Правильная ссылка на эту страницу
http://az-design.ru/Support/HardWare/AMD/D19840112Elc048.shtml

Протоколы и микросхемы управления сетями: симбиотическая взаимосвязь

УДК 621.3.049.77:621.391

Сунил Джоши (Sunil Joshi)
Фирма Advanced Micro Devices (Саннивейл, шт.Калифорния)

Венкатраман Айер (Venkatraman Iyer)
Фирма Advanced Micro Devices (Саннивейл, шт.Калифорния)

Sunil Joshi, Venkatraman Iyer. Protocols and network-control chips: a symbiotic relationship, pp.157—163.

Скорости передачи данных в локальных сетях растут быстрыми темпами и вскоре должны достичь уровня 100 Мбит/с — поэтому эффективность системы будет определяться в основном соответствием протоколов и характеристик СБИС применяемых для их реализации. Описан разработанный фирмой Advanced Micro Devices набор микросхем под названием Supernetr который должен решить эту проблему.

Еще одно следствие низкой стоимости вычислительных ресурсов и связанного с этим широкого внедрения вычислительных машин и устройств — это осознаваемая практически всеми специалистами настоятельная необходимость создания реальных локальных сетей. Широкое внедрение компьютеров в свою очередь приводит к появлению больших объемов данных, которые необходимо обрабатывать и коллективно использовать. Насколько хорошо можно организовать в локальной сети коллективное использование данных различными компьютерами и насколько такое использование будет оперативным? Эти вопросы делают повышение эффективности протоколов при увеличении скорости передачи данных одной из важнейших технологических проблем 1980-х годов. Чтобы успешно решить эту проблему, необходимо уделять больше внимания возможным техническим компромиссам при выборе форматов пакетов локальных сетей, схем доступа, способов кодирования, видов дуплексирования, а также причинам возникновения узких мест в локальных сетях.

В настоящее время в фирме AMD начата разработка набора СБИС, предназначенного для решения этих проблем и получившего предварительное наименование Supernet. Новый набор по своим функциям напоминает две СБИС сети Ethernet — контроллер локальной сети2{Электроника, 1982, №20, с.29} и адаптер последовательного интерфейса1{Электроника, 1983, №23, «Методы, схемы, аппаратура»}, — однако вместо реализации сети с пропускной способностью 10 Мбит/с для соединения устройств-источников и устройств-получателей данных он позволяет строить локальные сети со скоростями передачи до 100 Мбит/с. Правда, при этом возникают действительно серьезные трудности. Технология сверхбольших интегральных схем обеспечивает не только снижение стоимости изделий, но и на порядок величины повышает быстродействие компьютеров. Поэтому сетевые средства со скоростями, выражающимися в кбит/с, которые были приемлемы несколько лет назад, просто непригодны для изделий сегодняшнего поколения, которым требуются скорости обмена данными, достигающие десятков мегабит в секунду.

Некоторые изготовители вычислительных систем вполне могут попытаться при решении этой проблемы пойти по потенциально опасному пути, а именно по пути повышения быстродействия связных протоколов без учета всех аспектов взаимосвязей между структурами этих протоколов и характеристиками СБИС, применяемых для их реализации. Однако при повышении скоростей передачи данных в локальной сети до 50 Мбит/с и более эти факторы больше нельзя игнорировать. Фактически компромиссные решения с точки зрения эффективности локальной сети, времени ответа, быстродействия и стоимости могут иметь место на всех семи уровнях модели Международной организации по стандартизации для обеспечения взаимодействия между компьютерами — эталонной модели соединения открытых систем.

В вычислительных системах и комплексах обычно выделяют так называемые входные и выходные сети. Входная, или терминальная, сеть служит для подключения к крупной ЭВМ таких устройств, как терминалы, текстовые процессоры, принтеры и личные компьютеры. Выходная сеть служит для подключения устройств внешней памяти, например дисковых подсистем, к другим устройствам, например лазерным принтерам.

Входные сети могут работать при более низких скоростях, чем выходные, которые должны обладать увеличенным быстродействием, поскольку служат для обмена более крупными объемами данных. Входные сети реализуются при помощи протоколов типа Ethernet, а выходные — при помощи высокоскоростных схем типа гиперканал (который обладает быстродействием 50 Мбит/с).

Изменение классификации

По мере развития технологии и возрастания потребности в более эффективных средствах передачи данных эта традиционная классификация входных и выходных цепей меняется. Например, для таких служебных систем, как средства организации телеконференций и комбинированная электронная почта (с возможностями передачи речевых и текстовых сообщений), требуемая полоса пропускания сети может превысить 50 Мбит/с. Входные сети, реализующие подобные функции, по своей пропускной способности не должны уступать выходным сетям. Естественно,, что удешевление стекловолоконных средств передачи данных со скоростями в сотни мегабит в секунду позволит использовать их при реализации как входных, так и выходных сетей.

При переходе на более высокие скорости передачи данных с расширением функциональных возможностей сетей может возникнуть соблазн сэкономить деньги просто путем повышения частоты передачи при обеспечении совместимости с существующими протоколами. Здесь, однако, имеются подводные камни. Например, экономически нецелесообразно проектировать все сетевые аппаратные средства на частоту, в пять раз превышающую, скажем, частоту сети Ethernet, если нужно в пять раз повысить скорость передачи данных в сети. Фактически многие улучшения характеристик — без соответствующего повышения стоимости аппаратуры — могут быть обеспечены путем модификации сетевых протоколов. Главный вопрос в том, каким образом это лучше сделать для часто используемых в локальных сетях линий последовательной передачи данных.

Будущие высокоскоростные СБИС потребуют специальных высокоскоростных протоколов в отличие от показанных здесь двух микросхем сети Ethernet — адаптера
Рис.1. Будущие высокоскоростные СБИС потребуют специальных высокоскоростных протоколов в отличие от показанных здесь двух микросхем сети Ethernet — адаптера последовательного интерфейса и контроллера локальной сети, которые служат для соединения средств этой 10-Мбит/с сети с устройствами-источниками и получателями данных.

Передача данных последовательным способом позволяет отказаться от дорогостоящих каналов данных с параллельными линиями и реализуется при помощи всего одного кабеля, соединяющего устройства сети, так что подобный подход получил широкое распространение для сопряжения источников и получателей данных при расстояниях, превышающих несколько метров. Поскольку такой способ предусматривает последовательную передачу битов данных, линии передачи для обеспечения достаточной пропускной способности должны иметь достаточно высокую частоту передачи.

Однако при этом линия передачи данных не должна стоить слишком дорого. Витые пары проводников достаточно дешевы, но они могут оказаться чувствительными к помехам, если не предусмотреть их экранировку. Коаксиальный кабель позволяет передавать данные с более высокими скоростями, но стоит дороже витых пар. Стекловолоконный кабель может обеспечить передачу данных со скоростями, выражающимися многими сотнями мегабит в секунду, однако сейчас он еще очень дорог.

Аппаратные средства сетевого интерфейса служат по преимуществу для обеспечения сопряжения главного компьютера и линии передачи данных локальной сети. В сетевом интерфейсе определенные функции, например соединения виртуальных цепей и восстановление после ошибок, могут быть реализованы либо аппаратно, либо программно. Программная реализация, как правило, не обеспечивает столь высокой скорости, как специализированные аппаратные средства, которые поэтому являются предпочтительными, особенно СБИС. Аппаратная реализация непосредственно связана со структурой протокола. И действительно, рационально разработанный протокол может упростить аппаратную реализацию, причем без всякого ущерба для скоростных характеристик сети.

Воронка

Сетевой интерфейс между главным компьютером и линией передачи данных можно символически представить в виде воронки (рис.2). Входная часть воронки — это главный микрокомпьютер, мини-машина или крупная ЭВМ, выдающие на интерфейс 8-, 16- или 32-разрядные слова данных соответственно. На переходе к тонкой трубке воронки последовательный интерфейс сети передачи данных осуществляет параллельно-последовательное преобразование данных компьютера в процессе их пересылки. Двунаправленная воронка производит последовательно-параллельное преобразование данных при приеме.

Интерфейс между сетевой линией передачи данных и главным компьютером можно сравнить с воронкой. Компьютер выдает 8-, 16- или 32-разрядные данные на ши
Рис.2. Интерфейс между сетевой линией передачи данных и главным компьютером можно сравнить с воронкой. Компьютер выдает 8-, 16- или 32-разрядные данные на широкую входную часть воронки, а сетевой интерфейс преобразует этот поток слов в последовательность битов в вершине конуса воронки. Показанная воронка является двунаправленной.

Если главный компьютер и сетевые средства имеют различные скорости обработки данных или должны работать асинхронно, в сетевом интерфейсе необходимо предусмотреть буферизацию данных. Кроме параллельно-последовательного преобразования и буферизации данных сетевой интерфейс может также выполнять мани пуляции, обработку и изменение порядка следования данных.

В процессе передачи данных воронка сетевого интерфейса работает по принципу «трубки Вентури». Такая аналогия между потоками данных и жидкости в воронке правомерна потому, что скорость перемещения данных в трубке воронки гораздо выше, чем во входной части. Например, в сети со скоростью передачи 100 Мбит/с от 16-разрядного процессора данные должны будут поступать с темпом приблизительно 6,7 млн. слово/с, а от 32-разрядного процессора — с темпом всего 3,4 млн. слово/с. Эти цифры, находящиеся в рамках характеристик сегодняшних разрядно-модульных процессоров, не слишком превышают возможности некоторых обычных МОП-микропроцессоров.

Обработку последовательности данных аппаратными средствами сетевого интерфейса можно рассматривать как своего рода возмущение, которое вызывает турбулентность внутри воронки. Если обрабатываются параллельные 16- или 32-разрядные данные, то турбулентность невелика. Если операции производятся непосредственно у линии передачи данных (трубки воронки), то требуются более высокоскоростные аппаратные средства, поскольку биты данных здесь проходят с гораздо более высокими скоростями.

Высокоскоростная сеть на 100 Мбит/с, безусловно, потребует применения ЭСЛ-схем, устанавливаемых в непосредственной близости к линии передачи. Если данные преобразуются в 8- или 16-разрядные параллельные слова, то для этого могут с успехом использоваться ТТЛ- или МОП-схемы. Если протокол требует быстрого ответа, запоминания или обработки данных на границе битового элемента, то приходится применять высокоскоростные и соответственно дорогостоящие аппаратные средства. Из экономических соображений разработчики системы должны определять функции протокола таким образом, чтобы можно было применять насыщенные интегральные схемы, например МОП или К/МОП СБИС.

В совсем недалеком прошлом сети характеризовались очень малыми возможными скоростями передачи данных. Поэтому пропускной способности обычно не хватало и предпринимались всевозможные меры, чтобы снизить нагрузку линий передачи. Например, применялись минимальные длины заголовков пакета, а для различных полей пакета использовалось исключительно компактное кодирование, причем они размещались на границах битовых элементов. В связи с этим всю обработку данных приходилось осуществлять на битовом уровне, на конце воронки передачи данных. Однако это было возможно только потому, что скорости передачи данных были низкими.

Новые протоколы должны предусматривать изменение технологической базы. Например, поскольку 8-разрядные процессоры перестают пользоваться спросом, будущие протоколы должны ориентироваться на 16- и 32-разрядные микропроцессоры. По мере освоения стекловолоконной технологии соответствующие услуги для пользователя будут реализовываться при помощи упрощенных модернизированных протоколов, не связанных с ограничениями по пропускной способности, как в настоящее время.

Перемещение узкого места

Повышение пропускных способностей локальных сетей приводит к тому, что узким местом становится не передача, а обработка данных. Разработчики новых протоколов стремятся сделать обработку данных как можно более простой и исключить границы битовых элементов из формата пакета — другими словами, эти протоколы предусматривают представление данных таким образом, чтобы процессору не приходилось заниматься обработкой каждого бита. Высокоскоростные протоколы, хотя сейчас они, как правило, ориентируются на байтовые границы, можно было бы организовывать также с расчетом на границы слов (16-разрядных) или длинных слов (32-разрядных). Ориентация протоколов передачи данных на длинные, двойные слова приводит формат пакета в соответствие с разрядностью процессора и тем самым ускоряет и упрощает обработку данных.

Если узким местом в системе становится обработка данных, необходимо увеличивать размер буферной памяти, чтобы можно было работать с очередями пакетов. Частые переполнения буферов требуют применения механизмов управления потоком данных, а также создают накладные затраты по обработке; а большая буферная память увеличивает стоимость системы. Поэтому исключительно важно избежать возникновения узких мест при обработке данных.

Размер пакета, задаваемый в существующих протоколах, — это результат компромиссов. У сети с пакетной коммутацией (а не с коммутацией каналов передачи данных) пакеты должны быть минимальными, чтобы предотвратить ситуацию, когда передатчик будет «захватывать сеть». Когда пакеты невелики, каждое сообщение разбивается на несколько пакетов, а поскольку с каждым пакетом передается заголовок, накладные затраты растут и эффективность сети снижается. Еще хуже то, что увеличение количества пакетов в сети вполне может привести к повышению объема обработки и создать еще более серьезное узкое место в сети.

Длинным пакетам требуются увеличенные буферы, так что размер буферной памяти также зависит от размера пакетов. Однако, поскольку сейчас СБИС памяти большой емкости дешевеют, этот фактор играет меньшую роль, чем узкие места по обработке данных. Размер пакета определяется также надежностью линии передачи данных. Поэтому следует избегать использования линий передачи с высокой частотой ошибок, которая увеличивает вероятность неправильной передачи длинных пакетов.

Кроме пакетов данных в сети могут передаваться несколько небольших пакетов, содержащих только управляющую информацию. Иногда такие пакеты приходится дополнять пустыми байтами, чтобы увеличить их длину, — это может оказаться полезным при реализации протокола с обнаружением столкновений, который должен обеспечивать возможность обнаружения всех столкновений. Дополнение пакета пустыми байтами может также уменьшить ограничения на аппаратные средства, которые должны предусматривать быструю обработку последовательностей из нескольких коротких пакетов.

Для низкоскоростной сети даже обработка пакета длиной 1 байт может вообще не вызвать затруднений; в связи с низкой частотой передачи данных в подобной сети время обработки однобайтового пакета может оказаться вполне приемлемым по абсолютной шкале. Если, однако, длина пакета остается равной 1 байт, а скорость передачи данных возрастает, например, в 10 раз, тр. длительность существования пакета уменьшится в 10 раз по отношению к скорости передачи данных, поэтому такой пакет придется обрабатывать при помощи аппаратных средств, обладающих в 10 раз большим быстродействием, чем аппаратные средства низкоскоростной сети.

Типичный формат пакета предусматривает перед полями данных (или информации) поля, которые составляют заголовок пакета. Для повышения эффективности сети в традиционных протоколах стремятся уменьшить длину заголовков — поля заголовка кодируются компактными способами, так что для определения содержательного значения каждого поля требуются большие накладные затраты программных средств. Кроме того, чтобы сэкономить на свободных битах, функционально не связанные поля группируются. Применяются так называемые расширенные поля, в этом случае интерпретация следующего байта данных зависит от нескольких битов предыдущего байта. Целесообразно было бы иметь возможность допустить более длинные заголовки с функциональным и смысловым разделением полей, размещающихся по границам байтов или слов, с тем чтобы центральный процессор мог быстро расшифровывать значения полей.

Поля адресации

Адрес получателя в локальной сети, как правило, бывает либо многоабонентским адресом, либо адресом физического устройства. Высокоскоростные сети, применяемые при построении выходных систем, обычно состоят из небольшого числа узлов, расположенных в ограниченной территориальной области, так что адресные поля редко превышают по длине один или два байта.

Многоабонентская адресация также лаконична и проста, чтобы предотвратить обработку и запоминание пакетов, которые не относятся к данному узлу. Фактически при небольшом числе узлов и высокой пропускной способности сетей, не предусматривающих многоабонентской адресации, вполне возможно вместо одного многоабонентского пакета передавать несколько пакетов с физической адресацией.

Аналогичные соображения распространяются также на адрес источника, который, однако, должен быть физическим. Многоабонентский адрес источника просто не имеет смысла, поскольку при многоабонентской передаче имеется один источник и более одного получателя, однако адрес источника является физическим. В отличие от многоабонентского адреса получателей адрес источника не приходится преобразовывать из символического в ряд физических адресов. Первый бит адреса обозначает режим физической или многоабонентской адресации. Такой формат, однако, не нарушает неприкосновенности байтовых полей, поскольку указание физического или многоабонентского режима приводит просто к делению адресного пространства пополам. При просмотре адресов можно по-прежнему обрабатывать целый байт.

Входные, или терминальные, сети компьютеров иногда должны иметь более длинные адресные поля. Например, в сети Ethernet имеется 48-разрядное поле, которое позволяет каждому узлу в системе присваивать индивидуальный адрес. Эта процедура может несколько затруднить, распределение адресов.

Дополнительные поля

«Поле длины» является почти обязательным для всех высокоскоростных протоколов шины, поскольку пропадание несущей, которое обозначает конец пакета в низкоскоростных протоколах, при высоких скоростях использовать в качестве такого сигнала нельзя. В локальной сети, как правило, поле длины для любого уровня эталонной модели соединения открытых систем указывает длину пакета для вышележащего уровня. Например, поле длины на уровне канала передачи данных указывает длину (в байтах) пакета сетевого уровня, поля данных.

Некоторые разработчики обычно используют поле длины для того, чтобы оперативно определять, достаточно или нет имеющейся буферной памяти для запоминания пакета. Однако использовать подобную процедуру не рекомендуется во избежание наложения каких-либо ограничений на возможность процессора реагировать на поступающие пакеты в реальном времени. Обработку поступающих пакетов можно упростить, если распределять их по длинам на небольшое число категорий. Подобные фиксированные длины всех пакетов данных могут, кроме всего прочего, упростить распределение буферов.

«Поле типа» — это общий термин для полей, которые содержат информацию относительно самого пакета; это поля типа, управления и доступа. Они указывают содержимое пакета, действие, которое необходимо предпринять для пакета, требуется или нет подтверждение и куда могут быть направлены данные.

Входящее в формат заголовка поле контроля циклическим избыточным кодом (ЦИК), характерное для высокоскоростных протоколов, служит для защиты заголовка, который имеет, как правило, большую длину. Поэтому, например, пакет с битовой ошибкой в поле адреса получателя может быть отвергнут уже на самом раннем этапе, что исключает бесполезную обработку. Поле ЦИК гарантирует также, что в случае ошибки в поле длины буферы не будут заполняться ненужными байтами.

Два в одном

Если в одном пакете используются два поля ЦИК — одно для защиты заголовка, а другое для защиты данных (рис.3), то обеспечивается возможность передачи более длинных пакетов, чем при наличии одного подобного поля. Разработчики высокоскоростных протоколов склонны применять более длинные 32-разрядные полиномы ЦИК, чем в низкоскоростных протоколах, которые могут ограничиваться 16-разрядными полиномами. Предпочтительным для большинства современных высокоскоростных протоколов является 32-разрядный полином ЦИК, предусмотренный федеральным стандартом Autodin II.

В формате типичного пакета поля, находящиеся перед полем данных, называются заголовком пакета. Заголовок и данные показанного пакета защищаются при по
Рис.3. В формате типичного пакета поля, находящиеся перед полем данных, называются заголовком пакета. Заголовок и данные показанного пакета защищаются при помощи двух раздельных полей контроля циклическим избыточным кодом — одно из этих полей служит для защиты заголовка (ЦИКЗ), а другое — для защиты данных (ЦИКД).

В типичном пакете поле ЦИК данных служит для защиты поля данных пакета, а контрольное поле заголовка защищает заголовок. Если в пакете имеются оба контрольных поля, то целесообразно использовать один и тот же полином для обоих. Вычисление контрольного поля ЦИК для последовательности, данных должно начинаться и заканчиваться на границах байтов, так что при аппаратной реализации может оказаться целесообразным производить генерацию и контроль 8-разрядных параллельных кодов ЦИК в более низкоскоростных частях сетевого интерфейса.

Иногда разработчики систем с кольцевыми протоколами идут на то, чтобы вычислять ЦИК не на байтовых границах, поскольку некоторые биты в циркулирующих маркерах, или признаках управления, переключаемых в динамике, нельзя при этом учесть. Более рационально определять указанные поля таким образом, чтобы всю информацию, которая должна защищаться при помощи ЦИК, размещать на байтовых границах.

Высокоскоростные протоколы ориентированы скорее на повторные передачи пакетов, чем на исправление ошибок. Такая ориентация отражает тот факт, что затраты на передачу меньше, чем на обработку данных.

Схема с обнаружением столкновений и другие схемы предоставления доступа к сети требуют минимальной длины пакетов, которая должна превышать задержку подтверждения для сети. Для высокоскоростных сетей подобный подход требует нежелательно большой минимальной длины пакета. Переход на более высокие скорости означает также изменение требований к пакетам минимальной длины и может привести к необходимости внесения существенных доработок в сетевые программные средства. Поэтому протоколы с обнаружением столкновений непригодны для очень высокоскоростных сетей, если расстояния между узлами не настолько малы, чтобы обеспечить короткие задержки подтверждения.

В протоколах некоторых высокоскоростных шин для управления доступом к сети применяется модифицированный способ временного уплотнения. Неиспользуемые возможности доступа могут привести к напрасным затратам части пропускной способности шины, однако при высоких скоростях это не имеет существенного значения. При подобных скоростях очень хорошо работают кольцевые сети с эстафетной передачей маркера управления (права доступа), причем их можно также в большинстве случаев строить на цифровых схемах — и поэтому более просто, чем при реализации протоколов доступа с обнаружением столкновений, где требуется больше аналоговых схем.

Подтверждения-квитанции

Пакет подтверждения уведомляет узел, отправивший информационный пакет, о том, что последний действительно принят. Пакет подтверждения может содержать информацию состояния — например, были ли обнаружены для передаваемого пакета ошибки ЦИК или нарушение порядка следования. Семиуровневая эталонная модель МОС предусматривает выдачу подтверждений на уровнях канала данных, сетевом и транспортном, а также на других уровнях. Более того, подтверждения иногда посылаются по более чем одному уровню.

Определенные протоколы требуют немедленного подтверждения на уровне канала передачи данных, причем ответ приходится посылать в течение короткого окна после поступления пакета. Такая необходимость немедленного ответа накладывает определенные ограничения на аппаратуру, поскольку ответный пакет требуется формировать при минимальном объеме обработки поступившего пакета. Если окно ответа достаточно велико, принятый пакет можно обрабатывать в более широкой части воронки, где это делается проще. Необходимость быстрого ответа означает, что пакет нельзя будет успеть обработать при помощи низкоскоростных логических схем и потребуются более высокоскоростные аппаратные средства.

Немедленное подтверждение не только усложняет аппаратные средства, но во многих случаях даже практически не имеет смысла, поскольку узел, получающий пакет подтверждения, не предпринимает немедленных действий при его поступлении. Узлу требуется время для расшифровки пакета, который при этом может еще ждать в очереди приема. Немедленная выдача подтверждения может быть полезной в сетях с очень большими помехами, где пакеты с ошибками являются обычным делом и требуются частые повторные передачи. Однако тщательное экранирование или применение стекловолоконных кабелей исключают частое возникновение подобных ненормальных событий.

Если на уровне канала передачи данных все же необходимо предусматривать тот или иной способ подтверждения, то целесообразнее идти на выдачу подтверждения для группы пакетов, чем для каждого индивидуального пакета; узел-отправитель может передавать заранее обусловленное количество пакетов, не ожидая для них никакого подтверждения. Поскольку в локальных сетях нет механизмов маршрутизации, подтверждения не вызывают никаких проблем с точки зрения порядка следования пакетов, который остается тем же самым. Если какой-то пакет приходит с ошибкой, в смысле обработки может оказаться проще произвести повторную передачу всей группы пакетов. При логической или многоабонентской адресации немедленное подтверждение становится бессмысленным, поскольку несколько узлов не могут использовать для их передачи один и тот же временной сегмент.

Поточная передача пакетов

Для некоторых приложений требуются протоколы с особенностями, которые безусловно нежелательны в других случаях. Одна из подобных особенностей, поточная передача пакетов, полезна для обменов с дисковыми накопителями. Когда сетевая линия передачи захватывается некоторым узлом, этот узел монопольно использует ее до тех пор, пока не будет передана, например, полная дорожка диска. При этом каждый сектор — это отдельный пакет. Такая процедура, хотя она аналогична монопольному использованию сети, весьма полезна для работы с дисками, поскольку не имеет смысла ждать завершения полного оборота диска для загрузки каждого пакета. Несмотря на то что монопольный режим может вызвать определенные проблемы сточки зрения пропускной способности, поточная передача пакетов фактически повышает эффективную производительность каждого узла в дисковой системе.

Поточная передача пакетов предусматривается в протоколе, ориентированном на конкретное приложение. Протоколы, включающие эту процедуру, могут оказаться неэффективными для контор и учреждений, где осуществляется передача речевой и видеоинформации, поскольку при этом увеличиваются временные задержки на передачу обычных пакетов.

Схемы кодирования должны быть, как правило, простыми. Аппаратные средства кодирования всегда размещаются в высокоскоростной секции воронки, где сложность нежелательна, поскольку она увеличивает стоимость. Благодаря рациональному выбору способа кодирования можно даже во много раз повысить коэффициент использования пропускной способности линии передачи данных. Например, манчестерское кодирование обеспечивает эффективность всего лишь 50%, а для некоторых способов кодирования с ограниченной длиной отрезка она достигает почти 100%. Разработчик, желающий выбрать схему кодирования, должен учитывать, удастся или нет увеличение стоимости каждого узла скомпенсировать экономией благодаря применению линии передачи с уменьшенной пропускной способностью.

Способы кодирования определяют требования к синхронизации и восстановлению синхросигналов. Проблема синхронизации особенно важна для схем временного уплотнения, поскольку для высокоскоростных узлов сдвиг синхросигналов всего лишь на несколько наносекунд может означать потерю синхронизации. Поэтому имеет смысл делать эти процедуры простыми и тем самым экономить на аппаратных средствах, несмотря на то что при этом придется пожертвовать частью пропускной способности линии передачи.

Дуплексный или полудуплексный!

В большинстве локальных сетей связь осуществляется в полудуплексном режиме — в том смысле, что в каждый конкретный момент времени по сети передается только один пакет и каждый узел сети либо передает, либо принимает пакеты, но не выполняет обе эти операции одновременно. Полнодуплексная связь (когда по одному каналу производится передача, а по другому — прием) реализуется в некоторых широкополосных сетях.

К сожалению, те несколько протоколов, которые разработаны для низкоскоростной передачи данных, требуют полнодуплексных аппаратных средств — независимых каналов передачи и приема,— несмотря на то что линия передачи является только полудуплексной. Например, когда промежуток между пакетами очень мал, узел, желающий произвести передачу, должен сделать это почти немедленно после приема пакета. Как правило, принимаемому пакету требуется некоторое время для прохождения через буфер FIFO узла в «воронке». Поэтому может оказаться мало времени, чтобы очистить буфер FIFO, настроить его на обратный режим для передачи пакета и начать процесс передачи. В подобных случаях для передачи необходимо предусматривать независимый канал.

А независимый канал означает дублирование аппаратных средств сетевого интерфейса, которые, в числе прочих функций, обеспечивают буферизацию, синхронизацию и формирование/контроль ЦИК. Такие накладные затраты ресурсов могут быть приемлемыми для низкоскоростных сетей, однако с повышением скоростей передачи данных базовая стоимость аппаратных средств интерфейса также увеличивается, так что нецелесообразно еще удваивать ее для уменьшения промежутка между пакетами.

Главная причина минимизации промежутка между пакетами в низкоскоростных сетях заключается , в необходимости как можно более эффективно использовать недостаточную пропускную способность сети. А для сетей с высокими пропускными способностями вполне можно допустить недозагрузку линии передачи; основные параметры, которые необходимо здесь минимизировать,— это стоимость и накладные затраты на обработку данных. Рассмотрим типичный протокол физического кольца с эстафетной передачей маркера управления, например разработанный комитетом 802.5 Института инженеров по электротехнике и радиоэлектронике; этот протокол требует, чтобы узел постоянно контролировал свою линию передачи на появление бита-маркера управления. Согласно этому протоколу, узел, который обнаруживает бит-маркер управления с нужным приоритетом, должен модифицировать этот бит и приформировать к нему свой собственный пакет в течение нескольких битовых периодов.

Подобная процедура предполагает, что собственный пакет узла подготовлен и заблаговременно размещен вблизи от линии передачи. Для упрощения реализации этого протокола при высоких скоростях можно произвести его небольшую модификацию, с тем чтобы выдавать в линию передачи определенные холостые или дополнительные знаки в промежуток времени после обнаружения маркера управления и до момента готовности пакета для передачи. Эта модификация протокола позволяет использовать для передачи и приема одни и те же аппаратные средства. Протокол, разрабатываемый сейчас комитетом ХЗТ9.5 Американского национального института стандартов (АНИС) для волоконно-оптического интерфейса системы с распределенными данными, предусматривает эту модификацию для кольцевой сети на 100 Мбит/с с эстафетной передачей маркера управления.

Сравнение параметров сети Ethernet и интерфейса локально распределенных данных (по проекту стандарта X3T9.5 АНИС)

Параметр

Сеть Ethernet

X3T9.5 АНИС

Скорость

10 Мбит/с

50 Мбит/с

Метод доступа

Коллективный доступ с контролем несущей и обнаружением столкновений

Временное уплотнение

Ограничитель

Пропадание несущей

Длина поля

Адресное пространство

6 байт

2 байт

Способ передачи

Прямая передача с манчестерским кодированием

Широкополосная передача с раздельными каналами для синхросигналов и данных

Максимальный размер пакета

1,5 кбайт

64 кбайт

Поле типа

Есть

Нет

Многоабонентская адресация

Есть

Нет

Поточная передача пакетов

Нет

Есть

Два протокола

Рассмотрим теперь два протокола, ориентированные на шинную структуру,— протокол сети Ethernet (рис.4), который достаточно хорошо описан в литературе, и определенный проектом стандарта ХЗТ9.5 АНИС протокол высокоскоростной шины (50 Мбит/с) с оригинальным форматом кадра (рис.5). В проекте стандарта изложены требования к сети с линиями передачи на коаксиальном кабеле, с числом узлов до 32 и с расстояниями между ними до 1 км. Доступ узла к сети организуется по схеме с временными сегментами, причем всем узлам заранее выделяются свои временные окна.

Комитет 802.3 ИИЭР по стандартизации локальных сетей со скоростями передачи данных 10 Мбит/с установил в качестве стандартных форматы пакетов физическ
Рис.4. Комитет 802.3 ИИЭР по стандартизации локальных сетей со скоростями передачи данных 10 Мбит/с установил в качестве стандартных форматы пакетов физического уровня и уровня канала передачи данных сети Ethernet. Для более высоких скоростей передачи данных требуются новые протоколы и другие форматы.

Узел, окно которого появляется раньше, может произвести передачу перед узлом, окно которого появляется позже.. Если предыдущий узел не использует эту возможность, то может начать передачу узел со следующим окном, т.е. между узлами в виде временного окна неявно передается виртуальный маркер — право доступа. Проект стандарта X3T9.5 допускает доступ по «карусельному» алгоритму как с выделением приоритетных узлов, так и в случае равноправных узлов.

Для скоростей передачи данных 50 Мбит/с несколько измененный формат проекта стандарта X3T9.5 (интерфейса логически распределенных данных) Американског
Рис.5. Для скоростей передачи данных 50 Мбит/с несколько измененный формат проекта стандарта X3T9.5 (интерфейса логически распределенных данных) Американского  национального института стандартов более пригоден, чем формат кадра сети Ethernet.

Для реализации физического уровня проект стандарта предусматривает коаксиальный кабель. Синхросигналы и данные не кодируются, а посылаются по двум независимым каналам в качестве широкополосного сигнала. Хотя схема интерфейса локально распределенных данных рассчитана на коаксиальный кабель, она не ограничивается этим типом линии передачи. Более того, данную схему доступа можно использовать с волоконно-оптическим кабелем или даже в звездообразной конфигурации. Количество узлов и расстояния между ними в сети — эти оба параметра также зависят от физической линии передачи — не влияют на работоспособность указанного протокола доступа.

Протокол сети Ethernet и проект стандарта ХЗТ9.5 АНИС — это шинные протоколы, ориентированные на довольно разные приложения. Протокол Ethernet хорошо подходит для построения входных сетей, связывающих терминалы, текстовые процессоры, принтеры и компьютеры. Проект стандарта X3T9.5, который рассчитан на гораздо более высокие скорости, лучше соответствует требованиям выходных сетей, служащих, например, для коллективного использования накопителей на жестких дисках и лазерных принтеров многими микропроцессорами. Различия между обоими протоколами отражены в таблице. Наиболее важными являются различия в схемах доступа, линиях передачи, полях заголовков и других подобных параметрах. Для передачи ответа в проекте стандарта АНИС предусмотрено окно приоритетного подтверждения, позволяющее захватить линию передачи. Однако здесь не накладываются жесткие ограничения на то, насколько быстро необходимо выслать сам ответ, поэтому такой алгоритм легко реализовать.

Супернабор

Фирма Advanced Micro Devices не просто выполняет теоретические исследования протоколов локальных сетей для высоких скоростей передачи данных. У нее есть два различных набора СБИС, которые работают со скоростями передачи данных, различающимися на порядок величины.

Первый набор СБИС предназначается для сети Ethernet и хорошо известен. Второй, находящийся на ранних стадиях проектирования, сейчас носит название Supernet. Эти СБИС (хотя по своим функциям они аналогичны микросхемам для сети Ethernet) должны обладать достаточной гибкостью, чтобы они могли использоваться для реализации любого протокола или сетевой топологии и работать при частотах передачи данных до 100 Мбит/с. Чтобы обеспечить такую гибкость, несмотря на очень существенные различия между протоколами, функции сетевых узлов необходимо разделить на две категории: функции, общие для всех сетей и протоколов, и функции, специфичные для конкретных протоколов. Семейство Supernet (рис.6) позволяет на базе СБИС реализовать общие функции и механизм, который представляет специфичные для протокола функции в виде модулей специализации.

В схеме с контроллерами локальной сети на 100 Мбит/с фирмы AMD интерфейс между рабочей станцией и локальной сетью реализуется при помощи модуля специа
Рис.6. В схеме с контроллерами локальной сети на 100 Мбит/с фирмы AMD интерфейс между рабочей станцией и локальной сетью реализуется при помощи модуля специализации. Стандартные функции протокола выполняют процессор канального протокола и контроллер последовательности битов.

В схеме, показанной на рис.6, в качестве главной машины может выступать микропроцессор, мини-компьютер или крупная ЭВМ. Узловой процессор, обычно универсальный микропроцессор, обеспечивает инициализацию и обработку прерываний и при этом может также реализовать протоколы верхних уровней эталонной модели МОС. Функции уровня канала передачи данных реализуют СБИС процессора канального протокола и СБИС контроллера последовательности битов. Процессор канального протокола при помощи обменов с основной памятью в режиме прямого доступа с приоритетным управлением выполняет такие функции, как выделение адресов и управление буфером памяти, а также формирует коды ошибочного состояния и сигналы прерывания для сетевого контроллера.

Контроллер последовательности битов со своей стороны осуществляет последовательно-параллельные преобразования данных, которые поступают на процессор канального протокола и наоборот. Он производит также при необходимости вставку и удаление битов, а также контроль и формирование ЦИК.

Функции, специфичные для протокола, могут быть разделены на две подкатегории: функции, которые необходимо реализовать аппаратными средствами, и функции, которые можно реализовать при помощи микрокода или программ узлового процессора. Механизм доступа (временное уплотнение, обнаружение столкновений, передача маркера-права управления) в большинстве случаев должен быть индивидуальным и реализовываться как модуль специализации. Пользователи, выбирающие простой протокол, могут реализовать оригинальные протоколы при помощи известных логических схем или вентильных матриц.

Адаптер последовательного интерфейса — это либо БИС, либо схема на дискретных компонентах со специальными средствами кодирования и декодирования сигналов. Для широкополосных сетей — это модем.

Выходные данные:

Журнал "Электроника" том 57, No.01 (682), 1984г - пер. с англ. М.: Мир, 1984, стр.68

Electronics Vol.57 No.01 January 12, 1984 A McGraw-Hill Publication

Sunil Joshi, Venkatraman Iyer. Protocols and network-control chips: a symbiotic relationship, pp.157—163.

Раздел: МЕТОДЫ, СХЕМЫ, АППАРАТУРА

Тема:     Интеграция систем





Дата последнего изменения:
Thursday, 21-Aug-2014 09:10:44 MSK


Постоянный адрес статьи:
http://az-design.ru/Support/HardWare/AMD/D19840112Elc048.shtml