Сеть FDDI

Выбор оптоволокна в качестве среды передачи определил такие преимущества как: высокая помехозащищенность, максимальная секретность передачи информации и прекрасная гальваническая развязка абонентов. Высокая скорость передачи, которая в случае оптоволоконного кабеля достигается гораздо проще, позволяет решать многие задачи, недоступные менее скоростным сетям ( передачу изображений в реальном масштабе времени, передача данных на расстояние нескольких километров без ретрансляции, что позволяет строить большие по размерам сети, охватывающие даже целые города и имеющие при этом все преимущества локальных сетей). Все это определило популярность сети FDDI, хотя она распространена еще не так широко, как Ethernet и Token-Ring.

            За основу стандарта FDDI был взят метод маркерного доступа, предусмотренный международным стандартом IEEE 802.5 (Token-Ring). Несущественные отличия от этого стандарта определяются необходимостью обеспечить высокую скорость передачи информации на большие расстояния. Топология сети FDDI – это кольцо, наиболее подходящая топология для оптоволоконного кабеля. В сети применяется два разнонаправленных оптоволоконных кабеля, один из которых обычно находится в резерве, однако такое решение позволяет использовать и полнодуплексную передачу информации (одновременно в двух направлениях) с удвоенной эффективной скоростью в 200 Мбит/с (при этом каждый из двух каналов работает на скорости 100 Мбит/с). Применяется и звездно-кольцевая топология с концентраторами, включенными в кольцо.

Основные технические характеристики сети FDDI:

• Максимальное количество абонентов сети – 1000.
• Максимальная протяженность кольца сети – 20 километров.
• Максимальное расстояние между абонентами сети – 2 километра.
• Среда передачи – многомодовый оптоволоконный кабель (возможно применение электрической витой пары).
• Метод доступа – маркерный.
• Скорость передачи информации – 100 Мбит/с (200 Мбит/с для дуплексного режима передачи).

            Стандарт FDDI имеет значительные преимущества по сравнению со всеми сетями. Сеть Fast Ethernet не может сравниться с FDDI по допустимым размерам сети. К тому же маркерный метод доступа FDDI обеспечивает в отличие от CSMA/CD гарантированное время доступа и отсутствие конфликтов при любом уровне нагрузки.
            Ограничение на общую длину сети в 20 км связано не с затуханием сигналов в кабеле, а с необходимостью ограничения времени полного прохождения сигнала по кольцу для обеспечения предельно допустимого времени доступа. А вот максимальное расстояние между абонентами (2 км при многомодовом кабеле) определяется как раз затуханием сигналов в кабеле (оно не должно превышать 11 дБ). Предусмотрена также возможность применения одномодового кабеля, и в этом случае расстояние между абонентами может достигать 45 километров, а полная длина кольца – 200 километров.

            Имеется также реализация FDDI на электрическом кабеле (CDDI – Copper Distributed Data Interface или TPDDI – Twisted Pair Distributed Data Interface). При этом используется кабель категории 5 с разъемами RJ-45. Максимальное расстояние между абонентами в этом случае должно быть не более 100 метров. Стоимость оборудования сети на электрическом кабеле в несколько раз меньше. Но эта версия сети уже не имеет столь очевидных преимуществ перед конкурентами, как изначальная оптоволоконная FDDI. Электрические версии FDDI стандартизованы гораздо хуже оптоволоконных, поэтому совместимость оборудования разных производителей не гарантируется.

 Для передачи данных в FDDI применяется код 4В/5В (см. табл. 1), специально разработанный для этого стандарта. Главный принцип кода – избежать длинных последовательностей нулей и единиц. Код 4В/5В обеспечивает скорость передачи 100 Мбит/с при пропускной способности кабеля 125 миллионов сигналов в секунду. Это позволяет приемнику восстанавливать синхронизацию приходящих данных один раз на четыре принятых бита. Таким образом, достигается компромисс между простейшим кодом NRZ и самосинхронизирующимся на каждом бите манчестерским кодом. Дополнительно сигналы кодируются кодом NRZI (в случае TPDDI) и MLT-3 (в случае FDDI).

            Стандарт FDDI для достижения высокой гибкости сети предусматривает включение в кольцо абонентов двух типов:

• Абоненты (станции) класса А (абоненты двойного подключения, DAS – Dual-Attachment Stations) подключаются к обоим (внутреннему и внешнему) кольцам сети. При этом реализуется возможность обмена со скоростью до 200 Мбит/с или резервирования кабеля сети (при повреждении основного кабеля используется резервный). Аппаратура этого класса применяется в самых критичных с точки зрения быстродействия частях сети.
• Абоненты (станции) класса В (абоненты одинарного подключения, SAS – Single-Attachment Stations) подключаются только к одному (внешнему) кольцу сети. Они более простые и дешевые, по сравнению с адаптерами класса А, но не имеют их возможностей. В сеть они могут включаться только через концентратор или обходной коммутатор, отключающий их в случае аварии.

            Кроме собственно абонентов (компьютеров, терминалов и т.д.) в сети используются связные концентраторы (Wiring Concentrators), включение которых позволяет собрать в одно место все точки подключения с целью контроля работы сети, диагностики неисправностей и упрощения реконфигурации. При применении кабелей разных типов концентратор выполняет также функцию преобразования электрических сигналов в оптические и наоборот. Концентраторы также бывают двойного подключения (DAC – Dual-Attachment Concentrator) и одинарного подключения (SAC – Single-Attachment Concentrator).

Пример конфигурации сети FDDI представлен на рис. 1 Принцип объединения устройств сети иллюстрируется на рис. 2.

Рис. 1  Пример конфигурации сети FDDI

FDDI определяет четыре типа портов абонентов:

• Порт A определен только для устройств двойного подключения, его вход подключается к первичному (внешнему) кольцу, а выход – к вторичному (внутреннему) кольцу.
• Порт B определен только для устройств двойного подключения, его вход подключается к вторичному (внутреннему) кольцу, а выход – к первичному (внешнему) кольцу. Порт A обычно соединяется с портом B, а порт В – с портом A.
• Порт M (Master) определен для концентраторов и соединяет два концентратора между собой или концентратор с абонентом при одном кольце. Порт M как правило соединяется с портом S.
• Порт S (Slave) определен только для устройств одинарного подключения (концентраторов и абонентов). Порт S обычно соединяется с портом M.

            Структура портов для абонентов DAS и SAS, а также концентратора DAC видна на рис. 2. Концентратор SAC имеет один порт S для включения в одинарное кольцо и несколько портов М для подключения абонентов SAS.

Рис. 2  Объединение устройств сети FDDI

            Стандарт FDDI предусматривает также возможность реконфигурации сети с целью сохранения ее работоспособности в случае повреждения кабеля (рис. 3).

В показанном на рисунке случае поврежденный участок кабеля исключается из кольца, но целостность сети при этом не нарушается вследствие перехода на одно кольцо вместо двух. Это равносильно процедуре сворачивания кольца в сети Token-Ring.

Рис. 3  Реконфигурация сети FDDI при повреждении кабеля

            Кроме абонентов (станций) и концентраторов в сети FDDI применяются обходные коммутаторы (bypass switch). Обходные коммутаторы включаются между абонентом и кольцом и позволяют отключить абонента от кольца в случае его неисправности. Управляется обходной коммутатор электрическим сигналом от абонента. В зависимости от управляющего сигнала он или включает абонента в кольцо или же исключает его из кольца, замыкая его на самого себя (рис.4). При использовании обходных коммутаторов необходимо учитывать дополнительные затухания, вносимые ими.

            В отличие от метода доступа, предлагаемого стандартом IEEE 802.5, в FDDI применяется так называемая множественная передача маркера.
Последовательность действий:

1. Абонент, желающий передавать, ждет маркера, который идет за каждым пакетом.
2. Когда маркер пришел, абонент удаляет его из сети и передает свой пакет. Таким образом, в сети может быть одновременно несколько пакетов, но только один маркер.
3. Сразу после передачи своего пакета абонент посылает новый маркер.
4. Абонент-получатель, которому адресован пакет, копирует его из сети и, сделав пометку в поле статуса пакета, отправляет его дальше по кольцу.
5. Получив обратно по кольцу свой пакет, абонент уничтожает его. В поле статуса пакета он имеет информацию о том, были ли ошибки, и получил ли пакет приемник.

Рис. 4  Включение обходного коммутатора

             В сети FDDI не используется система приоритетов и резервирования, но предусмотрен механизм адаптивного планирования нагрузки.
            Каждый абонент ведет свой отсчет времени, сравнивая реальное время обращения маркера по кольцу (TRT – Token-Rotation Time) с заранее установленным контрольным (операционным) временем его прибытия (T_OPR).
            Если маркер возвращается раньше, чем установлено T_OPR, то делается вывод о том, что сеть загружена мало, и, следовательно, абонент может передавать всю информацию в асинхронном режиме, то есть независимо от других.
            Если маркер возвращается позже, чем установлено T_OPR, то сеть загружена сильно, и абонент может передавать только самую важную информацию в течение того интервала времени, который отводится ему в синхронном режиме.
            Величина T_OPR выбирается на этапе инициализации сети всеми абонентами в процессе состязания.
            Такой механизм позволяет абонентам гибко реагировать на загрузку сети и автоматически поддерживать ее на оптимальном уровне.
            Форматы маркера (рис.5) и пакета (рис.6) сети FDDI несколько отличаются от форматов, используемых в сети Token-Ring.

Рис. 5  Формат маркера FDDI

Рис. 6  Формат пакета FDDI

Назначение полей:

• Преамбула (Preamble) используется для синхронизации. Первоначально она содержит 64 бита, но абоненты, через которых проходит пакет, могут менять ее размер.
• Начальный разделитель (SD— Start Delimiter) выполняет функцию признака начала кадра.
• Байт управления (FC – Frame Control) содержит информацию о пакете (размер поля адреса, синхронная/асинхронная передача, тип пакета – служебный или информационный, код команды).
• Адреса приемника и источника (SA – Source Address и DA – Destination Address) могут быть 6-байтовыми (аналогично Ethernet и Token-Ring) или 2-байтовыми.
• Поле данных (Info) имеет переменную длину (от 0 до 4478 байт). В служебных (командных) пакетах поле данных обладает нулевой длиной.
• Поле контрольной суммы (FCS – Frame Check Sequence) содержит 32-битную циклическую контрольную сумму пакета (CRC).
• Конечный разделитель (ED – End Delimiter) определяет конец кадра.
• Байт состояния пакета (FS – Frame Status) включает в себя бит обнаружения ошибки, бит распознавания адреса и бит копирования (аналогично Token-Ring).

Формат байта управления сети FDDI (рис.7):

• Бит класса пакета определяет тип пакета: синхронный или асинхронный.
• Бит длины адреса устанавливает, какой адрес (6-байтовый или 2-байтовый) используется в данном пакете.
• Поле типа пакета (два бита) определяет, управляющий это пакет или информационный.
• Поле кода команды (четыре бита) указывает на то, какую команду должен выполнить приемник (если это управляющий пакет).

Рис. 7  Формат байта управления

            В заключение следует отметить, что несмотря на очевидные преимущества FDDI данная сеть не получила широкого распространения, что связано главным образом с высокой стоимостью ее аппаратуры. Основная область применения FDDI сейчас – это базовые, опорные (Backbone) сети, объединяющие несколько сетей. Применяется FDDI также для соединения мощных рабочих станций или серверов, требующих высокоскоростного обмена. Предполагается, что сеть Fast Ethernet может потеснить FDDI, однако преимущества оптоволоконного кабеля, маркерного метода управления и рекордный допустимый размер сети ставят в настоящее время FDDI вне конкуренции.