Τοπικά Δίκτυα

Σε ένα τοπικό δίκτυο (Local Area Network, LAN), οι υπολογιστές είναι εφοδιασμένοι με μια κάρτα δικτύου που συνδέεται με το καλώδιο του δικτύου. Οι υπολογιστές, μαζί με έναν εξυπηρετητή αρχείων (file server) ο οποίος παρέχει αποθηκευτικό χώρο, και τις υπόλοιπες περιφερειακές συσκευές, όπως οι εκτυπωτές, αποτελούν τους κόμβους (nodes) του δικτύου. Όλοι οι κόμβοι ενός τοπικού δικτύου βρίσκονται συγκεντρωμένοι σε μια περιορισμένη γεωγραφικά περιοχή, ας πούμε σε μια ακτίνα μερικών εκατοντάδων μέτρων. H πληροφορία μεταδίδεται σε κομμάτια που ονομάζονται πλαίσια (frames) και η μετάδοση τους γίνεται στη βασική ζώνη. Τα πλαίσια μεταδίδονται σε χρονικές σχισμές (time slices) που παρέχονται στους σταθμούς προσωρινά. Οι σχισμές δεν παρέχονται σύμφωνα με κάποιο πρόγραμμα, αλλά κάθε σταθμός τις δεσμεύει δυναμικά, ανάλογα με τις ανάγκες του.

Τα τελευταία χρόνια, οι προσωπικοί υπολογιστές δικτυώνονται με όλο και μεγαλύτερους ρυθμούς. Μέχρι το 1994 το 40% όλων των υπολογιστών που χρησιμοποιούνται σε επιχειρήσεις αποτελούσαν κόμβους κάποιου είδους τοπικού δικτύου. Ταυτόχρονα, ο μέσος αριθμός των χρηστών LAN αυξάνει συνεχώς, πράγμα που σημαίνει μικρότερο εύρος ζώνης ανά χρήστη.

Οι πιο δημοφιλείς τύποι LAN είναι το Ethernet και το Token Ring, τα οποία ακολουθούν τις τοπολογίες αρτηρίας και δακτυλίου αντίστοιχα. Ο σχεδιασμός αυτών των αρχιτεκτονικών είναι παλιός και αρχικά προορίζονταν για συνήθεις εφαρμογές και για μεταφορά αρχείων περιορισμένου όγκου. Ο βασικός περιορισμός αυτών των δικτύων βρίσκεται στο γεγονός ότι πολλοί κόμβοι μοιράζονται το ίδιο φυσικό μέσο. Αυτό οδηγεί αναπόφευκτα σε συγκρούσεις,  που είτε οδηγούν στην αναμονή κάποιου αποστολέα ή σε απώλεια των δεδομένων και επαναποστολή των δεδομένων αργότερα. Με άλλα λόγια, ο ρυθμός εξυπηρέτησης είναι συνήθως μικρότερος από την ταχύτητα πρόσβασης του δικτύου και μικραίνει όσο μεγαλώνει η κίνηση στο δίκτυο. Αυτό σημαίνει ότι η αποστολή μεγάλων όγκων από ένα χρήστη, έχει επιπτώσεις για όλους του χρήστες του δικτύου. Επιπλέον, η στατιστική φύση των καθυστερήσεων μεταφοράς δυσχεραίνει την αποστολή χρονικά εξαρτώμενης πληροφορίας. Ένα πλεονέκτημα του κοινού μέσου μεταφοράς είναι η εγγενής υποστήριξη του multicasting, γιατί κάθε πλαίσιο φθάνει σε όλους τους σταθμούς.

Στη συνέχεια ,θα αναλύσουμε τα χαρακτηριστικά των συμβατικών τεχνολογιών LAN και θα δούμε τις νέες τεχνολογίες που έρχονται για να αντιμετωπίσουν τους περιορισμούς τους.

ETHERNET

Καθ’ όλη την διάρκεια της παρουσίασης με τον όρο ‘δίκτυο υπολογιστών’ θα εννοούμε μια συλλογή από αυτόνομους διασυνδεδεμένους υπολογιστές.

Τα συστήματα υπολογιστών, τα οποία ακολουθούν το μοντέλο κατά το οποίο ένας μεγάλος αριθμός από ξεχωριστούς, αλλά συνδεδεμένους μεταξύ τους υπολογιστές κάνουν την εργασία ονομάζονται δίκτυα υπολογιστών.

Υπάρχει μια μεγάλη σύγχυση ανάμεσα σε ένα δίκτυο υπολογιστών κι σ’ ένα κατανεμημένο σύστημα. Το βασικό σημείο διάκρισης είναι ότι σ’ ένα κατανεμημένο σύστημα, η ύπαρξη πολλών αυτόνομων υπολογιστών είναι διάφανη στο χρηστή. Στην πράξη ένα κατανεμημένο σύστημα είναι μια ειδική περίπτωση ενός δικτύου του οποίου το λογισμικό του δίνει υψηλό βαθμό συνοχής και διαφάνειας. Έτσι, η διάκριση μεταξύ ενός δικτύου και ενός κατανεμημένου συστήματος βρίσκεται στο λογισμικό(ειδικά στο λειτουργικό σύστημα), παρά στο υλικό.

Σκοποί των δικτύων

Οι σκοποί για τους οποίους δημιουργήθηκαν και αναπτύχθηκαν τα δίκτυα υπολογιστών είναι σε γενικές γραμμές :

·       ο διαμερισμός των πόρων (προγράμματα, δεδομένα, εξοπλισμός)

·       η παροχή υψηλής αξιοπιστία

·       η εξοικονόμηση χρημάτων

·       ισχυρό μέσο επικοινωνίας

Δομή δικτύου

Σε κάθε δίκτυο υπάρχει μια συλλογή από μηχανήματα, τα οποία σκοπό έχουν να τρέχουν τα προγράμματα του χρήστη. Ακολουθούμε την ορολογία ενός από τα μεγαλύτερα δίκτυα, του ARPANET, και ονομάζουμε τα αυτά μηχανήματα hosts (κεντρικοί υπολογιστές). Οι hosts συνδέονται μεταξύ τους με το υποδίκτυο επικοινωνίας του οποίου το έργο είναι η μεταφορά μηνυμάτων από host σε host.

Στα περισσότερα δίκτυα ευρείας περιοχής το υποδίκτυο αποτελείται από δύο διακεκριμένα στοιχεία : τις γραμμές μετάδοσης και τα στοιχεία μεταγωγής. Οι γραμμές μετάδοσης μετακινούν bits ανάμεσα στα διάφορα μηχανήματα. Τα στοιχεία μεταγωγής είναι ειδικοί υπολογιστές που χρησιμοποιούνται για τι σύνδεση δύο η περισσοτέρων γραμμών μετάδοσης. Θα ονομάσουμε τα στοιχεία μεταγωγής IMPs (Interface Message proccesors).

Όταν ένα μήνυμα (στο περιβάλλον του υποδικτύου συνήθως ονομάζεται πακέτο) στέλνεται από έναν IMP σ’ έναν άλλο μέσω ενός η περισσοτέρων ενδιάμεσων IMPs, το μήνυμα λαμβάνεται σε κάθε ενδιάμεσο IMP σε όλη του την έκταση, αποθηκεύεται εκεί, έως ότου η επιθυμητή γραμμή εξόδου είναι ελεύθερη και μετά προωθείται. Το υποδίκτυο που χρησιμοποιεί αυτή τη μέθοδο ονομάζεται από σημείο σε σημείο, αποθήκευσης και προώθησης ή μεταγωγής πακέτων υποδίκτυο.

Ιεραρχίες πρωτοκόλλων

Τα μοντέρνα δίκτυα υπολογιστών έχουν σχεδιαστεί μ’ έναν υψηλό βαθμό δόμησης. Για να ελαττώσουμε την πολυπλοκότητα της σχεδίασης τα περισσότερα δίκτυα έχουν οργανωθεί σε σειρές από στρώματα η επίπεδα που το καθένα χτίζεται πάνω στο προηγούμενο του. Ο αριθμός των επιπέδων, τα ονόματα τους, τα περιεχόμενα τους, και η λειτουργία του καθενός διαφέρουν από δίκτυο σε δίκτυο.

Όταν δυο δίκτυα επικοινωνούν μεταξύ τους, τα αντίστοιχα επίπεδα επικοινωνούν. Οι κανόνες και οι συνθήκες που χρησιμοποιούνται σε αυτή την επικοινωνία είναι γνωστές ως το πρωτόκολλο του επιπέδου ν .Οι οντότητες που περιλαμβάνονται στα αντίστοιχα επίπεδα σε διαφορετικά μηχανήματα ονομάζονται ομότιμες διεργασίες (peer processes).

Το μοντέλο αναφοράς OSI

Το μοντέλο που βασίζεται σε πρόταση που αναπτύχθηκε από το Διεθνή οργανισμό Τυποποίησης (ISO) ως ένα πρώτο βήμα για την διεθνή τυποποίηση των διαφόρων πρωτοκόλλων ονομάζεται Μοντέλο αναφοράς OSI (Open Interconnection) του ISO διότι ασχολείται με συνδέσεις ανοιχτών συστημάτων, δηλαδή αυτά που είναι ανοικτά για επικοινωνία με άλλα συστήματα. Το μοντέλο OSI έχει 7 επίπεδα. Οι αρχές που εφαρμόζονται για να φτάσουμε σ’ αυτά είναι οι ακόλουθες:

·       Ένα επίπεδο πρέπει να δημιουργείται εκεί όπου χρειάζεται διαφορετικός βαθμός αφαίρεσης

·       Κάθε επίπεδο πρέπει να εκτελεί μια καλά προσδιορισμένη λειτουργία

·       Η λειτουργία κάθε επιπέδου πρέπει να επιλέγεται με βάση τα καθορισμένα διεθνή τυποποιημένα πρωτόκολλα

·       Η επιλογή των ορίων των επιπέδων πρέπει να γίνεται με σκοπό την ελαχιστοποίηση της ροής των πληροφοριών μέσω των διασυνδέσεων

·       Ο αριθμός των επιπέδων θα πρέπει να είναι αρκετά μεγάλος, ώστε διακεκριμένες λειτουργίες να μην χρειάζεται να τοποθετηθούν μαζί στο ίδιο επίπεδο, χωρίς να υπάρχει τέτοια ανάγκη, και αρκετά μικρός ώστε η αρχιτεκτονική να μην γίνεται πολύπλοκη.

Με βάση τα παραπάνω τα εφτά επίπεδα με βάση το μοντέλο OSI είναι:

1. Το Φυσικό επίπεδο, ασχολείται με τη μετάδοση ακατέργαστων bits σε ένα κανάλι επικοινωνίας.

2. Το επίπεδο Σύνδεσης Δεδομένων, του οποίου κύρια αποστολή είναι να μετασχηματίζει το ακατέργαστο μέσο μετάδοσης σε μια γραμμή που εμφανίζεται ελεύθερη από σφάλματα μετάδοσης στο επίπεδο δικτύου.

3. Το επίπεδο Δικτύου ασχολείται με τον έλεγχο της λειτουργίας του υποδικτύου.

4. Το επίπεδο Μεταφοράς, του οποίου βασική λειτουργία είναι η αποδοχή δεδομένων από το επίπεδο συνόδου, η διάσπαση αυτών σε μικρότερες μονάδες εάν χρειαστεί, η μεταφορά τους στο επίπεδο δικτύου και η διασφάλιση ότι όλα τα τμήματα φτάνουν σωστά στην άλλη πλευρά.

5. Το επίπεδο Συνόδου, το οποίο επιτρέπει στους χρήστες διαφορετικών μηχανημάτων να εγκαθιστούν συνόδους μεταξύ τους.

6. Το επίπεδο Παρουσίασης, το οποίο εκτελεί συγκεκριμένες λειτουργίες οι οποίες ζητούνται αρκετά συχνά από τους χρήστες, για να εξασφαλίσουν την εύρεση μιας γενικής λύσης γι αυτούς, ώστε να μην αφήνεται κάθε χρήστης να λύνει τα προβλήματα μόνος του.

7. Το επίπεδο Εφαρμογής, το οποίο περιέχει μια ποικιλία πρωτοκόλλων που χρειάζονται συχνά.

ETHERNET

Το Ethernet είναι ένας τύπος δικτύου υπολογιστών που ακολουθεί το μοντέλο OSI στα δύο πρώτα επίπεδα του, δηλαδή στο φυσικό επίπεδο και στο επίπεδο σύνδεσης δεδομένων. Αρχικά δημιουργήθηκε από τον Robert Metcalfe και τον David Boggs στην εταιρία Xerox Corporation με σημείο αφετηρίας τη διδακτορική διατριβή του πρώτου στο Μ.Ι.Τ με θέμα πάνω στα LANs.

Την ονομασία του την πήρε από το luminiferous ether (φωτεινό αιθέρα) μέσω του οποίου θεωρούνταν ότι μεταδιδόταν η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία.

Το Ethernet γρήγορα έγινε αποδεκτό από πολλές εταιρίες και αργότερα η INTEL κατασκεύασε γι’ αυτόν έναν ελεγκτή του ενός chip.

Μέσα σε λίγο χρονικό διάστημα το Ethernet καθιερώθηκε ως το de-facto πρότυπο των τοπικών δικτύων. Επειδή το Ethernet της Xerox ήταν τόσο επιτυχές, η Xerox, η DEC και η INTELσχεδίασαν ένα πρότυπο για Ethernet των 10Μb/sec. Το πρότυπο αυτό είναι η βάση για το 802.3. Το πρότυπο 802.3 διαφέρει από τις προδιαγραφές του Ethernet στο ότι επεξηγεί μια ολόκληρη οικογένεια από συστήματα, 1 επίμονο CSMA/CD που τρέχουν με ταχύτητες από 1 έως 10 Mb/sec σε διάφορα μέσα μετάδοσης.

Αξίζει επίσης να πούμε ότι το ΙΕΕΕ έχει τρία πρότυπα για LANs και αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι παράλληλα πολλές μεγάλες εταιρίες ανέπτυξαν τοπικά δίκτυα ανάλογα με τις ανάγκες τους και έτσι στάθηκε αδύνατον να επιλεγεί μόνο το ένα από αυτά. Η δικαιολογία για την αναγνώριση τριών προτύπων 802.3 (Ethernet), 802.4 (αρτηρία με κουπόνι), 802.5 (Token Ring) ήταν... καλύτερα τρία από το να μην υπάρχει κανένα !!

Ο λόγος επικράτησης οφείλεται στην υψηλή ταχύτητα μετάβασης δεδομένων που κατάφερε να πραγματοποιεί από τα τέλη της δεκαετίας του ‘70 και να φτάνει το ρυθμό των 10Μb/sec όταν τα εναλλακτικά δίκτυα που υπήρχαν πρόσφεραν ταχύτητες λίγο πάνω από τα 4Μb/sec. (Για την ιστορία το Arcnet είχε ρυθμό 1Mb/sec, ενώ το Token Ring είχε ρυθμό λίγο πάνω από τα 4Mb/sec)

Με το καιρό τα δύο παραπάνω δίκτυα αύξησαν τους ρυθμούς τους σε 20 και 16 Mb/sec αντίστοιχα, αυξάνοντας βέβαια και το κόστος δημιουργίας τέτοιων δικτύων έγινε φανερό ότι για να παραμείνει το Ethernet στη κορυφή έπρεπε να βρεθούν λύσεις που να είναι πολύ γρηγορότερες.

Έτσι την θέση του Ethernet το οποίο πλέον ονομάζεται shared Ethernet, παίρνει το switched Ethernet. Το shared είναι μία ετικέτα για τις παλιές τεχνικές που χρησιμοποιούσε το Ethernet. Η καινοτομία στο switched Ethernet είναι το λεγόμενο CSMA/CD (carrier sence multiple access with collision detection) δηλαδή πρωτόκολλο πολλαπλής πρόσβασης με ανίχνευση φέροντος και ανίχνευση σύγκρουσης. Με λίγα λόγια το παραπάνω πρωτόκολλο ακούει και βρίσκει την συσκευή η οποία εκπέμπει και επομένως καταλαμβάνει το κανάλι επικοινωνίας. Μόλις εκείνη η συσκευή σταματήσει να εκπέμπει και το κανάλι μείνει ελεύθερο, τότε η πρώτη συσκευή που παρακολουθούσε το κανάλι βάζει το πακέτο των δεδομένων στο κανάλι και τα εκπέμπει. Παράλληλα εξακολουθεί να ακούει το κανάλι για το ενδεχόμενο κατά το οποίο και μια άλλη συσκευή έχει αρχίσει να εκπέμπει την ίδια στιγμή. Το ενδεχόμενο αυτό ονομάζεται σύγκρουση και θα μιλήσουμε στη συνέχεια. Η τεχνική αυτή η οποία δεν είναι πολλά χρόνια στο εμπόριο δίνει την δυνατότητα ταχύτητας 10Μb/sec στο τέλος κάθε συσκευής που είναι συνδεδεμένη σε μια πόρτα μεταγωγής χωρίς συγκρούσεις που προκαλούνται από πολλές άλλες συσκευές που μοιράζονται το κανάλι ενός δικτύου Ethernet.

Η ανάγκη όμως για ακόμα μεγαλύτερες ταχύτητες είχε ως αποτέλεσμα την περαιτέρω ανάπτυξη του δικτύου Ethernet. Το 100Base-T σχεδιάστηκε για να υποστηρίξει και να διευρύνει το δίκτυο Ethernet. Έτσι περάσαμε στο fast Ethernet. Το fast Ethernet υποδιαιρείται σε πολλά υποσύνολα δικτύων τα οποία ομαδοποιούνται με βάση το φυσικό μέσο επικοινωνίας, τη δομή, τη φόρμα του δικτύου και την προς τα πανω/κατω και πλευρική συμβατότητα. Το 100Base-T, 100VG-AnyLAN, iso-NET είναι μερικά από αυτά.

Επίσης πριν κλείσουμε την ενότητα πρέπει να εξηγήσουμε τι εννοούμε με τον όρο τοπικό δίκτυο. Γενικά έχουν τρεις χαρακτηριστικές ιδιότητες.

·       Η διάμετρος τους δεν ξεπερνά τα λίγα χιλιόμετρα

·       ο συνολικός ρυθμός μετάδοσης είναι τουλάχιστον μερικά Mbits/sec

·       ανήκουν πλήρως σε ένα οργανισμό.

Τεχνικά χαρακτηριστικά δικτύου Ethernet

Επειδή το όνομα Ethernet παραπέμπει στο καλώδιο (τον αιθέρα) αρχίζουμε την παρουσίαση μας από εκεί. Δυο τύποι ομοαξονικού καλωδίου συνήθως χρησιμοποιούνται. Αυτοί είναι ευρύτατα γνωστοί ως χοντρό (thick) Ethernet και λεπτό (thin) Ethernet.

 Το χοντρό Ethernet μοιάζει σαν ένας κίτρινος σωλήνας ποτίσματος με σημάδια κάθε 2,5 μέτρα για να δείχνουν που θα γίνουν οι διακλαδώσεις (taps). (το πρότυπο 802.3 δεν απαιτεί το καλώδιο να είναι κίτρινο αλλά το συνιστά).

Το λεπτό Ethernet είναι μικρότερο και περισσότερο εύκαμπτο, και χρησιμοποιεί τους τυπικούς βιομηχανικούς συνδετήρες BNC για την δημιουργία συνδέσμων Τ, αντί να χρησιμοποιεί διακλαδώσεις. Το λεπτό Ethernet είναι πολύ φτηνότερο, αλλά μπορεί να χρησιμοποιηθεί μόνο για κοντινές αποστάσεις. Κάτω από συγκεκριμένες περιορισμένες συνθήκες μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί και ένα συνεστραμμένο ζεύγος καλωδίων αντί του ομοαξονικού.

Τα ομοαξονικά καλώδια χαρακτηρίζονται από μεγάλο εύρος ζώνης και υψηλή αναισθησία στο θόρυβο. Τερματιζόμενα με την χαρακτηριστική τους αντίσταση (50 η 75 ohms) μπορούν να χρησιμοποιηθούν για ψηφιακή μετάδοση βασικής ζώνης (όπως είναι τα Ethernet) μέχρι και 10Μb/sec σε αποστάσεις μέχρι και 1 km. Υψηλότεροι ρυθμοί είναι δυνατοί για μικρότερα μήκη. Η διασύνδεση σε τοπολογίες ενός προς πολλαπλά σημεία επιτυγχάνεται με συνδέσμους τύπου Τ, που προϋποθέτουν κοπή του καλωδίου, ή με συνδέσεις επαφής (vampire taps) που γίνονται με διείσδυση του αγωγού διασύνδεσης μέχρι τον πυρήνα, χωρίς να κοπεί το καλώδιο.

Τα συνεστραμμενα ζεύγη καλωδίων παρουσιάζουν αυξημένη παράλληλη χωρητικότητα που περιορίζει το εύρος ζώνης και έχουν υψηλή αντίσταση σειράς και συνεπώς μεγάλη απόσβεση.

Ο εντοπισμός των κομμένων καλωδίων, των κακών συνδέσεων ή των χαλαρών συνδετήρων μπορεί να είναι ένα μεγάλο πρόβλημα σε όλα τα είδη των μέσων. Για το λόγο αυτό, έχουν δημιουργηθεί διάφορες τεχνικές για τον εντοπισμό τους. Βασικά, ένας παλμός γνωστής μορφής διαχέεται μέσα στο καλώδιο. Εάν ο παλμός χτυπήσει σ’ ένα εμπόδιο ή στο τέλος του καλωδίου, θα δημιουργηθεί ηχώ η οποία επιστρέφει πίσω. Χρονομετρώντας προσεκτικά το διάστημα μεταξύ χρόνου αποστολής του παλμού και χρόνου λήψης της ηχούς είναι δυνατός ο εντοπισμός της πηγής δημιουργίας της ηχούς με μεγάλη ακρίβεια. Η τεχνική αυτή ονομάζεται μέτρηση χρόνου ανάκλασης (time domain reflectrometry).

Όλες οι υλοποιήσεις του 802.3, συμπεριλαμβανομένου και του Ethernet χρησιμοποιούν άμεση κωδικοποίηση Manchester. Η παρουσία μιας μετάβασης στο μέσο κάθε bit, δίνει την δυνατότητα στον δέκτη να συγχρονίζεται με το πομπό. Σε οποιαδήποτε χρονική στιγμή, το καλώδιο μπορεί να είναι σε μία από τις τρεις καταστάσεις :

·       μεταδίδοντας ένα bit 0 (χαμηλό ακολουθούμενο από υψηλό)

·       μεταδίδοντας ένα bit 1 (υψηλό ακολουθούμενο από χαμηλό)

·       αδρανές (idle)

Το υψηλό σήμα είναι +0.85 Volts και το χαμηλό είναι -0.85 Volts.

Η συνήθης σύνδεση για το Ethernet έχει ως εξής. Ο πομποδέκτης (transceiver) σφιγμένος με ασφάλεια στο καλώδιο έτσι ώστε η διακλάδωση να έρχεται σε επαφή με το εσωτερικό του πυρήνα. Ο πομποδέκτης περιέχει τα ηλεκτρονικά τα οποία χειρίζονται την ανίχνευση του φέροντος και των συγκρούσεων. Όταν ο πομποδέκτης ανιχνεύει μια σύγκρουση, τοποθετεί ένα ειδικό άκυρο σήμα στο καλώδιο, έτσι ώστε να βεβαιωθεί ότι όλοι οι άλλοι πομποδέκτες αντιλαμβάνονται κι αυτοί ότι έγινε σύγκρουση.

Το καλώδιο του πομποδέκτη (transceiver cable) συνδέει τον πομποδέκτη με μια κάρτα διασύνδεσης μέσα στον υπολογιστή. Το καλώδιο του πομποδέκτη μπορεί να έχει μήκος 50 μέτρα και περιέχει πέντε ανεξάρτητα προστατευμένα συνεστραμμένα ζεύγη καλωδίων. Δυο από τα ζεύγη είναι για είσοδο και έξοδο δεδομένων αντίστοιχα. Δύο επιπλέον ζευγάρια είναι για είσοδο και έξοδο σημάτων ελέγχου. Το πέμπτο ζευγάρι, το οποίο δεν χρησιμοποιείται πάντοτε, επιτρέπει στον υπολογιστή να τροφοδοτεί με ηλεκτρικό ρεύμα τον πομποδέκτη. Μερικοί πομποδέκτες επιτρέπουν μέχρι και οκτώ σε μικρή απόσταση υπολογιστές να συνδεθούν με αυτούς για να ελαττωθεί αν χρειάζεται ο αριθμός των πομποδεκτών που χρειάζονται.

Το καλώδιο του πομποδέκτη τερματίζει σε μία κάρτα διασύνδεσης μέσα στον υπολογιστή. Η κάρτα διασύνδεσης περιέχει ένα chip ελεγκτή (controller chip) το οποίο μεταδίδει και λαμβάνει πλαίσια προς και από τον πομποδέκτη. Ο ελεγκτής είναι υπεύθυνος για την συναρμολόγηση των δεδομένων στην κατάλληλη μορφή πλαισίου, καθώς επίσης και για τον υπολογισμό του αθροίσματος ελέγχου των εξερχόμενων πλαισίων και τον έλεγχο αυτού στα εισερχόμενα πλαίσια. Μερικοί ελεγκτές διαχειρίζονται επίσης μια ομάδα από ενδιάμεσες μνήμες(buffers) για τα εισερχόμενα πλαίσια, μια ουρά από ενδιάμεσες μνήμες με δεδομένα που θα μεταδοθούν, μεταφορές DMA με τους hosts, και άλλα θέματα διαχείρισης δικτύου.

Επειδή σύμφωνα με το πρότυπο 802.3 το επιτρεπόμενο μέγιστο μήκος καλωδίου είναι 500 μέτρα και στην πράξη πολλές φορές χρειάζεται να συνδέσουμε μέρη του δικτύου που απέχουν αρκετά παραπάνω μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε πολλά καλώδια συνδεδεμένα μεταξύ τους με επαναλήπτες (repeaters). Ο επαναλήπτης είναι μια μονάδα του φυσικού επιπέδου. Αυτός λαμβάνει, ενισχύει και αναμεταδίδει μηνύματα και προς τις δυο κατευθύνσεις. Όσον αφορά όμως το λογισμικό, μια σειρά από τμήματα καλωδίων που συνδέονται μεταξύ τους με επαναλήπτες δεν διαφέρουν από το ένα και μοναδικό καλώδιο (εκτός από κάποια καθυστέρηση που προκαλείται από τους επαναλήπτες). Ένα σύστημα μπορεί να περιέχει πολλά τμήματα καλωδίων και πολλούς επαναλήπτες αλλά δυο πομποδέκτες δεν μπορούν να είναι σε απόσταση μεγαλύτερη από 2,5 km μεταξύ τους και καμιά διαδρομή δεν μπορεί να διασχίσει περισσότερους από 4 επαναλήπτες. Ο επαναλήπτης, απλώς προωθεί bits από το ένα καλώδιο στο άλλο κάνοντας τα δυο καλώδια να φαίνονται λογικά σαν ένα. Οι επαναλήπτες είναι κουτοί (dumb) και δεν έχουν λογισμικό. Απλώς αντιγράφουν bits, πολλές φορές μετακινούν και τις κυματομορφές χρονικά για λόγους χρονισμού, αλλά δεν αντιλαμβάνονται τι κάνουν. Δεν γνωρίζουν τίποτα από διευθύνσεις ή προώθηση και γι αυτό δεν μπορούν να μειώσουν την κίνηση όπώς κάνουν οι γέφυρες.

Οι (bridges) (ονομάζονται και επιλεκτικοί επαναλήπτες) σε αντίθεση με τους απλούς επαναλήπτες, οι οποίοι όπως αναφέραμε απλώς περνούν bits διαμέσου αυτών χωρίς να τα εξετάζουν, οι γέφυρες εξετάζουν κάθε πλαίσιο και προωθούν μόνο εκείνα που χρειάζεται να φτάσουν στο άλλο τμήμα. Οι γέφυρες πρέπει να γνωρίζουν τις θέσεις όλων των σταθμών ώστε να γνωρίζουν εάν θα πρέπει να αντιγράψουν ένα πλαίσιο ή όχι σε κάποιο συγκεκριμένο τμήμα. Η γέφυρα χρησιμοποιείται στο επίπεδο σύνδεσης δεδομένων. Οι γέφυρες είναι έξυπνες (με λογισμικό). Μπορούν να προγραμματιστούν για την αντιγραφή πλαισίων επιλεκτικά και για την εκτέλεση αναγκαίων τροποποιήσεων κατά την διάρκεια αυτής της λειτουργίας.

Δομή του πλαισίου 802.3

Κάθε πλαίσιο αρχίζει με μια ακολουθία συγχρονισμού (preamble) των 7 bytes που κάθε μία περιέχει την δυαδική ακολουθία 10101010. Η ακολουθία αυτή των bytes δημιουργείται από το chip ελεγκτή. Η κωδικοποίηση, κατά Manchester, αυτής της ακολουθίας παράγει έναν τετραγωνικό παλμό των 10 ΜHz διάρκειας 5.6 μsec διάρκειας ικανής να επιτρέψει τον συγχρονισμό των ρολογιών του δέκτη και  του πομπού. Κατόπιν ακολουθεί το byte Αρχής πλαισίου (start of frame delimiter - SFD) που περιέχει το 10101011 για να δείξει την αρχή του ίδιου του πλαισίου.

Το πλαίσιο περιέχει δύο διευθύνσεις, μία για το προορισμό και μία για την πηγή. Το πρότυπο επιτρέπει διευθύνσεις των 2 και των 6 bytes,αλλά οι παράμετροι που καθορίστηκαν για το πρότυπο ζώνης των 10Μb/sec χρησιμοποιούν διευθύνσεις των 6 bytes. Το υψηλότερης τάξης bit της διεύθυνσης προορισμού είναι 0 για τις συνήθεις διευθύνσεις και 1 για τις ομαδικές διευθύνσεις. Όταν ένα πλαίσιο στέλνεται στη διεύθυνση μιας ομάδας, το λαμβάνουν όλοι οι σταθμοί της ομάδας. Η αποστολή σε μια ομάδα σταθμών ονομάζεται πολλαπλή αποστολή (multicast). Η διεύθυνση που αποτελείται από το σύνολο των bits 1 δεσμεύεται αποκλειστικά για εκπομπή (broadcast). Το πλαίσιο που περιέχει όλο 1, στο πεδίο προορισμού του φτάνει σε όλους τους σταθμούς και διαδίδεται απ’ όλες τις γέφυρες.

Μια άλλη ενδιαφέρουσα δυνατότητα διευθυνσιοδότησης είναι η χρήση του bit 46(δίπλα από το bit υψηλότερης τάξης) για να ξεχωρίζει τις τοπικές από τις καθολικές διευθύνσεις. Οι τοπικές διευθύνσεις εκχωρούνται από την ΙΕΕΕ για να εξασφαλίσει ότι δεν υπάρχουν ούτε δύο σταθμοί οπουδήποτε στον κόσμο με την ίδια καθολική διεύθυνση.

Θα πρέπει εδώ να ανοίξουμε μια παρένθεση και να πούμε ότι τα δίκτυα μπορούν να χωριστούν σε δυο κατηγορίες :

·       αυτά που χρησιμοποιούν κανάλια εκπομπής (όπως το 802.3)

·       και σε αυτά που χρησιμοποιούν συνδέσεις από σημείο σε σημείο.

Σε οποιοδήποτε δίκτυο εκπομπής, το βασικό είναι πως θα καθοριστεί αυτός που θα κάνει χρήση του καναλιού, όταν υπάρχει ανταγωνισμός, δηλαδή όταν περισσότεροι από έναν σταθμό του δικτύου υπάρχει πρόθεση χρησιμοποίησης του καναλιού εκπομπής. Πολλά πρωτόκολλα είναι γνωστά για την επίλυση αυτού του προβλήματος. Τα κανάλια εκπομπής συχνά αναφέρονται ως κανάλια πολλαπλής προσπέλασης (multiaccess channels) η κανάλια τυχαίας προσπέλασης (random access channels).

Επίσης πρέπει να αναφέρουμε τις πέντε βασικές υποθέσεις που περιγράφονται παρακάτω :

·       Μοντέλο σταθμού. Το μοντέλο σταθμού αποτελείται από Ν ανεξάρτητους σταθμούς (υπολογιστές η τερματικά), που ο καθένας έχει ένα πρόγραμμα ή ένα χρήστη που παράγει πλαίσια για μετάδοση. Η πιθανότητα παραγωγής ενός πλαισίου σ’ ένα χρονικό διάστημα μήκους Δτ είναι λΔτ, όπου λ είναι μια σταθερά (ρυθμός άφιξης νέων πλαισίων). Από τη στιγμή της παραγωγής ενός πλαισίου ο σταθμός μπλοκάρεται και δεν κάνει τίποτα μέχρις ότου το πλαίσιο μεταδοθεί με επιτυχία.

·       Υπόθεση μονού Καναλιού (single channel assumption). Ένα μόνο κανάλι είναι διαθέσιμο για την όλη επικοινωνία. Όλοι οι σταθμοί μπορούν να μεταδίδουν και να λαμβάνουν απ’ αυτό. Όσον αναφορά το υλικό όλοι οι σταθμοί είναι ισοδύναμοι, αν και το λογισμικό των πρωτοκόλλων μπορεί να καθορίζει σε αυτούς προτεραιότητες.

·       Υπόθεση σύγκρουσης (collision assumption)Εάν δυο πλαίσια μεταδίδονται ταυτόχρονα, επικαλύπτονται χρονικά και το προκύπτον σήμα είναι παραποιημένο. Αυτό το συμβάν ονομάζεται, όπως ήδη έχουμε προαναφέρει σύγκρουση. Όλοι οι σταθμοί μπορούν να ανιχνεύουν συγκρούσεις. Το πλαίσιο που συγκρούστηκε θα πρέπει να μεταδοθεί ξανά αργότερα. Δεν υπάρχουν άλλα σφάλματα εκτός από τις συγκρούσεις.

·       Συνεχείς χρόνος (Continuous Time). Η μετάδοση του πλαισίου μπορεί να αρχίσει οποιαδήποτε στιγμή. Δεν υπάρχει κάποιο κύριο ρολόι για τον διαχωρισμό του χρόνου σε διακεκριμένα διαστήματα

·       Ανίχνευση φέροντος (carrier sense). Οι σταθμοί μπορούν να πουν αν το κανάλι είναι σε χρήση, πριν προσπαθήσουν να το χρησιμοποιήσουν. Εάν το κανάλι ανιχνεύει σαν απασχολημένο, κανένας σταθμός δεν θα προσπαθήσει να το χρησιμοποιήσει πριν μείνει ελεύθερο.

Γυρίζοντας πίσω μετά από αυτή τη μικρή παρένθεση και βασιζόμενη σε αυτά μπορούμε να πούμε ότι ο τρόπος που χρησιμοποιείται για την αναγνώριση των σταθμών που ανήκουν σε δίκτυά 802.3, που χρησιμοποιούν όπως είπαμε κανάλια εκπομπής είναι με την διεύθυνση MAC. Η διεύθυνση αυτή είναι ένας μοναδικός δεκαεξαδικός σειριακός αριθμός που καθορίζεται σε κάθε σταθμό ενός δικτύου Ethernet για να αναγνωρίζεται μονοσήμαντα από το δίκτυο. Η διεύθυνση αυτή είναι μόνιμη και προκαθορισμένη από τον κατασκευαστή, αν και μπορεί με λογισμικό να αλλάζει, κάτι το οποίο δεν συνίσταται για πολλούς λόγους.

Ο λόγος για τον οποίο ο MAC είναι μοναδικός, είναι διότι με το να έχει κάθε σταθμός ενός δικτύου Ethernet τον δικό του προσωπικό αριθμό MAC μπορεί αποκλειστικά να επιλέγει και να παίρνει πακέτα από το κανάλι επικοινωνίας που το αφορούν. Εάν δεν υπήρχε ο μοναδικός αυτός αριθμός για κάθε σταθμό ενός δικτύου Ethernet δεν θα μπορούσαμε να διακρίνουμε δυο σταθμούς μεταξύ τους και έτσι δεν θα μπορούσαμε να επικοινωνούμε με τον σταθμό που πραγματικά μας ενδιαφέρει.

Ο αριθμός MAC έχει έναν ειδικό τρόπο με τον οποίο δημιουργείται. Είναι ακριβώς 6 bytes σε μήκος και γράφεται σε δεκαεξαδική μορφή όπως προαναφέραμε (π.χ. 12:34:ΑΒ:90:1Α:44). Το σύμβολο ανάμεσα στα δεκαεξαδικά ψηφία χρησιμοποιούνται για λόγους ευκολίας, δεν είναι απαραίτητοι. Κάθε κατασκευαστής ελεγκτών Ethernet έχει μία προκαθορισμένη περιοχή αριθμών από την οποία τους αντλεί για την χρησιμοποίηση τους στους ελεγκτές. Έτσι τα τρία πρώτα bytes μιας διεύθυνσης MAC καθορίζουν το κατασκευαστή.

Επιστρέφοντας στη δομή πλαισίου το επόμενο πεδίο ονομάζεται πεδίο μήκους (length) και λεει πόσα bytes υπάρχουν στο πεδίο δεδομένων, από το ελάχιστο 0 στο μέγιστο 1500. Ενώ το πεδίο δεδομένων των 0 bytes είναι νόμιμο, δημιουργεί ένα πρόβλημα. Όταν ο πομποδέκτης εντοπίζει μια σύγκρουση, κόβει την μετάδοση του τρέχοντος πλαισίου, που σημαίνει ότι αδέσποτα bits και κομμάτια από πλαίσια εμφανίζονται πάνω στο καλώδιο όλη την ώρα. Για να γίνει πιο εύκολος ο διαχωρισμός των νόμιμων πλαισίων από τα άχρηστα, το πρότυπο 802.3 καθορίζει ότι τα μόνιμα πλαίσια έχουν μήκος τουλάχιστον 64 bytes από την διεύθυνση προορισμού μέχρι το άθροισμα ελέγχου. Εάν το τμήμα δεδομένων του πλαισίου είναι λιγότερο από 46 bytes, το πεδίο συμπληρώματος (pad) χρησιμοποιείται για την συμπλήρωση του πλαισίου μέχρι το ελάχιστο μέγεθος. Ένας άλλος λόγος που έχουμε ένα ελάχιστο μήκος πλαισίου είναι για να εμποδίσουμε ένα σταθμό να ολοκληρώνει την μετάδοση ενός πλαισίου πριν ακόμη το πρώτο bit φτάσει στο απομακρυσμένο άκρο του καλωδίου, όπου μπορεί να συγκρουστεί με ένα άλλο πλαίσιο.

Το τελευταίο πεδίο είναι το άθροισμα ελέγχου(checksum).Αυτό είναι ουσιαστικά ένας κωδικός (hash code)των 32 bits που παράγεται από τα δεδομένα. Εάν μερικά bits δεδομένων ληφθούν λανθασμένα (λόγω του θορύβου στο καλώδιο) το άθροισμα έλεγχου θα είναι σχεδόν σίγουρα λανθασμένο και το λάθος θα ανιχνευθεί. Ο αλγόριθμος του αθροίσματος ελέγχου είναι ένας κυκλικός έλεγχος πλεονασμού.

Ο κυκλικός κώδικας πλεονασμού (CRC), επίσης γνωστός και ως πολυωνυμικός κώδικας (polynomial code) χρησιμοποιείται ευρέως. Οι πολυωνυμικοί κώδικες στηρίζονται πάνω στη χρησιμοποίηση ακολουθιών από bits σαν πολυωνυμικές παραστάσεις με συντελεστές 0 και 1 μόνο. Ένα πλαίσιο των k-bits θεωρείται ως η λίστα των συντελεστών για ένα πολυώνυμο με κ όρους από χ^κ-1 ως χ⁰ . Ένα τέτοιο πολυώνυμο λέμε ότι είναι βαθμού κ-1. Το περισσότερο σημαντικό (το πιο αριστερό) bit είναι ο συντελεστής του χ^κ-1 και ούτω καθεξής. Οι πράξεις στα πολυώνυμα γίνονται modulo 2, σύμφωνα με τους κανόνες της άλγεβρας. Δεν υπάρχουν κρατούμενα στη πρόσθεση και δανεικά στην αφαίρεση. Και η πρόσθεση η αφαίρεση είναι ταυτόσημες με το αποκλειστικό OR.

Όταν χρησιμοποιείται η μέθοδος του πολυωνυμικού κώδικα, ο πομπός και ο δέκτης πρέπει να συμφωνήσουν πάνω σε ένα πολυώνυμο γεννήτορα (generator polynomial) G(x) εκ των προτέρων. Τόσο το περισσότερο σημαντικό bit όσο και το λιγότερο σημαντικό bit πρέπει να είναι 1. Για τον υπολογισμό του αθροίσματος ελέγχου (checksum) για μερικά πλαίσια των m bits, που αντιστοιχούν στο πολυώνυμο Μ(χ), το πλαίσιο πρέπει να είναι μεγαλύτερο από το πολυώνυμο γεννήτορα. Η βασική ιδέα είναι να προσαρτηθεί ένα άθροισμα στο τέλος του πλαισίου, έτσι ώστε το πολυώνυμο που παριστάνεται από το πλαίσιο μαζί με το άθροισμα ελέγχου να διαιρείται με το G(x). Εάν υπάρχει υπόλοιπο, σημαίνει ότι υπάρχει σφάλμα μετάδοσης. Ο αλγόριθμος για τον υπολογισμό του αθροίσματος ελέγχου έχει ως ακολούθως :

·       Έστω r ο βαθμός του G(x).Προσάρτησε r μηδενικά bits στο λιγότερο σημαντικό άκρο του πλαισίου, έτσι ώστε να περιέχει m+r bits και να αντιστοιχεί στο πολυώνυμο x^rM(x).

·       Διαίρεσε την ακολουθία των bits που αντιστοιχεί στο G(x) με την ακολουθία που αντιστοιχεί στο x^rM(x) χρησιμοποιώντας διαίρεση modulo 2.

·       Αφαίρεσε το υπόλοιπο (που είναι πάντα r η λιγότερα bits από την ακολουθία των bits που αντιστοιχεί στο x^rM(x), χρησιμοποιώντας αφαίρεση modulo 2. Το αποτέλεσμα είναι το πλαίσιο μαζί με το άθροισμα ελέγχου που θα μεταδοθεί.

Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, εάν δυο σταθμοί εντοπίσουν ένα ελεύθερο (Idle) κανάλι και αρχίσουν να μεταδίδουν ταυτόχρονα, θα γίνει μια σύγκρουση. Κάθε σταθμός όταν εντοπίζει μια σύγκρουση διακόπτει τη μετάδοση του, δημιουργεί έναν καταιγισμό θορύβου ώστε να ειδοποιηθούν και οι άλλοι σταθμοί και κατόπιν περιμένει ένα τυχαίο χρονικό διάστημα πριν επαναλάβει ολόκληρο το κύκλο. Μετά από μια σύγκρουση, ο χρόνος διαιρείται σε ξεχωριστές σχισμές, των οποίων το μήκος είναι ίσο με τη μεγαλύτερη τιμή του συνολικού χρόνου διάδοσης και επιστροφής (round trip) του σήματος πάνω στο κανάλι. Για την προσαρμογή στη μεγαλύτερη σε μήκος διαδρομή που επιτρέπεται από το 802.3 (2.5 km και τέσσερις επαναλήπτες), ο χρόνος σχισμής έχει τοποθετηθεί στους 512 χρόνους bit (bit time) ή 51.2 μsec.

Μετά την πρώτη σύγκρουση, κάθε σταθμός περιμένει 0 ή 1 σχισμή χρόνου πριν προσπαθήσει ξανά. Εάν δυο σταθμοί συγκρουστούν και ο καθένας διαλέξει τον ίδιο τυχαίο αριθμό, θα συγκρουστούν ξανά. Μετά την δεύτερη σύγκρουση ο καθένας διαλέγει στην τύχη 0,1,2 ή 3 και περιμένει αυτόν τον αριθμό των σχισμών χρόνου. Εάν γίνει και τρίτη σύγκρουση (η πιθανότητα να συμβεί αυτό είναι 0.25), τότε επιλέγεται για την επόμενη φορά ο αριθμός των σχισμών αναμονής τυχαία από το διάστημα 0 ως 2³-1.

Γενικά, μετά από κ συγκρούσεις επιλέγεται ένας τυχαίος αριθμός μεταξύ του 0 και 2^κ-1 ο σταθμός περιμένει αυτόν τον αριθμό των σχισμών. Ωστόσο όταν έχουν συμβεί 10 συγκρούσεις, το τυχαίο διάστημα σταθεροποιείται σε έναν μέγιστο αριθμό 1023 σχισμών. Μετά από 16 συγκρούσεις ο ελεγκτής αναφέρει βλάβη πίσω στον υπολογιστή. Ο λόγος είναι διότι η πιθανότητα να συμβεί χωρίς να υπάρχει κάποιο σφάλμα περά από την πιθανότητα να διαλέγουν συνέχεια τον ίδιο αριθμό είναι περίπου ίση με 1/16! πράγμα εξαιρετικά σπάνιο. Η περαιτέρω επανόρθωση εξαρτάται από τα ανώτερα επίπεδα.

Ο αλγόριθμος αυτός, που ονομάζεται δυαδική εκθετική υποχώρηση (binary exponential backoff) επιλέχθηκε ώστε να προσαρμόζεται δυναμικά στον αριθμό των σταθμών που προσπαθούν να στείλουν. Εάν το διάστημα των τυχαίων αριθμών για όλες τις συγκρούσεις ήταν 1023 η περίπτωση σύγκρουσης δυο σταθμών για δεύτερη φορά θα ήταν μηδαμινή αλλά ο μέσος χρόνος αναμονής μετά την σύγκρουση θα ήταν εκατοντάδες σχισμές, δημιουργώντας σοβαρή καθυστέρηση. Απ την άλλη πλευρά εάν κάθε σταθμός πάντοτε καθυστερούσε για 0 ή 1 τότε εάν 100 σταθμοί προσπαθούσαν να στείλουν μαζί, θα συγκρούονταν ξανά και ξανά, έως ότου 99 σταθμοί από τους 100 επέλεγαν το 0 και αυτός που επέμενε το 1, η αντίστροφα. Αυτό μπορεί να απαιτήσει χρόνια!!!!

Έχοντας το τυχαίο διάστημα να αυξάνει εκθετικά, καθώς θα συμβαίνουν όλο και περισσότερες διαδοχικές συγκρούσεις, ο αλγόριθμος εξασφαλίζει μια χαμηλή καθυστέρηση μόνο όταν συγκρούονται λίγοι σταθμοί, αλλά επίσης εξασφαλίζει ότι λύνεται σε ένα λογικό διάστημα, όταν συγκρούονται πολλοί σταθμοί.

Απόδοση του 802.3

            Μπορούμε τώρα να εξετάσουμε με συντομία την απόδοση του 802.3 κάτω από συνθήκες σταθερού και υψηλού φορτίου, δηλαδή, k σταθμοί πάντα έτοιμοι για εκπομπή. Μια πλήρης ανάλυση του δυαδικού εκθετικού αλγορίθμου υποχώρησης είναι αρκετά πολύπλοκη, έτσι αντί αυτού θ’ ακολουθήσουμε τους Metcalfe και Boggs (1976) και υποθέτουμε μια σταθερή πιθανότητα επαναμετάδοσης σε κάθε σχισμή. Εάν κάθε σταθμός μεταδίδει κατά τη διάρκεια μιας σχισμής ανταγωνισμού με πιθανότητα p, η πιθανότητα Α να αποκτήσει κάποιος σταθμός τον αιθέρα κατά τη διάρκεια αυτής της σχισμής είναι :

            Το Α γίνεται μέγιστο όταν p=1/k, με Α à 1/e καθώς το k απειρίζεται. Η πιθανότητα ότι το διάστημα ανταγωνισμού διαθέτει ακριβώς j σχισμές είναι :

 και έτσι ο μέσος αριθμός των σχισμών ανά ανταγωνισμό δίνεται από τον τύπο :

Επειδή κάθε σχισμή έχει μια διάρκεια 2τ, το μέσο διάστημα ανταγωνισμού w, είναι 2τ/Α. Υποθέτοντας το βέλτιστο p, ο μέσος αριθμός των σχισμών ανταγωνισμού δεν είναι ποτέ μεγαλύτερος από e, έτσι το w είναι το πολύ 2τe=5,4τ. Εάν το μέσο πλαίσιο απαιτεί χρόνο Ρ sec για να μεταδοθεί, όταν πολλοί σταθμοί έχουν πλαίσια για αποστολή, τότε :

            Πρέπει να παρατηρήσουμε πώς επηρεάζει η μέγιστη καλωδιακή απόσταση μεταξύ δύο οποιωνδήποτε σταθμών την απόδοση, ωθώντας σε τοπολογίες διαφορετικές απ’ αυτές που φαίνονται στο Σχ. 3.14 (α). Όσο μακρύτερο είναι το καλώδιο τόσο μεγαλύτερο είναι και το διάστημα ανταγωνισμού. Μη επιτρέποντας καλώδιο μεγαλύτερο των 2.5Κm και, περισσότερους από τέσσερις επαναλήπτες μεταξύ δύο οποιωνδήποτε πομποδεκτών, ο χρόνος διάδοσης και επιστροφής μπορεί να περιοριστεί στα 51,2 μsec που στα 10 Μbps αντιστοιχεί σε 512 bits ή 64 bytes, που είναι το μικρότερο μέγεθος πλαισίου. Είναι ενδιαφέρον να διαμορφώσουμε την εξίσωση της Απόδοσης καναλιού σε σχέση με το μήκος του πλαισίου F, το εύρος ζώνης του δικτύου Β, το μήκος του καλωδίου L, και την ταχύτητα διάδοσης του σήματος c για την καλύτερη περίπτωση των e σχισμών ανταγωνισμού στο πλαίσιο. Με Ρ=F/B, η παραπάνω εξίσωση γίνεται :

            Όταν ο δεύτερος όρος του παρονομαστή είναι μεγάλος, η απόδοση του δικτύου είναι χαμηλή. Πιο συγκεκριμένα, αυξάνοντας το εύρος ζώνης του δικτύου ή την απόσταση (το γινόμενο BL), ελαττώνεται η απόδοση για ένα δεδομένο μέγεθος πλαισίου. Ατυχώς, πολλή έρευνα στο υλικό των δικτύων έχει ως στόχο ακριβώς την αύξηση αυτού του γινομένου. Οι άνθρωποι θέλουν υψηλό εύρος για μεγάλες αποστάσεις (ΜΑΝs οπτικών ινών, για παράδειγμα), κάτι που σημαίνει ότι το 802.3 μπορεί να μην είναι το καλύτερο σύστημα για αυτές τις εφαρμογές.

            Στο παρουσιαζόμενο Σχήμα δίνεται η γραφική παράσταση της απόδοσης του καναλιού, σε σχέση με το πλήθος των έτοιμων σταθμών για 2τ=51,2μsec και ρυθμό μετάδοσης δεδομένων 10 Μbps χρησιμοποιώντας την παραπάνω εξίσωση. Με μια σχισμή χρόνου των 64 bytes δεν είναι αποδοτικά. Από την άλλη πλευρά, με πλαίσια των 1024 bytes και την ασυμπτωτική τιμή e σχισμές των 64 bytes ανά διάστημα ανταγωνισμού, η περίοδος ανταγωνισμού έχει μήκος 174 bytes και η απόδοση είναι 0,85. Για τον καθορισμό του μέσου αριθμού των σταθμών που είναι έτοιμοι για μετάδοση κάτω από συνθήκες υψηλού φορτίου, μπορούμε να κάνουμε την ακόλουθη -γενικευμένη- παρατήρηση: Κάθε πλαίσιο δεσμεύει το κανάλι για μία περίοδο ανταγωνισμού και ένα χρόνο μετάδοσης του πλαισίου, δηλαδή συνολικό χρόνο Ρ+w sec. Ο αριθμός των πλαισίων ανά δευτερόλεπτο είναι επομένως 1/(Ρ+w). Εάν κάθε σταθμός δημιουργεί πλαίσια με ένα μέσο ρυθμό λ πλαίσια/sec, όταν το σύστημα είναι στην κατάσταση k, ο συνολικός ρυθμός εισόδου όλων των ελεύθερων (μη μπλοκαρισμένων) σταθμών συνδυασμένων μεταξύ τους είναι (Ν-k)λ πλαίσια/sec. Επειδή στην κατάσταση ισορροπίας οι ρυθμοί εισόδου και εξόδου πρέπει να είναι ακριβώς ίδιοι, μπορούμε να εξισώσουμε τις δύο αυτές εκφράσεις και να λύσουμε ως προς k. Ο αναγνώστης για περισσότερες πληροφορίες μπορεί να ασχοληθεί με τις αναλύσεις των Bertsekas-Gallager(1987), Hammond-O’ Reilly(1987) και Hayes(1984).

Σύγκριση τοπικών δικτύων

Με τρία διαφορετικά πρότυπα τοπικών δικτύων διαθέσιμα πολλοί οργανισμοί αντιμετωπίζουν το ερώτημα : «Ποιο απ’ όλα θα πρέπει να εγκαταστήσουμε;»  Αρχίζοντας, αξίζει να σημειώσουμε ότι τα τρία πρότυπα των τοπικών δικτύων χρησιμοποιούν χονδρικά παρόμοια τεχνολογία και έχουν περίπου την ίδια απόδοση. Αρχίζουμε παραθέτοντας τα πλεονεκτήματα του 802.3. Προς το παρόν είναι ο πιο διαδεδομένος τύπος με μια τεράστια εγκατεστημένη βάση και συγκριτικά μεγάλη λειτουργική εμπειρία. Ο αλγόριθμος είναι απλός. Οι σταθμοί μπορούν να εγκατασταθούν στο δίκτυο χωρίς να τεθεί εκτός λειτουργίας το δίκτυο. Χρησιμοποιείται ένα καλώδιο και δεν χρειάζονται modems. Επιπλέον η καθυστέρηση σε χαμηλό φορτίο πρακτικά είναι μηδέν (οι σταθμοί δεν χρειάζεται να περιμένουν για ένα κουπόνι, απλώς μεταδίδουν αμέσως).

Απ την άλλη πλευρά το 802.3 έχει μια ουσιώδης αναλογική συνιστώσα. Κάθε σταθμός βάσης θα πρέπει να εντοπίζει το σήμα του ασθενέστερου, από τους άλλους σταθμούς, ακόμα και να μεταδίδει ο ίδιος και όλα τα κυκλώματα εντοπισμού συγκρούσεων στο πομποδέκτη είναι αναλογικά. Λόγω της πιθανότητας να έχουμε πλαίσια που απορρίπτονται εξαιτίας των συγκρούσεων, το ελάχιστο έγκυρο πλαίσιο είναι 64 bytes, το οποίο δημιουργεί μία ουσιώδη επιβάρυνση όταν τα δεδομένα είναι ένας μόνο χαρακτήρας από ένα τερματικό.

Επιπλέον το 802.3 έχει μη καθορισμένη συμπεριφορά (nondeterministic), που σημαίνει ότι συχνά είναι ακατάλληλο για εργασία πραγματικού χρόνου (real time) και δεν διαθέτει προτεραιότητες. Το μήκος του καλωδίου περιορίζεται στα 2,5 km (όταν χρησιμοποιούνται επαναλήπτες) διότι χρόνος διάδοσης μετ’ επιστροφής κατά μήκος του καλωδίου καθορίζει το χρόνο σχισμής, και επομένως την απόδοση. Δίκτυα CSMA/CD όπως το 802.3 είναι δύσκολο να λειτουργήσουν σε μεγάλες ταχύτητες και καθώς η ταχύτητα αυξάνει, η απόδοση πέφτει διότι οι χρόνοι μετάδοσης του πλαισίου πέφτουν, αλλά το διάστημα ανταγωνισμού όχι. Καθώς βελτιώνεται η τεχνολογία και τα δίκτυα γίνονται ταχύτερα, αυτό το θέμα θα γίνει πολύ σημαντικό.

Σε μεγάλο φορτίο, η παρουσία των συγκρούσεων γίνεται ένα μεγάλο πρόβλημα και μπορεί να επηρεάσει σοβαρά το ρυθμό εξυπηρέτησης. Επιπλέον το 802.3 δεν είναι και πολύ κατάλληλο για δίκτυα οπτικών ινών λόγω της δυσκολίας εγκατάστασης των διακλαδώσεων.

Η μόνη γενική διαπίστωση που δεν αμφισβητείται, είναι ότι ένα υπερφορτωμένο δίκτυο 802.3 θα καταρρεύσει ολοκληρωτικά, ενώ ένα υπερφορτωμένο σύστημα βασισμένο σε κουπόνι θα έχει μια απόδοση που θα πλησιάζει το 100%. Για τους ανθρώπους που θα χρησιμοποιήσουν το τοπικό τους δίκτυο σε υπερφορτωμένη μορφή το 802.3 σαφώς δεν είναι το κατάλληλο. Για τους ανθρώπους που σκοπεύουν να το χρησιμοποιήσουν αυτό με μικρό η μέσο φορτίο, και τα τρία συστήματα 802.3, 4 και 5 συμπεριφέρονται καλά, έτσι άλλοι παράγοντες εκτός από την απόδοση είναι πιθανώς περισσότερο σημαντικοί.

Token Ring

Το Token Ring στηρίζεται σε τεχνολογία που αναπτύχθηκε το 1960 και οδήγησε σε διάφορες υλοποιήσεις. Η υλοποίηση της IBM, που εμφανίστηκε το 1985, είναι η βάση του προτύπου IEEE 802.5. Η τοπολογία του είναι ένας δακτύλιος. Στο δακτύλιο κυκλοφορεί συνεχώς ένα κουπόνι (token). Κάθε κόμβος μπορεί να μεταδώσει μόνο όταν το κουπόνι βρίσκεται σε αυτόν. Κατά την μετάδοση, ο κόμβος έχει όλο το εύρος του δικτύου δικό του και μόλις τελειώσει δίδει το κουπόνι στον επόμενο. Αυτή η τεχνική καταμερισμού του φυσικό μέσου περιορίζει τις συγκρούσεις και έχει καλύτερη συμπεριφορά όταν η κίνηση είναι μεγάλη, άρα είναι πιο κατάλληλη για εφαρμογές πολυμέσων σε σχέση με το Ethernet. Επίσης, προσφέρει και μεγαλύτερη ασφάλεια. Για τη διευκόλυνση της κυκλοφορίας της πληροφορίας που εξαρτάται από το χρόνο, έχει υλοποιηθεί ένα είδος προτεραιοτήτων, που δεσμεύει πόρους και τους διαθέτει σε αυτές.