Какие функции выполняет активный монитор в технологии token ring

Обновлено: 28.04.2024

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 в течение долгого времени использовала технологию Token Ring как свою основную сетевую технологию построения локальных сетей на основе компьютеров различных классов — мэйнфреймов, мини-компьютеров и персональных компьютеров. Однако в последнее время даже в продукции компании IBM доминируют представители семейства Ethernet.

Сети Token Ring работают с двумя битовыми скоростями — 4 и 16 Мбит/с. Смешение в одном кольце станций, работающих на разных скоростях, 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 сложнее, чем Ethernet. Она обладает некоторыми начальными свойствами отказоустойчивости. В сети Token Ring определены процедуры контроля работы сети, которые опираются на свойство обратной связи, изначально присущее кольцеобразной структуре — посланный кадр всегда возвращается к станции-отправителю. В некоторых случаях обнаруженные ошибки в работе сети устраняются автоматически, например, может быть восстановлен потерянный токен. В других случаях ошибки только фиксируются, а их устранение выполняется вручную обслуживающим персоналом.

Для контроля сети одна из станций исполняет роль так называемого активного монитора. Активный монитор выбирается во время инициализации кольца, критерием выбора служит максимальное значение MAC-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, обозначающий его присутствие. Если этот кадр не появляется в сети более 7 секунд, то остальные станции сети начинают процедуру выборов нового активного монитора.

Доступ с передачей токена

Сети Token Ring пользуются разделяемой средой путем передачи токена, принципы которого были рассмотрены в главе 12 при описании функций уровня MAC. Давайте остановимся более детально на некоторых особенностях этого метода, присущих технологии Token Ring 4 Мбит/с, описанной в стандарте 802.5.

В сети Token Ring любая станция всегда непосредственно получает данные только от одной станции — той, которая является предыдущей в кольце. А передает данные своему ближайшему соседу вниз по потоку данных.

Получив токен, станция анализирует его и при отсутствии у нее данных для передачи продвигает токен к следующей станции. Станция, которая имеет данные для передачи, при получении токена изымает его из кольца, что дает ей право доступа к физической среде для передачи своих данных. Затем эта станция выдает в кольцо кадр данных установленного формата последовательно по битам. Кадр снабжается адресами приемника и источника.

Переданные данные проходят по кольцу всегда в одном направлении от одной станции к другой. 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, получив его с подтверждением приема, изымает свой кадр из кольца и передает в сеть новый токен, давая другим станциям сети возможность передавать данные.

На рис. 1 описанный алгоритм доступа к среде иллюстрируется временной диаграммой. Здесь показана передача пакета А в кольце, состоящем из 6 станций, от станции 1 к станции 3. После прохождения станции назначения 3 в пакете А устанавливаются два признака — признак A распознавания адреса и признак C копирования пакета в буфер (что на рисунке отмечено звездочкой внутри пакета). После возвращения пакета в станцию 1 отправитель распознает свой пакет по адресу источника и удаляет пакет из кольца. Установленные станцией 3 признаки говорят станции-отправителю о том, что пакет дошел до адресата и был успешно скопирован в его буфер.

Рис. 1. Доступ с передачей токена

Время владения разделяемой средой в сети Token Ring ограничивается фиксированной величиной, называемой временем удержания токена. После истечения этого времени станция обязана прекратить передачу собственных данных (текущий кадр разрешается завершить) и передать токен далее по кольцу. Станция может успеть передать за время удержания токена один или несколько кадров в зависимости от размера кадров и величины времени удержания токена.

Обычно время удержания токена по умолчанию равно 10 мс, а максимальный размер кадра в стандарте 802.5 не определен. Для сетей 4 Мбит/с он, как правило, равен 4 Кбайт, а для сетей 16 Мбит/с — 16 Кбайт. Это связано с тем, что за время удержания токена 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 — 20 000 байт. Максимальные размеры кадра выбраны с некоторым запасом.

В сетях Token Ring 16 Мбит/с используется модернизированный вариант алгоритма доступа к кольцу, называемый алгоритмом раннего освобождения токена. В соответствии с ним станция передает токен доступа следующей станции сразу же после окончания передачи последнего бита кадра, не дожидаясь возвращения по кольцу этого кадра с установленными битами A и С. 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 токеном. Остальные станции в это время только повторяют чужие кадры, так что принцип разделения кольца во времени сохраняется, ускоряется только процедура передачи владения кольцом.

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

Приоритетный доступ в технологии Token Ring предназначен для поддержки требований QoS приложений. Однако разработчики приложений для локальных сетей практически им не пользовались.

Физический уровень технологии Token Ring

Стандарт Token Ring фирмы IBM изначально предусматривал построение связей в сети с помощью концентраторов (рис. 2), называемых устройствами многостанционного доступа ( Multi- station Access Unit, MAU, или MSAU). Сеть Token Ring может включать до 260 узлов. Использование концентраторов приводит к тому, что сети Token Ring имеют физическую топологию звезда, а логическую — кольцо.

Рис. 2. Физическая конфигурация сети Token Ring

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 концентратор не выполняет. Такое MSAU-устройство можно считать простым кроссовым блоком за одним исключением — MSAU обеспечивает обход какого-либо порта, когда присоединенный к этому порту компьютер выключают. Такая функция необходима для обеспечения связности кольца вне зависимости от состояния подключенных компьютеров. Обычно обход порта выполняется за счет релейных схем, которые питаются постоянным током от сетевого адаптера, а при выключении сетевого адаптера нормально замкнутые контакты реле соединяют вход порта с его выходом.

Активный концентратор выполняет функции регенерации сигналов и поэтому его можно назвать повторителем.

Возникает вопрос — если концентратор является пассивным устройством, то каким образом обеспечивается качественная передача сигналов на большие расстояния, которые возникают при включении в сеть нескольких сот компьютеров? Ответ состоит в том, что роль усилителя сигналов в этом случае берет на себя каждый сетевой адаптер, а роль синхронизирующего блока — сетевой адаптер активного монитора кольца. Каждый сетевой адаптер Token Ring имеет блок повторения, который умеет регенерировать и синхронизировать сигналы, однако последнюю функцию выполняет в кольце только блок повторения активного монитора.

В общем случае сеть Token Ring имеет комбинированную звездно-кольцевую конфигурацию. Конечные узлы подключаются к MSAU-устройствам по топологии звезды, а сами концентраторы объединяются через специальные порты Ring In (RI) и Ring Out (RO), образуя магистральное физическое кольцо.

Технология Token Ring позволяет использовать для соединения конечных станций и концентраторов различные типы кабеля: STP типа 1, UTP типа 3, UTP типа 6, а также волоконно-оптический кабель. При использовании экранированной витой пары STP типа 1 из номенклатуры кабельной системы IBM в кольцо допускается объединять до 260 станций при длине ответвительных кабелей до 100 метров, а при использовании неэкранированной витой пары максимальное количество станций сокращается до 72 при длине ответвительных кабелей до 45 метров. Расстояние между пассивными концентраторами может достигать 100 м при использовании кабеля STP типа 1 и 45 м при использовании кабеля UTP типа 3. Между активными концентраторами максимальное расстояние увеличивается соответственно до 730 или 365 м в зависимости от типа кабеля.

Максимальная длина кольца Token Ring составляет 4000 м.

Ограничения на максимальную длину кольца и количество станций в кольце в технологии Token Ring не являются такими жесткими, как в технологии Ethernet. Здесь эти ограничения во многом связаны со временем оборота токена по кольцу. Есть и другие соображения, диктующие выбор ограничений. Так, если кольцо состоит из 260 станций, то при времени удержания токена в 10 мс токен вернется в активный монитор в худшем случае через 2,6 с, а это время как раз составляет тайм-аут контроля оборота токена. В принципе, все значения тайм-аутов в сетевых адаптерах узлов сети Token Ring можно настраивать, поэтому можно построить сеть Token Ring с б ольшим количеством станций и с б ольшей длиной кольца.

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. Token-Ring является в настоящее время международным стандартом IEEE 802.5 (хотя между Token-Ring и IEEE 802.5 есть незначительные отличия).

Разрабатывалась Token-Ring как надежная альтернатива Ethernet, но сейчас Ethernet вытеснил все остальные сети, и Token-Ring можно считать безнадежно устаревшей. Уже в 1999 году большинством производителей оборудования было прекращено производство новых устройств для сетей 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 напрямую, а через специальные концентраторы или многостанционные устройства доступа (MSAU или MAU – Multistation Access Unit). Физически сеть образует звездно-кольцевую топологию. В действительности же абоненты объединяются все-таки в кольцо, то есть каждый из них передает информацию одному соседнему абоненту, а принимает информацию от другого.

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

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. «Фантомный» ток никак не влияет на информационный сигнал, так как сигнал в кольце не имеет постоянной составляющей.

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, в этом случае в кольцо замыкаются только абоненты, подключенные к нему. Внешне такая топология выглядит, как звезда. Если же нужно подключить к сети большое число абонентов, несколько концентраторов соединяют магистральными кабелями и образуют звездно-кольцевую топологию.

Как уже отмечалось, 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.

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, но увеличивается суммарная длина кольца.

В случае множественных повреждений кабеля сеть распадается на несколько частей (сегментов), не связанных между собой, но сохраняющих полную работоспособность. 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.

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.

Больший допустимый размер передаваемых данных в одном пакете по сравнению с сетью Ethernet сильно позволяет увеличить производительность сети: теоретически для скоростей передачи 16 Мбит/с и 100 Мбит/с длина поля данных может достигать даже 18 Кбайт, что принципиально 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 сеть Ethernet (10 Мбит/с). Особенно заметно преимущество Token-Ring при больших нагрузках (свыше 30—40%), так как в этом случае метод CSMA/CD требует много времени на разрешение повторных конфликтов.

Сеть Token-Ring в классическом варианте уступает сети Ethernet как по допустимому размеру, так и по максимальному количеству абонентов. Также по сравнению с аппаратурой Ethernet аппаратура Token-Ring заметно дороже, так как используется более сложный метод управления обменом. По скорости передачи – хотя и имеются версии Token-Ring на скорость 100 Мбит/с (High Speed Token-Ring, HSTR) и на 1000 Мбит/с (Gigabit Token-Ring), однако еще в 1999 году все производители оборудования, изначально поддержавшие эту инициативу, отказались от нее.

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 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).

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.

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, желающий передавать пакет, ждет прихода свободного маркера и захватывает его. Захваченный маркер превращается в обрамление информационного пакета. Затем абонент передает информационный пакет в кольцо и ждет его возвращения. После этого он освобождает маркер и снова посылает его в сеть.

В сети Token-Ring предусмотрено также использование мостов и коммутаторов. Они применяются для разделения большого кольца на несколько кольцевых сегментов, имеющих возможность обмена пакетами между собой. Это позволяет снизить нагрузку на каждый сегмент и увеличить долю времени, предоставляемую каждому абоненту.

В результате можно сформировать распределенное кольцо, то есть объединение нескольких кольцевых сегментов одним большим магистральным кольцом или же звездно-кольцевую структуру с центральным коммутатором, к которому подключены кольцевые сегменты

Сеть Token Ring первоначально была разработана компанией IBM в 1970 гг. Она попрежнему является основной технологией IBM для локальных сетей (LAN) , уступая по популярности среди технологий LAN только Ethernet/IEEE 802.3. Спецификация IEEE 802.5 почти идентична и полностью совместима с сетью Token Ring IBM. Спецификация IEEE 802.5 была фактически создана по образцу Token Ring IBM, и она продолжает отслеживать ее разработку. Термин "Token Ring" oбычно применяется как при ссылке на сеть Token Ring IBM, так и на сеть IEEE 802.5.

Сравнение Token Ring и IEEE 802.5

Сети Token Ring и IEEE 802.5 в основном почти совместимы, хотя их спецификации имеют относительно небольшие различия. Сеть Token Ring IBM оговаривает звездообразное соединение, причем все конечные устройства подключаются к устройству, называемому "устройством доступа к многостанционной сети" (MSAU), в то время как IEEE 802.5 не оговаривает топологию сети (хотя виртуально все реализации IEEE 802.5 также базируются на звездообразной сети). Имеются и другие отличия, в том числе тип носителя (IEEE 802.5 не оговаривает тип носителя, в то время как сети Toke Ring IBM используют витую пару) и размер поля маршрутной информации (смотри далее в этой главе обсуждение характеристик полей маршрутной информации). На Рис. 6-1 представлены обобщенные характеристики сетей Token Ring и IЕЕЕ 802.5.

Передача маркера

Token Ring и IEEE 802.5 являются главными примерами сетей с передачей маркера. Сети с передачей маркера перемещают вдоль сети небольшой блок данных, называемый маркером. Владение этим маркером гарантирует право передачи. Если узел, принимающий маркер, не имеет информации для отправки, он просто переправляет маркер к следующей конечной станции. Каждая станция может удерживать маркер в течение определенного максимального времени.

Если у станции, владеющей маркером, имеется информации для передачи, она захватывает маркер, изменяет у него один бит (в результате чего маркер превращается в последовательность "начало блока данных"), дополняет информацией, которую он хочет передать и, наконец, отсылает эту информацию к следующей станции кольцевой сети. Когда информационный блок циркулирует по кольцу, маркер в сети отсутствует (если только кольцо не обеспечивает "раннего освобождения маркера" - early token release), поэтому другие станции, желающие передать информацию, вынуждены ожидать. Следовательно, в сетях Token Ring не может быть коллизий. Если обеспечивается раннее высвобождение маркера, то новый маркер может быть выпущен после завершения передачи блока данных.

Информационный блок циркулирует по кольцу, пока не достигнет предполагаемой станции назначения, которая копирует информацию для дальнейшей обработки. Информационный блок продолжает циркулировать по кольцу; он окончательно удаляется после достижения станции, отославшей этот блок. Станция отправки может проверить вернувшийся блок, чтобы убедиться, что он был просмотрен и затем скопирован станцией назначения.

В отличие от сетей CSMA/CD (например, Ethernet) сети с передачей маркера являются детерминистическими сетями. Это означает, что можно вычислить максимальное время, которое пройдет,прежде чем любая конечная станция сможет передавать. Эта характеристика, а также некоторые характеристики надежности, которые будут рассмотрены дальше, делают сеть Token Ring идеальной для применений, где задержка должна быть предсказуема и важна устойчивость функционирования сети. Примерами таких применений является среда автоматизированных станций на заводах.

Физические соединения

Станции сети IBM Token Ring напрямую подключаются к MSAU, которые могут быть об'единены с помощью кабелей, образуя одну большую кольцевую сеть (смотри Рис. 6-2). Кабели- перемычки соединяют MSAU со смежными MSAU. Кабели-лепестки подключают MSAU к станциям. В составе МSAU имеются шунтирующие реле для исключения станций из кольца.

Система приоритетов

Сети Тоkеn Ring используют сложную систему приоритетов, которая позволяет некоторым станциям с высоким приоритетом, назначенным пользователем, более часто пользоваться сетью. Блоки данных Token Ring содержат два поля, которые управляют приоритетом: поле приоритетов и поле резервирования.

Только станции с приоритетом, который равен или выше величины приоритета, содержащейся в маркере, могут завладеть им. После того, как маркер захвачен и изменен( в результате чего он превратился в информационный блок), только станции, приоритет которых выше приоритета передающей станции, могут зарезервировать маркер для следующего прохода по сети. При генерации следующего маркера в него включается более высокий приоритет данной резервирующей станции. Станции, которые повышают уровень приоритета маркера, должны восстановить предыдущий уровень приоритета после завершения передачи.

Механизмы управления неисправостями

Сети Token Ring используют несколько механизмов обнаружения и компенсации неисправностей в сети. Например, одна станция в сети Token Ring выбирается "активным монитором" (active monitor). Эта станция, которой в принципе может быть любая станция сети, действует как централизованный источник синхронизирующей информации для других станций кольца и выполняет разнообразразные функции для поддержания кольца. Одной из таких функций является удаление из кольца постоянно циркулирующих блоков данных. Если устройство, отправившее блок данных, отказало, то этот блок может постоянно циркулировать по кольцу. Это может помешать другим станциям передавать собственные блоки данных и фактически блокирует сеть. Активный монитор может выявлять и удалять такие блоки и генерировать новый маркер.

Звездообразная топология сети IBM Token Ring также способствует повышению общей надежности сети. Т.к. вся информация сети Token Ring просматривется активными MSAU, эти устройства можно запрограммировать так, чтобы они проверяли наличие проблем и при необходимости выборочно удаляли станции из кольца.

Алгоритм Token Ring, называемый "сигнализирующим" (beaconing), выявляет и пытается устранить некоторые неисправности сети. Если какая-нибудь станция обнаружит серьезную проблему в сети (например такую, как обрыв кабеля), она высылает сигнальный блок данных. Сигнальный блок данных указывает домен неисправности, в который входят станция, сообщающая о неисправности, ее ближайший активный сосед, находящийся выше по течению потока информации (NAUN), и все, что находится между ними. Сигнализация инициализирует процесс, называемый "автореконфигурацией" (autoreconfiguration), в ходе которого узлы, расположенные в пределах отказавшего домена, автоматически выполняют диагностику, пытаясь реконфигурировать сеть вокруг отказавшей зоны. В физическом плане MSAU может выполнить это с помощью электрической реконфигурации.

Формат блока данных

Сети Token Ring определяют два типа блока данных: блоки маркеров и блоки данных/блоки команд. Оба формата представлены на Рис.6-3.

Token Ring (маркерное кольцо участка локальной сети (LAN)) - это протокол связи для локальных сетей. Он использует специальный трехбайтовый кадр под названием "маркер", который перемещается вокруг логического "кольца" рабочих станций или серверов. Эта передача маркера-это метод доступа к каналу, обеспечивая справедливый доступ для всех станций, и исключения столкновений конкурирующих методов доступа. Технология представлена IBM в 1984 году, а затем стандартизирована с протоколом IEEE 802.5.

Содержание

История возникновения

В начале 1970-х годов было разработано большое количество различных технологий локальной сети, одна из которых - Кембриджское кольцо - продемонстрировала потенциал топологии токен-передачи, после чего многие конкуренты по всему миру начали свою работу в том же направлении. В Цюрихской лаборатории IBM Вернер Букс и Ганс Мюллер вели совместную работу над общим дизайном и развитием технологии Token Ring в целом. Собственный фирменный продукт Token Ring, запущенный 15 октября 1985 года, работал со скоростью 4 Мбит/с, при том, что вложение было возможно с компьютеров IBM, компьютеров среднего уровня и мэйнфреймов. Использовалась удобная звездно-проводная физическая топология. Также технология проходила экранированную витую пару кабелей, и вскоре после этого стала основой стандарта 802.5 (ANSI)/IEEE. Компания IBM убеждала всех в превосходстве Token Ring над Ethernet, однако такие суждения были подвергнуты жестокой критики со стороны общественности. В 1988 году более быстрая технология Token Ring (со скоростью аж в 16 Мбит/с) была стандартизована рабочей группой 802.5, а увеличение до 100 Мбит/с было приведено в норму и продано в период спада популярности токен-кольца. Несмотря на все свои плюсы, данная технология никогда не использовалась очень широко (Ethernet и Gigabit Ethernet доминировали, а потому деятельность по разработке Token Ring вскоре пошла на убыль). [Источник 1]

Token Ring и Ethernet

Итак, несмотря на схожесть, между Token Ring и Ethernet есть ряд существенных различий. Так. например, топология Token Ring является более точной по сравнению с Ethernet. Однако Ethernet обладает таким преимуществом, как поддержка прямого кабельного соединения между двумя картами сетевого интерфейса с использованием кроссового кабеля или с помощью автоматического распознавания (если поддерживается); Token Ring Кольцо Token же изначально не поддерживает эту функцию и требует дополнительного программного и аппаратного обеспечения для непосредственной настройки кабельного соединения. Маркерное кольцо устраняет коллизии с помощью одноразового маркера и раннего выпуска маркера для смягчения простоя; что же касается Ethernet, здесь смягчение коллизий осуществляется посредством множественного доступа с поддержкой несущего элемента, а также с помощью коммутатора. Сетевые интерфейсные платы Token Ring содержат всю информацию для автоопределения скорости и маршрутизации, а также и могут загонять себя на многие узлы доступа с числовым программным управлением, которые работают без электричества; сетевые интерфейсные платы Ethernet же теоретически могут функционировать на пассивном концентраторе в определенной степени, но не как большая локальная сеть, плюс проблема коллизий никуда не делась. Token Ring, в отличие от Ethernet, использует "приоритет доступа", в котором определенные узлы могут иметь приоритет над маркером. Маркерное кольцо поддерживает несколько одинаковых MAC-адресов (функция на s/390 мейнфреймов), тогда как Ethernet не может поддерживать повторяющиеся MAC-адреса без замечаний. Первоначально обе сети пользовались дорогостоящим кабелем, но после стандартизации Ethernet для неэкранированной витой пары с 10BASE-T (Cat 3) и 100BASE-TX (Cat 5(e)), он имел явное преимущество,и продажи его заметно возросли. Еще более существенной при сравнении общих затрат на систему стала значительно более высокая стоимость портов маршрутизатора и сетевых карт для токен-ринга по сравнению с Ethernet. [Источник 2]

Описание: строение и характеристика

Token-Ring имеет связь кольца, хотя внешне это больше похоже на звезду. Это связано с тем, что отдельные абоненты (компьютеры) присоединяются к сети не напрямую, а через специальные концентраторы или многостанционные устройства доступа. Физически сеть образует звездно-кольцевую топологию. В действительности же абоненты объединяются в кольцо, то есть каждый из них передает информацию одному соседнему абоненту, а принимает информацию от другого, так сказать, по кругу. Концентратор MAU при этом позволяет централизовать задание конфигурации, отключение неисправных абонентов, контроль работы сети и другие организационные моменты. Никакой обработки информации не производится. Для каждого абонента в составе концентратора применяется специальный блок подключения к магистрали (TCU – Trunk Coupling Unit), который обеспечивает автоматическое включение абонента в кольцо, если выполняются такие условия, как подключение к концентратору и исправность абонента. Если абонент отключается от концентратора или же он неисправен, то блок TCU автоматически восстанавливает целостность кольца без участия данного абонента, то есть, попросту исключает этот компьютер из цепочки. Блок срабатывает по сигналу постоянного тока, который приходит от абонента, желающего включиться в кольцо. Или же абонент может самостоятельно отключиться от кольца и произвести процедуру самотестирования. Что касается концентратора, по конструкции он представляет собой автономный блок с десятью разъемами на передней панели. Восемь центральных разъемов нужны для подключения компьютеров с помощью адаптерных или радиальных кабелей. Два крайних же разъёма (входной и выходной) нужны для подключения к другим концентраторам с помощью специальных магистральных кабелей. 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 (тогда в кольцо замыкаются только абоненты, подключенные к нему). Если же нужно подключить к сети более восьми абонентов, то несколько концентраторов соединяются магистральными кабелями и образуют звездно-кольцевую топологию. Кольцевая топология имеет высокую чувствительность к обрывам кабеля кольца. Поэтому в Token-Ring предусмотрен режим сворачивания кольца, при помощи которого можно обойти место обрыва. В нормальном режиме концентраторы соединены в кольцо двумя параллельными кабелями, но передача информации производится при этом только по одному из них. В случае одиночного повреждения кабеля сеть передаёт по обоим кабелям, обходя таким образом поврежденный участок. Порядок обхода абонентов сохраняется. Правда, увеличивается суммарная длина кольца. В случае же множественных повреждений кабеля сеть распадается на несколько частей , не связанных между собой, но сохраняющих полную работоспособность. Максимальная часть сети остается при этом связанной, как и прежде. Это никак не помогает сети в целом, однако позволяет при правильном распределении абонентов по концентраторам сохранять значительную часть её функций. Несколько концентраторов может конструктивно объединяться в кластер , внутри которого абоненты также соединены в кольцо. Применение кластеров позволяет увеличивать количество абонентов, подключенных к одному центру. [Источник 3]

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.

Операции

Станции в локальной сети Token Ring логически организованы в кольцевой топологии с последовательной передачей данных от одной кольцевой станции к другой с управляющим токеном, циркулирующим вокруг кольцевого контроля доступа. Похожими механизмами передачи маркера пользуются ARCNET, token bus, 100VG-AnyLAN (802.12), FDDI и они имеют теоретические преимущества над CSMA/CD раннего Ethernet. Итак, перейдём непосредственно к функционированию Token Ring.

Контроль доступа

Узлы доступа с числовым программным управлением и контролем доступа

Физически сеть Token Ring соединена звездой (а не кольцом, как следует из названия). MAU может присутствовать в виде концентратора или переключателя; поскольку у Token Ring не было коллизий, многие MAU были изготовлены в качестве концентраторов. Хотя кольцо маркеров работает на LLC, оно включает маршрутизацию источника для пересылки пакетов за пределы локальной сети.

Кабели и интерфейсы

Обычно кабельная система IBM «Type-1» представляет собой тяжелый двухпарный кабель с витой парой с сопротивлением 150 Ом. Это был базовый кабель для «IBM Cabling System», структурированной кабельной системы. Были использованы уникальные гермафродитные разъемы, обычно называемые IBM Data Connectors. Их недостаток состоит в громоздкости. Преимущество же разъемов в том, что они безболезненны и имеют превосходную защиту от стандартного неэкранированного RJ45.В более поздних версиях Token Ring поддерживалась кабельная разводка Cat 6, поэтому соединители RJ45 использовались как для MAU, CAU, так и для NIC; со многими сетевыми картами, поддерживающими как RJ45, так и DE-9 для обратной совместимости.

Передача маркера

Token Ring и IEEE 802.5 - главные примеры сетей с передачей маркера. Маркер - это небольшой блок, перемещаемый вдоль сети. Владение этим маркером гарантирует сети право передачи данных. Если узел, принимающий маркер, не имеет информации для отправки, он просто переправляет маркер к следующей конечной станции. Каждая станция может удерживать маркер в течение определенного максимального времени (по умолчанию - 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. За это же время свободный маркер обязательно дойдет до каждого абонента. Этот же интервал является верхним пределом времени доступа Token-Ring. Если у станции есть информация, подлежащая передаче, она захватывает маркер, изменяет у него один бит, дополняет информацией, которую сам хочет передать и затем уже отсылает эту информацию к следующей станции кольцевой сети. Когда информационный блок движется по кольцу, маркер в сети отсутствует, поэтому другие станции вынуждены ожидать своей очереди для передачи информации. Следовательно, в сетях Token Ring не может быть путаниц. Если обеспечивается раннее высвобождение маркера, то новый маркер может быть выпущен после завершения передачи блока данных. Информационный блок циркулирует по кольцу, пока не достигнет станции назначения, которая копирует информацию для дальнейшей обработки. Информационный блок окончательно удаляется после достижения станции, отославшей его. Станция отправки может проверить вернувшийся блок, чтобы убедиться, что он был просмотрен и затем скопирован станцией назначения. [Источник 4]

Типы кадров

Маркер

Когда ни одна станция не отправляет фрейм, специальный кадр маркера прокручивает цикл. Он повторяется от станции к станции до прибытия на станцию, которая должна отправлять данные. Маркеры имеют длину 3 байта и состоят из разделителя начала, байта управления доступом и конечного разделителя.

Завершение кадра

Используется для отмены передачи передающей станцией

Данные

Кадры данных содержат информацию для протоколов верхнего уровня, в то время как фреймы команд управляют информацией и не имеют данных по протоколам верхнего уровня. Кадры данных /команд различаются по размеру в зависимости от размера информационного поля.

Начальный разделитель

Состоит из специальной битовой диаграммы, обозначающей начало кадра. Биты от наиболее значимых до наименее значимых - J, K, 0, J, K, 0,0,0. J и K являются нарушениями кода. Поскольку кодирование Манчестера самосинхронизируется и имеет переход для каждого кодированного бита 0 или 1, кодировки J и K нарушают это и будут обнаружены аппаратным обеспечением. Поля «Исходный разделитель» и «Конечный разделитель» используются для обозначения границ кадра. [Источник 5]

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.

Сети Token Ring, как и сети Ethernet, характеризует разделяемая среда передачи данных, которая состоит из отрезков кабеля, соединяющих все станции сети в кольцо [5]. 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, или токеном (token) [3].

Технология Token Ring был разработана компанией IBM в 1984 году, а затем передана в качестве проекта стандарта в комитет IEЕЕ 802, который на ее основе принял в 1985 году стандарт 802.5.

Рис. 3.10. Принцип технологии TOKEN RING

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. Сеть Token Ring может включать до 260 узлов.

Активный концентратор выполняет функции регенерации сигналов, и поэтому иногда называется повторителем, как в стандарте Ethernet.

В общем случае сеть Token Ring имеет комбинированную звездно-кольцевую конфигурацию. Конечные узлы подключаются к MSAU по топологии звезды, а сами MSAU объединяются через специальные порты Ring In (RI) и Ring Out (RO) для образования магистрального физического кольца.

Все станции в кольце должны работать на одной скорости либо 4 Мбит/с, либо 16 Мбит/с. Кабели, соединяющие станцию с концентратором, называются ответвительными (lobe cable), а кабели, соединяющие концентраторы, – магистральными (trunk cable).

Технология Token Ring позволяет использовать для соединения конечных станций и концентраторов различные типы кабеля:

Расстояние между пассивными MSAU может достигать 100 м при использовании кабеля STP Туре 1 и 45 м при использовании кабеля UTP Type 3. Между активными MSAU максимальное расстояние увеличивается соответственно до 730 м или 365 м в зависимости от типа кабеля.

Максимальная длина кольца Token Ring составляет 4000 м. Ограничения на максимальную длину кольца и количество станций в кольце в технологии Token Ring не являются такими жесткими, как в технологии Ethernet. Здесь эти ограничения в основном связаны со временем оборота маркера по кольцу.

Все значения тайм-аутов в сетевых адаптерах узлов сети Token Ring можно настраивать, поэтому можно построить сеть Token Ring с большим количеством станций и с большей длиной кольца.

Преимущества технологии Token Ring:

· высокая скорость передачи данных (до 160% Ethernet).

Недостатки технологии Token Ring:

· необходимы дорогостоящие устройства доступа к среде;

· технология более сложная в реализации;

· необходимы 2 кабеля (для повышения надежности): один входящий, другой исходящий от компьютера к концентратору;

Читайте также: