Сети FDDI - принцип действия, применяемое оборудование, варианты использования. Скоростные и беспроводные сети

Лекция

Тема: Стандарты технологии Ethernet, TokenRing и FDDI.

Цель .

Обучающая. Ввести основные понятия. Освоить методы разработки и способы представления элементов сети.
Развивающая. Р азвивать логику, умение анализировать, сравнивать, делать выводы, высказывать свою мысль. Развивать внимание и аналитическое мышление.
Воспитательная . Воспитывать интерес к языкам программирования, научным достижениям и открытиям. Воспитывать аккуратность, внимательность и дисциплинированность. Формирование самостоятельности и ответственности при повторении пройденного и изучении нового материала. Воспитывать чувство ответственности за напарника при работе в группе.

Межпредметные связи:

· Обеспечивающие: информатика.

· Обеспечиваемые: базы данных.

Методическое обеспечение и оборудование:

1. Методическая разработка к занятию.

2. Рабочая программа.

3. Инструктаж по технике безопасности.

Технические средства обучения: проэктор, компьютер.

Обеспечение рабочих мест:

Рабочие тетради.

Ход лекции.

Организационный этап.
Анализ и проверка домашнего задания.
Фронтальный опрос по вопросам.

Решите задачи.

Стандарты технологии Ethernet

Ethernet - это самый распространенный на сегодняшний день стандарт локальных сетей. Общее количество сетей, использующих в настоящее время Ethernet, оценивается в 5 миллионов, а количество компьютеров, работающих с установленными сетевыми адаптерами Ethernet - в 50 миллионов.

Ethernet - это сетевой стандарт, основанный на технологиях экспериментальной сети Ethernet Network, которую фирма Xerox разработала и реализовала в 1975 году. В 1980 году фирмы DEC, Intel и Xerox совместно разработали и опубликовали стандарт Ethernet версии II для сети, построенной на основе коаксиального кабеля.

Рис. Примитивы уровня LLC
а, в, с - без установления соединения, d - с установлением соединения

На основе стандарта Ethernet DIX был разработан стандарт IEEE 802.3, который во многом совпадает со своим предшественником, но некоторые различия все же имеются. В то время, как в стандарте IEEE 802.3 различаются уровни MAC и LLC, в оригинальном Ethernet оба эти уровня объединены в единый канальный уровень. В Ethernet определяется протокол тестирования конфигурации (Ethernet Configuration Test Protocol), который отсутствует в IEEE 802.3. Несколько отличается и формат кадра, хотя минимальные и максимальные размеры кадров в этих стандартах совпадают.

В зависимости от типа физической среды стандарт IEEE 802.3 имеет различные модификации - 10Base-5, 10Base-2, 10Base-T, 10Base-F.

Для передачи двоичной информации по кабелю для всех вариантов физического уровня технологии Ethernet используется манчестерский код.

Все виды стандартов Ethernet используют один и тот же метод разделения среды передачи данных - метод CSMA/CD.

Стандарты технологии Token Ring

Сети Token Ring характеризует разделяемая среда передачи данных, которая в данном случае состоит из отрезков кабеля, соединяющих все станции сети в кольцо. Кольцо рассматривается как общий разделяемый ресурс, и для доступа к нему требуется детерминированный алгоритм, основанный на передаче станциям права на использование кольца в определенном порядке. Это право передается с помощью кадра специального формата, называемого маркером или токеном (token).

Сети Token Ring работают с двумя битовыми скоростями - 4 и 16 Мбит/с. Смешение станций, работающих на различных скоростях, в одном кольце не допускается.

Технология Token Ring обладает свойствами отказоустойчивости. В сети Token Ring определены процедуры контроля работы сети, которые используют обратную связь кольцеобразной структуры - посланный кадр всегда возвращается в станцию – отправитель

Стандарты технологии FDDI

FDDI (Fiber Distributed Data Interface) - это стандарт или набор сетевых стандартов, ориентированных на передачу данных по волоконно-оптическом кабелю со скоростью 100 Мбит/с. Подавляющая часть спецификаций стандарта FDDI использует в качестве среды передачи оптическое волокно.

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.

При разработке технологии FDDI ставились в качестве наиболее приоритетных следующие цели:

Повышение битовой скорости передачи данных до 100 Мбит/с;

Повышение отказоустойчивости сети за счет стандартных процедур восстановления 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 с как для асинхронного, так и для синхронного графиков.

Технология FDDI во многом основывается на технологии Token Ring, развивая и совершенствуя ее основные идеи.

Два основных отличия в протоколах управления маркером в FDDI и IEEE 802.5 Token Ring следующие:

В Token Ring станция, передающая кадры, удерживает маркер до тех пор, пока не получит все отправленные пакеты. В FDDI же станция выпускает маркер непосредственно окончанием передачи кадра (кадров);

FDDI не использует приоритет и поля резервирования, которые Token Ring использует для выделения системных ресурсов.

В таблице указаны основные характеристики сети FDDI.

* Некоторые производители выпускают оборудование на расстояние передачи до 50 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.

©2015-2019 сайт
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2017-10-25

ANSI . Уровень стандартизации сети достаточно высок.

В отличие от других стандартных локальных сетей, стандарт FDDI изначально ориентировался на высокую скорость передачи (100 Мбит/с) и на применение наиболее перспективного оптоволоконного кабеля. Поэтому в данном случае разработчики не были стеснены рамками старых стандартов, ориентировавшихся на низкие скорости и электрический кабель .

Выбор оптоволокна в качестве среды передачи определил такие преимущества новой сети, 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, например, передачу изображений в реальном масштабе времени. Кроме того, оптоволоконный кабель легко решает проблему передачи 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 (в частности, низкий уровень ошибок). 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 (как в Token-Ring).

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 рассмотренными ранее сетями. Например, сеть Fast Ethernet , имеющая такую же пропускную способность 100 Мбит/с, 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.

Таблица 8.1. Код 4В/5В

Информация	Код 4В/5В	Информация	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 передачи данных в FDDI применяется уже упоминавшийся в третьей главе код 4В/5В (см. табл. 8.1), 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 (или 125 МБод), а не 200 МБод, как в случае манчестерского кода . При этом каждым четырем битам передаваемой информации (каждому полубайту или нибблу) ставится в соответствие пять передаваемых по кабелю битов. 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

Сетевая технология – это согласованный набор стандартных протоколов и реализующих их программно-аппаратных средств, достаточных для построения вычислительной сети.

В проектировании локальных сетей основная роль отводится протоколам физического и канального уровней модели OSI. Специфика локальных сетей, в которых используется разделяемая среда передачи данных, нашла свое отражение в разделении канального уровня на два подуровня: логической передачи данных (Logical Link Control), уровень LLC, и управления доступом к сети (Media Access Control), уровень MAC.

Уровень MAC обеспечивает корректное использ общей среды передачи данных, когда по определенному алгоритму любой узел получает возможность передачи своего кадра данных. В современных вычислительных сетях имеют распространение несколько протоколов уровня MAC: Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, l00VG-AniLAN, Token Ring, FDDI. Ур LLC организует передачу кадров данных с разл степенью надежности.

Технология Ethernet

Фирменный сетевой стандарт Ethernet был разработан фирмой Xerox в 1975 году. В 1980 году фирмы DEC, Intel, Xerox разработали стандарт Ethernet DIX на основе коаксиального кабеля. Эта последняя версия фирменного стандарта послужила основой стандарта IEEE 802.3. Стандарт IEEE 802.3 имеет модификации, которые различаются типом используемой физической среды:

Спецификации физической среды Ethernet

	l0Base-5	l0Base-2	l0Base-T	l0Base-F
Максимальная длина сегмента
Макс. количество сегментов
Макс. количество пользователей
Максимальное число повторителей
Макс. протяженность
	«толстый» коаксиал	"тонкий" коаксиал
Топология			звезда, дерево

l0Base-T - Конечные узлы соединяются по топологии «точка-точка» с многопортовым повторителем с помощью двух витых пар. Преимущество l0Base-T: концентратор контролирует работу узлов и изолирует от сети некорректно работающие узлы.

l0Base-F – «+» высокая помехоустойчивость,

«–» сложность прокладки оптики.

10 - скорость передачи данных, Base - метод передачи на одной базовой частоте 10 МГц, последний символ - тип кабеля. Локальные сети, построенные по этому стандарту, обеспечивают пропускную способность до 10 Мбит/с. Используемая топология - общая шина, "звезда" и смешанные структуры.

В стандарте 802.3, включая Fast Ethernet и Gigabit Ethernet, в качестве метода доступа к среде передачи данных используется метод коллективного доступа с опознаванием несущей и обнаружением коллизий (carrier-sense-miltiply-access with collision detection, CSMA/CD), метод CSMA/CD.

Этот метод используется в сетях, где все компьютеры имеют непосредственный доступ к общей шине и могут немедленно получить данные, которые посылаются любым компьютером. Простота этого метода позволила ему получить широкое распространение.

Данные передаются кадрами. Каждый кадр снабжается преамбулой (8 байт), которая позволяет синхронизировать работу приемника и передатчика. В заголовках кадра указывается адрес узла-получателя, который позволяет узлу-получателю распознать, что предаваемый кадр предназначен ему, и адрес узла-отправителя для отправки сообщения, подтверждающего факт получения кадра. Минимальная длина кадра - 64 байта, максимальная - 1518 байт. Минимальная длина кадра является одним из параметров, определяющих диаметр сети или максимальную длину сегмента сети. Чем меньше кадр, тем меньше диаметр сети.

Передача кадра возможна, когда никакой другой узел сети не передает свой кадр. Стандарт Ethernet не позволяет одновременную передачу/прием более одного кадра. На практике в сетях Ethernet возможны ситуации, когда два узла пытаются передать свои кадры. В таких случаях происходит искажение передаваемых данных, потому что методы стандарта Ethernet не позволяет выделять сигналы одного узла из общего сигнала и возникает так называемая коллизия. Передающий узел, обнаруживший коллизию, прекращает передачу кадра, делает паузу случайной длины и повторяет попытку захвата передающей среды и передачи кадра. После 16 попыток передачи кадра кадр отбрасывается.

При увеличении количества коллизий, когда передающая среда заполняется повторными кадрами, реальная пропускная способность сети резко уменьшается. В этом случае необходимо уменьшить трафик сети любыми доступными методами (уменьшение количества узлов сети, использование приложений с меньшими затратами сетевых ресурсов, реструктуризация сети).

Технология Fast Ethernet

Развитие локальных сетей, появление новых более быстрых компьютеров привело к необходимости совершенствования стандарта Ethernet с целью увеличения пропускной способности сети до 100 Мбит/с.

Технология Fast Ethernet использует метод доступа CSMA/CD, такой же, как в технологии Ethernet, что обеспечивает согласованность технологий. Отличия Fast Ethernet от Ethernet наблюдаются только на физическом уровне. На канальном уровне изменений нет.

8В/6Т - каждые 8 бит информации уровня MAC кодируются 6-ю троичными цифрами (3 состояния), группа из 6-ти троичных цифр передается на одну из 3 передающих витых пар, независимо и последовательно, 4 пара используется для прослушивания несущей частоты в целях обнаружения коллизии;

4В/5В: каждые 4 бита данных подуровня MAC представляются 5 битами.

Диаметр сети сократился до 200 метров, что связано с увеличением скорости передачи данных в 10 раз. Стандарты ТХ и FX могут работать как в полудуплексном режиме (передача ведется в двух направлениях, но попеременно во времени), так и в полнодуплексном режиме (передача ведется одновременно в двух направлениях) за счет использования двух витых пар или двух оптических волокон. Для отделения кадра Ethernet от символов Idle в спецификациях 100Base-FX/ТХ используется комбинация символов Start Delimiter (пара символов J (11000) и К (10001) кода 4В/5В, а после завершения кадра перед первым символом Idle вставляется символ Т).

Для всех трех стандартов справедливы следующие утверждения и характеристики.

Межкадровый интервал (IPG) равен 0,96 мкс, изменения в MAC не вносились;

Признаком свободного состояния среды является передача по ней символа Idle соответствующего избыточного кода;

Спецификация Fast Ethernet включает также механизм автосогласования, позволяющий порту узла автоматически настраиваться на скорость передачи данных - 10 или 100 Мбит/с. Этот механизм основан на обмене рядом пакетов с портом концентратора.

Технология Gigabit Ethernet

Стандарт IEEE 802.3z Gigabit Ethernet был принят в 1998 году на основе согласованных усилий группы компаний, образовавших объединение Gigabit Ethernet Alliance. В качестве варианта физического уровня был принят физический уровень технологии Fiber Channel. Разработчики стандарта максимально сохранили преемственность предыдущих стандартов Ethernet: сохраняются все форматы кадров, полудуплексная и полнодуплексная версии протоколов, поддерживаются коаксиальный кабель, витая пара категории 5, волоконно-оптический кабель.

Поддержка полудуплексного режима метода доступа CSMA/CD сокращает диаметр сети до 25 м. Для увеличения диаметра сети до 200 м разработчики изменили размер минимального кадра с 64 до 512 байт. Для сокращения накладных расходов по передаче длинных кадров стандарт разрешает передавать несколько кадров подряд, не дополняя их до 512 байт и не передавая доступ к среде другому узлу. Не поддерживает:

качество обслуживания;

избыточные связи;

тестирование работоспособности узлов и оборудования.

т.к. с этими задачами хорошо справляются протоколы более высоких уровней. Метод доступа CSMA/CD.

Спецификации


Максимальная длина сегмента
Кодирование
			многомодовая оптика	одномодовая оптика	многомодовая оптика
Топология	звезда, дерево	звезда, дерево	звезда, дерево	звезда, дерево	звезда, дерево

Многомодовый кабель – применяются излучатели, работающие на двух длинах волн: 1300 и 850 нм. Светодиоды с λ=850 нм – дешевле, чем с λ=1300 нм. Длина кабеля уменьшается – затухание на волне 850 м более чем в два раза выше, чем на волне 1300 нм.

Одномодовый кабель – применяются излучатели, работающие на длине волны: 1300.

Увеличение минимального размера кадра с 64 до 512 байт. Разрешается также передавать несколько кадров подряд, не освобождая среду.

Технология Token Ring

Сеть Token Ring так же, как и Ethernet, предполагает использование разделяемой среды передачи данных, которая образуется объединением всех узлов в кольцо. Token Ring - стандарт локальных сетей, использующий разделяемую среду передачи данных, состоящую из отрезков кабеля, соединяющих все станции сети в кольцо.

Сети Token Ring работают с двумя битовыми скоростями - 4 и 16 Мбит/с.

Посланный кадр всегда возвращ в станцию - отправитель. Для контроля сети 1 из станций – актив монитор.

Маркерный метод доступа к разделяемой среде

Право на доступ к среде передается циклически от станции к станции в одну сторону по логическому кольцу с помощью кадра специального формата - маркера или токена (token).

Получив маркер, станция, имеющая данные для передачи, изымает его из кольца, добавляет свои данные и передает следующей станции. Кадр снабжен адресом назначения и адресом источника. Если кадр проходит через станцию назначения, то она копирует кадр в свой внутренний буфер и вставляет в кадр признак подтверждения приема. Станция-отправитель при обратном получении кадра с подтверждением приема изымает этот кадр из кольца и передает маркер другим станциям. Такой алгоритм применяется в сетях Token Ring со скоростью 4 Мбит/с.

Время удержания маркера (token holding time, 10 мс) – после его истечения станция обязана прекратить передачу собственных данных и передать маркер далее по кольцу. Станция может успеть передать за время удержания маркера один или несколько кадров.

В сетях Token Ring 16 Мбит/с используется алгоритм раннего освобождения маркера (Early Token Release). Станция передает маркер доступа следующей станции сразу же после окончания передачи последнего бита кадра, не дожидаясь возвращения по кольцу этого кадра с битом подтверждения приема. По кольцу одновременно продвигаются кадры нескольких станций, пропускная способность используется эффективнее. Свои кадры в каждый момент времени может генерировать только одна станция - владеющая маркером доступа.

Передающая станция может назначать кадрам различные приоритеты: от 0 до 7. Станция имеет право захватить переданный ей маркер только в том случае, если приоритет кадра, который она хочет передать, выше (или равен) приоритета маркера.

За наличие в сети маркера отвечает активный монитор. Если он не получает маркер в течение длительного времени (например, 2,6 с), то он порождает новый маркер.

кадр данных - состоит из следующих полей:

На практике хосты не обязательно соединяются по кругу, более того, конфигурация их соединения может иметь обычную топологию "звезда". Станции в кольцо объединяют с помощью концентраторов, выход предыдущей станции в кольце соединяется со входом последующей.

Сеть Token Ring может строиться на основе нескольких колец, разделенных мостами, маршрутизирующими кадры по принципу «от источника», для чего в кадр Token Ring добавляется специальное поле с маршрутом прохождения колец.

Token Ring более сложная технология, чем Ethernet. Обладает свойствами отказоустойчивости.

Token Ring использует до 75 % полосы пропускания, теоретический максимум использования у Ethernet составляет около 37 %.

Организация локальных сетей Token Ring стоит дороже из-за технологической сложности механизма эстафетной передачи маркера и использования сетевых карт, которые передают пакеты в упорядоченном режиме.

Стандарт Token Ring поддерживает экранированную и неэкранированную витую пару, оптоволоконный кабель. Максимальная длина кольца 4000 м. Максимальное количество узлов 260. Компания IBM предложила новую технологию High-Speed Token Ring, которая поддерживает скорости 100 и 155 Мбит/с и сохраняет основные особенности технологии Token Ring.

Технология FDDI

Технология FDDI (Fiber Distributed Data Interface) разрабатывается институтом ANSI, начиная с 80-х годов. В этой технологии в качестве физической среды передачи данных впервые предлагается оптоволоконный кабель. Имеется возможность использования неэкранированной витой пары.

Сеть FDDI состоит из двух колец для повышения отказоустойчивости. Данные передаются по первичному кольцу сети в одном направлении, по вторичному кольцу - в противоположном. В обычном режиме используется только первичное кольцо. В случае отказа, когда часть первичного кольца не может передавать данные (например, обрыв кабеля или отказ узла), происходит процесс сворачивания колец, при котором первичное кольцо объединяется с вторичным, образуя новое кольцо. При множественных отказах сеть распадается на несколько колец. В стандарте FDDI предусмотрено одновременное подключение узлов к первичному и вторичному кольцам и подключение только к первичному кольцу. Первое называется двойным подключением, а второе - одиночным. При обрыве узла с двойным подключением происходит автоматическое сворачивание колец. Сеть продолжает нормально функционировать. При обрыве узла с одиночным подключением сеть продолжает работать, но узел будет отрезан от сети.

Кольца сети FDDI являются разделяемой средой передачи данных, для доступа к которой применяется маркерный метод, аналогичный используемому в сетях Token Ring. Различия в некоторых деталях. Время удержания маркера является переменной величиной и зависит от степени загрузки сети. При небольшой загрузке сети время удержания маркера больше, при большой загрузке - уменьшается. Сеть FDDI поддерживает скорость 100 Мбит/с. Диаметр сети - 100 км. Макс количество узлов - 500. Однако стоимость реализации данной технологии значительна, поэтому область применения стандарта FDDI - магистрали сетей и крупные сети.

Все компьютеры в локальной сети соединены линиями связи. Геометрическое расположение линий связи относительно узлов сети и физическое подключение узлов к сети называется физической топологией. В зависимости от топологии различают сети: шинной, кольцевой, звездной, иерархической и произвольной структуры.

Различают физическую и логическую топологию. Логическая и физическая топологии сети независимы друг от друга. Физическая топология - это геометрия построения сети, а логическая топология определяет направления потоков данных между узлами сети и способы передачи данных.

В настоящее время в локальных сетях используются следующие физические топологии:

физическая "шина" (bus);

физическая “звезда” (star);

физическое “кольцо” (ring);

физическая "звезда" и логическое "кольцо" (Token Ring).

Полносвязная топология, Ячеистая топология, Общая шина, звезда, кольцо, смешанная

Шинная:

Данная топология применяется в локальных сетях с архитектурой Ethernet (классы 10Base-5 и 10Base-2 для толстого и тонкого коаксиального кабеля соответственно).

Преимущества сетей шинной топологии:

отказ 1 из узлов не влияет на работу сети в целом;

сеть легко настраивать и конфигурировать;

сеть устойчива к неисправностям отдельных узлов.

Недостатки сетей шинной топологии:

разрыв кабеля может повлиять на работу всей сети;

огранич длина кабеля и кол-во рабочих станций;

трудно определить дефекты соединений

Звезда:

Данные от передающей станции сети передаются через хаб по всем линиям связи всем ПК. Информация поступает на все рабочие станции, но принимается только теми станциями, которым она предназначается. Так как передача сигналов в топологии физ звезда является широковещательной, т.е. сигналы от ПК распространяются одновременно во все направления, то логич топология данной лок сети является логической шиной.

Данная топология применяется в локальных сетях с архитектурой 10Base-T Ethernet.

Преимущества сетей топологии звезда:

легко подключить новый ПК;

имеется возможность централизованного управления;

сеть устойчива к неисправностям отдельных ПК и к разрывам соединения отдельных ПК.

Недостатки сетей топологии звезда:

отказ хаба влияет на работу всей сети;

большой расход кабеля;

Кольцо

Принимающая рабочая станция распознает и получает только адресованное ей сообщение. В сети с топологией типа физическое кольцо используется маркерный доступ, который предоставляет станции право на использование кольца в определенном порядке. Логическая топология данной сети - логическое кольцо.

Данную сеть очень легко создавать и настраивать. К основному недостатку сетей топологии кольцо является то, что повреждение линии связи в одном месте или отказ ПК приводит к неработоспособности всей сети.

Как правило, в чистом виде топология “кольцо” не применяется из-за своей ненадёжности, поэтому на практике применяются различные модификации кольцевой топологии.

FDDI (Fiber Distributed Data Interface) — это стандарт, или, вернее, набор сетевых стандартов, ориентированных, прежде всего, на передачу данных по волоконно-оптическом белю со скоростью 100 Мбит/с. Подавляющая часть спецификаций стандарта FDDI была разработана проблемной группой ХЗТ9.5 (ANSI) во второй половине 80-х годов. FDDI стала вой ЛВС, использующей в качестве среды передачи оптическое волокно.

В настоящее время большинство сетевых технологий поддерживают волоконно-оптический интерфейс в качестве одного из вариантов физического уровня, но FDDI оста наиболее отработанной высокоскоростной технологией, стандарты на которую прошли проверку временем и устоялись, а оборудование различных производителей показывает хорошую степень совместимости.

При разработке технологии FDDI ставились в качестве наиболее приоритетных следующие цели:
— Повышение битовой скорости передачи данных до 100 Мбит/с;
— Повышение отказоустойчивости сети за счет стандартных процедур восстановления 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 с как для асинхронного, так и для синхронного графиков.

Технология FDDI во многом основывается на технологии Token Ring, развивая и совершенствуя ее основные идеи. У протокола FDDI есть и существенные отличия от Token Ring. Эти отличия связаны с требованиями, которые необходимы для поддержки большой скорости передачи информации, больших расстояний и возможности наряду с асинхронной передачи данных вести синхронную передачу. Два основных отличия в протоколах управления маркером у FDDI и IEEE 802.5 Token Ring следующие:
— в Token Ring станция, передающая кадры, удерживает маркер до тех пор, пока не получит все отправленные пакеты. В FDDI же станция выпускает маркер непосредственно окончанием передачи кадра (кадров);
— FDDI не использует приоритет и поля резервирования, которые Token Ring использует для выделения системных ресурсов.

В табл. 6.1. указаны основные характеристики сети FDDI.

Таблица 6.1. Основные характеристики сети FDDI

Cкорость передачи
Тип доступа к среде	маркерный
Максимальный размер кадра данных
Максимальное число станций
Максимальное расстояние между станциями	2 км (многомодовое волокно) 20 км* (одномодовое волокно) 100 м (неэкранированная витая пара UTP Cat.5) 100 м (экранированная витая пара IBM Туре 1)
Максимальная длина пути обхода маркера	200 км
Максимальная протяженность сети при кольцевой топологии (периметр)	100 км** (двойное кольцо FDDI)
	Оптическое волокно (многомодовое, одномодовое), витая пара (UTP Cat.5, IBM Type 1)

* Некоторые производители выпускают оборудование на расстояние передачи до 50 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.

Принцип действия

Классический вариант сети FDDI строится на основе двух волоконно-оптических колец (двойного кольца), световой сигнал по которым распространяется в противоположных направлениях, рис, 6.1 а. Каждый узел подключаются на прием и передачу к обоим кольцам. Именно такая кольцевая физическая топология реализует основной способ повышения отказоустойчивости сети. В нормальном режиме работы данные идут от станции к станции только по одному из колец, которое называется первичным (primary). Для определенности направление движения данных в первичном кольце задано 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.

Рис. 6.1. Двойное кольцо FDDI: а) нормальный режим работы; б) режим свернутого кольца (WRAP)

В случае возникновения какого-либо отказа в сети, 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. 6.1 б. Этот режим работы сети называется WRAP, то есть «свертывание» кольца, Операция свертывания производится двумя сетевыми устройствами, находящимися по обе стороны от источника 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 5 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. 6.2 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 ее физическими связями и направлением передачи информации. В классическом варианте это определяется 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. 6.2 б). После истечения времени ТНТ станция обязана завершить передачу своего очередного кадра и передать (отпустить) маркер последующей станции, рис. 6.2 в. В любой момент времени передавать информацию может только одна станция, а именно та, которая захватила маркер.

Рис. 6.2. Передача данных

Каждая станция сети читает адресные поля получаемых кадров. В том случае, когда собственный адрес станции — MAC адрес — отличен от поля адреса получателя, станция просто ретранслирует кадр дальше по кольцу, рис. 6.2 г. Если же собственный адрес станции совпадает с полем адреса получателя в принимаемом кадре, станция копирует в свой внутренний буфер данный 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. 6.2 д), предварительно проставив три признака в специальных полях кадра: распознавания адреса, копирования кадра и отсутствия или наличия в нем ошибок.

Далее кадры, транслируясь от узла к узлу, возвращаются к исходной станции, которая была их источником. Станция-источник для каждого кадра проверяет признаки кадра, дошел ли он до станции назначения и не был ли при этом поврежден, и если все нормально, ликвидирует это кадр (рис. 6.2 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 — это одно из наиболее эффективных решений. Благодаря этому реальная производительность кольца FDDI при большой загруженности достигает 95%. Для примера, производительность сети Ethernet (в рамках коллизионного домена) с ростом загруженности достигает 30% от пропускной способности.

Форматы маркера и кадра FDDI, процедура инициализации кольца, а также вопросы распределения ресурсов сети в нормальном режиме передачи данных рассмотрены в п. 6.7.

Составляющие уровни стандарта FDDI и основные функции, выполняемые этими уровнями, приведены на рис. 6.3.

Как и многие другие технологии локальных сетей, технология FDDI использует протокол 802.2 подуровня управления каналом данных (LLC), определенный в стандартах IEEE 802.2, и ISO 8802.2, FDDI использует первый тип процедур LLC, при котором узлы работают в дейта-граммном режиме — без установления соединений и без восстановления потерянных или поврежденных кадров.

Рис. 6.3. Составляющие стандарта FDDI

Первоначально (к 1988 году) стандартизованы были следующие уровни (наименования соответствующих документов ANSI / ISO для FDDI приведены в табл. 6.2):
— PMD (physical medium dependent) — нижний подуровень физического уровня. Его спецификации определяют требования к среде передачи (многомодовый волоконно-оптический кабель) 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 оптических волокнах.
— PHY (physical) — верхний подуровень физического уровня. Он определяет схему кодирования и декодирования данных между МАС-уровнем и уровнем PMD, схему синхронизации и специальные управляющие символы. В его спецификации 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. Этот уровень 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. Этот специальный всеобъемлющий уровень определяет: протоколы взаимодействия этого уровня

Технология Fiber Distributed Data Interface - первая технология локальных сетей, которая использовала в качестве среды передачи данных оптоволоконный кабель.

Попытки применения света в качестве среды, несущей информацию, предпринимались давно - еще в 1880 году Александр Белл запатентовал устройство, которое передавало речь на расстояние до 200 метров с помощью зеркала, вибрировавшего синхронно со звуковыми волнами и модулировавшего отраженный свет.

Работы по использованию света для передачи информации активизировались в 1960-е годы в связи с изобретением лазера, который мог обеспечить модуляцию света на очень высоких частотах, то есть создать широкополосный канал для передачи большого количества информации с высокой скоростью. Примерно в то же время появились оптические волокна, которые могли передавать свет в кабельных системах, подобно тому как медные провода передают электрические сигналы в традиционных кабелях. Однако потери света в этих волокнах были слишком велики, чтобы они могли быть использованы как альтернатива медным жилам. Недорогие оптические волокна, обеспечивающие низкие потери мощности светового сигнала и широкую полосу пропускания (до нескольких ГГц) появились только в 1970-е годы. В начале 1980-х годов началось промышленная установка и эксплуатация оптоволоконных каналов связи для территориальных телекоммуникационных систем.

В 1980-е годы начались также работы по созданию стандартных технологий и устройств для использования оптоволокнных каналов в локальных сетях. Работы по обобщению опыта и разработке первого оптоволоконного стандарта для локальных сетей были сосредоточены в Американском Национальном Институте по Стандартизации - ANSI, в рамках созданного для этой цели комитета X3T9.5.

Начальные версии различных составляющих частей стандарта FDDI были разработаны комитетом Х3Т9.5 в 1986 - 1988 годах, и тогда же появилось первое оборудование - сетевые адаптеры, концентраторы, мосты и маршрутизаторы, поддерживающие этот стандарт.

В настоящее время большинство сетевых технологий поддерживают оптоволоконные кабели в качестве одного из вариантов физического уровня, но FDDI остается наиболее отработанной высокоскоростной технологией, стандарты на которую прошли проверку временем и устоялись, так что оборудование различных производителей показывает хорошую степень совместимости

Основы технологии FDDI

Технология FDDI во многом основывается на технологии Token Ring, развивая и совершенствуя ее основные идеи. Разработчики технологии FDDI ставили перед собой в качестве наиболее приоритетных следующие цели:

Повысить битовую скорость передачи данных до 100 Мб/с;
Повысить отказоустойчивость сети за счет стандартных процедур восстановления ее после отказов различного рода - повреждения кабеля, некорректной работы узла, концентратора, возникновения высокого уровня помех на линии и т.п.;
Максимально эффективно использовать потенциальную пропускную способность сети как для асинхронного, так и для синхронного трафиков.

Сеть FDDI строится на основе двух оптоволоконных колец, которые образуют основной и резервный пути передачи данных между узлами сети. Использование двух колец - это основной способ повышения отказоустойчивости в сети FDDI, и узлы, которые хотят им воспользоваться, должны быть подключены к обоим кольцам. В нормальном режиме работы сети данные проходят через все узлы и все участки кабеля первичного (Primary) кольца, поэтому этот режим назван режимом Thru - "сквозным" или "транзитным". Вторичное кольцо (Secondary) в этом режиме не используется.

В случае какого-либо вида отказа, когда часть первичного кольца не может передавать данные (например, обрыв кабеля или отказ узла), первичное кольцо объединяется со вторичным (рисунок 2.1), образуя вновь единое кольцо. Этот режим работы сети называется Wrap , то есть "свертывание" или "сворачивание" колец. Операция свертывания производится силами концентраторов и/или сетевых адаптеров FDDI. Для упрощения этой процедуры данные по первичному кольцу всегда передаются против часовой стрелки, а по вторичному - по часовой. Поэтому при образовании общего кольца из двух колец передатчики станций по-прежнему остаются подключенными к приемникам соседних станций, что позволяет правильно передавать и принимать информацию соседними станциями.

В стандартах FDDI отводится много внимания различным процедурам, которые позволяют определить наличие отказа в сети, а затем произвести необходимую реконфигурацию. Сеть FDDI может полностью восстанавливать свою работоспособность в случае единичных отказов ее элементов. При множественных отказах сеть распадается на несколько не связанных сетей.

Рис. 2.1. Реконфигурация колец FDDI при отказе

Кольца в сетях FDDI рассматриваются как общая разделяемая среда передачи данных, поэтому для нее определен специальный метод доступа. Этот метод очень близок к методу доступа сетей Token Ring и также называется методом маркерного (или токенного) кольца - token ring (рисунок 2.2, а).

Станция может начать передачу своих собственных кадров данных только в том случае, если она получила от предыдущей станции специальный кадр - токен доступа (рисунок 2.2, б). После этого она может передавать свои кадры, если они у нее имеются, в течение времени, называемого временем удержания токена - Token Holding Time (THT). После истечения времени THT станция обязана завершить передачу своего очередного кадра и передать токен доступа следующей станции. Если же в момент принятия токена у станции нет кадров для передачи по сети, то она немедленно транслирует токен следующей станции. В сети FDDI у каждой станции есть предшествующий сосед (upstream neighbor) и последующий сосед (downstream neighbor), определяемые ее физическими связями и направлением передачи информации.

Рис. 2.2. Обработка кадров станциями кольца FDDI

Каждая станция в сети постоянно принимает передаваемые ей предшествующим соседом кадры и анализирует их адрес назначения. Если адрес назначения не совпадает с ее собственным, то она транслирует кадр своему последующему соседу. Этот случай приведен на рисунке (рисунок 2.2, в). Нужно отметить, что, если станция захватила токен и передает свои собственные кадры, то на протяжении этого периода времени она не транслирует приходящие кадры, а удаляет их из сети.

Если же адрес кадра совпадает с адресом станции, то она копирует кадр в свой внутренний буфер, проверяет его корректность (в основном по контрольной сумме), передает его поле данных для последующей обработки протоколу лежащего выше над FDDI уровня (например, IP), а затем передает исходный кадр по сети последующей станции (рисунок 2.2, г). В передаваемом в сеть кадре станция назначения отмечает три признака: распознавания адреса, копирования кадра и отсутствия или наличия в нем ошибок.

После этого кадр продолжает путешествовать по сети, транслируясь каждым узлом. Станция, являющаяся источником кадра для сети, ответственна за то, чтобы удалить кадр из сети, после того, как он, совершив полный оборот, вновь дойдет до нее (рисунок 2.2, д). При этом исходная станция проверяет признаки кадра, дошел ли он до станции назначения и не был ли при этом поврежден. Процесс восстановления информационных кадров не входит в обязанности протокола FDDI, этим должны заниматься протоколы более высоких уровней.

На рисунке 2.3 приведена структура протоколов технологии FDDI в сравнении с семиуровневой моделью OSI. FDDI определяет протокол физического уровня и протокол подуровня доступа к среде (MAC) канального уровня. Как и многие другие технологии локальных сетей, технология FDDI использует протокол 802.2 подуровня управления каналом данных (LLC), определенный в стандартах IEEE 802.2 и ISO 8802.2. FDDI использует первый тип процедур LLC, при котором узлы работают в дейтаграммном режиме - без установления соединений и без восстановления потерянных или поврежденных кадров.

Рис. 2.3. Структура протоколов технологии FDDI

Физический уровень разделен на два подуровня: независимый от среды подуровень PHY (Physical), и зависящий от среды подуровень PMD (Physical Media Dependent). Работу всех уровней контролирует протокол управления станцией SMT (Station Management).

Уровень PMD обеспечивает необходимые средства для передачи данных от одной станции к другой по оптоволокну. В его спецификации определяются:

Требования к мощности оптических сигналов и к многомодовому оптоволоконному кабелю 62.5/125 мкм;
Требования к оптическим обходным переключателям (optical bypass switches) и оптическим приемопередатчикам;
Параметры оптических разъемов MIC (Media Interface Connector), их маркировка;
Длина волны в 1300 нанометров, на которой работают приемопередатчики;
Представление сигналов в оптических волокнах в соответствии с методом NRZI.

Спецификация TP-PMD определяет возможность передачи данных между станциями по витой паре в соответствии с методом MLT-3. Спецификации уровней PMD и TP-PMD уже были рассмотрены в разделах, посвященных технологии Fast Ethernet.

Уровень PHY выполняет кодирование и декодирование данных, циркулирующих между MAC-уровнем и уровнем PMD, а также обеспечивает тактирование информационных сигналов. В его спецификации определяются:

кодирование информации в соответствии со схемой 4B/5B;
правила тактирования сигналов;
требования к стабильности тактовой частоты 125 МГц;
правила преобразования информации из параллельной формы в последовательную.

Уровень MAC ответственен за управление доступом к сети, а также за прием и обработку кадров данных. В нем определены следующие параметры.