIGNALIERROR atunci cand nu exista erori

Serviciile prezentate constituie o descriere abstracta si nu implica o anumita implementare, ci arata faptul ca subnivelul MAC este independent de mediul fizic.

PLS (Physical Signaling) si AUI (Attachment Unit Interface)

Standardul IEEE 802.3 anticipeaza faptul ca uneori poate fi necesar ca statiile sa fie plasate in spatiu la o anumita distanta de punctul de cuplare la mediu (linie). Configuratia tipica presupune existenta unui echipament specializat, ce contine putine componente electronice, chiar in locul de cuplare la mediu. Acest echipament in standardul IEEE 802.3 constituie unitatea de cuplare la interfata (AUI), iar in specificatiile Ethernet este numit TRANSCEIVER (echipament de emisie-receptie). Cea mai mare parte a circuitelor electronice care realizeaza functiile nivelului fizic este localizata pe statia de lucru.

Existenta AUI ca interfata intre statia de lucru si unitatea de cuplare la mediu (MAU) duce la obtinerea anumitor avantaje:

reteaua locala poate fi instalata astfel incat segmentul Ethernet sa aiba o lungime minima fara a tine seama de eventuale amplasari specifice, ale altor echipamente, ce se vor face ulterior.

unitatea de cuplare la mediu realizeaza numai acele functii ce trebuie executate la nivelul mediului fizic. Este de dorit minimizarea complexitatii MAU deoarece in multe cazuri aceasta este situata in locuri inaccesibile, intretinerea si repararea sa fiind dificile si scumpe.

AUI poate fi standardizata astfel incat implementarea pe o anumita statie de lucru este independenta de mediul fizic.

Specificatiile standardului presupun ca unitatea de cuplare la mediu MAU realizeaza urmatoarele functii:

emite semnale prin mediul fizic

receptioneaza semnale prin mediul fizic

detecteaza prezenta unui semnal prin mediul fizic

detecteaza coliziunea

Fizic AUI este formata din patru sau cinci perechi de fire impletite:

Data Out: folosit pentru transmiterea datelor de la statie catre MAU

Data In: folosit pentru transmiterea datelor de la MAU catre statie

Control In: folosit pentru transmiterea semnalelor de control de la MAU catre statie

Control Out (optional): folosit pentru transmiterea semnalelor de control de la statie catre MAU

Voltage: folosit pentru alimentarea MAU de la statie

Toate perechile de fire sunt continute intr-un cablu ecranat si fiecare pereche este la randul ei ecranata. Pentru un astfel de cablu se accepta o lungime de pana la 50 m. Rata de comunicatie folosita la nivelul AUI este aceeasi cu cea folosita prin mediul fizic. De aceea nu este nevoie ca MAU sa realizeze functia de memorare temporara (buffer-are).

Linia Control In este folosita pentru transmiterea unuia din urmatoarele trei mesaje:

MAU este disponibil: MAU este pregatit sa emita date. Acest lucru este reprezentat prin linie libera (IDL)

MAU nu este disponibil (optional): MAU nu este pregatit sa emita date. Aceasta stare este reprezentata printr-o unda patratica periodica cu o frecventa egala cu jumatate din rata bitilor (CS1)

eroare calitate semnal: Acest mesaj reprezinta un raspuns la una din cele trei conditii ce vor fi descrise in continuare. Este reprezentat printr-o unda patratica periodica cu o frecventa egala cu rata bitilor (CS0).

Mesajul de eroare a calitatii semnalului este transmis atunci cand MAU detecteaza:

un semnal necorespunzator (datorita proastei functionari a unei MAU undeva in retea sau datorita mediului fizic)

o coliziune

la terminarea emisiei pentru a verifica daca circuitul de detectare a coliziunii functioneaza corect

Linia Control Out este folosita pentru transmiterea unuia din urmatoarele trei semnale:

normal: indica unitatii de cuplare al mediu MAU sa intre sau sa ramana in modul normal (adica pregatit pentru emisie si receptie). Se codifica ca IDL.

cerere acces la MAU: solicita ca MAU sa devina disponibila deoarece statia doreste sa emita date. Se codifica ca CS1.

izolare: indica MAU sa intre sau sa ramana in modul urmarire, mod ce permite statiei sa execute functii de administrare locala. Se codifica ca CS0.

Observatie: Cele doua linii de date plus cele doua linii de control sunt suficiente pentru realizarea serviciilor definite la nivelul fizic.

Specificatiile mediului 10BASE5

Mediul fizic foloseste un cablu coaxial de 50 W. Acesta este tipul de cablu folosit de obicei in cazul modului de transmisie baseband. 50 W reprezinta impedanta caracteristica a cablului, iar uneori acest parametru este referit ca rezistenta complexa a cablului. Atunci cand cablul coaxial are la capete rezistente egale cu impedanta caracteristica a cablului semnalele ajunse la capetele cablului nu vor mai fi reflectate. Cablul de 50 W fata de cel de 75 W asigura mai putine reflexii si o imunitate mai buna impotriva zgomotelor electromagnetice de joasa frecventa.

Atunci cand un semnal se propaga printr-un mediu de comunicatie, calitatea sa este alterata datorita atenuarii, zgomotelor si altor factori. De aceea, fiecare tip de mediu de comunicatie se caracterizeaza printr-o serie de parametri limita acceptati. In tabelul urmator se prezinta variantele specificate de implementari ale IEEE 802.3.

Lungimea unei retele poate fi extinsa prin folosirea repetoarelor (repeaters). Un repetor este format din doua MAU conectate la doua segmente de cablu coaxial diferite. Repetorul transfera (amplificand si regenerand) semnale numerice in ambele directii intre cele doua segmente. Este transparent pentru restul sistemului si nu realizeaza functii de memorare sau izolare. Din acest motiv daca, de exemplu, doua statii din segmente diferite incearca sa emita simultan se va produce o coliziune. Pentru a preintampina interferente datorate buclelor sau cailor multiple intre doua statii, nu se permite decat o singura cale de segmente si repetoare intre oricare doua statii de lucru. Standardul permite maxim patru repetoare intre doua statii de lucru crescand astfel lungimea cablului la maxim 2.5 km. In figura 5.5 se prezinta un exemplu de retea cu trei segmente si doua repetoare.

Intr-un sistem baseband, o coliziune va produce o oscilatie cu amplitudine mai mare decat aceea produsa de un singur emitator. Standardul specifica ca o unitate de cuplare la mediu (MAU) va detecta coliziunea atunci cand semnalul pe cablu va fi mai mare decat valoarea maxima a semnalului pe care il poate el genera. Pentru o MAU care nu emite, coliziunea va fi detectata atunci cand puterea semnalului pe cablu este mai mare sau egala cu puterea semnalului ce poate fi generat de doua MAU. Deoarece blocurile strabat prin intermediul repetoarelor segmente diferite trebuie conservate si conditiile de detectare a coliziunilor. De aceea atunci cand un repetor detecteaza o coliziune pe unul din segmente, el trebuie sa emita un bloc jam prin celalalt segment.

Specificatiile mediului 10BASE2

Prima completare la standardul IEEE 802.3 a reprezentat-o varianta 10BASE2 (Cheapernet) si a fost facuta cu scopul scaderii pretului de cost. Aceasta foloseste (ca si 10BASE5) un cablu coaxial de 50 W si o rata de transmisie de 10 Mbps.

In figura 5.6 se prezinta o comparatie intre 10BASE2 si 10BASE5.

O prima diferenta intre cele doua variante o reprezinta folosirea unui cablu mai subtire in cazul 10BASE2. Acest cablu prezinta avantajul unei mai mari flexibilitati si deci al unei instalari mai usoare, dar are dezavantajul unei atenuari mai mari si al unei rezistente la zgomot mai scazuta.

Reducerea pretului de cost este determinata de:

cablul subtire este mai ieftin si usor de instalat

MAU extern este mai scump decat in varianta interna (incorporat pe placa de retea).

Specificatiile 10BASE2 folosesc aceeasi metoda de detectare a coliziunii ca si 10BASE5. De asemenea este permisa folosirea repetoarelor (maxim patru intre oricare doua statii de lucru) in vederea extinderii lungimii retelei.

Deoarece ambele variante folosesc aceeasi rata de comunicatie poate fi cuplat un segment 10BASE2 cu un segment 10BASE5 prin intermediul unui repetor adecvat. Singura restrictie impusa este ca un segment 10BASE2 sa nu fie folosit pentru a uni doua segmente 10BASE5.

Specificatiile mediului 10BROAD36

Varianta 10BROAD36 foloseste aceeasi AUI ca si 10BASE5, lucru ce confera doua avantaje:

este relativ simpla trecerea unui utilizator de la sistemul 10BASE5 la o retea de tip broadband (se inlocuieste numai MAU si cablul);

sistemele broadband pot folosi toate produsele deja dezvoltate pe baza standardului 10BASE5.

Mediul fizic folosit in 10BROAD36 este cablul coaxial CATV de 75 W. Lungimea maxima a unui segment individual este 1800 m (ceea ce inseamna de fapt o lungime a cablului de 3600m). Pentru a pastra compatibilitatea AUI cu 10BASE5 se foloseste o rata de comunicatie de 10 Mbps.

Unitatea de cuplare la mediu MAU realizeaza ca si in varianta 10BASE5 urmatoarele functii:

emite semnale prin cablu

receptioneaza semnale prin cablu

detecteaza prezenta unui semnal pe cablu

detecteaza coliziunea

Emisia si receptia semnalelor se face in mai multi pasi, asa cum se prezinta in figura 5.7. Statia emite date catre MAU prin intermediul AUI folosind semnale numerice codificate Manchester. Semnalul receptionat este convertit de MAU intr-un semnal simplu NRZ dupa care datele sunt trecute printr-un circuit de amestec. Acesta confera datelor o natura pseudoaleatoare ce ajuta receptorul sa extraga informatia de ceas. Procesul de amestec nu afecteaza intregul bloc. Blocul incepe cu un preambul avand o lungime de 56 biti, format dintr-un sir alternant de 0 si 1 fiind folosit pentru realizarea sincronizarii la inceputul blocului. Acest preambul nu va fi in intregime afectat de circuitul de amestec.

Regulile respectate la codificarea blocului sunt urmatoarele:

maxim 5 biti ai fluxului de date sosit de la AUI pot fi ignorati (folositi la detectie si decodificare Manchester)

incepand cu un zero, urmatorii 20 de biti din sirul alternant vor fi emisi fara a trece prin circuitul de amestec, permitand sincronizarea receptorului

urmatorii doi biti (zero-unu) din fluxul primit sunt fortati in zero. Acesta este delimitatorul (UMD - unscrambled mode delimiter) ce indica inceputul zonei de amestec din blocul de date.

urmatorii biti din preambul, delimitatorul de inceput de bloc si celelalte campuri ale blocului sunt trecute prin circuitul de amestec

la sfarsitul blocului se adauga un camp format dintr-un zero urmat de 22 de biti unu.

In final datele astfel obtinute, care sunt inca in forma numerica, vor modula o purtatoare analogica prin metoda DPSK (differential phase-shift keying). Metoda DPSK consta in modificarea fazei atunci cand bitul ce se transmite este "0" si pastrarea aceleiasi valori a fazei atunci cand bitul transmis este "1". Avantajul acestei metode diferentiale fata de metoda PSK este ca receptorul poate detecta mai usor modificarea valorii fazei semnalului decat valoarea efectiva a fazei.

Functia de detectare a coliziunii in cazul variantei 10BROAD36 difera foarte mult fata de sistemele baseband. Avantajul configuratiilor broadband este acela ca exista o mica intarziere intre momentul in care o statie incepe sa emita si momentul in care isi receptioneaza propriul semnal. In procesul de detectare a coliziunii pot fi folosite trei evenimente diferite ce pot fi identificate de MAU:

O unitate de cuplare la mediu (MAU) care emite incearca sa detecteze delimitatorul UMD in semnalul receptionat. Daca UMD nu este detectat intr-un interval de timp prestabilit se presupune ca a avut loc o coliziune.

Dupa detectarea UMD, MAU compara fiecare bit emis cu fiecare bit receptionat pana la ultimul bit al adresei sursa. In cazul in care doi biti nu coincid inseamna ca s-a produs o coliziune.

Atunci cand MAU incepe sa receptioneze date de la AUI simultan cu receptia unui semnal pe cablu se produce o coliziune.

Cel putin una din unitatile MAU participante la generarea coliziunii va detecta unul din cele trei evenimente descrise mai sus. Statia ce identifica prima coliziunea va genera un semnal de amplitudine constanta si radio-frecventa cunoscut sub numele de semnal de fortare a coliziunii. Fortarea coliziunii este necesara deoarece semnalele intr-un sistem broadband pot fi receptionate la diferite nivele de putere.

Specificatiile mediului 10BASET

Varianta 10BASET a fost elaborata in vederea realizarii unor retele locale de calculatoare personale la un pret de cost scazut. Scaderea costurilor se face insa cu pretul scaderii performantelor. Acestea sunt sisteme baseband, folosesc codificarea Manchester, o rata de transfer de 1 Mbps si ca mediu fizic firele impletite neecranate.

Varianta 10BASET se bazeaza pe o topologie de tip stea ca in figura 5.8.

In centrul configuratiei se afla un echipament specific numit HUB, la care sunt conectate toate statiile prin perechi de fire torsadate (UTP - Unshielded Twisted Pair).

HUB-ul realizeaza doua functii importante:

regenerarea semnalelor

detectarea coliziunilor.

Atunci cand o singura statie emite, HUB-ul retransmite semnalul (compensand toate distorsiunile de amplitudine si faza) catre toate celelalte statii. Daca mai multe statii incearca sa emita simultan, HUB-ul va detecta coliziunea si va emite catre toate statiile un semnal prezenta coliziune.

Chiar daca structura prezentata are topologie stea, ea se comporta din punct de vedere logic ca o topologie bus: datele emise de o statie sunt receptate de toate celelalte statii, iar atunci cand doua statii incearca sa emita simultan se va produce o coliziune. Deci algoritmul MAC IEEE 802.3 (CSMA/CD) va functiona corect.

Distanta maxima intre o statie si HUB este 100 m. Astfel distanta intre doua statii cuplate la acelasi HUB nu poate fi mai mare de 200 m. Numarul minim sau maxim de statii ce se conecteaza la un HUB nu este specificat de standard, constituind un detaliu de implementare.

Detectarea coliziunii in HUB poate fi realizata printr-o logica numerica simpla (toate semnalele convergand catre acelasi punct). Semnalul prezenta coliziune este o secventa repetitiva de: 1 bit zero, 1/2 bit unu, 1 bit zero, 1 bit unu, 1/2 bit zero si 1 bit unu.

Pentru extinderea configuratiei pot fi folosite maxim cinci nivele de HUB-uri. Distanta maxima intre doua HUB-uri adiacente este de 250 m. Astfel, deschiderea maxima a unei retele poate ajunge la 2500 m.

In figura 5.10 se prezinta o structura cu trei HUB-uri in care doua statii (A si B) incearca sa emita simultan.

ETHERNET

Principalele diferente intre IEEE 802.3 si Ethernet sunt urmatoarele:

formatul blocurilor.

serviciile de control al legaturii. Ethernet combina functiile de control al legaturii si MAC intr-un singur protocol.