Коммуникационные интерфейсы

Коммуникационные проводные сети можно разделить на два основных типа: с коммутацией каналов и коммутацией пакетов. Первые сети организовывались как сети с коммутацией каналов. Они работали, образуя выделенное или коммутируемое соединение (канал) между двумя точками. Для этого привлекалось оборудование телефонных линий связи. Современная телефонная сеть использует технологию с коммутацией каналов. Телефонный вызов устанавливает канал от вызывающего телефона через локальную АТС, по линиям связи, к удаленной АТС и, наконец, к отвечающему телефону. Пока существует канал, телефонное оборудование преобразует аналоговый голосовой сигнал от микрофона в цифровую форму, и передает его по образованному каналу получателю. Отправителю гарантируется, что опросы будут доведены и воспроизведены, так как канал обеспечивает скорость 64 Кбит/с, которой достаточно для передачи цифрового эквивалента голосовых данных. Устройствами для передачи цифровых данных служат модемы, обеспечивая коммутируемое подключение по телефонной линии. Два модема могут установить подключение на произвольном расстоянии друг от друга. В простейшем случае соединение происходит один раз и для передачи данных используется весь голосовой диапазон частот канала. Преимущество коммутации каналов заключается в ее гарантированной пропускной способности: как только канал создан, ни один сетевой процесс не уменьшит пропускной способности этого канала. Недостатком при коммутации каналов является стоимость: платы за каналы являются фиксированными и независимыми от трафика. Например, можно заплатить за телефонный вызов, даже если две разговаривающие стороны ничего не говорили. Такую технологию коммуникации используют, когда нет возможности организовать сеть другим способом.

Для организации сети по выделенным каналам используется широкополосные технологии проводного доступа xDSL, Т1, Т2 и т.д. Используется для стационарных объектов. До внедрения сетей с коммутацией пакетов эти технологии широко использовались для организации высокоскоростных локальных сетей LAN.

В сетях с коммутацией пакетов трафик сети делится на небольшие части, называемые пакетами, которые объединяются в высокоскоростных межмашинных соединениях. Пакет, который обычно содержит несколько сотен байтов данных, имеет идентификатор, который позволяет компьютерам в сети узнавать, предназначен ли он им, и если нет, что помогает им определить, как послать его в указанное место назначения. Например, файл, передаваемый между двумя компьютерами, может быть разбит на большое число пакетов, которые посылаются по сети по одному. Оборудование сети доставляет пакеты к указанному месту назначения, а сетевое программное обеспечение собирает пакеты опять в один файл. Главным преимуществом коммутации пакетов является то, что большое число соединений между компьютерами может работать одновременно, так как межмашинные соединения разделяются между всеми парами взаимодействующих машин на логическом уровне.

Недостатком ее является то, что по мере того как возрастает активность, данная пара взаимодействующих компьютеров получает все меньше сетевых ресурсов и падает скорость передачи данных. То есть, когда сеть с коммутацией пакетов становится перегруженной, компьютеры, использующие сеть, должны ждать, пока они не смогут послать следующие пакеты. Несмотря на потенциальный недостаток негарантируемой доставки данных, сети с коммутацией пакетов очень распространены. Причинами их широкого использования являются стоимость и производительность. В связи с тем, что к сети может быть подключено большое число сетевых устройств (агентов), требуется меньше соединений и стоимость остается низкой. Реализованное на физическом уровне высокоскоростное сетевое оборудование позволяет обеспечить высокую пропускную способность для таких соединений. На сегодняшний день подавляющее большинство сетевых соединений реализовано с использованием коммутации пакетов и именно такую организацию сетей рассмотрим далее.

По масштабам можно выделить глобальные сети (WAN), городские сети (MAN), локальные сети (LAN). Технологии WAN, позволяют агентам сети географически быть далеко друг от друга (масштаб стран и континентов) и предназначены для использования на больших расстояниях. Обычно WAN работают на более низких скоростях, чем другие технологии, и имеют б о льшие паузы при соединении. Скорости передачи данных по сетям WAN лежат в диапазоне от 9.6 Кбит/с до 45 Мбит/с.

Другой вид сетевого оборудования, технологии MAN позволяют взаимодействовать в географических областях размера мегаполиса и работают на скоростях от средних до высоких. Сети MAN работают с меньшими паузами, чем WAN, но технологически не могут обеспечить взаимодействие на таких же больших расстояниях. Технологии MAN обеспечивают работу со скоростями от 56 Кбит/с до 100 Мбит/с.

Технологии LAN имеют наивысшие скорости соединений между агентами сети, но передача данных обеспечивается на расстояние не более, чем сотни метров. Например, типичная сеть LAN занимает пространство, охватывающее одно здание или небольшой университетский городок, и работает со скоростями от 4 Мбит/с до 2 Гбит/с.

Можно говорить о компромиссе между скоростью и расстоянием: технологии, обеспечивающие более высокие скорости взаимодействия, работают на более коротких расстояниях. Существуют и другие различия среди технологий в указанных выше трех категориях. В технологиях LAN каждый компьютер обычно содержит сетевое интерфейсное устройство, которое соединяет агента сети напрямую с сетевой средой передачи данных (например, медными витыми парами проводников или коаксиальным кабелем). Часто сеть является пассивной, полагая, что электронные устройства в присоединенных компьютерах сами будут генерировать и получать необходимые электрические сигналы. В технологиях MAN сеть содержит активные коммутирующие элементы, которые приводят к появлению коротких задержек при направлении данных к их получателю. Сети WAN обычно состоит из групп сложных маршрутизаторов пакетов, соединенных линиями связи. Сеть может быть расширена добавлением нового маршрутизатора и еще одной линии связи. Присоединить компьютер к WAN, значит соединить его с одним из маршрутизаторов пакетов. Эти маршрутизаторы вводят значительные паузы при маршрутизации трафика. Поэтому, чем больше компонентов в сети WAN, тем больше времени надо для маршрутизации трафика.

Целью разработки сетевых протоколов является решение задачи сокрытия технологических различий между сетями, сделав соединение независимым от используемого оборудования. Это обеспечивают конкретные сетевые технологии, включающие протоколы различных уровней в соответствии с моделью передачи данных ISO/OSI.

Одной из широко распространенных технологий является технология Ethernet. Ethernet - имя популярной технологии локальной сети с коммутацией пакетов, разработанной в Xerox PARC в начале 1970 года. Версия, описанная здесь, была стандартизована Xerox Corporation, Intel Corporation и Digital Equipment Corporation в 1978 году. Первые реализации Ethernet на физическом уровне состояли из коаксиального кабеля примерно12 мм в диаметре и до 500 метров длиной. Между центральным проводом и защитной оболочкой на каждом конце добавляется согласующий резистор. Такой кабель назывался ether или Е-кабель и был пассивным. Все активные электронные компоненты, выполняющие сетевую функцию, были связаны с компьютерами, присоединенными к сети. Первые Ethernet – системы дополнялись устройствами, называемыми повторителями, которые передавали электрические сигналы от одного кабеля к другому. Только два повторителя могли быть помещены между любыми двумя машинами, поэтому общая длина простого Ethernet не превышала 1500 метров.

Расширение Ethernet, использующее повторители, имело преимущества и недостатки. Повторители менее избыточны, чем другие типы соединяющего оборудования, что делало их самым дешевым способом расширения Ethernet. Тем не менее, повторители имели два недостатка. Повторители обеспечивали усиление затухающего сигнала, вместе с ним усиливались и копировались шумы, возникающие в одном участке кабеля, в другой. Во-вторых, повторители включали активные электронные компоненты, требующие энергии и часто выходили из строя. Первые соединения с E-кабелем осуществлялись с помощью простых ответвлений или Т-образного соединителя. Каждое соединение с Ethernet имело два основных физических компонента. Это трансивер (приемо-передатчик), который присоединялся к центральному проводу и металлической оплетке на Е-кабеле, принимая и передавая сигналы. Второй элемент соединения – интерфейсный узел соединялся с трансивером и взаимодействовал с компьютером (обычно через шину компьютера). Помимо аналогового оборудования, которое принимало сигналы от Е-кабеля и управляло им, трансивер содержал цифровые схемы, которые обеспечивали возможность взаимодействия с компьютером. Трансивер определял, когда Е-кабель используется, и мог транслировать аналоговые электрические сигналы, идущие по Е-кабелю, в цифровую форму или из нее в аналоговую. По кабелю трансивера, находящемуся между трансивером и интерфейсным узлом, передавалось питание трансивера, а также сигналы, управляющие его работой. Интерфейсный узел управлял работой одного трансивера согласно командам, которые он получал от программного обеспечения компьютера. Для операционной системы интерфейс представлялся в виде устройства ввода-вывода, которое воспринимало основные команды передачи данных от компьютера, управляло трансивером при их выполнении, прерывалось, когда задача завершалась, и сообщало информацию о состоянии.

В настоящее время соединения на физическом уровне в большинстве случаев осуществляется через активные коммутаторы – расширители, называемыми хабами (Hub) или мосты (bridges). Все промежуточные компоненты для передачи данных интегрированы на системной плате персонального компьютера или сетевого агента в виде одного чипа или, так называемой, "конечной точки". Порты хаба и мосты обеспечивают обмен по типу Point-To-Point (точка - точка).

Свойства Ethernet. Ethernet – это технология общей шины со скоростью 10, 100 Мбит/с, 1 и даже 10 Гбит/с, с механизмом негарантированной (best effort) доставки и распределенным управлением доступом. Протокол Etherne t широко распространен в современных локальных сетях и описывается стандартом IEEE 802. 3. Технологией общей шины Ethernet называется из-за того, что все сетевые устройства (агенты шины Ethernet) разделяют общую среду обмена (канал взаимодействия). Эта технология обладает свойством широковещательности, так как все агенты шины принимают информацию, передаваемую активными сетевыми устройствами (отправителями). Механизм негарантированной доставки не информирует отправителя о том, был ли доведен пакет до получателя. Например, если случилось так, что компьютер получателя был выключен, пакет будет потерян, но отправитель ничего не будет знать об этом.

Управление доступом в технологии Ethernet распределенное, так как, в отличие от другого сетевого оборудования, здесь нет централизованной схемы предоставления доступа. Схема доступа Ethernet называется множественным доступом с контролем несущей и обнаружением коллизий (CSMA/CD). Поскольку несколько агентов шины могут получить доступ к Ethernet – шине одновременно, каждый из них определяет, занята ли шина, по наличию несущей в ней. Когда агент шины готов передать пакет, он "слушает" шину, чтобы узнать, передается ли уже чье-то сообщение (т.е. определяет наличие несущей). Если передачи не обнаружено, он начинает передачу. Каждая передача ограничена в своей продолжительности (ограничение на максимальный размер пакета). Кроме того, оборудование должно делать небольшие паузы (тайм-ауты) между передачами пакетов, чтобы не получилось так, что сеть используется одной парой агентов шины. Необходимо, чтобы другие агенты шины тоже имели возможность доступа к сети.

Когда активное сетевое устройство начинает передачу, сигнал не достигает всех частей сети одновременно. На самом деле он передается по шине со скоростью, составляющей примерно 3/4 от скорости света. Поэтому возможна ситуация, когда два претендента на передачу могут определить, что сеть не занята, и одновременно начать передачу. Когда передаются одновременно электрические сигналы от двух источников, они суммируются, в результате чего появляются искажения. Такие события называются коллизиями.

Ethernet – коллизии обрабатываются следующим способом. Каждый агент шины следит за состоянием шины во время передачи, чтобы определить момент, когда сигнал другого сетевого устройства помешал его передаче. На техническом языке такое слежение называется обнаружением коллизий.

Когда коллизия обнаружена, передающее сетевое устройство аварийно завершает передачу, ждет конца работы других устройств и снова пытается повторить передачу. При этом необходимо избегать ситуации, когда сеть может оказаться перегруженной агентами, впустую пытающимися передавать, причем каждая передача будет приводить к коллизии. Для устранения этого, используется стратегия двоичной экспоненциальной задержки, при которой отправитель ждет случайное время после первой коллизии, в два раза дольше. Если вторая попытка передать, также привела к коллизии, интервал ожидания увеличивается в четыре раза, и так далее. Идея, лежащая в основе экспоненциальной задержки, заключается в том, что при коллизии возможно, что большое число агентов шины будет пытаться передавать одновременно и может возникнуть помехи для трафика. При таких помехах существует большая вероятность того, что два претендента на ресурсы шины выберут похожие времена задержки. Поэтому вероятность возникновения новой коллизии велика. С помощью удвоения случайного времени задержки стратегия экспоненциальной задержки позволяет быстро разнести попытки повторной передачи станций на достаточно большой временной интервал, что делает вероятность дальнейших коллизий незначительной.

Ethernet – технология поддерживает механизм адресации, который позволяет передавать агентам шины только нужные пакеты. Напомним, что каждое устройство получает копию каждого пакета, даже если они адресованы другим устройствам. Оборудование "фильтрует" пакеты, игнорируя те, которые адресованы другим агентам, и пропускает те, которые адресованы ему. Механизм адресации и фильтрации требуется, чтобы предохранить устройства от перегрузки приходящими данными. Для определения, какие пакеты предназначены ему, каждому агенту Ethernet, назначено 48 – битовое число, называемое Ethernet – адресом. Производители оборудования для Ethernet приобретают блоки адресов Ethernet и последовательно назначают эти адреса производимым ими сетевым Ethernet – устройствам. Управляет распределением адресного пространства Ethernet международный Институт Инженеров по Электротехнике и Радиотехнике (IEEE). Поэтому никакие два Ethernet – устройства не будут иметь одинаковый Ethernet – адрес. Обычно Ethernet – адрес фиксируется в оборудовании интерфейса сетевого устройства. Так как Ethernet – адреса принадлежат аппаратным устройствам, то они иногда называются аппаратными адресами или физическими адресами. Установка сетевой карты в новый компьютер или смена системной платы с интегрированным на ней сетевым устройством, изменяют его физический адрес. Программные уровни протокола Ethernet обеспечивают согласование таких изменений.48 – битовый адрес Ethernet – устройства используется для формирования:

- физического адреса одного сетевого устройства;

- широковещательного сетевого адреса;

- группового адреса.

По соглашению широковещательный адрес (все единицы) зарезервирован для одновременной посылки всем агентам сети. Групповые адреса обеспечивают ограниченную форму "вещания", при которой группа устройств в сети согласна отвечать на групповой адрес.

Для согласования с широковещательной и групповой адресацией Ethernet – устройство должно распознавать не только свой физический адрес. Агент как минимум воспринимает два вида передач: передачи, адресованные физическому адресу устройства и передачи широковещательного характера. Некоторые устройства могут быть запрограммированы на распознавание групповых адресов и даже альтернативных физических адресов. Когда операционная система активизируется, она инициализирует Ethernet – устройство, задавая ему набор адресов, который оно должно распознавать. В дальнейшем устройство сканирует каждую передачу, взаимодействуя с активным сетевым устройством по одному из указанных адресов.

Протокол Ethernet можно представлять как соединение канального уровня между агентами шины, поэтому имеет смысл рассматривать передаваемые данные как кадры (фреймы) или пакеты. Кадры Ethernet имеют переменную длину в пределах от 64 до 1518 байт (заголовок, данные, циклический контроль избыточности CRC или ЦКС). Как и во всех сетях с коммутацией пакетов, кадр должен идентифицировать свое назначение. Формат кадра Ethernet представлен на рис.4.39.

Рис.4.39. Формат кадра Ethernet

Он содержит физический адрес отправителя, а также физический адрес получателя. Помимо идентификации отправителя и получателя, каждый кадр, передаваемый по Ethernet -интерфейсу, содержит преамбулу, поле типа, поле данных и поле CRC (ЦКС). Преамбула состоит из 64 битовой последовательности единиц и нулей (1 и 0) и служит для облегчения синхронизации при приеме. 32-битовая ЦКС обеспечивает возможность обнаружить ошибки передачи: отправитель вычисляет ЦКС как функцию, представленную 32 – разрядным полиномом, от данных, передаваемых в кадре, а получатель при приеме также вычисляет ЦКС, чтобы быть уверенным в том, что пакет принят без ошибок.

Поле типа кадра содержит 16 – битовое целое число, которое идентифицирует тип данных, передаваемых в кадре. С точки зрения Интернет поле типа кадра очень важно потому, что кадры Ethernet являются самоидентифицирующимися. Когда кадр принимается сетевым устройством в составе компьютера, операционная система использует тип кадра, чтобы определить, какой программный модуль обработки протоколов надо активизировать. Главные преимущества самоидентифицирующихся кадров заключаются в том, что они позволяют одновременно использовать несколько протоколов на одном компьютере и в том, что они позволяют нескольким протоколам смешиваться при работе в одной физической сети. Операционная система будет определять, кому послать приходящие пакеты, основываясь на значении поля типа кадра. Для обеспечения расширения современных Ethernet – сетей важную роль играют аппаратно-программные узлы, называемые мостами (bridges). Соединяемые участки сети называются сегментами.

В отличие от повторителя, который копирует электрические сигналы, мост копирует пакеты. Фактически мост – это высокоскоростная микропроцессорная система с двумя Ethernet – устройствами (E – устройствами) и фиксированной программой. Мост работает с E – устройствами с в режиме "без разбора", то есть E – устройства принимают все корректные пакеты, появляющиеся в сегментах, к которым они присоединены, и предоставляют их процессору моста для анализа и принятия решения. Если мост соединяет два Ethernet – сегмента (Е1 и Е2), то программное обеспечение моста транслирует пакет, полученный из Е1 в Е2, и наоборот.

Мосты являются более передовыми по отношению к повторителям, так как они не повторяют шум, ошибки, или испорченные кадры. Чтобы кадры были продублированы, они должны быть получены полностью корректными. Поскольку, E – устройства мостов следуют правилам CSMA/CD Ethernet, поэтому коллизии и паузы при распространении в одном кабеле (сегменте) остаются изолированными от тех же явлений в других сегментах. В результате мостами может быть соединено почти любое число Ethernet – сегментов. Отметим, что мосты "скрывают" детали соединения: набор сегментов, связанных мостами, функционирует как одна Ethernet – сеть. Компьютер может связываться с другими машинами через мосты, используя такие же аппаратные сигналы, как те, которыми он пользуется для связи в своем сегменте.

Большинство мостов не передают кадры от одного сегмента к другому: они принимают решения о том, какие кадры нужно передавать на другой сегмент, а какие нет. Такие мосты называются адаптивными, или обучающимися мостами. Программное обеспечение адаптивного моста хранит два списка адресов, по списку для каждого E – устройства моста. Когда кадр приходит из Ethernet – сегмента Е1, адаптивный мост добавляет 48-битовый Ethernet – адрес отправителя в список, связанный с Е1. Аналогично, когда кадр приходит из Е2, мост добавляет адрес отправителя к списку, связанному с Е2. Поэтому, по прошествии некоторого времени адаптивный мост узнает, какие машины находятся в Е1, а какие в Е2.

После записи адреса отправителя кадра, адаптивный мост использует адрес получателя, чтобы определить, нужно ли передавать кадр в другой сегмент. Если список адресов показывает, что получатель находится в Ethernet – сегменте, из которого прибыл кадр, то мост не передает этот кадр в другой сегмент. Если же получателя нет в списке адресов (т.е. получатель - это широковещательный или групповой адрес, или мост еще не знает местонахождение получателя), мост отправляет кадр в другой Ethernet – сегмент.

Преимущества адаптивных мостов очевидны. Так как мост использует адреса, выделяемые из обычного трафика, он полностью автономен - человеку не требуется задавать мосту конкретные адреса. Так как мост изолирует трафик, когда передача не нужна, он может улучшить производительность перегруженной сети (заметим, что мосты работают исключительно хорошо при разделении загрузки по районам (сегментам) в среде рабочих станций, в которой группы рабочих станций большую часть своего трафика адресуются к файл-серверу).

Архитектура большинства современных мостов является более сложной в алгоритмической и аппаратной реализации. При включении питания такие мосты осуществляют поиск других мостов и приобретают информацию о топологии сети. Они используют алгоритм распределенного дерева распространения (spanning-tree) при принятии решения о том, куда передавать кадры. В частности, мосты решают, как распространять широковещательные пакеты так, чтобы по каждому сегменту передавалась только одна копия широковещательного кадра. Без такого алгоритма для сети, представляющей топологию в виде кольца, такие пакеты привели бы к неприемлемым результатам, так как пришлось бы постоянно передавать широковещательные пакеты в обе стороны.

В заключение несколько слов о технологии Token Ring ProNET.

ProNET– 10 – это имя коммерческого сетевого продукта для сетей LAN, который является некоторой альтернативой Ethernet - сетям. Основанная на сетевых исследованиях в университетах, и созданная Proteon Incorporated, сеть proNET– 10 состоит из пассивной кабельной системы, которая соединяет компьютеры. Как и Ethernet, низкоскоростная версия работает со скоростью 10 Мбит/с, ограничена короткими расстояниями, и требует, чтобы присоединяемые компьютеры имели активные интерфейсы с ЭВМ.

В отличие от Ethernetа или других аналогичных шинных технологий, proNET -10 требует, чтобы компьютеры были соединены кабелями в одиночное кольцо, и использует технологию доступа, известную как передача маркера. Системы с передачей маркера отличает от других то, что в них доступ осуществляется путем последовательного использования маркера всеми машинами сети. В любой момент времени ровно одна машина имеет маркер, который дает право этой машине передать пакет. После посылки этого пакета, машина передает маркер следующей машине по порядку. Поэтому, когда ни одна из машин ничего не посылает, они непрерывно передают маркер по кольцу; когда им всем нужно послать пакеты, они ждут своей очереди, чтобы послать их. Хотя передача маркера может быть использована для шинных топологий типа Ethernet, именно кольцевые топологии, такие, как та, что используется proNET -10, делают передачу маркера особенно простой, так как физические соединения определяют последовательность, в которой передается маркер. Главным является то, что данная машина не знает, кому она передает маркер. Физически кольцевая сеть не является непрерывным кольцом - она состоит из соединений точка-точка между сетевыми интерфейсами компьютеров сети. В каждом компьютере один провод передает входящие сигналы, а другой - выходящие сигналы. Концептуально каждый сетевой интерфейс компьютера работает в одном из трех режимов: режиме копирования, режиме передачи и режиме восстановления. Первые два случая соответствуют нормальному режиму работы и отличаются наличием маркера у машины (в одном случае он есть, а в другом нет).

Если интерфейс не владеет маркером, он работает в режиме копирования, читая биты из входящего провода и копируя их в выходящий кабель. В режиме копирования интерфейс также просматривает поток данных, чтобы найти пакеты, адресованные его машине, и помещает копию таких пакетов в память машины. Если же интерфейс владеет маркером, он работает в режиме передачи, посылая пакет по выходящему кабелю и проверяя его корректность при чтении пакета от входящего провода (после прохождения кольца пакет вернется по входящему проводу).

Важно отметить, что ProNET -10 - это технология LAN, которая имеет маленькие паузы при передаче. Созданное на основе экранированного медного кабеля, это кольцо может охватывать самое большее несколько смежных зданий. При использовании оптоволоконного кабеля кольцо может охватывать большие расстояния (например, целый университетский городок). В любом случае задержки распространения являются маленькими. Как следствие, сигналы могут распространяться по всему кольцу и возвращаться отправителю так быстро, что начало пакета успевает вернуться тогда, когда отправитель еще продолжает передавать. Преимущество коротких пауз при распространении заключается в том, что станция может быстро определить, не разорвано ли кольцо. Она может также определить, не появились ли ошибки в пакете из-за электрических помех или неисправного оборудования где-либо в кольце.

В отличие от Ethernet, оборудование сетевого интерфейса proNET -10 не имеет фиксированных адресов, назначаемых производителем. Вместо этого каждая плата сетевого интерфейса поставляется с набором из 8 переключателей, которые позволяют системному администратору выбрать один из 255 возможных адресов (поэтому каждая сеть proNET -10 ограничена 255 машинами). Этот адрес должен быть выбран и установлен, используя физические переключатели на плате. Он не может быть быстро изменен, как только интерфейс установлен, а также не может быть изменен программно. Тем не менее, тот факт, что адрес является устанавливаемым, имеет два важных преимущества. Во-первых, это значит, что адреса proNET -10 могут иметь много меньший размер, чем адреса Ethernet (8 бит вместо 48 бит). В-вторых, так как пользователи могут изменить адреса proNET -10 при установке плат, сетевой аппаратный адрес машины не нужно менять при замене оборудования интерфейса компьютера. Но то, что адреса могут менять администраторы сети и пользователи, может привести к конфликтам. Кроме того, сеть имеет ограниченное количество узлов (не более 255).Необходимо также заметить, что кольцевая топология предполагает работоспособность всех узлов, и выход из строя одного приведет к отказу всей сети. Конечно, можно обеспечить резервирование, но это усложнит структуру сети и приведет к ее удорожанию, поэтому широкого распространения такие сети на сегодняшний день не получили.

К коммуникационному проводному интерфейсу относится интерфейс Fibre Channel (FC). В 1988 году ANSI (Американский Национальный Институт по Стандартизации) создал рабочую группу по разработке интерфейса для высокоскоростного обмена данными между компьютерами, устройствами хранения данных, дисплеями и другим периферийным оборудованием. Поскольку персональных компьютеров было мало, интерфейс нашел применение для больших ЭВМ (Mainframe). Интерфейс был последовательным и получил название Fibre Channel. В отличие от других последовательных интерфейсов, Fibre Channel объединяет высокую скорость SCSI – интерфейса и преимущества сетевых технологий. Другими словами, Fibre Channel – это аналог SCSI интерфейса для работы по последовательным высокоскоростным каналам с возможностью коммутации и маршрутизации потоков данных, подобно обычным Ethernet – сетям и работой на больших расстояниях (до десятков километров). Учитывая, что основной топологией этого метода на то время была петля с арбитражным доступом (Arbitrated Loop), то его полное название составило Fibre Channel Arbitrated Loop или FC-AL. Высокая цена оборудования с Fibre Channel по сравнению со SCSI не позволила стать этому интерфейсу таким же популярным как SCSI на рынке серверных систем. Интерфейс Fibre Channel активно использовался только в составе больших ЭВМ (Mainframe), стоящих сотни тысяч и миллионы долларов. Ситуация стала существенно меняться только к 2004 году. Из-за заметного удешевления физической реализации Fibre Channel, стало возможным применение этого интерфейса и в недорогих серверных системах, доступных организациям с относительно небольшим бюджетом.

Скорость передачи данных для современных реализаций интерфейса составляет 1, 2 и 4 гигабит/с (Гбит/с). Ведутся разработки реализации интерфейса со скоростью 10 Гбит/с. С учетом того, что для соединения устройств применяются два оптических кабеля (не идентифицировать с оптической реализацией Ethernet), каждый их которых работает в одном направлении, при сбалансированном наборе операций чтения/записи, скорость обмена данными может удвоиться. Другими словами, интерфейс Fibre Channel работает в полнодуплексном режиме. В пересчете на мегабайты, паспортная скорость Fibre Channel составляет соответственно, 100, 200 и 400 мегабайт/с (Мбайт/с). Реально, при 50% соотношении операций чтения/записи, скорость интерфейса достигает соответственно, 200, 400 и 800 Мбайт/с.

Как и в SCSI – интерфейсе, протоколы обмена совместимы: устройство с FC-AL на 4 Гбит/с будет работать с контроллером на 1 Гбит/с и наоборот. При этом скорость обмена между устройствами будет определяться по самому медленному из устройств.

Дальность работы составляет до 300 метров на оптических многомодовых кабелях и полной скорости интерфейса. При работе с одномодовым кабелем, дальность может достигать 10 километров. Скорость обмена при этом обычно составляет 100 Мбайт/с (1 Гбит/с). Для перехода с многомодового на одномодовый кабель требуются два достаточно дорогих преобразователя.

Физическая реализация обеспечивается с помощью медной витой пары (на скоростях не выше 1 Гбит/с), либо оптоволокна с соединителями типа SC или LC (меньших по габаритам).

Несмотря на то, что формально Fibre Channel не является сетевым интерфейсом, его топология имеет много схожего с сетевой. Различают несколько вариантов топологии. Первый вариант - Arbitrated Loop (петля с арбитражем, сокращенно AL). Схема AL приведена на рис.4.40.

Рис.4.40. Топология Arbitrated Loop (арбитражная петля)

Как видно из рисунка, это последовательное соединение устройств в кольцо. Выход одного устройства соединяется со входом следующего, его выход в свою очередь со входом следующего и т.д. Всего в такой петле может участвовать до 127 устройств. Поскольку в Fibre Channel используется абсолютная адресация устройства, то больших потерь и задержек в петле не возникает, при этом AL позволяет избежать покупки дорогостоящего Fibre Channel - коммутатора. С ростом скорости обмена, топология AL отрицательно сказывается на производительности систем. При выборе топологии AL следует учитывать то, чтовыход из строя хотя бы одного устройства приводит к отказу всей системы. Кроме того, добавление/исключение устройства требует остановки работы всей системы хотя бы на короткое время.

Второй пример топологии - Point-To-Point (точка - точка). Эту топологию иллюстрирует рис.4.41.

Рис.4.41. Топология Point-To-Point (точка - точка)

В этом варианте работа Fibre Channel практически ничем не отличается от SCSI, единственно, что расстояния между устройствами могут быть на порядки больше. Третьим вариантом топологии является Switched Fabric (коммутируемая структура, коммутируемая матрица). Это наиболее распространенная топология Fibre Channel сейчас и в ближайшем будущем. Схема Switched Fabric приведена на рис.4.42.

Рис.4.42. Топология Switched Fabric (коммутируемая матрица)

Третий вариант топологии близок к топологии обычной сети – есть коммутатор и устройства, подключенные к коммутатору. Несмотря на сходство Switched Fabric с сетью, реально эта топология функционирует по другому. Switched Fabric (переключаемая матрица) никак не ассоциируется с хабом или маршрутизатором обычного Ethernet. Например, Switched Fabric QLogic SANBox 5200 на 16 FC портов, имеют агрегированную полосу пропускания 76 Гбит/с, т.е. 16 портов на 2+2 Гбит/с и полосу, необходимую для каскадирования (подключения к другой Switched Fabric).

Интерфейс Fibre Channel включает несколько разновидностей портов.

NL – port – (Node Loop – узел петли) – порт, через который устройство подключено по топологии Arbitrated Loop (петля с арбитражем).

FL – port – (Fabric Loop – порт в петле) – порт в устройстве, соединяемый с коммутируемой матрицей (fabric). Топология подключения в этом случае Arbitrated Loop (петля с арбитражем).

L – port (Loop port – порт в петле) – термин, объединяющий FL – port и NL – port.

N – port (Node – узел) порт в устройстве, через который оно подключено по топологии Point-To-Point (точка – точка).

F – port (Fabric port – порт матрицы) – порт коммутируемой матрицы, топология Switched Fabric (коммутируемая структура, коммутируемая матрица).

E – port (Expansion port – порт расширения) порт, соединяющий две коммутируемые матрицы между собой. Связь, соединяющая два таких порта, обычно называется ISL.

TE – port (Trunking Expansion – соединение для расширения) – этот термин используется для описания нескольких портов, объединенных вместе для увеличения полосы пропускания.

G – port (Generic – общий, простейший) – порт, эмулирующий F – port или E – port.

На сегодняшний день интерфейс FC является одним из самых востребованных интерфейсов для создания высокопроизводительных сетей сетей хранения данных. Прикладные задачи использования интерфейса FC описаны в разделе "Сети хранения данных".

Более подробно материал по сетям и телекоммуникациям изложен в курсе "Сети ЭВМ и телекоммуникации" того же учебного плана, что и данный курс и в [12, 14 ].