Тактированные кольца. Сеть Cambridge Dataring.

Сеть Cambridge ring В начале 70-х годов Лаборатория вычислительной техники Кем- бриджского университета занялась экспериментами в области распре- деленной обработки данных. Вскоре стало ясно, что требуется спо- соб соединения различных ЭВМ, их терминалов и других устройств, находящихся внутри одного здания или помещения. Для обеспечения полосы частот с шириной, достаточной для передачи между ЭВМ необ- ходимого количества информации, например, как в случае пересылки файлов, сеть связи должна работать со скоростью передачи данных, которая существенно выше той, что предоставляется обычными теле- фонными каналами. В первом проекте сети Cambridge ring, начатом в 1974 г., стремились поточнее скопировать сеть Hasler ring, которая уже работала в Бернских исследовательских лабораториях фирмы Hasler (см. ниже). Сотрудники лаборатории сочли, что кольцевая сеть дол- жна быть очень удобной для задач распределенной обработки, по- скольку ее концепция проста и кажется нетрудной для практической реализации. Метод вставки регистра, который применила фирмы Hasler, давал возможность осуществить справедливое разделение пропускной способности кольца между всеми подсоединенными к нему устройствами. Кроме того, этот метод позволял удостовериться в успехе или неудаче доставки каждого переданного пакета. Это требование очень важно для любой сети, создаваемой для передачи данных между ЭВМ. Во время первых экспериментов были обнаружены некоторые трудности, связанные с методом вставки регистра. А именно, затруднения вызвало то обстоятельство, что при сбое в регистре любой станции или в повторителе кольцо целиком выходило из строя. Если же в станции, которая не вовлечена непосредственно в обмен данными, произойдет такой сбой, то его невозможно будет обнару- ружить до тех пор, пока станция не попытается передать данные, а это уже слишком поздно, чтобы предупредить отказ, который вызовет выход из строя всего кольца. Так как у исследовательской группы в Кембридже в то время имелись еще и cерьезные сомнения в отношении собственных возможностей изготовления надежных устройств со вставкой регистров, она решила выбрать иной метод, основываю- щийся на непрерывно циркулирующем по кольцу пакете-контейнере, - метод тактирования доступа. Устройства, выполненные для встав- ки регистра, были переделаны, что не вызвало затруднений, так как многие схемы для обоих методов очень похожи. Наиболее важным результатом работы Лаборатории вычисли- тельной техники Кембриджского университета явилось установление того факта, что метод тактированного доступа к кольцу (называемый теперь Cambridge ring) несложен в практической реализации. Со- трудники лаборатории также очень скоро осознали необходимость включения в сеть специального устройства, которое бы удаляло из тактов те пакеты, которые в силу каких-то причин не были приняты получателем. В кольце, установленном в Лаборатории вычислительной техники в Кембридже, используются витые пары и передача немоду- лированных сигналов, а скорость передачи данных составляет 10 Мбит/с. Длина поля в битах 1 1 1 8 8 16 2 1 |-|-|-|----------------|-----------------|-------------|---|-| |1| | |Адрес получателя|Адрес отправителя|Данные|Данные| | | |-|-|-|----------------|-----------------|-------------|---|-| ^ ^ ^ ^ ^ | | |___Монитор Четность_| | | | | | |_____Занято/свободно Отклик____| | |_______Начало флага пакета Рис. 6.2 Основной формат такта в сети Cambridge ring Размер используемого такта (пакета-контейнера) очень мал по сравнению с типичной длиной сообщения (рис. 6.2). Длина такта - 38 бит, а поля его таковы: Бит Функция 1 Флаговый бит, указывающий начало такта. 2 Бит состояния занято/свободно 3 Мониторный бит. Комбинация 2-го и 3-го битов означают следующее: 11 указывает на то, что отправитель передал такт; 10 устанавливается мониторной станцией в знак того, что такт однажды прошел через нее. Если мониторная станция получает такт с такой комби- нацией бит, она тем самым обнаруживает, что устрой- ство-отправитель не опустошило такт, т.е. возникла ошибка. 00 устанавливается отправителем при опустошении такта; 01 устанавливается монитором в пустом такте; Если такт вернется к монитору с той же комбинацией 01, то следует проверить всю остальную часть такта на наличие ошибок. 4-11 Адрес получателя. Адрес 0 присваивается монитору. Адрес 255 - широковещательный, указывает на все уст- ства. 12-19 Адрес отправителя. 20-35 Поле данных. 36-37 Поле отклика, используемое следующим образом: 11 устанавливается отправителем. Если такт возвратил- ся, а комбинация не изменилась, то такт игнорируется; 10 устанавливается устройством, получившим такт, в знак того, что он был принят; 00 устанавливается устройством, получившим такт, в знак того, что устройство было занято и не смогло обработать такт. 38 Бит четности. Переустанавливается каждым поворите- лем, через который проходит такт. Повторители могут работать с очень высокой скоростью, так что обработка тактов не задерживает их передачу по кольцу. На рис. 6.3 показаны компоненты узла кольца. ________|--------------|________ ________| Повторитель |________ |-----|--------| Кабель кольца | |-----|--------|Доступ и перпедача | Станция |пакетов |-----|--------| | |-----|--------|Интерфейс между подсоединенным | Блок доступа |устройством и кольцом |-----|--------| | |-----|--------| |Подсоединенное|Главная ЭВМ,терминал | устройство |и т.д. |--------------| Рис.6.3 Интерфейс в сети Cembridge ring Повторитель передает станции содержимое такта, которое может быть изменено. Блок доступа выполняет функцию преобразования протоколов кольца в протоколы и интерфейс, требуемые присо- единенным устройством. Два кабеля витых пар используются для передачи данных следующим образом: если одновременно изменяются состояния обоих кабелей, это означает передачу бита 1; если меняется состояние только одного кабеля, то - бита 0. Поскольку необходимо совместно контролировать сигнал в обоих кабелях, то небольшие отличия в длинах проводов, составляющих каждую витую пару или расхождения того же рода между самими витыми парами способны исказить данные. По этой причине повторители размещаются на небольших расстояниях друг от друга: как правило, на расстоянии не более 100 м. Питание к повторителям обычно подводится от источников постоянного тока прямо через кабель. Таким образом, можно отклю- чить подсоединяемые устройства, либо удалить их из кольца, оставляя при этом в кольце работоспособный повторитель. Секции кабеля нередко соединяются разъемами, так что повторители можно вставить в кабель, не разрезая его. В то время, пока будет вставляться повторитель, некоторые такты, циркулирующие по коль- цу, будут испорчены, но обычные процедуры обнаружения ошибок, как правило, устраняют появившиеся ошибки до того, как они попадут к конечному пользователю. В сети Лаборатории вычислительной техники в Кембридже имеет- ся секция волоконно-оптического кабеля. Волоконно-оптический ка- бель может быть легко установлен в сети Cambridge ring, причем использование такой передающей среды позволяет разнести повтори- тели на значительно большие расстояния, чем в случае витых пар. Поскольку размер такта в сети Cambridge ring слишком мал, то обычно предусматривается обращение к протоколам более высоких уровней с тем, чтобы облегчить работу с пакетами и сообщениями обычного размера. Протокол базисного блока используется наподобие протоколов управления каналом типа HDLC. Флаг ___________________________ |1 0 0 1|Тип и длина полей| |-------|-----------------| | Номер порта | |-------------------------| | Данные | | | |-------------------------| | Проверочное поле | |-------------------------| Рис. 6.4 Формат базисного блока. Формат базисного блока показан на рис. 6.4. Поле с меткой номера порта служит для того, чтобы через один кольцевой интер- фейс можно было осуществить индивидуальную адресацию прикладных программ, работающих в главной ЭВМ, или отдельных устройств, подключенных к контролеру. Поле данных в базисном блоке имеет переменную длину. Протокол базисного блока используется для передачи отдельных блоков информации от одного оконечного пользователя к другому. Каждый базисный блок передается порциями по 16 бит в полях данных кольцевого такта, изображенного на рис. 6.2. Для удовлетворения требований различных областей использования сети были предложены разные способы применения этого протокола. Одним общим требованием для всех систем передачи данных является форма обмена типа запрос/ответ. Если запрос состоит из короткого сообщения (например, строка, введенная с терминала), то требуется незамедлительный ответ. Для удовлетворения этого тре- бования разработан протокол однократной передачи. Он использует протокол базисного блока, в поле заголовка которого установлена особая комбинация бит, указывающая однократную передачу. Также могут быть указаны различные функции запроса. Специальные коды в блоке ответа свидетельствуют об успехе или неудаче запроса. Еще одно требование к распределенной вычислительной сети за- ключается в том, что она должна передавать длинные потоки данных из одного места в другое, например, файлы или записи. Для выпол- нения этого требования был разработан протокол передачи потока байтов, который для обеспечения безошибочной передачи данных использует протокол базисного блока. Большинство изделий, разработанных на основе сети Cambridge ringa, реализует эти протоколы. Коммерческие сети типа Cambridge ring Хотя в оригинале сети Cambridge ring применен такт размером 38 бит, это несколько неудобно для реализации протоколов более высокого уровня. В большинстве дальнейших реализаций было решено перейти на более длинные такты. Наиболее просто реализуется такт размером 40 бит, два дополнительные разряда которого помещаются после поля данных. При этом в повторителе и блоке доступа легко установить переключатели, указывающие на то, что длина применяемого такта 38 или 40 бит. Некоторые из примеров типичных коммерческих систем: Logika VTS - Polynet - такты длиной 38 или 40 бит, повто- рители работают при более низком напряжении, чем в сети Cambridge ring. Orbis Computers/Acorn Computers - архитектура Cambridge ring Scientific and lectronic Enterprises Ltd - Transring-такты дли- ной 38 бит. Toltec Computer Ltd - DataRing - такты длиной 40 бит, с возможностью адаптации на 38 бит. Сеть PLANET Сеть PLANET представляет собой кольцо с тактированным досту- пом, слегка отличающееся от ранее рассмотренной сети Cambringe ring. Это кольцо разработано и поставляется на рынок фирмой Racal-Milgo. Сеть PLANET (сокращение английского словосочетания, означа- ющего "частная локальная сеть", - Private Local Area NETwork) использует в качестве передающей среды коаксиальный кабель, который дублирован для надежности. Следовательно, примененный здесь метод передачи немодулированных сигналов будет значительно отличаться от метода сети Cambridge ring. Соединительные устройства для надежности являются пассивными и не нуждаются в электропитании, тогда как повторители работают обычным образом. В сети имеется мониторное устройство, называемое администратором. Размер такта равен 42 бит, из которых 16 бит отведено под данные. Его формат показан на рис. 6.5. Если сравнивать этот такт с тактом в сети Cambrindge ring, видно, что в сети PLANET применяются четыре дополнительных бита управления, предшествующие полю данных. Это управляющее поле служит для указания способа использования адресного поля и поля данных в данном конкретном такте. В этом случае возможны услуги более высокого уровня, отли- чающиеся от тех, что имеются в сети Cambridge ring. Помимо обыч- ного широковещательного такта (когда одиночный такт или сообщение адресуется некоторой группе или вем пользователям кольца) здесь организованы еще четыре различных типа услуг, включающие органи- зацию "вызова" или соединения между двумя устройствами: Длина поля (в битах) 1 1 1 4 16 16 2 1 |-|-|-|---|---------|---------|---|-| |1| | | | Адрес | Данные | | | |-|-|-|---|---------|---------|---|-| ^ ^ ^ ^ ^ ^ | | | |___Управление | |___Четность | | | | | | |______Монитор |______Подтверждение | | | |________Занято/свободно | |__________Начало флага пакета Рис. 6.5. Формат пакета в кольце PLANET 1. Фиксированные вызовы. Администратор ставится в извест- ность о том, что два пользователя кольца нуждаются в постоянном общении друг с другом, после чего администратор устанавливает постоянную связь (постоянный виртуальный канал) между этими пользователями. 2. Назначаемые вызовы - это фиксированные вызовы, которые устанавливаются не администратором, а пользователем кольца, кото- рый для этого использует специально назначенную точку доступа. Эти вызовы устанавливают связь с другими пользователями сети. 3. Коммутируемые вызовы - существуют лишь в течении обмена сообщениями. 4. Диагностические вызовы - возникают между администратором и устройствами доступа (так называемыми терминальными точками доступа), а не между самими присоединенными устройствами. Они предназначены для проверки работы сети.