Алгоритм доступа к среде технологии token ring. Технологии локальных сетей

Эта технология канального уровня была разработана компанией IBM в начале1980 гг., а затем стандартизирована IEEE в проекте 802, как спецификация IEEE 802.5. Сети Token Ring относятся к сетям с маркерным методом управления доступом, в которых отсутствует конкуренция за доступ к среде передачи. Логически сеть Token Ring представляет собой кольцо, а физически — звезду. Сети Token Ring работают с двумя битовыми скоростями — 4 и 16 Мбит/с. Смешение станций, работающих на различных скоростях, в одном кольце не допускается.

Для объединения компьютеров в сетях Token Ring используются концентраторы — т.н. устройства многостанционного доступа (MSAU, MultiStation Access Unit ). Рабочие станции отдельными кабелями подключаются к MSAU по топологии «звезда». Технология Token Ring позволяет использовать для соединения экранированную или неэкранированную витую пару.

Максимальная длина сегмента при использовании неэкранированной витой пары (UTP) – 150 м (при работе на скорости 4 Мбит/с) или 60 м (при работе на скорости 16 Мбит/с), при использовании экранированной витой пары (STP) – расстояние передачи увеличивается до 300 м (для 4 Мбит/с) или 100 м (для 16 Мбит/с).

В кольце на основе неэкранированных кабелей может работать не более 72 станций, в кольце на основе экранированных кабелей – максимум 260 станций.

В сетях с маркерным методом доступа право на доступ к среде передается циклически от станции к станции по логическому кольцу. Кольцо образуется отрезками кабеля, соединяющими все рабочие станции, и рассматривается как разделяемая среда передачи. Для обеспечения доступа станций к физической среде по кольцу циркулирует кадр специального формата и назначения – маркер или токен (token) .

Маркер представляет собой определенную последовательность битов и одновременно может быть использован только одной рабочей станцией или узлом. Получив маркер, рабочая станция анализирует его, при необходимости модифицирует, а при отсутствии у нее данных для передачи обеспечивает его продвижение к следующей станции. Станция, которая имеет данные для передачи, при получении маркера, извлекает его из кольца, что дает ей право доступа к физической среде и передачи своих данных. Затем эта станция преобразует маркер в кадр установленного формата и начинает передавать его по кольцу. Кадр снабжен адресом назначения и адресом источника (каждая рабочая станция имеет уникальный 48-битный МАС-адрес).

Передаваемые данные проходят по кольцу всегда в одном направлении от одной станции к другой, поэтому их получают все рабочие станции сети. Каждая станция проверяет, не ей ли предназначен кадр. Если нет, то станция выступает в роли ретранслятора и передает полученный кадр следующей станции сети. Когда станция-адресат распознает кадр, она копирует его в свою память, затем модифицирует некоторые биты в формате кадра (признак подтверждения приема) и возвращает его по кольцу обратно станции-отправителю. Последняя изымает этот кадр из кольца и проверяет, нормально ли принято сообщение. После этого она выдает новый маркер для обеспечения возможности другим станциям сети передавать данные.

Сети Token Ring, работающие со скоростью 16 Мбит/с, имеют отличный от сетей со скоростью 4 Мбит/с алгоритм доступа к кольцу, называемый алгоритмом раннего освобождения маркера (Early Token Release) . В соответствии с ним станция передает маркер следующей станции сразу же после окончания передачи последнего бита кадра, не дожидаясь возвращения по кольцу этого кадра с битом подтверждения приема. В этом случае пропускная способность кольца используется более эффективно, так как по кольцу одновременно продвигаются кадры нескольких станций. Тем не менее, свои кадры в каждый момент времени может генерировать только одна станция — та, которая в данный момент владеет маркером. Остальные станции в это время только ретранслируют чужие кадры, так что принцип разделения кольца во времени сохраняется, ускоряется только процедура передачи владения кольцом.

Технология Token Ring обладает свойствами отказоустойчивости. Для контроля работы сети и обработки ошибок в сетях Token Ring одна из станций выполняет роль активного монитора, который изучает кадры, циркулирующие по сети, удаляет все дефектные кадры, выдает новый маркер и обеспечивает правильную работу сети.

К достоинствам технологии Token Ring можно отнести:

простоту расчета задержки передачи между любыми двумя устройствами, что особенно важно в автоматизированных системах управления, требующих обработки процессов в реальном режиме времени;
отсутствие коллизий.

Недостатки:

высокая стоимость, низкая совместимость оборудования;
невысокая скорость передачи.

Token Ring - это еще одна архитектура локальных сетей, стандартизированная организацией IEEE. Она имеет много общих свойств с Ethernet и другими сетевыми технологиями, спецификации которых описываются семейством стандартов IEEE 802. В результате сети Token Ring могут взаимодействовать с другими архитектурами с помощью преобразующих мостов. Технология Token Ring был разработана компанией IBM в 1984 году, а затем передана в качестве проекта стандарта в комитет IEEE 802, который на ее основе принял в 1985 году стандарт 802.5. Сети Token Ring работают с двумя битовыми скоростями - 4 и 16 Мбит/с. На сегодняшний день существуют рекомендации, предполагающие повышение скорости передачи сигналов Token Ring до 100, 128 Мбит/с, а в перспективе и до 1 Гбит/с.

В своей «канонической» форме технология Token Ring (эстафетное кольцо) является четко определенной и эффективной архитектурой локальных сетей. Свое название он получила благодаря «карусельной» схеме доступа к среде. В отличие от технологии Ethernet, допускающей хаотический и неупорядоченный множественный доступ к среде, Token Ring позволяет вести передачу в определенный момент времени только одному устройству. Поэтому конфликты не могут возникнуть в принципе. Доступ к среде предоставляется всем сетевым устройствам в порядке очередности путем передачи маркера (token). В сети может циркулировать только один маркер, которому передающее устройство придает форму заголовка кадра данных. Без маркера устройство не может сконструировать заголовок кадра данных и не может передать его. Данные кадра копируются в буфер принимающего устройства, после чего некоторые биты заголовка кадра инвертируются, подтверждая тем самым прием данных. Затем кадр продолжает свое путешествие по кольцу. Когда он возвращается к устройству-отправителю, оно изымает кадр из сети и удаляет из него адрес предполагаемого получателя и собственно полезные данные. Если это же устройство собирается передать еще какие-то данные, оно имеет право снова сформировать кадр и поместить его в кольцо. В противном случае заголовок снова преобразуется в маркер, помещается в среду передачи и отправляется следующему устройству.

Чтобы ни одна из станций не «монополизировала» всю полосу частот, так называемый таймер захвата маркера (Token Holding Timer) отслеживает и регулирует максимальный промежуток времени, на протяжении которого станция располагает эксклюзивным правом на передачу данных. Обычно время удержания маркера по умолчанию равно 10 мс. Максимальный размер кадра в стандарте 802.5 не определен. Для сетей 4 Мбит/с он обычно равен 4 Кбайт, а для сетей 16 Мбит/с - 16 Кбайт. Это связано с тем, что за время удержания маркера станция должна успеть передать хотя бы один кадр.

В сетях Token Ring 16 Мбит/с используется также несколько другой алгоритм доступа к кольцу, называемый алгоритмом раннего освобождения маркера (Early Token Release). В соответствии с ним станция передает маркер доступа следующей станции сразу же после окончания передачи последнего бита кадра, не дожидаясь возвращения по кольцу этого кадра с битом подтверждения приема. В этом случае пропускная способность кольца используется более эффективно, так как по кольцу одновременно продвигаются кадры нескольких станций.

Для различных видов сообщений, передаваемым кадрам, могут назначаться различные приоритеты : от 0 (низший) до 7 (высший). Решение о приоритете конкретного кадра принимает передающая станция. Маркер также всегда имеет некоторый уровень текущего приоритета. Станция имеет право захватить переданный ей маркер только в том случае, если приоритет кадра, который она хочет передать, выше (или равен) приоритета маркера. В противном случае станция обязана передать маркер следующей по кольцу станции. За наличие в сети маркера, причем единственной его копии, отвечает активный монитор - одна из станций, выбранная на эту роль во время инициализации кольца как станция с максимальным значением МАС-адреса.

Стандарт Token Ring фирмы IBM изначально предусматривал построение связей в сети с помощью концентраторов, называемых MAU (Multistation Access Unit) (рис. 22). В общем случае сеть Token Ring имеет комбинированную звездно-кольцевую конфигурацию. Конечные узлы подключаются к концентратору (MAU) по топологии звезды, а сами MAU объединяются через специальные порты Ring In (RI) и Ring Out (RO) для образования магистрального физического кольца. Концентратор Token Ring может быть активным или пассивным. Пассивный концентратор просто соединяет порты внутренними связями так, чтобы станции, подключаемые к этим портам, образовали кольцо. Ни усиление сигналов, ни их ресинхронизацию пассивный MAU не выполняет. Активный концентратор выполняет функции регенерации сигналов и поэтому иногда называется повторителем, как в стандарте Ethernet.

Рис. 22. Физическая конфигурация сети Token Ring

Все станции в кольце должны работать на одной скорости - либо 4 Мбит/с, либо 16 Мбит/с. Кабели, соединяющие станцию с концентратором, называются абонентскими , а кабели, соединяющие концентраторы, - магистральными . Технология Token Ring позволяет использовать для соединения конечных станций и концентраторов различные типы кабеля: STP Type 1, UTP Type 3, UTP Type 5, а также волоконно-оптический кабель. При использовании экранированной витой пары STP Type 1 из номенклатуры кабельной системы IBM в кольцо допускается объединять до 260 станций при длине абонентских кабелей до 100 метров, а при использовании неэкранированной витой пары максимальное количество станций сокращается до 72 при длине абонентских кабелей до 45 метров. Расстояние между пассивными MAU может достигать 100 м при использовании кабеля STP Type 1 и 45 м при использовании кабеля UTP Type 3. Между активными MAU максимальное расстояние увеличивается соответственно до 730 м или 365 м в зависимости от типа кабеля. Максимальная длина кольца Token Ring составляет 4000 м, хотя это ограничение не является такими жесткими, как в технологии Ethernet.

Недавно компания IBM предложила новый вариант технологии Token Ring, названный High-Speed Token Ring, HSTR. Эта технология поддерживает битовые скорости в 100 и 155 Мбит/с, сохраняя основные особенности технологии Token Ring 16 Мбит/с. ТехнологияToken Ring поддерживает следующие типы кадров :

· кадр маркера;

· кадр данных;

· кадр данных LLC;

· кадры управления MAC;

· кадр прерывания передачи.

Технология Token Ring IEEE 802.5 использует для управления доступом к среде передачи специальную конструкцию из последовательности битов, известную под названием маркер.

Кадр маркера состоит из трех полей, каждое длиной в один байт:

· начальный ограничитель (Starting Delimiter) появляется в начале маркера, а также в начале любого кадра, проходящего по сети;

· поле управления доступом (Access Control) состоит из четырех подполей: РРР - биты приоритета, Т - бит маркера, М - бит монитора, RRR - резервные биты приоритета;

· конечный ограничитель (Ending Delimiter) - последнее поле маркера.

Поле приоритета используется для идентификации важности маркера. Значение этого поля может изменяться в диапазоне от 000 до 111. Бит маркера является тем битом, который должен быть инвертирован для превращения маркера в последовательность начала кадра. Бит маркера устанавливается равным 1 для того, чтобы сообщить другим станциям, что маркер теперь является составной частью кадра. Поле приоритета запроса позволяет станциям обслуживать в первую очередь запросы на передачу данных от станций с более высоким приоритетом, располагающим срочными данными. Станции могут сообщать о приоритете своих данных, устанавливая соответствующие биты поля приоритета запроса.

Минимальная длина кадра данных Token Ring составляет 21 октет. Максимальная длина кадра данных определяется скоростью передачи сигналов по кольцу. Кадр данных содержит три поля кадра маркера длиной в один октет каждое. К этой основной структуре добавляются еще шесть полей и подполей.

Первое поле отводится под начальный ограничитель , определяющий начало кадра. Затем располагается поле доступа к среде и восьмибитовое поле управления кадром . Это поле хранит «типовые» биты, определяющие транспортный протокол. Кроме того, это же поле используется для разделения кадров данных и управляющих кадров. Следующие два поля длиной в шесть октетов содержат МАС-адреса предполагаемого получателя и отправителя кадра . Поле данных сетей Token Ring имеет произвольный размер, определяемый скоростью передачи сигналов по кольцу. Сети с производительностью 4 Мбит/с допускают передачу поля данных длиной от 0 до 4332 октетов. Сети с производительностью 16 Мбит/с допускают передачу полей данных длиной от 0 до 17832 октетов. Последние три поля в кадре данных - это 32-битовая контрольная последовательность кадра (Frame Check Sequence - FCS), 8-битовый конечный ограничитель (Ending Delimiter) и 8-битовое поле состояния кадра . Контрольная последовательность кадра содержит контрольную сумму - величину, которая вычисляется исходя из длины и содержимого кадра. Последние два октета, к которым относятся поле конечного ограничителя и поле состояния кадра, считаются конечной последовательностью кадра (End of Frame Sequence).

Кадры управления MAC отличаются от кадров данных только информационным полем и иногда полем управления кадром. Кадры MAC выполняют исключительно функции обслуживания и управления кольцом. Они никогда не переносят данных вышележащих уровней и никогда не передаются в другие области коллизии мостами, коммутаторами или маршрутизаторами. Каждый МАС-кадр выполняет четко оговоренную функцию управления сетью:

· контроль абонентского кабеля;

· инициализация кольца;

· очистка кольца;

· создание (объявление) маркера;

· функции активного мониторинга.

Учитывая довольно большое количество разнотипных МАС-кадров (более 25 видов), нет смысла рассматривать каждый из них в отдельности. Достаточно будет сказать, что такие МАС-кадры используются для сбора характеристик производительности сети, которые можно получить от совместимых со стандартами приложений управления сетью.

Кадр прерывания передачи состоит только из полей начального и конечного ограничителя. Несмотря на то, что ввиду отсутствия содержимого и блока адресации такая структура может показаться бессмысленной, подобные кадры используются для немедленного прекращения передачи.

Сеть Token-Ring была предложена фирмой IBM в 1985 году (первый вариант появился в 1980 году). Назначением Token-Ring было объединение в сеть всех типов компьютеров, выпускаемых IBM (от персональных до больших). Уже тот факт, что ее поддерживает фирма IBM, крупнейший производитель компьютерной техники, говорит о том, что ей необходимо уделить особое внимание. Но не менее важно и то, что Token-Ring является в настоящее время международным стандартом IEEE 802.5. Это ставит данную сеть на один уровень по статусу с Ethernet.

Фирма IBM сделала все для максимально широкого распространения своей сети: была выпущена подробная документация вплоть до принципиальных схем адаптеров. В результате многие фирмы, например 3COM, Novell, Western Digital, Proteon приступили к производству адаптеров. Кстати, специально для этой сети, а также для другой сети IBM PC Network была разработана концепция NetBIOS. Если в разработанной ранее сети PC Network программы NetBIOS хранились во встроенной в адаптер постоянной памяти, то в сети Token-Ring уже применялась эмулирующая NetBIOS программа, что позволяло более гибко реагировать на особенности конкретной аппаратуры, поддерживая при этом совместимость с программами более высокого уровня.

По сравнению с аппаратурой Ethernet аппаратура Token-Ring оказывается заметно дороже, так как использует более сложные методы управления обменом, поэтому распространена сеть Token-Ring значительно меньше. Однако ее применение становится оправданным, когда требуются большие интенсивности обмена (например, при связи с большими компьютерами) и ограниченное время доступа.

Рис. 5.3. Звездно-кольцевая топология сети Token-Ring

Сеть Token-Ring имеет топологию «кольцо», хотя внешне она больше напоминает «звезду». Это связано с тем, что отдельные абоненты (компьютеры) присоединяются к сети не прямо, а через специальные концентраторы или многостанционные устройства доступа (MSAU или MAU -Multistation Access Unit). Поэтому физически сеть образует звездно-кольцевую топологию (рис. 5.3). В действительности же абоненты объединяются все-таки в кольцо, то есть каждый из них передает информацию одному соседнему абоненту, а принимает информацию от другого соседнего абонента.

Концентратор (MAU) при этом только позволяет централизовать задание конфигурации, отключение неисправных абонентов, контроль за работой сети и т.д. (рис. 5.4). Для присоединения кабеля к концентратору применяются специальные разъемы, которые обеспечивают постоянство замкнутости кольца даже при отключении абонента от сети. Концентратор в сети может быть и единственным, в этом случае в кольцо замыкаются только абоненты, подключенные к нему.

Рис. 5.4. Соединение абонентов сети Token-Ring в кольцо с помощью концентратора (MAU)

В каждом кабеле, соединяющем адаптеры и концентратор (адаптерные кабели, adapter cable), находятся на самом деле две разнонаправленные линии связи. Такими же двумя разнонаправленными линиями связи, входящими в магистральный кабель (path cable), объединяются между собой в кольцо различные концентраторы (рис. 5.5), хотя для этой же цели может также использоваться и единственная однонаправленная линия связи (рис. 5.6).

Рис. 5.5. Объединение концентраторов двунаправленной линией связи

Рис. 5.6. Объединение концентраторов однонаправленной линией связи

Конструктивно концентратор представляет собой автономный блок с восемью разъемами для подключения абонентов (компьютеров) с помощью адаптерных кабелей и двумя (крайними) разъемами для подключения к другим концентраторам с помощью специальных магистральных кабелей (рис. 5.7). Существуют настенный и настольный варианты концентратора.

Несколько концентраторов могут конструктивно объединяться в группу, кластер (cluster), внутри которого абоненты также соединены в единое кольцо. Применение кластеров позволяет увеличивать количество абонентов, подключенных к одному центру (например, до 16, если в кластер входит два концентратора).

Рис. 5.7. Концентратор Token-Ring (8228 MAU)

В качестве среды передачи в сети IBM Token-Ring сначала применялась витая пара, но затем появились варианты аппаратуры для коаксиального кабеля, а также для оптоволоконного кабеля в стандарте FDDI. Витая пара применяется как неэкранированная (UTP), так и экранированная (STP).

Основные технические характеристики сети Token-Ring следующие.

Максимальное количество концентраторов типа IBM 8228 MAU - 12.
Максимальное количество абонентов в сети - 96.
Максимальная длина кабеля между абонентом и концентратором - 45 м.
Максимальная длина кабеля между концентраторами -45м.
Максимальная длина кабеля, соединяющего все концентраторы - 120м.
Скорость передачи данных - 4 Мбит/с и 16 Мбит/с.

Все приведенные характеристики относятся к случаю неэкранированной витой пары. В случае применения другой среды передачи характеристики сети могут отличаться. Например, при использовании экранированной витой пары количество абонентов может быть увеличено до 260 (вместо 96), длина кабеля - до 100 м (вместо 45), количество концентраторов -до 33, а полная длина кольца, соединяющего концентраторы - до 200 м. Оптоволоконный кабель позволяет увеличивать длину кабеля до 1 км.

Как видим, сеть Token-Ring уступает сети Ethernet как по допустимому размеру сети, так и по максимальному количеству абонентов. Что касается скорости передачи, то в настоящее время ведется разработка версий Token-Ring на скорость 100 Мбит/с и на 1000 Мбит/с. Фирма IBM вовсе не собирается отказываться от своей сети, рассматривая ее как достойного конкурента Ethernet.

Для передачи информации в Token-Ring используется вариант кода Ман-честер-П. Как и в любой звездообразной топологии, никаких дополнительных мер по электрическому согласованию и внешнему заземлению не требуется.

Для присоединения кабеля к сетевому адаптеру используется внешний 9-контактный разъем типа DIN. Так же, как и адаптеры Ethernet, адаптеры Token-Ring имеют на своей плате переключатели или перемычки для настройки адресов и прерываний системной шины. Если сеть Ethernet можно построить только на адаптерах и кабеле, то для сети Token-Ring обязательно нужно приобретать концентраторы. Это также увеличивает стоимость аппаратуры Token-Ring.

В то же время в отличие от Ethernet сеть Token-Ring лучше держит большую нагрузку (больше 30-40%) и обеспечивает гарантированное время доступа. Это крайне необходимо, например, в сетях производственного назначения, в которых задержка реакции на внешнее событие может привести к серьезным авариям.

В сети Token-Ring используется классический маркерный метод доступа, то есть по кольцу постоянно циркулирует маркер, к которому абоненты могут присоединять свои пакеты данных. Отсюда следует такое важное достоинство данной сети, как отсутствие конфликтов, но отсюда же следуют такие недостатки, как необходимость контроля за целостностью маркера и зависимость функционирования сети от каждого из абонентов (в случае неисправности абонент обязательно должен быть исключен из кольца).

Для контроля за целостностью маркера используется один из абонентов (так называемый активный монитор). Его аппаратура ничем не отличается от остальных, но его программные средства следят за временными соотношениями в сети и формируют в случае необходимости новый маркер. Активный монитор выбирается при инициализации сети, им может быть любой компьютер сети. Если активный монитор по какой-то причине выходит из строя, то включается специальный механизм, посредством которого другие абоненты (запасные мониторы) принимают решение о назначении нового активного монитора.

Рис. 5.8. Формат маркера сети Token-Ring

Маркер представляет собой управляющий пакет, содержащий всего три байта (рис. 5.8): байт начального разделителя (SD - Start Delimiter), байт управления доступом (АС - Access Control) и байт конечного разделителя (ED - End Delimiter). Начальный разделитель и конечный разделитель представляют собой не просто последовательность нулей и единиц, а содержат импульсы специального вида. Благодаря этому данные разделители нельзя спутать ни с какими другими байтами пакетов. Четыре бита разделителя представляют собой нулевые биты в принятой кодировке, а четыре других бита не соответствуют коду Манчестер-П: в течение двух битовых интервалов удерживается один уровень сигнала, а в течение двух остальных - другой уровень. В результате такой сбой синхронизации легко выявляется приемником.

Рис. 5.9. Формат байта управления доступом

Байт управления разделен на четыре поля (рис. 5.9): три бита приоритета, бит маркера, бит монитора и три бита резервирования. Биты приоритета позволяют абоненту присваивать приоритет своим пакетам или маркеру (приоритет может быть от 0 до 7, причем 7 соответствует наивысшему приоритету, а 0 - наинизшему). Абонент может присоединить к маркеру свой пакет только тогда, когда его собственный приоритет такой же или выше приоритета маркера. Бит маркера определяет, присоединен ли к маркеру пакет (единица соответствует маркеру без пакета, нуль - маркеру с пакетом). Бит монитора, установленный в единицу, говорит о том, что данный маркер передан активным монитором. Биты резервирования позволяют абоненту зарезервировать свое право на дальнейший захват сети, то есть, так сказать, занять очередь на обслуживание. Если приоритет абонента выше, чем текущее значение поля резервирования, он может записать туда свой приоритет вместо прежнего.

Формат пакета Token-Ring представлен на рис. 5.10. Помимо начального и конечного разделителей, а также байта управления доступом, в пакет входят также байт управления пакетом, сетевые адреса приемника и передатчика, данные, контрольная сумма и байт состояния,пакета.

Рис. 5.10. Формат пакета сети Token-Ring (длина полей дана в байтах)

Назначение полей пакета следующее:

Начальный разделитель (SD) является признаком начала пакета.
Байт управления доступом (АС) имеет то же назначение, что и в маркере.
Байт управления пакетом (FC - Frame Control) определяет тип пакета (кадра).
Шестибайтовые адреса отправителя и получателя пакета имеют стандартный формат, описанный в разделе 3.2.
Поле данных включает в себя передаваемую информацию или информацию управления обменом.
Поле контрольной суммы представляет собой 32-разрядную циклическую контрольную сумму пакета (CRC).
Конечный разделитель является признаком конца пакета. Кроме того, он определяет, является ли данный пакет промежуточным или заключительным в последовательности передаваемых пакетов, а также содержит признак ошибочности пакета (для этого выделены специальные биты).
Байт состояния пакета говорит о том, что происходило с данным пакетом: был ли он принят и скопирован в память приемника. По нему отправитель пакета узнает, дошел ли пакет по назначению и без ошибок или его надо передавать заново.

Отметим, что больший допустимый размер передаваемых данных в одном пакете по сравнению с сетью Ethernet может стать решающим фактором для увеличения производительности сети. Теоретически для скорости передачи 16 Мбит/с длина поля данных может достигать даже 18 Кбайт, что очень важно при передаче больших объемов данных. Но даже при скорости 4 Мбит/с благодаря маркерному методу доступа сеть Token-Ring часто обеспечивает большую фактическую скорость передачи, чем более быстрая сеть Ethernet (10 Мбит/с), особенно при больших нагрузках (свыше 30-40%), когда заметно сказывается несовершенство метода CSMA/CD, который в этом случае тратит много времени на разрешение повторных конфликтов.

Помимо маркера и обычного пакета, в сети Token-Ring может передаваться специальный управляющий пакет, служащий для прерывания передачи. Он может быть послан в любой момент и в любом месте потока данных. Пакет этот состоит всего из двух однобайтовых полей - начального и конечного разделителей описанного формата.

Интересно, что в более быстрой версии Token-Ring (16 Мбит/с и выше) применяется так называемый метод раннего формирования маркера (ETR -Early Token Release). Он позволяет избежать непроизводительного использования сети в то время, пока пакет данных не вернется по кольцу к своему отправителю. Метод ETR сводится к тому, что сразу после передачи своего пакета, присоединенного к маркеру, любой абонент выдает в сеть новый свободный маркер, то есть все другие абоненты могут начинать передачу своих пакетов сразу же после окончания пакета предыдущего абонента, не дожидаясь, пока он завершит обход всего кольца сети.

Сеть Token-Ring (маркерное кольцо) была предложена компанией IBM в 1985 году (первый вариант появился в 1980 году). Она предназначалась для объединения в сеть всех типов компьютеров, выпускаемых IBM. Уже тот факт, что ее поддерживает компания IBM, крупнейший производитель компьютерной техники, говорит о том, что ей необходимо уделить особое внимание. Но не менее важно и то, что Token-Ring является в настоящее время международным стандартом IEEE 802.5 (хотя между Token-Ring и IEEE 802.5 есть незначительные отличия). Это ставит данную сеть на один уровень по статусу с Ethernet.

Разрабатывалась Token-Ring как надежная альтернатива Ethernet. И хотя сейчас Ethernet вытесняет все остальные сети, Token-Ring нельзя считать безнадежно устаревшей. Более 10 миллионов компьютеров по всему миру объединены этой сетью.

Компания IBM сделала все для максимально широкого распространения своей сети: была выпущена подробная документация вплоть до принципиальных схем адаптеров. В результате многие компании, например, 3СOM, Novell, Western Digital, Proteon и другие приступили к производству адаптеров. Кстати, специально для этой сети, а также для другой сети IBM PC Network была разработана концепция NetBIOS. Если в созданной ранее сети PC Network программы NetBIOS хранились во встроенной в адаптер постоянной памяти, то в сети Token-Ring уже применялась эмулирующая NetBIOS программа. Это позволило более гибко реагировать на особенности аппаратуры и поддерживать совместимость с программами более высокого уровня.

Сеть Token-Ring имеет топологию кольцо, хотя внешне она больше напоминает звезду. Это связано с тем, что отдельные абоненты (компьютеры) присоединяются к сети не напрямую, а через специальные концентраторы или многостанционные устройства доступа (MSAU или MAU - Multistation Access Unit). Физически сеть образует звездно-кольцевую топологию (см. Рисунок 7). В действительности же абоненты объединяются все-таки в кольцо, то есть каждый из них передает информацию одному соседнему абоненту, а принимает информацию от другого.

Рисунок 7. Звездно-кольцевая топология сети Token-Ring

Концентратор (MAU) при этом позволяет централизовать задание конфигурации, отключение неисправных абонентов, контроль работы сети и т.д. (см. Рисунок 8). Никакой обработки информации он не производит.

Рисунок 8. Соединение абонентов сети Token-Ring в кольцо с помощью концентратора (MAU)

Для каждого абонента в составе концентратора применяется специальный блок подключения к магистрали (TCU - Trunk Coupling Unit), который обеспечивает автоматическое включение абонента в кольцо, если он подключен к концентратору и исправен. Если абонент отключается от концентратора или же он неисправен, то блок TCU автоматически восстанавливает целостность кольца без участия данного абонента. Срабатывает TCU по сигналу постоянного тока (так называемый "фантомный" ток), который приходит от абонента, желающего включиться в кольцо. Абонент может также отключиться от кольца и провести процедуру самотестирования (крайний правый абонент на Рисунок 10). "Фантомный" ток никак не влияет на информационный сигнал, так как сигнал в кольце не имеет постоянной составляющей.

Конструктивно концентратор представляет собой автономный блок с десятью разъемами на передней панели (см. Рисунок 9).

Рисунок 9. Концентратор Token-Ring (8228 MAU)

Восемь центральных разъемов (1...8) предназначены для подключения абонентов (компьютеров) с помощью адаптерных (Adapter cable) или радиальных кабелей. Два крайних разъема: входной RI (Ring In) и выходной RO (Ring Out) служат для подключения к другим концентраторам с помощью специальных магистральных кабелей (Path cable). Предлагаются настенный и настольный варианты концентратора.

Существуют как пассивные, так и активные концентраторы MAU. Активный концентратор восстанавливает сигнал, приходящий от абонента (то есть работает, как концентратор Ethernet). Пассивный концентратор не выполняет восстановление сигнала, только перекоммутирует линии связи.

Концентратор в сети может быть единственным (как на Рисунок10), в этом случае в кольцо замыкаются только абоненты, подключенные к нему. Внешне такая топология выглядит, как звезда. Если же нужно подключить к сети более восьми абонентов, то несколько концентраторов соединяются магистральными кабелями и образуют звездно-кольцевую топологию.

Кольцевая топология очень чувствительна к обрывам кабеля кольца. Для повышения живучести сети, в Token-Ring предусмотрен режим так называемого сворачивания кольца, что позволяет обойти место обрыва.

В нормальном режиме концентраторы соединены в кольцо двумя параллельными кабелями, но передача информации производится при этом только по одному из них (см. Рисунок 10).

Рисунок 10. Объединение концентраторов MAU в нормальном режиме

В случае одиночного повреждения (обрыва) кабеля сеть осуществляет передачу по обоим кабелям, обходя тем самым поврежденный участок. При этом даже сохраняется порядок обхода абонентов, подключенных к концентраторам (см. Рисунок 11). Правда, увеличивается суммарная длина кольца.

В случае множественных повреждений кабеля сеть распадается на несколько частей (сегментов), не связанных между собой, но сохраняющих полную работоспособность (см. Рисунок 12). Максимальная часть сети остается при этом связанной, как и прежде. Конечно, это уже не спасает сеть в целом, но позволяет при правильном распределении абонентов по концентраторам сохранять значительную часть функций поврежденной сети.

Несколько концентраторов может конструктивно объединяться в группу, кластер (cluster), внутри которого абоненты также соединены в кольцо. Применение кластеров позволяет увеличивать количество абонентов, подключенных к одному центру, например, до 16 (если в кластер входит два концентратора).

Рисунок 11. Сворачивание кольца при повреждении кабеля

Рисунок 12. Распад кольца при множественных повреждениях кабеля

В качестве среды передачи в сети IBM Token-Ring сначала применялась витая пара, как неэкранированная (UTP), так и экранированная (STP), но затем появились варианты аппаратуры для коаксиального кабеля, а также для оптоволоконного кабеля в стандарте FDDI.

Основные технические характеристики классического варианта сети Token-Ring:

максимальное количество концентраторов типа IBM 8228 MAU - 12;

максимальное количество абонентов в сети - 96;

максимальная длина кабеля между абонентом и концентратором - 45 метров;

максимальная длина кабеля между концентраторами - 45 метров;

максимальная длина кабеля, соединяющего все концентраторы - 120 метров;

скорость передачи данных - 4 Мбит/с и 16 Мбит/с.

Все приведенные характеристики относятся к случаю использования неэкранированной витой пары. Если применяется другая среда передачи, характеристики сети могут отличаться. Например, при использовании экранированной витой пары (STP) количество абонентов может быть увеличено до 260 (вместо 96), длина кабеля - до 100 метров (вместо 45), количество концентраторов - до 33, а полная длина кольца, соединяющего концентраторы - до 200 метров. Оптоволоконный кабель позволяет увеличивать длину кабеля до двух километров.

Для передачи информации в Token-Ring применяется бифазный код (точнее, его вариант с обязательным переходом в центре битового интервала). Как и в любой звездообразной топологии, никаких дополнительных мер по электрическому согласованию и внешнему заземлению не требуется. Согласование выполняется аппаратурой сетевых адаптеров и концентраторов.

Для присоединения кабелей в Token-Ring используются разъемы RJ-45 (для неэкранированной витой пары), а также MIC и DB9P. Провода в кабеле соединяют одноименные контакты разъемов (то есть используются так называемые "прямые" кабели).

Сеть Token-Ring в классическом варианте уступает сети Ethernet как по допустимому размеру, так и по максимальному количеству абонентов. Что касается скорости передачи, то в настоящее время имеются версии Token-Ring на скорость 100 Мбит/с (High Speed Token-Ring, HSTR) и на 1000 Мбит/с (Gigabit Token-Ring). Компании, поддерживающие Token-Ring (среди которых IBM, Olicom, Madge), не намерены отказываться от своей сети, рассматривая ее как достойного конкурента Ethernet.

По сравнению с аппаратурой Ethernet аппаратура Token-Ring заметно дороже, так как используется более сложный метод управления обменом, поэтому сеть Token-Ring не получила столь широкого распространения.

Однако в отличие от Ethernet сеть Token-Ring значительно лучше держит высокий уровень нагрузки (более 30--40%) и обеспечивает гарантированное время доступа. Это необходимо, например, в сетях производственного назначения, в которых задержка реакции на внешнее событие может привести к серьезным авариям.

В сети Token-Ring используется классический маркерный метод доступа, то есть по кольцу постоянно циркулирует маркер, к которому абоненты могут присоединять свои пакеты данных (см. Рисунок 13). Отсюда следует такое важное достоинство данной сети, как отсутствие конфликтов, но есть и недостатки, в частности необходимость контроля целостности маркера и зависимость функционирования сети от каждого абонента (в случае неисправности абонент обязательно должен быть исключен из кольца).

Рисунок 13. Классический маркерный метод доступа

Предельное время передачи пакета в Token-Ring 10 мс. При максимальном количестве абонентов 260 полный цикл работы кольца составит 260 x 10 мс = 2,6 с. За это время все 260 абонентов смогут передать свои пакеты (если, конечно, им есть чего передавать). За это же время свободный маркер обязательно дойдет до каждого абонента. Этот же интервал является верхним пределом времени доступа Token-Ring.

Каждый абонент сети (его сетевой адаптер) должен выполнять следующие функции:

выявление ошибок передачи;

контроль конфигурации сети (восстановление сети при выходе из строя того абонента, который предшествует ему в кольце);

контроль многочисленных временных соотношений, принятых в сети.

Большое количество функций, конечно, усложняет и удорожает аппаратуру сетевого адаптера.

Для контроля целостности маркера в сети используется один из абонентов (так называемый активный монитор). При этом его аппаратура ничем не отличается от остальных, но его программные средства следят за временными соотношениями в сети и формируют в случае необходимости новый маркер.

Активный монитор выполняет следующие функции:

запускает в кольцо маркер в начале работы и при его исчезновении;

регулярно (раз в 7 с) сообщает о своем присутствии специальным управляющим пакетом (AMP - Active Monitor Present);

удаляет из кольца пакет, который не был удален пославшим его абонентом;

следит за допустимым временем передачи пакета.

Активный монитор выбирается при инициализации сети, им может быть любой компьютер сети, но, как правило, становится первый включенный в сеть абонент. Абонент, ставший активным монитором, включает в сеть свой буфер (сдвиговый регистр), который гарантирует, что маркер будет умещаться в кольце даже при минимальной длине кольца. Размер этого буфера - 24 бита для скорости 4 Мбит/с и 32 бита для скорости 16 Мбит/с.

Каждый абонент постоянно следит за тем, как активный монитор выполняет свои обязанности. Если активный монитор по какой-то причине выходит из строя, то включается специальный механизм, посредством которого все другие абоненты (запасные, резервные мониторы) принимают решение о назначении нового активного монитора. Для этого абонент, обнаруживший аварию активного монитора, передает по кольцу управляющий пакет (пакет запроса маркера) со своим MAC-адресом. Каждый следующий абонент сравнивает MAC-адрес из пакета с собственным. Если его собственный адрес меньше, он передает пакет дальше без изменений. Если же больше, то он устанавливает в пакете свой MAC-адрес. Активным монитором станет тот абонент, у которого значение MAC-адреса больше, чем у остальных (он должен трижды получить обратно пакет со своим MAC-адресом). Признаком выхода из строя активного монитора является невыполнение им одной из перечисленных функций.

3.4.1. Основные характеристики технологии

Сети Token Ring, так же как и сети Ethernet, характеризует разделяемая среда передачи данных, которая в данном случае состоит из отрезков кабеля, соединяющих все станции сети в кольцо. Кольцо рассматривается как общий разделяемый ресурс, и для доступа к нему требуется не случайный алгоритм, как в сетях Ethernet, а детерминированный, основанный на передаче станциям права на использование кольца в определенном порядке. Это право передается с помощью кадра специального формата, называемого маркером илитокеном (token) .

Технология Token Ring был разработана компанией IBM в 1984 году, а затем передана в качестве проекта стандарта в комитет IEEE 802, который на ее основе принял в 1985 году стандарт 802.5. Компания IBM использует технологию Token Ring в качестве своей основной сетевой технологии для построения локальных сетей на основе компьютеров различных классов - мэйнфреймов, мини-компьютеров и персональных компьютеров. В настоящее время именно компания IBM является основным законодателем моды технологии Token Ring, производя около 60 % сетевых адаптеров этой технологии.

Сети Token Ring работают с двумя битовыми скоростями - 4 и 16 Мбит/с. Смешение станций, работающих на различных скоростях, в одном кольце не допускается. Сети Token Ring, работающие со скоростью 16 Мбит/с, имеют некоторые усовершенствования в алгоритме доступа по сравнению со стандартом 4 Мбит/с.

Технология Token Ring является более сложной технологией, чем Ethernet. Она обладает свойствами отказоустойчивости. В сети Token Ring определены процедуры контроля работы сети, которые используют обратную связь кольцеобразной структуры - посланный кадр всегда возвращается в станцию - отправитель. В некоторых случаях обнаруженные ошибки в работе сети устраняются автоматически, например может быть восстановлен потерянный маркер. В других случаях ошибки только фиксируются, а их устранение выполняется вручную обслуживающим персоналом.

Для контроля сети одна из станций выполняет роль так называемого активного монитора . Активный монитор выбирается во время инициализации кольца как станция с максимальным значением МАС-адреса, Если активный монитор выходит из строя, процедура инициализации кольца повторяется и выбирается новый активный монитор. Чтобы сеть могла обнаружить отказ активного монитора, последний в работоспособном состоянии каждые 3 секунды генерирует специальный кадр своего присутствия. Если этот кадр не появляется в сети более 7 секунд, то остальные станции сети начинают процедуру выборов нового активного монитора.

3.4.2. Маркерный метод доступа к разделяемой среде

В сетях с маркерным методом доступа (а к ним, кроме сетей Token Ring, относятся сети FDDI, а также сети, близкие к стандарту 802.4, - ArcNet, сети производственного назначения MAP) право на доступ к среде передается циклически от станции к станции по логическому кольцу.

В сети Token Ring кольцо образуется отрезками кабеля, соединяющими соседние станции. Таким образом, каждая станция связана со своей предшествующей и последующей станцией и может непосредственно обмениваться данными только с ними. Для обеспечения доступа станций к физической среде по кольцу циркулирует кадр специального формата и назначения - маркер. В сети Token Ring любая станция всегда непосредственно получает данные только от одной станции - той, которая является предыдущей в кольце. Такая станция называется ближайшим активным соседом, расположенным выше по потоку (данных) -Nearest Active Upstream Neighbor, NAUN . Передачу же данных станция всегда осуществляет своему ближайшему соседу вниз по потоку данных.

Получив маркер, станция анализирует его и при отсутствии у нее данных для передачи обеспечивает его продвижение к следующей станции. Станция, которая имеет данные для передачи, при получении маркера изымает его из кольца, что дает ей право доступа к физической среде и передачи своих данных. Затем эта станция выдает в кольцо кадр данных установленного формата последовательно по битам. Переданные данные проходят по кольцу всегда в одном направлении от одной станции к другой. Кадр снабжен адресом назначения и адресом источника.

Все станции кольца ретранслируют кадр побитно, как повторители. Если кадр проходит через станцию назначения, то, распознав свой адрес, эта станция копирует кадр в свой внутренний буфер и вставляет в кадр признак подтверждения приема. Станция, выдавшая кадр данных в кольцо, при обратном его получении с подтверждением приема изымает этот кадр из кольца и передает в сеть новый маркер для обеспечения возможности другим станциям сети передавать данные. Такой алгоритм доступа применяется в сетях Token Ring со скоростью работы 4 Мбит/с, описанных в стандарте 802.5.

На рис. 3.14 описанный алгоритм доступа к среде иллюстрируется временной диаграммой. Здесь показана передача пакета А в кольце, состоящем из 6 станций, от станции 1 к станции3. После прохождения станции назначения3 в пакете А устанавливаются два признака - признак распознавания адреса и признак копирования пакета в буфер (что на рисунке отмечено звездочкой внутри пакета). После возвращения пакета в станцию1 отправитель распознает свой пакет по адресу источника и удаляет пакет из кольца. Установленные станцией3 признаки говорят станции-отправителю о том, что пакет дошел до адресата и был успешно скопирован им в свой буфер.

Рис. 3.14. Принцип маркерного доступа

Время владения разделяемой средой в сети Token Ring ограничивается временем удержания маркера (token holding time) , после истечения которого станция обязана прекратить передачу собственных данных (текущий кадр разрешается завершить) и передать маркер далее по кольцу. Станция может успеть передать за время удержания маркера один или несколько кадров в зависимости от размера кадров и величины времени удержания маркера. Обычно время удержания маркера по умолчанию равно 10 мс, а максимальный размер кадра в стандарте 802.5 не определен. Для сетей 4 Мбит/с он обычно равен 4 Кбайт, а для сетей 16 Мбит/с - 16 Кбайт. Это связано с тем, что за время удержания маркера станция должна успеть передать хотя бы один кадр. При скорости 4 Мбит/с за время 10 мс можно передать 5000 байт, а при скорости 16 Мбит/с - соответственно 20 000 байт. Максимальные размеры кадра выбраны с некоторым запасом.

В сетях Token Ring 16 Мбит/с используется также несколько другой алгоритм доступа к кольцу, называемый алгоритмом раннего освобождения маркера (Early Token Release) . В соответствии с ним станция передает маркер доступа следующей станции сразу же после окончания передачи последнего бита кадра, не дожидаясь возвращения по кольцу этого кадра с битом подтверждения приема. В этом случае пропускная способность кольца используется более эффективно, так как по кольцу одновременно продвигаются кадры нескольких станций. Тем не менее свои кадры в каждый момент времени может генерировать только одна станция - та, которая в данный момент владеет маркером доступа. Остальные станции в это время только повторяют чужие кадры, так что принцип разделения кольца во времени сохраняется, ускоряется только процедура передачи владения кольцом.

Для различных видов сообщений, передаваемым кадрам, могут назначаться различные приоритеты : от 0 (низший) до 7 (высший). Решение о приоритете конкретного кадра принимает передающая станция (протокол Token Ring получает этот параметр через межуровневые интерфейсы от протоколов верхнего уровня, например прикладного). Маркер также всегда имеет некоторый уровень текущего приоритета. Станция имеет право захватить переданный ей маркер только в том случае, если приоритет кадра, который она хочет передать, выше (или равен) приоритета маркера. В противном случае станция обязана передать маркер следующей по кольцу станции.

За наличие в сети маркера, причем единственной его копии, отвечает активный монитор. Если активный монитор не получает маркер в течение длительного времени (например, 2,6 с), то он порождает новый маркер.