Рис. 6.13. Кабельная система участка сети FDDI

Сравнения оптического волокна и витой пары

Наличие кабельных систем трех стандартов (MMF-PMD, SMF-PMD и TPPMD) предоставляет пользователю выбор в зависимости от конкретной ситуации. Приведем сравнительный анализ оптического волокна и витой пары,

Главные преимущества функционирования сети с использованием волоконно-оптического кабеля следующие: большие расстояния между станциями (пунктами ретрансляции); высокая помехозащищенность; отсутствие излучаемых помех; высокая степень защищенности от несанкционированного доступа; гальваническая развязка элементов сети; взрыво- и пожаробезо-пасность. Более подробно перечисленные свойства описаны в первой главе.

Причины, по которым заказчик может предпочесть медный кабель волоконно-оптическому, следующие: низкая стоимость восстановления обрывов; удобство использования в небольших рабочих группах.

Низкая стоимость подключения к рабочей станции. Витые пары STP IBM Type 1 и UTP cat. 5 могут существенно уменьшить затраты на сетевое оборудование, так как они не требуют установки дорогостоящих оптических приемопередатчиков и пассивных компонентов волоконной оптики.

Низкая стоимость восстановления обрывов. Для устранения обрыва витой пары не требуется дорогостоящее специальное монтажное оборудование, как в случае обрыва оптического кабеля. Можно также целиком заменить поврежденную витую пару, что оправдано ее низкой стоимостью.

Удобства использования в небольших рабочих группах. Витая пара будет удобной при использовании концентратора в рабочих группах, в конструкторских бюроЭто удобство является следствием меньшей стоимости FDDIконцентратора, имеющего порты для подключения витых пар.

6.6. Уровень PHY

Стандарт PHY (physical layer protocol - протокол физического уровня) верхнего подуровня физического уровня (рис. 6.3) определяет те функции физического уровня, которые не привязаны к типу среды передачи. Это позволяет модифицировать среду передачи, например использовать витую пару вместо оптического волокна, но при этом не изменять параметры уровня PHY.

Следующие компоненты, функции и характеристики определяются уровнем

PHY:

−таймер и схема синхронизации - настройка временных параметров на основе временного анализа движения маркера и кадров данных по кольцу;

−процесс кодирования и декодирования - преобразование полученных от уровня MAC данных в формат, принятый для передачи между сетевыми устройствами

FDDI;

−управляющие символы - минимальные сигнальные кванты, используемые для установления связи между станциями;

−эластичный буфер, используемый для компенсации допустимого отклонения часов соседних станций;

−функция сглаживания, позволяющая избежать потери кадров, имеющих короткие преамбулы;

−фильтр повторений, предотвращающий распространение ошибочных кодов и кодов сбойного состояния линии.

Синхронизация часов

Стандарт FDDI PHY определяет использование распределенных по станциям часов. Каждая станция имеет двое часов-часы для передачи и часы для приема данных [1, 11].

Часы для передачи данных не перестраивают частоту. На частоте этих часов станция передает или повторяет информацию в кольцо.

Часы для приема, напротив, имеют возможность подстраивать частоту. Получая данные, станция синхронизирует приемные часы по приходящей последовательности символов преамбулы, которая следует перед кадром. Далее станция декодирует данные кадра по этим часам. Частота приходящих битов определяется частотой передающих часов станции-отправителя этих битов. Следовательно, приемные часы синхронизируются по частоте передачи предыдущей станции. Однако, если нужно передавать эти данные обратно в кольцо, т.е. повторить, станция будет использовать свои собственные часы.

Кодирование и декодирование данных

Данные, прежде чем передаваться по сети, подвергаются кодированию с целью их более надежной передачи. Эту функцию выполняет уровень PHY, который кодирует полученные от уровня MAC данные и затем направляет их на уровень PMD. Уровень PHY также обрабатывает и обратный поток от PMD к MAC, рис. 6.14.

FDDI использует две последовательные системы кодирования: 4В/5В и NRZ! - невозвращение к нулю с последующей инверсией на единицах [12].

Система кодирования данных 4В/5В. Если бы FDDI использовал ту же схему кодирования битов, что и применяемая в Token Ring или Ethernet, на каждый полезный бит информации приходилось бы два передаваемых сигнальных бита (манчестерское кодирование), рис. 6.15. Таким образом, потребовалось бы посылать 200 миллионов сигналов в секунду, чтобы передавать со скоростью 100 Мбит/с. Вместо этого в FDDI принята схема кодирования 4В/5В с меньшей избыточностью кода, которая преобразовывает каждые 4 бита данных в 5-битовые коды - символы, табл. 6.7. В результате, при скорости передачи данных 100 Мбит/с схема 4В/5В отправляет 125 миллионов сигналов в секунду

(125 Мбод).

Заметим, что кодер 4В/5В обрабатывает группы битов (4 бита), соответственно декодер обрабатывает символы (5 битов). Следовательно, декодер должен выделять символы из непрерывного битового потока. Для этой цели, в частности, приемник синхронизируется с передатчиком на этапе приема.

Рис. 6.14. Системы кодирования 4В/5В и NRZI уровня PHY

Рис. 6.15. Манчестерское кодирование, принятое в сетях Ethernet и Token Ring

Система кодирования NRZf. После выполнения кодирования данных 4В/5В происходит дальнейшее, теперь уже побитовое, кодирование NRZI. В этой схеме нулю входящей последовательности соответствует повторение уровня предыдущего элемента (сохранение состояния), а единице - энергетический переход в альтернативное состояние, рис. 6.16. Таким образом, чем больше

единиц во входной последовательности, тем больше будет перепадов сигнала на выходе (выше эффективная частота в линии) и наоборот.

Преобразование NRZI, если его рассматривать отдельно, не очень эффективно. Например, если передаются только 0, то приемник на удаленном узле все это время не будет обнаруживать перепадов сигнала, что ухудшает синхронизацию приемника. Поскольку практически было бы невозможно предотвратить эту ситуацию (нельзя гарантировать, что в потоке данных от пользователя не будут появляться длинные последовательности нулей), дополнительное кодирование предшествует NRZI, Это кодирование должно гарантировать, что после него не будут встречаться большие последовательности нулей, независимо от того, какие данные передаются от пользователя. И именно эту функцию обеспечивает кодирование 4В/5В, которое, таким образом, помогает не только повысить помехоустойчивость передаваемой информации, но и решить проблему синхронизации. Природа кодирования 4В/5В такова, что в выходном битовом потоке никогда не встретится больше трех нулей.

Заметим, что первый бит выходной последовательности не определен. Эта неопределенность, однако, не опасна, поскольку приемник срабатывает по перепаду входного сигнала (отсутствие перепада означает 0, перепад ~ 1). Таким образом, в случае использования оптической среды связи, последовательность нулей на входе кодировщика NRZI, которых может быть максимум три, преобразуется либо в непрерывный световой сигнал, либо в полное его отсутствие. Процесс декодирования происходит в обратном порядке.

Рис. 6.16. Система кодирования 4В/5В, NR2 и NRZI

Символы кодирования. В табл. 6.7 представлен список 5-битовых символов, используемых в стандарте FDDI. Допустимо всего 32 возможных комбинации из 5 бит, из которых реально задействованы только 25 символов. По назначению они разбиваются на 4 группы [12]:

−Символы статуса линии (3) - Q, I, H. Эти символы сигнализируют о состоянии линии и распознаются оборудованием физического уровня (PHY). Группы этих символов используются на этапе установления связи между уровнями PHY соседних устройств. Символ 1 (Idle) передается в промежутках между передаваемыми кадрами с целью поддержки синхронизации приемных часов станций.

−Ограничители (4): начальные - J, К, L, конечный - Т, Начальный ограничитель L не используется в базовом стандарте FDDI и предназначается для FDDI-11.

−Контрольные индикаторы.(2) - R, S.

−Символы данных (16). Эти символы не являются служебными и используются для кодирования данных.

Оставшиеся семь символов из 32 (см. табл. 4.1) не передаются - передача их

нарушила бы рабочую длину кода и требования по балансу постоянной составляющей. Символы обычно объединяются в пары, так что общее число символов в кадре всегда четно и не превышает 9000.

Баланс постоянной составляющей. В FDD), в силу особенностей кодирования, может наблюдаться эффект смещения постоянной составляющей от среднего значения. Отклонение постоянной составляющей (baseline wander) возникает, когда усредненное по какому-то промежутку времени значение переменного сигнала ненулевое. При манчестерском кодировании каждый входной бит представляется парой сигналов +1 и -1, таким образом сохраняется нулевой баланс по постоянному току. В стандарте FDDI совокупность кодирований 4В/5В и NRZ/NRZI не гарантирует нулевой баланс в выходной последовательности, но дает достаточно близкое значение к 0. В наихудшем случае допускается отклонение ±10%. Это важное свойство выходной последовательности должно учитываться при конструировании приемников.

Состояния линии. Во время процедуры установления соединения соседние станции обмениваются не отдельными символами, а достаточно длинными последовательностями символов, что повышает надежность взаимодействия. Эти последовательности называются состояниями линии (line states).

Состояния линии (обозначения и описания) приведены в табл. 6.8. Отметим, что кодирование NRZI символов состояний линии приводит к меандру - регулярным волнам с квадратными фронтами различной частоты. Максимальная частота имеет место при состоянии линии ILS - 62,5 МГц. Всего используется 4 состояния линии: QLS, MLS, HLS и ILS. Оставшиеся два - ALS и NLS - обозначают соответственно нормальный рабочий режим канала, сопровождающийся передачей данных, и плохую линию с большим уровнем помех.

Таблица 6.7. Кодирование символов в FDD1