Сети Fiber Distributed Data Interface, FDDI

Размещено на http://www.allbest.ru/

Контрольная работа

Сети FDDI



Содержание

Введение

1. Принцип действия

2. Составляющие стандарта FDDI

3. Типы устройств и портов

4. Оптический обходной переключатель

5.Функция регистрации сигнала уровня PMD

6. Уровень PHY

7. Структура последовательного канала связи и виды кодов

8. Способы кодирования сигнала

9. Особенности кодирование и декодирование в FDDI

10. Особенности кодирования при передаче по витой паре

11. Выделение синхросигнала и данных из канала связи

12. Одноконтурная и двухконтурные схемы выделения синхросигнала

13. Уровень MAC

14. Обзор уровня SMT

15 Построение сетей FDDI

Литература



Введение

FDDI (Fiber Distributed Data Interface) - это набор сетевых стандартов, ориентированных на передачу данных по ВОЛС со скоростью 100 Мбит/с. Основная часть спецификаций стандарта FDDI была разработана проблемной группой ХЗТ9.5 (ANSI - American Nation Standards Institute) во второй половине 80-х годов и стал первым для линий, использующих в качестве среды передачи ОВ.

В настоящее время большинство сетевых технологий поддерживают волоконно-оптический интерфейс в качестве одного из вариантов физического уровня, но FDDI остается наиболее отработанной высокоскоростной технологией, стандарты на которую прошли проверку временем и устоялись, а оборудование различных производителей показывает хорошую степень совместимости [1, 2, 3].

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

- Повышение битовой скорости передачи данных до 0,1 Гбит/с;

- Повышение отказоустойчивости сети за счет стандартных процедур восстановления ее 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 сети как для асинхронного, так и для синхронного трафиков.

Технология FDDI во многом основывается на технологии Token Ring, развивая и совершенствуя ее основные идеи. Основные отличия протокола FDDI от Token Ring связаны с требованиями, которые необходимы для поддержки большой скорости передачи информации, больших расстояний и возможности наряду с асинхронной передачей данных вести синхронную передачу, при этом главными в протоколах управления маркером следует считать [4]:

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

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

В табл. 1 указаны основные характеристики сети FDDI.

Таблица 1

Скорость передачи	0,1 Гбит/с
Тип доступа к среде	маркерный
Максимальный размер кадра данных	4,5 кбайт
Максимальное число станций	500
Максимальное расстояние между станциями	2 км (MMF) 20 км* (SMF) 100 м (неэкранированная витая пара UTP сat. 5) 100 м (экранированная витая пара IBM Type 1)
Максимальная длина пути обхода маркера	200 км
Максимальная протяженность сети при кольцевой топологии (периметр)	100 км* (двойное кольцо FDDI)
Среда	Оптическое волокно (MMS, SMF), витая пара (UTP сat. 5, IBM Type 1)

* Некоторые производители выпускают оборудование на расстояние передачи до50 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.



1. Принцип действия

Традиционный вариант сети FDDI строится на основе двойного кольца, световой сигнал по ОВ которых распространяется в противоположных направлениях (рис. 1 а) и каждый узел подключаются на прием и передачу к обоим кольцам. Такая физическая топология обеспечивает повышенную отказоустойчивость сети. При нормальном режиме работы данные идут от станции к станции по одному из колец, которое называется первичным (primary) в направлении 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.

а, б

Рис. 1

В случае, 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. 1 б. Этот режим работы сети называется WRAP, то есть "свертывание" кольца. Операция свертывания производится двумя сетевыми устройствами, ближайшими к месту 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 в 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. 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 направлением передачи информации 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. 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.

а

б

в, г, д, е

Рис. 2

Каждая станция сети читает адресные поля получаемых кадров и в случае, когда собственный адрес станции - MAC адрес - отличен от поля адреса получателя, станция ретранслирует кадр дальше по кольцу, рис. 2 г. Если же собственный адрес станции совпадает с полем адреса получателя в принимаемом кадре, станция копирует в свой буфер этот 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. 2 д), предварительно проставив три признака в специальных полях кадра: распознавания адреса, копирования кадра и отсутствия или наличия в нем ошибок.

Далее кадры, транслируясь по сети и возвращаются к исходной станции (его источнику), которая для каждого кадра проверяет его признаки, дошел ли он до станции назначения и не был ли при этом поврежден, и если все нормально, ликвидирует этот кадр (рис. 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 позволяет довести реальную производительность кольца FDDI при большой загруженности до 95%. Для примера, производительность сети Ethernet (в рамках коллизионного домена) с ростом загруженности достигает 30% от пропускной способности.

2. Составляющие стандарта FDDI

Структура стандарта FDDI и основные функции, выполняемые его уровнями, приведены на рис. 3.

Как и ряд других технологий локальных сетей, технология FDDI использует протокол 802.2 подуровня управления каналом данных (LLC), определенный в стандартах IEEE 802.2 и ISO 8802.2, причем использует первый тип процедур LLC, при котором узлы работают в дейтаграммном режиме (без установления соединений и без восстановления потерянных или поврежденных кадров).

К 1988 году стандартизованы были следующее уровни (наименования соответствующих документов ANSI/ISO для FDDI см. табл. 2 [5]):

Рис. 3

- PMD (physical medium dependent) - нижний подуровень физического уровня, спецификации которого определяют требования к среде передачи (многомодовое ОВ), к оптическим приемопередатчикам (допустимую мощность и рабочую длину волны 1300 нм), максимальное допустимое расстояние между станциями (2 км), типы разъемов, функционирование оптических обходных переключателей (optical bypass switches), а также представление сигналов в ОВ.

- PHY (physical) - верхний подуровень физического уровня, определяющий схему кодирования и декодирования данных между МАС-уровнем и уровнем PMD, схему синхронизации и специальные управляющие символы. В его функции входит: кодирование информации (в соответствии со схемой 4В/5В); правила тактирования сигналов; требования к стабильности тактовой частоты (125 МГц); правила преобразования информации из параллельной формы в последовательную.

- MAC (media access control) - уровень управления доступом к среде, который определяет: процессы управления маркером (протокол передачи, правила захвата и ретрансляции маркера); формирование, прием и обработку кадров данных (их адресацию, обнаружение ошибок и восстановление на основе проверки 32-разрядной контрольной суммы); механизмы распределения полосы пропускания между узлами.

- SMT (station management) - уровень управления станцией. На этом многофункциональном уровене определяются: протоколы взаимодействия этого уровня с уровнями PHY, PMD и MAC; управление станциями и концентраторами; процессы инициализации кольца и контроль за соединениями между узлами; отработки аварийных ситуаций (алгоритмы обнаружения ошибок и восстановления после сбоев).



Таблица 2

Стандарт FDDI	Спецификация ANSI / ISO
PMD	MMF-PMD	ISO 9314-3:1990 / ANSI X3. 166:1990
	SMF-PMD	ANSI X3. 184:1990
	TP-PMD	ANSI X3T9.5 TBD:1994
PHY	ISO 9314-1:1989/ ANSI X3. 148:1988
MAC	ISO 9314-2:1989 /ANSI X3.139:1987
SMT	ANSI X3T9. 5/84-49: 1992, rev 7.3

В 1993-1994 гг. к спецификациям уровня PMD добавляются новые спецификации, стандартизующие два других интерфейса, соответственно на одномодовое ОВ и витую пару (часть прежних спецификаций, относящихся к интерфейсу на многомодовом ОВ, далее будем называть MMF-PMD):

- SMF-PMD (Single Mode Fiber PMD) - нижний подуровень физического уровня, предполагающий использование лазерных передатчиков и одномодового ОВ.

- TP-PMD (Twisted Pair PMD). Подкомитетом ANSI в 1994 году разработан новый стандарт FDDI TP-PMD, который предусматривает использование неэкранированной витой пары категории 5 (UTP сat.5) с соединителями RJ-45 (CDDI или FDDI на медном кабеле), а также экранированной витой пары (STP IBM Type 1) с соединителями DB-9 (SDDI). Максимальное расстояние по медному кабелю в обоих случаях не должно превосходить 100 метров.

3. Типы устройств и портов

Узлы сети FDDI классифицируют по трем признакам: функциям обработки данных (конечная станция, концентратор); типу подключения; количеству встроенных МАС-узлов [1, 6].

По функциям обработки данных все устройства FDDI делятся на станции и концентраторы. В качестве станции может выступать рабочая станция или файл-сервер с соответствующим FDDI адаптером. Концентратор - это активное устройство, которое выполняет функцию объединения и позволяет подключить к себе несколько рабочих станций или других концентраторов.

По типу подключения различают следующие устройства FDDI:

- DAS (dual attachment station) - станция двойного подключения имеющая два порта (которые принято обозначать А и В) и предназначена для непосредственного подключения в двойное кольцо FDDI и подсоединяется на прием и на передачу к первичному и вторичному кольцу. Роль DAS может выполнять рабочая станция или файл-сервер с соответствующим FDDI DAS-адаптером. стандарт порт оптический сигнал

- SAS (single attachment station) - станция одиночного подключения (рабочая станция или файл-сервер), которая имеет один порт S и может подключаться в кольцо FDDI только через FDDI-концентратор.

- DAC (dual attachment concentrator) - концентратор двойного подключения имеет два порта А и В, а также несколько портов М, и предназначено для непосредственного подключения в двойное кольцо. К М-портам могут подключаться другие сетевые устройства.

- SAC (single attachment concentrator) - концентратор одиночного подключения имеет один порт S и несколько портов М. SAC не допускает непосредственного подключения к двойному кольцу

- NAC (null attachment concentrator) - концентратор нулевого подключения имеет только М-порты.

Типы четырех портов FDDI (А, В, М и S) определяются следующим образом:

- Порт А (входящее первичное, выходящее вторичное кольцо) PI/SO (primary in/secondary out) - неотъемлемая часть станции с двойным подключением DAS или концентратора с двойным подключением DAC и присутствует, как правило, в единичном экземпляре. Через порт А устройство соединяется с приходящим первичным кольцом и уходящим вторичным кольцом двойного кольца FDDI.

- Порт В (выходящее первичное, входящее вторичное кольцо) PO/SI (primary out/secondary in) - неотъемлемая часть DAS или DAC и присутствует, как правило, в единичном экземпляре. Через порт В устройство соединяется с уходящим первичным - кольцом и приходящим вторичным кольцом двойного кольца FDDI.

- Порт М - master, (первичное входящее, первичное выходящее) PI/PO (primary in/primary out) - неотъемлемая часть любого FDDI концентратора (NAС, DAC, SAC), который содержит обычно несколько М-портов. Через этот концентратор порт может соединять концентратор с DAS, DAC (о последних говорят, что они подключаются по механизму Dual Homing через свои порты А и В), а также со станцией одиночного подключения SAS или концентратором одиночного подключения SAC, у которого используется его порт S. Если сеть FDDI основывается на двойном кольце, то этот порт в нормальном режиме работы использует только первичное кольцо.

-Порт S - slave, PI/PO (присутствует у SAS и SAC), через который SAS или SАС соединяет с концентратором. Если сеть основывается на двойном кольце, то этот порт в нормальном режиме работы использует только первичное кольцо.

Таблица 3

	Порты других устройств
	А	B	S	M
Порты данного устройства	А	V, N	V	V, N	VP
	В	V	V, N	V, N	VP
	S	V, N	V, N	V	V
	М	V	V	V	X

V - допустимое соединение;

X - недопустимое соединение;

N - требуется уведомление SMT;

vp - допустимое соединение, которое может быть как активным, так и неактивным (например при Dual Homing).

Правила подключения портов между собой указаны в табл. 3, а комментарии по правилам подключения портов А и В устройств DAS и DAC между собой и другими портами даны в табл. 4. Детали подключения портов S и М между собой и с другими портами - в табл.

Таблица 4

Порт-Порт	Правила и действия
А-В и В-А	Правильное соединение. Статус портов будет "peer" - точка-точка, а устройство устанавливается в рабочую моду THRU.
А-М и В-М	Соединение допускается, если станция может поддерживать механизм Dual-Homing. Если физическая связь у обоих соединений исправна, то на этапе низкоуровневой сигнализации соединение А-М будет автоматически отключено в пользу соединения В-М. Статус портов будет "tree"- дерево. Мода THRU отключается.
A-S или B-S	Соединение возможно, но не желательно. Если же такое соединение возникает, то оно приводит к свертыванию кольца (мода WRAP). Статус порта устанавливается в состояние "peer".
А-А или В-В	Соединение возможно, но не желательно. Такое соединение приводит к перекручиванию первичного и вторичного колец. И хотя это не фатально, система управления SMT об этом будет информировать. Статус порта устанавливается в состояние "peer".
А-М и В-А	Результат такого соединения не регламентируется стандартом FDDI. Допустимы два варианта поведения. Первый - станция принимает соединение В-А (состояние порта "peer") и не принимает соединение своего порта А с М-портом другого устройства. Таким образом, эта станция осуществляет свертывание кольца (мода WRAP) через свой В-порт. Другой вариант поведения, когда станция не принимает соединение В-А, а принимает соединение А-М. В такой ситуации она подобна станции, подключенной по Dual Homing, работающей не в основном, а в резервном варианте. Статус порта А устанавливается в состояние "tree".

Число встроенных MAC. Для того, чтобы иметь возможность передавать собственные данные в кольцо или принимать данные (а не просто ретранслировать данные других станций), станция должна иметь в своем составе хотя бы один МАС-узел, который имеет свой уникальный МАС-адрес. Станции могут не иметь ни одного узла MAC, и, значит, участвовать только в ретрансляции чужих кадров. Но обычно все станции сети FDDI, даже концентраторы, имеют хотя бы один МАС-узел. Концентраторы используют МАС-узел для захвата и генерации служебных кадров, например, кадров инициализации кольца, кадров поиска неисправности в кольце и т.п.

Таблица 5

Порт-Порт	Правила и действия
S-M и M-S	Правильное соединение при построении структуры типа "дерево". Статус портов устанавливается в состояние "tree".
S-S	Правильное соединение (хотя и не позволяет добавить ни одного дополнительного устройства), создающее одиночное кольцо двух станций SAS. Статус портов будет "peer".
М-М	Недопустимое соединение, создающее топологию "дерево колец", которая не реализуется в стандарте FDDI. Такое соединение отвергается с обоих сторон. Статусы портов устанавливаются в состояние "none".
S-A или S-B	Допустимое соединение, но не желательное, так как создает свернутое двойное кольцо (если другая станция находилась в двойном кольце). Если же другая станция оставшимся портом (А или В) подключена к М-порту (т.е. реализуется структура дерева), то от того, как реализована производителем (этой другой станции) политика выбора активного соединения, зависит, будет ли исходная станция подключена в кольцо или нет. По причине неопределенности такую конфигурацию лучше не допускать.

Станции (или концентраторы), которые имеют один МАС-узел, называются SM (single MAC) станциями, а станции, которые имеют два МАС-узла, называются DM (dual MAC) станциями. Последние могут работать в полнодуплексном режиме. Если все устройства DAS и DAC двойного кольца имеют по два МАС-узла, то вторичное кольцо может также использоваться для передачи данных, при этом общая пропускная способность увеличивается до 200 Мбит/с. В случае повреждения ОВ системы происходит свертывание колец и скорость падает до 100 Мбит/с. В такой ситуации один МАС-узел на каждой станции будет простаивать, что является основной причиной меньшего распространения Dual MAC устройств.

На рис. 4 показаны некоторые возможные варианты подключения различных сетевых устройств.

"Блуждающий" MAC. Когда новая станция включается в сеть FDDI, то сеть на время приостанавливает свою работу, проходя через процесс инициализации кольца, в течение которого между всеми станциями согласуются основные параметры кольца, самым важным из которых является номинальное время оборота маркера по кольцу TTRT. Если количество станций в сети велико, то частая реинициализация кольца, связанная с отключением или добавлением станций (преимущественно SAS, подключенных к М-портам) может приводить к потере данных и задержкам. Процедуры многократных инициализаций можно избежать путем подключения новой станции SAS к порту М концентратора с так называемым блуждающим узлом MAC (roving MAC), который еще называют локальным МАС-узлом. Наличие такого узла, наряду с основным МАС-узлом, позволяют концентратору добавлять и отключать станции на М-портах без прекращения работы двойного кольца [6].

Если к М-порту DAC, имеющего roving MAC, подключается действующее дерево через свой корень, например, порт S концентратора SAC, то один маркер должен быть уничтожен, поскольку образовалась одна единая сеть, вместо двух независимых. Roving MAC иногда (зависит от производителя и от параметров подсетей) способен выполнить такую задачу без повторной инициализации в каждой из подсетей. Для этого узел roving MAC задерживает один из маркеров до момента прихода второго маркера на концентратор, после чего выполняется процедура объединения двух сетей в одно логическое кольцо, и выпускается в него только один маркер.

Стандартом FDDI строго не регламентирован механизм работы блуждающего MAC, поэтому он не получил большого распространения.

Топологии сетей FDDI

Единственным видом локального соединения в стандарте FDDI является соединение "точка-точка", которое позволяет разным участкам кольца иметь свои особенности. Например, один участок кольца может использовать одномодовое ОВ, другой - многомодовое, третий - витую пару. ОВ, плохо адаптируемое в качестве использования общей шины является оптимальным для конфигурации "точка-точка".

Наряду с этим, сеть обладает также индивидуальной топологией, определяющей структуру всей сети как единого целого. При этом различают логическую и физическую топологию.

Логическая топология дает представление о пути, по которому двигаются данные от станции к станции.

Физическая топология показывает конкретное размещение сетевых устройств и кабельной системы, устанавливающей физическую связь между сетевыми устройствами. При этом, если логическая топология сети FDDI всегда - кольцо, то физическая может отличаться значительным разнообразием.

Различают пять основных вариантов физической топологии: точка-точка; двойное кольцо; отдельный концентратор; дерево концентраторов; двойное кольцо деревьев; а также возможность дополнительного повышения надежности работы станции при помощи механизма Dual Homing.

Точка-точка (рис. 4 а) - простейшая физическая топология (связываются две станции FDDI типа SAS), при которой в зависимости от того, какой интерфейс поддерживают сетевые адаптеры, связь может быть как на основе ОВ, так и витой пары.

Двойное кольцо (рис. 4 б) образуется соединениями "точка-точка" между рабочими станциями (DAS), причем каждое соединение осуществляется по паре ОВ (или витой парой), в которых свет распространяется в разных направлениях, рис. 4, а. Такая топология удобна и наиболее часто применяется, когда объединяются в единую сеть небольшое число станций с двойным подключением.

Но так как каждая станция является теперь неотъемлемой частью кольца, то их функционирование становится критичным для работы всей системы. Введение или исключение станций невозможно без повторной инициализации кольца. Отключение питания на станции (обрыв в сегменте) приводит к разрушению двойного кольца, хотя после процесса реконфигурации целостность сети восстанавливается, рис. 4 б. При этом образуется новое свернутое логическое кольцо, по которому циркулирует маркер. С увеличением числа неисправных линий связи сеть распадается на отдельные сегменты и в каждом из них организуется своя сеть, но без связи между сегментами. Исправить положение позволяют оптические обходные переключатели, которые в случае отключения питания DAS обойдут эту станцию и сохранят топологию двойного кольца, при этом сохраняется передача маркера и данных только по первичному кольцу.

Поэтому двойное кольцо в чистом виде используется когда риск, связанный с выходом DAS станций из строя, невелик. Такая топология возможна при небольшом числе рабочих станций и нет необходимости прибегать к более дорогостоящему FDDI концентратору.

Отдельный концентратор, рис. 4 в. При этой топологии используется только один FDDI концентратор типа NAC, который не подключается к двойному кольцу, и имеет внутреннюю FDDI шину (backplane). К М-портам концентратора могут подключаться как SAS, так и DAS станции. DAS может быть подключена одним из своих портов (А/В) к одному из М-портов концентратора, или обоими портами к любым двум М-портам концентратора - в последнем случае реализуется механизм подключения Dual Homing.



а, б,В

Рис. 4

Дерево концентраторов, рис. 4 г. В этой топологии концентраторы связываются в иерархическую звездную топологию с одним концентратором (NAC) в корне дерева (рис. 4 в). От корневого концентратора идут связи к станциям (SAS и DAS) и/или к другим концентраторам (SAC и DAC). Эта топология более гибкая в отношении добавления, удаления FDDI станций, концентраторов, позволяет изменять их положение без разрыва сети FDDI и имеет следующие достоинства:

- Удобна при объединении большого количества станций (в пределах одного здания или в пределах одного этажа здания);

- Упрощено администрирование сети (легко контролировать сетевые устройства конечных пользователей и ограничивать их доступ к определенным ресурсам сети, используя функции концентратора);

- При выходе из строя и выключении станции концентратор автоматически отключит ее от сети.

Двойное кольцо деревьев, рис. 4 д. Такая сеть формируется иерархическими деревьями, в корнях которых находятся концентраторы, непосредственно подключенные к двойному кольцу (DAC). В кольцо могут быть также подключены рабочие станции DAS. Физическое кольцо образуется соединениями "точка-точка" между DAS и DAC. Корневые концентраторы образуют кольцевую магистраль FDDI и являются ключевыми для работы всей сети. К этим концентраторам могут быть подключены другие концентраторы SAC или DAC, а также станции SAS или DAS, и т.д.

Двойное кольцо деревьев является наиболее универсальной и гибкой топологией, охватывающей все преимущества технологии FDDI. Оно позволяет создать огромную и сложную сеть, которая благодаря резервному кольцу будет сохранять целостность при повреждении линии связи кольца или при отключении станции или концентратора из кольца. Дополнительно для повышения надежности возможно подключение концентраторов или станций двойного кольца через оптический обходной переключатель.

Dual Homing, рис. 4 е. Правила FDDI позволяют создавать топологию с повышенной надежностью, при которой станция с двойным подключением DAS (или концентратор с двойным подключением DAC), не включенная непосредственно в двойное кольцо, может одновременно подключаться своими портами А и В к М-портам других концентраторов сети FDDI. Механизм, обеспечивающий такую надежность, называется Dual Homing.

В нормальном состоянии активизируется канал связи по порту В, через который DAS (DAC) устройство объединяется в логическое кольцо сети. При этом канал связи от порта А находится в состоянии ожидания и готов сразу же автоматически активизироваться, если сегмент от порта В претерпит разрыв.

Избыточная топология полезна при наличии риска повреждения канала системы, а потребность в непрерывной связи станции с сетью велика, например, в банках, в крупных финансовых учреждениях, на объектах повышенного технологического риска.

Еще одно преимущество - это простота установки связи между рабочими станциями на межсетевом уровне.

4. Оптический обходной переключатель

При отключении питания SAS станции соответствующий М-порт концентратора, к которому станция подключена, сразу же заметит это средствами физического уровня. Далее по команде уровня SMT концентратора выполняется электронный обход этого М-порта, в результате чего восстанавливается логическое кольцо, рис. 4 ж, при этом свертывания двойного кольца, к которому подключен концентратор, не происходит.

Если же отключить питание у станции DAS или концентратора DAC, то сеть, хотя и продолжит работу, сохранив единство, перейдет в состояние WRAP. Запас отказоустойчивости будет утерян, что нежелательно. Теперь при отключении еще одной станции кольца будет происходить микросегментация сети, рис.

Поэтому для устройств с двойным подключением рекомендуется использовать оптический обходной переключатель ОBS (optical bypass switch), который позволяет замкнуть входные и выходные ОВ и обойти станцию (или концентратор) в случае ее (его) выключения. Оптический обходной переключатель питается от DAS (DAC) и состоит в простейшем случае из отражающих зеркал или подвижного ОВ. При отключенном питании такой переключатель осуществляет перекоммутацию каналов, а результате чего оптический сигнал обходит станцию, а при включении ее питания вновь соединяет входы портов А и В с внутренними схемами PHY станции.

а, б

Рис. 5

Подключение к сети через OBS

Оптический обходной переключатель служит для дополнительного повышения надежности и целостности двойного кольца FDDI. Сетевые станции или концентраторы подключаются к двойному кольцу через OBS (рис. 5,6).

Принцип работы оптического переключателя поясняет рис. 7. В рабочем состоянии оптический переключатель имеет напряжение питания 5 В, которое он получает от соответствующей рабочей станции (концентратора) двойного подключения. При выходе из строя или при отключении питания станции, подключенной к двойному кольцу через OBS, происходит двухэтапный процесс реконфигурации сети:

Рис. 6

- на первом этапе осуществляется исключение неисправной станции или концентратора из кольца, при этом оптический переключатель механически переходит из рабочего состояния (рис. 7 а) в свое нормальное (байпасовое) состояние с выключенным питанием (рис. 7 б), замыкая двойное кольцо через себя. Для оптического переключателя фирмы AMP время срабатывания t_max < 10 мс [7];

- на втором этапе вновь инициализируется маркерное кольцо FDDI и время реинициализации, в зависимости от протяженности сети и количества станций может быть в пределах от 10 до 150 мс.

Из-за больших потерь на излучение, вносимых оптическим переключателем (при использовании многомодового ОВ = 1 дБ/км, на = 1300 нм) в зависимости от производителя OBS - стандартом FDDI PMD определено допустимое значение вносимого затухания на OBS (до 2,5 дБ), число последовательно подключенных оптических переключателей ограничено четырьмя, даже если длины сегментов ВОК небольшие. Это связано с тем, что из-за большого числа последовательных точек коммутации в кабельной системе потери накапливаются (рис. 7 в). Желательно, чтобы запас по мощности был не меньше 2 - 3 дБ, так как со временем, по мере эксплуатации, вносимые потери в самом ОВ и на сухих стыках возрастают.

а, б

в

Рис. 7



Оценим параметры типовой конфигурации с одним OBS, если: полная длина многомодового ОВ - 2 км, в некоторой промежуточной точке подключена станция через OBS, число разъемных соединений - 4 (на оптических распределительных панелях).

С учетом того, что бюджет линии (полное максимальное допустимое затухание в линии) в соответствии со стандартом составляет 11 дБ, потери в ОВ - 1 дБ/км, а потери на каждом разъеме - 0,3 дБ, вычислим запас:

1. Затухание в канале связи: 3,0, 3,5

2. Потери на оптических соединениях: 1,2, 2,8

3. Потери на ОВ (производства AMP): 1,1, 2,1

4. Всего потери: 5,3, 8,4

Запас: 4,7 (11 - 5,3), 2,6 (11 - 8,4)

Устройство OBS

Существует несколько различных технологий механо-оптического переключения: с использованием поворотных призм, поворотных зеркал или подвижных ОВ. Поскольку диаметр ОВ мал, необходимо использовать прецизионные методы, позволяющие контролировать пути световых лучей.

Рассмотрим механо-оптическое переключение световых потоков посредством поворотных зеркал. Два ОВ размещаются таким образом, чтобы их торцевые поверхности были равноудалены от центра кривизны сферического зеркала. Свет, выходя из одного волокна, падает на зеркало и отражается, попадая в другое волокно. Отраженный световой конус является копией падающего конуса благодаря сферичности зеркала, а поскольку точка излучения и точка приема равноудалены от цента кривизны зеркала, то такую технологию называют оптикой центре-симметричного отражения. Эта технология обеспечивает очень высокую стабильность и рассчитана на миллион циклов коммутаций. ОВ помещаются в прецизионные крепления вдоль одной плоскости (рис. 8, по материалам фирмы AMP [7]).



а, б

Рис. 8

Ось вращения поворотного сферического зеркала устанавливается строго перпендикулярно этой плоскости.

Когда зеркало находится в положении а (рабочее состояние - напряжение подано), входящий в OBS свет отражается в ОВ, идущее к станции. Когда зеркало разворачивается в положение б (рабочее состояние - напряжения нет), входящий свет отражается в байпасовое ОВ.

Наряду с фирмой AMP многомодовые OBS производятся фирмами DiCon [8], Molex [9], Net Optics [10].

Производство одномодовых переключателей более сложное. Из-за значительно меньшего диаметра сердцевины одномодового волокна очень трудно достичь небольших вносимых потерь при изготовлении одномодовых OBS. Сложность изготовления делает их стоимость в 3 - 4 раза выше по сравнению с многомодовыми OBS, что снижает число производителей, среди которых можно отметить Net Optics [10].

Некоторые характеристики одномодового OBS, производимого этой фирмой, приведены ниже:

- Рабочая длина волны 1280 - 1650 нм.

- Вносимые потери 1,3 дБ (типовые) и 2,5 дБ (максимум).

- Напряжение питания +5 В (DC).

- Время срабатывания 50 мс.

- Температура окружающей среды от 0 ^оС до + 50 ^оС.

Системы связи и уровень PMD

Разделение физического уровня FDDI на два подуровня PMD и PHY позволило стандартизировать различные физические интерфейсы, модифицируя нижний подуровень PMD и не трогая верхний подуровень PHY (рис. 3). Рассмотрим стандарты уровня PMD применительно к трем различным физическим интерфейсам: на многомодовое ОВ, на одномодовое ОВ, и традиционную - на витую пару.

Стандарты MMF-PMD, SMF-PMD и TP-PMD

Данные при передаче от одной станции к другой преобразуются в определенные битовые последовательности, которые затем распространяются по кабельной системе. Стандарт уровня PMD охватывает только области связанные непосредственно с физической передачей данных: оптическую и электрическую передачу и прием данных, технические требования к ВОК или медному кабелю, оптические соединители, оптические переключатели. Сравнительные характеристики трех основных стандартов PMD приведены в табл. 6.

FDDI стандарты MMF-PMD и SMF-PMD устанавливают основные оптические характеристики ВОЛС, среди которых: длина волны оптического передатчика, тип кабеля (ОВ), затухание в кабеле и другие.

Таблица 6

	PMD
	MMF-PMD	SMF-PMD	TP-PMD
Тип кабеля	ОВ многомодовое, градиентное 62,5/125, 50/125	ОВ одномодовое, 8/125, 12/125	Экранир. витая пара STP IBM Type 1/2	неэкранир. витая пара UTP сat. 5
Тип соединителя	MIC mm Duplex SC mm 2 x ST mm	MIC sm Duplex SC sm 2 x ST sm	DB-9	RG-45
Расстояние между станциями, км*	до 2	до 20 (50)	до 0,1	до 0,1
Длина волны излучения, нм	1300	1300 (1550)	-
Оптическая излучательная система	Светоизлучающий диод	Лазерный диод	-
Допустимое затухание в кабельной системе, дБ	не больше, чем 11	не больше, чем 36, не меньше, чем 10**	-
Оптический обходной переключатель	используется	используется	-

* Допустимое расстояние между станциями - величина условная, определяемая в основном вносимым затуханием в кабельной системе, которое может быть уменьшено, использованием ОВ с лучшими оптическими характеристиками и меньшим числом стыков (затухание в которых 0,5-0,7 дБ/стык) либо путем выполнения высококачественной сварки ОВ (важно в случае одномодового ОВ). Для нормальной работы сети FDDI полное затухание в кабельной системе не должно превышать допустимого по бюджету. Отметим, что оборудование FDDI ряда фирм-производителей, в частности NBase-Fibronics, имеет более высокие характеристики, нежели установленные стандартом PMD.

** Ограничение снизу для одномодового ОВ вызвано невозможностью различить битовый нуль в принимаемом сигнале от единицы. В том случае, если расстояние недостаточно велико, чтобы обеспечить требуемое затухание в 10 дБ, следует использовать специальные аттенюаторы, или аттенюаторные MIC-соединители.

В качестве базовой кабельной системы в стандарте FDDI принят ВОК на основе градиентного многомодового ОВ с диаметром 62,5/125 мкм (допускается ОВ с диаметром 50/125 мкм). Ступенчатое многомодовое ОВ из-за его низкой полосы пропускания не удовлетворяет требованиям стандарта PMD. Длина волны излучения 1300 нм. Минимальное допустимое значение мощности оптического сигнала на входе станции в стандарте PMD составляет -31 дБм. В этом случае вероятность ошибки на один бит при ретрансляции не будет превышать 2,510^-10. При увеличении мощности входного сигнала на 2 дБ, эта вероятность снижается до 1010^-12. Ниже перечислены основные требования со стороны стандарта FDDI PMD к оптическим приемопередатчикам:

- Максимальная мощность передатчика -14 дБм.

- Минимальная мощность переда -20 дБм.

- Максимальная принимаемая мощность -14дБм.

- Минимальная принимаемая мощность -31 дБм.

- Максимальные потери между станциями 11 дБ.

- Максимальные потери на км кабеля 2,5 дБ.

Главным требованием спецификации SMF-PMD по мощности является такое же значение, как и в MMF-PMD, минимальной допустимой мощности оптического сигнала на входе станции (-31 дБм). Это связано с идентичностью оптических приемников при MMF-PMD и SMF-PMD, рассчитанных на работу в окне 1300 нм.

Стандарт на витую пару TP-PMD предусматривает использование витой пары на медном кабеле, как альтернативы оптическому волокну. Причиной разработки этого стандарта было стремление создать менее дорогостоящее оборудование и упростить процедуру инсталляции сети. Стандарт TP-PMD основан на использовании как экранированной витой пары STP - тип 1 или 2 (две пары), так и неэкранированной витой пары DTP - категории 5 (4 пары).

Существует несколько категорий неэкранированной витой пары, предназначенных для передачи голоса и данных. Стандартизация такой продукции осуществляется двумя крупными организациями EIA/TIA, UL и NEMA. Категории 1 и 2 обычно используются для передачи голоса или низкоскоростной передачи данных, например, стандартный порт RS232. В локальных сетях используются следующие три категории неэкранированных витых пар (в настоящее время преимущественно выпускаются неэкранированные витые пары категории 5):

- Категория 3: охватывая полосу 10 Мбит/с (допустимая длина сегмента 100 м), используется в сетях Ethernet (10 Мбит/с).

- Категория 4: охватывая полосу 16 Мбит/с (допустимая длина сегмента 100 м) используется в сетях Token Ring 16 Мбит/с, Ethernet.

- Категория 5: охватывая полосу 155 Мбит/с (допустимая длина сегмента 100 м), используется в сетях ATM (155 Мбит/с), FDDI, а также может использоваться в менее скоростных сетях Token Ring, Ethernet.

5.Функция регистрации сигнала уровня PMD

Во всех кабельных системах, принятых в FDDI, введена специальная функция контроля качества или целостности линий связи между соседними рабочими станциями. Она называется функцией регистрации сигнала (signal detect). При использовании ВОЛС на основе этой функции осуществляется постоянный мониторинг значений мощности сигнала на входе PMD. Спецификация PMD требует от этого уровня выполнения функции Signal Detect по определению факта наличия оптических сигналов на входе физического соединения станции. Этот сигнал передается на уровень PHY, где используется функцией определения статуса линии Line State Detect (рис. 10) [6].

Рис. 10



При использовании ВОЛС уровень PMD генерирует для PHY признак присутствия оптического сигнала Signal Detect, если мощность входного оптического сигнала превышает -43,5 дБм, а снимает его при уменьшении этой мощности до -45 дБм и ниже. Таким образом, имеется гистерезис в 1,5 дБм для предотвращения частых изменений статуса линии при колебании входной мощности сигнала около -45 дБм.

При использовании витой пары используется более простой способ, контроля целостности медных пар, путем закорачивания пары приемника и передатчика на удаленном конце, что позволяет измерять величину постоянного тока при подаче постоянного напряжения (его величина определяет их состояние, а уровень PMD оповещает PHY командой регистрации сигнала Signal Detect [1].

Оптические соединители

Стандарты ANSI определяют пассивное оборудование FDDI для установления физической связи станций по ВОСС. Таковым является соединитель MIC (для соединения ВОК с FDDI станцией), который со стороны станции снабжена соответствующей стандартной розеткой.

Полярная структура соединителя MIC гарантирует правильное подключение ОВ на прием и передачу. Кроме этого, он снабжен ключом, предотвращающим неправильное подключение к соответствующему порту.

FDDI устройства также могут использовать оптические разъемы ST, FC (преимущественно под одномодовое ОВ, стандарт SMF-PMD) и полярный разъем Duplex SC (как под многомодовое, так и под одномодовое ОВ, PMD и SMF-PMD). Наибольшее распространение после стандарта MIC получил стандарт Duplex SC, который принят в качестве основного стандарта телекоммуникационными организациями многих стран (он дешевле, компактнее и имеет близкие технические характеристики).

Реальные сети FDDI имеют смешанную кабельную систему, например, приведенную на рис. 11.



Рис. 11

Здесь между удаленными узлами используется магистральный многомодовый или одномодовый ОВ кабель. Вертикальная кабельная система в пределах здания строится на основе многомодового станционного кабеля. Горизонтальная разводка по этажам осуществляется оптическими соединительными шнурами или витой парой. Заметим, что сама кабельная система является универсальной и может в равной степени подходить под использование другого сетевого оборудования, например Fast Ethernet или ATM, или смешанных решений.

Сравнения оптического волокна и витой пары

Наличие систем трех стандартов (MMF-PMD, SMF-PMD и TP-PMD) предоставляет пользователю выбор в зависимости от конкретной ситуации. Приведем сравнительный анализ ОВ и витой пары.

Главными преимуществами сети на основе ВОК являются: большие расстояния между пунктами ретрансляции; высокая помехозащищенность; отсутствие излучаемых помех; высокая степень защищенности от несанкционированного доступа; гальваническая развязка элементов сети; взрыво- и пожаробезопасность.

Достоинства, которые остаются у медной пары это: низкая стоимость восстановления обрывов и удобство использования в небольших рабочих группах.

Низкая стоимость подключения к рабочей станции. Витые пары STP IBM Type 1 и UTP cat.5 могут существенно уменьшить затраты на сетевое оборудование, так как они не требуют установки дорогостоящих оптических приемопередатчиков и пассивных компонентов волоконной оптики.

Низкая стоимость восстановления обрывов. Для устранения обрыва витой пары не требуется дорогостоящее специальное монтажное оборудование, как в случае обрыва оптического кабеля. Можно также целиком заменить поврежденную витую пару, что оправдано ее низкой стоимостью.

Удобства использования в небольших рабочих группах. Витая пара будет удобной при использовании концентратора в рабочих группах, в конструкторских бюро. Это удобство является следствием меньшей стоимости FDDI-концентратора, имеющего порты для подключения витых пар.

6. Уровень PHY

Стандарт PHY (physical layer protocol - протокол физического уровня) верхнего подуровня физического уровня (рис.3) определяет функции, которые не привязаны к типу среды передачи. Это позволяет модифицировать ее, например использовать витую пару вместо ОВ без изменения параметров уровня PHY.

Уровнем PHY определяются следующие основные компоненты, функции и характеристики:

- таймер и схема синхронизации - настройка временных параметров на основе временного анализа движения маркера и кадров данных по кольцу;

- процесс кодирования и декодирования - преобразование полученных от уровня MAC данных в формат, принятый для передачи между сетевыми устройствами FDDI;

- управляющие символы - минимальные сигнальные кванты, используемые для установления связи между станциями;

- эластичный буфер, используемый для компенсации допустимого отклонения часов соседних станций;

- функция сглаживания, позволяющая избежать потери кадров, имеющих короткие преамбулы;

- фильтр повторений, предотвращающий распространение ошибочных кодов и кодов сбойного состояния линии.

Синхронизация часов

Стандарт FDDI PHY определяет использование распределенных по станциям часов. Каждая станция имеет пару часов [1, 11].

Часы для передачи данных не перестраивают частоту. На частоте этих часов станция осуществляет передачу или повтор информации в кольцо.

Часы для приема подстраиваются по частоте, синхронизируясь приходящей последовательностью символов преамбулы. Станция декодирует данные кадра, следующего за преамбулой, на этой частоте (по приемным часам), которая определяется частотой передающих часов станции-отправителя (приходящих битов), т.е. приемные часы синхронизируются по частоте передачи предыдущей станции. Если же эти данные необходимо повторить и передать обратно в кольцо, то станция будет использовать свои собственные часы.

7. Структура последовательного канала связи и виды кодов

Передача информации между достаточно удаленными устройствами требует представления ее в виде последовательного потока битов, характеристики которого зависят от особенностей конкретной системы. Физической основой такой системы является линия связи, которая обычно выполняется в виде витой пары проводов, коаксиального кабеля либо ОВ.

В зависимости от расстояния данные, передаваемые по линии, могут однократно или многократно подвергаться ретрансляции с целью восстановления амплитуды и временных характеристик (рис.12, структура типа последовательного канала) [21, 61].

Рис. 12

Алгоритмы работы передатчика, ретранслятора и приемника определяются выбранным кодом, предназначенным для передачи по линии, который называют линейным кодом.

Униполярный код NRZ

Простейшим линейным кодом является униполярный код NRZ (Non Return to Zero), приведенный на рис. 13, а. Здесь нули представлены отсутствием импульса, а единица - наличием. Этот код имеет четыре недостатка.



Рис. 13

1. Средняя мощность, выделяемая на нагрузке R (на рисунке не показан), равна А²/2R где А -- амплитуда сигнала (импульса напряжения). Число 2 в знаменателе дроби соответствует равновероятному появлению "0" и "1" в потоке данных. Таким образом, на нагрузке рассеивается тепловая энергия в два раза интенсивнее, чем при биполярном кодировании (см. рис. 13, б) при той же амплитуде сигнала, равной А.

2. Униполярные сигналы всегда содержат постоянную составляющую и значительную долю низкочастотных компонентов в спектре при передаче длинных последовательностей единиц. Это препятствует передаче сигналов через трансформаторы или конденсаторы.

3. Ретрансляторы и приемники надежно восстанавливают синхронизирующую временную сетку только тогда, когда паузы между изменениями сигнала не слишком велики. Изменение сигнала после незначительной паузы позволяет всякий раз корректировать "ход часов" ретранслятора или приемника. С увеличением паузы надежность "службы времени" падает. Например, после передачи серии из 10 тыс. нулей приемник, вероятнее всего, не сможет точно определить, находится ли последующая единица на позиции 9999, 10000 или 10001. То же относится и к передаче длинных цепочек из "1". Другими словами, при передаче достаточно большой последовательности нулей или единиц приемник (или ретранслятор) теряет синхронизацию с передатчиком (или ретранслятором).

4. Отсутствует возможность оперативной регистрации ошибок, таких как пропадание или появление лишних импульсов из-за помех.

Биполярный код NRZ

Биполярный код NRZ (рис. 13, б) по сравнению с униполярным обладает лучшими энергетическими характеристиками. Единица представлена положительным уровнем напряжения, нуль - отрицательным. Нагрузочный резистор R в данном случае постоянно рассеивает тепло, так как на нем независимо от передаваемого кода присутствует напряжение А/2 той или иной полярности. Средняя мощность, выделяемая на нагрузочном резисторе, равна (А/2)²/R = А²/4R, т.е. половине средней мощности униполярного сигнала, хотя перепад уровней тот же самый.

Так что первый из отмеченных ранее недостатков униполярного сигнала NRZ в какой-то мере удалось устранить. Остальные три недостатка сохраняются. Для их ликвидации необходимо введение избыточности одним из двух способов:

- скорость передачи сигналов по линии выбирается большей, чем скорость передачи информации, без использования дополнительных электрических уровней сигналов;

- скорость передачи сигналов по линии выбирается равной скорости передачи информации, но вводятся дополнительные электрические уровни сигналов.

Код "Манчестер-II"

Примером кода с избыточностью, введенной согласно только что упомянутому первому способу, является код "Манчестер-II". Форма биполярного сигнала при передаче кода "Манчестер-II" показана на рис. 13, в. Единица кодируется отрицательным перепадом сигнала в середине битового интервала, нуль - положительным перепадом. На границах битовых интервалов сигнал, если это необходимо, изменяет значение, готовясь к отображению очередного бита в середине следующего битового интервала.

С помощью кода "Манчестер-II" решаются сразу все отмеченные ранее проблемы. Поскольку число положительных и отрицательных импульсов на любом достаточно большом отрезке времени равно (отличается не более чем на один импульс, что не имеет значения), постоянная составляющая равна нулю.

...