Раздел 5. Сетевая технология FDDI
План лекции:
Основные характеристики технологии
Физические соединения в сети FDDI
Типы трафика
Формат блока данных
Особенности метода доступа FDDI
Отказоустойчивость технологии FDDI
Сравнение FDDI с технологиями Ethernet и Token
Ring
Основные характеристики технологии
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. Начальные версии
стандарта FDDI
были разработаны в период с 1986 по 1988 гг., который обеспечивает передачу
кадров со скоростью 100 Мбит/с по двойному волоконно-оптическому кольцу
длиной до 100 км.
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.
Физические соединения в сети FDDI
Сеть
FDDI
строится на основе двух оптоволоконных колец, которые образуют основной и
резервный пути передачи данных между узлами сети. Одно
из двух колец FDDI называется первичным кольцом, другое-вторичным кольцом.
Первичное кольцо используется для передачи данных, в то время как вторичное
кольцо обычно является дублирующим
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.
Рисунок 1. Сеть на основе технологии
FDDI
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. 2), 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.
Рисунок 2. "Свертывание" колец в FDDI в случае
однократного обрыва
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, разработанные еще в технологии
Token
Ring,
механизмами реконфигурации пути передачи данных в сети, основанными на наличии
резервных связей, обеспечиваемых вторым кольцом.
Типы трафика
FDDI поддерживает распределение полосы пропускания сети в масштабе
реального времени, что является идеальным для ряда различных типов прикладных
задач. FDDI обеспечивает эту поддержку путём обозначения двух типов трафика:
синхронного и асинхронного. Синхронный трафик может потреблять
часть общей полосы пропускания сети FDDI, равную 100 Mb/сек; остальную часть
может потреблять асинхронный трафик. Синхронная полоса пропускания выделяется
тем станциям, которым необходима постоянная возможность передачи. Например,
наличие такой возможности помогает при передаче голоса и видеоинформации. Другие
станции используют остальную часть полосы пропускания асинхронно. Спецификация
SMT для сети FDDI определяет схему распределенных заявок на выделение полосы
пропускания FDDI.
Распределение асинхронной полосы пропускания производится с
использованием восьмиуровневой схемы приоритетов. Каждой станции присваивается
определенный уровень приоритета пользования асинхронной полосой пропускания.
FDDI также разрешает длительные диалоги, когда станции могут временно
использовать всю асинхронную полосу пропускания. Механизм приоритетов FDDI может
фактически блокировать станции, которые не могут пользоваться синхронной полосой
пропускания и имеют слишком низкий приоритет пользования асинхронной полосой
пропускания.
Формат блока данных
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 (или
токенного).
Отличия
метода доступа заключаются в том, что время удержания маркера в сети
FDDI
не является постоянной величиной, как в сети Token
Ring.
В FDDI станция выпускает маркер непосредственно за окончанием передачи кадра
(кадров). Время удержания маркера 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
приоритета 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.
Формат
кадра FDDI
близок к формату кадра Token
Ring,
основные отличия заключаются в отсутствии полей
приоритетов.
PA |
SD |
FC |
DA |
SA |
PDU |
FCS |
ED/FS |
16 бит |
8 бит |
8 бит |
48 бит |
48 бит |
до 4478х8 бит |
32 бита |
16 бит |
Рисунок 3. Формат кадра
FDDI
Preamble
(PA) – заголовок подготавливает
каждую станцию для приема прибывающего блока
данных.
Start
Delimitter (SD) – ограничитель начала указывает на
начало блока данных. Он содержит сигнальные структуры, которые отличают его от
остальной части блока данных.
Frame
Сontrol (FC) – поле управления блоком данных
указывает на размер адресных полей, на вид данных, содержащихся в блоке
(синхронная или асинхронная информация), и на другую управляющую
информацию.
Destination
Address (DA), Source Address (SA) – также,
как
у
Ethernet и
Token Ring, размер
адресов
равен
6 байтам.
Поле
адреса назначения может содержать односоставный (unicast),
многосоставный (multicast)
или широковещательный (broadcast)
адрес, в то время как адрес источника идентифицирует только одну станцию
(unicast),
отправившую блок данных.
Protocol
Data
Unit
(PDU) – информационное поле содержит
либо информацию, предназначенную для протокола высшего уровня (непосредственно
передаваемые данные), либо управляющую информацию.
Frame
Check Sequence (FCS) – также, как у Token Ring и
Ethernet, поле проверочной последовательности блока данных (FCS) заполняется
величиной "проверки избыточности цикла" (CRC), зависящей от содержания блока
данных, которую вычисляет станция-источник. Станция пункта назначения
пересчитывает эту величину, чтобы определить наличие возможного повреждения
блока данных при транзите. Если повреждение имеется, то блок данных
отбрасывается.
End
Delimiter (ED) – ограничитель конца содержит
неинформационные символы, которые означают конец блока
данных.
Frame
Status (FS) – поле состояния блока данных
позволяет станции-источнику
определять, не появилась ли ошибка, и был ли блок данных признан и скопирован
принимающей станцией.
Особенности метода доступа FDDI
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. 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. В
технологии FDDI
станции
договариваются о величине Т_Орг во время инициализации кольца. Каждая станция
может предложить свое значение Т_Орг, в результате для кольца устанавливается
минимальное из предложенных станциями времен. Это позволяет учитывать
потребности приложений, 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 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.
Отказоустойчивость технологии FDDI
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).
Рисунок 4. Двойное и одиночное подключение к
кольцу FDDI
Обычно
концентраторы имеют двойное подключение, а станции – одинарное, как это
показано, 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 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.
Максимальная
общая длина кольца FDDI
составляет 100 километров, максимальное число станций с двойным подключением в
кольце – 500.
Сравнение FDDI с технологиями Ethernet и Token
Ring
В
табл.1 представлены результаты сравнения технологии FDDI
с технологиями Ethernet
и Token
Ring.
Таблица
1. Характеристики технологий FDDI,
Ethernet, Token Ring
Характеристика |
FDDI |
Ethernet |
Token Ring |
Битовая скорость |
100 М бит/с |
10 Мбит/с |
16 Мбит/с |
Топология |
Двойное кольцо деревьев |
Шина/звезда |
Звезда/кольцо |
Метод доступа |
Доля от времени оборота
маркера |
CSMA/CD |
Приоритетная система
резервирования |
Характеристика |
FODI |
Ethernet |
Token
Ring |
Среда передачи данных |
Оптоволокно, неэкранированная витая пара категории
5 |
Толстый коаксиал, тонкий коаксиал, витая пара категории 3,
оптоволокно |
Экранированная и неэкранированная витая пара,
оптоволокно |
Максимальная длина сети (без
мостов) |
200 км (100 км на кольцо) |
2500м |
4000 м |
Максимальное расстояние между
узлами |
2 км (не больше П дБ потерь между
узлами) |
2500м |
100м |
Максимальное количество узлов |
500 (1000 соединений) |
1024 |
260 для экранированной витой пары, 72 для неэкранированной
витой пары |
Тактирование и восстановление после
отказов |
Распределенная реализация тактирования и восстановления после
отказов |
Не определены |
Активный
монитор |
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.