Класичні стандартні та новітні обчислювальні мережі

6. Лекція: Класичні стандартні та новітні обчислювальні мережі

Вступ

За час, що пройшов з моменту появи перших локальних мереж, було розроблено декілька десятків самих різних мережевих технологій, проте помітного поширення набуло дуже небагато технологій.

Це зв'язано, перш за все, з високим рівнем стандартизації принципів організації мереж і з підтримкою їх відомими компаніями. Проте, не завжди стандартні мережі володіють рекордними характеристиками, забезпечують найбільш оптимальні режими обміну.

На даний час зменшення кількості типів використовуваних мереж стало тенденцією. Річ у тому, що збільшення швидкості передачі в локальних мережах до 100 і навіть до 1000 Мбіт/с вимагає застосування найпередовіших технологій, проведення дорогих наукових досліджень. Природно, це можуть дозволити собі тільки найбільші фірми, які підтримують свої стандартні мережі і їх досконаліші різновиди

У табл. 1 приведені характеристики класичних варіантів стандартних локальних мереж. Всі стандартні мережі мають декілька варіантів, що відрізняються типом використовуваного кабелю, швидкостями передачі, допустимими розмірами мережі.

Таблиця 1. Параметри базових варіантів стандартних мереж
Параметр мережі	Ethernet	Token-Ring	Arcnet	FDDI	100VG-AnyLAN
Стандарт	IEEE 802.3	IEEE 802.5	Datapoint	ISO 9314	IEEE 802.12
Топологія	Шина	Кільце	Шина	Кільце	Зірка
Швидкість передачі	10 (100) Мбіт/с	(16) Мбіт/с	2,5 Мбіт/с	100 Мбіт/с	100 Мбіт/с
Довжина	5 км.	120 м	6 км.	20 км.	1 км.
Середовище	КК	ВП	КК	ОВ	ВП
Метод управління	CSMA/CD	Маркер	Маркер	Маркер	Центр
Код	Манчестер	Біфазний	Arcnet	4B/5B	5B/6B
Кількість	До 1024	До 260	До 255	До 1000	До 1024
КК — коаксіальний кабель, ВП — кабель на витих парах, ОВ — оптичне волокно

Мережі Ethernet і Fast Ethernet

Найбільшого поширення серед стандартних мереж набула мережа Ethernet. Вперше вона з'явилася в 1972 році (розробником виступила відома фірма Xerox Батьком Ethernet був Роберт Меткалф один із фахівців фірми). Мережа виявилася досить вдалою, і внаслідок цього її в 1980 році підтримали такі найбільші компанії, як DEC і Intel (об'єднання цих компаній назвали DIX по перших буквах їх назв). Їх стараннями в 1985 році мережа Ethernet стала міжнародним стандартом, її прийняли найбільші міжнародні організації по стандартах: комітет 802 IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers) і ECMA (European Computer Manufacturers Association).

Стандарт отримав назву IEEE 802.3 (по-англійськи читається як "eight oh two dot three"). Він визначає множинний доступ до моноканалу типу шина з виявленням конфліктів і контролем передачі, тобто із уже згадуваним методом доступу CSMA/CD. Цьому стандарту задовольняли і деякі інші мережі, оскільки рівень його деталізації невисокий. В результаті мережі стандарту IEEE 802.3 нерідко були несумісні між собою як по конструктивних, так і по електричних характеристиках. Проте останнім часом стандарт IEEE 802.3 вважається стандартом саме мережі Ethernet.

Основні характеристики первинного стандарту IEEE 802.3:

топологія – шина;
середовище передачі – коаксіальний кабель;
швидкість передачі – 10 Мбіт/с;
максимальна довжина мережі – 5 км.;
максимальна кількість абонентів – до 1024;
довжина сегменту мережі – до 500 м;
кількість абонентів на одному сегменті – до 100;
метод доступу – CSMA/CD;
передача вузькосмугова, тобто без модуляції (моноканал).

Строго кажучи, між стандартами IEEE 802.3 і Ethernet існують незначні відмінності, але про них зазвичай вважають за краще не згадувати.

У класичній мережі Ethernet застосовувався 50-омний коаксіальний кабель двох видів (товстий і тонкий).

Проте, з початку 90-х років найбільшого поширення набула версія Ethernet, що використовує як середовище передачі скручені пари. Визначений також стандарт для застосування в мережі оптоволоконного кабелю. Для врахування цих змін в початковий стандарт IEEE 802.3 були зроблені відповідні додатки. У 1995 році з'явився додатковий стандарт на більш швидшу версію Ethernet, що працює на швидкості 100 Мбіт/с (так званий Fast Ethernet, стандарт IEEE 802.3u), що використовує в якості середовища передачі скручену пару або оптичний кабель. У 1997 році з'явилася і версія на швидкість 1000 Мбіт/с (Gigabit Ethernet, стандарт IEEE 802.3z).

Крім стандартної топології шина все ширше застосовуються топології типу пасивна зірка і пасивне дерево. При цьому передбачається використання репітерів і репітерних концентраторів, що з’єднують між собою різні частини (сегменти) мережі. В результаті може сформуватися деревовидна структура на сегментах різних типів (мал. 1).

Мал. 1. Класична топологія мережі Ethernet

Як сегмент (частина мережі) може виступати класична шина або одиничний абонент. Для шинних сегментів використовується коаксіальний кабель, а для променів пасивної зірки (для приєднання до концентратора одиночних комп'ютерів) – скручена пара і оптичний кабель. Головна вимога до отриманої в результаті топології – щоб в ній не було замкнутих шляхів (петель). Фактично виходить, що всі абоненти сполучені у фізичну шину, оскільки сигнал від кожного з них розповсюджується відразу на всі боки і не повертається назад (як в кільці).

Максимальна довжина кабелю мережі в цілому (максимальний шлях сигналу) теоретично може досягати 6,5 кілометрів, але практично не перевищує 3,5 кілометрів.

У мережі Fast Ethernet не передбачена фізична топологія шина, використовується тільки пасивна зірка або пасивне дерево. До того ж в Fast Ethernet набагато жорсткіші вимоги до граничної довжини мережі. Адже при збільшенні в 10 разів швидкості передачі і збереженні формату пакету його мінімальна довжина стає вдесятеро коротше. Таким чином в 10 разів зменшується допустима величина подвійного часу проходження сигналу по мережі (5,12 мкс проти 51,2 мкс в Ethernet).

Для передачі інформації в мережі Ethernet застосовується стандартний манчестерський код.

Доступ до мережі Ethernet здійснюється по випадковому методу CSMA/CD, що забезпечує рівноправ'я абонентів. У мережі використовуються пакети змінної довжини із структурою, представленою на мал. 2. (цифри показують кількість байт)

Мал. 2. Структура пакету мережі Ethernet

Довжина кадру Ethernet (тобто пакету без преамбули) повинна бути не менше 512 бітових інтервалів або 51,2 мкс (саме така гранична величина подвійного часу проходження в мережі). Передбачена індивідуальна, групова і широкомовна адресація.

У пакет Ethernet входять наступні поля:

Преамбула складається з 8 байт, перші сім є кодом 10101010, а останній байт – код 10101011. У стандарті IEEE 802.3 восьмий байт називається ознакою початку кадру (SFD – Start of Frame Delimiter) і утворює окреме поле пакету.
Адреси одержувача (приймача) і відправника (передавача) включають по 6 байт і будуються за стандартом. Ці адресні поля обробляються апаратурою абонентів.
Поле управління (L/T – Length/Type) містить інформацію про довжину поля даних. Воно може також визначати тип використовуваного протоколу. Прийнято вважати, що якщо значення цього поля не більше 1500, то воно вказує на довжину поля даних. Якщо ж його значення більше 1500, то воно визначає тип кадру. Поле управління обробляється програмно.
Поле даних повинне включати від 46 до 1500 байтів даних. Якщо пакет повинен містити менше 46 байт даних, то поле даних доповнюється байтами заповнення. Згідно стандарту IEEE 802.3, в структурі пакету виділяється спеціальне поле заповнення (pad data – незначущі дані), яке може мати нульову довжину, коли даних досить (більше 46 байтів).
Поле контрольної суми (FCS – Frame Check Sequence) містить 32-розрядну циклічну контрольну суму пакету (CRC) і служить для перевірки правильності передачі пакету.

Таким чином, мінімальна довжина кадру (пакету без преамбули) складає 64 байти (512 бітів). Саме ця величина визначає максимально допустиму подвійну затримку розповсюдження сигналу по мережі в 512 бітових інтервалів (51,2 мкс для Ethernet або 5,12 мкс для Fast Ethernet). Стандарт припускає, що преамбула може зменшуватися при проходженні пакету через різні мережеві пристрої, тому вона не враховується.

Максимальна довжина кадру рівна 1518 байтам (12144 бітів, тобто 1214,4 мкс для Ethernet, 121,44 мкс для Fast Ethernet). Це важливо для вибору розміру буферної пам'яті мережевого устаткування і для оцінки загальної завантаженості мережі.

Вибір формату преамбули не випадковий. Річ у тому, що послідовність одиниць, що чергуються, і нулів (101010...10) в манчестерському коді характеризується тим, що має переходи тільки в середині бітових інтервалів, тобто тільки інформаційні переходи. Безумовно, приймачу простіше налаштуватись (синхронізуватись) при такій послідовності, навіть якщо вона з якоїсь причини коротшає на декілька бітів. Останні два одиничні біти преамбули (11) істотно відрізняються від послідовності 101010...10 (з'являються переходи ще і на межі бітових інтервалів). Тому приймач, що вже налаштувався, легко може виділити їх і детектувати тим самим початок корисної інформації (початок кадру).

Для мережі Ethernet, що працює на швидкості 10 Мбіт/с, стандарт визначає чотири основні типи сегментів мережі, орієнтованих на різні середовища передачі інформації:

10BASE5 (товстий коаксіальний кабель);
10BASE2 (тонкий коаксіальний кабель);
10BASE-T (скручена пара);
10BASE-FL (оптичний кабель).

Найменування сегменту включає три елементи: цифра "10" означає швидкість передачі 10 Мбіт/с, слово BASE – передачу в основній смузі частот (тобто без модуляції високочастотного сигналу), а останній елемент – допустиму довжину сегменту: "5" – 500 метрів, "2" – 200 метрів (точніше, 185 метрів) або тип лінії зв'язку: "Т" – скручена пара (від англійського "twisted-pair"), "F" – оптичний кабель (від англійського "fiber optic").

Так само для мережі Ethernet, що працює на швидкості 100 Мбіт/с (Fast Ethernet) стандарт визначає три типи сегментів, що відрізняються типами середовища передачі:

100BASE-T4 (почетверена скручена пара);
100BASE-TX (здвоєна скручена пара);
100BASE-FX (оптичний кабель).

Тут цифра "100" означає швидкість передачі 100 Мбіт/с, буква "Т" – скручену пару, буква "F" – оптичний кабель. Типи 100BASE-TX і 100BASE-FX іноді об'єднують під ім'ям 100BASE-X, а 100BASE-T4 і 100BASE-TX – під ім'ям 100BASE-T.

Тут слід зазначити тільки те, що мережа Ethernet не відрізняється ні рекордними характеристиками, ні оптимальними алгоритмами, вона поступається по ряду параметрів іншим стандартним мережам. Але завдяки могутній підтримці, високому рівню стандартизації, величезним об'ємам випуску технічних засобів, Ethernet вигідно виділяється серед інших стандартних мереж, і тому будь-яку іншу мережеву технологію прийнято порівнювати саме з Ethernet.

Розвиток технології Ethernet йде по дорозі все більшого відходу від первинного стандарту. Застосування нових середовищ передачі і комутаторів дозволяє істотно збільшити розмір мережі. Відмова від манчестерського коду (у мережі Fast Ethernet і Gigabit Ethernet) забезпечує збільшення швидкості передачі даних і зниження вимог до кабелю. Відмова від методу управління CSMA/CD (при повнодуплексному режимі обміну) дає можливість різко підвищити ефективність роботи і зняти обмеження з довжини мережі. Проте, все нові різновиди мережі також називаються мережею Ethernet.

Мережа Token-Ring

Мережа Token-Ring (маркерне кільце) була запропонована компанією IBM в 1985 році (перший варіант з'явився в 1980 році). Вона призначалася для об'єднання в мережу всіх типів комп'ютерів IBM, що випускаються. Вже той факт, що її підтримує компанія IBM, найбільший виробник комп'ютерної техніки, говорить про те, що їй необхідно приділити особливу увагу. Але не менш важливо і те, що Token-Ring є в даний час міжнародним стандартом IEEE 802.5 (хоча між Token-Ring і IEEE 802.5 є незначні відмінності). Це ставить дану мережу на один рівень по статусу з Ethernet.

Розроблялася Token-Ring як надійна альтернатива Ethernet. Token-Ring не можна вважати безнадійно застарілою. Більше 10 мільйонів комп'ютерів по всьому світу об'єднано цією мережею.

Компанія IBM зробила все для максимально широкого розповсюдження своєї мережі: була випущена докладна документація аж до принципових схем адаптерів. В результаті багато компаній, наприклад, 3СOM, Novell, Western Digital, Proteon та інші приступили до виробництва адаптерів. До речі, спеціально для цієї мережі, а також для іншої мережі IBM РС Network була розроблена концепція NETBIOS. Якщо в створеній раніше мережі РС Network програми NETBIOS зберігалися у вбудованій в адаптер постійній пам'яті, то в мережі Token-Ring вже застосовувалася емулююча програма NETBIOS. Це дозволило гнучкіше реагувати на особливості апаратури і підтримувати сумісність з програмами більш високого рівня.

Мережа Token-Ring має топологію кільце, хоча зовні вона більше нагадує зірку. Це пов'язано з тим, що окремі абоненти (комп'ютери) приєднуються до мережі не безпосередньо, а через спеціальні концентратори або багатостанційні пристрої доступу (MSAU або MAU – Multistation Access Unit). Фізично мережа утворює зоряно-кільцеву топологію (мал. 3). Насправді ж абоненти об'єднуються все-таки в кільце, тобто кожен з них передає інформацію одному сусідньому абонентові, а приймає інформацію від іншого.

Мал. 3. Зірково-кільцева топологія мережі Token-Ring

Концентратор (MAU) при цьому дозволяє централізувати завдання конфігурації, відключення несправних абонентів, контроль роботи мережі і так далі (мал. 4). Ніякої обробки інформації він не проводить.

Мал. 4. З'єднання абонентів мережі Token-Ring в кільце за допомогою концентратора (MAU)

Для кожного абонента у складі концентратора застосовується спеціальний блок підключення до магістралі (TCU – Trunk Coupling Unit), який забезпечує автоматичне включення абонента в кільце, якщо він підключений до концентратора і справний. Якщо абонент відключається від концентратора або ж він несправний, то блок TCU автоматично відновлює цілісність кільця без участі даного абонента. Спрацьовує TCU по сигналу постійного струму (так званий "фантомний" струм), який приходить від абонента, який бажає включитися в кільце. Абонент може також відключитися від кільця і провести процедуру самотестування (крайній правий абонент на мал. 4). "Фантомний" струм ніяк не впливає на інформаційний сигнал, оскільки сигнал в кільці не має постійної складової.

Конструктивно концентратором є автономний блок з десятьма роз'ємами на передній панелі (мал. 5).

Мал. 5. Концентратор Token-Ring (8228 MAU)

Вісім центральних роз'ємів (1...8) призначено для підключення абонентів (комп'ютерів) за допомогою адаптерних (Adapter cable) або радіальних кабелів. Два крайні роз'єми: вхідні RI (Ring In) і вихідний RO (Ring Out) служать для підключення до інших концентраторів за допомогою спеціальних магістральних кабелів (Path cable). Пропонуються настінний і настільний варіанти концентратора.

Існують як пасивні, так і активні концентратори MAU. Активний концентратор відновлює сигнал, що приходить від абонента (тобто працює, як концентратор Ethernet). Пасивний концентратор не виконує відновлення сигналу, тільки перекомутовує лінії зв'язку.

Концентратор в мережі може бути єдиним (як на мал. 4), в цьому випадку в кільце замикаються тільки абоненти, підключені до нього. Зовні така топологія виглядає, як зірка. Якщо ж потрібно підключити до мережі більше восьми абонентів, то декілька концентраторів з'єднуються магістральними кабелями і утворюють зірково-кільцеву топологію.

Відомо що кільцева топологія дуже чутлива до обривів кабелю кільця. Для підвищення надійності мережі, в Token-Ring передбачений режим так званого згортання кільця, що дозволяє обійти місце обриву.

У нормальному режимі концентратори сполучені в кільце двома паралельними кабелями, але передача інформації проводиться при цьому тільки по одному з них (мал. 6).

Мал. 6. Об'єднання концентраторів MAU в нормальному режимі

У разі одиночного пошкодження (обриву) кабелю мережа здійснює передачу по обох кабелях, обходячи тим самим пошкоджену ділянку. При цьому навіть зберігається порядок обходу абонентів, підключених до концентраторів (мал. 7). Правда, збільшується сумарна довжина кільця.

У разі множинних пошкоджень кабелю мережа розпадається на декілька частин (сегментів), не зв'язаних між собою, але таких, що зберігають повну працездатність (мал. 8). Максимальна частина мережі залишається при цьому зв'язаною, як і раніше. Звичайно, це вже не рятує мережу в цілому, але дозволяє при правильному розподілі абонентів по концентраторах зберігати значну частину функцій пошкодженої мережі.

Декілька концентраторів можуть конструктивно об'єднуватися в групу, кластер (cluster), усередині якого абоненти також сполучені в кільце. Застосування кластерів дозволяє збільшувати кількість абонентів, підключених до одного центру, наприклад, до 16 (якщо в кластер входить два концентратори).

Мал. 7 Згортання кільця при пошкодженні кабелю

Мал. 8. Розпад кільця при множинних пошкодженнях кабелю

Як середовище передачі в мережі IBM Token-Ring спочатку застосовувалася скручена пара, як неекранована (UTP), так і екранована (STP), але потім з'явилися варіанти апаратури для коаксіального кабелю, а також для оптоволоконного кабелю в стандарті FDDI.

Основні технічні характеристики класичного варіанту мережі Token-Ring:

максимальна кількість концентраторів типу IBM 8228 MAU – 12;
максимальна кількість абонентів в мережі – 96;
максимальна довжина кабелю між абонентом і концентратором – 45 метрів;
максимальна довжина кабелю між концентраторами – 45 метрів;
максимальна довжина кабелю, що сполучає всі концентратори – 120 метрів;
швидкість передачі даних – 4 Мбіт/с і 16 Мбіт/с.

Всі приведені характеристики відносяться до випадку використання неекранованої витої пари. Якщо застосовується інше середовище передачі, характеристики мережі можуть відрізнятися. Наприклад, при використанні екранованої витої пари (STP) кількість абонентів може бути збільшена до 260 (замість 96), довжина кабелю – до 100 метрів (замість 45), кількість концентраторів – до 33, а повна довжина кільця, що сполучає концентратори – до 200 метрів. Оптичний кабель дозволяє збільшувати довжину кабелю до двох кілометрів.

Для передачі інформації в Token-Ring застосовується біфазний код (точніше, його варіант з обов'язковим переходом в центрі бітового інтервалу). Як і в будь-якій зіркоподібній топології, ніяких додаткових мір за електричним погодженням і зовнішнім заземленням не потрібні. Узгодження виконується апаратурою мережевих адаптерів і концентраторів.

Для приєднання кабелів в Token-Ring використовуються роз'єми RJ-45 (для неекранованої витої пари), а також MIC і DB9P. Проводи в кабелі сполучають однойменні контакти роз'ємів (тобто використовуються так звані "прямі" кабелі).

Мережа Token-Ring в класичному варіанті поступається мережам Ethernet як за допустимим розміром, так і по максимальній кількості абонентів. Що стосується швидкості передачі, то в даний час є версії Token-Ring на швидкість 100 Мбіт/с (High Speed Token-Ring, HSTR) і на 1000 Мбіт/с (Gigabit Token-Ring). Компанії, підтримуючі Token-Ring (серед яких IBM, Olicom, Madge), не мають наміру відмовлятися від своєї мережі, розглядаючи її як гідного конкурента Ethernet.

В порівнянні з апаратурою Ethernet апаратура Token-Ring помітно дорожча, оскільки використовується складніший метод управління обміном, тому мережа Token-Ring не набула такого широкого поширення.

Проте на відміну від Ethernet мережа Token-Ring значно краще тримає високий рівень навантаження (більше 30—40%) і забезпечує гарантований час доступу. Це необхідно, наприклад, в мережах виробничого призначення, в яких затримка реакції на зовнішню подію може призвести до серйозних аварій.

У мережі Token-Ring використовується класичний маркерний метод доступу, тобто по кільцю постійно циркулює маркер, до якого абоненти можуть приєднувати свої пакети даних.

Звідси слідує така важлива перевага даної мережі, як відсутність конфліктів, але є і недоліки, зокрема необхідність контролю цілісності маркера і залежність функціонування мережі від кожного абонента (у разі несправності абонент обов'язково повинен бути виключений з кільця).

Граничний час передачі пакету в Token-Ring 10 мс. При максимальній кількості абонентів 260 повний цикл роботи кільця складе 260 x 10 мс = 2,6 с. За цей час всі 260 абонентів зможуть передати свої пакети (якщо, звичайно, їм є чого передавати). За цей же час вільний маркер обов'язково дійде до кожного абонента. Цей же інтервал є верхньою межею часу доступу Token-Ring.

Кожен абонент мережі (його мережевий адаптер) повинен виконувати наступні функції:

виявлення помилок передачі;
контроль конфігурації мережі (відновлення мережі при виході з ладу того абонента, який передує йому в кільці);
контроль численних тимчасових співвідношень, прийнятих в мережі.

Велика кількість функцій, звичайно, ускладнює і здорожує апаратуру мережевого адаптера.

Для контролю цілісності маркера в мережі використовується один з абонентів (так званий активний монітор). При цьому його апаратура нічим не відрізняється від останніх, але його програмні засоби стежать за тимчасовими співвідношеннями в мережі і формують у разі потреби новий маркер.

Активний монітор виконує наступні функції:

запускає в кільце маркер на початку роботи і при його зникненні;
регулярно повідомляє про свою присутність спеціальним пакетом, що управляє (AMP – Active Monitor Present);
видаляє з кільця пакет, який не був видалений абонентом, що послав його;
стежить за допустимим часом передачі пакету.

Активний монітор вибирається при ініціалізації мережі, ним може бути будь-який комп'ютер мережі, але, як правило, стає перший включений в мережу абонент. Абонент, що став активним монітором, включає в мережу свій буфер (зсувний регістр), який гарантує, що маркер вміщатиметься в кільці навіть при мінімальній довжині кільця. Розмір цього буфера – 24 біта для швидкості 4 Мбіт/с і 32 біта для швидкості 16 Мбіт/с.

Кожен абонент постійно стежить за тим, як активний монітор виконує свої обов'язки. Якщо активний монітор з якоїсь причини виходить з ладу, то включається спеціальний механізм, за допомогою якого всі інші абоненти (запасні, резервні монітори) ухвалюють рішення про призначення нового активного монітора. Для цього абонент, що виявив аварію активного монітора, передає по кільцю управляючий пакет (пакет запиту маркера) зі своєю MAC-адресою. Кожен наступний абонент порівнює MAC-адресу пакету з власним. Якщо його власна адреса менша, він передає пакет далі без змін. Якщо ж більше, то він встановлює в пакеті свою MAC-адресу. Активним монітором стане той абонент, у якого значення MAC-адреси більше, ніж у останніх (він повинен тричі отримати назад пакет зі своєю MAC-адресою). Ознакою виходу з ладу активного монітора є невиконання ним одній з перерахованих функцій.

Маркером мережі Token-Ring є управляючий пакет, що містить всього три байти (мал. 9): байт початкового розділювача (SD – Start Delimiter), байт управління доступом (AC – Access Control) і байт кінцевого розділювача (ED – End Delimiter). Всі ці три байти входять також до складу інформаційного пакету, проте функції їх в маркері і в пакеті дещо різняться.

Початковий і кінцевий розділювачі є не просто послідовністю нулів і одиниць, а містять сигнали спеціального вигляду. Це було зроблено для того, щоб розділювачі не можна було сплутати ні з якими іншими байтами пакетів.

Мал. 9. Формат маркера мережі Token-Ring

Початковий розділювач SD містить чотири нестандартні бітові інтервали (мал. 10). Два з них, J, що позначаються, є низьким рівнем сигналу протягом всього бітового інтервалу. Два інших біти, що позначаються До, є високим рівнем сигналу протягом всього бітового інтервалу. Зрозуміло, що такі збої в синхронізації легко виявляються приймачем. Біти J і K ніколи не можуть зустрічатися серед бітів корисної інформації.

Мал. 10. Формати початкового (SD) і кінцевого (ED) розділювачів

Кінцевий розділювач ED також містить в собі чотири біти спеціального вигляду (два біти J і два біти K), а також два одиничних біти. Але, крім того, в нього входять і два інформаційних біти, які мають сенс тільки у складі інформаційного пакету:

Біт I (Intermediate) є ознакою проміжного пакету (1 відповідає першому в ланцюжку або проміжному пакету, 0 – останньому в ланцюжку або єдиному пакету).
Біт E (Error) є ознакою виявленої помилки (0 відповідає відсутності помилок, 1 – їх наявності).

Байт управління доступом (AC – Access Control) розділений на чотири поля (мал. 11): поле пріоритету (три бита), біт маркера, біт монітора і поле резервування (три біти).

Мал. 11. Формат байта управління доступом

Біти (поле) пріоритету дозволяють абонентові привласнювати пріоритет своїм пакетам або маркеру (пріоритет може бути від 0 до 7, причому 7 відповідає найвищому пріоритету, а 0 – нижчому). Абонент може приєднати до маркера свій пакет тільки тоді, коли його власний пріоритет (пріоритет його пакетів) такий же або вище за пріоритет маркера.

Біт маркера визначає, чи приєднаний до маркера пакет чи ні (одиниця відповідає маркеру без пакету, нуль – маркеру з пакетом). Біт монітора, встановлений в одиницю, говорить про те, що даний маркер переданий активним монітором.

Біти (поле) резервування дозволяють абонентові зарезервувати своє право на подальше захоплення мережі, тобто зайняти чергу на обслуговування. Якщо пріоритет абонента (пріоритет його пакетів) вищий, ніж поточне значення поля резервування, то він може записати туди свій пріоритет замість колишнього. Після обходу по кільцю в полі резервування буде записаний найвищий пріоритет зі всіх абонентів. Вміст поля резервування аналогічно вмісту поля пріоритету, але говорить про майбутній пріоритет.

В результаті використання полів пріоритету і резервування забезпечується можливість доступу до мережі тільки абонентам, що мають пакети для передачі з найвищим пріоритетом. Менш пріоритетні пакети обслуговуватимуться тільки після вичерпання більш пріоритетних пакетів.

Формат інформаційного пакету (кадру) Token-Ring представлений на мал. 12. Крім початкового і кінцевого розділювачів, а також байта управління доступом в цей пакет входять також байт управління пакетом, мережеві адреси приймача і передавача, дані, контрольна сума і байт стану пакету.

Мал. 12. Формат пакету (кадру) мережі Token-Ring (довжина полів даних в байтах)

Призначення полів пакету (кадру).

Початковий розділювач (SD) є ознакою початку пакету, формат – такий же, як і в маркері.
Байт управління доступом (AC) має той же формат, що і маркер.
Байт управління пакетом (FC – Frame Control) визначає тип пакету (кадру).
Шестибайтові MAC-адреси відправника і одержувача пакету мають стандартний формат.
Поле даних (Data) включає передавані дані (у інформаційному пакеті) або інформацію для управління обміном (у пакеті, що управляє).
Поле контрольної суми (FCS – Frame Check Sequence) є 32-розрядною циклічною контрольною сумою пакету (CRC).
Кінцевий роздільник (ED), як і в маркері, указує на кінець пакету. Крім того, він визначає, чи є даний пакет проміжним або завершальним в послідовності передаваних пакетів, а також містить ознаку помилковості пакету (див. мал. 10).
Байт стану пакету (FS – Frame Status) говорить про те, що відбувалося з даним пакетом: чи був він побачений приймачем (тобто, чи існує приймач із заданою адресою) і скопійований в пам'ять приймача. По ньому відправник пакету дізнається, чи дійшов пакет за призначенням і без помилок або його треба передавати заново.

Слід зазначити, що більший допустимий розмір передаваних даних в одному пакеті в порівнянні з мережею Ethernet може стати вирішальним чинником для збільшення продуктивності мережі. Теоретично для швидкостей передачі 16 Мбіт/с і 100 Мбіт/с довжина поля даних може досягати навіть 18 Кбайт, що принципово при передачі великих об'ємів даних. Але навіть при швидкості 4 Мбіт/с завдяки маркерному методу доступу мережа Token-Ring часто забезпечує більшу фактичну швидкість передачі, ніж мережа Ethernet (10 Мбіт/с). Особливо помітно перевага Token-Ring при великих навантаженнях (понад 30—40%), оскільки в цьому випадку метод CSMA/CD вимагає багато часу на вирішення повторних конфліктів.

Абонент, який планує передавати пакет, чекає приходу вільного маркера і захоплює його. Захоплений маркер перетворюється на обрамлення інформаційного пакету. Потім абонент передає інформаційний пакет в кільце і чекає його повернення. Після цього він звільняє маркер і знову посилає його в мережу.

Крім маркера і звичайного пакету в мережі Token-Ring може передаватися спеціальний пакет, що управляє, який слугує для переривання передачі (Abort). Він може бути посланий у будь-який момент і в будь-якому місці потоку даних. Пакет цей складається з двох однобайтових полів – початкового (SD) і кінцевого (ED) розділювачів описаного формату.

Цікаво, що в швидшій версії Token-Ring (16 Мбіт/с і вище) застосовується так званий метод раннього формування маркера (ETR – Early Token Release). Він дозволяє уникнути непродуктивного використання мережі у той час, поки пакет даних не повернеться по кільцю до свого відправника.

Метод ETR зводиться до того, що відразу після передачі свого пакету, приєднаного до маркера, будь-який абонент видає в мережу новий вільний маркер. Інші абоненти можуть починати передачу своїх пакетів відразу ж після закінчення пакету попереднього абонента, не чекаючи, поки він завершить обхід всього кільця мережі. В результаті в мережі може знаходитися декілька пакетів одночасно, але завжди буде не більш, ніж один вільний маркер. Цей конвеєр особливо ефективний в мережах великої протяжності, що мають значну затримку розповсюдження.

В процесі обміну кожен абонент стежить за справністю попереднього абонента (по кільцю). Якщо він підозрює відмову попереднього абонента, він запускає процедуру автоматичного відновлення кільця. Спеціальний управляючий пакет (бакен), говорить попередньому абонентові про необхідність провести самотестування і, можливо, відключитися від кільця.

У мережі Token-Ring передбачено також використання мостів і комутаторів. Вони застосовуються для розділення великого кільця на декілька кільцевих сегментів, що мають можливість обміну пакетами між собою. Це дозволяє понизити навантаження на кожен сегмент і збільшити частку часу, що надається кожному абонентові.

В результаті можна сформувати розподілене кільце, тобто об'єднання декількох кільцевих сегментів одним великим магістральним кільцем (мал. 13) або ж зірково-кільцеву структуру з центральним комутатором, до якого підключені кільцеві сегменти (мал. 14).

Мал. 13. Об'єднання сегментів магістральним кільцем за допомогою мостів

Мал. 14. Об'єднання сегментів центральним комутатором

Мережа Arcnet

Мережа Arcnet (або ARCnet від англійського Attached Resource Computer Net, комп'ютерна мережа сполучених ресурсів) – це одна із старих мереж. Вона була розроблена компанією Datapoint Corporation ще в 1977 році. Міжнародні стандарти на цю мережу відсутні, хоча саме вона вважається родоначальницею методу маркерного доступу. Не дивлячись на відсутність стандартів, мережа Arcnet до недавнього часу (у 1980 – 1990 г.г.) користувалася популярністю, навіть серйозно конкурувала з Ethernet. Велика кількість компаній (наприклад, Datapoint, Standard Microsystems, Xircom і ін.) виробляли апаратуру для мережі цього типу. Але зараз виробництво апаратури Arcnet практично припинене.

Серед основних переваг мережі Arcnet в порівнянні з Ethernet можна назвати обмежену величину часу доступу, високу надійність зв'язку, простоту діагностики, а також порівняно низьку вартість адаптерів. До найбільш істотних недоліків мережі відносяться низька швидкість передачі інформації (2,5 Мбіт/с), система адресації і формат пакету.

Для передачі інформації в мережі Arcnet використовується досить рідкісний код, в якому логічній одиниці відповідають два імпульси протягом бітового інтервалу, а логічному нулю – один імпульс. Очевидно, що це код, що самосинхронізується, який вимагає ще більшої пропускної спроможності кабелю, ніж навіть манчестерський.

Як середовище передачі в мережі використовується коаксіальний кабель з хвилевим опором 93 Ом, наприклад, RG-62A/U. Варіанти зі скрученою парою (екранованою і неекранованою) не набули широкого поширення. Були запропоновані і варіанти на оптоволоконному кабелі, але і вони також не врятували Arcnet.

Як топологію мережа Arcnet використовує класичну шину (ARCNET-BUS), а також пасивну зірку (ARCNET-STAR). У зірці застосовуються концентратори (хаби). Можливе об'єднання за допомогою концентраторів шинних і зоряних сегментів в деревоподібну топологію (як і в Ethernet). Головне обмеження – в топології не повинно бути замкнутих шляхів (петель). Ще одне обмеження: кількість сегментів, сполучених послідовним ланцюжком за допомогою концентраторів, не повинна перевищувати три.

Концентратори бувають двох видів:

Активні концентратори (відновлюють форму сигналів, що приходять, і підсилюють їх). Кількість портів – від 4 до 64. Активні концентратори можуть з'єднуватися між собою (каскадувати).
Пасивні концентратори (просто змішують сигнали, що приходять, без посилення). Кількість портів – 4. Пасивні концентратори не можуть з'єднуватися між собою. Вони можуть зв'язувати тільки активні концентратори і/або мережеві адаптери.

Шинні сегменти можуть підключатися тільки до активних концентраторів.

Мережеві адаптери також бувають двох видів:

Високоімпедансні (Bus), призначені для використання в шинних сегментах:
Низькоімпедансні (Star), призначені для використання в пасивній зірці.

Низькоімпедансні адаптери відрізняються від високоімпедансних тим, що вони містять в своєму складі 93-омні погоджуючі термінатори. При їх застосуванні зовнішнє узгодження не потрібне. У шинних сегментах низькоімпедансні адаптери можуть використовуватися як крайові для узгодження шини. Високоімпедансні адаптери вимагають застосування зовнішніх 93-омних термінаторів. Деякі мережеві адаптери мають можливість перемикання з високоімпедансного полягання в низькоімпедансне, вони можуть працювати і в шині, і в зірці.

Таким чином, топологія мережі Arcnet має наступний вигляд (мал. 15).

Мал. 15. Топологія мережі Arcnet типу шина (B – адаптери для роботи в шині, S – адаптери для роботи в зірці)

Основні технічні характеристики мережі Arcnet наступні:

Середовище передачі – коаксіальний кабель, скручена пара.
Максимальна довжина мережі – 6 кілометрів.
Максимальна довжина кабелю від абонента до пасивного концентратора – 30 метрів.
Максимальна довжина кабелю від абонента до активного концентратора – 600 метрів.
Максимальна довжина кабелю між активним і пасивним концентраторами – 30 метрів.
Максимальна довжина кабелю між активними концентраторами – 600 метрів.
Максимальна кількість абонентів в мережі – 255.
Максимальна кількість абонентів на шинному сегменті – 8.
Мінімальна відстань між абонентами в шині – 1 метр.
Максимальна довжина шинного сегменту – 300 метрів.
Швидкість передачі даних – 2,5 Мбіт/с.

При створенні складних топологій необхідно стежити за тим, щоб затримка розповсюдження сигналів в мережі між абонентами не перевищувала 30 мкс. Максимальне згасання сигналу в кабелі на частоті 5 Мгц не повинне перевищувати 11 дБ.

У мережі Arcnet використовується маркерний метод доступу (метод передачі має рацію), але він дещо відрізняється від аналогічного в мережі Token-Ring. Щонайближче цей метод до того, який передбачений в стандарті IEEE 802.4. Послідовність дій абонентів при даному методі:

Абонент, охочий передавати, чекає приходу маркера.
Отримавши маркер, він посилає запит на передачу абонентові-приймачу інформації (питає, чи готовий приймач прийняти його пакет).
Приймач, отримавши запит, посилає відповідь (підтверджує свою готовність).
Отримавши підтвердження готовності, абонент-передавач посилає свій пакет.
Отримавши пакет, приймач посилає підтвердження прийому пакету.
Передавач, отримавши підтвердження прийому пакету, закінчує свій сеанс зв'язку. Після цього маркер передається наступному абонентові по порядку зменшення мережевих адрес.

Таким чином, в даному випадку пакет передається тільки тоді, коли є впевненість в готовності приймача прийняти його. Це істотно збільшує надійність передачі.

Так само, як і у разі Token-Ring, конфлікти в Arcnet повністю виключені. Як і будь-яка маркерна мережа, Arcnet добре тримає навантаження і гарантує величину часу доступу до мережі (на відміну від Ethernet). Повний час обходу маркером всіх абонентів складає 840 мс. Відповідно, цей же інтервал визначає верхня межа часу доступу до мережі.

Маркер формується спеціальним абонентом – контроллером мережі. Ним є абонент з мінімальною (нульовою) адресою.

Якщо абонент не отримує вільний маркер протягом 840 мс, то він посилає в мережу довгу бітову послідовність (для гарантованого знищення зіпсованого старого маркера). Після цього проводиться процедура контролю мережі і призначення (при необхідності) нового контроллера.

Розмір пакету мережі Arcnet складає 0,5 Кбайта. Крім поля даних в нього входять також 8-бітові адреси приймача і передавача і 16-бітова циклічна контрольна сума (CRC). Такий невеликий розмір пакету виявляється не дуже зручним при високій інтенсивності обміну по мережі.

Адаптери мережі Arcnet відрізняються від адаптерів інших мереж тим, що в них необхідно за допомогою перемикачів або перемичок встановити власну мережеву адресу (всього їх може бути 255, оскільки останньою, 256-ою адреса застосовується в мережі для режиму широкого віщання). Контроль унікальності кожної адреси мережі повністю покладається на користувачів мережі. Підключення нових абонентів стає при цьому досить складним, оскільки необхідно задавати ту адресу, яка ще не використовувалася. Вибір 8-бітового формату адреси обмежує допустима кількість абонентів в мережі – 255, що може бути недостатньо для крупних компаній.

В результаті все це привело до практично повної відмови від мережі Arcnet. Існували варіанти мережі Arcnet, розраховані на швидкість передачі 20 Мбіт/с, але вони не набули широкого поширення.

Мережа FDDI

Мережа FDDI (від англійського Fiber Distributed Data Interface, оптичний розподілений інтерфейс даних) – це одна з новітніх (середина 80 років) розробок стандартів локальних мереж. Стандарт FDDI був запропонований Американським національним інститутом стандартів ANSI (специфікація ANSI X3T9.5). Потім був прийнятий стандарт ISO 9314, відповідний специфікаціям ANSI. Рівень стандартизації мережі достатньо високий.

На відміну від інших стандартних локальних мереж, стандарт FDDI спочатку орієнтувався на високу швидкість передачі (100 Мбіт/с) і на застосування найбільш перспективного оптоволоконного кабелю. Тому в даному випадку розробники не були обмежені рамками старих стандартів, що орієнтувалися на низькі швидкості і електричний кабель.

Вибір оптоволокна як середовище передачі визначив такі переваги нової мережі, як високий перешкодовий захист, максимальна секретність передачі інформації і прекрасна гальванічна розв'язка абонентів. Висока швидкість передачі, яка у разі оптоволоконного кабелю досягається набагато простіше, дозволяє вирішувати багато завдань, недоступних менш швидкісним мережам, наприклад, передачу зображень в реальному масштабі часу. Крім того, оптичний кабель легко вирішує проблему передачі даних на відстань декількох кілометрів без ретрансляції, що дозволяє будувати великі по розмірах мережі, що охоплюють навіть цілі міста, і що мають при цьому всі переваги локальних мереж (зокрема, низький рівень помилок). Все це визначило популярність мережі FDDI, хоча вона поширена ще не так широко, як Ethernet і Token-Ring.

За основу стандарту FDDI був узятий метод маркерного доступу, передбачений міжнародним стандартом IEEE 802.5 (Token-Ring). Неістотні відмінності від цього стандарту визначаються необхідністю забезпечити високу швидкість передачі інформації на великі відстані.

Топологія мережі FDDI – це кільце, найбільш відповідна топологія для оптоволоконного кабелю. У мережі застосовується два різноспрямовані оптоволоконні кабелі, один з яких зазвичай знаходиться в резерві, проте таке рішення дозволяє використовувати і повнодуплексну передачу інформації (одночасно в двох напрямах) з подвоєною ефективною швидкістю в 200 Мбіт/с (при цьому кожен з двох каналів працює на швидкості 100 Мбіт/с). Застосовується і зоряно-кільцева топологія з концентраторами, включеними в кільце (як в Token-Ring).

Основні технічні характеристики мережі FDDI.

Максимальна кількість абонентів мережі – 1000.
Максимальна протяжність кільця мережі – 20 кілометрів.
Максимальна відстань між абонентами мережі – 2 кілометри.
Середовище передачі – багатомодовий оптичний кабель (можливе застосування електричної витої пари).
Метод доступу – маркерний.
Швидкість передачі інформації – 100 Мбіт/с (200 Мбіт/с для дуплексного режиму передачі).

Стандарт FDDI має значні переваги в порівнянні зі всіма розглянутими раніше мережами. Наприклад, мережа Fast Ethernet, що має таку ж пропускну спроможність 100 Мбіт/с, не може порівнятися з FDDI по допустимих розмірах мережі. До того ж маркерний метод доступу FDDI забезпечує на відміну від CSMA/CD гарантований час доступу і відсутність конфліктів при будь-якому рівні навантаження.

Обмеження на загальну довжину мережі в 20 км. пов'язане не із загасанням сигналів в кабелі, а з необхідністю обмеження часу повного проходження сигналу по кільцю для забезпечення гранично допустимого часу доступу. А ось максимальна відстань між абонентами (2 км. при багатомодовому кабелі) визначається якраз загасанням сигналів в кабелі (воно не повинне перевищувати 11 дБ). Передбачена також можливість застосування одномодового кабелю, і в цьому випадку відстань між абонентами може досягати 45 кілометрів, а повна довжина кільця – 200 кілометрів.

Є також реалізація FDDI на електричному кабелі (CDDI – Copper Distributed Data Interface або TPDDI – Twisted Pair Distributed Data Interface). При цьому використовується кабель категорії 5 з роз'ємами RJ-45. Максимальна відстань між абонентами в цьому випадку повинна бути не більше 100 метрів. Вартість устаткування мережі на електричному кабелі у декілька разів менше. Але ця версія мережі вже не має таких очевидних переваг перед конкурентами, як початкова оптоволоконна FDDI. Електричні версії FDDI стандартизовані набагато гірше оптоволоконних, тому сумісність устаткування різних виробників не гарантується.

Таблиця 8.1. Код 4В/5В
Інформація	Код 4В/5В	Інформація	Код 4В/5В
0000	11110	1000	10010
0001	01001	1001	10011
0010	10100	1010	10110
0011	10101	1011	10111
0100	01010	1100	11010
0101	01011	1101	11011
0110	01110	1110	11100
0111	01111	1111	11101

Для передачі даних в FDDI застосовується вже згадуваний в першому розділі код 4В/5В (див. табл. 8.1), спеціально розроблений для цього стандарту. Головний принцип коду – уникнути довгих послідовностей нулів і одиниць. Код 4В/5В забезпечує швидкість передачі 100 Мбіт/с при пропускній спроможності кабелю 125 мільйонів сигналів в секунду (або 125 Мбод), а не 200 Мбод, як у разі манчестерського коду. При цьому кожним чотирьом бітам передаваної інформації (кожному півбайту або нібблу) ставиться у відповідність п'ять передаваних по кабелю бітів. Це дозволяє приймачу відновлювати синхронізацію даних, що приходять, один раз на чотири прийнятих бита. Таким чином, досягається компроміс між простим кодом NRZ і манчестерським кодом, що самосинхронізується на кожному біті. Додатково сигнали кодуються кодом NRZI (у разі TPDDI) і MLT-3 (у разі FDDI).

Стандарт FDDI для досягнення високої гнучкості мережі передбачає включення в кільце абонентів двох типів:

Абоненти (станції) класу А (абоненти подвійного підключення, DAS – Dual-Attachment Stations) підключаються до обох (внутрішньому і зовнішньому) кілець мережі. При цьому реалізується можливість обміну з швидкістю до 200 Мбіт/с або резервування кабелю мережі (при пошкодженні основного кабелю використовується резервний). Апаратура цього класу застосовується в найкритичніших з погляду швидкодії частинах мережі.
Абоненти (станції) класу В (абоненти одинарного підключення, SAS – Single-Attachment Stations) підключаються тільки до одного (зовнішньому) кільця мережі. Вони простіші і дешевші, в порівнянні з адаптерами класу А, але не мають їх можливостей. У мережу вони можуть включатися тільки через концентратор або обхідний комутатор, що відключає їх у разі аварії.

Окрім власне абонентів (комп'ютерів, терміналів і так далі) в мережі використовуються зв'язні концентратори (Wiring Concentrators), включення яких дозволяє зібрати в одне місце всі точки підключення з метою контролю роботи мережі, діагностики несправностей і спрощення реконфігурації. При застосуванні кабелів різних типів (наприклад, оптоволоконного кабелю і витої пари) концентратор виконує також функцію перетворення електричних сигналів в оптичні і навпаки. Концентратори також бувають подвійного підключення (DAC – Dual-Attachment Concentrator) і одинарного підключення (SAC – Single-Attachment Concentrator).

Приклад конфігурації мережі FDDI представлений на рис. 16. Принцип об'єднання пристроїв мережі ілюструється на рис. 17.

Мал. 16. Приклад конфігурації мережі FDDI

FDDI визначає чотири типи портів абонентів

Порт A визначений тільки для пристроїв подвійного підключення, його вхід підключається до первинного (зовнішнього) кільця, а вихід – до вторинного (внутрішнього) кільця.
Порт B визначений тільки для пристроїв подвійного підключення, його вхід підключається до вторинного (внутрішнього) кільця, а вихід – до первинного (зовнішнього) кільця. Порт A зазвичай з'єднується з портом B, а порт В – з портом A.
Порт M (Master) визначений для концентраторів і сполучає два концентратори між собою або концентратор з абонентом при одному кільці. Порт M як правило з'єднується з портом S.
Порт S (Slave) визначений тільки для пристроїв одинарного підключення (концентраторів і абонентів). Порт S зазвичай з'єднується з портом M.

Структура портів для абонентів DAS і SAS, а також концентратора DAC видно на рис. 17. Концентратор SAC має один порт S для включення в одинарне кільце і декілька портів М для підключення абонентів SAS.

Мал. 17. Об'єднання пристроїв мережі FDDI

Стандарт FDDI передбачає також можливість реконфігурації мережі з метою збереження її працездатності у разі пошкодження кабелю (рис. 18).

У показаному на малюнку випадку пошкоджена ділянка кабелю виключається з кільця, але цілісність мережі при цьому не порушується унаслідок переходу на одне кільце замість двох (тобто абоненти DAS починають працювати, як абоненти SAS). Це рівносильно процедурі згортання кільця в мережі Token-Ring.

Мал. 18. Реконфігурація мережі FDDI при пошкодженні кабелю

Окрім абонентів (станцій) і концентраторів в мережі FDDI застосовуються обхідні комутатори (bypass switch). Обхідні комутатори включаються між абонентом і кільцем і дозволяють відключити абонента від кільця у разі його несправності. Керується обхідний комутатор електричним сигналом від абонента. Залежно від керуючого сигналу, він або включає абонента в кільце або ж виключає його з кільця, замикаючи його на самого себе (рис. 19).

При використанні обхідних комутаторів необхідно враховувати додаткові загасання, що вносяться ними (близько 2,5 дБ на один комутатор).

На відміну від методу доступу, пропонованого стандартом IEEE 802.5, в FDDI застосовується так звана множинна передача маркера. Якщо у разі мережі Token-Ring новий (вільний) маркер передається абонентом тільки після повернення до нього його пакету, то в FDDI новий маркер передається абонентом відразу ж після закінчення передачі ним пакету (подібно до того, як це робиться при методі ETR в мережі Token-Ring). Послідовність дій тут наступна:

Абонент, охочий передавати, чекає маркера, який йде за кожним пакетом.
Коли маркер прийшов, абонент видаляє його з мережі і передає свій пакет. Таким чином, в мережі може бути одночасне декілька пакетів, але тільки один маркер.
Відразу після передачі свого пакету абонент посилає новий маркер.
Абонент-одержувач, якому адресований пакет, копіює його з мережі і, зробивши позначку в полі статусу пакету, відправляє його далі по кільцю.
Отримавши назад по кільцю свій пакет, абонент знищує його. У полі статусу пакету він має інформацію про те, чи були помилки, і чи отримав пакет приймач.

Мал. 19. Включення обхідного комутатора

У мережі FDDI не використовується система пріоритетів і резервування, як в Token-Ring. Але передбачений механізм адаптивного планування навантаження.

Кожен абонент веде свій відлік часу, порівнюючи реальний час звернення маркера по кільця (TRT – Token-Rotation Time) із заздалегідь встановленим контрольним (операційним) часом його прибуття (T_OPR).

Якщо маркер повертається раніше, ніж встановлене T_OPR, то робиться висновок про те, що мережа завантажена мало, і, отже, абонент може передавати всю інформацію в асинхронному режимі, тобто незалежно від інших. Для цього абонент може використовувати весь часовий інтервал, що залишився (T_OPR – TRT).

Якщо ж маркер повертається пізніше, ніж встановлене T_OPR, то мережа завантажена сильно, і абонент може передавати тільки найважливішу інформацію протягом того інтервалу часу, який відводиться йому в синхронному режимі.

Величина T_OPR вибирається на етапі ініціалізації мережі всіма абонентами в процесі змагання.

Такий механізм дозволяє абонентам гнучко реагувати на завантаження мережі і автоматично підтримувати її на оптимальному рівні.

Для правильної роботи мережі затримка проходження сигналу по кільцю повинна бути обмежена. Так, у разі максимальної довжини кільця 200 км. і максимальній кількості абонентів 1000 повний час затримки не повинен перевищувати 1,617 мс.

Формати маркера (рис. 20) і пакету (рис. 21) мережі FDDI дещо відрізняються від форматів, використовуваних в мережі Token-Ring.

Мал. 20. Формат маркера FDDI

Мал. 21. Формат пакету FDDI

Призначення полів:

Преамбула (Preamble) використовується для синхронізації. Початково вона містить 64 бита, але абоненти, через яких проходить пакет, можуть міняти її розмір.
Початковий роздільник (SD— Start Delimiter) виконує функцію ознаки початку кадру.
Байт управління (FC – Frame Control) містить інформацію про пакет (розмір поля адреси, синхронная/асинхронная передача, тип пакету – службовий або інформаційний, код команди).
Адреси приймача і джерела (SA – Source Address і DA – Destination Address) можуть бути 6-байтовими (аналогічно Ethernet і Token-Ring) або 2-байтовими.
Поле даних (Info) має змінну довжину (від 0 до 4478 байт). У службових (командних) пакетах поле даних володіє нульовою довжиною.
Поле контрольної суми (FCS – Frame Check Sequence) містить 32-бітову циклічну контрольну суму пакету (CRC).
Кінцевий роздільник (ED – End Delimiter) визначає кінець кадру.
Байт стану пакету (FS – Frame Status) включає біт виявлення помилки, біт розпізнавання адреси і біт копіювання (аналогічно Token-Ring).

Формат байта управління мережі FDDI (рис. 22):

Біт класу пакету визначає тип пакету: синхронний або асинхронний.
Біт довжини адреси встановлює, яка адреса (6-байтовий або 2-байтовий) використовується в даному пакеті.
Поле типу пакету (два бита) визначає, управляючий це пакет чи інформаційний.
Поле коду команди (чотири біти) указує на те, яку команду повинен виконати приймач (якщо це управляючий пакет).

Мал. 22. Формат байта управління

На закінчення слід зазначити, що не дивлячись на очевидні переваги FDDI дана мережа не набула широкого поширення, що пов'язане головним чином з високою вартістю її апаратури (порядка декілька сот і навіть тисяч доларів). Основна область застосування FDDI зараз – це базові, опорні (Backbone) мережі, об'єднуючі декілька мереж. Застосовується FDDI також для з'єднання могутніх робочих станцій або серверів, що вимагають високошвидкісного обміну. Передбачається, що мережа Fast Ethernet може потіснити FDDI, проте переваги оптоволоконного кабелю, маркерного методу управління і рекордний допустимий розмір мережі ставлять в даний час FDDI поза конкуренцією. А в тих випадках, коли вартість апаратури має вирішальне значення, можна на некритичних ділянках застосовувати версію FDDI на основі витої пари (TPDDI). До того ж вартість апаратури FDDI може сильно зменшитися із зростанням об'єму її випуску.

Надвисокошвидкісні мережі

Швидкодія мережі Fast Ethernet і інших мереж, що працюють на швидкості в 100 Мбіт/с, в даний час задовільняє вимогам більшості завдань, але у ряді випадків навіть його виявляється недостатньо. Особливо в тих ситуаціях, коли необхідно підключати до мережі сучасні високопродуктивні сервери або будувати мережі з великою кількістю абонентів, що вимагають високої інтенсивності обміну. Наприклад, все більш широко застосовується мережева обробка тривимірних динамічних зображень. Швидкість комп'ютерів безперервно росте, вони забезпечують все більш високі темпи обміну із зовнішніми пристроями. В результаті мережа може виявитися найбільш слабким місцем системи, і її пропускна спроможність буде основним стримуючим чинником в збільшенні швидкодії.

Мережа Gigabit Ethernet – це природний, еволюційний шлях розвитку концепції, закладеної в стандартній мережі Ethernet. Безумовно, вона успадковує і всі недоліки своїх прямих попередників, наприклад, негарантований час доступу до мережі. Проте величезна пропускна спроможність приводить до того, що завантажити мережу до тих рівнів, коли цей чинник стає визначаючим досить важко. Зате збереження спадкоємності дозволяє досить просто сполучати сегменти Ethernet, Fast Ethernet і Gigabit Ethernet в мережу, і, найголовніше, переходити до нових швидкостей поступово, вводячи гігабітні сегменти тільки на самих напружених ділянках мережі. (До того ж далеко не скрізь така висока пропускна спроможність дійсно необхідна.) Якщо ж говорити про конкуруючі гігабітні мережі, то їх застосування може зажадати повної заміни мережевої апаратури, що відразу ж приведе до великих витрат засобів.

У мережі Gigabit Ethernet зберігається все той же зарекомендований в попередніх версіях метод доступу CSMA/CD, використовуються ті ж формати пакетів (кадрів) і ті ж їх розміри. Не потрібне ніякого перетворення протоколів в місцях з'єднання з сегментами Ethernet і Fast Ethernet. Єдине, що потрібне, – це узгодження швидкостей обміну, тому головною областю застосування Gigabit Ethernet стає в першу чергу з'єднання концентраторів Ethernet і Fast Ethernet між собою.

З появою надшвидкодіючих серверів і розповсюдженням найбільш досконалих персональних комп'ютерів класу "high-end" переваги Gigabit Ethernet стають все більш явними. Так, 64-розрядна системна магістраль PCI, вже фактичний стандарт, цілком досягає потрібної для такої мережі швидкості передачі даних.

Роботи із створення мережі Gigabit Ethernet ведуться з 1995 року. У 1998 році прийнятий стандарт, що отримав найменування IEEE 802.3z (1000BASE-SX, 1000BASE-LX і 1000BASE-CX). Розробкою займається спеціально створений альянс (Gigabit Ethernet Alliance), в який, зокрема, входить така відома компанія, що займається мережевою апаратурою, як 3Com. У 1999 році прийнятий стандарт IEEE 802.3ab (1000BASE-T).

Номенклатура сегментів мережі Gigabit Ethernet в даний час включає наступні типи:

1000BASE-SX – сегмент на мультимодовому оптоволоконному кабелі з довжиною хвилі світлового сигналу 850 нм (завдовжки до 500 метрів). Використовуються лазерні передавачі.
1000BASE-LX – сегмент на мультимодовому (завдовжки до 500 метрів) і одномодовому (завдовжки до 2000 метрів) оптоволоконному кабелі з довжиною хвилі світлового сигналу 1300 нм. Використовуються лазерні передавачі.
1000BASE-CX – сегмент на екранованій витій парі (завдовжки до 25 метрів).
1000BASE-T (стандарт IEEE 802.3ab) – сегмент на четверній неекранованій витій парі категорії 5 (завдовжки до 100 метрів). Використовується 5-рівневе кодування (PAM-5), причому в повнодуплексному режимі передача ведеться по кожній парі в двох напрямах.

Спеціально для мережі Gigabit Ethernet запропонований метод кодування передаваної інформації 8В/10В, побудований за тим же принципом, що і код 4В/5В мережі FDDI (окрім 1000BASE-T). Таким чином, восьми бітам інформації, яку потрібно передати, ставиться у відповідність 10 біт, передаваних по мережі. Цей код дозволяє зберегти самосинхронізацію, легко виявляти ту що несе (факт передачі), але не вимагає подвоєння смуги пропускання, як у разі манчестерського коду.

Для збільшення 512-бітового інтервалу мережі Ethernet, відповідного мінімальній довжині пакету, (51,2 мкс в мережі Ethernet і 5,12 мкс в мережі Fast Ethernet), розроблені спеціальні методи. Зокрема, мінімальна довжина пакету збільшена до 512 байт (4096 біт). Інакше часовий інтервал 0,512 мкс надмірно обмежував би граничну довжину мережі Gigabit Ethernet. Всі пакети з довжиною менше 512 байт розширюються до 512 байт. Поле розширення вставляється в пакет після поля контрольної суми. Це вимагає додаткової обробки пакетів, та зате максимально допустимий розмір мережі стає в 8 разів більше, ніж без вживання таких заходів.

Крім того, в Gigabit Ethernet передбачена можливість блокового режиму передачі пакетів (frame bursting). При цьому абонент, що отримав право передавати і що має для передачі декілька пакетів, може передати не один, а декілька пакетів, послідовно, причому адресованих різним абонентам-одержувачам. Додаткові передавані пакети можуть бути тільки короткими, а сумарна довжина всіх пакетів блоку не повинна перевищувати 8192 байти. Таке рішення дозволяє понизити кількість захоплень мережі і зменшити число колізій. При використанні блокового режиму розширюється до 512 байт тільки перший пакет блоку для того, щоб перевірити, чи немає в мережі колізій. Решта пакетів до 512 байт можуть не розширюватися.

Передача в мережі Gigabit Ethernet проводиться як в напівдуплексному режимі (із збереженням методу доступу CSMA/CD), так і в швидшому повнодуплексному режимі (аналогічно попередній мережі Fast Ethernet).

Мал. 23. Використання мережі Gigabit Ethernet для з'єднання груп комп'ютерів

Мал. 24. Використання мережі Gigabit Ethernet для підключення швидкодіючих серверів

Мережа Gigabit Ethernet, перш за все, знаходить застосування в мережах, об'єднуючих комп'ютери великих підприємств, які розташовуються в декількох будівлях. Вона дозволяє за допомогою відповідних комутаторів, що перетворюють швидкості передачі, забезпечити канали зв'язку з високою пропускною спроможністю між окремими частинами складної мережі (рис. 23) або лінії зв'язку комутаторів з надшвидкодіючими серверами (рис. 24).

Ймовірно, у ряді випадків Gigabit Ethernet витіснятиме оптоволоконну мережу FDDI, яка в даний час все частіше використовується для об'єднання в мережу декількох локальних мереж, зокрема, і Ethernet. Правда, FDDI може зв'язувати абонентів, що знаходяться набагато далі один від одного, але за швидкістю передачі інформації Gigabit Ethernet істотно перевершує FDDI.

Але навіть мережа Gigabit Ethernet не може вирішити деяких завдань. Вже пропонується і 10-гигабитная версія Ethernet, звана 10Gigabit Ethernet (стандарт IEEE 802.3ae, прийнятий в 2002 році). Вона принципово відрізняється від попередніх версій. Як середовище передачі використовується виключно оптичний кабель. Електричний кабель може іноді застосовуватися тільки для зв'язку на короткі відстані (порядка 10 метрів). Режим обміну – повнодуплексний. Формат пакету Ethernet колишній. Це, напевно, єдине, що залишається від початкового стандарту Ethernet (IEEE 802.3).

На закінчення розділу декілька слів про альтернативне вирішення надшвидкодіючої мережі. Мова йде про мережі з технологією АТМ (Asynchronous Transfer Mode). Дана технологія використовується як в локальних, так і в глобальних мережах. Основна ідея – передача цифрових, голосових і мультимедійних даних по одних і тих же каналах. Строго кажучи, жорсткого стандарту на апаратуру АТМ не припускає.

Спочатку була вибрана швидкість передачі 155 Мбіт/с (для настільних систем – 25 Мбіт/с), потім – 662 Мбіт/с, до 2488 Мбіт/с. За швидкістю АТМ успішно конкурує з Gigabit Ethernet. До речі, з'явилася АТМ раніше, ніж Gigabit Ethernet.В якості середовища передачі інформації в локальній мережі технологія АТМ припускає використання оптоволоконного кабелю і неекранованої витої пари. Використовувані коди – 4В/5В і 8В/10В.

Принципова відмінність АТМ від решти мереж полягає у відмові від звичних пакетів з полями адресації, управління і даних. Вся передавана інформація упакована в мікропакети (осередки, cells) завдовжки 53 байти. Кожен осередок має 5-байтовий заголовок, який дозволяє інтелектуальним розподільним пристроям сортувати осередки і стежити за тим, щоб вони передавалися в потрібній послідовності. Кожен осередок має 48 байт інформації. Їх мінімальний розмір дозволяє здійснювати корекцію помилок і маршрутизацію на апаратному рівні. Він же забезпечує рівномірність всіх інформаційних потоків мережі і мінімальний час очікування доступу до мережі.

Заголовок включає ідентифікатори шляху, каналу доставки, типу інформації, покажчик пріоритету доставки, а також контрольну суму заголовка, що дозволяє визначити наявність помилок передачі.

Головний недолік мереж з технологією АТМ полягає в їх повній несумісності ні з однією з наявних мереж. Плавний перехід на АТМ в принципі неможливий, потрібно міняти відразу все устаткування, а вартість його поки що дуже висока. Правда, роботи по забезпеченню сумісності ведуться, знижується і вартість устаткування. Тим більше що завдань по передачі зображень по комп'ютерних мережах стає все більше і більше.

Технологія АТМ ще в недалекому минулому вважалася перспективною і універсальною, здатною потіснити звичні локальні мережі. Проте зараз унаслідок успішного розвитку традиційних локальних мереж застосування АТМ обмежене тільки глобальними і магістральними мережами.

1. Який основний недолік мережі FDDI в порівнянні з іншими стандартними мережами?

велика вартість

недостатня надійність

негарантований час доступу

недостатня перешкодозахисна

малий допустимий розмір мережі

2. Які можливі режими обміну в мережі 10Gigabit Ethernet?

сімплексний обмін

напівдуплексний обмін і повнодуплексний обмін

всі режими обміну дозволені

напівдуплексний обмін

повнодуплексний обмін

1. Яку інформацію містить поле управління в пакеті Ethernet/Fast Ethernet?

інформацію про кількість байтів даних

інформацію про тип пакету

інформацію про повну довжину пакету

інформацію про використовувану систему адресації

інформацію про кількість байтів даних або про тип пакету

2. Яку функцію виконує концентратор мережі Token-Ring?

управління обміном в мережі

сортування і фільтрацію передаваних пакетів

об'єднання точок підключення абонентів

об'єднання мережі Token-Ring з іншими мережами

контроль правильного проходження маркера в мережі

3. Що є перевагою мережі Token-Ring перед мережами Ethernet і Arcnet?

передбачений механізм підтримки надійності мережі при обриві кабелю

передбачений механізм підтримки надійності мережі при відмові абонентів

гарантується величина часу доступу

забезпечується максимальна довжина мережі

забезпечується максимальна швидкість передачі

PAGE 1

Класичні стандартні та новітні обчислювальні мережі