Технология FDDI. Переводы книг и документов по ИБ

Достоинства и недостатки FDDI. Топологии FDDI. Принцип работы FDDI. Передача маркера в 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-с годы, вскоре после начала промышленной эксплуатации подобных каналов в территориальных сетях. Проблемная группа ХЗТ9.5 института ANSI разработала в период с 1986 по 1988 год начальные версии стандарта FDDI, который обеспечивает передачу кадров со скоростью 100 Мбит/с по двойному волоконно-оптическому кольцу длиной до 100 км.

Достоинства.

1.Надежность.

Двойная кольцевая конфигурация обеспечивает избыточность.

Система способна справляться с единичными и множественными обрывами, сегментируя участки.

2.Отказоустойчивость.

Двойное подключение (Dual Homing): учитывает избыточное соединение с FDDI сетью в топологии дерева. DAS станция может иметь двойное подключение, для этого А и B порты подключают к различным концентраторам. Если возникают сбои главного порта, активизируется резервная связь.

Оптический обход: эта возможность гарантирует, прохождение светового сигнала при сбоях в питании DAS станции. Данные просто обходят неактивную станцию, проходя через оптический обход.

Глобальное хранение: если оба логических кольца рабочие и в системе обнаружевается неисправность в одном из логических колец, то текущие данные без потери направляются по резервному кольцу.

3.Встроенное управление.

Каждый узел имеет объект управления, предоставляя большое число служб.

Благодаря наличию обширной MIB имеется возможность SNMP управления.

Недостатки .

Высокая цена обусловлена дорогими трансиверами, преобразующими электрический сигнал в оптический и наоборот. Оптоволоконная технология: ~ 700 $ / порт

UTP: ~ 450 $ / порт

Топология.

· Физическая топология

· Двойное кольцо без деревьев

· Двойное кольцо с деревьями

· Логическая топология.

· Разделяемое кольцо

Технология FDDI во многом основывается на технологии Token Ring, развивая и совершенствуя ее основные идеи. Приоритетные цели разработчиков:

Повысить битовую скорость передачи данных до 100 Мбит/с;

Повысить отказоустойчивость сети за счет стандартных процедур восстановления ее после отказов различного рода - повреждения кабели, 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, то есть «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, 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 а по вторичному - в обратном. 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.

Топология локальных сетей

Под топологией (компоновкой, конфигурацией, структурой) компьютерной сети обычно понимается физическое расположение компьютеров сети друг относительно друга и способ соединения их линиями связи . Важно отметить, что понятие топологии относится, прежде всего, к локальным сетям , в которых структуру связей можно легко проследить. В глобальных сетях структура связей обычно скрыта от пользователей и не слишком важна, так как каждый сеанс связи может производиться по собственному пути.

Топология определяет требования к оборудованию, тип используемого кабеля, допустимые и наиболее удобные методы управления обменом , надежность работы, возможности расширения сети. И хотя выбирать топологию пользователю сети приходится нечасто, знать об особенностях основных топологий , их достоинствах и недостатках надо.

Существует три базовые топологии сети:

· Шина (bus) - все компьютеры параллельно подключаются к одной линии связи . Информация от каждого компьютера одновременно передается всем остальным компьютерам (рис. 1.5).

Рис. 1.5. Сетевая топология шина

· Звезда (star) - к одному центральному компьютеру присоединяются остальные периферийные компьютеры, причем каждый из них использует отдельную линию связи (рис. 1.6). Информация от периферийного компьютера передается только центральному компьютеру, от центрального - одному или нескольким периферийным.

Рис. 1.6. Сетевая топология звезда

· Кольцо (ring) - компьютеры последовательно объединены в кольцо. Передача информации в кольце всегда производится только в одном направлении. Каждый из компьютеров передает информацию только одному компьютеру, следующему в цепочке за ним, а получает информацию только от предыдущего в цепочке компьютера (рис. 1.7).

Рис. 1.7. Сетевая топология кольцо

На практике нередко используют и другие топологии локальных сетей , однако большинство сетей ориентировано именно на три базовые топологии .

Прежде чем перейти к анализу особенностей базовых сетевых топологий , необходимо выделить некоторые важнейшие факторы, влияющие на физическую работоспособность сети и непосредственно связанные с понятием топология .

· Исправность компьютеров (абонентов ), подключенных к сети. В некоторых случаях поломка абонента может заблокировать работу всей сети. Иногда неисправность абонента не влияет на работу сети в целом, не мешает остальным абонентам обмениваться информацией.

· Исправность сетевого оборудования, то есть технических средств, непосредственно подключенных к сети (адаптеры, трансиверы , разъемы и т.д.). Выход из строя сетевого оборудования одного из абонентов может сказаться на всей сети, но может нарушить обмен только с одним абонентом .

· Целостность кабеля сети. При обрыве кабеля сети (например, из-за механических воздействий) может нарушиться обмен информацией во всей сети или в одной из ее частей. Для электрических кабелей столь же критично короткое замыкание в кабеле .

· Ограничение длины кабеля, связанное с затуханием распространяющегося по нему сигнала. Как известно, в любой среде при распространении сигнал ослабляется (затухает). И чем большее расстояние проходит сигнал, тем больше он затухает (рис. 1.8). Необходимо следить, чтобы длина кабеля сети не была больше предельной длины L пр, при превышении которой затухание становится уже неприемлемым (принимающий абонент не распознает ослабевший сигнал).

Рис. 1.8. Затухание сигнала при распространении по сети

Топология шина

Топология шина (или, как ее еще называют, общая шина) самой своей структурой предполагает идентичность сетевого оборудования компьютеров, а также равноправие всех абонентов по доступу к сети. Компьютеры в шине могут передавать информацию только по очереди, так как линия связи в данном случае единственная. Если несколько компьютеров будут передавать информацию одновременно, она исказится в результате наложения (конфликта , коллизии ). В шине всегда реализуется режим так называемого полудуплексного (half duplex ) обмена (в обоих направлениях, но по очереди, а не одновременно).

В топологии шина отсутствует явно выраженный центральный абонент , через которого передается вся информация, это увеличивает ее надежность (ведь при отказе центра перестает функционировать вся управляемая им система). Добавление новых абонентов в шину довольно просто и обычно возможно даже во время работы сети. В большинстве случаев при использовании шины требуется минимальное количество соединительного кабеля по сравнению с другими топологиями .

Поскольку центральный абонент отсутствует, разрешение возможных конфликтов в данном случае ложится на сетевое оборудование каждого отдельного абонента . В связи с этим сетевая аппаратура при топологии шина сложнее, чем при других топологиях . Тем не менее из-за широкого распространения сетей стопологией шина (прежде всего наиболее популярной сети Ethernet) стоимость сетевого оборудования не слишком высока.

Рис. 1.9. Обрыв кабеля в сети с топологией шина

Важное преимущество шины состоит в том, что при отказе любого из компьютеров сети, исправные машины смогут нормально продолжать обмен .

Казалось бы, при обрыве кабеля получаются две вполне работоспособные шины (рис. 1.9). Однако надо учитывать, что из-за особенностей распространения электрических сигналов по длинным линиям связи необходимо предусматривать включение на концах шины специальных согласующих устройств, терминаторов , показанных на рис. 1.5 и 1.9 в виде прямоугольников. Без включения терминаторов сигнал отражается от конца линии и искажается так, что связь по сети становится невозможной. В случае разрыва или повреждения кабеля нарушается согласование линии связи , и прекращается обмен даже между теми компьютерами, которые остались соединенными между собой. Подробнее о согласовании будет изложено в специальном разделе курса. Короткое замыкание в любой точке кабеля шины выводит из строя всю сеть.

Отказ сетевого оборудования любого абонента в шине может вывести из строя всю сеть. К тому же такой отказ довольно трудно локализовать, поскольку все абоненты включены параллельно, и понять, какой из них вышел из строя, невозможно.

При прохождении по линии связи сети с топологией шина информационные сигналы ослабляются и никак не восстанавливаются, что накладывает жесткие ограничения на суммарную длину линий связи . Причем каждый абонент может получать из сети сигналы разного уровня в зависимости от расстояния до передающегоабонента . Это предъявляет дополнительные требования к приемным узлам сетевого оборудования.

Если принять, что сигнал в кабеле сети ослабляется до предельно допустимого уровня на длине L пр, то полная длина шины не может превышать величины L пр. В этом смысле шина обеспечивает наименьшую длину по сравнению с другими базовыми топологиями .

Для увеличения длины сети с топологией шина часто используют несколько сегментов (частей сети, каждый из которых представляет собой шину), соединенных между собой с помощью специальных усилителей и восстановителей сигналов - репитеров или повторителей (на рис. 1.10 показано соединение двух сегментов, предельная длина сети в этом случае возрастает до 2 L пр, так как каждый из сегментов может быть длиной L пр). Однако такое наращивание длины сети не может продолжаться бесконечно. Ограничения на длину связаны с конечной скоростью распространения сигналов по линиям связи .

Рис. 1.10. Соединение сегментов сети типа шина с помощью репитера

Топология звезда

Звезда - это единственная топология сети с явно выделенным центром, к которому подключаются все остальные абоненты . Обмен информацией идет исключительно через центральный компьютер, на который ложится большая нагрузка, поэтому ничем другим, кроме сети, он, как правило, заниматься не может. Понятно, что сетевое оборудование центрального абонента должно быть существенно более сложным, чем оборудование периферийных абонентов . О равноправии всех абонентов (как в шине) в данном случае говорить не приходится. Обычно центральный компьютер самый мощный, именно на него возлагаются все функции по управлению обменом. Никакие конфликты в сети с топологией звезда в принципе невозможны, так как управление полностью централизовано.

Если говорить об устойчивости звезды к отказам компьютеров, то выход из строя периферийного компьютера или его сетевого оборудования никак не отражается на функционировании оставшейся части сети, зато любой отказ центрального компьютера делает сеть полностью неработоспособной. В связи с этим должны приниматься специальные меры по повышению надежности центрального компьютера и его сетевой аппаратуры.

Обрыв кабеля или короткое замыкание в нем при топологии звезда нарушает обмен только с одним компьютером, а все остальные компьютеры могут нормально продолжать работу.

В отличие от шины, в звезде на каждой линии связи находятся только два абонента : центральный и один из периферийных. Чаще всего для их соединения используется две линии связи , каждая из которых передает информацию в одном направлении, то есть на каждой линии связи имеется только один приемник и один передатчик. Это так называемая передача точка-точка . Все это существенно упрощает сетевое оборудование по сравнению с шиной и избавляет от необходимости применения дополнительных, внешних терминаторов .

Проблема затухания сигналов в линии связи также решается в звезде проще, чем в случае шины, ведь каждый приемник всегда получает сигнал одного уровня. Предельная длина сети с топологией звезда может быть вдвое больше, чем в шине (то есть 2 L пр), так как каждый из кабелей, соединяющий центр с периферийнымабонентом , может иметь длину L пр.

Серьезный недостаток топологии звезда состоит в жестком ограничении количества абонентов . Обычно центральный абонент может обслуживать не более 8-16 периферийных абонентов . В этих пределах подключение новых абонентов довольно просто, но за ними оно просто невозможно. В звезде допустимо подключение вместо периферийного еще одного центрального абонента (в результате получается топология из нескольких соединенных между собой звезд).

Звезда, показанная на рис. 1.6, носит название активной или истинной звезды. Существует также топология , называемая пассивной звездой, которая только внешне похожа на звезду (рис. 1.11). В настоящее время она распространена гораздо более широко, чем активная звезда. Достаточно сказать, что она используется в наиболее популярной сегодня сети Ethernet.

В центре сети с данной топологией помещается не компьютер, а специальное устройство - концентратор или, как его еще называют, хаб (hub), которое выполняет ту же функцию, что и репитер , то есть восстанавливает приходящие сигналы и пересылает их во все другие линии связи .

Рис. 1.11. Топология пассивная звезда и ее эквивалентная схема

Получается, что хотя схема прокладки кабелей подобна истинной или активной звезде, фактически речь идет о шинной топологии , так как информация от каждого компьютера одновременно передается ко всем остальным компьютерам, а никакого центрального абонента не существует. Безусловно, пассивная звезда дороже обычной шины, так как в этом случае требуется еще и концентратор. Однако она предоставляет целый ряд дополнительных возможностей, связанных с преимуществами звезды, в частности, упрощает обслуживание и ремонт сети. Именно поэтому в последнее время пассивная звезда все больше вытесняет истинную звезду, которая считается малоперспективной топологией .

Можно выделить также промежуточный тип топологии между активной и пассивной звездой. В этом случае концентратор не только ретранслирует поступающие на него сигналы, но и производит управление обменом , однако сам в обмене не участвует (так сделано в сети 100VG-AnyLAN ).

Большое достоинство звезды (как активной, так и пассивной) состоит в том, что все точки подключения собраны в одном месте. Это позволяет легко контролировать работу сети, локализовать неисправности путем простого отключения от центра тех или иных абонентов (что невозможно, например, в случае шиннойтопологии ), а также ограничивать доступ посторонних лиц к жизненно важным для сети точкам подключения. К периферийному абоненту в случае звезды может подходить как один кабель (по которому идет передача в обоих направлениях), так и два (каждый кабель передает в одном из двух встречных направлений), причем последнее встречается гораздо чаще.

Общим недостатком для всех топологий типа звезда (как активной, так и пассивной) является значительно больший, чем при других топологиях , расход кабеля. Например, если компьютеры расположены в одну линию (как на рис. 1.5), то при выборе топологии звезда понадобится в несколько раз больше кабеля, чем притопологии шина. Это существенно влияет на стоимость сети в целом и заметно усложняет прокладку кабеля.

Топология кольцо

Кольцо - это топология , в которой каждый компьютер соединен линиями связи с двумя другими: от одного он получает информацию, а другому передает. На каждой линии связи , как и в случае звезды, работает только один передатчик и один приемник (связь типа точка-точка). Это позволяет отказаться от применения внешних терминаторов .

Важная особенность кольца состоит в том, что каждый компьютер ретранслирует (восстанавливает, усиливает) приходящий к нему сигнал, то есть выступает в роли репитера. Затухание сигнала во всем кольце не имеет никакого значения, важно только затухание между соседними компьютерами кольца. Если предельная длина кабеля, ограниченная затуханием, составляет L пр, то суммарная длина кольца может достигать NL пр, где N - количество компьютеров в кольце. Полный размер сети в пределе будет NL пр /2, так как кольцо придется сложить вдвое. На практике размеры кольцевых сетей достигают десятков километров (например, в сети FDDI ). Кольцо в этом отношении существенно превосходит любые другие топологии .

Четко выделенного центра при кольцевой топологии нет, все компьютеры могут быть одинаковыми и равноправными. Однако довольно часто в кольце выделяется специальный абонент , который управляет обменом или контролирует его. Понятно, что наличие такого единственного управляющего абонента снижает надежность сети, так как выход его из строя сразу же парализует весь обмен .

Строго говоря, компьютеры в кольце не являются полностью равноправными (в отличие, например, от шинной топологии ). Ведь один из них обязательно получает информацию от компьютера, ведущего передачу в данный момент, раньше, а другие - позже. Именно на этой особенности топологии и строятся методы управления обменом по сети, специально рассчитанные на кольцо. В таких методах право на следующую передачу (или, как еще говорят, на захват сети) переходит последовательно к следующему по кругу компьютеру. Подключение новых абонентов в кольцо выполняется достаточно просто, хотя и требует обязательной остановки работы всей сети на время подключения. Как и в случае шины, максимальное количество абонентов в кольце может быть довольно велико (до тысячи и больше). Кольцевая топология обычно обладает высокой устойчивостью к перегрузкам, обеспечивает уверенную работу с большими потоками передаваемой по сети информации, так как в ней, как правило, нет конфликтов (в отличие от шины), а также отсутствует центральный абонент (в отличие от звезды), который может быть перегружен большими потоками информации.

Рис. 1.12. Сеть с двумя кольцами

Сигнал в кольце проходит последовательно через все компьютеры сети, поэтому выход из строя хотя бы одного из них (или же его сетевого оборудования) нарушает работу сети в целом. Это существенный недостаток кольца.

Точно так же обрыв или короткое замыкание в любом из кабелей кольца делает работу всей сети невозможной. Из трех рассмотренных топологий кольцо наиболее уязвимо к повреждениям кабеля, поэтому в случае топологии кольца обычно предусматривают прокладку двух (или более) параллельных линий связи , одна из которых находится в резерве.

Иногда сеть с топологией кольцо выполняется на основе двух параллельных кольцевых линий связи , передающих информацию в противоположных направлениях (рис. 1.12). Цель подобного решения - увеличение (в идеале - вдвое) скорости передачи информации по сети. К тому же при повреждении одного из кабелей сеть может работать с другим кабелем (правда, предельная скорость уменьшится).

Другие топологии

Кроме трех рассмотренных базовых топологий нередко применяется также сетевая топология дерево (tree), которую можно рассматривать как комбинацию нескольких звезд. Причем, как и в случае звезды, дерево может быть активным или истинным (рис. 1.13) и пассивным (рис. 1.14). При активном дереве в центрах объединения нескольких линий связи находятся центральные компьютеры, а при пассивном - концентраторы (хабы ).

Рис. 1.13. Топология активное дерево

Рис. 1.14. Топология пассивное дерево. К - концентраторы

Довольно часто применяются комбинированные топологии , среди которых наиболее распространены звездно-шинная (рис. 1.15) и звездно-кольцевая (рис. 1.16).

Рис. 1.15. Пример звездно-шинной топологии

Рис. 1.16. Пример звездно-кольцевой топологии

В звездно-шинной (star-bus) топологии используется комбинация шины и пассивной звезды. К концентратору подключаются как отдельные компьютеры, так и целые шинные сегменты. На самом деле реализуется физическая топология шина, включающая все компьютеры сети. В данной топологии может использоваться и несколько концентраторов, соединенных между собой и образующих так называемую магистральную, опорную шину. К каждому из концентраторов при этом подключаются отдельные компьютеры или шинные сегменты. В результате получается звездно-шинное дерево. Таким образом, пользователь может гибко комбинировать преимущества шинной и звездной топологий , а также легко изменять количество компьютеров, подключенных к сети. С точки зрения распространения информации данная топология равноценна классической шине.

В случае звездно-кольцевой (star-ring) топологии в кольцо объединяются не сами компьютеры, а специальные концентраторы (изображенные на рис. 1.16 в виде прямоугольников), к которым в свою очередь подключаются компьютеры с помощью звездообразных двойных линий связи . В действительности все компьютеры сети включаются в замкнутое кольцо, так как внутри концентраторов линии связи образуют замкнутый контур (как показано на рис. 1.16). Данная топология дает возможность комбинировать преимущества звездной и кольцевой топологий . Например, концентраторы позволяют собрать в одно место все точки подключения кабелей сети. Если говорить о распространении информации, данная топология равноценна классическому кольцу.

В заключение надо также сказать о сеточной топологии (mesh), при которой компьютеры связываются между собой не одной, а многими линиями связи , образующими сетку (рис. 1.17).

Рис. 1.17. Сеточная топология: полная (а) и частичная (б)

В полной сеточной топологии каждый компьютер напрямую связан со всеми остальными компьютерами. В этом случае при увеличении числа компьютеров резко возрастает количество линий связи . Кроме того, любое изменение в конфигурации сети требует внесения изменений в сетевую аппаратуру всех компьютеров, поэтому полная сеточная топология не получила широкого распространения.

Частичная сеточная топология предполагает прямые связи только для самых активных компьютеров, передающих максимальные объемы информации. Остальные компьютеры соединяются через промежуточные узлы. Сеточная топология позволяет выбирать маршрут для доставки информации от абонента к абоненту , обходя неисправные участки. С одной стороны, это увеличивает надежность сети, с другой же – требует существенного усложнения сетевой аппаратуры, которая должна выбирать маршрут.

Технология Fiber Distributed Data Interface - первая технология локальных сетей, которая использовала в качестве среды передачи данных оптоволоконный кабель.

Попытки применения света в качестве среды, несущей информацию, предпринимались давно - еще в 1880 году Александр Белл запатентовал устройство, которое передавало речь на расстояние до 200 метров с помощью зеркала, вибрировавшего синхронно со звуковыми волнами и модулировавшего отраженный свет.

Работы по использованию света для передачи информации активизировались в 1960-е годы в связи с изобретением лазера, который мог обеспечить модуляцию света на очень высоких частотах, то есть создать широкополосный канал для передачи большого количества информации с высокой скоростью. Примерно в то же время появились оптические волокна, которые могли передавать свет в кабельных системах, подобно тому как медные провода передают электрические сигналы в традиционных кабелях. Однако потери света в этих волокнах были слишком велики, чтобы они могли быть использованы как альтернатива медным жилам. Недорогие оптические волокна, обеспечивающие низкие потери мощности светового сигнала и широкую полосу пропускания (до нескольких ГГц) появились только в 1970-е годы. В начале 1980-х годов началось промышленная установка и эксплуатация оптоволоконных каналов связи для территориальных телекоммуникационных систем.

В 1980-е годы начались также работы по созданию стандартных технологий и устройств для использования оптоволокнных каналов в локальных сетях. Работы по обобщению опыта и разработке первого оптоволоконного стандарта для локальных сетей были сосредоточены в Американском Национальном Институте по Стандартизации - ANSI, в рамках созданного для этой цели комитета X3T9.5.

Начальные версии различных составляющих частей стандарта FDDI были разработаны комитетом Х3Т9.5 в 1986 - 1988 годах, и тогда же появилось первое оборудование - сетевые адаптеры, концентраторы, мосты и маршрутизаторы, поддерживающие этот стандарт.

В настоящее время большинство сетевых технологий поддерживают оптоволоконные кабели в качестве одного из вариантов физического уровня, но FDDI остается наиболее отработанной высокоскоростной технологией, стандарты на которую прошли проверку временем и устоялись, так что оборудование различных производителей показывает хорошую степень совместимости

Основы технологии FDDI

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 Мб/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 трафиков.

Сеть FDDI строится на основе двух оптоволоконных колец, которые образуют основной и резервный пути передачи данных между узлами сети. Использование двух колец - это основной способ повышения отказоустойчивости в сети FDDI, и узлы, которые хотят им воспользоваться, должны быть подключены к обоим кольцам. В нормальном режиме работы сети данные проходят через все узлы и все участки кабеля первичного (Primary) кольца, поэтому 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 (рисунок 2.1), образуя вновь единое кольцо. Этот режим работы сети называется Wrap , то есть "свертывание" или "сворачивание" колец. Операция свертывания производится силами концентраторов и/или сетевых адаптеров FDDI. Для упрощения этой процедуры данные по первичному кольцу всегда передаются против часовой стрелки, а по вторичному - по часовой. 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.

В стандартах FDDI отводится много внимания 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.

Рис. 2.1. Реконфигурация колец FDDI при отказе

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 (рисунок 2.2, а).

Станция может начать передачу своих собственных кадров данных только в том случае, если она получила от предыдущей станции специальный кадр - токен доступа (рисунок 2.2, б). После этого она может передавать свои кадры, если они у нее имеются, в течение времени, называемого временем удержания токена - Token Holding Time (THT). После истечения времени THT станция обязана завершить передачу своего очередного кадра и передать токен доступа следующей станции. Если же в момент принятия токена у станции нет кадров для передачи по сети, то она немедленно транслирует токен следующей станции. В сети FDDI у каждой станции есть предшествующий сосед (upstream neighbor) и последующий сосед (downstream neighbor), определяемые ее физическими связями и направлением передачи информации.

Рис. 2.2. Обработка кадров станциями кольца FDDI

Каждая станция в сети постоянно принимает передаваемые ей предшествующим соседом кадры и анализирует их адрес назначения. Если адрес назначения не совпадает с ее собственным, то она транслирует кадр своему последующему соседу. Этот случай приведен на рисунке (рисунок 2.2, в). Нужно отметить, что, если станция захватила токен и передает свои собственные кадры, то на протяжении этого периода времени она не транслирует приходящие кадры, а удаляет их из сети.

Если же адрес кадра совпадает с адресом станции, то она копирует кадр в свой внутренний буфер, проверяет его корректность (в основном по контрольной сумме), передает его поле данных для последующей обработки протоколу лежащего выше над FDDI уровня (например, IP), а затем передает исходный кадр по сети последующей станции (рисунок 2.2, г). В передаваемом в сеть кадре станция назначения отмечает три признака: распознавания адреса, копирования кадра и отсутствия или наличия в нем ошибок.

После этого кадр продолжает путешествовать по сети, транслируясь каждым узлом. Станция, являющаяся источником кадра для сети, ответственна за то, чтобы удалить кадр из сети, после того, как он, совершив полный оборот, вновь дойдет до нее (рисунок 2.2, д). При этом исходная станция проверяет признаки кадра, дошел ли он до станции назначения и не был ли при этом поврежден. Процесс восстановления информационных кадров не входит в обязанности протокола FDDI, этим должны заниматься протоколы более высоких уровней.

На рисунке 2.3 приведена структура протоколов технологии FDDI в сравнении с семиуровневой моделью OSI. FDDI определяет протокол физического уровня и протокол подуровня доступа к среде (MAC) канального уровня. 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 дейтаграммном режиме - без установления соединений и без восстановления потерянных или поврежденных кадров.

Рис. 2.3. Структура протоколов технологии FDDI

Физический уровень разделен на два подуровня: независимый от среды подуровень PHY (Physical), и зависящий от среды подуровень PMD (Physical Media Dependent). Работу всех уровней контролирует протокол управления станцией SMT (Station Management).

Уровень PMD обеспечивает необходимые средства для передачи данных от одной станции к другой по оптоволокну. В его спецификации определяются:

Требования к мощности оптических сигналов и к многомодовому оптоволоконному кабелю 62.5/125 мкм;
Требования к оптическим обходным переключателям (optical bypass switches) и оптическим приемопередатчикам;
Параметры оптических разъемов MIC (Media Interface Connector), их маркировка;
Длина волны в 1300 нанометров, на которой работают приемопередатчики;
Представление сигналов в оптических волокнах в соответствии с методом NRZI.

Спецификация TP-PMD определяет возможность передачи данных между станциями по витой паре в соответствии с методом MLT-3. Спецификации уровней PMD и TP-PMD уже были рассмотрены в разделах, посвященных технологии Fast Ethernet.

Уровень PHY выполняет кодирование и декодирование данных, циркулирующих между MAC-уровнем и уровнем PMD, а также обеспечивает тактирование информационных сигналов. В его спецификации определяются:

кодирование информации в соответствии со схемой 4B/5B;
правила тактирования сигналов;
требования к стабильности тактовой частоты 125 МГц;
правила преобразования информации из параллельной формы в последовательную.

Уровень MAC ответственен за управление доступом к сети, а также за прием и обработку кадров данных. В нем определены следующие параметры.

В России продолжается процесс интенсивного внедрения новыхи модернизации существующих локальных вычислительных сетей (ЛВС). Возрастающие размеры сетей, прикладные программные системы, требующие все больших скоростей обмена информацией, повышающиеся требования к надежности и отказоустойчивости вынуждают искать альтернативу традиционным сетям Ethernet и Arcnet. Один из видов высокоскоростных сетей - FDDI (Fiber Distributed Data Interface - распределенный оптоволоконный интерфейс данных). В статье рассматриваются возможности использования FDDI при построении корпоративных компьютерных комплексов.

По прогнозам фирмы Peripheral Strategies во всем мире к 1997 году к локальным вычислительным сетям будет подключено более 90% всех персональных компьютеров (в настоящее время - 30-40%). Сетевые компьютерные комплексы становятся неотъемлимыми средствами производства любой организации или предприятия. Быстрый доступ к информации и ее достоверность повышают вероятность принятия правильных решения персоналом и, в конечном итоге, вероятность выигрыша в конкурентной борьбе. В своих управляющих и информационных системах фирмы видят средства стратегического превосходства над конкурентами и рассматривают инвестиции в них как капитальные вложения.

В связи с тем, что обработка и персылка информации с помощью компьютеров становятся все быстрее и эффективнее, происходит настоящий информационный взрыв. ЛВС начинают сливаться в территориально-распределенные сети, увеличивается количество подключенных к ЛВС серверов, рабочих станций и периферийного оборудования.

Сегодня в России компьютерные сети многих крупных предприятий и организаций представляют собой одну или несколько ЛВС, построенных на основе стандартов Arcnet или Ethernet. В качетсве сетевой операционной среды обычноприменяется NetWare v3.11 или v3.12 с одним или несколькими файловыми среверами. Эти ЛВС либо совсем не имеют связи друг с другом, либо соединяются кабелем, работающим в одном из этих стандартов, через внутренние или внешние програмнные маршрутизаторы NetWare.

Современные операционные системы и прикладное программное обеспечение требуют для своей работы пересылки больших объемов информации. Одновременно с этим требуется обеспечивать передачу информации со все большими скоростями и на все большие расстояния. Поэтому рано или поздно производительность сетей Ethernet и программных мостов и маршрутизаторов перестают удовлетворять растущим потребностям пользователей, и они начинают рассматривать возможности применения в своих сетях более скоростных стандартов. Одним из них является FDDI.

Принцип действия сети FDDI

Сеть FDDI представляет собой волоконно-оптическое маркерное кольцо со скростью передачи данных 100 Мбит/сек.

Стандарт FDDI был разработан комитетом X3T9.5 Американского национального института стандартизации (ANSI). Сети FDDI поддерживается всеми ведущими производителями сетевого оборудования. В настоящее время комитет ANSI X3T9.5 переименован в X3T12.

Использование в качестве среды распространения волоконной оптики позволяет существенно расширить полосу пропускания кабеля и увеличить расстояния между сетевыми устройствами.

Сравним пропускную способность сетей FDDI и Ethernet при многопользовательском доступе. Допустимый уровень утилизации сети Ethernet лежит в пределах 35% (3.5 Мбит/сек) от максимальной пропускной способности (10 Мбит/сек), в противном случае вероятность возникновения коллизий становится не слишком высокой и пропускная способность кабеля резко снизится. Для сетей FDDI допустимая утилизация может достигать 90-95% (90-95 Мбит/сек). Таким образом, пропускная способность FDDI приблизительно в 25 раз выше.

Детерминированная природа протокола FDDI (возможность предсказания максимальной задержки при передаче пакета по сети и возможность обеспечить гарантированную полосу пропускания для каждой из станций) делает его идеальным для использования в сетевых АСУ ТП реального времени и в приложениях, кртичных ко времени передачи информации (например для передачи видео и звуковой информации).

Многие из своих ключевых свойств FDDI унаследовала от сетей Token Ring (стандарт IEEE 802.5). Прежде всего - это кольцевая топология и маркерный метод доступа к среде. Маркер - специальный сигнал, вращающийся по кольцу. Станция, получившая маркер, может передавать свои данные.

Однако FDDI имеет и ряд принципиальных отличий от Token Ring, делающий ее более скоростным протоколом. Например, изменен алгоритм модуляции данных на физическом уровне. Token Ring использует схему манчестерского кодирования, требующую удвоения полосы передаваемого сигнала относительно передаваемых данных. В FDDI реализован алгорит кодирования "пять из четырех" - 4В/5В, обеспечивающий передачу четырех информационных бит пятью передаваемыми битами. При передаче 100 Мбит информации в секунуд физически в сеть транслируется 125 Мбит/сек, вместо 200 Мбит/сек, что потребовалось бы при использовании манчестерского кодирования.

Оптимизировано и управление доступа к среде (Medium Access Control - VAC). В Token Ring оно основано на побитовой основе, а в FDDI на параллельной обработке группы из четырех или восьми передаваемых битов. Это снижает требования к быстродействию оборудования.

Физически кольцо FDDI образовано волоконно-оптическим кабелем с двумя светопроводящими воокнами. Одно из них образует первичное кольцо (primary ring), является основным и используется для циркуляции маркеров данных. Второе волокно образует вторичное кольцо (secondary ring), является резервным и в нормальном режиме не используется.

Станции, подключенные к сети FDDI, подразделяются на две категории.

Станции класса А имеют физические поключения к первичному и вторичному кольцам (Dual Attached Station - двукратно подключенная станциия);

2. Станции класса И имеют подключение только к первичному кольцу (Single Attached Station - однократно подключенная станция) и подключается только через специальные устройства, называемые концентраторами.

На рис. 1 показан пример подключения концентратора и станций классов А и В в замкнутый контур, по которому циркулирует маркер. На рис. 2 показана более сложная топология сети с разветвленной структурой (Ring-of-Trees - кольцо из деревьев), образуемой станциями класса В.

Порты сетевых устройств, подключаемых к сети FDDI, классифицируются на 4 категории: А порты, В порты, М порты и S порты. Портом А называется порт, принимающий данные из первичного кольца и передающий их во вторичное кольцо. Порт В - это порт, принимающий данные из вторичного кольца и передающий их в первичное кольцо. М (Master) и S (Slave) порт передают и принимают данные с одного и того же кольца. М порт исползуется на концентраторе для подключения Single Attached Station через S порт.

Стандарт X3T9.5 имеет ряд ограничений. Общая длина двойного волоконно-оптического кольца - до 100 км. К кольцу можно подключить до 500 станций класса А. Расстояние между узлами при использовании многомодового волоконно-оптического кабеля - до 2 км, а при использовании одномодового кабеля определяется в основном параметрами волокна и приемо-передающего оборудования (может достигать 60 и более км).

Отказоустойчивость сетей FDDI

Стандарт ANSI X3T9.5 регламентирует 4 основных отказустойчивых свойства сетей FDDI:

1. Кольцевая кабельная система со станциями класса А отказоустойчива к однократному обрыву кабеля в любом месте кольца. На рис. 3 показан пример обрыва как первичного, так и вторичного волокон в кольцевом кабеле. Станции, находящиеся по обе стороны обрыва, переконфигурируют путь циркуляции маркера и данных, подключая для этого вторичное волоконно-оптическое кольцо.

2. Выключение питания, отказ одной из станций класса В или обрыв кабеля от концентратора до этой станции будет обнаружен концентратором, и произойдет отключение станции от кольца.

3. Две станции класса В подключены сразу к двум концентраторам. Этот специальный вид подключения называется Dual Homing и может быть использован для отказоустойчивого (к неисправностям в концетраторе или в кабельной системе) подключения станций класса В за счет дублирования подключения к основному кольцу. В нормальном режиме обмен данными происходит только через один концентратор. Если по какой-либо причине связь теряется, то обмен будет осуществляться через второй концентратор.

4. Выключение питания или отказ одной из станций класса А не приведет к отказу остальных станций, подключенных к кольцу, т. к. световой сигнал будет рпосто пассивно передаваться к следующей станции через оптический переключатель (Optical Bypass Switch). Стандарт допускает иметь до трех последовательно расположенных выключенных станций.

Оптические переключатели производят фирмы Molex и AMP.

Синхронная и асинхронная передача

Подключение к сети FDDI станции могут передавать свои данные в кольцо в двух режимах - в синхронном и в асинхронном.

Синхронный режим устроен следующим образом. В процессе инициализации сети определяется ожидаемое время обхода кольца маркером - TTRT (Target Token Rotation Time). Каждой станции, захватившей маркер, отводится гарантированное время для передачи ее данных в кольцо. По истечение этого времени станция должна закончить передачу и послать маркер в кольцо.

Каждая станция в момент посылки нового маркера включает таймер, измеряющий временной интервал до момента возвращения к ней маркера - TRT (Token Rotation Timer). Если маркер возвратится к станции раньше ожидаемого времени обхода TTRT, то станция может продлить время передачи своих данных в кольцо и после окончания синхронной передачи. На этом основана асинхронная передача. Дополнительный временной интервал для передачи станцией будет равен рахности между ожидаемым и реальным временем обхода кольца маркером.

Из описанного выше алгоритма видно, что если одна или несколько станций не имеют достаточного объема данных, чтобы полностью использовать временной интервал для синхронной передачи, то неиспользованная ими полоса пропускания сразу становится доступной для асинхронной передачи другими станциями.

Кабельная система

Подстандарт FDDI PMD (Physical medium-dependent layer) в качестве базовой кабельной системы определяет многомодовый волоконно-оптический кабель с диаметром световодов 62.5/125 мкм. Допускается применение кабелей с другим диаметром волокон, например: 50/125 мкм. Длина волны - 1300 нм.

Средняя мощность оптического сигнала на входе станции должна быть не менее -31 dBm. При такой входной мощности вероятность ошибки на бит при ретрансляции данных станцией не должна превышать 2.5*10 -10 . При увеличении мощности входного сигнала на 2 dBm, эта верояность должна снизиться до 10 -12 .

Максимально допустимый уровень потерь сигнала в кабеле стандарт определяет равным 11 dBm.

Подстандарт FDDI SMF-PMD (Single-mode fiber Physical medium-dependent layer) определяет требования к физическому уровнб при использовании одномодового волоконно-оптического кабеля. В этом случае в качетсве передающего элемента обычно используется лазерный свтодиод, а дистанция между станциями может достигать 60 и даже 100 км.

FDDI модули для одномодового кабеля выпускает, например, фирма Cisco Systems для своих маршрутизаторов Cisco 7000 и AGS+. Сегменты одномодового и многомодового кабеля в кольце FDDI могут чередоваться. Для названных маршрутизаторов фирмы Cisco имеется возможность выбора модулей со всеми четрьмя комбинациями портов: многомодовый-многомодовый, многомодовый-одномодовый, одномодовый-многомодовый, одномодовый-одномодовый.

Фирма Cabletron Systems Inc. выпускает повторители Dual Attached - FDR-4000, которые позволяют подключить одномодовый кабель к станции класса А с портами, предназанченными для работы на многомодовом кабеле. Эти повторители дают возможность увеличить расстояние между узлами FDDI кольца до 40 км.

Подстандарт физического уровня CDDI (Copper Distributed Data Interface - распределенный интерфейс данных по медным кабелям) определяет требования к физическому уровню при использовании экранированной (IBM Type 1) и не экранированной (Category 5) витых пар. Эта значительно упрощает процесс инсталляции кабельной системы и удешевляет ее, сетевые адаптеры и оборудование концентраторов. Расстояния меджу станциями при использовании витых пар не должны превышать 100 км.

Фирма Lannet Data Communications Inc. выпускает FDDI модули для своих концентраторов, которые позволяют работать или в стандартном режиме, когда вторичное кольцо используется только в целях отказустойчивости при обрыве кабеля, или в расширенном режиме, когда вторичное кольцо тоже используется для передачи данных. Во втором случае полоса пропускания кабельной системы расширяется до 200 Мбит/сек.

Подключение оборудования к сети FDDI

Есть два основных способа подключения компьютеров к сети FDDI: непосредственно, а также и через мосты или маршрутизаторы к сетям других протоколов.

Непосредственное подключение

Этот способ подключения используется, как правило, для подключения к сети FDDI файлов, архивационных и других серверов, средних и больших ЭВМ, то есть ключевых сетевых компонентов, являющихся главными вычислительными центрами, предоставляющими сервис для многих пользователей и требующих высоких скоростей ввода-вывода по сети.

Аналогично можно подключить и рабочие станции. Однако, поскольку сетевые адаптеры для FDDI весьма дороги, этот способ применяется только в тех случаях, когда высокая скорость обмена по сети является обязательным условияем для нормальной работы приложения. Примеры таких приложений: системы мультимедиа, передача видео и звуковой информации.

Для подключения к сети FDDI персональных компьютеров применяются специалищированные сетевые адаптеры, которые обычным образом вставляются в один из свободных слотов компьютера. Такие адаптеры производятся фирмами: 3Com, IBM, Microdyne, Network Peripherials, SysKonnect и др. На рынке имеются карты под все распространенные шины - ISA, EISA и Micro Channel; есть адаптеры для подключения станций классов А или В для всех видов кабельной системы - волоконно-оптической, экранированной и неэкранированной витых пар.

Все ведущие производители UNIX машин (DEC, Hewlett-Packard, IBM, Sun Microsystems и другие) предусматривают интерфейсы для непосредственного подключения к сетям FDDI.

Подключение через мосты и маршрутизаторы

Мосты (bridges) и маршрутизаторы (routers) позволяют подключить к FDDI сети других протоколов, например, Token Ring и Ethernet. Это делает возможным экономичное подключение к FDDI большого числа рабочих станций и другого сетевого оборудования как в новых, так и в уже существующих ЛВС.

Конструктивно мосты ит маршрутизаторы изготавливаются в двух вариантах - в законченном виде, не допускающем дальнейшего аппаратного наращивания или переконфигурации (так называемые standalone-устройства), и в виде модульных концентраторов.

Примером standalone-устройств являются: Router BR фирмы Hewlett-Packard и EIFO Client/Server Switching Hub фирмы Network Peripherals.

Модульные концентраторы применяются в сложных больших сетях в качестве центральных сетевых устройств. Концентратор представляет собой корпус с источником питания и с коммуникационной платой. В слоты концентратора вставляются сетевые коммуникационные модули. Модульная конструкция концентраторов позволяет легко собрать любую конфигурацию ЛВС, объединить кабельные системы различных типов и протоколов. Оставшиеся свободными слоты можно использовать для дальнейшего наращивания ЛВС.

Концентраторы производятся многими фирмами: 3Com, Cabletron, Chipcom, Cisco, Gandalf, Lannet, Proteon, SMC, SynOptics, Wellfleet и другими.

Концентратор - это центральный узел ЛВС. Его отказ может привести к остановке всей сети, или, по крайней мере, значительной ее части. Поэтому большинство фирм, производящих концентраторы, принимают специальные меры для повышения их отказоустойчивости. Такими мерами являются резервирование источников питания в режиме разделения нагрузки или горячего резервирования, а также возможность смены или доустановки модулей без отключения питания (hot swap).

Для того чтобы снизить стоимость концетратора, все его модули запитываются от общего источника питания. Силовые элементы источника питания являются наиболее вероятной причиной его отказа. Поэтому резервирование источника питания существенно продлевает срок безотказной работы. При инсталляции каждый из источников питания концетратора может быть подключен к отдельному источнику бесперебойного питания (UPS) на случай неисправностей в системе электроснабжения. Каждый из UPS желательно подключить к отельным силовым электрическим сетям от разных подстанций.

Возможность смены или доустановки модулей (часто включая и источники питания) без отключения концентратора позволяет провести ремонт или расширение сети без прекращения сервиса для тех пользователей, сетевые сегменты которых подключены к другим модулям концентратора.

Мосты FDDI-Ethernet

Мосты работают на первых двух уровнях модели взаимодействия открытых систем - на физическом и канальном - и предназначены для связи нескольких ЛВС однотивных или различных протоколов физического уровня, например, Ethernet, Token Ring и FDDI.

По своему принципу действия мосты подразделяются на два типа (Sourece Routing - маршрутизация источника) требуют, чтобы узел-отправитель пакета размещал в нем информацию о пути его маршрутизации. Другими словами, каждая станция должна иметь встроенные функции по мартшрутизации пакетов. Второй тип мостов (Transparent Bridges - прозрачные мосты) обеспечивают прозрачную связь станций, расположенных в разных ЛВС, и все функции по маршрутизации выполняют только сами мосты. Ниже мы будем вести речь только о таких мостах.

Все мосты могут пополнять таблицу адресов (Learn addresses), маршрутизировать и фильтровать пакеты. Интеллектуальные мосты, кроме того, в целях повышения безопасности или производительности могут фильтровать пакеты по критериям, задаваемым через систему управления сетью.

Когда на один из портов моста приходит пакет данных, мост должен или переправить его на тот порт, к которому подключен узел назначения пакета, или просто отфильтровать его, если узел назначения находится на том же самом порту, с которого пришел пакет. Фильтрация позволяет избежать излишнего трафика в других сегментах ЛВС.

Кажый мост строит внутреннюю таблицу физических адресов подключенных к сети узлов. Процесс е заполнения заключается в следующем. Каждый пакет имеет в своем заголовке физические адреса узлов отправления и назначения. Получив на один из своих портов пакет данных, мост работает по следующему алгоритму. На первом шаге мост проверяет, занесен ли в его внутреннюю таблицу адрес узла отправителя пакета. Если нет, то мост заносит его в таблицу и связывает с ним номер порта, на который поступил пакет. На втором шаге проверяется, занесен ли во внутреннюю таблицу адрес узла назначения. Если нет, то мост передает принятый пакет во все сети, подключенные ко всем остальным его портам. Если адрес узла назначения найден во внутренней таблице, мост проверяет, подключена ли ЛВС узла назначения к тому же самому порту, с которого пришел пакет, или нет. Если нет, то мост отфильтровывает пакет, а если да, то передает его только на тот порт, к которому подключен сегмент сети с узлом назначения.

Три главных параметра моста:
- размер внутренней адресной таблицы;
- скорость фильтрации;
- скорость маршрутизации пакетов.

Размер адресной таблицы характеризует максимальное число сетевых устройств, трафик которых может маршрутизировать мост. Типичные значения размеров адресной таблицы лежат в пределах от 500 до 8000. Что же произойдет в случае, если количество подключенных узлов превысит размеры адресной таблицы? Поскольку большинство мостов хранят в ней сетевые адреса узлов, последними передавашими свои пакеты, мост постепенно будет "забывать" адреса узлов, резе других передающих пакеты. Это может привести к снижению эффективности процесса фильрации, но не вызовет принципиальных проблем в работе сети.

Скорости фильтрации и маршрутизации пакетов характеризуют производительность моста. Если они ниже максимально возможной интенсивности передачи пакетов по ЛВС, то мост может являться причиной задержек и снижения производительности. Если выше - значит стоимость моста выше минимально необходимой. Расчитаем, какой должна быть производительность моста для подключения к FDDI нескольких ЛВС протокола Ethernet.

Вычислим максимально возможную интенсивность пакетов сети Ethernet. Структура пакетов Ethernet показана в таблице 1. Минимальная длина пакета равна 72 байт или 576 бит. Время, необходимое для передачи одного бита по ЛВС протокола Ethernet со скростью 10 Мбит/сек равно 0.1 мксек. Тогда время передачи минимального по длине пакета составит 57.6*10 -6 сек. Стандарт Ethernet требует паузы между пакетами в 9.6 мксек. Тогда количество пакетов, переденных за 1 сек, будет равно 1/((57.6+9.6)*10 -6 )=14880 пакетов в секунду.

Если мост подсоединяет к сети FDDI N сетей протокола Ethernet, то, соответственно, его скорости фильтрации и маршрутизации должны быть равны N*14880 пакетов в секунду.

Таблица 1.
Структура пакета в сетях Ethernet.

Со стороны порта FDDI скорость фильтрации пакетов должна быть значительно выше. Для того, чтобы мост не снижал производительность сети, она должны составлять около 500000 пакетов в секунду.

По принципу передачи пакетов мосты подразделяются на Encapsulating Bridges и Translational Bridges пакеты физического уровня одной ЛВС целиком переносят в пакеты физического уровня другой ЛВС. После прохождения по второй ЛВС другой аналогичный мост удаляет оболочку из промежуточного протокола, и пакет продолжает свое движения в исходном виде.

Такие мосты позволяют связать FDDI-магистралью две ЛВС протокола Ethernet. Однако в этом случае FDDI будет использоваться только как среда передачи, и станции, подключенные к сетям Ethernet, не будут "видеть" станций, непосредственно подключенных к сети FDDI.

Мосты второго типа выполняют преобразование из одного протокола физического уровня в другой. Они удаляют заголовок и замыкающую служебную информацию одного протокола и переносят данные в другой протокол. Такое преобразование имеет существенное преимущество: FDDI можно использовать не только как среду передачи, но и для непосредственного подключения сетевого оборудования, прозрачно видимого станциями, подключенными к сетям Ethernet.

Таким образом, подобные мосты обеспечивают прозрачность всех сетей по протоколам сетевого и более верхних уровней (TCP/IP, Novell IPX, ISO CLNS, DECnet Phase IV и Phase V, AppleTalk Phase 1 и Phase 2, Banyan VINES, XNS и др.).

Еще одна важная характеристика моста - наличие или отсутствие поддержки алгоритма реервных путей (Spannig Tree Algorithm - STA) IEEE 802.1D. Иногда его называют также стандартом прозрачных мостов (Transparent Bridging Standard - TBS).

На рис. 1 показана ситуация, когда между ЛВС1 и ЛВС2 судествуют два возможных пути - через мост 1 или через мост 2. Ситации, аналогичные этим, называются активными петлями. Активные петли могут вызвать серьезные сетевые проблемы: дублирующие пакеты нарушают логику работы сетевых протоколов и приводят к снижению пропускной способности кабельной системы. STA обеспечивает блокировку всех возможных путей, кроме одного. Впрочем, в случае проблем с основной линией связи, одни из резервных путей сразу будет назначен активным.

Интеллектуальные мосты

До сих пор мы обсуждали свойства произвольных мостов. Интеллектуальные мосты имебт ряд дополнительных функций.

Для больших компьютерных сетей одной из ключевых проблем, определяющих их эффективность, является снижение стоимости эксплуатации, ранняя диагностика возможных проблем, сокращение времени поиска и устранения неисправностей.

Для этого применяются системы централизованного управления сетью. Как правило они работают по SNMP протоколу (Simple Network Management Protocol) и позволяют администратору сети с его рабочего места:
- конфигурировать порты концентраторов;
- производить набор статистики и анализ трафик. Например, для каждой подключенной к сети станции можно получить информацию о том, когда она последний раз посылала пакеты в сеть, о числе пакетов и байт, принятых каждой станцией с ЛВС, отличных от той, к которой она подключена, число переданных широковещательных (broadcast) пакетов и т. д.;

Устанавливать дополнительные фильтры на порты концентратора по номерам ЛВС или по физически адресам сетевых устройств с целью усиления защиты от несанкционированного доступа к ресурсам сети или для повышения эффективности функционирования отдельных сегментов ЛВС;
- оперативно получать сообщения о всех возникающих проблемах в сети и легко их локализовать;
- проводить диагностику модулей концентраторов;
- просматривать в графическом виде изображение передних панелей модулей, установленных в удаленные концентраторы, включая и текущее состояние инидкаторов (это возможно благодаря тому, что программное обеспечение автоматически распознает, какой именно из модулей установлен в каждый конкретный слот концентратора, и получает информацию и текущем статусе всех портов модулей);
- просматривать системных журнал, в который автоматически записывается информация обо всех проблемах с сетью, о времени включения и выключения рабочих станций и серверов и обо всех других важных для администратора событиях.

Перечисленные функции свойственны все интеллектуальным мостам и маршрутизаторам. Часть из них (например, Prism System фирмы Gandalf), кроме того, обладают следующими важными расширенными возможностями:

1. Приоритеты протоколов. По отдельным протоколам сетевого уровня некоторые концентраторы работают в качестве маршрутизаторов. В этом случае может поддерживаться установка приоритетов одних протоколов над другими. Например, можно установить приоритет TCP/IP над всеми остальными протоколами. Это означает, что пакеты TCP/IP будут передаваться в первую очередь (это бывает полезно в случае недостаточной полосы пропускания кабельной системы).

2. Защита от "штормов широковещательных пакетов" (broadcast storm). Одна из характерных неисправностей сетевого оборудования и ошибок в программном обеспечении - самопроизвольная генерация с высокой интенсивностью broadcast-пакетов, т. е. пакетов, адресованных всем остальным подключенным к сети устройствам. Сетевой адрес узла назначения такого пакета состоит из одних единиц. Получив такой пакет на один из своих портов, мост должен адресовать его на все другие порты, включая и FDDI порт. В нормальном режиме такие пакеты используются операционными системами для служебных целей, например, для рассылки сообщений о появлении в сети нового сервера. Однако при высокой интенсивности их генерации, они сразу займут всю полосу пропускания. Мост обеспечивает защиту сети от перегрузки, включая фильтр на том порту, с которого поступают такие пакеты. Фильтр не пропускает broadcast-пакеты и другие ЛВС, предохраняя тем самым остальную сеть от перегрузки и сохраняя ее работоспособность.

3. Сбор статистики в режиме "Что, если?" Эта опция позволяет виртуально устанавливать фильтры на порты моста. В этом режиме физически фильрация не проводится, но ведется сбор статистики о пакетах, которые были бы отфильтрованы при реальном включении фильров. Это позволяет администратору предварительно оценить последствия включения фильтра, снижая тем самым вероятность ошибок при неправильно установленных условиях фильтрации и не приводя к сбоям в работе подключенного оборудования.

Примеры использования FDDI

Приведем два наиболее типовых примера возможного использования сетей FDDI.

Приложения клиент-сервер. FDDI применяется для подключения оборудования, требующего широкой полосы пропускания от ЛВС. Обычно это файловые серверы NetWareб UNIX машины и большие универсальные ЭВМ (mainframes). Кроме того, как было отмечено выше, непосредственно к сети FDDI могут быть подключены и некоторые рабочие станции, требующие высоких скоростей обмена данными.

Рабочие станции пользователей подключаются через многопортовые мосты FDDI-Ethernet. Мост осуществляет фильтрацию и передачу пакетов не только между FDDI и Ethernet, но и между различными Ethernet-сетями. Пакет данных будет передан только в тот порт, где находится узел назначения, сохраняя полосу пропускания других ЛВС. Со стороны сетей Ethernet их взаимодействие эквивалентно связи через магистраль (backbone), только в этом случае она физически существует не в виде распределенной кабельной системы, а целиком сосредочена в многопортовом мосту (Collapsed Backbone или Backbone-in-a-box).

Сеть FDDI (от английского Fiber Distributed Data Interface, оптоволоконный распределенный интерфейс данных) – стандарт локальных сетей, развивающий идею Token Ring. Стандарт FDDI был предложен Американским национальным институтом стандартов ANSI (спецификация ANSI X3T9.5). Затем был принят стандарт ISO 9314, соответствующий спецификациям ANSI.

В отличие от других стандартных локальных сетей, стандарт FDDI изначально ориентировался на высокую скорость передачи (100 Мбит/с) и на применение оптоволоконного кабеля.

Выбор оптоволокна в качестве среды передачи определил такие преимущества новой сети, как высокая помехозащищенность, максимальная секретность передачи информации и прекрасная гальваническая развязка абонентов. Высокая скорость передачи, которая в случае оптоволоконного кабеля достигается гораздо проще, позволяет решать многие задачи, недоступные менее скоростным сетям, например, передачу изображений в реальном масштабе времени. Кроме того, оптоволоконный кабель легко решает проблему передачи данных на расстояние нескольких километров без ретрансляции, что позволяет строить большие по размерам сети, охватывающие даже целые города и имеющие при этом все преимущества локальных сетей (в частности, низкий уровень ошибок).

За основу стандарта FDDI был взят метод маркерного доступа, предусмотренный международным стандартом IEEE 802.5 (Token-Ring). Несущественные отличия от этого стандарта определяются необходимостью обеспечить высокую скорость передачи информации на большие расстояния. Топология сети FDDI – это кольцо, наиболее подходящая топология для оптоволоконного кабеля. В сети применяется два разнонаправленных оптоволоконных кабеля, один из которых обычно находится в резерве, однако такое решение позволяет использовать и полнодуплексную передачу информации (одновременно в двух направлениях) с удвоенной эффективной скоростью в 200 Мбит/с (при этом каждый из двух каналов работает на скорости 100 Мбит/с).

Применяется и звездно-кольцевая топология с концентраторами, включенными в кольцо (как в Token-Ring).

Основные технические характеристики сети FDDI.

Максимальное количество абонентов сети – 1000.
Максимальная протяженность кольца сети – 20 километров.
Максимальное расстояние между абонентами сети – 2 километра.
Среда передачи – многомодовый оптоволоконный кабель (возможно применение витой пары).
Метод доступа – маркерный.
Скорость передачи информации – 100 Мбит/с (200 Мбит/с для дуплексного режима передачи).

Ограничение на общую длину сети в 20 км связано не с затуханием сигналов в кабеле, а с необходимостью ограничения времени полного прохождения сигнала по кольцу для обеспечения предельно допустимого времени доступа. А вот максимальное расстояние между абонентами (2 км при многомодовом кабеле) определяется как раз затуханием сигналов в кабеле (оно не должно превышать 11 дБ). Предусмотрена также возможность применения одномодового кабеля, и в этом случае расстояние между абонентами может достигать 45 километров, а полная длина кольца – 200 километров.

Имеется также реализация FDDI на электрическом кабеле (CDDI – Copper Distributed Data Interface или TPDDI – Twisted Pair Distributed Data Interface). При этом используется кабель категории 5 с разъемами RJ-45. Максимальное расстояние между абонентами в этом случае должно быть не более 100 метров. Стоимость оборудования сети на электрическом кабеле в несколько раз меньше. Но эта версия сети уже не имеет столь очевидных преимуществ перед конкурентами, как изначальная оптоволоконная FDDI. Электрические версии FDDI стандартизованы гораздо хуже оптоволоконных, поэтому совместимость оборудования разных производителей не гарантируется.

Стандарт FDDI для достижения высокой гибкости сети предусматривает включение в кольцо абонентов двух типов:

Абоненты (станции) класса А (абоненты двойного подключения, DAS – Dual-Attachment Stations) подключаются к обоим (внутреннему и внешнему) кольцам сети. При этом реализуется возможность обмена со скоростью до 200 Мбит/с или резервирования кабеля сети (при повреждении основного кабеля используется резервный). Аппаратура этого класса применяется в самых критичных с точки зрения быстродействия частях сети.
Абоненты (станции) класса В (абоненты одинарного подключения, SAS – Single-Attachment Stations) подключаются только к одному (внешнему) кольцу сети. Они более простые и дешевые, по сравнению с адаптерами класса А, но не имеют их возможностей. В сеть они могут включаться только через концентратор или обходной коммутатор, отключающий их в случае аварии.

Кроме собственно абонентов (компьютеров, терминалов и т.д.) в сети используются связные концентраторы (Wiring Concentrators), включение которых позволяет собрать в одно место все точки подключения с целью контроля работы сети, диагностики неисправностей и упрощения реконфигурации. При применении кабелей разных типов (например, оптоволоконного кабеля и витой пары)

концентратор выполняет также функцию преобразования электрических сигналов в оптические и наоборот. Концентраторы также бывают двойного подключения (DAC – Dual-Attachment Concentrator) и одинарного подключения (SAC – Single-Attachment Concentrator).

Стандарт FDDI предусматривает также возможность реконфигурации сети с целью сохранения ее работоспособности в случае повреждения кабеля. Поврежденный участок кабеля исключается из кольца, но целостность сети при этом не нарушается вследствие перехода на одно кольцо вместо двух (то есть абоненты DAS начинают работать, как абоненты SAS). Это равносильно процедуре сворачивания кольца в сети Token-Ring.

В отличие от метода доступа, предлагаемого стандартом IEEE 802.5, в FDDI применяется так называемая множественная передача маркера. Если в случае сети Token-Ring новый (свободный) маркер передается абонентом только после возвращения к нему его пакета, то в FDDI новый маркер передается абонентом сразу же после окончания передачи им пакета. Последовательность действий здесь следующая:

Абонент, желающий передавать, ждет маркера, который идет за каждым пакетом.
Когда маркер пришел, абонент удаляет его из сети и передает свой пакет. Таким образом, в сети может быть одновременно несколько пакетов, но только один маркер.
Сразу после передачи своего пакета абонент посылает новый маркер.
Абонент-получатель, которому адресован пакет, копирует его из сети и, сделав пометку в поле статуса пакета, отправляет его дальше по кольцу.
Получив обратно по кольцу свой пакет, абонент уничтожает его. В поле статуса пакета он имеет информацию о том, были ли ошибки, и получил ли пакет приемник.

В сети FDDI не используется система приоритетов и резервирования, как в Token-Ring. Но предусмотрен механизм адаптивного планирования нагрузки, что позволяет абонентам гибко реагировать на загрузку сети и автоматически поддерживать ее на оптимальном уровне.

В заключение следует отметить, что несмотря на очевидные преимущества FDDI данная сеть не получила широкого распространения, что связано главным образом с высокой стоимостью ее аппаратуры (порядка нескольких сот и даже тысяч долларов). Основная область применения FDDI сейчас – это базовые, опорные (Backbone) сети, объединяющие несколько сетей. Применяется FDDI также для соединения мощных рабочих станций или серверов, требующих высокоскоростного обмена.

В настоящее время сети Fast Ethernet и Gigabit Ethernet почти полностью вытеснили FDDI, несмотря на все преимущества данной технологии.