Высокоскоростные системные интерфейсы и локальные сети

1. Fast Ethernet

Сегодня все чаще и чаще возникают повышенные требования к пропускной способности каналов между клиентами сети и серверами. Это происходит по разным причинам:

• повышение производительности клиентских компьютеров;

• увеличение числа пользователей в сети;

• появление приложений, работающих с мультимедийной информацией, которая хранится в файлах очень больших размеров;

• увеличение числа сервисов, работающих в реальном масштабе времени.

Следовательно, имеется потребность в экономичном решении, предоставляющем нужную пропускную способность во всех перечисленных случаях. Ситуация усложняется еще и тем, что нужны различные технологические решения — для организации магистралей сети и подключения серверов одни, а для подключения настольных клиентов — другие.

В мае 1995 года комитет IEEE принял спецификацию Fast Ethernet в качестве стандарта 802.3u, который не является самостоятельным стандартом, а представляет собой дополнение к существующему стандарту 802.3 в виде глав с 21 по 30. Отличия Fast Ethernet от Ethernet сосредоточены на физическом уровне.

Более сложная структура физического уровня технологии Fast Ethernet вызвана тем, что в ней используется три варианта кабельных систем — оптоволокно, 2-х парная витая пара категории 5 и 4-х парная витая пара категории 3, причем по сравнению с вариантами физической реализации Ethernet (а их насчитывается шесть), здесь отличия каждого варианта от других глубже — меняется и количество проводников, и методы кодирования.

Для технологии Fast Ethernet разработаны различные варианты реализации физического уровня, отличающиеся не только типом кабеля и электрическими параметрами импульсов, как в 10 Мб/с Ethernet, но и способом кодирования сигналов и количеством используемых в кабеле проводников. Поэтому физический уровень Fast Ethernet имеет более сложную структуру, чем классический Ethernet, и состоит из трех подуровней:

• Уровень согласования (reconciliation sublayer).

• Независимый от среды интерфейс (Media Independent Interface, MII).

• Устройство физического уровня (Physical layer device, PHY).

Устройство физического уровня (PHY) обеспечивает кодирование данных, поступающих от MAC-подуровня для передачи их по кабелю определенного типа, синхронизацию передаваемых по кабелю данных, а также прием и декодирование данных в узле-приемнике.

Интерфейс MII поддерживает независимый от используемой физической среды способ обмена данными между MAC-поду-ровнем и подуровнем PHY. Этот интерфейс аналогичен по назначению интерфейсу AUI классического Ethernet'а.

Подуровень согласования нужен для того, чтобы согласовать работу подуровня MAC с интерфейсом MII.

Существует два варианта реализации интерфеса MII: внутренний и внешний.

У технологии Fast Ethernet есть несколько ключевых свойств, которые определяют области и ситуации ее эффективного применения. К этим свойствам относятся:

• Большая степень преемственности по отношению к классическому 10-Мегабитному Ethernet'у.

• Высокая скорость передачи данных — 100 Mб/c.

• Возможность работать на всех основных типах современной кабельной проводки — UTP Category 5, UTP Category 3, STP Type 1, многомодовом оптоволокне.

Наличие многих общих черт у технологий Fast Ethernet и Ethernet дает простую общую рекомендацию — Fast Ethernet следует применять в тех организациях и в тех частях сетей, где до этого широко применялся 10-Мегабитный Ethernet, но сегодняшние условия или же ближайшие перспективы требуют в этих частях сетей более высокой пропускной способности. При этом сохраняется весь опыт обслуживающего персонала, привыкшего к особенностям и типичным неисправностям сетей Ethernet.

Fast Ethernet, кроме положительных свойств, унаследовал и недостатки технологии Ethernet — большие задержки доступа к среде при коэффициенте использования среды выше 30–40 %, являющиеся следствием применения алгоритма доступа CSMA/CD, небольшие расстояния между узлами даже при использовании оптоволокна — следствие метода обнаружения коллизий, отсутствие определения резервных связей в стандарте и отсутствие поддержки приоритетного трафика приложений реального времени.

Основными двумя факторами, сдерживающими применение технологии Fast Ethernet на магистралях, являются:

• широкое использование в настоящее время для этой цели технологии FDDI;

• отсутствие у технологии Fast Ethernet средств поддержки трафика реального времени.

Поэтому, если эти факторы не относятся к вашей сети, то ее магистраль можно успешно строить и на коммутируемой технологии Fast Ethernet, особенно на ее полнодуплексной версии. Правда, в последнем случае настоятельно рекомендуется использовать коммутаторы одного и того же производителя.

2. Ceть FDDI

Свое название сети FDDI получили от заглавных букв Fiber distributed data interface. Он был разработан в 1985 г. комитетом Х3Т9.5 Американского института национальных стандартов (ANSI) как стандарт на оптоволоконный интерфейс распределенных данных. Хотя этот стандарт официально называется стандартом ANSI X3T9.5, за ним закрепилось название FDDI. С целью повышения эффективности передачи цифровых, звуковых и видео-потоков данных реального времени в 1986г. был разработан стандарт FDDI-II. Впоследствии стандарт FDDI был принят в качестве международного стандарта ISO 9314.

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

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

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

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

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

В случае какого-либо вида отказа, когда часть первичного кольца не может передавать данные (например, обрыв кабеля или отказ узла), первичное кольцо объединяется со вторичным (рис. 24), образуя вновь единое кольцо. Этот режим работы сети называется Wrap, то есть «свертывание» или «сворачивание» колец. Операция свертывания производится силами концентраторов и/или сетевых адаптеров FDDI. Для упрощения этой процедуры данные по первичному кольцу всегда передаются против часовой стрелки, а по вторичному — по часовой. Поэтому при образовании общего кольца из двух колец передатчики станций по-прежнему остаются подключенными к приемникам соседних станций, что позволяет правильно передавать и принимать информацию соседними станциями.

Рис. 24 — Реконфигурация колец FDDI при отказе

Сеть FDDI может полностью восстанавливать свою работоспособность в случае единичных отказов ее элементов. При множественных отказах сеть распадается на несколько не связанных сетей.

Кольца в сетях FDDI рассматриваются как общая разделяемая среда передачи данных, поэтому для нее определен специальный метод доступа. Этот метод очень близок к методу доступа сетей Token Ring и также называется методом маркерного кольца — token ring. Длина кадра при этом намного больше и составляет 4470 байт.

Физический уровень FDDI 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).

• 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.

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 FDDI. В управлении кольцом принимает участие каждый узел сети FDDI. Поэтому все узлы обмениваются специальными кадрами SMT для управления сетью. В спецификации SMT определено следующее:

• Алгоритмы обнаружения ошибок и восстановления после сбоев.

• Правила мониторинга работы кольца и станций.

• Управление кольцом.

• Процедуры инициализации кольца.

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

В таблице 4 представлены результаты сравнения технологии FDDI с технологиями Ethernet и Token Ring.

Таблица 4 — Сравнение FDDI и Token Ring

Все станции в сети FDDI делятся на несколько типов по следующим признакам:

• конечные станции или концентраторы;

• по варианту присоединения к первичному и вторичному кольцам;

• по количеству MAC-узлов и, соответственно, MAC-адре-сов у одной станции.

Одиночное и двойное присоединение к сети

Если станция присоединена только к первичному кольцу, то такой вариант называется одиночным присоединением — Single Attachment, SA. Если же станция присоединена и к первичному, и ко вторичному кольцам, то такой вариант называется двойным присоединением — Dual Attachment, DA.

Очевидно, что станция может использовать свойства отказоустойчивости, обеспечиваемые наличием двух колец FDDI, только при ее двойном подключении.

В зависимости от того, является ли станция концентратором или конечной станцией, приняты следующие обозначения в зависимости от типа их подключения:

SAS (Single Attachment Station) — конечная станция с одиночным подключением,

DAS (Dual Attachment Station) — конечная станция с двойным подключением,

SAC (Single Attachment Concentrator) — концентратор с одиночным подключением,

DAC (Dual Attachment Concentrator) — концентратор с двойным подключением.

Особенностью 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;

• возможность поддержки синхронного мультимедийного трафика;

• гибкий механизм распределения пропускной способности кольца между станциями;

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

• возможность легкой трансляции трафика FDDI в трафики таких популярных протоколов, как Ethernet и Token Ring, за счет совместимости форматов адресов станций и использования общего подуровня LLC.

За уникальное сочетание свойств приходится платить — технология FDDI является одной из самых дорогих технологий. 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.

В FDDI широко используются концентраторы, которые, как и станции, могут быть с одним или с двумя портами ввода-вывода для подключения к магистральному каналу. Двойные концентраторы используются на магистральном участке сети, а одинарные концентраторы поддерживают древовидную структуру сети. Подключение абонентских систем к концентраторам может осуществляться как с помощью оптоволоконных каналов, так и с помощью витых пар проводников. В первом случае в качестве промежуточного звена выступают одинарные станции. Во втором случае используется специальный адаптер, подобный адаптеру сети стандарта IEEE 802.5. Представительный набор устройств различных типов позволяет поддерживать сетевые структуры с достаточно разнообразной топологией, от простой кольцевой до сложной древовидно-кольцевой.

Стандартом определены два режима передачи данных: синхронный и асинхронный. В синхронном режиме станция при каждом поступлении маркера может передавать данные в течение определенного времени независимо от времени появления маркера. Этот режим обычно используется для приложений, чувствительных к временным задержкам, например, в системах оперативного управления и др.

В асинхронном режиме длительность передачи информации связана с приходом маркера и не может продолжаться позднее определенного момента времени. Если до указанного момента времени маркер не появился, то передача асинхронных данных вообще не производится. Дополнительно в асинхронном режиме устанавливается несколько (до семи) уровней приоритета, каждому из которых устанавливается свое граничное время передачи информации.

3. 100VG-Any LAN

В качестве альтернативы технологии Fast Ethernet, фирмы AT&T и HP выдвинули проект новой технологии — 100Base-VG. В этом проекте было предложено усовершенствовать метод доступа с учетом потребности мультимедийных приложений, при этом сохранить совместимость формата пакета с форматом пакета сетей 802.3. Проект был расширен за счет поддержки в одной сети кадров не только формата Ethernet, но и формата Token Ring. В результате новая технология получила название 100VG-AnyLAN, то есть технология для любых сетей (Any LAN — любые сети), имея в виду, что в локальных сетях технологии Ethernet и Token Ring используются в подавляющем количестве узлов. Технология 100VG-AnyLAN получила статус стандарта IEEE 802.12.

В технологии 100VG-AnyLAN определены новый метод доступа Demand Priority и новая схема квартетного кодирования Quartet Coding, использующая избыточный код 5В/6В.

Метод доступа Demand Priority основан на передаче концентратору функций арбитра, решающего проблему доступа к разделяемой среде. Метод Demand Priority повышает коэффициент использования пропускной способности сети за счет введения простого, детерминированного метода разделения общей среды, использующего два уровня приоритетов: низкий — для обычных приложений и высокий — для мультимедийных.

Сеть 100VG-AnyLAN представляет собой локальную компьютерную сеть древовидной топологии (рис. 25). В качестве промежуточных узлов сети используются концентраторы (повторители), а оконечными узлами (абонентскими системами) являются рабочие станции и серверы.

Рис. 25 — Структура сети 100 VG-Any LAN

Для поддержания многоуровневой структуры концентраторы оснащаются портами двух видов:

Порты нисходящих связей, используемые для подключения устройств нижележащих уровней. К этим портам могут подключаться как оконечные узлы, так и концентраторы.

Порт восходящей связи, предназначенный для подключения к концентратору более высокого уровня

В зависимости от месторасположения концентратор может быть корневым или концентратором уровня, на котором он расположен.

Как и для большинства современных локальных компьютерных сетей, спецификациями стандартов сети l00VG-AnyLAN определяются канальный и физический уровни Эталонной модели взаимодействия открытых систем. На уровне управления логическим каналом используется стандарт IEEE 802.2. Подуровень управления доступом к передающей среде и физический уровень определяются с помощью специально разработанного стандарта IEEE 802.12. Каждый из этих уровней разбит на два подуровня.

Физический уровень включает подуровень передачи физических сигналов. Этот подуровень является независимым от физической среды и часто называется — PMI (Physical Medium Independent). В свою очередь, подуровень модуля сопряжения со средой во многом зависит от характера физической среды и имеет второе название — PMD (Physical Medium Dependent).

Каждый концентратор может быть сконфигурирован на поддержку либо кадров 802.3 Ethernet, либо кадров 802.5 Token Ring. Все концентраторы, расположенные в одном и том же логическом сегменте (не разделенном мостами, коммутаторами или маршрутизаторами), должны быть сконфигурированы на поддержку кадров одного типа. Для соединения сетей 100VG-AnyLAN, использующих разные форматы кадров 802.3, нужен мост, коммутатор или маршрутизатор. Аналогичное устройство требуется и в том случае, когда сеть 100VG-AnyLAN должна быть соединена с сетью FDDI или АТМ.

Узел представляет собой компьютер или коммуникационное устройство технологии 100VG-AnyLAN. Концентраторы, подключаемые как узлы, называются концентраторами 2-го и 3-го уровней. Всего разрешается образовывать до трех уровней иерархии концентраторов.

Варианты кабельной системы могут использоваться любые, но ниже будет рассмотрен вариант 4-UTP, который был разработан первым и получил наибольшее распространение.

Результаты сравнения этой технологии с технологиями 10Base-T и 100Base-T приводятся в таблице 5.

Таблица 5

Стек протоколов технологии 100VG-AnyLAN

Структура стека протоколов технологии 100VG-AnyLAN согласуется с архитектурными моделями OSI/ISO и IEEE, в которых канальный уровень разделен на подуровни.

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.