Gigabit Ethernet на витой паре категории 5

 

Каждая пара кабеля категории 5 имеет гарантированную полосу пропускания до 100 МГц. Для передачи по такому кабелю данных со скоростью 1000 Мбит/с было решено организовать параллельную передачу одновременно по всем 4 парам кабеля.

Это сразу уменьшило скорость передачи данных по каждой паре до 250 Мбит/с. Однако и для такой скорости необходимо было придумать метод кодирования, который имел бы спектр не выше 100 МГц.

Для кодирования данных был применен код РАМ5, использующий 5 уровней потенциала: -2, -1,0, +1, +2. Поэтому за один такт по одной паре передается 2,322 бит информации. Следовательно, тактовую частоту вместо 250 МГц можно снизить до 125 МГц. При этом если использовать не все коды, а передавать 8 бит за такт (по 4 парам), то выдерживается требуемая скорость передачи в 1000 Мбит/с и еще остается запас неиспользуемых кодов, так как код РАМ5 содержит 5⁴ = 625 комбинаций, а если передавать за один такт по всем четырем парам 8 бит данных, то для этого требуется всего 2⁸ = 256 комбинаций. Оставшиеся комбинации приемник может использовать для контроля принимаемой информации и выделения правильных комбинаций на фоне шума.

Для организации дуплексного режима разработчик спецификации 802.3ab применили технику выделения принимаемого сигнала из суммарного. Два передатчика работают навстречу друг другу по каждой из 4-х пар в одном и том же диапазоне частот. Н-образная схема гибридной развязки позволяет приемнику и передатчику одного и того же узла использовать одновременно витую пару и для приема и для передачи.

Для отделения принимаемого сигнала от своего собственного приемник вычитает из результирующего сигнала известный ему свой сигнал. Естественно, что это не простая операция и для ее выполнения используются специальные цифровые сигнальные процессоры - DSP (Digital Signal Processor).

 

Технология Token Ring

 

Технология Token Ring (маркерное кольцо) была разработана фирмой IBM в конце 1970-х годов. Сети Token Ring могут работать на одной из двух битовых скоростей: 4 Мбит/с (IEEE 802.5) или 16 Мбит/с (IEEE 802.5r). В одном кольце могут присутствовать только станции, работающие на одной скорости.

Token Ring определяет логическую топологию “кольцо”: каждая станция связана с двумя соседними. Физически же станции соединяются в звездообразную сеть, в центре которой находится устройство многостанционного доступа (MSAU, Multi-Station Access Unit), по сути представляющее собой повторитель. Как правило, MSAU умеет исключать неработающую станцию из кольца. MSAU имеют также отдельные разъемы для объединения нескольких MSAU в одно большое кольцо. Максимальное количество станций в кольце – 260. Максимальная длина кольца Token Ring составляет 4000 м.

Token Ring – это наиболее распространенная технология локальной сети с передачей маркера. В таких сетях циркулирует специальный блок данных – маркер (token). Станция, принявшая маркер, имеет право передавать свои данные. Для этого она изменяет в маркере один бит (“маркер занят”), добавляет к нему свои данные и передает в сеть (следующей станции). Станции передают такой кадр дальше по кольцу, пока не достигнет получателя, который скопирует из него данные и передаст дальше. Когда отправитель получает свой кадр с данными совершивший полный круг, он его отбрасывает и либо передает новый кадр данных (если не истекло максимальное время владения маркером), либо изменяет бит занятости маркера на “свободен” и передает маркер дальше по кольцу.

В течение всего времени обладания маркером, до и после передачи своего кадра, станция должна выдавать заполняющую последовательность (fill sequence) – произвольную последовательность 0 и 1. Это делается для поддержания синхронизации и контроля за обрывом кольца.

Основной режим работы адаптера – повторение: передатчик побитно выдает данные, поступившие к приемнику. Когда у станции есть кадр для передачи и принят свободный маркер, станция переходит в режим передачи, при этом поступающий через приемник битовый поток анализируется на служебные кадры и либо (если обнаружен служебный кадр) инициируется прерывание (прекращение передачи своего кадра и выдача кадра прерывания), либо принятые данные отбрасываются.

В сетях Token Ring 4 Мбит/c станция освобождала маркер только после возвращения ее кадра данных. Сети Token Ring 16 Мбит/c используют алгоритм раннего освобождения маркера (Early Token Release): маркер передается в кольцо сразу по окончании передачи кадра данных. При этом по кольцу одновременно передается несколько кадров данных, но генерировать их в каждый момент времени может только одна станция – владеющая в этот момент маркером.

За правильной работой сети следит активный монитор (Active Monitor, AM), выбираемый во время инициализации кольца как станция с максимальным MAC-адресом. В случае отказа активного монитора, проводятся выборы нового. Основная функция активного монитора – контроль наличия единственного маркера в кольце. Монитор выпускает в кольцо маркер и удаляет кадры, прошедшие больше одного оборота по кольцу. Чтобы сообщить другим станциям о себе, активный монитор периодически передает служебный кадр AMP. Если за некоторое время (достаточное для оборота маркера по кольцу) маркер не вернется к активному монитору, маркер считается утерянным, и активный монитор генерирует новый маркер.

На режим передачи кадров влияют определенные в стандарте максимальные интервалы времени, за соблюдением которых следят специальные таймеры в сетевых адаптерах (приведены значения по умолчанию, администратор сети может их изменять):

- время удержания маркера (Token Holding, THT) – 8,9 мс; по истечении этого интервала станция должна прекратить передачу своих данных (текущий кадр можно передать) и освободить маркер, за время удержания маркера станция может передать несколько (небольших) кадров;

- допустимое время передачи кадра (Valid Transmission, TVX) – 10 мс, максимальное время, в которое должна уложиться передача одного кадра, контролируется активным монитором;

- время ожидания свободного маркера (No Token, TNT) – 2,6 с; время ожидания свободного маркера активным монитором; если за это время маркер не появится, активный монитор выполняет очистку кольца и генерирует новый маркер;

- период посылки AMP (Active Monitor, TAM) – 7 с;

- время ожидания AMP (Standby Monitor Detect AMP, TSM) – 16 с; если за этот интервал не было ни одного кадра AMP, инициируются выборы нового активного монитора.

Token Ring определяет три типа кадров: маркер, кадр данных (служебных или пользовательских) и прерывание.

Маркер

Поле	SD	AC	ED
Длина (байт)

 

 

Кадр данных

Поле	SD	AC	FC	DA	SA	RI	Info	FCS	ED	FS
Длина (байт)						≥0	≥0

 

Прерывание

Поле	SD	ED
Длина (байт)

 

Рис. 4.3 Форматы кадров Token Ring

 

Поле SD (Starting Delimiter, начальный ограничитель) указывает на начало кадра и имеет значение JK0JK000 в манчестерском коде. Поскольку в поле присутствуют специальные коды J и K, последовательность данных нельзя спутать с ограничителем кадра.

Поле ED (Ending Delimiter, конечный ограничитель) имеет значение JK1JK1IE, где бит I (Intermediate, промежуточный) указывает, является ли кадр промежуточным в последовательности кадров (I=1) или последним/единственным (I=0), а бит E (Error, ошибка) указывает на обнаруженную ошибку (E=1).

Поле AC (Access Control, управление доступом) имеет формат PPPTMRRR, где биты PPP (Priority, приоритет) содержат приоритет маркера, бит T (Token, маркер) отличает свободный маркер (T=1) от кадра данных (T=0), бит M (Monitor, монитор) используется для распознавания кадров, совершивших более одного оборота по кольцу: монитор устанавливает M=1 во всех проходящих через него кадрах (остальные станции устанавливают M=0), а кадры с M=1 должен удаляться монитором. Биты RRR (Priority reservation, резервирование) несут приоритет станции, желающей захватить маркер.

Поле FC (Frame Control, управление кадром) имеет формат FFZZZZZZ. Биты FF определяют тип кадра:

- 00 – кадр данных со служебной информацией (MAC-кадр)

- 01 – кадр данных пользователя (LLC-кадр)

- 10, 11 – резерв.

Биты ZZZZZZ используются LLC-кадрами для хранения информации о приоритете кадра уровня LLC. MAC-кадры в этих битах хранят свой тип. IEEE 802.5 определяет 25 типов MAC-кадров, среди которых основные:

- CT (Claim Token, заявка на создание маркера) – отправляется резервным монитором при подозрении об отказе активного монитора;

- DAT (Duplicate Address Test, тест на дублирование адреса) – отправляется станцией при подключении к кольцу для проверки уникальности своего адреса;

- AMP (Active Monitor Present, присутствует активный монитор) – регулярно (раз в 7 с) отправляется активным монитором для подтверждения своего присутствия;

- SMP (Standby Monitor Present, присутствует резервный монитор) – ответ на кадр AMP;

- BCN (Beacon, бакен) – отправляется станцией, обнаружившей сетевую проблему (тишину или нескончаемый поток, что может указывать на обрыв кабеля, наличие неисправного адаптера у одной из станций и т.п.);

- PRG (Purge, очистка) – сигнал от активного монитора об очистке кольца от всех кадров.

Поле DA (Destination Address, адрес назначения) имеет структуру, подобную структуре адреса в стандарте IEEE 802.3. Старший бит адреса определяет получателя: 0 – индивидуальный (одна станция), 1 – групповой. Второй бит адреса определяет способ назначения адреса: 0 – глобально (универсально, зашито в ПЗУ адаптера), 1 – локально. Остальные биты используются для указания адреса станции, кольца или группы получателей. Несколько адресов зарезервировано для служебных целей:

FF FF FF FF FF FF – широковещательный кадр (всем станциям)

C0 00 FF FF FF FF – широковещательный MAC-кадр

C0 00 00 00 00 01 – активный монитор

C0 00 00 00 00 02 – сервер параметров кольца

C0 00 00 00 00 08 – монитор ошибок кольца

C0 00 00 00 00 10 – сервер отчетов о конфигурации

C0 00 00 00 01 00 – мост

C0 00 00 00 20 00 – управление сетью.

Поле SA (Source Address, адрес источника) имеет тот же формат, что и адрес назначения, за исключением старшего бита. В адресе источника старший бит называется RII (Routing Information Indicator) и указывает (если RII=1) на наличие данных в поле RI.

Поле RI (Routing Information, маршрутная информация), если используется (RII=1), содержит последовательность (двухбайтных) адресов сегментов на пути к получателю. Данные этого поля управляют работой мостов в режиме маршрутизации от источника.

Поле Info содержит либо данные пользователя (кадр LLC), либо служебные данные, определяемые типом кадра (кадр MAC). Стандарт не ограничивает размер этого поля, хотя практически его максимальный размер определяется соотношением времен передачи кадра и удержания маркера. Для 4 Мбит/с максимальный размер кадра обычно устанавливается в 4 Кбайт, а для 16 Мбит/с – в 16 Кбайт. Минимальный размер поля данных не определен.

Поле FCS (Frame Check Sequence, контрольная сумма) хранит 4-байтный CRC-код для всех полей с FC по Info включительно.

Поле FS (Frame Status, статус кадра) имеет формат AСrrACrr. Биты rr зарезервированы и не используются, остальные биты дублируются для надежности. Бит A (Address Recognized, адрес распознан) указывает на то, что получатель кадра присутствует в кольце, а бит C (Frame Copied, кадр скопирован) указывает на то, что приемник скопировал кадр себе в буфер. По этим полям станция-отправитель может узнать, что переданный ею кадр был получен.

Сети Token Ring гарантируют, что каждая станция будет получать право на передачу данных не реже, чем раз в установленный интервал времени. Кроме того, используется система приоритетов, позволяющая некоторым станциям пользоваться сетью чаще других. Для этого в кадре Token Ring выделено два поля: поле приоритета и поле резервирования. Всего уровней приоритета восемь: от низшего (0) до высшего (7). Маркер тоже всегда имеет некоторый уровень приоритета. Станция может захватить маркер только в том случае, если приоритет кадра, который она собирается передать, не ниже приоритета маркера (битов PPP поля AC).

Станция, захватившая маркер, сохраняет старое значение его приоритета, записывает в него приоритет своего кадра и обнуляет поле резервирования. Если в кольце есть станция, желающая передать кадр с более высоким приоритетом, то она записывает приоритет своего кадра в поле резервирования проходящего по кольцу кадра, в результате чего после оборота по кольцу в поле резервирования будет записан максимальный приоритет из кадров, ожидающих передачи. Тогда станция переписывает приоритет из поля резервирования в поле приоритета маркера и выдает свободный маркер в кольцо (захватить такой маркер сможет только станция с кадром указанного приоритета).

Станция, повышающая приоритет маркера, становится запоминающей станцией (stacking station) и организует стек для хранения еще не обслуженных низких приоритетов. Когда через такую станцию проходит свободный маркер с приоритетом, равным приоритету на верхушке стека, она извлекает следующее значение из стека и понижает приоритет маркера до него.

Механизм приоритетов в сетях Token Ring не является обязательным к использованию. Как правило, большинство приложений им не пользуется, и кольцо работает в неприоритетном режиме (приоритет маркера всегда равен 0). Существует тенденция к переносу механизмов приоритетного обслуживания на уровни, выше канального (приоритетное обслуживание могут обеспечивать, например, маршрутизаторы).

 

Технология FDDI

 

Спецификация FDDI (Fiber Distributed Data Interface, оптоволоконный интерфейс распределения данных) разработана и стандартизована институтом ANSI. FDDI – это исторически первая технология локальных сетей, использующая в качестве среды передачи оптоволоконный кабель. Начальные версии FDDI обеспечивают скорость передачи 100 Мбит/с по двойному оптоволоконному кольцу длиной до 100 км. В нормальном режиме данные передаются только по одному кольцу из пары – первичному (primary). Вторичное (secondary) кольцо используется в случае отказа части первичного кольца. По первичному и вторичному кольцам данные передаются в противоположных направлениях, что позволяет сохранить порядок узлов сети при подключении вторичного кольца к первичному. В случае нескольких отказов, сеть FDDI распадается на несколько отдельных (но функционирующих) сетей.

Технология обеспечивает передачу синхронного и асинхронного трафика: синхронный трафик передается всегда, независимо от загруженности кольца, асинхронный трафик может произвольно задерживаться. Каждой станции выделяется часть полосы пропускания, в пределах которой станция может передавать синхронный трафик. Остающаяся часть полосы пропускания кольца отводится под асинхронный трафик. Сети FDDI не определяют приоритетов для кадров, любой приоритетный трафик должен передаваться, как синхронный, а остальные данные – асинхронно.

FDDI использует маркерный метод доступа, близкий к методу доступа сетей Token Ring. Основное отличие – в плавающем значении времени удержания маркера для асинхронного трафика: при небольшой загрузке сети время удержания растет, а при перегрузках – уменьшается. Во время инициализации кольца узлы договариваются о максимально допустимом времени оборота маркера по кольцу T_Opr. Для синхронного трафика время удержания маркера не изменяется. Для передачи синхронного кадра узел всегда имеет право захватить проходящий маркер и удерживать его в течении заранее заданного фиксированного времени. Если узел хочет передать асинхронный кадр, он должен измерить время оборота маркера (Token Rotation Time, TRT) – интервал между двумя прохождениями маркера через него. Если кольцо не перегружено (TRT<T_Opr), то узел может захватить маркер и передать свой кадр (или кадры) в кольцо, при этом допустимое время удержания маркера THT=T_Opr-TRT. Если кольцо перегружено (TRT>T_Opr), то узел не имеет права захватывать маркер.

Как и сети Token Ring 16 Мбит/с, FDDI использует алгоритм раннего освобождения маркера, в результате чего в кольце одновременно может продвигаться несколько кадров (маркер всегда один). Формат кадра FDDI очень близок к формату кадра Token Ring, за исключением полей приоритета.

Стандарт FDDI определяет четыре компонента:

- MAC (Media Access Control), определяющий форматы кадров, манипуляции с маркером, адресацию, обработку ошибок при логических отказах (соответствует канальному уровню модели OSI);

- PHY (Physical) выполняет физическое и логическое кодирование и декодирование, синхронизацию и кадрирование;

- PMD (Physical Medium Dependent) определяет свойства оптических или электрических компонентов, параметры линий связи (PMD и PHY соответствуют физическому уровню OSI);

- SMT (Station Management) выполняет все функции по управлению и контролю работы остальных компонентов, определяет конфигурацию узлов и колец, процедуры подключения/отключения, изоляцию отказавших элементов, обеспечивает целостность кольца (подключая вторичное кольцо при отказе первичного).

В качестве среды передачи FDDI может использовать многомодовое оптоволокно (MMF-PMD, длина кабельного сегмента до 2 км), одномодовое оптоволокно (SMF-PMD), витую пару категории 5 или или экранированную витую пару STP Type 1 (TP-PMD). Все оптоволоконные варианты FDDI используют длину волны 1300 нм. Разновидность FDDI на витой паре иногда называют CDDI (Copper Distributed Data Interface) или TPDDI (Twisted Pair Distributed Data Interface).

FDDI использует отдельные лини для передачи и приема сигналов. Логическое кодирование – 4B/5B. Физическое кодирование при использовании оптоволокна – NRZI, при использовании витой пары – MLT-3.

Технология FDDI достаточно легко интегрируется с Ethernet и Token Ring, в результате чего часто используется в качестве высокоскоростной магистрали, объединяющей эти сети, а также для высокоскоростного подключения серверов.

В последнее время, эту нишу у FDDI отвоевывают более дешевые высокоскоростные модификации Ethernet – Fast Ethernet и Gigabit Ethernet.