Технология локальных сетей 100vg-AnyLan

В качестве альтернативы технологии Fast Ethernet, фирмы AT&T и Hewlett Packard выдвинули проект новой технологии со скоростью передачи данных до 100 Мб/с - l00Base-VG. В этом проекте было предложено усовершенствовать метод доступа с учетом потребности мультимедийных приложений, при этом сохранить совместимость формата пакета с форматом пакета сетей 802.3.

В сентябре 1993 года по инициативе фирм IBM и HP был образован комитет IЕЕE 802.12, который занялся высокоскоростным расширением стандарта IEEE 802.3 (известного также как 100BASE-T, или Ethernet на витой паре) технологии 100BASE-VG. Проект был расширен за счет поддержки в одной сети кадров не только формата Ethernet, но и формата Token Ring. В результате новая технология получила название 100VG-AnyLAN, то есть технология для любых сетей (Any LAN — любые сети), имея в виду, что в локальных сетях технологии Ethernet и Token Ring используются в подавляющем количестве узлов.

Летом 1995 года технология l00VG-AnyLAN получила статус стандарта IEEE 802.12.

100 BASE - VG-AnyLAN - технология построения локальных сетей, поддерживающая форматы данных Ethernet и Token Ring со скоростью передачи 100 Мбит/с по стандартным витым парам и оптоволокну.

Тем не менее, этот протокол не может быть назван разновидностью Ethernet, так как он не использует механизма CSMA/CD управления доступом к среде передачи данных.

В технологии l00VG-AnyLAN определены новый метод доступа Demand Priority.

Метод доступа Demand Priority основан на передаче концентратору функций арбитра решающего проблему доступа к разделяемой среде. Метод Demand Priority повышает коэффициент использования пропускной способности сети за счет введения простого детерминированного метода разделения общей среды, использующего два уровня приоритетов - низкий и высокий. Низкий уровень приоритетов соответствует обычным данным (файловая служба, служба печати и т. п.), а высокий приоритет соответствует данным, чувствительным к временным задержкам (например, мультимедиа). Приоритеты запросов имеют статическую и динамическую составляющие, то есть станция с низким уровнем приоритета, долго не имеющая доступа к сети, получает высокий приоритет.

Структура сети l00vg-AnyLan

Сеть l00VG-AnyLAN состоит из центрального концентратора, называемого также корневым или концентратором уровня 1, и соединенных с ним конечных узлов и других концентраторов.

Корневой концентратор имеет связи с каждым узлом сети, образуя топологии типа звезда, причем петли и ветвления не допускаются. Этот концентратор представляет собой интеллектуальный центральный контроллер, который управляет доступом к сети, постоянно выполняя цикл “кругового” сканирования своих портов и проверяя наличие запросов на передачу кадров от присоединенных к ним узлов. Концентратор принимает кадр от узла, выдавшего запрос, и передает его только через тот порт, к которому присоединен узел с адреса, совпадающего с адресом назначения, указанным в кадре.

Станция, желающая передать пакет, посылает специальный низкочастотный сигнал концентратору, запрашивая передачу кадра и указывая его приоритет.

Если сеть свободна, то концентратор разрешает передачу пакета. После анализа адреса получателя в принятом пакете концентратор автоматически отправляет пакет станции назначения. Если сеть занята, концентратор ставит полученный запрос в очередь, которая обрабатывается в соответствии с порядком поступления запросов и с учетом приоритетов. Если к порту подключен другой концентратор, то опрос приостанавливается до завершения опроса концентратором нижнего уровня. Станции, подключенные к концентраторам различного уровня иерархии, не имеют преимуществ по доступу к разделяемой среде, так как решение о предоставлении доступа принимается после проведения опроса всеми концентраторами опроса всех своих портов.

Рис. 1. Сеть 100VG-AnyLAN

Каждый концентратор и сетевой адаптер 100VG-AnyLAN должен быть настроен либо на работу с кадрами 802.3 Ethernet либо с кадрами 802.5 Token Ring, причем одновременно циркуляция обоих типов кадров не допускается.

Для таких сетей предназначены специальные 100VG-AnyLAN-мосты Token Ring — Ethernet.

Все концентраторы, расположенные в одном и том же логическом сегменте (не разделенном мостами, коммутаторами или маршрутизаторами), должны быть сконфигурированы на поддержку кадров одного типа. Для соединения сетей l00VG-AnyLAN, использующих разные форматы кадров 802.3, нужен мост, коммутатор или маршрутизатор. Аналогичное устройство требуется и в том случае, когда сеть l00VG-AnyLAN должна быть соединена с сетью FDDI или АТM.

Каждый концентратор имеет один “восходящий” (up-link) порт и N нисходящих портов (down-link).

Восходящий порт работает как порт узла, но он зарезервирован для присоединения в качестве узла к концентратору более высокого уровня. Нисходящие порты служат для присоединения узлов, в том числе и концентраторов нижнего уровня. Каждый порт концентратора может быть сконфигурирован для работы в нормальном режиме или в режиме монитора. Порт, сконфигурированный для работы в нормальном режиме, передает только те кадры, которые предназначены узлу, подключенному к данному порту. Порт, сконфигурированный для работы в режиме монитора, передает все кадры, обрабатываемые концентратором. Такой порт может использоваться для подключения анализатора протоколов.

Узел представляет собой компьютер или коммуникационное устройство технологии l00VG -AnyLAN - мост, коммутатор, маршрутизатор или концентратор. Концентраторы, подключаемые как узлы, называются концентраторами 2-го и 3-го уровней. Всего разрешается образовывать до трех уровней иерархии концентраторов.

Стандартом предусмотрено до 1024 узлов в одном сегменте сети, но из-за снижения производительности сети реальный максимум — 250 узлов. Похожими соображениями определяется и максимальное удаление между узлами — 2,5 км.

В соответствии с рекомендациями IEEE 802.ID между двумя узлами одной сети не может быть более семи мостов.

Технология l00VG-AnyLAN поддерживает несколько спецификаций физического уровня, соединяющего концентратор и узел. Первоначальный вариант был рассчитан на четыре неэкранированные витые пары категорий 3, 4, 5 (4-UTP Cat 3, 4, 5).Позже появились варианты физического уровня, рассчитанные на две неэкранированные витые пары категории 5 (2-UTP Cat 5), две экранированные витые пары типа 1 (2-STP Type 1)

или же два оптических многомодовых оптоволокна.

Для кабелей, содержащих четыре неэкранированные витые пары одна пара служит для передачи данных, одна — для разрешения конфликтов; две оставшиеся пары не используются. Очевидно, что передача данных по всем четырем парам даст выигрыш вчетверо.

При работе с экранированными кабелями, характерными для сетей Token Ring, используются две витые пары, но при вдвое большей частоте (благодаря тому, что кабель экранирован). При передаче по такому кабелю каждая пара используется в качестве фиксированного однонаправленного канала. По одной паре передаются входные данные, по другой выходные. Стандартное удаление узлов, на котором гарантируются параметры передачи, — 100 м для пар третьей и четвертой категории и 200 м для пятой.

Допускается использование оптоволоконных пар. Благодаря такому носителю покрываемое расстояние увеличивается до двух километров. Как и в случае экранированного кабеля, используется двунаправленное соединение.

В основе кабельной системы 100VG-AnyLAN лежит технология, называемая передачей сигналов квартетом (quartet signaling) и задействующая все четырe витые пары кабеля.

Результаты сравнения технологии 100VG-AnyLAN с технологиями 10Base-T и 100Base-T

Характеристика	10Base-T	100VG-AnyLAN	100Base-T
Максимальный диаметр сети, м	2500	8000	412
Каскадирование концентраторов	3 уровня	3 уровня	2 уровня и менее
Максимальная длина СКС, м: UTP категорий 3,4 UTP категории 5 STP типа 1 Оптоволокно	100 150 100 2000	100 200 100 2080	100 100 100 412
Производительность, %, при длине сети, м: 100 2500	80 80	95 80	80 Не поддерживается
Поддержка кадров: 802.3 802.5	Да Нет	Да Да	Да Нет
Метод доступа	CSMA/CD	Demand Pnority	CSMA/CD +подуровень согласования

Стек протоколов технологии l00VG-AnyLAN

Уровни справочной модели OSI ISO		Справочная модель IEEE 802.12 (100VG-AnyLAN)
Прикладной					MII – интерфейс, не зависящий от физической среды MDI – интерфейс, зависящий от физической среды Среда передачи
Представительский		LLC
Сеансовый		MAC
Транспортный		PMI
Сетевой			MII
Канальный		PMD
Физический			MDI

Рис. 5.4. Структура стека протоколов технологии

10OVG-AnyLAN

Структура стека протоколов технологии l00VG-AnyLAN согласуется с архитектурными моделями OSI/ISO и IEEE, в которых канальный уровень разделен на подуровни. Стек протоколов технологии l00VG-AnyLAN состоит из подуровня доступа к среде (Media Access Control, MAC), подуровня, независящего от физической среды (Physical Media Independent, PMI) и подуровня, зависящего от физической среды (Physical Media Dependent,PMD).

Спецификация l00VG-AnyLAN определяет структуру стека протоколов данного стандарта, согласованную с эталонной моделью OSI, выделяя несколько подуровней по степени их функциональности. Подобно другим стандартам IEEE 802, подуровень управления логической связью (LLC, logical link control) является вершиной функциональности канального уровня узла, ниже которого располагается подуровень управления доступом к среде (MAC, media access control). В повторителе (концентраторе) прямо под LLC находится подуровень управления доступом к среде повторителя (RMAC, repeat media access control). Ниже подуровня MAC или RMAC спецификация размещает два компонента Физического уровня, независящие от среды передачи данных: подуровень PMI (physical medium-independent) и интерфейс МП (medium-independent interface), а также подуровень Физического уровня, зависящий от среды передачи данных (PMD, physical medium-dependent). В самом низу стека располагается интерфейс MDI, который обеспечивает непосредственное соединение с сетевой средой передачи и, соответственно, также от нее зависимый.

Подуровень управления логической связью

Функциональное назначение LLC-подуровня определено в стандарте IEEE 802.2 и оно точно такое же, что и в сетях 802.3 (Ethernet) и 802.5 (Token Ring).

Подуровень LLC предоставляет протоколам Сетевого уровня различные коммуникационные услуги, включая перечисленные ниже.

• Сервис без установления соединения и подтверждения приема. Простой сервис, который не обеспечивает управления потоком данных или контроля ошибок, а также не гарантирует правильную доставку данных.

• Сервис с установлением соединения. Полностью надежный сервис, который гарантирует правильную доставку данных за счет установления соединения с системой – приемником до начала передачи данных и использования механизма контроля ошибок и управления потоком данных.

• Сервис без установления соединения с подтверждением приема. Средний по сложности сервис, который использует сообщения подтверждения приема для обеспечения гарантированной доставки, но не устанавливает соединения до передачи данных.

Функции уровня MAC

Механизм доступа по приоритету запроса 100VG заменяет механизм CSMA/CD сети Ethernet и Fast Ethernet.

Функции уровня MAC включают реализацию протокола доступа Demand Priority, готовки линии связи. Вдобавок к этому подуровень MAC также компонует кадр пакета для передачи через сеть. В сети 100VG-AnylAN существует четыре возможных типа кадров:

• 802.3;

• 802.5;

• пустой (void);

• подготовки связи (link training).

Кадры802.3 и 802.5

100VG-AnyLAN способен обрабатывать как кадр 802.3 (Ethernet), так и кадр 802.5 (Token Ring), так что на период плавного развертывания протокол 100VG может сосуществовать с другими типами сети. Однако применение обоих типов кадра сразу невозможно. Необходимо сконфигурировать все концентраторы в сети на использование одного типа кадра.

Все кадры 100VG инкапсулируются подуровнем Физического уровня, зависящим от среды передачи данных, между полем начала потока (Start of Stream) и полем конца потока (End of Stream), которые информируют подуровень РМI принимающей станции о времени, когда пакет был отправлен и когда завершилась передача. Между этими полями кадры 802.3 и 802.5 вставляют данные точно такого же формата, какой определен в их спецификациях.

Подуровень MAC предоставляет собственный аппаратный адрес система для поля адреса источника каждого пакета, а также выполняет для пакета CRC-вычисления, сохраняя их в поле FCS.

Для входящих пакетов подуровень MAC отвечает за CRC-вычисления, результаты которых сравнивает с содержимым поля FCS. Если пакет проходи проверку кадра, то подуровень MAC отделяет два адреса и поле FCS и передает оставшиеся данные следующему уровню.

Пустые кадры

Пустые кадры (void frames) создаются только повторителями в случае, если узел не осуществил передачу пакета в заданный интервал времени после того, как повторитель подтвердил ее.

Кадры подготовки связи

Каждый раз после перезагрузки узла или его повторного присоединения к сети запускается процедура подготовки линии связи, в ходе которой концентратор передает последовательность специализированных пакетов подготовки связи (link training packets). Процедура преследует несколько перечисленных ниже целей.

• Проверка соединения. Для того чтобы узел был присоединен к сети, он должен обменяться с концентратором 24 последовательными кадрами подготовки без их повреждения или потери. Это гарантирует, что физическое соединение действующее, а сетевой адаптер, и порт концентратора работают правильно.

• Конфигурация порта. Данные в пакетах подготовки указывают на тип кадра, который будет использовать узел, работу в приватном или беспорядочном режиме и то, является ли он конечным узлом (компьютером) или повторителем (концентратором).

• Регистрация адреса. Концентратор считывает из пакета подготовки аппаратный адрес узла и добавляет его в таблицу, содержащую адреса всех присоединенных узлов.

Пакеты подготовки содержат двухбайтовые поля запрашиваемой конфигурации (requested configuration) и позволенной конфигурации (allowed configuration), которые дают возможность узлам и повторителям согласовать настройки конфигурации порта для соединения. Генерируемые узлом пакеты подготовки содержат его установочные параметры в поле запрашиваемой конфигурации и ничего - в поле позволенной конфигурации. Повторитель при приеме пакетов добавляет установочные параметры, которые он может обеспечить, в поле позволенной конфигурации и отправляет пакет обратно узлу.

Пакеты также включают от 594 до 675 байт незначимого заполнения в поле данных для того, чтобы убедиться, что соединение между узлом и повторителем работает правильно, и данные могут передаваться без ошибок.

Функции уровня РМI

Как свидетельствует название, подуровень Физического уровня, независящий от среды передачи данных (PMI, physical medium-independent), выполняет похожие функции для всех пакетов 100VG, независимо от сетевой среды.

Когда подуровень РМI принимает кадр от подуровня MAC, он подготавливает данные для передачи, используя технологию, называемую передачей сигналов квартетом (quartet signaling). Квартет относится к четырем парам проводов кабеля UTP, все из которых протокол задействует для передачи каждого пакета.

Функции, не зависящие от физической среды, включают квартетную канальную шифрацию, кодирование 5В/6В, добавление к кадру преамбулы, начального и конечного ограничителей и передачу кадра на уровень PMD.

Процесс квартетного распределения по каналам состоит в последовательном делении байтов МАС-кадра на порции данных по 5 бит (квинтеты), а также в последовательном распределении этих порций между четырьмя каналами, представляющим четыре витые пары.

Таким образом, первый, пятый и девятый квинтеты будут переданы через первую витую пару, второй, шестой и десятый - через вторую пару и так далее.

Каждый из 4-х каналов представляет собой одну витую пару: канал 0 — пару, образованную контактами 1 и 2, канал 1 - пару 3—6, канал 2 — пару 4 -5, канал 3 — пару 7 — 8. Двухпарные спецификации физического уровня PMD используют затем схему мультиплексирования, преобразующую 4 канала в 2 или 1.

Квинтеты подвергаются перемешиванию бит с использованием разного алгоритма для каждого канала, чтобы получить случайную последовательность бит для каждой пары и избежать строк битов с одинаковыми значениями. Перемешивание данных таким способом минимизирует эффект взаимного влияния и перекрестных помех в кабеле.

Шифрация данных состоит в случайном “перемешивании” квинтетов данных с целью исключения комбинаций из повторяющихся единиц или нулей. Перемешивание производится с помощью специальных устройств — скремблеров. Случайные набора цифр уменьшают излучение радиоволн и взаимные наводки в кабеле.

Кодирование по схеме 5В/6В — это процесс отображения “перемешанных” квинтетов в заранее определенные 6-битовые коды. Этот процесс создает сбалансирование коды, содержащие равное количество единиц и нулей, что обеспечивает гарантированную синхронизацию приемника при изменениях входного сигнала.

Кодирование 5В/6В обеспечивает также контроль за ошибками при передаче, так как некорректные квинтеты, содержащие больше трех единиц или больше трех нулей, легко обнаружить.

Перемешанные квинтеты преобразуются в секстеты (6-битовые блоки) при помощи процесса, называемого кодированием 5B6B, которое основывается на предопределенной таблице эквивалентов 5- и 6-битовых значений. Так к секстет содержит равное количество 0 и 1, напряжение в кабеле остается распределенным, и ошибки (которые имеют форму более трех последовательно расположенных 0 или 1) выявляются намного легче. Регулярное изменение напряжения также дает возможность взаимодействующим станциям точнее синхронизировать свои тактовые генераторы.

В заключение, преамбула, поля начала и конца кадра присоединяются к закодированным секстетам и, если это требуется, поле данных выравнивается до максимальной длины за счет добавления незначимого заполнения.