МЕРЕЖІ 100VG-anyLAN

У липні 1993 року за ініціативою компаній AT&T і Hewlett-Packard був організований новий комітет IEEE 802.12, покликаний стандартизовать нову технологію 100BaseVG. Дана технологія була високошвидкісним розширенням стандарту IEEE 802.3 (відомого також як 100BaseT, або Ethernet на витій парі).

У вересні компанія IBM запропонувала об'єднати в новому стандарті підтримку Ethernet і Token Ring. Змінилася і назва нової технології - 100VG-AnyLAN.

Технологія повинна підтримувати як вже існуючі мережеві додатки, так і новостворювані. На це направлена одночасна підтримка форматів кадрів даних і Ethernet, і Token Ring, що забезпечує прозорість мереж, побудованих за новою технологією, для існуючих програм. З деяких пір вита пара повсюдно замінює коаксильниє кабелі. Її переваги - велика мобільність і надійність, низька вартість і простіше адміністрування мережі. Процес витіснення коаксильних кабелів йде і у нас. Стандарт 100VG-AnyLAN орієнтований як на виті пари (для використання придатно будь-яке наявне кабельне господарство), так і на оптоволоконні лінії, що допускають значну віддаленість абонентів. Втім, на швидкості обміну застосування оптоволокна не позначається.

Структура мережі 100VG-AnyLAN

Мережу 100VG-AnyLAN завжди включає центральний концентратор, званий концентратором рівня 1 або кореневим концентратором (малюнок 1).

Кореневий концентратор має зв'язки з кожним вузлом мережі, утворюючи топологію типу зірка. Цим концентратором є інтелектуальний центральний контроллер, який управляє доступом до мережі, постійно виконуючи цикл "кругового" сканування своїх портів і перевіряючи наявність запитів на передачу кадрів від приєднаних до них вузлів. Концентратор приймає кадр від вузла, що видав запит, і передає його тільки через той порт, до якого приєднаний вузол з адресjv, совпадающиv з адресою призначення, вказаною в кадрі.

Структура мережі 100VG-AnyLAN

Кожен концентратор може бути конфігурований на підтримку або кадрів 802.3 Ethernet, або кадрів 802.5 Token Ring. Всі концентратори, розташовані в одному і тому ж логічному сегменті (не розділеному мостами, комутаторами або маршрутизаторами), повинні бути конфігуровані на підтримку кадрів одного типу. Для з'єднання мереж 100VG-AnyLAN, що використовують різні формати кадрів 802.3, потрібний міст, комутатор або маршрутизатор. Аналогічний пристрій потрібний і у тому випадку, коли мережа 100VG-AnyLAN повинна бути сполучена з мережею FDDI або АТМ. Кожен концентратор має один "висхідний" (up-link) порт і N "низхідних" портів (down-link), як це показано на малюнку 2.

Круговий опит портів концентраторами мережі 100VG-AnyLAN

Висхідний порт працює як порт вузла, але він зарезервований для приєднання як вузол до концентратора більш високого рівня. Низхідні порти служать для приєднання вузлів, у тому числі і концентраторів нижнього рівня. Кожен порт концентратора може бути конфігурований для роботи в нормальному режимі або в режимі монітора. Порт, конфігурований для роботи в нормальному режимі, передає тільки тих кадрів, які призначені вузлу, підключеному до даного порту. Порт, конфігурований для роботи в режимі монітора, передає всіх кадрів, що обробляються концентратором. Такий порт може використовуватися для підключення аналізатора протоколів.

Вузлом є комп'ютер або комунікаційний пристрій технології 100VG-AnyLAN - міст, комутатор, маршрутизатор або концентратор. Концентратори, що підключаються як вузли, називаються концентраторами 2-го і 3-го рівнів. Всього дозволяється утворювати до трьох рівнів ієрархії концентраторів. Зв'язок, що сполучає концентратор і вузол, може бути утворена або 4 парами неекранованої витої пари категорій 3, 4 або 5 (4-UTP Cat 3, 4, 5), або 2 парами неекранованої витої пари категорії 5 (2-UTP Cat 5), або 2 парами екранованої витої пари типу 1 (2-STP Type 1), або 2 парами багатомодового оптоволоконного кабелю. Варіанти кабельної системи можуть використовуватися будь-які, але нижче буде розглянутий варіант 4-UTP, який був розроблений першим і набув найбільшого поширення.

На закінчення розділу приведемо таблицю, складену компанією Hewlett-Packard, в якій наводяться результати порівняння цієї технології з технологіями 10Base-T і 100Base-T.

Устаткування

Передавальні середовища. Для 100Base-T Ethernet використовуються кабелі, що містять чотири неекрановані виті пари. Одна пара служить для передачі даних, одна - для вирішення конфліктів; дві пари, що залишилися, не використовуються. Очевидно, що передача даних по всіх чотирьох парах дасть виграш вчетверо. Заміна стандартного "манчестерського" коду ефективнішим - 5B6B NRZ - дає виграш ще майже удвічі (за рахунок передачі двох бітів даних за один такт). Таким чином, при лише трохи підвищенні несучої частоти (близько 20%), продуктивність лінії зв'язку підвищується вдесятеро. При роботі з екранованими кабелями, характерними для мереж Token Ring, використовуються дві виті пари, але при удвічі більшій частоті (завдяки тому, що кабель екранований). При передачі по такому кабелю кожна пара використовується як фіксований однонаправлений канал. По одній парі передаються вхідні дані, по іншій вихідні. Стандартне видалення вузлів, на якому гарантуються параметри передачі - 100 метрів для пар третьої і четвертої категорії і 200 метрів для п'ятою. Допускається використання оптоволоконних пар. Завдяки такому носію відстань, що покривається, збільшується до двох кілометрів. Як і у разі екранованого кабелю, використовується двонаправлене з'єднання. Хаби 100VG можуть з'єднуватися каскадом, що забезпечує максимальну відстань між вузлами в одному сегменті на неекранованих кабелях до 2.5 кілометрів.

Хаби.

Головною дійовою особою при побудові мережі 100VG-AnyLAN є хаб (або концентратор). Всі пристрої мережі, незалежно від їх призначення, приєднуються до хабам. Виділяють два типу з'єднань: для зв'язку "вгору" і "вниз". Під зв'язком "вгору" мається на увазі з'єднання з хабом вищого рівня. "Вниз" - це з'єднання з крайовими вузлами і хабамі нижчого рівня (по одному порту на кожен пристрій або хаб). Щоб захистити дані від несанкціонованого доступу, реалізовано два режими роботи кожного порту: конфіденційний і публічний. У конфіденційному режимі кожен порт одержує тільки повідомлення, адресовані безпосередньо йому, в публічному - всі повідомлення. Звичайно публічний режим використовується для підключення мостів і маршрутизаторів, а також різного роду діагностичної апаратури. Для того, щоб підвищити продуктивність системи, адресовані конкретному вузлу дані тільки йому і передаються. Дані ж, призначені для широкого віщання, буферизуються до закінчення передачі, а потім розсилаються всім абонентам.

100VG-AnyLAN і модель OSI

У передбачуваному стандарті IEEE 802.12, 100VG-AnyLAN визначається на рівні передачі даних (2-й рівень семирівневої моделі ISO) і на фізичному рівні (1-й рівень ISO). Рівень передачі даних розбитий на два підрівні: логічного контролю з'єднання (LLC - Logical Link Control) і контролю доступу до середовища (MAC - Medium Access Control).
Стандартом OSI на рівень передачі даних покладається відповідальність за забезпечення надійної передачі даних між двома вузлами мережі. Одержуючи пакет для передачі від вищого мережевого рівня, рівень передачі даних приєднує до цього пакету адреси одержувача і відправника, формує з нього набір кадрів для передачі і забезпечує надмірність, необхідну для виявлення і виправлення помилок. Рівень передачі даних забезпечує підтримку форматів кадрів Ethernet і Token Ring.
Верхній підрівень - логічного контролю з'єднань - забезпечує режими передачі даних як зі встановленням, так і без встановлення з'єднання.

мал.3 Структура стека протоколів технології 100VG-anyLAN

Нижній підрівень - контролю доступу до середовища - при передачі забезпечує остаточне формування кадру передачі відповідно до протоколу, реалізованого в даному сегменті (IEEE 802.3 або 802.5). Якщо ж йдеться про отримання пакету, підрівень з'ясовує відповідність адреси, здійснює перевірку контрольної суми і визначає помилки передачі. Логічно MAC-підрівень можна розділити на три основні компоненти: протокол пріоритету запитів, система тестування з'єднань і система підготовки кадрів передачі. Протокол пріоритетів запитів - Demand Priority Protocol (DPP) - трактується стандартом 100VG-AnyLAN як складова частина MAC-підрівня. DPP визначає порядок обробки запитів і встановлення з'єднань.
Коли кінцевий вузол готовий передати пакет, він відправляє хабу запит звичайного або високого пріоритету. Якщо вузлу нічого передати, він відправляє сигнал "вільний". Якщо вузол не активний (наприклад, комп'ютер вимкнений), він, природно, нічого не посилає. У разі каскадного з'єднання хабов при запиті вузлом передачі у хаба нижнього рівня останній транслює запит "вгору". Хаб циклічно опитує порти, з'ясовувавши їх готовність до передачі. Якщо до передачі приготувалися відразу декілька вузлів, хаб аналізує їх запити, спираючись на два критерії - пріоритет запиту і фізичний номер порту, до якого приєднаний передавальний вузол. Спочатку, природно, обробляються запити високого пріоритету. Такі пріоритети використовуються додатками, критичними до часу реакції, наприклад, повноформатними системами мультимедіа. Адміністратор мережі може асоціювати виділені порти з високими пріоритетами. Для того, щоб уникнути втрат продуктивності, вводиться спеціальний механізм, що не допускає привласнення високого пріоритету всім запитам, витікаючим від одного вузла. Зроблені одночасно декілька запитів високого пріоритету обробляються відповідно до фізичної адреси порту. Після того, як оброблені всі високопріоритетні запити, обробляються запити нормального пріоритету, в порядку, також визначуваному фізичною адресою порту. Щоб забезпечити гарантований час відгуку, нормальному запиту, що прочекав 200-300 мілісекунд, привласнюється високий пріоритет. При опиті порту, до якого підключений хаб нижнього рівня, ініціюється опит його портів і лише після цього поновлюється опит портів старшого хаба. Таким чином, всі кінцеві вузли опитуються послідовно, незалежно від рівня хаба, з яким вони сполучені. Система тестування з'єднань. При тестуванні з'єднань станція і її хаб обмінюються спеціальними тестовими пакетами. Одночасно вся решта хаби одержує повідомлення про те, що десь в мережі відбувається тестування. Окрім верифікації з'єднань можна одержати інформацію про типи пристроїв, підключених до мережі (хабах, мостах, шлюзах і кінцевих вузлах), режими їх функціонування і адреси. Тестування з'єднань відбувається при кожній ініціалізації вузла і при кожному перевищенні заданого рівня помилок передачі. Тестування з'єднань між хабамі аналогічно тестуванню з'єднань кінцевого вузла. Підготовка кадру передачі. Перш, ніж передати дані на фізичний рівень, необхідно доповнити його службовими заголовком і закінченням, що включає заповнення поля даних (якщо це необхідно), адреси абонентів і контрольні послідовності.

Функції рівня MAC

Функції рівня PMI

Кадр передачі 100VG-AnyLAN

Передбачуваний стандарт IEEE-802.12 підтримує три типу форматів кадрів передачі даних: IEEE 802.3 (Ethernet), IEEE 802.5 (Token Ring) і спеціальний формат кадрів тестування з'єднань IEEE 802.3. Стандарт обмежує допустиму організацію мереж, забороняючи використання різних форматів кадрів в рамках одного сегменту мережі. Кожен сегмент може підтримувати тільки один логічний стандарт, а для побудови гетерогенних мереж наказує застосування спеціальних мостів. Порядок передачі даних для форматів Ethernet і Token Ring однаковий (першим передається байт старшого розряду, останнім - молодшого). Розрізняється лише порядок бітів в байтах: у форматі Ethernet першими передаються молодші біти, а в Token Ring - старші.

Кадр Ethernet (IEEE 802.3) повинен містити наступні поля:
DA - адреса одержувача пакет (6 байт);
SA - адреса відправника (6 байт);
L - покажчик довжини даних (2 байти);
дані користувача і заповнювачі;
FCS - контрольна послідовність.

Кадр Token Ring (IEEE 802.5) містить більше число полів. Деякі з них протоколом 100VG-AnyLAN не використовуються, а збережені лише для того, щоб забезпечити сумісність даних з сегментами 4 і 16 Мбит/сек (при обміні через відповідні мости):
АС - поле контролю доступу (1 байт, не використовується);
FC - поле контролю кадру (1 байт, не використовується);
DA - адреса одержувача (6 байт);
SA - адреса відправника (6 байт);
RI - інформаційне поле маршрутизатора (0-30 байт)поле інформації;
FCS - контрольна послідовність (4 байти).

Кодування інформації в мережі 100VG-AnyLAN

Кожен концентратор містить у внутрішній пам'яті таблицю MAC-адрес всіх абонентів, підключених до його портів нижнього рівня. Це дозволяє йому перенаправляти отримані пакети саме тим абонентам, яким вони адресовані. Концентратори верхніх рівнів зберігають таблиці адрес і тих абонентів, які підключені до концентраторів нижчих рівнів. Таким чином, основний (кореневий) концентратор містить в собі інформацію про всіх абонентів мережі. Формується таблиця адрес на етапі ініціалізації мережі. Крім власне передачі пакетів і пересилки запитів на передачу в мережі застосовується також спеціальна процедура підготовки до зв'язку (Link Training), під час якого концентратор і абоненти обмінюються між собою пакетами спеціального формату, що управляють. При цьому перевіряється правильність приєднання ліній зв'язку і їх справність, а також рівень помилок: якщо 24 пакети підряд не проходять без помилок, то абонент не включається в роботу. Одночасно концентратор отримує інформацію про особливості абонентів, підключених до нього, їх призначення і мережеві адреси, які він заносить в таблицю. Запускається дана процедура абонентом при включенні живлення або після підключення до концентратора, а також автоматично при великому рівні помилок.

Цікаво вирішена в мережі 100VG-AnyLAN проблема кодування передаваних даних. Вся передавана інформація проходить наступні етапи обробки:

• Розділення на квінтети.

• Перемішування, скремблювання (scrambling) отриманих квінтетів.

• Кодування квінтетів спеціальним кодом 5В/6В (цей код забезпечує у вихідній послідовності не більше трьох одиниць або нулів підряд, що використовується для детектування помилок).

• Додавання початкового і кінцевого роздільників кадру.

Сформовані таким чином кадри передаються в 4 лінії передачі (при використанні счетверенной витої пари). При здвоєній витій парі і оптоволоконному кабелі застосовується тимчасове мультиплексування інформації в каналах. В результаті всіх цих дій досягається рандомізація сигналів, тобто вирівнювання кількості передаваних одиниць і нулів, зниження взаємовпливу кабелів один на одного і самосинхронізація передаваних сигналів без подвоєння необхідної смуги пропускання, як у разі манчестерської коди. При використанні счетверенной витої пари передача по кожній з чотирьох витих пар проводиться із швидкістю 30 Мбіт/с. Сумарна швидкість передачі складає 120 Мбіт/с. Проте корисна інформація унаслідок використання коди 5В/6В передається всього лише із швидкістю 100 Мбіт/с. Таким чином, пропускна спроможність кабелю повинна бути не менше 15 Мгц. Цій вимозі задовольняє кабель з витими парами категорії 3 (смуга пропускання – 16 Мгц).

Кодування інформації в мережі 100VG-AnyLAN

У мережі 100VG-AnyLAN передбачено два режими обміну: напівдуплексний і повнодуплексний.

При напівдуплексному обміні все чотири виті пари використовуються для передачі одночасно в одному напрямі (від абонента до концентратора або навпаки). Даний режим використовується для передачі пакетів.

При повнодуплексному обміні дві виті пари (1 і 4) передають в одному напрямі, а дві інші (2 і 3) – в іншому напрямі. Цей режим використовується для передачі сигналів, що управляють.

Для управління використовуються два тональні сигнали. Перший з них є послідовністю з 16 логічних одиниць і 16 логічними нулями, наступними із швидкістю 30 Мбіт/с (в результаті частота сигналу рівна 0,9375 Мгц). Другий тональний сигнал має удвічі більшу частоту (1,875 Мгц) і утворюється чергуванням восьми логічних одиниць і восьми логічних нулів. Все управління мережею здійснюється комбінаціями цих двох тональних сигналів.

У таблице приведена розшифровка різних комбінацій цих сигналів, передаваних абонентові і концентратору. Коли ні у абонента, ні у концентратора немає інформації для передачі, обидва вони посилають по обох лініях перший тоновий сигнал (комбінація 1—1). Якщо пакет, що приймається концентратором, може бути адресований даному абонентові, йому посилається комбінація сигналів 1—2. При цьому абонент повинен припинити передачу сигналів, що управляють, концентратору і звільнити ці дві лінії зв'язку для пересилки інформаційних пакетів. Така ж комбінація (1—2), отримана концентратором, означає запит на передачу пакету з нормальним пріоритетом. Запит на передачу пакету з високим пріоритетом передається комбінацією 2—1. Нарешті, комбінація 2—2 повідомляє як абонента, так і концентратор про необхідність перейти до процедури підготовки до зв'язку (Link Training).

Таким чином, мережа 100VG-AnyLAN є доступне рішення для збільшення швидкості передачі до 100 Мбіт/с. Проте вона не володіє повною сумісністю ні з однією із стандартних мереж, тому її подальша доля проблематична. До того ж, на відміну від мережі FDDI, вона не має ніяких рекордних параметрів. Швидше за все, 100VG-AnyLAN не дивлячись на підтримку солідних фірм і високий рівень стандартизації залишиться всього лише прикладом цікавих технічних рішень. Якщо говорити про найбільш поширену 100-мегабитной мережу Fast Ethernet, то 100VG-AnyLAN забезпечує удвічі більшу довжину кабелю UTP категорії 5 (до 200 метрів), а також безконфліктний метод управління обміном.

Фізичний рівень мереж 100VG-AnyLAN

У моделі ISO фізичному рівню ставиться безпосередній процес передачі бітів даних від одного вузла до іншого. Роз'єми, кабелі, рівня сигналів, частоти і інші фізичні характеристики описуються саме цим рівнем. Як електричний стандарт передачі даних розробники вирішили повернутися до відомого способу прямого двухуровнего кодування (NRZ-коду), де високий рівень сигналу відповідає логічній одиниці, а низький - нулю. Колись, на зорі ери цифрової передачі даних, від такого способу відмовилися. В основному, це було пов'язано з труднощами синхронізації і відбулося всупереч більшій щільності інформації на один такт несучої частоти - два біти за один такт. Використання кодування 5B6B, що зумовлює рівне число нулів і одиниць в передаваних даних, дозволяє одержати достатню синхронізацію. Навіть наявність трьох бітів одного рівня підряд (а більше їх число заборонене кодуванням і інтерпретується як помилка) не встигає привести до розсинхронізації передавача і приймача. Таким чином, при надмірності коду 20% пропускна спроможність каналу збільшується удвічі. При тактовій частоті 30 Мгц забезпечується передача 25 Мбит/сек початкових даних по одній парі, сумарний об'єм передачі по чотирьох парах одного кабелю складає 100 Мбит/сек.

Управління передачею даних в мережах

Мережі, побудовані на неекранованій витій парі, використовують всі чотири пари кабелю і можуть функціонувати як в повнодуплексному (для передачі сигналів управління), так і напівдуплексному режимі, коли всі чотири пари використовуються для передачі даних в одному напрямі. У мережах на екранованій парі або оптоволокне реалізовані два однонаправлені канали: один на приклад, інший на передачу. Прийом і передача даних може здійснюватися одночасно. У мережах на оптоволокне або екранованій парі передача даних відбувається аналогічно. Невеликі відмінності визначаються наявністю постійно діючих в обидві сторони каналів. Вузол, наприклад, може одержувати пакет і одночасно відправляти запит на обслуговування.

Приклад корпоративної мережі на технології 100VG-AnyLAN