Лекція 12 Особливості технології 100vg-AnyLan
Технологія 100VG-AnyLAN відрізняється від класичного Ethernet в значно більшому ступені, чим Fast Ethernet. Головні відмінності перераховані нижче.
- Використовується інший метод доступу Demand Priority, який забезпечує справедливіший розподіл пропускної спроможності мережі в порівнянні з методом CSMA/CD. Крім того, цей метод підтримує пріоритетний доступ для синхронних застосувань.
- Кадри передаються не всім станціям мережі, а тільки станції призначення.
- У мережі є виділений арбітр доступу - концентратор, і це помітно відрізняє дану технологію від інших, в яких застосовується розподілений між станціями мережі алгоритм доступу.
- Підтримуються кадри двох технологій - Ethernet і Token Ring (саме ця обставина дала добавку ANYLAN в назві технології).
- Дані передаються одночасно по 4 парам кабелю UTP категорії 3. По кожній парі дані передаються із швидкістю 25 Мбіт/с, що в сумі дає 100 Мбіт/с. На відміну від Fast Ethernet в мережах 100VG-AnyLAN немає колізій, тому вдалося використовувати для передачі всі чотири пари стандартного кабелю категорії 3. Для кодування даних застосовується код 5В/6В, який забезпечує спектр сигналу в діапазоні до 16 Мгц (смуга пропускання UTP категорії 3) при швидкості передачі даних 25 Мбіт/с.
Метод доступу Demand Priority заснований на передачі концентратору функцій арбітра, вирішального проблему доступу до середовища, що розділяється. Мережа 100VG-AnyLAN складається з центрального концентратора (кореневого) і сполучених з ним кінцевих вузлів і інших концентраторів (рис. 1).
Допускаються три рівні того, що каскадує. Кожен концентратор і мережевий адаптер l00VG-AnyLAN повинні бути налаштований або на роботу з кадрами Ethernet, або з кадрами Token Ring, причому одночасно циркуляція обох типів кадрів не допускається.
Концентратор циклічно виконує опит портів. Станція, охоча передати пакет, посилає спеціальний низькочастотний сигнал концентратору, запрошуючи передачу кадру і указуючи його пріоритет. У мережі l00VG-AnyLAN використовуються два рівні пріоритетів - низький і високий. Низький рівень пріоритету відповідає звичайним даним (файлова служба, служба друку і тому подібне), а високий пріоритет відповідає даним, чутливим до тимчасових затримок (наприклад, мультимедіа). Пріоритети запитів мають статичну і динамічну складові, тобто станція з низьким рівнем пріоритету, що довго не має доступу до мережі, отримує високий пріоритет.
Рис. 1 - Мережа 100VG-AnyLAN
Якщо мережа вільна, то концентратор вирішує передачу пакету. Після аналізу адреси одержувача в прийнятому пакеті концентратор автоматично відправляє пакет станції призначення. Якщо мережа зайнята, концентратор ставить отриманий запит в чергу, яка обробляється відповідно до порядку надходження запитів і з урахуванням пріоритетів. Якщо до порту підключений інший концентратор, то опит припиняється до завершення опиту концентратором нижнього рівня. Станції, підключені до концентраторів різного рівня ієрархії, не мають переваг по доступу до середовища, що розділяється, оскільки рішення про надання доступу ухвалюється після проведення опиту всіма концентраторами опиту всіх своїх портів.
Залишається неясним питання - яким чином концентратор дізнається, до якого порту підключена станція призначення? У всіх інших технологіях кадр просто передавався всім станціям мережі, а станція призначення, розпізнавши свою адресу, копіювала кадр в буфер. Для вирішення цього завдання концентратор дізнається адреса MAC станції у момент фізичного приєднання її до мережі кабелем. Якщо в інших технологіях процедура фізичного з'єднання з'ясовує зв'язність кабелю (link test в технології 10Base-T), швидкість роботи порту (процедура auto-negotiation в Fast Ethernet), то в технології l00VG-AnyLAN концентратор при встановленні фізичного з'єднання з'ясовує адресу MAC станції. І запам'ятовує його в таблиці адрес MAC, аналогічній таблиці моста/комутатора. Відмінність концентратора 100VG-AnyLAN від моста/комутатора в тому, що у нього немає внутрішнього буфера для зберігання кадрів. Тому він приймає від станцій мережі тільки один кадр, відправляє його на порт призначення і, поки цей кадр не буде повністю прийнятий станцією призначення, нових кадрів концентратор не приймає. Отже ефект середовища, що розділяється, зберігається. Поліпшується тільки безпека мережі - кадри не потрапляють на чужі порти, і їх важче перехопити.
Технологія l00VG-AnyLAN підтримує декілька специфікацій фізичного рівня. Первинний варіант був розрахований на чотири неекрановані виті пари категорій 3,4,5. Пізніше з'явилися варіанти фізичного рівня, розраховані на дві неекрановані виті пари категорії 5, дві екрановані виті пари типу 1 або ж два оптичних багатомодових оптоволокна.
Важлива особливість технології l00VG-AnyLAN - збереження форматів кадрів Ethernet і Token Ring. Прихильники l00VG-AnyLAN стверджують, що цей підхід полегшить міжмережева взаємодія через мости і маршрутизатори, а також забезпечить сумісність з існуючими засобами мережевого управління, зокрема з аналізаторами протоколів.
Не дивлячись на багато хороших технічних рішень, технологія l00VG-AnyLAN не знайшла великої кількості прихильників і значно поступається по популярності технологіями Fast Ethernet. Тому при необхідності тонкого забезпечення якості обслуговування застосовують (або збираються застосовувати) технологію АТМ. А для мереж, в яких немає необхідності підтримувати якість обслуговування на рівні сегментів, що розділяються, звичнішою виявилася технологія Fast Ethernet. Тим більше що для підтримки дуже вимогливих до швидкості передачі даних застосувань є технологія Gigabit Ethernet, яка, зберігаючи спадкоємність з Ethernet і Fast Ethernet, забезпечує швидкість передачі даних 1000 Мбіт/с.
Повнодуплексні протоколи локальних мереж
Зміни в роботі МАС-уровня при повнодуплексній роботі
Технологія комутації сама по собі не має безпосереднього відношення до методу доступу до середовища, який використовується портами комутатора. При підключенні сегментів, що є середовищем, що розділяється, порт комутатора повинен підтримувати напівдуплексний режим, оскільки є одним з вузлів цього сегменту.
Проте, коли до кожного порту комутатора підключений не сегмент, а тільки один комп'ютер, причому по двох роздільних каналах, як це відбувається майже у всіх стандартах фізичного рівня, окрім коаксіальних версій Ethernet, ситуація становится* не такою однозначною. Порт може працювати як в звичайному напівдуплексному режимі, так і в повнодуплексному. Підключення до портів комутатора не сегментів, а окремих комп'ютерів називається мікросегментацією.
У звичайному режимі роботи порт комутатора як і раніше розпізнає колізії. Доменом колізій в цьому випадку буде ділянка мережі, що включає передавач комутатора, приймач комутатора, передавач мережевого адаптера комп'ютера, приймач мережевого адаптера комп'ютера і дві виті пари, що сполучають передавачі з приймачами (рис. 2).
Колізія виникає, коли передавачі порту комутатора і мережевого адаптера одночасно або майже одночасно починають передачу своїх кадрів, вважаючи, що зображений на малюнку сегмент вільний. Правда, вірогідність колізії в такому сегменті значно менше, чим в сегменті, що складається з 20-30 вузлів, але вона не нульова. При цьому максимальна продуктивність сегменту Ethernet в 14 880 кадрів в секунду при мінімальній довжині кадру ділиться між передавачем порту комутатора і передавачем мережевого адаптера. Якщо вважати, що вона ділиться навпіл, то кожному надається можливість передавати приблизно по 7440 кадрів в секунду.
Рис. 2 - Домен колізій, що утворюється комп'ютером і портом комутатора
У повнодуплексному режимі одночасна передача даних передавачем порту комутатора і мережевого адаптера колізією не вважається. У принципе,'это достатньо природний режим роботи для індивідуальних повнодуплексних каналів зв'язку, і він часто використовується в протоколах територіальних мереж. При повнодуплексному зв'язку порти Ethernet можуть передавати дані із швидкістю 20 Мбіт/с - по 10 Мбіт/с в кожному напрямі.
Природно, необхідно, щоб МАС-узлы взаємодіючих пристроїв підтримували цей спеціальний режим. У разі коли тільки один вузол підтримуватиме повнодуплексний режим, другий вузол постійно фіксуватиме колізії і припинятиме свою роботу, тоді як інший вузол продовжуватиме передавати дані, які ніхто у цей момент не приймає. Зміни, які потрібно зробити в логіці МАС-узла, щоб він міг працювати в повнодуплексному режимі, мінімальні - потрібно просто відмінити фіксацію і відробіток колізій в мережах Ethernet, а в мережах Token Ring - посилати кадрів комутатор, не чекаючи приходу токена доступу, а тоді, коли це потрібно кінцевому вузлу. Фактично, при роботі в повнодуплексному режимі МАС-узел не використовує метод доступу до середовища, розроблений для даної технології.
Після випробування повнодуплексної технології на з'єднаннях комутатор-комутатор розробники реалізували її і в мережевих адаптерах, в основному адаптерах Ethernet і Fast Ethernet. При розробці технологій Fast Ethernet і Gigabit Ethernet повнодуплексний режим став одним з двох повноправних стандартних режимів роботи вузлів мережі. Багато мережевих адаптерів зараз можуть підтримувати обидва режими роботи, відпрацьовує логіку алгоритму доступу CSMA/CD при підключенні до порту концентратора і працюючи в повнодуплексному режимі при підключенні до порту комутатора.
При використанні повнодуплексних версій протоколів відбувається деяке зближення різних технологій, оскільки метод доступу багато в чому визначав обличчя кожної технології. Відмінність технологій залишається в різних форматах кадрів, а також в процедурах контролю коректності роботи мережі на фізичному і канальному рівнях.
Повнодуплексні версії протоколів могли б бути реалізовані і в мостах. Принципових перешкод для цього не було, просто в період застосування локальних мостів потреби у високошвидкісній передачі міжсегментного графіка не виникало.
Проблема управління потоком даних при повнодуплексній роботі
Простій відмова від підтримки алгоритму доступу до середовища, що розділяється, без якої-небудь модифікації протоколу веде до підвищення вірогідності втрат кадрів комутаторами, оскільки при цьому втрачається контроль за потоками кадрів, що направляються кінцевими вузлами в мережу. Раніше потік кадрів регулювався методом доступу до середовища, що розділялося, так що дуже вузол, що часто генерує кадрів, вимушений був чекати своєї черги до середовища і фактична інтенсивність потоку даних, який направляв в мережу цей вузол, була помітно менше тієї інтенсивності, яку вузол хотів би відправити до мережі. При переході на повнодуплексний режим вузлу дозволяється відправляти кадрів комутатор завжди, коли це йому потрібно, тому комутатори мережі можуть в цьому режимі стикатися з перевантаженнями, не маючи при цьому ніяких засобів регулювання («пригальмовування») потоку кадрів.
Причина перевантажень зазвичай криється не в тому, що комутатор є блокуючим, тобто йому не вистачає продуктивності процесорів для обслуговування потоків кадрів, а в обмеженій пропускній спроможності окремого порту, яка визначається тимчасовими параметрами протоколу. Наприклад, порт Ethernet не може передавати більше 14 880 кадрів в секунду, якщо він не порушує тимчасових співвідношень, встановлених стандартом.
Тому, якщо вхідний трафік нерівномірно розподіляється між вихідними портами, легко представити ситуацію, коли в який-небудь вихідний порт комутатора прямуватиме трафік з сумарною середньою інтенсивністю більшою, ніж протокольний максимум. На рис. 3 зображена якраз така ситуація, коли в порт 3 комутатори прямує трафік від портів 1,2,4 і 6, з сумарною інтенсивністю в 22 100 кадрів в секунду. Порт 3 виявляється завантажений на 150 %. Природно, що коли кадри поступають в буфер порту із швидкістю 20 100 кадрів в секунду, а йдуть із швидкістю 14 880 кадрів в секунду, то внутрішній буфер вихідного порту починає неухильно заповнюватися необробленими кадрами.
Рис. 3 - Переповнювання буфера порту в наслідок незбалансованості трафіку
Яким би не був об'єм буфера порту, він в якийсь момент часу обов'язково переповниться. Неважко підрахувати, що при розмірі буфера в 100 Кбайт в приведеному прикладі повне заповнення буфера відбудеться через 0,22 секунд після початку його роботи (буфер такого розміру може зберігати до 1600 кадрів розміром в 64 байт). Збільшення буфера до 1 Мбайт дасть збільшення часу заповнення буфера до 2,2 секунд, що також неприйнятно. А втрати кадрів завжди дуже небажані, оскільки знижують корисну продуктивність мережі, і комутатор, що втрачає кадрів, може значно погіршити продуктивність мережі замість її поліпшення.
Комутатори локальних мереж - не перші пристрої, які стикаються з такою проблемою. Мости також можуть випробовувати перевантаження, проте такі ситуації при використанні мостів зустрічалися рідко із-за невеликої інтенсивності міжсегментного графіка, тому розробники мостів не почали вбудовувати в протоколи локальних мереж або в самі мости механізми регулювання потоку.
При розробці комутаторів локальних мереж основним завданням було збереження кінцевих вузлів в незмінному вигляді, що виключало коректування протоколів локальних мереж. А в цих протоколах процедур управління потоком не було - загальне середовище передачі даних в режимі розділення часу виключало виникнення ситуацій, коли мережа переповнювалася б необробленими кадрами. Мережа не накопичувала даних в яких-небудь проміжних буферах при використанні тільки повторителей або концентраторів.
Примітка. Тут мова йде про протоколах МАС-уровня (Ethernet, Token Ring і т. п), оскільки мости і комутатори мають справу тільки з ними. Протокол LLC2, який уміє управляти потоком даних, для цілей управління потоком кадрів в комутаторах використовувати не можна. Для комутаторів протокол LLC (всі його процедури: 1, 2 і 3) прозорий, як і решта всіх протоколів верхніх рівнів, - комутатор не аналізує заголовок LLC, рахуючи його просто полемо даних кадру МАС-уровня.
Застосування комутаторів без зміни протоколу роботи устаткування завжди породжує небезпеку втрати кадрів. Якщо порти комутатора працюють в звичайному, тобто в напівдуплексному режимі, то у комутатора є можливість надати деяку дію на кінцевий вузол і змусити його припинити передачу кадрів, поки у комутатора не розвантажаться внутрішні буфери. Нестандартні методи управління потоком в комутаторах при збереженні протоколу доступу в незмінному вигляді будуть розглянуті нижче.
Якщо ж комутатор працює в повнодуплексному режимі, то протокол роботи кінцевих вузлів, та і його портів все одно міняється. Тому мало сенс для підтримки повнодуплексного режиму роботи комутаторів декілька модифікувати протокол взаємодії вузлів, вбудувавши в нього явний механізм управління потоком кадрів.
У березні 1997 року прийнятий стандарт IEEE 802.3x на управління потоком в повнодуплексних версіях протоколу Ethernet. Він визначає вельми просту процедуру управління потоком, подібну тій, яка використовується в протоколах LLC2 і LAP-B. Ця процедура має на увазі дві команди - «Припинити передачу» і «Відновити передачу», які прямують сусідньому вузлу. Відмінність від протоколів типу LLC2 в тому, що ці команди реалізуються на рівні символів код фізичного рівня, таких як 4В/5В, а не на рівні команд, оформлених в спеціальних кадрів, що управляють. Мережевий адаптер або порт комутатора, що підтримує стандарт 802.3x і що отримав команду «Припинити передачу», повинні припинити передавати кадрів аж до отримання команди «Відновити передачу».
Деякі фахівці висловлюють побоювання, що така проста процедура управління потоком виявиться непридатною в мережах Gigabit Ethernet. Повне припинення прийому кадрів від сусіда при такій великій швидкості передачі кадрів (1 488 090 кадр/с) може швидко викликати переповнювання внутрішнього буфера тепер у цього сусіда, який у свою чергу повністю заблокує прийом кадрів у своїх найближчих сусідів. Таким чином, перевантаження просто розповсюдиться по мережі, замість того щоб поступово зникнути. Для роботи з такими швидкісними протоколами необхідний тонший механізм регулювання потоку, який би указував, на яку величину потрібно зменшити інтенсивність потоку вхідних кадрів переобтяжений комутатор, а не припиняв цей потік до нуля. Подібний плавний механізм регулювання потоку з'явився у комутаторів АТМ через декілька років після їх появи. Тому існує думка, що стандарт 802.3x - це тимчасове рішення, яке просто закріпило існуючі фірмові прості механізми управління потоком провідних виробників комутаторів. Пройде якийсь час, і цей стандарт змінить інший стандарт - складніший і більш пристосований для високошвидкісних технологій, таких як Gigabit Ethernet.
Управління потоком кадрів при напівдуплексній роботі
При роботі порту в напівдуплексному режимі комутатор не може змінювати протокол і користуватися для управління потоком новими командами, такими як «Припинити передачу» і «Відновити передачу».
Зате у комутатора з'являється можливість впливати на кінцевий вузол за допомогою механізмів алгоритму доступу до середовища, який кінцевий вузол зобов'язаний відпрацьовувати. Ці прийоми засновані на тому, що кінцеві вузли строго дотримують всі параметри алгоритму доступу до середовища, а порти комутатора - ні. Зазвичай застосовуються два основні способи управління потоком кадрів - зворотний тиск на кінцевий вузол і агресивне захоплення середовища.
Метод зворотного тиску (backpressure) полягає в створенні штучних колізій в сегменті, який занадто інтенсивно посилає кадрів в комутатор. Для цього комутатор зазвичай використовує jam-последовательность, що відправляється на вихід порту, до якого підключений сегмент (або вузол), щоб припинити його активність. Крім того, метод зворотного тиску може застосовуватися в тих. випадках, коли процесор порту не розрахований на підтримку максимально можливого для даного протоколу графіка.
Другий метод «гальмування» кінцевого вузла в умовах перевантаження внутрішніх буферів комутатора заснований на так званій агресивній поведінці порту комутатора при захопленні середовища або після закінчення передачі чергового пакету, або після колізії. Ці два випадки ілюструються рис. 4, а і б.
У першому випадку комутатор закінчив передачу чергового кадру і замість технологічної паузи в 9,6 мкс зробив паузу в 9,1 мкс і почав передачу нового кадру. Комп'ютер не зміг захопити середовище, оскільки він витримав стандартну паузу в 9,6 мкс і виявив після цього, що середовище вже зайняте.
У другому випадку кадри комутатора і комп'ютера зіткнулися і була зафіксована колізія. Оскільки комп'ютер зробив паузу після колізії в 51,2 мкс, як це належить за стандартом (інтервал відстрочення рівний 512 бітових інтервалів), а комутатор - 50 Мкс, то і в цьому випадку комп'ютеру не вдалося передати свій кадр.
Комутатор може користуватися цим механізмом адаптивний, збільшуючи ступінь своєї агресивності в міру необхідності.
Рис. 4 - Агресивна поведінка комутатора при перевантаженнях буферів
Багато виробників реалізують за допомогою поєднання описаних двох методів достатньо тонкі механізми управління потоком кадрів при перевантаженнях. Ці методи використовують алгоритми чергування передаваних кадрів, що приймаються (frame interleave). Алгоритм чергування повинен бути гнучким і дозволяти концентратору в критичних ситуаціях на кожен кадр, що приймається, передавати декілька своїх, розвантажуючи внутрішній буфер кадрів, причому не обов'язково знижуючи при цьому інтенсивність прийому кадрів до нуля, а просто зменшуючи її до необхідного рівня.
Практично у всіх моделях комутаторів, окрім найпростіших моделей для робочих груп, реалізують той або інший алгоритм управління потоком кадрів при напівдуплексному режимі роботи портів. Цей алгоритм, як правило, реалізує тонше управління потоком, чим стандарт 802.3х, не припиняючи до нуля прийом кадрів від сусіднього вузла і тим самим не сприяючи перенесенню перевантаження в сусідній комутатор, якщо до порту підключений не кінцевий вузол, а інший комутатор.