Статьи "Сетевые решения" - Отечественный VDSL-модем с функцией моста

В настоящее время имеется широкий ассортимент модемных устройств с функцией “моста”, но они, в основном, работают на сравнительно низких скоростях. К таким устройствам можно отнести модемы ММ300 (2048 кбит/с) фирмы PairGain, Зелакс М-144Б (128 кбит/с), Зелакс М-2Б (2048 кбит/с), и многие другие. Так что появление высокоскоростного модема Зелакс М-30 (10 Мбит/с) на отечественном рынке оказалось весьма своевременым.

Основная функция модема, точнее, пары таких модемов – расширение сетей Ethernet с использованием уже имеющейся кабельной инфраструктуры. Такое расширение достигается “наведением моста” между существующим и вновь созданным сегментами сети, когда последний удален на расстояние до 1,2 км.

Чем привлекателен модем Зелакс М-30? Простой пример. Предположим, что необходимо построить единую сеть Ethernet 10 BaseT, охватывающую два здания, удаленные друг от друга на 600 м, причем между зданиями проложен телефонный кабель. Так как максимальный диаметр сети Ethernet 10 BaseT равен 500 м, то необходимы средства ее расширения.

Один из способов расширения заключается в использовании удлинителя линии между двумя концентраторами единой сети, что позволяет разместить их в разных зданиях. Такой удлинитель можно построить, например, на основе оптоволоконной линии связи, но для этого придется дополнительно прокладывать между зданиями оптический кабель.

Второй способ – объединить две изначально независимые сети разных зданий с помощью моста на основе двух модемов Зелакс М-30 и существующей телефонной линии. Благодаря высокой пропускной способности моста, получим единую сеть, в которой все станции находятся в равных условиях и разделяют общие ресурсы без ощутимых дополнительных задержек.

Мостовое соединение сегментов сети Ethernet

Рис. 1. Пример построения моста между двумя сегментами сети Ethernet 10 BaseT.

В схеме, приведенной на рис. 1, использованы два модема Зелакс М-30. Модем содержит три порта. Первый предназначен для подключения к концентратору или сетевой карте станции сети Ethernet 10 BaseT. Все порты всех концентраторов равноправны, поэтому для подключения модема можно выбрать любой не задействованный порт. Подключение модема к сетевой карте станции соответствует “вырожденному” сегменту сети, в котором присутствует только одна эта станция.

Второй порт с интерфейсом RS-232 (на рисунке не показан) позволяет организовать дополнительный канал связи по линии, передавая данные независимо от порта 1. Этот же этот же порт предназначен для контроля за работой модема и управления им. Модем легко настроить на работу с различным оборудованием. Есть возможность “на ходу” проследить за статистикой работы модема, управлять удаленным модемом с локального. Два тестовых режима позволяют проверять работоспособность как модема, так и сквозного тракта, включая линию. Данный порт работает в асинхронном режиме, поддерживает программное и аппаратное управление потоком данных.

Модем может транслировать в каждом направлении по одному дополнительному управляющему сигналу.

Рис. 2. Использование порта 2 для организации дополнительного канала связи между двумя оконечными устройствами типа DTE

Третий порт обеспечивает работу с линией связи.

Обмен кадрами через мостовое соединение

Связка двух VDSL-модемов Зелакс М-30 с функцией “моста” позволяет передавать кадры из сегмента А в сегмент В и обратно. Благодаря уникальности адресов сетевых карт, все станции сегментов А и В различимы. “Мост” оперирует адресами физического уровня, и остается прозрачным для высокоуровневых протоколов, таких как TCP/IP, IPX, DECnet, работающих под различными операционными системами (Windows NT, NetWare, и др.).

Модем Зелакс М-30 собственного сетевого адреса не имеет, но содержит буферную память для хранения до 10 000 МАС-адресов станций сети Ethernet. В процессе работы модем постоянно “обучается”: он следит за адресами станций “своего” сегмента и ведет их оперативный учет в буферной памяти. В результате он “поименно знает” все свои станции, которые проявляли активность (инициировали обмен данными) в последние 5 мин. Адреса утративших активность станций “вычеркиваются” из учетного списка. Такое “обучение” возможно благодаря тому, что в кадрах, передаваемых по сегменту, содержится, в частности, адрес отправителя. После добавления в сегмент новой станции она автоматически “становится на учет” после первого проявления активности.

Модем буферизует по “своему” сегменту все передаваемые кадры и анализирует их тип, адрес отправителя и адрес получателя. Кадры, не соответствующие принятым форматам (например вследствие коллизии), либо с неправильной контрольной суммой отбрасываются.

Широковещательные (broadcast, адресованные всем станциям) и многоадресные (multicast, адресованные определенной группе станций) кадры , а также кадры с МАС-адресами получателя, не учтенными в списке активных адресов “своего” сегмента, ставятся в очередь для пересылки в удаленный модем и далее в связанный с ним сегмент сети. При пересылке между модемами формат кадра несколько изменяется, а затем, при выдаче в удаленный сегмент, вновь восстанавливается до стандартного формата. Очередь может содержать до 256 кадров. Ее переполнение приводит к потере вновь поступающих кадров.

Если адресат находится в пределах “свого” сегмента сети, то модем уничтожает полученный кадр. На начальном этапе обучения некоторые кадры ошибочно пересылаются из сегмента А в сегмент В; аналогичные ошибочные передачи происходят и в обратном направлении. Эти кадры теряются, не найдя адресата. Такое наблюдается и в установившемся режиме, когда по истечении 5 минут утратившая активность станция принимает кадр из “своего” сегмента сети. Копия этого кадра пересылается в удаленный сегмент и теряется. Такие ситуации, однако, не приводят к сколько-нибудь заметному снижению пропускной способности моста, так как скорость сортировки теоретически достигает 15 000 кадров/с, и на этом фоне единичными ошибочными передачами в смежные сегменты можно пренебречь.

Отметим, что в модеме «Зелакс М-30» предусмотрено отключение режима фильтрации кадров. При таком отключении все полноценные кадры из “своего” сегмента будут передаваться в линию. Это может оказаться полезным, когда поступающие кадры фильтровываются каким-либо устройством, например, коммутатором или маршрутизатором. Повторная фильтрация привела бы к неоправданным задержкам передачи.

Преобразование кадра в мостовой схеме

В сети Ethernet 10 Base-T предусмотрены четыре типа кадров. Рассмотрим детали процесса передачи кадра наиболее простого типа (Raw 802.3/Novel 802.3) из сегмента А в сегмент В (см. рис. 1). Кадр (см. рис. 3, а ) содержит пять полей: DA, SA, L, D (Data) и FCS.

Рис. 3. Эволюция кадра Ethernet в процессе его передачи из сегмента А в сегмент В (cм. рис. 1). Цифрами обозначено число байтов в соответствующих полях

Передаче кадра предшествуют преамбула (Preamble) -- 7 байтов вида 10101010 и начальный ограничитель кадра SFD – Start of Frame Delimiter, один байт вида 10101011. Сразу за ними (без промежутка, показанного на рисунке лишь для выделения собственно кадра) следуют адрес назначения DA – Destination Address и адрес источника SA – Source Address, тот и другой по шесть байтов.

Поле L из двух байтов (Length, длина) задает длину поля данных в кадре – от 0 до 1 500 байтов. Если L меньше 46, то поле данных автоматически расширяется до этой границы добавлением “заполняющих” (padding) байтов. Это позволяет утверждать, что минимальная длина кадра равна 64 байтам, что в свою очередь обеспечивает корректную работу механизма обнаружения коллизий. Кадр завершается четырьмя байтами контрольной суммы FCS – Frame Check Sequence, вычисленной по алгоритму циклического кодирования CRC-32 (CRC – Cyclic Redundancy Check).

При передаче кадра по сегменту А все станции и модем 1 (см. рис. 1) обнаруживают преамбулу, соответствующую периодическому сигналу частотой 5 МГц. Этот сигнал используется приемниками для вхождения в синхронизм с передатчиком. Далее, получив байт SFD, все потенциальные абоненты сегмента А отмечают начальную границу кадра и начинают его прием. В данном примере предполагаем, что адрес назначения DA соответствует одной из станций сегмента В. Поэтому абоненты сегмента А обнаруживают, что данные адресованы не им, и отбрасывают принятый кадр (или принятый фрагмент кадра).

Модем 1 в любой ситуации принимает и буферизует полный кадр (см. рис. 3, а, б). Далее проверяются правильность формата, отсутствие синтаксических ошибок и совпадение вычисленной и принятой контрольных сумм FCS. Если ошибок нет (в противном случае кадр отбрасывается), то из поля данных исключаются “заполняющие” байты (если это поле содержит менее 46 “полезных” байтов), так что поле данных “сжимается”, а контрольная сумма уничтожается (см. рис. 3, в ).

Режим сжатия поля данных в модеме «Зелакс М-30» может быть запрещен. Тогда в линию будут передаваться не только “полезные”, но и “заполняющие” байты. Зачем передавать “заполняющие” байты? Дело в том, что в общем случае на дальнем конце линии может быть установлено устройство, не воспринимающее сжатие. Оно будет ошибочно отбраковывать сжатые кадры как содержащие недостаточное число байтов. При использовании двух модемов принятые в них условия управления сжатием должны быть одинаковыми.

Кадр, передаваемый модемом 1 в линию (см. рис. 3, г), обрамляется однобайтовыми флагами Flag вида 01111110, снабжается 16-разрядной контрольной суммой CRC, вычисленной по алгоритму циклического кодирования CRC-16, и подвергается операции бит-стаффинга. Ее смысл в том, чтобы исключить из “тела” кадра кодовые комбинации, совпадающие с флаговыми. Для этого все встречающиеся кодовые комбинации, содержащие пять единиц подряд (...0111110... или ...0111111...), доопределяются “лишним” нулем независимо от значения последующего бита (образуются последовательности ...01111100... или ...01111101..., “лишние” нули выделены полужирным шрифтом). Сформированный таким образом и, возможно, несколько расширенный бит-стаффингом кадр (что условно отражено на рисунке некоторым расширением полей) пересылается в линию.

Кадр из линии принимается модемом 2, очищается от “лишних” нулей (после их автоматического вычеркивания, если они следуют за комбинациями ...011111), а также проверяется на совпадение вычисленной и принятой контрольных сумм (см. рис. 3, д). При несовпадении контрольных сумм кадр уничтожается. Далее, см. рис. 3, е, поле данных, если это необходимо, дополняется до 46 байтов байтами заполнения, кадр комплектуется вновь вычисленной контрольной суммой. Затем, с соблюдением протокола доступа, после выдачи преамбулы и начального ограничителя, кадр пересылается в сегмент В (см. рис. 3, ж).

В VDSL-модеме «Зелакс М-30» предусмотрен обмен данными через порт Ethernet 10Base-T в режиме полного дуплекса, при котором передаваемые и принимаемые кадры могут обрабатываться одновременно. Конечно, такой обмен возможен только в том случае, когда соответствующий порт сетевого устройства, к которому подключен модем, также поддерживает этот режим.

Технические характеристики модема Зелакс М-30 (подтверждены результатами испытаний опытной партии)

• линейная скорость от 780 до 12540 кбит/с
• автоматический и ручной выбор линейной скорости
• двухпроводная физическая линия, дуплексный режим
• линейный код КАМ
• порт 1: Ethernet 10 BaseT
• скорость передачи Ethernet-кадров: до 10 Мбит/с
• режимы работы Ethernet: дуплекс и полудуплекс
• модем прозрачен для любых протоколов (IP, IPX. NETBEUI, ...)
• емкость буферов для хранения Ethernet-кадров: 256 кадров
• фильтрация Ethernet-кадров по МАС-адресам, автоматическое внесение и удаление МАС-адресов из таблицы
• количество поддерживаемых МАС-адресов: 10000
• фильтрация и обработка до 15000 Ethernet-кадров в секунду
• сжатие – восстановление Ethernet-кадров
• трансляция сигнала целостности Ethernet-соединения на удаленную сторону
• порт 2: асинхронный режим работы, передача данных, настройка и мониторинг модема
• скорости в асинхронном режиме: 230.4, 115.2, 57.6, 38.4, 19.2, 9.6 кбит/с и ниже
• интерфейс порта 2: RS-232 (V.24/V.28)
• программирование и контроль работы модема через порт 2 и с удаленного модема
• полная гальваническая развязка с линией и эффективная электрическая защита (до 1500 В)
• защита от несанкционированного изменения параметров работы модема