Все эти задачи были успешно решены.

Средства обеспечения диаметра сети в 200 м

Для увеличения максимального диаметра сети Gigabit Ethernet в полудуплексном режиме до 200 м разработчики технологии использовали известное соотношение между временем передачи кадра мини­мальной длины и временем двойного оборота.

Минимальный размер кадра был увеличен (без учета преамбулы) с 64 до 512 байт. Соответственно, время двойного оборота теперь также можно было увеличить до 4095 bt (bit time – время, необходимое для передачи одного бита в сегменте ЛВС), что делает допустимым диаметр сети около 200 м при ис­пользовании одного повторителя. Для увеличения длины кадра до требуемой в новой технологии величины сетевой адаптер должен дополнять поле данных до длины 448 байт. Это делается с помощью так называе­мого расширения, представляющего собой поле, заполненное запрещен­ными символами кода 8В/10В, которые невозможно принять за коды данных.

Для сокращения накладных расходов при использовании слишком длинных кадров для передачи коротких сообщений разработчики стандарта разрешили ко­нечным узлам передавать несколько кадров подряд без передачи среды другим станциям. Такой режим получил название Burst Mode – монопольный пакетный режим. Станция может передать подряд несколько кадров с общей длиной не бо­лее 65 536 бит или 8192 байт. Если станции нужно передать несколько небольших кадров, то она может не дополнять их до размера в 512 байт, а передавать подряд до исчерпания предела в 8192 байт (сюда входят все байты кадра, в том числе преамбула, заголовок, данные и контрольная сумма). Предел 8192 байт на­зывается Burst Length. Если станция начала передавать кадр и предел Burst Length был достигнут в середине кадра, то кадр разрешается передать до конца.

Увеличение совмещенного кадра до 8192 байт несколько задерживает доступ к разделяемой среде других станций, но при скорости 1000 Мбит/с эта задержка не столь существенна.

Спецификации физической среды стандарта 802.3z

В стандарте 802.3z определены следующие типы физической среды:

в одномодовый волоконно-оптический кабель;

в многомодовый волоконно-оптический кабель 62,5/125;

в многомодовый волоконно-оптический кабель 50/125;

в двойной коаксиал с волновым сопротивлением 75 Ом.

Многомодовый кабель.Для передачи данных по традиционному для компьютерных сетей многомодовому волоконно-оптическому кабелю стандарт определяет применение излучателей, ра­ботающих на двух длинах волн: 1300 и 850 нм. Применение светодиодов с длиной волны 850 нм объясняется тем, что они намного дешевле, чем светодиоды, работа­ющие на волне 1300 нм, хотя при этом максимальная длина кабеля уменьшается, так как затухание многомодового оптоволокна на волне 850 м более чем в два раза выше, чем на волне 1300 нм. Однако возможность удешевления чрезвычайно важ­на для такой в целом дорогой технологии, как Gigabit Ethernet.

Для многомодового оптоволокна стандарт 802.3z определил спецификации 1000Base-SX и 1000Base-LX. В 1000Base-SX используется длина волны 850 нм (S означает Short Wavelength), а в 1000Base-LX – 1300 нм (L — от Long Wavelength).

Для спецификации 1000Base-SX предельная длина оптоволоконного сегмента для кабеля 62,5/125 оставляет 220 м, а для кабеля 50/125 — 500 м. Очевидно, что эти максимальные значения могут достигаться только для полнодуплексной пере­дачи данных, так как время двойного оборота сигнала на двух отрезках 220 м рав­но 4400 bt, что превосходит предел 4095 bt даже без учета повторителя и сетевых адаптеров. Для полудуплексной передачи максимальные значения сегментов опто­волоконного кабеля всегда должны быть меньше 100 м. Приведенные расстояния в 220 и 500 м рассчитаны для худшего по стандарту случая полосы пропускания многомодового кабеля, находящегося в пределах от 160 до 500 МГц/км. Реальные кабели обычно обладают значительно лучшими характеристиками, находящимися между 600 и 1000 МГц/км. В этом случае можно увеличить длину кабеля при­мерно до 800 м.

Одномодовый кабель.Для спецификации 1000Base-LX в качестве источника излучения всегда применя­ется полупроводниковый лазер с длиной волны 1300 нм. Основная область применения стандарта 1000Base-LX — это одномодовое опто­волокно. Максимальная длина кабеля для одномодового волокна равна 5000 м.

Спецификация 1000Base-LX может работать и на многомодовом кабеле. В этом случае предельное расстояние получается небольшим — 550 м. Это связано с особенностями распространения когерентного света в широком канале многомодового кабеля. Для присоединения лазерного трансивера к многомодовому кабелю необходимо использовать специальный адаптер.

Твинаксиальный кабель.В качестве среды передачи данных используется высококачественный твинаксиальный кабель (Twinax) с волновым сопротивлением 150 Ом (2x75 Ом). Данные посылаются одновременно по паре проводников, каждый из которых окружен экранирующей оплеткой. При этом получается режим полудуплексной передачи. Для обеспечения полнодуплексной передачи необходимы еще две пары коаксиальных проводников. Начал выпускаться специальный кабель, который содержит четыре коаксиальных проводника — так называемый Quad-кабель. Он внешне напоминает кабель категории 5 и имеет близкий к нему внешний диаметр и гибкость. Макси­мальная длина твинаксиального сегмента составляет всего 25 метров, поэтому это решение подходит для оборудования, расположенного в одной комнате.

Gigabit Ethernet на витой паре категории 5

Как известно, каждая пара кабеля категории 5 имеет гарантированную полосу про­пускания до 100 МГц. Для передачи по такому кабелю данных со скоростью 1000 Мбит/с было решено организовать параллельную передачу одновременно по всем 4 парам кабеля так же, как и в технологии 100VG-AnyLAN.

Это сразу уменьшило скорость передачи данных по каждой паре до 250 Мбит/с. Однако и для такой скорости необходимо было придумать метод кодирования, который имел бы спектр не выше 100 МГц. Кроме того, одновременное использо­вание четырех пар на первый взгляд лишает сеть возможность распознавать коллизии.

Для кодирования данных был применен код РАМ5, использующий 5 уровней потенциала: -2,-1,0,+1,+2. Поэтому за один такт по одной паре передается 2,322 бит информации. Поэтому тактовую частоту можно было снизить до 125 МГц. При этом, если использовать не все коды, а передавать 8 бит за такт по 4 парам, то выдерживается требуемая скорость передачи в 1000 Мбит/с и еще остается запас неиспользуемых кодов. Код РАМ5 содержит 5⁴ = 625 комби­наций, а если передавать за один такт по всем четырем парам 8 бит данных, то для этого требуется всего 2⁸ = 256 комбинаций. Оставшиеся комбинации приемник может использовать для контроля принимаемой информации и выделения пра­вильных комбинаций на фоне шума. Код РАМ5 на тактовой частоте 125 МГц укла­дывается в полосу 100 МГц кабеля категории 5.

Для распознавания коллизий и организации полнодуплексного режима разра­ботчики стандарта 802.3аb применили технологию, используемую при организа­ции дуплексного режима на одной паре проводов в современных модемах и аппаратуре передачи данных стандарта ISDN. Вместо передачи по разным парам проводов или разнесения сигналов двух одновременно работающих навстречу передатчиков по диапазону частот оба передатчика работают навстречу друг другу по каждой из 4-х пар в одном и том же диапазоне частот, так как используют один и тот же потенциальный код РАМ5 (рис. 4.14). Схема гибридной развязки Н позволяет приемнику и передатчику одного и того же узла использо­вать одновременно витую пару и для приема и для передачи так же, как и в трансиверах коаксиального Ethernet.

Для отделения принимаемого сигнала от своего собственного приемник вычи­тает из результирующего сигнала известный ему свой сигнал. Естественно, что это не простая операция и для ее выполнения используются специальные цифровые сигнальные процессоры — DSP (Digital Signal Processor). Такая техника уже про­шла проверку практикой, но в модемах и сетях ISDN она применялась совсем на других скоростях.

Рис. 4.14. Двунаправленная передача по четырем парам UTP категории 5

При полудуплексном режиме работы получение встречного потока данных счи­тается коллизией, а для полнодуплексного режима работы — нормальной ситуацией.

Стандарт 40/100 Gigabit Ethernet

Международная организация Ethernet Alliance объявила о ратификации стандарта IEEE 802.3ba – 2010, разработкой которого занималась организация IEEE Standards Association (IEEE-SA) и рабочая группа IEEE P802.3ba Task Force. Стандарт IEEE 802.3ba описывает единую архитектуру, способную поддерживать 40 Gigabit Ethernet (40GbE) и 100 Gigabit Ethernet (100GbE). Он определяет технические особенности высокоскоростной передачи информации, а также требования к физическому уровню сети – межплатным соединениям в активном оборудовании, медным и волоконно-оптическим кабельным линиям.

Разработка стандарта началась в июле 2006 года. 17 июня 2010 года проект стандарт был одобрен организацией по стандартизации IEEE-SA Standards Board.

Организация Ethernet Alliance в будущем планирует активно работать над воплощением концепции принятого стандарта в реальном оборудовании, способствовать развитию и распространению технологии 40GbE и 100GbE. Несколько производителей уже анонсировали и выпустили продукты, поддерживающие 40GbE и 100GbE, включая отдельные компоненты, коммутаторы, оборудование для тестирования и т.д. Работа оборудования 40GbE и 100GbE демонстрировалась в ноябре 2010 года на выставке Supercomputing 2010 в Новом Орлеане, США.

Технология FDDI

История и основные характеристики

Технология FDDI (Fiber Distributed Data Interface – оптоволоконный интерфейс распределенных данных) – первая технология локальных сетей, в которой сре­дой передачи данных служит волоконно-оптический кабель. Работы по созданию технологий и устройств использования волоконно-оптических каналов в ло­кальных сетях начались в 80-е годы, вскоре после начала промышленной эксплуа­тации подобных каналов в территориальных сетях. Институт ANSI разработал начальные версии стандар­та FDDI, который обеспечивал передачу кадров со скоростью 100 Мбит/с по двой­ному волоконно-оптическому кольцу длиной до 100 км.

Технология FDDI во многом является усовершенствованной технологией Token Ring. Разработчики технологии ставили перед собой в качестве приоритетных следующие цели:

Ø повысить битовую скорость передачи данных до 100 Мбит/с;

Ø повысить отказоустойчивость сети за счет стандартных процедур восстановле­ния после отказов различного рода – повреждения кабеля, некорректной работы узла, концентратора, возникновения высокого уровня помех на линии и т. п.;

Ø 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. Наличие двух колец — это основной способ повышения отказоустойчивости в сети FDDI, и узлы, которые хотят воспользоваться этим повышенным потенциалом надежности, должны быть подключены к обоим кольцам (кольцо FDDI).

В нормальном режиме работы сети данные проходят через все узлы и все участ­ки кабеля только первичного кольца. Этот режим назван режимом Thru –сквозным или транзитным. Вторичное кольцо в этом режиме не используется.

В случае какого-либо отказа, когда часть первичного кольца не может передавать данные, например, обрыв кабеля или отказ узла, первичное кольцо объединяется с вторичным (рис. 4.15), вновь образуя единое кольцо. Этот режим работы сети называется Wrap, то есть свертывание или сворачивание колец. Операция свертывания производится средствами концентраторов и/или сетевых адаптеров FDDI. Для упрощения этой процедуры данные по первичному кольцу всегда передаются против часовой стрелки, а по вторичному – по часовой стрелке. Поэтому при образовании общего кольца передат­чики станций по-прежнему остаются подключенными к приемникам соседних стан­ций, что позволяет правильно передавать и принимать информацию соседними станциями.

В стандартах FDDI много внимания отводится различным процедурам, которые позволяют определить наличие отказа в сети, а затем произвести необходимую реконфигурацию. Сеть FDDI может полностью восстанавливать свою работоспособность в случае единичных отказов ее элементов. При множественных отказах сеть распадается на несколько не связанных сетей. Технология FDDI дополняет механизмы обнаружения отказов технологии Token Ring механизмами реконфигурации пути передачи данных в сети, основанными на наличии резервных связей, обеспечиваемых вторым кольцом.

Рис. 4.15. 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 кольца – token ring.

Отличия метода доступа состоят в том, что время удержания маркера в сети FDDI не является постоянной величиной, как в сети Token Ring. Это время зависит от загрузки кольца – при небольшой загрузке оно увеличивается, а при больших перегрузках может уменьшаться до нуля. Эти изменения в методе доступа касаются только асинхронного трафика, который не критичен к небольшим задержкам передачи кадров. Для синхронного трафика время удержания маркера по-прежнему остается фиксированной величиной. Механизм приоритетов кадров, аналогичный принятому в технологии Token Ring, в технологии FDDI отсутствует. Разработчики технологии решили, что деление трафика на 8 уровней приоритетов избыточно и достаточно разделить трафик на два класса – асинхронный – низкий и синхронный – высокий. Последний обслуживается всегда, даже при перегрузках кольца.

В остальном пересылка кадров между станциями кольца на уровне MAC полностью соответствует технологии Token Ring. Станции FDDI применяют алгоритм раннего освобождения маркера, как и сети Token Ring со скоростью 16 Мбит/с.

Адреса уровня MAC имеют стандартный для технологий IEEE 802 формат. Формат кадра FDDI близок к формату кадра Token Ring. Основные отличия заключаются в отсутствии полей приоритетов. Признаки распознавания адреса, копирования кадра и ошибки позволяют сохранить имеющиеся в сетях Token Ring процедуры обработки кадров станцией-отправителем, промежуточными станциями и станцией-получателем.

FDDI определяет протокол физического уровня и протокол подуровня доступа к среде (MAC) канального уровня семиуровневой модели OSI. Как и в других технологиях локальных сетей, в технологии FDDI используется протокол подуровня управления каналом данных LLC, определенный в стандарте IEEE 802.2. Таким образом, несмотря на то что технология FDDI была разработана и стандартизована институтом ANSI, а не комитетом IEEE, она полностью вписывается в структуру стандартов 802.

Отличительной особенностью технологии FDDI является уровень управления станцией – Station Management(SMT).Именно уровень SMT выполняет все функции по управлению и мониторингу всех остальных уровней стека протоколов FDDI. В управлении кольцом принимает участие каждый узел сети FDDI. Поэтому все узлы обмениваются специальными кадрами SMT для управления сетью.

Отказоустойчивость сетей FDDI обеспечивается протоколами и других уровней: с помощью физического уровня устраняются отказы сети по физическим причинам, например из-за обрыва кабеля, а с помощью уровня MAC – логические отказы сети, например потеря нужного внутреннего пути передачи маркера и кадров данных между портами концентратора.

Особенности метода доступа FDDI

Для передачи синхронных кадров станция всегда имеет право захватить маркер при его поступлении. При этом время удержания маркера имеет заранее заданную фиксированную величину.

Если же станции кольца FDDI нужно передать асинхронный кадр (тип кадра определяется протоколами верхних уровней), то для выяснения возможности захвата маркера при его очередном появлении станция должна измерить интервал времени, который прошел с момента предыдущего прихода маркера. Этот интервал называется временем оборота маркера(Token Rotation Time, TRT).Интервал TRT сравнивается с другой величиной – максимально допустимым временем оборота маркера по кольцу Т_Орг.Если в технологии Token Ring максимально допустимое время оборота маркера является фиксированной величиной (2,6 с из расчета 260 станций в кольце), то в технологии FDDI станции договариваются о величине Т_Орг во время инициализации кольца. Каждая станция может предложить свое
значение Т_Орг, в результате для кольца устанавливается минимальное из предложенных станциями времен. Это позволяет учитывать потребности приложений, работающих на станциях. Обычно синхронным приложениям (приложениям реального времени) нужно чаще передавать данные в сеть небольшими порциями, а асинхронным приложениям лучше получать доступ к сети реже, но большими порциями. Предпочтение отдается станциям, передающим синхронный трафик.

Таким образом, при очередном поступлении маркера для передачи асинхронного кадра сравнивается фактическое время оборота маркера TRT с максимально возможным Т_Орг. Если кольцо не перегружено, то маркер приходит раньше, чем истекает интервал Т_Орг, то есть TRT < Т_Орг. В этом случае станции разрешается захватить маркер и передать свой кадр (или кадры) в кольцо. Время удержания маркера ТНТ = Т_Орг - TRT, и в течение этого времени станция передает в кольцо столько асинхронных кадров, сколько успеет. Если же кольцо перегружено и маркер опоздал, то интервал TRT будет больше Т_Орг, В этом случае станция не имеет права захватить маркер для асинхронного кадра, Если все станции в сети хотят передавать только асинхронные кадры, а маркер сделал оборот по кольцу слишком медленно, то все станции пропускают маркер в режиме повторения, маркер быстро делает очередной оборот и на следующем цикле работы станции уже имеют право захватить маркер и передать свои кадры.

Метод доступа FDDI для асинхронного трафика является адаптивным и хорошо регулирует временные перегрузки сети.

Физический уровень технологии FDDI

В технологии FDDI для передачи световых сигналов по оптическим волокнам реализовано логическое кодирование 4В/5В в сочетании с физическим кодированием NRZI. Эта схема приводит к передаче по линии связи сигналов с тактовой частотой 125 МГц.

Так как из 32 комбинаций 5-битных символов для кодирования исходных
1-битных символов нужно только 16 комбинаций, то из оставшихся 16 выбрано
несколько кодов, которые используются как служебные. К наиболее важным служебным символам относится символ Idle – простой, который постоянно передается между портами в течение пауз между передачей кадров данных. За счет этого станции и концентраторы сети FDDI имеют постоянную информацию о состоянии физических соединений своих портов. В случае отсутствия потока символов Idle фиксируется отказ физической связи и производится реконфигурация внутреннего пути концентратора или станции, если это возможно.