12. Кольцевые sdh-сети. Принцип самовосcтановления.

К современной цифровой первичной сети предъявляются повышенные требования в части параметров ее надежности. В связи с этим современные первичные сети строятся с использованием резервных трактов и коммутаторов, выполняющих оперативное переключение в случае неисправности на одном из каналов. В этом случае в состав системы передачи включаются цепи резервирования мультиплексорной секции (Multiplex Section Protection - MSP). Как было показано выше, в сети SDH осуществляется постоянный мониторинг параметров ошибки (процедура контроля четности BIP) и параметров связности. В случае значительного ухудшения качества передачи в мультиплексорной секции выполняется оперативное переключение (APS) на резервную мультиплексорную секцию. Это переключение выполняется коммутаторами. По типу резервирования различаются коммутаторы APS с архитектурой 1+1 и 1:n

Для управления резервным переключением используются байты К1 и К2 секционного заголовка. В байте К1 передается запрос на резервное переключение и статус удаленного конца тракта. В байте К2 передается информация о параметрах моста, используемого в APS с архитектурой 1:n, данные по архитектуре MSP и сообщения о неисправностях, связанные с APS. Различные варианты архитектуры MSP используются в различных схемах резервирования. Наибольшее распространение имеют две схемы, непосредственно связанные с кольцевой топологией сетей SDH -схема "горячего резервирования" (рис.1а) и схема распределенной нагрузки (рис.1b). В первом случае трафик передается как в прямом, так и в резервном направлении. В случае повреждения происходит реконфигурация и создается резервный канал. В схеме распределенной нагрузки половина графика передается в прямом, половина - в обратном направлении. В этом случае при возникновении неисправности происходит переключение на уровне ресурсов.

Время резервного переключения не должно превышать 50 мс. Рис.1.Схемы резервирования в системах SDH.

Топология "кольцо".

Эта топология (рис.2) широко используется для построения SDH сетей первых двух уровней SDH иерархии (155 и 622 Мбит/с). Основной плюс этой топологии - лёгкость организации защиты типа 1+1, благодаря наличию в синхронных мультиплексорах SMUX двух пар оптических каналов приёма/передачи: восток - запад, дающих возможность формирования двойного кольца со встречными потоками.

Рис. 2.Топология "кольцо" c защитой 1+1.

Архитектура сети SDH.

Архитектурные решения при проектировании сети SDH могут быть сформированы на базе использования рассмотренных выше элементарных топологий сети в качестве её отдельных сегментов.

Радиально-кольцевая архитектура.

Пример радиально-кольцевой архитектуры SDH сети приведён на рис.3.1. Эта сеть фактически построена на базе использования двух базовых топологий: "кольцо" и "последовательная линейная цепь".

Рис. 3.1.Радильно-кольцевая сеть SDH.

Архитектура типа "кольцо-кольцо".

Другое часто используемое в архитектуре сетей SDH решение - соединение типа "кольцо-кольцо". Кольца в этом соединении могут быть либо одинакового, либо разного уровней иерархии SDH. На рис.3.2 показана схема соединения двух колец одного уровня - STM-4, а на рис.3.3 каскадная схема соединения трёх колец - STM-1, STM-4, STM-16.

Рис. 3.2.Два кольца одного уровня.

Рис. 3.3.Каскадное соединение трёх колец.

13. Основные типы топологий локальных вычислительных сетей.

14. Иерархическая топология ЛВС и топология типа «звезда» в ЛВС.

15. Шинная топология ЛВС и кольцевая топология ЛВС. Особенности применения.

Топология ЛВС

Топология, т.е. конфигурация соединения рабочих станций и других элементов в ЛВС, важнее чем другие характеристики сети, потому что топология определяет многие важные свойства сети, например такие, как надежность и производительность. Можно делить топологии на два основных класса: широковещательные("broadcasting") ипоследовательные("routing").

• а. Вшироковещательныхконфигурациях каждый ПК передает сигналы по сети, которые могут быть восприняты остальными ПК. К таким конфигурациям относятся:общая шина,дерево, извезда с пассивным центром("passive hub").

Общая шина – основной тип широковещательной конфигурации, позволяя значительно упростить логическую и программную структуру ЛВС. Ее основными достоинствами являются простота расширения сети, простота используемых методов управления, возможность работать без централизованного управления, минималбный расход кабеля. Она – пассивная среда и поэтому обладает очень высокой надежностью.

Дерево представляет собой более развитый вариант конфигурации типа шина. Оно образуется путем соединения нескольких шин посредством пассивными или активными повторителями ("hubs"). Оно обладает необходимой гибкостью для того, чтобы охватить средствами ЛВС несколько этажей в здании или несколько зданий на одной территории. При наличии активныхповторителей отказ одного сегмента не приводит к выходу из строя всех остальных.

Звезда можно рассматривать как дерево, имеющее корень с ответвлениями к каждому подключенному устройству. Звездообразные ЛВС обычно менее надежны, чем сети типа шина или дерево, но могут быть защищены от нарушений в кабеле с помощью центрального реле, которое отключает вышедшие из строя кабельные лучи. Топология "звезда" требует больше кабеля, чем шина или дерево.

• б. Впоследовательныхконфигурациях каждый физический подуровень передает информацию только одному ПК. К ним относятся:произвольная, иерархическая,кольцо, цепочка,звезда с "интеллектуальным" центром ("active hub") и снежинка.

Наиболее простой путь построения ЛВС – произвольное или непосредственное соединение всех устройств посредством кабеля от одного к другому. Каждая линия смогла бы использовать в принципе различные интерфейсы и методы передачи, завися от харектеристик соединяемых устройств. Основные преимущества данного метода состоит из необходимости соединения только на физическом уровне, а также простоты программного соединения. Но есть и недостатки: высокая стоимость из-за большого числа каналов и нужды маршрутизации данных к каждому принимающему устройству.

Другой способ соединения абонентских систем, иерархический, довольно распространен при небольшом числе рабочих станций, работает по принципу "накопи и передай" ("store and forward"). Основные преимущества этого метода состоит из возможности оптимального соединения ЭВМ в сети. А недостатки связаны со сложностью программного обеспечения ЛВС и снижением скорости передачи информации между уровнями, потому что каждый уровень накопляет и передает информацию на высший уровень.

Наиболее распространенные последовательные конфигурации – "кольцо", "цепочка", "звезда" с активным центром, "снежинка". В конфигурации "кольцо", где пакет совершает полный круг, возвращаясь снова к станции-отправителю, получатель в ходе обработки пакета может установить некоторый индикатор, подтверждая, что он получил пакет. Часто получатель возвращает только заголовку первого пакета, чтобы уменьшить поток данных на сети. Поскольку любая станция может выйти из строя и пакет может не попасть по назначению, обычно бывает необходим специальный "сборщик мусора" ("garbage collector"), который опознает и уничтожает такие "заблудившиеся" пакеты.

Только кольцо может работать в одном направлении. Все остальные топологии должны обеспечивать передачу сигналов в обоих направлениях, но это усложнает управление сети и повышает ее цену. Оптоволоконные соединители обычно передают информацию только в одну сторону. Поэтому топология "кольцо" стала самой предпочитаемой из всех конфигурацией.

Топология типа звездаКонцепция топологии локальной вычислительной сети в виде звезды пришла из области больших ЭВМ, в которой головная машина получает и обрабатывает все данные с периферийных устройств как активный узел обработки данных. Этот принцип применяется в системах передачи данных, например, в электронной почте RELCOM. Вся информация между двумя периферийными рабочими местами проходит через центральный узел локальной вычислительной сети. Пропускная способность локальной вычислительной сети определяется вычислительной мощностью узла и гарантируется для каждой рабочей станции. Коллизий (столкновений) данных не возникает. Кабельное соединение довольно простое, так как каждая рабочая станция связана с узлом. Затраты на прокладку кабелей высокие, особенно когда центральный узел географически расположен не в центре топологии локальной вычислительной сети. При расширении локальных вычислительных сетей не могут быть использованы ранее выполненные кабельные связи: к новому рабочему месту необходимо прокладывать отдельный кабель из центра локальной вычислительной сети. Топология в виде звезды является наиболее быстродействующей из всех топологий локальных вычислительных сетей, поскольку передача данных между рабочими станциями проходит через центральный узел (при его хорошей производительности) по отдельным линиям, используемым только этими рабочими станциями. Частота запросов передачи информации от одной станции к другой невысокая, по сравнению с достигаемой в других топологиях. Производительность локальной вычислительной сети в первую очередь зависит от мощности центрального файлового сервера. Он может быть узким местом локальной вычислительной сети. В случае выхода из строя центрального узла нарушается работа всей локальной вычислительной сети. Центральный узел управления - файловый сервер может реализовать оптимальный механизм защиты против несанкционированного доступа к информации. Вся локальная вычислительная сеть может управляться из ее центра.Кольцевая топология локальной вычислительной сетиПри кольцевой топологии локальной вычислительной сети рабочие станции связаны одна с другой по кругу, т.е. рабочая станция 1 с рабочей станцией 2, рабочая станция 3 с рабочей станцией 4 и т.д. Последняя рабочая станция связана с первой. Коммуникационная связь замыкается в кольцо. Прокладка кабелей от одной рабочей станции до другой может быть довольно сложной и дорогостоящей, особенно если географически рабочие станции расположены далеко от кольца (например, в линию). Сообщения циркулируют регулярно по кругу. Рабочая станция посылает по определенному конечному адресу информацию, предварительно получив из кольца запрос. Пересылка сообщений является очень эффективной, так как большинство сообщений можно отправлять “в дорогу” по кабельной системе одно за другим. Очень просто можно сделать кольцевой запрос на все станции. Продолжительность передачи информации увеличивается пропорционально количеству рабочих станций, входящих в локальную вычислительную сеть. Основная проблема при кольцевой топологии заключается в том, что каждая рабочая станция должна активно участвовать в пересылке информации, и в случае выхода из строя хотя бы одной из них вся локальная вычислительная сеть парализуется. Неисправности в кабельных соединениях локализуются легко. Подключение новой рабочей станции требует кратко срочного выключения локальной вычислительной сети, так как во время установки кольцо должно быть разомкнуто. Ограничения на протяженность локальной вычислительной сети не существует, так как оно, в конечном счете, определяется исключительно расстоянием между двумя рабочими станциями.Структура логической кольцевой цепи локальной вычислительной сетиСпециальной формой кольцевой топологии является логическая кольцевая локальная вычислительная сеть. Физически она монтируется как соединение звездных топологий. Отдельные звезды включаются с помощью специальных коммутаторов (англ. Hub -концентратор), которые по-русски также иногда называют “хаб”. В зависимости от числа рабочих станций и длины кабеля между рабочими станциями применяют активные или пассивные концентраторы. Активные концентраторы дополнительно содержат усилитель для подключения от 4 до 16 рабочих станций. Пассивный концентратор является исключительно разветвительным устройством (максимум на три рабочие станции). Управление отдельной рабочей станцией в логической кольцевой локальной вычислительной сети происходит так же, как и в обычной кольцевой локальной вычислительной сети. Каждой рабочей станции присваивается соответствующий ей адрес, по которому передается управление (от старшего к младшему и от самого младшего к самому старшему). Разрыв соединения происходит только для нижерасположенного (ближайшего) узла локальной вычислительной сети, так что лишь в редких случаях может нарушаться работа всей локальной вычислительной сети.Шинная топология локальной вычислительной сетиПри шинной топологии среда передачи информации представляется в форме коммуникационного пути, доступного для всех рабочих станций, к которому они все должны быть подключены. Все рабочие станции могут непосредственно вступать в контакт с любой рабочей станцией, имеющейся в локальной вычислительной сети. Рабочие станции в любое время, без прерывания работы всей локальной вычислительной сети, могут быть подключены к ней или отключены. Функционирование локальной вычислительной сети не зависит от состояния отдельной рабочей станции.

Под базовыми мы будем понимать топологические конструкции, которые обладают принципиально различными свойствами. В качестве базовых топологий современных сетей выступают: "звезда", "кольцо", "шина" и полносвязная топология, называемая также топологией полного графа (см. рис. 1). Отметим, что в математике дополнительным к полному графу считают безреберный граф, - то есть граф, в котором ребер нет вообще; а дополнительным к графу, соответствующему кольцевой топологии, является опять-таки "кольцевой" граф (во всяком случае, это справедливо для случая пятивершинного графа, что и проиллюстрировано на рис. 1).

При этом от выбранной логической топологии будет зависеть выбор метода управления доступом к среде передачи (например, Ethernet или Token Ring), на основе которого будет функционировать ваша сеть, а также тип физической среды передачи данных.

"Звезда" наиболее часто используется в сетях, состоящих из миникомпьютеров, и в сетях Arcnet. "Кольцо" популярно в сетях Token Ring, топология шины используется в сети Ethernet. Полносвязная топология обычно используется в многомашинных комплексах или глобальных сетях при небольшом числе компьютеров. Кроме того, полносвязная топология применяется в радиосетях определенного типа - в тех, где применяются всенаправленные антенны, и которые работают в режиме циркулярной связи.

Логическая схема сети может отличаться от физической. Логическая топология определяет электрическую цепь для прохождения сигналов; физическая схема устанавливает, как размещаются кабели, концентраторы и узлы. Например, сеть Ethernet должна иметь логическую топологию шины. Однако она может быть физически сконфигурирована как "шина" или "звезда". Сеть Token Ring имеет логическую топологию кольца, но физически сконфигурирована как "звезда". FDDI - логическое "кольцо", а физически сконфигурирована как "кольцо" или как "звезда".

Вообще говоря, большинство сетей должны иметь логическую полносвязную топологию, то есть обеспечивать связь типа "каждый с каждым". Число таких связей в сети с n оконечными узлами равно числу сочетаний из n по 2, то есть n(n-1)/2. Реализовать такую топологию физически крайне трудно, вследствие чего на физическом уровне применяются другие базовые топологии, допускающие возможность передачи информации между двумя оконечными узлами через некоторый промежуточный узел.

Перед подробным рассмотрением основных типов топологий оговорим маленькую деталь - число узлов в сети. Дело в том, что при наличии только двух узлов ни о какой топологии речи быть не может - все базовые топологии изображаются одним и тем же графом с двумя вершинами и одним ребром. При трех узлах "шина" совпадает со "звездой", а кольцевая топология - с полносвязной. И только при четырех и более узлах сети с различными топологиями будут отличаться друг от друга существенным образом.

Базовые топологии используются при построении реальных сетей, в которых могут применяться различные комбинированные варианты базовых топологий. При этом базовые топологии, как правило, лежат в основе построения отдельных сегментов или подсетей общей сети. Такие топологии принято называть смешанными.

"Звезда"

До недавнего времени звездообразная топология, по большей части, лежала в основе сетей, состоящих из миникомпьютеров и мэйнфреймов. Такие сети обычно состоят из системы терминалов или ПК, причем каждый из них соединен с центральным процессором.

В настоящее время звездообразная топология является в основном топологией физической. Но зато очень часто локальные сети, имеющие другую логическую топологию (например, "шину" или "кольцо"), физически соединены именно в виде "звезды". Наглядным примером звездообразной топологии может также являться телефонная сеть с одной АТС, где все абоненты подключены к АТС, которая является центральным узлом сети.

Такое решение объясняется наилучшей устойчивостью работы сети с формой "звезды" по сравнению с другими основными топологиями. Так, в сети со звездообразной топологией отказ одного узла приведет к нарушению работы только в том случае, если это - центральный узел, обычно являющийся концентратором. Чтобы предотвратить возникновение такой ситуации, иногда используют резервирование с помощью центрального компьютера, подключенного параллельно. Кроме того, звездообразная топология позволяет добавлять и удалять узлы сети, не нарушая ее работы.

Звездообразная топология идеальна для глобальных сетей, в которых удаленные офисы должны связываться с центральным офисом. Также преимуществом звездообразной топологии является то, что она не только позволяет централизовать основные сетевые ресурсы, такие как концентраторы или оборудование согласования линии передачи, но и дает сетевому администратору центральный узел для сетевого управления. В сети с такой топологией легко находить неисправные узлы сети. Однако звездообразная сеть требует значительных затрат на кабельное хозяйство.

Каскадная "звезда". Топология каскадной "звезды" - физическая топология сети, представляющая собой "звезду", один или несколько лучевых узлов которой являются центральными узлами других "звезд".

Использование модульного многопортового повторителя (также известного как хаб, или концентратор) с сетью Ethernet позволяет создавать большие сети, построенные в виде каскадной "звезды". В такой структуре один централизованный многопортовый повторитель служит центральным узлом для многих других повторителей и, в сущности, создает ряд звездообразных сетей Ethernet (см. рис. 2).

Витая пара сети Ethernet часто используется при построении сетей в виде каскадной "звезды". В такой сети модульные многопортовые повторители соединены друг с другом и с центральным повторителем. Использование модульных многопортовых повторителей позволяет соединять в одной большой сети звездообразную и шинообразную организацию. При этом модульный повторитель должен принимать модули, которые обеспечивают совместимость с сетью Ethernet.

Распределенная "звезда". Топология распределенной "звезды" является физической топологией, включающей два концентратора или более, каждый из которых выступает в качестве центра звезды (см. рис. 2). Хорошим примером такой топологии может служить сеть Arcnet, имеющая, по крайней мере, один активный концентратор и один или более пассивных концентраторов.

Иерархическая "звезда". В иерархических топологиях используются несколько уровней концентраторов. Так, в топологии сети "иерархическая звезда" один уровень организуется для соединения с пользователями и серверами, а второй уровень функционирует в качестве общей магистрали передачи данных.

"Кольцо"

Рассматривая топологию "кольцо", нужно сразу оговорить различия между физической и логической топологиями.

При логической топологии кольца пакеты распространяются последовательно от узла к узлу в заранее определенном порядке. Узлы образуют замкнутый круг и, таким образом, узел, отправивший пакет, является последним из узлов, который его получит. Сети Token Ring являются лучшим примером логической топологии кольца.

Физическая топология кольца предполагает такую организацию сети, в которой каждый из узлов соединен с двумя другими, образуя замкнутый круг. Информация пересылается лишь в одном из направлений таким образом, что существует жесткая связь между каждым из узлов и двумя другими, один из которых передает ему пакеты, а другой получает их от него.

Физическая топология кольца обладает существенными недостатками: если в работе какого-либо из узлов произошел сбой, то работа всей сети будет парализована; локализация неисправностей из-за осуществления коммуникаций лишь в одном направлении представляет собой трудную задачу; добавление или удаление узла разрушает сеть. Из-за указанных недостатков такая физическая топология встречается довольно редко. Так, в частности, стандарт Token Ring компании IBM предусматривает логическую топологию - "кольцо", а физическую - "звезда" (см. рис. 3).

Несмотря на то, что физически это "звезда", архитектура Token Ring фирмы IBM логически (то есть с точки зрения прохождения электрических сигналов) выполнена в виде кольца. Стрелками на этом рисунке показаны траектории движения пакетов вдоль кольца от одной станции к другой.

В стандарте IEEE 802.5 для определения очередности передачи информации используется короткое соединение - маркер (token), который по очереди передается от станции к станции (в отечественной литературе маркер иногда называют эстафетой). Если станция не желает ничего передавать, она просто передает "свободный" маркер следующей станции. "Занятый" же маркер циркулирует по сети до тех пор, пока не достигнет адресата, а затем возвращается к передававшей станции (узлу), которая удаляет сообщение и отправляет в сеть "свободный" маркер.

В сети Token Ring узлы подключаются к одному концентратору - модулю множественного доступа (MSAU - Multi Station Access Unit), иногда называемому модулем доступа к среде (MAU - Media Access Unit). В однонаправленном логическом кольце MSAU передает маркер от станции к станции по звездообразному маршруту.

В сети с передачей маркера заложены некоторые функции отказоустойчивости. Например, один из компьютеров, назначенный на роль монитора, способен "отлавливать" маркеры, бесконечно циркулирующие из-за неполадок с передающим устройством. Кроме того, все компьютеры кольца участвуют в локализации неполадок сети благодаря процессу "испускания маяка" (beaconing), когда заподозривший неполадку посылает по сети специальный сигнал-маяк (beacon).

Время владения разделяемой средой в сети Token Ring ограничивается временем удержания маркера (token holding time), по истечении которого станция обязана прекратить передачу собственных данных и передать маркер далее по кольцу.

Иерархическое "кольцо". В иерархических кольцах используется тот же принцип разных уровней концентраторов, что и в иерархических "звездах", только в этом случае применяется базовая топология "кольцо", а не "звезда".

Двойное "кольцо". Представителем физической и логической топологии сети "двойное кольцо" является стандарт FDDI (Fiber Distributed Data Interface), использующий оптоволоконную среду передачи данных. Стоит отметить, что технология FDDI не предусмотрена для уровня пользователей. Иначе говоря, если вернуться к ранее описанной иерархической структуре сети, FDDI будет верхним уровнем, объединяющим концентраторы.

Особенность FDDI, по сравнению с обычным "кольцом", заключается в использовании двух "колец": внутреннего и внешнего. При штатном режиме работы используется только внешнее "кольцо". При аварии одной из станций внешнее и внутреннее "кольца" замыкаются в одно "кольцо". Доступ же к разделяемой среде передачи остается прежним - через маркер.

"Шина"

Пример топологии "шины" - соединение всех рабочих станций на коаксиальный кабель через специальный разъем, выполненный по схеме "монтажное ИЛИ".

В физической топологии шины все сетевые узлы (станции) равноправно соединены между собой с помощью открытого (open ended) кабеля. Этот кабель может поддерживать только один канал и называется "шиной" (bus). Оба конца кабеля должны оканчиваться резистивной нагрузкой, называемой оконечным резистором или терминатором (terminating resister), - для предотвращения отражения сигналов (signal bouncing). Если терминатора нет, то сигнал, дойдя до конца кабеля, меняет свое направление. В результате одна передача может полностью захватить всю полосу пропускания сети и препятствовать передачам от других станций.

Логическая топология шины предусматривает распространение пакетов таким образом, что сообщение получают все узлы, и каждый узел проверяет, не ему ли адресовано сообщение.

Положительными сторонами топологии шины являются: незначительная протяженность кабельных соединений, наиболее простая схема монтажа; простота в отключении и подключении станции к сети. Архитектуры, основанные на топологии общей шины, являются наиболее простыми и гибкими. Недостатки этой топологии следующие: затруднения при диагностике и техническом обеспечении; при интенсивном трафике станциям придется ожидать длительное время, чтобы получить доступ к полосе пропускания.

Примером топологии шины является стандарт Ethernet, который в настоящее время является самым распространенным стандартом для локальных сетей. Существует множество стандартов Ethernet. Стандарт Ethernet, выпущенный в 1975 г., сегодня практически не используется. Ethernet 2 (Ethernet DIX) IEEE 802.3 в литературе обычно обозначается просто как Ethernet.

Следующий перечень стандартов различается, в основном, используемой средой передачи: Ethernet 10Base-5, 10Base-2 - коаксиальный кабель; 10Base-FOIXL, 10Base-FL, 10Base-FB - волоконно-оптический кабель; 10Base-T использует витую пару и предусматривает физическую топологию "звезда".

Более новые версии: Fast Ethernet и Gigabit Ethernet, вызвавшие включение в IEEE 802.3 дополнительных разделов 802.3u и 802.3z соответственно. Fast Ethernet имеет физическую топологию - иерархическую древовидную структуру на концентраторах разного уровня. Fast Ethernet предусматривает использование в качестве среды витой пары (стандарт 100Base-TX и 100Base-TH) и оптического волокна (стандарт 100BaseFX). В Gigabit Ethernet средой передачи данных служит оптическое волокно (см. таблицу).

Новым словом в этой области является стандарт 100VG-AnyLAN. Его главное отличие от стандарта Ethernet заключается в поддержке двух технологий - Ethernet и Token Ring.