6. Сети FDDI
FDDI (Fiber Distributed Data Interface) — это стандарт, или, вернее, набор сетевых стандартов, ориентированных, прежде всего, на передачу данных по волоконно-оптическом белю со скоростью 100 Мбит/с. Подавляющая часть спецификаций стандарта FDDI была разработана проблемной группой ХЗТ9.5 (ANSI) во второй половине 80-х годов. FDDI стала вой ЛВС, использующей в качестве среды передачи оптическое волокно. 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 [1, 2, З]. 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 [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 окончанием передачи кадра (кадров); − FDDI не использует приоритет и поля резервирования, которые Token Ring использует для выделения системных ресурсов. В табл. 6.1. указаны основные характеристики сети FDDI. Таблица 6.1. Основные характеристики сети FDDI
* 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.
6.1. Принцип действия
Классический вариант сети FDDI строится на основе двух волоконнооптических 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. 6.1. 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. 6.2 в. В любой момент времени передавать информацию может только одна станция, а именно та, которая захватила маркер.
Рис. 6.2. 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. Форматы маркера и кадра FDDI, процедура инициализации кольца, а также вопросы распределения ресурсов сети в нормальном режиме передачи данных рассмотрены в п. 6.7.
6.2. Составляющие стандарта FDDI
Составляющие уровни стандарта FDD) и основные функции, выполняемые этими уровнями, приведены на рис. 6.3.
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 дейта-граммном режиме — без установления соединений и без восстановления потерянных или поврежденных кадров. Рис. 6.3. Составляющие стандарта FDDI Первоначально (к 1988 году) стандартизованы были следующие уровни (наименования соответствующих документов ANSI / ISO для FDDI приведены в табл. 6.2): − PMD (physical medium dependent) — нижний подуровень физического уровня. Его спецификации определяют требования к среде передачи (многомодовый волоконно-оптический кабель) 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 оптических волокнах. − PHY (physical) — верхний подуровень физического уровня. Он определяет схему кодирования и декодирования данных между МАС-уровнем и уровнем PMD, схему синхронизации и специальные управляющие символы. В его спецификации 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. Этот уровень 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. Этот специальный всеобъемлющий уровень определяет: протоколы взаимодействия этого уровня