Распределенный интерфейс передачи данных (FDDI)

Одной из самых старых и эффективных технологий локальных сетей является распределенный интерфейс передачи данных по волоконно-оптическим каналам (Fiber Distributed Data Interface - FDDI). Технология FDDI была стандартизована в спецификации ANSI X3T10.5 в середине 80-х годов. В то время только начинали появляться высокопроизводительные рабочие станции UNIX, для которых нужны были более высокоскоростные сети, чем существовавшие в то время. Это и послужило для организации ANSI толчком к разработке спецификации соответствующей локальной сети.

FDDI является протоколом с передачей маркера, подобным Token Ring и использует либо топологию «двойное кольцо», либо топологию «звезда». В отличие от Token Ring, в котором сетевое кольцо является логическим, а не физическим, изначальная спецификация FDDI предназначалась для систем, действительно замкнутых кабелем в кольцо. Однако в рассматриваемом случае - это уже двойное кольцо. Двойное кольцо (double ring), также называемое магистральным кольцом (trunk ring), состоит из двух отдельный колец - основного или первичного (primary) и дополнительного (secondary), по которым трафик движется в противоположных направлениях, обеспечивая отказоустойчивость. Длина двойного кольца может достигать 100 км, и рабочие станции могут быть расположены на расстоянии до 2 км.

Рабочие станции, присоединенные к обоим кольцам, называются станциями с двойным подключением (DASs, dual attachment stations). В случае обрыва кабеля или неисправности узла трафик перенаправляется в дополнительное кольцо и распространяется в противоположном направлении, сохраняя возможность доступа к данным любой другой системы сети. Кольцо FDDI, работающее в описанном режиме, называется свернутым кольцом (wrapped ring). Исправно функционирующая в обоих режимах сеть FDDI изображена на рис. 23.

Рис. 23. Нормально функционирующее двойное кольцо FDDI (слева) и

свернутое кольцо (справа)

В случае свернутого кольца, если возникнет повреждение во втором кабеле, сеть распадется на два изолированных кольца, и взаимодействия в ней будут прерваны. Вдобавок, свернутое кольцо менее эффективно, чем полнофункциональное кольцо, поскольку трафик вынужден пройти дополнительное расстояние для достижения места назначения, поэтому рассмотренный резервный режим - только временная мера до тех пор, пока неисправность не будет устранена.

FDDI также может использовать топологию «звезда», в которой рабочие станции присоединяются к концентратору, называемому концентратором с двойным подключением (DAC, dual-attachment concentrator). Концентратор может быть стоящим отдельно или присоединенным к двойному кольцу, формируя топологию, которая иногда именуется «двойным кольцом деревьев» (dual ring of trees). Рабочие станции, напрямую скоммутированные с концентратором, являются станциями с одиночным подключением (SASs, single-attachment stations). Они присоединяются только к основному кольцу и не могут пользоваться услугами, предоставляемыми сворачиванием кольца.

Спецификации FDDI определяют четыре типа портов, предназначенных для подключения рабочих станций к сети. Они перечислены ниже:

· А - для присоединения DAS к дополнительному кольцу;

· В - для присоединения DAS к основному кольцу;

· М - порт DAC для соединения с SAS;

· S - для подключения SAS к порту М концентратора.

Станции и концентраторы с двойным подключением имеют порты А и В, используемые для соединения этих устройств в двойное кольцо. Сигналы из основного кольца входят через порт В и выходят через порт А, в то время как сигналы из дополнительного кольца входят через порт А и выходят через В. Станции с одиночным подключением имеют один порт S, который связывает их с основным кольцом только через порт М концентратора с двойным подключением.

Компьютеры DAS, присоединенные непосредственно к двойному кольцу, функционируют как повторители, то есть восстанавливают сигналы во время передачи каждого пакета в остальную сеть. Однако если станция не оборудована обходным переключателем, то в состоянии, когда система выключена, она не передает пакеты дальше и сеть сворачивается. Во избежание подобной ситуации используются обходные переключатели (bypass switch), реализуемые либо как часть платы сетевого адаптера, либо как отдельно взятые устройство, позволяющие входным сигналам проходить через станцию и попадать в остальную сеть.

Функции DAC более напоминают MAU сети Token Ring с тем отличием, что они формируются как логическое кольцо, в то время как сеть FDDI использует топологию «звезда». И хотя DAC присоединен к основному и дополнительному кольцам, порты М связывают рабочие станции только с основным кольцом. Таким образом, несмотря на то, что сам DAC пользуется преимуществами отказоустойчивости двойного кольца, обрыв кабеля, соединяющего рабочую станцию и DAC, отключает ее от сети.

Функции, выполняемые протоколом FDDI, разбиты на четыре отдельных уровня.

· Уровень, зависящий от среды передачи данных (PMD, Physical Media Dependent). Подготавливает данные для передачи через определенный тип сетевой среды передачи данных.

· Физический уровень (PHY, Physical). Кодирует и декодирует данные пакета в формат, подходящий для передачи через сетевую среду, и отвечает за тактовые импульсы и синхронизацию кольца.

· Уровень управления доступом к среде (MAC, Media Access Control). Формирует пакеты FDDI, применяя кадр, содержащий адресные данные, данные планирования и маршрутизации, а затем осуществляет доступ к сетевой среде.

· Уровень управления станциями (SMT, Station Management). Обеспечивает функции управления для кольца FDDI, включая добавление и удаление станций из кольца, выявление отказов и переконфигурацию, определение соседей и сбор статистики.

Уровень, зависящий от среды передачи данных (PMD), отвечает за физические компоненты, имеющие отношение к передаче данных через определенный тип сетевой среды. Изначально технология FDDI была ориентирован на применение многомодового оптоволоконного кабеля с толщиной волокна 62,5/125 микрон, хотя кабели с другим диаметром сердечника и оболочки, такие как 50/125, 80/125 и 100/140, также допустимы. Наряду с этими кабелями можно было использовать одномодовый оптоволоконный кабель с диаметром сердечника от 8 до 10 микрон и диаметром оболочки 125 микрон, что позволяло увеличить расстояние между двумя рабочими станциями до 40-60 км. В последующем был принят стандарт TP-PMD, нацеленный на применение стандартной неэкранированной витой пары (UTP) категории 5 или экранированной витой пары (STP) Type 1. В обоих случаях максимальное расстояние, на которое может быть проложен кабель, составляет 100 м. Кабель «витая пара» обычно применяется для подключения SAS к концентратору, а для магистрали используется оптоволоконный кабель.

В оригинальных стандартах FDDI физический уровень (PHY) отвечает за кодирование и декодирование пакетов, сформированных уровнем MAC, в передаваемые по кабелю сигналы. FDDI использует схему кодирования, которая называется NRZI 4B/5B (Non-Return to Zero Inverted, кодирование без возврата к нулю с инверсией). Она в значительной степени более эффективна, чем манчестерское и разностное манчестерское кодирование, применяемые в Ethernet и Token Ring. Однако стандарт TP-PMD применяет иную схему кодирования, называющуюся MLT-3 (Multi-Level Transition, многоуровневый переход), в которой сигнал представляется тремя значениями уровня потенциала сигнала, вместо двух, принятых в NRZI 4B/5B.

Уровень управления доступом к среде (MAC) принимает протокольные блоки данных (PDU) размером до 9000 байт от протокола Сетевого уровня и формирует пакеты размером до 4500 байт, инкапсулируя данные внутрь кадра FDDI. Этот уровень также отвечает за согласованный доступ к среде передачи данных, объявляя и формируя маркеры.

В отличие от Ethernet и большинства других протоколов Канального уровня, FDDI имеет встроенные в него возможности мониторинга и управления рабочими станциями. Уровень управления рабочими станциями (SMT) отвечает за обслуживание кольца и диагностику операций в сети, таких как: инициализация станции, добавление и удаление станции, управление соединением, управление конфигурацией, локализация неисправности и устранение, планирование сетевой политики, сбор статистических данных.

Большинство пакетов, передаваемых станцией FDDI, - это кадры данных. Кадр данных может переносить данные протокола Сетевого уровня, MAC-данные, используемые при объявлении маркера или данные управления станциями. Кадры FDDI содержат информацию, преобразованную в символы. Символ (symbol) - это 5-битовая двоичная последовательность, которую схема кодирования NRZI 4B/5B формирует для передачи 4-битового значения. Таким образом, два символа эквивалентны одному байту.

Кадр данных состоит из следующих полей:

· Поля преамбулы длиной в восемь октетов, обозначающего начало кадра.

· Начального ограничителя начала кадра длиной в один октет, обозначающего начало содержимого кадра.

· Поля управления кадром длиной в один октет, определяющего тип кадра: маркер, MAC или LLC, кадр приоритета и т.п.

· МАС-адреса предполагаемого получателя длиной шесть октетов.

· МАС-адреса отправителя длиной шесть октетов.

· Поля данных переменной длины (максимальный размер ограничен 4478 октетами).

· Контрольной последовательности кадра длиной в четыре октета, используемой для проверки целостности кадра.

· Конечного ограничителя длиной в пол-октета (четыре бита).

· Поля статуса кадра длиной в три октета, которое в свою очередь, состоит из трех подполей по одному октету: Error (ошибка), Address-match (соответствие адресу) и Copied (копия). Каждое поле может принимать значение "S" (Set - истина) или "R" (Reset - ложь).

FDDI применяет передачу маркера для своего механизма управления доступом к среде передачи данных, подобно протоколу Token Ring. Специальный пакет, называющийся маркером (token), циркулирует вокруг сети, и только системе, обладающей маркером, дозволено передавать данные. Дополнительная возможность, в терминологии Token Ring получившая название раннего освобождения маркера (early token release) и позволяющая системе отправить в сеть новый маркер сразу после передачи своего последнего пакета, для сети FDDI является стандартной. Системы FDDI также могут передавать несколько пакетов, прежде чем освободить маркер для следующей станции. Кадр маркера FDDI состоит из следующих четырех полей:

· поля преамбулы длиной в восемь октетов, обозначающей начало кадров;

· начального ограничителя кадра длиной в один октет, обозначающего начало содержимого кадра;

· поля управления кадром длиной в один октет, определяющего тип кадра, например, маркер, MAC или LLC, кадр приоритета и т.п.;

· конечного ограничителя длиной в пол-октета (четыре бита).

Аналогично Token Ring, FDDI использует кадры для выполнения функций управления станциями (Station Management - SMT). Основными кадрами SMT являются:

· кадр объявления (Claim Frame - CF) для захвата канала связи;

· эхо-кадры (Echo Frames - ECF) для тестирования отражения;

· кадры сбора информации о соседних устройствах (Neighbor Information Frames - NIF);

· кадры статуса (Status Information Frames - SIF);

· кадры сообщений о статусе (Status Reporting Frames - SRF);

· кадры отклоненного запроса (Request Denied Frames - RDF);

· кадры управления параметрами (Parameter Management Frames - PMF) для обеспечения удаленного доступа к другим станциям.

В сочетании вышеперечисленные кадры позволяют множеству протоколов управления SMT поддерживать нормальный режим функционирования сети FDDI.

FDDI-II - следующий за FDDI стандарт, который был разработан с той целью, чтобы обеспечить более оптимальную форму выделения полосы пропускания, чем режим синхронного кольца оригинального стандарта FDDI. FDDI-II предназначен для сетей, которые требуют повышенной производительности для приложений реального времени, таких как потоковое аудио и видео. По существу, FDDI-II - это технология коммутации каналов, в которой существующая полоса пропускания может быть разделена на 16 каналов различной емкости. После чего определенному приложению может быть назначен выделенный канал между клиентом и сервером, обеспечивающий соответствующую постоянную пропускную способность. FDDI-II никогда не имел значительного рынка в основном из-за того, что технология требует, чтобы все системы в сети работали с оборудованием FDDI-II. Если в кольце присутствуют какие-либо станции стандартного FDDI, то все системы сети будут работать в стандартном FDDI-режиме.