Маркерный доступ в кольцевой сети

Вы исследуете этот метод доступа и регламентирующий его протокол в лабораторной работе № 3 самостоятельно. На лекции мы пройдем лишь основные его особенности.

В кольцевой сети маркерный доступ реализуется следующим образом (рис. 5.2 ^{КН, стр. 8}).

При кольцевой топологии все станции физически соединены в единое кольцо и имеют свои локальные адреса (номера). Сообщения циркулируют в сети, по очереди переходя от одной станции к другой. Очередность станций определяется местом их нахождения в кольце. При маркерном методе доступа в такой сети циркулирует маркер. Это специальное сообщение генерируется либо одной выделенной станцией, называемой активным монитором, либо любой станцией, выигравшей соревнование на право быть активным монитором. Активный монитор не только генерирует маркер, но он также следит за корректным функционированием всей сети.

Итак, если у станции в кольце имеются данные, которые необходимо передать, она вынуждена ждать до тех пор, пока предшествующая станция не вышлет ей маркер (рис. 5.2, а).

Когда станция получает маркер, она, из-за особенностей топологии, на время удаляет его из кольца, помещает в приемный регистр и анализирует в специальном блоке его поля. Данных, которые необходимо передать, содержаться в буфере. Если принятый маркер предназначен не этой станции, то станция посылает его дальше по кольцу (рис. 5.2,б).

Если маркер предназначен этой станции, то станция изменяет не-

которые начальные поля маркера, вставляет после них данные для передачи и сформированные поля, завершающие кадр. Получившийся в передающем регистре кадр представляет собой уже кадр данных, который передается в сеть путем последовательного включения в кольцо передающего регистра (рис. 5.2, в).

Далее передающий регистр отключается от кольца, а станция ожидает возвращения отправленного им кадра. Первый же кадр, получаемый на приемной стороне, должен при нормальных условиях быть отправленным кадром. Поэтому первый полученный кадр считывается в приемный регистр для анализа (рис. 5.2, д). Затем станция формирует кадр маркера для следующей стации и передает его в кольцо. Принятый кадр данных (свой собственный) в сеть не передается и считается удаленным из кольца. После этого восстанавливается обычная цепь кольца.

Таким образом, поступающий в некоторую станцию поток данных всегда начинается кадром, отправленным этой же станцией. Любая станция сети ответственна за удаление своих кадров из кольца.

Нештатные ситуации в кольце с курсирующим маркером возникают при условии:

1) если маркер теряется;

2) если отправитель не удаляет свой кадр из кольца;

3) если произошло дублирование маркера.

Первая ситуация может возникнуть в том случае, когда маркер удален какой-то станцией, передающей информацию, а затем не восстановлен по причине аппаратного сбоя, или маркер был поврежден и нераспознаваем.

Вторая ситуация возникает, когда произошла ошибка в станции-отправителе и поток поступающей информации не был отправлен в приемный буфер. Для устранения обоих ситуаций используется активный монитор, который генерирует для первого случая новый маркер, а для второго случая удаляет циркулирующий кадр из кольца.

Третья ситуация возможна, когда несколько станций генерируют новые маркеры одновременно. Эта проблема решается, если каждая из станций, передающих кадр, всегда будет уничтожать первые кадры, поступившие к ней из кольца, кроме своего кадра.

Метод маркерного доступа применяется в таких современных кольцевых сетях, как Token Ring, FDDI и 100VG-AnyLan. Сеть 100VG-AnyLan является разновидностью сети Fast Ethernet и для нее существует также стандарт с шинной топологией и маркерным методом доступа.

Про этот метод доступа прочитать в лабораторном практикуме.

 

Сеть Token Ring

Стандартную конфигурацию сети Token Ring Вы рассмотрели в лабораторной работе № 3 лабораторного практикума "Сети ЭВМ и распределенная обработка информации".

В первоначальном варианте этой сети в качестве моноканала использовалась экранированная и неэкранированная витая пара. Сейчас создана аппаратура для коаксиального и оптоволоконного кабелей.

Для увеличения скорости передачи в настоящее время кроме стандартного одно-маркерного доступа используется много маркерный доступ, а также вариант, при котором станция сразу после отправки кадра данных отправляет кадр маркера, не дожидаясь, когда ее кадр данных прейдет к ней для удаления после полного обхода кольца.

Для повышения надежности сети используют звездно-кольцевую топологию с переключающимися концентраторами (рис. 5.3). При появлении неисправности в какой-либо линии передачи или станции сети концентратор отключает от сети соответствующую дугу.

Конструктивно концентратор (8228 MAU) представляет собой автономный блок с восемью разъемами для подключения компьютеров с помощью адаптерных кабелей и двумя (крайними) разъемами для подключения к другим концентраторам с помощью магистральных кабелей (рис. 8.10 ^{КН, стр. 15}).

Сложное кольцо может иметь не только несколько переключающих концентраторов, но также содержать ретрансляционные системы, которые соединяют кольцо с другими локальными сетями.

Станции подключаются к сети при помощи специальных двух входных сетевых адаптеров. Адаптеры Token Ring представляют собой платы расширения компьютера и ориентированы на системные шины ISA, EISA или PCI. Для присоединения адаптерного кабеля адаптер имеет внешний 9-контактный разъем типа DIN. Также как и адаптеры Ethernet, адаптеры Token Ring имеют на своей плате переключатели или перемычки для настройки адресов и прерываний.

Для сети Token Ring на неэкранированной витой паре определены следующие ограничения:

1) максимальное число концентраторов типа IBM 8228 MAU - 12;

2) максимальное количество абонентов сети – 96;

3) максимальная длина кабеля между ПЭВМ и концентратором, а также между концентраторами – 45 м;

4) максимальная длина кабеля, соединяющего все концентраторы – 120 м;

5) скорость передачи данных – 4 Мбит/с и 16 Мбит/с.

Про сеть Token Ring прочитать в распечатке (6 стр.).

Сеть FDDI

Сеть FDDI – это ЛВС кольцевой структуры, использующая волоконно-оптические линии передачи и специфический вариант маркерного метода доступа. Данная сеть предназначена для использования в следующих областях: организация взаимодействия высокопроизводительных ЭВМ между собой и с периферийными устройствами; применение в качестве магистральной высокоскоростной сети, к которой через мосты подключаются низкоскоростные ЛВС; автоматизация учреждений и промышленных предприятий.

Основными различиями стандарта FDDI и IEEE 802.5 (Token Ring) являются:

- использование волоконно-оптического кабеля вместо коаксиального;

- скорость передачи по каждому кольцу 100 Мбит/с;

- отсутствие главного узла, выполняющего мониторные функции;

- использование приоритетной схемы доступа, основанной на протоколе временного обращения маркера;

- наличие двойного кольца, позволяющего повысить живучесть сети.

В сети FDDI используется дуплексный волоконно-оптический кабель. Для кодирования сигналов используется групповой код “четыре из пяти” (4В/5В), в котором каждая группа из четырех бит преобразуется в 5-битовый код для выдачи в канал так, что не может быть более двух нулей подряд или после 4 бит добавляется еще один обязательный перепад. Данный код снижает эффективную скорость передачи всего на 20% (для сравнения: манчестерский код снижает эффективную скорость на 50%).

Метод синхронизации сигналов, принятый в FDDI, ограничивает максимальную длину кадра размером 4500 байт, но при получении станцией права на доступ к среде может быть передано более одного кадра. Если пакет предназначен станции, подключенной к сети Ethernet с помощью оптоволоконного кольца, то его размер не будет превышать 1516 байт, т.е. максимального размера пакета для сети Ethernet.

Для повышения надежности в сети используются два кольца, передающие информацию в противоположные стороны. Пример топологии FDDI представлен на рис. 8.11 ^{КН, стр. 16}.

Одно из колец может быть как запасным, так и использоваться для передачи информации. Станции, имеющие повышенные требования к надежности подключения (станции типа А), подключаются непосредственно к двум кольцам FDDI.

Высокая надежность обеспечивается применением обходных переключателей, позволяющих отключать неисправную станцию (рис. 8.11), и соединителей, реализующих непосредственное подключение к двум кольцам. Для такого подключения требуется два дуплексных волоконно-оптических кабеля.

Для станций, имеющих пониженные требования по надежности (станции типа В), можно организовать их подключение к FDDI с использованием только одного дуплексного кабеля. Для этого применяются концентраторы, обеспечивающие подключение нескольких станций типа В к двум кольцам с использованием обходных переключателей и соединителей. В случае обрыва одного из колец происходит автоматическая реконфигурация сети таким образом, что получается одно кольцо в 2 раза длиннее, соединяющее все станции. Если оборвалось кольцо, связывающее станцию типа В с сетью, то эта станция будет отключена от кольца (рис. 8.11, б,в).

Станции типа А образуют физическое кольцо, а станции типа В – логическое кольцо. Физическое кольцо ЛВС можно составить только из станций типа А.

Порты сетевых устройств, подключаемых к FDDI, условно делятся на четыре категории: А-порты, В-порты, М-порты и S-порты. Порт А принимает данные из первичного кольца и передает их во вторичное кольцо. Порт В принимает данные из вторичного кольца и передает их в первичное кольцо. Порты М и S способны принимать и передавать данные только с одного и того же кольца. М-порт используется в концентраторе для подключения рабочих станций типа В через их S-порты.

Если соединили порты S - S – это не корректная ситуация, т.е. две станции типа В соединять нельзя. Правильность соединения портов проверяется при инициализации сети центральной системой.

Для сети FDDI обеспечивается подключение до 500 станций типа А на расстояние до 100 км между крайними узлами. Расстояние между соседними станциями при использовании многомодового волоконно-оптического кабеля не должно превышать 2 км. При использовании одномодового кабеля это расстояние определяется параметрами самого волокна и приемопередающего оборудования и может достигать 60 км. В этом случае в качестве передатчика используется лазерный светодиод.

В соответствии с методом FDDI по кольцу циркулирует кадр маркера или кадр данных (рис. 5.4). Любая станция, готовая к передаче, распознав проходящий через нее маркер, формирует кадр данных, вписывая свой кадр в конец пакета. Она же ликвидирует его после того, как кадр вернется к ней после оборота по кольцу и при условии, что он был воспринят получателем.

Каждая станция может некоторое время удерживать переданный ей маркер (как в сети Arcnet), в течение которого она может передать несколько информационных кадров. По истечении этого времени станция обязана выдать маркер в кольцо.

Основным отличием протокола FDDI от IEEE 802.5 является стратегия передачи маркера. В случае FDDI маркер передается сразу после посылки последнего пакета, не дожидаясь удаления собственных посланных кадров, а в случае IEEE 802.5 станция высылает маркер только после возвращения по кольцу первого посланного пакета.

Формат кадра подуровня УДС. Формат кадра для сети FDDI очень похож на формат кадра сети Token Ring. Принципы формирования кадра маркера и кадра данных для этих сетей также совпадают.

Кадр маркера состоит из четырех полей, а кадр данных – из девяти (рис. 5.4). Передача пакета начинается посылкой управляющих символов (УС), отделяющих в общем потоке кадры друг от друга. Поскольку в сети используется посимвольная передача, где один символ равен 5-ти битам, то управляющие символы предназначены для установления посимвольной синхронизации приемника. Управляющие символы должны состоять как минимум из 16 битовых комбинаций «11111». Каждая станция должна нормально принимать кадры с преамбулой, состоящей из 12 и более управляющих символов.

За управляющими символами следует начальный (НО), а в конце кадра – концевой (КО) ограничители. В поле управления кадром (УК) записывается тип передаваемого кадра и режим передачи (синхронный или асинхронный). Контрольная последовательность кадра (КПК) рассчитывается аналогично КПК любой ЛВС методом полиномиального деления управляющего поля, адресных полей и поля данных. Завершается кадр полем состояния кадра (СК), которое состоит из 20 или более бит. В этом поле указываются обнаруженные ошибки в принятом кадре, а также идентифицированы ли адреса, указанные в соответствующих полях передаваемого кадра.

Существуют два стандарта для этой сети: FDDI-I и FDDI-II.

Стандарт FDDI-I предназначен в основном для передачи данных и поддерживает коммутацию пакетов. Стандарт FDDI-II предназначен для использования сети FDDI в интегральных сетях передачи данных, речи и видеоизображения. Для улучшения характеристик передачи в этот стандарт дополнительно был включен режим коммутации логических каналов.

В первом стандарте определены два класса услуг протокола: синхронные и асинхронные.

Особенность передачи в сети FDDI заключается в том, что там нет резервирования приоритетов кадра, зато есть два режима работы: синхронный и асинхронный. Режим работы может меняться в любой момент времени и зависит это от типа передаваемого кадра. Если кадр синхронный, то его нужно передавать мелкими порциями, но часто. Это характерно для систем реального времени. Асинхронные кадры передаются большими порциями, но редко.

Синхронный режим работы. Все станции в сети изначально договариваются о времени максимального обхода маркером кольца (счетчик TTR). При инициализации сети каждая станция предлагает свое время TTR, но выбирается одинаковое для всех – минимальное из всех предложенных. Каждая станция может передавать только определенный промежуток времени τ, захватив маркер. Величина τ зависит от TTR и от числа станций М и рассчитывается как

τ= TTR/М.

Станция, получающая маркер, может передавать данные не больше времени τ, причем это время соизмеримо и кратно среднему времени передачи одного кадра FDDI размером 4500 байт, т.к. нельзя передать только часть кадра, а время τ уже закончилось.

Предположим, что в кольце 5 станций и все они, кроме последней, передают кадры ровно отведенное время τ. У пятой станции нет столько данных для передачи, поэтому она передает их за меньшее время, а оставшийся резерв времени никак не используется.

 

Асинхронный режим работы. При асинхронном режиме передачи каждая станция отслеживает еще один счетчик – это реальное время обхода маркером кольца (TTRT или T_Opr). Если станции придет маркер за время меньше чем TTR, то у станции есть время для передачи дополнительных кадров и это дополнительное время рассчитывается как

∆= TTR – TTRT.

За счет этого пропускная способность сети увеличивается.

 

Если маркер пришел с запозданием (когда кольцо перегружено), т.е. TTRT > TTR, то станция не имеет право для передачи. В этом случае маркер делает холостой ход по кольцу и передача возобновляется.

Существует два основных способа подключения рабочих станций к сети FDDI: непосредственное подключение и подключение через мосты или маршрутизаторы к сетям с другими сетевыми протоколами.

Непосредственное подключение используется для подключения сетевого оборудования, предоставляющего свои услуги многим пользователям и требующего высоких скоростей обмена. К таким устройствам относятся различные серверы, высокопроизводительные вычислительные машины и др. Для непосредственного подключения ПЭВМ используют дорогие специализированные сетевые адаптеры, которые вставляются в один из свободных слотов ПЭВМ.

При подключении через мосты и маршрутизаторы оптоволоконный кабель образует канальные сегменты (см. рис. 8.7 ^{КН, стр. 14} – расширение сети Ethernet). В этом случае общая скорость передачи в сети естественно снижается за счет ретрансляции сигналов между FDDI и другими сегментами сети. На рис. 5.5 показано объединение трех сетей Ethernet при помощи кольца FDDI.

В качестве устройств сопряжения физической среды передачи данных с ЭВМ используются специальные преобразователи цифровых данных в оптические сигналы и наоборот, называемые мульдемами. Структура этого устройства будет рассмотрена вкратце на одной из следующих лекций.