Сети FDDI
Контрольная работа
Сети FDDI
Содержание
Введение
1. Принцип действия
2. Составляющие стандарта FDDI
3. Типы устройств и портов
4. Оптический обходной переключатель
5.Функция регистрации сигнала уровня PMD
6. Уровень PHY
7. Структура последовательного канала связи и виды кодов
8. Способы кодирования сигнала
9. Особенности кодирование и декодирование в FDDI
10. Особенности кодирования при передаче по витой паре
11. Выделение синхросигнала и данных из канала связи
12. Одноконтурная и двухконтурные схемы выделения синхросигнала
13. Уровень MAC
14. Обзор уровня SMT
15 Построение сетей FDDI
Литература
Введение
FDDI (Fiber Distributed Data Interface) - это набор сетевых стандартов, ориентированных на передачу данных по ВОЛС со скоростью 100 Мбит/с. Основная часть спецификаций стандарта FDDI была разработана проблемной группой ХЗТ9.5 (ANSI – American Nation Standards Institute) во второй половине 80-х годов и стал первым для линий, использующих в качестве среды передачи ОВ.
В настоящее время большинство сетевых технологий поддерживают волоконно-оптический интерфейс в качестве одного из вариантов физического уровня, но FDDI остается наиболее отработанной высокоскоростной технологией, стандарты на которую прошли проверку временем и устоялись, а оборудование различных производителей показывает хорошую степень совместимости [1, 2, 3].
При разработке технологии FDDI в качестве наиболее приоритетных ставились следующие цели:
- Повышение битовой скорости передачи данных до 0,1 Гбит/с;
- Повышение отказоустойчивости сети за счет стандартных процедур восстановления ее после отказов различного рода - повреждения кабеля, некорректной работы сетевого узла, возникновения высокого уровня помех на линии и т.п.;
- Максимально эффективное использование потенциальной пропускной способности сети как для асинхронного, так и для синхронного трафиков.
Технология FDDI во многом основывается на технологии Token Ring, развивая и совершенствуя ее основные идеи. Основные отличия протокола FDDI от Token Ring связаны с требованиями, которые необходимы для поддержки большой скорости передачи информации, больших расстояний и возможности наряду с асинхронной передачей данных вести синхронную передачу, при этом главными в протоколах управления маркером следует считать [4]:
- в Token Ring станция, передающая кадры, удерживает маркер до тех пор, пока не получит все отправленные пакеты. В FDDI же станция выпускает маркер непосредственно за окончанием передачи кадра (кадров);
- FDDI не использует приоритет и поля резервирования, которые Token Ring использует для выделения системных ресурсов.
В табл. 1 указаны основные характеристики сети FDDI.
Таблица 1
|
Скорость передачи
|
0,1 Гбит/с
|
|
Тип доступа к среде
|
маркерный
|
|
Максимальный размер кадра данных
|
4,5 кбайт
|
|
Максимальное число станций
|
500
|
|
Максимальное расстояние между станциями
|
2 км (MMF)
20 км* (SMF)
100 м (неэкранированная витая пара UTP сat. 5)
100 м (экранированная витая пара IBM Type 1)
|
|
Максимальная длина пути обхода маркера
|
200 км
|
|
Максимальная протяженность сети при кольцевой топологии (периметр)
|
100 км* (двойное кольцо FDDI)
|
|
Среда
|
Оптическое волокно (MMS, SMF), витая пара (UTP сat. 5, IBM Type 1)
|
* Некоторые производители выпускают оборудование на расстояние передачи до50 км.
** При указанной длине сеть будет продолжать корректно работать и сохранять целостность при появлении единичного разрыва кольца или при отключении одной из станций кольца (режим WRAP) - при этом длина пути обхода маркера не будет превышать 200 км.
1. Принцип действия
Традиционный вариант сети FDDI строится на основе двойного кольца, световой сигнал по ОВ которых распространяется в противоположных направлениях (рис. 1 а) и каждый узел подключаются на прием и передачу к обоим кольцам. Такая физическая топология обеспечивает повышенную отказоустойчивость сети. При нормальном режиме работы данные идут от станции к станции по одному из колец, которое называется первичным (primary) в направлении против часовой стрелки. Маршрут передачи данных отражает логическую топологию сети FDDI, которая всегда есть кольцо. Все станции, кроме передающей и принимающей, осуществляют ретрансляцию данных и являются сквозными. Вторичное кольцо (secondary) является резервным и в нормальном режиме работы сети для передачи данных не используется, хотя по нему и осуществляется непрерывный контроль за целостностью кольца.
а б
Рис. 1
В случае, когда часть первичного кольца не в состоянии передавать данные (например, обрыв кабеля, выход из строя или отключение одного из узлов), для передачи данных активизируется вторичное кольцо, которое дополняет первичное, образуя вновь единое логическое кольцо передачи данных, рис. 1 б. Этот режим работы сети называется WRAP, то есть "свертывание" кольца. Операция свертывания производится двумя сетевыми устройствами, ближайшими к месту неисправности (поврежденного кабеля, или вышедшей из строя станции/концентратора). Именно через эти устройства происходит объединение первичного и вторичного колец. Таким образом, сеть FDDI может полностью восстанавливать свою работоспособность и целостность в случае единичных отказов ее элементов. При устранении неисправности сеть автоматически переходит в нормальный режим работы с передачей данных только по первичному кольцу.
В стандарте FDDI отводится большое внимание различным процедурам, которые благодаря распределенному механизму управления позволяют определить наличие неисправности в сети, и затем произвести необходимую реконфигурацию. При множественных отказах сеть распадается на несколько не связанных сетей - происходит микросегментация сети.
Работа сети FDDI основана на детерминированном маркерном доступе к логическому кольцу. Сначала происходит инициализация кольца, в процессе которой в кольцо одной из станций испускается специальный укороченный пакет служебных данных - маркер (token).
После того, как маркер стал циркулировать по кольцу, станции могут обмениваться информацией.
До тех пор, пока нет передачи данных от станции к станции, циркулирует один лишь маркер, рис. 2 а, при получении которого станция обретает возможность передавать информацию. В сети FDDI у каждой станции есть предшествующий сосед (upstream neighbor) и последующий сосед (downstream neighbor), определяемые направлением передачи информации по первичному кольцу. Передача информации организуется в виде пакетов данных длинной до 4500 байт, называемых кадрами. Если в момент получения маркера у станции нет данных для передачи, то получив маркер, она немедленно транслирует его дальше по кольцу. При желании передавать станция, получив маркер, может удерживать его и вести соответственно передачу кадров в течение времени, называемого временем удержания маркера ТНТ (token holding time), рис. 2 б. После истечения времени ТНТ станция обязана завершить передачу своего очередного кадра и передать (отпустить) маркер последующей станции, рис. 2 в. В любой момент времени передавать информацию может только одна станция, а именно та, которая захватила маркер.
а б
в г д е
Рис. 2
Каждая станция сети читает адресные поля получаемых кадров и в случае, когда собственный адрес станции - MAC адрес - отличен от поля адреса получателя, станция ретранслирует кадр дальше по кольцу, рис. 2 г. Если же собственный адрес станции совпадает с полем адреса получателя в принимаемом кадре, станция копирует в свой буфер этот кадр, проверяет его корректность (по контрольной сумме), передает его поле данных для последующей обработки протоколу вышестоящего уровня (например, IP), а затем передает исходный кадр по сети последующей станции (рис. 2 д), предварительно проставив три признака в специальных полях кадра: распознавания адреса, копирования кадра и отсутствия или наличия в нем ошибок.
Далее кадры, транслируясь по сети и возвращаются к исходной станции (его источнику), которая для каждого кадра проверяет его признаки, дошел ли он до станции назначения и не был ли при этом поврежден, и если все нормально, ликвидирует этот кадр (рис. 2 е), освобождая ресурсы сети, или, в противном случае, пытается осуществить повторную передачу. В любом случае функция удаления кадра возлагается на станцию, которая была его источником.
Маркерный доступ позволяет довести реальную производительность кольца FDDI при большой загруженности до 95%. Для примера, производительность сети Ethernet (в рамках коллизионного домена) с ростом загруженности достигает 30% от пропускной способности.
2. Составляющие стандарта FDDI
Структура стандарта FDDI и основные функции, выполняемые его уровнями, приведены на рис. 3.
Как и ряд других технологий локальных сетей, технология FDDI использует протокол 802.2 подуровня управления каналом данных (LLC), определенный в стандартах IEEE 802.2 и ISO 8802.2, причем использует первый тип процедур LLC, при котором узлы работают в дейтаграммном режиме (без установления соединений и без восстановления потерянных или поврежденных кадров).
К 1988 году стандартизованы были следующее уровни (наименования соответствующих документов ANSI/ISO для FDDI см. табл. 2 [5]):
Рис. 3
- PMD (physical medium dependent) - нижний подуровень физического уровня, спецификации которого определяют требования к среде передачи (многомодовое ОВ), к оптическим приемопередатчикам (допустимую мощность и рабочую длину волны 1300 нм), максимальное допустимое расстояние между станциями (2 км), типы разъемов, функционирование оптических обходных переключателей (optical bypass switches), а также представление сигналов в ОВ.
- PHY (physical) - верхний подуровень физического уровня, определяющий схему кодирования и декодирования данных между МАС-уровнем и уровнем PMD, схему синхронизации и специальные управляющие символы. В его функции входит: кодирование информации (в соответствии со схемой 4В/5В); правила тактирования сигналов; требования к стабильности тактовой частоты (125 МГц); правила преобразования информации из параллельной формы в последовательную.
- MAC (media access control) - уровень управления доступом к среде, который определяет: процессы управления маркером (протокол передачи, правила захвата и ретрансляции маркера); формирование, прием и обработку кадров данных (их адресацию, обнаружение ошибок и восстановление на основе проверки 32-разрядной контрольной суммы); механизмы распределения полосы пропускания между узлами.
- SMT (station management) - уровень управления станцией. На этом многофункциональном уровене определяются: протоколы взаимодействия этого уровня с уровнями PHY, PMD и MAC; управление станциями и концентраторами; процессы инициализации кольца и контроль за соединениями между узлами; отработки аварийных ситуаций (алгоритмы обнаружения ошибок и восстановления после сбоев).
Таблица 2
|
Стандарт FDDI
|
Спецификация ANSI / ISO
|
|
PMD
|
MMF-PMD
|
ISO 9314-3:1990 / ANSI X3. 166:1990
|
|
|
SMF-PMD
|
ANSI X3. 184:1990
|
|
|
TP-PMD
|
ANSI X3T9.5 TBD:1994
|
|
PHY
|
ISO 9314-1:1989/ ANSI X3. 148:1988
|
|
MAC
|
ISO 9314-2:1989 /ANSI X3.139:1987
|
|
SMT
|
ANSI X3T9. 5/84-49: 1992, rev 7.3
|
В 1993-1994 гг. к спецификациям уровня PMD добавляются новые спецификации, стандартизующие два других интерфейса, соответственно на одномодовое ОВ и витую пару (часть прежних спецификаций, относящихся к интерфейсу на многомодовом ОВ, далее будем называть MMF-PMD):
- SMF-PMD (Single Mode Fiber PMD) - нижний подуровень физического уровня, предполагающий использование лазерных передатчиков и одномодового ОВ.
- TP-PMD (Twisted Pair PMD). Подкомитетом ANSI в 1994 году разработан новый стандарт FDDI TP-PMD, который предусматривает использование неэкранированной витой пары категории 5 (UTP сat.5) с соединителями RJ-45 (CDDI или FDDI на медном кабеле), а также экранированной витой пары (STP IBM Type 1) с соединителями DB-9 (SDDI). Максимальное расстояние по медному кабелю в обоих случаях не должно превосходить 100 метров.
3. Типы устройств и портов
Узлы сети FDDI классифицируют по трем признакам: функциям обработки данных (конечная станция, концентратор); типу подключения; количеству встроенных МАС-узлов [1, 6].
По функциям обработки данных все устройства FDDI делятся на станции и концентраторы. В качестве станции может выступать рабочая станция или файл-сервер с соответствующим FDDI адаптером. Концентратор - это активное устройство, которое выполняет функцию объединения и позволяет подключить к себе несколько рабочих станций или других концентраторов.
По типу подключения различают следующие устройства FDDI:
- DAS (dual attachment station) - станция двойного подключения имеющая два порта (которые принято обозначать А и В) и предназначена для непосредственного подключения в двойное кольцо FDDI и подсоединяется на прием и на передачу к первичному и вторичному кольцу. Роль DAS может выполнять рабочая станция или файл-сервер с соответствующим FDDI DAS-адаптером.
- SAS (single attachment station) - станция одиночного подключения (рабочая станция или файл-сервер), которая имеет один порт S и может подключаться в кольцо FDDI только через FDDI-концентратор.
- DAC (dual attachment concentrator) - концентратор двойного подключения имеет два порта А и В, а также несколько портов М, и предназначено для непосредственного подключения в двойное кольцо. К М-портам могут подключаться другие сетевые устройства.
- SAC (single attachment concentrator) - концентратор одиночного подключения имеет один порт S и несколько портов М. SAC не допускает непосредственного подключения к двойному кольцу
- NAC (null attachment concentrator) - концентратор нулевого подключения имеет только М-порты.
Типы четырех портов FDDI (А, В, М и S) определяются следующим образом:
- Порт А (входящее первичное, выходящее вторичное кольцо) PI/SO (primary in/secondary out) - неотъемлемая часть станции с двойным подключением DAS или концентратора с двойным подключением DAC и присутствует, как правило, в единичном экземпляре. Через порт А устройство соединяется с приходящим первичным кольцом и уходящим вторичным кольцом двойного кольца FDDI.
- Порт В (выходящее первичное, входящее вторичное кольцо) PO/SI (primary out/secondary in) - неотъемлемая часть DAS или DAC и присутствует, как правило, в единичном экземпляре. Через порт В устройство соединяется с уходящим первичным - кольцом и приходящим вторичным кольцом двойного кольца FDDI.
- Порт М - master, (первичное входящее, первичное выходящее) PI/PO (primary in/primary out) - неотъемлемая часть любого FDDI концентратора (NAС, DAC, SAC), который содержит обычно несколько М-портов. Через этот концентратор порт может соединять концентратор с DAS, DAC (о последних говорят, что они подключаются по механизму Dual Homing через свои порты А и В), а также со станцией одиночного подключения SAS или концентратором одиночного подключения SAC, у которого используется его порт S. Если сеть FDDI основывается на двойном кольце, то этот порт в нормальном режиме работы использует только первичное кольцо.
-Порт S - slave, PI/PO (присутствует у SAS и SAC), через который SAS или SАС соединяет с концентратором. Если сеть основывается на двойном кольце, то этот порт в нормальном режиме работы использует только первичное кольцо.
Таблица 3
|
|
Порты других устройств
|
|
|
А
|
B
|
S
|
M
|
|
Порты
данного
устройства
|
А
|
V, N
|
V
|
V, N
|
VP
|
|
|
В
|
V
|
V, N
|
V, N
|
VP
|
|
|
S
|
V, N
|
V, N
|
V
|
V
|
|
|
М
|
V
|
V
|
V
|
X
|
V - допустимое соединение; X - недопустимое соединение;
N - требуется уведомление SMT; vp - допустимое соединение, которое может быть как активным, так и неактивным (например при Dual Homing).
Правила подключения портов между собой указаны в табл. 3, а комментарии по правилам подключения портов А и В устройств DAS и DAC между собой и другими портами даны в табл. 4. Детали подключения портов S и М между собой и с другими портами - в табл.
Таблица 4
|
Порт-Порт
|
Правила и действия
|
|
А-В и
В-А
|
Правильное соединение. Статус портов будет "peer" - точка-точка, а устройство устанавливается в рабочую моду THRU.
|
|
А-М и
В-М
|
Соединение допускается, если станция может поддерживать механизм Dual-Homing. Если физическая связь у обоих соединений исправна, то на этапе низкоуровневой сигнализации соединение А-М будет автоматически отключено в пользу соединения В-М. Статус портов будет "tree"- дерево. Мода THRU отключается.
|
|
A-S или
B-S
|
Соединение возможно, но не желательно. Если же такое соединение возникает, то оно приводит к свертыванию кольца (мода WRAP). Статус порта устанавливается в состояние "peer".
|
|
А-А или
В-В
|
Соединение возможно, но не желательно. Такое соединение приводит к перекручиванию первичного и вторичного колец. И хотя это не фатально, система управления SMT об этом будет информировать. Статус порта устанавливается в состояние "peer".
|
|
А-М и
В-А
|
Результат такого соединения не регламентируется стандартом FDDI. Допустимы два варианта поведения. Первый - станция принимает соединение В-А (состояние порта "peer") и не принимает соединение своего порта А с М-портом другого устройства. Таким образом, эта станция осуществляет свертывание кольца (мода WRAP) через свой В-порт.
Другой вариант поведения, когда станция не принимает соединение В-А, а принимает соединение А-М. В такой ситуации она подобна станции, подключенной по Dual Homing, работающей не в основном, а в резервном варианте. Статус порта А устанавливается в состояние "tree".
|
Число встроенных MAC. Для того, чтобы иметь возможность передавать собственные данные в кольцо или принимать данные (а не просто ретранслировать данные других станций), станция должна иметь в своем составе хотя бы один МАС-узел, который имеет свой уникальный МАС-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 МАС-узел. Концентраторы используют МАС-узел для захвата и генерации служебных кадров, например, кадров инициализации кольца, кадров поиска неисправности в кольце и т.п.
Таблица 5
|
Порт-Порт
|
Правила и действия
|
|
S-M
и M-S
|
Правильное соединение при построении структуры типа “дерево”. Статус портов устанавливается в состояние “tree”.
|
|
S-S
|
Правильное соединение (хотя и не позволяет добавить ни одного дополнительного устройства), создающее одиночное кольцо двух станций SAS. Статус портов будет “peer”.
|
|
М-М
|
Недопустимое соединение, создающее топологию “дерево колец”, которая не реализуется в стандарте FDDI. Такое соединение отвергается с обоих сторон. Статусы портов устанавливаются в состояние “none”.
|
|
S-A
или S-B
|
Допустимое соединение, но не желательное, так как создает свернутое двойное кольцо (если другая станция находилась в двойном кольце). Если же другая станция оставшимся портом (А или В) подключена к М-порту (т.е. реализуется структура дерева), то от того, как реализована производителем (этой другой станции) политика выбора активного соединения, зависит, будет ли исходная станция подключена в кольцо или нет. По причине неопределенности такую конфигурацию лучше не допускать.
|
Станции (или концентраторы), которые имеют один МАС-узел, называются SM (single MAC) станциями, а станции, которые имеют два МАС-узла, называются DM (dual MAC) станциями. Последние могут работать в полнодуплексном режиме. Если все устройства DAS и DAC двойного кольца имеют по два МАС-узла, то вторичное кольцо может также использоваться для передачи данных, при этом общая пропускная способность увеличивается до 200 Мбит/с. В случае повреждения ОВ системы происходит свертывание колец и скорость падает до 100 Мбит/с. В такой ситуации один МАС-узел на каждой станции будет простаивать, что является основной причиной меньшего распространения Dual MAC устройств.
На рис. 4 показаны некоторые возможные варианты подключения различных сетевых устройств.
“Блуждающий” MAC. 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 маркера по кольцу TTRT. Если количество станций в сети велико, то частая реинициализация кольца, связанная с отключением или добавлением станций (преимущественно SAS, подключенных к М-портам) может приводить к потере данных и задержкам. Процедуры многократных инициализаций можно избежать путем подключения новой станции SAS к порту М концентратора с так называемым блуждающим узлом MAC (roving MAC), который еще называют локальным МАС-узлом. Наличие такого узла, наряду с основным МАС-узлом, позволяют концентратору добавлять и отключать станции на М-портах без прекращения работы двойного кольца [6].
Если к М-порту DAC, имеющего roving MAC, подключается действующее дерево через свой корень, например, порт S концентратора SAC, то один маркер должен быть уничтожен, поскольку образовалась одна единая сеть, вместо двух независимых. Roving MAC иногда (зависит от производителя и от параметров подсетей) способен выполнить такую задачу без повторной инициализации в каждой из подсетей. Для этого узел roving MAC задерживает один из маркеров до момента прихода второго маркера на концентратор, после чего выполняется процедура объединения двух сетей в одно логическое кольцо, и выпускается в него только один маркер.
Стандартом FDDI строго не регламентирован механизм работы блуждающего MAC, поэтому он не получил большого распространения.
Топологии сетей FDDI
Единственным видом локального соединения в стандарте FDDI является соединение "точка-точка", которое позволяет разным участкам кольца иметь свои особенности. Например, один участок кольца может использовать одномодовое ОВ, другой - многомодовое, третий - витую пару. ОВ, плохо адаптируемое в качестве использования общей шины является оптимальным для конфигурации "точка-точка".
Наряду с этим, сеть обладает также индивидуальной топологией, определяющей структуру всей сети как единого целого. При этом различают логическую и физическую топологию.
Логическая топология дает представление о пути, по которому двигаются данные от станции к станции.
Физическая топология показывает конкретное размещение сетевых устройств и кабельной системы, устанавливающей физическую связь между сетевыми устройствами. При этом, если логическая топология сети FDDI всегда - кольцо, то физическая может отличаться значительным разнообразием.
Различают пять основных вариантов физической топологии: точка-точка; двойное кольцо; отдельный концентратор; дерево концентраторов; двойное кольцо деревьев; а также возможность дополнительного повышения надежности работы станции при помощи механизма Dual Homing.
Точка-точка (рис. 4 а) - простейшая физическая топология (связываются две станции FDDI типа SAS), при которой в зависимости от того, какой интерфейс поддерживают сетевые адаптеры, связь может быть как на основе ОВ, так и витой пары.
Двойное кольцо (рис. 4 б) образуется соединениями “точка-точка” между рабочими станциями (DAS), причем каждое соединение осуществляется по паре ОВ (или витой парой), в которых свет распространяется в разных направлениях, рис. 4, а. Такая топология удобна и наиболее часто применяется, когда объединяются в единую сеть небольшое число станций с двойным подключением.
Но так как каждая станция является теперь неотъемлемой частью кольца, то их функционирование становится критичным для работы всей системы. Введение или исключение станций невозможно без повторной инициализации кольца. Отключение питания на станции (обрыв в сегменте) приводит к разрушению двойного кольца, хотя после процесса реконфигурации целостность сети восстанавливается, рис. 4 б. При этом образуется новое свернутое логическое кольцо, по которому циркулирует маркер. С увеличением числа неисправных линий связи сеть распадается на отдельные сегменты и в каждом из них организуется своя сеть, но без связи между сегментами. Исправить положение позволяют оптические обходные переключатели, которые в случае отключения питания DAS обойдут эту станцию и сохранят топологию двойного кольца, при этом сохраняется передача маркера и данных только по первичному кольцу.
Поэтому двойное кольцо в чистом виде используется когда риск, связанный с выходом DAS станций из строя, невелик. Такая топология возможна при небольшом числе рабочих станций и нет необходимости прибегать к более дорогостоящему FDDI концентратору.
Отдельный концентратор, рис. 4 в. При этой топологии используется только один FDDI концентратор типа NAC, который не подключается к двойному кольцу, и имеет внутреннюю FDDI шину (backplane). К М-портам концентратора могут подключаться как SAS, так и DAS станции. DAS может быть подключена одним из своих портов (А/В) к одному из М-портов концентратора, или обоими портами к любым двум М-портам концентратора - в последнем случае реализуется механизм подключения Dual Homing.
а б в
Рис. 4
Дерево концентраторов, рис. 4 г. В этой топологии концентраторы связываются в иерархическую звездную топологию с одним концентратором (NAC) в корне дерева (рис. 4 в). От корневого концентратора идут связи к станциям (SAS и DAS) и/или к другим концентраторам (SAC и DAC). Эта топология более гибкая в отношении добавления, удаления FDDI станций, концентраторов, позволяет изменять их положение без разрыва сети FDDI и имеет следующие достоинства:
- Удобна при объединении большого количества станций (в пределах одного здания или в пределах одного этажа здания);
- Упрощено администрирование сети (легко контролировать сетевые устройства конечных пользователей и ограничивать их доступ к определенным ресурсам сети, используя функции концентратора);
- При выходе из строя и выключении станции концентратор автоматически отключит ее от сети.
Двойное кольцо деревьев, рис. 4 д. Такая сеть формируется иерархическими деревьями, в корнях которых находятся концентраторы, непосредственно подключенные к двойному кольцу (DAC). В кольцо могут быть также подключены рабочие станции DAS. Физическое кольцо образуется соединениями "точка-точка" между DAS и DAC. Корневые концентраторы образуют кольцевую магистраль FDDI и являются ключевыми для работы всей сети. К этим концентраторам могут быть подключены другие концентраторы SAC или DAC, а также станции SAS или DAS, и т.д.
Двойное кольцо деревьев является наиболее универсальной и гибкой топологией, охватывающей все преимущества технологии FDDI. Оно позволяет создать огромную и сложную сеть, которая благодаря резервному кольцу будет сохранять целостность при повреждении линии связи кольца или при отключении станции или концентратора из кольца. Дополнительно для повышения надежности возможно подключение концентраторов или станций двойного кольца через оптический обходной переключатель.
Dual Homing, рис. 4 е. Правила FDDI позволяют создавать топологию с повышенной надежностью, при которой станция с двойным подключением DAS (или концентратор с двойным подключением DAC), не включенная непосредственно в двойное кольцо, может одновременно подключаться своими портами А и В к М-портам других концентраторов сети FDDI. Механизм, обеспечивающий такую надежность, называется Dual Homing.
В нормальном состоянии активизируется канал связи по порту В, через который DAS (DAC) устройство объединяется в логическое кольцо сети. При этом канал связи от порта А находится в состоянии ожидания и готов сразу же автоматически активизироваться, если сегмент от порта В претерпит разрыв.
Избыточная топология полезна при наличии риска повреждения канала системы, а потребность в непрерывной связи станции с сетью велика, например, в банках, в крупных финансовых учреждениях, на объектах повышенного технологического риска.
Еще одно преимущество - это простота установки связи между рабочими станциями на межсетевом уровне.
4. Оптический обходной переключатель
При отключении питания SAS станции соответствующий М-порт концентратора, к которому станция подключена, сразу же заметит это средствами физического уровня. Далее по команде уровня SMT концентратора выполняется электронный обход этого М-порта, в результате чего восстанавливается логическое кольцо, рис. 4 ж, при этом свертывания двойного кольца, к которому подключен концентратор, не происходит.
Если же отключить питание у станции DAS или концентратора DAC, то сеть, хотя и продолжит работу, сохранив единство, перейдет в состояние WRAP. Запас отказоустойчивости будет утерян, что нежелательно. Теперь при отключении еще одной станции кольца будет происходить микросегментация сети, рис.
Поэтому для устройств с двойным подключением рекомендуется использовать оптический обходной переключатель ОBS (optical bypass switch), который позволяет замкнуть входные и выходные ОВ и обойти станцию (или концентратор) в случае ее (его) выключения. Оптический обходной переключатель питается от DAS (DAC) и состоит в простейшем случае из отражающих зеркал или подвижного ОВ. При отключенном питании такой переключатель осуществляет перекоммутацию каналов, а результате чего оптический сигнал обходит станцию, а при включении ее питания вновь соединяет входы портов А и В с внутренними схемами PHY станции.
а б
Рис. 5
Подключение к сети через OBS
Оптический обходной переключатель служит для дополнительного повышения надежности и целостности двойного кольца FDDI. Сетевые станции или концентраторы подключаются к двойному кольцу через OBS (рис. 5,6).
Принцип работы оптического переключателя поясняет рис. 7. В рабочем состоянии оптический переключатель имеет напряжение питания 5 В, которое он получает от соответствующей рабочей станции (концентратора) двойного подключения. При выходе из строя или при отключении питания станции, подключенной к двойному кольцу через OBS, происходит двухэтапный процесс реконфигурации сети:
Рис. 6
- на первом этапе осуществляется исключение неисправной станции или концентратора из кольца, при этом оптический переключатель механически переходит из рабочего состояния (рис. 7 а) в свое нормальное (байпасовое) состояние с выключенным питанием (рис. 7 б), замыкая двойное кольцо через себя. Для оптического переключателя фирмы AMP время срабатывания tmax < 10 мс [7];
- на втором этапе вновь инициализируется маркерное кольцо FDDI и время реинициализации, в зависимости от протяженности сети и количества станций может быть в пределах от 10 до 150 мс.
Из-за больших потерь на излучение, вносимых оптическим переключателем (при использовании многомодового ОВ = 1 дБ/км, на = 1300 нм) в зависимости от производителя OBS - стандартом FDDI PMD определено допустимое значение вносимого затухания на OBS (до 2,5 дБ), число последовательно подключенных оптических переключателей ограничено четырьмя, даже если длины сегментов ВОК небольшие. Это связано с тем, что из-за большого числа последовательных точек коммутации в кабельной системе потери накапливаются (рис. 7 в). Желательно, чтобы запас по мощности был не меньше 2 - 3 дБ, так как со временем, по мере эксплуатации, вносимые потери в самом ОВ и на сухих стыках возрастают.
а б
в
Рис. 7
Оценим параметры типовой конфигурации с одним OBS, если: полная длина многомодового ОВ - 2 км, в некоторой промежуточной точке подключена станция через OBS, число разъемных соединений - 4 (на оптических распределительных панелях).
С учетом того, что бюджет линии (полное максимальное допустимое затухание в линии) в соответствии со стандартом составляет 11 дБ, потери в ОВ - 1 дБ/км, а потери на каждом разъеме - 0,3 дБ, вычислим запас:
|
Параметры
|
Типовые значения затухания, дБ
|
После длительной эксплуатации, дБ
|
1. Затухание в канале связи 3,0 3,5
2. Потери на оптических соединениях 1,2 2,8
3. Потери на ОВ (производства AMP) 1,1 2,1
4. Всего потери 5,3 8,4
Запас 4,7 (11 – 5,3) 2,6 (11 – 8,4)
Устройство OBS
Существует несколько различных технологий механо-оптического переключения: с использованием поворотных призм, поворотных зеркал или подвижных ОВ. Поскольку диаметр ОВ мал, необходимо использовать прецизионные методы, позволяющие контролировать пути световых лучей.
Рассмотрим механо-оптическое переключение световых потоков посредством поворотных зеркал. Два ОВ размещаются таким образом, чтобы их торцевые поверхности были равноудалены от центра кривизны сферического зеркала. Свет, выходя из одного волокна, падает на зеркало и отражается, попадая в другое волокно. Отраженный световой конус является копией падающего конуса благодаря сферичности зеркала, а поскольку точка излучения и точка приема равноудалены от цента кривизны зеркала, то такую технологию называют оптикой центре-симметричного отражения. Эта технология обеспечивает очень высокую стабильность и рассчитана на миллион циклов коммутаций. ОВ помещаются в прецизионные крепления вдоль одной плоскости (рис. 8, по материалам фирмы AMP [7]).
а б
Рис. 8
Ось вращения поворотного сферического зеркала устанавливается строго перпендикулярно этой плоскости.
Когда зеркало находится в положении а (рабочее состояние - напряжение подано), входящий в OBS свет отражается в ОВ, идущее к станции. Когда зеркало разворачивается в положение б (рабочее состояние – напряжения нет), входящий свет отражается в байпасовое ОВ.
Наряду с фирмой AMP многомодовые OBS производятся фирмами DiCon [8], Molex [9], Net Optics [10].
Производство одномодовых переключателей более сложное. Из-за значительно меньшего диаметра сердцевины одномодового волокна очень трудно достичь небольших вносимых потерь при изготовлении одномодовых OBS. Сложность изготовления делает их стоимость в 3 - 4 раза выше по сравнению с многомодовыми OBS, что снижает число производителей, среди которых можно отметить Net Optics [10].
Некоторые характеристики одномодового OBS, производимого этой фирмой, приведены ниже:
- Рабочая длина волны 1280 - 1650 нм.
- Вносимые потери 1,3 дБ (типовые) и 2,5 дБ (максимум).
- Напряжение питания +5 В (DC).
- Время срабатывания 50 мс.
- Температура окружающей среды от 0 оС до + 50 оС.
Системы связи и уровень PMD
Разделение физического уровня FDDI на два подуровня PMD и PHY позволило стандартизировать различные физические интерфейсы, модифицируя нижний подуровень PMD и не трогая верхний подуровень PHY (рис. 3). Рассмотрим стандарты уровня PMD применительно к трем различным физическим интерфейсам: на многомодовое ОВ, на одномодовое ОВ, и традиционную - на витую пару.
Стандарты MMF-PMD, SMF-PMD и TP-PMD
Данные при передаче от одной станции к другой преобразуются в определенные битовые последовательности, которые затем распространяются по кабельной системе. Стандарт уровня PMD охватывает только области связанные непосредственно с физической передачей данных: оптическую и электрическую передачу и прием данных, технические требования к ВОК или медному кабелю, оптические соединители, оптические переключатели. Сравнительные характеристики трех основных стандартов PMD приведены в табл. 6.
FDDI стандарты MMF-PMD и SMF-PMD устанавливают основные оптические характеристики ВОЛС, среди которых: длина волны оптического передатчика, тип кабеля (ОВ), затухание в кабеле и другие.
Таблица 6
|
|
PMD
|
|
|
MMF-PMD
|
SMF-PMD
|
TP-PMD
|
|
Тип кабеля
|
ОВ многомодовое, градиентное 62,5/125, 50/125
|
ОВ одномодовое,
8/125, 12/125
|
Экранир. витая пара STP IBM Type 1/2
|
неэкранир. витая пара
UTP сat. 5
|
|
Тип соединителя
|
MIC mm Duplex SC mm
2 x ST mm
|
MIC sm Duplex SC sm
2 x ST sm
|
DB-9
|
RG-45
|
|
Расстояние между станциями, км*
|
до 2
|
до 20 (50)
|
до 0,1
|
до 0,1
|
|
Длина волны излучения, нм
|
1300
|
1300 (1550)
|
-
|
|
Оптическая излучательная система
|
Светоизлучающий диод
|
Лазерный диод
|
-
|
|
Допустимое затухание в кабельной системе, дБ
|
не больше, чем 11
|
не больше, чем 36,
не меньше, чем 10**
|
-
|
|
Оптический обходной переключатель
|
используется
|
используется
|
-
|
* Допустимое расстояние между станциями - величина условная, определяемая в основном вносимым затуханием в кабельной системе, которое может быть уменьшено, использованием ОВ с лучшими оптическими характеристиками и меньшим числом стыков (затухание в которых 0,5-0,7 дБ/стык) либо путем выполнения высококачественной сварки ОВ (важно в случае одномодового ОВ). Для нормальной работы сети FDDI полное затухание в кабельной системе не должно превышать допустимого по бюджету. Отметим, что оборудование FDDI ряда фирм-производителей, в частности NBase-Fibronics, имеет более высокие характеристики, нежели установленные стандартом PMD.
** Ограничение снизу для одномодового ОВ вызвано невозможностью различить битовый нуль в принимаемом сигнале от единицы. В том случае, если расстояние не достаточно велико, чтобы обеспечить требуемое затухание в 10 дБ, следует использовать специальные аттенюаторы, или аттенюаторные MIC-соединители.
В качестве базовой кабельной системы в стандарте FDDI принят ВОК на основе градиентного многомодового ОВ с диаметром 62,5/125 мкм (допускается ОВ с диаметром 50/125 мкм). Ступенчатое многомодовое ОВ из-за его низкой полосы пропускания не удовлетворяет требованиям стандарта PMD. Длина волны излучения 1300 нм. Минимальное допустимое значение мощности оптического сигнала на входе станции в стандарте PMD составляет -31 дБм. В этом случае вероятность ошибки на один бит при ретрансляции не будет превышать 2,510-10. При увеличении мощности входного сигнала на 2 дБ, эта вероятность снижается до 1010-12. Ниже перечислены основные требования со стороны стандарта FDDI PMD к оптическим приемопередатчикам:
- Максимальная мощность передатчика -14 дБм.
- Минимальная мощность переда -20 дБм.
- Максимальная принимаемая мощность -14дБм.
- Минимальная принимаемая мощность -31 дБм.
- Максимальные потери между станциями 11 дБ.
- Максимальные потери на км кабеля 2,5 дБ.
Главным требованием спецификации SMF-PMD по мощности является такое же значение, как и в MMF-PMD, минимальной допустимой мощности оптического сигнала на входе станции (-31 дБм). Это связано с идентичностью оптических приемников при MMF-PMD и SMF-PMD, рассчитанных на работу в окне 1300 нм.
Стандарт на витую пару TP-PMD предусматривает использование витой пары на медном кабеле, как альтернативы оптическому волокну. Причиной разработки этого стандарта было стремление создать менее дорогостоящее оборудование и упростить процедуру инсталляции сети. Стандарт TP-PMD основан на использовании как экранированной витой пары STP - тип 1 или 2 (две пары), так и неэкранированной витой пары DTP - категории 5 (4 пары).
Существует несколько категорий неэкранированной витой пары, предназначенных для передачи голоса и данных. Стандартизация такой продукции осуществляется двумя крупными организациями EIA/TIA, UL и NEMA. Категории 1 и 2 обычно используются для передачи голоса или низкоскоростной передачи данных, например, стандартный порт RS232. В локальных сетях используются следующие три категории неэкранированных витых пар (в настоящее время преимущественно выпускаются неэкранированные витые пары категории 5):
- Категория 3: охватывая полосу 10 Мбит/с (допустимая длина сегмента 100 м), используется в сетях Ethernet (10 Мбит/с).
- Категория 4: охватывая полосу 16 Мбит/с (допустимая длина сегмента 100 м) используется в сетях Token Ring 16 Мбит/с, Ethernet.
- Категория 5: охватывая полосу 155 Мбит/с (допустимая длина сегмента 100 м), используется в сетях ATM (155 Мбит/с), FDDI, а также может использоваться в менее скоростных сетях Token Ring, Ethernet.
5.Функция регистрации сигнала уровня PMD
Во всех кабельных системах, принятых в FDDI, введена специальная функция контроля качества или целостности линий связи между соседними рабочими станциями. Она называется функцией регистрации сигнала (signal detect). При использовании ВОЛС на основе этой функции осуществляется постоянный мониторинг значений мощности сигнала на входе PMD. Спецификация 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. 10) [6].
Рис. 10
При использовании ВОЛС уровень PMD генерирует для PHY признак присутствия оптического сигнала Signal Detect, если мощность входного оптического сигнала превышает -43,5 дБм, а снимает его при уменьшении этой мощности до -45 дБм и ниже. Таким образом, имеется гистерезис в 1,5 дБм для предотвращения частых изменений статуса линии при колебании входной мощности сигнала около -45 дБм.
При использовании витой пары используется более простой способ, контроля целостности медных пар, путем закорачивания пары приемника и передатчика на удаленном конце, что позволяет измерять величину постоянного тока при подаче постоянного напряжения (его величина определяет их состояние, а уровень PMD оповещает PHY командой регистрации сигнала Signal Detect [1].
Оптические соединители
Стандарты ANSI определяют пассивное оборудование FDDI для установления физической связи станций по ВОСС. Таковым является соединитель MIC (для соединения ВОК с FDDI станцией), который со стороны станции снабжена соответствующей стандартной розеткой.
Полярная структура соединителя MIC гарантирует правильное подключение ОВ на прием и передачу. Кроме этого, он снабжен ключом, предотвращающим неправильное подключение к соответствующему порту.
FDDI устройства также могут использовать оптические разъемы ST, FC (преимущественно под одномодовое ОВ, стандарт SMF-PMD) и полярный разъем Duplex SC (как под многомодовое, так и под одномодовое ОВ, PMD и SMF-PMD). Наибольшее распространение после стандарта MIC получил стандарт Duplex SC, который принят в качестве основного стандарта телекоммуникационными организациями многих стран (он дешевле, компактнее и имеет близкие технические характеристики).
Реальные сети FDDI имеют смешанную кабельную систему, например, приведенную на рис. 11.
Рис. 11
Здесь между удаленными узлами используется магистральный многомодовый или одномодовый ОВ кабель. Вертикальная кабельная система в пределах здания строится на основе многомодового станционного кабеля. Горизонтальная разводка по этажам осуществляется оптическими соединительными шнурами или витой парой. Заметим, что сама кабельная система является универсальной и может в равной степени подходить под использование другого сетевого оборудования, например Fast Ethernet или ATM, или смешанных решений.
Сравнения оптического волокна и витой пары
Наличие систем трех стандартов (MMF-PMD, SMF-PMD и TP-PMD) предоставляет пользователю выбор в зависимости от конкретной ситуации. Приведем сравнительный анализ ОВ и витой пары.
Главными преимуществами сети на основе ВОК являются: большие расстояния между пунктами ретрансляции; высокая помехозащищенность; отсутствие излучаемых помех; высокая степень защищенности от несанкционированного доступа; гальваническая развязка элементов сети; взрыво- и пожаробезопасность.
Достоинства, которые остаются у медной пары это: низкая стоимость восстановления обрывов и удобство использования в небольших рабочих группах.
Низкая стоимость подключения к рабочей станции. Витые пары STP IBM Type 1 и UTP cat.5 могут существенно уменьшить затраты на сетевое оборудование, так как они не требуют установки дорогостоящих оптических приемопередатчиков и пассивных компонентов волоконной оптики.
Низкая стоимость восстановления обрывов. Для устранения обрыва витой пары не требуется дорогостоящее специальное монтажное оборудование, как в случае обрыва оптического кабеля. Можно также целиком заменить поврежденную витую пару, что оправдано ее низкой стоимостью.
Удобства использования в небольших рабочих группах. Витая пара будет удобной при использовании концентратора в рабочих группах, в конструкторских бюро. Это удобство является следствием меньшей стоимости FDDI-концентратора, имеющего порты для подключения витых пар.
6. Уровень PHY
Стандарт PHY (physical layer protocol - протокол физического уровня) верхнего подуровня физического уровня (рис.3) определяет функции, которые не привязаны к типу среды передачи. Это позволяет модифицировать ее, например использовать витую пару вместо ОВ без изменения параметров уровня PHY.
Уровнем PHY определяются следующие основные компоненты, функции и характеристики:
- таймер и схема синхронизации - настройка временных параметров на основе временного анализа движения маркера и кадров данных по кольцу;
- процесс кодирования и декодирования - преобразование полученных от уровня MAC данных в формат, принятый для передачи между сетевыми устройствами FDDI;
- управляющие символы - минимальные сигнальные кванты, используемые для установления связи между станциями;
- эластичный буфер, используемый для компенсации допустимого отклонения часов соседних станций;
- функция сглаживания, позволяющая избежать потери кадров, имеющих короткие преамбулы;
- фильтр повторений, предотвращающий распространение ошибочных кодов и кодов сбойного состояния линии.
Синхронизация часов
Стандарт FDDI PHY определяет использование распределенных по станциям часов. Каждая станция имеет пару часов [1, 11].
Часы для передачи данных не перестраивают частоту. На частоте этих часов станция осуществляет передачу или повтор информации в кольцо.
Часы для приема подстраиваются по частоте, синхронизируясь приходящей последовательностью символов преамбулы. Станция декодирует данные кадра, следующего за преамбулой, на этой частоте (по приемным часам), которая определяется частотой передающих часов станции-отправителя (приходящих битов), т.е. приемные часы синхронизируются по частоте передачи предыдущей станции. Если же эти данные необходимо повторить и передать обратно в кольцо, то станция будет использовать свои собственные часы.
7. Структура последовательного канала связи и виды кодов
Передача информации между достаточно удаленными устройствами требует представления ее в виде последовательного потока битов, характеристики которого зависят от особенностей конкретной системы. Физической основой такой системы является линия связи, которая обычно выполняется в виде витой пары проводов, коаксиального кабеля либо ОВ.
В зависимости от расстояния данные, передаваемые по линии, могут однократно или многократно подвергаться ретрансляции с целью восстановления амплитуды и временных характеристик (рис.12, структура типа последовательного канала) [21, 61].
Рис. 12
Алгоритмы работы передатчика, ретранслятора и приемника определяются выбранным кодом, предназначенным для передачи по линии, который называют линейным кодом.
Униполярный код NRZ
Простейшим линейным кодом является униполярный код NRZ (Non Return to Zero), приведенный на рис. 13, а. Здесь нули представлены отсутствием импульса, а единица – наличием. Этот код имеет четыре недостатка.
Рис. 13
1. Средняя мощность, выделяемая на нагрузке R (на рисунке не показан), равна А2/2R где А — амплитуда сигнала (импульса напряжения). Число 2 в знаменателе дроби соответствует равновероятному появлению «0» и «1» в потоке данных. Таким образом, на нагрузке рассеивается тепловая энергия в два раза интенсивнее, чем при биполярном кодировании (см. рис. 13, б) при той же амплитуде сигнала, равной А.
2. Униполярные сигналы всегда содержат постоянную составляющую и значительную долю низкочастотных компонентов в спектре при передаче длинных последовательностей единиц. Это препятствует передаче сигналов через трансформаторы или конденсаторы.
3. Ретрансляторы и приемники надежно восстанавливают синхронизирующую временную сетку только тогда, когда паузы между изменениями сигнала не слишком велики. Изменение сигнала после незначительной паузы позволяет всякий раз корректировать "ход часов" ретранслятора или приемника. С увеличением паузы надежность "службы времени" падает. Например, после передачи серии из 10 тыс. нулей приемник, вероятнее всего, не сможет точно определить, находится ли последующая единица на позиции 9999, 10000 или 10001. То же относится и к передаче длинных цепочек из «1». Другими словами, при передаче достаточно большой последовательности нулей или единиц приемник (или ретранслятор) теряет синхронизацию с передатчиком (или ретранслятором).
4. Отсутствует возможность оперативной регистрации ошибок, таких как пропадание или появление лишних импульсов из-за помех.
Биполярный код NRZ
Биполярный код NRZ (рис. 13, б) по сравнению с униполярным обладает лучшими энергетическими характеристиками. Единица представлена положительным уровнем напряжения, нуль - отрицательным. Нагрузочный резистор R в данном случае постоянно рассеивает тепло, так как на нем независимо от передаваемого кода присутствует напряжение А/2 той или иной полярности. Средняя мощность, выделяемая на нагрузочном резисторе, равна (А/2)2/R = А2/4R, т.е. половине средней мощности униполярного сигнала, хотя перепад уровней тот же самый.
Так что первый из отмеченных ранее недостатков униполярного сигнала NRZ в какой-то мере удалось устранить. Остальные три недостатка сохраняются. Для их ликвидации необходимо введение избыточности одним из двух способов:
- скорость передачи сигналов по линии выбирается большей, чем скорость передачи информации, без использования дополнительных электрических уровней сигналов;
- скорость передачи сигналов по линии выбирается равной скорости передачи информации, но вводятся дополнительные электрические уровни сигналов.
Код “Манчестер-II”
Примером кода с избыточностью, введенной согласно только что упомянутому первому способу, является код “Манчестер-II”. Форма биполярного сигнала при передаче кода “Манчестер-II” показана на рис. 13, в. Единица кодируется отрицательным перепадом сигнала в середине битового интервала, нуль - положительным перепадом. На границах битовых интервалов сигнал, если это необходимо, изменяет значение, готовясь к отображению очередного бита в середине следующего битового интервала.
С помощью кода “Манчестер-II” решаются сразу все отмеченные ранее проблемы. Поскольку число положительных и отрицательных импульсов на любом достаточно большом отрезке времени равно (отличается не более чем на один импульс, что не имеет значения), постоянная составляющая равна нулю.
Подстройка часов приемника или ретранслятора производится при передаче каждого бита, т.е. снимается проблема потери синхронизации при передаче длинных цепочек нулей или единиц.
Спектр сигнала содержит только две логические составляющие: F и 2F, где F - скорость передачи информационных битов. Наличие лишь двух (а не трех или более) энергетических уровней сигнала позволяет надежно их распознавать (хорошая помехозащищенность).
Критерием ошибки может являться "замораживание" сигнала на одном уровне на время, превышающее время передачи одного информационного бита, поскольку независимо от передаваемого кода сигнал всегда "колеблется" и никогда не "замирает". Но за эти чрезвычайно полезные качества приходится платить удвоением требуемой частотной полосы связной аппаратуры. Поэтому код “Манчестер-II” широко используется там, где частотные ограничения не являются определяющими.
Код AMI
Второй способ введения избыточности связан с добавлением дополнительных энергетических уровней, в простейшем случае - третьего, “нулевого”, уровня.
На рис. 13, г представлена форма сигнала с попеременной инверсией знака, так называемого AMI сигнала (Alternative Mark Inversion).
Нули кодируются отсутствием импульсов, а единицы - попеременно положительными и отрицательными импульсами. Постоянная составляющая сигнала AMI равна нулю. Поэтому при передаче длинной последовательности единиц синхронизация не теряется. Обнаруживаются ошибки, нарушающие правильную последовательность знакочередующихся сигналов. Синхронизация нарушается при передаче длинной последовательности нулей, как и в коде NRZ.
Коды BNZS, HDB3
Потеря синхронизации при передаче длинной последовательности нулей предотвращается так: цепочки нулей передатчик заменяет определенными ”заготовками”, которые представляют собой ”отрезки” стандартных временных диаграмм. Коды AMI, в которых цепочка из N нулей заменяется определенной подстановкой, называются BNZS-кодами (Bipolar with N Zeroes Substitution).
В коде BЗZS (рис 13, д) каждые три последовательных нуля подменяются либо комбинацией В0V, либо 00V. Символ В обозначает импульс, который отвечает правилам кодирования AMI, символ Ч-импульс, который нарушает правила кодирования АМI (совпадает по полярности с предыдущим).
Выбор одной из этих двух ”заготовок” проводится так, чтобы, во-первых, число импульсов В между двумя последовательно расположенными импульсами V было нечетным, и, во-вторых, чтобы полярность импульсов V чередовалась.
В коде B6ZS (рис. 13, е) каждые шесть последовательных нулей подменяются комбинацией 0VB0VB.
Коды BNZS получили широкое распространение в компьютерных сетях США и Канады: линии Т1 - 1,544 Мбит/с, T1C - 3,152 Мбит/с, LD-4 - 274,176 Мбит/с, Т4 - 274,176 Мбит/с. В странах Западной Европы широко используется код HDB3 для работы на скоростях 2,048 и 8,448 Мбит/с. Этот код очень похож на BNZS, поскольку максимально допустимое число нулей, стоящих в цепочке, равно трем.
Каждые четыре последовательных нуля подменяются комбинацией 000V либо В00V. Выбор той или иной комбинации проводится так, чтобы, во-первых, число импульсов В между двумя последовательными импульсами V было нечетным, и, во-вторых, чтобы полярность импульсов V чередовалась (рис. 13, ж).
Существуют также другие распространенные коды, такие как СМI, PST, 4BЗT и т.п. Все они являются разновидностями кодов AMI и созданы с целью минимизации требований к полосе пропускания каналов связи и увеличения обнаруживающей способности по отношению к ошибкам при передаче информации.
Трехуровневое кодирование сигнала
Как следует из ранее сказанного, для надежного восстановления синхросетки приемником желательно так закодировать данные, чтобы сигнал изменялся как можно чаще, в идеальном случае - в каждом битовом интервале. Эта цель, как было показано, достигается при использовании кода “Манчестер-II” (и подобных ему) ценой расширения спектра сигнала. Напомним, что при передаче длинных цепочек из «0» или «1» код “Манчестер-II” выглядит как периодический сигнал частотой 2F, где F - скорость передачи данных. Это ограничивает область применения кода, кроме того, его дешифрация сравнительно сложна.
В системе передачи данных [54] применено трехуровневое кодирование сигнала. Как обычно, между двумя проводами линии может присутствовать отрицательное, нулевое или положительное напряжение или U = - 1, U = 0, U = +1. Однако данное решение интересно тем, что созданы “гарантии” изменения уровня сигнала при переходе от одного битового интервала к другому независимо от вида передаваемой последовательности битов, что подтверждается временной диаграммой сигнала в линии рис. 14.
Рис. 14
В этой диаграмме встречаются все сочетания соседних битов (00, 01, 10, 11) и их однородные цепочки (1111 и 000). Тем не менее, сигнал всегда изменяется при переходе от одного битового интервала к другому. На первый взгляд, неясно, каким образом достигнут столь примечательный результат. Но вскоре мы убедимся, что правила кодирования и декодирования очень просты.
Как следует из рис. 15 (система передачи данных), передатчик содержит двухразрядный регистр RG1, логическую схему L1 и формирователь S трехуровневого cигнала. Приемник содержит преобразователь R трехуровневого сигнала в двухуровневые (логический 0 и логическая 1), двухразрядный регистр RG2 и логическую схему L2.
В начале очередного битового интервала по фронту синхросигнала CLK в регистре RG1 фиксируется двухразрядный код, сформированный логической схемой Ll в предыдущем битовом интервале. С некоторой задержкой, достаточной для надежной фиксации кода в регистре RG1, на вход передатчика подается очередной бит DАТА. В дальнейшем на протяжении битового интервала на входах логической схемы L1 присутствует результат обработки предыдущего бита (код, отображающий предыдущее состояние передатчика) и очередной бит данных. Логическая схема L1 на основе анализа входной комбинации сигналов формирует двухразрядный код, который определяет новое состояние передатчика. В зависимости от сочетания сигналов на выходе логической схемы L1 формирователь S трехуровневого сигнала выдает в лини. нулевое, положительное или отрицательное напряжение.
Рис. 15
Переходы передатчика между тремя возможными состояниями можно проследить по диаграмме, приведенной на рис.16, а.
а б
Рис.16
Передатчик может находиться в трех состояниях, выделенных кружками. Эти состояния обозначены в соответствии с принятыми ранее сокращениями (см. рис. 14).
Стрелками обозначены переходы из одного состояния в другое. Цифра 0 или 1 около стрелки соответствует значению очередного бита DATA. Из рисунка следует, что при передаче цепочки битов 111...1 траектория переходов по диаграмме соответствует движению по часовой стрелке, а при передаче цепочки 000...0 - движению в обратном направлении. Передача случайных данных сопровождается «блужданием» между тремя состояниями. Существенно, что не бывает ситуаций, при которых одно и то же состояние повторяется в соседних тактах.
Преобразователь R трехуровневого сигнала в двухуровневые (см. рис. 15) формирует двухразрядный код текущего состояния сигнала в пинии и выделяет синхросигнал на основе регистрации фронтов импульсов. В начале очередного битового интервала в регистре RG2 фиксируется предыдущее состояние линии, так что логическая схема L2 оперирует предыдущим и текущим состояниями трехуровневого сигнала. В зависимости от их комбинации можно сделать однозначный вывод о том, какой бит (логический 0 или логическая 1) поступил на вход приемника.
Декодирование сигналов в приемнике поясняется аналогичной диаграммой но с несколько иной интерпретацией событий (рис. 16, б). Предположим, что ранее принятое и текущее состояния трехуровневого сигнала соответствуют показанным на рисунке. Непосредственный переход между этими состояниями возможен только по одному пути, который соответствует приему единичного бита. Поэтому на выходе логической схемы L2 формируется сигнал DАТА = 1.
Особенность этой схемы кодирования - декодирования состоит в том, что при передаче цепочки битов вида 010101... в зависимости от предыстории может случиться так, что все импульсы будут иметь одинаковую полярность. Это означает, что в сигнале появится постоянная составляющая, что для многих систем недопустимо. Чтобы избежать этого, можно применить скремблирование данных на входе передатчика и их дескремблирование на выходе приемника. Напомним, что применение этих операций позволяет получить псевдослучайный поток битов, в котором устранены нежелательные закономерности их чередования.
8. Способы кодирования сигнала
Передача сигнала по линии сопровождается излучением энергии и наибольшему влиянию со стороны активной линии подвержены соседние каналы. Это влияние проявляется в том, что в них появляются помехи, обусловленные в основном паразитными связями между линиями.
Энергия передаваемого по линии сигнала сосредоточена в некоторой спектральной полосе. Для уменьшения влияния на соседние линии желательно как можно более равномерно распределить энергию в этой полосе, без выраженных спектральных пиков. Если это условие выполнено, то источник сигнала можно грубо представить в виде бесконечно большого числа генераторов разной частоты, причем каждый генератор имеет бесконечно малую мощность. Результирующий сигнал помехи имеет характер шума.
Однако если источник формирует сигнал, близкий к периодическому, или, тем более, периодический, то на соседние линии вместо широкополосного шума действуют несколько или даже один сигнал, близкий по форме к синусоидальному. Так как основная энергия сигнала уже не распределена, а сосредоточена в нескольких или одной пиковой спектральной составляющей, то амплитуда помех может превысить допустимую. Таким образом, для уменьшения амплитуды помех, наводимых на соседние линии, следует по возможности исключить из передаваемого сигнала выраженные периодические компоненты.
Эти компоненты могут появляться, например, в сигналах AMI, T1 или MLT-3 при передаче длинной последовательности логических 1, как показано затененными областями на рис. 17 (RND - сигнал на выходе генератора псевдослучайной последовательности битов).
В этих областях просматриваются прообразы синусоидальных сигналов, несущих основную энергию. Периоды сигналов AMI и Т1 при передаче длинной последовательности логических 1 равны двум битовым интервалам. Период сигнала МLТ-3 равен четырем битовым интервалам.
Длинные последовательности логических 1 можно “разрушить” применением скремблирования, т.е. особой шифрации данных, после которой любые исходные последовательности выглядят как случайные. Для восстановления исходных данных приемник должен выполнить обратную операцию (дескремблирование). При этом необходима синхронная работа шифратора и дешифратора, что несколько усложняет задачу.
Предлагаемое в [26] решение также предусматривает разрушение периодического сигнала при передаче длинной последовательности логических 1, но выполняется оно иначе. Скремблируются не данные, а полярности передаваемых по линии импульсов. В зависимости от значения некоторого псевдослучайного бита выбирается либо положительная, либо отрицательная полярность. Приемник безразличен к полярности импульса и реагирует только на его наличие. Поэтому для восстановления данных приемнику не нужно знать вид псевдослучайной последовательности, использованной при шифрации полярностей. Иными словами, осуществляется некое “скремблирование без последующего дескремблирования” (что на первый взгляд представляется лишенным смысла). В итоге упрощается аппаратура, предназначенная для уменьшения излучаемых помех.
Рис. 17
Чтобы перейти к существу вопроса, рассмотрим временные диаграммы, приведенные на рис. 17, более подробно.
Как уже отмечалось, код NRZ (в данном случае он обозначен как NRZ(L)) отображает логический 0 и логическую 1 соответственно низким и высоким уровнями энергии. В коде AMI «0» отображается отсутствием напряжения, а «1» - положительным или отрицательным импульсом, причем полярности соседних импульсов чередуются. Код Т1 отличается от AMI длительностью импульса.
В коде NRZ(I) любой фронт сигнала несет информацию о том, что примыкающий к нему справа битовый интервал соответствует «1». Если фронта нет, то битовый интервал отображает «0».
Код MLT-3 можно получить из кода NRZ(I) следующим образом. В интервалах, где код NRZ(I) принимает нулевое значение, код MLT-3 также должен быть нулевым. Положительные импульсы кода NRZ(I) должны соответствовать знакочередующимся импульсам кода MLT-З. При этом не имеет значения, какую полярность имеет первоначальный импульс.
Схема преобразования кода NRZ(L) в коды NRZ(I) и MLT-3 приведена на рис. 18, а. Каждый из двух последовательно соединенных D-триггеров включен в режиме делителя частоты. На выходе Q первого триггера формируется код NRZ(I). На входы передатчика подаются сигналы «+»и «-», которые преобразуются соответственно в положительные и отрицательные импульсы трехуровнего сигнала MLT-З.
Строго говоря, в эту и последующие схемы нужно ввести компенсирующие элементы для предотвращения некорректных ситуаций - так называемых “гонок” сигналов. Пример гонки: из-за того, что второй триггер изменяет состояние и опрашивается под действием одного и того же сигнала NRZ(l), на выходах «+» и «-» элементов И в процессе переключения триггера будут наблюдаться кратковременные ложные импульсы. Но на эти “мелочи” сейчас не будем обращать внимания, чтобы не усложнять рисунки и не потерять основную идею.
Схема, показанная на рис. 18, б, отличается от предыдущей тем, что на D-вход второго триггера (первый триггер не показан) подается псевдослучайная последовательность битов RND. При RND = 1 в момент формирования положительного фронта сигнала NRZ(I) выбирается положительная полярность импульса в линии, при RND = 0 - отрицательная. Последовательность битов RND синхронизирована сигналом CLК и формируется, например, генератором на основе сдвигового регистра с логическими элементами Исключающее ИЛИ в цепях обратных связей [55]. Такое решение приводит к случайному чередованию полярностей импульсов кода RND(MLT-3) в отличие от их регулярного чередования в коде MLT-3. Схема формирования сигнала RND(TI), показанная на рис. 18, в, построена аналогично и отличается наличием дополнительного логического элемента И, предназначенного для укорочения положительных импульсов кода NRZ(I).
Схема, представленная на рис. 18, г, позволяет дешифрировать коды МLТ-3 или RND(MLT-3), т.е. преобразовывать их в обычный код NRZ(L). На выходе приемника формируются положительные импульсы «+» и «-», которые соответствуют разнополярным входным сигналам. Приемник также формирует синхросигнал СLК, например, с помощью генератора на основе петли фазовой автоподстройки частоты.
а
б
в
г
Рис. 18
Логический элемент ИЛИ суммирует импульсы «+» и «-», так что их первоначальная полярность не учитывается. В этом, пожалуй, и заключена основная предпосылка создания рассмотренного решения: полярность импульсов в линии может быть произвольной, так как приемник не обращает на нее внимания. А если это так, то можно случайным образом распределить полярности передаваемых импульсов и тем самым подавить периодические составляющие сигнала. Единственное ограничение состоит в том, что для исключения постоянной составляющей сигнала в линии среднее число положительных и отрицательных импульсов в любом достаточно большом интервале времени должно быть одинаковым. Это условие в данном случае выполнено.
Таким образом, закон, по которому данные скремблировались передатчиком, остается неизвестным приемнику.
Предлагаемый метод применим и к другим трехуровневым кодам, таким как ВЗZS, ВбZS, НDB3.
Скремблирование может выполняться с различными целями. Наиболее распространенная цель - защита передаваемых данных от несанкционированного доступа. Для ее достижения разработано множество методов кодирования и схемных решений. Но нас интересует иная задача, связанная с “разравниванием” спектра сигнала и повышением надежности синхронизации приемника с источником передаваемых по линии данных. Применительно к этой задаче цель скремблирования cостоит в исключении из потока данных длинных последовательностей «0» и «1» и периодически повторяющихся групп битов. Для этого необходимо преобразовать данные так, чтобы они выглядели как случайные, т.е. лишенные какой-либо видимой закономерности.
Генераторы псевдослучайных носледовательностей
Скремблеры и дескремблеры обычно построены на основе генераторов псевдослучайных битовых последовательностей. Пример такого генератора в виде обобщенной схемы приведен на рис. 19 [55], который выполнен на основе кольцевого сдвигового регистра RG с логическим элементом Исключающее ИЛИ (XOR) в цепи обратной связи. Если в исходном состоянии в регистре присутствует любой ненулевой код, то под действием синхросигнала CLК этот код будет непрерывно циркулировать в регистре и одновременно видоизменяться. В качестве выхода генератора можно также использовать выход любого разряда регистра.
В общем случае в М-разрядном регистре обратная связь подключается к разрядам с номерами М и N (М > N). Выбор оптимального значения N для заданного М - непростая задача. К счастью, она уже решена. Вариант таблицы выбора N приведен на рис. 19. Таблица описывает ряд генераторов различной разрядности. Каждый генератор формирует последовательность битов с максимальным периодом повторения, равным (2М – 1).
Рис. 19
В такой последовательности встречаются все М-разрядные коды, за исключением нулевого. Этот код представляет собой своеобразную “ловушку” для данной схемы: если бы нулевой код появился в регистре, дальнейшая последовательность битов была бы также нулевой. Но при нормальной работе генератора попадания в ловушку не происходит. (Усовершенствованные генераторы, не имеющие запрещенных состояний, рассмотрены в [62].)
Последовательность максимальной длины обладает следующими свойствами.
1. В полном цикле (2М - 1 тактов) число логических 1 на единицу больше, чем число логических 0. Добавочная лоическая 1 появляется за счет исключения состояния, при котором в регистре присутствовал бы нулевой код. Это можно интерпретировать так, что вероятности появления на выходе регистра логического 0 и логической 1 практически одинаковы.
2. В полном цикле (2М - 1 тактов) половина серий из последовательных логических 1 имеет длину 1, одна четвертая серий - длину 2, одна восьмая - длину 3 и т.д.
Такими же свойствами обладают и серии из логических 0 с учетом пропущенного логического 0. Это говорит о том, что вероятности появления “орлов” и “решек” не зависят от исходов предыдущих “подбрасываний”. Поэтому вероятность того, что серия из последовательных логических 1 или логических 0 закончится при следующем подбрасывании, равна 1/2 вопреки обывательскому пониманию “закона о среднем”.
3. Если последовательность полного цикла (2М - 1 тактов) сравнивать с этой же последовательностью, но циклически сдвинутой на любое число тактов W (W не является нулем или числом, кратным 2М - 1), то число несовпадений будет на единицу больше, чем число совпадений.
Наиболее распространены две основные схемы построения пар “скремблер-дескремблер”: с неизолированными и изолированными генераторами псевдослучайных битовых последовательностей.
Скремблер-дескремблер с неизолированными генераторами псевдослучайных битовых последовательностей
В схеме, приведенной на рис. 20 [60], скремблер и дескремблер выполнены на основе рассмотренных (но неизолированных) генераторов псевдослучайных битовых. Оба генератора имеют одинаковую разрядность и однотипную структуру обратных связей. Все процессы, протекающие в системе передачи данных, синхронизируются от тактового генератора (на рисунке не показан). Этот генератор размещен на передающей стороне системы и может принадлежать источнику данных либо скремблеру. В каждом такте на вход скремблера подается очередной бит передаваемых данных SD, а в сдвиговом регистре RG1 накопленный код продвигается вправо на один разряд.
Если предположить, что источник данных посылает в скремблер длинную последовательность «0», то элемент XOR1 можно рассматривать как повторитель сигнала Yl с выхода элемента XOR2. В этой ситуации регистр RG1 замкнут в кольцо и генерирует точно такую же псевдослучайную последовательность битов, как и в рассмотренной ранее схеме (см. рис. 19). Если от источника данных поступает произвольная битовая последовательность, то она взаимодействует с последовательностью битов с выхода элемента XOR2. В результате формируется новая (скремблированная) последовательность битов SCRD, по структуре близкая случайной. Эта последовательность, в свою очередь, продвигается по регистру RG1, формирует поток битов на выходе элемента XOR2 и т.д.
Скремблированная последовательность битов SCRD передается по линии и поступает в дескремблер. С помощью генератора с фазовой автоподстройкой частоты (этот генератор на рисунке не показан) из входного сигнала выделяется тактовый сигнал. Под управлением тактового сигнала биты SCRD продвигаются в регистре RG2, а в приемник данных поступают дескремблированные данные RD.
Потоки данных RD и SD совпадают с точностью до задержки передачи по линии. Действительно, в установившемся режиме в сдвиговых регистрах RG1 и RG2 присутствуют одинаковые коды, так как на входы этих регистров поданы одни и те же данные SCRD, а тактовая частота, по сути, общая. Поэтому Y2 = Yl, и, с учетом этого, RD = SCRD Y2 = SD Yl Y2 = SD Yl Yl = SD 0 = SD.
Рис. 20
Рассмотренная система передачи данных не требует применения какой-либо специальной процедуры начальной синхронизации. После заполнения сдвигового регистра RG2, как было показано, генераторы псевдослучайных битовых последовательностей работают синхронно (их состояния всегда одинаковы). При появлении одиночной ошибки в линии синхронизация временно нарушается, но затем автоматически восстанавливается, как только правильные данные вновь заполнят регистр RG2. Однако в процессе продвижения ошибочного бита по сдвиговому регистру RG2, а именно, в периоды его попадания сначала на первый, а затем на второй вход элемента XOR3 сигнал У2 дважды принимает неправильное значение. Это приводит к размножению одиночной ошибки - она впервые появляется в сигнале RD в момент поступления из линии и затем возникает еще два раза при последующем двукратном искажении сигнала Y. Еще один недостаток рассмотренной системы передачи данных связан с тем, что существуют некоторые неблагоприятные кодовые ситуации, с которыми скремблер “не справляется”.
Скремблер-дескремблер с изолированными генераторами псевдослучайных битовых последовательностей
В схеме, приведенной на рис. 21, генераторы псевдослучайных битовых последовательностей включены так, что они изолированы от каких-либо нежелательных внешних воздействий. Генераторы, как и в предыдущей схеме, работают синхронно, поэтому скремблирующий Zl и дескремблирующий Z2 сигналы одинаковы. Ошибка в линии не размножается дескремблером, так как она не попадает в сдвиговый регистр RG2.
Рис. 21
Недостаток этой схемы — отсутствие самосинхронизации генератора псевдослучайной битовой последовательности дескремблера (напомним, что в предыдущей схеме такая синхронизация имеется).
Скремблер-дескремблер с неизолированными генераторами - усовершенствованный вариант
Рассмотрим усовершенствованный вариант (устранены неблагоприятные кодовые ситуации) скремблера-дескремблера, построенного на основе двух одинаковых генераторов псевдослучайных последовательностей битов, рис. 22 [59].
Скремблер содержит сдвиговый регистр RG1 с логическими элементами Исключающее ИЛИ (XOR1 и XOR2) в цепи обратной связи, а также два двоичных счетчика.
Счетчик логических 0 устанавливается в нуль всякий раз, когда скремблированный сигнал данных SCRD = 1. Если SCRD = 0, то содержимое счетчика увеличивается на единицу по фронту сигнала СLK1. При накоплении заданного числа единиц (например, пяти) счетчик автоматически устанавливается в нулевое состояние и формирует импульс SET установки в единицу некоторого разряда (или группы разрядов) сдвигового регистра. Таким образом, счетчик логических 0 служит детектором цепочек «0» заданной длины. При обнаружении такой цепочки корректируется код в сдвиговом регистре.
Счетчик логических 1 построен симметрично и устанавливается в нуль всякий раз, когда скремблированный сигнал данных SCRD = 0. Если SCRD = 1, то содержимое счетчика увеличивается на единицу по фронту сигнала СLK1. При накоплении заданного числа единиц (например, пяти) счетчик автоматически устанавливается в нулевое состояние и формирует импульс RESET установки в нуль некоторого разряда (или группы разрядов) сдвигового регистра. Счетчик логических 1 служит детектором цепочек «1» заданной длины.
Дескремблер построен аналогично и дополнительно содержит схему выделения синхросигнала CLK2 из скремблированного сигнала SCRD. Эта схема может быть выполнена на основе петли фазовой автоподстройки частоты PLL (Phase Locked Loop).
Рис. 22
Система передачи данных функционирует следующим образом. Источник данных формирует синхронный битовый поток SD и соответствующий синхросигнал CLKI. Этот поток проходит через логический элемент XOR2. На второй вход этого элемента поступает последовательность скремблирующих битов SCI. Суммарный (скремблированный) поток SCRD передается по линии и поступает в дескремблер.
После заполнения регистра RG2 информация в нем в точности совпадает с той, которая присутствует в регистре RGI. В дальнейшем все изменения информации в этих регистрах происходят синхронно, так как на их входы подается один и тот же сигнал. SCRD (разумеется, с учетом задержки передачи по линии связи). Благодаря этому, SC2 = SС1. Логический элемент XOR4 формирует сигнал принимаемых данных RD, который повторяет исходный сигнал SD. Это следует из того, что RD = SCRD SC2 =SCRD SС1 = SD SС1 SCI = SD.
Уточним роль счетчиков логических 0 и логических 1, о которых уже кратко упоминалось. Предположим, что эти счетчики исключены из схем скремблера и дескремблера. Схема остается работоспособной при условии, что поток SD не содержит некоторых опасных последовательностей сигналов. Рассмотрим эти последовательности.
При работе системы не исключено, что поступающие от источника данные SD таковы, что логический элемент XOR2 скремблера в М последовательных тактах сформирует сигнал логические 0 (М - разрядность сдвигового регистра). Тогда сдвиговый регистр RGI (а синхронно с ним и регистр RG2) заполнится нулевыми битами. Если после этого источник сигнала начнет передавать длинную последовательность логических 0, то на обоих входах логического элемента XOR2 будут постоянно присутствовать нулевые сигналы, сигнал SCRD также в течение длительного времени будет оставаться нулевым, что крайне нежелательно.
Аналогичная ситуация возможна и после случайного заполнения сдвигового регистра единичными битами. При последующей передаче длинной последовательности сигналов SD = 1 на выходе логического элемента XOR2 поддерживается сигнал логической 1, который в каждом такте записывается в регистр, подтверждая его состояние “Все единицы”.
Введение счетчиков позволяет исключить возможность заполнения регистра RGI одинаковыми битами («0» или«1»). Поэтому нет опасности фиксации уровня сигнала в линии при последующей выдаче источником данных длинной последовательности «0» или «1». Но это, к сожалению, не означает, что задача получения гарантированно изменяющегося сигнала SCRD решена “полностью и окончательно”. Действительно, теоретически можно преднамеренно синтезировать сколь угодно длинную последовательность сигналов SD, совпадающую или противофазную последовательности сигналов SCl, какой бы сложной она ни была (ведь ее можно заранее вычислить, зная структуру скремблера и его начальное состояние). В результате такого синтеза получим неизменный сигнал SCRD на протяжении любого желаемого интервала времени. Точно так же можно было бы синтезировать периодический сигнал SCRD вида 010101... для создания максимального уровня перекрестных помех в соседних проводах многожильного кабеля (например, с целью тестирования системы). Но так как начальное состояние регистра RG1 источнику данных не известно, на практике такой синтез невозможен.
Вероятность случайного формирования нескремблируемых последовательностей битов источником данных зависит от разрядности скремблера и может быть небольшой, но с ней нельзя не считаться при проектировании телекоммуникационных устройств.
Синхронизация изолированных генераторов скремблера-дескремблера
В системе передачи данных, показанной на рис. 23, применены изолированные генераторы псевдослучайных битовых последовательностей. Их синхронизация осуществляется с использованием аппаратных и программных средств приемной стороны.
К этим средствам относятся мультиплексор MUX и программно-управляемый выход приемника данных, на котором формируется сигнал F. При нормальной работе системы приемник данных постоянно поддерживает на выходе сигнал F = 0. На выход мультиплексора транслируется сигнал Z2, генератор псевдослучайной битовой последовательности на основе регистра RG2 изолирован от внешних воздействий. Поэтому схема эквивалентна рассмотренной ранее (см. рис. 21). Предположим теперь, что в исходном состоянии дескремблер не синхронизирован со скремблером. Такая ситуация может возникнуть, например, после включения напряжения питания аппаратуры приемной стороны, после сбоя тактового генератора дескремблера из-за воздействия помех на линию связи или по иным причинам. В отсутствие синхронизации между скремблером и дескремблером содержимое регистров RG1 и RG2 не совпадает, поток принимаемых данных RD ошибочен и не совпадает с потоком передаваемых данных SD.
При обнаружении устойчивого хаотического потока данных RD (в котором нет обусловленного протоколом разделения на кадры и т.п.), приемник формирует сигнал F = 1. Вследствие этого на вход регистра RG2 транслируется сигнал скремблированных данных SCRD, как в схеме на рис. 20.
Рис. 23
Протокол обмена предусматривает пересылку данных в виде последовательности кадров. Группы обычных кадров перемежаются со служебными кадрами. Например, после группы из 63 обычных кадров следует один служебный. Он, в частности, содержит синхронизирующую последовательность из нулевых битов. При выдаче этих битов SD = 0) в скремблер элемент XOR1 выполняет функцию повторителя сигнала Z1. Поэтому в данном случае скремблированный сигнал SCRD представляет собой фрагмент “истинной” псевдослучайной битовой последовательности, в том смысле, что она не смешана с потоком произвольных данных и порождается только генератором скремблера.
Эта последовательность загружается в регистр RG, так как F = 1. После того как содержимое регистров RG1 и RG2 оказывается одинаковым, сигнал Z2 начинает повторять сигнал Z1. Синхронизация достигнута. После заполнения регистра RG2 на вход приемника данных подается непрерывная последовательность логических 0, так как RD = SD. После уверенного обнаружения последовательности логических 0 приемник формирует сигнал F = 0 и тем самым переключает генератор дескремблера в режим изолированной работы. Теперь синхронизация не только достигнута, но и “сохранена”. Для гарантии окончания процесса установления синхронизации источник данных еще некоторое время продолжает выдачу последовательности логических 0, а затем приступает к передаче данных согласно принятому в системе протоколу.
9. Особенности кодирование и декодирование в FDDI
В распределенном интерфейсе передачи данных по ВОК функцию кодирования-декодирования выполняет уровень PHY (кодирующий данные, полученные от уровня MAC), которые затем направляются на уровень PMD. Уровень PHY также обрабатывает и обратный поток от PMD к MAC, рис. 24.
FDDI использует две последовательные системы кодирования: 4В/5В и NRZI - невозвращение к нулю с последующей инверсией на единицах [12].
Рис. 24
Рис. 25
Система кодирования данных 4В/5В.
Если в FDDI применить схему кодирования Token Ring или Ethernet, то на каждый полезный бит информации приходилось бы два передаваемых сигнальных бита (манчестерское кодирование), рис. 25, что потребовало бы посылать 200 миллионов сигналов в секунду для передачи со скоростью 100 Мбит/с. Поэтому в FDDI принята схема кодирования 4В/5В с меньшей избыточностью кода, которая преобразовывает каждые 4 бита данных в 5-битовые коды - символы, табл. 7. В результате, при скорости передачи данных 100 Мбит/с схема 4В/5В отправляет 125 миллионов сигналов в секунду (125 Мбод).
Заметим, что кодер 4В/5В обрабатывает группы битов (4 бита), соответственно декодер обрабатывает символы (5 битов). Следовательно, декодер должен выделять символы из непрерывного битового потока. Для этой цели, в частности, приемник синхронизируется с передатчиком на этапе приема.
Система кодирования NRZI.
После выполнения кодирования данных 4В/5В происходит дальнейшее, теперь уже побитовое, кодирование NRZI (см.рис.13, а, б). В этой схеме нулю входящей последовательности соответствует повторение уровня предыдущего элемента (сохранение состояния), а единице - энергетический переход в альтернативное состояние, рис. 26. Таким образом, чем больше единиц во входной последовательности, тем больше будет перепадов сигнала на выходе (выше эффективная частота в линии) и наоборот.
Преобразование NRZI, если его рассматривать отдельно, не очень эффективно. Напримep, если передаются только 0, то приемник на удаленном узле все это время не будет обнаруживать перепадов сигнала, что ухудшает синхронизацию приемника. Поскольку практически было бы невозможно предотвратить эту ситуацию (нельзя гарантировать, что в потоке данных от пользователя не будут появляться длинные последовательности нулей), дополнительное кодирование предшествует NRZI. Это кодирование должно гарантировать, что после него не будут встречаться большие последовательности нулей, независимо от того, какие данные передаются от пользователя. И именно эту функцию обеспечивает кодирование 4В/5В, которое, таким образом, помогает не только повысить помехоустойчивость передаваемой информации, но и решить проблему синхронизации. Природа кодирования 4В/5В такова, что в выходном битовом потоке никогда не встретится больше трех нулей.
Рис. 26
Заметим, что первый бит выходной последовательности не определен. Эта неопределенность, однако, не опасна, поскольку приемник срабатывает по перепаду входного сигнала отсутствие перепада означает 0, перепад - 1). Таким образом, в случае использования оптической среды связи, последовательность нулей на входе кодировщика NRZI, которых может быть максимум три, преобразуется либо в непрерывный световой сигнал, либо в полное его отсутствие. Процесс декодирования происходит в обратном порядке.
Символы кодирования. В табл. 7 представлен список 5-битовых символов, используемых в стандарте FDDI. Допустимо всего 32 возможных комбинации из 5 бит, из которых реально задействованы только 25 символов. По назначению они разбиваются на 4 группы [12]:
- Символы статуса линии (3) - Q, I, H. Эти символы сигнализируют о состоянии линии и распознаются оборудованием физического уровня (PHY). Группы этих символов используются на этапе установления связи между уровнями PHY соседних устройств. Символ I (Idle) передается в промежутках между передаваемыми кадрами с целью поддержки синхронизации приемных часов станций.
- Ограничители (4): начальные - J, К, L, конечный - Т. Начальный ограничитель L не используется в базовом стандарте FDDI и предназначается для FDDI-II.
Таблица 7
|
Деся-
тичный
код
|
Двоичное
кодирование
|
Сим-
вол
|
Имя
|
Назначение
|
|
00
31
04
|
00000
11111
00100
|
Q
I
Н
|
QUIET
IDLE
HALT
|
Символ статуса линии
|
|
24
17
05
13
|
11000
10001
00101
01101
|
J
К
L
Т
|
|
Начальный ограничитель
- «» -
- «» -
Конечный ограничитель
|
|
07
25
|
00111
11001
|
R
S
|
RESET
SET
|
Контрольный индикатор
- «» -
|
|
30
09
20
21
10
11
14
15
18
19
22
23
26
27
28
29
|
11110
01001
10100
10101
01010
01011
01110
01111
10010
10011
10110
10111
11010
11011
11100
11101
|
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
А
В
С
D
Е
F
|
|
Символы данных 0000 (0)
- «» - 0001 (1)
- «» - 0010 (2)
- «» - 0011 (3)
- «» - 0100 (4)
- «» - 0101 (5)
- «» - 0110 (6)
- «» - 0111 (7)
- «» - 1000 (8)
- «» - 1001 (9)
- «» - 1010 (10-А)
- «» - 1011 (11-В)
- «» - 1100 (12-С)
- «» - 1101 (13-D)
- «» - 1110 (14-Е)
- «» - 1111 (15-F)
|
|
01
02
03
06
08
12
16
|
00001
00010
00011
00110
01000
01100
10000
|
V
V
V
V
V
V
V
|
VIOLATION*
VIOLATION
VIOLATION
VIOLATION
VIOLATION
VIOLATION
VIOLATION
|
He передаются
- «» -
- «» -
- «» -
- «» -
- «» -
He передаются
|
*Символы VIОLATION (нарушение) при правильной работе сети не передаются, следовательно, прием такого символа может означать либо низкое качество линии (большой уровень ошибок, помех), либо неисправность соседней передающей станции.
- Контрольные индикаторы (2) - R, S.
- Символы данных (16). Эти символы не являются служебными и используются для кодирования данных.
Оставшиеся семь символов из 32 (см. табл. 7) не передаются - передача их нарушила бы рабочую длину кода и требования по балансу постоянной составляющей. Символы обычно объединяются в пары, так что общее число символов в кадре всегда четно и не превышает 9000.
Баланс постоянной составляющей. В FDDI, в силу особенностей кодирования, может наблюдаться эффект смещения постоянной составляющей от среднего значения. Отклонение постоянной составляющей (baseline wander) возникает, когда усредненное по какому-то промежутку времени значение переменного сигнала ненулевое. При манчестерском кодировании каждый входной бит представляется парой сигналов +1 и -1, таким образом сохраняется нулевой баланс по постоянному току. В стандарте FDDI совокупность кодирований 4В/5В и NRZ/NRZI не гарантирует нулевой баланс в выходной последовательности, но дает достаточно близкое значение к 0. В наихудшем случае допускается отклонение ±10%. Это важное свойство выходной последовательности должно учитываться при конструировании приемников.
Состояния линии. Во время процедуры установления соединения соседние станции обмениваются не отдельными символами, а достаточно длинными последовательностями символов, что повышает надежность взаимодействия. Эти последовательности называются состояниями линии (line states), обозначения и описания которых приведены в табл. 8.
Отметим, что кодирование NRZI символов состояний линии приводит к меандру - регулярным волнам с квадратными фронтами различной частоты. Максимальная частота имеет место при состоянии линии ILS - 62,5 МГц. Всего используется 4 состояния линии: QLS, MLS, HLS и ILS. Оставшиеся два - ALS и NLS - обозначают соответственно нормальный рабочий режим канала, сопровождающийся передачей данных, и плохую линию с большим уровнем помех.
10. Особенности кодирования при передаче по витой паре
Схему кодирования 4B/5B+NRZI нельзя применять к медной кабельной системе на основе неэкранированной витой пары UTP cat.5 из-за жестких требований по электромагнитному излучению и длине сегментов. В то же время, эта схема допустима при использования экранированной витой пары IBM тип 1 или 2 - SDDI. Поэтому спецификации уровня FDDI TP-PMD, главным образом, ориентированы на создание помехоустойчивого кода в линии на основе UTP cat. Рассмотрение работы уровня TP-PMD представляет определенный интерес, поскольку эти спецификации были использованы в стандарте Fast Ethernet (100Base-TX), популярном современном сетевом стандарте.
Таблица 8
|
Обозначение
состояния
|
Описание
|
NRZI
|
|
QLS (quiet line state)
MLS
(master line state)
HLS
(halt line state)
ILS (idle line state)
|
Состояние молчания, заключается в передаче 16 или 17 символов Q (Quiet) подряд - сигнала нет
Состояние главного порта, заключается в передаче 8 или 9 пар символов H-Q (Halt и Quiet) - используется в процессе инициализации порта и для других функций
Состояние останова заключается в передаче 16 или 17 символов Н (Halt) подряд - используется в процессе инициализации порта
Состояние простоя, заключается в передаче 16 или 17 символов I (Idle) подряд - используется для поддержки синхронизации часов, в процессе инициализации и при нормальной работе сети для отделения кадров данных, указывает на наличие физического соединения, когда нет сетевой активности
|
Нет изменений в сигнале
(0 Гц)
Один переход на 10 бит
(6,25 МГц)
Два перехода на 10 бит
(12,5 МГц)
Десять переходов на 10 бит (62,5 МГц)
|
|
ALS (active line state)
NLS
(noise line state)
|
Состояние ALS - активно, при корректной передаче последовательностей кадров
Состояние плохой линии - указывает на наличие большого уровня помех в линии, обычно происходит при приеме символов Violation
|
Случайная величина, зависит от данных пользователя
Случайная величина, зависит от характера шума -
|
Для передачи сигнала no UTP cat.5 с целью уменьшения высокочастотной составляющей электромагнитного излучения и достижения максимального расстояния передачи (100 м), наряду со схемой NRZ/NRZI, дополнительно используется схема MLT-3 (см. рис.18). Также особенностью передачи по неэкранированной витой паре является наличие скремблера на передающей стороне (дескремблера на приемной), и подстраиваемого эквалайзера, который устанавливается на приемной стороне и предшествует дескремблеру. Скремблер устанавливается после кодера MLT-3, и предназначен для уменьшения величины пиков сигналов в энергетическом спектре. Эквалайзер устанавливается на приемной стороне и подстраиваясь под разную длину кабеля (преобразовывает сигнал к виду, приемлемому для дескремблера), рис. 27 (схема основных узлов уровня TP-PMD).
Рис. 27.
Схема кодирования MLT-3 (описана в спецификациях TP-PMD FDDI) реализует трехуровневый (см. рис. 17) выходной сигнала (+1, 0, -1) и аналогична схеме NRZI в том, что перепады уровня в выходном сигнале происходят только тогда, когда на вход поступает 1. Причем, направление перехода из нулевого состояния в положительное или отрицательное определяется предысторией: если последний переход в нулевое состояние был из положительного состояния, то по приходу 1 переход будет в отрицательное состояние, и наоборот, если последний переход в нулевое состояние был из отрицательного, то по приходу 1 переход будет произведен в положительное состояние.
Максимальное число перепадов на выходе кодера имеет место тогда, когда на вход подается последовательность из единиц. Но и в этом случае период волнового фронта будет 4 бита, что снижает частоты сигнала в линии в 4 раза, то есть 31,25 МГц (вместо 125 МГц) и позволяет приблизиться к требованиям передачи данных по неэкранированной витой паре.
Скремблер. Применение кодера MLT-3 само по себе еще не достаточно хорошее решение, чтобы удовлетворить требования радиочастотного электромагнитного излучения. Неэкранированная витая пара излучает значительно сильней экранированной витой пары, и, тем более, ОВ, особенно если передавать по, ней сигнал с полосой 100 Мбит/с. Главное назначение скремблера - уменьшение значений энергетических ликов в спектре излучения витой пары.
Скремблер устанавливается между кодерами NRZI и MLT-3. Он модифицирует последовательность битов после кодера 4В/5В, подмешивая псевдослучайный компонент (используется полиномиальная функция х11 + х9), рис. 28. Этот компонент затем удаляется на приемной стороне при помощи дескремблера. Для того, чтобы можно было восстановить битовый поток на приемной стороне необходимо, чтобы скремблер и дескремблер были синхронизированы между собой. В стандарте FDDI синхронизация происходит при помощи последовательностей символов состояний линии (ILS, MLS, QLS, HLS), что создает определенный рисунок сигнала на приеме. По этому рисунку “запускается” дескремблер. Скремблер и дескремблер имеют совершенно одинаковый принцип действия и используют одно и тоже “затравочное” 11-битовое число. Таким образом, двойное применение скремблирования к биту потока восстанавливает прежнее значение.
Рис. 28
Эластичный буфер
Из-за помех, влажности, перепадов температуры, скачков напряжения, временной нестабильности кварцевого генератора, частота часов не может быть постоянной величиной. Поэтому существует разброс по частотам часов разных станций. Полное кольцо, включая сетевые станции и кабельные коммуникации, должно сохранять битовую длину с тем, что бы ни один бит не мог быть создан или уничтожен в логическом кольце. Иначе не сохранится или исказится информация. Для этой цели используются специальные средства стабилизации. Уровень PHY предусматривает два средства: эластичный буфер и функцию сглаживания (рис. 24).
Приемник имеет часы с подстраиваемой частотой, для чего использует такую стандартную технику, как фазовая подстройка колебаний генератора. Передатчик, напротив, использует часы с фиксированной частотой. Эластичный буфер, установленный на каждой станции, призван компенсировать разную скорость приема и передачи битов по сети, возникающую вследствие различия частот приемных и передающих часов. Установка буфера в среднее положение (заполняется только половина ячеек буфера - буфер работает на прием) наступает перед приходом кадра по преамбуле, которая предшествует кадру данных. Далее буфер начинает работать на прием и на передачу битов, поддерживая очередь FIFO (first in, first out -первым пришел, первым обслужен).
Часы передатчика стандартизованы со стабильностью ±0,005%. Эластичный буфер работает с битами символов до процедуры декодирования 4В/5В. Поэтому для передачи кадра максимальной длины 9000 символов (24500 байт, так как каждый байт данных представлен двумя 5-битовыми символами в потоке по физической линии связи) или 45000 бит без переполнения буфера достаточно выбрать буфер длиной 10 бит (450000,0000522 = 9, плюс 1 бит для четной полной длины), где один множитель 2 учитывает максимальный разброс частот двух часов 0,01%, а другой множитель 2 учитывает возможность дрейфа уровня заполнения буфера как в сторону заполнения, так и в сторону освобождения.
Буфер длиной в 10 бит вносит задержку при ретрансляции маркера и кадров, которая при скорости передачи 125 Мбод эквивалента 0,08 мкс. Однако, принимая во внимание дополнительные задержки, в частности, при передаче битов между регистрами, это число - так называемое латентное время станции - увеличивается, и обычно оценивается в 1 мкс [13].
Латентное время сети - это время, которое требуется маркеру, испущенному станцией, возвратиться обратно к этой станции, при условии, что ни одна из станций не захватывает маркер. Это время складывается из латентных времен на станциях и задержках на сегментах из-за конечной скорости распространения света.
Если станция передает (ретранслирует) несколько кадров, следующих друг за другое, она может не успевать переводить буфер в среднее положение до обработки следующего кадра. В этом случае процедура установки буфера в среднее положение сопровождается процессом увеличения или уменьшения длины преамбулы (которая первоначально, в момент испускания кадра станцией-отправителем, составляет 16 или более символов). В частности, если настроенная частота приемных часов меньше частоты передающих часов, то возможно увеличение длины преамбулы у последовательно принимаемых кадров, так чтобы выравнивалось среднее время приема и передачи. Таким образом, по мере продвижения кадра (маркера) по сети длина предшествующей преамбулы может варьироваться от своего начального значения как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения (начальное значение преамбулы маркера задается на этапе его инициализации).
Функция сглаживания
Кадры с длинной преамбулой снижают производительность сети, не внося других проблем. Но уменьшение длины преамбулы до нуля означало бы потерю информации в критической ситуации. Проблему решает специально встроенный в PHY элемент, выполняющий функцию сглаживания. Этот элемент проверяет длину преамбулы у всех приходящих кадров и, в зависимости от обстановки, вставляет или удаляет символы преамбулы с целью уменьшения разброса в длинах преамбул от их номинального значения в 16 символов. Расчеты, представленные техническим комитетом ANSI X3T9.5 на этапе разработки FDDI, показали, что выбранный алгоритм функции сглаживания в самом худшем случае обеспечивает вероятность потери кадра меньше, чем 10-12, что в дальнейшем подтвердилось на практике при больших конфигурациях кольца.
Фильтр повторений
Фильтр повторений предотвращает распространение ошибочных кодов, в частности кодов нарушенного состояния линии VIOLATION, локализуя неисправный сегмент сети. В то же время, фильтр повторений позволяет распространяться неповрежденным или искаженным кадрам.
Пример 1. Допустим, что время распространения света в волокне соответствует величине 5 км/мкс, оценим латентное время кольца FDDI в следующих случаях: а) 2 км и 20 станций, б) 20 км и 200 станций, в) 100 км и 500 станций.
Латентное время сети (кольца FDDI) определяется как
TL = Tp + NTs,
где Тp – полная задержка из-за конечной скорости распространения света, N - число станций, Ts - латентное время станции:
а) TL =25 + 201 = 30 мкс (или 3000 бит);
б) TL = 205 + 2001 = 300мкс (30000 бит);
в) ТL = 1005+ 5001 = 1000мкс (100000 бит).
Заметим, что латентное время вычисляется в предположении, что активно только первичное кольцо - при наличии вторичного кольца латентное время может удвоится. К возрастанию латентного времени ведет подключение вторичных устройств к кольцу, например концентраторов SAC, или рабочих станций SAS, поскольку увеличивается путь движения маркера - длина логического кольца и число устройств сети. Предельное латентное время равно 2000 мкс, в случае свертывания кольца.
11. Выделение синхросигнала и данных из канала связи
Схема, показанная на рис. 29 [25], предназначена для выделения синхросигнала SYNC и данных DOUT из сигнала DIN, поступающего через приемник из линии. Предположим, что линейный сигнал представлен кодом NRZ. При этом допустим, что в коде NRZ максимальное число следующих подряд логических 0 или логических 1 не превышает, например, шести.
Рис. 29
Схема построена на основе двух сдвиговых регистров. Первый регистр D1 состоит из восьми включенных в “кольцо” D-триггеров с общими входами С синхронизации и объединенными входами LOAD управления асинхронной загрузкой. Циклический сдвиг кода в регистре Dl выполняется в отсутствие сигнала LOAD (LOAD = 0) по положительному фронту синхросигнала CLК от кварцевого генератора G.
При наличии сигнала LOAD = 1 регистр Dl устанавливается в состояние 00111100 независимо от состояния сигнала CLК.
Частота сигнала CLK (96 МГц) в данном примере в восемь раз (по числу разрядов регистра Dl) превышает скорость передачи данных по линии (12 Мбит/с). Сдвиговый регистр Dl фактически выполняет функцию делителя частоты на восемь, так как в нем в идеальной ситуации непрерывно циркулирует код 00111100: в течение четырех тактов cдвига SYNC = 1, затем в течение следующих четырех тактов SYNC = 0 и т.д. При этом фаза сигнала SYNC привязана к сигналу LOAD, который, в свою очередь, формируется при любом изменении cостояния входного сигнала DIN.
Второй сдвиговый регистр выполнен на триггерах D2 - D4 с объединенными входами С синхронизации. Логический элемент Исключающее ИЛИ D5 формирует сигнал логической 1 при несовпадении сигналов на его входах. Рассмотрим процесс выделения синхросигналов и данных из сигнала DIN (рис. 30).
Рис. 30
В исходном состоянии, когда нет изменений сигнала DIN (или когда эти изменения были слишком давно), сигналы SYNC и DOUT не определены. Изменение сигнала DIN (в данном примере переход из нулевого в единичное состояние) регистрируется по ближайшему положительному фронту сигнала CLК. Это проявляется в том, что в триггере D2 фиксируется сигнал Fl = 1.
Отметим, что в результате неблагоприятного сочетания сигналов на входах этого триггера, а именно, когда в момент поступления положительного фронта сигнала СLК сигнал DIN нестабилен, триггер D2 может сформировать кратковременный ложный сигнал. Иными словами, этот триггер может начать процесс “защелкивания”, но не завершить его. Однако кратковременный ложный сигнал не будет распространяться в последующие каскады сдвигового регистра благодаря общей цепи синхронизации. Полноценное защелкивание сигнала логической 1 в триггере D1 окажется возможным только в следующем такте.
Сигнал Fl = 1 в двух последующих тактах продвигается к выходу второго сдвигового регистра. При этом в период неравнозначности сигналов F2 и F3 формируется сигнал загрузки сдвигового регистра Dl LOAD = 1, синхросигнал SYNC принимает нулевое значение. Через два такта после окончания сигнала LOAD = 1 формируется положительный фронт сигнала SYNC, гарантирующий правильную регистрацию бита данных DOUT в триггере D6. Начиная с этого момента, достигаются нужные соотношения между выходными и входным сигналами. Чтобы убедиться в правильности этих соотношений, рассмотрим временную диаграмму выделения бита данных с учетом джиттера и некоторой неопределенности момента формирования положительного фронта сигнала SYNC, приведенную на рис. 31.
Рис. 31.
При скорости передачи данных 12 Мбит/с номинальная длительность битового интервала составляет 1/(12000000) с или 83,3 нс. Если принять максимальную амплитуду джиттера равной 25 нс, то битовый интервал в наихудших ситуациях может быть укорочен или удлинен на 25 нс и равен соответственно 83,3 - 25 = 58,3 нс или 83,3 + + 25 = 108,3 нс. Допуски длительности битового интервала отмечены на рисунке затененными областями.
Период сигнала CLK равен 1/(96000000) с или 10,417 нс. Из ранее рассмотренной временной диаграммы следует, что положительный фронт сигнала SYNC при наилучшем стечении обстоятельств может сформироваться через четыре периода сигнала CLК после изменения сигнала DIN. При наихудшем стечении обстоятельств (когда изменение сигнала DIN чуть опоздало к моменту регистрации) вместо четырех периодов потребуется пять.
Первой и второй ситуации соответствуют отмеченные на рис. 26 задержки, равные соответственно 10,4174 = 41,7 нс и 10,4175 = 52,1 нс. Таким образом, обеспечиваются надежная предустановка сигнала DIN на D-входе триггера D6 (минимум 41,7 нс) и достаточное время удержания этого сигнала (минимум 6,2 нс при норме “больше нуля”) после формирования сигнала SYNC.
Если для загрузки сдвигового регистра Dl вместо кода 00111100 применить код 00011110, то моменты раннего и позднего формирования положительного фронта сигнала SYNC сместятся на временной диаграмме влево на один период сигнала CLК. При этом минимальная предустановка уменьшится до 31,2 нс, а время удержания увеличится до 16,6 нc.
Рассмотренный пример имеет скорее иллюстративное, чем практическое значение, так как для передачи данных по последовательному каналу связи вместо кода NRZ применяют иные коды. Однако идею построения устройства можно использовать и для работы с этими кодами.
Схема выделения синхросигнала и данных из линии, приведена на рис. 32, где передаваемые по линии данные представлены кодом HDB3 (на рис. 33 даны временные диаграммы формирования сигнала LOAD в случае передачи данных кодом HDB3). Построение этого кода было рассмотрено выше. Напомним, что в коде HDB3 цепочки нулей заменены определенными “заготовками” (выделены на рис. 28 серым фоном), что позволяет исключить продолжительные паузы входного сигнала.
Приемник формирует две последовательности сигналов: HDB3+ и HDB3-. Первая соответствует положительным импульсам в линии, вторая - отрицательным. Трехразрядные сдвиговые регистры формируют импульсы LOAD+ и LOAD-, которые отражают изменения состояний сигналов HDB3+ и HDB3 -.
Рис. 32
Рис. 33
Эти импульсы суммируются логическим элементом ИЛИ, поэтому сигнал LOAD отражает все изменения сигнала в линии. Импульсы LOAD+ и LOAD-, обведенные на рисунке овалами, теоретически формируются одновременно, но реально при определенном стечении обстоятельств могут иметь взаимный сдвиг в ту или иную сторону на один период сигнала CLK. При этом длительность суммарного импульса LOAD (выделен на рисунке прямоугольником) составит не два, а три периода сигнала CLK. Это, однако, учитывается допусками (см. рис. 31) и не нарушает работы устройства.
Выходные сигналы D+ и D- синхронизированы сигналом SYNC и соответствуют положительным и отрицательным импульсам на входе устройства. Дальнейшая обработка сигналов D+ и E- заключается в восстановлении исходной битовой последовательности (показанной в верхней части рис. 33) и может выполняться микропроцессором.
12. Одноконтурная и двухконтурные схемы выделения синхросигнала
В схеме, приведенной на рис. 34, выделение синхросигнала и данных из линии основано на использовании контура фазовой автоподстройки частоты.
В установившемся режиме генератор G, управляемый напряжением U, формирует непрерывную последовательность синхроимпульсов. Их фронты (например, отрицательные) с высокой точностью совпадают во времени с моментами изменения сигнала D на выходе приемника. Моменты изменений в общем случае нерегулярны и зависят от передаваемой последовательности битов. При правильном выборе способа кодирования линейного сигнала существует гарантия хотя бы одного изменения сигнала D в течение некоторого заданного промежутка времени. Например, при использовании кода B6ZS гарантируется наличие хотя бы одного импульса (двух изменений сигнала) в течение любых пяти последовательных битовых интервалов.
Рис 34
Фазовый компаратор оценивает степень совпадения фронтов сигналов на своих входах и в зависимости от результата формирует некоторое управляющее напряжение U. Например, при хорошем совпадении фронтов, когда коррекции не требуется, U = 2,5 В. При необходимости ускорить или замедлить темп выработки сиинхроимпульсов напряжение повышается или снижается. Диапазон изменения напряжения может составлять (0,5 - 4,5) В. Фазовый компаратор обладает достаточной инерционностью, чтобы не реагировать на возможные мешающие факторы: “дрожание” фазы входного сигнала, импульсные помехи в линии и т.п.
В идеальном случае положительные фронты выделенного из линии cинхросигнала соответствуют центрам битовых интервалов, поэтому для выделения данных используется D-триггер.
Контур фазовой автоподстройки частоты представляет собой достаточно “тонкий инструмент”. Этот контур должен иметь очень узкую полосу захвата - порядка долей герца. Иными словами, для вхождения устройства в синхронизм с линейным сигналом нужно, чтобы исходная частота генератора G почти не отличалась от входной частоты. В противном случае на входах фазового компаратора будут наблюдаться случайные фазовые соотношения между сигналами, что не позволит выбрать нужное направление коррекции частоты. Из этого следует, что генератор G должен быть высокостабильным, но это противоречит требованию его хорошей управляемости со стороны фазового компаратора.
Чтобы устранить данное противоречие, применяют схемы с двумя контурами автоподстройки. Одна из таких схем [44) приведена на рис. 3
Рис. 35
Первый контур предназначен для предварительной настройки генератора G на номинальную частоту синхросигнала. После завершения такой настройки вместо первого контура включается второй, аналогичный рассмотренному ранее (см. рис. 34).
В данном примере частота генератора G регулируется кодом с выхода 12-разрядного двоичного счетчика СТ. При нормальной работе устройства код на выходе счетчика примерно соответствует середине диапазона счета и может изменяться в незначительных пределах. Содержимое счетчика увеличивается или уменьшается на единицу младшего разряда при поступлении импульса на вход +1 или -1. В отсутствие импульсов код в счетчике остается неизменным. Импульсы вырабатываются либо частотным, либо фазовым компаратором в зависимости от того, какой контур активизирован. При SEL = 0 включен первый контур, при SEL = 1 - второй.
Кварцевый генератор формирует на первом входе частотного компаратора сигнал частотой V/N, где V - скорость передачи данных по линии, N 2 - целое число. Сигнал той же частоты поступает на второй вход этого компаратора. Снижение сравниваемых частот позволяет упростить схему частотного компаратора и снизить потребляемую им мощность.
Предположим, что в исходном состоянии в линии присутствует полезный сигнал, но синхронизация не установлена; генератор G формирует сигнал, имеющий заметное отклонение (например, на 2 Гц) от нужной частоты. В этой ситуации оба компаратора обнаруживают неблагоприятные сочетания сигналов на входах, логический элемент И получает от обоих компараторов сигналы логического 0. Так как SEL = 0, мультиплексор MUX транслирует на входы счетчика СТ сигналы с выходов частотного компаратора.
Частотный компаратор определяет знак и величину частотной ошибки и формирует последовательность импульсов на одном из выходов. Код в счетчике СТ изменяется в направлении уменьшения ошибки. В конечном счете ошибка уменьшается до допустимых пределов, частотный компаратор формирует сигнал “Частоты одинаковы”. Одновременно с этим или с небольшой задержкой фазовый компаратор формирует признак “Сигнал в полосе захвата”, означающий, что фазовый компаратор выявил закономерность между моментами изменения сигналов на обоих входах и поэтому способен корректировать ее в нужном направлении.
В результате совпадения указанных условий формируется сигнал SEL = 1, мультиплексор переключается на трансляцию сигналов с фазового компаратора. Далее осуществляется точная подстройка генератора, при которой выходной сигнал привязывается к входному по фазе. Это позволяет выделять данные с помощью D-триггера, как было показано ранее (см. рис. 34).
При нормальной работе устройства включен второй контур управления генератором G. Но при потере входного сигнала в линии частота нестабилизированного генератора G, оставшегося без управления, начинает непрерывный дрейф в ту или иную сторону. Так как во втором контуре нет опорной частоты, фазовый компаратор не посылает корректирующие импульсы в счетчик СТ. Поэтому если, например, в результате “замирания” сигнала в линии потеряна группа из 70 битов, то дрейф приведет к выходу частоты генератора G из полосы захвата фазового компаратора. Тогда после возобновления правильной последовательности сигналов в линии вся описанная ранее процедура грубой и точной настройки генератора G будет повторена, что связано с неоправданно большими затратами времени.
Схема, приведенная на рис. 36 [44], обладает лучшей устойчивостью к “замираниям” сигнала в линии. Это связано с тем, что нестабилизированный генератор G2 контура фазовой автоподстройки частоты ни при каких обстоятельствах не остается без управления.
Рис. 36
Схема построена на основе двух нестабилизированных генераторов GI и G2. Эти генераторы размещены в одном кристалле интегральной схемы и имеют одинаковую топологию. Поэтому они обладают очень близкими электрическими параметрами, что существенно для данного решения. Генератор GI (G2) содержит аналоговые входы грубой и точной подстройки частоты. При нормальной работе устройства регулирующие напряжения U l и U2 находятся примерно в середине диапазона регулировки (например близки 2,5 В при диапазоне (0,5 - 4,5) В). Входы грубой и точной подстройки генератора GI объединены.
В первом, автономном контуре управления отслеживается частота кварцевого генератора, так что генератор GI формирует стабилизированную частоту V, близкую скорости передачи данных в линии. Поскольку генераторы GI и G2 имеют практически одинаковые электрические параметры, генератор G2 также настроен на эту частоту по входу грубой подстройки. В результате независимо от уровня напряжения U2 частота сигнала на выходе генератора G2 отличается от нужной всего лишь на доли герца и в любой ситуации не выходит за пределы полосы захвата фазового компаратора.
Таким образом, фазовый компаратор всегда готов к работе, даже после длительных “замираний” сигнала в линии. Исключен дрейф частоты в отсутствие сигнала в линии, уменьшено время вхождения в синхронизм после обнаружения этого сигнала.
Генераторы Gl и G2 выполнены на МДП-транзисторах по схеме симметричного мультивибратора (рис. 37).
Рис. 37
Четыре нижних транзистора используются в качестве двух сдвоенных переменных резисторов, с помощью которых можно регулировать частоту сигнала. Ширина канала транзисторов грубой регулировки частоты (нижняя пара) в 10 раз превышает ширину канала транзисторов точной регулировки. Поэтому сопротивления каналов и соответствующие диапазоны регулировки частоты отличаются примерно в 10 раз.
13. Уровень MAC
Второй уровень базовой OSI модели - канальный уровень, который подразделяется на подуровень управления доступом к среде MAC и на подуровень управления логическим каналом LLC. Стандартом MAC для FDDI определяются следующие процедуры:
- связь между станциями (передача маркеров и кадров);
- равноправное управление доступом к среде через выполнение временного протокола обращения маркера TTRP (timed token rotation protocol);
- создания маркеров и кадров;
- передача, получение, повторение, удаление кадров и маркеров из кольца;
- обнаружения ошибок;
- инициализация кольца;
- изоляция неисправных станций и участков кольца и др.
Маркеры и кадры
Между объединенными в сеть FDDI станциями устанавливается логическое кольцо связи, по которому циркулируют маркер и кадры. Главной задачей кольца является повторение станциями кадров, идущих от вышестоящих соседей к нижестоящим, а основная функция станции - определить, какая станция в данный момент имеет контроль доступа к среде. MAC занимается планированием по предоставлению возможности станциям передавать данные.
а
б
Рис. 38
Формат кадра FDDI приведен на рис. 38 а и содержит следующие поля [12]:
- Преамбула РА. 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 SD (starting delimiter). Состоит из пары символов JK, которые позволяют однозначно определить границы для остальных символов кадра.
- Поле управления FC (frame control). Идентифицирует тип кадра и детали работы с ним. Имеет 8-битовый формат и передается с помощью двух символов. Состоит из подполей, обозначаемых как CLFFZZZZ, которые имеют следующее назначение:
С - тип трафика кадра - синхронный (значение 1) или асинхронный (значение 0);
L - длина адреса кадра (2 или 6 байт);
FF - тип кадра, может иметь значение 01 для обозначения кадра LLC (пользовательские данные) или 00 для обозначения служебного кадра МАС-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 DA (destination address) - идентифицирует станцию (уникальный адрес) или группу станций (групповой адрес), которой(ым) предназначен кадр. Может состоять из 2-х или 6-ти байт.
- Адрес источника SA (source address) - идентифицирует станцию, сгенерировавшую данный кадр. Поле должно быть той же длины, что и поле адреса назначения.
- Информация INFO - относится 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. При этом в два старших 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 FCS (frame check sequence) - 32-битная последовательность, вычисленная по стандартному методу CRC-32, принятому и для других протоколов IEEE 802. Контрольная последовательность охватывает поля FC, DA, SA, INFO и FCS.
- Конечный ограничитель ED (ending delimiter) - символ Terminate (Т), обозначающий границу кадра. Однако за ним располагаются еще признаки статуса кадра.
- Статус кадра FS (frame status). Первые три признака в поле статуса должны быть индикаторами ошибки (error, E), распознавания адреса (address recognized, А) и копирования кадра (frame copied, С). 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.
Маркер состоит, по существу, из одного значащего поля - поля управления FC, которое содержит в этом случае 1 в поле С и 0000 в поле ZZZZ, рис. 38 б.
Временной анализ процессов передачи маркера и кадров
Выше рассмотрены отличия протокола управления маркером FDDI от принятого в Token Ring, отметим теперь особенности передачи маркера и кадров в FDDI.
Поскольку стандарт FDDI ориентировался на построение протяженных магистралей, то следовало предусмотреть эффективную работу при больших латентных временах сети (в примере 1 показано, как возрастает латентное время сети с ростом ее протяженности).
Стандарт Token Ring разрабатывался для сетей с кольцевой топологией небольшой протяженности и, следовательно, с малыми латентными временами. В этой ситуации не играло особой роли то, что станция, передающая данные и удерживающая маркер, дожидалась, пока последний испущенный ею кадр не возвратится обратно к ней, проверяла поле статуса кадра FS и только после этого испускала маркер дальше по кольцу. Однако такой алгоритм особенно неэффективен, когда в кольцевой сети с большим латентным временем одновременно желают передавать много станций. Это главный недостаток стандарта Token Ring.
В стандарте FDDI с учетом допустимости больших латентных времен сети предусмотрен механизм раннего испускания маркера. Станция, удерживающая маркер, испускает его сразу же вслед последнему отправленному кадру (вслед за полем FS кадра), не дожидаясь, пока тот совершит оборот по кольцу. А это означает, что другая станция, получив маркер, может раньше начать передачу, что увеличивает производительность сети FDDI. Из-за механизма раннего испускания маркера в кольце могут одновременно двигаться более одного кадра, испущенные от одной или от разных станций.
Фрагменты кадров. Отметим еще одну особенность FDDI. Основная функция удаления кадра из кольца выполняется станцией - источником. Пусть станция отправила все необходимые кадры и теперь ей необходимо идентифицировать свои кадры, которые возвращаются к ней после оборота по кольцу, и ликвидировать их. Если к этому моменту станция уже освободила маркер, то она читает поле SA (адрес отправителя) и в случае совпадения с собственным адресом станции ретранслирует его. Помещение в буфер предыдущих полей (SD, FC, DA) до момента выяснения, чей кадр - привело бы к дополнительной задержке при ретрансляции чужого кадра. Поэтому, чтобы уменьшить латентное время пребывания кадра на станции, станция начинает ретранслировать начало кадра, не дожидаясь проверки поля SА. Если адрес SA совпадает с собственным адресом, то станция прекращает передачу. Тем самым в кольце появляется фрагмент кадра - урезанный ненужный кадр. Фрагменты могут удаляться любой станцией, которая удерживает маркер, поскольку такой станции предоставляются большие возможности по буферизации входных данных, пока она сама передает свои кадры. Появление фрагментов кадров характерно для протяженных сетей и сетей, в которых станции передают короткие кадры, когда кадр не успевает возвратиться обратно к станции-источнику после того, как эта станция выпускает маркер.
Пример 2. Оценить длину (км), которую занимает, распространяясь в волокне (а) маркер, (б) кадр FDDI длинной 100 байт, (в) кадр FDDI максимальной длины (4500 байта). Время распространения света в волокне положим соответствующий величине 5 мкс/км.
При скорости передачи 100 Мбит/с на передачу одного бита требуется время 0,01 мкс, на передачу одного байта время 0,08 мкс, и на передачу n байт время 0,08n мкс. Длина пути света, соответствующая этому времени, будет 0,08n/5 км = 0,016n км.
a - маркер с учетом преамбулы имеет длину 81 бит или 10,125 байт. Отсюда L = 0,162 км;
б - L = 0,016100 = 1,6 км;
в - L = 0,0164500 = 72 км.
Временной протокол обращения маркера TTRP (timed token rotation protocol). B FDDI каждая станция вычисляет время обращения маркера TRT (token rotation time), точнее, временной интервал между двумя последовательными приемами маркера, что включает в себя времена, требуемые на передачу всех кадров от всех станций, включая исходную станцию. Ясно, что при слабой загруженности кольца TRT мало, и наоборот. То есть TRT может служить мерой загруженности кольца. Также все станции имеют предустановленное одно и то же значение другого не изменяющегося во время работы сети временного параметра - требуемого времени обращения маркера TTRT (target token rotation time), которое должно находиться в пределах от 4 мс до 165 мс. Об этом едином для всех значении TTRT станции договариваются еще на этапе инициализации кольца. При этом в рабочем состоянии действует следующее основное правило: станция может удерживать маркер и передавать данные в течении времени удержания маркера ТНТ (token holding time), которое определяется как ТНТ - TTRT-TRT. Если ТНТ положительно, то по приходу маркера станция может передавать данные. Если же ТНТ отрицательно, станция, даже если она хочет передавать, должна пропустить полученный маркер и ожидать более приемлемых условий при следующем приходе маркера. Несмотря на это кажущееся неудобство, протокол TTRP очень эффективен и предоставляет равные права на передачу данных при условии, что администратором установлены одинаковые значения TTRT на станциях.
На рис. 39 показан пример работы протокола, когда в кольце с полным латентным временем TL расположено три равноудаленных друг от друга станции с одинаковым установленным значением TTRT (черная точка – пришел маркер, и станция может передавать кадры – ранний маркер (early token), белая точка – пришел маркер, но станция не может передавать кадры – поздний маркер (late token), жирная линия – идет передача кадров). В дальнейших выкладках будем пренебрегать временем, требуемым на передачу маркера.
Рис. 39
Пусть сначала ни одна из станций не передавала данные и маркер свободно циркулировал от станции к станции. Но в момент времени t0 все три станции желают начать продолжительную передачу.
Поскольку в этот момент маркер приходит на станцию 1, она становится претендентом номер 1 на передачу данных. Станция 1 вычисляет время обращения маркера TRT между двумя последующими приходами, которое равно ТL. Затем она вычисляет допустимое время передачи ТНТ, которое равно (TTRT - TL), выполняет передачу в течение этого времени и испускает маркер. Маркер приходит на станцию 2, которая также вычисляет время, допустимое на передачу. Оно оказывается равным 0, так как вычисленное время TRT равно TTRT. По той же причине станции 3 и 1 также не могут передавать. Только в момент t1 = t0 + TTRT + TL/3 станция 2 получит возможность передавать. Станция 3 получит возможность передавать в момент: t2 = t0 + 2TTRT + 2TL/3, а станция 1 вновь получит возможность передавать в момент t3 = t0 + 3TTRT + 3TL/3 = t0 + 3TTRT + ТL, и т.д., причем каждая станция может передавать в течение времени (TTRT - TL).
Производительность такой сети U можно рассчитать как отношение времени, в течение которого велась передача в промежутке от t0 до t3, к этому промежутку времени [11]:
U = 3(TTRT - TL)/(3TTRT + TL).
В общем случае для n станций производительность определяется по формуле [12]:
U = n(TTRT - TL)/(nTTRT + TL) (TTRT - TL)/TTRT.
В правой части выражения мы пренебрегли малой величиной TL по сравнению с nTTRT в знаменателе. Из формулы видно, что при фиксированном значении латентного времени производительность будет возрастать с ростом TTRT. Увеличение TTRT ведет к уменьшению процессов переключений кольца в единицу времени, когда маркер переходит от станции к станции.
Предыдущее упрощенное рассмотрение предполагало наличие одного вида трафика. Однако для стандарта FDDI предусмотрена передача кадров двух типов трафика - синхронного и асинхронного [13].
Синхронный трафик предназначен для приложений, которые требуют предоставления им гарантированной пропускной способности (для передачи голоса, видеоизображения, управления процессами, и других случаев работы в реальном времени). Для такого трафика каждой станции предоставляется фиксированная небольшая часть пропускной способности кольца FDDI, поэтому станция имеет право передавать кадры синхронного трафика в течение определенного времени Tсинхр всегда, когда она получает маркер от предыдущей станции.
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 маркера по кольцу для этого осталась какая-либо часть неизрасходованной пропускной способности. С учетом возможности передачи двух видов трафика, временем удержания маркера ТНТ правильней называть интервал времени, в течение которого станция может передавать асинхронные кадры. Это время с учетов поправки на синхронный трафик определяется по формуле
ТНТ = TTRT – TRT Tсинхр.
Изохронный трафик и стандарт FDDI-II. Синхронный трафик не удовлетворяет более жестким требованиям синхронной передачи, таким как: величина вариаций задержки или дрожание. Для этой цели было разработано расширение стандарта FDDI, которое получило название FDDI-II. Фактически станция, поддерживающая этот стандарт, может работать в двух режимах: в традиционном режиме (основная мода) и в режиме FDDUI-II (гибридная мода). В последнем случае взаимодействие станций больше напоминает асинхронную TDM магистраль. По сути дела, FDDI-II оказался совершенно другим стандартом, плохо совместимым со стандартом FDDI. По этой причине он не получил большого распространения и здесь не рассматривается.
Мониторинг и инициализация кольца
Все вместе станции сети ведут непрерывный распределенный мониторинг работы кольца. В случае обнаружения ошибок или попытки их коррекции, при включении новой станции в кольцо и при выходе станции из кольца, при обнаружении какой-либо станцией факта утери маркера (маркер считается утерянным, если станция не получает его в течение удвоенного времени TTRT), 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 будут иметь место три следующих процесса:
- процесс заявлений по запуску маркера (claim token process);
- процесс запуска маркера и инициализации кольца (initialization process);
- процесс сигнализации, на основании которого происходит изоляция неисправного участка кабеля или исключение неисправной станции из кольца (beacon process).
Процесс заявлений по запуску маркера. Во время этого процесса вырабатывается единое для всех станций время TTRT, и определяется станция, которая будет запускать маркер. Обычно это право получает станция с меньшим значением выставляемого вначале времени TTRT. В течение этого процесса каждая станция непрерывно передает находящейся ниже по течению станции специальные заявительные кадры, содержащие адрес источника кадра и заявленное значение TTRT, и одновременно прослушивает полученные от вышестоящей станции аналогичные кадры. При этом она либо ретранслирует полученные кадры, обновляя собственное значение параметра TTRT, либо продолжает передавать свои. Преимущество имеют кадры с меньшим значением TTRT. При равном значении TTRT преимущество имеют кадры с большим значением МАС-адреса. Процесс заявлений прекращается, когда станция получает свой собственный заявленный кадр (заметим, что к этому моменту время TTRT устанавлива ется на всех станциях одно и тоже). Эта станция начинает процесс инициализации кольца.
Процесс запуска маркера и инициализация кольца. Станция, которая выиграла процесс заявлений, запускает маркер в кольцо. Все остальные станции, получая маркер, прекращают процесс заявлений и ретранслируют маркер. На первом обороте маркера ни одна из станций, получая маркер, не может передавать кадры данных, а только переходит из состояния инициализации в рабочее состояние и переустанавливает свой счетчик времени ТНТ. Со второго оборота маркера кольцо работоспособно.
Процесс сигнализации. В случае повреждений кольца, например разрыва кольца, процесс заявлений не может завершиться, поскольку нет логического кольца. После истечения таймаута (в качестве предельного значения выбирается максимально допустимое время оборота маркера 165 мс), станции прекращают процесс заявлений и начинают передавать специальные сигнальные кадры. Сигнальные кадры передаются как в первичное, так и во вторичное кольца. Станция, получающая такой сигнальный кадр, пытается его ретранслировать. Процесс сигнализации прекращается, когда одна из станций получает свой собственный сигнальный кадр, что означает установление логического кольца. Эта станция начинает процесс заявлений по запуску маркера.
Общая схема процесса инициализации логического кольца FDDI [12] приведена на рис. 40, где в скобках указаны выполняемые операции: 1 – передача сигнальных кадров (beacon frames); 2 – 5 воспроизведение полученных сигнальных кадров; 6 – получение собственного сигнального кадра; 7, 8 – передача заявленных кадров (claime frames); 9 – получение claime кадра более высокого приоритета; 10 – воспроизведение полученного кадра; 11 – получение собственного заявленного кадра (own claime frames); 12 – запуск маркера в логическое кольцо.
Рис. 40
14. Обзор уровня SMT
Спецификации уровней PHY, PMD и MAC (стандарта FDDI) определяют функции, выполняемые каждым из узлов сети FDDI, а SMT относится к уровню управления станцией (station management) и контролирует (управляет) всеми процессами канального и физического уровней, протекающими в отдельной станции. Кроме того, процесс SMT каждой станции взаимодействует с аналогичными процессами других станций для того, чтобы следить и координировать все операции в кольце FDDI. В этом случае SMT принимает участие в распределенном одноранговом управлении кольцом [6].
Спецификация SMT определяет три главных составляющие уровня (рис. 41)
- управление соединениями СМТ (connection management);
- управление кольцом RMT (ring management);
- правление, основанное на передаче кадров FBM (frame-based management).
Управление соединениями СМТ
Компонент СМТ ответственен за конфигурирование портов станций и подразделяется на:
- управление координацией объектов ЕСМ (entity coordination management) - следит за активностью компонентов внутри СМТ, а также осуществляет прямой контроль за оптическим обходным переключателем, если тот присутствует. На станции имеет место только один процесс ЕСМ;
- управление физическим соединением PCM (physical connection management) - контролирует активность соответствующих портов и каналов связи с удаленными портами соседних станций. Один процесс РСМ имеет место в расчете на один порт;
- управление конфигурацией CFM (configuration management) - контролирует состояние конфигурационных контрольных элементов ССЕ (configuration control element). На каждый MAC и каждый физический порт приходится по одному элементу ССЕ.
Рис. 41
Управление кольцом RMT
Для выполнения своих функций узел RMT взаимодействует с локальным узлом MAC, узлом управления соединениями СМТ, а также с другими узлами SMT станции. Узел RMT выполняет следующие функции.
Уведомление о статусе и наличии локального МАС-узла.
RMT несет ответственность уведомление других узлов SMT о:
- доступности МАС-узла для передачи и приема кадров и маркера;
- начале или завершении процесса Beacon в локальном узле;
- обнаружении факта дублирования МАС-адреса;
- старте функции Trace, позволяющей узлу выйти из состояния постоянной генерации кадров сигнализации о неисправности (состояние Stuck Beacon);
- неработоспособности кольца в течение длительного времени.
Процесс сигнализации и выход из него.
Процесс сигнализации используется для изоляции серьезных повреждений кольца. Узел MAC начинает процесс Beacon в следующих ситуациях:
- процесс инициализации кольца Claim Token не завершился за отведенное ему время;
- узел SMT передал узлу MAC команду на инициацию процесса Beacon.
Управление, основанное на передаче кадров FBM
Этот компонент SMT является наиболее высокоуровневым, так как для его работы требуется, чтобы кольцо находилось в работоспособном состоянии и могло передавать между, станциями кадры. Спецификация FBM определяет большое количество типов кадров, которыми обмениваются станции:
- Кадры информации о соседстве NIF позволяют станции выяснить адреса ее предшествующего и последующего соседей, выяснить наличие дублированных адресов, а также проверить работоспособность своего МАС-узла при отсутствии другого трафика. Информация об адресах соседей может быть собрана управляющей станцией для построения логической карты кольца.
- Кадры информации о статусе SIF используются станцией для передачи запроса о конфигурации и операционных параметрах другой станции. С помощью кадров SIF запрашиваются и передаются, например, данные о состоянии станции, значении счетчика кадров, приоритетах кадров, идентификаторе производителя.
-Кадры отчета о статусе SRF позволяют станции периодически посылать по кольцу информацию о своем состоянии, которая может быть интересна станции управления кольцом. Это может быть, например, информация об изменении состояния станции, о нежелательных соединениях, о слишком высокой интенсивности ошибочных кадров.
-Кадры управления параметрами PMF используются станцией для чтения или записи значений параметров базы данных управляющей информации SMT MIB.
-Эхо-кадры ECF позволяют станции проверить связь с любой станцией кольца.
15 Построение сетей FDDI
Преимуществом технологии FDDI является сочетание нескольких очень важных для локальных сетей свойств:
- высокая степень отказоустойчивости;
- способность покрывать значительные территории, вплоть до территорий крупных городов;
- высокая скорость обмена данными;
- детерминированный доступ, позволяющий передавать чувствительные к задержкам приложения;
- гибкий механизм распределения пропускной способности кольца между станциями;
- возможность работы при коэффициенте загрузки кольца, близком к единице;
- возможность легкой трансляции трафика FDDI в трафики таких популярных протоколов, как Ethernet и Token Ring за счет совместимости форматов адресов станций и использования общего подуровня LLC.
Пока FDDI - это единственная технология, которой удалось объединить все перечисленные свойства. В других технологиях эти свойства также встречаются, но не в совокупности. Так, технология Fast Ethernet также обладает скоростью передачи данных 100 Мбит/с, но она не позволяет восстанавливать работу сети после однократного обрыва кабеля и не дает возможности работать при большом коэффициенте загрузки сети (если не принимать во внимание коммутацию Fast Ethernet).
К недостаткам следует отнести один - высокую стоимость оборудования. За уникальное сочетание свойств приходится платить - технология FDDI остается самой дорогой 100-мегабитной технологией. Поэтому ее основные области применения - это магистрали кампусов и зданий, а также подключение корпоративных серверов. В этих случаях затраты оказываются обоснованными - магистраль сети должна быть отказоустойчивой и быстрой, то же относится и к серверу, построенному на базе дорогой мультипроцессорной платформы и обслуживающему сотни пользователей. Из-за высокой стоимости оборудования решения на основе FDDI уступают решениям на основе Fast Ethernet при строительстве локальных сетей небольшой протяженности, когда стандарт Fast Ethernet предоставляет оптимальное решение.
При строительстве протяженных корпоративных сетей, выбор наилучшего стандарта зависит от ряда факторов. Главные факторы, которые могут говорить в пользу построения сети магистралью FDDI, следующие:
- выраженная кольцевая топология кабельной системы, или размещения сетевых узлов;
- большое количество самих сетевых узлов (до 10 и более);
- ограниченное число волокон в кабельной системе (2 или 4);
- большая общая протяженность планируемой сети (несколько десятков километров).
Примеры решений магистальных корпоративных сетей на основе различных технологий приведены на рис. 42.
Магистраль FDDI. На рис. 42 а показано решение с использованием магистрали FDDI. Это решение полностью удовлетворяет поставленным требованиям, и весьма эффектно. Отметим один недостаток: при отключении двух станций возможна микросегментация кольца FDDI. Обычно в сети магистральные узлы работают непрерывно без отключений. Более того, как сами коммутаторы, так и файл-серверы подключаются к источникам бесперебойного питания. Однако сама возможность отключения или выхода из строя имеется. Для повышения надежности можно отдельные станции подключать через двойное кольцо.
Общие характеристики сети:
- периметр = 20 км,
- число станций =10,
-число ОВ = 4 (2 резерв),
- тип ОВ – одномодовое волокно (sm).
Альтернативное решение на основе коммутации Fast Ethernet, рис. 42 б. При небольшом количестве волокон сеть с центральным коммутатором каналов Fast Ethernet и Ethernet не проходит, поскольку она требует значительно большего числа волокон (особенно по мере приближения к узлу коммутации) по сравнению с тем, когда узлы связываются по кругу с ближайшими соседями соединениями “точка-точка”. Поскольку расстояния между узлами большие, то наряду с центральным (магистральным) коммутатором следует устанавливать удаленные коммутаторы (коммутаторы для рабочих групп), подключенные полнодуплексными каналами к магистральному коммутатору.
Для реализации такой сети требуется большее количество волокон, например для сегмента 1-10 нужно 10 волокон, для 1-9 - 8, и т.д. У такой сети есть еще одно слабое место - центральный коммутатор (узел 1) при его отключении или выходе из строя сеть становится неработоспособной.
а
б
в
г
д
Рис. 42
Альтернативное решение на основе коммутации Fast Ethernet с дублированием, рис. 42 в. Для повышения надежности на узле 6 установлен второй магистральный коммутатор Fast Ethernet. Каждый из коммутаторов для рабочих групп подключаются к двум магистральным коммутаторам. Петли в потоках данных ликвидируются посредством алгоритма Spanning Tree. Для большей эффективности все активные каналы приходят на один из магистральных коммутаторов. Если этот коммутатор выходит из строя, то протокол Spanning Tree переопределяет активные каналы, замыкая их на коммутатор узла 6. Такая сеть по производительности не выигрывает перед предыдущим решением, но более надежна. В этом решении еще больше возрастает количество активных сегментов пар волокон "точка-точка".
Альтернативное решение на основе ATM магистрали, рис. 42 г. В такой сети магистраль образована ATM/Fast Ethernet/Ethernet коммутаторами. По производительности и стоимости такое решение уступает всем предыдущим, если считать, что главной задачей магистрали является объединение существующих разрозненных сетей Ethernet и Fast Ethernet. Отметим, что магистраль ATM лучше строить на основе одно (двух) магистральных коммутаторов на узлах, например 1 и 6, аналогично рис. 42 б, в. Причем на всех остальных узлах следует ставить устройства, совмещающие функции коммутации Ethernet/Fast Ethernet и доступа ATM (ATM access).
Альтернативное решение на основе цепи коммутаторов Fast Ethernet, рис. 42 д. В такой сети коммутаторы Fast Ethernet соединены друг с другом последовательно по кольцу, алогично предыдущему примеру с ATM коммутаторами. Это решение неудачно, так как большое количество коммутаторов Fast Ethernet приводит к росту латентных времен сети. Это решение не рекомендуется использовать.
Многие современные корпоративные сети построены с использованием технологии FDDI на магистрали в сочетании с технологиями Ethernet и Fast Ethernet в сетях этажей и отделов. Группа центральных серверов также обычно подключается к магистральному кольцу FDDI напрямую с помощью сетевых адаптеров FDDI.
Поставляемое оборудование
Выбор оборудования. Сегодня выпускается большое количество устройств FDDI, начиная от сетевых адаптеров FDDI и кончая FDDI/Ethernet/ATM коммутаторами. Поскольку прошло много времени с момента появления стандарта (в 1991 г. - основные спецификации стандарта FDDI, в 1994 г. - опубликованы спецификации ANSI TP-PMD и SMF-PMD), достигнута высокая совместимость оборудования разных производителей. К крупным поставщикам оборудования FDDI относятся компании: 3Com, Adaptec, BayNetworks, Cabletron, Cisco, DEC, NBase-Fibronics, Madge, Network Peripherals, SysKonnect и др.
В табл. 9 приведены некоторые продукты FDDI, разбитые по основным категориям
Таблица 9
|
Название продукта
|
Описание
|
Произво-
дитель
|
|
Сетевые карты (подробный каталог приведен в [14])
|
|
FDILink 32-Bit PCI Fiber
SAS/Fiber DAS/UTP SAS
FDILink-F 32-Bit EISA/
FDILink-UTP 32-Bit EISA
|
3 сетевые карты PCI: SAS разъем Duplex SC mm
DAS два разъема Duplex SC mm, гнездо питания OBS/SAS разъем RJ-4(CDDIJ )
2 сетевые карты EISA: SAS разъем MIC мм
SAS разъем RJ-45
|
3Com [15]
|
|
PC8735/LCF, PC8739,
PC8736/LCF, PC8739/D
PC8741, PC8742
PC8743, PC8744
|
4 сетевые карты EISA: SAS разъем Duplex SC mm/
SAS разъем RJ-45 (MLT-3, CDDI /
DAS два разъема Duplex SC mm, питание OBS/
DAS два разъема RJ-45 (MLT-3, CDDI)
4 сетевые карты PCI: SAS разъем RJ-45 (MLT-3, CDDI)
SAS разъем Duplex SC mm /
DAS два разъема Duplex SC mm /
DAS два разъема RJ-45 (MLT-3, CDDI)
|
NBase-
Fibronics
[16]
|
|
PT-SBS600
|
Семейство сетевых карт SBus: SAS разъем Duplex SC mm/
SAS разъем RJ-45 (MLT-3, CDDI /
DAS два разъема Duplex SC mm, питание OBS/DAS два разъема RJ-45 (MLT-3, CDDI). Поддержка ОС Windows NT, Solaris x.86 и Solaris 2.x.
|
Performance
Technologies [17]
|
|
SK-NET FDDI SBus (Model SK-56x1)
|
Семейство из двух карт Sbus, типа SAS: разъем Duplex SC mm или RJ-45 (MLT-3, CDDI).
Поддержка ОС Solans x.86 и Solans 2.x.
|
SysKonnect
[18]
|
|
Концентраторы и коммутаторы FDDI
|
|
SmartSwitch 9000
9F241-12
9F206-02
9F426-03
|
Семейство модульных магистральных коммутаторов/ концентраторов (шасси 6, 14 слотов). FDDI модули:
FDDI MicroLAN module, 12 М-портов Duplex SC mm
FDDI Enhanced Repeater module, 1 порт FDDI DAS - 2 MIC-mm
High-Density FDDI SmartSwitch module, 3 FDDI DAS - 6 портов MIC mm, поддержка полного дуплекса по весем DAS портам, до - 42 коммутируемых колец FDDI (14 слотов)
|
Cabletron Systems [19]
|
|
GIGAswitch/FDDI
FGL-2
FGL-4
|
Модульный коммутатор (шасси 14 слотов, включая 1 модуль управления). Возможна IP коммутация. FDDI модули:
2 порта MIC mm, в конфигурации 2 х SAS или 1 DAS
4 порта MIC mm, в конфигурации 4 х SAS
|
DEC [20]
|
|
GaigaHUB XH152
LC380
LC382
LC383
|
Модульный концентратор (шасси 14 слотов, включая 1 модуль управления). FDDI модули:
FDDI DAS модуль 2 х Duplex SC (mm/sm)
FDDI концентратор модуль 9 x RJ-45 (MLT-3, CDDI)
FDDI концентратор модуль 9 x Duplex SC (mm/sm)
|
NBase-
Fibronics [16]
|
|
Конвертеры с mm на sm волокно (MM/SM Converters)
|
|
N320FD- I/II-x*
|
Двухпортовый mm/sm FDDI медиа конвертер, х- ST/FC/SC (совместимый со стандартом ANSI X3T9.5), I - расстояние по sm ОВ до 20 к м, II - до 40 км
|
NBase [21]
|
|
OМ320, ОМЗЗ0*
|
Двухпортовый mm/sm FDDI медиа конвертер (разъемы SC), расстояние по sm ОВ ОМ320 - до 20 км, ОМЗЗ0 - до 30 км
|
Net Optics
[22]
|
|
Конвертеры FDDI с витой пары на ОВ (FDDI UTP/FO Converters)**
|
|
FD-CD-01,
FD-CD-01(SM)
|
FDDI конвертеры: FD-CD-01 - RJ-45/SC mm, FD-CD-OI(SM)- RJ-45/SC sm. Стандарты: FDDI ANSI X3T12, FDDI TP-PMD
|
Transition
Networks
[23]
|
*Указанные конвертеры являются средонезависимыми; в том смысле, что могут поддерживать разную частоту модуляции, вплоть до передачи потока STM-1 (155 Мбит/с, - 194 МГц).
** В целом конвертеры FDDI UTP/FO по архитектуре аналогичны конвертерам Fast Ethernet UTP/FO, поскольку технология Fast Ethernet заимствовала стандарты FDDI PMD на волокно и неэкранированную витую пару.
Литература
Курицын С.А.: Телекоммуникационные технологии и системы. - М.: Академия, 2008
Под ред. А.В. Рослякова : Сети следующего поколения NGN. - М.: Эко-Трендз, 2008
Сапаров В.Е.: Системы стандартов в электросвязи и радиоэлектронике. - М.: Радио и связь, 1985
Гуревич П.С. Роль радиовещания в культурной революции в СССР. Автореферат диссертации….М.- 196-17с.
Домбровский И. А. Эволюция антенных систем // Очерки истории радиотехник
ИИЕТ. – М.: АН СССР, 1960.- с. 207-300.
Запевалов, Виктор Андреевич. Кто изобрел радио? / В. А. Запевалов. - Воронеж : Центр духовного возрождения Черноземного края, 2014. - 94, [1] с. Г96 - 787
Золотинкина Л. И., Шошков Е. Н. Становление радиотехники в России// 50-я Юбил. науч.-техн. ко СПб, 201
Копылов А.М. Первые опыты по использованию радиоволн для передачи информации.( К 100-летию со дня рождения К 100-летию со дня рождения Н.И. Чистякова.). // Электросвязь.- 2014.- №7.- с.45-46.
Кузнецов Н.А., Нейман В.И. Роль радио в создании современной информационной структуры. // Электросвязь. - 200- №1. – с.10-15 .
Лисин А.В., Несвит Н.Н. Спутниковая радиосвязь // Электросвязь. – 201- №1.- с.20-24.
Сети FDDI