Физический уровень

Спецификации  физического уровня

Физический подуровень PMD

Рассмотрим физический подуровень PMD (Physical Media Dependent layer), определенный в стандарте FDDI для оптоволокна - Fiber PMD.

Эта спецификация определяет аппаратные компоненты для создания физических соединений между станциями: оптические передатчики, оптические приемники, параметры кабеля, оптические разъемы. Для каждого из этих элементов указываются конструктивные и оптические параметры, позволяющие станциям устойчиво взаимодействовать на определенных расстояниях.

Физическое соединение - основной строительный блок сети FDDI. Типичная структура физического соединения представлена на рисунке 16

Рис. 16. Физическое соединение сети FDDI

Каждое физическое соединение состоит из двух физических связей - первичной и вторичной. Эти связи являются односторонними - данные передаются от передатчика одного устройства PHY к приемнику другого устройства PHY.

Требования к мощности оптических сигналов

В стандарте Fiber PMD в явном виде не определены предельные расстояния между парой взаимодействующих устройств по одному физическому соединению.

Вместо этого в стандарте определен максимальный уровень потерь мощности оптического сигнала между двумя станциями, взаимодействующими по одной физической связи. Этот уровень равен -11 дБ, где

dB = 10 log P2/P1,

причем P1 - это мощность сигнала на станции-передатчике, а P2 - мощность сигнала на входе станции-приемника. Так как мощность по мере передачи сигнала по кабелю уменьшается, то затухание получается отрицательным.

В соответствии с принятыми в стандарте Fiber PMD параметрами затухания кабеля и выпускаемыми промышленностью соединителями, считается, что для обеспечения затухания -11 дБ длина оптического кабеля между соседними узлами не должна превышать 2 км.

Более точно можно рассчитать корректность физического соединения между узлами, если принять во внимание точные характеристики затухания, вносимые кабелем, разъемами, спайками кабеля, а также мощность передатчика и чувствительность приемника.

Стандарт Fiber PMD определяет следующие предельные значения параметров элементов физического соединения (называемые FDDI Power Budget):

 
Категория элемента
Значение
Максимальная мощность передатчика -14 дБм
Минимальная мощность передатчика -20 дБм
Максимальная принимаемая мощность -14 дБм
Минимальная принимаемая мощность -31 дБм
Максимальные потери между станциями 11 дБ
Максимальные потери на км кабеля 2,5 дБ 
Абсолютные значения мощности оптических сигналов (для выхода передатчика и для входа приемника) измеряются в децибелах по отношению к стандартной мощности в 1 милливатт (мВт) и обозначаются как дБм:

dBm = 10 log P/1, где мощность Р также измерена в милливаттах.

Из значений таблицы видно, что максимальные потери между станциями в -11 дБ соответствуют наихудшему сочетанию предельных значений мощности передатчика (- 20 дБм) и приемника (- 31 дБм).

Кабели и разъемы

Основной вид кабеля для стандарта Fiber PMD - многомодовый кабель с диаметром сердечника 62.5 мкм и диаметром отражающей оболочки 125 мкм. Спецификация Fiber PMD не определяет требования к затуханию кабеля в дБ на км, а только требует соблюдения требования по общему затуханию в -11 дБ между станциями, соединенными кабелем и разъемами. Полоса пропускания кабеля должна быть не хуже чем 500 МГц на км.

Кроме основного вида кабеля, спецификация Fiber PMD допускает использование многомодовых кабелей с диаметром сердечника в 50 мкм, 85 мкм и 100 мкм.

В качестве разъемов стандарт Fiber PMD определяет оптические разъемы MIC (Media Interface Connector). Разъем MIC обеспечивает подключение 2-х волокон кабеля, соединенных с вилкой MIC, к 2-м волокнам порта станции, соединенными с розеткой MIC. Стандартизованы только конструктивные параметры розетки MIC, а любые вилки MIC, подходящие к стандартным розеткам MIC, считаются пригодными к использованию.

Спецификация Fiber PMD не определяет уровень потерь в разъеме MIC. Этот уровень - дело производителя, главное, чтобы выдерживался допустимый уровень потерь -11 дБ во всем физическом соединении.

Разъемы MIC должны иметь ключ, обозначающий тип порта, что должно предотвратить неверное соединение разъемов. Определено четыре различных типа ключа:

Виды ключа для этих типов разъемов приведены на рисунке 17.
Рис. 17. Ключи разъемов MIC

Кроме разъемов MIC, допускается использовать разъемы ST и SC, выпускаемые промышленностью.

В качестве источника света допускается использование светодиодов (LED) или лазерных диодов с длиной волны 1.3 мкм.

Кроме многомодового кабеля, допускается использование более качественного одномодового кабеля (Single Mode Fiber, SMF) и разъемов SMF-MIC для этого кабеля. В этом случае дальность физического соединения между соседними узлами может увеличиться до 40 км - 60 км, в зависимости от качества кабеля, разъемов и соединений. Требования, определенные в спецификации SMF-PMD, для мощности на выходе передатчика и входе приемника, те же, что и для одномодового кабеля.

Функция определения сигнала уровня PMD

Спецификация на Fiber PMD требует от этого уровня выполнения функции Signal_Detect по определению факта наличия оптических сигналов на входе физического соединения станции. Этот сигнал передается на уровень PHY, где используется функцией определения статуса линии Line State Detect (рисунок 18).

Уровень PMD генерирует для PHY признак присутствия оптического сигнала Signal_Detect, если мощность входного сигнала превышает -43.5 дБм, а снимает его при уменьшении этой мощности до -45 дБм и ниже. Таким образом, имеется гистерезис в 1.5 дБм для предотвращения частых изменений статуса линии при колебании входной мощности сигнала около -45 дБм.

Рис. 18. Функция определения сигнала на входе PMD


Физический подуровень PHY

Если в задачи подуровня PMD входит формирование качественных оптических импульсов на выходе и входе каждого физического соединения, то подуровень PHY имеет дело с передачей с помощью импульсов PMD логических единиц и нулей, приходящих с подуровня MAC. Более точно, подуровень PHY занимается следующими задачами:

Коды 4B/5B и их прием с помощью эластичного буфера

Кроме 16 кодов, отведенных для 16 кодовых комбинаций исходных 4-х байтовых символов, физический и МАС-уровни оперируют нескольким служебными символами: Эти символы позволяют соседям по физическому соединению определить его состояние в процессе его инициализации и поддержания Начало кадра отмечает встретившиеся подряд два символа Start Delimiter 1 и Start Delimiter 2, называемых также символами J и K. Эти символы используются для указания логических значений признаков распознавания адреса, ошибки и копирования кадра. В обязанности физического уровня входит фильтрация символов, передаваемых на выходную линию порта. Если среди символов кадра встречаются запрещенные символы, то они заменяются на 4 символа Halt, которые далее сопровождаются символами Idle до передачи следующего кадра. Последующий сосед, получив кадр с 4-мя символами Halt, должен изъять поврежденный кадр из кольца. Функция фильтрации не обязательна, когда кадр проходит через МАС-блок станции, но это происходит не всегда, например, вторичное кольцо может проходить только через блоки физического уровня, не заходя в МАС-блок, если это станция с двойным подключением.

Рассмотрим подробней, каким образом происходит синхронизация приемника с передатчиком в сети FDDI при приеме кодов 4B/5В.

Сеть FDDI использует распределенную схему тактирования информации, при которой каждая станция работает со своим независимым локальным тактовым генератором. Это отличает ее от сетей Token Ring, в которых одна станция поддерживает тактирование информации для всей сети, управляя главным тактовым генератором сети, называемым Master Clock.

В сети FDDI тактовые частоты синхронизируются в каждом физическом соединении соседних станций (рисунок 19).

Рис. 19. Согласование тактовых генераторов в сети FDDI

Каждая станция имеет два тактовых генератора - локальный, который управляет тактированием передаваемой информации, и восстанавливающим, который синхронизируется с тактовой частотой данных, приходящих от соседней станции. Локальный тактовый генератор работает на тактовой частоте 125 Мгц ± 0.005%. Восстанавливающий тактовый генератор, называемый RCRCLK (Receive Recovery Clock) подстраивается под тактовую частоту, извлекаемую из NRZI или MLT-3 сигналов при поступлении кодов Idle в промежутке между передачей кадров данных. Коды Idle, имеющие значение 111111, создают последовательность импульсов типа "меандр" с равными длительностями высокого и низкого потенциала, удобных для подстройки тактового генератора RCRCLK, так как сигнал изменяется два раза за период.

Поступающие символы записываются в соответствии с обнаруженной в импульсах кодов Idle частотой в эластичный буфер (Elasticity Buffer). Из эластичного буфера символы извлекаются уже с частотой локального генератора. В результате, рассогласование частот станций в кольце постоянно сглаживается, не превышая 0.01%. Принимающая станция поддерживает заполнение эластичного буфера наполовину, извлекая очередной символ только при превышении этой границы.

Процедура установления физического соединения

Блоки PMD и PHY, реализующие физический уровень технологии FDDI для каждого порта, участвуют в процедуре инициализации физического соединения каждого порта станции с портом предшествующей или последующей станций. Эта процедура проводится при непосредственном участии блока управления станцией - SMT (Station Management). Блок управления станцией выполняет большое количество функций, получая информацию и управляя всеми остальными блоками станции - PMD, PHY и MAC. Рассмотрим группу функций SMT, управляющих физическими соединениями портов и конфигурацией внутреннего пути данных. Эта группа функций получила название Connection Management (CMT).

На рисунке 20 показан состав функций CMT и связь их с блоками PMD, PHY, MAC и некоторыми другими элементами станции.

Рис. 20. Структура блока управления конфигурацией CMT

Станция, имеющая несколько портов, обеспечивает для каждого из них блоки PMD, PHY и элемент управления конфигурацией CCE (Control Configuration Element). ССЕ - это переключатель, который соединяет входы и выходы первичного и вторичного колец, подключенных к порту извне, с внутренними путями данных станции, в результате данные могут передаваться из порта элементу MAC станции, а могут непосредственно переправляться на другой порт. Реконфигурация станции при ее реакции на отказы производится именно переключателем CCE.

Блок управления конфигурацией имеет в своем составе несколько элементов PCM (Physical Connection Management), по одному на каждый порт. Элемент PCM управляет физическим состоянием линии своего порта, анализируя символы, приходящие от PHY, и передавая PHY свои команды. Если элемент PCM обнаруживает изменение состояния линии, то он оповещает об этом элемент CFM (Configuration Management), который отвечает за конфигурацию внутреннего пути данных. Элемент CFM производит конфигурирование внутреннего пути, управляя переключателями портов CCE. Делает он это с помощью элементов CEM (Configuration Element Management), каждый из которых управляет одним переключателем CCE. Блок ECM (Entity Coordination Management) координирует работу всех блоков и элементов блока управления конфигурацией CMT.

Установление физического соединения - основная задача блока PCM. Блок PCM каждого порта начинает эту процедуру по команде PC_Start, получаемой от координирующего элемента ECM (рисунок 21).

Рис. 21  Управление физическим соединением портов

При получении этой команды блок PCM локального порта начинает обмениваться символами кодов 4B/5B по миникольцу, образуемому двумя соседними портами. Процедура инициализации физического соединения - это распределенная процедура, в ней участвуют два РСM соседних портов.

Во время этой процедуры для обмена информацией соседние порты используют не отдельные символы, а достаточно длинные последовательности символов, что повышает надежность взаимодействия. Эти последовательности называются состоянием линии. Всего используется 4 состояния линии:

Первый этап инициализации заключается в передаче портом - инициатором соединения - состояния QLS соседнему порту. Тот должен при этом перейти в состояние BREAK - разрыва связи, независимо от того, в каком состоянии связь находилась до получения символов QLS. Соседний порт, перейдя в состояние BREAK, также посылает символы QLS, обозначая свой переход.

После того, как порт-инициатор убедился, что первый этап инициализации выполнен, он выполняет следующий этап - переход в состояние CONNECT (соединение). Делает он это посылкой символов HLS, на что соседний порт также должен ответить символами HLS.

Если состояние CONNECT установлено, то порт-инициатор начинает наиболее содержательный этап инициализации - NEXT, включающий обмен информацией о типе портов, проведение тестирования качества линии и проведение тестового обмена МАС-кадрами. Этап NEXT состоит в обмене между соседними портами 10-ю сообщениями, которые передаются по очереди. Порт передает одно свое сообщение, затем получает и анализирует сообщение от соседа и так далее. Каждое сообщение несет один бит информации и кодируется последовательностями MLS - логический ноль, или HLS - логическая единица.

Первые два сообщения несут информацию о типе своего порта. Для кодирования нужны два бита, так как существует четыре типа портов - А, В, М или S. Третье сообщение говорит соседнему порту, приемлемо ли для данного порта соединение с указанным в принятых сообщениях типом порта. Если да, то следующие сообщения оговаривают длительность процедуры тестирования качества линии, а затем передают информацию о результатах тестирования. Тест состоит в передаче в течение определенного времени символов Idle и подсчете искаженных символов. Если качество линии приемлемо, то выполняется тестовый обмен кадрами данных с участием блоков MAC станций.

Если все этапы инициализации прошли успешно, то физическое соединение считается установленным и активным. По нему начинают передаваться символы простоя и кадры данных. Однако, до тех пор, пока станция не выполнит процедуру логического вхождения станции в кольцо, эти кадры могут нести только служебную информацию.

Конфигурирование внутреннего пути

После установления физического соединения станция должна включить порт во внутренний путь, по которому проходят кадры данных и маркер.

Средством, с помощью которого выполняется это включение, является переключатель CCE. Он может подключить вход и выход порта к любому из трех внутренних путей станции (рисунок 22) по командам от элемента CEM блока управления конфигурацией CMT.

Рис. 22. Подключение порта к внутренним путям станции

Внутренние пути станции не следует путать с внешними первичным и вторичным кольцами сети. Внутренние пути могут соединяться с любым из колец, в зависимости от состояния порта.

Первичный внутренний путь обязательно должен присутствовать у любой станции. Вторичный внутренний путь является необязательным, но желательным в некоторых конфигурациях станций с двойным подключением, как это будет видно из примеров. Локальный путь используется для тестирования станции на МАС-уровне перед ее логическим включением в кольцо.

Переключатель CCE может находиться в одном из 5 состояний (рисунок 23):

Рис. 23 Состояния переключателя внутренних путей

С помощью перевода переключателей портов станции в нужное состояние блок управления конфигурацией может обеспечить передачу кадров и маркера по тому внутреннему пути, который соответствует текущему состоянию сети. На рисунке 24 приведены примеры поддержки состояний THRU_A ( а) и WRAP_A (б) для станции с двойным подключением.

Состояние THRU_A соответствует нормальному режиму работы колец сети. В этом режиме первичное кольцо проходит через порты А и В, а также MAC-узел станции, а вторичное кольцо проходит только через блоки PMD и PHY каждого из портов. Состояние WRAP_A соответствует реакции сети на нарушение целостности сети, при котором порт В теряет физическое соединение с соседним по сети портом. При этом на линии устанавливается состояние Quiet Line State, так как отсутствие сигналов на входе порта соответствует получению символов Quiet (00000). Получив информацию о том, что на входе порта В установилось состояние QLS, блок PCM этого порта пытается начать процесс реинициализации физического соединения. При отсутствии физической связи между портами эта попытка называется удачной, поэтому порт переводится в состояние INSERT_X, а порт В - в состояние ISOLATED.

Рис. 24. Работа переключателя пути CCE в станции с двойным подключением


МАС-уровень

Функции МАС-уровня

В соответствии со стандартами IEEE 802 канальный уровень в локальных сетях состоит из двух подуровней - LLC и МАС. Стандарт FDDI не вводит свое определение подуровня LLC, а использует его сервисы, описанные в документе IEEE 802.2 LLC.

Подуровень МАС выполняет в технологии FDDI следующие функции:

В данном разделе для иллюстрации работы МАС-уровня будет использоваться в качестве иллюстрации станция с двойным подключением и одним блоком МАС, то есть станция DA/SM. Ее внутренняя структура показана на рисунке 25.
Рис. 25 Внутренняя структура станции с двойным подключением и одним блоком МАС

В каждом блоке МАС параллельно работают два процесса: процесс передачи символов - MAC Transmit и процесс приема символов - MAC Receive. За счет этого МАС может одновременно передавать символы одного кадра и принимать символы другого кадра.


 
 Назад                                     Главная cтраница                                              Вперед