Физический уровень, интерфейсы

Порты аппаратуры FDDI имеют приемопередатчики, использующие раздельные линии для передаваемого (Тх) принимаемого (Rx) сигналов. Здесь применяется логическое кодирование 4В/5В, при котором каждая четверка бит исходной информации кодируется 5-битным символом. Избыточность используется для устранения нежелательных комбинаций, а также выделения служебных символов (J, К, Т, Idle…), используемых в качестве разделителей. Физическое кодирование: MLT-3 для электрической передачи, NRZI – для оптической. Эффективную скорость передачи 100 Мбит/с обеспечивает тактовая частота битовых интервалов 125 МГц.

Кольцевая логическая топология предусматривает, что выход передатчика одной станции подключается ко входу следующей, и т. д. до замыкания кольца. В отличие от Token Ring, где источником синхронизации кольца является активный монитор, передатчики всех узлов FDDI синхронизируются от собственных кварцевых генераторов. Допустимое отклонение частоты – 0,01 %. Каждый узел транслирует входящий поток данных через небольшой буфер на выходной порт, но синхронизирует выходной сигнал от своего источника. Поскольку частоты соседних узлов могут отличаться друг от друга, каждый узел должен иметь эластичный буфер, компенсирующий расхождение, набегающее на кадре. Для максимального размера кадра (9000 символов – 45 000 бит) необходима эластичность минимум ±4-5 бит.

В качестве среды передачи используется оптоволокно или витая пара:

MMF-PMD определяет в качестве среды передачи многомодовое волокно (Multi Mode Fiber), источник излучения – светодиод. Допустимая длина линии – до 2 км. В первоначальном стандарте это был единственный вариант, и он назывался просто PMD.

SМF-PMD – одномодовое волокно (Single Mode Fiber) с лазерными источниками. Допустимая длина линии – до 40-60 км.

LCF-PMD – дешевое многомодовое волокно (Low Cost Fiber), при котором длина линии связи ограничена 500 м.

ТР PMD – витая пара STP типа 1 или UTP категории 5, коннекторы RJ-45. Используется две пары проводов, допустимая длина – 100 м.

Для всех оптических версий длина волны – 1300 нм, благодаря чему порты MMF, SMF и LCF можно соединять, если соединение вносит допустимое затухание. Формально оптические версии обеспечивают бюджет линии (затухание сигнала между станциями) до 11 дБ, но в одномодовом варианте возможно применение заказных передатчиков большей мощности, что позволяет увеличивать длину линий.

Физическая топология сети FDDI – кольцевая или гибридная, включение звездообразных или древовидных подсетей в главную сеть через концентратор. На рис. 13 приведен пример сети, на котором представлены разнообразные варианты подключения оборудования. Здесь представлены все типы:

DAS (Dual Attached Station) – станция двойного подключения (к обоим кольцам, первичному и вторичному);

SAS (Single Attached Station) – станция одинарного подключения (только к первичному кольцу);

DAC (Dual Attached Concentrator) – концентратор двойного подключения, позволяющий подключать к двойному кольцу узлы (станции и концентраторы) одинарного подключения.

SAC (Single Attached Concentrator) – концентратор одинарного подключения, позволяющий соединять узлы одинарного подключения.

Станции одинарного (SAS) и двойного (DAS) подключения (рис. 14) различаются по способу подключения к кольцу. Станции двойного подключения DAS, они же станции класса А, имеют два трансивера и могут включаться непосредственно в базовую сеть, к первичному и вторичному кольцам. В нормальном режиме сигнал, поступающий на вход Pri_In, транслируется на выход Pri_Оut, и при передаче в эту цепочку вклинивается кадр, передаваемый данной станцией. Связь Sec_In—Sec_Out поддерживается в качестве резервной. При необходимости аварийного реконфигурирования станция может установить связи Pri_In—Sec_Оut и Sec_In—Pri_Out. Станции одинарного подключения SAS, они же станции класса В, имеют один трансивер и включаются только в первичное кольцо. Связь In – Out для них является единственной. В базовую сеть они могут включаться только через концентратор или через обходной коммутатор, отключающий их в случае аварии.

Рис. 13. Пример сети FDDI

Рис. 14. Структура адаптера станции:

а – одинарного подключения (SAS), б – двойного (DAS)

Концентраторы также могут быть одинарного (SАС) или двойного (DAС) подключения (рис. 15). В их функции входит поддержание целостности логического кольца независимо от состояния линий и узлов/подключенных к его портам. DAC обеспечивает включение станций SAS и концентраторов SAC в двойное логическое кольцо, SAC включает их в одинарное (первичное) кольцо. При чисто звездообразной или древовидной топологии, без явного кольца, у корневого концентратора получается “нулевое” подключение (null-attachment concentrator).

Рис. 15. Структура концентратора: а – одинарного подключения (SAC), б—двойного (DAC)

Повторитель (repeater)обеспечивает промежуточное усиление оптического сигнала, в некоторых случаях может использоваться для перехода с одномодового на многомодовое волокно.

Аттенюаторыслужат для снижения мощности на входе приемника до номинального уровня.

Обходной коммутатор (bypass switch)одиночный или двойной (dual bypass switch), обеспечивает обход узла в случае его отключения или отказа. Это устройство устанавливается между станцией и кольцом и обеспечивает одну из двух возможных схем коммутации световых потоков (рис 16). Коммутатор включает станцию в кольцо только при наличии разрешающего сигнала готовности, поступающего от узла по дополнительному электрическому интерфейсному кабелю. При отсутствии этого сигнала кольцо и станция изолируются друг от друга, и их приемники и передатчики замкнуты друг на друга должным образом.

Применяя обходные коммутаторы, следует учитывать следующие моменты:

Применение обходного коммутатора возможно лишь при соединении станции с обоими соседями однотипными (только ММ или только SM) волокнами. В противном случае при отключении станции коммутатор соединит одномодовое волокно с многомодовым. Такое соединение неработоспособно.

Суммарная длина кабелей, подходящих к коммутатору от соседних станций, не должна превышать предела для данного типа кабелей и портов с учетом затухания, вносимого коммутатором (порядка 2,5 дБ).

Количество обходных коммутаторов, соседствующих в кольце, ограничивается затуханием, вносимым ими, и длиной кабеля. В худшем случае, когда срабатывают все соседние коммутаторы, между “живыми” станциями оказывается длинная цепочка кабелей и коммутаторов, затухание в которой не должно превышать допустимого предела. Применение коммутаторов должно учитывать и динамический диапазон приемников всех станций, между которыми включаются коммутаторы.

Разветвители (coupler) – устройства, обеспечивающие разветвление/объединение оптических сигналов, – иногда применяются для передачи сигналов во встречных направлениях по одному волокну.

Стандарт определяет 4 типа портов:

порт А – прием с первичного кольца, передача во вторичное (только для устройств двойного подключения);

порт В – прием со вторичного кольца, передача в первичное (только для устройств двойного подключения);

порт М (master – ведущий) – прием и передача с одного кольца. Устанавливается на концентраторах для подключения SAS или SAC;

порт S (slave – ведомый) – прием и передача с одного кольца. Устанавливается на станциях и концентраторах одинарного подключения.

Для типового кольца справедливы следующие правила соединения портов:

порт А соединяется только с портом В и наоборот;

порт М соединяется только с портом S.

Более детально варианты соединения портов представлены в табл. 7. Здесь буквой V (Valid) помечены допустимые соединения, среди которых имеются и нежелательные (Undesirable), которые могут привести к неожиданным топологиям кольца. Абсолютно недопустимое соединение помечено буквой X. Во время подключения станции одной из функций SMT является проверка правильности подключения, и в случае обнаружения несоответствия подключение станции не выполняется. При особой политике соединения – дублированном подключении (dual homing) – возможно соединение портов А и В с портами М, что в таблице помечено буквой Р (connection Policy). Если к порту М подключены оба порта (А и В), то активно соединение только порта В (пока он “жив”).

Таблица 7.

Соединения портов FDDI

Для технологии FDDI, учитывая многовариантность соединений приемников и передатчиков, разработаны специальные оптические дуплексные коннекторы FDDI MIC (Media Interface Connector). Вилки, устанавливаемые на кабелях, имеют ключевые прорези, а розетки, устанавливаемые на портах, имеют выступы (рис. 17). Эта система ключей позволяет исключить ошибки коммутации портов. Кроме дорогих коннекторов MIC часто применяют и обычные ST или SC.

Рис. 17. Оптические коннекторы FDDI MIC:

а – для двойного подключения, б – для одинарного

Для витой пары (TP-PMD) определено только одинарное подключение (порты М и S). В качестве коннекторов используются модульные соединители RJ-45, в которых задействованы только две пары контактов (табл. 8) с самым выгодным расположением пар по Т568А/Т568В. Оба типа портов имеют одинаковую раскладку, и для их соединения требуется перекрестный кабель (рис. 18), отличающийся от перекрестного кабеля Ethernet. Фактический стандарт SDDI для кабеля STP Type 1 использует коннекторы DB-9, как и в IBM Token Ring.

Таблица 8

Интерфейс TP-PMD

(разъем RJ-45)

Варианты физической топологии

Логическое кольцо FDDI может быть реализовано на различных физических топологиях. Выбор элементов топологии – станций и концентраторов одинарного или двойного подключения – делается исходя из географического расположения узлов и требований к надежности и живучести кольца. При любой конфигурации возможны только соединения порт—порт, расщепление порта (подключение приемника к одной станции, а передатчика к другой) недопустимо (этого не позволяет сделать алгоритм инициализации станций, описанный ниже). Рассмотрим несколько базовых вариантов, на которых строятся всевозможные конкретные конфигурации. Напомним, что в одно кольцо могут входить не более 1000 станций – это ограничение обусловлено соглашением о максимальной задержке оборота кадра по кольцу.

Двойное кольцо без деревьев используется для соединения станций двойного подключения (рис 19). Если станции подключаются к кольцу непосредственно (без обходного коммутатора), то отказ (отключение) одной станции или линии приведет к свертыванию кольца, а отказ двух несмежных станций – к разбивке кольца на два несвязанных свернутых кольца. Применение обходного коммутатора предотвращает свертывание кольца по вине станции, но отказ линии, естественно, вызовет свертывание.

Свернутое кольцо (wrapped ring) образуется при отказе узла или линии связи в двойном кольце (см. рис. 20). При этом каждая станция (кроме крайних) проходится в получившемся кольце дважды, и дважды ее буферы вносят задержку прохождения данных. Отсюда и ограничение на количество станций (500) для двойного кольца: в случае сворачивания число портов в одном кольце удваивается, и оно не должно превышать 1000.

Двойное кольцо с деревьями строится на основе концентраторов двойного подключения (см. рис. 13). Древовидные части образуются станциями и концентраторами одинарного подключения. Здесь концентратор организует обход отказавшего узла для группы станций одинарного подключения, а сам он со стороны кольца может подстраховываться обходным коммутатором. Такая структура обеспечивает высокую надежность сети. Главное (двойное) кольцо защищено вышеописанным образом. Отказ концентратора отсекает все “растущие из него” деревья и ветки, но основное кольцо живет, а если концентратор подключен через обходной коммутатор, то и не сворачивается. Глубина каскадирования концентраторов не ограничена (действует только ограничение на число станций). Применение концентраторов упрощает планировку физических линий и удешевляет станции (требуются только адаптеры SAS). Недостаток концентраторов в том, что они являются единой точкой отказа для всех подключенных к ним станций.

Сеть, изображенная на рис. 13, является комбинацией этих базовых вариантов. Двойное подключение станций выгодно при их малом числе и/или большом удалении друг от друга. Адаптеры двойного подключения существенно дороже одинарных, поэтому при значительном числе компактно расположенных (или удобно соединяемых с концентратором) станций применение концентратора экономически целесообразно. При определении максимального числа станций число узлов двойного подключения (станций и концентраторов) удваивается и суммируется с числом узлов одинарного подключения. Сумма не должна превышать 1000.

Одинарное дерево (single tree) строится на концентраторах и станциях одинарного подключения. Здесь нет резервного кольца, страхующего от обрыва линии, но отказ узла не влияет на остальную сеть благодаря концентратору. Такая структура вполне подходит для организации компактной магистрали, когда не приходится опасаться за физическую сохранность линий связи. Правда, при этом теряется возможность одновременной передачи по двум кольцам, что иногда используется станциями двойного подключения. Число узлов может достигать 1000, поскольку свертки быть не может (при отказах могут быть только разбивки сети на несвязанные мелкие сегменты).

Одинарное кольцо (single ring) возможно только при соединении двух станций SAS (соединение S-S). При подключении порта S к порту А или В станции DAS образуется свернутое кольцо. В любом случае здесь обрыв любого кабеля приводит к краху кольца. Подключения S-S, S-A и S-B могут потребовать специального конфигурирования оборудования.

Дублированное подключение (dual homing) – подключение станции к двум концентраторам – применяют для особо ответственных узлов. Критические узлы должны иметь адаптер двойного подключения, порты которого (А и В) соединяются с М-портами разных концентраторов. SMT критического узла рассматривает соединение В-М как основное, а А-М – как резервное, используемое только при отказе основного. В результате критический узел остается в сети даже при отказе одного из концентраторов (не только линий и портов). В принципе, станцию двойного подключения можно подключать и к двум портам одного концентратора, но при этом резервируются только линии связи и порты.

Форматы кадров

В кольце FDDI могут передаваться посылки двух типов: маркер (token) и кадр команды/данных (MAC frame/Data frame), их формат изображен на рис. 21. Здесь длина элементов указывается в 5-битных символах (это результаты кодирования информации по схеме 4В/5В или специальные символы J, К и Т, отличающиеся от информационных символов). Каждому байту информации соответствует пара символов. Длина кадра (с поля SD по FS включительно) не может превышать 9000 символов.

Рис. 21. Формат посылок FDI: a – маркер,

б – кадр (длина полей в символах)

Маркер и кадры состоят из следующих элементов:

Рге (Preamble) – преамбула, специальная последовательность символов, по которой станция синхронизируется и подготавливается к обработке кадра.

SD (Starting Delimiter) – начальный разделитель, комбинация JK.

ED (Ending Delimiter) – конечный разделитель, один или два символа Т.

FC (Frame Control) – байт управления кадром/признак маркера. Признаком маркера является единица в старшем бите, единица в следующем бите – признак ограниченного маркера, остальные биты в маркере не используются. В кадре байт, определяет синхронную/асинхронную передачу (1 бит); 2- или 6-байтный размер адресных полей (1 бит); тип: команду или данные (2 бита) и код команды (4 бита).

DA (Destination Address) – 2- или 6-байтный адрес назначения – уникальный, групповой или широковещательный.

SA (Source Address) – адрес источника кадра, аналогичный DA.

Info – поле данных длиной до 4478 байт. Содержит данные вышестоящего уровня (LLC) или управляющую информацию.

FCS (Frame Check Sequence) – 4-байтный CRC-код, вычисляемый передатчиком для полей с FC no Info. Приемник сравнивает его со своими расчетами для принятия решения о достоверности приема.

FS (Frame Status) – статус кадра (12 бит и более), по которому источник узнает судьбу кадра: наличие ошибки при приеме, распознавание адреса получателя и копирование кадра. Неизмененное поле статуса указывает на отсутствие в кольце заданного адресата.

Кадры команд (МАС-кадры), генерируемые МАС-модулями для управления станциями и кольцом, формально имеют ту же структуру, что и кадры данных, но поле Info у них всегда нулевой длины. Код команды передается в поле FC, a для передачи результатов используют поле FS.

По содержимому поля Info различают два типа кадров: FDDI 802.2 и FDDI SNAP (рис. 22), По структуре они аналогичны одноименным кадрам Ethernet, за небольшими исключениями:

Кадры Ethernet имеют поле длины, которого нет в FDDI (оно, в общем-то, и не нужно).

В FDDI имеется два байта управления кадром, несущие его характеристики, и поле состояния кадра – в Ethernet для них аналогов нет.

Кадр FDDI 802.2

Кадр FDDI SNAP

Рис. 22. Форматы кадров FDDI

Управление

Управление всеми подсистемами станции FDDI (MAC, PHY и PMD) обеспечивается модулем SMT (Station Management). Корректность операций в кольце обеспечивается взаимодействием SMT всех станций. Каждая станция может иметь более одного модуля MAC, PMD и PНY, но SMT один на всех. Средства SMT распределяют пропускную способность сети между всеми станциями, их синхронными и асинхронными передачами. SMT также отвечает и за состояние маркера. Мониторинг кольца осуществляется всеми станциями, и в случае обнаружения некорректности работы сети ими инициируются процессы восстановления. SMT выполняет несколько групп функций.

SMT Frame Services – поддержка протоколов управления, основанных на передаче управляющих кадров, связывающих SMT станций между собой и высокоуровневой системой управления сетью.

SMT Management Information Base (MIB) обеспечивает чтение/запись управляющих переменных для SNMP MIB.

Протоколы управления (SМТ Frame Based Management Рrotocols) обеспечивают коммуникации между SMT станций для сбора статистики, обнаружения, изоляции отказов и восстановления сети. Протоколы используют кадры, приведенные в табл. 9.

Connection Management – сопровождение включения, отключения, соединения физического уровня действиями на МАС-уровне. Содержит:

ЕСМ (Entity Coordination Management) – координатор, управляющий включением (выключением) станции в кольцо (управление портом и обходным коммутатором), отвечающий за всю самодиагностику станции.

PCM (Physical Connection Management) – управление физическим соединением, проверка целостности линии и допустимости топологического соединения, контроль уровня ошибок в активной линии.

ССЕ (Connection Control Element) – управление подключением приемника и передатчика к первичному, вторичному или локальному кольцу.

Модули ЕСМ и PCM едины для всей станции, модуль ССЕ у каждого порта свой.

Ring Management – управление низкоуровневыми функциями МАС-уровня и обнаружение отказов МАС-уровня:

Инициирует процесс выбора значения TTRT.

Обнаруживает дублирование МАС-адресов.

Сообщает о пропаже маркера.

Определяет путь маркера относительно MAC (можно ли захватывать).

Таблица 9

Управляющие кадры FDDI

Инициализация станции

Инициализация станции производится при ее включении в кольцо. Инициализацией занимаются модули PCM соседних станций. Конфигурация информационных потоков станций двойного подключения на время инициализации приведена на рис. 23. В это время между каждой парой станций устанавливаются мини-кольца (необходимость этих мини-колец не позволяет использовать одинарное кольцо без концентраторов).

Рис 23. Конфигурация на время инициализации станции

Как только физический протокол обнаруживает активность связей (по обоим направлениям линии, соединяющей пару станций), выполняется серия тестов и переходов из одного состояния в другое:

Break State. Станция А, находящаяся в этом состоянии, посылает символы Quiet станции В. Получив их, станция В прекращает текущие передачи, переходит в это же состояние. Она разрывает свои текущие соединения и переходит в состояние Quiet Line.

Quiet Line State, – обе станции посылают друг другу символы Quiet, что означает их готовность к продолжению процедуры инициализации. Если станция В не перешла в это состояние, то станция А снова переходит в Break State.

Connect State – обе станции посылают друг другу поток символов Halt, синхронизирующих станции.

Halt State – в это состояние обе станции переходят после установки синхронизации и дальше переходят в Next State.

Next State/Signal State – в этом состоянии станции обмениваются информацией о типе портов (А, В, S или М) и их совместимости.

Idle Line State – состояние, используемое для переходов между Next State и Signal State. Когда станция готова к приему информации, она посылает своему соседу последовательность символов Idle. Если станция А первой перешла в Next State, она будет посылать символы Idle станции В. Станция В перейдет в Signal State. Этот особый обмен информацией завершится использованием символов Halt и Master с помощью которых станция кодирует тип своего порта.

Link Confidence Test – тест на “доверие” физическому соединению. Этот тест выполняется как без привлечения MAC (на уровне посылки символов), так и с его использованием. В последнем случае проверяется пересылка маркера и кадров, а также средства восстановления МАС-уровня. Успешное прохождение тестов переводит станцию в состояние Join State.

Join State обеспечивает совместный перевод станций в активное состояние (Active State) через цепочку промежуточных состояний.

Когда станции переходят в активное состояние, конфигурация внутренних связей изменяется и принимает вид, изображенный на рис. 19. Далее начинается инициализация кольца.

Инициализация кольца

Во время инициализации кольца определяется станция, передающая первый маркер, и время обращения маркера OTRT (Operational Token Rotation Time).

Каждая станция имеет определенные требования к частоте получения маркера доступа, которые фиксируются предустановленным значением ее таймера TRT (Token Rotation Timer). По всему кольцу выбирается станция с минимальным значением TRT, которое объявляется целевым TTRT (Target Token Rotation Time). Станция с минимальным TRT выигрывает право на передачу первого маркера.

Розыгрыш этого права начинается с того, что каждая станция генерирует кадр Claim Frame, содержащий ее адрес и значение TRT. Каждая станция сравнивает свое значение ТРТ с указанным в приходящем кадре. Если ее TRT меньше, то вместо принятого кадра станция посылает свой, в противном случае кадр транслируется дальше. В итоге в кольце останется только кадр с минимальным TRT, значение которого станет операционным временем оборота T_0PR.

Станция, выигравшая это состязание (получившая кадр с собственным адресом), посылает кадр с предложением значения T_OPR. До получения этого кадра использование кольца ограничено. Получив кадр с T_OPR, станции устанавливают это значение в свои TRT (единое значение для кольца). По завершении этого процесса победившая станция выпускает неограниченный маркер (nonrestricted token).

Во время следующего оборота маркера станции суммируют свои потребности в полосе пропускания для синхронного трафика. Суммарная полоса делится между всеми станциями, а остаток отдается для асинхронных передач.

Реконфигурирование кольца

Все станции следят за активностью сигналов на своих портах. Если станция обнаружила отсутствие входного сигнала (разрыв кольца), то она инициирует процесс самовосстановления посылкой МАС-кадров-бакенов (beaconing), в адрес своего передающего соседа (он ей известен). Станция на другом конце обрыва, получив бакен на свой адрес, отключается от кольца и выполняет самотестирование. Если самотестирование прошло успешно, она включается в кольцо. Если станция, посылающая бакены, так и не получает этот кадр по кольцу, она отключается от кольца и выполняет самотестирование. Если самотестирование прошло успешно, она включается в кольцо и переконфигурируется так, чтобы обеспечить замкнутый контур, используя резервное кольцо. То же делает станция и на другом конце обрыва, в результате чего кольцо сворачивается. Если крайним станциям удастся установить прямую связь друг с другом, то они восстановят первоначальную конфигурацию.

Если в кольце происходит более одного отказа (на несмежных участках), то оно разобьется на два и более несвязанных свернутых колец. Когда же отказавшие элементы будут восстановлены, возникнут условия для их обратного воссоединения.

Статьи к прочтению:

Интерфейсы на практике

Похожие статьи: