Nguyên lý hoạt động của CSMA/CD Phương pháp phát hiện xung đột

Phần I Nguyên lý hoạt động của CSMA/CD Phương pháp phát hiện xung đột Trong thời đại công nghệ thông tin hiện nay, việc chia sẻ thông tin giữa các máy tính và các thiết bị là rất cần thiết và không thể thiếu. Mạng máy tính ra đời đã giúp việc này trở nên dễ dàng hơn. Nhưng cần có một qui tắc chung giữa tất cả các trạm ( máy tính và các thiết bị khác ) nối vào mạng để đảm bảo rằng đường truyền được truy cập và sử dụng một cách tốt đẹp. Có nhiều cách để truy cập đường truyền : truy nhập ngẫu nhiên (random access) và truy nhập có điều khiển (controlled access). Giao thức đơn giản nhất được biết đến là ALOHA (đây là tiếng chào của người Ha-oai). Giao thức ALOHA cho phép mọi máy trạm có thể ttuy nhập bus vào bất kì thời điểm nào, không chú ý đến việc các trạm khác có sử dụng đường truyền hay không, nhưng nó gắn thêm một đoạn mã kiểm tra tổng (checksum) vào cuối đoạn thông tin để máy trạm nhận thông tin có thể biết được là nó nhận đúng thông tin hay sai. Như vậy ALOHA là một giao thức không đảm bảo là khung dữ liệu được truyền đi có gặp xung đột hay không. Nó nhờ cậy vào hệ thống ARQ để phát hiện xung đột và gửi lại các khung bị lỗi. Giao thức ALOHA chỉ hoạt động tốt trong mạng có hệ số sử dụng đường truyền thấp và do đó nguy cơ gặp xung đột thấp. Người ta đã cải tiến giao thức ALOHA thành giao thức ALOHA phân khe (slotted ALOHA). Khi này quá trình phát dữ liệu chỉ xảy ra khi máy trạm gặp khe thời gian đã đồng bộ ( synchronized slotted times ). Như vậy khả năng xảy ra xung đột chỉ có trong một khe, giảm hơn so với giao thức ALOHA. Thông lượng hiệu quả (throughput efficiency) tăng một cách đáng kể ( xem hình dưới). Trong các mạng cục bộ hiện nay một trong những phương pháp hay được sử dụng là phương pháp CSMA/CD (Carrier Sense Multi Access with Collision Detection) – Phương pháp truy nhập sử dụng sóng mang có phát hiện xung đột). Đây là giao thức cải tiến từ ALOHA. Ta có thể hiểu một cách đơn giản CSMA/CD như sau: CS – Carrier Sense (Có ai đang nói chuyện không?) MA – Multi Access (Tôi cũng có thể nghe những gì anh nghe thấy) CD – Collision Detection (Chúng ta đang cùng nói à?) Tư tưởng của nó là : khi một máy trạm cần truyền dữ liệu trước hết phải “nghe” xem đường truyền bận hay rỗi. Nếu đường truyền rỗi thì truyền dữ liệu đi theo khuôn dạng chuẩn. Ngược lại, nếu đường truyền đang bận (đã có máy trạm khác truyền dữ liệu rồi) thì máy trạm đợi một khoảng thời gian ngẫu nhiên rồi bắt đầu nghe lại hoặc tiếp tục nghe cho đến khi đường truyền rỗi thì truyền đi với xác suất p (0<p1). Để có thể phát hiện xung đột, người ta bổ sung thêm qui tắc : “nghe trong khi nói” tức là trong khi một trạm đang truyền nó vẫn “nghe” đường truyền. Nếu phát hiện xung đột thì nó dừng ngay việc truyền và phát đi sóng mang báo hiệu có xung đột cho các máy trạm khác (jam signal). Việc phát hiện xung đột đã khiến cho việc truyền dẫn thông tin trên cáp được bảo đảm hơn. Khi có một máy trạm truyền thông tin, trên cáp xuất hiện dòng điện. Dòng điện trong máy trạm lớn gấp hai lần dòng đo được trên đường cáp truyền do cáp truyền theo hai hướng. Để phát hiện xung đột thì IEEE đưa ra phương pháp phát hiện ngưỡng. Nếu trên đường truyền chỉ có duy nhất một máy trạm truy nhập thì điện áp đo được trên đường truyền sẽ có một giá trị max xác định. Nếu có thêm một máy thứ hai tham gia truy nhập đường truyền thì giá trị điện áp đo được sẽ tăng lên. Bộ phát hiện xung đột sẽ nhờ sự thay đổi này của điện áp mà đưa ra chỉ thị đường truyền bận (đã bị truy nhập). Giá trị ngưỡng nhỏ nhất để bộ phát hiện xung đột có thể đưa ra chỉ thị chính xác về trạng thái của đường truyền phải đủ lớn hơn giá trị điện áp max khi chỉ có một máy trạm tham gia truyền thông tin. Ta có thể tham khảo hoạt động của CSMA/CD bằng sơ đồ dưới đây: Ta có thể tham khảo một ví dụ về các tín hiệu được đo bằng Ô-xi-lô sau. Tín hiệu các máy trạm nhận được (received packet signal) Tín hiệu cảm nhận sóng mang (carrier-sense signal) Tín hiệu phát hiện xung đột (collision-detection signal) IEEE cũng đưa ra một số các số liệu ví dụ cho loại cáp đồng trục. Bộ phát hiện xung đột phải có ngưỡng trong khoảng từ -1448 mV đến -1590mV. Trên thực tế, điện áp một chiều trên cáp trong quá trình truyền không có xung đột có giá trị lớn nhất là -1293 mV. Giá trị này chênh lệch với - 1448 mV là 55 mV. Nó là dự trữ cho việc gửi xung kết thúc tín hiệu mào đầu “preamble” và đáp ứng xung của bộ lọc trong phần còn lại của gói tin (khoảng 12% cho đáp ứng xung của bộ lọc). Nếu cần lắp đặt một bộ lọc có giá trị đáp ứng xung lớn hơn, ngưỡng thấp nhất (1448 mV) được thay thế bằng giá trị : 1293 mV x ( 1+ đáp ứng xung). Chú ý : Các giá trị trên đều được đo trên dây trung tâm của cáp đồng trục so với cổng vào của bộ kết nối của máy trạm (the shield at MAU connector). Trong một số tài liệu khác, một số tác giả khác có đề cập đến việc dùng ngưỡng dòng điện để phát hiện xung đột. Cụ thể là khi chi có một máy trạm truy nhập đường truyền thì dòng điện đo được trên cáp đồng trục là 24 mA, trên ngưỡng đó thì có xung đột. Các giá trị này không thấy nói đến trong tài liệu của IEEE 802.3 Phần II Thí nghiệm về hoạt động CSMA/CD (Sưu tầm) A.Mục đích: Đây là một thí nghiệm chỉ nhằm mục đích để nghiên cứu một mạch điện đơn giản cho phép nhiều thiết bị gắn vào một bus truyền dẫn, và cung cấp “bộ cảm nhận sóng mang- carrier sense” và “bộ phát hiện xung đột-collistion detection”. Chức năng của mạch là để nghiên cứu những nguyên lý cơ bản như điều khiển truy nhập phương tiện (MAC) trong chuẩn Ethernet mạng LAN. B. Miêu tả mạch điện thử nghiệm CSMA/CD: Như thể hiện trên hình 1, mỗi thiết bị đầu cuối có thể truyền dữ liệu đầu cuối ra bus dữ liệu thông qua một bộ 3 trạng thái ( tri-state driver ). Khi được phép truyền, dữ liệu từ nguồn được đưa ra bus. Khi không được truyền, đầu ra của bộ 3 trạng thái hoạt động như là một mạch hở. Khi tất cả các thiết bị đầu cuối không hoạt động, điện trở đầu cuối của bus dữ liệu sẽ khiến cho điện thế trên bus vào khoảng 2,5V. Bộ phát hiện xung đột “CD” của mỗi thiết bị đầu cuối sử dụng một bộ so sánh amp để “dọn sạch” điện áp trên bus đang được cảm nhận. Đèn LED phát hiện xung đột ( CD Indicator ) sẽ sáng khi phát hiện xung đột. Bộ cảm nhận sóng mang của mỗi thiết bị đầu cuối sẽ làm cho đèn LED cảm nhận sóng mang ( CS indicator ) sáng bất cứ khi nào điện áp trên bus vượt quá một ngưỡng nào đó. C. Thực hành thí nghiệm Trong phòng thí nghiệm, hệ thống CSMA/CD trong hình 1 sẽ được xây dựng với 2 thiết bị đầu cuối. Tuy nhiên, chỉ cần một mạch đầy đủ chức năng của CSMA/CD, ta sẽ nghiên cứu các chức năng CSMA/CD trên mạch này, thiết bị đầu cuối thứ hai không cần đầy đủ chức năng. Hai bộ tạo xung vuông sẽ được dùng như hai nguồn dữ liệu, được đặt ở tần số 1000 Hz (tương đương 2000 bps). Bộ điều khiển biên độ cho hai bộ tạo xung vuông sẽ điều chỉnh đầu ra ở hai mức 0 và 5 V. Các cổng lôgíc được dùng để điều khiển cho phép truyền dữ liệu ra bus. Sơ đồ khối mạch như sau :