Протоколы frame relay, fibre channel, hippi

14.1. Канальный протокол Fibre Channel

Известно, что производительность микропроцессоров рабочих станций удваивается каждые 18 месяцев.

Каждому миллиону операций в секунду процессора должна соответствовать пропускная способность ввода/вывода, равная мегабиту в секунду (закон Amdahl).

По этой причине требования к широкополосности телекоммуникационных каналов уже сегодня лежат в диапазоне от 100 Мбит/с до 10 Гбит/c. Наиболее популярные скоростные сети — Fast Ethernet, GE и ATM — соответствуют этим требованиям на пределе. Уже одно это заставляет обратить внимание на такие протоколы, как 10-гигабитный Ethernet и стандарт ANSI. Fibre Channel сочетает в себе преимущества канальных и сетевых технологий. Работы по разработке стандарта FC начаты группой ANSI в 1988 году. В настоящее время Fibre Channel конкурирует как с Ethernet, так и с SCSI. (См. http://www.prz.tu-berlin.de/docs/html/EANTC/INFOSYS/fibrechannel/detail, http://www.fibrechannel.com/technology/physical.htm и http://www.ancor.com, http://www.iol.unh.edu/training/fc/fc_tutorial.html.) Он легко стыкуется с протоколами локальных и региональных сетей. Fibre Channel имеет уникальную систему физического интерфейса и форматы кадров, которые позволяют этому стандарту обеспечить простую стыковку с канальными протоколами IPI (Intelligent Peripheral Interface), SCSI, HIPPI, ATM, IP и 802.2. Это позволяет, например, организовать скоростной канал между ЭВМ и дисковой накопительной системой RAID. Быстродействие сетей Fibre Channel составляет n x 100Мбайт/с при длинах канала 10 км и более. Предусмотрена работа и на меньших скоростях (например, 12,5 Мбайт/c). Максимальная скорость передачи сегодня составляет 4,25 Гбод. В качестве транспортной среды может использоваться одномодовое или мультимодовое оптическое волокно. Допускается применение медного коаксиального кабеля и скрученных пар (при скоростях до 200 Мбайт/с). Fibre Channel имеет шесть независимых классов услуг (каждый класс представляет определенную стратегию обмена информацией), которые облегчают решение широкого диапазона прикладных задач ( таблица 14.11.).

Fibre Channel использует пакеты переменной длины (до 2148 байт), содержащие до 2112 байт данных. Такая длина пакета заметно снижает издержки, связанные с пересылкой заголовков (эффективность 98%). С этой точки зрения в наихудшем положении оказывается ATM (83% эффективность 48 байт данных при 53-байтном пакете). Только FDDI превосходит Fibre Channel по этому параметру (99%). В отличие от других локальных сетей, использующих 6-октетные адреса, fibre channel работает с 3-байтовыми адресами, распределяемыми динамически в процессе выполнения операции login. Адрес 0xffffff зарезервирован для широковещательной адресации. Адреса же в диапазоне 0xfffff0-0xfffffe выделены для обращения к структуре fabric, мультикастинг-серверу и серверу псевдонимов (alias-server). n_port передает кадры от своего source_id (s_id) к destination_id (d_id). До выполнения операции fabric login s_id порта не определен. В случае арбитражного кольца применяются 3-октетные адреса al_pa, задаваемые при инициализации кольца. Для однозначной идентификации узлов используются 64-битовые имена-идентификаторы.

Формат пакетов в сетях Fibre Channel показан на рис. 14.7. Здесь используются 24-битовые адреса, что позволяет адресовать до 16 миллионов объектов. Сеть может строить соединения по схеме "точка-точка", допускается и кольцевая архитектура с возможностью арбитража (FC-al) и другие схемы (например fabric, допускающие большое число независимых обменов одновременно). Схема кольцевого соединения показана на рис. 14.8. К кольцу может быть подключено до 128 узлов. Протокол Fibre Channel предусматривает 5 уровней, которые определяют физическую среду, скорости передачи, схему кодирования, форматы пакетов, управление потоком и различные виды услуг. На физическом уровне (FC-ph, 1993 год) предусмотрены три подуровня. FC использует оптические волокна диаметром 62,5, 50 мкм и одномодовые. Для обеспечения безопасности предусмотрен опционный контроль подключенности оптического разъема (OFC). Для этого передатчик время от времени посылает короткие световые импульсы приемнику. Если приемник получает такой импульс, процесс обмена продолжается ( таблица 14.12.).

Рис. 14.7. Формат пакета Fibre Channel

FC-0 и FC-1 образуют физический уровень, соответствующий стандартной модели ISO.

Стандарт FC допускает соединение типа "точка-точка", "арбитражное кольцо" и "структура" (верх, середина и низ рисунка 14.8). Кольцевая архитектура обеспечивает самое дешевое подключение. Система арбитража допускает обмен только между двумя узлами одновременно. Следует учесть, что кольцевая структура не предполагает применения маркерной схемы доступа. Когда подключенное к сети устройство готово передать данные, оно передает сигнал-примитив ARBX, где X — физический адрес устройства в кольце арбитража (al_pa). Если устройство получит свой собственный сигнал-примитив ARBX, оно получает контроль над кольцом и может начать передачу. Инициатор обмена посылает сигнал-примитив open (OPN) и устанавливает связь с адресатом. Время удержания контроля над кольцом не лимитируется. Если контроль над кольцом одновременно пытаются захватить два устройства, сравниваются значения X сигналов ARB. Устройство с меньшим al_pa получает преимущество, прибор с большим al_pa блокируется.

Прежде чем использовать кольцо, его нужно инициализировать (процедура LIP), так чтобы каждый порт получил свой физический адрес (al_pa — один октет, что и определяет максимальное число портов в кольце арбитража). Процедура инициализации начинается сразу после включения питания посылкой сигнала-примитива LIP через порт l_port. Затем осуществляется выбор устройства, которое будет управлять процессом выбора al_pa.

Перед передачей октеты преобразуются в 10-битовые кодовые последовательности, называемые символами передачи (кодировка IBM 8B/10B). Логической единице соответствует больший уровень световой энергии.

Рис. 14.8. Типы топологии FC

В Fibre Channel предусмотрено два режима обмена: "буфер-буфер" и "точка-точка". Передача данных осуществляется, только когда принимающая сторона готова к этому. Прежде чем что-либо посылать, стороны должны выполнить операцию login. В ходе выполнения операции login определяется верхний предел объема пересылаемых данных (credit). Значение параметра credit задает число кадров, которые могут быть приняты. После передачи очередного кадра значение credit уменьшается на единицу. Когда значение этой переменной достигает нуля, дальнейшая передача блокируется до тех пор, пока получатель не обработает один или более кадров и не будет готов продолжить прием. Здесь очевидна довольно тесная аналогия с окнами в протоколе TCP. Режим обмена "буфер-буфер" предполагает установление связи между портами N_Port и F_Port или между двумя N_Port. При установлении соединения каждая из сторон сообщает партнеру, сколько кадров она готова принять (значение переменной BB_Credit). Режим "точка-точка" реализуется между портами типа N_Port. Предельное число кадров, которые сторона может принять, задается переменной EE_Credit. Эта переменная устанавливается равной нулю при инициализации, увеличивается на единицу при передаче кадра и уменьшается при получении кадра ACK Link Control. Кадр ACK может указывать на то, что порт получил и обработал один кадр, N кадров или всю последовательность кадров. (См. также Definitions of Managed Objects for the Fabric Element in Fibre Channel Standard. K. Teow. May 2000, RFC-2837.)

14.2. Параллельный сетевой интерфейс HIPPI

Все рассматриваемые до сих пор системы передачи информации использовали исключительно последовательный код. На разных этапах эволюции телекоммуникаций предпочтение отдавалось и параллельному, и последовательному методам обмена данными. В данный момент параллельный интерфейс сохранился только для подключения принтеров. Главным преимуществом последовательных схем передачи информации является экономия на кабелях. Ниже описан еще один стандарт, где применен параллельный интерфейс (начало разработки относится к 1987 году). HIPPI ( High Performance Parallel Interface, см. ftp://ftp.network.com; http://www.cern.ch/hsi/hippi/spec/introduc.htm; RFC-2067, IP over HIPPI, J. Renwick; RFC-1374, IP and ARP on HIPPI, J. Renwick, ANSI x3t9.3/90-043, 1990 и X3t9.3/91-005) представляет собой быстродействующий параллельный интерфейс, рассчитанный на пропускную способность 800 Мбит/с (но возможны версии со 100, 200 400 и 1600 Мбит/с). Разработка интерфейса выполнена в Лос-Аламосе. Позднее на базе этого интерфейса была подготовлена идеология сети.

Длина кода, передаваемого за один такт в HIPPI, составляет 32 разряда (версия HIPPI, рассчитанная на скорость 1600 Мбит/с, имеет длину кода 64 бита). Все пересылки являются симплексными. Существует стандарт Superhippi ( HIPPI -6400, 6,4 Гбайт/с), который описывает систему передачи данных, в 8 раз более быстродействующую, чем HIPPI. Разработана версия последовательного HIPPI на скорость обмена 1,2 Гбод для коаксиального и оптоволоконного кабеля (до 10 км; версия HIPPI -FC — fiber channel). Максимальное расстояние между станцией и переключателем составляет 25 м. Максимальное расстояние между станциями ("станция-переключатель-станция") равно 50 м. Предельное число станций зависит от типа используемых переключателей. Переключатели могут взаимодействовать друг с другом ( HIPPI -SC), обеспечивая информационный обмен между станциями. Пример топологии сети HIPPI представлен на рис. 14.9.

Рис. 14.9. Пример топологии сети HIPPI (П — переключатели, С — станции)

HIPPI предполагает передачу данных по медному кабелю (или оптическому волокну) только в одном направлении по схеме связи "точка-точка", но два канала HIPPI могут обеспечить и двунаправленный обмен данными. Передающий кабель может содержать 50/100 скрученных пар или соответствующее число оптических волокон. Длина пакета данных может варьироваться. Протокол HIPPI рассчитан на работу при суммарных длинах кабелей до десятков километров. Стандартный блок данных состоит из 256 слов (1024 или 2048 байт). Для контроля корректности передачи предусмотрен контроль по четности для каждого байта на шине, кроме того, для каждого блока данных вычисляется "продольная" контрольная сумма ( LLRC — Length/Longitudinal Redundancy Checkword). На рис. 14.10 показана схема передачи данных в рамках протокола HIPPI. На каждое соединение может быть передано любое число пакетов, пакет, в свою очередь, может содержать любое число блоков. Время между пакетами не регламентировано и может меняться, оно зависит от потока данных и протокола верхнего уровня.

Рис. 14.10. Структура передаваемой информации (каждое слово содержит 32 или 64 бита)

Каждый пакет содержит в конце субполе контроля четности. Все сигналы, кроме соединения (interconnect), используют приемники и передатчики эмиттерно-связанной логики (ECL). Формат I-поля показан на рис. 14.11.

Рис. 14.11.

Поле L=1 – локально заданный формат; W=1 указывает на 64-битное соединение; D=1 отмечает смену положения адресов отправителя и получателя; PS – биты выбора пути (path selection); С – задержка вызова при занятой линии (camp-on; переключатель не разрывает соединения при занятом получателе, а ждет его освобождения). 12-битовые адреса отправителя и получателя часто делятся на 6-битовые секции, определяющие адрес переключателя и номер порта. HIPPI -IPI (Intelligent Peripheral Interface) представляет собой быстродействующий интерфейс периферийных устройств, выполняющий команды SCSI. Расширение HIPPI -LE (Link Encapsulation) обеспечивает поддержку IEEE 802.2.

Рис. 14.12. Блок-схема канала HIPPI

При расстояниях до 25 метров используется кабель, содержащий 50 скрученных пар. Такты часов следуют с периодом 40 нс. В сетях HIPPI предусмотрен транзит пакетов формата TCP/IP. Блок-схема канала HIPPI показана на рис. 14.12.

Предусмотрена работа HIPPI с протоколами TCP/IP. См. также ARP and IP Broadcast over HIPPI -800. J.-M. Pittet. May 2000, RFC-2834, IP and ARP over HIPPI -6400 (GSN). J.-M. Pittet. May 2000, RFC-2835.