Волоконно-оптические сети на основе технологии FDDI

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство связи

"Сибирский Государственный Университет Телекоммуникации и Информатики"

Реферат

Волоконно-оптические сети на основе технологии FDDI

Выполнила: гр. ММ - 23,

Шойдонова Д.Б.

Проверил: Буров П.Н.

Новосибирск 2014

Содержание

Введение

Технология FDDI

Основные характеристики технологии FDDI

Принцип действия

Уровни технологии FDDI

Отказоустойчивость технологии FDDI

Построение сетей FDDI

Заключение

Список литературы

Введение

Первая технология локальных компьютерных сетей, в которой для передачи данных используется волоконно-оптический кабель - это технология FDDI (Fiber Distributed Data Interface). В 1980 годы начались работы по созданию технологий и устройств, для волоконно-оптических каналов в локальных компьютерных сетях после начала промышленной эксплуатации похожих каналов в территориальных сетях.

Проект технологии FDDI был одобрен по нескольким причинам. Во-первых, стандарт FDDI на этапе разработки был запланирован в известной и популярной модели ISO. Во-вторых, технология FDDI получила признание, что повлияло снижение в цене и качественное улучшение характеристик оптического волокна и связанных с ним компонент таких как оптических приемников и передатчиков.

Преимущества волоконно-оптической передачи данных:

-высокая полоса пропускания;

-защищенность от несанкционированного доступа;

-невосприимчивость к помехам;

-меньшие размеры и вес оптического кабеля;

-прекрасная гальваническая развязка абонентов;

-усиливает и делает наиболее приемлемой концепцию локальных компьютерных сетей, построенной на волоконно-оптическом кабеле.

Так же волоконно-оптический кабель устраняет проблемы передачи данных на расстояния нескольких километров без ретрансляции, а именно позволяет строить большие по размерам сети, охватывающие целые города и иметь все преимущества локальных компьютерных сетей. Ретрансляция предназначена для увеличения дальности связи.

Стандарт технологии FDDI преобразовался под использование оптического волокна как физической среды связи на стадии разработки проекта, то FDDI в настоящие время занимает лидирующее место в технологии высокоскоростных локальных компьютерных сетей.

Так же технология FDDI применяется для подключения к сети высокопроизводительных серверов, в корпоративных и городских локальных компьютерных сетей.

Одной из лучших технологий обладает высокой степенью надежности и прошедшей испытание временем является технология FDDI.

Технология FDDI

Технология FDDI (Fiber Distributed Data Interface -- распределенный интерфейс передачи данных по оптоволокну) -- это первая технология локальных сетей, в которой в качестве среды передачи данных стал применяться волоконно-оптический кабель. Работы по созданию технологий и устройств локальных сетей, использующих волоконно-оптические каналы, начались в 80-е годы, вскоре после начала промышленной эксплуатации подобных каналов в территориальных сетях. Проблемная группа X3T9.5 института ANSI разработала в период с 1986 по 1988 гг. начальные версии стандарта FDDI, который описывает передачу кадров со скоростью 100 Мбит/с подвойному волоконно-оптическому кольцу длиной до 100 км. [1 , 454-455]

Основные характеристики технологии FDDI

В настоящее время большинство сетевых технологий поддерживают волоконно-оптический интерфейс в качестве одного из вариантов физического уровня, но FDDI оста наиболее отработанной высокоскоростной технологией, стандарты на которую прошли проверку временем и устоялись, а оборудование различных производителей показывает хорошую степень совместимости.

При разработке технологии FDDI ставились в качестве наиболее приоритетных следующие цели:

- Повышение битовой скорости передачи данных до 100 Мбит/с;

- Повышение отказоустойчивости сети за счет стандартных процедур восстановления после отказов различного рода -- повреждения кабеля, некорректной работы сетевого узла, возникновения высокого уровня помех на линии и т. п.;

- Максимально эффективное использование потенциальной пропускной способности с как для асинхронного, так и для синхронного графиков.

Технология FDDI во многом основывается на технологии Token Ring, развивая и совершенствуя ее основные идеи. У протокола FDDI есть и существенные отличия от Token Ring. Эти отличия связаны с требованиями, которые необходимы для поддержки большой скорости передачи информации, больших расстояний и возможности наряду с асинхронной передачи данных вести синхронную передачу. Два основных отличия в протоколах управления маркером у FDDI и IEEE 802.5 Token Ring следующие:

- в Token Ring станция, передающая кадры, удерживает маркер до тех пор, пока не получит все отправленные пакеты. В FDDI же станция выпускает маркер непосредственно окончанием передачи кадра (кадров);

- FDDI не использует приоритет и поля резервирования, которые Token Ring использует для выделения системных ресурсов.

Таблица 1. Основные характеристики сети FDDI

Cкорость передачи	100 Мбит/с
Тип доступа к среде	маркерный
Максимальный размер кадра данных	4500 байт
Максимальное число станций	500
Максимальное расстояние между станциями	2 км (многомодовое волокно) 20 км* (одномодовое волокно) 100 м (неэкранированная витая пара UTP Cat.5) 100 м (экранированная витая пара IBM Туре 1)
Максимальная длина пути обхода маркера	200 км
Максимальная протяженность сети при кольцевой топологии (периметр)	100 км** (двойное кольцо FDDI)
Среда	Оптическое волокно (многомодовое, одномодовое), витая пара (UTP Cat.5, IBM Type 1)

* Некоторые производители выпускают оборудование на расстояние передачи до 50 км.

** При указанной длине сеть будет продолжать корректно работать и сохранять целостность при появлении единичного разрыва кольца или при отключении одной из станций кольца (режим WRAP) -- при этом длина пути обхода маркера не будет превышать 200 км. [2 , 116]

Принцип действия

Классический вариант сети FDDI строится на основе двух волоконно-оптических колец (двойного кольца), световой сигнал по которым распространяется в противоположных направлениях, рис, 6.1 а. Каждый узел подключаются на прием и передачу к обоим кольцам. Именно такая кольцевая физическая топология реализует основной способ повышения отказоустойчивости сети. В нормальном режиме работы данные идут от станции к станции только по одному из колец, которое называется первичным (primary). Для определенности направление движения данных в первичном кольце задано против часовой стрелки. Маршрут передачи данных отражает логическую топологию сети FDDI, которая всегда есть кольцо. Все станции, кроме передающей и принимающей, осуществляют ретрансляцию данных и являются сквозными. Вторичное кольцо (secondary) является резервным и в нормальном режиме работы сети для передачи данных не используется, хотя по нему и осуществляется непрерывный контроль за целостностью кольца.

Рис. 1. Двойное кольцо FDDI: а) нормальный режим работы; б) режим свернутого кольца (WRAP)

В случае возникновения какого-либо отказа в сети, когда часть первичного кольца не в состоянии передавать данные (например, обрыв кабеля, выход из строя или отключение одного из узлов), для передачи данных активизируется вторичное кольцо, которое дополняет первичное, образуя вновь единое логическое кольцо передачи данных, рис. 6.1 б. Этот режим работы сети называется WRAP, то есть «свертывание» кольца, Операция свертывания производится двумя сетевыми устройствами, находящимися по обе стороны от источника неисправности (поврежденного кабеля, или вышедшей из строя станции/концентратора). Именно через эти устройства происходит объединение первичного и вторичного колец. Таким образом, сеть FDDI может полностью восстанавливать свою работоспособность и целостность в случае единичных отказов ее элементов. При устранении неисправности сеть автоматически переходит в нормальный режим работы с передачей данных только по первичному кольцу.

В стандарте FDDI отводится большое внимание различным процедурам, которые благодаря распределенному механизму управления позволяют определить наличие неисправности 5 сети, и затем произвести необходимую реконфигурацию. При множественных отказах сеть распадается на несколько не связанных сетей -- происходит микросегментация сети.

Работа сети FDDI основана на детерминированном маркерном доступе к логическому кольцу. Сначала происходит инициализация кольца, в процессе которой в кольцо одной из станций испускается специальный укороченный пакет служебных данных -- маркер (token). После того, как маркер стал циркулировать по кольцу, станции могут обмениваться информацией.

До тех пор, пока нет передачи данных от станции к станции, циркулирует один лишь маркер, рис. 6.2 а, при получении которого станция обретает возможность передавать информацию. В сети FDDI у каждой станции есть предшествующий сосед (upstream neighbor) и последующий сосед (downstream neighbor), определяемые ее физическими связями и направлением передачи информации. В классическом варианте это определяется по первичному кольцу. Передача информации организуется в виде пакетов данных длинной до 4500 байт, называемых кадрами. Если в момент получения маркера у станции нет данных для передачи, то получив маркер, она немедленно транслирует его дальше по кольцу. При желании передавать станция, получив маркер, может удерживать его и вести соответственно передачу кадров в течение времени, называемого временем удержания маркера ТНТ (token holding time) (рис. 6.2 б). После истечения времени ТНТ станция обязана завершить передачу своего очередного кадра и передать (отпустить) маркер последующей станции, рис. 2 в. В любой момент времени передавать информацию может только одна станция, а именно та, которая захватила маркер.

Рис. 2. Передача данных

Каждая станция сети читает адресные поля получаемых кадров. В том случае, когда собственный адрес станции -- MAC адрес -- отличен от поля адреса получателя, станция просто ретранслирует кадр дальше по кольцу, рис. 6.2 г. Если же собственный адрес станции совпадает с полем адреса получателя в принимаемом кадре, станция копирует в свой внутренний буфер данный кадр, проверяет его корректность (по контрольной сумме), передает его поле данных для последующей обработки протоколу вышестоящего уровня (например, IP), а затем передает исходный кадр по сети последующей станции (рис. 6.2 д), предварительно проставив три признака в специальных полях кадра: распознавания адреса, копирования кадра и отсутствия или наличия в нем ошибок.

Далее кадры, транслируясь от узла к узлу, возвращаются к исходной станции, которая была их источником. Станция-источник для каждого кадра проверяет признаки кадра, дошел ли он до станции назначения и не был ли при этом поврежден, и если все нормально, ликвидирует это кадр (рис. 6.2 е), освобождая ресурсы сети, или, в противном случае, пытается осуществить повторную передачу. В любом случае функция удаления кадра возлагается на станцию, которая была его источником.

Маркерный доступ -- это одно из наиболее эффективных решений. Благодаря этому реальная производительность кольца FDDI при большой загруженности достигает 95%. Для примера, производительность сети Ethernet (в рамках коллизионного домена) с ростом загруженности достигает 30% от пропускной способности. [2]

Уровни технологии FDDI

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. [1 - 456]

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. [3]

Отказоустойчивость технологии FDDI

Как уже отмечалось, для обеспечения отказоустойчивости в стандарте FDDI предусмотрено создание двух оптоволоконных колец -- первичного и вторичного. В стандарте FDDI определены два типа конечных узлов -- станции и концентраторы. Для подключения станций и концентраторов к сети может быть использован один из двух возможных способов.

Двойное подключение (Dual Attachment, DA) -- одновременное подключение к первичному и вторичному кольцам. Станция и концентратор, подключенные таким способом, называются соответственно станцией двойного подключения (Dual Attachment Station, DAS) и концентратором двойного подключения (Dual Attachment Concentrator, DAC).

Одиночное подключение (Single Attachment, SA) -- подключение только к первичному кольцу. Станция и концентратор, подключенные данным способом, называются соответственно станцией одиночного подключения (Single Attachment Station, SAS) и концентратором одиночного подключения (Single Attachment Concentrator, SAC).

Обычно, хотя и не обязательно, концентраторы имеют двойное подключение, а станции -- одиночное, как показано на рис. 3. Чтобы устройства легче было правильно присоединять к сети, их разъемы маркируются. Разъемы типа Аи 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. 3. Подключение узлов к кольцам FDDI

В случае однократного обрыва кабеля между устройствами с двойным подключением сеть FDDI сможет продолжить нормальную работу за счет автоматического реконфигурирования внутренних путей передачи кадров между портами концентратора (рис. 4).

Рис. 4. Реконфигурирование сети FDDI при обрыве

Двукратный обрыв кабеля приведет к образованию двух изолированных сетей FDDI. При обрыве кабеля, идущего к станции с одиночным подключением, она оказывается отрезанной от сети, а кольцо продолжает работать за счет реконфигурирования внутреннего пути в концентраторе -- порт М, к которому была подключена данная станция, исключается из общего пути.

Для сохранения работоспособности сети при отключении питания в станции с двойным подключением (например, просто при ее выключении) она должна быть оснащена оптическим обходным переключателем, который создаст резервный путь для световых потоков.

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 двухпортовым подключением.

Отказоустойчивость поддерживается за счет постоянного слежения концентраторов и станций уровня SMT за временными интервалами циркуляции токена 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 реконфигурирование.

Реконфигурирование внутренних путей в концентраторах и сетевых адаптерах выполняется специальными оптическими переключателями, которые перенаправляют световой луч и имеют достаточно сложную конструкцию. [2, 457-460]

Построение сетей FDDI

Когда рекомендуется использовать технологию FDDI

Преимуществом технологии FDDI является сочетание нескольких очень важных для локальных сетей свойств: высокая степень отказоустойчивости;

способность покрывать значительные территории, вплоть до территорий крупных городов;

- высокая скорость обмена данными;

- детерминированный доступ, позволяющий передавать чувствительные к задержкам приложения;

- гибкий механизм распределения пропускной способности кольца между станциями;

- возможность работы при коэффициенте загрузки кольца, близком к единице;

- возможность легкой трансляции трафика FDDI в графики таких популярных протоколов, как

Ethernet и Token Ring за счет совместимости форматов адресов станций и использования общего подуровня LLC.

Пока FDDI -- это единственная технология, которой удалось объединить все перечисленные свойства. В других технологиях эти свойства также встречаются, но не в совокупности. Так, технология Fast Ethernet также обладает скоростью передачи данных 100 Мбит/с, но она не позволяет восстанавливать работу сети после однократного обрыва кабеля и не дает возможности работать при большом коэффициенте загрузки сети (если не принимать во внимание коммутацию Fast Ethernet).

К недостаткам следует отнести один -- высокую стоимость оборудования. За уникальное сочетание свойств приходится платить -- технология FDDI остается самой дорогой 100-мегабитной технологией. Поэтому ее основные области применения -- это магистрали кампусов и зданий, а также подключение корпоративных серверов. В этих случаях затраты оказываются обоснованными -магистраль сети должна быть отказоустойчивой и быстрой, то же относится к серверу, построенному на базе дорогой мультипроцессорной платформы и обслуживающему сотни пользователей. Из-за высокой стоимости оборудования решения на основе FDDI уступают решениям на основе Fast Ethernet при строительстве локальных сетей небольшой протяженности, когда стандарт Fast Ethernet предоставляет оптимальное решение.

При строительстве протяженных корпоративных сетей, выбор наилучшего стандарта зависит от ряда факторов. Главные факторы, которые могут говорить в пользу построения сети с магистралью FDDI, следующие:

- выраженная кольцевая топология кабельной системы, или размещения сетевых узлов;

- большое количество самих сетевых узлов (до 10 и более);

- ограниченное число волокон в кабельной системе (2 или 4);

- большая общая протяженность планируемой сети (несколько десятков километров).

Примеры решений на основе различных технологий приведены на рис. 7.

Магистраль FDDI. На рис. 7 а показано решение с использованием магистрали FDDI. Это решение полностью удовлетворяет поставленным требованиям, и весьма эффективно. Отметим один недостаток: при отключении двух станций возможна микросегментация кольца FDDI. Обычно в сети магистральные узлы работают непрерывно без отключений. Более того, как сами коммутаторы, так и файл-серверы подключаются к источникам бесперебойного питания, Однако сама возможность отключения или выхода из строя имеется. Для повышения надежности можно отдельные станции подключать через двойное кольцо.

Альтернативное решение на основе коммутации Fast Ethernet, рис. 6,24 б. При небольшом количестве волокон сеть с центральным коммутатором каналов Fast Ethernet и Ethernet не проходит, поскольку она требует значительно большего числа волокон (особенно по мере приближения к узлу коммутации) по сравнению с тем, когда узлы связываются по кругу с ближайшими соседями соединениями «точка-точка». Поскольку расстояния между узлами большие, то наряду с центральным (магистральным) коммутатором следует устанавливать удаленные коммутаторы (коммутаторы для рабочих групп), подключенные полнодуплексными каналами к магистральному коммутатору. Для реализации такой сети требуется большее количество волокон, например для сегмента 1-10 нужно 10 волокон, для 1-9 -- 8, и т.д. У такой сети есть еще одно слабое место -центральный коммутатор (узел 1) при его отключении или выходе из строя сеть становится неработоспособной.

Альтернативное решение на основе коммутации Fast Ethernet с дублированием, рис. 7 в. Для повышения надежности на узле 6 установлен второй магистральный коммутатор Fast Ethernet. Каждый из коммутаторов для рабочих групп подключаются к двум магистральным коммутаторам. Петли в потоках данных ликвидируются посредством алгоритма Spanning Tree. Для большей эффективности все активные каналы приходят на один из магистральных коммутаторов. Если этот коммутатор выходит из строя, то протокол Spanning Tree переопределяет активные каналы, замыкая их на коммутатор узла 6.

Такая сеть по производительности не выигрывает перед предыдущим решением, но более надежна. В этом решении еще больше возрастает количество активных сегментов пар волокон «точка-точка».

Альтернативное решение на основе АТМ магистрали, рис. 7 г. В такой сети магистраль образована ATM/Fast Ethernet/Ethernet коммутаторами. По производительности и стоимости такое решение уступает всем предыдущим, если считать, что главной задачей магистрали является объединение существующих разрозненных сетей Ethernet и Fast Ethernet.

Отметим, что магистраль АТМ лучше строить на основе одно (двух) магистральных коммутаторов на узлах, например 1 и 6, аналогично рис, 7 б, в. Причем на всех остальных узлах следует ставить устройства, совмещающие функции коммутации Ethernet/Fast Ethernet и доступа АТМ (АТМ access).

Альтернативное решение на основе цепи коммутаторов Fast Ethernet, рис. 6.24 д. В такой сети коммутаторы Fast Ethernet соединены друг с другом последовательно по кольцу, аналогично предыдущему примеру с АТМ коммутаторами. Это решение неудачно, так как большое количество коммутаторов Fast Ethernet приводит к росту латентных времен сети, Это решение не рекомендуется использовать.

Рис. 7 Варианты построения магистральной корпоративной сети

Многие современные корпоративные сети построены с использованием технологии FDDI на магистрали в сочетании с технологиями Ethernet и Fast Ethernet в сетях этажей и отделов. Группа центральных серверов также обычно подключается к магистральному кольцу FDDI напрямую с помощью сетевых адаптеров FDDI. [2]

Заключение

локальный сеть волоконный кабель

Технология FDDI первой использовала волоконно-оптический кабель в локальных сетях, а также работу на скорости 100 Мбит/с.

Существует значительная преемственность между технологиями Token Ring и FDDI: для обеих характерны кольцевая топология и маркерный метод доступа.

Технология FDDI является наиболее отказоустойчивой технологией локальных сетей. При однократных отказах кабельной системы или станции сеть, за счет «сворачивания» двойного кольца в одинарное, остается вполне работоспособной.

Маркерный метод доступа FDDI работает по-разному для синхронных и асинхронных кадров (тип кадра определяет станция). Для передачи синхронного кадра станция всегда может захватить пришедший маркер на фиксированное время. Для передачи асинхронного кадра станция может захватить маркер только в том случае, когда маркер выполнил оборот по кольцу достаточно быстро, что говорит об отсутствии перегрузок кольца. Такой метод доступа, во-первых, отдает предпочтение синхронным кадрам, а во-вторых, регулирует загрузку кольца, притормаживая передачу несрочных асинхронных кадров.

В качестве физической среды технология FDDI использует волоконно-оптические кабели и UTP категории 5 (этот вариант физического уровня называется TP-PMD).

Максимальное количество станций двойного подключения в кольце - 500, максимальный диаметр двойного кольца - 100 км. Максимальные расстояния между соседними узлами для многомодового кабеля равны 2 км, для витой пары UPT категории 5-100 м, а для одномодового оптоволокна зависят от его качества.

Список литературы

Олифер В.Г., Олифер Н.А. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы/Учебник для вузов/ 3-е изд., - СПб.: Питер, 2006. -958с.: ил.

Убайдуллаев Р.Р. Волоконно-оптические сети. -М.: Эко-Трендз, 2000. -268с.

Основы технологии FDDI [Электронный ресурс]//высокоскоростные технологии лвс. -2001-2014 OSzone.net. - Режим доступа: http://www.oszone.net/1822/

Размещено на Allbest.ru

...