Информатика в техническом университете / Информатика в техническом университете. Телекоммуникации и сети

3. Принципы построения локальных сетей ЭВМ

Затем кадр передается через соответствующий порт узлу, который имеет адрес, совпадающий с адресом назначения кадра (этап 5, этап 7). В это же время концентратор перестает посылать сигнал «Поступление кадра» и начи­ нает генерировать сигналы «Простой» всем остальным узлам. Эти узлы те­ перь могут посылать запросы на передачу своих кадров концентратору (этап 6).

Технология Token Ring

Сеть Token Ring разработана компанией IBM в 1970 г. Она по-прежнему является основной технологией ЮМ для локальных сетей. Фактически по об­ разцу Token Ring ЮМ была создана спецификация ШЕЕ 802.5, которая почти идентична и полностью совместима с сетью Token Ring. Термин «Token Ring» обычно применяется как при ссылке на сеть Token Ring ЮМ, так и на сеть ШЕЕ 802.5.

Сети Token Ring и ШЕЕ 802.5 являются примерами сетей с передачей мар­ кера. Сети с передачей маркера перемещают вдоль сети небольшой блок дан­ ных, называемый маркером. Владение этим маркером гарантирует право пе­ редачи. Если узел, принимающий маркер, не имеет информации для отправки, он просто переправляет маркер к следующей конечной станции. Каждая стан­ ция может удерживать маркер в течение определенного времени.

Если у станции, владеющей маркером, есть информация для передачи, она захватывает маркер, изменяет у него один бит (в результате чего маркер пре­ вращается в последовательность «начало блока данных»), дополняет инфор­ мацией, которую он хочет передать и, наконец, отсылает эту информацию к следующей станции кольцевой сети. Когда информационный блок циркулирует по кольцу, маркер в сети отсутствует (если только кольцо не обеспечивает «ран­ него освобождения маркера» - Early Token Release), поэтому другие станции, желающие передать информацию, вьшуждены ожидать. Следовательно, в се­ тях Token Ring не может бьпъ коллизий. Если обеспечивается раннее высвобожде1ше маркера, то новый маркер может быть вьшущен после завершения передачи блока данных.

Информационный блок циркулирует по кольцу, пока не достигнет предпола­ гаемой станции назначения, которая копирует информацию для дальнейшей обработки. Информационный блок продолжает циркулировать по кольцу; он удаляется после достижения станции, отославшей этот блок. Станция отправ­ ки может проверить вернувшийся блок, чтобы убедиться, что он бьш просмот­ рен и затем скопирован станцией назначения.

В отличие от сетей CSMA/CD (например, Ethernet) сети с передачей мар­ кера являются сетями с детерминированным методом доступа. Это означает, что можно вычислить максимальное время, которое пройдет, прежде чем лю­ бая конечная станция сможет передавать. Это предсказуемое значение мак­ симального времени делает сеть Token Ring идеальной для применений, где задержка должна бьггь известна и важна устойчивость функционирования сети. Примерами таких применений является среда автоматизированных станций на заводах.

210

3.2. Технологии локальных сетей

Технология Token Ring обеспечивает скорости передачи 4 Мбит/с или

16Мбит/с.

Всетях Token Ring со скоростью передачи 16 Мбит/с используется алго­ ритм доступа к кольцу, называемый алгоритмом раннего освобождения марке­ ра (Early Token Release). В соответствии с ним станция передает маркер дос­ тупа следующей станции сразу же после окончания передачи последнего бита кадра, не дожидаясь возвращения по кольцу этого кадра с битом подтвержде­ ния приема. В этом случае пропускная способность кольца используется более эффективно и приближается к 80 % от номинальной. Время удержания одной станцией маркера ограничивается тайм-аутом, после истечения которого станция обязана передать маркер далее по кольцу.

Не все станции в кольце равнозначны. Одна из станций обозначается как активный монитор, что означает дополнительную ответственность по управле­ нию кольцом. Активный монитор осуществляет управление тайм-^^ом в кольце, порождает новые маркеры (если необходимо), чтобы сохранить рабочее со­ стояние, и генерирует диагностические кадры при определенньпс обстоятель­ ствах. Активный монитор выбирается, когда кольцо инициализируется, и в этом качестве может выступить любая станция сети.

Всетях Token Ring используются три основных типа кадров (рис. 3.16): Data/Command Frame (кадр управления/данные).

Token (маркер), Abort (кадр сброса).

SD (Start Delimiter) - поле начального ограничителя. Оно появляется в нача­ ле маркера, и в начале любого кадра, проходящего по сети. Поле состоит из уникальной серии электрических импульсов, отличающихся от импульсов, ко­ торыми кодируются единицы и нули в байтах данных. Поэтому начальный ог­ раничитель нельзя спутать ни с какой битовой последовательностью.

АС (Access Control) - поле управления доступом. Содержит поле приорите­ та Р (3 бит), поле маркера Т (1 бит), поле монитора М (1 бит) и резервное поле R (3 бит). Назначение этих полей Р, Т и М следующее.

• поле Р (Priority) определяет уровень приоритета кольца: чем больше зна­ чение Р, тем вьппе уровень приоритета;

Рис. 3.16. Форматы кадров Token Ring:

цифры обозначают длины полей кадров в байтах

211

3.Принципы построения локальных сетей ЭВМ

•поле Т (Token). Значение поля равно 1, если это кадр Data/Command Frame,

иО, если это кадр Token;

•поле М (Monitor). Бит монитора устанавливается в «1» активным монито­ ром и в «О» любой другой станцией, передающей маркер или кадр. Если актив­ ный монитор видит маркер или кадр, содержащий бит монитора в «1», то ак­ тивный монитор знает, что этот кадр или маркер уже однажды обошел кольцо

ине был обработан станциями. Если это кадр, то он удаляется из кольца. Если это маркер, то активный монитор переписывает приоритет из резервных битов полученного маркера в поле приоритета. Поэтому при следующем проходе мар­ кера по кольцу его захватит станция, имеющая наивысший приоритет.

FC (Frame Control) - поле кадра управления. Для кадра управления в этом поле содержится команда управления. Это может быть команда инициализа­ ции кольца, команда проверки адресов устройств и т. п.

DA (Destination Address) - адрес приемника. Это может быть broadcastmulticastили шlicast-aдpec.

SA (Som'ce Address) - адрес источника.

Пакет - это данные, сформированные ка1сим-либо протоколом (например, IPX). Максимальная длина пакета зависит от загрузки сети. При большой заг­ рузке сети, когда многие станции имеют данные для передачи, интервал вре­ мени между получениями маркера станцией будет увеличиваться. В такой си­ туации станции автоматически уменьшают максимальный размер пакета, поэтому каждая станция будет передавать свои данные за более короткий про­ межуток времени и, следовательно, уменьшится время получения (ожидания) маркера или время доступа станции к среде. Когда загрузка сети уменьшает­ ся, максимальный размер пакета динамически увеличивается. Этот механизм позволяет устойчиво работать сети Token Ring при пиковых нагрузках.

FCS (Frame Check Sequence) - контрольная сумма, вьгшсленная для полей FC, DA, SA, Пакет.

ED (End Delimiter) - конечный ограничитель кадра. Так же, как и поле на­ чального ограничителя, это поле содержит уникальную серию электрических импульсов, которые нельзя спутать с данными. Кроме отметки конца маркера такое поле также содержит два подполя: один бргг в этом подполе использует­ ся для индикации, что этот кадр является последним в логической цепочке, еще один бит изменяется приемником при обнаружении ошибки после сравне­ ния контрольной суммы со значением в поле FCS.

FS (Frame Status) - поле статуса кадра. Данное поле состоит из полей А (Address Resolution) и С (Frame Copied). Передающая станция устанавливает эти поля в «О», а принимающая станция изменяет их в соответствии с результа­ тами приема кадра и ретранслирует кадр дальше по сети. Когда кадр возвра­ щается на станцию-передатчик, выполняется проверка полей А и С (табл. 3.7), и кадр удаляется из кольца.

212

Рассмотрим механизм действия приоритетного маркерного кольца. Стан­ ция может воспользоваться кольцом, если только она получила маркер с при­ оритетом, меньшим или равным, чем ее собственный. Сетевой адаптер стан­ ции, если ему не удалось захватить маркер, помещает свой приоритет в резервные биты R маркера, но только в том случае, если записанный в резер­ вных битах приоритет ниже его собственного. Эта станция будет иметь пре­ имущественный доступ при последующем поступлении к ней маркера.

Предположим, что станции WSp WS^ и WS3 связаны в кольцо и имеют при­ оритеты 2, 5 и 4 соответственно. Сначала монитор помещает в поле текущего приоритета Р максимальное значение приоритета Р = 7, а поле резервного при­ оритета R обнуляется. Маркер проходит по кольцу, в котором станции имеют текущие приоритеты 2,5 и 4. Так как эти значения меньше, чем 7, то захватить маркер станции не могут, но они записывают свое значение приоритета в поле резервного приоритета, если их приоритет вьппе его текущего значения. В ре­ зультате маркер возвращается к монитору со значением резервного приорите­ та R = 5. Монитор переписьгоает это значение в поле Р, а значение резервного приоритета обнуляет, и снова отправляет маркер по кольцу. При этом обороте его захватьюает станция с приоритетом 5 - наивысшим приоритетом в кольце в данный момент времени. Передав данные, WS2 сформирует и передаст кадр Token с приоритетом 5. Если ни одна станция в сети не имеет данных с таким приоритетом, то монитор сформирует маркер с полем Р равным текущему зна­ чению резервного приоритета R (в нашем случае 4). Станция WS3 захватит маркер и начнет передавать данные.

Пусть у станции WS^ тоже появились данные для передачи. В это время через нее проходит кадр (данные от WS3), где в поле АС установлен приоритет 4 (поле Р). Тогда WS2 запоминает старое значение Р равное 4, и устанавливает в Р значение своего приоритета, равное 5, т. е. присваивает кольцу более высо­ кий уровень приоритета и ретранслирует кадр дальше. По кольцу этот кадр возвращается к станции-отправителю WS3, она удаляет из кольца свой кадр и, обнаружив в поле Р значение 5, формирует кадр Token (маркер) со значением поля Р, равным 5, и направляет этот кадр по кольцу. Таким образом, станция WS^ вновь получит право на передачу, поскольку у нее самый высокий приори­ тет. Передав данные, станция WS2 «вспомнит», что в свое время увеличила приоритет, и восстановит его равным 4. Затем маркер с приоритетом 4 будет передан в сеть.

213

3. Принципы построения локальных сетей ЭВМ

пшшшшп тси

В

тси

Рис. 3.17. Аппаратные элементы сети Token Ring

Кадр сброса состоит из двух байтов, содержащих начальный ограничитель и конечный ограничитель. Прерывающая последовательность может появить­ ся в любом месте потока битов и сигнализирует о том, что текущая передача кадра или маркера отменяется.

В сети Token Ring на уровнях MAC и LLC применяются процедуры без установления связи, но с подтверждением получения кадров. Стандарт Token Ring фирмы ШМ предусматривает построеьше связей в сети как с помощью непосредственного соединения станций друг с другом, так и образование коль­ ца с помощью концентраторов (назьюаемых MAU - Media Attachment Unit или MSAU - Multi-Station Access Unit). Ha рис. 3.17 показаны основные ап­ паратные элементы сети Token Ring и способы их соединения. Станции yi, В, С и D подключаются к кольцу через концентраторы. Обычно такими станциями являются компьютеры с установленными в них сетевыми адаптерами. Стан­ ции этого типа соединяются с концентратором ответвительным кабелем (lobe cable), который обычно является экранированной витой парой (STP - Shielded Twisted Pair), соответствующей стандартному типу кабеля из кабельной сис­ темы IBM (Туре 1, 2, 6, 8, 9). Максимальная длина ответвительного кабеля зависит от типа концентратора, кабеля и скорости передачи данных. Обычно для скорости 16 Мбит/с максимальная длина кабеля Туре 1 может достигать 200 м, а для скорости 4 Мбит/с - 600 м. Концентраторы Token Ring делятся на активные и пассивные. Пассивные концентраторы обеспечивают только со­ единения портов внутри концентратора в кольцо, активные выполняют и функ­ ции повторителя, обеспечивая ресинхронизацию сигналов и исправление их амплитуды и формы. Естественно, что активные концентраторы поддержива­ ют большие расстояния до станции, чем пассивные.

214

3.2. Технологии локальных сетей

Станции Е и F-сети соединены в кольцо непосредственными связями, назы­ ваемыми магистральными (trunk cable), и используются для соединения кон­ центраторов друг с другом для образования общего кольца. Порты концентра­ торов, предназначенные для такого соедине1шя, называют портами Ring-In и Ring-Out.

Для предотвращения влияния отказавшей или отключенной станции на ра­ боту кольца, станции подключаются к магистрали кольца через специальные устройства, называемые устройствами подключения к магистрали (TCU - Trunk Coupling Unit). В функции такого устройства входит образование об­ ходного пути, исключающего заход магистрали в МАС-узел станции при ее отключении или отказе. Обычно для этих целей в TCU используются реле, которые подпитьюаются постоянным током во время нормальной работы. При пропадании тока подпитки контакты реле переключаются и образуют обходной путь, исключая станцию.

При подключении станции в кольцо через концентратор, устройства TCU встраивают в порты концентратора. В одном кольце может быть до 250 стан­ ций.

Кроме экранированной витой пары существуют сетевые адаптеры и концентра­ торы Token Ring, поддерживающие неэкранированную витую пару и оптоволокно.

Технология сетей ARCNet

При подключении устройств в ARCNet применяют топологию «шина» или «звезда». Адаптеры ARCNet поддерживают метод доступа Token Bus (мар­ керная шина) и обеспечивают производительность 2,5 Мбит/с. Этот метод пре­ дусматривает следующие правила:

•все устройства, подключенные к сети, могут передавать данные, только получив разрешение на передачу (маркер);

•в любой момент времени только одна станция в сети обладает таким пра­

вом;

•кадр, передаваемый одной станцией, одновременно анализируется всеми остальными станциями сети.

Всетях ARCNet используется асинхронный метод передачи данных (в Ethernet и Token Ring - синхронный метод), т. е. передача каждого байта в них вьшолняется посьшкой ISU (Information Symbol Unit - единица передачи инфор­ мации), состоящей из трех служебных старт/стоповых битов и восьми битов данных.

ВARCNet определены 5 типов кадров (рис. 3.18 цифры обозначают длины полей кадров в байтах.):

•кадр ITT (Invitations То Transmit) - приглашение к передаче. Эта посьшка передает управление от одного узла сети другому. Старщия, принявшая такой кадр, получает право на передачу данных;

•кадр FBE (Free Buffer Enquiries) - запрос о готовности к приему данных. Этим кадром проверяется готовность узла к приему данных;

•кадр DATA - с его помощью передается пакет данных;

215

Пакет 1-508

CRC

Рис. 3.18. Типы кадров для сетей ARCNet:

АВ (Alert Burst) - начальный разделитель (вьшолняет функции преамбулы кадра); EOT (End OfTransmit) - символ конца передачи; DID (Destination Identification) - адрес прием­ ника (ID-приемника). Если в поле заносится значение OOh, то кадр обрабатьшается всеми станциями; ENQ (ENQuiry) - символ запроса о готовности к приему данных; SOH (Start Of Header) - символ начального заголовка; 8ГО (Source Identification) - адрес источника (ГОисточника); COUNT = 512-N, где Л^- длина пакета, байт; CRC - контрольная сумма; АСК (ACKnowledgments) - символ готовности к приему данных; NAK (Negative ACKnowledgments)

-символ неготовности к приему данных

•кадр АСК (ACKnowledgments) - подтверждение приема. Подтверждение готовности к приему данных (ответ на FBE) или подтверждение приема кадра DATA без шибок (ответ на DATA);

•кадр NAK (Negative ACKnowledgments) - неготовность к приему. Него­ товность узла к приему данных (ответ на FBE) или принят кадр с ошибкой (ответ на DATA).

Рассмотрим технологию сетей ARCNet на примере метода доступа Token Bus.

Все станции в сети ARCNet определяются 8-битовым ID (Identification - физический адрес сетевого адаптера). Этот адрес устанавливается переклю­ чателями на плате. Очередность передачи данных определяется физическими адресами станций (Ш). Первой является станция с наибольшим адресом, за­ тем следует станция с наименьшим адресом, далее - в порядке возрастания адресов. Каждая станция знает адрес следующей за ней станции (NextID или NID). Этот адрес определяется при вьшолнении процедуры реконфигурации системы. Выполнив передачу данных, станция передает право на передачу

216

3.2. Технологии локальных сетей

данных следующей станции при помощи кадра ITT, при этом в поле DID уста­ навливается адрес NID. Следующая станция передает данные, затем кадр ITT и т. д. Таким образом, каждой станции предоставляется возможность пере­ дать свои данные. Предположим, что в сети работают станции с физическими адресами 3,11, 14, 35, 126. Тогда маркер на передачу (кадр ITT) будет переда­ ваться в следующей последовательности: 126->3—>11->14->35-^126-^3 и т. д.

Для передачи пакета станция сначала должна получить маркер. Получив маркер, узел посылает кадр РВЕ той станции, которой должны быть передавы данные. Если станция-приемник не готова, она отвечает кадром NAK, в про­ тивном случае - АСК. Получив АСК, узел, владеющий маркером, начинает передавать кадр DATA. После отправки кадра передатчик ожидает ответ в течение 75,6 мкс. Если получен ответ АСК, то передатчик передает маркер следующей станции. Если получен ответ NAK, то передатчик повторно пере­ дает приемнику кадр DATA. Затем вне зависимости от ответа маркер переда­ ется следующей станции.

Каждая станция начинает принимать кадр DATA, обнаружив передачу на­ чального разделителя АВ. Затем она сравнивает значение адреса DID со сво­ им адресом. Если адреса одинаковы или пришел broadcast-кадр, даьшые запи­ сываются в буфер станции, если нет - кадр игнорируется. Кадр считается нормально принятым, если он принят полностью и контрольная сумма совпада­ ет со значением в поле CRC. Получив нормальный кадр DATA, станция пере­ дает ответ АСК. Если при приеме обнаружена ошибка, то передается ответ NAK. В ответ на широковещательный кадр DATA кадры АСК и NAK не пере­ даются.

Рассмотрим теперь вьшолнение реконфигурации сети ARCNet. Реконфигу­ рация сети выполняется автоматически всякий раз при включении новой стан­ ции или при потере маркера. Сетевой адаптер начинает реконфигурацию, если

втечение 840 мс не получен кадр ITT. Это осуществляется посьшкой специ­ ального кадра реконфигурации (Reconfiguration Bm-st). Такой кадр длиннее лю­ бого кадра, поэтому маркер будет разрушен (из-за коллизии) и никакая станция

всети не будет владеть маркером (т. е. правом на передачу). После приема кадра реконфигурации каждая станция переходит в состояние ожидания на вре­ мя, равное 146x(256-ID) мкс. Если по окончании тайм-аута передач по сети не бьшо (а это справедливо только для станции с наибольшим адресом ID), то узел передает кадр ITT с адресом DID, равным собственному ID. Если ни одна станция не ответила, узел увеличивает DID на единицу и повторяет пере­ дачу кадра ITT и т. д. После положительного ответа маркер передается отве­ тившей станции, а ее адрес ID запоминается как адрес следующей станции (NID). Эта операция повторяется, пока маркер не вернется к первому узлу (станции с максимальным адресом). При вьшолнении реконфигурации каждая станция в сети узнает следующую за ней станцию. Таким образом формирует­ ся логическое кольцо, определяющее последовательность передачи маркера.

217

3.2. Технологии локальных сетей

Счетчик

опозданий Q

—>

^мс

Рис.3.20. Поведение таймера времени текущего оборота маркера TRT и счетчика опозданий маркера Late Ct

Управление доступом к кольцу FDDI распределено между его станциями. Каждая станция при прохождении через нее маркера самостоятельно решает, может она его захватить или нет, а если да, то на какое время. Если у станции имеются для передачи синхронные кадры, то она всегда может захватить мар­ кер на фиксированное время, вьщеленное ей администратором. Если же у станции имеются для передачи асинхронные кадры, то условия захвата определяются следующим образом. Станция ведет таймер текущего времени оборота мар­ кера TRT (Token Rotation Timer), а также счетчик количества опозданий мар­ кера Late Ct. Время отсчета таймера TRT равно значению максимального вре­ мени оборота маркера Т Орг, выбранному станциями при инициализации кольца.

Счетчик Late Ct всегда сбрасьюается в нуль, когда маркер проходит через станцию. Если же маркер опаздывает, то таймер достигает значения ТОрг раньше очередного прибытия маркера. При этом таймер обнуляется и начина­ ет отсчет времени заново, а счетчик Late Ct наращивается на единицу, фикси­ руя факт опоздания маркера. При прибьггии опоздавшего маркера (при этом Late Ct = 1) таймер TRT не обнуляется, а продолжает считать, накапливая время опоздания маркера. Если же маркер прибьш раньше, чем истек интер­ вал ТОрг у таймера TRT, то таймер обнуляется в момент прибытия маркера.

На рис. 3.20 приведены различные случаи прибытия маркера. А - Маркер прибьш вовремя, так как таймер TRT не достиг порога Т Орг; таймер TRT перезапускается и начинает считать заново. В - Маркер прибьш вовремя, тай­ мер перезапускается. С - Таймер истек раньше, чем маркер прибьш на стан­ цию; таймер TRT перезапускается, а счетчик опозданий Late Ct наращивается на единицу. D - Маркер прибьш, но опоздал - это отмечает счетчик опозданий Late Ct, равный «1»; счетчик сбрасывается в нуль, но таймер не перезапуска­ ется, так как при приходе маркера счетчик не бьш равен нулю. Е - Маркер прибьш на станцию. Так как он прибьш до истечения таймера и при нулевом

219