Структурированные кабельные системы (СКС). Технолигия FDDI

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ, НАУКИ, МОЛОДЕЖИ И СПОРТА

ХАРЬКОВСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ 
 
 
 
 

Кафедра ОРТ 
 
 
 
 

РЕФЕРАТ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Выполнил:                                                                                           Проверил: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2011

СОДЕРЖАНИЕ 

ВСТУПЛЕНИЕ

     Продолжается  процесс интенсивного внедрения  новых и модернизации существующих локальных вычислительных сетей (ЛВС). Возрастающие размеры сетей, прикладные программные системы, требующие все больших скоростей обмена информацией, повышающиеся требования к надежности и отказоустойчивости вынудили искать альтернативу традиционным сетям Ethernet и Arcnet. Один из видов высокоскоростных сетей - FDDI (Fiber Distributed Data Interface - распределенный оптоволоконный интерфейс данных).

     Сетевые компьютерные комплексы становятся неотъемлемыми средствами производства любой организации или предприятия. В связи с тем, что обработка и пересылка информации с помощью компьютеров становятся все быстрее и эффективнее, происходит настоящий информационный взрыв. ЛВС начинают сливаться в территориально-распределенные сети, увеличивается количество подключенных к ЛВС серверов, рабочих станций и периферийного оборудования.

     Современные операционные системы и прикладное программное обеспечение требуют  для своей работы пересылки больших  объемов информации. Одновременно с  этим требуется обеспечивать передачу информации со все большими скоростями и на все большие расстояния. Поэтому рано или поздно производительность сетей Ethernet перестают удовлетворять растущим потребностям пользователей, и они начинают рассматривать возможности применения в своих сетях более скоростных стандартов. Одним из них является FDDI.

     Кабельная система является фундаментом любой  сети. Как при строительстве нельзя создать хороший дом на плохо  построенном фундаменте, так и  сеть, отлично работающая на плохой кабельной системе, - это явление из области ненаучной фантастики.

      Если  в кабелях ежедневно происходят короткие замыкания, отходят контакты разъемов, добавление новой станции приводит к необходимости тестирования десятка контактов разъемов из-за того, что документация на физические соединения не ведется, то ясно, что на основе такой кабельной системы любое, самое современное и производительное оборудование будет работать из рук вон плохо. Пользователи будут недовольны большими периодами простоев и низкой производительностью сети, а обслуживающий персонал будет в постоянной «запарке», разыскивая места коротких замыканий, обрывов и плохих контактов. Причем проблем с кабельной системой становится намного больше при увеличении размеров сети. Ответом на высокие требования к качеству кабельной системы стали структурированные кабельные системы. 
 
 
 
 

1. СТРУКТУРИРОВАННАЯ КАБЕЛЬНАЯ СИСТЕМА

1. СКС. Определение. Преимущества

      Структурированная кабельная система (Structured Cabling System, SCS) - это набор коммутационных элементов (кабелей, разъемов, коннекторов, кроссовых панелей и шкафов), а также методика их совместного использования, которая позволяет создавать регулярные, легко расширяемые структуры связей в вычислительных сетях.

Среди достоинств структурированных кабельных систем над традиционными можно выделить следующие:

• Использование для передачи сигналов коммутационного оборудования и сетевой аппаратуры различного назначения;
• Интеграция телекоммуникационных служб различного назначения (комп. и телефонные сети, подключение локальной АТС, системы видеонаблюдения, пожарной и охранной сигнализации);
• Высокая пропускная способность и все виды информационного обмена в сети;
• Для контроля и мониторинга за всеми службами здания используется система централизованного управления;
• Возможность внесения изменений в топологию сети и расширения существующей без глобальной замены всей сети;
• Перемещение и создание новых рабочих мест сотрудников внутри здания без прокладки дополнительных кабельных линий;
• Подключение различного типа оборудования за счет использования универсальных розеток на рабочих местах;
• Возможность комбинировать в одной сети волоконно-оптический кабель и медный;
• Длительный срок эксплуатации (20-25 лет) кабельной системы и оборудования гарантируется производителями.

      Первой  СКС, имеющий все современные черты такого типа систем, была система SYSTIMAX SCS компании Lucent Technologies (ранее - подразделение AT&T). И сегодня компании Lucent Technologies принадлежит основная доля мирового рынка. Многие другие компании также выпускают качественные структурированные кабельные системы, например АМР, BICC Brand-Rex, Siemens, Alcatel, MOD-TAP. На российском рынке успешно завоевывает себе место под солнцем отечественная структурированная кабельная система АйТи-СКС московской компании «АйТи». 

2. Иерархия  в кабельной системе

      Структурированная кабельная система представляет своего рода «конструктор», с помощью  которого проектировщик сети строит нужную ему конфигурацию из стандартных  кабелей, соединенных стандартными разъемами и коммутируемых на стандартных кроссовых панелях. При необходимости конфигурацию связей можно легко изменить - добавить компьютер, сегмент, коммутатор, изъять ненужное оборудование, а также поменять соединения между компьютерами и концентраторами.

При построении СКС подразумевается, что каждое рабочее место на предприятии должно быть оснащено розетками для подключения телефона и компьютера, даже если в данный момент этого не требуется. То есть хорошая структурированная кабельная система строится избыточной. В будущем это может сэкономить средства, так как изменения в подключении новых устройств можно производить за счет перекоммутации уже проложенных кабелей.

     Структурированная кабельная система планируется  и строится иерархически, с главной  магистралью и многочисленными  ответвлениями от нее (рис. 1.1).

Рисунок 1.1 – Иерархия структурированной кабельной системы 

     Эта система может быть построена  на базе уже существующих современных  телефонных кабельных систем, в которых  кабели, представляющие собой набор  витых пар, прокладываются в каждом здании, разводятся между этажами, на каждом этаже используется специальный .кроссовый шкаф, от которого провода в трубах и коробах подводятся к каждой комнате и разводятся по розеткам. К сожалению, в нашей стране далеко не во всех зданиях телефонные линии прокладываются витыми парами, поэтому они непригодны для создания компьютерных сетей, и кабельную систему в таком случае нужно строить заново.

   Типичная  иерархическая структура структурированной  кабельной системы (рис. 1.2) включает:

• горизонтальные подсистемы (в пределах этажа);
• вертикальные подсистемы (внутри здания);
• подсистему кампуса (в пределах одной территории с несколькими зданиями).

Рисунок 1.2 – Структура кабельных подсистем 

      Горизонтальная  подсистема соединяет кроссовый шкаф этажа с розетками пользователей. Подсистемы этого типа соответствуют этажам здания. Вертикальная подсистема соединяет кроссовые шкафы каждого этажа с центральной аппаратной здания. Следующим шагом иерархии является подсистема кампуса, которая соединяет несколько зданий с главной аппаратной всего кампуса. Эта часть кабельной системы обычно называется магистралью (backbone). 

1.3 Выбор типа кабеля

Выбор типа кабеля для горизонтальных подсистем

     Горизонтальная  подсистема характеризуется очень  большим количеством ответвлений кабеля (рис. 1.3), так как его нужно провести к каждой пользовательской розетке, причем и в тех комнатах, где пока компьютеры в сеть не объединяются. Поэтому к кабелю, используемому в горизонтальной проводке, предъявляются повышенные требования к удобству выполнения ответвлений, а также удобству его прокладки в помещениях. На этаже обычно устанавливается кроссовая панель, которая позволяет с помощью коротких отрезков кабеля, оснащенного разъемами, провести перекоммутацию соединений между пользовательским оборудованием и концентраторами/коммутаторами.

     При выборе кабеля принимаются во внимание следующие характеристики: полоса пропускания, расстояние, физическая защищенность, электромагнитная помехозащищенность, стоимость. Кроме того, при выборе кабеля нужно учитывать, какая кабельная система уже установлена на предприятии, а также какие тенденции и перспективы существуют на рынке в данный момент.

     Экранированная  витая пара, STP, позволяет передавать данные на большее расстояние и поддерживать больше узлов, чем неэкранированная. Наличие экрана делает ее более дорогой и не дает возможности передавать голос. Неэкранированная витая пара UTP по характеристикам полосы пропускания и поддерживаемым расстояниям также подходит для создания горизонтальных подсистем. Но так как она может передавать данные и голос, она используется чаще. 

Рис. 1.3 – Структура кабельной системы этажа и здания 

     Однако  и коаксиальный кабель все еще  остается одним из возможных вариантов  кабеля для горизонтальных подсистем. Особенно в случаях, когда высокий уровень электромагнитных помех не позволяет использовать витую пару или же небольшие размеры сети не создают больших проблем с эксплуатацией кабельной системы.

     Основные  области применения оптоволоконного  кабеля - вертикальная подсистема и подсистемы кампусов. Однако, если нужна высокая степень защищенности данных, высокая пропускная способность или устойчивость к электромагнитным помехам, волоконно-оптический кабель может использо-ваться и в горизонтальных подсистемах.

     Беспроводная  связь является новой и многообещающей технологией, однако из-за сравнительной новизны и низкой помехоустойчивости лучше ограничить масштабы ее использования неответственными областями.

     Преобладающим кабелем для горизонтальной подсистемы является неэкранированная витая пара категории 5.  

Выбор типа кабеля для вертикальной подсистемы

     Кабель  вертикальной (или магистральной) подсистемы, которая соединяет этажи здания, должен передавать данные на большие  расстояния и с большей скоростью  по сравнению с кабелем горизонтальной подсистемы. В прошлом основным видом кабеля для вертикальных подсистем был коаксиал. Теперь для этой цели все чаще используется оптоволоконный кабель.

·         Оптоволокно - отличные характеристики пропускной способности, расстояния и защиты данных; устойчивость к электромагнитным помехам; может передавать голос, видеоизображение и данные. Но сравнительно дорого, сложно выполнять ответвления.

·         Толстый коаксиальный кабель - хорошие характеристики пропускной способности, расстояния и защиты данных; может передавать данные. Но с ним сложно работать, хотя специалистов, имеющих подобный опыт работы, достаточно много.

·         Широкополосный кабель, используемый в кабельном телевидении, - хорошие показатели пропускной способности и расстояния; может передавать голос, видео и данные. Но очень сложно работать и требуются большие затраты во время эксплуатации.

      Хотя  толстый коаксиальный кабель и дешевле, чем оптоволокно, но с ним гораздо сложнее работать. Он особенно чувствителен к различным уровням напряжения заземления, что часто бывает при переходе от одного этажа к другому. Эту проблему сложно разрешить. Поэтому кабелем номер 1 для горизонтальной подсистемы сегодня является волоконно-оптический кабель. 

Выбор типа кабеля для подсистемы кампуса

     Как и для вертикальных подсистем, оптоволоконный кабель является наилучшим выбором  для подсистем нескольких зданий, расположенных в радиусе нескольких километров. Для этих подсистем также подходит толстый коаксиальный кабель. При выборе кабеля для кампуса нужно учитывать воздействие среды на кабель вне помещения. Для предотвращения поражения молнией лучше выбрать для внешней проводки неметаллический оптоволоконный кабель. По многим причинам внешний кабель производится в полиэтиленовой защитной оболочке высокой плотности. При подземной прокладке кабель должен иметь специальную влагозащитную оболочку (от дождя и подземной влаги), а также металлический защитный слой от грызунов. Влагозащитный кабель имеет прослойку из инертного газа между диэлектриком, экраном и внешней оболочкой.  
 
 
 

4.  Активное и пассивное сетевое оборудование

      По  своему действию к сигналу сетевое  оборудование бывает активное и пассивное. Активное оборудование (коммутатор, маршрутизатор и пр.) – это электронные и электронно-оптические устройства, обрабатывающие, формирующие, преобразующие и коммутирующие электрические и/или оптические сигналы, передавая и получая эти сигналы с использованием дополнительных источников энергии.

     Пассивное оборудование (кабели – кабель ftp, кабель utp, витая пара; концентраторы, розетки, короб, или кабельный канал, лоток, патч-панели и пр.) представляет собой  сетевое оборудование, не потребляющее электри-чества и не вносящее изменений в сигнал на информационном уровне. Все это оборудование является частью структурированных кабельных систем.

     Активное  и пассивное сетевое оборудование позволяет логически разделить  сеть на сегменты и наладить взаимосвязь  между ними. Так, для объединения нескольких элементов сети в сегмент используют концентраторы или коммутаторы. Концентратор, или хаб (в англ. hub), пересылает получаемый сигнал на все активные элементы сети, создавая между ними и передающим сигнал оборудованием необоснованный трафик. Концентраторы являются пассивным сетевым оборудованием, так как сигнал никаким образом они не преобразуют.

     Чтобы повысить производительность и безопасность сети, вместо концентратора стали  активно использовать коммутатор, или  свитч (в англ. switch — переключатель), который работает на канальном уровне модели ВОС и передает данные непосредственно получателю. А для объединения элементов различных сегментов сети в единую сеть используют маршрутизатор, или роутер (в англ. router), который работает с пакетами на более высоком уровне – сетевом уровне модели ВОС.  

5. Логическая  структуризация сети

      При построении небольших сетей, состоящих  из 10-30 узлов, использование стандартных  технологий на разделяемых средах передачи данных приводит к экономичным и  эффективным решениям. Во всяком случае, это утверждение справедливо для очень большого числа сего-дняшних сетей, даже тех, в которых передаются большие объемы мультимедийной информации, - появление высокоскоростных технологий со скоростями обмена 100 и 1000 Мбит/с решает проблему качества транспортного обслуживания таких сетей.

      Эффективность разделяемой среды для небольшой  сети проявляется в первую очередь  в следующих свойствах:

• простой топологии сети, допускающей легкое наращивание числа узлов (в небольших пределах);
• отсутствии потерь кадров из-за переполнения буферов коммуникационных устройств, так как новый кадр не передается в сеть, пока не принят предыдущий - сама логика разделения среды регулирует поток кадров и приостанавливает станции, слишком часто генерирующие кадры, заставляя их ждать доступа;
• простоте протоколов, обеспечившей низкую стоимость сетевых адаптеров, повторителей и концентраторов.

      Однако  справедливым является и другое утверждение - крупные сети, насчитывающие сотни  и тысячи узлов, не могут быть построены на основе одной разделяемой среды даже такой скоростной технологии, как Gigabit Ethernet. И не только потому, что практически все технологии ограничивают количество узлов в разделяемой среде: все виды семейства Ethernet - 1024 узлами, Token Ring - 260 узлами, a FDDI - 500 узлами. Даже сеть средних размеров, состоящая из 50-100 компьютеров и укладывающаяся в разрешенный максимум количества узлов, чаще всего будет плохо работать на одной разделяемой среде Ограничения, возникающие из-за использования общей разделяемой среды, можно преодолеть, разделив сеть на несколько разделяемых сред и соединив отдельные сегменты сети такими устройствами, как мосты, коммутаторы или маршрутизаторы (рис. 1.4).

Рис. 1.4 – Логическая структуризация сети 

     Говорят, что при этом сеть делится на логические сегменты или сеть подвергается логической структуризации. Логический сегмент представляет собой единую разделяемую среду. Деление сети на логические сегменты приводит к тому, что нагрузка, приходящаяся на каждый из вновь образованных сегментов, почти всегда оказывается меньше, чем нагрузка, которую испытывала исходная сеть. Следовательно, уменьшаются вредные эффекты от разделения среды: снижается время ожидания доступа, а в сетях Ethernet - и интенсивность коллизий.

      Большинство крупных сетей разрабатывается  на основе структуры с общей магистралью, к которой через мосты и  маршрутизаторы присоединяются подсети. Эти подсети обслуживают различные  отделы. Подсети могут делиться и  далее на сегменты, предназначенные  для обслуживания рабочих групп. 

6. Выводы

      Использование структурированной кабельной системы  вместо хаотически проложенных кабелей  дает предприятию много преимуществ.

• Универсальность. СКС при продуманной организации может стать единой средой для передачи данных различных типов и назначения. Это позволяет автоматизировать многие процессы контроля, мониторинга и управления хозяйственными службами и системами жизнеобеспечения предприятия.
• Увеличение срока службы. Срок морального старения хорошо структурированной кабельной системы может составлять 10-15 лет.
• Уменьшение стоимости добавления новых пользователей и изменения их мест размещения. Известно, что стоимость кабельной системы значительна и определяется в основном не стоимостью кабеля, а стоимостью работ по его прокладке. Поэтому более выгодно провести однократную работу по прокладке кабеля, возможно, с большим запасом по длине, чем несколько раз выполнять прокладку, наращивая длину кабеля.
• Возможность легкого расширения сети. СКС является модульной, поэтому ее легко расширять. Например, к магистрали можно добавить новую подсеть, не оказывая никакого влияния на существующие подсети. Можно заменить в отдельной подсети тип кабеля независимо от остальной части сети. Структурированная кабельная система является основой для деления сети на легко управляемые логические сегменты, так как она сама уже разделена на физические сегменты.
• Обеспечение более эффективного обслуживания. СКС облегчает обслуживание и поиск неисправностей по сравнению с шинной кабельной системой. Отказ одного сегмента не действует на другие, так как объединение сегментов осуществляется с помощью концентраторов. Концентраторы диагностируют и локализуют неисправный участок.
• Надежность. СКС имеет повышенную надежность, поскольку производитель такой системы гарантирует не только качество ее отдельных компонентов, но и их совместимость.

2. ТЕХНОЛОГИЯ  FDDI 

2.1 Топология и принцип работы 

      Технология FDDI (англ. Fiber Distributed Data Interface – Волоконно-оптический интерфейс передачи данных) во многом основывается на технологии Token Ring, развивая и совершенствуя ее основные идеи. Разработчики технологии FDDI ставили перед собой в качестве наиболее приоритетных следующие цели:

• 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.

      Сеть FDDI строится на основе двух оптоволоконных колец, которые образуют основной и  резервный пути передачи данных между узлами сети. Использование двух колец - это основной способ повышения отказоустойчивости в сети FDDI, и узлы, которые хотят им воспользоваться, должны быть подключены к обоим кольцам. В нормальном режиме работы сети данные проходят через все узлы и все участки кабеля первичного (Primary) кольца, поэтому этот режим назван режимом Thru - "сквозным" или "транзитным". Вторичное кольцо (Secondary) в этом режиме не используется.

В случае какого-либо вида отказа, когда часть  первичного кольца не может передавать данные (например, обрыв кабеля или отказ узла), первичное кольцо объединяется со вторичным (рисунок 2.1), образуя вновь единое кольцо. Этот режим работы сети называется Wrap, то есть "свертывание" или "сворачивание" колец. Операция свертывания производится силами концентраторов и/или сетевых адаптеров FDDI. Для упрощения этой процедуры данные по первичному кольцу всегда передаются против часовой стрелки, а по вторичному - по часовой. Поэтому при образовании общего кольца из двух колец передатчики станций по-прежнему остаются подключенными к приемникам соседних станций, что позволяет правильно передавать и принимать информацию соседними станциями.

В стандартах FDDI отводится много внимания различным  процедурам, которые позволяют определить наличие отказа в сети, а затем произвести необходимую реконфигурацию. Сеть FDDI может полностью восстанавливать свою работоспособность в случае единичных отказов ее элементов. При множественных отказах сеть распадается на несколько не связанных сетей.

Рисунок 2.1 – Реконфигурация колец FDDI при отказе  

     Кольца  в сетях FDDI рассматриваются как  общая разделяемая среда передачи данных, поэтому для нее определен  специальный метод доступа. Этот метод очень близок к методу доступа  сетей Token Ring и также называется методом  маркерного (или токенного) кольца - token ring (рисунок 2.2, а).

     Станция может начать передачу своих собственных  кадров данных только в том случае, если она получила от предыдущей станции  специальный кадр - токен доступа (рисунок 2.2, б). После этого она  может передавать свои кадры, если они у нее имеются, в течение времени, называемого временем удержания токена - Token Holding Time (THT). После истечения времени THT станция обязана завершить передачу своего очередного кадра и передать токен доступа следующей станции. Если же в момент принятия токена у станции нет кадров для передачи по сети, то она немедленно транслирует токен следующей станции. В сети FDDI у каждой станции есть предшествующий сосед (upstream neighbor) и последующий сосед (downstream neighbor), определяемые ее физическими связями и направлением передачи информации.

     Каждая  станция в сети постоянно принимает  передаваемые ей предшествующим соседом  кадры и анализирует их адрес  назначения. Если адрес назначения не совпадает с ее собственным, то она транслирует кадр своему последующему соседу. Этот случай приведен на рисунке (рисунок 2.2, в). Нужно отметить, что, если станция захватила токен и передает свои собственные кадры, то на протяжении этого периода времени она не транслирует приходящие кадры, а удаляет их из сети.

Если  же адрес кадра совпадает с  адресом станции, то она копирует кадр в свой внутренний буфер, проверяет  его корректность (в основном по контрольной сумме), передает его  поле данных для последующей обработки  протоколу лежащего выше над FDDI уровня (например, IP), а затем передает исходный кадр по сети последующей станции (рисунок 2.1.2, г). В передаваемом в сеть кадре станция назначения отмечает три признака: распознавания адреса, копирования кадра и отсутствия или наличия в нем ошибок.  

Рисунок 2.2 – Обработка кадров станциями кольца FDDI

     После этого кадр продолжает путешествовать по сети, транслируясь каждым узлом. Станция, являющаяся источником кадра для  сети, ответственна за то, чтобы удалить  кадр из сети, после того, как он, совершив полный оборот, вновь дойдет до нее (рисунок 2.2, д). При этом исходная станция проверяет признаки кадра, дошел ли он до станции назначения и не был ли при этом поврежден. Процесс восстановления информационных кадров не входит в обязанности протокола FDDI, этим должны заниматься протоколы более высоких уровней.