Галкин В.А., Григорьев Ю.А. Телекоммуникации и сети

Подождите немного. Документ загружается.

Принципы

построения локальных

сетей

ЭВМ

тимое расстояние между станциями (диаметр

КОЛЛИЗИОРШОГО

домена). Время,

в течение которого станция передает такой кадр (время канала) равно 512 би-

товым интервалам (ВТ) или 51,2 мкс. Максимальная длина сети Ethernet опре-

деляется из условия разрешения коллизий,

именно временем, за которое сиг-

нал

доходит до удаленного узла

возвращается обратно, не должно превьппать

512 ВТ (без учета преамбулы).

При переходе от Ethernet к Fast Ethernet скорость передачи возрастает, а

время трансляции кадра длиной 64 байт соответственно сокращается, оно рав-

но 512 ВТ или 5,12

МКС

(в Fast Ethernet

ВТ = 0,01 мкс). Для того чтобы можно

было обнаруживать все коллизии до конца передачи

кадра,

необходимо вьшол-

нение одного

из

условий:

сохранить

преэн:июю

максимальную длину сегмента, но увеличить вре-

мя канала (и следовательно, увеличить минимальную длину кадра);

сохранить

время канала

(прежний размер кадра), но уменьшить

максималь-

ную длину сегмента.

В Fast Ethernet сохранен такой же минимальный

размер

кадра,

как в

Ethernet.

Это обеспечило совместимость, но привело

значительному уменьшению ди-

аметра коллизионного домена.

В силу преемственности стандарт Gigabit Ethernet должен поддерживать те

же минимальный и максимальный размеры кадра, которые приняты

Ethernet

и Fast Ethernet. Но поскольку скорость передачи возрастает, то, соответствен-

но,

уменьшается

и время

передачи

пакета

аналогичной

длины.

При

сохранении

прежней минимальной длины кадра это привело бы к уменьшению диаметра

сети до 20 м, что мало пригодно. Поэтому при разработке стандарта Gigabit

Ethernet бьшо увеличено время канала до 512 байтовых интервалов, что в 8

раз превосходит время канала Ethernet и Fast Ethernet. Чтобы поддержать со-

вместимость со стандартами Ethernet и Fast Ethernet, минимальный размер

кадра не увеличили,

добавили

нему дополнительное поле, называемое

рас-

ширением носителя

(carrier extension). Символы

дополнительном поле обыч-

но не несут служебной ршформации, но они заполняют канал и увеличивают

«коллизионное

окно».

В результате

коллизия

будет регистрироваться

всеми

стан-

циями при большем диаметре коллизионного домена. Если станция желает пе-

редать короткий (менее 512 байт) кадр, то при передаче добавляется это поле

(расширение носителя), дополняющее

кадр

до 512 байт. Поле контрольной сум-

мы вычисляется только для оригинального кадра и не распространяется на

поле расширения. При приеме кадра поле расширения отбрасывается, и уро-

вень LLC не знает о нем. Если размер кадра равен или превосходит 512 байт,

то поле расширения носителя отсутствует. Расширение носителя - это наибо-

лее естественное решение, которое позволило сохранить совместимость со стан-

дартом Fast Ethernet

и такой же

диаметр коллизионного домена, но оно привело

к излишней трате полосы пропускания. До 448 байт (512 - 64) может расходо-

ваться вхолостую при передаче короткого кадра. На стадии разработки стан-

дарта Gigabit Ethernet компанией NBase Commmiications было внесено предло-

жение по модернизации стандарта. Эта модернизация, получившая название

пакетная перегруэюенность

(packet bm'sting), позволяет эффективней исполь-

200

3.2.

Технологии локальных

сетей

зовать поле расширения. Если у станции/коммутатора имеется несколько не-

больших кадров для

отправки,

то

первый

кадр

дополняется полем расширения

носителя до 512 байт и отправляется. Остальные кадры отправляются вслед с

мшшмальным межкадровым интервалом в 96 бит, с одним важным исключе-

нием - межкадровый интервал заполняется символами расширения. Таким

образом, между посьшками коротких оригинальных кадров

среде продолжа-

ют передаваться сигналы и никакое другое устройство сети не может вкли-

ниться

передачу. Подобное пристраивание кадров может происходить до тех

пор,

пока полное число переданных байт

не

превысит

1518.

Пакетная перегру-

женность умеиэшает вероятность образования

коллизий,

что,

безусловно, уве-

личивает производительность

сети,

особенно

при

больших нагрузках.

Технология lOOVG-AnyLAN

качестве альтернативы технологии Fast Ethernet, фирмы

AT&T

выд-

винули проект новой технологии

со

скоростью передачи данных

100

Мбит/с -

100Base-VG. В этом проекте бьшо предложено усовершенствовать метод до-

ступа с учетом потребности мультимедийных приложений и при этом сохра-

нить совместимость формата пакета с форматом пакета сетей

802.3.

В сен-

тябре

1993

г.

по

инициативе

фирм ШМ и IIP бьш

образован комитет

ШЕЕ

802.12,

который занялся стандартизацией новой технологии. Проект был расширен за

счет

поддержки

одной сети кадров не только формата Ethernet, но и формата

Token

Ring.

результате

новая

технология получила название lOOVG-AnyLAN,

т.

е. технология для любых сетей (Any LAN - любые сети), имея в виду, что в

локальных сетях технологии Ethernet и Token Ring используются в подавляю-

щем количестве

узлов.

В 1995

г.

технология lOOVG-AnyLAN получила статус

стандарта ШЕЕ 802.12.

В технологии lOOVG-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 функ-

ций арбитра, решающего проблему доступа к разделяемой среде. Метод

Demand Priority повышает пропускную способность сети за счет введения де-

терминированного доступа

общей

среде,

использующего

два уровня

приори-

тетов:

низкий - для обьгшых приложений

высокий -

для

мультимедийных.

Структура сети 100 VG-Any LAN. Сеть lOOVG-AnyLAN всегда включа-

ет

центральный концентратор, называемый концентратором уровня

или

кор-

невым концентратором (рисунок 3.11). Корневой концентратор имеет связи с

каждым узлом сети, образуя топологию «звезда». Он представляет собой ин-

теллектуальный центральный

контроллер,

который управляет доступом

сети,

постоянно вьшолняя

цикл

кругового сканирования

своих портов и проверяя

на-

личие запросов на передачу кадров от присоединенных к ним

узлов.

Концент-

ратор принимает кадр от узла, вьщавшего запрос, и передает его только через

тот порт, к которому присоединен узел с адресом, совпадающим с адресом

назначения, указанным в кадре.

201

Принципы построения локальных сетей

ЭВМ

Уровень 1

Корневой концентратор

Концентратор

lOOVG-AnyLAN

Уровень 2

Концентратор

lOOVG-AnyLAN

Коммутатор

Ethernet 10/100

Концентратор

lOOVG-AnyLAN

Мост/маршрутизатор

WS WS

Ethernet, Token Ring, FDDI, ATM

Рис.

3.11.

Структура

сети

lOOVG-AnyLAN

Каждый концентратор может быть сконфигурирован на поддержку либо

кадров 802.3 Ethernet, либо кадров 802.5 Token

Ring.

Все концентраторы, рас-

положенные в одном

и том

же логическом сегменте (не разделенном мостами,

коммутаторами или марпфутизаторами), должны быть сконфигурированы на

поддержку кадров одного типа. Для соединения сетей lOOVG-AnyLAN

(рис.

3.11),

использующих разные форматы

кадров

802.3,

необходим

мост,

ком-

мутатор или маршрутизатор. Аналогичное устройство требуется и в том слу-

чае,

когда сеть lOOVG-AnyLAN соединяется с сетью FDDI или ATM.

Каждый концентратор имеет один «восходящий» (up-link) порт

N «нисхо-

дящих» портов (down-link), как

это

показано

на

рис.

3.12.

Восходящий

порт

работает

как порт

узла,

но он

зарезервирован

для

присое-

динения

качестве узла к концентратору более высокого

уровня.

Нисходящие

порты

служат для

присоединения

узлов,

в том числе и

концентраторов нижнего

уровня.

Каждый

порт

концентратора

может быть

сконфигурирован

для

работы

нормальном

режиме или в режиме

монитора.

Порт,

сконфигурированный

для

работы в нормальном режиме, передает только те кадры, которые предназна-

чены узлу, подключенному к данному порту. Порт, сконфигурированный для

работы в режиме монитора, передает все кадры, обрабатываемые концентра-

тором. Такой порт может использоваться для подключения анализатора прото-

колов.

Узел представляет собой компьютер или коммуникационное устройство

технологии lOOVG-AnyLAN: мост, коммутатор, маршрутизатор или концент-

202

3.2.

Технологии локальных

сетей

Гс.

пп

г^п

, .

up|

"S 1

" ^ 1

[ws] [ws]

pi~|

[Y\

[ws]

Up|

ГТ]

fws]

Пм

fws]

Рис.

3.12.

Круговой опрос портов

концентраторами

сети

1 OOVG-AnyLAN

ратор.

Концентраторы, подключаемые

как

узлы,

называются концентраторами

и 3-го уровней. Разрешается образовьюать до трех уровней иерархии кон-

центраторов.

Связь, соединяющая концентратор и узел, может быгь образована либо 4

парами неэкранированной витой пары категорий 3, 4 или 5 (4UTP Cat 3, 4, 5),

либо 2 парами неэкранированной витой

пары

категории

(2UTP Cat 5), либо 2

парами

экранированной

витой пары типа 1

(2STP Туре

1),

либо 2

парами

много-

модового оптоволоконного кабеля.

Варианты кабельной системы можно использовать любые. Наибольшее

распространение получил первый разработанный вариант 4UTP.

В табл. 3.5, составленной по материалам компании Hewlett-Packard, при-

ведены результаты сравнения этой технологии с технологиями lOBase-T и

100Base-T.

Структура стека протоколов технологии 1 OOVG-AnyLAN согласуется с ар-

хитектурными моделями OSI/ISO и

ШЕЕ,

которых канальный уровень разде-

лен на

подуровни.

Стек

протоколов технологии 1 OOVG-AnyLAN состоит

из

по-

дуровня доступа к среде (MAC - Media Access Control), подуровня, не

зависящего от физической среды (PMI - Physical Media Independent) и поду-

ровня, зависящего от физической среды (PMD - Physical Media Dependent).

Функции уровня MAC включают реализацию протокола доступа Demand

Priority, подготовку

линии связи и

формирования кадра соответствующего фор-

мата.

203

Принципы построения локальных сетей

ЭВМ

Таблица

3.5.

Сравнение технологий

Характеристика

Топология

Максимальный диаметр

сети,

Каскадирование концентраторов

Кабельная

система

игр

Cat

3,4,

игр

Cat

STPTypel,M

Оптоволокно, м

Производительность

При длине сети

100

м,

При длине сети

2500

м,

Технология

Кадры

ШЕЕ

802.3

Кадры 802.5

Метод

доступа

lOBase-Т""

2500

3 уровня

100

150

100

2000

(теоре-

тическая)

(теоре-

тическая)

•f

CSMA/CD

Технология

lOOVG-AnyLAN

8000

5 уровней

100

200

100

2000

95 (продемонст-

рированная)

(продемонст-

рированная)

-ь

Demand Priority

100Base-T

412

2 концентратора

100

412

(теоретическая)

Не подцержива-

ется

CSMA/CD +под-

уровень согла-

сования 1

Метод Demand Priority (приоритетный доступ по требованию) основан на

том,

что узел, которому нужно передать кадр по сети, передает запрос (требо-

вание)

на вьшолнение

этой

операции концентратору. Каждый запрос может иметь

либо низкий, либо высокий приоритеты. Высокий приоритет отводиться для

трафика чувствительных

задержкам мультимедийных приложений.

Высокоприоритетные запросы всегда обслуживаются раньше низкоприори-

тетных. Требуемый уровень приоритета кадра устанавливается протоколами

верхних

уровней,

не входящими

технологию lOOVG-AnyLAN, например. Real

Audio, и передается для отработки уровню MAC.

Как

показано

на

рис.

3.12, концентратор уровня

постоянно сканирует зап-

росы

узлов,

используя

алгоритм

кругового опроса

(round-robin).

Это сканирова-

ние позволяет концентратору определить, какие узлы требуют передачи кад-

ров через сеть и каковы их приоритеты.

В течение одного

цикла

кругового сканирования каждому узлу разрешается

передать один кадр данных через сеть. Концентраторы, присоединенные как

узлы к

концентраторам верхних уровней иерархии, также вьшолняют

свои

цик-

лы сканирования и передают запрос на передачу кадров концентратору. Кон-

центратор нижнего уровня с

Л'^

портами имеет право передать 7V кадров

тече-

ние одного

цикла

опроса.

204

3.2.

Технологии

локальных сетей

Каждый концентратор ведет отдельные очереди для низкоприоритетных и

высокоприоритетных запросов. Низкоприоритетные запросы обслуживаются

только до

тех

пор,

пока

не

получен высокоприоритетный

запрос.

этом случае

текущая передача низкоприоритетного кадра завершается и обрабатывается

высокоприоритетный

запрос.

Перед возвратом к обслуживанию низкоприори-

тетных кадров должны бьггь обслужены все высокоприоритетные запросы.

Чтобы

гарантировать

доступ для

низкоприоритетных запросов

периоды вы-

сокой

интенсивности поступления высокоприоритетных запросов, вводится

порог ожидания запроса. Если у какого-либо низкоприоритетного запроса

время ожидания превышает этот порог, то ему присваивается высокий при-

оритет.

Пример. На

рис.

3.12 показан цикл кругового

опроса.

Предположим, что все порты переда-

ли запросы нормального приоритета и в начальный момент времени корневой концентратор

начал круговой

ог^юс.

Порядок обслуживания

портов будет

следующим:

1-1 (уровень

- порт 1),

2-1,2-3,2-iV,

1-3,1-Л^.

Если предположить, что узлы 1-1, 2-3 и 1-3 выставили высокоприоритетные запросы. В

этом случае порядок обслуживания будет

таким:

1-1,2-3,1-3,2-1,2-Л^,

1-Л^.

Процедура подготовки линии Link Training

«обучает» внутренние схемы

концентратора и узла приему и передаче данных,

также проверяет работоспо-

собность линии, соединяющей концентратор и

узел.

Во время подготовки ли-

нии

концешратор

и узел

обмениваются серией специальных тестовых кадров.

Данная процедура включает функциональный тест кабеля, дающий возмож-

ность убедиться в том, что кабель правильно соединяет контакты разъемов и

что

информация может бьггь корректно передана между концентратором и уз-

лом.

Процедура подготовки

также

позволяет концентратору автоматически

уз-

нать информацию об узлах, подключенных к каждому

порту.

Кадры, получае-

мые концентратором от узла во время подготовки, содержат данные о типе

устройства (конечный узел, концентратор, мост, маршрутизатор, анализатор

протокола

и т.

п.), режиме работы (нормальный или

монитор),

адрес узла, при-

соединершого

данному порту.

Процедура подготовки инициируется узлом, когда узел или концентратор

впервые

включаются,

или при первом

присоединении

узла

к концентратору. Узел

или концентратор могут потребовать вьшолнения процедуры подготовки при

обнаружении ошибочной

ситуации.

Уровень

MAC

получает кадр от уровня

LLC и

добавляет

нему адрес узла-

источника, дополняет поле данньгх байтами-заполнителями до минимально

допустимого размера, если это требуется, а затем вычисляет контрольную

сумму и помещает ее в соответствующее поле. После этого кадр передается

на

физический уровень.

205

Принципы

построения

локальных сетей

ЭВМ

Подуровень

РШ Г

Подуровеи

•пжжтч _

гМи Г

]

С1фэмблер

Кодер

5В/6В

ф >J

Скрэмблер

Кодер

5В/6В

f \

NRZ

!содирование

^Ilapj

il-2|

\1/

NRZ

кодирование

С1фэмблер

vl'

Кодер

5В/6В

Кодер

5В/6В

NRZ

кодирование

1 ' ' 1

Передающие витые пары

1 Пара 3-6 ф ф Пара 4-5 ф

]

\1/

NRZ

!содирование

^Пара

7-8 ф

Г преамбула,

J начальный и

1 конечный

(^ограничители

Рис.

3.13.

Функции

подуровней

PMI и PMD

Функции

подуровня PML

Функции, не зависящие

от

физической

среды,

пред-

ставленные

на

рис.

3.13, включают квартетную канальную шифрацию, кодиро-

вание 5В/6В, добавление

кадру

преамбулы,

начального

конечного ограничи-

телей и передачу кадра на подуровень PMD.

Процесс квартетного распределения по каналам состоит в последователь-

ном делении байтов МАС-кадра на порции данных по 5 бит (квинтеты),

так-

же в последовательном распределении этих порций между четырьмя канала-

ми,

как это показано на рис. 3.14.

Каждый из 4 каналов представляет собой одну витую пару: канал

- пару,

образованную контактами

и 2, канал

- пару 3-6; канал 2 - пару 4-5; канал

пару

7-8. Двухпарные спецификации физического уровня PMD используют

затем схему мультиплексирования, преобразующую 4 канала в 2 или 1.

Шифрация данных состоит в случайном «перемеышвании» квшггетов дан-

ных с целью исключения комбинаций из повторяющихся единиц или нулей.

Перемешивание производится с помощью специальных устройств - скрэмб-

леров. Случайные наборы цифр уменьшают излучение радиоволн и взаимные

наводки в кабеле.

Кодирование по схеме 5В/6В - это процесс отображения «перемешанных»

квинтетов в заранее определенные

6-битовые

коды. Этот процесс создает сба-

лансированные

коды,

содержащие равное количество единиц

нулей,

что обес-

печивает гарантированную синхронизацию приемника

при

изменениях входно-

го сигнала.

206

3.2. Технологии

локальных

сетей

10010110

00100111 11001010 10101000 0001001

'^QS /Q6 /Q7

/Q8

I 10010

;

: 10101

..L

Канал

/llOOO Т

01010

Канал 1

lOOllT

00000 Г

Канал

тооТ:

1001.

Канал

Квартет каналов

Рис. 3.14.

Распределение квинтетов

по

каналам

Кодирование 5В/6В обеспечивает

также

контроль за ошибками при переда-

че, так

как некорректные

квинтеты,

содержащие больше

трех

единиц или больше

трех

нулей,

легко

обнаружить.

Преамбула, начальный и конечный ограничители добавляются в каждом

канале для корректной передачи данньпс через сеть.

Функции подуровня

PMD.

Функции зависимого от физической среды уров-

ня PMD

включают: мультиплексирование каналов (только для двух витых пар

или оптоволокна), копирование NRZ, операции передачи сигналов по среде и

контроль статуса физической связи.

Технология lOOVG-AnyLAN поддерживает следующие

типы физической

сре-

ды:

• 4-парную неэкранированную

витую

пару;

•

2-парную

неэкранированную

витую

пару;

•

2-парную

экранированную

витую

пару;

• одномодовый

или

многомодовый оптоволоконный кабель.

Ниже будут рассмотрены детали спецификации

PMD

для 4-парной неэкра-

нированной

витой

пары.

Спецификация

4UTP,

использующая 4-парную неэкранированную

витую

пару,

использует тактовый генератор с частотой 30 МГц для передачи данных со

скоростью 30 Мбит/с по каждому из четырех каналов, что в сумме составляет

120

Мбит/с кодированных

данных.

Приемник получает кодированные данные

со

скоростью

Мбит/с

по

каждому каналу

преобразует их

поток исходных

данных со скоростью 25 Мбит/с, что в результате дает пропускную способ-

ность в 100 Мбит/с. Такой метод представления данных в кабеле позволяет

технологии lOOVG-AnyLAN работать на голосовом кабеле (Voice-Grade) ка-

тегории

Максимальная частота результирующего сигнала на кабеле не пре-

207

Принципы построения локальных сетей

ЭВМ

вышает 15 МГц, так как метод NRZ очень эффективен в отношении спектра

сигналов. При тактовой частоте в 30 МГц частота 15 МГц генерируется толь-

ко при передаче кодов 10101010, что является для спектра результирующего

сигнала наихудшим случаем. При передаче других кодов частота сигнала бу-

дет ниже 15 МГц.

Операции передачи данных на

4-парном

кабеле используют как полнодуп-

лексный,

так и

полу11уплексный

режимы.

Полнодуплексные операции применя-

ют для

одновременной передачи

двух направлениях (от узла

концентратору

и от концентратора к узлу) сигнальной информации о состоянии линии. Сиг-

нальная информация от концентратора передается по парам 1-2 и 3-6, а от

узла - по парам 4-5 и 7-8.

Полудуплексные операции используются для передачи данных от концент-

ратора узлу и от узла корщентратору по всем четьфем парам.

Сигнализация о статусе связи, осуществляемая в полнодуплексном режи-

ме,

использует два низкочастотных сигнала, обозначаемые тон 1 (Топе 1) и

тон 2

(Топе

2). Тон 1 генерируется путем передачи с частотой 30 МГц по оче-

реди

кодов,

состоящих

из

16 единиц,

кодов,

состоящих из 16 нулей. Результи-

рующий сигнал имеет частоту около

0,9375

МГц. Тон 2 генерируется путем

передачи с частотой 30 МГц по очереди кодов, состоящих из 8 единиц, и

кодов, состоящих из 8 нулей. Результирующий сигнал имеет частоту примерно

1,875 МГц.

Взаимодействие между концентратором и узлом происходит путем параллель-

ной передачи по двум парам комбинации из указанных двух тонов (табл. 3.6).

Таблица

3.6.

Комбинация тонов в

стандарте lOOVG-AnyLAN

Комбинация

тонов

1-1

1-2

2-1

2-2

Значение при приеме узлом

Простой (Idle)

Поступление кадра

Зарезервировано

Запрос на инициализацию

процедуры подготовки линии

1 Значение комбинации при приеме

концентратором

Простой (Idle)

Запрос на передачу кадра с нормаль-

ным приоритетом

Запрос на передачу кадра с высоким

приоритетом

Запрос на инициализацию процеду-

ры подготовки линии 1

Состояние простоя означает, что концентратор или узел не имеют кадров,

ожидающих передачи. Состояние «поступление кадра» означает, что на дан-

ный порт может быть передан кадр. Узел должен прекратить передачу сиг-

нальных тонов по каналам 2 и 3 для того, чтобы бьггь готовым принять кадр.

Рассмотрим последовательность событий в сети lOOVG-AnyLAN при пе-

редаче кадра данньпс от одной станции другой через концентратор. Будем счи-

тать,

что узел посылает

сеть один кадр данных с нормальным приоритетом.

На рис. 3.15 приведены 7 этапов этого процесса.

208

3.2.

Технологии локальных

сетей

WSi

Концентратор

lOOVG-AnyLAN

Простой

WS:

wsJ

Поступление кадра

Передача кадра

Поступление кадра

Простой

Рис.

3.15.

Этапы

передачи кадра данных

через сеть

1 OOVG-AnyLAN

Процесс начинается с получения МАС-уровнем конечного узла кадра дан-

ных от уровня LLC. После этого МАС-уровень добавляет к кадру адрес ис-

точника и дополняет

поле

данных,

если сеть

поддерживает

формат кадров

802.3

и поле данных кадра LLC оказалось меньше 46 байт.

На этапе

узел WSj посылает в концентратор запрос нормального приори-

тета: тон

по каналу 2 и тон

по каналу

Во время цикла кругового опроса

концентратор выбирает запрос узла WSj на обслуживание, в результате чего

он прекращает генерацию комбинации сигнальных тонов «Простой» по кана-

лам

и 1, очищая линию для передачи кадра по всем четьфем каналам.

Концентратор предупреждает всех потенциальных получателей (узлы

WS^

WS^y

сети) о том, что им может быть направлен кадр данных. Для этого он

посылает им сообщение «Поступление кадра» в форме тона 1 на канале

тона

на канале

(этап

2).

Узлы

- потенциальные получатели кадра - прекра-

щают посылку сигнальных тонов по каналам 2 и 3, очищая линию связи для

передачи по всем четырем каналам кадра данных. Тем временем узел WSj-

источник кадра обнаруживает, что линия свободна и передает кадр с уровня

MAC на уровень PMI для подготовки его к передаче по кабелю. Уровень РШ

распределяет данные между четьфьмя каналами, шифрует квинтеты данных

и кодирует квинтеты в 60-битный код

5В/6В.

При этом добавляются преамбу-

ла, стартовый и конечный ограничители

по

каждому

каналу.

Уровень PMD на-

чинает передавать кадр концентратору, используя NRZ-кодирование (этап 3).

По мере поступления данных кадра концентратор декодирует адрес назначе-

ния (этап 4).

209