FDDI

Serdeczne dziękuję MONICE za wyrażenie zgody na opublikowanie poniższego materiału

Standard FDDI, czyli Fiber Distributed Data Interface pojawiła się na rynku w latach osiemdziesiątych. Opracowano ją z myślą o wprowadzeniu do środowiska sieci bazowych, które nie mogły poradzić sobie z narastającym lawinowo ruchem pakietów

Sieci pracujące z szybkością 10 Mb/s mogły z powodzeniem obsługiwać ruch pakietów wymieniany między stacjami roboczymi. Nie jest to jednak wystarczająca przepustowość dla szybko pracujących serwerów instalowanych w sieciach bazowych. Zaletą technologii FDDI jest nie tylko szybkość. Są one odporne, na, co jeszcze bardziej predysponuje je do stosowania w sieciach bazowych.

FDDI jest zbiorem standardów określonych przez American National Standard Institute (ANSI), grupę roboczą X3T9.5. Ujednolicony standard FDDI umożliwia współpracę ze wszystkimi głównymi protokołami sieciowymi. Szybkie ujednolicenie tego standardu pozwoliło na masowe rozpoczęcie produkcji elementów sieciowych FDDI, co ma duży wpływ na ciągłe obniżanie cen. Pierwsze karty sieciowe FDDI pojawiły się w sprzedaży w 1987 r. Dziś są produkowane przez wszystkich liczących się na rynku producentów sprzętu sieciowego. Znalazły zastosowanie we wszystkich typach komputerów.

Inaczej niż w przypadku sieci Ethernet, sieci FDDI nie pracują na bazie topologii linii lub gwiazdy. FDDI korzysta z topologii kołowej, w której sieć ma kształt pierścienia, a pakiety są przez stacje przekazywane sobie wzajemnie. Cała procedura powtarzana jest aż do momentu, w którym pakiet dotrze do właściwej stacji przeznaczenia. Może się zdarzyć, że pakiet odwiedzi 100 stanowisk, zanim trafi pod właściwy adres. Nie należy przy tym mylić technologii FDDI z technologią stosowaną w sieciach Token Ring, które pracują w ten sposób, że komputer przekazuje następnej stacji zawsze tylko jeden token zawierający dane. Standard FDDI stosuje podobną metodę, ale w nieco innym wydaniu. Nosi ona nazwę Timed Token - każdy komputer wysyła dane do następnego komputera przez pewien czas, który jest ustalany (negocjowany) w momencie dołączenia komputera do pierścienia FDDI. Komputer wysyła wtedy w sieć tylko tyle pakietów, ile mu na to pozwala wynegocjowany przedział czasu.

Pakiety przesyłane przez sieć FDDI mogą być o wiele dłuższe niż używane w sieci Ethernet. Wystarczy powiedzieć, że pakiet może mieć długość nawet 9 tys. bajtów. Najczęściej jednak pakiety przesyłane przez sieć FDDI mają długość 4,5 tys. bajtów. Jest to cztery razy więcej niż długość pakietów przesyłanych przez sieć Ethernet. Jeśli jednak pakiet ma trafić do stacji pracującej w Ethernecie, to jego długość jest skracana do 1516 bajtów.





Przykład sieci FDDI

Komputery w sieci FDDI są zorganizowane w konfiguracji podwójnego pierścienia połączonego z topologią drzewa. Stacje znajdujące się w głównym pierścieniu są połączone podwójnym kablem światłowodowym. W pierścieniu tym mogą znajdować się zarówno serwery, koncentratory jak i stacje robocze. Poprzez koncentratory (urządzenia brzegowe) łączone są inne stacje robocze, które tworzą już strukturę drzewiastą. Przykład prostej sieci FDDI przedstawia rysunek 1.

W pierścieniu głównym może znajdować się maksymalnie 500 elementów. Ograniczenie to jest wymuszone przez czas obiegu światła dookoła pierścienia. Standard przewiduje 1000 punktów połączeniowych, a każdy element będący w pierścieniu posiada dwa takie punkty. Maksymalną dopuszczalną długością medium transmisyjnego w pierścieniu jest 200 km. Zazwyczaj stosuje się łącza podwójne, w których światło wędruje w przeciwnych kierunkach. Jeśli jest wykorzystywane łącze podwójne, łączące wszystkie komponenty, jego długość nie powinna przekraczać 100 km. Taki sam limit musi być stosowany przy zastosowaniu zarówno światłowodu wielomodowego jak i jednomodowego. Jest to zależne przede wszystkim od strat na połączeniach optycznych oraz czasu przetrzymywania tokena przez stację W zależności od jakości połączeń światłowodów oraz jakości elementów sieciowych, liczba podłączonych do pierścienia komponentów może się zmieniać. Maksymalna długość pojedynczego odcinka kabla światłowodowego wynosi około 2 km. Ograniczenie to dotyczy typowego łącza światłowodowego, wykorzystywanego w sieciach FDDI - światłowodu wielomodowego. W przypadku zastosowania światłowodów jednomodowych ograniczenie to wzrasta do 60 km. Wraz z rozwojem techniki światłowodowej tłumienność nowych światłowodów maleje. Ma to wpływ na wzrost maksymalnych odcinków połączeń światłowodowych.

W celu zmniejszenia kosztów połączeń, gdy odległość między stacjami jest nieduża, można stosować tańsze światłowodowe łącza transmisyjne, a standard przewiduje nawet zastosowanie łączy miedzianych typu twisted pair (UTP lub STP). Taka możliwość powoduje redukcję kosztów instalacji sieci FDDI do poziomu porównywalnego z obecnie stosowanymi sieciami o niższych przepustowościach. Ta odmiana technologii FDDI z wykorzystaniem łączy miedzianych nosi nazwy TP-PMD, CDDI lub SDDI.

Specyficzny dla sieci FDDI sposób rozdziału dostępu do sieci pomiędzy stacjami zwany timed token access method, dopuszcza występowanie dwóch różnych rodzajów transmisji danych: synchronicznego i asynchronicznego. Transmisja synchroniczna jest stosowana przy przesyłaniu danych wrażliwych na opóźnienia, takich jak transmisja mowy czy obrazu, gdzie musi być określony interwał czasowy. FDDI gwarantuje określony czas oczekiwania na token. Ten rodzaj usługi jest niezbędny przy używaniu aplikacji pracujących w czasie rzeczywistym, gdzie ważne jest, aby określone wiadomości docierały na czas, nawet przy dużym obciążeniu sieci. Poza ograniczonym czasem oczekiwania na token, transmisja synchroniczna umożliwia również nadawanie w zarezerwowanym paśmie. Właściwość ta jest szczególnie przydatna przy transmisjach dźwięku i obrazu. Powyższe zalety są przyczyną preferowania sieci FDDI przy tworzeniu struktur transmisyjnych., Zorientowanych na usługi multimedialne. Transmisja asynchroniczna jest wykorzystywana przy przesyłaniu pakietów danych emitowanych przez różne aplikacje komunikacyjne, służące do transferu danych lub poczty. Takie pakiety danych są odporne na opóźnienia, za to ważna dla nich jest przepływność sieci w tym znaczeniu, że ważniejszą rolę odgrywa przepustowość sieci, niż czas, w jakim dane dotrą do stacji docelowej.

FDDI dopuszcza dwa typy transmisji asynchronicznych - tryb zastrzeżony oraz tryb niezastrzeżony. Tryb zastrzeżony pozwala dwóm stacjom w sieci zastrzec sobie token, w wyniku, czego, inne stacje nie będą mogły używać go do transmisji asynchronicznych. Pozwala to tym dwóm stacjom na transmisję dużych pakietów danych w krótkim okresie czasu. Tryb ten obecnie nie jest już używany. Standard FDDI dopuszcza osiem poziomów priorytetów dla ruchu asynchronicznego. Wybór poziomu priorytetu pozostawiono projektantom i użytkownikom sieci. Unikalny schemat bazujący na czasie obiegu tokena sprawia, że tylko ramki o wyższych priorytetach są transmitowane podczas dużego obciążenia sieci. Należy podkreślić, że priorytety są przypisywane poszczególnym ramkom, a nie stacjom. Każda stacja może transmitować ramki o kilku poziomach priorytetów. Ważną właściwością sieci FDDI jest sposób, w jaki jest ona zarządzana. Wszystkie algorytmy pracy sieci są rozprowadzane pomiędzy stacjami tak, aby samo zarządzanie siecią było maksymalnie zdecentralizowane. Jeśli jakikolwiek element przestanie prawidłowo funkcjonować, sieć potrafi kontynuować pracę. Odporność na błędy, to największa zaleta sieci FDDI. Jest ona uzyskana dzięki temu, że sieć składa się z dwóch pracujących niezależnie od siebie pierścieni. W jednym z nich dane krążą zgodnie z ruchem wskazówek zegara, a w drugim - w odwrotną stronę. Komputer może odebrać i wysłać pakiet do każdego z dwóch swoich sąsiadów. Taka architektura sieci powoduje, że może ona pracować dalej nawet wtedy, gdy jeden z pierścieni ulega przerwaniu (np. uszkodzenie światłowodu, odłączenie kabla światłowodowego od stacji). Kiedy dochodzi do takiej sytuacji, komputery zainstalowane w uszkodzonym pierścieniu rekonfigurują się automatycznie, przechodząc na tryb pracy w jednym tylko pierścieniu - tym, który jest sprawny? Dzieje się to tak szybko, że użytkownik nie zauważa całego zdarzenia. Rekonfiguracja dotyczy naprawy błędu, synchronizacji zegara, inicjalizacji tokena i kontroli topologii. Mechanizm automatycznego wykrywania i naprawiania błędów pozwala na (niemal natychmiastowe) przywrócenie wszystkich funkcji tuż po awarii. Wszystkie połączenia sieci są nieustannie monitorowane. Dzięki tak dużej odporności na błędy, sieć FDDI jest używana w systemach kontroli ruchu powietrznego, w bankach, itp. Włókna światłowodowe są odporne na wszelkie zakłócenia pól zewnętrznych w przeciwieństwie do standardowych kabli stosowanych w sieciach Ethernet. Łącza miedziane stosowane w sieciach FDDI zostały tak zaprojektowane, aby stopa błędu (BER - bit error rate) [8] nie przekraczała poziomu 10-9. Większość powstających błędów jest wykrywana przez mechanizm kodowania. Stopa błędu w standardowej sieci FDDI nie przekracza poziomu 10-20 (wyjaśnienie znaczenia BER znajduje się w Rozdziale 3) Ponadto światłowód jest odporny na wszelkie zakłócenia zewnętrzne. Istotnym jest również fakt, iż podsłuchanie światłowodu jest praktycznie niemożliwe bez fizycznej ingerencji. Z tego powodu sieci światłowodowe mają duże zastosowanie w wojsku.

2. Konfiguracje sieci FDDI

Sieć FDDI ma wszechstronne zastosowanie, co oznacza, że może być używana w różnorodnych konfiguracjach. Można wyróżnić trzy typowe konfiguracje sieciowe FDDI:, Back-End, Front-End oraz Backbone. Oto ich krótka charakterystyka

·        Back-End

W tej konfiguracji sieć jest wykorzystywana do łączenia jednostki centralnej z zasobami urządzeń sieciowych. Tego typu sieci, zazwyczaj mieszczące się w jednym pomieszczeniu, charakteryzują się ruchem o dużej intensywności na łączach nie przekraczających 30 metrów. Mogą występować tam stacje zarówno typu SAS jak i DAS. Fizycznie sieć taka ma topologię gwiazdy, z ramionami odchodzącymi od jednostki centralnej, a jej konfiguracja podlega częstym zmianom.

·        Front-End

Tym określeniem nazywa się sieci, które łączą serwery ze stacjami roboczymi. Zazwyczaj są one używane w budynkach mieszczących dużą liczbę biur na kilku piętrach i charakteryzują się dużą liczbą podłączonych stacji roboczych, terminali i komputerów osobistych. Najczęściej takie sieci konfiguruje się w topologii gwiazdy, opartej na pewnej liczbie koncentratorów.

·        Backbone (szkieletowa)

Ta nazwa została zarezerwowana dla sieci łączących inne sieci komputerowe. FDDI może znaleźć zastosowanie jako sieć szkieletowa łącząca ze sobą sieci typu FDDI, Ethernet i Token Ring pomiędzy budynkami. Sieć szkieletowa składa się zazwyczaj z niewielkiej liczby długich łączy. Możliwe jest zastosowanie topologii podwójnego pierścienia lub gwiazdy. Wykluczyć należy stosowanie obwodów omijających, gdyż mogą spowodować przekroczenie dopuszczalnej długości łączy, co doprowadzi do przerwania połączenia. W sieciach, wymagających połączenia z ośrodkami leżącymi dalej niż 2 kilometry, konieczne jest zastosowanie połączeń zbudowanych ze światłowodów jednomodowych. Sposoby zastosowania i konfiguracji sieci FDDI przedstawia rysunek poniżej




 Zastosowanie różnych typów konfiguracji sieci FDDI - Bak-End, Front-End oraz Backbone.



3. Medium transmisyjne

W dobie obecnej światłowody są powszechnie stosowane we wszystkich typach komunikacji - do transmisji głosu, obrazu oraz danych. Kable miedziane są przez nie wypierane. Przyczyny coraz bardziej powszechnego stosowania kabli światłowodowych zostały przedstawione poniżej:

·        Światłowody obecnie stosowane w budynkach posiadają tłumienność poniżej 0,5 dB/km, a niektóre z nich nawet 0,2 dB/km. Dla porównania - tłumienie kabli miedzianych jest rzędu 20 dB/km i rośnie dla sygnałów o większej częstotliwości. Mniejsze tłumienie oznacza zwiększenie dystansu transmisji bez użycia regeneratorów.

·        Częstotliwość nośnika używanego w komunikacji optycznej wynosi powyżej 100 THz. Pozwala to na przesyłanie sygnału o częstotliwości powyżej 100 GHz. Dla porównania pasmo przenoszenia typowych kabli miedzianych wynosi 400 MHz.

·        Światłowód jest bardzo cienki, średnica pojedynczego włókna wynosi około 125 μm. Dzięki temu wiele włókien światłowodowych może tworzyć jeden kabel o niewielkiej średnicy.

·        Ważną zaletą światłowodów jest ich niewielka waga.

·        Transmisja sygnałów w przewodach miedzianych powoduje generowanie pola elektromagnetycznego oraz powstawanie interferencji częstotliwości radiowych. Między dwoma przewodami miedzianymi, znajdującymi się w bezpośrednim sąsiedztwie, dochodzi do interferencji sygnałów przez nie transmitowanych. Żadne z tych zjawisk nie występuje w przypadku stosowania kabli światłowodowych.

·        Sygnały elektryczne przesyłane kablami miedzianymi, emitują fale elektromagnetyczne, które z łatwością mogą zostać przechwycone i posłużyć do odtworzenia transmitowanych sygnałów. Światłowody są dużo bardziej odporne na podsłuchy, które są możliwe tylko w przypadku fizycznej ingerencji w przewód światłowodowy.

·        W przeciwieństwie do kabli miedzianych, światłowody są odporne na przepięcia i działanie prądu o wysokich amplitudach (pioruny), co w przypadku tych pierwszych może doprowadzić do poważnych uszkodzeń drogich urządzeń sieciowych.

·        Światłowody są znacznie bardziej odporne od kabli miedzianych na działanie środków chemicznych, ognia, korozji, są mniej wrażliwe na zmiany temperatury otoczenia.

·        Transmisja sygnałów w światłowodach wymaga minimalnego użycia energii, w porównaniu z komunikacją poprzez łącza miedziane.

Stosowanie światłowodów nie pozostaje jednak bez wad, do których można zaliczyć:

·        Dość wysoka cena w porównaniu do ceny kabla miedzianego,

·        Konieczność stosowania fotoprzetworników, czyli konwerterów sygnału elektrycznego na sygnał świetlny i odwrotnie,

·        Problem połączeń - łączenie światłowodów jest czynnością kosztowną i wymagającą dużej precyzji.

 

4. Struktura sieci

W większości zainstalowanych na świecie sieci stosuje się topologię magistrali lub gwiazdy. Sieć FDDI ma strukturę pierścieniową. Przyczyny zastosowania takiej koncepcji przedstawiają się następująco:

·        W przypadku sieci opartych na topologii liniowej sygnał emitowany przez nadajnik jednej stacji musi zostać odebrany przez wszystkie odbiorniki znajdujące się na łączu. Nawet stacja właśnie nadająca musi równocześnie odbierać sygnały, co prowadzi do licznych kolizji. Wadą jest również konieczność stosowania licznych urządzeń analogowych. W pierścieniu tylko jeden nadajnik w danym momencie przekazuje sygnały dla jednego odbiornika.

·        W sieci liniowej uszkodzenia łącza, czy stacji, mogą przerwać funkcjonowanie całej sieci i trudne jest zlokalizowanie awarii. W pierścieniu ten problem nie występuje. Każdy element może zostać odłączony bez przerywania poprawnego funkcjonowania reszty sieci. W ten sposób można izolować awarie bądź wadliwe elementy.

·        Przy obciążeniu sieci bliskim nasyceniu, wydajność w topologii liniowej zależy od liczby aktywnych stacji. W sieciach opartych na strukturze pierścieniowej efektywność maleje wraz ze wzrostem liczby stacji chcących nadawać a nie tylko będących w sieci.

·        W sieciach o topologii pierścieniowej każda stacja ma możliwość nadawania. Przedział czasu oczekiwania na swoją kolejkę może być różny, w zależności od opóźnień. Natomiast w sieciach liniowych może wystąpić taka sytuacja, że każda próba nadawania przez stację kończy się kolizją i faktyczny moment możliwości transmisji nie jest nigdy do końca znany.

 

5. Krótka charakterystyka FDDI II

W wyniku prac komitetu ANSI X3T9.5, w 1985 r. powstał standard drugiej generacji, tzw. FDDI II. Jego główną zaletą jest możliwość przesyłania obrazu i dźwięku, dzięki wykorzystaniu metody podziału czasowego kanału. W praktyce standard ten nie wyszedł poza studium badawcze. Nie są znane większe realizacje sieci oparte na tym systemie.

Sieć FDDI-II jest w istocie opisaną wyżej siecią FDDI, z tą jednak różnicą, że stacje tej pierwszej mogą przesyłać informacje w oparciu o dwie odmienne metody komutacji jednocześnie. Jest to możliwe dzięki wykorzystaniu metody podziału czasowego kanału wspólnego sieci, który stanowi pierścień główny, na dwa kanały: kanał przeznaczony do transmisji informacji na zasadzie komutacji pakietów (kanał transmisji plezjochronicznej KTP) oraz kanał przeznaczony do transmisji informacji na zasadzie komutacji łączy (kanał transmisji izochronicznej KTI).

Podstawowe funkcje organizacyjne związane z realizacją komutacji hybrydowej pełni jedna spośród stacji sieci - Stacja Nadzorcza (Cycle Master). Zazwyczaj funkcje stacji nadzorczej może pełnić jedna ze stacji wyposażonych w odpowiednie oprogramowanie (Monitor Stations). Decyzja, o wyborze stacji nadzorczej, zapada w trakcie procesu inicjalizacji pracy sieci, w trybie komutacji hybrydowej. Stacja nadzorcza cyklicznie, (co 125 μs) wprowadza do pętli ramkę tymczasową, określającą sposób podziału kanału wspólnego na KTP oraz KTI. Ramka ta jest następnie retransmitowana przez wszystkie stacje, po czym stacja nadzorcza usuwa ją z pętli. Oprócz kanałów KTP i KTI, w sieci FDDI-II przewidziano również pomocniczy kanał transmisji izochronicznej o przepływności binarnej 64 kbit/s, służący do przenoszenia sygnalizacji związanej z zarządzaniem siecią.