Основы вычислительных комплексов

6.5. Реализация

 

Разработка ЛВС началась в 70-х годах. К настоящему времени создано большое число вариантов ЛВС, отличающихся типом передающей среды, пропускной способностью моноканала, структурой и назначением. Типичные области применения ЛВС – системы административного управления (учрежденческие), автоматизации проектирования и технологической подготовки производства, автоматизации научных исследований, промышленные системы (системы управления технологическими процессами и производством) и бортовые. К последним предъявляются требования повышенной надежности при работе в условиях сильных электромагнитных помех и, возможно, е широком диапазоне температур окружающей среды.

Ниже описываются три реализации ЛВС, наиболее ярко представляющие основные аспекты организации сетей.

Сеть Ethernet. Эта сеть разработана в середине 70-х годов фирмой «Ксерокс» (США), и ее архитектура используется в качестве типовой фирмами DEC и «Интел», производящими мини- и микро-ЭВМ. Основное назначение сети – системы административного управления.

Сеть имеет магистральную структуру. В качестве передающей среды используется коаксиальный кабель, передача данных по которому выполняется со скоростью 10 Мбит/с. Сеть может объединять до 1024 систем при максимальном расстоянии между ними 2,5 км.

Структура сети представлена на рис. 6.23. В простейшем варианте (рис. 6.23, а) сеть состоит из сегмента (длиной до 500 м) коаксиального кабеля, к которому может подключаться до 100 приемопередатчиков, обслуживающих системы. Кабель приемопередатчика состоит из четырех витых пар для передачи, приема данных, передачи сигналов столкновения и питания. Максимальная длина кабеля приемопередатчика 50 м. В варианте на рис. 6.23, б сегменты объединяются в магистраль с помощью ретрансляторов; подключаемых к приемопередатчикам. Между любыми двумя системами не может быть более двух ретрансляторов. Пример сложной конфигурации представлен на рис. 6.23, в. Для связи удаленных сегментов используется ретранслятор длинной линии, предельная длина которой может достигать 1 км. При любой конфигурации расстояние между системами не должно превышать 2,5 км.

Рис. 6.23. Варианты ЛВС

 

 

 

Рис. 6.24. Формат кадра ЛВС Ethernet

 

 

Сеть имеет трехуровневую организацию. Верхний уровень – прикладной – объединяет функции и средства обработки данных и ввода–вывода сообщений. Канальный и физический уровни обеспечивают доступ к моноканалу и передачу по нему сообщений. Функции двух нижних уровней реализуются приемопередатчиком и сетевым адаптером, который в этой сети называется абонентской станцией. Приемопередатчик установлен непосредственно на коаксиальном кабеле и служит для формирования сигналов, приема сигналов из канала и выявления столкновений. С помощью кабеля к приемопередатчику подсоединяется плата контроллера – абонентской станции, которая реализует доступ к моноканалу, передачу и прием сообщений, а также сопряжение с интерфейсом ЭВМ – шиной ввода–вывода. ЭВМ выполняет прикладные функции, функции управления. передачей данных между взаимодействующими процессами (абонентами), а также часть функций по управлению информационным каналом.

Передаваемые по каналу данные представляются в манчестерском коде. Для исключения потерь первых битов кадра передача предваряется последовательностью из 64 бит:

1010101010101010 . . . 10101011

Последовательность 1010...10 – это серия сигналов с частотой 5 МГц. Код 11, завершающий последовательность, отмечает момент начала кадра. Приемник включается в работу при обнаружении последовательности 1010...10 и после поступления кода 11 начинает прием битов кадра. После исчезновения сигналов в канале кадр считается принятым и начинается его обработка.

Способ доступа к каналу – свободный с проверкой несущей и столкновений. Контроллер проверяет наличие сигналов в канале и после исчезновения несущей начинает передачу кадра в канал с задержкой 9,8 мкс. Задержка создает межкадровый интервал, в течение которого аппаратура контроллеров восстанавливает свое исходное состояние и может принимать очередной кадр. В том случае, если при передаче приемопередатчик выявляет столкновение, контроллер прекращает передачу кадра и «подкрепляет» столкновение, передавая в канал помеху в виде последовательности из 32–48 бит. При этом системе разрешается сделать еще 15 попыток передачи кадра. Если все 16 попыток оказались неудачными, выдается сигнал об ошибке.

Формат кадра сети «Ethernet» представлен на рис. 6.24. Адреса разделяются на три типа; физические, групповые и широковещательные. Физический – адрес, однозначно определяющий систему сети. Групповой адрес определяет группу систем. Широковещательный адрес относится ко всем системам сети. Тип адреса кодируется в первом бите адреса приемника: 0 – физический, 1 –групповой или широковещательный адрес. Последний кодируется единицами во всех 48 разрядах поля адреса приемника. Источник идентифицируется своим физическим адресом, представляемым во втором ноле кадра. Поле типа кадра идентифицирует команды и ответы. Контроль правильности передаваемых данных осуществляется с помощью 32-разрядного циклического кода.

Таблица 6.2. Структура пакета сети

Номер бита

Назначение

Номер бита

Назначение

1

Метка начала пакета

12-19

Адрес источника

2

Эстафета (метка «свободен-занят»)

20-35

Данные

3

Метка монитора

36-37

Метка приемника

4-11

Адрес приемника

38

Бит четности

 

Сеть Cambridge Ring (Кембриджское кольцо). Сеть разработана в Кембриджском университете в 1979 г. Аппаратура выпускается под названием Роlynet. Сеть имеет кольцевую структуру. Сетевые адаптеры соединяются кабелем, состоящим из двух пар скрученных экранированных проводов. Обе пары используются для передачи сигналов. Значение 1 передается сигналами сразу по двум парам, значение 0 – сигналом по одной паре. Эти же игры используются для питания; цепи разных пар имеют различные потенциалы. Расстояние между соседними адаптерами не должно превышать 100 м, чтобы скорость передачи данных по моноканалу была не менее 10 Мбит/с при достаточно простых приемопередатчиках.

Данные передаются по кольцу в виде пакетов из 38 бит. Структура пакета определена в табл. 6.2. Пакет может быть свободным или затолченным. Свободный пакет отмечается единичным значением во втором бите 2. При прохождении через адаптер, хранящий данные для передачи, свободный пакет заполняется данными и передается как занятый по кольцу от источника к приемнику. Адаптер, которому адресован пакет, отмечает (метка приемника) «пакет принят», «пакет отвергнут», «приемник занят». Пакет возвращается источнику, где сравнивается с переданным оригиналом, и при условия приема адресатом очищается от данных и возвращается в кольцо как свободный. Реагируя на метки «пакет отвергнут» и «приемник занят», адаптер-источник повторяет передачу пакета. Отсутствие метки приемника в битах 36–37 воспринимается адаптером источником как метка «нет реакции приемника».

Для устранения некоторых ошибок функционирования сети используется станция-монитор. Монитор отмечает каждый проходящий пакет установкой бита 3 в единицу. Если поступает пакет с меткой монитора, равной 1, значит, система-источник по какой-то причине не освободила пакет. В этом случае очистку пакета выполняет монитор. При запуске сети монитор генерирует набор свободных пакетов, число которых фиксировано и зависит от протяженности кольца. При этом учитывается, что каждый адаптер по кольцу вносит задержку 2 бита и задержка кабеля составляет 4 бита на каждые 100 м длины.

В сети CR реализована передача данных в режиме сеанса связи, предусматривающая передачу серии взаимосвязанных пакетов, длина которой определяется при генерации сети. Для установления сеанса связи источник формирует и передает пакет, несущий заголовок сеанса. В заголовке .указывается число пакетов; передаваемых в одном блоке. Если приемник готов принять блок данных, он возвращает источнику пакет с заголовком сеанса и меткой «пакет принят»; в ответ источник передает адресату последовательность пакетов, образующих блок данных. Блок снабжается контрольной суммой длиной 16 бит. Кроме того, в сети CR имеется узел управления именованием, содержащий микропроцессор. Узел выполняет преобразование логических имен в физические адреса станций и обратное преобразование, благодаря чему абоненты сети могут пользоваться произвольной системой именования, не связанной с физическими адресами узлов.

 

Проект 802 стандарта ЛВС. Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (IEEE) в США подготовил в 1981 г проект стандарта локальных сетей. Проект охватывает только два нижних уровня сетевых средств – управление физическим и информационным каналом, включая управление доступом к каналу, и устанавливает протоколы уровней 1, 2.1 и 2.2 (см. рис. 6.2).

 

Рис. 6.25. Формат кадра ЛВС (проект 802)

 

В основу управления информационным каналом положен протокол NDLC – стандартный протокол второго уровня, используемый в сетях передачи данных с коммутацией пакетов. Формат кадра, определяемый проектом 802, представлен на рис. 6.25. Кадр обрамлен флаговыми комбинациями 01111110, используемыми на уровне управления физическим каналом. Адреса назначения и источника кодируются одним (как и на рисунке) или несколькими байтами (до семи). Первый разряд байта адреса называется битом расширения адреса. Когда его значение равно 1, байт адреса является последним. Если бит расширения равен 0, адрес продолжается в следующем байте кадра. Например, двухбайтовый адрес назначения имеет следующую структуру:

 

0

L/G

D D D D D D

1

D D D D D D D

 

а двухбайтовый адрес источника –

 

0

С/R

S S S S S S

1

S S S S S S S

 

где Dи Sбиты адреса, принимающие значение 0 или 1.

Второй бит адреса источника L/C – идентификатор типа адреса: L/G=0 обозначает индивидуальный адрес, aL/G=1групповой адрес. Групповой адрес относится к совокупности систем. Единицы во всех битах адреса назначения определяют глобальный адрес, относящийся ко всем абонентам сети. Бит C/Rадреса источника используется для обозначения команд и ответов: C/R= 0 – команда; C/R= 1ответ. Адрес источника может быть только индивидуальным. Байт управления используется для обозначения типа кадра.

Применяются три типа кадров: I – информационный, С – управляющий, Uненумерованный. Тип кадра определяется значением одного или двух первых битов поля управления. Информационные кадры служат для передачи нумерованных кадров и несут в поле управления следующие данные: N(S) – порядковый номер передаваемого кадра по модулю 8; N(R) – порядковый номер следующего принимаемого кадра по модулю 8; P/Fбит запроса – ответа. Кадр команды с битом запроса P/F=1используется для обращения к системе-адресату с целью получения кадра ответа, который должен идентифицироваться битом P/F= 0. Управляющие кадры С предназначены для передачи подтверждений о приеме кадров, запросов на повторную передачу информационных кадров и на временное прекращение передачи кадров I. В кадрах С поле СС указывает функцию управления, определяемую кадром. Ненумерованные кадры Uиспользуются для реализации дополнительных функций управления передачей данных и для передачи ненумерованных пакетов, данных. Область данных может содержать любое целое число байтов, а в управляющих и ненумерованных кадрах может отсутствовать. Код циклической суммы КЦС служит для проверки корректности кадра. Допускается использование 16-и 32-разрядных циклических сумм.

Состав команд и ответов, переносимых кадрами разных типов, перечислен в табл. 6.3. Кадр «Запрос» используется для повторной передачи кадров типа I, начиная от кадра с номером N(R). Команда «Идентификация станции» служит для получения данных о типе системы, предельном размере принимаемого кадра и др. С помощью ответа «Отказ» система, выдавшая команду, извещается о переходе отвечающей системы в состояние, которое не может быть исправлено посредством повторной передачи.

Проект 802 определяет два способа доступа к моноканалу: свободный доступ с проверкой несущей и столкновений и эстафетный доступ. Способ СДПНС реализуется так же, как в сети Ethernet. Эстафетный доступ распространяется как на кольцевую, так и на магистральную структуру моноканала. В каждом случае эстафета передается последовательно от системы к системе. При этом в магистральной структуре организуется логическое кольцо за счет того, что система передает эстафету следующей системе в кадре управления, получает ответ о приеме кадра и переходит в состояние ожидания приема данных, в котором пребывает до получения эстафеты. Для поддержания работы кольца используются специальные процедуры контроля использования моноканала, изменения структуры кольца при отказе станций и создания кольца.

 

Таблица 6.3. Состав команд и ответов

Тип кадра

Команда

Ответ

I

Данные

Данные

С

Готов к приему

Не готов к приему

Запрос

Готов к приему

Не готов к приему

Повторная передача

U

Ненумерованные данные

 

Разъединение

Асинхронный сбалансированный режим

Идентификация станции

Ненумерованное подтверждение

 

Режим разъединения

Отказ

Идентификация станции

 

Проект 802 предусматривает четыре стандартные скорости передачи данных: 1; 5, 10 и 20 Мбит/с. В качестве передающей среды допускается использование экранированных скрученных пар, коаксиального или волоконно-оптического кабеля.

Вернуться на главную