Главная

Высокоскоростная сеть FDDI. Принцип построения и особенности функционирования

Сеть FDDI. Скорость 10 Мбит/с недостаточна для многих современных применений сетей. Поэтому разрабатываются технологии и конкретные реализации высокоскоростных ЛВС.

FDDI (Fiber Distributed Data Interface) - ЛВС кольцевой структуры, использующая ВОЛС и специфический вариант маркерного метода доступа.

В основном варианте сети применено двойное кольцо на ВОЛС. Обеспечивается информационная скорость 100 Мбит/с. Расстояние между крайними узлами до 200 км, между соседними станциями - не более 2 км. Максимальное число узлов 500. В ВОЛС используются волны длиной 1300 нм.

Два кольца ВОЛС используются одновременно. Станции можно подключать к одному из колец или к обоим сразу. Использование конкретным узлом обоих колец позволяет для этого узла иметь суммарную пропускную способность в 200 Мбит/с. Другое возможное использование второго кольца - обход с его помощью поврежденного участка (рис. 4.5).

Рис. 4.5. Кольца ВОЛС в сети FDDI

В FDDI используются оригинальные код и метод доступа. Применяется код типа NRZ (без возвращения к нулю), в котором изменение полярности в очередном такте времени воспринимается как 1, отсутствие изменения полярности как 0. Чтобы код был самосинхронизирующимся, после каждых четырех битов передатчик вырабатывает синхронизирующий перепад.

Такое специальное манчестерское кодирование носит название 4b/5b. Запись 4b/5b означает код, в котором для самосинхронизации при передаче 4 бит двоичного кода используется 5 бит так, что не может быть более двух нулей подряд, или после 4 бит добавляется еще один обязательный перепад, что и используется в FDDI.

При таком коде несколько усложняются блоки кодирования и декодирования, но зато повышается скорость передачи по линии связи, так как почти вдвое уменьшается максимальная частота переключения по сравнению с манчестерским кодом.

В соответствии с методом FDDI по кольцу циркулирует пакет, состоящий из маркера и информационных кадров. Любая станция, готовая к передаче, распознав проходящий через нее пакет, вписывает свой кадр в конец пакета. Она же ликвидирует его после того, как кадр вернется к ней после оборота по кольцу и при условии, что он был воспринят получателем. Если обмен происходит без сбоев, то кадр, возвращающийся к станции-отправителю, оказывается в пакете уже первым, так как все предшествующие кадры должны быть ликвидированы раньше.

Сеть FDDI обычно используется как объединяющая в единую сеть много отдельных подсетей ЛВС. Например, при организации информационной системы крупного предприятия целесообразно иметь ЛВС типа Ethernet или Token Ring в помещениях отдельных проектных подразделений, а связь между подразделениями осуществлять через сеть FDDI.

Fiber Distribution Data Interface или FDDI был создан в середине 80-х годов специально для объединения наиболее важных участков сети. Хотя для рабочей станции скорость передачи данных в 10 Мбит/с была великолепной, то для межсерверных коммуникаций она была явно недостаточна. Исходя из этих потребностей, FDDI был спроектирован для связи между серверами и другими важными участками сети и предусматривал возможность управления процессом передачи и его высокую надежность. Это основная причина из-за который он до сих пор занимает такое заметное место на рынке.

В отличие от Ethernet FDDI использует кольцевую структуру, где устройства объединяются в большое кольцо и передают данные последовательно один другому. Пакет может проследовать больше чем через 100 узлов, прежде чем дойдет до адресата. Но не путайте FDDI с Token Ring! В Token Ring используется только один маркер, который передается от одной машине к другой. FDDI использует другую идею - так называемый временной маркер. Каждая машина посылает данные следующей в течении определенного периода времени, о котором они договариваются заранее когда подключаются к кольцу. Станции могут посылать пакетов одновременно, если позволяет время.

Поскольку другие машины не должны ждать, пока освободится среда передачи, то размер пакета может достигать 20000 байт, хотя большинство использует пакеты размером 4500 байт, всего лишь в три раза больше пакета Ethernet. Тем не менее, если пакет предназначен для рабочей станции, подключенной к кольцу с помощью Ethernet, то его размер не будет превышать 1516 байт.

Одно из самых больших достоинств FDDI - это высокая надежность. Обычно он состоит из двух или более колец. Каждая машина может получать и посылать сообщения своим двум соседям. Это схема позволяет функционировать сети даже если оборвали кабель. Когда кабель порван, устройства на обоих концах разрыва начинают работать как заглушка и система продолжает функционировать как одно кольцо, которое проходит через каждое устройство дважды. Поскольку каждый конкретный путь однонаправлен и устройства передают данные в указанное время, то такая схема полностью исключает коллизии. Это позволяет FDDI достичь практически полной теоретической пропускной способности, которая фактически составляет 99% от теоретически возможной скорости передачи данных. Высокая надежность двойного кольца при условии всего выше сказанного заставляет потребителей продолжать покупать оборудование FDDI.

Принцип действия сети FDDI Сеть FDDI представляет собой волоконно-оптическое маркерное кольцо со скоростью передачи данных 100 Мбит/сек. Стандарт FDDI был разработан комитетом X3T9.5 Американского национального института стандартизации (ANSI). Сети FDDI поддерживается всеми ведущими производителями сетевого оборудования. В настоящее время комитет ANSI X3T9.5 переименован в X3T12. Использование в качестве среды распространения волоконной оптики позволяет существенно расширить полосу пропускания кабеля и увеличить расстояния между сетевыми устройствами. Сравним пропускную способность сетей FDDI и Ethernet при многопользовательском доступе. Допустимый уровень утилизации сети Ethernet лежит в пределах 35% (3.5 Мбит/сек) от максимальной пропускной способности (10 Мбит/сек), в противном случае вероятность возникновения коллизий становится не слишком высокой и пропускная способность кабеля резко снизится. Для сетей FDDI допустимая утилизация может достигать 90-95% (90-95 Мбит/сек). Таким образом, пропускная способность FDDI приблизительно в 25 раз выше. Детерминированная природа протокола FDDI (возможность предсказания максимальной задержки при передаче пакета по сети и возможность обеспечить гарантированную полосу пропускания для каждой из станций) делает его идеальным для использования в сетевых АСУ в реальном времени и в приложениях, критичных ко времени передачи информации (например, для передачи видео и звуковой информации). Многие из своих ключевых свойств FDDI унаследовала от сетей Token Ring (стандарт IEEE 802.5). Прежде всего - это кольцевая топология и маркерный метод доступа к среде. Маркер - специальный сигнал, вращающийся по кольцу. Станция, получившая маркер, может передавать свои данные. Однако FDDI имеет и ряд принципиальных отличий от Token Ring, делающий ее более скоростным протоколом. Например, изменен алгоритм модуляции данных на физическом уровне. Token Ring использует схему манчестерского кодирования, требующую удвоения полосы передаваемого сигнала относительно передаваемых данных. В FDDI реализован алгоритм кодирования "пять из четырех" - 4В/5В, обеспечивающий передачу четырех информационных бит пятью передаваемыми битами. При передаче 100 Мбит информации в секунду физически в сеть транслируется 125 Мбит/сек, вместо 200 Мбит/сек, что потребовалось бы при использовании манчестерского кодирования. Оптимизировано и управление доступа к среде (Medium Access Control - VAC). В Token Ring оно основано на побитовой основе, а в FDDI на параллельной обработке группы из четырех или восьми передаваемых битов. Это снижает требования к быстродействию оборудования. Физически кольцо FDDI образовано волоконно-оптическим кабелем с двумя светопроводящими волокнами. Одно из них образует первичное кольцо (primary ring), является основным и используется для циркуляции маркеров данных. Второе волокно образует вторичное кольцо (secondary ring), является резервным и в нормальном режиме не используется. Станции, подключенные к сети FDDI, подразделяются на две категории. Станции класса А имеют физические подключения к первичному и вторичному кольцам (Dual Attached Station - двукратно подключенная станция); 2. Станции класса B имеют подключение только к первичному кольцу (Single Attached Station - однократно подключенная станция) и подключается только через специальные устройства, называемые концентраторами. Порты сетевых устройств, подключаемых к сети FDDI, классифицируются на 4 категории: А порты, В порты, М порты и S порты. Портом А называется порт, принимающий данные из первичного кольца и передающий их во вторичное кольцо. Порт В - это порт, принимающий данные из вторичного кольца и передающий их в первичное кольцо. М (Master) и S (Slave) порт передают и принимают данные с одного и того же кольца. М порт используется на концентраторе для подключения Single Attached Station через S порт. Стандарт X3T9.5 имеет ряд ограничений. Общая длина двойного волоконно-оптического кольца - до 100 км. К кольцу можно подключить до 500 станций класса А. Расстояние между узлами при использовании многомодового волоконно-оптического кабеля - до 2 км, а при использовании одномодового кабеля определяется в основном параметрами волокна и приемо-передающего оборудования (может достигать 60 и более км). Топология. Применяемые при построении ЛВС механизмы контроля потоков являются топологически зависимыми, что делает невозможным одновременное использование Ethernet IEEE 802.x, FDDI ANSI, Token Ring IEEE 802.6 и прочих в пределах единой среды распространения. Несмотря на тот факт, что Fibre Channel в какой-то мере может напоминать столь привычные нам ЛВС, его механизм контроля потоков никак не связан с топологией среды распространения и базируется на совершенно иных принципах. Каждый N_порт при подключении к решетке Fibre Channel проходит через процедуру регистрации (log-in) и получает информацию об адресном пространстве и возможностях всех остальных узлов, на основании чего становится ясно, с кем из них он сможет работать и на каких условиях. А так как механизм контроля потоков в Fibre Channel является прерогативой самой решетки, то для узла совершенно неважно, какая топология лежит в ее основе. Точка-точка Самая простая схема, основанная на последовательном полнодуплексном соединении двух N_портов с взаимоприемлемыми параметрами физического соединения и одинаковыми классами сервиса. Один из узлов получает адрес 0, а другой - 1. В сущности, такая схема может рассматриваться как частный случай кольцевой топологии, где нет необходимости в разграничении доступа путем арбитража. В качестве типичного примера такого подключения можем привести наиболее часто встречающееся соединение сервера с внешним RAID массивом. Петля с арбитражным доступом Классическая схема подключения до 126 портов, с которой все и начиналось, если судить по аббревиатуре FC-AL. Любые два порта в кольце могут обмениваться данными посредством полнодуплексного соединения точно так же, как и в случае "точка-точка". При этом все остальные выполняют роль пассивных повторителей сигналов уровня FC-1 с минимальными задержками, в чем, пожалуй, заключается одно из основных преимуществ технологии FC-AL перед SSA. Дело в том, что адресация в SSA построена на знании количества промежуточных портов между отправителем и получателем, поэтому адресный заголовок кадра SSA содержит счетчик переходов (hop count). Каждый встречающийся на пути кадра порт уменьшает содержимое этого счетчика на единицу и после этого заново генерирует CRC, тем самым существенно увеличивая задержку передачи между портами. Для избежания этого нежелательного эффекта разработчики FC-AL предпочли использовать абсолютную адресацию, что в итоге позволило ретранслировать кадр в неизменном виде и с минимальной латентностью. Передаваемое с целью арбитража слово ARB не понимается и не используется обычными N_портами, поэтому при такой топологии дополнительные свойства узлов обозначаются, как NL_порт. Основным преимуществом петли с арбитражным доступом является низкая себестоимость в пересчете на количество подключенных устройств, поэтому наиболее часто она используется для объединения большого количества жестких дисков с дисковым контроллером. К сожалению, выход их строя любого NL_порта или соединительного кабеля размыкает петлю и делает ее неработоспособной, из-за чего в чистом виде такая схема сейчас уже не считается пер...

Технология FDDI во многом основывается на технологии Token Ring, развивая и совершенствуя ее основные идеи. Разработчики технологии FDDI ставили перед собой в качестве наиболее приоритетных следующие цели:

Повысить битовую скорость передачи данных до 100 Мб/с.

Повысить отказоустойчивость сети за счет стандартных процедур восстановления ее после отказов различного рода - повреждения кабеля, некорректной работы узла, концентратора, возникновения высокого уровня помех на линии и т.п.

Максимально эффективно использовать потенциальную пропускную способность сети как для асинхронного, так и для синхронного трафиков.

Сеть FDDI строится на основе двух оптоволоконных колец, которые образуют основной и резервный пути передачи данных между узлами сети. Использование двух колец - это основной способ повышения отказоустойчивости в сети FDDI, и узлы, которые хотят им воспользоваться, должны быть подключены к обоим кольцам. В нормальном режиме работы сети данные проходят через все узлы и все участки кабеля первичного (Primary) кольца, поэтому этот режим назван режимом Thru - "сквозным" или "транзитным". Вторичное кольцо (Secondary) в этом режиме не используется.

В случае какого-либо вида отказа, когда часть первичного кольца не может передавать данные (например, обрыв кабеля или отказ узла), первичное кольцо объединяется со вторичным (рис. 31), образуя вновь единое кольцо. Этот режим работы сети называется Wrap, то есть "свертывание" или "сворачивание" колец. Операция свертывания производится силами концентраторов и/или сетевых адаптеров FDDI. Для упрощения этой процедуры данные по первичному кольцу всегда передаются против часовой стрелки, а по вторичному - по часовой. Поэтому при образовании общего кольца из двух колец передатчики станций по-прежнему остаются подключенными к приемникам соседних станций, что позволяет правильно передавать и принимать информацию соседними станциями.

В стандартах FDDI отводится много внимания различным процедурам, которые позволяют определить наличие отказа в сети, а затем произвести необходимую реконфигурацию. Сеть FDDI может полностью восстанавливать свою работоспособность в случае единичных отказов ее элементов. При множественных отказах сеть распадается на несколько не связанных сетей.

Рис. 31. Реконфигурация колец FDDI при отказе

Кольца в сетях FDDI рассматриваются как общая разделяемая среда передачи данных, поэтому для нее определен специальный метод доступа. Этот метод очень близок к методу доступа сетей Token Ring и также называется методом маркерного (или токенного) кольца - token ring (рис. 32, а).

Станция может начать передачу своих собственных кадров данных только в том случае, если она получила от предыдущей станции специальный кадр - токен доступа (рис. 32, б). После этого она может передавать свои кадры, если они у нее имеются, в течение времени, называемого временем удержания токена - Token Holding Time (THT). После истечения времени THT станция обязана завершить передачу своего очередного кадра и передать токен доступа следующей станции. Если же в момент принятия токена у станции нет кадров для передачи по сети, то она немедленно транслирует токен следующей станции. В сети FDDI у каждой станции есть предшествующий сосед (upstream neighbor) и последующий сосед (downstream neighbor), определяемые ее физическими связями и направлением передачи информации.

Каждая станция в сети постоянно принимает передаваемые ей предшествующим соседом кадры и анализирует их адрес назначения. Если адрес назначения не совпадает с ее собственным, то она транслирует кадр своему последующему соседу (рис. 32, в). Нужно отметить, что, если станция захватила токен и передает свои собственные кадры, то на протяжении этого периода времени она не транслирует приходящие кадры, а удаляет их из сети.

Если же адрес кадра совпадает с адресом станции, то она копирует кадр в свой внутренний буфер, проверяет его корректность (в основном, по контрольной сумме), передает его поле данных для последующей обработки протоколу, лежащего выше FDDI уровня (например, IP), а затем передает исходный кадр по сети последующей станции (рис. 32, г). В передаваемом в сеть кадре станция назначения отмечает три признака: распознавания адреса, копирования кадра и отсутствия или наличия в нем ошибок.

После этого кадр продолжает путешествовать по сети, транслируясь каждым узлом. Станция, являющаяся источником кадра для сети, ответственна за то, чтобы удалить кадр из сети, после того, как он, совершив полный оборот, вновь дойдет до нее (рис. 32, д). При этом исходная станция проверяет признаки кадра, дошел ли он до станции назначения и не был ли при этом поврежден. Процесс восстановления информационных кадров не входит в обязанности протокола FDDI, этим должны заниматься протоколы более высоких уровней.

Рис. 32. Обработка кадров станциями кольца FDDI

На рисунке 33 приведена структура протоколов технологии FDDI в сравнении с семиуровневой моделью OSI. FDDI определяет протокол физического уровня и протокол подуровня доступа к среде (MAC) канального уровня. Как и многие другие технологии локальных сетей, технология FDDI использует протокол 802.2 подуровня управления каналом данных (LLC), определенный в стандартах IEEE 802.2 и ISO 8802.2. FDDI использует первый тип процедур LLC, при котором узлы работают в дейтаграммном режиме - без установления соединений и без восстановления потерянных или поврежденных кадров.

Рис. 33. Структура протоколов технологии FDDI

Физический уровень разделен на два подуровня: независимый от среды подуровень PHY (Physical), и зависящий от среды подуровень PMD (Physical Media Dependent). Работу всех уровней контролирует протокол управления станцией SMT (Station Management).

Уровень PMD обеспечивает необходимые средства для передачи данных от одной станции к другой по оптоволокну. В его спецификации определяются:

Требования к мощности оптических сигналов и к многомодовому оптоволоконному кабелю 62.5/125 мкм.

Требования к оптическим обходным переключателям (optical bypass switches) и оптическим приемопередатчикам.

Параметры оптических разъемов MIC (Media Interface Connector), их маркировка.

Длина волны в 1300 нанометров, на которой работают приемопередатчики.

Представление сигналов в оптических волокнах в соответствии с методом NRZI.

Спецификация TP-PMD определяет возможность передачи данных между станциями по витой паре в соответствии с методом MLT-3. Спецификации уровней PMD и TP-PMD уже были рассмотрены в разделах, посвященных технологии Fast Ethernet.

Уровень PHY выполняет кодирование и декодирование данных, циркулирующих между MAC-уровнем и уровнем PMD, а также обеспечивает тактирование информационных сигналов. В его спецификации определяются:

кодирование информации в соответствии со схемой 4B/5B;

правила тактирования сигналов;

требования к стабильности тактовой частоты 125 МГц;

правила преобразования информации из параллельной формы в последовательную.

Уровень MAC ответственен за управление доступом к сети, а также за прием и обработку кадров данных. В нем определены следующие параметры:

Протокол передачи токена.

Правила захвата и ретрансляции токена.

Формирование кадра.

Правила генерации и распознавания адресов.

Правила вычисления и проверки 32-разрядной контрольной суммы.

Уровень SMT выполняет все функции по управлению и мониторингу всех остальных уровней стека протоколов FDDI. В управлении кольцом принимает участие каждый узел сети FDDI. Поэтому все узлы обмениваются специальными кадрами SMT для управления сетью. В спецификации SMT определено следующее:

Алгоритмы обнаружения ошибок и восстановления после сбоев.

Правила мониторинга работы кольца и станций.

Управление кольцом.

Процедуры инициализации кольца.

Отказоустойчивость сетей FDDI обеспечивается за счет управления уровнем SMT другими уровнями: с помощью уровня PHY устраняются отказы сети по физическим причинам, например, из-за обрыва кабеля, а с помощью уровня MAC - логические отказы сети, например, потеря нужного внутреннего пути передачи токена и кадров данных между портами концентратора.

В следующей таблице представлены результаты сравнения технологии FDDI с технологиями Ethernet и Token Ring.

Характеристика		Ethernet	Token Ring
Битовая скорость
Топология	Двойное кольцо деревьев	Шина/звезда	Звезда/кольцо
Метод доступа	Доля от времени оборота токена		Приоритетная система резервирования
Среда передачи данных	Многомодовое оптоволокно, неэкранированная витая пара	Толстый коаксиал, тонкий коаксиал, витая пара, оптоволокно	Экранированная и неэкранированная витая пара, оптоволокно
Максимальная длина сети (без мостов)	200 км (100 км на кольцо)
Максимальное расстояние между узлами	2 км (-11 dB потерь между узлами)
Максимальное количество узлов	500 (1000 соединений)		260 для экранированной витой пары, 72 для неэкранированной витой пары
Тактирование и восстановление после отказов	Распределенная реализация тактирования и восстановления после отказов	Не определены	Активный монитор

Технология Fiber Distributed Data Interface - первая технология локальных сетей, которая использовала в качестве среды передачи данных оптоволоконный кабель.

Попытки применения света в качестве среды, несущей информацию, предпринимались давно - еще в 1880 году Александр Белл запатентовал устройство, которое передавало речь на расстояние до 200 метров с помощью зеркала, вибрировавшего синхронно со звуковыми волнами и модулировавшего отраженный свет.

Работы по использованию света для передачи информации активизировались в 1960-е годы в связи с изобретением лазера, который мог обеспечить модуляцию света на очень высоких частотах, то есть создать широкополосный канал для передачи большого количества информации с высокой скоростью. Примерно в то же время появились оптические волокна, которые могли передавать свет в кабельных системах, подобно тому как медные провода передают электрические сигналы в традиционных кабелях. Однако потери света в этих волокнах были слишком велики, чтобы они могли быть использованы как альтернатива медным жилам. Недорогие оптические волокна, обеспечивающие низкие потери мощности светового сигнала и широкую полосу пропускания (до нескольких ГГц) появились только в 1970-е годы. В начале 1980-х годов началось промышленная установка и эксплуатация оптоволоконных каналов связи для территориальных телекоммуникационных систем.

В 1980-е годы начались также работы по созданию стандартных технологий и устройств для использования оптоволокнных каналов в локальных сетях. Работы по обобщению опыта и разработке первого оптоволоконного стандарта для локальных сетей были сосредоточены в Американском Национальном Институте по Стандартизации - ANSI, в рамках созданного для этой цели комитета X3T9.5.

Начальные версии различных составляющих частей стандарта FDDI были разработаны комитетом Х3Т9.5 в 1986 - 1988 годах, и тогда же появилось первое оборудование - сетевые адаптеры, концентраторы, мосты и маршрутизаторы, поддерживающие этот стандарт.

В настоящее время большинство сетевых технологий поддерживают оптоволоконные кабели в качестве одного из вариантов физического уровня, но FDDI остается наиболее отработанной высокоскоростной технологией, стандарты на которую прошли проверку временем и устоялись, так что оборудование различных производителей показывает хорошую степень совместимости

Основы технологии FDDI

Повысить битовую скорость передачи данных до 100 Мб/с;
Повысить отказоустойчивость сети за счет стандартных процедур восстановления ее после отказов различного рода - повреждения кабеля, некорректной работы узла, концентратора, возникновения высокого уровня помех на линии и т.п.;
Максимально эффективно использовать потенциальную пропускную способность сети как для асинхронного, так и для синхронного трафиков.

Сеть FDDI строится на основе двух оптоволоконных колец, которые образуют основной и резервный пути передачи данных между узлами сети. Использование двух колец - это основной способ повышения отказоустойчивости в сети FDDI, и узлы, которые хотят им воспользоваться, должны быть подключены к обоим кольцам. В нормальном режиме работы сети данные проходят через все узлы и все участки кабеля первичного (Primary) кольца, поэтому этот режим назван режимом Thru - "сквозным" или "транзитным". Вторичное кольцо (Secondary) в этом режиме не используется.

В случае какого-либо вида отказа, когда часть первичного кольца не может передавать данные (например, обрыв кабеля или отказ узла), первичное кольцо объединяется со вторичным (рисунок 2.1), образуя вновь единое кольцо. Этот режим работы сети называется Wrap , то есть "свертывание" или "сворачивание" колец. Операция свертывания производится силами концентраторов и/или сетевых адаптеров FDDI. Для упрощения этой процедуры данные по первичному кольцу всегда передаются против часовой стрелки, а по вторичному - по часовой. Поэтому при образовании общего кольца из двух колец передатчики станций по-прежнему остаются подключенными к приемникам соседних станций, что позволяет правильно передавать и принимать информацию соседними станциями.

Рис. 2.1. Реконфигурация колец FDDI при отказе

Станция может начать передачу своих собственных кадров данных только в том случае, если она получила от предыдущей станции специальный кадр - токен доступа (рисунок 2.2, б). После этого она может передавать свои кадры, если они у нее имеются, в течение времени, называемого временем удержания токена - Token Holding Time (THT). После истечения времени THT станция обязана завершить передачу своего очередного кадра и передать токен доступа следующей станции. Если же в момент принятия токена у станции нет кадров для передачи по сети, то она немедленно транслирует токен следующей станции. В сети FDDI у каждой станции есть предшествующий сосед (upstream neighbor) и последующий сосед (downstream neighbor), определяемые ее физическими связями и направлением передачи информации.

Рис. 2.2. Обработка кадров станциями кольца FDDI

Каждая станция в сети постоянно принимает передаваемые ей предшествующим соседом кадры и анализирует их адрес назначения. Если адрес назначения не совпадает с ее собственным, то она транслирует кадр своему последующему соседу. Этот случай приведен на рисунке (рисунок 2.2, в). Нужно отметить, что, если станция захватила токен и передает свои собственные кадры, то на протяжении этого периода времени она не транслирует приходящие кадры, а удаляет их из сети.

Если же адрес кадра совпадает с адресом станции, то она копирует кадр в свой внутренний буфер, проверяет его корректность (в основном по контрольной сумме), передает его поле данных для последующей обработки протоколу лежащего выше над FDDI уровня (например, IP), а затем передает исходный кадр по сети последующей станции (рисунок 2.2, г). В передаваемом в сеть кадре станция назначения отмечает три признака: распознавания адреса, копирования кадра и отсутствия или наличия в нем ошибок.

После этого кадр продолжает путешествовать по сети, транслируясь каждым узлом. Станция, являющаяся источником кадра для сети, ответственна за то, чтобы удалить кадр из сети, после того, как он, совершив полный оборот, вновь дойдет до нее (рисунок 2.2, д). При этом исходная станция проверяет признаки кадра, дошел ли он до станции назначения и не был ли при этом поврежден. Процесс восстановления информационных кадров не входит в обязанности протокола FDDI, этим должны заниматься протоколы более высоких уровней.

На рисунке 2.3 приведена структура протоколов технологии FDDI в сравнении с семиуровневой моделью OSI. FDDI определяет протокол физического уровня и протокол подуровня доступа к среде (MAC) канального уровня. Как и многие другие технологии локальных сетей, технология FDDI использует протокол 802.2 подуровня управления каналом данных (LLC), определенный в стандартах IEEE 802.2 и ISO 8802.2. FDDI использует первый тип процедур LLC, при котором узлы работают в дейтаграммном режиме - без установления соединений и без восстановления потерянных или поврежденных кадров.

Рис. 2.3. Структура протоколов технологии FDDI

Физический уровень разделен на два подуровня: независимый от среды подуровень PHY (Physical), и зависящий от среды подуровень PMD (Physical Media Dependent). Работу всех уровней контролирует протокол управления станцией SMT (Station Management).

Уровень PMD обеспечивает необходимые средства для передачи данных от одной станции к другой по оптоволокну. В его спецификации определяются:

Требования к мощности оптических сигналов и к многомодовому оптоволоконному кабелю 62.5/125 мкм;
Требования к оптическим обходным переключателям (optical bypass switches) и оптическим приемопередатчикам;
Параметры оптических разъемов MIC (Media Interface Connector), их маркировка;
Длина волны в 1300 нанометров, на которой работают приемопередатчики;
Представление сигналов в оптических волокнах в соответствии с методом NRZI.

Уровень PHY выполняет кодирование и декодирование данных, циркулирующих между MAC-уровнем и уровнем PMD, а также обеспечивает тактирование информационных сигналов. В его спецификации определяются:

кодирование информации в соответствии со схемой 4B/5B;
правила тактирования сигналов;
требования к стабильности тактовой частоты 125 МГц;
правила преобразования информации из параллельной формы в последовательную.

Уровень MAC ответственен за управление доступом к сети, а также за прием и обработку кадров данных. В нем определены следующие параметры.

10.2. Технология FDDI

Технология FDDI (Fiber Distributed Data Interface) - оптоволоконный интерфейс распределенных данных - это первая технология локальных сетей, в которой средой передачи данных является волоконно-оптический кабель. Работы по созданию технологий и устройств для использования волоконно-оптических каналов в локальных сетях начались в 80-е годы, вскоре после начала промышленной эксплуатации подобных каналов в территориальных сетях. Перед разработчиками стояла задача: разработки стандарта локальной сети, построенной на оптоволоконном кабеле, обеспечивающей скорость 100 Мбит/с и имеющей длину кольца до 100 км.
^

Основные характеристики технологии

Технология FDDI во многом основывается на технологии Token Ring, развивая и совершенствуя ее основные идеи. Разработчики технологии FDDI ставили перед собой в качестве наиболее приоритетных следующие цели :

повысить битовую скорость передачи данных до 100 Мбит/с;
повысить отказоустойчивость сети за счет стандартных процедур восстановления ее после отказов различного рода - повреждения кабеля, некорректной работы узла, концентратора, возникновения высокого уровня помех на линии и т. п.;
максимально эффективно использовать потенциальную пропускную способность сети как для асинхронного, так и для синхронного (чувствительного к задержкам) трафиков.

Сеть FDDI строится на основе двух оптоволоконных колец, которые образуют основной и резервный пути передачи данных между узлами сети. Наличие двух колец - это основной способ повышения отказоустойчивости в сети FDDI, и узлы, которые хотят воспользоваться этим повышенным потенциалом надежности, должны быть подключены к обоим кольцам.

В нормальном режиме работы сети данные проходят через все узлы и все участки кабеля только первичного (Primary) кольца, этот режим назван режимом Thru - «сквозным» или «транзитным». Вторичное кольцо (Secondary) в этом режиме не используется.

В случае какого-либо вида отказа, когда часть первичного кольца не может передавать данные (например, обрыв кабеля или отказ узла), первичное кольцо объединяется со вторичным (рис. 76), вновь образуя единое кольцо. Этот режим работы сети называется Wrap, то есть «свертывание» или «сворачивание» колец. Операция свертывания производится средствами концентраторов и/или сетевых адаптеров FDDI. Для упрощения этой процедуры данные по первичному кольцу всегда передаются в одном направлении (на диаграммах это направление изображается против часовой стрелки), а по вторичному - в обратном (изображается по часовой стрелке). Поэтому при образовании общего кольца из двух колец передатчики станций по-прежнему остаются подключенными к приемникам соседних станций, что позволяет правильно передавать и принимать информацию соседними станциями.

Рис. 76. Реконфигурация колец FDDI при отказе

В стандартах FDDI много внимания отводится различным процедурам, которые позволяют определить наличие отказа в сети, а затем произвести необходимую реконфигурацию. Сеть FDDI может полностью восстанавливать свою работоспособность в случае единичных отказов ее элементов. При множественных отказах сеть распадается на несколько не связанных сетей.

Кольца в сетях FDDI рассматриваются как общая разделяемая среда передачи данных, поэтому для нее определен специальный метод доступа. Этот метод доступа очень близок к методу доступа сетей Token Ring и также называется методом маркерного (или токенного) кольца - token ring.

Отличия метода доступа заключаются в том, что время удержания маркера в сети FDDI не является постоянной величиной, как в сети Token Ring. Это время зависит от загрузки кольца - при небольшой загрузке оно увеличивается, а при больших перегрузках может уменьшаться до нуля. Эти изменения в методе доступа касаются только асинхронного трафика, который не критичен к небольшим задержкам передачи кадров. Для синхронного трафика время удержания маркера по-прежнему остается фиксированной величиной. Механизм приоритетов кадров, аналогичный принятому в технологии Token Ring, в технологии FDDI отсутствует. Разработчики технологии решили, что деление трафика на 8 уровней приоритетов избыточно и достаточно разделить трафик на два класса - асинхронный и синхронный, последний из которых обслуживается всегда, даже при перегрузках кольца.

В остальном пересылка кадров между станциями кольца на уровне MAC полностью соответствует технологии Token Ring. Станции FDDI применяют алгоритм раннего освобождения маркера, как и сети Token Ring со скоростью 16 Мбит/с.

Адреса уровня MAC имеют стандартный для технологий IEEE 802 формат. Формат кадра FDDI близок к формату кадра Token Ring, основные отличия заключаются в отсутствии полей приоритетов. Признаки распознавания адреса, копирования кадра и ошибки позволяют сохранить имеющиеся в сетях Token Ring процедуры обработки кадров станцией-отправителем, промежуточными станциями и станцией-получателем.

^ На рис. 77 приведено соответствие структуры протоколов технологии FDDI семиуровневой модели OSI. FDDI определяет протокол физического уровня и протокол подуровня доступа к среде (MAC) канального уровня. Как и во многих других технологиях локальных сетей, в технологии FDDI используется протокол подуровня управления каналом данных LLC, определенный в стандарте IEEE 802.2. Таким образом, несмотря на то что технология FDDI была разработана и стандартизована институтом ANSI, а не комитетом IEEE, она полностью вписывается в структуру стандартов 802.

Рис. 77. Структура протоколов технологии FDDI

Отличительной особенностью технологии FDDI является уровень управления станцией - Station Management (SMT). Именно уровень SMT выполняет все функции по управлению и мониторингу всех остальных уровней стека протоколов FDDI. В управлении кольцом принимает участие каждый узел сети FDDI. Поэтому все узлы обмениваются специальными кадрами SMT для управления сетью.

Отказоустойчивость сетей FDDI обеспечивается протоколами и других уровней: с помощью физического уровня устраняются отказы сети по физическим причинам, например из-за обрыва кабеля, а с помощью уровня MAC - логические отказы сети, например потеря нужного внутреннего пути передачи маркера и кадров данных между портами концентратора.
^

Особенности метода доступа FDDI

Для передачи синхронных кадров станция всегда имеет право захватить маркер при его поступлении. При этом время удержания маркера имеет заранее заданную фиксированную величину .

Если же станции кольца FDDI нужно передать асинхронный кадр (тип кадра определяется протоколами верхних уровней), то для выяснения возможности захвата маркера при его очередном поступлении станция должна измерить интервал времени, который прошел с момента предыдущего прихода маркера. Этот интервал называется временем оборота маркера (Token Rotation Time, TRT) . Интервал TRT сравнивается с другой величиной - максимально допустимым временем оборота маркера по кольцу Т_0рг . Если в технологии Token Ring максимально допустимое время оборота маркера является фиксированной величиной (2,6 с из расчета 260 станций в кольце), то в технологии FDDI станции договариваются о величине Т_0рг во время инициализации кольца. Каждая станция может предложить свое значение Т_0рг, в результате для кольца устанавливается минимальное из предложенных станциями времен. Это позволяет учитывать потребности приложений, работающих на станциях. Обычно синхронным приложениям (приложениям реального времени) нужно чаще передавать данные в сеть небольшими порциями, а асинхронным приложениям лучше получать доступ к сети реже, но большими порциями. Предпочтение отдается станциям, передающим синхронный трафик.

Таким образом, при очередном поступлении маркера для передачи асинхронного кадра сравнивается фактическое время оборота маркера TRT с максимально возможным Т_0рг. Если кольцо не перегружено, то маркер приходит раньше, чем истекает интервал Т_0рг, то есть TRT < Т_0рг. В этом случае станции разрешается захватить маркер и передать свой кадр (или кадры) в кольцо. Время удержания маркера ТНТ равно разности T_0pr - TRT, и в течение этого времени станция передает в кольцо столько асинхронных кадров, сколько успеет.

Если же кольцо перегружено и маркер опоздал, то интервал TRT будет больше Т_0рг. В этом случае станция не имеет права захватить маркер для асинхронного кадра. Если все станции в сети хотят передавать только асинхронные кадры, а маркер сделал оборот по кольцу слишком медленно, то все станции пропускают маркер в режиме повторения, маркер быстро делает очередной оборот и на следующем цикле работы станции уже имеют право захватить маркер и передать свои кадры.

Метод доступа FDDI для асинхронного трафика является адаптивным и хорошо регулирует временные перегрузки сети.
^

Отказоустойчивость технологии FDDI

Для обеспечения отказоустойчивости в стандарте FDDI предусмотрено создание двух оптоволоконных колец - первичного и вторичного. В стандарте FDDI допускаются два вида подсоединения станций к сети. Одновременное подключение к первичному и вторичному кольцам называется двойным подключением - Dual Attachment, DA. Подключение только к первичному кольцу называется одиночным подключением - Single Attachment, SA.

^ В стандарте FDDI предусмотрено наличие в сети конечных узлов - станций (Station), а также концентраторов (Concentrator). Для станций и концентраторов допустим любой вид подключения к сети - как одиночный, так и двойной. Соответственно такие устройства имеют соответствующие названия: SAS (Single Attachment Station), DAS (Dual Attachment Station), SAC (Single Attachment Concentrator) и DAC (Dual Attachment Concentrator).

^ Обычно концентраторы имеют двойное подключение, а станции - одинарное, как это показано на рис. 78, хотя это и не обязательно. Чтобы устройства легче было правильно присоединять к сети, их разъемы маркируются. Разъемы типа А и В должны быть у устройств с двойным подключением, разъем М (Master) имеется у концентратора для одиночного подключения станции, у которой ответный разъем должен иметь тип S (Slave).

Рис. 78. Подключение узлов к кольцам FDDI

В случае однократного обрыва кабеля между устройствами с двойным подключением сеть FDDI сможет продолжить нормальную работу за счет автоматической реконфигурации внутренних путей передачи кадров между портами концентратора (рис. 79). Двукратный обрыв кабеля приведет к образованию двух изолированных сетей FDDI. При обрыве кабеля, идущего к станции с одиночным подключением, она становится отрезанной от сети, а кольцо продолжает работать за счет реконфигурации внутреннего пути в концентраторе - порт М, к которому была подключена данная станция, будет исключен из общего пути.

Рис. 79. Реконфигурация сети FDDI при обрыве провода

Для сохранения работоспособности сети при отключении питания в станциях с двойным подключением, то есть станциях DAS, последние должны быть оснащены оптическими обходными переключателями (Optical Bypass Switch), которые создают обходной путь для световых потоков при исчезновении питания, которое они получают от станции .

И наконец, станции DAS или концентраторы DAC можно подключать к двум портам М одного или двух концентраторов, создавая древовидную структуру с основными и резервными связями. По умолчанию порт В поддерживает основную связь, а порт А - резервную. Такая конфигурация называется подключением Dual Homing

Отказоустойчивость поддерживается за счет постоянного слежения уровня SMT концентраторов и станций за временными интервалами циркуляции маркера и кадров, а также за наличием физического соединения между соседними портами в сети. В сети FDDI нет выделенного активного монитора - все станции и концентраторы равноправны, и при обнаружении отклонений от нормы они начинают процесс повторной инициализации сети, а затем и ее реконфигурации.

Реконфигурация внутренних путей в концентраторах и сетевых адаптерах выполняется специальными оптическими переключателями, которые перенаправляют световой луч и имеют достаточно сложную конструкцию.
^

Физический уровень технологии FDDI

В технологии FDDI для передачи световых сигналов по оптическим волокнам реализовано логическое кодирование 4В/5В в сочетании с физическим кодированием NRZI. Эта схема приводит к передаче по линии связи сигналов с тактовой частотой 125 МГц .

Так как из 32 комбинаций 5-битных символов для кодирования исходных 4-битных символов нужно только 16 комбинаций, то из оставшихся 16 выбрано несколько кодов, которые используются как служебные. К наиболее важным служебным символам относится символ Idle - простой, который постоянно передается между портами в течение пауз между передачей кадров данных. За счет этого станции и концентраторы сети FDDI имеют постоянную информацию о состоянии физических соединений своих портов. В случае отсутствия потока символов Idle фиксируется отказ физической связи и производится реконфигурация внутреннего пути концентратора или станции, если это возможно.

^ При первоначальном соединении кабелем двух узлов их порты сначала выполняют процедуру установления физического соединения. В этой процедуре используются последовательности служебных символов кода 4В/5В, с помощью которых создается некоторый язык команд физического уровня. Эти команды позволяют портам выяснить друг у друга типы портов (А, В, М или S) и решить, корректно ли данное соединение (например, соединение S-S является некорректным и т. п.). Если соединение корректно, то далее выполняется тест качества канала при передаче символов кодов 4В/5В, а затем проверяется работоспособность уровня MAC соединенных устройств путем передачи нескольких кадров MAC. Если все тесты прошли успешно, то физическое соединение считается установленным. Работу по установлению физического соединения контролирует протокол управления станцией SMT.

Физический уровень разделен на два подуровня: независимый от среды подуровень PHY (Physical) и зависящий от среды подуровень PMD (Physical Media Dependent) (см. рис. 77).

Технология FDDI в настоящее время поддерживает два подуровня PMD: для волоконно-оптического кабеля и для неэкранированной витой пары категории 5. Последний стандарт появился позже оптического и носит название TP-PMD.

Оптоволоконный подуровень PMD обеспечивает необходимые средства для передачи данных от одной станции к другой по оптическому волокну. Его спецификация определяет:

использование в качестве основной физической среды многомодового волоконно-оптического кабеля 62,5/125 мкм;
требования к мощности оптических сигналов и максимальному затуханию между узлами сети. Для стандартного многомодового кабеля эти требования приводят к предельному расстоянию между узлами в 2 км, а для одномодового кабеля расстояние увеличивается до 10-40 км в зависимости от качества кабеля;
требования к оптическим обходным переключателям (optical bypass switches) и оптическим приемопередатчикам;
параметры оптических разъемов MIC (Media Interface Connector), их маркировку;
использование для передачи света с длиной волны в 1300 нм;
представление сигналов в оптических волокнах в соответствии с методом NRZI.

Подуровень TP-PMD определяет возможность передачи данных между станциями по витой паре в соответствии с методом физического кодирования MLT-3, использующего два уровня потенциала: +V и -V для представления данных в кабеле. Для получения равномерного по мощности спектра сигнала данные перед физическим кодированием проходят через скрэмблер. Максимальное расстояние между узлами в соответствии со стандартом TP-PMD равно 100 м.

Максимальная общая длина кольца FDDI составляет 100 километров, максимальное число станций с двойным подключением в кольце - 500.
^

Сравнение FDDI с технологиями Ethernet и Token Ring

В табл. 3.7 представлены результаты сравнения технологии FDDI с технологиями Ethernet и Token Ring.

Таблица 3.7. Характеристики технологий FDDI, Ethernet, Token Ring

Технология FDDI разрабатывалась для применения в ответственных участках сетей - на магистральных соединениях между крупными сетями, например сетями зданий, а также для подключения к сети высокопроизводительных серверов. Поэтому главным для разработчиков было обеспечить высокую скорость передачи данных, отказоустойчивость на уровне протокола и большие расстояния между узлами сети. Все эти цели были достигнуты. В результате технология FDDI получилась качественной, но весьма дорогой. Даже появление более дешевого варианта для витой пары не намного снизило стоимость подключения одного узла к сети FDDI. Поэтому практика показала, что основной областью применения технологии FDDI стали магистрали сетей, состоящих из нескольких зданий, а также сети масштаба крупного города, то есть класса MAN. Для подключения клиентских компьютеров и даже небольших серверов технология оказалась слишком дорогой. А поскольку оборудование FDDI выпускается уже около 10 лет, значительного снижения его стоимости ожидать не приходится.

.
^ Технология сетей ARCNet
При подключении устройств в ARCNet применяют топологию «шина» или «звезда». Адаптеры ARCNet поддерживают метод доступа Token Bus (маркерная шина) и обеспечивают производительность 2,5 Мбит/с. Этот метод предусматривает следующие правила:

Все устройства, подключенные к сети, могут передавать данные, только получив разрешение на передачу (маркер);

в любой момент времени только одна станция в сети обладает таким правом;

кадр, передаваемый одной станцией, одновременно анализируется всеми остальными станциями сети.

В сетях ARCNet используется асинхронный метод передачи данных (в Ethernet и Token Ring - синхронный метод), т. е. передача каждого байта в них выполняется посылкой ISU (Information Symbol Unit - единица передачи информации), состоящей из трех служебных старт/стоповых битов и восьми битов данных.

^ В ARCNet определены 5 типов кадров (рис. 80) цифры обозначают длины полей кадров в байтах.):

Кадр ITT (Invitations To Transmit) - приглашение к передаче. Эта посылка передает управление от одного узла сети другому. Станция, принявшая такой кадр, получает право на передачу данных;

Кадр FBE (Free Buffer Enquiries) - запрос о готовности к приему данных. Этим кадром проверяется готовность узла к приему данных;

кадр DATA - с его помощью передается пакет данных;

Кадр АСК (ACKnowledgments) - подтверждение приема. Подтверждение готовности к приему данных (ответ на РВЕ) или подтверждение приема кадра DATA без шибок (ответ на DATA);

Кадр NAK (Negative ACKnowledgments) - неготовность к приему. Неготовность узла к приему данных (ответ на РВЕ) или принят кадр с ошибкой (ответ на DATA).

Рис. 80. Типы кадров для сетей ARCNet
АВ (Alert Burst) - начальный разделитель (выполняет функции преамбулы кадра); EOT (End Of Transmit) - символ конца передачи; DID (Destination Identification) - адрес приемника (ID-приемника). Если в поле заносится значение 00h, то кадр обрабатывается всеми станциями; ENQ (ENQuiry) - символ запроса о готовности к приему данных; SOH (Start Of Header) - символ начального заголовка; SID (Source Identification) - адрес источника (ID- источника); COUNT = 512-N, где N-длина пакета, байт; CRC - контрольная сумма; АСК (ACKnowledgments) - символ готовности к приему данных; NAK (Negative ACKnowledgments) - символ неготовности к приему данных
Все станции в сети ARCNet определяются 8-битовым ID (Identification - физический адрес сетевого адаптера). Этот адрес устанавливается переключателями на плате. Очередность передачи данных определяется физическими адресами станций (ID). Первой является станция с наибольшим адресом, затем следует станция с наименьшим адресом, далее - в порядке возрастания адресов. Каждая станция знает адрес следующей за ней станции (NextID или NID). Этот адрес определяется при выполнении процедуры реконфигурации системы. Выполнив передачу данных, станция передает право на передачу данных следующей станции при помощи кадра ITТ, при этом в поле DID устанавливается адрес NID. Следующая станция передает данные, затем кадр ITT и т. д. Таким образом, каждой станции предоставляется возможность передать свои данные.

Для передачи пакета станция сначала должна получить маркер. Получив маркер, узел посылает кадр FВЕ той станции, которой должны быть переданы данные. Если станция-приемник не готова, она отвечает кадром NAK, в противном случае - АСК. Получив АСК, узел, владеющий маркером, начинает передавать кадр DATA. Время ожидания ответа о получении данных составляет 75,6 мкс. Если получен ответ АСК, то передатчик передает маркер следующей станции. Если получен ответ NAK, то передатчик повторно передает приемнику кадр DATA. Затем вне зависимости от ответа маркер передается следующей станции.

Каждая станция начинает принимать кадр DATA, обнаружив передачу начального разделителя АВ. Затем она сравнивает значение адреса DID со своим адресом. Если адреса одинаковы или пришел broadcast-кадр, данные записываются в буфер станции, если нет - кадр игнорируется. Кадр считается нормально принятым, если он принят полностью и контрольная сумма совпадает со значением в поле CRC. Получив нормальный кадр DATA, станция передает ответ АСК. Если при приеме обнаружена ошибка, то передается ответ NAK. В ответ на широковещательный кадр DATA кадры АСК и NAK не передаются.

Реконфигурация сети выполняется автоматически всякий раз при включении новой станции или при потере маркера. Сетевой адаптер начинает реконфигурацию, если в течение 840 мс не получен кадр ITT. Это осуществляется посылкой специального кадра реконфигурации (Reconfiguration Burst). Такой кадр длиннее любого кадра, поэтому маркер будет разрушен (из-за коллизии) и никакая станция в сети не будет владеть маркером (т. е. правом на передачу). После приема кадра реконфигурации каждая станция переходит в состояние ожидания на время, равное 146x(256-ID) мкс. Если по окончании тайм-аута передач по сети не было (а это справедливо только для станции с наибольшим адресом ID), то узел передает кадр ITT с адресом DID, равным собственному ID. Если ни одна станция не ответила, узел увеличивает DID на единицу и повторяет передачу кадра ПТ и т. д. После положительного ответа маркер передается ответившей станции, а ее адрес ID запоминается как адрес следующей станции (NID). Эта операция повторяется, пока маркер не вернется к первому узлу (станции с максимальным адресом). При выполнении реконфигурации каждая станция в сети узнает следующую за ней станцию. Таким образом формируется логическое кольцо, определяющее последовательность передачи маркера.
^ Технология виртуальных сетей
Технология виртуальных сетей (Virtual LAN) является одним из наиболее важных аспектов коммутируемых сетей, обеспечивая переход от сетей с разделяемой средой к полностью коммутируемым системам. Основное назначение виртуальных сетей - ограничить область распространения широковещательного трафика, т. е. организовать небольшие широковещательные домены. Виртуальные сети обеспечивают сегментацию за счет создания логических, динамических широковещательных доменов.

Подобно широковещательным доменам на базе маршрутизаторов в виртуальной ЛВС широковещательные пакеты и пакеты с неизвестными адресами получают все устройства, если такие пакеты происходят из того же домена (виртуальной сети). Здесь нет ничего нового, такие же методы используются в традиционных сетях на базе концентраторов и маршрутизаторов. Однако в традиционных сетях трафик является широковещательным внутри образующего сегмент концентратора и маршрутизируется между концентраторами. При использовании виртуальных сетей кадры становятся широковещательными внутри VLAN и маршрутизируются между ними. Таким образом, виртуальные сети представляют собой не что иное, как более гибкий вариант традиционных ЛВС с несколько большими возможностями.

^ Виртуальная ЛВС (и связанные с ней коммутаторы) должна поддерживать различные типы физических сред. В коммутируемых сетях возможна работа централизованных ресурсов (магистралей) с более высокими скоростями, нежели скорость рабочих станций. Например, рабочие станции Ethernet (10 Мбит/с) могут работать с серверами Fast Ethernet, Gigabit Ethernet или ATM.

^ Каждый порт коммутатора должен обеспечивать поддержку более, чем одной виртуальной ЛВС. Это актуально даже в тех случаях, когда к портам коммутатора подключаются непосредственно рабочие станции (одной станции может потребоваться присутствие в нескольких виртуальных сетях). Некоторые коммутаторы ЛВС могут выполнять функции стандартной маршрутизации на сетевом уровне (IP и IPX), такая возможность позволяет организовать обмен данными между виртуальными ЛВС без использования внешних маршрутизаторов.

В эффективных реализациях виртуальных сетей серверы могут входить в несколько VLAN. Трафик в таком случае не передается через маршрутизатор или магистраль, что снижает нагрузку на сетевые магистрали и уменьшает задержку.

Во многих сетях устройства достаточно часто перемещаются с одного места на другое в пределах здания или территории предприятия. Администратор сети должен иметь возможность связать устройство или пользователя с виртуальными сетями независимо от местоположения. Использование коммутаторов обычно связано с необходимостью повышения производительности сети при одновременном снижении расходов на оборудование. Организация виртуальных ЛВС не должна снижать производительность сети. В виртуальных ЛВС широковещательный домен может объединять устройства, подключенные к одному или нескольким портам коммутатора или даже к портам разных коммутаторов. Так как VLAN организуются на базе логических групп пользователей, то расположение пользовательских станций не имеет значения в отличие от сетей на основе маршрутизаторов и концентраторов, где группы пользователей жестко определялись местоположением последних.

Широковещательный домен может содержать компьютеры, находящиеся в одном здании, городе или даже на значительном удалении друг от друга при поддержке виртуальных ЛВС с использованием WAN-каналов. Поскольку при обмене данными внутри группы маршрутизаторы не используются, обмен между станциями происходит гораздо быстрее.

Сегодня существует достаточно много вариантов реализации VLAN. Простые варианты VLAN представляют собой набор портов коммутатора, более сложные реализации позволяют создавать группы на основе других критериев. В общем случае возможности организации VLAN тесно связаны с возможностями коммутаторов.

^ Сети на базе портов.

Это простейший вариант организации виртуальной ЛВС. VLAN на базе портов обеспечивают высочайший уровень управляемости и безопасности. Устройства связываются в виртуальные сети на основе портов коммутатора, к которым эти устройства физически подключены. VLAN на базе портов являются статическими и для внесения изменений необходимо физическое переключение устройств.

Однако построенные на базе портов виртуальные сети имеют некоторые ограничения. Они очень просты в установке, но позволяют поддерживать для каждого порта только одну виртуальную ЛВС . Следовательно, такое решение мало приемлемо при использовании концентраторов или в сетях с мощными серверами, к которым обращается много пользователей (сервер не удастся включить в разные VLAN). Кроме того, виртуальные сети на основе портов не позволяют вносить в сеть изменения достаточно простым путем, поскольку при каждом изменении требуется физическое переключение устройств.

^ Сети на базе МАС-адресов.

Хотя этот тип виртуальных сетей относится к числу наиболее простых, VLAN на базе МАС-адресов настраивать сложнее, чем сети на основе физических портов. Виртуальная сеть на базе МАС-адресов группирует устройства, а программное обеспечение, например AutoTracker, делает группу широковещательным доменом (VLAN). Сети на базе МАС-адресов являются одним из наиболее безопасных и управляемых типов VLAN. Для получения доступа в виртуальную сеть устройство должно иметь МАС-адрес, известный программе AutoTracker.

Настройка виртуальной сети на основе МАС-адресов может отнять много времени. Кроме того, МАС-адреса «наглухо зашиты» в оборудование и может потребоваться много времени на выяснение адресов устройств в большой, территориально распределенной сети. Программа управления сетью OmniVision корпорации Xylan позволяет собрать адреса в масштабе всей сети автоматически, избавляя администратора от рутинной работы. С помощью этой программы можно настроить виртуальные сети, используя вместо МАС-адресов связанные с ними имена станций.

^ VLAN на сетевом уровне .

Виртуальные ЛВС сетевого уровня позволяют администратору связать трафик для того или иного протокола в соответствующей виртуальной сети. Точно таким же способом создаются широковещательные домены в сетях на основе маршрутизаторов. Протокол может быть задан в форме IP-подсети или сетевого номера IPX. Можно, к примеру, объединить в виртуальную ЛВС всех пользователей подсети, которая была организована до использования коммутаторов.

Спектр возможностей коммутатора, на базе которого строится VLAN, определяет гибкость виртуальных сетей данного типа. Многие виртуальные ЛВС сетевого уровня поддерживают системы на базе нескольких коммутаторов, тогда как другие могут работать только с одним устройством.

^ VLAN на базе протоколов.

Данный тип виртуальных сетей строится на базе заданного в каждом кадре типа протокола . Такой подход позволяет администратору задать критерии, по которым будет создаваться VLAN. Администратор может самостоятельно выбрать поля в заголовках кадров, по которым будет определяться принадлежность к виртуальной сети, и загрузить подготовленные правила во все коммутаторы сети. Например, можно поместить в одну виртуальную сеть всех пользователей, работающих с протоколом NetBios или IP . Для работы с данным типом виртуальных сетей администратор должен досконально разбираться в заголовках широковещательных кадров.

После того, как правила загружены в коммутаторы, устройства начинают работу с виртуальными сетями на основе заданных администратором правил.

^ Многоадресные (multicast) VLAN .

Многоадресный (multicast) трафик отличается от широковещательного (broadcast), который передается во всю сеть, и одноадресного (unicast), обеспечивающего связь «точка-точка». Многоадресный трафик представляет собой обмен «точка-многоточие» (один со многими) или многоточечный (многие со многими) и в последнее время становится все более популярным для различных сетевых приложений . Многоадресный режим можно использовать для видеоконференций, биржевых систем, новостей и подобных систем, где одна и та же информация передается многочисленным пользователям.

Виртуальные ЛВС с многоадресным трафиком создаются динамически путем прослушивания IGMP (Internet Group Management Protocol). Когда пользователь открывает приложение, использующее режим multicast, он динамически включается в виртуальную сеть, связанную с данным приложением. По окончании работы с программой пользователь удаляется из соответствующей виртуальной сети.

Многоадресный трафик в общем случае является стабильным потоком с достаточно широкой полосой. Следовательно, такой трафик лучше всего зафиксировать в одной виртуальной сети для предотвращения лавинной маршрутизации (flooding).

^ VLAN на базе правил .

Это наиболее мощная реализация VLAN, позволяющая администратору использовать любые комбинации критериев для создания виртуальных ЛВС. Включение устройств в виртуальные ЛВС можно осуществить всеми перечисленными выше способами при условии их поддержки установленными в сети коммутаторами . После того, как правила загружены во все коммутаторы, они обеспечивают организацию VLAN на основе заданных администратором критериев. Поскольку в таких сетях кадры постоянно просматриваются на предмет соответствия заданным критериям, принадлежность пользователей к виртуальным сетям может меняться в зависимости от текущей деятельности пользователей.

Виртуальные ЛВС на основе правил используют широкий набор критериев принадлежности к сети, включая все перечисленные выше варианты: МАС-адреса, адреса сетевого уровня, тип протокола и т.д. Можно также использовать любые комбинации критериев для создания правил, наиболее точно соответствующих вашим задачам.

^ VLAN для уполномоченных пользователей .

VLAN для уполномоченных пользователей обеспечивают высокий уровень безопасности в сети и предъявляют более строгие требования к пользователям для предоставления доступа к серверам или иным сетевым ресурсам. Например, сеть уполномоченных пользователей может быть создана для финансового отдела предприятия, и сотрудники других подразделений не смогут получить доступ в эту сеть, не имея соответствующих полномочий. Для поддержки таких сетей в коммутаторах обычно используются функции встроенных брандмауэров. Администратор может эффективно управлять доступом пользователей, задавая процедуру аутентификации. Хотя и другие варианты VLAN обеспечивают некоторые средства безопасности, но только в сетях уполномоченных пользователей это выполняется на достаточно высоком уровне.

Структурированная кабельная система

Структурированная кабельная система (СКС) является основополагающей базой на протяжении всего времени существования информационной сети. Это основа, от которой зависит функционирование всех приложений (рис. 81). Правильно спроектированная, смонтированная и администрируемая кабельная система снижает расходы любой организации на всех фазах своей жизни.

Рис. 81 . Сравнительные показатели среднего времени существования элементов распределенной системы обработки информации
По данным статистики несовершенные кабельные системы являются причиной до 70% всех простоев информационной сети. Несмотря на то, что кабельная система, как правило, существует дольше большинства других сетевых компонентов, ее стоимость составляет только 5% общих инвестиций в информационную сеть. Таким образом, использование структурированной кабельной систем является весьма убедительным способом инвестирования в производительность любой организации или компании.

Кабельная система является компонентом сети с самым продолжительным времем жизни, дольше которого существует только каркас здания. Кабельная система, созданная на основе стандартов, гарантирует долговременное функционирование сети и поддержку всех численных приложений, обеспечивая отдачу от инвестиций на всем протяжении ее существования.

Иерархия в кабельной системе

Структурированная кабельная система (Structured Cabling System, SCS) - это набор коммутационных элементов (кабелей, разъемов, коннекторов, кроссовых панелей и шкафов), а также методика их совместного использования, которая позволяет создавать регулярные, легко расширяемые структуры связей в вычислительных сетях.

Структурированная кабельная система представляет своего рода "конструктор", с помощью которого проектировщик сети строит нужную ему конфигурацию из стандартных кабелей, соединенных стандартными разъемами и коммутируемых на стандартных кроссовых панелях. При необходимости конфигурацию связей можно легко изменить - добавить компьютер, сегмент, коммутатор, изъять ненужное оборудование, а также поменять соединения между компьютерами и концентраторами.

При построении структурированной кабельной системы подразумевается, что каждое рабочее место на предприятии должно быть оснащено розетками для подключения телефона и компьютера, даже если в данный момент этого не требуется. То есть хорошая структурированная кабельная система строится избыточной . В будущем это может сэкономить средства, так как изменения в подключении новых устройств можно производить за счет перекоммутации уже проложенных кабелей.

^ Структурированная кабельная система планируется и строится иерархически, с главной магистралью и многочисленными ответвлениями от нее (рис. 82).

Рис. 82. Иерархия структурированной кабельной системы
Эта система может быть построена на базе уже существующих современных телефонных кабельных систем, в которых кабели, представляющие собой набор витых пар, прокладываются в каждом здании, разводятся между этажами, на каждом этаже используется специальный кроссовый шкаф, от которого провода в трубах и коробах подводятся к каждой комнате и разводятся по розеткам. К сожалению, в нашей стране даже далеко не во всех вновь стоящихся зданиях телефонные линии прокладываются витыми парами, поэтому они непригодны для создания компьютерных сетей, и кабельную систему в таком случае нужно строить заново.

Типичная иерархическая структура структурированной кабельной системы (рис. 83) включает:

горизонтальные подсистемы (в пределах этажа);
вертикальные подсистемы (внутри здания);
подсистему кампуса (в пределах одной территории с несколькими зданиями).

Рис. 83. Структура кабельных подсистем
Горизонтальная подсистема соединяет кроссовый шкаф этажа с розетками пользователей. Подсистемы этого типа соответствуют этажам здания. Вертикальная подсистема соединяет кроссовые шкафы каждого этажа с центральной аппаратной здания. Следующим шагом иерархии является подсистема кампуса , которая соединяет несколько зданий с главной аппаратной всего кампуса. Эта часть кабельной системы обычно называется магистралью (backbone).

Использование структурированной кабельной системы вместо хаотически проложенных кабелей дает предприятию много преимуществ .

Универсальность . Структурированная кабельная система при продуманной организации может стать единой средой для передачи компьютерных данных в локальной вычислительной сети, организации локальной телефонной сети, передачи видеоинформации и даже передачи сигналов от датчиков пожарной безопасности или охранных систем. Это позволяет автоматизировать многие процессы контроля, мониторинга и управления хозяйственными службами и системами жизнеобеспечения предприятия.
Увеличение срока службы . Срок морального старения хорошо структурированной кабельной системы может составлять 15 лет.
Уменьшение стоимости добавления новых пользователей и изменения их мест размещения . Известно, что стоимость кабельной системы значительна и определяется в основном не стоимостью кабеля, а стоимостью работ по его прокладке. Поэтому более выгодно провести однократную работу по прокладке кабеля, возможно, с большим запасом по длине, чем несколько раз выполнять прокладку, наращивая длину кабеля. При таком подходе все работы по добавлению или перемещению пользователя сводятся к подключению компьютера к уже имеющейся розетке.
Возможность легкого расширения сети . Структурированная кабельная система является модульной, поэтому ее легко расширять. Например, к магистрали можно добавить новую подсеть, не оказывая никакого влияния на существующие подсети. Можно заменить в отдельной подсети тип кабеля независимо от остальной части сети. Структурированная кабельная система является основой для деления сети на легко управляемые логические сегменты, так как она сама уже разделена на физические сегменты.
Обеспечение более эффективного обслуживания . Структурированная кабельная система облегчает обслуживание и поиск неисправностей по сравнению с шинной кабельной системой. При шинной организации кабельной системы отказ одного из устройств или соединительных элементов приводит к трудно локализуемому отказу всей сети. В структурированных кабельных системах отказ одного сегмента не действует на другие, так как объединение сегментов осуществляется с помощью концентраторов. Концентраторы диагностируют и локализуют неисправный участок.
Надежность . Структурированная кабельная система имеет повышенную надежность, поскольку производитель такой системы гарантирует не только качество ее отдельных компонентов, но и их совместимость.

Первой структурированной кабельной системой, имеющей все современные черты такого типа систем, была система SYSTIMAX SCS компании Lucent Technologies (ранее - подразделение AT&T). И сегодня компании Lucent Technologies принадлежит основная доля мирового рынка. Многие другие компании также выпускают качественные структурированные кабельные системы, например AMP, BICC Brand-Rex, Siemens, Alcatel, MOD-TAP.
^

Выбор типа кабеля для горизонтальных подсистем

Большинство проектировщиков начинает разработку структурированной кабельной системы с горизонтальных подсистем, так как именно к ним подключаются конечные пользователи. При этом они могут выбирать между экранированной витой парой, неэкранированной витой парой, коаксиальным кабелем и волоконно-оптическим кабелем. Возможно использование и беспроводных линий связи.

Горизонтальная подсистема характеризуется очень большим количеством ответвлений кабеля (рис. 84), так как его нужно провести к каждой пользовательской розетке, причем и в тех комнатах, где пока компьютеры в сеть не объединяются. Поэтому к кабелю, используемому в горизонтальной проводке, предъявляются повышенные требования к удобству выполнения ответвлений, а также удобству его прокладки в помещениях. На этаже обычно устанавливается кроссовая панель, которая позволяет с помощью коротких отрезков кабеля, оснащенного разъемами, провести перекоммутацию соединений между пользовательским оборудованием и концентраторами/коммутаторами .

^ Медный провод, в частности неэкранированная витая пара, является предпочтительной средой для горизонтальной кабельной подсистемы, хотя, если пользователям нужна очень высокая пропускная способность или кабельная система прокладывается в агрессивной среде, для нее подойдет и волоконно-оптический кабель. Коаксиальный кабель - это устаревшая технология, которой следует избегать, если только она уже широко не используется на предприятии. Беспроводная связь является новой и многообещающей технологией, однако из-за сравнительной новизны и низкой помехоустойчивости лучше ограничить масштабы ее использования неответственными областями.

Рис. 84. Структура кабельной системы этажа и здания

При выборе кабеля принимаются во внимание следующие характеристики: полоса пропускания, расстояние, физическая защищенность, электромагнитная помехозащищенность, стоимость. Кроме того, при выборе кабеля нужно учитывать, какая кабельная система уже установлена на предприятии, а также какие тенденции и перспективы существуют на рынке в данный момент.

Экранированная витая пара, STP, позволяет передавать данные на большее расстояние и поддерживать больше узлов, чем неэкранированная. Наличие экрана делает ее более дорогой и не дает возможности передавать голос. Экранированная витая пара используется в основном в сетях, базирующихся на продуктах IBM и Token Ring, и редко подходит к остальному оборудованию локальных сетей.

Неэкранированная витая пара UTP по характеристикам полосы пропускания и поддерживаемым расстояниям также подходит для создания горизонтальных подсистем. Но так как она может передавать данные и голос, она используется чаще.

Однако и коаксиальный кабель все еще остается одним из возможных вариантов кабеля для горизонтальных подсистем. Особенно в случаях, когда высокий уровень электромагнитных помех не позволяет использовать витую пару или же небольшие размеры сети не создают больших проблем с эксплуатацией кабельной системы .

Толстый Ethernet обладает по сравнению с тонким большей полосой пропускания, он более стоек к повреждениям и передает данные на большие расстояния, однако к нему сложнее подсоединиться и он менее гибок. С толстым Ethernet сложнее работать, и он мало подходит для горизонтальных подсистем. Однако его можно использовать в вертикальной подсистеме в качестве магистрали, если оптоволоконный кабель по каким-то причинам не подходит.

Тонкий Ethernet - это кабель, который должен был решить проблемы, связанные с применением толстого Ethernet. До появления стандарта 10Base-T тонкий Ethernet был основным кабелем для горизонтальных подсистем. Тонкий Ethernet проще монтировать, чем толстый. Сети на тонком Ethernet можно быстро собрать, так как компьютеры соединяются друг с другом непосредственно.

Главный недостаток тонкого Ethernet - сложность его обслуживания. Каждый конец кабеля должен завершаться терминатором 50 Ом. При отсутствии терминатора или утере им своих рабочих свойств (например, из-за отсутствия контакта) перестает работать весь сегмент сети, подключенный к этому кабелю. Аналогичные последствия имеет плохое соединение любой рабочей станции (осуществляемое через Т-коннектор). Неисправности в сетях на тонком Ethernet сложно локализовать. Часто приходится отсоединять Т-коннектор от сетевого адаптера, тестировать кабельный сегмент и затем последовательно повторять эту процедуру для всех присоединенных узлов. Поэтому стоимость эксплуатации сети на тонком Ethernet обычно значительно превосходит стоимость эксплуатации аналогичной сети на витой паре, хотя капитальные затраты на кабельную систему для тонкого Ethernet обычно ниже.

^ Основные области применения оптоволоконного кабеля - вертикальная подсистема и подсистемы кампусов. Однако, если нужна высокая степень защищенности данных, высокая пропускная способность или устойчивость к электромагнитным помехам, волоконно-оптический кабель может использоваться и в горизонтальных подсистемах.

Стоимость установки сетей на оптоволоконном кабеле для горизонтальной подсистемы оказывается весьма высокой. Эта стоимость складывается из стоимости сетевых адаптеров и стоимости монтажных работ, которая в случае оптоволокна гораздо выше, чем при работе с другими видами кабеля.

^ Преобладающим кабелем для горизонтальной подсистемы является неэкранированная витая пара категории 5 .

На рис. 85 показаны типовые коммутационные элементы структурированной кабельной системы, применяемые на этаже при прокладке неэкранированной витой пары. Для сокращения количества кабелей здесь установлен 25-парный кабель и разъем для такого типа кабеля Telco, имеющий 50 контактов.

Рис. 85. Коммутационные элементы горизонтальной кабельной подсистемы для UTP
^

Выбор типа кабеля для вертикальных подсистем

Кабель вертикальной (или магистральной) подсистемы, которая соединяет этажи здания, должен передавать данные на большие расстояния и с большей скоростью по сравнению с кабелем горизонтальной подсистемы. В прошлом основным видом кабеля для вертикальных подсистем был коаксиал. Теперь для этой цели все чаще используется оптоволоконный кабель.

^ Для вертикальной подсистемы выбор кабеля в настоящее время ограничивается тремя вариантами.

Оптоволокно - отличные характеристики пропускной способности, расстояния и защиты данных; устойчивость к электромагнитным помехам; может передавать голос, видеоизображение и данные. Но сравнительно дорого, сложно выполнять ответвления.
Толстый коаксиал - хорошие характеристики пропускной способности, расстояния и защиты данных; может передавать данные. Но с ним сложно работать, хотя специалистов, имеющих подобный опыт работы, достаточно много.
Широкополосный кабель, используемый в кабельном телевидении, - хорошие показатели пропускной способности и расстояния; может передавать голос, видео и данные. Но очень сложно работать и требуются большие затраты во время эксплуатации.

Применение волоконно-оптического кабеля в вертикальной подсистеме имеет ряд преимуществ. Он передает данные на значительно большие расстояния без необходимости регенерации сигнала. Он имеет сердечник меньшего диаметра, поэтому может быть проложен в более узких местах. Так как передаваемые по нему сигналы являются световыми, а не электрическими, оптоволоконный кабель не чувствителен к электромагнитным и радиочастотным помехам , в отличие от медного коаксиального кабеля. Это делает оптоволоконный кабель идеальной средой передачи данных для промышленных сетей. Оптоволоконному кабелю не страшна молния , поэтому он хорош для внешней прокладки. Он обеспечивает более высокую степень защиты от несанкционированного доступа , так как ответвление гораздо легче обнаружить, чем в случае медного кабеля (при ответвлении резко уменьшается интенсивность света).

Оптоволоконный кабель имеет и недостатки. Он дороже, чем медный кабель, дороже обходится и его прокладка. Оптоволоконный кабель менее прочный, чем коаксиальный. Инструменты, применяемые при прокладке и тестировании оптоволоконного кабеля, имеют высокую стоимость и сложны в работе. Присоединение коннекторов к оптоволоконному кабелю требует большого искусства и времени, а, следовательно, и денег .

Для уменьшения стоимости построения межэтажной магистрали на оптоволокне некоторые компании, например AMP, предлагают кабельную систему с одним коммутационным центром. Обычно, коммутационный центр есть на каждом этаже, а в здании имеется общий коммутационный центр (см. рис. 84.), соединяющий между собой коммутационные центры этажей. При такой традиционной схеме и использовании волоконно-оптического кабеля между этажами требуется выполнять достаточное большое число оптоволоконных соединений в коммутационных центрах этажей. Если же коммутационный центр в здании один, то все оптические кабели расходятся из единого кроссового шкафа прямо к разъемам конечного оборудования - коммутаторов, концентраторов или сетевых адаптеров с оптоволоконными трансиверами.

Толстый коаксиальный кабель также допустим в качестве магистрали сети, однако для новых кабельных систем более рационально использовать оптоволоконный кабель, так как он имеет больший срок службы и сможет в будущем поддерживать высокоскоростные и мультимедийные приложения. Но для уже существующих систем толстый коаксиальный кабель служил магистралью системы многие годы, и с этим нужно считаться. Причинами его повсеместного применения были широкая полоса пропускания, хорошая защищенность от электромагнитных помех и низкое радиоизлучение.

Хотя толстый коаксиальный кабель и дешевле, чем оптоволокно, но с ним гораздо сложнее работать. Он особенно чувствителен к различным уровням напряжения заземления, что часто бывает при переходе от одного этажа к другому. Эту проблему сложно разрешить. Поэтому кабелем номер 1 для горизонтальной подсистемы сегодня является волоконно-оптический кабель.
^

Выбор типа кабеля для подсистемы кампуса

Как и для вертикальных подсистем, оптоволоконный кабель является наилучшим выбором для подсистем нескольких зданий, расположенных в радиусе нескольких километров. Для этих подсистем также подходит толстый коаксиальный кабель.

^ При выборе кабеля для кампуса нужно учитывать воздействие среды на кабель вне помещения. Для предотвращения поражения молнией лучше выбрать для внешней проводки неметаллический оптоволоконный кабель. По многим причинам внешний кабель производится в полиэтиленовой защитной оболочке высокой плотности. При подземной прокладке кабель должен иметь специальную влагозащитную оболочку (от дождя и подземной влаги), а также металлический защитный слой от грызунов и вандалов. Влагозащитный кабель имеет прослойку из инертного газа между диэлектриком, экраном и внешней оболочкой.

^ Кабель для внешней прокладки не подходит для прокладки внутри зданий, так как он выделяет при сгорании большое количество дыма.

Кабельная система является протокольно независимой средой. Устройство и функции коммуникационного оборудования остальных типов существенно зависят от того, какой конкретно протокол в них реализован. В связи с этим дальнейшие построение и структуризация сети во многом зависят от типа принятого протокола. Сетевые адаптеры, концентраторы, мосты и коммутаторы представляют наиболее массовый тип сетевых устройств используемых при построении структурированных сетей.

В виду того, что стандарт FDDIприменяется в основном при построении магистралей, в этом разделе будут уделено определенное внимание таким понятиям мост(bridge) и маршрутизатор(router) . Кроме того, для понимания общей концепции ЛВС ниже упомянуто более расширено и про концентратор(hub).

Принцип действия сети FDDI

Сеть FDDI представляет собой волоконно-оптическое маркерное кольцо со скоростью передачи данных 100 Мбит/сек.

Стандарт FDDI был разработан комитетом X3T9.5 Американского национального института стандартизации (ANSI). Сети FDDI поддерживается всеми ведущими производителями сетевого оборудования. В настоящее время комитет ANSI X3T9.5 переименован в X3T12.

Использование в качестве среды распространения волоконной оптики позволяет существенно расширить полосу пропускания кабеля и увеличить расстояния между сетевыми устройствами.

Сравним пропускную способность сетей FDDI и Ethernet при многопользовательском доступе. Допустимый уровень утилизации сети Ethernet лежит в пределах 35% (3.5 Мбит/сек) от максимальной пропускной способности (10 Мбит/сек), в противном случае вероятность возникновения коллизий становится не слишком высокой и пропускная способность кабеля резко снизится. Для сетей FDDI допустимая утилизация может достигать 90-95% (90-95 Мбит/сек). Таким образом, пропускная способность FDDI приблизительно в 25 раз выше.

Детерминированная природа протокола FDDI (возможность предсказания максимальной задержки при передаче пакета по сети и возможность обеспечить гарантированную полосу пропускания для каждой из станций) делает его идеальным для использования в сетевых АСУ ТП реального времени и в приложениях, критичных ко времени передачи информации (например для передачи видео и звуковой информации).

Многие из своих ключевых свойств FDDI унаследовала от сетей Token Ring. Прежде всего – это кольцевая топология и маркерный метод доступа к среде.

Однако FDDI имеет и ряд принципиальных отличий от Token Ring, делающий ее более скоростным протоколом. Например, изменен алгоритм модуляции данных на физическом уровне. Token Ring использует схему манчестерского кодирования, требующую удвоения полосы передаваемого сигнала относительно передаваемых данных. В FDDI реализован алгоритм кодирования "пять из четырех" – 4В/5В, обеспечивающий передачу четырех информационных бит пятью передаваемыми битами. При передаче 100 Мбит информации в секунду физически в сеть транслируется 125 Мбит/сек, вместо 200 Мбит/сек, что потребовалось бы при использовании манчестерского кодирования.

Оптимизировано и управление доступа к среде. В Token Ring оно основано на побитовой основе, а в FDDI на параллельной обработке группы из четырех или восьми передаваемых битов. Это снижает требования к быстродействию оборудования.

Физически кольцо FDDI образовано волоконно-оптическим кабелем с двумя светопроводящими волокнами. Одно из них образует первичное кольцо (primary ring), является основным и используется для циркуляции маркеров данных. Второе волокно образует вторичное кольцо (secondary ring), является резервным и в нормальном режиме не используется.

Станции, подключенные к сети FDDI, подразделяются на две категории.

1. Станции класса А имеют физические подключения к первичному и вторичному кольцам (Dual Attached Station – двукратно подключенная станция);
2. Станции класса Bимеют подключение только к первичному кольцу (Single Attached Station – однократно подключенная станция) и подключается только через специальные устройства, называемые концентраторами.

Порты сетевых устройств, подключаемых к сети FDDI, классифицируются на 4 категории: А порты, В порты, М порты и S порты. Портом А называется порт, принимающий данные из первичного кольца и передающий их во вторичное кольцо. Порт В – это порт, принимающий данные из вторичного кольца и передающий их в первичное кольцо. М (Master) и S (Slave) порт передают и принимают данные с одного и того же кольца. М порт используется на концентраторе для подключения Single Attached Station через S порт.

Стандарт X3T9.5 имеет ряд ограничений. Общая длина двойного волоконно-оптического кольца – до 100 км. К кольцу можно подключить до 500 станций класса А. Расстояние между узлами при использовании многомодового волоконно-оптического кабеля – до 2 км, а при использовании одномодового кабеля определяется в основном параметрами волокна и приемо-передающего оборудования (может достигать 60 и более км).

Рис. 4.5. Кольца ВОЛС в сети FDDI

Топология.
Применяемые при построении ЛВС механизмы контроля потоков являются топологически зависимыми, что делает невозможным одновременное использование Ethernet IEEE 802.x, FDDI ANSI, Token Ring IEEE 802.6 и прочих в пределах единой среды распространения. Несмотря на тот факт, что Fibre Channel в какой-то мере может напоминать столь привычные нам ЛВС, его механизм контроля потоков никак не связан с топологией среды распространения и базируется на совершенно иных принципах.
Каждый N_порт при подключении к решетке Fibre Channel проходит через процедуру регистрации (log-in) и получает информацию об адресном пространстве и возможностях всех остальных узлов, на основании чего становится ясно, с кем из них он сможет работать и на каких условиях. А так как механизм контроля потоков в Fibre Channel является прерогативой самой решетки, то для узла совершенно неважно, какая топология лежит в ее основе.

Точка-точка

Самая простая схема, основанная на последовательном полнодуплексном соединении двух N_портов с взаимоприемлемыми параметрами физического соединения и одинаковыми классами сервиса. Один из узлов получает адрес 0, а другой - 1.
В сущности, такая схема может рассматриваться как частный случай кольцевой топологии, где нет необходимости в разграничении доступа путем арбитража. В качестве типичного примера такого подключения можем привести наиболее часто встречающееся соединение сервера с внешним RAID массивом.

Петля с арбитражным доступом

Классическая схема подключения до 126 портов, с которой все и начиналось, если судить по аббревиатуре FC-AL.
Любые два порта в кольце могут обмениваться данными посредством полнодуплексного соединения точно так же, как и в случае "точка-точка". При этом все остальные выполняют роль пассивных повторителей сигналов уровня FC-1 с минимальными задержками, в чем, пожалуй, заключается одно из основных преимуществ технологии FC-AL перед SSA. Дело в том, что адресация в SSA построена на знании количества промежуточных портов между отправителем и получателем, поэтому адресный заголовок кадра SSA содержит счетчик переходов (hop count). Каждый встречающийся на пути кадра порт уменьшает содержимое этого счетчика на единицу и после этого заново генерирует CRC, тем самым существенно увеличивая задержку передачи между портами. Для избежания этого нежелательного эффекта разработчики FC-AL предпочли использовать абсолютную адресацию, что в итоге позволило ретранслировать кадр в неизменном виде и с минимальной латентностью.
Передаваемое с целью арбитража слово ARB не понимается и не используется обычными N_портами, поэтому при такой топологии дополнительные свойства узлов обозначаются, как NL_порт.

Основным преимуществом петли с арбитражным доступом является низкая себестоимость в пересчете на количество подключенных устройств, поэтому наиболее часто она используется для объединения большого количества жестких дисков с дисковым контроллером. К сожалению, выход их строя любого NL_порта или соединительного кабеля размыкает петлю и делает ее неработоспособной, из-за чего в чистом виде такая схема сейчас уже не считается пер...

· Повысить битовую скорость передачи данных до 100 Мб/с.

· Повысить отказоустойчивость сети за счет стандартных процедур восстановления ее после отказов различного рода - повреждения кабеля, некорректной работы узла, концентратора, возникновения высокого уровня помех на линии и т.п.

· Максимально эффективно использовать потенциальную пропускную способность сети как для асинхронного, так и для синхронного трафиков.

Рис. 31. Реконфигурация колец FDDI при отказе

Рис. 32. Обработка кадров станциями кольца FDDI

Рис. 33. Структура протоколов технологии FDDI

· Требования к мощности оптических сигналов и к многомодовому оптоволоконному кабелю 62.5/125 мкм.

· Требования к оптическим обходным переключателям (optical bypass switches) и оптическим приемопередатчикам.

· Параметры оптических разъемов MIC (Media Interface Connector), их маркировка.

· Длина волны в 1300 нанометров, на которой работают приемопередатчики.

· Представление сигналов в оптических волокнах в соответствии с методом NRZI.

· кодирование информации в соответствии со схемой 4B/5B;

· правила тактирования сигналов;

· требования к стабильности тактовой частоты 125 МГц;

· правила преобразования информации из параллельной формы в последовательную.

· Протокол передачи токена.

· Правила захвата и ретрансляции токена.

· Формирование кадра.

· Правила генерации и распознавания адресов.

· Правила вычисления и проверки 32-разрядной контрольной суммы.

· Алгоритмы обнаружения ошибок и восстановления после сбоев.

· Правила мониторинга работы кольца и станций.

· Управление кольцом.

· Процедуры инициализации кольца.

В следующей таблице представлены результаты сравнения технологии FDDI с технологиями Ethernet и Token Ring.

Характеристика	FDDI	Ethernet	Token Ring
Битовая скорость	100 Мб/с	10 Мб/с	16 Мб/c
Топология	Двойное кольцо деревьев	Шина/звезда	Звезда/кольцо
Метод доступа	Доля от времени оборота токена	CSMA/CD	Приоритетная система резервирования
Среда передачи данных	Многомодовое оптоволокно, неэкранированная витая пара	Толстый коаксиал, тонкий коаксиал, витая пара, оптоволокно	Экранированная и неэкранированная витая пара, оптоволокно
Максимальная длина сети (без мостов)	200 км (100 км на кольцо)	2500 м	1000 м
Максимальное расстояние между узлами	2 км (-11 dB потерь между узлами)	2500 м	100 м
Максимальное количество узлов	500 (1000 соединений)		260 для экранированной витой пары, 72 для неэкранированной витой пары
Тактирование и восстановление после отказов	Распределенная реализация тактирования и восстановления после отказов	Не определены	Активный монитор

II. ВОЗРАСТНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ДЕТЕЙ СТАРШЕГО ДОШКОЛЬНОГО ВОЗРАСТА

II. Основные принципы и правила служебного поведения государственных (муниципальных) служащих

Что еще почитать

Irbis TZ55 (Мегафон) описание и разблокировка от оператора Как разблокировать планшет фирмы ирбис Вариант 11. Сначала гаджет нужно выключить2. На 2-3 секунды нажимаем Увеличение Громкости + Питание 3. Когда увидим на...

Подключение флешки к планшету и обмен информацией Как подключить внешнюю флешку к планшету Пользователи мобильных устройств, время от времени, задаются вопросом о том, как подключить флешку к телефону или...

Что делать, если вы уронили смартфон в воду Во время эксплуатации смартфона могут произойти различные казусы, например, его падение в воду. К счастью, современные...