|
8 ЛОКАЛЬНІ МЕРЕЖІ TOKEN RING, FDDI, FIBER CHANNEL, APPLETALK
8.1 Локальна мережа Token Ring
Локальна мережа Token Ring (TR) - це мережа кільцевої топології з ретрансляцією та маркерним методом доступу, її автор - шведський інженер Олаф Содерблом. У 1985 році прийнято стандарт ІЕЕЕ 802.5 для мережі Token Ring. Є два варіанти цієї мережі - зі швидкостями передавання 4 Мбіт/с (IEEE 802.5) або 16 Мбіт/с (IEEE 802.5r). В 1998 р. компанією IBM розроблено і затверджено IЕЕЕ стандарт - IЕЕЕ 802.51 мережі TR зі швидкістю 100 Мбіт/с. Варіант технології Token Ring – High Speed Token Ring (HSTR) підтримує швидкості 100 та 155 Мбіт/с. Розробляють варіант і на 1000 Мбіт/с. Порівняно з мережею Ethernet Token Ring посідає друге місце за використанням. Мережа Token Ring значно складніша ніж Ethernet як технічно, так і за алгоритмами та процедурами функціонування. Адаптери Token Ring у три-п'ять разів дорожчі, ніж адаптери Ethernet. Водночас Token Ring ефективніше працює в разі великих навантажень (у цьому випадку Ethernet може використовувати до 30-40% від номінальної пропускної здатності, a Token Ring - 90%). Логічна топологія Token Ring – «кільце» (рисунок 8.1). Окремі станції через свої мережні адаптери NIC (Network Interface Card) з'єднані з двома сусідніми. В адаптерній платі є кілька мікросхем, які виконують програмні функції керування передаванням даних у мережі. Комплект програм адаптерної плати називають агентом. Агент безпосередньо взаємодіє з протоколом сеансового рівня NETBIOS. Адаптерна плата фізично приєднана до пристроїв багатостанційного доступу (Multistation Access Unit (MAU, MSAU )) через спеціальний абонентський кабель (lobe cable), створюючи зіркову топологію. Пристрої MAU мають по кілька роз'єднувачів для приєднання станцій і по два для приєднання у кільце. Якщо роз'єднувач станції порожній, то контакт у MAU замкнений і кільце замкнене. У випадку приєднання станції до MAU роз'єднувач розмикається і станція "потрапляє" у кільце. MAU також з'єднані між собою. Для передавання даних використовують 4 - проводову лінію (одне кільце резервне). MSAU мають також окремі роз’єми для сполучення декількох концентраторів в одне велике кільце.
Рисунок 8.1 – Топологія мережі Token Ring
8.1.1 Топологічна структура й алгоритм функціонування
Максимальне кількість станцій в кільці – 260 (IBM Token Ring, кабель STP) и 72 (IBM Token Ring, кабель UTP). Максимальна довжина кільця - 4000 м. У мережі Token Ring реалізовано маркерний метод доступу для мереж з ретрансляцією. Маркер – трибайтний (рисунок 8.2) кадр, що циркулює кільцем. Станція, яка одержала маркер, усуває його з мережі і передає свій інформаційний кадр, який робить повне коло мережею та повертається до станції, що його передавала. Ця станція усуває інформаційний кадр з мережі і передає маркер в кільце. Замість інформаційного LLC-кадру може бути переданий службовий МАС-кадр.
8.1.2 Адресація, типи та структура кадрів
Є у мережах Token Ring такі три типи адрес: - індивідуальна – унікальна для кожної станції мережі; - групова. Одна або кілька станцій об'єднані в групу. Їх адресують циркулярними повідомленнями для всіх членів групи; - функційна. У мережі є станції, які виконують конкретні передбачені для них функції. Деякі з них мають фіксовані адреси (сервер звітів про конфігурації, монітор помилок кільця, сервер параметрів кільця, тощо). Кожна станція мережі Token Ring має індивідуальну адресу.
8.1.3 Маркерний метод доступу
Token Ring – це технологія локальної мережі з передачею маркера. У таких мережах циркулює (передається станціями одна одній в певному порядку) спеціальний блок даних – маркер (token). Станція, що прийняла маркер, має право передавати свої дані. Для цього вона змінює в маркері один біт (“маркер зайнятий”), додає до нього свої дані і передає в мережу (наступній станції). Станції передають такий кадр далі по кільцю, аж поки він не досягне одержувача, який скопіює з нього дані і передасть далі. Коли відправник отримує свій кадр, що зробив з даними повне коло, він його відкидає і/ або передає новий кадр даних (якщо не закінчився максимальний час володіння маркером), або змінює біт зайнятості маркера на “вільний” і передає маркер далі по кільцю. Протягом всього часу володіння маркером, до і після передачі свого кадру, станція повинна видавати заповнюючу послідовність (fill sequence) – довільний набір 0 і 1. В такий спосіб підтримують синхронізацію та контроль за обривом кільця. Основний режим роботи адаптера – повторення: передавач побітно видає дані, що поступили до приймача. Коли у станції є кадр для передачі і прийнято вільний маркер, станція переходить в режим передавання, бітовий потік, що при цьому поступає через приймач, аналізується на службові кадри і /або (якщо виявлений службовий кадр) ініціюється переривання (припинення передачі свого кадру і видача кадру переривання), або прийняті дані відкидаються. У мережах Token Ring 4 Мбіт/с станція звільняла маркер тільки після повернення її кадру даних. Мережі Token Ring 16 Мбіт/с використовують алгоритм раннього звільнення маркеру (Early Token Release): маркер передається в кільце відразу після закінчення передачі кадру даних. При цьому по кільцю одночасно передається декілька кадрів даних, але генерувати їх в кожен момент часу може тільки одна станція – та, що володіє у цей момент маркером. За правильною роботою мережі стежить активний монітор (Active Monitor, AM), вибраний під час ініціалізації кільця як станція з максимальною MAC-адресою. У разі відмови активного монітора, проводяться вибори нового (всі станції в мережі, окрім активного монітора, вважаються резервними моніторами (Standby monitor)). Основна функція активного монітора – контроль наявності єдиного маркера в кільці. Монітор випускає в кільце маркер і видаляє кадри, що пройшли більше одного оберту кільцем. Щоб повідомити інші станції про себе, активний монітор періодично передає службовий кадр AMP. Якщо за деякий час (достатній для обороту маркера по кільцю) маркер не повернеться до активного монітора, він вважається загубленим, і активний монітор генерує новий маркер. На режим передачі кадрів впливають визначені в стандарті максимальні інтервали часу, за дотриманням яких стежать спеціальні таймери в мережевих адаптерах (приведені значення за умовчанням, адміністратор мережі може їх змінювати): - час утримання маркера (Token Holding, THT) – 8,9 мс; після закінчення цього інтервалу станція повинна припинити передачу своїх даних (поточний кадр можна передати) і звільнити маркер; за час утримання маркера станція може передати декілька (невеликих) кадрів; - допустимий час передавання кадру (Valid Transmission, TVX) – 10 мс; максимальний час, в який повинна укластися передача одного кадру; контролюється активним монітором; - час очікування вільного маркера (No Token, TNT) – 2,6 с; час очікування вільного маркера активним монітором; якщо за цей час маркер не з'явиться, активний монітор виконує процедуру очищення кільця і генерує новий маркер; - період посилки AMP (Active Monitor, TAM) – 7 с; - час очікування AMP (Standby Monitor Detect AMP, TSM) – 16 с; якщо за цей інтервал не надійшло жодного кадру AMP, ініціюються вибори нового активного монітору з числа резервних.
8.1.4 Формати кадрів Token Ring
Для мережі Token Ring визначено три типи кадрів (рисунок 8.2):
Рисунок 8.2 – Формати кадрів Token Ring
Поле SD (Starting Delimiter, початковий обмежувач) указує на початок кадру і має значення JK0JK000 в манчестерському коді. Поле ED (Ending Delimiter, кінцевий обмежувач) має значення JK1JK1IE, де біт I (Intermediate, проміжний) указує, чи є кадр проміжним в послідовності кадрів (I=1) або останнім/ єдиним (I=0), а біт E (Error, помилка) указує на виявлену помилку (E=1). Поле AC (Access Control, управління доступом) має формат PPPTMRRR, де біти PPP (Priority, пріоритет) містять пріоритет маркера, біт T (Token, маркер) відрізняє вільний маркер (T=1) від кадру даних (T=0), біт M (Monitor, монітор) використовується для розпізнавання кадрів, що здійснили більш одного оберту кільцем: монітор встановлює M=1 у всіх кадрах (решта станцій встановлює M=0), що проходять через нього, а кадри з M=1 повинні видалятися монітором. Біти RRR (Priority reservation, резервування) несуть пріоритет станції, яка хоче захопити маркер. Поле FC (Frame Control, управління кадром) має формат FFZZZZZZ. Біти FF визначають тип кадру: 00 – кадр службових даних (MAC-кадр); 01 – кадр даних користувача (LLC-кадр);10, 11 – резерв. Біти ZZZZZZ використовуються LLC-кадрами для зберігання інформації про пріоритет кадру рівня LLC. MAC-кадри в цих бітах зберігають свій тип. IEEE 802.5 визначає 25 типів MAC-кадрів, серед яких 6 основних: - CT (Claim Token, заявка на створення маркера) – відправляється резервним монітором при підозрі про відмову активного монітора; - DAT (Duplicate Address Test, тест на дублювання адреси) – відправляється станцією при підключенні до кільця для перевірки унікальності своєї адреси; - AMP (Active Monitor Present, присутній активний монітор) – регулярно (раз за 7 с) відправляється активним монітором для підтвердження своєї присутності; - SMP (Standby Monitor Present, присутній резервний монітор) – відповідь на кадр AMP; - BCN (Beacon, бакен) – відправляється станцією, що виявила мережну проблему ("тишу", "нескінченний потік", тощо); - PRG (Purge, очищення) – сигнал від активного монітора про очищення кільця від всіх кадрів. Поле DA (Destination Address, адреса призначення) має структуру, подібну до структури адреси в стандарті IEEE 802.3. Старший біт адреси визначає одержувача: 0 – індивідуальний (одна станція), 1 – груповий. Другий біт адреси визначає спосіб призначення адреси: 0 – глобальна (універсальна, зашита в ПЗП адаптера), 1 – локальна. Решта біт використовується для вказівки адреси станції, кільця або одержувачів. Поле SA (Source Address, адреса джерела) має той же формат, що і адреса призначення, за винятком старшого біта. У адресі джерела старший біт називається RII (Routing Information Indicator) і указує (якщо RII=1) на наявність даних в полі RI. Поле RI (Routing Information, маршрутна інформація), якщо використовується (RII=1), містить послідовність (двобайтових) адрес сегментів на шляху до одержувача. Дані цього поля керують роботою мостів в режимі маршрутизації від джерела. Поле Info містить або дані користувача (кадр LLC), або службові дані, які визначені типом кадру (кадр MAC). Стандарт не обмежує розмір цього поля. Для 4 Мбіт/с максимальний розмір кадру зазвичай встановлюється в 4 Кбайт, а для 16 Мбіт/с – в 16 Кбайт. Мінімальний розмір поля даних не визначений. Поле FCS (Frame Check Sequence, контрольна сума) зберігає 4-байтний CRC-код для всіх полів з FC по Info включно. Поле FS (Frame Status, статус кадру) має формат AСrrACrr. Біти rr резервовані і не використовуються, решта біт дублюється для надійності. Біт A (Address Recognized, адреса розпізнана) указує на те, що одержувач кадру присутній в кільці, а біт C (Frame Copied, кадр скопійований) указує на те, що приймач скопіював кадр у власний буфер. Мережі Token Ring гарантують, що кожна станція отримуватиме право на передачу даних не рідше, ніж раз у встановлений інтервал часу. Крім того, використовується система пріоритетів, що дозволяє деяким станціям користуватися мережею частіше за інших. Для цього в кадрі Token Ring виділено два поля: поле пріоритету і поле резервування. Всього рівнів пріоритету вісім: від нижчого (0) до вищого (7). Станція може захопити маркер тільки в тому випадку, якщо пріоритет кадру, який вона збирається передати, не нижче за пріоритет маркера (бітів PPP поля AC). Технологія Token Ring дозволяє використовувати для магістральних і радіальних кабелів скручені пари (UTP або STP) або оптоволокно. Відстань між пасивними концентраторами може досягати 100 м (STP Type 1) і 45 м (UTP Category 3), а між активними – 730 м і 365 м відповідно. Використання оптоволокна збільшує максимальну довжину кожного сегменту до 1 км.
8.2 Технологія FDDI
FDDI (Fiber Distributed Data Interface, оптоволоконний інтерфейс розподілення даних) розробили фахівці ANSI. З погляду топології мережа FDDI є подвійним волоконно-оптичним кільцем (друге кільце резервне). Швидкість передавання інформації становить 100 Мбіт/с. Кожне кільце FDDI має довжину до 100 км. Відстань між вузлами мережі на MMF- кабелі до 2.5 км, на SMF - кабелі до 45-60 км. Максимальна кількість станцій мережі – 1000 ( 500 на одне кільце). У нормальному режимі дані передаються тільки одним кільцем – первинному (primary). Вторинне (secondary) кільце використовується у разі відмови частини первинного кільця. По первинному і вторинному кільцях дані передаються в протилежних напрямах, що дозволяє зберегти порядок вузлів мережі при підключенні вторинного кільця до первинного. У разі декількох відмов, мережа FDDI розпадається на декілька окремих працюючих мереж (рисунок 8.3).
Рисунок 8.3 – Здатність до відновлення мережі FDDI: а – нормальний режим; б – одна відмова, в – подвійна відмова
Технологія забезпечує передачу синхронного і асинхронного трафіку: синхронний трафік передається завжди, незалежно від завантаженості кільця, асинхронний трафік може довільно затримуватися. Кожній станції виділяється частина смуги пропускання, в межах якої станція може передавати синхронний трафік. Частина смуги пропускання кільця, що залишається, використана під асинхронний трафік. Мережі FDDI не визначають пріоритетів для кадрів, будь-який пріоритетний трафік повинен передаватися, як синхронний, а решта даних – асинхронно. FDDI використовує маркерний метод доступу, близький до методу доступу мереж Token Ring. Основна відмінність – в плаваючому значенні часу утримання маркера для асинхронного трафіку: при невеликому завантаженні мережі час утримання росте, а при перевантаженнях – зменшується. Під час ініціалізації кільця вузли домовляються про максимально допустимий час оберту маркера по кільцю T_Opr. Для синхронного трафіку час утримання маркера не змінюється. Для передачі синхронного кадру вузол завжди має право захопити маркер, що проходить, і утримувати його в перебігу заздалегідь заданого фіксованого часу. Якщо вузол хоче передати асинхронний кадр, він повинен зміряти час обороту маркера (Token Rotation Time, TRT) – інтервал між двома проходженнями маркера через нього. Якщо кільце не переобтяжене (TRT<T_Opr), то вузол може захопити маркер і передати свій кадр (або кадри) в кільце, при цьому допустимий час утримання маркера THT = T_Opr - TRT. Якщо кільце переобтяжене (TRT>T_Opr), то вузол не має права захоплювати маркер. FDDI використовує алгоритм раннього звільнення маркера, внаслідок чого в кільці одночасно може просуватися декілька кадрів (маркер завжди один). Формат кадру FDDI дуже близький до формату кадру Token Ring, за винятком полів пріоритету. Стандарт FDDI визначає чотири компоненти: - MAC (Media Access Control), що зазначає формати кадрів, маніпуляції з маркером, адресацію, обробку помилок при логічних відмовах (відповідає канальному рівню моделі OSI); - PHY (Physical) виконує фізичне і логічне кодування і декодування, синхронізацію і кадрування; - PMD (Physical Medium Dependent) визначає властивості оптичних або електричних компонентів, параметри ліній зв'язку (PMD і PHY відповідають фізичному рівню OSI); - SMT (Station Management) виконує всі функції по управлінню і контролю роботи решти компонентів, визначає конфігурацію вузлів і кілець, процедури підключення/відключення, ізоляцію елементів, що відмовили, забезпечує цілісність кільця (підключаючи вторинне кільце при відмові первинного). Середовищем передавання у FDDI є багатомодове оптоволокно (MMF-PMD, з довжиною сегменту до 2 км.), або одномодове оптоволокно (SMF-PMD), або скручені пари категорії 5 чи екранована скручена пара STP Type 1 (TP-PMD). Всі оптоволоконні варіанти FDDI використовують довжину хвилі 1300 нм. Водночас є розробки цієї мережі для роботи з мідним дротом- SDDI та CDDI (Copper Distributed Data Interface ) або TPDDI (Twisted Pair Distributed Data Interface ). SDDI підтримує передавання даних екранованою скрученою парою (STP). Максимальна відстань передавання – 100 м. CDDI передбачає використання як екранованої, так і неекранованої скрученої парі. FDDI використовує окремі лінії для передачі і прийому сигналів. Логічне кодування – 4B/5B. Фізичне кодування при використанні оптоволокна – NRZI, при використанні скрученої пари – MLT-3. У мережі FDDI використано схему кодування, яка кодує 4-бітові комбінації даних у 5-бітові комбінації світлових імпульсів так, що для передавання даних зі швидкістю 100 Мбіт/с реалізована швидкість передавання сигналів 125 Мбод. На відміну від мережі Token Ring, у FDDI маркер передається відразу після передавання кадру станції, без очікування на повернення кадру кільцем. FDDI не використовує полів пріоритету та механізму резервування Token Ring. Натомість кожна станція класифікована як асинхронна (що не ставить жорстких вимог до часу доступу) і синхронна (яка ставить такі вимоги). Структура маркера мережі FDDI показана на рисунку 8.4. Зміст полів SD, FC, ED, FS відповідає змісту однойменних полів для мережі Token Ring.
Рисунок 8.4 – Кадр маркеру
Структура інформаційного кадру зображена на рисунку 8.5, а структура FC-поля – на рисунку 8.6.
Рисунок 8.5 – Кадр даних
Мережу FDDI найчастіше використовують для побудови магістральних мереж. Робочі станції, зазвичай, приєднані до портів концентраторів FDDI. Від'єднання будь-якої станції не спричинює зупинки в роботі мережі.
Рисунок 8.6 – FC-поле кадру даних
8.3 Волоконно-оптичний канал (Fiber Channel)
Fiber Channel (FC) - стандарт швидкісного передавання даних, який розроблений ANSI за підтримки IBM та HP. Це швидкісна мережа з дуплексним передаванням даних на відстань до 10 км. Середовищем передавання, крім волоконно-оптичного кабелю, можуть бути скручена пара та коаксіальний кабель. Швидкість передавання досягає 125 Мбайт/с. В наш час стандарт FC застосовують у мережах зберігання даних SAN. Набір протоколів FC відповідає моделі OSI (рисунок 8.7). Рівень FC-0 визначає інтерфейси приєднання до різноманітних середовищ передавання, FC1 - методи кодування та декодування. Найчастіше використовують кодування 8В10В (до кожних 8 вхідних біт додають 2). Рівень FC-2 виконує головні функції з налагодження та підтримки логічного каналу, а також забезпечує дотримання вибраних сервісних класів обслуговування. Рівень FC-3 визначає спеціальні процедури, такі як підтримка RAID-дисків та ін. Рівень FC-4 забезпечує відображення форматів і роботу технології з іншими технологіями зв'язку та протоколами.
Рисунок 8.7 – Набір протоколів FC
Для Fibre Channel визначено три топології (рисунок 8.8): - двопунктова, - арбітражна петля, - комутована структура.
Рисунок 8.8 – Топології FC: а – двопунктова; б – арбітражна петля; в – комутована
У двопунктовому з'єднанні два пристрої сполучені двома каналами, що передають дані в різних напрямах. Арбітражна петля має кільцеву топологію. До кільця можна приєднати до 127 пристроїв. У кожен момент часу працює тільки одна ланка передавання у кільці. У випадку конкуренції за доступ до мережі відбувається процедура арбітражу, у якій перемагає станція з найменшою адресою. Комутована структура використовує для приєднання комутатори. До такого комутатора можна приєднати до 16 млн. пристроїв з різними швидкостями та середовищами передавання. Одночасно можливе передавання у багатьох сполученнях. Fibre Channel підтримує 7 класів сервісу на рівні комутаторів FС без додаткових налаштувань. Головними є класи сервісів 1, 2, 3. Клас 1 визначає послугу сполучення з гарантованим доправлянням. Сполучення є призначеним, під час його дії інші пристрої не можуть зв'язатися з задіяними портами. Клас 1 найбільше придатний для передавання великих обсягів даних, наприклад, для резервного копіювання. Клас 2 надає послугу з передавання без налаштування сполучення, проте з гарантованим доставлянням. Кожен кадр комутується незалежно від інших і може передаватися різними шляхами. Клас 2 стосується нерегулярних потоків локальних мереж. Клас 3 подібний до класу 2, проте не гарантує доставляння. Він підходить для багатоадресного розсилання. Інші класи не вважаються самостійними, а є підвидами головних класів. Технологія Fiber Channel, колись розроблена для передавання даних між головними комп'ютерами (мейнфреймами), нині перш за все використовується у мережах пристроїв зберігання даних (SAN).
8.4 Архітектура локальних мереж AppleTalk
Мережну архітектуру AppleTalk застосовують у локальних мережах комп'ютерів Macintosh. Ця архітектура багато в чому несумісна з архітектурою мереж персональних комп'ютерів та інших мережевих архітектур. За багатьма технічними параметрами архітектура Appletalk значно поступається передовим мережевим технологіям. Комп'ютери Macintosh випускають з вбудованим мережевим інтерфейсом LocalTalk. Кабельна система побудована на екранованій скрученій парі і дає змогу передавати дані зі швидкістю до 230.4 Кбіт/с відповідно до стандарту RS-422. Смуга пропускання кабелю розрахована на роботу тільки 25 користувачів. Топологія мережі – шина (моноканал). Метод доступу CSMA/CА (Collision Avoidance), МДКН/УК- множинний доступ з контролем носія/з унеможливленням колізій. Станція, що планує передавання кадру, прослуховує канал і якщо канал вільний протягом 400 мс, то станція чекає деякий випадковий проміжок часу і надсилає на станцію-одержувач кадр Запит на передавання (СТS). У випадку, коли одержувач відповідає кадром Готовності до приймання (RTS), станція-відправник надсилає кадр. Якщо відповіді не одержано, то станція вважає, що була колізія, очікує деякий випадковий час і знову робить спробу передавання. Протокол доступу до каналу, що реалізує цей метод, називають LLAP (Local Talk Link Access Protocol). У першій версії мережі Phase1 адресні поля цього протоколу мали 8 бітів (адреси 1-127 резервовані для станцій, а 128-254 - для серверів). Кадр мав змінну довжину і починався полем прапорця. Для гарантування унікальності прапорця використовували процедуру бітстафінгу (bitstuffing). В AppleTalk Phasel окремі локальні мережі (максимум 32 станції) об'єднані маршрутизатором або шлюзом у мережу. Максимальна кількість приєднаних станцій - 254. У версії Phase2 на адресу виділено 24 біт, що дає змогу адресувати до 16 млн. вузлів. Маршрутизація (AppleTalk Internet Router) дозволяє з'єднувати до 8 сегментів мереж. Водночас мережеві вирішення Phase2 цілком несумісні з Phasel та потребують повної заміни обладнання з великими витратами. Для збільшення швидкості передавання інформації Apple випускає адаптери та драйвери доступу до мереж Ethernet та Token Ring - EtherTalk тa TokenTalk.
|