Стандарт сетей с маркерной шиной
Стандарт IEEE 802.4 описывает свойства сетей, известных под названием «маркерная шина». В качестве физической среды здесь используется широкополосный коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 75 Ом. При создании иерархической структуры сети, а также для увеличения ее длины используются повторители. Такая сеть была способна обеспечивать пропускную способность до 10 Мбит/с с полосой пропускания кабеля - 12 МГц. Метод доступа в стандарте исключает коллизии, так как для доступа к сетевой среде станция должна получить специальный кадр-маркер, который может быть только один. Получив маркер, сетевое устройство начинает передачу данных, а по ее завершении передает маркер следующей станции. Передача маркера происходит до тех пор, пока он не достигнет младшей станции согласно разряду сетевых адресов, после чего он возвращается первой станции.
Станции получают доступ к шине в результате процедуры соревнования, которая называется «окно откликов». «Окно откликов» представляет собой временной интервал, равный по длительности времени распространения сигнала по шине или одному системному такту. Это время отсчитывается от момента окончания передачи станцией кадра-маркера. В течение этого времени станция-инициатор ожидает отклика от других станций. Любая станция сети, будучи владельцем маркера, может запустить этот процесс с помощью посылки кадра «поиска станции». Данный кадр содержит «окно откликов». После передачи кадра станция ждет ответа в течение одного системного такта. Если ответа нет, маркер передается следующей станции в направлении убывания адресов сетевых узлов. Если же получен один ответ, то инициализируется подключение станции-приемника с помощью кадра «установки приемника». При получении нескольких откликов возникает конфликт за право доступа к шине, и запускается процедура соревнования, в результате которой только одна станция с большим сетевым адресом может получить доступ. В случае потери маркера запускается процедура инициализации сети, как правило, со станции, имеющей старший адрес. Вследствие низкой производительности и сложного алгоритма доступа сети данного стандарта не получили большого распространения.
5.6 Стандарт сетей с маркерным кольцом
Сети стандарта с маркерным кольцом (Token Ring) используют разделяемую среду передачи данных, которая состоит из отрезков кабеля, соединяющих все станции сети в кольцо. Кольцо рассматривается как общий ресурс, и для доступа к нему используется алгоритм, основанный на передаче станциями права на использование кольца с помощью кадра специального формата, называемого маркером или токеном. Стандарт Token Ring был принят в 1985 году. В качестве передающей среды применялась неэкранированная или экранированная витая пара, оптоволокно. Основные характеристиками стандарта являются следующие:
1. Скорость передачи данных - 4 Мбит/с или 16 Мбит/с;
2. Максимальный размер поля данных кадра - 16 Кбайт;
3. Минимальный размер поля данных кадра - 0 байт;
4. Полезная производительность для кадров максимальной дайны - около 15 Мб/с;
5. Тип протокола - дейтаграммный с подтверждением доставки;
6. Применяются методы и кадры самотестирования;
7. Возможна приоритетная обработка трафика.
8. Задержки доступа к среде резко возрастают при коэффициенте загрузки канала более 60% для скорости 4 Мбит/с, и более 80% для скорости 16 Мбит/с.
По стандарту Token Ring станции объединяются в кольцу непосредственно или с помощью концентраторов. В сети применяются два типа концентраторов: активные и пассивные. Пассивные концентраторы обеспечивают только соединения портов внутри концентратора в кольцо, а активные выполняют еще и функции повторителя. Естественно, что активные концентраторыподдерживают большие расстояния до станции, чем пассивные. Концентраторы обычно соединены в кольцо, так называемыми магистральными связями. Для предотвращения влияния отказавшей или отключенной станции на работу кольца, оконечные сетевые узлы подключаются к магистрали кольца через специальные устройства подключения к магистрали. В функции такого устройства входит образование обходного пути при отключении или отказе станции сети. При подключении оконечной станции в кольцо через концентратор, такие устройства встраивают в порты концентратора.
В данном стандарте существует три формата кадров:
1. Маркерный кадр;
2. Кадр данных;
3. Последовательность прерывания.
Кадр маркера состоит из трех однобайтовых полей; поле начального ограничителя, состоящее серии электрических импульсов, отличных от импульсов, которыми кодируются данные; поле контроля доступа; поле конечного ограничителя. Кадр данных состоит из следующих полей: поле начала кадра; адрес получателя; адрес отправителя; данные; поле контроля кадра; поле конца кадра. Кадр данных может переносить как данные для управления кольцом, так и пользовательские данные.
5.7 Стандарт технологии 100VG-AnyLAN
В качестве альтернативы технологии Fast Ethernet компаниями AT&T и HP была разработана технология со скоростью передачи данных 100 Мб/с - 100Base-VG. В данном стандарте был усовершенствован метод доступа для работы мультимедийных приложений, а также реализована поддержка кадров не только формата Ethernet, но и формата Token Ring. В результате новая технология получила название 100VG-AnyLAN, то есть технология для любых сетей и в 1995 году получила статус стандарта IEEE 802.12.
Cтандарт IEEE-802.12 поддерживает три типа кадров передачи данных: кадры Ethernet (IEEE 802.3), кадры Token Ring (IEEE 802.5) и кадры тестирования соединений (IEEE 802.3). Однко стандарт ограничивает допустимую организацию сетей и запрещает использование различных форматов кадров в рамках одного сегмента сети.
Топология сети 100VG-AnyLAN предусматривает наличие центрального коммутатора/концентратора, называемого корневым, а также оконечных узлов и концентраторов, соединенных с ним. Каждый концентратор в сети может быть настроен либо на работу с кадрами Ethernet, либо Token Ring. Для построения гетерогенных сетей и соединения сегментов сетей 100VG-AnyLAN, использующих разные форматы кадров нужен мост, коммутатор или маршрутизатор.
Каждый концентратор в иерархии имеет один «восходящий» порт и N «нисходящих» портов. Восходящий порт работает как порт узла, но он зарезервирован для присоединения в качестве узла к концентратору более высокого уровня. Нисходящие порты служат для присоединения узлов, в том числе и концентраторов нижнего уровня. Узел представляет собой компьютер или коммуникационное устройство - мост, коммутатор, маршрутизатор или концентратор. Концентраторы, подключаемые как узлы, соответственно называются концентраторами 2-го и 3-го уровней. Всего разрешается образовывать до трех уровней иерархии концентраторов.
Технология 100VG-AnyLAN поддерживает следующие типы физической среды:
· 4-парную неэкранированную витую пару;
· 2-парную неэкранированную витую пару;
· 2-парную экранированную витую пару;
· одномодовый или многомодовый оптоволоконный кабель.
В стандарте поддерживается одновременная передача данных по четырем неэкранированным витым парам (категории 3, 4, 5) со скоростью 25 Мб/с, что в сумме дает 100 Мб/с.
Структура стека протоколов технологии 100VG-AnyLAN состоит из:
· MAC подуровня доступа к среде;
· Подуровня, независящего от физической среды (Physical Media Independent - PMI);
· Подуровня, зависящего от физической среды (Physical Media Dependent - PMD).
Функции подуровня МАС включают реализацию протокола доступа с приоритетными запросами Demand Priority, осуществление подготовки линии связи и формирования кадра соответствующего формата. Метод доступа Demand Priority основан на передаче концентратору функций арбитра, решающего проблему доступа к разделяемой среде. Метод повышает коэффициент использования пропускной способности сети за счет введения детерминированного метода разделения общей среды, использующего два уровня приоритетов: низкий - для обычных приложений и высокий - для мультимедийных. Важная особенность метода Demand Priority - сохранение форматов кадров Ethernet и Token Ring.
Большого распространения технология 100VG-AnyLAN не получила, хотя пользователям сетей Token Ring она позволяет в 25 раз увеличить производительность сети, а из-за изменения метода доступа, эффективная пропускная способность сети 100VG-AnyLAN примерно в 1,5 раза выше пропускной способности сети Fast Ethernet.
5.8 Стандарт FDDI
Стандарт FDDI (Fiber Distributed Data Interface) определяет технологию построения локальных сетей, на базе оптоволоконного кабеля, которая основывается на технологии Token Ring. Стандарт FDDI, разработанный группой ХЗТ9.5 института ANSI обеспечивает передачу кадров по двойному волоконно-оптического кольцу. Протокол специально разрабатывался по аналогии со стандартами Token Ring и IEEE 802,5 и отличается от них теми особенностями, которые необходимы для поддержки большей скорости и больших расстояний. Основными характеристиками протокола FDDI являются:
1. Максимальная скорость передачи данных - 100 Мбит/с;
2. Максимальный размер кадра - 4 Кбайт;
3. Высокая отказоустойчивость;
4. Собственный протокол управления кольцом;
5. Максимальные расстояния между станциями: до 2 км с многомодовым оптоволоконным кабелем, до 60 км с одномодовым оптоволоконным кабелем; до 100 м с неэкранированной витой парой категории 5;
6. Максимальная длина кольца FDDI составляет 100 километров;
7. Максимальное число станций в кольце– 500.
Сеть FDDI строится на основе двух оптоволоконных колец, которые образуют основной и резервный пути передачи данных между узлами сети. Использование двух колец - это способ повышения отказоустойчивости. В нормальном режиме работы сети данные проходят через узлы и участки кабеля первичного кольца, и этот режим называется «сквозным». Вторичное кольцо в этом режиме не используется. В случае отказа первичного кольца, оно объединяется со вторичным, образуя единое кольцо. Этот режим работы сети называется «свертыванием» колец. Операция свертывания производится концентраторами и/или сетевыми адаптерами FDDI. Для упрощения этой процедуры, данные по первичному кольцу всегда передаются против часовой стрелки, а по вторичному - по часовой.
Оба кольца рассматриваются как общая разделяемая среда передачи данных, для которой определен специальный метод доступа маркерного кольца. Алгоритм управления доступом к сети основан на таймерных интервалах. В стандарте FDDI различаются асинхронные и синхронные кадры (например, кадры видеопотока), которые должны передаваться в строго фиксированные интервалы времени. Каждая станция кольца учитывает три таймерных интервала:
· Интервал между двумя последовательными приходами маркера;
· Фиксированный интервал, о котором станции договорились при инсталляции;
· Время удержания маркера, в течение которого станция может передавать свои кадры.
Структура кадра данных сети FDDI соответствует структуре кадра данных сети Token Ring, а структура маркера FDDI значительно отличается. Физический уровень в протоколе разделен на два подуровня: независимый от среды подуровень (Physical - PHY), и зависящий от среды подуровень (Physical Media Dependent - PMD). Работу всех подуровней контролирует протокол управления станцией (Station Management - SMT). Уровень PHY выполняет кодирование и декодирование данных, циркулирующих между MAC-подуровнем и уровнем PMD, а также обеспечивает тактирование информационных сигналов. Канальный подуровень MAC ответственен за управление доступом к сети, а также за прием и обработку кадров данных. Протокол SMT выполняет функции по управлению и мониторингу всех уровней стека протоколов FDDI. Все узлы обмениваются специальными кадрами SMT для управления сетью.
Для подключения сетевых устройств к кольцу используются оптические обходные переключатели (Optical Bypass Switch), которые позволяют закоротить входные и выходные оптические волокна и обойти станцию в случае ее выключения. Оптический переключатель питается от станции и состоит из отражающих зеркал или подвижного оптоволокна.
Основной вид кабеля для стандарта Fiber PMD - многомодовый кабель с диаметром сердечника - 62.5 мкм, диаметром отражающей оболочки - 125 мкм и полосой пропускания частот не хуже 500 МГц на км. Кроме основного вида кабеля, допускается использование многомодовых кабелей с диаметром сердечника в 50 мкм, 85 мкм и 100 мкм. Подключение к сети FDDI производится через фотооптические трансиверы, которые преобразуют оптический сигнал в электрический. В качестве физического интерфейса стандарт определяет оптические разъемы MIC (Media Interface Connector), которые обеспечивают подключение 2-х волокон кабеля через вилку MIC к 2-м волокнам розетки MIC порта станции. В качестве источника света допускается использование светодиодов или лазерных диодов с длиной волны – 1,3 мкм. Также применяется одномодовый кабель (Single Mode Fiber - SMF) и разъемы SMF-MIC для этого кабеля. В этом случае дальность физического соединения между соседними узлами может увеличиться до 40 - 60 км, в зависимости от качества кабеля, разъемов и соединений.
При выборе типа кабеля следует иметь в виду, что ослабление сигнала более чем на 11дБ не допустимо, так как число ошибок при передаче данных становится слишком велико. Это ограничение ставит предел на максимальную длину многомодового кабеля до 2 км, когда ослабление достигает 10,5 дБ. При выборе оптических разъемов следует учитывать, что разъем не должен вносить ослабление более 2 дБ. Даже сварка волокон при качественном исполнении должна вносить ослабление сигнала не более 0,3 дБ. Обходные оптические переключатели также вносят ослабление около 3 дБ, поэтому при их использовании предельное расстояние между узлами сокращается вдвое. При прокладке оптического кабеля не допускаются малые радиусы изгибов, которые увеличивают потери света.
Концентраторы, используемые в стандарте FDDI, позволяют подключить к стандартному кольцу шинные и звездообразные сетевые сегменты, создавая иерархические кабельные структуры, что предопределило использование технологии при создании структурированной кабельной системы зданий и кампусов. Концентраторы повышают надежность сети, так как не вынуждают сеть при отключении отдельного узла переходить в аварийный режим обхода, а также снижают стоимость подключения к кольцу.
Стандарт Fibre Channel
Современные требования к скорости передачи данных телекоммуникационных каналов локальных сетей лежат в диапазоне от 100 до 1000 Мбит/с. Скоростные сети Fast Ethernet и FDDI соответствуют этим требованиям на пределе. Поэтому группой ANSI был разработан стандарт Fibre Channel, который сегодня конкурирует с технологиями Ethernet. Стандарт Fibre Channel имеет собственную систему физического интерфейса и форматы кадров, которые позволяют ему обеспечить стыковку с сетевыми протоколами IP и канальными стандартов IEEE 802.2. Быстродействие сетей Fibre Channel составляет n*100 Мбит/с, где n – число каналов, при длинах каждого канала более 10 км. Теоретически возможная сигнальная скорость передачи составляет - 4,25 гигабод. В качестве транспортной среды используется одномодовое или многоимодовое оптическое волокно, а также для скоростей до 200 Мбит/с допускается применение медного коаксиального кабеля и витых пар 5 категории.
Fibre Channel имеет шесть схем обмена информацией в сети:
1. Схема 1. Осуществляется соединение с коммутацией каналов по схеме точка-точка для аудио- и видео- приложений. После установления соединения используется вся доступная полоса пропускания канала и гарантируется, что кадры будут получены в порядке отправления.
2. Схема 2. Производится обмен данными без установления соединения с коммутацией пакетов, гарантирующий доставку данных. Порт передатчика может взаимодействовать с любым числом портов, получая и передавая кадры. Однако здесь нет гарантии доставки кадров в том же порядке, в каком они были переданы.
3. Схема 3. Производится обмен дейтограммами без установления соединения и без гарантии доставки.
4. Схема 4. Обеспечивается выделение фиксированной доли пропускной способности канала с заданным значением качества обслуживания. Схема работает только с двухпортовыми соединениями, где формируется два виртуальных соединения, обслуживающих встречные потоки данных. Пропускная способность соединений может быть различной.
5. Схема 5. Реализуется синхронный сетов передачи данных.
6. Схема 6. Предусматривается множественное обслуживание абонентов (мультикастинг-обслуживание).
Протокол Fibre Channel предусматривает 5 уровней взаимодействия, которые определяют физическую среду, скорость передачи, схему кодирования, формат кадров, схему управления потоком и т.д.:
1. Уровень FC-0определяет физические характеристики интерфейса и среды, включая кабели, разъемы, драйверы, светодиоды и лазеры, передатчики и приемники;
2. Уровень FC-1определяет метод кодирования/декодирования и протокол передачи;
3. Уровень FC-2определяет правила сигнального протокола, классы услуг, топологию, методику сегментации, задает формат кадра и описывает передачу информационных кадров;
4. Уровень FC-3определяет работу нескольких портов на одном узле и обеспечивает общие виды сервиса;
5. Уровень FC-4обеспечивает реализацию набора прикладных команд и протоколов вышележащего уровня.
При передаче данных в Fibre Channel используются кадры переменной длины до 2148 байт, содержащие до 2112 байт данных. Такая полезная длина кадра снижает издержки по пересылки служебной информации до 2%. Идентификация кадров предусматривает использование 24-битовых адресов, что позволяет адресовать до 16 миллионов сетевых объектов.
Стандарт Fibre Channel допускает сетевые соединения типа «точка-точка» и создание структуры «арбитражного кольца». Кольцевая архитектура с подключением до 128 узлов обеспечивает самое дешевое подключение. Отличием от стандартов Token Ring и FDDI является отсутствие маркерной схемы доступа к среде. Здесь используется, так называемый «арбитражный» метод доступа, который является разновидностью метода доступа с приоритетами. Система арбитража допускает обмен только между двумя узлами одновременно. Когда станция сети готова передать данные, она передает сигнал-запрос с собственным сетевым адресом в арбитражном кольце. Если станция получит свой запрос обратно, то это означает, что кольцо свободно, станция забирает контроль над кольцом и начинает передачу своих кадров. Для этого станция-инициатор передачи посылает запрос на установление связи с другой станцией-приемником и, получив ответ, устанавливает виртуальный канал передачи данных. При этом время удержания контроля над кольцом не ограничивается. Если же контроль над кольцом одновременно пытаются захватить две станции, то сравниваются значения приоритетов в запросах и узел с соответствующим значением приоритета имеет преимущественное право доступа к кольцу. Перед использованием кольца и каждый раз при подключении нового узла, кольцо нужно инициализировать, так чтобы каждый порт получил свой физический адрес.
Вопросы для самоконтроля по главе 5
1. Дайте определение локальной вычислительной сети.
2. Дайте определения основных сетевых терминов: узел сети, кабельный сегмент, сетевой сегмент, логическая сеть.
3. В чем основные преимущества локальной вычислительной сети?
4. По каким признакам могут классифицироваться локальные вычислительные сети?
5. В чем основные отличия одноранговых и иерархических сетей?
6. Перечислите и охарактеризуйте основные топологические схемы локальных сетей.
7. Что понимается под протоколом локальной сети?
8. Перечислите и охарактеризуйте основные стандарты, разработанные комитетом IEEE 802.
9. Дайте краткую характеристику подуровней канального уровня в стандартах IEEE 802.
10. Опишите кадры подуровня LLC.
11. Приведите классификацию стандартов технологии Ethernet.
12. Какие типы физической среды передачи данных могут использоваться в стандартах Ethernet?
13. Опишите основные принципы работы технологии Ethernet.
14. В чем заключаются отличия технологий Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet?
15. Опишите особенности и преимущества технологии Gigabit Ethernet.
16. Перечислите основные характеристики сетей, построенных на основе стандарта IEEE 802.4 – маркерная шина.
17. Перечислите основные характеристики сетей, построенных на основе маркерного кольца Token Ring.
18. Охарактеризуйте технологию 100VG-AnyLAN?
19. Перечислите основные характеристики протокола FDDI.
20. Опишите структуру и принцип работы сети на базе протокола FDDI.
21. В чем заключаются преимущества использования стандарта Fibre Channel?
22. Перечислите схемы обмена информацией в стандарте Fibre Channel и опишите формат кадра данных.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
а) Основная литература
1. Протоколы информационно-вычислительных сетей. Справочник. Под ред. И. А. Мизина и А. П. Кулешова, Радио и связь, Москва, 1990.
2. Локальные вычислительные сети. Справочник. Под ред. С.В.Назарова. М.: Финансы и статистика, 1994.
3. Бождай А.С., Финогеев А.Г. Сетевые технологии. Электронное учебное пособие, 2004.
4. Борисов М. Новые стандарты высокоскоростных сетей // Открытые системы. 1994. вып.3. С. 20-31.
5. Гауэр Дж. Оптические системы связи. – Пер. с англ. - М.: Радио и связь, 1989.
7. Нанс Б. Компьютерные сети. - Пер с англ. - М.: Бином, 1995.
8. Стерлинг Д. Волоконная оптика. Техническое руководство. – Пер. с англ. - Изд. ОРИ, Москва, 1998.
9. Фролов А.В., Фролов Г.В. Локальные сети персональных компьютеров. Использование протоколов IPX, SPX, NETBIOS. - М.: Диалог-МИФИ, 1993.
10. Хендерсон Л., Дженкинс Т. Frame Relay межсетевые взаимодействия. – Пер. с англ. - М.: "Горячая линия - Телеком", 2000.
11. Чаппелл Л., Хейкс Д. Анализатор локальных сетей NetWare (Руководство Novell). – Пер. с англ. – М.: Изд. ОРИ, 1995.
12. Шапиро Дж., Бойс Дж. Windows 2000 Server. Библия пользователя. – Пер. с англ. – М.: «Диалектика» - 2001.
13. Шатт С. Мир компьютерных сетей. - Пер. с англ. - Киев: BHV, 1996.
б) Дополнительная литература и сетевые ресурсы
- Введение в IP-сети. Информационно-аналитические материалы, http://www.citforum.ru/nets/ip/contents.shtml
- Высокоскоростные технологии ЛВС. Информационно-аналитические материалы, http://www.citforum.ru/nets/lvs/contents.shtml
- Карпов Г.Кабельные системы локальных вычислительных сетей, http://www.citforum.ru/nets/articles/cable.shtml
- Классификация коммутаторов, СерверBiLim Systems Ltd., http://www.citforum.ru/nets/articles/commutator_class.shtml
- Локальные сети на основе коммутаторов. Информационно-аналитические материалы, http://www.citforum.ru/nets/lsok/contents.shtml
- Модель OSI. Сервер BiLiM Systems Ltd., http://www.citforum.ru/nets/switche/osi.shtml
- Олифер Н.А., Олифер В.Г.Средства анализа и оптимизации локальных сетей, http://www.citforum.ru/nets/optimize/index.shtml
- Олифер Н.А., Олифер В.Г.Базовые технологии локальных сетей, http://www.citforum.ru/nets/protocols2/index.shtml
- Олифер Н.А., Олифер В.Г.Роль коммуникационных протоколов и функциональное назначение основных типов оборудования корпоративных сетей, http://www.citforum.ru/nets/protocols/index.shtml
- Основы сетевых технологий. СерверBiLiM Systems Ltd., http://www.citforum.ru/nets/ethernet/ost.shtml
- Семенов Ю.А.Телекоммуникационные технологии, http://www.citforum.ru/nets/semenov/
- Спирин А. А. Введение в технику волоконно-оптических сетей, http://www.citforum.ru/nets/optic/optic1.shtml
- Что это такое - коммутатор или маршрутизатор?, СерверBiLiM Systems Ltd. , http://www.citforum.ru/nets/ethernet/com_rout.shtml