Коллизионный домен

Коллизионный домен — это сегмент сети передачи данных, в котором передача кадров может конфликтовать (коллидировать) с передачей других устройств, входящих в тот же сегмент. В случае возникновения коллизии все устройства в данном домене вынуждены прекратить передачу и возобновить её после случайной задержки. Понятие является ключевым для сетей на основе общей среды передачи, в частности для сетей Ethernet, работающих в полудуплексном режиме.

Принцип работы

Коллизионный домен определяется физической топологией сети и используемым оборудованием. В его основе лежит принцип множественного доступа с контролем несущей и обнаружением коллизий (CSMA/CD). Устройства в домене прослушивают среду передачи перед отправкой данных. Если среда свободна, устройство начинает передачу. Если два или более устройства начинают передачу одновременно, возникает коллизия — сигналы накладываются друг на друга, искажая данные.

Обнаружив коллизию, все передающие устройства отправляют специальный сигнал «затор» (jam signal) для оповещения остальных узлов сети, после чего прекращают передачу на случайный промежуток времени (алгоритм экспоненциальной задержки). Затем процесс повторяется. Чем больше устройств в одном коллизионном домене, тем выше вероятность коллизий и тем ниже общая пропускная способность сети.

Границы коллизионного домена

Границы коллизионного домена определяются сетевыми устройствами, которые не ретранслируют коллизии. К таким устройствам относятся:

• Коммутаторы (свитчи) — каждое устройство, подключённое к отдельному порту коммутатора, находится в собственном коллизионном домене. Коммутатор изолирует коллизии, не передавая их на другие порты.
• Мосты — аналогично коммутаторам, разделяют коллизионные домены.
• Маршрутизаторы — работают на сетевом уровне (уровень 3 модели OSI) и полностью изолируют коллизионные домены, так как не передают кадры с коллизиями.

Устройства, которые не разделяют коллизионные домены:

• Концентраторы (хабы) — ретранслируют все сигналы на все порты, включая коллизии. Все устройства, подключённые к одному концентратору, находятся в одном коллизионном домене.
• Повторители (репитеры) — аналогично, расширяют коллизионный домен, усиливая и ретранслируя сигналы.

Примеры

На основе концентратора (хаба)

В сети Ethernet 10BASE-T с концентратором, к которому подключены 10 компьютеров, все 10 компьютеров находятся в одном коллизионном домене. Если два компьютера одновременно начинают передачу, возникает коллизия, затрагивающая все устройства. Пропускная способность сети делится между всеми узлами.

На основе коммутатора (свитча)

В сети Ethernet 100BASE-TX с коммутатором, к которому подключены 10 компьютеров, каждый компьютер находится в отдельном коллизионном домене. Коллизия на одном порту не влияет на передачу на других портах. Коммутатор буферизирует кадры и передаёт их только на целевой порт, что позволяет нескольким устройствам одновременно передавать данные без конфликтов.

Влияние на производительность

Размер коллизионного домена напрямую влияет на производительность сети. В больших коллизионных доменах (например, при использовании концентраторов) вероятность коллизий растёт с увеличением числа устройств и объёма трафика. Это приводит к:

• Снижению пропускной способности — эффективная скорость передачи данных падает из-за повторных передач.
• Увеличению задержек — время ожидания освобождения среды и повторные передачи увеличивают латентность.
• Нестабильности работы — при высокой загрузке сеть может стать практически неработоспособной.

Для уменьшения влияния коллизий применяются:

• Сегментация сети — разделение сети на более мелкие коллизионные домены с помощью коммутаторов или маршрутизаторов.
• Переход на полнодуплексный режим — в современных сетях Ethernet (начиная с 100BASE-TX) при подключении к коммутатору используется полнодуплексная передача, где коллизии невозможны, так как приём и передача идут по отдельным парам проводов.

Связь с другими понятиями

Коллизионный домен часто путают с широковещательным доменом. Широковещательный домен — это совокупность устройств, которые получают широковещательные кадры (broadcast). Коммутаторы не разделяют широковещательные домены (если не настроены VLAN), а маршрутизаторы — разделяют. Таким образом, один широковещательный домен может содержать множество коллизионных доменов.

Историческая справка

Понятие коллизионного домена возникло вместе с первыми сетями Ethernet, разработанными в 1970-х годах в Xerox PARC. В то время использовалась общая шинная топология (коаксиальный кабель), где все устройства подключались к одной линии. Коллизии были неизбежны, и алгоритм CSMA/CD стал стандартным механизмом управления доступом.

С развитием технологий (появление коммутаторов, витой пары, полнодуплексного режима) коллизионные домены стали уменьшаться. В современных сетях Ethernet, работающих в полнодуплексном режиме, коллизионные домены фактически отсутствуют, так как каждая линия «точка-точка» между устройством и коммутатором не допускает коллизий. Однако понятие сохраняет актуальность для:

• Исторических сетей (10BASE2, 10BASE5).
• Сетей с использованием концентраторов (например, в некоторых промышленных или устаревших установках).
• Беспроводных сетей (Wi-Fi), где коллизии возникают в эфире, и используется механизм CSMA/CA (избегание коллизий).

Источники

• Таненбаум Э., Уэзеролл Д. «Компьютерные сети». 5-е издание. — СПб.: Питер, 2012.
• Олифер В. Г., Олифер Н. А. «Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы». 4-е издание. — СПб.: Питер, 2010.
• IEEE 802.3 — стандарт Ethernet.
• Kurose J. F., Ross K. W. «Computer Networking: A Top-Down Approach». 7th edition. — Pearson, 2016.