Приниципы и устройства оптоволоконных сетей

 

Рис. Эмуляция совместного использования среды (SME)

 

 

 

5. Комбинирование режимов PtPE и SME.

В то время  как PtPE, так и SME могут решить проблему передачи данных для стандартов P802.1, каждый из них имеет свои недостатки. Режим PtPE препятствует возможности  иметь только одну копию кадра  при мультикастинге/бродкастинге, когда OLT посылает кадр, достигающий нескольких ONU. Эта особенность очень важна  для сервисов типа видео-бродкаст или  бродкаст реального времени. Чтобы  поддерживать эти сервисы, OLT, работающая в режиме PtPE, должна дублировать  широковещательные пакеты, каждый раз  с разными ID-канала.

Эмуляция  совместно используемой среды, с  другой стороны, обеспечивает возможности  мультикастинга/бродкастинга. Однако, так как каждый кадр upstream переадресуется downstream, тратится заметная часть полосы downstream.

Чтобы оптимизировать работу, можно использовать PON с P2P и SME-эмуляцией одновременно. В такой  конфигурации в EPON с N ONU, OLT будет содержать N+1 MAC: по одному на каждый ONU (PtPE) и один для бродкастинга. Каждый ONU должен иметь два MAC: один для совместно используемой среды (SM) и один для эмуляции канала P2P. Для оптимального разделения трафика, более высокие уровни (выше MAC), будут решать, через какой порт посылать данные (например, используя VLAN). Только данные, подлежащие широковещательной рассылке, будут посланы на вход порта, который соединен с сегментом эмуляции совместно используемой среды.

Рис. Режим совместной эмуляции SME и P2P

Поле ID-канала, размещенное в преамбуле каждого  кадра, используется для идентификации  туннеля между OLT и ONU (эмуляция PtP). Этот заголовок может также использоваться для хранения индекса ключа криптографической  защиты в EPON. Для этой цели используется один из зарезервированных байтов заголовка. Основываясь на коде, содержащемся в этом поле, будет возможно определить, зашифровано ли содержимое кадра, и какой применен ключ.

Рис. Преамбула кадра со встроенным ID канала и индексом ключа шифрования

Каждый ONU имеет  ключ, который используется для текущей  сессии. Идентификатор ключа является указателем ключа для ONU. Такая схема  упрощает переход от одной сессии к другой, когда нужно заменить ключ. Для нешифрованных кадров используется значение идентификатора ключа по-умолчанию. Этот механизм имеет встроенное расширение - разные значения индекса ключа позволяют выбрать различные криптографические алгоритмы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Сети FDDI

Одной из наиболее популярных сетей, использующих оптическое волокно, (не считая fast ethernet) является FDDI (в настоящее время усталела). FDDI (fiber distributed data interface, ISO 9314-1, rfc-1512, -1390, -1329, -1285) стандарт американского института стандартов (ansi), принятый без изменения ISO. Протокол рассчитан на физическую скорость передачи информации 100 Мбит/с и предназначен для сетей с суммарной длиной до 100км (40 км для мультимодовых волокон) при расстоянии между узлами 2 км или более. Частота ошибок в сети не превышает 10-9. В FDDI используется схема двойного кольцевого счетчика (рис.; буквами a,b,c,d и e обозначены станции-концентраторы). Кольцевая схема единственно возможное решение для оптического волокна (не считая схемы точка-точка). Для доступа к сети используется специальный маркер (развитие протокола IEEE 802.5 - Token Ring). Сети FDDI не имеют себе равных при построении опорных магистралей (backbone) локальных сетей, позволяя реализовать принципиально новые возможности – удаленную обработку изображений и интерактивную графику. Обычно устройства (DAS - dual attached station) подключаются к обоим кольцам одновременно. Пакеты по этим кольцам движутся в противоположных направлениях. В норме только одно кольцо активно (первичное), но при возникновении сбоя (отказ в одном из узлов) активизируется и второе кольцо, что заметно повышает надежность системы, позволяя обойти неисправный участок (схема соединений внутри станций-концентраторов на рис. является сильно упрощенной). Предусмотрена возможность подключения станций и только к одному кольцу (SAS - single attached station), что заметно дешевле. К одному кольцу можно подключить до 500 das и 1000 sas. Сервер и клиент имеют разные типы интерфейсов.

Рис. Схема  связей в двойном кольце FDDI

Топология связей в FDDI устроена таким образом, что отказ в любом из узлов из-за выхода из строя оборудования или отключения питания не приведет к разрыву кольца, поток кадров автоматически пойдет в обход поврежденного участка.

FDDI позволяет работать с кадрами размером 4500 октетов, за вычетом места, занимаемого преамбулой, остается 4470 октетов для передачи данных. RFC-1188 резервирует 256 октетов для заголовков, оставляя для данных 4096 октетов. Маршрутизатор, поддерживающий протокол FDDI должен быть способен принимать такие длинные пакеты. Посылаться же должны дейтограммы не длиннее 576 октетов, если не ясно, сможет ли адресат принимать длинные кадры.

Услуги информационного  канала (data link service) реализуются через протокол IEEE 802.2 logical link control (LLC). В результате мы имеем следующий стек протоколов

IP/ARP

802.2 llc

FDDI MAC

FDDI PHY

FDDI PMD

 

Уровень MAC (media access control) определяет доступ к сетевой  среде, включая формат кадров, адресацию, алгоритм вычисления crc и механизм исправления  ошибок. Уровень PHY (physical layer protocol) задает процедуру кодирования/декодирования, синхронизацию, формирование кадров и пр. В качестве базовой используется кодировка 4b/5b (преобразование 4-битного кода в 5-битный), а в канале - NRZI. Уровень PMD (physical layer medium) определяет характеристики транспортной среды, включая оптические каналы, уровни питания, регламентирует частоту ошибок, задает требования к оптическим компонентам и разъемам. Блок схема интерфейса между уровнями MAC и PHY показана на рис.

 

Рис. Схема  физического интерфейса FDDI

IP-дейтограммы, ARP-запросы и отклики, пересылаемые  по сети FDDI, должны инкапсулироваться  в пакеты 802.2 LLC и SNAP (subnetwork access protocol;), а на физическом уровне в  FDDI MAC. Протокол snap должен использоваться  с организационными кодами, указывающими, что SNAP-заголовок содержит код  Ethertype. 24-битовый организационный  код (organization code) в snap должен быть  равен нулю, а остальные 16 бит  должны соответствовать Ethertype (см. assigned numbers, RFC-1700; IP=2048, ARP=2054).

Все кадры  должны пересылаться в соответствии со стандартом 802.2 LLC тип 1 (формат ненумерованной информации, с полями DSAP (destination service access point) и SSAP (source service access point) заголовка 802.2, равными предписанным значениям SAP (service access point) для SNAP.

Рис. Структура  некоторых полей заголовков пакетов

 

Полная длина LLC- и SNAP-заголовков составляет 8 октетов.

Десятичное  значение k1 равно 170 .

k2 равно 0.

Управляющий код равен 3 (ненумерованная информация).

Для преобразования 16- или 48-разрядного FDDI-адреса в 32-разрядный IP-адрес используется протокол ARP. Операционный код равен 1 для запроса и 2 для  отклика. Спецификация FDDI MAC определяет максимальный размер кадра равным 4500 октетам, включая 16-октетную преамбулу. Преамбула состоит из кодов 11111, стартовый  разделитель имеет вид 1100010001, а  оконечный разделитель - 0110101101 (во всех случаях применена 5-битовая нотация). Контрольная сумма CRC вычисляется  для полей, начиная с поля управление по данные включительно.

Рис. Формат пакета протокола FDDI

Вычитая 8 байт LLC/SNAP заголовка, получаем значения максимального размера пакета (MTU) 4470 (4478) октетов. Для совместимости размер пакетов для IP-дейтограмм и ARP-пакетов согласуется с требованиями конкретной сети. FDDI реализует маркерный доступ, формат пакета-маркера имеет вид, показанный на рис. В зависимости от размера кольца в нем могут циркулировать несколько маркеров.

Рис. Формат кадра-маркера

802.2 класс  I LLC требует поддержки команд ненумерованная информация (UI), команд и откликов exchange identification (XID), а также test. Станции не обязаны уметь передавать команды XID и test, но должны быть способны посылать отклики.

Командные кадры  идентифицируются по нулевому младшему биту SSAP-адреса. Кадры-отклики имеют младший бит SSAP-адреса равный 1. UI-команды содержат в управляющем поле LLC код 3.

Команды/отклики  XID имеют код поля LLC, равный 175 (значение десятичное) при значении бита poll/final=0 или 191 при poll/final=1. Код управления LLC для команд/откликов test равен 227, если poll/final=0, и 243 при poll/final=1.

Отклики и  команды UI при poll=1 игнорируются. Команды UI, имеющие отличные от snap sap в DSAP- или SSAP-полях, не считаются пакетами IP или ARP.

При получении  команд XID или test должен быть послан соответствующий отклик. Отклик посылается, когда DSAP равен SNAP SAP (170), null SAP (0), или при global SAP (255). При других DSAP отклики не посылаются.

При посылке  отклика на команды XID или test, значение бита final отклика должно быть равно значению бита poll команды. Кадр отклика XID должен включать в себя информационное поле 802.2 XID 129.1.0, указывающее на класс услуг 1 (не требующих установления связи).

Кадры отклика  test должны соответствовать информационному полю кадра команды test.

Для начала передачи станция должна получить в  свое распоряжение маркер. Если станция  находится в пассивном состоянии, она передает маркер следующей станции. Но из-за большой протяженности колец  FDDI время задержки здесь заметно больше, чем в случае Token Ring. В кольце FDDI может находиться несколько кадров одновременно. Станция сама удаляет кадры из кольца, посланные ей самой. Все станции должны иметь таймер вращения маркера (TRT – token rotation time), который измеряет время с момента, когда станция последний раз принимала этот пакет. Имеется переменная TTRT (target token rotation time). Значение TRT сравнивается с TTRT и только приоритетные кадры могут быть переданы при TRT> TTRT. Обычная передача данных контролируется таймером THT (token hold timer). Когда станция получает маркер, она заносит TRT в таймер THT, который начинает обратный отсчет. Станция может посылать кадры до тех пор, пока THT остается больше TTRT. В действительности THT определяет максимальное число октетов (символов), которое может быть послано станцией в рамках одного кадра (THT задает предельное время, в течение которого станция может передавать данные).

IEEE специфицирует числа как последовательности бит, где младший бит передается первым. В протоколах Интернет порядок бит другой, что может вызывать ошибки. Ниже приведена краткая таблица соответствия для некоторых из чисел.

Число	IEEE двоичное	Интернет двоичное	Интернет десятичное
UI	11000000	00000011	3
SAP для SNAP	01010101	10101010	170
global SAP	11111111	11111111	255
null SAP	00000000	00000000	0
XID	11110101	10101111	175
XID poll/final	11111101	10111111	191
XID info			129.1.0
test	11000111	11100011	227
test poll/final	11001111	11110011	243

 

Оптоволокно особенно привлекательно для сетей, где ЭВМ размещены в далеко отстоящих друг от друга зданиях  и при высоком уровне электромагнитных наводок. Оптоволокно является незаменимой  средой для широкополосных каналов  связей (вспомним теорему Шеннона). Привлекательна такая среда и  с точки зрения надежности (бульдозеры, рвущие кабель, не в счет) и безопасности (отсутствие внешних излучений). Расстояние между станциями при использовании  такого кабеля может достигать 8-9 км (а не 2 км, как в случае многомодового  кабеля с полосой 500МГц/км). Зарубежные одномодовые кабели группы 1 допускают  максимальное расстояние между узлами в 10 км, а группы 2 - 40 км при полосе пропускания 1 Гбит/с. Подключение к  сети fddi производится обычно через  фотооптические трансиверы (ФОТ), которые  преобразуют оптический сигнал в  электрический. Источником света является светоизлучающий диод с длиной волны 1350 или 1500 нм. Толщина передающего  оптоволокна равна 50/125 или 62.5/125 микрон (числитель - диаметр несущего свет волокна; знаменатель - внешний диаметр  клэдинга; числа относятся к мультимодовому волокну). При выборе того или иного  кабеля следует иметь в виду, что  ослабление более 11дБ не допустимо, при  большем ослаблении число ошибок в процессе передачи становится слишком  большим. Именно это ограничение  ставит верхний предел на длину при  использовании многомодового волокна (при длине 2 км ослабление достигает 10,5 дБ). Выбирая оптические разъемы, нужно помнить, что хороший разъем не должен вносить ослабление более 2 дБ. Там где это возможно, предпочтительнее сварка волокон, которая при качественном исполнении вносит ослабление сигнала  не более 0,3 дБ. На случай выхода из строя  оборудования или отключения питания  удобно использовать обводящие оптические переключатели (но они вносят ослабление около 2.5-4 дБ). При их использовании  предельное расстояние между узлами должно быть сокращено более чем  вдвое. Если видно, что потери достигают  критического уровня, следует выбирать кабель с волокном 62.5/125 микрон. При  прокладке оптического кабеля нельзя допускать слишком малых радиусов перегибов (возможен обрыв волокна, увеличиваются потери света). Кабели, относящиеся к разным кольцам fddi, следует разнести, в этом случае один бульдозер не сможет оборвать сразу оба кабеля.