Tìm hiểu hoạt động của CSMA/CD

Vũ Khánh Cường ĐT4-CĐ4-ĐTVT-K43 CSMA/CD
Phần I
Nguyên lý hoạt động của CSMA/CD
Phương pháp phát hiện xung đột
Trong thêi 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 nã nhận đúng thông tin hay sai.
Nh 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.
- 1 -
Vũ Khánh Cường ĐT4-CĐ4-ĐTVT-K43 CSMA/CD
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 ).
Nh vậy khả năng xảy ra xung đột chỉ có trong mét 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 mét 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 nh sau:
1. CS – Carrier Sense (Có ai đang nói chuyện không?)
2. MA – Multi Access (Tôi cũng có thể nghe những gì anh
nghe thấy)
3. CD – Collision Detection (Chóng 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<p
≤
1).
- 2 -
Vũ Khánh Cường ĐT4-CĐ4-ĐTVT-K43 CSMA/CD
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:
- 3 -
Vũ Khánh Cường ĐT4-CĐ4-ĐTVT-K43 CSMA/CD
Ta có thể tham khảo một ví dụ về các tín hiệu được đo bằng Ô-xi-lô
sau.
A. Tín hiệu các máy trạm nhận được (received packet signal)
B. Tín hiệu cảm nhận sóng mang (carrier-sense signal)
C. Tín hiệu phát hiện xung đột (collision-detection signal)
- 4 -
Vũ Khánh Cường ĐT4-CĐ4-ĐTVT-K43 CSMA/CD
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).
Chó 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 sè 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
- 5 -
Vũ Khánh Cường ĐT4-CĐ4-ĐTVT-K43 CSMA/CD
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 nh điều khiển truy nhập phương tiện (MAC) trong
chuẩn Ethernet mạng LAN.
B. Miêu tả mạch điện thử nghiệm CSMA/CD:
Nh 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 nh 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
1. 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.
2. Hai bộ tạo xung vuông sẽ được dùng nh 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.
3. Sơ đồ khối mạch nh sau :
- 6 -
Vũ Khánh Cường ĐT4-CĐ4-ĐTVT-K43 CSMA/CD
- 7 -