Чернега В., Платтнер Б. Компьютерные сети. Учебное пособие для вузов

Подождите немного. Документ загружается.

Раздел 3. Локальные компьютерные сети

189

Контрольная последовательность кадра КПК содержит избыточные

элементы, полученные в результате циклического кодирования аналогично

стандарту IEEE 802.3 сети Ethernet.

Последним полем кадра является байт состояния кадра СК. Первые и

последние четыре бита этого поля повторяют друг друга. Это повышает дос-

товерность записанной там информации, так как она не кодируется помехо-

защищенным кодом. Первым следует бит распознавания адреса, выпол-

няющий функцию флага обнаружения получателем своего адреса. При сов-

падении адреса в кадре с адресом станции, получатель перед отправкой кад-

ра далее по кольцу, устанавливает бит распознавания в единичное состояние.

Второй бит (индикатор копирования кадра) служит для индикации ус-

пешного копирования информации из полученного кадра. Если получатель

распознал свой адрес, и в буфере имеется свободное место, а также скопи-

ровал информацию из полученного пакета, он устанавливает этот бит в еди-

ничное состояние. Биты распознавания адреса и копирования кадра активно

используются управляющими станциями кольца. Для отправителя они носят

второстепенный характер, ибо решение о повторной пересылке при утере

кадра принимается обычно на более высоком, транспортном уровне. Два

следующих бита имеют нулевое значение.

Кадр "Аварийное завершение" содержит только два байта: стартовый

и конечный разделители. Этот кадр может быть выдан в произвольном месте

потока битов. Он сигнализирует об отмене передачи кадра данных или мар-

керного кадра.

При построении больших сетей Token Ring возможно использование

нескольких колец. Отдельные кольца связываются друг с другом, как и в

иных сетях, с помощью мостов (рисунок 3.18). Мосты бывают "прозрачны-

ми" и с маршрутизацией от источника. Последние позволяют связать в еди-

ную сеть несколько колец, использующих общий сетевой IPX- или IP-адрес.

Кадры из кольца 1 адресованные компьютеру этого же кольца никогда

не попадут в кольцо 2 и наоборот. Через мост пройдут лишь блоки, адресо-

ванные станциям соседнего кольца. Фильтрация кадров осуществляется по

физическому адресу и номеру порта. На основе этих сведений формируется

Рисунок 3.18 – Соединение колец Token Ring с помощью моста

Компьютерные сети

190

собственная база данных, содержащая информацию об объектах колец, под-

ключенных к мосту.

3.4. Высокоскоростные локальные сети

3.4.1. Сети FDDI

Сеть FDDI – Fiber Distributed Data Interface основывается на техноло-

гии Token Ring, развивая и совершенствуя ее основные технические реше-

ния. Задача сетевой технологии – повысить скорость и надежность передачи

(отказоустойчивость) в случае повреждении кабеля или некорректной рабо-

ты узла из-за высокого уровня помех.

Особенностью сети является использование в качестве среды волокон-

но-оптической линии связи (ВОЛС). Передача данных выполняется со ско-

ростью 100 Мбит/с по двойному кольцу длинной до 100 км. Передаваемые

данные подвергаются логическому кодированию вида 4В/5В. Из 32 кодовых

комбинаций символов для передачи данных используются 16, девять комби-

наций служебные, остальные – запрещенные. Значение управляющих и ин-

формационных комбинаций приведены в таблице 3.1.

При таком кодировании четырехбитовые данные и управляющие ко-

довые слова передаются пятью битами. В этом случае любые группы из че-

тырех битов имеют минимум две смены позиций, благодаря чему исключа-

ются длинные паузы изменения уровней сигналов в линии и тем самым

обеспечивается устойчивая синхронизация приемного устройства по битам.

Пятибитовые последовательности кодируются линейным кодом NRZI.

Эффективная скорость передачи кодом 4В/5В составляет всего лишь 80%.

Поэтому для обеспечения эффективной скорости 100 Мбит/с модуляция

производится с частотой 125 МГц. В паузах передачи данных между порта-

ми непрерывно передается 5-битовая синхронизирующая комбинация 11111

– Idle (пустой).

Область применения FDDI – ответственные участки сетей: магист-

ральные соединения между крупными сетями (зданиями), а также подклю-

чение высокопроизводительных серверов. Максимальное число станций в

сети – 500.

Сеть строится на основе двух оптоволоконных колец, которые образу-

ют основной и резервный пути передачи (рисунок 3.19). Наличие двух колец

– это основной способ повышения надежности передачи данных между уз-

лами. Различают первичное (Primary) и вторичное (Secondary) кольцо.

Раздел 3. Локальные компьютерные сети

191

Таблица 3.1 – Значения символов таблицы кодирования 4В/5В

Символы

Имя Кодовые слова

Значение кодового слова

I 11111 Idle (Дополнительный символ для синхронизации)

H 00100 Halt (Разрешение активизации для останова)

Q 00000 Quiet (Отсутствие переходов)

J 11000 Frame delimiter (Разделитель кадра)

K 10001 Frame delimiter

L 00101 Frame delimiter (только для FDDI–II)

T 01101 Frame delimiter

R 00111 Логический "0"

S 11001 Логическая "1"

0 11110 Данные 0 – Исходная комбинация "0000"

1 01001 Данные 1 – "0001"

2 10100 Данные 2 – "0010"

3 10101 Данные 3 – "0011"

. . . . . . . . .

E 11100 Данные E – "1110"

F 11101 Данные F – "1111"

V 00001 Запрещенный символ V

. . . . . . . . .

В нормальном режиме работы сети данные проходят по участкам

только первичного кольца. Этот режим называют "сквозным" или "транзит-

ным". Второе кольцо в таком режиме не используется.

В случае какого-либо отказа когда часть первичного кольца не может

передать данные, (обрыв кабеля или отказ узла) первичное кольцо объединя-

ется со вторичным, вновь образуя единое кольцо (рисунок 3.20 и 3.21).

Рисунок 3.19 – Топология двухкольцевой сети FDDI

Компьютерные сети

192

Режим объединения называют свертыванием кольца (или сворачива-

нием). Операция свертывания кольца осуществляется средствами концентра-

торов или сетевых адаптеров FDDI. Для упрощения этой процедуры данные

по первичному кольцу передаются в одном направлении, а по вторичному –

в обратном. В стандартах FDDI много внимании уделяется различным про-

цедурам, которые позволяют определить наличие отказа в сети, а затем про-

извести необходимую реконфигурацию.

Cеть FDDI может полностью восстанавливать свою работоспособность

в случае единичных отказов ее элементов. При множественных отказах сеть

распадается на несколько не связанных сетей. Реконфигурация кольца осу-

ществляется за счет специальных оптических переключателей.

Доступ к среде в FDDI очень похож на доступ в Token Ring. Здесь

применяется алгоритм раннего освобождения маркера (Token), т.е. станция

передает маркер доступа (свободный маркер) следующему компьютеру сра-

зу же после окончания передачи последнего бита кадра, не дожидаясь воз-

ращения по кольцу этого кадра с битом подтверждения приема. Таким обра-

зом, по кольцу могут одновременно продвигаться кадры нескольких стан-

ций.

Рисунок 3.20

–

Восстановление сети FDDI при поврежде

нии кабеля

Рисунок 3.21 – Восстановление сети FDDI при повреждении рабочей станции

Раздел 3. Локальные компьютерные сети

193

Отличие метода доступа состоит в том, что время удерживания марке-

ра в сети FDDI не является постоянным, как в Token Ring. Время удержи-

вания t

уд

– это время владения средой. По истечении установленного интер-

вала t

уд

станция обязана прекратить передачу собственных данных и пере-

дать маркер далее по кольцу. Для Token Ring время удерживания t

уд

=10 мс.

Такой интервал установлен по той причине, чтобы за время удерживания

станция успела передать хотя бы один кадр. Время удерживания в FDDI за-

висит от загрузки кольца. При небольшой загрузке оно увеличивается, а при

перегрузках может уменьшаться до нуля. Рабочие станции на этапе инициа-

лизации сети договариваются о величине времени удерживания маркера.

Каждая станция передает свое значение, а в итоге для кольца устанавливает-

ся минимальное время.

Формат кадра FDDI близок к формату Token Ring, основное отличие

заключается в отсутствии полей приоритетов (в Token Ring имеется 8 уров-

ней). В FDDI установлено два класса трафика: асинхронный (допускающий

задержку) и синхронный. Трафик второго класса обслуживается всегда, даже

при перегрузках кольца.

В FDDI сети нет выделенного активного монитора, а его функцию мо-

жет выполнить любая рабочая станция, причем все станции и концентраторы

равноправны. В случае обнаружения отклонений от нормальной работы сети

они начинают процесс повторный инициализации сети, а затем ее реконфи-

гурации. Основным параметром правильного функционирования кольца яв-

ляется максимально допустимое время оборота маркера (TRT–token rotation

time). Если время, прошедшее с момента последнего прохождения маркера,

больше допустимого, то предполагается наличие ошибки в кольце (наруше-

ние функционирования). Для обнаружения и устранения нарушения работы

кольца в сети используются специальные процессы:

 посылка маркера заявки (Claim Token);

 инициализация – посылка сигнального (маячного) кадра (Beacon).

В случае обнаружения одной из станций неполадок в кольце, она по-

сылает маркер заявки Claim Token, в котором содержится известное этой

станции допустимое время оборота маркера. После обнаружения такого кад-

ра в кольце все остальные станции посылают в сеть маркер заявки со своим

допустимым временем оборота маркера. Процесс инициализации обнаружи-

вается по наличию в кольце многих пакетов с маркером заявки. Все кадры,

за исключением имеющего минимум времени оборота, подавляются. Про-

цесс заканчивается, как только рабочая станция зафиксирует свой Claim

Token, прошедший по всему кольцу. В результате получается, что все стан-

ции запоминают минимальное значение TRT. Станция, имеющая минималь-

ное время оборота маркера, является ответственной за посылку в кольцо

свободного маркера.

Компьютерные сети

194

Сигнальный процесс Beacon служит для локализации места нарушения

в кольце. Во время этого процесса станции посылают продолжительное вре-

мя в кольцо сигнальные кадры. Каждая станция, получившая кадр от верхне-

го соседа (откуда приходит сообщение), прекращает передачу кадров

Beacon. В конце концов, остаются передавать только те станции, которые не

обнаружили кадр от своих соседей. На основании этого определяются по-

врежденные станции.

3.4.2. Сети Fast Ethernet

С начала 90-х годов прошлого века стал ощущаться недостаток пропу-

скной способности сети Ethernet. При разработке новой Ethernet специали-

сты разделились на 2 лагеря, что привело к появлению двух новых стандар-

тов: Fast Ethernet и 100 VG-Any LAN. Сеть Fast Ethernet оказалась макси-

мально приближена к классической Ethernet, вторая – сеть 100 VG-Any

LAN, совместимая с Token Ring.

Все отличия Fast Ethernet (спецификация IEЕЕ 802.3u) от классической

Ethernet сосредоточены на физическом уровне. Верхние уровни остались

прежними. Для технологии Fast Ethernet разработаны различные варианты

физического уровня, отличающиеся не только типом кабеля и электрически-

ми параметрами импульсов, но и способом кодирования сигналов, а также

количеством используемых в кабеле проводников. В предыдущих подразде-

лах отмечалось, что в классической Ethernet для передачи линейных сигна-

лов применяется манчестерское кодирование. Однако использование его для

более высокоскоростных сетей (100 или 1000 Мбит/с) является неприемле-

мым, так как электрические кабели не рассчитаны на работу при столь высо-

ких частотах. Поэтому в сетях Fast Ethernet применяются другие линейные

коды (NRZI и MLT-3), а для улучшения их синхронизирующих свойств

входные данные подвергаются дополнительному кодированию. Такая до-

полнительная обработка состоит в логическом блочном кодировании, при

котором одна группа бит по определенному алгоритму заменяется другой

группой. Наиболее распространенными типами подобного кодирования яв-

ляются избыточные коды 4B/5B, 8B/6T и 8B/10T. По этой причине физиче-

ский уровень Fast Ethernet имеет более сложную структуру, чем классиче-

ский Ethernet.

Стандартом предусмотрено несколько вариантов сети Fast Ethernet:

100BASE-T4, 100BASE-TX и 100BASE-FX.

100BASE-TX предназначена для передачи данных по двум витым па-

рам кабеля 5-й категории, причем одна пара используется для передачи дан-

ных, а вторая – для их приема. Максимально допустимая длина кабеля 100

Раздел 3. Локальные компьютерные сети

195

метров. Кабель связи может быть экранированным, либо неэкранированным.

Используется алгоритм преобразования кодов данных 4В/5В и способ ли-

нейного кодирования MLT-3.

100BASE-FX – в качестве сегментов применяется два световода опто-

волоконного кабеля (один для передачи другой для приема), в частности

мультимодовое волокно диаметром 62,5/125 мкм, работающее в инфракрас-

ном диапазоне 1350 нм. Максимальная длина сегмента составляет 412 мет-

ров при полудуплексном режиме и до 2-х км при полном дуплексе. Исполь-

зуется алгоритм преобразования кодов данных 4В/5В и способ линейного

кодирования NRZI. Спецификации 100BASE-TX и 100BASE-FX разработа-

ны американским национальным институтом стандартов ANSI, их иногда в

общем виде обозначают как 100BASE-X.

100BASE-T4 – это особая спецификация, предложенная комитетом

IEEE 802.3u, согласно которой передача данных осуществляется по четырем

витым парам неэкранированного телефонного кабеля UTP категории 3 дли-

ной до 100 метров. Рекомендован алгоритм преобразования кодов данных

8В/6Т и способ линейного кодирования NRZI.

Коаксиальный кабель в перечне используемых линий связи не значит-

ся. Это поясняется тем, что на небольших расстояниях витая пара может пе-

редавать данные с той же скоростью, что и коаксиальный кабель, однако

сеть получается более дешевой и удобной в эксплуатации. На больших рас-

стояниях оптоволоконные линии обладает более широкой полосой пропус-

кания, чем коаксиальные кабели, а стоимость сети на оптической линии не

намного выше. Отказ от коаксиального кабеля привел к тому, что сеть Fast

Ethernet всегда имеет иерархическую древовидную структуру, построенную

на концентраторах-повторителях, аналогичную сети Ethernet 10BASE-T (ри-

сунок 3.22).

Для идентификации варианта сети разработан специальный протокол

распознавания, позволяющий строить сети, содержащие оборудование и ка-

бельные сегменты, отвечающие разным требованиям. Для всех трех вариан-

тов Fast Ethernet характерны следующие особенности:

 форматы кадров не совпадают с форматом классической Ethernet;

 межкадровый интервал равен 0,96 мкс (в классической сети Ethernet –

9,6 мкс), а длительность единичного элемента (битовый интервал) составля-

ет 10 нс.

 метод линейного кодирования отличается от кодирования в сети

Ethernet, в частности, применяется логическое кодирование типа 4В/5В или

8В/6Т и линейное кодирование MLT-3 или NRZI (в 10BASE-T используется

манчестерское кодирование);

 для индикации не занятого состояния среды передается специальный

символ "Idle" (пустой, незанятый), в качестве которого применяется одна из

Компьютерные сети

196

неиспользуемых комбинаций линейного кода (в классической Ethernet при

свободной линии сигнал в ней отсутствует полностью).

Служебный символ Idle (11111), постоянно передается трансмиттером

концентратора для контроля физического состояния соединений и поддерж-

ки приемных устройств сетевых адаптеров в синхронном и синфазном со-

стоянии. Для отделения кадра Ethernet от символов Idle в потоке сигналов

манчестерского кода используется пара служебных кодовых слов 11000 и

10001 (символы J и K соответственно, см. таблицу 3.1), а после завершения

кадра перед первым символом Idle вставляется управляющее слово 01101

(символ T).

Физический уровень содержит три компонента: независимый от среды

интерфейс MII (Media Independent Interface); устройство физического уровня

PHY (Physical layer device) и подуровень согласования (reconciliation

sublayer). Подуровень согласования ввели для того, чтобы МАС-уровень,

рассчитанный на интерфейс AUI, мог работать с физическим уровнем через

интерфейс MII.

Универсальная схема подключения компьютера или любого другого

оборудования (например, сетевого принтера) к 100-мегагерцовой Ethernet

показана на рисунке 3.23.

Физическая среда служит для передачи сигналов Ethernet от одной

станции к другой. Для перечисленных видов физической среды, используе-

мых Fast Ethernet (T4, TX и FX) применяется зависимый от среды интерфейс

MDI (Medium Dependent Interface), в частности 8-контактный разъем RJ-45

для неэкранированных витых пар. Для экранированных витых пар в качестве

разъема MDI необходимо использовать разъем STP IBM типа 1, который яв-

ляется разновидностью экранированного разъема DB-9. Подключение опти-

ческих сегментов рекомендуется выполнять посредством соединителей типа

Рисунок 3.22 – Структура сети Fast Ethernet

Раздел 3. Локальные компьютерные сети

197

MIC (Media Interface Connector), используемых также в сетях FDDI, или ду-

плексным соединителем типа SC, являющимся единственным рекомендо-

ванным комитетом IEEE для употребления в сети 100BASE-FX Fast Ethernet.

Устройство физического уровня PHY выполняет ту же функцию, что и

трансивер в классической Ethernet. Поскольку Fast Ethernet может использо-

вать различный тип кабеля, то для каждой среды требуется уникальное

предварительное преобразование сигнала, обеспечивающее снижение иска-

жений сигналов данных и повышение помехоустойчивости их приема, а

также улучшение условий синхронизации тактовых генераторов на пере-

дающей и приемной сторонах. Устройство физического уровня в свою оче-

редь делится на четыре подуровня (рисунок 3.23). В подуровне кодирова-

ния выполняется кодирование и декодирование данных с использованием

алгоритмов логического кодирования 4B/5B или 8B/6T.

В подуровнях физического присоединения и зависимости от физи-

ческой среды осуществляется связь между подуровнем кодирования и зави-

сящим от среды интерфейсом MDI. При этом выполняется преобразование

сигналов по алгоритму NRZI или MLT-3 (см. подразделы 2.2.2 и 2.2.3).

В подуровне автопереговоров реализуется взаимодействие двух

взаимосвязанных портов, в результате которого автоматически выбирается

наиболее эффективный режим работы: дуплексный или полудуплексный со

скоростью обмена 10 или 100 Мбит/с.

Конструктивно физический уровень может представлять собой набор

интегральных схем в сетевом порту или выполнен в виде небольшого авто-

номного блока, закрепленного на соединительном кабеле, длина которого не

должна превышать 0,5 м.

Сопряжение с компьютером производится посредством независимого

от среды интерфейса MII (Media Independent Interface). Разъем MII отличает-

ся от соединителя типа AUI и имеет 40 контактов. Интерфейс MII является

опционным, он может поддерживать работу с 10- и 100-мегабитной Ethernet.

Задачей MII является преобразование сигналов, поступающих от PHY, в

форму, приемлемую для стандартного набора микросхем Ethernet. PHY и MII

Рисунок 3.23 – Структурная схема подключения оборудования в Fast Ethernet

Компьютерные сети

198

интерфейсы могут быть объединены на одной сетевой карте, вставляемой в

компьютер.

Существует два варианта реализации интерфейса MII: внутренний и

внешний. При внутреннем варианте микросхема, реализующая подуровни

MAC и согласования, с помощью интерфейса MII соединяется с микросхе-

мой трансивера внутри платы сетевого адаптера системного блока компью-

тера или модуля маршрутизатора. Микросхема трансивера реализует все

функции устройства PHY. Внешний вариант соответствует случаю, когда

трансивер вынесен в отдельное устройство и соединен кабелем MII через

разъем MII с микросхемой MAC-подуровня.

В спецификации 100BASE-T4 выполняется предварительное преобра-

зование передаваемых данных по способу 8В/6Т, в соответствии с которым

восьмибитовые последовательности преобразуются в шестиэлементные

трехуровневые (тернарные) посылки: "–", "0" и "+". Способ кодирования

аналогичен рассмотренному в подразделе 2.2.3 способу 4В/3Т. Кодирование

осуществляется в соответствии с таблицей преобразования, содержащей все

256 возможных 8-битовых комбинаций. Из 729 возможных значений резуль-

тирующего кода выбираются те значения, которые отвечают следующим

критериям:

 результирующий уровень постоянного напряжения кодового символа

равен 0;

 в пределах символа происходит как минимум два изменения уровня

выходного напряжения.

В таблице 3.2, в качестве примера, приведена часть комбинаций кода

8В/6Т.

Особенностью реализации 100BASE-T4 при использовании витой па-

ры 3-й категории является передача данных по трем парам кабеля одновре-

менно со скоростью передачи информации 33,3 Мбит/с по каждой из пар,

что дает в итоге скорость 100 Мбит/с. Четвертая пара кабеля применяется

для контроля коллизий. Благодаря трехпозиционной модуляции скорость пе-

редачи тернарных сигналов по каждой витой паре составляет 6/8 от 33,3

Мбит/с, что соответствует тактовой частоте 25 МГц. Именно с такой часто-

той работает задающий генератор интерфейса МП.

В сети Fast Ethernet поддерживается функция автовыбора взаимодей-

ствия – Auto-negotiation, с помощью которой два взаимодействующих уст-

ройства физического уровня PHY могут автоматически выбрать наиболее

эффективный режим работы.

Всего в настоящее время определено 5 различных режимов, поддержи-

вающих устройства на витых парах:

 10BASE-T (2 пары категории 3);

 10BASE-T full–duplex (2 пары категории 3);