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.