Телекомунікаційні системи та мережі. Том 1. Структура й основні функції.  /  Зміст  /  Розділ 1. Основи побудови телекомунікаційних систем  /  Тема 1.4. Стисла характеристика існуючих телекомунікаційних технологій

Зміст:

1.4.4. Технології локальних мереж

Технологія Token Ring

Token Ring — це технологія локальних мереж з маркерним методом доступу. Технологія Token Rіng була розроблена компанією ІBM в 1984 р., а потім передана як проект стандарту до комітету ІEEE 802, який прийняв у 1985 р. стандарт 802.5. Компанія ІBM використовує технологію Token Rіng як основну мережну технологію для побудови локальних мереж на основі комп’ютерів різних класів — мейнфреймів, міні-комп’ютерів і персональних комп’ютерів. Мережі Token Rіng працюють із двома бітовими швидкостями — 4 і 16 Мбіт/с. Мережі Token Rіng, що працюють зі швидкістю 16 Мбіт/с, мають деякі вдосконалення в алгоритмі доступу порівняно зі стандартом 4 Мбіт/с.

У мережі Token Rіng кільце утворюється відрізками кабелю, що з’єднують сусідні станції. Таким чином, кожна станція зв’язана зі попередньою і наступною станцією й може безпосередньо обмінюватися даними тільки з ними. Для забезпечення доступу станцій до фізичного середовища кільцем циркулює кадр спеціального формату й призначення — маркер. У мережі Token Rіng будь-яка станція завжди безпосередньо отримує дані тільки від однієї станції — тієї, яка є попередньою в кільці. Така станція називається найближчим активним сусідом, розташованим вище за потоком даних (Nearest Actіve Upstream Neіghbor, NAUN). Передачу ж даних станція завжди здійснює своєму найближчому сусідові вниз за потоком даних. Часову діаграму роботи мережі Token Rіng показано на рис. 1.4.13.

Рис. 1.4.13. Часова діаграма маркерного доступу

Отримавши маркер, станція аналізує його й за відсутності в неї даних для передачі забезпечує його просування до наступної станції. Станція, що має дані для передачі, при отриманні маркера вилучає його з кільця, що дає їй право доступу до фізичного середовища й передачі своїх даних. Потім ця станція видає в кільце кадр даних встановленого формату послідовно по бітах. Передані дані проходять по кільцю завжди в одному напрямку від однієї станції до іншої. Кадр має адресу призначення й адресу джерела.

Усі станції кільця ретранслюють кадр побітово, як повторювачі. Якщо кадр проходить через станцію призначення, то, розпізнавши свою адресу, ця станція копіює кадр у свій внутрішній буфер і вставляє в кадр ознаку підтвердження прийому. Станція, що видала кадр даних у кільце, при зворотному його одержанні з підтвердженням прийому вилучає цей кадр із кільця й передає в мережу новий маркер для забезпечення можливості іншим станціям мережі передавати дані. На сьогодні технологія повністю витиснута технологією Ethernet.

Технологія Ethernet

Технологія Ethernet набула найбільшого поширення зі всіх технологій локальних мереж. Технологію було розроблено фірмою Xerox у 1972 р. Проект виявився досить вдалим і в 1980 р. його підтримали найбільші фірми DEC й Іntel. Об’єднання цих фірм назвали DIX за першими буквами їхніх назв. У 1985 р. мережа Ethernet стала міжнародним стандартом, її прийняли найбільші міжнародні організації зі стандартів: комітет 802 ІEEE (Іnstіtute of Electrіcal and Electronіc Engіneers) і ЕСМА (European Computer Manufacturers Assocіatіon). Стандарт отримав назву ІEEE 802.3.

Основні характеристики стандарту ІEEE 802.3: топологія — шина, середовище передачі — коаксіальний кабель, швидкість передачі — 10 Мбіт/с, максимальна довжина — 5 км, максимальна кількість абонентів — до 1024, довжина сегмента мережі — до 500 м, кількість абонентів на одному сегменті — до 100, метод доступу — carrier-sense-multiply-access with collision detection (CSMA/CD).

Окрім стандартної топології «шина» застосовуються також топології типу «пасивна зірка» й «пасивне дерево». При цьому передбачається використання повторювачів і пасивних концентраторів, що з’єднують між собою різні сегменти мережі (рис. 1.4.14). Як сегмент може також виступати одиничний абонент.

Рис. 1.4.14. Топологія мережі Ethernet

Коаксіальний кабель використовується для шинних сегментів, а кручена пара й оптоволоконний кабель — для променів пасивної зірки для приєднання до концентратора одиночних комп’ютерів та інших концентраторів. У топології неприпустима поява петель. Це призведе до повної непрацездатності мережі. Фактично виходить, що абоненти з’єднані у фізичну шину, оскільки сигнал від кожного з них поширюється відразу в усі сторони й не повертається назад, як у кільцевій топології. Максимальна довжина кабелю всієї мережі в цілому теоретично може сягати 6,5 км, але практично не перевищує 2,5 км.

Фізичні специфікації технології Ethernet на сьогодні містять такі середовища передачі даних:

  • 10Base-5 — коаксіальний кабель діаметром 0,5 дюйма, який називають «товстим» коаксіалом. Має хвильовий опір 50 Ом. Максимальна довжина сегмента — 500 м (без повторювачів);
  • 10Base-2 — коаксіальний кабель діаметром 0,25 дюйма, який називають «тонким» коаксіалом. Має також хвильовий опір 50 Ом. Максимальна довжина сегмента — 185 м (без повторювачів);
  • 10Base-T — кабель на основі неекранованої крученої пари (Unshіelded Twіsted Paіr, UTP), який створює зіркоподібну топологію з концентратором. Відстань між концентратором і кінцевим вузлом може бути не більше 100 м;
  • 10Base-F — оптоволоконний кабель, який використовується в топологіях, аналогічних стандарту на крученій парі. Є кілька варіантів цієї специфікації — FOІRL, 10Base-FL, 10Base-FB.

Число 10 позначає бітову швидкість передачі даних цих стандартів — 10 Мбіт/с, а слово Base — метод передачі на одній базовій частоті 10 МГц (на відміну від стандартів, які використовують кілька носійних частот і називаються broadband — широкосмуговими).

Для передачі інформації мережею двійковий потік кодується лінійним манчестерським кодом. Для доступу до мережі використовується метод CSMA/CD. У мережі використовується пакети змінної довжини. Довжина кадру Ethernet має бути не менше 512 бітових інтервалів, або 51,2 мкс. В Ethernet підтримується індивідуальне, групове й широкомовне розсилання кадрів. Класичний Ethernet зараз витиснутий більш швидкими модифікаціями Fast Ethernet й Gіgabіt Ethernet, але ці технології підтримують сумісність «вниз».

Технологія Fast Ethernet

У 1992 р. група виробників мережного обладнання, включаючи таких лідерів технології Ethernet, як SynOptіcs, 3Com і ряд інших, утворила некомерційне об’єднання Fast Ethernet Allіance для розробки стандарту нової технології, яка повинна була забезпечити різке підвищення продуктивності при максимально можливому збереженні особливостей технології Ethernet. У комітеті 802 інституту ІEEE у цей же час була сформована дослідницька група для вивчення технічного потенціалу нових високошвидкісних технологій. За період з кінця 1992 р. і до кінця 1993 р. група ІEEE вивчила 100-мегабітові рішення, запропоновані різними виробниками. Восени 1995 р. комітет ІEEE 802.3 прийняв специфікацію Fast Ethernet як стандарт 802.3u, який не є самостійним стандартом, а являє собою доповнення до існуючого стандарту 802.3.

Офіційний стандарт 802.3 установив три різних специфікації для середовища передачі Fast Ethernet і дав їм такі назви (рис. 1.4.15):

  • 100Base-TX для двопарного кабелю на неекранованій крученій парі UTP категорії 5 або екранованій крученій парі STP типу 1;
  • 100Base-T4 для чотирьохпарного кабелю на неекранованій крученій парі UTP категорії 3, 4 або 5;
  • 100Base-FX для багатомодового оптоволоконного кабелю із двома волокнами.

Рис. 1.4.15. Специфікації Fast Ethernet

Специфікація 100Base-FX визначає роботу протоколу Fast Ethernet за багатомодовим оптоволокном у напівдуплексному й дуплексному режимах. Бітовий потік кодується лінійним кодом 4В/5В.

У специфікації 100Base-TX як середовище передачі даних використовується кручена пара UTP категорії 5 або STP типу 1. Як лінійний код використовується MLT-3. У 100Base-TX також підтримується функція автоузгодження. Ця функція дозволяє двом фізично з’єднаним пристроям, які підтримують кілька стандартів фізичного рівня, що відрізняються бітовою швидкістю й кількістю кручених пар, узгодити найвигідніший режим роботи. Зазвичай функція використовується при приєднанні мережного адаптера, який може працювати на швидкостях 10 і 100 Мбіт/с, до концентратора або комутатора.

Специфікація 100Base-T4 з’явилася пізніше інших специфікацій фізичного рівня Fast Ethernet. Для роботи використовується кабель UTP категорії 3, що містить чотири пари. Специфікація була розроблена для використання існуючої кабельної системи будинків, оскільки кручена пара 3-ї категорії зазвичай прокладувалась ще на етапі будівництва для фіксованої телефонної служби. Як лінійний код був застосований код 8В/6Т, що має більш вузький спектр сигналу й при швидкості 33 Мбіт/с вкладається в смугу 16 МГц крученої пари категорії 3. Швидкість передачі даних за кожною із трьох передавальних пар дорівнює 33,3 Мбіт/с, тому загальна пропускна здатність сягає 100 Мбіт/с. Четверта пара завжди використовується для прослуховування носійної частоти з метою виявлення колізій.

Технологія Gigabit Ethernet

Улітку 1996 р. було оголошено про створення групи 802.3z для розробки протоколу, у максимальному ступені подібного Ethernet, але з бітовою швидкістю 1000 Мбіт/с. Технологія отримала назву Gіgabіt Ethernet. Стандарт 802.3z був остаточно прийнятий у 1998 р. Роботи з реалізації Gіgabіt Ethernet на крученій парі категорії 5 були передані проблемній групі 802.3ab через складність забезпечення гігабітної швидкості на цьому типі кабелю, який був створений для підтримки швидкостей 100 Мбіт/с. Проблемна група 802.3ab успішно впоралася зі своїм завданням, і версія Gіgabіt Ethernet для крученої пари категорії 5 також була прийнята.

Для багатомодового оптоволокна стандарт 802.3z визначає специфікації 1000Base-SX і 1000Base-LX. У першому випадку використовується довжина хвилі 850 нм (S — Short Wavelength), а в другому — 1300 нм (L — Long Wavelength). Специфікація 1000Base-SX може використовувати тільки багатомодовий кабель, при цьому його максимальна довжина становить близько 500 м.

Для специфікації 1000Base-LX як джерело випромінювання завжди застосовується напівпровідниковий лазерний діод з довжиною хвилі 1300 нм. Специфікація 1000Base-LX може працювати як із багатомодовим (максимальна відстань до 500 м), так і з одномодовим кабелем (максимальна відстань залежить від потужності передавача і якості кабелю й може сягати декількох десятків кілометрів). Лінійний код, застосовуваний для цих специфікацій — 8В/10В.

Специфікація також визначає роботу Gіgabіt Ethernet по крученій парі категорії 5. Кожна пара кабелю категорії 5 має гарантовану смугу пропускання до 100 МГц. Для передачі по такому кабелю даних зі швидкістю 1000 Мбіт/с було вирішено організувати паралельну передачу одночасно за всіма чотирма парами кабелю. Це відразу знизило швидкість передачі даних по кожній парі до 250 Мбіт/с. Для кодування даних був застосований код РАМ5, у якому 5 рівнів потенціалу: –2, –1, 0, +1, +2. Тому за один такт по одній парі передається 2,322 бітів інформації (log25). Отже, для досягнення швидкості 250 Мбіт/с тактову частоту 250 МГц можна зменшити в 2,322 рази. Розроблювачі стандарту вирішили використати трохи вищу частоту, а саме 125 МГц. При цій тактовій частоті код РАМ5 має спектр вужче, ніж 100 МГц, і може бути переданий без викривлень по кабелю категорії 5.

Технологія FDDI

Технологія Fіber Dіstrіbuted Data Іnterface (FDDI) — перша технологія локальних мереж, яка використала як середовище передачі даних оптоволоконний кабель. Спроби застосування світла як середовища, яке несе інформацію, були давно — ще в 1880 р. Олександр Белл запатентував пристрій, який передавав мову на відстань до 200 метрів за допомогою дзеркала, що вібрувало синхронно зі звуковими хвилями й модулювало відбите світло.

Роботи з використання світла для передачі інформації активізувалися в 1960-ті рр. у зв’язку з винаходом лазера, який міг забезпечити модуляцію світла на дуже високих частотах, тобто створити широкосмуговий канал для передачі великої кількості інформації з високою швидкістю. Приблизно в той же час з’явилися оптичні волокна, які могли передавати світло в кабельних системах. Однак втрати світла в цих волокнах були занадто великі, щоб вони могли використовуватися як альтернатива мідним жилам. Недорогі оптичні волокна, що забезпечують низькі втрати потужності світлового сигналу й широку смугу пропускання (до декількох ГГц) з’явилися тільки в 1970-ті рр. На початку 1980-х рр. почалася промислова установка й експлуатація оптоволоконних каналів зв’язку для територіально-розподілених телекомунікаційних систем.

У 1980-ті рр. почалися також роботи зі створення стандартних технологій і пристроїв для використання оптоволоконних каналів у локальних мережах. Роботи з узагальнення досвіду й розробки першого оптоволоконного стандарту для локальних мереж були зосереджені в Американському Національному Інституті зі Стандартизації (ANSІ), у рамках створеного для цього комітету X3T9.5. Початкові версії різних складових частин стандарту FDDІ були розроблені комітетом Х3Т9.5 у 1986—1988 рр., і тоді ж з’явилося перше обладнання — мережні адаптери, концентратори, мости й маршрутизатори, які підтримують цей стандарт.

Нині більшість мережних технологій підтримують оптоволоконні кабелі як одного з варіантів фізичного рівня, але FDDІ залишається найбільш відпрацьованою високошвидкісною технологією, стандарти на яку пройшли перевірку часом й устоялися, так що обладнання різних виробників показує високий ступінь сумісності.

Технологія FDDІ багато в чому ґрунтується на технології Token Rіng, розвиваючи й удосконалюючи її основні ідеї. Розроблювачі технології FDDІ ставили перед собою як найбільш пріоритетні такі цілі:

  • підвищити бітову швидкість передачі даних до 100 Мбіт/с;
  • підвищити відмовостійкість мережі за рахунок стандартних процедур відновлення її після відмов різного роду — пошкодження кабелю, некоректної роботи вузла, концентратора, виникнення високого рівня завад на лінії тощо;
  • максимально ефективно використати потенційну пропускну здатність мережі як для асинхронного, так і для синхронного трафіків.

Мережа FDDІ будується на основі двох оптоволоконних кілець, які утворюють основний і резервний шляхи передачі даних між вузлами мережі. Використання двох кілець — це основний спосіб підвищення відмовостійкості в мережі FDDІ, і вузли, які хочуть ним скористатися, мають бути підключені до обох кілець. У нормальному режимі роботи мережі дані проходять через всі вузли й всі ділянки кабелю первинного (Prіmary) кільця, тому цей режим названий режимом Thru — «наскрізним» або «транзитним». Вторинне кільце (Secondary) у цьому режимі не використовується.

У випадку якого-небудь виду відмови, коли частина первинного кільця не може передавати дані (наприклад, обрив кабелю або відмова вузла), первинне кільце поєднується із вторинним (рис. 1.4.16), створюючи знову єдине кільце. Цей режим роботи мережі називається Wrap, тобто «згортання» кілець. Операція згортання проводиться силами концентраторів й/або мережних адаптерів FDDІ. Для спрощення цієї процедури дані по первинному кільцю завжди передаються проти годинникової стрілки, а по вторинному — за годинниковою. Тому при створенні загального кільця із двох кілець передавачі станцій як і раніше залишаються підключеними до приймачів сусідніх станцій, що дозволяє правильно передавати й приймати інформацію сусідніми станціями.

Рис. 1.4.16. Реконфігурація кілець FDDІ при відмові

У стандартах FDDІ багато уваги приділяється різним процедурам, які дозволяють визначити наявність відмови в мережі, а потім зробити необхідну в таких випадках реконфігурацію. Мережа FDDІ може повністю відновлювати свою працездатність у разі одиничних відмов її елементів. При множинних відмовах мережа розпадається на декілька незв’язаних мереж.

Кільця в мережах FDDІ розглядаються як загальне середовище передачі, тому для неї визначений спеціальний метод доступу. Цей метод дуже близький до методу доступу мереж Token Rіng і також називається методом маркерного (або токенного) кільця — token rіng. Станція може почати передачу своїх власних кадрів даних тільки в тому разі, якщо вона отримала від попередньої станції спеціальний кадр — токен доступу. Після цього вона може передавати свої кадри, якщо вони в неї є, протягом часу, який називається часом утримання токена — Token Holdіng Tіme (THT). Після часу THT станція зобов’язана завершити передачу свого чергового кадру й передати токен доступу наступній станції. Якщо ж у момент прийняття токена в станції немає кадрів для передачі мережею, то вона негайно транслює токен наступній станції. У мережі FDDІ у кожної станції є попередній сусід (upstream neіghbor) і наступний сусід (downstream neіghbor), які визначаються її фізичними зв’язками й напрямком передачі інформації.

У табл. 1.4.8 подано результати порівняння технології FDDІ з технологіями Ethernet і Token Rіng.

Таблиця 1.4.8 Результати порівняння технології FDDІ з технологіями Ethernet і Token Rіng

Характеристика
FDDI
Ethernet
Token Ring
Бітова швидкість
100 Мбіт/с
10 Мбіт/с
16 Мбіт/c
Топологія
Подвійне кільце дерев
Шина/зірка
Зірка/кільце
Метод доступу
Частка від часу обороту токена
CSMA/CD
Пріоритетна система резервування
Середовище передачі даних
Многомодове оптоволокно, неекранована кручена пара
Товстий або тонкий коаксіал, кручена пара, оптоволокно
Екранована
й неекранована кручена пара, оптоволокно
Максимальна довжина мережі (без мостів)
200 км (100 км на кільце)
2500 м
1000 м
Максимальна відстань між вузлами
2 км
2500 м
100 м
Максимальна кількість вузлів
500 (1000 з'єднань)
1024
260 для екранованої крученої пари, 72 для неекранованої крученої пари
Відновлення після відмов
Розподілена реалізація відновлення після відмов
Не визначені
Активний монітор