Технология FDDI

Технология FDDI (Fiber Distributed Data Interface) — оптоволоконный интерфейс распределенных данных — это первая технология локальных сетей, в которой сре­дой передачи данных является волоконно-оптический кабель. Работы по созданию технологий и устройств для использования волоконно-оптических каналов в ло­кальных сетях начались в 80-е годы, вскоре после начала промышленной эксплуа­тации подобных каналов в территориальных сетях. Проблемная группа ХЗТ9.5 института ANSI разработала в период с 1986 по 1988 гг. начальные версии стандар­та FDDI, который обеспечивает передачу кадров со скоростью 100 Мбит/с по двой­ному волоконно-оптическому кольцу длиной до 100 км.

3.5.1. Основные характеристики технологии

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 Мбит/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 (чувствительного к задержкам) трафиков.

Сеть FDDI строится на основе двух оптоволоконных колец, которые образуют основной и резервный пути передачи данных между узлами сети. Наличие двух колец — это основной способ повышения отказоустойчивости в сети FDDI, и узлы, которые хотят воспользоваться этим повышенным потенциалом надежности, должны быть подключены к обоим кольцам.

В нормальном режиме работы сети данные проходят через все узлы и все участ­ки кабеля только первичного (Primary) кольца, 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. 3.16), вновь образуя единое кольцо. Этот режим работы сети называется Wrap, то есть «свертывание» или «сворачивание» колец. Операция свертывания производится средствами концентраторов и/или сетевых адаптеров FDDI. Для упрощения этой процедуры данные по первичному кольцу всегда передаются в одном направлении (на диаграммах это направление изобра­жается против часовой стрелки), а по вторичному — в обратном (изображается по часовой стрелке). 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.

_________________________________________________________________ 3.5. Технология FDDI 231

В стандартах FDDI много внимания отводится различным процедурам, кото­рые позволяют определить наличие отказа в сети, а затем произвести необходимую реконфигурацию. Сеть FDDI может полностью восстанавливать свою работоспо­собность в случае единичных отказов ее элементов. При множественных отказах сеть распадается на несколько не связанных сетей. Технология FDDI дополняет механизмы обнаружения отказов технологии Token Ring механизмами реконфигу­рации пути передачи данных в сети, основанными на наличии резервных связей, обеспечиваемых вторым кольцом.

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 (или токенного) кольца — token ring.

Отличия метода доступа заключаются в том, что время удержания маркера в сети FDDI не является постоянной величиной, как в сети Token Ring. Это время зависит от загрузки кольца — при небольшой загрузке оно увеличивается, а при больших перегрузках может уменьшаться до нуля. Эти изменения в методе досту­па касаются только асинхронного трафика, который не критичен к небольшим задержкам передачи кадров. Для синхронного трафика время удержания маркера по-прежнему остается фиксированной величиной. Механизм приоритетов кадров, аналогичный принятому в технологии Token Ring, в технологии FDDI отсутствует, Разработчики технологии решили, что деление трафика на 8 уровней приоритетов избыточно и достаточно разделить трафик на два класса — асинхронный и синх­ронный, последний из которых обслуживается всегда, даже при перегрузках кольца,

В остальном пересылка кадров между станциями кольца на уровне MAC пол­ностью соответствует технологии Token Ring. Станции FDDI применяют алгоритм раннего освобождения маркера, как и сети Token Ring со скоростью 16 Мбит/с.

Адреса уровня MAC имеют стандартный для технологий IEEE 802 формат, Формат кадра FDDI близок к формату кадра Token Ring, основные отличия за­ключаются в отсутствии полей приоритетов. Признаки распознавания адреса, ко­пирования кадра и ошибки позволяют сохранить имеющиеся в сетях Token Ring процедуры обработки кадров станцией-отправителем, промежуточными станция­ми и станцией-получателем.

На рис. 3.17 приведено соответствие структуры протоколов технологии FDD] семиуровневой модели OSI. FDDI определяет протокол физического уровня и протокол подуровня доступа к среде (MAC) канального уровня. Как и во многих

232 Глава 3 • Базовые технологии локальных сетей

других технологиях локальных сетей, в технологии FDDI используется протокол подуровня управления каналом данных LLC, определенный в стандарте IEEE 802.2. Таким образом, несмотря на то что технология FDDI была разработана и стандар­тизована институтом ANSI, а не комитетом IEEE, она полностью вписывается в структуру стандартов 802.

Отличительной особенностью технологии FDDI является уровень управления станцией — Station Management (SMT). Именно уровень SMT выполняет все функ­ции по управлению и мониторингу всех остальных уровней стека протоколов FDDI. В управлении кольцом принимает участие каждый узел сети FDDI. Поэтому все узлы обмениваются специальными кадрами SMT для управления сетью.

Отказоустойчивость сетей FDDI обеспечивается протоколами и других уров­ней: с помощью физического уровня 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.

3.5.2. Особенности метода доступа FDDI

Для передачи синхронных кадров станция всегда имеет право захватить маркер при его поступлении. При этом время удержания маркера имеет заранее заданную фиксированную величину.

Если же станции кольца FDDI нужно передать асинхронный кадр (тип кадра определяется протоколами верхних уровней), то для выяснения возможности за­хвата маркера при его очередном появлении станция должна измерить интервал времени, который прошел с момента предыдущего прихода маркера. Этот интер­вал называется временем оборота маркера (Token Rotation Time, TRT). Интервал TRT сравнивается с другой величиной — максимально допустимым временем оборо­та маркера по кольцу Т_0рг. Если в технологии Token Ring максимально допусти­мое время оборота маркера является фиксированной величиной (2, 6 с из расчета 260 станций в кольце), то в технологии FDDI станции договариваются о величине Т_0рг во время инициализации кольца. Каждая станция может предложить свое значение Т_0рг, в результате для кольца устанавливается минимальное из предло­женных станциями времен. Это позволяет учитывать потребности приложений,

________________________________________________________________ 3.5. Технология FDDI 233

работающих на станциях. Обычно синхронным приложениям (приложениям ре­ального времени) нужно чаще передавать данные в сеть небольшими порциями, а асинхронным приложениям лучше получать доступ к сети реже, но большими пор­циями. Предпочтение отдается станциям, передающим синхронный трафик.

Таким образом, при очередном поступлении маркера для передачи асинхронно­го кадра сравнивается фактическое время оборота маркера TRT с максимально возможным Т_Орг. Если кольцо не перегружено, то маркер приходит раньше, чем истекает интервал Т_Орг, то есть TRT < Т_Орг. В этом случае станции разрешает­ся захватить маркер и передать свой кадр (или кадры) в кольцо. Время удержания маркера ТНТ равно разности T_Opr - TRT, и в течение этого времени станция передает в кольцо столько асинхронных кадров, сколько успеет.

Если же кольцо перегружено и маркер опоздал, то интервал TRT будет больше Т_Орг. В этом случае станция не имеет права захватить маркер для асинхронного кадра. Если все станции в сети хотят передавать только асинхронные кадры, а маркер сделал оборот по кольцу слишком медленно, то все станции пропускают маркер в режиме повторения, маркер быстро делает очередной оборот и на следу­ющем цикле работы станции уже имеют право захватить маркер и передать свои кадры.

Метод доступа FDDI для асинхронного трафика является адаптивным и хоро­шо регулирует временные перегрузки сети.

3.5.3. Отказоустойчивость технологии FDD!

Для обеспечения отказоустойчивости в стандарте FDDI предусмотрено создание двух оптоволоконных колец — первичного и вторичного. В стандарте FDDI допус­каются два вида подсоединения станций к сети. Одновременное подключение к первичному и вторичному кольцам называется двойным подключением — Dual Attachment, DA. Подключение только к первичному кольцу называется одиноч­ным подключением — Single Attachment, SA.

В стандарте FDDI предусмотрено наличие в сети конечных узлов — станций (Station), а также концентраторов (Concentrator). Для станций и концентраторов допустим любой вид подключения к сети — как одиночный, так и двойной. Соот­ветственно такие устройства имеют соответствующие названия: SAS (Single Attachment Station), DAS (Dual Attachment Station), SAC (Single Attachment Concentrator) и DAC (Dual Attachment Concentrator).

Обычно концентраторы имеют двойное подключение, а станции — одинарное, как это показано на рис. 3.18, хотя это и не обязательно. Чтобы устройства легче было правильно присоединять к сети, их разъемы маркируются. Разъемы типа А и В должны быть у устройств с двойным подключением, разъем М (Master) имеет­ся у концентратора для одиночного подключения станции, у которой ответный разъем должен иметь тип S (Slave).

В случае однократного обрыва кабеля между устройствами с двойным подклю­чением сеть FDDI сможет продолжить нормальную работу за счет автоматической реконфигурации внутренних путей передачи кадров между портами концентрато­ра (рис. 3.19). Двукратный обрыв кабеля приведет к образованию двух изолиро­ванных сетей FDDI. При обрыве кабеля, идущего к станции с одиночным подключением, она становится отрезанной от сети, а кольцо продолжает работать

_______________________________________________________________ 3.5. Технология FDDI 235

Для сохранения работоспособности сети при отключении питания в станциях с двойным подключением, то есть станциях DAS, последние должны быть оснаще­ны оптическими обходными переключателями (Optical Bypass Switch), которые создают обходной путь для световых потоков при исчезновении питания, которое они получают от станции.

И наконец, станции DAS или концентраторы ВАС можно подключать к двум портам М одного или двух концентраторов, создавая древовидную структуру с основными и резервными связями. По умолчанию порт В поддерживает основную связь, а порт А — резервную. Такая конфигурация называется подключением Dual Homing

Отказоустойчивость поддерживается за счет постоянного слежения уровня SMT концентраторов и станций за временными интервалами циркуляции маркера и кад­ров, а также за наличием физического соединения между соседними портами в сети. В сети FDDI нет выделенного активного монитора — все станции и концентраторы равноправны, и при обнаружении отклонений от нормы они начинают процесс по­вторной инициализации сети, а затем и ее реконфигурации.

Реконфигурация внутренних путей в концентраторах и сетевых адаптерах вы­полняется специальными оптическими переключателями, которые перенаправля­ют световой луч и имеют достаточно сложную конструкцию.

3.5.4. Физический уровень технологии FDDI

В технологии FDDI для передачи световых сигналов по оптическим волокнам ре­ализовано логическое кодирование 4В/5В в сочетании с физическим кодировани­ем NRZI. Эта схема приводит к передаче по линии связи сигналов с тактовой частотой 125 МГц.

Так как из 32 комбинаций 5-битных символов для кодирования исходных 4-битных символов нужно только 16 комбинаций, то из оставшихся 16 выбрано несколько кодов, которые используются как служебные. К наиболее важным слу­жебным символам относится символ Idle — простой, который постоянно передает­ся между портами в течение пауз между передачей кадров данных. За счет этого станции и концентраторы сети FDDI имеют постоянную информацию о состоя­нии физических соединений своих портов. В случае отсутствия потока символов Idle фиксируется отказ физической связи и производится реконфигурация внут­реннего пути концентратора или станции, если это возможно.

При первоначальном соединении кабелем двух узлов их порты сначала выпол­няют процедуру установления физического соединения. В этой процедуре исполь­зуются последовательности служебных символов кода 4В/5В, с помощью которых создается некоторый язык команд физического уровня. Эти команды позволяют портам выяснить друг у друга типы портов (А, В, М или S) и решить, корректно ли данное соединение (например, соединение S-S является некорректным и т. п.). Если соединение корректно, то далее выполняется тест качества канала при пере­даче символов кодов 4В/5В, а затем проверяется работоспособность уровня MAC соединенных устройств путем передачи нескольких кадров MAC. Если все тесты прошли успешно, то физическое соединение считается установленным. Работу по установлению физического соединения контролирует протокол управления стан­цией SMT.

286 ГлаваЗ • Базовые технологии локальных сетей _____________________________________________

Физический уровень разделен на два подуровня: независимый от среды поду­ровень PHY (Physical) и зависящий от среды подуровень PMD (Physical Media Dependent) (см. рис. 3.17).

Технология FDDI в настоящее время поддерживает два подуровня PMD: для волоконно-оптического кабеля и для неэкранированной витой пары категории 5. Последний стандарт появился позже оптического и носит название TP-PMD.

Оптоволоконный подуровень PMD обеспечивает необходимые средства для пере­дачи данных от одной станции к другой по оптическому волокну. Его специфика­ция определяет:

• использование в качестве основной физической среды многомодового волокон­но-оптического кабеля 62, 5/125 мкм;

• требования к мощности оптических сигналов и максимальному затуханию между узлами сети. Для стандартного многомодового кабеля эти требования приводят к предельному расстоянию между узлами в 2 км, а для одномодового кабеля расстояние увеличивается до 10-40 км в зависимости от качества кабеля;

• требования к оптическим обходным переключателям (optical bypass switches) и оптическим приемопередатчикам;

о параметры оптических разъемов MIC (Media Interface Connector), их марки­ровку;

• использование для передачи света с длиной волны в 1300 нм;

• представление сигналов в оптических волокнах в соответствии с методом NRZI. Подуровень TP-PMD определяет возможность передачи данных между станци­ями по витой паре в соответствии с методом физического кодирования MLT-3, использующего два уровня потенциала: +V и -V для представления данных в кабе­ле. Для получения равномерного по мощности спектра сигнала данные перед фи­зическим кодированием проходят через скрэмблер. Максимальное расстояние между узлами в соответствии со стандартом TP-PMD равно 100 м.

Максимальная общая длина кольца FDDI составляет 100 километров, макси­мальное число станций с двойным подключением в кольце — 500.

3.5.5. Сравнение FDDI с технологиями Ethernet и Token Ring

В табл. 3.7 представлены результаты сравнения технологии FDDI с технологиями Ethernet и Token Ring.

Таблица 3.7. Характеристики технологий FDDI, Ethernet, Token Ring

Технология FDDI разрабатывалась для применения в ответственных участках сетей — на магистральных соединениях между крупными сетями, например сетями зданий, а также для подключения к сети высокопроизводительных серверов. По­этому главным для разработчиков было обеспечить высокую скорость передачи данных, отказоустойчивость на уровне протокола и большие расстояния между узлами сети. Все эти цели были достигнуты. В результате технология FDDI полу­чилась качественной, но весьма дорогой. Даже появление более дешевого варианта для витой пары не намного снизило стоимость подключения одного узла к сети FDDI. Поэтому практика показала, что основной областью применения техноло­гии FDDI стали магистрали сетей, состоящих из нескольких зданий, а также сети масштаба крупного города, то есть класса MAN. Для подключения клиентских компьютеров и даже небольших серверов технология оказалась слишком дорогой. А поскольку оборудование FDDI выпускается уже около 10 лет, значительного снижения его стоимости ожидать не приходится.

В результате сетевые специалисты с начала 90-х годов стали искать пути созда­ния сравнительно недорогих и в то же время высокоскоростных технологий, кото­рые бы так же успешно работали на всех этажах корпоративной сети, как это делали в 80-е годы технологии Ethernet и Token Ring.

Выводы

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

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

238 Глава 3 • Базовые технологии локальных сетей

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

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

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

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