Построение сети по технологии FDDI

2.17 Инициализация кольца

Процедура инициализации кольца, известная под названием Claim Token (это название в свободном переводе можно может интерпретироваться как "соревнование претендентов на генерацию токена"), выполняется для того, чтобы все станции кольца убедились в его потенциальной работоспособности, а также пришли к соглашению о значении параметра T_Opr - максимально допустимому времени оборота токена по кольцу, на основании которого все станции вычисляют время удержания токена THT. Процедура Claim Token выполняется в нескольких ситуациях:

· при включении новой станции в кольцо и при выходе станции из кольца.

· при обнаружении какой-либо станцией факта утери токена. Токен считается утерянным, если станция не наблюдает его в течение двух периодов времени максимального оборота токена T_Opr.

· при обнаружении длительного отсутствия активности в кольце, когда станция в течение определенного времени не наблюдает проходящих через нее кадров данных.

· по команде от блока управления станцией SMT.

Для выполнения процедуры инициализации каждая станция сети должна знать о своих требованиях к максимальному времени оборота токена по кольцу. Эти требования содержатся в параметре, называемом "требуемое время оборота токена" - TTRT (Target Token Rotation Time). Параметр TTRT отражает степень потребности станции в пропускной способности кольца - чем меньше время TTRT, тем чаще станция желает получать токен для передачи своих кадров. Процедура инициализации позволяет станциям узнать о требованиях ко времени оборота токена других станций и выбрать минимальное время в качестве общего параметра T_Opr, на основании которого в дальнейшем будет распределяться пропускная способность кольца. Параметр TTRT должен находиться в пределах от 4 мс до 165 мс и может изменяться администратором сети. Для проведения процедуры инициализации станции обмениваются служебными кадрами МАС-уровня - кадрами Claim. Эти кадры имеют в поле управления значение 1L00 0011, поле адреса назначения содержит адрес источника (DA = SA), а в поле информации содержится 4-х байтовое значение запрашиваемого времени оборота токена T_Req. Если какая-либо станция решает начать процесс инициализации кольца по своей инициативе, то она формирует кадр Claim Token со своим значением требуемого времени оборота токена TTRT, то есть присваивает полю T_Req свое значение TTRT. Захвата токена для отправки кадра Claim не требуется. Любая другая станция, получив кадр Claim Token, начинает выполнять процесс Claim Token. При этом станции устанавливают признак нахождения кольца в работоспособном состоянии Ring_Operational в состояние False, что означает отмену нормальных операций по передаче токена и кадров данных. В этом состоянии станции обмениваются только служебными кадрами Claim. Для выполнения процедуры инициализации каждая станция поддерживает таймер текущего времени оборота токена TRT (Token Rotation Timer), который используется также и в дальнейшем при работе кольца в нормальном режиме. Для упрощения изложения будем считать, что этот таймер, как и другие таймеры станции, инициализируется нулевым значением и затем наращивает свое значение до определенной величины, называемой порогом истечения таймера. (В реальном кольце FDDI все таймеры работают в двоичном дополнительном коде). Таймер TRT запускается каждой станцией при обнаружении момента начала процедуры Claim Token. В качестве предельного значения таймера выбирается максимально допустимое время оборота токена, то есть 165 мс. Истечение таймера TRT до завершения процедуры означает ее неудачное окончание - кольцо не удалось инициализировать. В случае неудачи процесса Claim Token запускается процессы Beacon и Trace, с помощью которых станции кольца пытаются выявить некорректно работающую часть кольца и отключить ее от сети. Во время выполнения процесса Claim Token каждая станция сначала может отправить по кольцу кадр Claim со значением T_Req, равным значению ее параметра TTRT. При этом она устанавливает значение T_Opr, равное значению TTRT. Рассмотрим пример инициализируемого кольца, приведенный на рисунке 2.24.

Рисунок 2.24 - Процесс инициализации кольца

В некоторый момент времени все станции передали по кольцу свои предложения о значении максимального времени оборота токена: 72 мс, 37 мс, 51 мс и 65 мс. Станция, приняв кадр Claim от предыдущей станции, обязана сравнить значение T_Req, указанное в кадре со значением TTRT своего предложения. Если другая станция просит установить время оборота токена меньше, чем данная (то есть T_Req < TTRT), то данная станция перестает генерировать собственные кадры Claim и начинает повторять чужие кадры Claim, так как видит, что в кольце есть более требовательные станции. Одновременно станция фиксирует в своей переменной T_Opr минимальное значение T_Req, которое ей встретилось в чужих кадрах Claim. Если же пришедший кадр имеет значение T_Req больше, чем собственное значение TTRT, то он удаляется из кольца. Процесс Claim завершается для станции в том случае, если она получает кадр Claim со своим адресом назначения. Это означает, что данная станция является победителем состязательного процесса и ее значение TTRT оказалось минимальным. В рассматриваемом примере это станция B со значением TTRT, равным 37 мс. Другие станции кольца не смогут получить свой кадр Claim, так как он не сможет пройти через станцию B. При равных значениях параметра TTRT преимущество отдается станции с большим значением МАС-адреса. После того, как станция обнаруживает, что она оказалась победителем процесса Claim Token, она должна сформировать токен и отправить его по кольцу. Первый оборот токена - служебный, так как за время этого оборота станции кольца узнают, что процесс Claim Token успешно завершился. При этом они устанавливают признак Ring_Operational в состояние True, означающее начало нормальной работы кольца. При следующем проходе токена его можно будет использовать для захвата и передачи кадров данных. Если же у какой-либо станции во время выполнения процедур инициализации таймер TRT истек, а токен так и не появился на входе станции, то станция начинает процесс Beacon. После нормального завершения процесса инициализации у всех станций кольца устанавливается одинаковое значение переменной T_Opr.

2.18 Управление доступом к кольцу

Управление доступом к кольцу FDDI распределено между его станциями. Каждая станция при прохождении через нее токена самостоятельно решает, может она его захватить или нет, а если да, то на какое время. Если у станции имеются для передачи синхронные кадры, то она всегда может захватить токен на фиксированное время, выделенное ей администратором. Если же у станции имеются для передачи асинхронные кадры, то условия захвата определяются следующим образом. Станция ведет уже упомянутый таймер текущего времени оборота токена TRT, а также счетчик количества опозданий токена Late_Ct. Время истечения таймера TRT равно значению максимального времени оборота токена T_Opr, выбранному станциями при инициализации кольца. Счетчик Late_Ct всегда сбрасывается в нуль, когда токен проходит через станцию. Если же токен опаздывает, то таймер достигает значения T_Opr раньше очередного прибытия токена. При этом таймер обнуляется и начинает отсчет времени заново, а счетчик Late_Ct наращивается на единицу, фиксируя факт опоздания токена. При прибытии опоздавшего токена (при этом Late_Ct = 1) таймер TRT не сбрасывается в нуль, а продолжает считать, накапливая время опоздания токена. Если же токен прибыл раньше, чем истек интервал T_Opr у таймера TRT, то таймер сбрасывается в момент прибытия токена. На рисунке 2.25 приведены различные случаи прибытия токена. Значение максимального времени оборота токена для примера, приведенного на этом рисунке, равно 30 мс.

Рисунок 2.25 - Поведение таймера времени текущего оборота токена TRT и счетчика опозданий токена Late_Ct

Таблица 2.3 - События в моментах времени рисунка 2.25

Теперь рассмотрим, каким образом значения таймера TRT и счетчика Late_Ct используются при выяснении возможности захвата токена и времени его удержания. Станция может захватывать токен только в том случае, когда он прибывает вовремя - то есть в момент его прибытия счетчик Late_Ct равен нулю. Время удержания токена управляется таймером удержания токена THT (Token Holding Timer). Если станция имеет в буфере кадры для передачи в момент прибытия токена и токен прибыл вовремя, то станция захватывает его и удерживает в течение периода (T_Opr - TRT), где TRT - значение таймера TRT в момент прихода токена. Для отслеживания разрешенного времени удержания токена в момент захвата токена значение TRT присваивается таймеру THT, а затем таймер TRT обнуляется и перезапускается. Таймер THT считает до границы T_Opr, после чего считается, что время удержания токена исчерпано. Станция перестает передавать кадры данных и передает токен. Описанный алгоритм позволяет адаптивно распределять пропускную способность кольца между станциями, а точнее - ту ее часть, которая осталась после распределения между синхронным трафиком станций. Пример работы алгоритма выделения времени для передачи асинхронного трафика приведен на рисунке 2.26. как и в предыдущем примере, время максимального оборота токена равно 30 мс.

Рисунок 2.26 - Выделение времени для асинхронного трафика

Таблица 2.4 - События в моментах времени рисунка 2.26

В стандарте FDDI определено также еще два механизма управления доступом к кольцу. Во-первых, в токене можно задавать уровень приоритета токена, а для каждого уровня приоритета задается свое время порога, до которого считает таймер удержания токена THT. Во-вторых, определена особая форма токена - сдерживающий токен (restricted token), с помощью которого две станции могут монопольно некоторое время обмениваться данными по кольцу. Если таймер TRT истечет при значении Late_Ct, равном 1, то такое событие считается потерей токена и порождает выполнение процесса реинициализации кольца Claim Token.

2.19 Функции управления сетями FDDI

Кроме спецификаций уровней PHY, PMD и МАС, стандарт FDDI определяет также спецификацию уровня управления станцией Station Management (SMT). В настоящее время действует версия 7.3 SMT. Эта спецификация определяет функции, которые должен выполнять каждый узел в сети FDDI. SMT контролирует и управляет всеми процессами канального и физического уровней, протекающими в отдельной станции. Кроме того, процесс SMT каждой станции взаимодействует с аналогичными процессами других станций для того, чтобы следить и координировать все операции в кольце FDDI. В этом случае SMT принимает участие в распределенном одноранговом управлении кольцом. SMT включает три группы функций (рисунок 2.27):

· управление соединениями - Connection Management (CMT);

· управление кольцом - Ring Management (RMT);

· управление, основанное на кадрах - Frame-Based Management (FBM).

Рисунок 2.27 - Состав функций управления SMT

Функции управления соединениями CMT уже были рассмотрены в разделах 2.5.2 и 2.5.3 в связи с тем, что их основным назначением является контроль и управление физическими соединениями, организуемыми физическим уровнем. Функции управления кольцом RMT заключаются в управлении локальными узлами МАС и кольцами, к которым они присоединены. Функции RMT ответственны за обнаружение дублированных адресов, а также за запуск процедуры инициации кольца Claim Token и процедур обработки аварийных ситуаций Beacon и Trace. Функции управления, основанного на кадрах FBM позволяют узлу получать от других узлов сети информацию об их состоянии и статистике о прошедшем через них трафике. Эта информация хранится в базе данных управляющей информации MIB (Management Information Base).

2.19.2 Функции управления кольцом RMT

Для выполнения своих функций узел RMT взаимодействует с локальным узлом МАС, узлом управления соединениями CMT, а также другими узлами SMT станции. Узел RMT выполняет следующие функции. Уведомление о статусе и наличии локального МАС-узла. RMT несет ответственность за уведомление других узлов SMT о:

· доступности МАС узла для передачи и приема кадров и токена;

· начале или завершении процесса Beacon в локальном узле;

· обнаружении факта дублирования МАС-адреса;

· старте функции Trace, позволяющей узлу выйти из состояния постоянной генерации кадров сигнализации о неисправности (состояние Stuck Beacon);

· неработоспособности кольца в течение длительного времени.

Процесс Beacon и выход из него. Процесс Beacon (процесс сигнализации) используется для изоляции серьезных повреждений кольца. Узел МАС начинает процесс Beacon в следующих ситуациях:

· процесс инициализации кольца Claim Token не завершился за отведенное ему время;

· узел SMT передал узлу MAC команду на инициацию процесса Beacon.

Если узел входит в процесс Beacon, то он начинает передавать последующему в кольце узлу кадры Beacon, в которых в качестве адреса назначения указывается либо 0, либо адрес предшествующей станции, полученный в этом случае от SMT. В поле данных пересылается один байт причины начала процесса Beacon (0 - неудачное завершение процесса Claim Token, остальные значения зарезервированы на будущее). Если же узел получает кадр Beacon от другой станции, то она прекращает передавать свои кадры Beacon и переходит в режим повторения кадров. Через некоторое время после возникновения аварийной ситуации в кольце все станции прекращает генерировать кадры Beacon, кроме одной, той, которая находится в кольце непосредственно за станцией или участком кабеля, являющимися причиной аварийной ситуации в кольце. Станция, продолжающая генерировать кадры Beacon, попадает в состояние Stuck Beacon - "постоянной сигнализации" (рисунок 2.28).

Рисунок 2.28 - Станция в состоянии Stuck Beacon

Процесс RMT каждой станции при входе станции в процесс Beacon запускает таймер TRM (Ring Management), который измеряет период времени, в течение которого данная станция генерирует кадры Beacon. При превышении им границы T_Stuck процесс RMT считает, что станция попала в состояние постоянной сигнализации Stuck Beacon и что узел управления конфигурацией не смог справиться с возникшей в кольце проблемой. В этой ситуации узел RMT посылает по кольцу так называемый направленный сигнальный кадр - Directed Beacon - станции управления кольца (подразумевается, что на одной из станций кольца выполняется специальное программное обеспечение управления сетью, например, Sun NetManager, не входящее в компетенцию стандарта FDDI). В качестве адреса назначения в кадре Directed Beacon указывается специальный групповой адрес, который станция управления должна распознать. Поле информации должно содержать адрес предшествующей станции - потенциального виновника проблемы. После передачи нескольких кадров Directed Beacon (для надежности) процесс RMT инициирует процесс Trace. Процесс Trace используется для обнаружения домена неисправности - то есть группы станций, которые работают некорректно.

Станция, которая инициирует процесс Trace, посылает об этом сигнал станции, непосредственно предшествующей ей в кольце - то есть предыдущему соседу. Сигнал Trace передается в форме последовательности символов Halt и Quiet. Станция, которая получила сигнал Trace, и станция, которая передала сигнал Trace, на некоторое время отключаются от кольца и выполняют тест проверки внутреннего пути, так называемый Path Test. Детали теста Path Test не определены спецификацией SMT. Ее общее назначение состоит в том, что станция должна автономно проверить передачу символов и кадров между всеми своими внутренними узлами, чтобы убедиться в том, что не она является причиной отказа кольца. Если тест внутреннего пути Path Test выполнен успешно, то процесс SMT посылает блокам управления конфигурацией сигнал PC_Start, по которому они начинают восстановление физических соединений портов. Если же Path Test не выполняется, то станция остается отсоединенной от кольца.

2.19.3 Функции управления, основанные на передаче кадров

Эта часть функций SMT, называемая FBM (Frame Based Management) является наиболее высокоуровневой, так как для ее работы требуется, чтобы кольцо находилось в работоспособном состоянии и могло передавать между станциями кадры. Спецификация FBM определяет большое количество типов кадров, которыми обмениваются станции:

· кадры информации о соседстве (Neighborhood Information Frames, NIF) позволяют станции выяснить адреса ее предшествующего и последующего соседей, выяснить наличие дублированных адресов, а также проверить работоспособность своего МАС-узла при отсутствии другого трафика. Информация об адресах соседей может быть собрана управляющей станцией для построения логической карты кольца.

· кадры информации о статусе (Station Information Frames, SIF) используются станцией для передачи запроса о конфигурации и операционных параметрах другой станции. С помощью кадров SIF запрашиваются и передаются, например, данные о состоянии станции, значении счетчика кадров, приоритетах кадров, идентификаторе производителя.

· кадры отчета о статусе (Station Report Frames, SRF) позволяют станции периодически посылать по кольцу информацию о своем состоянии, которая может быть интересна станции управления кольцом. Это может быть, например, информация об изменении состояния станции, о нежелательных соединениях, о слишком высокой интенсивности ошибочных кадров.

· кадры управления параметрами (Parameter Management Frames, PMF) используются станцией для чтения или записи значений параметров базы данных управляющей информации SMT MIB.

· эхо-кадры (Echo Frames, ECF) позволяют станции проверить связь с любой станцией кольца.

Кадр SMT имеет собственный заголовок достаточно сложного формата, который вкладывается в информационное поле MAC кадра. За заголовком следует информационное поле SMT, которое содержит данные о нескольких параметрах станции. Каждый параметр описывается тремя полями - полем типа параметра, полем длины параметра и полем значения параметра. С помощью кадров PMF управляющая станция может получить доступ к значению параметров, хранящихся в базе данных управляющей информации станции - Management Information Base, MIB. Спецификация SMT определяет состав объектов SMT MIB и их структуризацию. База SMT MIB состоит из 6 поддеревьев (рисунок 2.29). Поддерево 5 зарезервировано на будущее.

Рисунок 2.29 - Структура базы управляющей информации SMT MIB

Сообщество Internet разработало стандарт на базу управляющей информации MIB для сетей FDDI. Стандарт RFC 1285 определяет объекты, которые нужны для управления станциями FDDI по протоколу SNMP. База Internet FDDI MIB является поддеревом ветви Transmission базы MIB-II. Объекты, определенные в RFC 1285, идентичны объектам SMT MIB. Однако, имена объектов и их синтаксис отличаются от спецификации SMT MIB. Эти отличия должны учитываться производителями оборудования и программного обеспечения управления. Обычно совместимость этих двух спецификаций достигается за счет встроенных в оборудование агентов-посредников FDDI/SNMP, а также за счет функций трансляции спецификаций в системах управления сетями. На рисунке 2.30 приведена структура базы FDDI MIB по спецификации RFC 1285.

Рисунок 2.30 - Структура базы FDDI MIB по спецификации RFC 1285

2.20 В каких случаях рекомендуется использовать технологию FDDI

Особенностью технологии FDDI является сочетание нескольких очень важных для локальных сетей свойств:

· высокая степень отказоустойчивости;

· способность покрывать значительные территории, вплоть до территорий крупных городов;

· высокая скорость обмена данными;

· возможность поддержки синхронного мультимедийного трафика;

· гибкий механизм распределения пропускной способности кольца между станциями;

· возможность работы при коэффициенте загрузки кольца близком к единице;

· возможность легкой трансляции трафика FDDI в трафики 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 Мб/с, но она не позволяет восстанавливать работу сети после однократного обрыва кабеля и не дает возможности работать при большом коэффициенте загрузки сети. За уникальное сочетание свойств приходится платить - технология FDDI является сегодня самой дорогой 100 Мб 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. Проект перевода сети университетского кампуса на технологию Fast Ethernet, разработанный компанией 3Com и приведенный в разделе 1.9, очень характерен. Специалисты 3Com не предлагают отказываться от технологии FDDI на магистрали кампуса, во всяком случае они говорят о возможности перехода от FDDI к АТМ только на завершающих стадиях проекта модернизации, лет через 5 - 8. Многие современные корпоративные сети построены с использованием технологии FDDI на магистрали в сочетании с технологиями Ethernet, Fast Ethernet и Token Ring в сетях этажей и отделов. Группа центральных серверов также обычно подключается к магистральному кольцу FDDI напрямую, с помощью сетевых адаптеров FDDI. В связи с появлением более дешевых, чем FDDI 100 Мб технологий, таких как Fast Ethernet и 100VG-AnyLAN, технология FDDI, очевидно, не найдет широкого применения при подключении рабочих станций и создании небольших локальных сетей, даже при увеличении быстродействия этих станций и наличии в сетях мультимедийной информации.

3. Практическая часть

При создании сети по технологии FDDI выгоднее и удобнее всего было бы сделать следующим образом.

Рисунок 3.1 - Сеть, построенная по технологии FDDI

Как видно на рисунке 3.1 аудитории связаны с сервером с помощью кольца. Они продолжают это кольцо в следующие аудитории. Сами же компьютеры внутри каждой аудитории связаны по протоколу Ethernet. Таким образом, в каждой аудитории компьютеры могут свободно обмениваться между собой, не занимая всю сеть. Для создания сети следует воспользоваться концетраторыми. Концентраторы FDDI выпускаются как в отдельных конструктивах с фиксированным количеством портов, так и в виде модулей для корпоративных концентраторов на основе шасси, таких как System 5000 компании Bay Networks или LANplex 6000 компании 3Com.

· Концентратор FDDI 2914-04 компании Bay Networks - это концентратор FDDI, выполненный в отдельном корпусе и имеющий 14 портов. Все порты поддерживают многомодовый оптоволоконный кабель 50/125 или 62.5/125 мкм. 12 портов сконфигурированы как порты типа M для соединения со станциями с одиночным подключением, а два порта являются портами А и В для подключения концентратора к двойному кольцу. Порты А и В могут быть также сконфигурированы как М-порты, тогда концентратор может объединять до 14 станций типа SAS. Концентратор имеет два МАС-узла - первичный и локальный. Локальный используется для поддержки процедуры плавного включения станций в кольцо, не требующей его реинициализации.

· Модуль концентратора FDDI для коммутатора LANplex 6000 компании 3Com. Модуль выпускается в двух исполнениях - на 6 портов для многомодового оптоволоконного кабеля, или на 12 портов неэкранированной витой пары категории 5. Каждый порт может быть сконфигурирован как порт М для поддержки станций SAS или как порт А или В для поддержки станций DAS. Модуль поддерживает спецификацию SMT 7.3 управление станцией, а также позволяет управлять им по протоколу SNMP, так как в него встроен агент SNMP/SMT proxy.

В качестве примера рассмотрим проект корпоративной сети АО "ЛУКойл-Когалымнефтегаз" и "Нефтекомбанка", выполненный интеграционной российской компанией IBS Network Solutions (рисунок 3.2).

Рисунок 3.2 - Сеть АО "ЛУКойл-Когалымнефтегаз", построенная с использованием технологии FDDI

АО "ЛУКойл-Когалымнефтегаз" представляет собой одно из крупнейших в России объединений, действующих на рынке нефтегазодобычи. В структуру объединения входит "Нефтекомбанк". Подавляющее число административных зданий объединения расположены на относительно небольшой территории (диаметром порядка 7 км) города Когалым. К моменту начала осуществления проекта в некоторых зданиях работали локальные сети с общим числом компьютеров около 700, но соединения между сетями зданий отсутствовали. В предложенном проекте семь зданий АО на территории города Когалым объединяются на основе оптоволоконного кабеля и технологии FDDI. В каждом здании установлен центральный для сети здания коммутатор LANplex 2500, позволяющий осуществлять коммутацию двух сетей FDDI или коммутацию одной сети FDDI с 8-ю сегментами Ethernet. При подключении к кольцу FDDI используется подключение типа DAС на многомодовом или одномодовом оптоволоконном кабеле. В предложенном проекте используется два магистральных кольца FDDI, объединенные коммутатором LANplex. К каждому из магистральных колец подключается несколько сетей зданий с помощью своих коммутаторов LANplex. Подключение по схеме DAC обеспечивает надежное функционирование магистральных колец, изоляция сетей зданий на физическом уровне осуществляется с помощью оптических обходных переключателей Optical Bypass Switch. Сети этажей и функциональных подразделений зданий используют технологию Ethernet. Сегменты Ethernet подключаются к коммутатору LANplex через порты его коммутирующего модуля Ethernet. Некоторые удаленные небольшие сети подключаются к магистральной сети не по технологии FDDI, а по технологии 10Base-FL, используя оптоволоконные повторители FMS Optical Repeater. Все коммуникационное оборудование сети управляется с помощью системы управления Transcend Enterprise Manager компании 3Сом.

Список литературы

1. http://www.school.ru/inf/lan/fddi.shtml.

2. Максимов Н.В., Попов И.И. Компьютерные сети: учебное пособие. - 2-е изд., испр. и доп. - М.: ФОРУМ: ИНФРА - М, 2007г.

3. Олифер В.Г., Олифер Н.А. Компьютерные сети - СПб.: Питер, 2003г.