Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Государственное общеобразовательное учреждение высшего профессионального образования

«Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики» 
 

Институт международного бизнеса и права 
 

Реферат по дисциплине:

«Вычислительные машины, сети и системы телекоммуникаций в таможенном деле»

Тема: «Сети FDDI: протоколы, история, состояние» 
 
 

Выполнила: студентка 2-ого курса очной

формы обучения ИМБИП, группы 2442 
 

Проверил: Чупланов Алексей Николаевич

Баллы:______________________

Подпись:_____________________

«15»_мая_2011 года 

Санкт-Петербург

     2011

Оглавление

Введение 3

История создания FDDI 4

Принцип работы и основные характеристики сети FDDI 5

Протокол  FDDI 13

Заключение 15

Список  использованной литературы: 17 
 

Введение

     Технология FDDI в наше время крепко закрепилась  на рынке. Это единственная, на сегодняшний  день, технология, которая надежна, которая способна легко транслировать  трафик в Ethernet к примеру. Покрывает  огромные расстояния. Многие крупные  фирмы сделали свой выбор в  пользу FDDI.

     Распределенный  интерфейс передачи данных по оптоволоконным каналам (Fiber Distributed Data Interface — FDDI) определяет передачу данных в локальной сети с двойным кольцом и передачу маркера по оптоволоконному кабелю при скорости 100 Мбит/с. Благодаря  большей пропускной способности  и поддержке больших, чем электрические  провода, расстояний, интерфейс FDDI часто  используется в скоростных магистралях. Следует отметить, что сравнительно недавно появилась аналогичная  технология, позволяющая передавать данные со скоростью 100 Мбит/с по электрическим проводам — распределенный проводной интерфейс передачи данных (Copper Distributed Data Interface — CDDI). Интерфейс CDDI является реализацией протокола FDDI для витой пары.

История создания FDDI

     Разработка  Fiber Distributed Data Interface - первая разработка локальных сетей, которая употребляла в качестве среды передачи данных оптоволоконный кабель.

     Пробы внедрения света в качестве среды, несущей информацию, предпринимались  давно - еще в 1880 году Александр Белл запатентовал устройство, которое передавало речь на расстояние до 200 метров с помощью  зеркала, вибрировавшего синхронно  со звуковыми волнами и модулировавшего  отраженный свет.

     Работы  по использованию света для передачи информации активизировались в 1960-е  годы в связи с изобретением лазера, который мог обеспечить модуляцию  света на совсем больших частотах, то есть сделать широкополосный канал  для передачи огромного количества информации с высокой скоростью. Приблизительно в то же время возникли оптические волокна, которые могли  передавать свет в кабельных системах, подобно тому как медные провода  передают электрические сигналы  в обычных кабелях. Но утраты света  в этих волокнах были очень значительны, чтоб они могли быть использованы как альтернатива медным жилам. Недорогие  оптические волокна, обеспечивающие низкие утраты мощности светового сигнала  и широкую полосу пропускания (до нескольких ГГц) возникли лишь в 1970-е  годы. В начале 1980-х годов началось промышленная установка и эксплуатация оптоволоконных каналов связи для  территориальных телекоммуникационных систем.

     В 1980-е годы начались также работы по созданию обычных технологий и  устройств для использования  оптоволокнных каналов в локальных  сетях. Работы по обобщению опыта  и разработке первого оптоволоконного  эталона для локальных сетей  были сосредоточены в Американском государственном Институте по Стандартизации - ANSI, в рамках созданного для данной цели комитета X3T9.5.

     Начальные версии разных составляющих частей эталона  FDDI были разработаны комитетом Х3Т9.5 в 1986 - 1988 годах, и тогда же возникло первое оборудование - сетевые адаптеры, концентраторы, мосты и маршрутизаторы, поддерживающие этот эталон.

     В настоящее время большая часть  сетевых технологий поддерживают оптоволоконные кабели в качестве одного из вариантов  физического уровня, но FDDI остается более отработанной высокоскоростной технологией, стандарты на которую прошли проверку временем. 
 

Принцип работы и основные характеристики сети FDDI

     Технология Fiber Distributed Data Interface - первая технология локальных сетей, которая использовала в качестве среды передачи данных оптоволоконный кабель.

     Выбор оптоволокна в качестве среды  передачи определил такие преимущества новой сети, как высокая помехозащищенность, максимальная секретность передачи информации и прекрасная гальваническая развязка абонентов. Высокая скорость передачи, которая в случае оптоволоконного  кабеля достигается гораздо проще, позволяет решать многие задачи, недоступные  менее скоростным сетям, например, передачу изображений в реальном масштабе времени. Кроме того, оптоволоконный кабель легко решает проблему передачи данных на расстояние нескольких километров без ретрансляции, что позволяет  строить гораздо большие по размерам сети, охватывающие даже целые города и имеющие при этом все преимущества локальных сетей (в частности, низкий уровень ошибок).

     За  основу стандарта FDDI был взят метод  маркерного доступа, предусмотренный  международным стандартом IEEE 802.5 Token-Ring. Небольшие отличия от этого стандарта  определяются необходимостью обеспечить высокую скорость передачи информации на большие расстояния. Топология  сети FDDI - это кольцо, причем применяется  два разнонаправленных оптоволоконных кабеля, что позволяет в принципе использовать полнодуплексную передачу информации с удвоенной эффективной  скоростью в 200 Мбит/с (при этом каждый из двух каналов работает на скорости 100 Мбит/с). Применяется и звездно-кольцевая  топология с концентраторами, включенными в кольцо.

Основные  технические характеристики сети FDDI следующие:

1. Максимальное количество абонентов сети — 1000.
2. Максимальная протяженность кольца сети - 20 км.
3. Максимальное расстояние между абонентами сети - 2 км.
4. Среда передачи - многомодовый оптоволоконный кабель (возможно применение электрической витой пары).
5. Метод доступа - маркерный.
6. Скорость передачи информации — 100 Мбит/с (200 Мбит/с для дуплексного режима передачи).

       Как видим, FDDI имеет большие преимущества по сравнению с другими сетями. Даже сеть Fast Ethernet, имеющая такую же пропускную способность 100 Мбит/с, не может сравниться с FDDI по допустимым размерам сети и допустимому количеству абонентов. К тому же маркерный метод доступа FDDI обеспечивает в отличие от CSMA/CD гарантированное время доступа и отсутствие конфликтов при любом уровне нагрузки.

       Отметим, что ограничение на  общую длину сети в 20 км связано  не с затуханием сигналов в  кабеле, а с необходимостью ограничения  времени полного прохождения  сигнала по кольцу для обеспечения  предельно допустимого времени  доступа. А вот максимальное  расстояние между абонентами (2 км  при многомодовом кабеле) определяется  как раз затуханием сигналов  в кабеле (оно не должно превышать  11 дБ). Предусмотрена также возможность  применения одномодового кабеля, и в этом случае расстояние  между абонентами может достигать  45 километров, а полная длина кольца - 100 километров.

       Имеется и реализация FDDI на электрическом кабеле (CDDI — Copper Distributed Data Interface или TPDDI - Twisted Pair Distributed Data Interface). При этом используется кабель категории 5 с разъемами RJ-45. Максимальное расстояние между абонентами в этом случае должно быть не более 100 м. Стоимость оборудования сети на электрическом кабеле в несколько раз меньше. Но эта версия сети уже не имеет столь очевидных преимуществ перед своими конкурентами, как изначальная FDDI.

       Для передачи данных в FDDI применяется  код 4В/5В (см. Табл. 1), специально разработанный для этого стандарта. Он обеспечивает скорость передачи 100 Мбит/с при пропускной способности кабеля 125 миллионов сигналов в секунду (или 125 МБод), а не 200 МБод, как в случае кода Манчестер-П. При этом каждым четырем битам передаваемой информации (каждому полубайту или нибблу) ставится в соответствие пять передаваемых по кабелю битов. Это позволяет приемнику восстанавливать синхронизацию приходящих данных один раз на четыре принятых бита. Таким образом, достигается компромисс между простейшим кодом NRZ и самосинхронизирующимся на каждом бите манчестерским кодом. Дополнительно сигналы кодируются кодом NRZI (в случае TPDDI) и MLT-3 (в случае FDDI).

     Таблица 1

       Стандарт FDDI для достижения высокой гибкости сети предусматривает включение в кольцо абонентов двух типов:

• Абоненты (станции) класса А (абоненты двойного подключения, DAS – Dual-Attachment Stations) подключаются к обоим (внутреннему и внешнему) кольцам сети. При этом реализуется возможность обмена со скоростью до 200 Мбит/с или резервирования кабеля сети (при повреждении основного кабеля используется резервный). Аппаратура этого класса применяется в самых критичных с точки зрения быстродействия частях сети.
• Абоненты (станции) класса В (абоненты одинарного подключения, SAS – Single-Attachment Stations) подключаются только к одному (внешнему) кольцу сети. Они более простые и дешевые, по сравнению с адаптерами класса А, но не имеют их возможностей. В сеть они могут включаться только через концентратор или обходной коммутатор, отключающий их в случае аварии.

      Кроме собственно абонентов (компьютеров, терминалов и  т.д.) в сети используются связные  концентраторы (Wiring Concentrators), включение  которых позволяет собрать в  одно место все точки подключения  с целью контроля работы сети, диагностики  неисправностей и упрощения реконфигурации. При применении кабелей разных типов (например, оптоволоконного кабеля и витой пары) концентратор выполняет  также функцию преобразования электрических  сигналов в оптические и наоборот. Концентраторы также бывают двойного подключения (DAC – Dual-Attachment Concentrator) и  одинарного подключения (SAC – Single-Attachment Concentrator). Пример конфигурации сети FDDI представлен  на рис. 1. 
 
 
 
 
 
 
 
 

Рис. 1. Пример конфигурации сети FDDI

     FDDI определяет четыре типа портов  абонентов (рис. 2):

• Порт A определен только для устройств двойного подключения, его вход подключается к первичному (внешнему) кольцу, а выход – к вторичному (внутреннему) кольцу.
• Порт B определен только для устройств двойного подключения, его вход подключается к вторичному (внутреннему) кольцу, а выход – к первичному (внешнему) кольцу. Порт A обычно соединяется с портом B, а порт В – с портом A.
• Порт M (Master) определен для концентраторов и соединяет два концентратора между собой или концентратор с абонентом при одном кольце. Порт M как правило соединяется с портом S.
• Порт S (Slave) определен только для устройств одинарного подключения (концентраторов и абонентов). Порт S обычно соединяется с портом M.

     Структура портов для абонентов DAS и SAS, а также  концентратора DAC видна на рис. 2. Концентратор SAC имеет один порт S для включения  в одинарное кольцо и несколько  портов М для подключения абонентов SAS.

      Рис. 2. Объединение  устройств сети FDDI

     Стандарт FDDI предусматривает также возможность  реконфигурации сети с целью сохранения ее работоспособности в случае повреждения  кабеля (рис. 3).

     На  рисунке изображен случай, когда участок кабеля исключается из кольца, но целостность сети при этом не нарушается вследствие перехода на одно кольцо вместо двух (то есть абоненты DAS начинают работать, как абоненты SAS). Это равносильно процедуре сворачивания кольца в сети Token-Ring.

      Рис. 3. Реконфигурация сети FDDI при повреждении кабеля

     Кроме абонентов (станций) и концентраторов в сети FDDI применяются обходные коммутаторы (bypass switch). Обходные коммутаторы включаются между абонентом и кольцом  и позволяют отключить абонента от кольца в случае его неисправности. Управляется обходной коммутатор электрическим  сигналом от абонента. В зависимости  от управляющего сигнала он или включает абонента в кольцо или же исключает  его из кольца, замыкая его на самого себя (рис. 4). 
 
 
 
 
 
 

      Рис. 4. Включение  обходного коммутатора

     При использовании обходных коммутаторов необходимо учитывать дополнительные затухания, вносимые ими (около 2,5 дБ на один коммутатор).

     В отличие от метода доступа, предлагаемого  стандартом IEEE 802.5, в FDDI применяется  так называемая множественная передача маркера. Если в случае сети Token-Ring новый (свободный) маркер передается абонентом  только после возвращения к нему его пакета, то в FDDI новый маркер передается абонентом сразу же после  окончания передачи им пакета (подобно  тому, как это делается при методе ETR в сети Token-Ring). Последовательность действий здесь следующая:

1. Абонент, желающий передавать, ждет маркера, который идет за каждым пакетом.
2. Когда маркер пришел, абонент удаляет его из сети и передает свой пакет. Таким образом, в сети может быть одновременно несколько пакетов, но только один маркер.
3. Сразу после передачи своего пакета абонент посылает новый маркер.
4. Абонент-получатель, которому адресован пакет, копирует его из сети и, сделав пометку в поле статуса пакета, отправляет его дальше по кольцу.
5. Получив обратно по кольцу свой пакет, абонент уничтожает его. В поле статуса пакета он имеет информацию о том, были ли ошибки, и получил ли пакет приемник.

     В сети FDDI не используется система приоритетов  и резервирования, как в Token-Ring. Но предусмотрен механизм адаптивного  планирования нагрузки.

     Каждый  абонент ведет свой отсчет времени, сравнивая реальное время обращения  маркера по кольцу (TRT – Token-Rotation Time) с заранее установленным контрольным (операционным) временем его прибытия (T_OPR).

     Если  маркер возвращается раньше, чем установлено T_OPR, то делается вывод о том, что  сеть загружена мало, и, следовательно, абонент может передавать всю  информацию в асинхронном режиме, то есть независимо от других. Для этого  абонент может использовать весь оставшийся временной интервал (T_OPR –TRT).

     Если  же маркер возвращается позже, чем установлено T_OPR, то сеть загружена сильно, и абонент  может передавать только самую важную информацию в течение того интервала  времени, который отводится ему  в синхронном режиме.

     Величина T_OPR выбирается на этапе инициализации  сети всеми абонентами в процессе состязания.

     Такой механизм позволяет абонентам гибко  реагировать на загрузку сети и автоматически  поддерживать ее на оптимальном уровне.

     Для правильной работы сети задержка прохождения  сигнала по кольцу должна быть ограничена. Так, в случае максимальной длины  кольца 20 км и максимальном количестве абонентов 1000 полное время задержки не должно превышать 1,617 мс.

     Форматы маркера (рис. 5) и пакета (рис. 6) сети FDDI несколько отличаются от форматов, используемых в сети Token-Ring.

     Рис. 5. Формат маркера FDDI 

     Рис. 6. Формат пакета FDDI 
 

     Назначение  полей:

• Преамбула (Preamble) используется для синхронизации. Первоначально она содержит 64 бита, но абоненты, через которых проходит пакет, могут менять ее размер.
• Начальный разделитель (SD— Start Delimiter) выполняет функцию признака начала кадра.
• Байт управления (FC – Frame Control) содержит информацию о пакете (размер поля адреса, синхронная/асинхронная передача, тип пакета – служебный или информационный, код команды).
• Адреса приемника и источника (SA – Source Address и DA – Destination Address) могут быть 6-байтовыми (аналогично Ethernet и Token-Ring) или 2-байтовыми.
•   Поле данных (Info) имеет переменную длину (от 0 до 4478 байт). В служебных (командных) пакетах поле данных обладает нулевой длиной.
•   Поле контрольной суммы (FCS – Frame Check Sequence) содержит 32-битную циклическую контрольную сумму пакета (CRC).
• Конечный разделитель (ED – End Delimiter) определяет конец кадра.
•   Байт состояния пакета (FS – Frame Status) включает в себя бит обнаружения ошибки, бит распознавания адреса и бит копирования (аналогично Token-Ring).

    Формат  байта управления сети FDDI (рис. 7):

• Бит класса пакета определяет тип пакета: синхронный или асинхронный.
• Бит длины адреса устанавливает, какой адрес (6-байтовый или 2-байтовый) используется в данном пакете.
• Поле типа пакета (два бита) определяет, управляющий это пакет или информационный.
• Поле кода команды (четыре бита) указывает на то, какую команду должен выполнить приемник (если это управляющий пакет).

     Рис. 7. Формат байта управления

Протокол  FDDI

     На  рисунке 8 приведена структура протоколов технологии   FDDI   в сравнении с семиуровневой моделью OSI.   FDDI   определяет протокол физического уровня и протокол подуровня доступа к среде (MAC) канального уровня. Как и многие другие технологии локальных сетей, технология   FDDI   использует протокол 802.2 подуровня управления каналом данных (LLC), определенный в стандартах IEEE 802.2 и ISO 8802.2.   FDDI   использует первый тип процедур LLC, при котором узлы работают в дейтаграммном режиме - без установления соединений и без восстановления потерянных или поврежденных кадров.

     Рис. 8. Схема протокола FDDI

     Физический  уровень разделен на два подуровня: независимый от среды подуровень PHY (Physical), и зависящий от среды  подуровень PMD (Physical Media Dependent). Работу всех уровней контролирует протокол управления станцией SMT (Station Management).

     Уровень PMD (Physical Media Dependent) обеспечивает необходимые  средства для передачи данных от одной  станции к другой по оптоволокну. В его спецификации определяются:

• Требования к мощности оптических сигналов и к многомодовому оптоволоконному кабелю 62.5/125 мкм;
• Требования к оптическим обходным переключателям (optical bypass switches) и оптическим приемопередатчикам;
• Параметры оптических разъемов MIC (Media Interface Connector), их маркировка;
• Длина волны в 1300 нанометров, на которой работают приемопередатчики;
• Представление сигналов в оптических волокнах в соответствии с методом NRZI.
• Спецификация TP-PMD определяет возможность передачи данных между станциями по витой паре в соответствии с методом MLT-3.

     Уровень PHY (Physical Layer Protocol ) выполняет кодирование  и декодирование данных, циркулирующих  между MAC-уровнем и уровнем PMD, а  также обеспечивает тактирование информационных сигналов. В его спецификации определяются:

• Кодирование информации в соответствии со схемой 4B/5B;
• Правила тактирования сигналов;
• Требования к стабильности тактовой частоты 125 МГц;
• Правила преобразования информации из параллельной формы в последовательную.

     Уровень MAC (Media Access Control ) ответственен за управление доступом к сети, а также за прием  и обработку кадров данных. В нем  определены следующие параметры:

• Протокол передачи токена;
• Правила захвата и ретрансляции токена;
• Формирование кадра;
• Правила генерации и распознавания адресов;
• Правила вычисления и проверки 32-разрядной контрольной суммы.

     Уровень SMT (Station Management ) выполняет все функции  по управлению и мониторингу всех остальных уровней стека протоколов   FDDI. В управлении кольцом принимает  участие каждый узел сети   FDDI. Поэтому все узлы обмениваются специальными кадрами SMT для управления сетью. В  спецификации SMT определено следующее:

• Алгоритмы обнаружения ошибок и восстановления после сбоев;
• Правила мониторинга работы кольца и станций;
• Управление кольцом;
• Процедуры инициализации кольца.

Заключение

     Разработчики  технологии FDDI старались воплотить в жизнь следующее:

• Повысить битовую скорость передачи данных до 100 Мб/с;
• Повысить отказоустойчивость сети за счет стандартных процедур восстановления ее после отказов различного рода – повреждения кабеля, некорректной работы узла, концентратора, возникновения высокого уровня помех на линии и т.п.;
• Максимально эффективно использовать потенциальную пропускную способность сети как для асинхронного, так и для синхронного трафиков.

     Исходя  из этого, преимуществом технологии FDDI является сочетание нескольких очень важных для локальных сетей свойств:

1. Высокая степень отказоустойчивости;
2. Способность покрывать значительные территории, вплоть до территорий крупных городов;
3. Высокая скорость обмена данными;
4. Детерминированный доступ, позволяющий передавать чувствительные к задержкам приложения;
5. Гибкий механизм распределения пропускной способности кольца между станциями;
6. Возможность работы при коэффициенте загрузки кольца, близком к единице;
7. Возможность легкой трансляции трафика FDDI в графики таких популярных протоколов, как Ethernet и Token Ring за счет совместимости форматов адресов станций и использования общего подуровня LLC.

     Пока FDDI – это единственная технология, которой удалось объединить все  перечисленные свойства. В других технологиях эти свойства также  встречаются, но не в совокупности. Так, технология Fast Ethernet также обладает скоростью передачи данных 100 Мбит/с, но она не позволяет восстанавливать  работу сети после однократного обрыва кабеля и не дает возможности работать при большом коэффициенте загрузки сети (если не принимать во внимание коммутацию Fast Ethernet).

     К недостаткам следует отнести  один – высокую стоимость оборудования. За уникальное сочетание свойств  приходится платить – технология FDDI остается самой дорогой 100-мегабитной технологией. Поэтому ее основные области  применения – это магистрали кампусов и зданий, а также подключение  корпоративных серверов. В этих случаях  затраты оказываются обоснованными  – магистраль сети должна быть отказоустойчивой и быстрой, то же относится к серверу, построенному на базе дорогой мультипроцессорной платформы и обслуживающему сотни  пользователей. Из-за высокой стоимости  оборудования решения на основе FDDI уступают решениям на основе Fast Ethernet при строительстве локальных сетей небольшой протяженности, когда стандарт Fast Ethernet предоставляет оптимальное решение.

Список  использованной литературы:

1. Олифер  В.Г., Олифер Н.А. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы  // Спб.: Издательский дом Питер, 2002
2. Таненбаум Э. Компьютерные сети // СПб.: Издательский дом Питер, 2003
3. Горностаев Ю.М., Дрожжинов В.И., Виноградов Б.Н., Бобровский Д.Г. Технологии электронных коммуникаций: Т. 42 // М.: Эко-Трендз, 1994.