W dwu poprzednich odcinkach opisałem już najpopularniejsze standardy sieci lokalnych i wymieniłem cechy różniące je od technologii 100VG-AnyLAN. Dziś przyjrzymy się jeszcze dokładniej tej ostatniej.

Opóźnienia w sieciach 100VG-AnyLAN

Czas dostępu do medium jest bardzo ważnym parametrem, liczącym się przede wszystkim w aplikacjach multimedialnych. Ponieważ procedura cyklicznego odpytywania jest zdeterminowana (oczywiście w stałej konfiguracji sieci), łatwo jest określić czas upływający od wysłania sygnału gotowości do nadawania do chwili przesłania ramki do węzła odbiorczego. Dla pojedynczego koncentratora z podłączonymi n węzłami używającymi wysokiego priorytetu, w najgorszym przypadku czas ten wynosi nT, gdzie T jest czasem potrzebnym na przesłanie najdłuższej występującej w sieci ramki. Dlaczego nie (n-1)T, jak by się na początku wydawało? Jest tak, ponieważ rozpatrujemy najgorszy przypadek - gdy wszystkie węzły wysokiego priorytetu zgłaszają żądanie nadawania dokładnie w tej samej chwili, a jednocześnie koncentrator rozpoczął właśnie obsługę żądania normalnego priorytetu. Dla przykładu - najgorszy czas dla koncentratora z 32 węzłami obsługującymi ramkę 802.3 o wielkości 1500 bajtów wynosi 4 ms, a dla ramek 802.5 (wielkość 4500 bajtów) wynosi 12 ms. Czas dostępu dla normalnego priorytetu jest znacznie trudniejszy do określenia, jest on jednak na tyle niski, że nadaje się dla aplikacji silnie obciążających sieć, co wykazano w dalszej części artykułu.

Wydajność w symulowanym przykładzie

Aby zbadać wydajność sieci 100VG-AnyLAN, zaprojektowano sieć kaskadową składającą się z 3 koncentratorów umieszczonych w dwóch poziomach. Dołączono do nich łącznie 41 stacji roboczych oraz 2 serwery. Symulacja obejmowała przesyłanie łącznie 100.000 ramek. Wyniki badań uwzględniają wartości średnie po odrzuceniu anomalii zdarzających się w czasie startu i wyłączania elementów sieci. Schemat połączeń przedstawiono na rys. 1. Do koncentratorów B i C podłączono po 3 stacje (węzły) o wysokim priorytecie, z których każda nadaje zestaw ośmiu ramek o maksymalnej wielkości co 10 ms. Pozostałe stacje obsługują ramki o normalnym priorytecie. Pasmo przydzielone każdemu z tych węzłów wynosi około 9,7 Mbps (z nawiązką zapewnia przesyłanie filmów wideo w standardzie MPEG). Całkowite pasmo przydzielone dla tych sześciu węzłów wynosi 58 Mbps. Wszystkie stacje, włączając w to tych 6 o wysokim priorytecie, wysyłają również ramki o normalnym priorytecie (maksymalna wielkość). Pozwala to zbadać opóźnienie dla żądań o normalnym priorytecie przy różnych natężeniach ruchu. Na rys. 2 pokazano średnie i maksymalne czasy dostępu przy zmiennym obciążeniu normalnego priorytetu od 20 do 35 Mbps przy stałym paśmie wydzielonym dla wysokiego priorytetu (58 Mbps). Daje to maksymalne obciążenie sieci około 93 Mbps. Jak widać, czas dostępu dla wysokiego priorytetu wynosi ok. 0,5 ms, a wartość maksymalna nie przekracza 0,8 ms. Dla normalnego priorytetu czasy te są większe, lecz nie przekraczają w najgorszym przypadku 20 ms.

Technologia, czyli - co jest w środku

Podstawą przełożenia strumienia danych o przepływności do 100Mbps na 4 kanały o maksymalnym przepływie 30Mbps (musi to przecież działać na skrętce kategorii 3) jest odpowiedni sposób kodowania danych. W sieciach Ethernet używa się kodowania kodem Manchester, który ma wiele zalet, ale również wady. Przy strumieniu danych 10 Mbps daje 2 razy większą częstotliwość sygnału po zakodowaniu (20Mbps). Jest to związane z potrzebą odtwarzania sygnału taktującego. W standardzie 802.12 zastosowano kodowanie 5B/6B dające zwiększenie obciążenia pasma tylko o 20% w porównaniu z kodowaniem 1B/2B Manchester, używanym w 10Base-T. Kod 5B/6B jest także bardziej efektywny przy przesyłaniu 4 strumieni danych poprzez dwa multipleksowane kanały w kablu STP lub przez światłowód. Strumienie danych poddawane są następnie dalszej obróbce w celu zapewnienia odpowiedniej odporności na błędy i przygotowywane w ten sposób do przekazania w medium transmisyjne. Na rys. 3 przedstawiono schemat blokowy implementacji sprzętowej całego procesu. PMI (Physical Medium Independent) i PMD (Physical Medium Dependent) są częściami odpowiednio niezależną i zależną od medium transmisyjnego. Występują one w pokazanym na rysunku torze nadawczym i odbiorczym. Oczywiście w konkretnym urządzeniu występują jednocześnie obydwa tory. PMI - nadawanie. Ta część implementacji odpowiada za podział strumienia danych 100 Mbps na 4 strumienie, z których każdy jest zakodowany i zaszyfrowany. Usuwane są też ciągi danych, które powodują występowanie specyficznych słów kodowych na wyjściu kodera 5B/6B. Pomaga to uniknąć gwałtownych szczytów w obrazie spektralnym sygnału zakodowanych danych, które mogłyby przekraczać wymagane normy zakłóceń elektromagnetycznych. Typowo, ruch danych w sieci lokalnej zawiera ciągi danych, które są prostym powtórzeniem jedynek lub zer. Gdyby zostawić je nie przekształcone, to po podziale w piątki bitów w PMI występowałyby silne "piki" w rozkładzie widma. Poprzez odpowiednie przekształcenie tych ciągów danych uzyskuje się równomierny rozkład widma sygnału zakodowanego. Po przekształceniu następuje kodowanie 5B/6B. Dodawane są także ograniczniki początkowe i końcowe we wszystkich 4 kanałach danych, synchronizacyjne sekwencje początkowe (ciąg 0101...) na początku każdego strumienia. Cztery tak zakodowane strumienie danych (o przepływności 30 Mbps każdy) opuszczają PMI. PMD - nadawanie. Część PMD przekształca 4 równoległe strumienie danych w sygnały elektryczne (+/- 2,5V) dla każdej z czterech skrętek UTP. Dane są poddawane kodowaniu systemem bez powrotu do zera (NRZ), a sygnał wyjściowy przepuszczany przez filtr dolnoprzepustowy o częstotliwości granicznej 20 MHz. PMD - odbiór. Sygnały odebrane z 4 par skrętki są przepuszczane przez filtr dolnoprzepustowy usuwający szumy i zakłócenia powstałe podczas transmisji w przewodach. Następnie sygnały w 4 kanałach są standaryzowane do jednolitego poziomu. Kompensuje to tłumienie kabla oraz minimalizuje interferencje między kanałami. Później odbierane sygnały są próbkowane. PMD odtwarza impulsy zegarowe z sekwencji początkowych. Są one używane w procesie próbkowania. Następnie następuje dekodowanie kodu NRZ i dane zostają przekazane do następnej części implementacji. PMI - odbiór. Dane z każdego strumienia są dekodowane, rozszyfrowywane i przeformatowywane w jeden strumień danych odpowiadający danym wprowadzonym w części nadawczej. PMI spełnia także niektóre funkcje kontroli błędów. Daje dodatkowe zabezpieczenie poza tymi, które dają kontrolne sekwencje ramek. PMI najpierw sprawdza, czy ograniczniki początkowe w każdym strumieniu są prawidłowe i mają odpowiednie zależności czasowe w stosunku do pozostałych kanałów. Następnie podczas dekodowania sprawdzane jest, czy odebrane zostały prawidłowe szóstki bitów. Sygnały o błędach przekazywane są do końcowych układów karty sieciowej (MAC). Zachowanie w procesie kodowania stosunkowo niskiej częstotliwości wszystkich sygnałów umożliwia zastosowanie tanich układów w powszechnie stosowanej technologii CMOS. Zwiększenie przepustowości kanału danych uzyskuje się poprzez bardziej efektywne kodowanie sygnałów oraz pełne wykorzystanie wszystkich 4 par kabla UTP.