Исторически сложилось так, что основная масса сетей, по меньшей мере в Молдове, создавалась по технологии 10Base-2 и 10Base-T. На сегодняшний день основными типами ЛВС являются сети, построенные на базе "витой пары". По-этому основной акцент в данной статье будет делаться на правила проектирования сетей стандарта 10Base-T, а также особенности и ограничения, накладываемые на эти правила при совместном их применении с другими стандартами (10Base-5, 10Base-2, 10Base-F, 100Base-TX, 100Base-T4 и 100VG-AnyLAN).

В начале несколько основополагающих терминов и определений:

Стандарт IEEE 802.3 (стандарт Ethernet) определяет локальную вычислительную сеть как коллизионную область или домен коллизий.
Коллизия - разрушение пакета данных в канале во время передачи. Когда узел посылает пакет, он одновременно проверяет, не произошла ли во время передачи коллизия. Если коллизия происходит, то попавшие в нее узлы прекращают передачу, выдерживают паузу в течении случайного промежутка времени и повторяют передачу. Отсутствие обнаружения коллизии указывает узлу, что передача пакета прошла успешно.
Время, по истечении которого пакет гарантированно проходит по каналам связи от источника до получателя не претерпев по пути коллизий называется "максимальным периодом кругового обращения сообщения" (maximum round-trip time). Это время определяет самую худшую ситуацию, при которой пакет пройдет от узла-отправителя на одном конце сети до места возникновения коллизии на другом конце сети и при этом сигнал о коллизии гарантированно дойдет до узла - отправителя.
Геометрические размеры сети, которые отвечают требованиям "максимального периода кругового обращения сообщения" и определяют коллизионную область. ЛВС будет функционировать правильно только в том случае, когда все ее узлы могут быть оповещены о коллизии в течение максимального периода кругового обращения.

Правила проектирования сетей стандарта 10Base-5

Я не могу понять, почему даже в последнее время приходят сообщения о монтаже сетей по стандарту 10Base-5. Ведь применение этого стандарта в настоящее время для монтажа новой ЛВС на мой взгляд не оправдано ни финансовой, ни с технической сторон, а для решения проблем объединения ЛВС, обычно экономически и технологически выгоднее применение технологии 10/100Base-F. Но раз это происходит, значит "это кому-нибудь нужно" и придется изложить правила применения этой технологии:

сеть стандарта 10Base-5 может состоять максимум из пяти магистральных сегментов.
сегменты сети соединяются между собой репитерами. Их максимальное количество - 4.
компьютеры могут быть подключены только к трем сегментам магистрального кабеля.
максимальная длина сегмента - 500 м (длины кабелей трансиверов не учитываются).
на концах кабельного сегмента должны быть установлены терминаторы.
подключение компьютеров к магистральному кабелю осуществляется с помощью трансивера.
максимальное расстояние между компьютером и трансивером - 50 м.
минимальное расстояние между трансиверами - 2,5 м.
максимальное количество компьютеров на кабельном сегменте - 100.
максимальное количество компьютеров на всех сегментах сети - 1024.
максимальная общая длина сети - 2500 м.

Примеры применения технологии 10Base-5

Применение технологии 10Base-5 на одном коаксиальном сегменте

Рис. 1. "Классический" Ethernet (10Base-5)

Приведенный на рис. 1 пример "классического" Ethernet-а настолько широко распространен в литературе, что, по-моему, не требует никаких комментариев.

Демонстрация возможностей технологии 10Base-5

На рис. 2 изображен вариант построения многосегментной ЛВС с применением технологии 10Base-5 и многопортовых трансиверов. Пример с многопортовыми трансиверами приведен с целью продемонстрировать то явление, что "классический" Ethernet - система, имеющая достаточно развитую базу аксессуаров.

Рис. 2. Многосегментный Ethernet, построенный с применением технологии 10Base-5

Правила проектирования сетей стандарта 10Base-2

Множество сетей стандарта 10Base-2 было построено во второй половине 80-х - начале 90-х г.г. В настоящее время, как правило, областью применения этого стандарта являются магистральные каналы, при помощи которых объединяются рабочие группы, построенные с применением технологии 10Base-T, а также небольшие ЛВС, как правило одноранговые и имеющие в своем составе не более 10-ти (обычно 3-5) компьютеров. Широкое применение технологии 10Base-2 сдерживается недостаточно высокой надежностью кабельной подсистемы в целом как системы с "общей шиной", а также тем, что на практике она была дискредитирована в результате повсеместного применения при монтаже не специфицированных для этого кабелей, что приводило к неустойчивой работе сетей, построенных с применением этого вида технологии. Лично мне приходилось наблюдать результаты применения не просто неподходящего кабеля по своим геометрическим характеристикам, но даже применение сегментов с волновым сопротивлением 75 и 100 ом.

Правила применения технологии 10Base-2:

сеть стандарта 10Base-5 может состоять максимум из пяти магистральных сегментов.
сегменты сети соединяются между собой репитерами (максимум 4).
компьютеры могут быть подключены только к трем сегментам магистрального кабеля. Два сегмента служат для увеличения диаметра ЛВС.
подключение компьютеров осуществляется с помощью Т-коннекторов.
максимальная длина сегмента - 185 м.
применяемый кабель - RG-58 (волновое сопротивление 50 ом).
на концах кабельного сегмента должны быть установлены терминаторы.
максимальное количество компьютеров на кабельном сегменте - 30 (учитывая подключенные к кабелю, но не задействованные Т-коннекторы).
максимальное количество компьютеров на всех сегментах сети - 1024.
минимальная длина кабельного сегмента - 0.5 м.
максимальная общая длина сети - 925 м.

Примеры применения технологии 10Base-2

Ethernet технологии 10Base-2 на одном коаксиальном сегменте

Рис. 3. Ethernet стандарта 10Base-2

В последнее время монтаж новой сети Ethernet типа 10Base-2 на одном коаксиальном сегменте (см. рис. 3) - довольно редкое явление. Сферой приложения этой технологии остались лишь небольшие офисы, где количество компьютеров редко когда более 5-ти.

Дополнительные возможности технологии 10Base-2

Ограничение на количество компьютеров на сегменте (30) и на сама длина сегмента (185 м) являются достаточно серьезным препятствие при планировании сети размеров не то чтобы двух, а даже одного этажа. Однако совсем не обязательно опутывать "коаксиальной шиной" все помещения. Технология 10Base-2 допускает применение и звездообразных топологий: на рис. 4 представлен вариант топологии типа "звезда", лучи которой являются шинными сегментами.

Рис. 4. Вариант расширенного применения Ethernet-а стандарта 10Base-2

Правила проектирования сетей стандарта 10Base-T

Технология 10Base-T была стандартизована только в 1990 году (стандарт IEEE 802.3). 10Base-T предусматривает построение ЛВС путем использования кабельных сегментов для создания точечных каналов связи (point-to-point links). Тем самым основной топологией становится уже не "шина", как в 10Base-5 и 10Base-2, а "звезда". Геометрические размеры сетей, построенных по варианту 10Base-T так же зависят от затухания сигнала в передающей среде и от времени распространения сигнала. Дело в том, что определив другой тип кабеля, соединители и другую топологию сети, 10Base-T остается тем же самым Ethernet-ом (в логическом смысле) и 10Base-5. В логическом смысле, концентратор - Hub это просто сегмент коаксиального кабеля из технологии 10Base-5 или 10Base-2.

Правила применения технологии 10Base-T:

сеть стандарта 10Base-Т может содержать максимум четыре концентратора.
компьютеры подключаются к концентраторам с помощью UTP (STP) кабеля категории 3, 4 или 5.
подключение компьютеров к концентраторам осуществляется с помощью коннекторов RJ-45 и кабелей "прямого соединения".
соединение концентраторов между собой осуществляется с помощью кабелей "перекрестного соединения" или, при использовании Up-Link-портов - с помощью кабелей прямого соединения.
максимальная длина UTP сегмента - 100 м.
максимальное количество компьютеров, подключенных ко всем концентраторам ЛВС - 1024.
минимальная длина кабельного сегмента - 2.5 м.
максимальная общая длина сети - 500 м.

Примеры применения технологии 10Base-T

Простейший вариант применения технологии 10Base-Т

Рис. 5. Простейший пример применения технологии 10Base-T

Простейший вариант сети, построенной по технологии 10Base-T - сеть с одним концентратором (см. рис. 5). Самые распространенные маломощные концентраторы имеют 8 портов (пишу 8, т.к. когда-то я видел концентратор на 5 портов). С их помощью можно организовать сеть малого офиса, которая не будет сильно расти и не нуждается в сетевом администрировании. Такое решение приемлемо для территориально сосредоточенных сетей (в пределах нескольких смежных помещений). Имейте в виду, что цена "за порт" у многопортовых концентраторов ниже. Поэтому, если Вы планируете объединить в сеть около 20-ти компьютеров, целесообразнее приобрести один 24-х портовый концентратор, чем три 8-ми портовых.

Возможности технологии 10Base-Т

Один из вариантов геометрически предельных топологических схем ЛВС с применением технологии 10Base-T изображен на рис. 6. Он не содержит ни одной пары узлов, между которыми было бы более 4-х концентраторов.

Рис. 6. Вариант предельной топологии с применением технологии 10Base-T

Резюме правил и рекомендаций стандарта IEEE 802.3

Максимальное число подключений на сегменте кабеля:

по стандарту 10Base-5 (толстый коаксиальный кабель) 100

по стандарту 10Base-2 (тонкий коаксиальный кабель) 30

по стандарту 10Base-T (кабель с витыми парами) 2

по стандарту 10Base-FL (оптический кабель) 2

Максимальная длина кабеля в метрах:

по стандарту 10Base-5 (толстый коаксиальный кабель) 500

по стандарту 10Base-2 (тонкий коаксиальный кабель) 185

по стандарту 10Base-T (кабель с витыми парами) 100

по стандарту 10Base-FL (оптический кабель) до 2000 м (mm)
до 4000...20000 м (sm)

Максимальное количество компьютеров в сети без применения специальных средств - 1024.
Максимальное число кабельных сегментов не более пяти (для сети, не содержащей мостов, коммутаторов или маршрутизаторов). При этом количество сегментов из коаксиального кабеля не может быть более трех.
Максимальное количество концентраторов или повторителей в любом сочетании между самыми дальними узлами сети - 4 (если среди них есть хотя бы один Fiber-Optic Hub, то 5).
Максимальное количество мостов, коммутаторов или маршрутизаторов с функциями мостов между любыми двумя узлами сети - 7. Это рекомендация протокола связного дерева по стандарту IEEE 802.1. При этом, когда путь данных проходит через мост (коммутатор), отсчет концентраторов и кабельных сегментов начинается сначала. Мост (коммутатор) изолирует трафик локальной сети, т.к. он устраняет продвижение пакетов (forwarding) на обратную сторону моста в тех случаях, когда пакет прошел кабельный сегмент, на котором находится узел-получатель. Мосты и коммутаторы также распознают попавшие в коллизию пакеты (collision packets) и не пропускают их на другие кабельные сегменты. Тем самым коллизии устраняются в рамках каждой из ЛВС, соединенных мостом или коммутатором.

Заключение

При проектировании сетей стандартов 10Base-5/2/T необходимо придерживаться требований, предъявляемых стандартом IEEE 802.3. С другой стороны, выполняя конкретные проекты, часто не удается обойтись этими правилами и приходится заниматься расчетами задержек распространения сигналов или консультироваться у фирм-производителей сетевого оборудования. Однако, если при разработке сети Вам удалось соблюсти все перечисленные выше требования, сеть будет успешно функционировать и Заказчик не выскажет Вам никаких претензий.

Базовые технологии локальных сетей

4.4. Стандарт 10Base-5

Стандарт 10Base-5 соответствует экспериментальной сети Ethernet фирмы Xerox и может считаться классическим Ethernet'ом. Он использует в качестве среды передачи данных коаксиальный кабель с диаметром центрального медного провода 2,17 мм и внешним диаметром около 10 мм ("толстый" Ethernet).

Кабель используется как моноканал для всех станций. Сегмент кабеля имеет максимальную длину 500 м (без повторителей) и должен иметь на концах согласующие терминаторы сопротивлением 50 Ом, поглощающие распространяющиеся по кабелю сигналы и препятствующие возникновению отраженных сигналов.

Различные компоненты сети, выполненной на толстом коаксиале, показаны на рисунке 5.

Станция должна подключаться к кабелю при помощи приемопередатчика - трансивера. Трансивер устанавливается непосредственно на кабеле и питается от сетевого адаптера компьютера (рис. 6). Трансивер может подсоединяться к кабелю как методом прокалывания, обеспечивающим непосредственный физический контакт, так и бесконтактным методом.

Трансивер соединяется с сетевым адаптером интерфейсным кабелем AUI (Attachment Unit Interface) длиной до 50 м, состоящим из 4 витых пар (адаптер должен иметь разъем AUI). Допускается подключение к одному сегменту не более 100 трансиверов, причем расстояние между подключениями трансиверов не должно быть меньше 2.5 м.

Рис. 5. Компоненты физического уровня сети стандарта

10 Base-5, состоящей из двух сегментов

Рис. 6. Структурная схема сетевого адаптера стандарта

10Base-5 ("толстый" Ethernet )

Трансивер - это часть сетевого адаптера, которая выполняет следующие функции:

прием и передача данных с кабеля на кабель,
определение коллизий на кабеле,
электрическая развязка между кабелем и остальной частью адаптера,
защита кабеля от некорректной работы адаптера.

Последнюю функцию часто называют контролем болтливости (jabber control). При возникновении неисправностей в адаптере может возникнуть ситуация, когда на кабель будет непрерывно выдаваться последовательность случайных сигналов. Так как кабель - это общая среда для всех станций, то работа сети будет заблокирована одним неисправным адаптером. Чтобы этого не случилось, на выходе передатчика ставится схема, которая проверяет количество битов, переданных в пакете. Если максимальная длина пакета превышается, то эта схема просто отсоединяет выход передатчика от кабеля.

Упрощенная структурная схема трансивера показана на рисунке 7. Детектор коллизий определяет наличие коллизии в коаксиальном кабеле по повышенному уровню постоянной составляющей сигналов. Если постоянная составляющая превышает определенный порог, то значит на кабель работает более чем один передатчик.

К достоинствам стандарта 10Base-5 относятся:

хорошая защищенность кабеля от внешних воздействий,
сравнительно большое расстояние между узлами,
возможность простого перемещения рабочей станции в пределах длины кабеля AUI.

Рис. 7. Структурная схема трансивера

К недостаткам следует отнести:

высокую стоимость кабеля,
сложность его прокладки из-за большой жесткости,
наличие специального инструмента для заделки кабеля,
при повреждении кабеля или плохом соединении происходит останов работы всей сети,
необходимо заранее предусмотреть подводку кабеля ко всем возможным местам установки компьютеров.

4.5 Стандарт 10Base-2

Стандарт 10Base-2 использует в качестве передающей среды коаксиальный кабель с диаметром центрального медного провода 0,89 мм и внешним диаметром около 5 мм ("тонкий" Ethernet, волновое сопротивление кабеля 50 Ом). Максимальная длина сегмента без повторителей составляет 185 м, сегмент должен иметь на концах согласующие терминаторы 50 Ом.

Станции подключаются к кабелю с помощью T-коннектора, который представляет из себя тройник, один отвод которого соединяется с сетевым адаптером, а два других - с двумя концами разрыва кабеля. Максимальное количество станций, подключаемых к одному сегменту, 30. Минимальное расстояние между станциями - 1 м.

Этот стандарт очень близок к стандарту 10Base-5. Но трансиверы в нем объединены с сетевыми адаптерами за счет того, что более гибкий тонкий коаксиальный кабель может быть подведен непосредственно к выходному разъему платы сетевого адаптера, установленной в шасси компьютера. Кабель в данном случае "висит" на сетевом адаптере, что затрудняет физическое перемещение компьютеров.

Топология сегмента сети стандарта 10Base-2 показана на рисунке 8.

Рис. 8. Сеть стандарта 10Base-2

Реализация этого стандарта на практике приводит к наиболее простому решению для кабельной сети, так как для соединения компьютеров требуются только сетевые адаптеры и Т-коннекторы. Однако этот вид кабельных соединений наиболее сильно подвержен авариям и сбоям: кабель восприимчив к помехам, в моноканале имеется большое количество механических соединений (каждый T-коннектор дает три механических соединения, два из которых имеют жизненно важное значение для всей сети), пользователи имеют доступ к разъемам и могут нарушить целостность моноканала. Кроме того, эстетика и эргономичность этого решения оставляют желать лучшего, так как от каждой станции через T-коннектор отходят два довольно заметных провода, которые под столом часто образуют моток кабеля - запас, необходимый на случай даже небольшого перемещения рабочего места.

Общим недостатком стандартов 10Base-5 и 10Base-2 является отсутствие оперативной информации о состоянии моноканала. Повреждение кабеля обнаруживается сразу же (сеть престает работать), но для поиска отказавшего отрезка кабеля необходим специальный прибор - кабельный тестер.

4.6. Стандарт 10Base-T

Стандарт принят в 1991 году как дополнение к существующему набору стандартов Ethernet и имеет обозначение 802.3i.

Использует в качестве среды двойную неэкранированную витую пару (Unshielded Twisted Pair, UTP). Соединения станций осуществляются по топологии "точка - точка" со специальным устройством - многопортовым повторителем с помощью двух витых пар. Одна витая пара используется для передачи данных от станции к повторителю (выход Tx сетевого адаптера), а другая - для передачи данных от повторителя станции (вход Rx сетевого адаптера). На рисунке 9 показан пример трехпортового повторителя.

Многопортовые повторители в данном случае обычно называются концентраторами (англоязычные термины - hub или concentrator). Концентратор осуществляет функции повторителя сигналов на всех отрезках витых пар, подключенных к его портам, так что образуется единая среда передачи данных - моноканал (шина). Повторитель обнаруживает коллизию в сегменте в случае одновременной передачи сигналов по нескольким своим Rx входам и посылает jam-последовательность на все свои Tx выходы. Стандарт определяет битовую скорость передачи данных 10 Мб/с и максимальное расстояние отрезка витой пары между двумя непосредственно связанными узлами (станциями и концентраторами) не более 100 м при использовании витой пары качества не ниже категории 3.

Рис. 9. Сеть 10Base-T - один домен коллизий

Tx - передатчик, Rx - приемник

Возможно иерархическое соединение концентраторов в дерево (рис. 10). Для обеспечения синхронизации станций при реализации процедур доступа CSMA/CD и надежного распознавания станциями коллизий в стандарте определено максимально число концентраторов между любыми двумя станциями сети.

Рис. 2.10. Повторители (концентраторы)

Общее количество станций в сети 10Base-T не должно превышать 1024.

Сети, построенные на основе стандарта 10Base-T, обладают по сравнению с коаксиальными вариантами Ethernet'а многими преимуществами. Эти преимущества связаны с разделением общего физического кабеля на отдельные кабельные отрезки, подключенные к центральному коммуникационному устройству. И хотя логически эти отрезки попрежнему образуют общий домен коллизий, их физическое разделение позволяет контролировать их состояние и отключать в случае обрыва, короткого замыкания или неисправности сетевого адаптера на индивидуальной основе. Это обстоятельство существенно облегчает эксплуатацию больших сетей Ethernet, так как концентратор обычно автоматически выполняет такие функции, уведомляя при этом администратора сети о возникшей проблеме.

4.7. Стандарт 10Base-F

Стандарт 10Base-F использует в качестве среды передачи данных оптоволокно. Функционально сеть стандарта 10Base-F состоит из тех же элементов, что и сеть стандарта 10Base-T - сетевых адаптеров, многопортового повторителя и отрезков кабеля, соединяющих адаптер с портом повторителя. Как и при использовании витой пары, для соединения адаптера с повторителем используется два оптоволокна - одно соединяет выход Tx адаптера со входом Rx повторителя, а другое - вход Rx адаптера с выходом Tx повторителя.

Стандарт FOIRL (Fiber Optic Inter-Repeater Link) - это первый стандарт комитета 802.3 для использования оптоволокна в сетях Ethernet. Он гарантирует длину оптоволоконной связи между повторителями до 1 км при общей длине сети не более 2500 м. Максимальное число повторителей - 4.

Стандарт 10Base-FL предназначен для соединения конечных узлов с концентратором и работает с сегментами оптоволокна длиной не более 2000 м при общей длине сети не более 2500 м. Максимальное число повторителей - 4.

Стандарт 10Base-FB предназначен для магистрального соединения повторителей. Он позволяет иметь в сети до 5 повторителей при максимальной длине одного сегмента 2000 м и максимальной длине сети 2740 м. Повторители, соединенные по стандарту 10Base-FB постоянно обмениваются специальными последовательностями сигналов, отличающимися от сигналов кадров данных, для обнаружения отказов своих портов. Поэтому, концентраторы стандарта 10Base-FB могут поддерживать резервные связи, переходя на резервный порт при обнаружении отказа основного с помощью тестовых специальных сигналов. Концентраторы этого стандарта передают как данные, так и сигналы простоя линии синхронно, поэтому биты синхронизации кадра не нужны и не передаются. Стандарт 10Base-FB поэтому называют также синхронный Ethernet.

Стандарты 10Base-FL и 10Base-FB не совместимы между собой

4.8. Правило 4-х повторителей

При описании топологии сети стандарта 10Base-5 приводились ограничения на длину одного непрерывного отрезка коаксиального кабеля, используемого в качестве общей шины передачи данных для всех станций сети. Отрезок кабеля, завершающийся на обоих концах терминаторами и имеющий общую длину не более 500 м называется физическим сегментом сети. Однако при расчете окна коллизий общая максимальная длина сети 10Base-5 считалась равной 2500 м. Противоречия здесь нет, так как стандарт 10Base-5 (впрочем как и остальные стандарты физического уровня Ethernet) допускает соединение нескольких сегментов коаксиального кабеля с помощью повторителей, которые обеспечивают увеличение общей длины сети.

Повторитель соединяет два сегмента коаксиального кабеля и выполняет функции регенерации электрической формы сигналов и их синхронизации (retiming). Повторитель прозрачен для станций, он обязан передавать кадры без искажений, модификации, потери или дублирования. Имеются ограничения на максимально допустимые величины дополнительных задержек распространения битов нормального кадра через повторитель, а также битов jam-последовательности, которую повторитель обязан передать на все подключенные к нему сегменты при обнаружении коллизии на одном из них. Воспроизведение коллизии на всех подключенных к повторителю сегментах - одна из его основных функций. Говорят, что сегменты, соединенные повторителями, образуют один домен коллизий (collision domain).

Повторитель состоит из трансиверов, подключаемых к коаксиальным сегментам, а также блока повторения, выполняющего основные функции повторителя.

На рисунке 5 раздела 4.4 показан пример сети, состоящей из двух сегментов, соединенных одним повторителем.

В общем случае стандарт 10Base-5 допускает использование до 4-х повторителей, соединяющих в этом случае 5 сегментов длиной до 500 метров каждый, если используемые повторители удовлетворяют ограничениям на допустимые величины задержек сигналов. При этом общая длина сети будет составлять 2500 м, и такая конфигурация гарантирует правильное обнаружение коллизии крайними станциями сети. Только 3 сегмента из 5 могут быть нагруженными, то есть сегментами с подключенными к ним трансиверами конечных станций.

Правила 4-х повторителей и максимальной длины каждого из сегментов легко использовать на практике для определения корректности конфигурации сети. Однако эти правила применимы только тогда, когда все соединяемые сегменты представляют собой одну физическую среду, то есть в нашем случае толстый коаксиальный кабель, а все повторители также удовлетворяют требованиям физического стандарта 10Base-5. Аналогичные простые правила существуют и для сетей, все сегменты которых удовлетворяют требованиям другого физического стандарта, например, 10Base-T или 10Base-F. Однако для смешанных случаев, когда в одной сети Ethernet присутствуют сегменты различных физических стандартов, правила, основанные только на количестве повторителей и максимальных длинных сегментов становятся более запутанными. Поэтому более надежно рассчитывать время полного оборота сигнала по смешанной сети с учетом задержек в каждом типе сегментов и в каждом типе повторителей и сравнивать его с максимально допустимым временем, которое для любых сетей Ethernet с битовой скоростью 10 Мб/с не должно превышать 575 битовых интервалов (количество битовых интервалов в пакете минимальной длины с учетом преамбулы). Примеры таких расчетов будут даны после рассмотрения всех физических стандартов Ethernet.

4.9. Методика расчета конфигурации сети Ethernet

Для того, чтобы сеть Ethernet, состоящая из сегментов различной физической природы, работала корректно, необходимо, чтобы выполнялись три основных условия:

Количество станций в сети не превышает 1024 (с учетом ограничений для коаксиальных сегментов).
Удвоенная задержка распространения сигнала (Path Delay Value, PDV) между двумя самыми удаленными друг от друга станциями сети не превышает 575 битовых интервалов.
Сокращение межкадрового расстояния (Interpacket Gap Shrinkage) при прохождении последовательности кадров через все повторители не более, чем на 49 битовых интервалов (напомним, что при отправке кадров станция обеспечивает начальное межкадровое расстояние в 96 битовых интервалов).

Соблюдение этих требований обеспечивает корректность работы сети даже в случаях, когда нарушаются простые правила конфигурирования, определяющие максимальное количество повторителей и максимальную длину сегментов каждого типа.

Физический смысл ограничения задержки распространения сигнала по сети уже пояснялся - соблюдение этого требования обеспечивает своевременное обнаружение коллизий.

Требование на минимальное межкадровое расстояние связано с тем, что при прохождении кадра через повторитель это расстояние уменьшается. Каждый пакет, принимаемый повторителем, ресинхронизируется для исключения дрожания сигналов, накопленного при прохождении последовательности импульсов по кабелю и через интерфейсные схемы. Процесс ресинхронизации обычно увеличивает длину преамбулы, что уменьшает межкадровый интервал. При прохождении кадров через несколько повторителей межкадровый интервал может уменьшиться настолько, что сетевым адаптерам в последнем сегменте не хватит времени на обработку предыдущего кадра, в результате чего кадр будет просто потерян. Поэтому не допускается суммарное уменьшение межкадрового интервала более чем на 49 битовых интервалов. Величину уменьшения межкадрового расстояния при переходе между соседними сегментами обычно называют в англоязычной литературе Segment Variability Value, SVV, а суммарную величину уменьшения межкадрового интервала при прохождении всех повторителей - Path Variability Value, PVV. Очевидно, что величина PVV равна сумме SVV всех сегментов, кроме последнего.

Расчет PDV

Для упрощения расчетов обычно используются справочные данные, содержащие значения задержек распространения сигналов в повторителях, приемопередатчиках и в различных физических средах. В таблице 3 приведены данные, необходимые для расчета значения PDV для всех физических стандартов сетей Ethernet, взятые из справочника Technical Reference Pocket Guide (Volume 4, Number 4) компании Bay Networks.

Таблица 3.

Тип сегмента	База левого сегмента	База промежуточного сегмента	База правого сегмента	Задержка среды на 1 м	Максимальная длина сегмента
10Base-5	11.8	46.5	169.5	0.0866	500
10Base-2	11.8	46.5	169.5	0.1026	185
10Base-T	15.3	42.0	165.0	0.113	100
10Base-FB	-	24.0	-	0.1	2000
10Base-FL	12.3	33.5	156.5	0.1	2000
FOIRL	7.8	29.0	152.0	0.1	1000
AUI (> 2 м)	0	0	0	0.1026	2+48

Поясним терминологию, использованную в этой таблице, на примере сети, изображенной на рисунке 11.

Рис. 11. Пример сети Ethernet, состоящей из сегментов различных физических стандартов

Левым сегментом называется сегмент, в котором начинается путь сигнала от выхода передатчика (выход Tx) конечного узла. Затем сигнал проходит через промежуточные сегменты и доходит до приемника (вход Rx) наиболее удаленного узла наиболее удаленного сегмента, который называется правым. С каждым сегментом связана постоянная задержка, названная базой, которая зависит только от типа сегмента и от положения сегмента на пути сигнала (левый, промежуточный или правый). Кроме этого, с каждым сегментом связана задержка распространения сигнала вдоль кабеля сегмента, которая зависит от длины сегмента и вычисляется путем умножения времени распространения сигнала по одному метру кабеля (в битовых интервалах) на длину кабеля в метрах.

Общее значение PDV равно сумме базовых и переменных задержек всех сегментов сети. Значения констант в таблице даны с учетом удвоения величины задержки при круговом обходе сети сигналом, поэтому удваивать полученную сумму не нужно.

Так как левый и правый сегмент имеют различные величины базовой задержки, то в случае различных типов сегментов на удаленных краях сети необходимо выполнить расчеты дважды: один раз принять в качестве левого сегмента сегмент одного типа, а во второй раз - сегмент другого типа, а результатом считать максимальное значение PDV. В нашем примере крайние сегменты сети принадлежат к одному типу - стандарту 10Base-T, поэтому двойной расчет не требуется, но если бы они были сегментами разного типа, то в первом случае нужно было бы принять в качестве левого сегмент между станцией и концентратором 1, а во втором считать левым сегмент между станцией и концентратором 5.

Рассчитаем значение PDV для нашего примера.

Левый сегмент 1: 15.3 (база) + 100 м ґ 0.113 /м = 26.6

Промежуточный сегмент 2: 33.5 + 1000 ґ 0.1 = 133.5

Промежуточный сегмент 3: 24 + 500 ґ 0.1 = 74.0

Промежуточный сегмент 4: 24 + 500 ґ 0.1 = 74.0

Промежуточный сегмент 5: 24 + 600 ґ 0.1 = 84.0

Правый сегмент 6: 165 + 100 ґ 0.113 = 176.3

Сумма всех составляющих дает значение PDV, равное 568.4.

Так как значение PDV меньше максимально допустимой величины 575, то эта сеть проходит по величине максимально возможной задержки оборота сигнала. Несмотря на то, что ее общая длина больше 2500 метров.

Расчет PVV

Для расчета PVV также можно воспользоваться табличными значениями максимальных величин уменьшения межкадрового интервала при прохождении повторителей различных физических сред (таблица 4 взята из того же справочника, что и предыдущая).

Таблица 4.

Тип сегмента	Передающий сегмент	Промежуточный сегмент	10Base-5 или 10Base-2
16	11	10Base-FB	-
2	10Base-FL	10.5	8
10Base-T	10.5	8

В соответствии с этими данными рассчитаем значение PVV для нашего примера.

Левый сегмент 1 10Base-T: дает сокращение в 10.5 битовых интервалов

Промежуточный сегмент 2 10Base-FL: 8

Промежуточный сегмент 3 10Base-FB: 2

Промежуточный сегмент 4 10Base-FB: 2

Промежуточный сегмент 5 10Base-FB: 2

Сумма этих величин дает значение PVV, равное 24.5, что меньше предельного значения в 49 битовых интервалов.

В результате, приведенная в примере сеть по всем параметрам соответствует стандартам Ethernet.

5.1. Основные характеристики стандарта Token Ring

Сети стандарта Token Ring, также как и сети Ethernet, используют разделяемую среду передачи данных, которая состоит из отрезков кабеля, соединяющих все станции сети в кольцо. Кольцо рассматривается как общий разделяемый ресурс, и для доступа к нему используется не случайный алгоритм, как в сетях Ethernet, а детерминированный, основанный на передаче станциями права на использование кольца в определенном порядке. Право на использование кольца передается с помощью кадра специального формата, называемого маркером или токеном.

Стандарт Token Ring был принят комитетом 802.5 в 1985 году. В это же время компания IBM приняла стандарт Token Ring в качестве своей основной сетевой технологии. В настоящее время именно компания IBM является основным законодателем моды технологии Token Ring, производя около 60% сетевых адаптеров этой технологии.

Сети Token Ring работают с двумя битовыми скоростями - 4 Мб/с и 16 Мб/с. Первая скорость определена в стандарте 802.5, а вторая является новым стандартом де-факто, появившимся в результате развития технологии Token Ring. Смешение станций, работающих на различных скоростях, в одном кольце не допускается.

Сети Token Ring, работающие со скоростью 16 Мб/с, имеют и некоторые усовершенствования в алгоритме доступа по сравнению со стандартом 4 Мб/с.

5.2. Маркерный метод доступа к разделяемой среде

В сетях с маркерным методом доступа право на доступ к среде передается циклически от станции к станции по логическому кольцу. Кольцо образуется отрезками кабеля, соединяющими соседние станции. Таким образом, каждая станция связана со своей предшествующей и последующей станцией и может непосредственно обмениваться данными только с ними. Для обеспечения доступа станций к физической среде по кольцу циркулирует кадр специального формата и назначения - маркер (токен).

Получив маркер, станция анализирует его, при необходимости модифицирует и при отсутствии у нее данных для передачи обеспечивает его продвижение к следующей станции. Станция, которая имеет данные для передачи, при получении маркера изымает его из кольца, что дает ей право доступа к физической среде и передачи своих данных. Затем эта станция выдает в кольцо кадр данных установленного формата последовательно по битам. Переданные данные проходят по кольцу всегда в одном направлении от одной станции к другой.

При поступлении кадра данных к одной или нескольким станциям, эти станции копируют для себя этот кадр и вставляют в этот кадр подтверждение приема. Станция, выдавшая кадр данных в кольцо, при обратном его получении с подтверждением приема изымает этот кадр из кольца и выдает новый маркер для обеспечения возможности другим станциям сети передавать данные.

На рисунке 12 описанный алгоритм доступа к среде иллюстрируется временной диаграммой. Здесь показана передача пакета А в кольце, состоящем из 6 станций, от станции 1 к станции 3.

Рис. 12. Принцип маркерного доступа

Время удержания одной станцией маркера ограничивается тайм-аутом удержания маркера, после истечение которого станция обязана передать маркер далее по кольцу.

В сетях Token Ring 16 Мб/с используется также несколько другой алгоритм доступа к кольцу, называемый алгоритмом раннего освобождения маркера (Early Token Release). В соответствии с ним станция передает маркер доступа следующей станции сразу же после окончания передачи последнего бита кадра, не дожидаясь возвращения по кольцу этого кадра с битом подтверждения приема. В этом случае пропускная способность кольца используется более эффективно и приближается к 80 % от номинальной.

Для различных видов сообщений передаваемым данным могут назначаться различные приоритеты.

Каждая станция имеет механизмы обнаружения и устранения неисправностей сети, возникающих в результате ошибок передачи или переходных явлений (например, при подключении и отключении станции).

Не все станции в кольце равны. Одна из станций обозначается как активный монитор, что означает дополнительную ответственность по управлению кольцом. Активный монитор осуществляет управление тайм-аутом в кольце, порождает новые маркеры (если необходимо), чтобы сохранить рабочее состояние, и генерирует диагностические кадры при определенных обстоятельствах. Активный монитор выбирается, когда кольцо инициализируется, и в этом качестве может выступить любая станция сети. Если монитор отказал по какой-либо причине, существует механизм, с помощью которого другие станции (резервные мониторы) могут договориться, какая из них будет новым активным монитором.

5.3. Форматы кадров Token Ring

В Token Ring существует три различных формата кадров:

маpкеp;
кадp данных;
пpеpывающая последовательность.

Маркер

Кадр маркера состоит из трех полей, каждое длиной в один байт.

Поле начального ограничителя появляется в начале маркера, а также в начале любого кадра, проходящего по сети. Поле состоит из уникальной серии электрических импульсов, которые отличаются от тех импульсов, которыми кодируются единицы и нули в байтах данных. Поэтому начальный ограничитель нельзя спутать ни с какой битовой последовательностью.
Поле контроля доступа. Разделяется на четыре элемента данных:
PPP T M RRR,

где PPP - биты приоритета, T - бит маркера, M - бит монитора, RRR - резервные биты.

Каждый кадр или маркер имеет приоритет, устанавливаемый битами приоритета (значение от 0 до 7, 7 - наивысший приоритет). Станция может воспользоваться маркером, если только она получила маркер с приоритетом, меньшим или равным, чем ее собственный. Сетевой адаптер станции, если ему не удалось захватить маркер, помещает свой приоритет в резервные биты маркера, но только в том случае, если записанный в резервных битах приоритет ниже его собственного. Эта станция будет иметь преимущественный доступ при последующем поступлении к ней маркера.

Схема использования приоритетного метода захвата маркера показана на рисунке 13. Сначала монитор помещает в поле текущего приоритета P максимальное значение приоритета, а поле резервного приоритета R обнуляется (маркер 7110). Маркер проходит по кольцу, в котором станции имеют текущие приоритеты 3, 6 и 4. Так как эти значения меньше, чем 7, то захватить маркер станции не могут, но они записывают свое значение приоритета в поле резервного приоритета, если их приоритет выше его текущего значения. В результате маркер возвращается к монитору со значением резервного приоритета R = 6. Монитор переписывает это значение в поле P, а значение резервного приоритета обнуляет, и снова отправляет маркер по кольцу. При этом обороте его захватывает станция с приоритетом 6 - наивысшим приоритетом в кольце в данный момент времени.

Бит маркера имеет значение 0 для маркера и 1 для кадра.

Бит монитора устанавливается в 1 активным монитором и в 0 любой другой станцией, передающей маркер или кадр. Если активный монитор видит маркер или кадр, содержащий бит монитора в 1, то активный монитор знает, что этот кадр или маркер уже однажды обошел кольцо и не был обработан станциями. Если это кадр, то он удаляется из кольца. Если это маркер, то активный монитор переписывает приоритет из резервных битов полученного маркера в поле приоритета. Поэтому при следующем проходе маркера по кольцу его захватит станция, имеющая наивысший приоритет.
Поле конечного ограничителя - последнее поле маркера. Так же, как и поле начального ограничителя, это поле содержит уникальную серию электрических импульсов, которые нельзя спутать с данными. Кроме отметки конца маркера это поле также содержит два подполя: бит промежуточного кадра и бит ошибки. Эти поля относятся больше к кадру данных, который мы и рассмотрим.

Рис. 13. Приоритеты в кольце Token Ring

Кадр данных

Кадр данных состоит из нескольких групп полей:

последовательность начала кадра;
адрес получателя;
адрес отправителя;
данные;
последовательность контроля кадра;
последовательность конца кадра.

Кадр данных может переносить данные либо для управления кольцом (данные MAC-уровня), либо пользовательские данные (LLC-уровня). Стандарт Token Ring определяет 6 типов управляющих кадров MAC-уровня. Поле "последовательность начала кадра" определяет тип кадра (MAC или LLC) и, если он определен как MAC, то поле также указывает, какой из шести типов кадров представлен данным кадром.

Назначение этих шести типов кадров следующее.

Чтобы удостовериться, что ее адрес уникальный, станция посылает кадр "Тест дублирования адреса", когда впервые присоединяется к кольцу.
Чтобы сообщить другим станциям, что он еще жив, активный монитор запускает кадр "Активный монитор существует" так часто, как только может.
Кадр "Существует резервный монитор" отправляется любой станцией, не являющейся активным монитором.
Резервный монитор отправляет "Маркеры заявки", когда подозревает, что активный монитор отказал. Резервные мониторы затем договариваются между собой, какой из них станет новым активным монитором.
Станция отправляет кадр "Сигнал" в случае возникновения серьезных сетевых проблем, таких как оборванный кабель, или при обнаружении станции, передающей кадры без ожидания маркера. Определяя, какая станция отправляет кадр сигнала, диагностирующая программа может локализовать проблему.
Кадр "Очистка" отправляется после того, как произошла инициализация кольца, и новый активный монитор заявляет о себе.

Каждый кадр (MAC или LLC) начинается с "последовательности начала кадра", которая содержит три поля:

Начальный ограничитель, такой же, как и для маркера;
Управление доступом, также совпадает для кадров и для маркеров;
Контроль кадра - это однобайтовое поле, содержащее два подполя - тип кадра и идентификатор управления MAC: 2 бита типа кадра имеют значения 00 для кадров MAC и 01 для кадров LLC. Биты идентификатора управления MAC определяют тип кадра управления кольцом из приведенного выше списка 6-ти управляющих кадров MAC.

Адрес получателя (либо 2, либо 6 байтов). Первый бит определяет групповой или индивидуальный адрес как для 2-х байтовых, так и для 6-ти байтовых адресов. Второй бит в 6-ти байтовых адресах говорит, назначен адрес локально или глобально.

Адрес отправителя имеет тот же размер и формат, что и адрес получателя.

Поле данных кадра может содержать данные одного из описанных управляющих кадров MAC или запись пользовательских данных, предназначенных для (или получаемых от) протокола более высокого уровня, такого как IPX или NetBIOS. Это поле не имеет определенной максимальной длины, хотя существуют практические ограничения на его размер, основанные на временных требованиях к тому, как долго некоторая станция может управлять кольцом.

Последовательность контроля кадра - используется для обнаружения ошибок, состоит из четырех байтов остатка циклически избыточной контрольной суммы, вычисляемой по алгоритму CRC-32, осуществляющему циклическое суммирование по модулю 32.

Последовательность конца кадра состоит из двух полей: конечный ограничитель и статус кадра.

Конечный ограничитель в кадре данных имеет дополнительное значение по сравнению с маркером. Кроме уникальной последовательности электрических импульсов он содержит два однобитовых поля: бит промежуточного кадра и бит обнаружения ошибки. Бит промежуточного кадра устанавливается в 1, если этот кадр является частью многокадровой передачи, или в 0 для последнего или единственного кадра. Бит обнаружения ошибки первоначально установлен в 0; каждая станция, через которую передается кадр, проверяет его на ошибки (по коду CRC) и устанавливает бит обнаружения ошибки в 1, если она выявлена. Очередная станция, которая видит уже установленный бит обнаружения ошибки, должна просто передать кадр. Исходная станция заметит, что возникла ошибка, и повторит передачу кадра.

Статус кадра имеет длину 1 байт и содержит 4 резервных бита и два подполя: бит распознавания адреса и бит копирования кадра. Так как это поле не сопровождается вычисляемой суммой CRC, то используемые биты дублируются в байте. Когда кадр создается, передающая станция устанавливает бит распознавания адреса в 0; получающая станция устанавливает бит в 1, чтобы сообщить, что она опознала адрес получателя. Бит копирования кадра также вначале установлен в 0, но устанавливается в 1 получающей станцией (станцией назначения), когда она копирует содержимое кадра в собственную память (другими словами, когда она реально получает данные). Данные копируются (и бит устанавливается), если только кадр получен без ошибок. Если кадр возвращается с обоими установленными битами, исходная станция знает, что произошло успешное получение. Если бит распознавания адреса не установлен во время получения кадра, это означает, что станция назначения больше не присутствует в сети (возможно, вследствие неполадок). Возможна другая ситуация, когда адрес получателя опознается, но бит копирования кадра не установлен. Это говорит исходной станции, что кадр был искажен во время передачи (бит обнаружения ошибки в конечном ограничителе также будет установлен). Если оба бита опознавания адреса и копирования кадра установлены, и бит обнаружения ошибки также установлен, то исходная станция знает, что ошибка случилась после того, как этот кадр был корректно получен.

Прерывающая последовательность

Состоит из двух байтов, содержащих начальный ограничитель и конечный ограничитель. Прерывающая последовательность может появиться в любом месте потока битов и сигнализирует о том, что текущая передача кадра или маркера отменяется.

Как видно из описания процедур обмена данными, в сети Token Ring на уровнях MAC и LLC применяются процедуры без установления связи, но с подтверждением получения кадров.

5.4. Физическая реализация сетей Token Ring

Стандарт Token Ring фирмы IBM предусматривает построение связей в сети как с помощью непосредственного соединения станций друг с другом, так и образование кольца с помощью концентраторов (называемых MAU - Media Attachment Unit или MSAU - Multi-Station Access Unit).

На рисунке 14 показаны основные аппаратные элементы сети Token Ring и способы их соединения.

Рис. 14. Конфигурация кольца Token Ring

В приведенной конфигурации показаны станции двух типов.

Станции С1, С2 и С3 - это станции, подключаемые к кольцу через концентратор. Обычно такими станциями являются компьютеры с установленными в них сетевыми адаптерами. Станции этого типа соединяются с концентратором ответвительным кабелем (lobe cable), который обычно является экранированной витой парой (Shielded Twisted Pair, STP), соответствующей стандартному типу кабеля из кабельной системы IBM (Type 1, 2, 6, 8, 9).

Максимальная длина ответвительного кабеля зависит от типа концентратора, типа кабеля и скорости передачи данных. Обычно для скорости 16 Мб/с максимальная длина кабеля Type 1 может достигать 200 м, а для скорости 4 Мб/с - 600 м. Концентраторы Token Ring делятся на активные и пассивные. Пассивные концентраторы обеспечивают только соединения портов внутри концентратора в кольцо, активные выполняют и функции повторителя, обеспечивая ресинхронизацию сигналов и исправление их амплитуды и формы. Естественно, что активные концентраторы поддерживают большие расстояния до станции, чем пассивные.

Остальные станции сети соединены в кольцо непосредственными связями. Такие связи называются магистральными (trunk cable). Обычно связи такого рода используются для соединения концентраторов друг с другом для образования общего кольца. Порты концентраторов, предназначенные для такого соединения, называются портами Ring-In и Ring-Out.

Для предотвращения влияния отказавшей или отключенной станции на работу кольца станции подключаются к магистрали кольца через специальные устройства, называемые устройствами подключения к магистрали (Trunk Coupling Unit, TCU). В функции такого устройства входит образование обходного пути, исключающего заход магистрали в MAC-узел станции при ее отключении или отказе. Обычно для этих целей в TCU используются реле, которые подпитываются постоянным током во время нормальной работы. При пропадании тока подпитки контакты реле переключаются и образуют обходной путь, исключая станцию.

При подключении станции в кольцо через концентратор, устройства TCU встраивают в порты концентратора.

Максимальное количество станций в одном кольце - 250.

Кроме экранированной витой пары существуют сетевые адаптеры и концентраторы Token Ring, поддерживающие неэкранированную витую пару и оптоволокно.

Базовые технологии локальных сетей

6.1. Fast Ethernet как развитие классического Ethernet'а

Технология Fast Ethernet является эволюционным развитием классической технологии Ethernet. 10-Мегабитный Ethernet устраивал большинство пользователей на протяжении около 15 лет. Однако в начале 90-х годов начала ощущаться его недостаточная пропускная способность. Если для компьютеров на процессорах Intel 80286 или 80386 с шинами ISA (8 Мбайт/с) или EISA (32 Мбайт/с) пропускная способность сегмента Ethernet составляла 1/8 или 1/32 канала "память - диск", то это хорошо согласовывалось с соотношением объемов локальных данных и внешних данных для компьютера. Теперь же у мощных клиентских станций с процессорами Pentium или Pentium PRO и шиной PCI (133 Мбайт/с) эта доля упала до 1/133, что явно недостаточно. Поэтому многие сегменты 10-Мегабитного Ethernet'а стали перегруженными, реакция серверов в них значительно упала, а частота возникновения коллизий существенно возросла, еще более снижая номинальную пропускную способность.

В 1992 году группа производителей сетевого оборудования, включая таких лидеров технологии Ethernet как SynOptics, 3Com и ряд других, образовали некоммерческое объединение Fast Ethernet Alliance для разработки стандарта на новую технологию, которая обобщила бы достижения отдельных компаний в области Ethernet-преемственного высокоскоростного стандарта. Новая технология получила название Fast Ethernet.

Одновременно были начаты работы в институте IEEE по стандартизации новой технологии - там была сформирована исследовательская группа для изучения технического потенциала высокоскоростных технологий. За период с конца 1992 года и по конец 1993 года группа IEEE изучила 100-Мегабитные решения, предложенные различными производителями. Наряду с предложениями Fast Ethernet Alliance группа рассмотрела также и другую высокоскоростную технологию, предложенную компаниями Hewlett-Packard и AT&T.

В центре дискуссий была проблема сохранения соревновательного метода доступа CSMA/CD. Предложение по Fast Ethernet'у сохраняло этот метод и тем самым обеспечивало преемственность и согласованность сетей 10Base-T и 100Base-T. Коалиция HP и AT&T, которая имела поддержку гораздо меньшего числа производителей в сетевой индустрии, чем Fast Ethernet Alliance, предложила совершенно новый метод доступа, называемый Demand Priority. Он существенно менял картину поведения узлов в сети, поэтому не смог вписаться в технологию Ethernet и стандарт 802.3, и для его стандартизации был организован новый комитет IEEE 802.12.

В мае 1995 года комитет IEEE принял спецификацию Fast Ethernet в качестве стандарта 802.3u, который не является самостоятельным стандартом, а представляет собой дополнение к существующему стандарту 802.3 в виде глав с 21 по 30. Отличия Fast Ethernet от Ethernet сосредоточены на физическом уровне (рис. 15).

Более сложная структура физического уровня технологии Fast Ethernet вызвана тем, что в ней используется три варианта кабельных систем - оптоволокно, 2-х парная витая пара категории 5 и 4-х парная витая пара категории 3, причем по сравнению с вариантами физической реализации Ethernet (а их насчитывается шесть), здесь отличия каждого варианта от других глубже - меняется и количество проводников, и методы кодирования. А так как физические варианты Fast Ethernet создавались одновременно, а не эволюционно, как для сетей Ethernet, то имелась возможность детально определить те подуровни физического уровня, которые не изменяются от варианта к варианту, и остальные подуровни, специфические для каждого варианта.

Рис. 15. Отличия стека протоколов 100Base-T от стека протоколов 10Base-T

Основными достоинствами технологии Fast Ethernet являются:

увеличение пропускной способности сегментов сети до 100 Мб/c;
сохранение метода случайного доступа Ethernet;
сохранение звездообразной топологии сетей и поддержка традиционных сред передачи данных - витой пары и оптоволоконного кабеля.

Указанные свойства позволяют осуществлять постепенный переход от сетей 10Base-T - наиболее популярного на сегодняшний день варианта Ethernet - к скоростным сетям, сохраняющим значительную преемственность с хорошо знакомой технологией: Fast Ethernet не требует коренного переобучения персонала и замены оборудования во всех узлах сети.

Официальный стандарт 100Base-T (802.3u) установил три различных спецификации для физического уровня (в терминах семиуровневой модели OSI) для поддержки следующих типов кабельных систем:

100Base-TX для двухпарного кабеля на неэкранированной витой паре UTP категории 5, или экранированной витой паре STP Type 1;
100Base-T4 для четырехпарного кабеля на неэкранированной витой паре UTP категории 3, 4 или 5;
100Base-FX для многомодового оптоволоконного кабеля.

6.2. Метод доступа к среде CSMA/CD

Подуровни LLC и MAC в стандарте Fast Ethernet не претерпели изменений. Напомним кратко их функции.

Подуровень LLC обеспечивает интерфейс протокола Ethernet с протоколами вышележащих уровней, например, с IP или IPX. Кадр LLC, изображенный на рисунке 16, вкладывается в кадр MAC и позволяет за счет полей DSAP и SSAP идентифицировать адрес сервисов назначения и источника соответственно. Например, при вложении в кадр LLC пакета IPX, значения как DSAP, так и SSAP должны быть равны Е0. Поле управления кадра LLC позволяет реализовать процедуры обмена данными трех типов:

Процедура типа 1 определяет обмен данными без предварительного установления соединения и без повторной передачи кадров в случае обнаружения ошибочной ситуации, то есть является процедурой дейтаграммного типа. Поле управления для этого типа процедур имеет значение 03, что определяет все кадры как ненумерованные.
Процедура типа 2 определяет режим обмена с установлением соединений, нумерацией кадров, управлением потоком кадров и повторной передачей ошибочных кадров. В этом режиме протокол LLC аналогичен протоколу HDLC.
Процедура типа 3 определяет режим передачи данных без установления соединения, но с получением подтверждения о доставке информационного кадра адресату.

Рис. 16. Формат кадра LLC с расширением SNAP

Существует расширение формата кадра LLC, называемое SNAP (Subnetwork Access Protocol). В случае использования расширения SNAP в поля DSAP и SSAP записывается значение AA, тип кадра по-прежнему равен 03, а для обозначения типа протокола, вложенного в поле данных, используются следующие 4 байта, причем байты идентификатора организации (OUI) всегда равны 00 (за исключением протокола AppleTalk), а последний байт (TYPE) содержит идентификатор типа протокола (например, 0800 для IP).

Заголовки LLC или LLC/SNAP используются мостами и коммутаторами для трансляции протоколов канального уровня по стандарту IEEE 802.2H.

Подуровень MAC ответственен за формирование кадра Ethernet, получение доступа к разделяемой среде передачи данных и за отправку с помощью физического уровня кадра по физической среде узлу назначения.

Разделяемая среда Ethernet, независимо от ее физической реализации (коаксиальный кабель, витая пара или оптоволокно с повторителями), в любой момент времени находится в одном из трех состояний - свободна, занята, коллизия. Состояние занятости соответствует нормальной передаче кадра одним из узлов сети. Состояние коллизии возникает при одновременной передаче кадров более, чем одним узлом сети.

MAC-подуровень каждого узла сети получает от физического уровня информацию о состоянии разделяемой среды. Если она свободна, и у MAC-подуровня имеется кадр для передачи, то он передает его через физический уровень в сеть. Физический уровень одновременно с побитной передачей кадра следит за состоянием среды. Если за время передачи кадра коллизия не возникла, то кадр считается переданным. Если же за это время коллизия была зафиксирована, то передача кадра прекращается, и в сеть выдается специальная последовательность из 32 бит (jam-последовательность), которая должна помочь однозначно распознать коллизию всеми узлами сети.

После фиксации коллизии MAC-подуровень делает случайную паузу, а затем вновь пытается передать данный кадр. Случайный характер паузы уменьшает вероятность одновременной попытки захвата разделяемой среды несколькими узлами при следующей попытке. Интервал, из которого выбирается случайная величина паузы, возрастает с каждой попыткой (до 10-ой), так что при большой загрузке сети и частом возникновении коллизий происходит притормаживание узлов. Максимальное число попыток передачи одного кадра - 16, после чего MAC-подуровень оставляет данный кадр и начинает передачу следующего кадра, поступившего с LLC-подуровня.

MAC-подуровень узла приемника, который получает биты кадра от своего физического уровня, проверяет поле адреса кадра, и если адрес совпадает с его собственным, то он копирует кадр в свой буфер. Затем он проверяет, не содержит ли кадр специфические ошибки: по контрольной сумме (FCS error), по максимально допустимому размеру кадра (jabber error), по минимально допустимому размеру кадра (runts), по неверно найденным границам байт (alignment error). Если кадр корректен, то его поле данных передается на LLC-подуровень, если нет - то отбрасывается.

6.3. Форматы кадров технологии Fast Ethernet

Форматы кадров технологии Fast Ethernet не отличаются от форматов кадров технологий 10-Мегабитного Ethernet'a. На рисунке 17 приведен формат MAC-кадра Ethernet, а также временные параметры его передачи по сети для скорости 10 Мб/с и для скорости 100 Мб/с.

В кадрах стандарта Ethernet-II (или Ethernet DIX), опубликованного компаниями Xerox, Intel и Digital еще до появления стандарта IEEE 802.3, вместо двухбайтового поля L (длина поля данных) используется двухбайтовое поле T (тип кадра). Значение поля типа кадра всегда больше 1518 байт, что позволяет легко различить эти два разных формата кадров Ethernet DIX и IEEE 802.3.

Все времена передачи кадров Fast Ethernet в 10 раз меньше соответствующих времен технологии 10-Мегабитного Ethernet'а: межбитовый интервал составляет 10 нс вместо 100 нс, а межкадровый интервал - 0.96 мкс вместо 9.6 мкс соответственно.

Рис. 17. Формат MAC-кадра и времена его передачи

6.4. Спецификации физического уровня Fast Ethernet

Для технологии Fast Ethernet разработаны различные варианты физического уровня, отличающиеся не только типом кабеля и электрическими параметрами импульсов, как это сделано в технологии 10 Мб/с Ethernet, но и способом кодирования сигналов, и количеством используемых в кабеле проводников. Поэтому физический уровень Fast Ethernet имеет более сложную структуру, чем классический Ethernet. Эта структура представлена на рисунке 18.

Рис. 18. Структура физического уровня Fast Ethernet

Физический уровень состоит из трех подуровней:

Уровень согласования (reconciliation sublayer).
Независимый от среды интерфейс (Media Independent Interface, MII).
Устройство физического уровня (Physical layer device, PHY).

Устройство физического уровня (PHY) обеспечивает кодирование данных, поступающих от MAC-подуровня для передачи их по кабелю определенного типа, синхронизацию передаваемых по кабелю данных, а также прием и декодирование данных в узле-приемнике.

Интерфейс MII поддерживает независимый от используемой физической среды способ обмена данными между MAC-подуровнем и подуровнем PHY. Этот интерфейс аналогичен по назначению интерфейсу AUI классического Ethernet'а за исключением того, что интерфейс AUI располагался между подуровнем физического кодирования сигнала (для любых вариантов кабеля использовался одинаковый метод физического кодирования - манчестерский код) и подуровнем физического присоединения к среде, а интерфейс MII располагается между MAC-подуровнем и подуровнями кодирования сигнала, которых в стандарте Fast Ethernet три - FX, TX и T4.

Подуровень согласования нужен для того, чтобы согласовать работу подуровня MAC с интерфейсом MII.

6.5. Интерфейс MII

Существует два варианта реализации интерфейса MII: внутренний и внешний.

При внутреннем варианте микросхема, реализующая подуровни MAC и согласования, с помощью интереса MII соединяется с микросхемой трансивера внутри одного и того же конструктива, например, платы сетевого адаптера или модуля маршрутизатора (рис. 19). Микросхема трансивера реализует все функции устройства PHY.

Рис. 19. Сетевой адаптер с внутренним интерфейсом MII

Внешний вариант соответствует случаю, когда трансивер вынесен в отдельное устройство и соединен кабелем MII через разъем MII с микросхемой MAC-подуровня (рис. 20). Разъем MII в отличие от разъема AUI имеет 40 контактов, максимальная длина кабеля MII составляет 1 метр. Сигналы, передаваемые по интерфейсу MII, имеют амплитуду 5 В.

Рис. 20. Использование внешнего трансивера с интерфейсом MII

Интерфейс MII может использоваться не только для связи PHY с MAC, но и для соединения устройств PHY с микросхемой повторения сигналов в многопортовом повторителе-концентраторе (рис. 21).

Рис. 21. Повторитель со встроенными устройствами PHY

Передача данных через MII

MII использует 4-битные порции данных для параллельной передачи их между MAC и PHY. Канал передачи данных от MAC к PHY образован 4-битной шиной данных, которая синхронизируется тактовым сигналом, генерируемым PHY, а также сигналом "Передача", генерируемым MAC-подуровнем.

Аналогично, канал передачи данных от PHY к MAC образован другой 4-битной шиной данных, которая синхронизируется тактовым сигналом и сигналом "Прием", которые генерируются PHY.

Если устройство PHY обнаружило ошибку в состоянии физической среды, то оно может передать сообщение об этом на подуровень MAC в виде сигнала "Ошибка приема" (receive error). MAC-подуровень (или повторитель) сообщают об ошибке устройству PHY с помощью сигнала "Ошибка передачи" (transmit error). Обычно, повторитель, получив от PHY какого-либо порта сигнал "Ошибка приема", передает на все устройства PHY остальных портов сигнал "Ошибка передачи".

В MII определена двухпроводная шина для обмена между MAC и PHY управляющей информацией. MAC-подуровень использует эту шину для передачи PHY данных о режиме его работы. PHY передает по этой шине информацию по запросу о статусе порта и линии. Данные о конфигурации, а также о состоянии порта и линии хранятся соответственно в двух регистрах: регистре управления (Control Register) и регистре статуса (Status Register).

Регистр управления используется для установки скорости работы порта, для указания, будет ли порт принимать участие в процессе автопереговоров о скорости линии, для задания режима работы порта - полудуплексный или полнодуплексный, и т.п. Функция автопереговоров (Auto-negotiation) позволяет двум устройствам, соединенным одной линией связи, автоматически, без вмешательства оператора, выбрать наиболее высокоскоростной режим работы, который будет поддерживается обоими устройствами.

Регистр статуса содержит информацию о действительном текущем режиме работы порта, в том числе и в том случае, когда режим выбран в результате проведения автопереговоров.

Регистр статуса может содержать данные об одном из следующих режимов:

100Base-T4;
100Base-TX full-duplex;
100Base-TX half-duplex;
10 Mb/s full-duplex;
10Mb/s half-duplex;
ошибка на дальнем конце линии.

6.6. Физический уровень 100Base-FX - многомодовое оптоволокно

Физический уровень PHY ответственен за прием данных в параллельной форме от MAC-подуровня, трансляцию их в один (TX или FX) или три последовательных потока бит с возможностью побитной синхронизации и передачу их через разъем на кабель. Аналогично, на приемном узле уровень PHY должен принимать сигналы по кабелю, определять моменты синхронизации бит, извлекать биты из физических сигналов, преобразовывать их в параллельную форму и передавать подуровню MAC.

Структура физического уровня 100Base-FX представлена на рисунке 22.

Рис. 22. Физический уровень PHY FX

Эта спецификация определяет работу протокола Fast Ethernet по многомодовому оптоволокну в полудуплексном и полнодуплексном режимах на основе хорошо проверенной схемы кодирования и передачи оптических сигналов, использующейся уже на протяжении ряда лет в стандарте FDDI. Как и в стандарте FDDI, каждый узел соединяется с сетью двумя оптическими волокнами, идущими от приемника (Rx) и от передатчика (Tx).

Между спецификациями PHY FX и PHY TX есть много общего, поэтому общие для двух спецификаций свойства будут даваться под обобщенным названием PHY FX/TX.

Метод кодирования 4B/5B

10 Мб/с версии Ethernet используют манчестерское кодирование для представления данных при передаче по кабелю. Метод кодирования 4B/5B определен в стандарте FDDI, и он без изменений перенесен в спецификацию PHY FX/TX. При этом методе каждые 4 бита данных MAC-подуровня (называемых символами) представляются 5 битами. Использование избыточного бита позволяет применить потенциальные коды при представлении каждого из пяти бит в виде электрических или оптических импульсов. Потенциальные коды обладают по сравнению с манчестерскими кодами более узкой полосой спектра сигнала, а, следовательно, предъявляют меньшие требования к полосе пропускания кабеля. Однако, прямое использование потенциальных кодов для передачи исходных данных без избыточного бита невозможно из-за плохой самосинхронизации приемника и источника данных: при передаче длинной последовательности единиц или нулей в течение долгого времени сигнал не изменяется и приемник не может определить момент чтения очередного бита.

При использовании пяти бит для кодирования шестнадцати исходных 4-х битовых комбинаций, можно построить такую таблицу кодирования, в которой любой исходный 4-х битовый код представляется 5-ти битовым кодом с чередующимися нулями и единицами. Тем самым обеспечивается синхронизация приемника с передатчиком. Так как исходные биты MAC-подуровня должны передаваться со скоростью 100Мб/c, то наличие одного избыточного бита вынуждает передавать биты результирующего кода 4B/5B со скоростью 125 Мб/c, то есть межбитовое расстояние в устройстве PHY составляет 8 наносекунд.

Так как из 32 возможных комбинаций 5-битовых порций для кодирования порций исходных данных нужно только 16, то остальные 16 комбинаций в коде 4В/5B используются в служебных целях.

Наличие служебных символов позволило использовать в спецификациях FX/TX схему непрерывного обмена сигналами между передатчиком и приемником и при свободном состоянии среды, что отличает их от спецификации 10Base-T, когда незанятое состояние среды обозначается полным отсутствием на ней импульсов информации. Для обозначения незанятого состояния среды используется служебный символ Idle (11111), который постоянно циркулирует между передатчиком и приемником, поддерживая их синхронизм и в периодах между передачами информации, а также позволяя контролировать физическое состояние линии (рис. 23).

Рис. 23. Обмен символами Idle при незанятом состоянии среды

Существование запрещенных комбинаций символов позволяет отбраковывать ошибочные символы, что повышает устойчивость работы сетей с PHY FX/TX.

Для отделения кадра Ethernet от символов Idle используется комбинация символов Start Delimiter (пара символов JK), а после завершения кадра перед первым символом Idle вставляется символ T (рис. 24).

Рис. 24. Непрерывный поток данных спецификаций PHY FX/TX

Передача 5-битовых кодов по линии методом NRZI

После преобразования 4-битовых порций MAC-кодов в 5-битовые порции PHY их необходимо представить в виде оптических или электрических сигналов в кабеле, соединяющем узлы сети. Спецификации PHY FX и PHY TX используют для этого различные методы физического кодирования - NRZI и MLT-3 соответственно. Эти же методы определены в стандарте FDDI для передачи сигналов по оптоволокну (спецификация PMD) и витой паре (спецификация TP-PMD).

Рассмотрим метод NRZI - Non Return to Zero Invert to ones - метод без возврата к нулю с инвертированием для единиц. Этот метод представляет собой модификацию простого потенциального метода кодирования, называемого Non Return to Zero (NRZ), когда для представления 1 и 0 используются потенциалы двух уровней. В методе NRZI также используется два уровня потенциала сигнала, но потенциал, используемый для кодирования текущего бита зависит от потенциала, который использовался для кодирования предыдущего бита (так называемое, дифференциальное кодирование). Если текущий бит имеет значение 1, то текущий потенциал представляет собой инверсию потенциала предыдущего бита, независимо от его значения. Если же текущий бит имеет значение 0, то текущий потенциал повторяет предыдущий.

Из описания метода NRZI видно, что для обеспечения частых изменений сигнала, а значит и для поддержания самосинхронизации приемника, нужно исключить из кодов слишком длинные последовательности нулей. Коды 4B/5B построены так, что гарантируют не более трех нулей подряд при любом сочетании бит в исходной информации. На рисунке 25 приведен пример кодирования последовательности бит методами NRZ и NRZI.

Рис. 2.25. Сравнение методов кодирования NRZ и NRZI

Основное преимущество NRZI кодирования по сравнению с NRZ кодированием в более надежном распознавании передаваемых 1 и 0 на линии в условиях помех.

6.7. Физический уровень 100Base-TХ - двухпарная витая пара

Структура физического уровня спецификации PHY TX представлена на рисунке 26.

Основные отличия от спецификации PHY FX - использование метода MLT-3 для передачи сигналов 5-битовых порций кода 4В/5B по витой паре, а также наличие функции автопереговоров (Auto-negotiation) для выбора режима работы порта.

Рис. 26. Структура физического уровня PHY TX

Метод MLT-3 использует потенциальные сигналы двух полярностей для представления 5-битовых порций информации (рис. 27).

Рис. 27. Метод кодирования MLT-3

Кроме использования метода MLT-3, спецификация PHY TX отличается от спецификации PHY FX тем, что в ней используется пара шифратор-дешифратор (scrambler/descrambler), как это определено в спецификации ANSI TP-PMD. Шифратор принимает 5-битовые порции данных от подуровня PCS, выполняющего кодирование 4B/5B, и зашифровывает сигналы перед передачей на подуровень MLT-3 таким образом, чтобы равномерно распределить энергию сигнала по всему частотному спектру - это уменьшает электромагнитное излучение кабеля.

Автопереговорный процесс

Спецификации PHY TX и PHY T4 поддерживают функцию Auto-negotiation, с помощью которой два взаимодействующих устройства PHY могут автоматически выбрать наиболее эффективный режим работы.

Описанная ниже схема Auto-negotiation является теперь стандартом технологии 100Base-T. До этого производители применяли различные собственные схемы автоматического определения скорости работы взаимодействующих портов, которые не были совместимы. Принятую в качестве стандарта схему Auto-negotiation предложила первоначально компания National Semiconductor под названием NWay.

Всего в настоящее время определено 5 различных режимов работы, которые могут поддерживать устройства PHY TX или PHY T4 на витых парах:

10Base-T - 2 пары категории 3;
10Base-T full-duplex - 2 пары категории 3;
100Base-TX - 2 пары категории 5 (или Type 1A STP);
100Base-TX full-duplex - 2 пары категории 5 (или Type 1A STP);
100Base-T4 - 4 пары категории 3.

Режим 10Base-T имеет самый низкий приоритет при переговорном процессе, а режим 100Base-T4 - самый высокий. Переговорный процесс происходит при включении питания устройства, а также может быть инициирован и в любой момент модулем управления.

Для организации переговорного процесса используются служебные сигналы проверки целостности линии технологии 10Base-T - link test pulses, если узел-партнер поддерживает только стандарт 10Base-T. Узлы, поддерживающие функцию Auto-negotiation, также используют существующую технологию сигналов проверки целостности линии, при этом они посылают пачки таких импульсов, инкапсулирующие информацию переговорного процесса Auto-negotiation. Такие пачки носят название Fast Link Pulse burst (FLP).

Устройство, начавшее процесс auto-negotiation, посылает своему партнеру пачку импульсов FLP, в котором содержится 8-битное слово, кодирующее предлагаемый режим взаимодействия, начиная с самого приоритетного, поддерживаемого данным узлом.

Если узел-партнер поддерживает функцию Auto-negotuiation и также может поддерживать предложенный режим, то он отвечает пачкой импульсов FLP, в которой подтверждает данный режим и на этом переговоры заканчиваются. Если же узел-партнер может поддерживать менее приоритетный режим, то он указывает его в ответе и этот режим выбирается в качестве рабочего. Таким образом, всегда выбирается наиболее приоритетный общий режим узлов.

Узел, который поддерживает только технологию 10Base-T, каждые 16 миллисекунд посылает импульсы для проверки целостности линии, связывающей его с соседним узлом. Такой узел не понимает запрос FLP, который делает ему узел с функцией Auto-negotiation, и продолжает посылать свои импульсы. Узел, получивший в ответ на запрос FLP только импульсы проверки целостности линии, понимает, что его партнер может работать только по стандарту 10Base-T и устанавливает этот режим работы и для себя.

Полнодуплексный режим работы

Узлы, поддерживающие спецификации PHY FX и PHY TX, могут работать в полнодуплексном режиме (full-duplex mode). В этом режиме не используется метод доступа к среде CSMA/CD и отсутствует понятие коллизий - каждый узел одновременно передает и принимает кадры данных по каналам Tx и Rx.

Полнодуплексная работа возможна только при соединения сетевого адаптера с коммутатором или же при непосредственном соединении коммутаторов.

При полнодуплексной работе стандарты 100Base-TX и 100Base-FX обеспечивают скорость обмена данными между узлами 200 Мб/с.

Полнодуплексный режим работы для сетей 100Base-T пока не принят комитетом IEEE в качестве стандарта. Тем не менее, многие производители выпускают как сетевые адаптеры, так и коммутаторы для этого режима. Из-за отсутствия стандарта эти продукты не обязательно корректно работают друг с другом.

В полнодуплексном режиме необходимо определить процедуры управления потоком кадров, так как без этого механизма возможны ситуации, когда буферы коммутатора переполнятся и он начнет терять кадры Ethernet, что всегда крайне нежелательно, так как восстановление информации будет осуществляться более медленными протоколами транспортного или прикладного уровней.

Ввиду отсутствия стандартов на полнодуплексные варианты Ethernet'a каждый производитель сам определяет способы управления потоком кадров в коммутаторах и сетевых адаптерах. Обычно, при заполнении буфера устройства до определенного предела, это устройство посылает передающему устройству сообщение о временном прекращении передачи (XOFF). При освобождении буфера посылается сообщение о возможности возобновить передачу (XON).

6.8. Физический уровень 100Base-T4 - четырехпарная витая пара

Спецификация PHY T4 была разработана для того, чтобы можно было использовать для высокоскоростного Ethernet'а имеющуюся проводку на витой паре категории 3. Эта спецификация использует все 4 пары кабеля для того, чтобы можно было повысить общую пропускную способность за счет одновременной передачи потоков бит по нескольким витым парам.

Структура физического уровня PHY T4 изображена на рисунке 28.

Вместо кодирования 4B/5В в этом методе используется кодирование 8B/6T. Каждые 8 бит информации MAC-уровня кодируются 6-ю троичными цифрами (ternary symbols), то есть цифрами, имеющими три состояния. Каждая троичная цифра имеет длительность 40 наносекунд. Группа из 6-ти троичных цифр затем передается на одну из трех передающих витых пар, независимо и последовательно. Четвертая пара всегда используется для прослушивания несущей частоты в целях обнаружения коллизии. Скорость передачи данных по каждой из трех передающих пар равна 33.3 Мб/c, поэтому общая скорость протокола 100Base-T4 составляет 100 Мб/c. В то же время из-за принятого способа кодирования скорость изменения сигнала на каждой паре равна всего 25 Мбод, что и позволяет использовать витую пару категории 3.

Рис. 28. Физический уровень PHY T4

На рисунке 29 показано соединение порта MDI сетевого адаптера 100Base-T4 с портом MDI-X повторителя. Из рисунка видно, пара 1-2 всегда используется для передачи данных от порта MDI к порту MDI-X, пара 3-6 всегда используется для приема данных портом MDI от порта MDI-X, а пары 4-5 и 7-8 являются двунаправленными и используются и для приема, и для передачи, в зависимости от потребности.

Рис. 29. Соединение узлов по спецификации PHY T4

6.9. Правила построения сегментов Fast Ethernet при использовании повторителей класса I и класса II

Технология Fast Ethernet, как и все некоаксиальные варианты Ethernet'а рассчитана на подключение конечных узлов - компьютеров с соответствующими сетевыми адаптерами - к многопортовым концентраторам-повторителям или коммутаторам.

Правила корректного построения сегментов сетей Fast Ethernet включают:

ограничения на максимальные длины сегментов, соединяющих DTE c DTE;
ограничения на максимальные длины сегментов, соединяющих DTE с портом повторителя;
ограничения на максимальный диаметр сети;
ограничения на максимальное число повторителей и максимальную длину сегмента, соединяющего повторители.

Рассмотрим вначале влияние ограничений длин сегментов DTE-DTE.

В качестве DTE (Data Terminal Equipment) может выступать любой источник кадров данных для сети: сетевой адаптер, порт моста, порт маршрутизатора, модуль управления сетью и другие подобные устройства. Порт повторителя не является DTE. В типичной конфигурации сети Fast Ethernet несколько DTE подключается к портам повторителя, образуя сеть звездообразной топологии.

Спецификация IEEE 802.3u определяет следующие максимальные значения сегментов DTE-DTE:

Стандарт	Тип кабеля	Максимальная длина сегмента
100Base-TX	Category 5 UTP	100 метров
100Base-FX	многомодовое оптоволокно 62.5/125 мкм	412 метров (полудуплекс) 2 км (полный дуплекс)
100Base-T4	Category 3,4 или 5 UTP	100 метров

Остановимся подробнее на ограничениях, связанных с соединениями с повторителями.

Повторители Fast Ethernet делятся на два класса.

Повторители класса I поддерживают все типы систем кодирования физического уровня: 100Base-TX/FX и 100Base-T4. Повторители класса II поддерживают только один тип системы кодирования физического уровня - 100Base-TX/FX или 100Base-T4.

В одном домене коллизий допускается наличие только одного повторителя класса I. Это связано с тем, что такой повторитель вносит большую задержку при распространении сигналов из-за необходимости трансляции различных систем сигнализации.

Максимальное число повторителей класса II в домене коллизий - 2, причем они должны быть соединены между собой кабелем не длиннее 5 метров.

Небольшое количество повторителей Fast Ethernet не является серьезным препятствием при построении сетей. Во-первых, наличие стековых повторителей снимает проблемы ограниченного числа портов - все каскадируемые повторители представляют собой один повторитель с достаточным числом портов - до нескольких сотен. Во-вторых, применение коммутаторов и маршрутизаторов делит сеть на несколько доменов коллизий, в каждом из которых обычно имеется не очень большое число станций.

В следующей таблице сведены правила построения сети на основе повторителе класса I.

Тип кабелей	Максимальный диаметр сети	Максимальная длина сегмента
Только витая пара (TX)	200 м	100 м
Только оптоволокно (FX)	272 м	136 м

Несколько сегментов на витой паре и один на оптоволокне 260 м 100 м (TX) 160 м (FX)

Несколько сегментов на витой паре и несколько сегментов на оптоволокне 272 м 100 м (TX) 136 м (FX)

Эти ограничения проиллюстрированы типовыми конфигурациями сетей, показанными на рисунке 30.

Рис. 30. Примеры построения сети с помощью повторителей класса I

7. Протокол Gigabit Ethernet

Хотя переход на новые высокоскоростные технологии, такие как Fast Ethernet и 100VG-AnyLAN, начался не так давно, уже находятся в разработке два новых проекта - технология Gigabit Ethernet и Gigabit VG, предложенные соответственно Gigabit Ethernet Alliance и комитетом IEEE 802.12.

Интерес к технологиям для локальных сетей с гигабитными скоростями повысился в связи с двумя обстоятельствами - во-первых, успехом сравнительно недорогих (по сравнению с FDDI) технологий Fast Ethernet и 100VG-AnyLAN, во-вторых, со слишком большими трудностями, испытываемыми технологией АТМ на пути к конечному пользователю.

Технология АТМ обладает многими привлекательными свойствами - масштабируемой скоростью передачи данных, доходящей до 10 Гб/с, отличной поддержкой мультимедийного трафика и возможностью работы как в локальных, так и в глобальных сетях. Однако, стоимость технологии АТМ и ее сложность не всегда оправданы. Вот для таких применений, в которых нужна в первую очередь высокая скорость обмена, а без других возможностей, предлагаемых АТМ, можно прожить, и предназначены активно разрабатываемые сегодня гигабитные варианты Ethernet и VG.

За комитетом 802.12 стоит, естественно, компания Hewlett-Packard, сотрудница которой и возглавляет сегодня этот комитет. К энтузиастам перевода технологии VG на гигабитные скорости относятся также компании Compaq Computer, Texas Instrument и Motorola.

В Gigabit Ethernet Alliance входят наряду с другими компании Bay Networks, Cisco Systems и 3Com.

Обе группы намерены широко использовать достижения технологии Fibre Channel, уже работающей с гигабитными скоростями. Во всяком случае, Fibre Channel со своим методом кодирования 8B/10B фигурирует как один из вариантов физического уровня для оптоволоконного кабеля.

Разрабатываемые предложения оставляют метод доступа в неизменном виде: CSMA/CD для технологии Gigabit Ethernet и Demand Priority для Gigabit VG.

В связи с ограничениями, накладываемыми методом CSMA/CD на длину кабеля, версия Gigabit Ethernet для разделяемой среды будет допускать длину связей до 25 метров на витой паре. В связи с такими серьезными ограничениями более популярны будут, очевидно, полнодуплексные версии гигабитного Ethernet'a, работающие только с коммутаторами и допускающие расстояние между узлом и коммутатором в 500 метров для многомодового кабеля и до 2 км для одномодового кабеля.

Первый проект стандарта Gigabit Ethernet был принят в 1997 года, а его окончательное принятие ожидается в конце 1998 года.

Gigabit Ethernet Alliance предполагает, что стоимость одного порта концентратора Gigabit Ethernet в 1998 году составит от $920 до $1400, а стоимость одного порта коммутатора Gigabit Ethernet составит от $1850 до $2800.

Для технологии Gigabit VG предлагается реализовать скорость 500 Мб/с для витой пары и 1 Гб/с для оптоволокна. Предельные расстояния между узлами ожидаются следующие: для витой пары - 100 м, для многомодового оптоволокна - 500 м и для одномодового оптоволокна - 2 км.

8.1. История создания стандарта FDDI

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.

8.2. 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 (рис. 31), 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. 31. 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 (рис. 32, а).

Станция может начать передачу своих собственных кадров данных только в том случае, если она получила от предыдущей станции специальный кадр - токен доступа (рис. 32, 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.

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 (рис. 32, 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 FDDI уровня (например, IP), а затем передает исходный кадр по сети последующей станции (рис. 32, 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 (рис. 32, 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.

Рис. 32. Обработка кадров станциями кольца FDDI

На рисунке 33 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. 33. 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:

Протокол передачи токена.
Правила захвата и ретрансляции токена.
Формирование кадра.
Правила генерации и распознавания адресов.
Правила вычисления и проверки 32-разрядной контрольной суммы.

Уровень SMT выполняет все функции по управлению и мониторингу всех остальных уровней стека протоколов FDDI. В управлении кольцом принимает участие каждый узел сети FDDI. Поэтому все узлы обмениваются специальными кадрами SMT для управления сетью. В спецификации SMT определено следующее:

Алгоритмы обнаружения ошибок и восстановления после сбоев.
Правила мониторинга работы кольца и станций.
Управление кольцом.
Процедуры инициализации кольца.

Отказоустойчивость сетей FDDI обеспечивается за счет управления уровнем SMT другими уровнями: с помощью уровня PHY устраняются отказы сети по физическим причинам, например, из-за обрыва кабеля, а с помощью уровня MAC - логические отказы сети, например, потеря нужного внутреннего пути передачи токена и кадров данных между портами концентратора.

В следующей таблице представлены результаты сравнения технологии FDDI с технологиями Ethernet и Token Ring.

Характеристика	FDDI	Ethernet	Token Ring
Битовая скорость	100 Мб/с	10 Мб/с	16 Мб/c
Топология	Двойное кольцо деревьев	Шина/звезда	Звезда/кольцо
Метод доступа	Доля от времени оборота токена	CSMA/CD	Приоритетная система резервирования
Среда передачи данных	Многомодовое оптоволокно, неэкранированная витая пара	Толстый коаксиал, тонкий коаксиал, витая пара, оптоволокно	Экранированная и неэкранированная витая пара, оптоволокно
Максимальная длина сети (без мостов)	200 км (100 км на кольцо)	2500 м	1000 м
Максимальное расстояние между узлами	2 км (-11 dB потерь между узлами)	2500 м	100 м
Максимальное количество узлов	500 (1000 соединений)	1024	260 для экранированной витой пары, 72 для неэкранированной витой пары
Тактирование и восстановление после отказов	Распределенная реализация тактирования и восстановления после отказов	Не определены	Активный монитор

8.3. Типы узлов и правила их соединения в сеть

Все станции в сети FDDI делятся на несколько типов по следующим признакам:

конечные станции или концентраторы;
по варианту присоединения к первичному и вторичному кольцам;
по количеству MAC-узлов и, соответственно, MAC-адресов у одной станции.

Одиночное и двойное присоединение к сети

Если станция присоединена только к первичному кольцу, то такой вариант называется одиночным присоединением - Single Attachment, SA (рис. 34, а). Если же станция присоединена и к первичному, и ко вторичному кольцам, то такой вариант называется двойным присоединением - Dual Attachment, DA (рис. 34, б).

Рис. 34. Одиночное (SA) и двойное (DA) подключение станций

Очевидно, что станция может использовать свойства отказоустойчивости, обеспечиваемые наличием двух колец FDDI, только при ее двойном подключении.

Рис. 35. Реконфигурация станций с двойным подключением при обрыве кабеля

Как видно из рисунка 35, реакция станций на обрыв кабеля заключается в изменении внутренних путей передачи информации между отдельными компонентами станции.

Количество MAC-узлов у станции

Для того, чтобы иметь возможность передавать собственные данные в кольцо (а не просто ретранслировать данные соседних станций), станция должна иметь в своем составе хотя бы один MAC-узел, который имеет свой уникальный MAC-адрес. Станции могут не иметь ни одного узла MAC, и, значит, участвовать только в ретрансляции чужих кадров. Но обычно все станции сети FDDI, даже концентраторы, имеют хотя бы один MAC. Концентраторы используют MAC-узел для захвата и генерации служебных кадров, например, кадров инициализации кольца, кадров поиска неисправности в кольце и т.п.

Станции, которые имеют один MAC-узел, называются SM (Single MAC) станциями, а станции, которые имеют два MAC-узла, называются DM (Dual MAC) станциями.

Возможны следующие комбинации типов присоединения и количества MAC-узлов:

SM/SA Станция имеет один MAC-узел и присоединяется только к первичному кольцу. Станция не может принимать участие в образовании общего кольца из двух.

SM/DA Станция имеет один MAC-узел и присоединяется сразу к первичному и вторичному кольцам. В нормальном режиме она может принимать данные только по первичному кольцу, используя второе для отказоустойчивой работы.

DM/DA Станция имеет два MAC-узла и присоединена к двум кольцам. Может (потенциально) принимать данные одновременно по двум кольцам (полнодуплексный режим), а при отказах участвовать в реконфигурации колец.

DM/SA Станция имеет два MAC-узла, но присоединена только к первичному кольцу. Запрещенная комбинация для конечной станции, специальный случай работы концентратора.

В зависимости от того, является ли станция концентратором или конечной станцией, приняты следующие обозначения в зависимости от типа их подключения:

SAS (Single Attachment Station) - конечная станция с одиночным подключением.
DAS (Dual Attachment Station) - конечная станция с двойным подключением.
SAC (Single Attachment Concentrator) - концентратор с одиночным подключением.
DAC (Dual Attachment Concentrator) - концентратор с двойным подключением.

Типы портов станций и концентраторов FDDI и правила их соединения

В стандарте FDDI описаны четыре типа портов, которые отличаются своим назначением и возможностями соединения друг с другом для образования корректных конфигураций сетей.

Тип порта	Подключение	Назначение
A	PI/SO - (Primary In/Secondary Out)	Вход первичного кольца/ Выход вторичного кольца Соединяет устройства с двойным подключением с магистральными кольцами
B	PO/SI - (Primary Out/Secondary In)	Выход первичного кольца/Вход вторичного кольца Соединяет устройства с двойным подключением с магистральными кольцами
M	Master - PI/PO	Вход первичного кольца/Выход первичного кольца Порт концентратора, который соединяет его с устройствами с одиночным подключением; использует только первичное кольцо
S	Slave - PI/PO	Вход первичного кольца/Выход первичного кольца Соединяет устройство с одиночным подключением к концентратору; использует только первичное кольцо

На рисунке 36 показано типичное использование портов разных типов для подключения станций SAS и DAS к концентратору DAC.

Рис. 36. Использование портов различных типов

Соединение портов S - S является допустимым, так как создает изолированное первичное кольцо, соединяющее только две станции, но обычно неиспользуемым.

Соединение портов M - M является запрещенным, а соединения A-A, B-B, A-S, S-A, B-S, S-B - нежелательными, так как создают неэффективные комбинации колец.

Соединение Dual Homing

Соединения типа A-M и B-M соответствуют случаю, так называемого, Dual Homing подключения, когда устройство с возможностью двойного подключения, то есть с портами A и B, использует их для двух подключений к первичному кольцу через порты M другого устройства.

Такое подключение показано на рисунке 37.

На нем два концентратора, DAC4 и DAC5, подключены к концентраторам DAC1, DAC2 и DAC3 по схеме Dual Homing.

Концентраторы DAC1, DAC2 и DAC3 подключены обычным способом к обеим кольцам, образуя корневую магистраль сети FDDI. Обычно такие концентраторы называют в англоязычной литературе rooted concentrators.

Концентраторы DAC4 и DAC5 подключены по древовидной схеме. Ее можно было бы образовать и с помощью концентраторов SAC4 и SAC5, которые бы в этом случае подключались бы к М-порту корневых концентраторов с помощью порта S.

Подключение DAC-концентраторов по древовидной схеме, но с использованием Dual Homing, позволяет повысить отказоустойчивость сети, и сохранить преимущества древовидной многоуровневой структуры.

Рис. 37. Соединение Dual Homing

Концентратор DAC4 подключен по классической схеме Dual Homing. Эта схема рассчитана на наличие у такого концентратора только одного MAC-узла. При подключении портов A и B концентратора DAC4 к портам М концентратора DAC1 между этими портами устанавливается физическое соединение, которое постоянно контролируется физическим уровнем PHY. Однако, в активное состояние по отношению к потоку кадров по сети переводится только порт B, а порт A остается в резервном логическом состоянии. Предпочтение, отдаваемое по умолчанию порту В, определено в стандарте FDDI.

При некорректной работе физического соединения по порту B концентратор DAC4 переводит его в резервное состояние, а активным становится порт А. После этого порт В постоянно проверяет физическое состояние его линии связи, и, если оно восстановилось, то он снова становится активным.

Концентратор DAC5 также включен в есть по схеме Dual Homing, но с более полными функциональными возможностями по контролю соединения резервного порта А. Концентратор DAC5 имеет два узла MAC, поэтому не только порт В работает в активном режиме в первичном кольце, передавая кадры первичному MAC-узлу от порта М концентратора DAC3, но и порт А также находится в активном состоянии, принимая кадры от того же первичного кольца, но от порта М концентратора DAC2. Это позволяет вторичному MAC-узлу постоянно отслеживать логическое состояние резервной связи.

Необходимо заметить, что устройства, поддерживающие режим Dual Homing, могут быть реализованы несколькими различными способами, поэтому может наблюдаться несовместимость этих режимов у различных производителей.

Присоединение станции к "блуждающему" MAC-узлу

Когда новая станция включается в сеть FDDI, то сеть на время приостанавливает свою работу, проходя через процесс инициализации кольца, в течение которого между всеми станциями согласуются основные параметры кольца, самым важным из которых является номинальное время оборота токена по кольцу. Этой процедуры в некоторых случаях можно избежать. Примером такого случая является подключение новой станции SAS к порту М концентратора с так называемым "блуждающим" узлом MAC (Roving MAC), который также называют локальным MAC-узлом.

Пример такого подключения показан на рисунке 38.

Рис. 38. Присоединение станции к "блуждающему" MAC-узлу

Концентратор DM/DAC1 имеет два MAC-узла: один участвует в нормальной работе первичного кольца, а второй, локальный, присоединен к пути, соединяющему порт M со станцией SAS3. Этот путь образует изолированное кольцо и используется для локальной проверки работоспособности и параметров станции SAS3. Если он работоспособен и его параметры не требуют реинициализации основной сети, то станция SAS3 включается в работу первичного кольца "плавно" (smooth-insertion).

Подключение станций с помощью оптических обходных переключателей (Optical Bypass Switch)

Факт отключения питания станции с одиночным подключением будет сразу же замечен средствами физического уровня, обслуживающими соответствующий М-порт концентратора, и этот порт по команде уровня SMT концентратора будет обойден по внутреннему пути прохождения данных через концентратор. На дальнейшую отказоустойчивость сети этот факт никакого влияния не окажет (рис. 39).

Рис. 39. Оптический обходной переключатель (Optical Bypass Switch)

Если же отключить питание у станции DAS или концентратора DAC, то сеть, хотя и продолжит работу, перейдя в состояние Wrap, но запас отказоустойчивости будет утерян, что нежелательно. Поэтому для устройств с двойным подключением рекомендуется использовать оптические обходные переключатели - Optical Bypass Switch, которые позволяют закоротить входные и выходные оптические волокна и обойти станцию в случае ее выключения. Оптический обходной переключатель питается от станции и состоит в простейшем случае из отражающих зеркал или подвижного оптоволокна. При отключенном питании такой переключатель обходит станцию, а при включении ее питания соединяет входы портов А и В с внутренними схемами PHY станции.

8.4. Функции МАС-уровня и форматы кадров

Функции МАС-уровня

В соответствии со стандартами IEEE 802 канальный уровень в локальных сетях состоит из двух подуровней - LLC и МАС. Стандарт FDDI не вводит свое определение подуровня LLC, а использует его сервисы, описанные в документе IEEE 802.2 LLC.

Подуровень МАС выполняет в технологии FDDI следующие функции:

Поддерживает сервисы для подуровня LLC.
Формирует кадр определенного формата.
Управляет процедурой передачи токена.
Управляет доступом станции к среде.
Адресует станции в сети.
Копирует кадры, предназначенные для данной станции, в буфер и уведомляет подуровень LLC и блок управления станцией SMT о прибытии кадра.
Генерирует контрольную последовательность кадра (CRC) и проверяет ее у всех кадров, циркулирующих по кольцу.
Удаляет из кольца все кадры, которые сгенерировала данная станция.
Управляет таймерами, которые контролируют логическую работу кольца - таймером удержания токена, таймером оборота токена и т.д.
Ведет ряд счетчиков событий, что помогает обнаружить и локализовать неисправности.
Определяет механизмы, используемые кольцом для реакции на ошибочные ситуации - повреждение кадра, потерю кадра, потерю токена и т.д.

В данном разделе для иллюстрации работы МАС-уровня будет использоваться станция с двойным подключением и одним блоком МАС, то есть станция DA/SM. Ее внутренняя структура показана на рисунке 40.

Рис. 40. Внутренняя структура станции с двойным подключением и одним блоком МАС

В каждом блоке МАС параллельно работают два процесса: процесс передачи символов - MAC Transmit и процесс приема символов - MAC Receive. За счет этого МАС может одновременно передавать символы одного кадра и принимать символы другого кадра.

Форматы кадра и токена

По сети FDDI информация передается в форме двух блоков данных: кадра и токена. Формат кадра FDDI представлен на рисунке 41.

Рис. 41. Формат кадра FDDI

Рассмотрим назначение полей кадра:

Преамбула (Preamble, PA). Любой кадр должен предваряться преамбулой, состоящей как минимум из 16 символов Idle (I). Эта последовательность предназначена для вхождения в синхронизм генератора RCRCLK, обеспечивающего прием последующих символов кадра.
Начальный ограничитель (Starting Delimiter, SD). Состоит из пары символов JK, которые позволяют однозначно определить границы для остальных символов кадра.
Поле управления (Frame Control, FC). Идентифицирует тип кадра и детали работы с ним. Имеет 8-ми битовый формат и передается с помощью двух символов. Состоит из подполей, обозначаемых как CLFFZZZZ, которые имеют следующее назначение:

С - говорит о том, какой тип трафика переносит кадр - синхронный (значение 1) или асинхронный (значение 0).
L - определяет длину адреса кадра, который может состоять из 2-х байт или из 6-ти байт.
FF - тип кадра, может иметь значение 01 для обозначения кадра LLC (пользовательские данные) или 00 для обозначения служебного кадра MAC-уровня. Служебными кадрами МАС-уровня являются кадры трех типов - кадры процедуры инициализации кольца Claim Frame, кадры процедуры сигнализации о логической неисправности Beacon Frame и кадры процедуры управления кольцом SMT Frame.
ZZZZ - детализирует тип кадра.

Адрес назначения (Destination Address, DA) - идентифицирует станцию (уникальный адрес) или группу станций (групповой адрес), которой(ым) предназначен кадр. Может состоять из 2-х или 6-ти байт.
Адрес источника (Source Address, SA) - идентифицирует станцию, сгенерировавшую данный кадр. Поле должно быть той же длины, что и поле адреса назначения.
Информация (INFO) - содержит информацию, относящуюся к операции, указанной в поле управления. Поле может иметь длину от 0 до 4478 байт (от 0 до 8956 символов). Стандарт FDDI допускает размещение в этом поле маршрутной информации алгоритма Source Routing, определенной в стандарте 802.5. При этом в два старших бита поля адреса источника SA помещается комбинация 102 - групповой адрес, комбинация, не имеющая смысла для адреса источника, а обозначающая присутствие маршрутной информации в поле данных.
Контрольная последовательность (Frame Check Sequence, FCS) - содержит 32-х битную последовательность, вычисленную по стандартному методу CRC-32, принятому и для других протоколов IEEE 802. Контрольная последовательность охватывает поля FC, DA, SA, INFO и FCS.
Конечный ограничитель (Ending Delimiter, ED) - содержит единственный символ Terminate (T), обозначающий границу кадра. Однако за ним располагаются еще признаки статуса кадра.
Статус кадра (Frame Status, FS). Первые три признака в поле статуса должны быть индикаторами ошибки (Error, E), распознавания адреса (Address recognized, A) и копирования кадра (Frame Copied, C). Каждый из этих индикаторов кодируется одним символом, причем нулевое состояние индикатора обозначается символом Reset (R), а единичное - Set (S). Стандарт позволяет производителям оборудования добавлять свои индикаторы после трех обязательных.

На рисунке 42 показан формат токена.

Рис. 42. Формат токена

Токен состоит по существу из одного значащего поля - поля управления, которое содержит в этом случае 1 в поле С и 0000 в поле ZZZZ.

Операции МАС-уровня

С помощью операций МАС-уровня станции получают доступ к кольцу и передают свои кадры данных. Цикл передачи кадра от одной станции к другой состоит из нескольких этапов: захвата токена станцией, которой необходимо передать кадр, передачей одного или нескольких кадров данных, освобождением токена передающей станцией, ретрансляцией кадра промежуточными станциями, распознаванием и копированием кадра станцией-получателем и удалением кадра из сети станцией-отправителем.

Рассмотрим эти операции.

Захват токена. Если станция имеет право захватить токен, то она после ретрансляции на выходной порт символов PA и SD токена, удаляет из кольца символ FC, по которому она распознала токен, а также конечный ограничитель ED. Затем она передает вслед за уже переданным символом SD символы своего кадра, таким образом, формируя его из начальных символов токена (рис. 43).

Передача кадра. После удаления полей FC и ED токена станция начинает передавать символы кадров, которые ей предоставил для передачи уровень LLC. Станция может передавать кадры до тех пор, пока не истечет время удержания токена.

Для сетей FDDI предусмотрена передача кадров двух типов трафика - синхронного и асинхронного.

Синхронный трафик предназначен для приложений, которые требуют предоставления им гарантированной пропускной способности для передачи голоса, видеоизображений, управления процессами и других случаев работы в реальном времени. Для такого трафика каждой станции предоставляется фиксированная часть пропускной способности кольца FDDI, поэтому станция имеет право передавать кадры синхронного трафика всегда, когда она получает токен от предыдущей станции.

Рис. 43. Захват токена

Асинхронный трафик - это обычный трафик локальных сетей, не предъявляющий высоких требований к задержкам обслуживания. Станция может передавать асинхронные кадры только в том случае, если при последнем обороте токена по кольцу для этого осталась какая-либо часть неизрасходованной пропускной способности. Интервал времени, в течение которого станция может передавать асинхронные кадры, называется временем удержания токена (Token Holding Time, THT). Каждая станция самостоятельно вычисляет текущее значение этого параметра по алгоритму, рассмотренному ниже.

Рисунок 44 иллюстрирует процесс передачи кадра.

Рис. 44. Передача кадра

В ходе передачи символов собственного кадра станция удаляет из кольца все поступающие от предыдущей станции символы. Такой процесс называется МАС-заменой (MAC Overwriting). Первоначальный источник удаляемого из сети кадра не имеет значения - это может быть и данный МАС-узел, который ранее поместил этот кадр в кольцо, либо другой МАС-узел. Процесс удаления кадров во время передачи никогда не приводит к удалению еще необработанных кадров: если сеть работает корректно, то удаляются только усеченные кадры, которые образуются либо при захвате токена (этот вариант уже рассмотрен), либо при удалении своего кадра станцией-источником (этот вариант будет рассмотрен ниже). В любом случае, усеченный кадр (remnant frame) - это кадр, у которого есть начальный ограничитель, но отсутствует конечный ограничитель, а вместо него и, может быть, еще некоторых полей вставлены символы простоя Idle.

В случае, если удаляемые символы принадлежат кадру, ранее сгенерированному данным МАС-узлом, то одновременно с удалением кадра из кольца проверяются признаки статуса кадра из поля FS - распознавания адреса, копирования и ошибки. Если признак ошибки установлен, то МАС-уровень не занимается повторной передачей кадра, оставляя это уровню LLC или другим верхним уровням коммуникационного стека протоколов.

Станция прекращает передачу кадров в двух случаях: либо при истечении времени удержания токена THT, либо при передаче всех имеющихся у нее кадров до истечения этого срока. После передачи последнего своего кадра станция формирует токен и передает его следующей станции.

Повторение кадра. Если кадр не адресуется данному МАС-узлу, то последний должен просто повторить каждый символ кадра на выходном порту. Каждый МАС-узел должен подсчитывать количество полученных им полных кадров (усеченные не включаются в подсчет). Каждая станция проверяет повторяемый кадр на наличие ошибок с помощью контрольной последовательности. Если ошибка обнаружена, а признак ошибки в поле FS не установлен, то МАС-узел устанавливает этот признак в кадре, а также наращивает счетчик ошибочных кадров, распознанных данным МАС-узлом.

Обработка кадра станцией назначения. Станция назначения, распознав свой адрес в поле DA, начинает копировать символы кадра во внутренний буфер одновременно с повторением их на выходном порту. При этом станция назначения устанавливает признак распознавания адреса. Если же кадр скопирован во внутренний буфер, то устанавливается и признак копирования (невыполнение копирования может произойти, например, из-за переполнения внутреннего буфера). Устанавливается также и признак ошибки, если ее обнаружила проверка по контрольной последовательности.

Удаление кадра из кольца. Каждый МАС-узел ответственен за удаление из кольца кадров, которые он ранее в него поместил. Этот процесс известен под названием Frame Stripping. Если МАС-узел при получении своего кадра занят передачей следующих кадров, то он удаляет все символы вернувшегося по кольцу кадра. Если же он уже освободил токен, то он повторяет на выходе несколько полей этого кадра прежде, чем распознает свой адрес в поле SA. В этом случае в кольце возникает усеченный кадр, у которого после поля SA следуют символы Idle и отсутствует конечный ограничитель. Этот усеченный кадр будет удален из кольца какой-нибудь станцией, принявшей его в состоянии собственной передачи.

8.5. Инициализация кольца

Процедура инициализации кольца, известная под названием Claim Token (это название в свободном переводе можно может интерпретироваться как "соревнование претендентов на генерацию токена"), выполняется для того, чтобы все станции кольца убедились в его потенциальной работоспособности, а также пришли к соглашению о значении параметра T_Opr - максимально допустимому времени оборота токена по кольцу, на основании которого все станции вычисляют время удержания токена THT.

Процедура Claim Token выполняется в нескольких ситуациях:

При включении новой станции в кольцо и при выходе станции из кольца.
При обнаружении какой-либо станцией факта утери токена. Токен считается утерянным, если станция не наблюдает его в течение двух периодов времени максимального оборота токена T_Opr.
При обнаружении длительного отсутствия активности в кольце, когда станция в течение определенного времени не наблюдает проходящих через нее кадров данных.
По команде от блока управления станцией SMT.

Для выполнения процедуры инициализации каждая станция сети должна знать о своих требованиях к максимальному времени оборота токена по кольцу. Эти требования содержатся в параметре, называемом "требуемое время оборота токена" - TTRT (Target Token Rotation Time). Параметр TTRT отражает степень потребности станции в пропускной способности кольца - чем меньше время TTRT, тем чаще станция желает получать токен для передачи своих кадров. Процедура инициализации позволяет станциям узнать о требованиях ко времени оборота токена других станций и выбрать минимальное время в качестве общего параметра T_Opr, на основании которого в дальнейшем будет распределяться пропускная способность кольца. Параметр TTRT должен находиться в пределах от 4 мс до 165 мс и может изменяться администратором сети.

Для проведения процедуры инициализации станции обмениваются служебными кадрами МАС-уровня - кадрами Claim. Эти кадры имеют в поле управления значение 1L00 0011, поле адреса назначения содержит адрес источника (DA = SA), а в поле информации содержится 4-х байтовое значение запрашиваемого времени оборота токена T_Req.

Если какая-либо станция решает начать процесс инициализации кольца по своей инициативе, то она формирует кадр Claim Token со своим значением требуемого времени оборота токена TTRT, то есть присваивает полю T_Req свое значение TTRT. Захвата токена для отправки кадра Claim не требуется. Любая другая станция, получив кадр Claim Token, начинает выполнять процесс Claim Token. При этом станции устанавливают признак нахождения кольца в работоспособном состоянии Ring_Operational в состояние False, что означает отмену нормальных операций по передаче токена и кадров данных. В этом состоянии станции обмениваются только служебными кадрами Claim.

Для выполнения процедуры инициализации каждая станция поддерживает таймер текущего времени оборота токена TRT (Token Rotation Timer), который используется также и в дальнейшем при работе кольца в нормальном режиме. Для упрощения изложения будем считать, что этот таймер, как и другие таймеры станции, инициализируется нулевым значением и затем наращивает свое значение до определенной величины, называемой порогом истечения таймера. (В реальном кольце FDDI все таймеры работают в двоичном дополнительном коде).

Таймер TRT запускается каждой станцией при обнаружении момента начала процедуры Claim Token. В качестве предельного значения таймера выбирается максимально допустимое время оборота токена, то есть 165 мс. Истечение таймера TRT до завершения процедуры означает ее неудачное окончание - кольцо не удалось инициализировать. В случае неудачи процесса Claim Token запускается процессы Beacon и Trace, с помощью которых станции кольца пытаются выявить некорректно работающую часть кольца и отключить ее от сети.

Во время выполнения процесса Claim Token каждая станция сначала может отправить по кольцу кадр Claim со значением T_Req, равным значению ее параметра TTRT. При этом она устанавливает значение T_Opr, равное значению TTRT. Рассмотрим пример инициализируемого кольца, приведенный на рисунке 45.

В некоторый момент времени все станции передали по кольцу свои предложения о значении максимального времени оборота токена: 72 мс, 37 мс, 51 мс и 65 мс. Станция, приняв кадр Claim от предыдущей станции, обязана сравнить значение T_Req, указанное в кадре со значением TTRT своего предложения. Если другая станция просит установить время оборота токена меньше, чем данная (то есть T_Req < TTRT), то данная станция перестает генерировать собственные кадры Claim и начинает повторять чужие кадры Claim, так как видит, что в кольце есть более требовательные станции. Одновременно станция фиксирует в своей переменной T_Opr минимальное значение T_Req, которое ей встретилось в чужих кадрах Claim. Если же пришедший кадр имеет значение T_Req больше, чем собственное значение TTRT, то он удаляется из кольца.

Рис. 45. Процесс инициализации кольца

Процесс Claim завершается для станции в том случае, если она получает кадр Claim со своим адресом назначения. Это означает, что данная станция является победителем состязательного процесса и ее значение TTRT оказалось минимальным. В рассматриваемом примере это станция B со значением TTRT, равным 37 мс. Другие станции кольца не смогут получить свой кадр Claim, так как он не сможет пройти через станцию B. При равных значениях параметра TTRT преимущество отдается станции с большим значением МАС-адреса.

После того, как станция обнаруживает, что она оказалась победителем процесса Claim Token, она должна сформировать токен и отправить его по кольцу. Первый оборот токена - служебный, так как за время этого оборота станции кольца узнают, что процесс Claim Token успешно завершился. При этом они устанавливают признак Ring_Operational в состояние True, означающее начало нормальной работы кольца. При следующем проходе токена его можно будет использовать для захвата и передачи кадров данных.

Если же у какой-либо станции во время выполнения процедур инициализации таймер TRT истек, а токен так и не появился на входе станции, то станция начинает процесс Beacon.

После нормального завершения процесса инициализации у всех станций кольца устанавливается одинаковое значение переменной T_Opr.

8.6. Управление доступом к кольцу

Управление доступом к кольцу FDDI распределено между его станциями. Каждая станция при прохождении через нее токена самостоятельно решает, может она его захватить или нет, а если да, то на какое время.

Если у станции имеются для передачи синхронные кадры, то она всегда может захватить токен на фиксированное время, выделенное ей администратором.

Если же у станции имеются для передачи асинхронные кадры, то условия захвата определяются следующим образом.

Станция ведет уже упомянутый таймер текущего времени оборота токена TRT, а также счетчик количества опозданий токена Late_Ct. Время истечения таймера TRT равно значению максимального времени оборота токена T_Opr, выбранному станциями при инициализации кольца.

Счетчик Late_Ct всегда сбрасывается в нуль, когда токен проходит через станцию. Если же токен опаздывает, то таймер достигает значения T_Opr раньше очередного прибытия токена. При этом таймер обнуляется и начинает отсчет времени заново, а счетчик Late_Ct наращивается на единицу, фиксируя факт опоздания токена. При прибытии опоздавшего токена (при этом Late_Ct = 1) таймер TRT не сбрасывается в нуль, а продолжает считать, накапливая время опоздания токена. Если же токен прибыл раньше, чем истек интервал T_Opr у таймера TRT, то таймер сбрасывается в момент прибытия токена.

На рисунке 46 приведены различные случаи прибытия токена. Значение максимального времени оборота токена для примера, приведенного на этом рисунке, равно 30 мс.

Рис. 46. Поведение таймера времени текущего оборота токена TRT и счетчика опозданий токена Late_Ct

Приведенный пример иллюстрирует следующие события:

Момент А: Токен прибыл вовремя, так как таймер TRT не достиг порога T_Opr. Таймер TRT перезапускается и начинает считать заново.

Момент В: Токен прибыл вовремя. Таймер перезапускается.

Момент С: Таймер истек раньше, чем токен прибыл на станцию. Таймер TRT перезапускается, а счетчик Late_Ct наращивается на единицу.

Момент D: Токен наконец прибыл, но он опоздал - это отмечает счетчик Late_Ct, равный 1. Счетчик сбрасывается в нуль, но таймер не перезапускается, так как при приходе токена счетчик не был равен нулю.

Момент Е: Токен прибыл на станцию. Так как он прибыл до истечения таймера и при нулевом значении счетчика Late_Ct, то считается, что он прибыл вовремя. Таймер перезапускается.

Теперь рассмотрим, каким образом значения таймера TRT и счетчика Late_Ct используются при выяснении возможности захвата токена и времени его удержания.

Станция может захватывать токен только в том случае, когда он прибывает вовремя - то есть в момент его прибытия счетчик Late_Ct равен нулю.

Время удержания токена управляется таймером удержания токена THT (Token Holding Timer). Если станция имеет в буфере кадры для передачи в момент прибытия токена и токен прибыл вовремя, то станция захватывает его и удерживает в течение периода (T_Opr - TRT), где TRT - значение таймера TRT в момент прихода токена. Для отслеживания разрешенного времени удержания токена в момент захвата токена значение TRT присваивается таймеру THT, а затем таймер TRT обнуляется и перезапускается. Таймер THT считает до границы T_Opr, после чего считается, что время удержания токена исчерпано. Станция перестает передавать кадры данных и передает токен.

Описанный алгоритм позволяет адаптивно распределять пропускную способность кольца между станциями, а точнее - ту ее часть, которая осталась после распределения между синхронным трафиком станций.

Пример работы алгоритма выделения времени для передачи асинхронного трафика приведен на рисунке 47. Как и в предыдущем примере, время максимального оборота токена равно 30 мс.

Рис. 47. Выделение времени для асинхронного трафика

Рассмотрим события, иллюстрируемые примером:

Момент А: Токен прибыл вовремя, так как таймер TRT не достиг порога T_Opr. Таймер TRT перезапускается и начинает считать заново. Станция не имеет в это время асинхронных кадров, поэтому просто передает токен соседу.

Момент В: Токен прибыл вовремя. Станция имеет к этому моменту асинхронные кадры для передачи. Таймеру THT присваивается значение таймера TRT (16), и он начинает считать до значения T_Opr (30). Таймер TRT перезапускается. Станция начинает передавать кадры. Она может это делать в течение 14 мс. Если она закончит передачу имеющихся кадров раньше, то она обязана немедленно освободить токен.

Момент С: Таймер THT истек, и станция должна прекратить передачу асинхронных кадров. Станция завершает передачу текущего кадра и передает токен соседней станции. Счетчик TRT при этом продолжает работать.

Момент D: Таймер TRT истекает раньше очередного прибытия токена. Таймер перезапускается, а счетчик Late_Ct наращивается на 1.

Момент Е: Токен прибывает, но он опоздал, так как Late_Ct имеет значение 1. Станция не может захватить токен при значении Late_Ct, отличном от нуля.Токен передается соседней станции. Счетчик Late_Ct обнуляется, а таймер TRT не перезапускается.

Момент F: Токен прибывает на станцию. Так как таймер TRT еще не истек, а значение Late_Ct равно 0, то токен прибыл вовремя. Таймер THT инициализируется значением таймера TRT (22) и начинает считать до границы T_Opr. TRT перезапускается.Станция может передавать кадры в течение 8 мс.

Момент G: Таймер THT истекает, и передача асинхронных кадров прекращается. Станция передает токен соседней станции.

В стандарте FDDI определено также еще два механизма управления доступом к кольцу. Во-первых, в токене можно задавать уровень приоритета токена, а для каждого уровня приоритета задается свое время порога, до которого считает таймер удержания токена THT. Во-вторых, определена особая форма токена - сдерживающий токен (restricted token), с помощью которого две станции могут монопольно некоторое время обмениваться данными по кольцу.

Если таймер TRT истечет при значении Late_Ct, равном 1, то такое событие считается потерей токена и порождает выполнение процесса реинициализации кольца Claim Token.

8.7. Спецификация зависящего от среды физического подуровня PMD

Структура физического соединения

Рассмотрим физический подуровень PMD (Physical Media Dependent layer), определенный в стандарте FDDI для оптоволокна - Fiber PMD.

Эта спецификация определяет аппаратные компоненты для создания физических соединений между станциями: оптические передатчики, оптические приемники, параметры кабеля, оптические разъемы. Для каждого из этих элементов указываются конструктивные и оптические параметры, позволяющие станциям устойчиво взаимодействовать на определенных расстояниях.

Физическое соединение - основной строительный блок сети FDDI. Типичная структура физического соединения представлена на рисунке 48.

Каждое физическое соединение состоит из двух физических связей - первичной и вторичной. Эти связи являются односторонними - данные передаются от передатчика одного устройства PHY к приемнику другого устройства PHY.

Рис. 48. Физическое соединение сети FDDI

Требования к мощности оптических сигналов

В стандарте Fiber PMD в явном виде не определены предельные расстояния между парой взаимодействующих устройств по одному физическому соединению.

Вместо этого в стандарте определен максимальный уровень потерь мощности оптического сигнала между двумя станциями, взаимодействующими по одной физической связи. Этот уровень равен -11 dB, где

dB = 10 log P2/P1,

причем P1 - это мощность сигнала на станции-передатчике, а P2 - мощность сигнала на входе станции-приемника. Так как мощность по мере передачи сигнала по кабелю уменьшается, то затухание получается отрицательным.

В соответствии с принятыми в стандарте Fiber PMD параметрами затухания кабеля и выпускаемыми промышленностью соединителями, считается, что для обеспечения затухания -11 dB длина оптического кабеля между соседними узлами не должна превышать 2 км.

Более точно можно рассчитать корректность физического соединения между узлами, если принять во внимание точные характеристики затухания, вносимые кабелем, разъемами, спайками кабеля, а также мощность передатчика и чувствительность приемника.

Стандарт Fiber PMD определяет следующие предельные значения параметров элементов физического соединения (называемые FDDI Power Budget):

Категория элемента	Значение
Максимальная мощность передатчика	- 14 dBm
Минимальная мощность передатчика	- 20 dBm
Максимальная принимаемая мощность	- 14 dBm
Минимальная принимаемая мощность	- 31 dBm
Максимальные потери между станциями	- 11dB
Максимальные потери на км кабеля	- 2.5 dB

Абсолютные значения мощности оптических сигналов (для выхода передатчика и для входа приемника) измеряются в децибелах по отношению к стандартной мощности в 1 милливатт (mW) и обозначаются как dBm:

dBm = 10 log P/1,

где мощность Р также измерена в милливаттах.

Из значений таблицы видно, что максимальные потери между станциями в -11 dB соответствуют наихудшему сочетанию предельных значений мощности передатчика (- 20 dBm) и приемника (- 31 dBm).

Кабели и разъемы

Основной вид кабеля для стандарта Fiber PMD - многомодовый кабель с диаметром сердечника 62.5 мкм и диаметром отражающей оболочки 125 мкм. Спецификация Fiber PMD не определяет требования к затуханию кабеля в dB на км, а только требует соблюдения требования по общему затуханию в -11 dB между станциями, соединенными кабелем и разъемами. Полоса пропускания кабеля должна быть не хуже чем 500 МГц на км.

Кроме основного вида кабеля, спецификация Fiber PMD допускает использование многомодовых кабелей с диаметром сердечника в 50 мкм, 85 мкм и 100 мкм.

В качестве разъемов стандарт Fiber PMD определяет оптические разъемы MIC (Media Interface Connector). Разъем MIC обеспечивает подключение 2-х волокон кабеля, соединенных с вилкой MIC, к 2-м волокнам порта станции, соединенными с розеткой MIC. Стандартизованы только конструктивные параметры розетки MIC, а любые вилки MIC, подходящие к стандартным розеткам MIC, считаются пригодными к использованию.

Спецификация Fiber PMD не определяет уровень потерь в разъеме MIC. Этот уровень - дело производителя, главное, чтобы выдерживался допустимый уровень потерь -11 dB во всем физическом соединении.

Разъемы MIC должны иметь ключ, обозначающий тип порта, что должно предотвратить неверное соединение разъемов. Определено четыре различных типа ключа:

MIC A.
MIC B.
MIC M.
MIC S.

Виды ключа для этих типов разъемов приведены на рисунке 49.

Рис. 49. Ключи разъемов MIC

Кроме разъемов MIC, допускается использовать разъемы ST и SC, выпускаемые промышленностью.

В качестве источника света допускается использование светодиодов (LED) или лазерных диодов с длиной волны 1.3 мкм.

Кроме многомодового кабеля, допускается использование более качественного одномодового кабеля (Single Mode Fiber, SMF) и разъемов SMF-MIC для этого кабеля. В этом случае дальность физического соединения между соседними узлами может увеличиться до 40 км - 60 км, в зависимости от качества кабеля, разъемов и соединений. Требования, определенные в спецификации SMF-PMD, для мощности на выходе передатчика и входе приемника, те же, что и для одномодового кабеля.

Функция определения сигнала уровня PMD

Спецификация на Fiber PMD требует от этого уровня выполнения функции Signal_Detect по определению факта наличия оптических сигналов на входе физического соединения станции. Этот сигнал передается на уровень PHY, где используется функцией определения статуса линии Line State Detect (рис. 50).

Уровень PMD генерирует для PHY признак присутствия оптического сигнала Signal_Detect, если мощность входного сигнала превышает -43.5 dBm, а снимает его при уменьшении этой мощности до -45 dBm и ниже. Таким образом, имеется гистерезис в 1.5 dBm для предотвращения частых изменений статуса линии при колебании входной мощности сигнала около -45 dBm.

Рис. 50. Функция определения сигнала на входе PMD

8.8. Физический подуровень PHY

Если в задачи подуровня PMD входит формирование качественных оптических импульсов на выходе и входе каждого физического соединения, то подуровень PHY имеет дело с передачей с помощью импульсов PMD логических единиц и нулей, приходящих с подуровня MAC. Более точно, подуровень PHY занимается следующими задачами:

Определение моментов времени снятия информации по сигналам, поступающим от подуровня PMD (тактирование входных сигналов).
Определение границ байт при обмене данными с MAC-подуровнем.
Кодирование поступающих от MAC-подуровня символов в соответствующий физический код (NRZI или MLT-3) подуровня PMD.
Декодирование поступающих от PMD сигналов (NRZI или MLT-3) в символы MAC-подуровня.
Управление эластичным буфером (Elasticity Buffer) для согласования частоты входных и выходных сигналов.
Определение статуса входящей физической линии на основе тестовой последовательности управляющих символов.
Генерация последовательности управляющих символов для выходящей физической линии по командам от подуровня SMT.
Фильтрация приходящих ошибочных символов для исключения их передачи на выходную линии.

Коды 4B/5B и их прием с помощью эластичного буфера

Принципы логического кодирования с использованием кодов 4В/5В, а также физического кодирования с помощью методов NRZI (для оптоволокна) и MLT-3 (для витой пары) уже были рассмотрены, так как технология Fast Ethernet позаимствовала их у технологии FDDI.

Кроме 16 кодов, отведенных для 16 кодовых комбинаций исходных 4-х байтовых символов, физический и МАС-уровни оперируют нескольким служебными символами:

Символы состояния линии:

Quiet, Q (молчание) - 00000;
Idle, I (простой) - 11111;
Halt,I (останов) - 00100.
Эти символы позволяют соседям по физическому соединению определить его состояние в процессе его инициализации и поддержания.

Символы ограничителей начала и конца кадра:

Start Delimiter 1 (первый символ границы начала кадра) - 11000;
Start Delimiter 2 (второй символ границы начала кадра) - 10001;
Ending Delimiter (конец кадра) - 01101.
Начало кадра отмечает встретившиеся подряд два символа Start Delimiter 1 и Start Delimiter 2, называемых также символами J и K (по аналогии со стандартом Token Ring).

Символы логического нуля и логической единицы:

Reset (логический нуль) - 00111;
Set (логическая единица) - 11001.
Эти символы используются для указания логических значений признаков распознавания адреса, ошибки и копирования кадра, имеющих в кадре FDDI назначение, аналогичное назначению соответствующих признаков кадра Token Ring.

Запрещенные символы - это все символы, которые не являются служебными кодами или 5-битными кодами, использованными для записи 16 возможных комбинаций 4-х разрядных кодов.

В обязанности физического уровня входит фильтрация символов, передаваемых на выходную линию порта. Если среди символов кадра встречаются запрещенные символы, то они заменяются на 4 символа Halt, которые далее сопровождаются символами Idle до передачи следующего кадра. Последующий сосед, получив кадр с 4-мя символами Halt, должен изъять поврежденный кадр из кольца. Функция фильтрации не обязательна, когда кадр проходит через МАС-блок станции, но это происходит не всегда, например, вторичное кольцо может проходить только через блоки физического уровня, не заходя в МАС-блок, если это станция с двойным подключением.

Рассмотрим подробней, каким образом происходит синхронизация приемника с передатчиком в сети FDDI при приеме кодов 4B/5В.

Сеть FDDI использует распределенную схему тактирования информации, при которой каждая станция работает со своим независимым локальным тактовым генератором. Это отличает ее от сетей Token Ring, в которых одна станция поддерживает тактирование информации для всей сети, управляя главным тактовым генератором сети, называемым Master Clock.

В сети FDDI тактовые частоты синхронизируются в каждом физическом соединении соседних станций (рис. 51).

Каждая станция имеет два тактовых генератора - локальный, который управляет тактированием передаваемой информации, и восстанавливающим, который синхронизируется с тактовой частотой данных, приходящих от соседней станции. Локальный тактовый генератор работает на тактовой частоте 125 Мгц ± 0.005%. Восстанавливающий тактовый генератор, называемый RCRCLK (Receive Recovery Clock) подстраивается под тактовую частоту, извлекаемую из NRZI или MLT-3 сигналов при поступлении кодов Idle в промежутке между передачей кадров данных. Коды Idle, имеющие значение 111111, создают последовательность импульсов типа "меандр" с равными длительностями высокого и низкого потенциала, удобных для подстройки тактового генератора RCRCLK, так как сигнал изменяется два раза за период.

Поступающие символы записываются в соответствии с обнаруженной в импульсах кодов Idle частотой в эластичный буфер (Elasticity Buffer). Из эластичного буфера символы извлекаются уже с частотой локального генератора. В результате, рассогласование частот станций в кольце постоянно сглаживается, не превышая 0.01%. Принимающая станция поддерживает заполнение эластичного буфера наполовину, извлекая очередной символ только при превышении этой границы.

Рис. 51. Согласование тактовых генераторов в сети FDDI

Процедура установления физического соединения

Блоки PMD и PHY, реализующие физический уровень технологии FDDI для каждого порта, участвуют в процедуре инициализации физического соединения каждого порта станции с портом предшествующей или последующей станций. Эта процедура проводится при непосредственном участии блока управления станцией - SMT (Station Management). Блок управления станцией выполняет большое количество функций, получая информацию и управляя всеми остальными блоками станции - PMD, PHY и MAC. Рассмотрим группу функций SMT, управляющих физическими соединениями портов и конфигурацией внутреннего пути данных. Эта группа функций получила название Connection Management (CMT).

На рисунке 52 показан состав функций CMT и связь их с блоками PMD, PHY, MAC и некоторыми другими элементами станции.

Рис. 52. Структура блока управления конфигурацией CMT

Станция, имеющая несколько портов, обеспечивает для каждого из них блоки PMD, PHY и элемент управления конфигурацией CCE (Control Configuration Element). ССЕ - это переключатель, который соединяет входы и выходы первичного и вторичного колец, подключенных к порту извне, с внутренними путями данных станции, в результате данные могут передаваться из порта элементу MAC станции, а могут непосредственно переправляться на другой порт. Реконфигурация станции при ее реакции на отказы производится именно переключателем CCE.

Блок управления конфигурацией имеет в своем составе несколько элементов PCM (Physical Connection Management), по одному на каждый порт. Элемент PCM управляет физическим состоянием линии своего порта, анализируя символы, приходящие от PHY, и передавая PHY свои команды. Если элемент PCM обнаруживает изменение состояния линии, то он оповещает об этом элемент CFM (Configuration Management), который отвечает за конфигурацию внутреннего пути данных. Элемент CFM производит конфигурирование внутреннего пути, управляя переключателями портов CCE. Делает он это с помощью элементов CEM (Configuration Element Management), каждый из которых управляет одним переключателем CCE. Блок ECM (Entity Coordination Management) координирует работу всех блоков и элементов блока управления конфигурацией CMT.

Установление физического соединения - основная задача блока PCM. Блок PCM каждого порта начинает эту процедуру по команде PC_Start, получаемой от координирующего элемента ECM (рис. 53).

Рис. 53. Управление физическим соединением портов

При получении этой команды блок PCM локального порта начинает обмениваться символами кодов 4B/5B по миникольцу, образуемому двумя соседними портами. Процедура инициализации физического соединения - это распределенная процедура, в ней участвуют два РСM соседних портов.

Во время этой процедуры для обмена информацией соседние порты используют не отдельные символы, а достаточно длинные последовательности символов, что повышает надежность взаимодействия. Эти последовательности называются состоянием линии. Всего используется 4 состояния линии:

Quiet Line State, QLS - состояние молчания, состоит в передаче 16 или 17 символов Quiet подряд.
Master Link State, MLS - состояние главного порта, состоит в передаче 8 или 9 пар символов Halt-Quiet.
Halt Link State, HLS - состояние останова, состоит в передаче 16 или 17 символов Halt подряд.
Idle Link State, ILS - состояние простоя, состоит в передаче 16 или 17 символов Idle подряд.

Первый этап инициализации заключается в передаче портом - инициатором соединения - состояния QLS соседнему порту. Тот должен при этом перейти в состояние BREAK - разрыва связи, независимо от того, в каком состоянии связь находилась до получения символов QLS. Соседний порт, перейдя в состояние BREAK, также посылает символы QLS, обозначая свой переход.

После того, как порт-инициатор убедился, что первый этап инициализации выполнен, он выполняет следующий этап - переход в состояние CONNECT (соединение). Делает он это посылкой символов HLS, на что соседний порт также должен ответить символами HLS.

Если состояние CONNECT установлено, то порт-инициатор начинает наиболее содержательный этап инициализации - NEXT, включающий обмен информацией о типе портов, проведение тестирования качества линии и проведение тестового обмена МАС-кадрами. Этап NEXT состоит в обмене между соседними портами 10-ю сообщениями, которые передаются по очереди. Порт передает одно свое сообщение, затем получает и анализирует сообщение от соседа и так далее. Каждое сообщение несет один бит информации и кодируется последовательностями MLS - логический ноль, или HLS - логическая единица.

Первые два сообщения несут информацию о типе своего порта. Для кодирования нужны два бита, так как существует четыре типа портов - А, В, М или S. Третье сообщение говорит соседнему порту, приемлемо ли для данного порта соединение с указанным в принятых сообщениях типом порта. Если да, то следующие сообщения оговаривают длительность процедуры тестирования качества линии, а затем передают информацию о результатах тестирования. Тест состоит в передаче в течение определенного времени символов Idle и подсчете искаженных символов. Если качество линии приемлемо, то выполняется тестовый обмен кадрами данных с участием блоков MAC станций.

Если все этапы инициализации прошли успешно, то физическое соединение считается установленным и активным. По нему начинают передаваться символы простоя и кадры данных. Однако, до тех пор, пока станция не выполнит процедуру логического вхождения станции в кольцо, эти кадры могут нести только служебную информацию.

Конфигурирование внутреннего пути

После установления физического соединения станция должна включить порт во внутренний путь, по которому проходят кадры данных и маркер.

Средством, с помощью которого выполняется это включение, является переключатель CCE. Он может подключить вход и выход порта к любому из трех внутренних путей станции (рис. 54) по командам от элемента CEM блока управления конфигурацией CMT.

Рис. 54. Подключение порта к внутренним путям станции

Внутренние пути станции не следует путать с внешними первичным и вторичным кольцами сети. Внутренние пути могут соединяться с любым из колец в зависимости от состояния порта.

Первичный внутренний путь обязательно должен присутствовать у любой станции. Вторичный внутренний путь является необязательным, но желательным в некоторых конфигурациях станций с двойным подключением, как это будет видно из примеров. Локальный путь используется для тестирования станции на МАС-уровне перед ее логическим включением в кольцо.

Переключатель CCE может находиться в одном из 5 состояний (рис. 55):

ISOLATED - изолированное состояние, когда все пути идут мимо входа и выхода порта.
INSERT_P - порт включен в первичный внутренний путь.
INSERT_S - порт включен во вторичный внутренний путь.
INSERT_X - порт включен в первичный и вторичный внутренние пути. Это состояние используется для сворачивания первичного и вторичного внешних колец на данном порту (состояние WRAP сети).
LOCAL - порт включен в локальный внутренний путь.

Рис. 55. Состояния переключателя внутренних путей

С помощью перевода переключателей портов станции в нужное состояние блок управления конфигурацией может обеспечить передачу кадров и маркера по тому внутреннему пути, который соответствует текущему состоянию сети. На рисунке 56 приведены примеры поддержки состояний THRU_A ( а) и WRAP_A (б) для станции с двойным подключением.

Состояние THRU_A соответствует нормальному режиму работы колец сети. В этом режиме первичное кольцо проходит через порты А и В, а также MAC-узел станции, а вторичное кольцо проходит только через блоки PMD и PHY каждого из портов. Состояние WRAP_A соответствует реакции сети на нарушение целостности сети, при котором порт В теряет физическое соединение с соседним по сети портом. При этом на линии устанавливается состояние Quiet Line State, так как отсутствие сигналов на входе порта соответствует получению символов Quiet (00000). Получив информацию о том, что на входе порта В установилось состояние QLS, блок PCM этого порта пытается начать процесс реинициализации физического соединения. При отсутствии физической связи между портами эта попытка называется удачной, поэтому порт переводится в состояние INSERT_X, а порт В - в состояние ISOLATED.

Рис. 56. Работа переключателя пути CCE в станции с двойным подключением

9.1. Общая характеристика технологии 100VG-AnyLAN

В качестве альтернативы технологии Fast Ethernet компаниями AT&T и HP был выдвинут проект новой технологии со скоростью передачи данных 100 Мб/с - 100Base-VG. В этом проекте было предложено усовершенствовать метод доступа с учетом потребности мультимедийных приложений, при этом сохранить совместимость формата пакета с форматом пакета сетей 802.3. В сентябре 1993 года по инициативе фирм IBM и HP был образован комитет IEEE 802.12, который занялся стандартизацией новой технологии. Проект был расширен за счет поддержки в одной сети кадров не только формата Ethernet, но и формата Token Ring. В результате новая технология получила название 100VG-AnyLAN, то есть технология для любых сетей (Any LAN - любые сети), имея в виду, что в локальных сетях технологии Ethernet и Token Ring используются в подавляющем количестве узлов.

Летом 1995 года технология 100VG-AnyLAN получила статус стандарта IEEE 802.12.

В технологии 100VG-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 функций арбитра, решающего проблему доступа к разделяемой среде. Метод Demand Priority повышает коэффициент использования пропускной способности сети за счет введения простого, детерминированного метода разделения общей среды, использующего два уровня приоритетов: низкий - для обычных приложений и высокий - для мультимедийных.

Технология 100VG-AnyLAN имеет меньшую популярность среди производителей коммуникационного оборудования, чем конкурирующее предложение - технология Fast Ethernet. Компании, которые не поддерживают технологию 100VG-AnyLAN, объясняют это тем, что для большинства сегодняшних приложений и сетей достаточно возможностей технологии Fast Ethernet, которая не так заметно отличается от привычной большинству пользователей технологии Ethernet. В более далекой перспективе эти производители предлагают использовать для мультимедийных приложений технологию АТМ, а не 100VG-AnyLAN.

И хотя в число сторонников технологии 100VG-AnyLAN одно время входило около 30 компаний, среди которых Hewlett-Packard и IBM, Cisco Systems и Cabletron, общим мнением сетевых специалистов является констатация отсутствия дальнейщих перспектив у технологии 100VG-AnyLAN.

Структура сети 100VG-AnyLAN

Сеть 100VG-AnyLAN всегда включает центральный концентратор, называемый концентратором уровня 1 или корневым концентратором (рис. 57).

Рис. 57. Структура сети 100VG-AnyLAN

Корневой концентратор имеет связи с каждым узлом сети, образуя топологию типа звезда. Этот концентратор представляет собой интеллектуальный центральный контроллер, который управляет доступом к сети, постоянно выполняя цикл "кругового" сканирования своих портов и проверяя наличие запросов на передачу кадров от присоединенных к ним узлов. Концентратор принимает кадр от узла, выдавшего запрос, и передает его только через тот порт, к которому присоединен узел c адресом, совпадающим с адресом назначения, указанным в кадре.

Каждый концентратор может быть сконфигурирован на поддержку либо кадров 802.3 Ethernet, либо кадров 802.5 Token Ring. Все концентраторы, расположенные в одном и том же логическом сегменте (не разделенном мостами, коммутаторами или маршрутизаторами), должны быть сконфигурированы на поддержку кадров одного типа. Для соединения сетей 100VG-AnyLAN, использующих разные форматы кадров 802.3, нужен мост, коммутатор или маршрутизатор. Аналогичное устройство требуется и в том случае, когда сеть 100VG-AnyLAN должна быть соединена с сетью FDDI или АТМ.

Каждый концентратор имеет один "восходящий" (up-link) порт и N "нисходящих" портов (down-link), как это показано на рисунке 58.

Восходящий порт работает как порт узла, но он зарезервирован для присоединения в 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 в нормальном режиме или в режиме монитора. Порт, сконфигурированный для работы в нормальном режиме, передает только те кадры, которые предназначены узлу, подключенному к данному порту. Порт, сконфигурированный для работы в режиме монитора, передает все кадры, обрабатываемые концентратором. Такой порт может использоваться для подключения анализатора протоколов.

Рис. 58. Круговой опрос портов концентраторами сети 100VG-AnyLAN

Узел представляет собой компьютер или коммуникационное устройство технологии 100VG-AnyLAN - мост, коммутатор, маршрутизатор или концентратор. Концентраторы, подключаемые как узлы, называются концентраторами 2-го и 3-го уровней. Всего разрешается образовывать до трех уровней иерархии концентраторов.

Связь, соединяющая концентратор и узел, может быть образована либо 4 парами неэкранированной витой пары категорий 3, 4 или 5 (4-UTP Cat 3, 4, 5), либо 2 парами неэкранированной витой пары категории 5 (2-UTP Cat 5), либо 2 парами экранированной витой пары типа 1 (2-STP Type 1), либо 2 парами многомодового оптоволоконного кабеля.

Варианты кабельной системы могут использоваться любые, но ниже будет рассмотрен вариант 4-UTP, который был разработан первым и получил наибольшее распространение.

В заключение раздела приведем таблицу, составленную компанией Hewlett-Packard, в которой приводятся результаты сравнения этой технологии с технологиями 10Base-T и 100Base-T.

Характеристика	10Base-T	100VG-AnyLAN	100Base-T
Топология	-	-	-
Максимальный диаметр сети	2500 м	8000 м	412 м
Каскадирование концентраторов	Да; 3 уровня	Да; 5 уровней	Два концентратора максимум
Кабельная система	-	-	-
UTP Cat 3,4	100 м	100 м	100 м
UTP Cat 5	150 м	200 м	100 м
STP Type 1	100 м	100 м	100 м
Оптоволокно	2000 м	2000 м	412 м
Производительность	-	-	-
При длине сети 100 м	80% (теоретическая)	95% (продемонстрированная)	80% (теоретическая)
При длине сети 2500 м	80% (теоретическая)	80% (продемонстрированная)	Не поддерживается
Технология	-	-	-
Кадры IEEE 802.3	Да	Да	Да
Кадры 802.5	Нет	Да	Нет
Метод доступа	CSMA/CD	Demand Priority	CSMA/CD + подуровень согласования (Reconciliation sublayer)

9.2. Стек протоколов технологии 100VG-AnyLAN

Структура стека протоколов технологии 100VG-AnyLAN согласуется с архитектурными моделями OSI/ISO и IEEE, в которых канальный уровень разделен на подуровни. Как видно из рисунка 59, стек протоколов технологии 100VG-AnyLAN состоит из подуровня доступа к среде (Media Access Control, MAC), подуровня, независящего от физической среды (Physical Media Independent, PMI) и подуровня, зависящего от физической среды (Physical Media Dependent, PMD).

Рис. 59. Структура стека протоколов технологии 100VG-AnyLAN

9.3. Функции уровня MAC

Функции уровня МАС включают реализацию протокола доступа Demand Priority, подготовки линии связи и формирования кадра соответствующего формата.

Метод Demand Priority (приоритетный доступ по требованию) основан на том, что узел, которому нужно передать кадр по сети, передает запрос (требование) на выполнение этой операции концентратору. Каждый запрос может иметь либо низкий, либо высокий приоритеты. Высокий приоритет отводится для трафика чувствительных к задержкам мультимедийных приложений.

Высокоприоритетные запросы всегда обслуживаются раньше низкоприоритетных. Требуемый уровень приоритета кадра устанавливается протоколами верхних уровней, не входящими в технологию 100VG-AnyLAN, например, Real Audio, и передается для отработки уровню МАС.

Как показано на рисунке 60, концентратор уровня 1 постоянно сканирует запросы узлов, используя алгоритм кругового опроса (round-robin). Это сканирование позволяет концентратору определить, какие узлы требуют передачи кадров через сеть и каковы их приоритеты.

Рис. 60. Функции уровней PMI и PMD

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 выполняют свои циклы сканирования и передают запрос на передачу кадров концентратору. Концентратор нижнего уровня с N портами имеет право передать N кадров в течение одного цикла опроса.

Каждый концентратор ведет отдельные очереди для низкоприоритетных и высокоприоритетных запросов. Низкоприоритетные запросы обслуживаются только до тех пор, пока не получен высокоприоритетный запрос. В этом случае текущая передача низкоприоритетного кадра завершается и обрабатывается высокоприоритетный запрос. Перед возвратом к обслуживанию низкоприоритетных кадров должны быть обслужены все высокоприоритетные запросы. Для того, чтобы гарантировать доступ для низкоприоритетных запросов в периоды высокой интенсивности поступления высокоприоритетных запросов, вводится порог ожидания запроса. Если у какого-либо низкоприоритетного запроса время ожидания превышает этот порог, то ему присваивается высокий приоритет.

На рисунке 60 показан пример цикла кругового опроса. Сначала предположим, что все порты передали запросы нормального приоритета и что в начальный момент времени корневой концентратор начал круговой опрос. Порядок обслуживания портов будет следующим: 1-1 (уровень 1 - порт 1), 2 -1, 2-3, 2-N, 1-3, 1-N.

Теперь предположим, 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-N, 1-N.

Процедура подготовки линии Link Training "обучает" внутренние схемы концентратора и узла приему и передаче данных, а также проверяет работоспособность линии, соединяющей концентратор и узел.

Во время подготовки линии концентратор и узел обмениваются серией специальных тестовых кадров. Данная процедура включает функциональный тест кабеля, дающий возможность убедиться в том, что кабель правильно соединяет контакты разъемов и информация может быть корректно передана между концентратором и узлом.

Процедура подготовки также позволяет концентратору автоматически узнать информацию об узлах, подключенных к каждому порту. Кадры, получаемые 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), адресе узла, присоединенного к данному порту.

Процедура подготовки инициируется узлом, когда узел или концентратор впервые включаются или при первом присоединении узла к концентратору. Узел или концентратор могут потребовать выполнения процедуры подготовки при обнаружении ошибочной ситуации.

Уровень МАС получает кадр от уровня LLC и добавляет к нему адрес узла-источника, дополняет поле данных 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.

9.4. Функции уровня PMI

Функции, не зависящие от физической среды, представленные на рисунке 60, включают квартетную канальную шифрацию, кодирование 5B/6B, добавление к кадру преамбулы, начального и конечного ограничителей и передачу кадра на уровень PMD.

Рис. 60. Функции уровней PMI и PMD

Процесс квартетного распределения по каналам состоит в последовательном делении байтов МАС-кадра на порции данных по 5 бит (квинтеты), а также в последовательном распределении этих порций между четырьмя каналами, как это показано на рисунке 61.

Рис. 61. Распределение квинтетов по 4-м каналам

Каждый из 4-х каналов представляет собой одну витую пару: канал 0 - пару, образованную контактами 1 и 2, канал 1 - пару 3 - 6, канал 2 - пару 4 - 5, канал 3 - пару 7 - 8. Двухпарные спецификации физического уровня PMD используют затем схему мультиплексирования, преобразующую 4 канала в 2 или 1.

Шифрация данных состоит в случайном "перемешивании" квинтетов данных с целью исключения комбинаций из повторяющихся единиц или нулей. Перемешивание производится с помощью специальных устройств - скремблеров. Случайные наборы цифр уменьшают излучение радиоволн и взаимные наводки в кабеле.

Кодирование по схеме 5B/6B - это процесс отображения "перемешанных" квинтетов в заранее определенные 6-битовые коды. Этот процесс создает сбалансированные коды, содержащие равное количество единиц и нулей, что обеспечивает гарантированную синхронизацию приемника при изменениях входного сигнала.

Кодирование 5B/6B обеспечивает также контроль за ошибками при передаче, так как некорректные квинтеты, содержащие больше трех единиц или больше трех нулей, легко обнаружить.

На рисунке 62 приведен пример квинтетов данных, зашифрованных и преобразованных в символы 5B/6B. Поскольку существует только 16 сбалансированных символов, 32 комбинации, содержащиеся в квинтете, используют для своего представления два 6-ти битных символа, используемых по очереди для соблюдения баланса постоянного тока.

Рис. 62. Пример шифрации и кодирования квинтетов

Преамбула, начальный и конечный ограничители добавляются в каждом канале для корректной передачи данных через сеть.

9.5. Функции уровня PMD

Функции зависимого от физической среды уровня PMD включают: мультиплексирование каналов (только для 2-х витых пар или оптоволокна), копирование NRZ, операции передачи сигналов по среде и контроль статуса физической связи.

Технология 100VG-AnyLAN поддерживает следующие типы физической среды:

4-парную неэкранированную витую пару;
2-парную неэкранированную витую пару;
2-парную экранированную витую пару;
одномодовый или многомодовый оптоволоконный кабель.

Далее будут рассмотрены детали спецификации PMD для 4-парной неэкранированной витой пары.

Рисунок 63 иллюстрирует применения NRZ кодирования, использующего для представления единиц потенциал высокого уровня, а для представления нулей - потенциал низкого уровня.

Рис. 63. NRZ кодирование

Спецификация 4UTP, использующая 4-парную неэкранированную витую пару, использует тактовый генератор с частотой 30 МГц для передачи данных со скоростью 30 Мб/с по каждому из четырех каналов, что в сумме дает 120 Мб/c кодированных данных. Приемник получает кодированные данные со скоростью 30 Мб/с по каждому каналу и преобразует их в поток исходных данных со скоростью 25 Мб/с, что в результате дает пропускную способность в 100 Мб/с.

Использованный метод представления данных в кабеле позволяет технологии 100VG-AnyLAN работать на голосовом кабеле (Voice-Grade) категории 3. Максимальная частота результирующего сигнала на кабеле не превышает 15 МГц, так как метод NRZ очень эффективен в отношении спектра сигналов. При тактовой частоте в 30 МГц частота 15 МГц генерируется только при передаче кодов 10101010, что является для спектра результирующего сигнала наихудшим случаем. При передаче других кодов частота сигнала будет ниже 15 МГц.

Операции передачи данных на 4-парном кабеле используют как полнодуплексный, так и полудуплексный режимы (рис. 64).

Рис. 64. Полнодуплексные и полудуплексные операции

Полнодуплексные операции используются для одновременной передачи в двух направлениях - от узла к концентратору и от концентратора к узлу - сигнальной информации о состоянии линии. Сигнальная информация от концентратора идет по парам 1-2 и 3-6, а сигнальная информация от узла идет по парам 4-5 и 7-8.

Полудуплексные операции используются для передачи данных от концентратора узлу и от узла концентратору по всем четырем парам.

Сигнализация о статусе связи, осуществляемая в полнодуплексном режиме, использует два низкочастотных сигнала, обозначаемые как тон 1 (Tone 1) и тон 2 (Tone 2).

Тон 1 генерируется путем передачи с частотой 30 МГц по очереди кодов, состоящих из 16 единиц, и кодов, состоящих из 16 нулей. Результирующий сигнал имеет частоту примерно 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 параллельной передачи по двум парам комбинации из указанных двух тонов.

В следующей таблице приведены значения возможных 4-х комбинаций тонов.

Комбинация тонов	Значение при приеме узлом	Значение при приеме концентратором
1 - 1	Простой (Idle)	Простой (Idle)
1 - 2	Поступление кадра	Запрос на передачу кадра с нормальным приоритетом
2 -1	Зарезервировано	Запрос на передачу кадра с высоким приоритетом
2 - 2	Запрос на инициализацию процедуры подготовки линии	Запрос на инициализацию процедуры подготовки линии

Состояние простоя означает, что концентратор или узел не имеют кадров, ожидающих передачи.

Состояние "поступление кадра" означает, что на данный порт может быть передан кадр. Узел должен прекратить передачу сигнальных тонов по каналам 2 и 3 для того, чтобы быть готовым принять кадр.

Тестирование кабелей для установки их в сетях 100VG-AnyLAN

Спецификация 4-UTP 100VG-AnyLAN использует для тестирования кабеля те же параметры, что и технологии 10Base-T и Token Ring. Кроме того, кабель должен удовлетворять дополнительным требованиям - тестовую проверку должны пройти все 4 пары на частотах до 15 МГц.

В следующей таблице приведены параметры, по которым должен проверяться кабель для работы по спецификации 4-UTP, 100VG-AnyLAN.

Частота	5 МГц	10 МГц	15 МГц
Максимальное затухание	11.5 dB	11.5 dB	13.5 dB
Импеданс	от 85 до 115 Ом	от 85 до 115 Ом	от 85 до 115 Ом
Перекрестные наводки "пара-пара"	30.5 dB	26.0 dB	22.5 dB
Перекрестные наводки на ближнем конце пары (NEXT)	27.5 dB	23.0 dB	19.5 dB

9.6. Пример работы сети 100VG-AnyLAN при передаче кадров данных

Рассмотрим последовательность событий в сети 100VG-AnyLAN при передаче кадра данных от одной станции другой через концентратор.

Будем считать, что узел посылает в сеть один кадр данных с нормальным приоритетом. На рисунке 65 приведены 6 этапов этого процесса.

Рис. 65. Этапы передачи кадра данных через сеть 100VG-AnyLAN

Процесс начинается с получения МАС-уровнем конечного узла кадра данных от уровня LLC. После этого МАС-уровень добавляет к кадру адрес источника и дополняет поле данных, если сеть поддерживает формат кадров 802.3 и поле данных кадра LLC оказалось меньше 46 байт.

На этапе 1 узел PC1 посылает в концентратор запрос нормального приоритета: тон 1 по каналу 2 и тон 2 по каналу 3.

Во время цикла кругового опроса концентратор выбирает запрос узла PC1 на обслуживание, в результате чего он прекращает генерацию комбинации сигнальных тонов "Простой" по каналам 0 и 1, очищая линию для передачи кадра по всем четырем каналам.

Затем концентратор предупреждает всех потенциальных получателей - узлы PC2 - PCn сети - о том, что им может быть направлен кадр данных. Для этого он посылает им сообщение "Поступление кадра" в форме тона 1 на канале 0 и тона 2 на канале 2 (этап 2).

Узлы - потенциальные получатели кадра прекращают посылку сигнальных тонов по каналам 2 и 3, очищая линию связи для передачи по всем четырем каналам кадра данных.

Тем временем, узел-источник кадра обнаруживает, что линия свободна и передает кадр с уровня МАС на уровень PMI для подготовки его к передаче по кабелю.

Уровень PMI распределяет данные между четырьмя каналами, шифрует квинтеты данных и кодирует квинтеты в 60-битный код 5В/6B. Добавляются преамбула, стартовый и конечный ограничители по каждому каналу.

Уровень PMD начинает передавать кадр концентратору, используя NRZ кодирование (этап 3).

По мере поступления данных кадра концентратор декодирует адрес назначения (этап 4).

Затем кадр передается через соответствующий порт тому узлу, который имеет адрес, совпадающий с адресом назначения кадра (этап 5). В это же время концентратор перестает посылать сигнал "Поступление кадра" и начинает генерировать сигналы "Простой" всем остальным узлам (этап 6). Эти узлы теперь могут посылать запросы на передачу своих кадров концентратору.

10. Протокол покрывающего дерева Spanning Tree

Поддерживающие алгоритм STA мосты и коммутаторы автоматически создают активную древовидную конфигурацию связей (то есть связную конфигурацию без петель), находя ее адаптивно с помощью обмена служебными пакетами.

10.1. Основные определения

В сети определяется корневой мост (root bridge), от которого строится дерево.

Для каждого моста определяется корневой порт (root port) - это порт, который имеет кратчайшее из всех портов данного моста расстояние до корневого моста (точнее, до любого из портов корневого моста).

Расстояние до корня (root path cost) определяется как суммарное условное время на передачу данных от порта данного моста до порта корневого моста. Условное время сегмента (designated cost) рассчитывается как время, затрачиваемое на передачу одного бита информации в 10-наносекундных единицах между непосредственно связанными по сегменту сети портами. Так, для сегмента Ethernet это время равно 10 условным единицам, а для сегмента Token Ring 16 Мб/с - 6.25. (Алгоритм STA не связан с каким-либо определенным стандартом канального уровня, он может применяться к мостам, соединяющим сети различных технологий.)

Для каждого логического сегмента сети выбирается так называемый назначенный мост (designated bridge), один из портов которого будет принимать пакеты от сегмента и передавать их в направлении корневого моста через корневой порт данного моста, а также принимать пакеты для данного сегмента, пришедшие на корневой порт со стороны корневого моста. Такой порт называется назначенным портом (designated port). Назначенный порт сегмента имеет наименьшее расстояние до корневого моста, среди всех портов, подключенных к данному сегменту. Назначенный порт у сегмента может быть только один. У корневого моста все порты являются назначенными, а их расстояние до корня полагается равным нулю. Корневого порта у корневого моста нет.

Можно доказать, что если определить каким-либо образом корневой мост, то зная пропускную способность каждого сегмента и связи между портами мостов и сегментов, можно однозначно определить по расстоянию до корня корневые порты мостов и назначенные порты сегментов, и если все остальные порты мостов, кроме корневых и назначенных, заблокировать, то получится дерево без петель.

Для того, чтобы мосты могли идентифицировать себя и своих ближних и дальних соседей по сети, каждой мост, поддерживающий STA, имеет уникальный идентификатор. Этот идентификатор состоит из двух частей. Младшую часть составляет MAC-адрес моста (не отдельного порта моста, а всего моста в целом, порты мостов MAC-адресов не имеют), имеющий длину 6 байтов. Старшая часть, имеющая длину 2 байта, является приоритетом данного моста, и его может изменять администратор сети по своему усмотрению (напомним, что MAC-адрес устанавливается производителем для обеспечения его всемирной уникальности).

Идентификатор моста играет определяющую роль при выборе корневого моста. Приоритет имеет преимущественное значение в этом выборе - корневым выбирается мост, имеющий наименьшее значение идентификатора, а так как поле приоритета находится в старших разрядах, то его значение подавляет значение MAC-адреса. Если же администратор назначил всем мостам равный приоритет (то есть не захотел влиять на выбор корневого моста), то корневым будет выбран мост с наименьшим значением MAC-адреса.

Порты внутри каждого моста также имеют свои идентификаторы. Идентификатор порта состоит из 2 байтов, первый из которых (старший) может изменяться администратором и является приоритетом порта, а второй представляет собой порядковый номер порта для данного моста (номера портов начинаются с единицы). Идентификатор порта используется при выборе корневого и назначенного порта моста - если несколько портов имеют одинаковое расстояние до корня, то выбирается тот порт, идентификатор которого меньше. Аналогично случаю с идентификатором моста, приоритет порта может быть задан администратором для того, чтобы данный порт получил преимущество перед другими.

10.2. Инициализация топологии

Для автоматического определения начальной активной конфигурации дерева все мосты сети после их инициализации начинают периодически обмениваться специальными пакетами, называемыми протокольными блоками данных моста - BPDU (Bridge Protocol Data Unit).

Пакеты BPDU помещаются в поле данных кадров канального уровня, например, кадров Ethernet. Все мосты должны поддерживать общий групповой адрес, с помощью которого кадры, содержащие пакеты BPDU, передаются одновременно всем мостам сети.

Пакет BPDU имеет следующие поля:

Идентификатор версии протокола STA - 2 байта. Мосты должны поддерживать одну и ту же версию протокола STA, иначе может установиться активная конфигурация с петлями.
Тип BPDU - 1 байт. Существует два типа BPDU - конфигурационный BPDU, то есть заявка на возможность стать корневым мостом, на основании которой происходит определение активной конфигурации, и BPDU уведомления о реконфигурации, которое посылается мостом, обнаружившим событие, требующее проведение реконфигурации - отказ линии связи, отказ порта, изменение приоритетов моста или портов.
Флаги - 1 байт. Один бит содержит флаг изменения конфигурации, второй бит - флаг подтверждения изменения конфигурации.
Идентификатор корневого моста - 8 байтов.
Расстояние до корня - 2 байта.
Идентификатор моста - 8 байтов.
Идентификатор порта - 2 байта.
Время жизни сообщения - 2 байта. Измеряется в единицах по 0.5 с, служит для выявления устаревших сообщений. Когда пакет BPDU проходит через мост, тот добавляет ко времени жизни пакета время его задержки данным мостом.
Максимальное время жизни сообщения - 2 байта. Если пакет BPDU имеет время жизни, превышающее максимальное, то он игнорируется мостами.
Интервал hello, через который посылаются пакеты BPDU.
Задержка смены состояний - 2 байта. Минимальное время перехода портов моста в активное состояние. Такая задержка необходима, чтобы исключить возможность временного возникновения альтернативных маршрутов при неодновременной смене состояний портов во время реконфигурации.

У пакета BPDU уведомления о реконфигурации отсутствуют все поля, кроме двух первых.

После инициализации каждый мост сначала считает себя корневым. Поэтому он начинает через интервал hello генерировать через все свои порты сообщения BPDU конфигурационного типа. (Далее под BPDU понимается везде конфигурационный BPDU, если тип BPDU точно не указан.) В них он указывает свой идентификатор в качестве идентификатора корневого моста (и в качестве данного моста также), расстояние до корня устанавливается в 0, а в качестве идентификатора порта указывается идентификатор того порта, через который передается BPDU.

В исходном состоянии каждый мост не только передает BPDU через все свои порты, но и принимает через все порты BPDU, передаваемые другими мостами. Мост в течение интервала установления начальной конфигурации фиксирует значения нескольких своих внутренних переменных:

RI (Root Identifier) - идентификатор корневого моста, в начальный момент работы алгоритма STA каждый мост присваивает этой переменной свой собственный идентификатор.
minRPCi (min Root Path Cost) - наименьшее значение расстояния до корня, встретившееся в пакетах BPDU, принятых от корневого моста по i-му порту. Для каждого порта моста имеется своя переменная minRPCi, начальное значение этой переменной равно максимально допустимому значению расстояния, определяемому форматом переменной.
minBi и minPi - идентификаторы моста и порта, от которого поступил пакет, на основании которого присвоено значение расстояния до корня переменной minRPCi - по две переменные на каждый порт.

Мост обрабатывает поступающие на порты сообщения BPDU следующим образом.

Сначала мост сравнивает значение идентификатора корневого моста из BPDU с текущим значением переменной RI.

Если это значение больше текущего значения RI, то принятый пакет просто уничтожается, так как он не несет никакой информации о расстоянии до корневого моста - он пришел от моста, который не является корневым.

Если оно равно текущему значению RI, то значит принят пакет от уже известного корня. Находящееся в пакете расстояние до корня сравнивается с найденным ранее минимальным расстоянием minRPCi, и если новое значение меньше, то оно переписывается в переменную minRPCi данного порта. Затем мост наращивает значение поля расстояния до корня на величину условного времени сегмента, по которому пришел пакет, помещает в поле идентификатора моста свой идентификатор и передает этот пакет на все свои порты, кроме того порта, от которого получен пакет. В переменные minBi и minPi записываются идентификаторы моста, от которого получен пакет BPDU, и его порта.

Если же значение идентификатора корневого моста у принятого BPDU меньше текущего, то это значит, что обнаружен мост, у которого больше прав претендовать на звание корневого. Его идентификатор фиксируется в переменной RI, а все значения переменных minRPCi устанавливаются в исходное значение, так как они были вычислены ранее на основании расстояний до моста, на самом деле корнем не являющегося. Затем пакет BPDU обрабатывается точно по тому же алгоритму, что и в предыдущем случае.

По мере распространения пакетов BPDU по всей сети у всех мостов накапливается информация, необходимая для фиксации корневого моста, а также для определения того, какой из портов моста является корневым портом, какие порты являются назначенными для сегментов, а какие не входят ни в первую, ни во вторую категории.

После истечения времени установления активной конфигурации у всех мостов происходит фиксация идентификатора корневого моста. Мост, который в течение всего времени процесса установления конфигурации считал себя корневым, окончательно удостоверяется в этом. Все его порты устанавливаются в состояние назначенных.

Мосты, знающие, что они не корневые, определяют свой корневой порт как порт, имеющий минимальное расстояние до корневого моста. Для этого для каждого порта вычисляется расстояние RPCi как сумма переменной minRPCi и условного времени сегмента, с которым связан данный порт, так как в переменной minRPCi это время учтено не было. Затем выбирается корневой порт, как порт с минимальным значением RPCi. После этого данное значение называется расстоянием до корня данного моста - RPC.

Затем мост проверяет все оставшиеся порты как претендентов на звание назначенных портов сегментов, к которым они подключены. Он сравнивает значение minRPCi данного порта со значением RPC, то есть сравнивает расстояния до корня от других мостов данного сегмента со своим собственным. Если его собственное расстояние оказывается меньше по каждому порту, то он фиксируется как назначенный. Если же оно больше, то порт переводится в заблокированное состояние, в котором он не будет ни принимать, ни передавать информационные пакеты в рабочем режиме, после установления активной конфигурации. Если же расстояния оказываются равными, то мост сравнивает сначала свой идентификатор с идентификатором minBi моста-конкурента, а если и они равны (то есть конкурируют его собственные порты), то сравниваются в конце концов идентификаторы портов.

После того, как все мосты определяют статус своих портов, процесс установления активной конфигурации завершен. Корневые и назначенные порты начинают участвовать в передаче кадров протокола канального уровня, то есть для них устанавливается активное состояние, в отличие от заблокированных портов.

10.3. Изменения топологии

Алгоритм STA обеспечивает поддержку резервных связей в сети, и включает, кроме процедуры инициализации активной конфигурации и процедуру изменения конфигурации при отказах элементов сети. Эта процедура называется процедурой изменения топологии.

После установления активной топологии только корневой мост продолжает периодически генерировать пакеты BPDU конфигурационного типа. Остальные мосты продолжают принимать пакеты BPDU на свой корневой порт и распространяют их через свои назначенные порты.

Для того, чтобы мосты могли обнаружить отказ элемента сети, каждый мост имеет таймер возраста сообщения (message age timer). При получении пакета BPDU этот таймер устанавливается в исходное состояние. Если какой-либо назначенный мост, его порт или линия связи отказывают, то пакеты BPDU перестают поступать во все мосты, которые находятся в поддеревьях отказавшего элемента. Вследствие этого, в этих мостах истекает интервал таймера возраста сообщения.

Если у моста истекает значение такого таймера, то вызывается процедура, называемая "установление назначенных портов". Очевидно, что это произойдет во всех мостах, которые пострадали от отказа. После выполнения этой процедуры, которая аналогична описанной процедуре начального выбора корневого и назначенных портов, будут определены новые значения назначенных мостов, корневых портов и назначенных портов. Если же отказал корневой мост, то будет выбран новый корневой мост.

В дополнение к процедуре реакции на отказ, определяется и реакция моста на принудительное изменение администратором статуса порта с заблокированного на активный. При этом посылается BPDU типа "уведомление о реконфигурации" в направлении корневого моста. Все назначенные мосты, находящиеся на пути между данным портом и корневым мостом отмечают произошедшее изменение и передают сообщение дальше через свой корневой порт корневому мосту. При этом все мосты, на которые влияет такое изменение, оказываются о нем уведомлены и производят переоценку назначенных портов.

При изменении активной конфигурации мосты должны произвести некоторые изменения в своих адресных таблицах, так как некоторым узлам пакеты должны теперь передаваться через другие порты. Вообще говоря, эти изменения в адресных таблицах произойдут автоматически, когда у динамических записей таблицы истечет таймер возраста. Но, так как этот таймер имеет сравнительно большой интервал, то корневой мост посылает уведомление об изменении конфигурации всем мостам, устанавливая флаг изменения конфигурации в текущем BPDU. При получении BPDU с таким флагом, все динамические входы адресной таблицы считаются устаревшими, поэтому они заполняются вновь на основании приходящих пакетов от конечных станций.

10.4. Состояния порта

Каждый порт моста, поддерживающего алгоритм STA, может находится в одном из 5 состояний (рис. 66):

Отключен (disabled) - порт не участвует ни в каких операциях, и может быть выведен из этого состояния только с помощью протокола управления мостом (по сети или локально).
Заблокирован (blocked) - конфигурационные BPDU принимаются, обрабатываются и передаются.
Прослушивание (listening) - конфигурационные BPDU принимаются, обрабатываются и передаются.
Обучение (learning) - порт принимает конфигурационные BPDU, обрабатывает их и передает, а также принимает и обрабатывает информационные кадры канального протокола (строит адресную таблицу).
Трансляция (forwarding) - порт участвует во всех операциях моста - принимает конфигурационные BPDU, обрабатывает их и передает, а также принимает, обрабатывает и передает информационные кадры канального протокола.

Рис. 66. Состояние порта и возможные переходы

За счет наличия промежуточных состояний порта, которые не были учтены при описании процесса установления активной конфигурации для упрощения его понимания, мост не единовременно заканчивает этот процесс и начинает передавать пользовательские кадры, а постепенно, причем по каждому порту индивидуально.

Переходы между состояниями порта вызываются либо получением конфигурационного BPDU или истечением некоторого таймера.

Обычно все порты моста при первом его включении в сеть устанавливаются в отключенное состояние. Переход в заблокированное состояние происходит при выполнении администратором соответствующей операции управления мостом (1). Аналогичным образом, администратор может отключить порт (2).

После получения команды на инициализацию от администратора, мост переводит все свои порты в состояние блокировки. Затем начинается описанный процесс установления начальной активной конфигурации. Мост в какой-то момент времени этого процесса может сделать ошибочные заключения о том, какой из его портов является корневым, а какие - назначенными, так как делает выводы на основе конфигурационных BPDU, полученных от моста, который он временно считает корневым, так как конфигурационные BPDU от действительно корневого моста еще до него не дошли. Поэтому для исключения преждевременных решений о том, что некоторые порты нужно перевести в транслирующее состояние, так как они стали либо корневыми, либо назначенными (и, следовательно, для исключения временного образования петель), порт сначала переводится в промежуточное состояние - состояние прослушивания (3). При этом взводится специальный таймер для порта - таймер трансляции. Если его период истекает, а порт все еще остается по результатам обработки поступивших конфигурационных BPDU корневым или назначенным, то он переводится в состояние обучения (5), а таймер взводится снова. Если же его интервал истекает еще раз, то тогда порт переводится в состояние трансляции (5) и начинает активную работу по передаче пользовательских кадров. Если же за период работы таймера трансляции порт перестает быть корневым или назначенным, то он непосредственно переводится в состоянии заблокированного (4).

10.5. Пример установления и изменения активной конфигурации

Рассмотрим работу алгоритма STA на примере сети, состоящей из 6 сегментов Ethernet и 6 мостов, соединенных так, как это показано на рисунке 67. Идентификаторы мостов и портов обозначены цифрой после однобуквенного имени моста (B) или порта (P). Сегменты (S) идентификаторов не имеют, и их порядковые номера приведены только для удобства пояснений работы алгоритма.

Рис. 67. Пример конфигурации сети с избыточными связями

Рассмотрим несколько случаев. А. Все мосты и порты имеют равные приоритеты, все сегменты имеют равную пропускную способность и условное время для них равно 1. B. Все параметры те же, что и в случае А, но мост В1 отказал. С. Все мосты работоспособны, но производительность сегментов S3 и S6 в три раза выше остальных, поэтому условное время остальных сегментов в три раза больше, чем у S3 и S6. D. Все сегменты имеют одинаковую производительность, но администратор установил более высокий приоритет для моста В4.

Случай А.

После того, как до всех мостов дошли конфигурационные BPDU от моста В1, только этот мост продолжает считать себя корневым, так как он имеет наименьший идентификатор - 1. Соответственно, по каждому порту у каждого моста установились значения переменных minRPC, показанные на рисунке 68. В результате для моста В2 в качестве корневого порта выбран порт P1. Хотя оба порта получали на входе конфигурационные BPDU с нулевым значением расстояния до корня (от порта P1 и от порта P3 корневого моста В1), выбран порт P1, поскольку он имеет меньшее значение идентификатора. Значение RPC моста B2 равно 1, так как условное время сегмента S1 равно 1 и оно складывается с минимальным расстоянием до корня, полученным на корневой порт.

Рис. 68. Выбор корневого моста и корневых портов

У мостов B3, B4, В5 и В6 выбор корневого порта достаточно прост, так как значения minRPC у них различные (порт P2 моста В5 не получил по входу ни одного конфигурационного BPDU, поэтому имеет начальное, максимально возможное значение minRPC, обозначенное символом бесконечности).

Выбор назначенных портов показан на рис. 69.

Рис. 69. Выбор назначенных портов

Случай В.

При отказе корневого маршрутизатора все мосты перестают получать конфигурационные BPDU, поэтому по истечению интервала hello мосты переводят все свои порты в состояние заблокированных и начинают процедуру инициализации активной конфигурации, полагая себя корневыми мостами. В результате корневым мостом будет выбран мост B2, имеющий наименьший идентификатор. Новое состояние портов и связей после установления активной конфигурации показано на рисунке 70.

Рис. 70. Реконфигурация сети после отказа моста B1

Полученные активные конфигурации для случаев С и D показаны на рисунках 71 и 72 соответственно.

Рис. 71. Активная конфигурация для скоростных сегментов S3 и S6

Рис. 72. Активная конфигурация при приоритетном мосте B5 и скоростных сегментах S3 и S6

11.1 Назначение виртуальных сетей

Кроме своего основного назначения - повышения пропускной способности связей в сети - коммутатор позволяет локализовывать потоки информации в сети, а также контролировать эти потоки и управлять ими, используя пользовательские фильтры. Однако, пользовательский фильтр может запретить передачи кадров только по конкретным адресам, а широковещательный трафик он передает всем сегментам сети. Так требует алгоритм работы моста, который реализован в коммутаторе, поэтому сети, созданные на основе мостов и коммутаторов иногда называют плоскими - из-за отсутствия барьеров на пути широковещательного трафика.

Технология виртуальных сетей (Virtual LAN, VLAN) позволяет преодолеть указанное ограничение. Виртуальной сетью называется группа узлов сети, трафик которой, в том числе и широковещательный, на канальном уровне полностью изолирован от других узлов сети. Это означает, что передача кадров между разными виртуальными сегментами на основании адреса канального уровня невозможна, независимо от типа адреса - уникального, группового или широковещательного. В то же время внутри виртуальной сети кадры передаются по технологии коммутации, то есть только на тот порт, который связан с адресом назначения кадра.

Говорят, что виртуальная сеть образует домен широковещательного трафика (broadcast domain), по аналогии с доменом коллизий, который образуется повторителями сетей Ethernet.

Назначение технологии виртуальных сетей состоит в облегчении процесса создания независимых сетей, которые затем должны связываться с помощью протоколов сетевого уровня. Для решения этой задачи до появления технологии виртуальных сетей использовались отдельные повторители, каждый из которых образовывал независимую сеть. Затем эти сети связывались маршрутизаторами в единую интерсеть (рис. 73).

Рис. 73. Интерсеть, состоящая из сетей, построенных на основе повторителей

При изменении состава сегментов (переход пользователя в другую сеть, дробление крупных сегментов) при таком подходе приходится производить физическую перекоммутацию разъемов на передних панелях повторителей или в кроссовых панелях, что не очень удобно в больших сетях - много физической работы, к тому же высока вероятность ошибки.

Поэтому для устранения необходимости физической перекоммутации узлов стали применять многосегментные повторители (рис. 74). В наиболее совершенных моделях таких повторителей приписывание отдельного порта к любому из внутренних сегментов производится программным путем, обычно с помощью удобного графического интерфейса. Примерами таких повторителей могут служить концентратор Distributed 5000 компании Bay Networks и концентратор PortSwitch компании 3Com. Программное приписывание порта сегменту часто называют статической или конфигурационной коммутацией.

Рис. 74. Многосегментный повторитель с конфигурационной коммутацией

Однако, решение задачи изменения состава сегментов с помощью повторителей накладывает некоторые ограничения на структуру сети - количество сегментов такого повторителя обычно невелико, поэтому выделить каждому узлу свой сегмент, как это можно сделать с помощью коммутатора, нереально. Поэтому сети, построенные на основе повторителей с конфигурационной коммутацией, по-прежнему основаны на разделении среды передачи данных между большим количеством узлов, и, следовательно, обладают гораздо меньшей производительностью по сравнению с сетями, построенными на основе коммутаторов.

При использовании технологии виртуальных сетей в коммутаторах одновременно решаются две задачи:

повышение производительности в каждой из виртуальных сетей, так как коммутатор передает кадры в такой сети только узлу назначения;
изоляция сетей друг от друга для управления правами доступа пользователей и создания защитных барьеров на пути широковещательных штормов.

Для связи виртуальных сетей в интерсеть требуется привлечение сетевого уровня. Он может быть реализован в отдельном маршрутизаторе, а может работать и в составе программного обеспечения коммутатора.

11.2. Типы виртуальных сетей

Технология образования и работы виртуальных сетей с помощью коммутаторов долгое время была не стандартизована, хотя и была реализована в очень широком спектре моделей коммутаторов разных производителей. Такое положение должно скоро измениться, так как институт IEEE в апреле окончательно принял спецификации 802.1q/p, которые описывают стандартный способ построения виртуальных сетей.

В виду долгого отсутствия стандартов каждый производитель разработал свою технологию построения виртуальных сетей, которая, как правило, была несовместима с технологией других производителей. Поэтому виртуальные сети проще создавать пока на оборудовании одного производителя. Исключение составляют только виртуальные сети, построенные на основе спецификации LANE (LAN Emulation), предназначенной для обеспечения взаимодействия АТМ-коммутаторов с традиционным оборудованием локальных сетей.

Существует несколько способов построения виртуальных сетей:

Группировка портов.
Группировка МАС-адресов.
Использование меток в дополнительном поле кадра - частные протоколы и спецификации IEEE 802.1 Q/p.
Спецификация LANE для АТМ-комутаторов.
Использование сетевого уровня.

11.3. VLAN на основе группировки портов

При создании виртуальных сетей на основе одного коммутатора обычно используется механизм группирования в виртуальные сети портов коммутатора (рис. 75).

Рис. 75. Виртуальные сети, построенные на одном коммутаторе с помощью группировки портов

Это логично, так как виртуальных сетей, построенных на основе одного коммутатора, не может быть больше, чем портов. Если к одному порту подключен сегмент, построенный на основе повторителя, то узлы такого сегмента не имеет смысла включать в разные виртуальные сети - все равно трафик этих узлов будет общим.

Создание виртуальных сетей на основе группирования портов не требует от администратора большого объема ручной работы - достаточно каждый порт приписать к нескольким заранее поименованным виртуальным сетям. Обычно, такая операция выполняется путем перетаскивания мышью графических символов портов на графические символы сетей.

11.4. VLAN на основе группировки МАС-адресов

Второй способ, который используется для образования виртуальных сетей основан на группировании МАС-адресов. При существовании в сети большого количества узлов этот способ требует выполнения большого количества ручных операций от администратора. Однако, он оказывается более гибким при построении виртуальных сетей на основе нескольких коммутаторов, чем способ группирования портов.

Рис. 76. Построение виртуальных сетей на нескольких коммутаторах с группировкой портов

Рисунок 76 иллюстрирует проблему, возникающую при создании виртуальных сетей на основе нескольких коммутаторов, поддерживающих технику группирования портов. Если узлы какой-либо виртуальной сети подключены к разным коммутаторам, то для соединения коммутаторов каждой такой сети должна быть выделена своя пара портов. В противном случае, если коммутаторы будут связаны только одной парой портов, информация о принадлежности кадра той или иной виртуальной сети при передаче из коммутатора в коммутатор будет утеряна. Таким образом, коммутаторы с группировкой портов требуют для своего соединения столько портов, сколько виртуальных сетей они поддерживают. Порты и кабели используются при таком способе очень расточительно. Кроме того, при соединении виртуальных сетей через маршрутизатор для каждой виртуальной сети выделяется в этом случае отдельный кабель, что затрудняет вертикальную разводку, особенно если узлы виртуальной сети присутствуют на нескольких этажах (рис. 77).

Рис. 77. Соединение виртуальных сетей, построенных на группировании портов, через маршрутизатор

Группирование МАС-адресов в сеть на каждом коммутаторе избавляет от необходимости их связи несколькими портами, однако требует выполнения большого количества ручных операций по маркировке МАС-адресов на каждом коммутаторе сети.

11.5. Использование меток в дополнительном поле кадра - стандарты 802.1 Q/p и фирменные решения

Описанные два подхода основаны только на добавлении дополнительной информации к адресным таблицам моста и не используют возможности встраивания информации о принадлежности кадра к виртуальной сети в передаваемый кадр. Остальные подходы используют имеющиеся или дополнительные поля кадра для сохранения информации и принадлежности кадра при его перемещениях между коммутаторами сети. При этом нет необходимости запоминать в каждом коммутаторе принадлежность всех МАС-адресов интерсети виртуальным сетям.

Если используется дополнительное поле с пометкой о номере виртуальной сети, то оно используется только тогда, когда кадр передается от коммутатора к коммутатору, а при передаче кадра конечному узлу оно удаляется. При этом модифицируется протокол взаимодействия "коммутатор-коммутатор", а программное и аппаратное обеспечение конечных узлов остается неизменным. Примеров таких фирменных протоколов много, но общий недостаток у них один - они не поддерживаются другими производителями. Компания Cisco предложила использовать в качестве стандартной добавки к кадрам любых протоколов локальных сетей заголовок протокола 802.10, предназначенного для поддержки функций безопасности вычислительных сетей. Сама компания использует этот метод в тех случаях, когда коммутаторы объединяются между собой по протоколу FDDI. Однако, эта инициатива не была поддержана другими ведущими производителями коммутаторов.

Новый стандарт IEEE 802.1Q определяет изменения в структуре кадра Ethernet, позволяющие передавать информацию о VLAN по сети.

Стандарт IEEE 802.1p специфицирует метод указания приоритета кадра, основанный на использовании новых полей, определенных в стандарте IEEE 802.1Q.

К кадру Ethernet добавлены два байта. Эти 16 бит содержат информацию по принадлежности кадра Ethernet к ВЛВС и о его приоритете. Говоря точнее, тремя битами кодируется до восьми уровней приоритета, 12 бит позволяют различать трафик до 4096 ВЛВС, а один бит зарезервирован для обозначения кадров сетей других типов (Token Ring, FDDI), передаваемых по магистрали Ethernet.

Надо сказать, что добавление двух байтов к максимальному размеру кадра Ethernet ведет к возникновению проблем в работе многих коммутаторов, обрабатывающих кадры Ethernet аппаратно. Чтобы избежать их, группы по стандартизации предложили сократить на два байта максимальный размер полезной нагрузки в кадре.

Спецификация IEEE 802.1p, создаваемая в рамках процесса стандартизации 802.1Q, определяет метод передачи информации о приоритете сетевого трафика. Стандарт 802.1p специфицирует алгоритм изменения порядка расположения пакетов в очередях, с помощью которого обеспечивается своевременная доставка чувствительного к временным задержкам трафика.

В дополнение к определению приоритетов стандарт 802.1p вводит важный протокол GARP (Generic Attributes Registration Protocol) с двумя специальными его реализациями. Первая из них - протокол GMRP (GARP Multicast Registration Protocol), позволяющий рабочим станциям делать запрос на подключение к домену групповой рассылки сообщений. Поддерживаемую этим протоколом концепцию назвали подсоединением, инициируемым "листьями". Протокол GMRP обеспечивает передачу трафика только в те порты, из которых пришел запрос на групповой трафик, и хорошо согласуется со стандартом 802.1Q.

Второй реализацией GARP является протокол GVRP (GARP VLAN Registration Protocol), похожий на GMRP. Однако, работая по нему, рабочая станция вместо запроса на подключение к домену групповой рассылки сообщений посылает запрос на доступ к определенной VLAN.

Для согласования работы устройств, поддерживающих формат кадра 802.1 Q, с теми устройствами, которые не понимают этот формат, разработчики стандарта предложили делить весь трафик в сети на несколько типов.

Трафик входного порта (Ingress Port). Каждый кадр, достигающий коммутируемой сети и идущий либо от маршрутизатора, либо от рабочей станции, имеет определенный порт-источник. На основании его номера коммутатор должен "принять решение" о приеме (или отбрасывании) кадра и передаче его в ту или иную VLAN. Решение "судьбы" кадра, осуществляемое в единственной логической точке сети, делает возможным сосуществование самых разных видов VLAN. Приняв кадр, коммутатор "прикрепляет" к нему "ярлык" (tag) VLAN. Как только кадр с "ярлыком" VLAN оказывается в сети, он становится частью проходящего (Progress), или внутреннего трафика.

Внутренний трафик (Progress Traffic). Кадр с "ярлыком" коммутируется точно так же, как и без "ярлыка". Решения о его принадлежности к той или иной VLAN принимаются в пограничных элементах сети и остальные сетевые устройства индифферентно "относятся" к тому, как именно кадр попал в сеть. Так как максимальный размер кадра Ethernet остался неизменным, то пакеты всех VLAN смогут обрабатываться традиционными коммутаторами и маршрутизаторами внутренней части сети.

Трафик выходного порта (Egress Port). Чтобы попасть в межсетевой маршрутизатор или в оконечную рабочую станцию, кадр должен выйти за пределы коммутируемой сети. Ее выходное устройство "решает", какому порту (или портам) нужно передать пакет и есть ли необходимость удалять из него служебную информацию, предусмотренную стандартом 802.1Q. Дело в том, что традиционные рабочие станции не всегда воспринимают информацию о VLAN по стандарту 802.1Q, но сервер, обслуживающий несколько подсетей с помощью единственного интерфейса, должен ее активно использовать.

Условное деление трафика на внутренний, а также входного и выходного портов позволяет поставщикам нестандартных реализаций VLAN создавать шлюзы для их стыковки с ВЛВС, соответствующими стандарту 802.1Q.

11.6. Использование спецификации LANE

Существует два способа построения виртуальных сетей, которые используют уже имеющиеся поля для маркировки принадлежности кадра виртуальной сети, однако эти поля принадлежат не кадрам канальных протоколов, а ячейкам технологии АТМ или пакетам сетевого уровня.

Спецификация LANE вводит такое понятие как эмулируемая локальная сеть - ELAN. Это понятие имеет много общего с понятием виртуальной сети:

ELAN строится в сети, состоящей из коммутаторов (коммутаторов АТМ);
связь между узлами одной и той же ELAN осуществляется на основе МАС-адресов без привлечения сетевого протокола;
трафик, генерируемый каким-либо узлом определенной ELAN, даже широковещательный, не выходит за пределы данной ELAN.

Кадры различных ELAN не свешиваются друг с другом внутри сети коммутаторов АТМ, так как они передаются по различным виртуальным соединениям и номер виртуального соединения VPI/VCI является тем же ярлыком, который помечает кадр определенной VLAN в стандарте 802.1Q и аналогичных фирменных решениях.

Если VLAN строятся в смешанной сети, где имеются не только коммутаторы АТМ, то "чистые" коммутаторы локальных сетей, не имеющие АТМ-интерфейсов, должны использовать для создания виртуальной сети один из выше перечисленных методов, а пограничные коммутаторы, имеющие наряду с традиционными еще и АТМ-интерфейсы, должны отображать номера VLAN на номера ELAN при передаче кадров через сеть АТМ.

11.7. Использование сетевого протокола

При использовании этого подхода коммутаторы должны для образования виртуальной сети понимать какой-либо сетевой протокол. Такие коммутаторы называют коммутаторами 3-го уровня, так как они совмещают функции коммутации и маршрутизации. Каждая виртуальная сеть получает определенный сетевой адрес - как правило, IP или IPX.

Тесная интеграция коммутации и маршрутизации очень удобна для построения виртуальных сетей, так как в этом случае не требуется введения дополнительных полей в кадры, к тому же администратор только однократно определяет сети, а не повторяет эту работу на канальном и сетевом уровнях. Принадлежность конечного узла к той или иной виртуальной сети в этом случае задается традиционным способом - с помощью задания сетевого адреса. Порты коммутатора также получают сетевые адреса, причем могут поддерживаться нестандартные для классических маршрутизаторов ситуации, когда один порт может иметь несколько сетевых адресов, если через него проходит трафик нескольких виртуальных сетей, либо несколько портов имеют один и тот же адрес сети, если они обслуживают одну и ту же виртуальную сеть.

При передаче кадров в пределах одной и той же виртуальной сети коммутаторы 3-го уровня работают как классические коммутаторы 2-го уровня, а при необходимости передачи кадра из одной виртуальной сети в другую - как маршрутизаторы. Решение о маршрутизации обычно принимается традиционным способом - его делает конечный узел, когда видит на основании сетевых адресов источника и назначения, что кадр нужно отослать в другую сеть.

Однако, использование сетевого протокола для построения виртуальных сетей ограничивает область их применения только коммутаторами 3-го уровня и узлами, поддерживающими сетевой протокол. Обычные коммутаторы не смогут поддерживать такие виртуальные сети и это является большим недостатком. За бортом также остаются сети на основе немаршрутизируемых протоколов, в первую очередь сети NetBIOS.

По этим причинам наиболее гибким подходом является комбинирование виртуальных сетей на основе стандартов 802.1 Q/p с последующим их отображением на "традиционные сети" в коммутаторах 3-го уровня или маршрутизаторах. Для этого коммутаторы третьего уровня и маршрутизаторы должны понимать метки стандарта 802.1 Q.