Технологии локальных сетей. Стандарт Token Ring

Технологии локальных сетей. Стандарт Token Ring

Операционные системы

Локальная вычислительная сеть (ЛВС, локальная сеть; англ. Local Area Network, LAN) - компьютерная сеть, покрывающая обычно относительно небольшую территорию или небольшую группу зданий (дом, офис, фирму, институт). Также существуют локальные сети, узлы которых разнесены географически на расстояния более 12 500 км (космические станции и орбитальные центры). Несмотря на такие расстояния, подобные сети всё равно относят к локальным.

Технологии локальных сетей реализуют, как правило, функции только двух нижних уровней модели OSI - физического и канального. Функциональности этих уровней достаточно для доставки кадров в пределах стандартных топологий, которые поддерживают LAN: звезда, общая шина, кольцо и дерево. Однако из этого не следует, что компьютеры, связанные в локальную сеть, не поддерживают протоколы уровней, расположенных выше канального. Эти протоколы также устанавливаются и работают на узлах локальной сети, но выполняемые ими функции не относятся к технологии LAN.

Технология локальных сетей определяют все компоненты, которые нужны для осуществления обмена информацией. Технологии локальных сетей состоят из топологии, средств передачи данных, алгоритма управления и методов кодирования информации. Для каждой из перечисленных составляющих имеются соответствующие стандарты. Эти стандарты издаются организацией IEEE и они известны под именем IEEE 802.

Технология Ethernet сейчас наиболее популярна в мире. В классической сети Ethernet применяется стандартный коаксиальный кабель двух видов (толстый и тонкий). Однако все большее распространение получила версия Ethernet, использующая в качестве среды передачи витые пары, так как монтаж и обслуживание их гораздо проще. Применяются топологии типа “шина” и типа “пассивная звезда”.

Стандарт определяет четыре основных типа среды передачи.

· 10BASE5 (толстый коаксиальный кабель);

· 10BASE2 (тонкий коаксиальный кабель);

· 10BASE-T (витая пара);

· 10BASE-F (оптоволоконный кабель).

Fast Ethernet – высокоскоростная разновидность сети Ethernet, обеспечивающая скорость передачи 100 Мбит/с. Сети Fast Ethernet совместимы с сетями, выполненными по стандарту Ethernet. Основная топология сети Fast Ethernet - пассивная звезда.

Gigabit Ethernet – высокоскоростная разновидность сети Ethernet, обеспечивающая скорость передачи 1000 Мбит/с.

В связи с тем, что сети совместимы, легко и просто соединять сегменты Ethernet, Fast Ethernet и Gigabit Ethernet в единую сеть.

Сеть Token-Ring предложена фирмой IBM. Token-Ring предназначалась для объединение в сеть всех типов компьютеров, выпускаемых IBM (от персональных до больших).


Token Ring - технология локальной вычислительной сети (LAN) кольца с «маркерным доступом» - протокол локальной сети, который находится на канальном уровне (DLL) модели OSI. Он использует специальный трёхбайтовый фрейм, названный маркером, который перемещается вокруг кольца. Владение маркером предоставляет его обладателю право передавать информацию на носителе. Кадры кольцевой сети с маркерным доступом перемещаются в цикле.

Станции на локальной вычислительной сети (LAN) Token Ring логически организованы в кольцевую топологию с данными, передаваемыми последовательно от одной кольцевой станции до другой с управляющим маркером, циркулирующим вокруг кольцевого доступа управления. Этот механизм передачи маркера совместно использован ARCNET, маркерной шиной, и FDDI, и имеет теоретические преимущества перед стохастическим CSMA/CD Ethernet. Максимальный размер полезного блока данных (MTU) 4464 байта.

Token Ring и IEEE 802.5 являются главными примерами сетей с передачей маркера. Сети с передачей маркера перемещают по 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 (по умолчанию - 10 мс).

Данная технология предлагает вариант решения проблемы коллизий, которая возникает при работе локальной сети. В технологии Ethernet такие коллизии возникают при одновременной передаче информации несколькими рабочими станциями, находящимися в пределах одного сегмента, то есть использующих общий физический канал данных.

Если у станции, владеющей маркером, имеется информация 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 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.

Метод доступа «маркерное кольцо» (Token Ring) разработан компанией IBM и остается одной из основных технологий локальных сетей, хотя уже и не столь популярной, как Ethernet. Скорость передачи данных в старых версиях маркерных сетей равна 4 Мбит/с или 16 Мбит/с, а в новых скоростных сетях - 100 Мбит/с. Метод передачи данных в маркерном кольце использует топологию физической звезды в сочетании с логикой кольцевой топологии. Несмотря на то, что каждый узел подключается к центральному концентратору, пакет перемещается от узла к узлу так, будто начальная и конечная точки отсутствуют. Каждый узел соединяется с другими при помощи модуля множественного доступа (Multistation Access Unit, MAU). MAU - это специализированный концентратор, обеспечивающий передачу пакета по замкнутой цепочке компьютеров. Поскольку пакеты движутся по кольцу, на рабочих станциях или в модуле MAU отсутствуют терминаторы.

Маркер - специальный фрейм, который непрерывно передается по кольцу для определения момента, когда некоторый узел может отправить пакет. Этот фрейм имеет длину 24 бита и состоит из трех 8-битных полей: признака начала (SD), поля управления доступом (АС) и признака конца (ED). Признак начала - это комбинация сигналов, отличных от любых других сигналов сети, что предотвращает ошибочную интерпретацию поля. Он выглядит как сигнал отсутствия данных. Эта уникальная комбинация восьми разрядов может распознаваться только как признак начала фрейма (SOF).

Поле управления доступом (8-битное) указывает на то, прикреплен ли к маркеру фрейм, содержащий данные, то есть это поле определяет, несет ли фрейм данные или он свободен для использования некоторым узлом. Признак конца также представляет собой уникальным образом закодированный сигнал отсутствия данных. Его восемь разрядов представляют сигнал, который невозможно спутать с признаком начала или интерпретировать как данные. Эта часть маркера определяет, должен ли узел еще передавать последующие фреймы (идентификатор последнего фрейма). Также она содержит информацию об ошибках, обнаруженных другими станциями.

В большинстве реализаций в кольце может быть только один маркер, хотя спецификации IEЕЕ разрешают применение двух маркеров в сетях, работающих с частотой 16 Мбит/с и выше. Прежде чем некоторый узел начнет передачу, он должен перехватить маркер. Пока активный узел не закончит работу, ни один другой узел не может захватить маркер и передавать данные. Станция, захватившая маркер, создает фрейм, имеющий признак начала и поле управления доступом в начале этого фрейма. Признак конца помещается в конце данного фрейма. Полученный фрейм посылается по кольцу и передается до тех пор, пока не достигнет целевого узла. Целевой узел изменяет значения двух разрядов, указывая на то, что фрейм достиг пункта назначения, и что данные были прочитаны. Затем целевой узел помещает фрейм обратно в сеть, где тот передается по кольцу до тех пор, пока передающая станция не получит этот фрейм и не проверит факт его получения. После этого передающая станция формирует следующий фрейм с маркером и инкапсулированными данными или же создает маркер без данных, возвращая маркер в кольцо для того, чтобы другая станция могла его использовать.

На рис. 3.3 показан фрейм маркерного кольца с полями маркера, добавленными к полям данных. Первые 16 разрядов занимают поля признака начала и управления доступом. Затем следует поле управления фреймом. Это поле идентифицирует фрейм как фрейм данных или как фрейм, предназначенный для управления сетью (например, как фрейм, содержащий коды сетевых ошибок). Следующие два поля имеют длину 16 или 48 бит и используются для адресации. Первое поле содержит адрес узла назначения, а второе - адрес исходного узла. Далее идет поле данных маршрутизации (RIF), имеющее длину 144 бита или меньшую. Это поле содержит исходные данные маршрутизации, которые могут использоваться на Сетевом уровне модели OSI.

Рис. 3.3. Побитовое представление формата фрейма Token Ring 802.5

Следующие три поля - поле целевой точки доступа к службе (DSAP), поле исходной точки доступа к службе (SSAP) и поле управления (CTRL) - имеют такие же функции и размер, как и во фреймах 802.3 и Ethernet II. Поле DSAP определяет точку SAP узла назначения, а поле SSAP указывает, от какой точки доступа данный фрейм был послан, например Novell или TCP/IP. 8- или 16-битное поле управления определяет, содержит фрейм данные или информацию для управления ошибками. Поле данных следует за полем управления. Оно содержит данные или коды ошибок, используемые для управления сетью. Поле данных не имеет предопределенного размера. 32-бит-ное поле контрольной суммы (FCS) применяется для проверки целостности всего фрейма. Как и во фрейме Ethernet, в нем используется алгоритм контроля с избыточным кодированием (CRC), позволяющий гарантировать правильность передачи и получения сигнала. Контрольная сумма в полученном фрейме должна совпадать с посланным значением.

Последняя часть маркера - признак конца - следует за полем контрольной суммы фрейма. Это поле содержит информацию, сообщающую принимающему узлу о достижении конца фрейма. Также поле указывает на то, будет ли послан следующий фрейм из исходного узла или же данный фрейм последний. Кроме того, данное поле может содержать информацию о том, что другие станции обнаружили ошибки во фрейме. Если фрейм содержит ошибку, он удаляется из сети и затем посылается заново передающим узлом.

Последнее поле во фрейме маркерного кольца представляет собой 8-битное поле состояния фрейма. Два разряда этого поля особенно важны для передающего узла: разряд распознавания адреса указывает на то, что целевой узел "увидел" свой адрес, содержащийся во фрейме; разряд копирования фрейма определяет, скопировал ли целевой узел посланный фрейм или же при этом были ошибки.

В каждом маркерном кольце один узел выполняет функции монитора активности или диспетчера. Обычно эти задачи выполняет первая станция, обнаруженная после запуска сети. Диспетчер отвечает за синхронизацию пакетов в сети и за генерацию нового фрейма маркера в случае возникновения проблем. Через интервалы в несколько секунд диспетчер рассылает широко-вещательный фрейм подуровня MAC, свидетельствующий о работоспособности диспетчера. Широковещательный фрейм или пакет адресуется всем узлам сети. Другие узлы рабочих станций являются резервными диспетчерами. Периодически они генерируют широковещательные фреймы, называемые фреймами наличия резервных диспетчеров, подтверждающие работоспособность узлов и их способность заменить активный диспетчер в случае его отказа.

Широковещательный фрейм формируется на Канальном уровне модели OSI, и его поле назначения заполняется двоичными единицами. Широковещательный пакет формируется на Сетевом уровне модели OSI в сетях, использующих протокол IP. Его адрес назначения равен 255.255.255.255. Помимо широковещательных, существуют однонаправленные пакеты, которые передаются только целевому узлу, для которого предназначен конкретный пакет. Кроме того, бывают многоабонентские пакеты, которые отправитель рассылает нескольким целевым узлам, при этом каждый из этих узлов получает копию пакета.

Если широковещательные посылки от активного или резервных диспетчеров отсутствуют, кольцо переходит в состояние "испускания маяка". Это состояние начинается с того момента, когда некоторый узел генерирует так называемый фрейм маяка, указывающий на обнаружение некоторой ошибки. Кольцо пытается автоматически устранить ошибку, например, назначая новый активный диспетчер в том случае, если исходный диспетчер вышел из строя. После перехода в состояние испускания маяка передача маркеров с данными прекращается до момента ликвидации проблемы.

Маркерные кольца являются весьма надежной топологией и поэтому они иногда используются в особо важных конфигурациях. Одним из преимуществ маркерного кольца по сравнению с сетями Ethernet является то, что в них редко возникают "широковещательный шторм" или конфликты между рабочими станциями. Широковещательный шторм иногда случается в сетях Ethernet, когда большое количество компьютеров или устройств одновременно пытаются передавать данные или же когда компьютеры или устройства "зацикливаются" на передаче. Также в сетях Ethernet возникают сетевые конфликты, когда неисправный сетевой адаптер продолжает передачу широко-вещательных пакетов, несмотря на занятость сети. Такие проблемы редко встречаются в маркерных сетях, поскольку в каждый момент времени только один узел может передавать данные.

  1. Token Ring (маркерное кольцо) - архитектура сетей с кольцевой логической то­пологией и детерминированным методом доступа, основанном на передаче мар­кера. Сети Token Ring (стандарт 802.5), 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, или токеном, (token). Тип сети, в которой все компьютеры схематически объединены в кольцо . По кольцу от компьютера к компьютеру (станции сети) передается специальный блок данных, называемый маркером (англ. token). Когда какой-либо станции требуется передача данных, маркер ею модифицируется и больше не распознается другими станциями, как спецблок, пока не дойдёт до адресата. Адресат принимает данные и запускает новый маркер по кольцу. На случай потери маркера или хождения данных, адресат которых не находится, в сети присутствует машина со специальными полномочиями, умеющая удалять безадресные данные и запускать новый маркер.
  2. Когда оба слова написаны с больших букв (Token Ring), имеется в виду технология, разработанная компанией IBM или сеть стандарта IEEE 802.5

История

Изначально технология была разработана компанией IBM в 1984 году. В 1985 комитет IEEE 802 на основе этой технологии принял стандарт IEEE 802.5. В последнее время даже в продукции IBM доминируют технологии семейства Ethernet , несмотря на то, что ранее в течение долгого времени компания использовала Token Ring в качестве основной технологии для построения локальных сетей В основном, технологии похожи, но имеются незначительные различия. Token Ring от IBM описывает топологию «звезда», когда все компьютеры присоединены к одному центральному устройству (англ. multistation access unit (MSAU)), в то время, как IEEE 802.5 не заостряет внимания на топологии. (В таблице 1 показаны различия между технологиями.)

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 (по умолчанию - 10 мс).За наличие в сети маркера, причем единственной его копии, отвечает активный монитор, который 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. Если активный монитор не получает маркер в течение длительного времени (например, 2,6 с), то он порождает новый маркер.

Данная технология предлагает вариант решения проблемы коллизий, которая возникает при работе локальной сети. В технологии Ethernet, такие коллизии возникают при одновременной передаче информации несколькими рабочими станциями, находящимися в пределах одного сегмента, то есть использующих общий физический канал данных.

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 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.

Сфера применения

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, 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. Применяется как более дешевая технология, получила распространение везде, где есть ответственные приложения для которых важна не столько скорость, сколько надежная доставка информации. В настоящее время по надежности Ethernet не уступает Token Ring и существенно выше по производительности.

Модификация Token Ring

Существуют 2 модификации по скоростям передачи: 4 Мб/с и 16 Мб/с. В Token Ring 16 Мб/с используется технология раннего освобождения маркера. Суть этой технологии заключается в том, что станция, «захватившая» маркер, по окончании передачи данных генерирует свободный маркер и запускает его в сеть. Попытки внедрить 100 Мб/с технологию не увенчались коммерческим успехом. В настоящее время технология Token Ring не поддерживается.

Физический уровень технологии Token Ring

Стандарт Token Ring фирмы IBM изначально предусматривал построение связей в сети с помощью концентраторов, называемых MAU (Multistation Access Unit) или MSAU (Multi-Station Access Unit), то есть устройствами многостанционного доступа

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 MSAU не выполняет. Такое устройство можно счи¬тать простым кроссовым блоком за одним исключением - MSAU обеспечивает обход какого-либо порта, когда присоединенный к этому порту компьютер выклю¬чают. Такая функция необходима для обеспечения связности кольца вне зависимо¬сти 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 соеди¬няют вход порта с его выходом. Активный концентратор выполняет функции регенерации сигналов и поэтому иногда называется повторителем, как в стандарте Ethernet.

HSTR (High Speed Token Ring)

В конце 90-х годов технологию Token Ring стали переводить на более высокие скорости передачи и появилось название HSTR (High Speed Token Ring - высо­коскоростное маркерное кольцо). В настоящее время реально используется (стандартизована) версия на 100 Мбит/с и ведутся разработки гигабитной версии. Стандарт на 100 Мбит/с использует физический уровень lOOBaseTX/FX, в свою очередь позаимствованный у FDDI. Длина кабеля UTP категории 5 может достигать 100 м, при использовании STP типа 1, 2 (150 Ом) длина может быть и больше. Поддержка и 150-омного кабеля обеспечивает совместимость с сущест­вующей кабельной системой Token Ring, где широко применяется данный тип кабеля. Вышележащий МАС-уровень сохранен от прежней версии 4/16 Мбит/с, так что все вышеприведенные описания остаются в силе. Размер Кадра - до 18200 байт, тот же протокол, 8-уровневая система приоритетов, маршрутизация от источника (до 14-ти мостов в цепочке), поддержка множества VLAN (802.1Q,). Концентраторы на 100 Мбит/с выполняются только в виде коммутаторов с пол­нодуплексными портами, поскольку их стоимость оказывается практически той же, что и для повторителей, организующих кольца. Высокоскоростные порты ис­пользуются для организации магистральных связей между коммутаторами, а также для подключения критичных абонентов (серверов). По сравнению с Et­hernet, высокоскоростные адаптеры Token Ring благодаря большему (18,2 К про­тив 1,5 К) размеру кадров значительно меньше загружают процессор сервера. --Дрожжина Юлия 14:19, 12 января 2010 (UTC)

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.

Для различных видов сообщений, передаваемых кадрами, 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). Токен также всегда имеет некоторый уровень текущего приоритета. Станция имеет право захватить переданный ей токен только в том случае, если приоритет кадра, который она хочет передать, выше приоритета токена (или равен ему). В противном случае станция обязана передать токен следующей по кольцу станции.

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.

ПРИМЕЧАНИЕ

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.

Лекция 12.

Технология Token Ring (802.5)

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 станциями права на использование кольца в определенном порядке. Это право передается с помощью кадра специального формата, называемого маркером или токеном (token) .

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. Это более сложная технология, в которой определены процедуры контроля работы сети, придающие ей свойства отказоустойчивости. Так как посланный кадр всегда возвращается на станцию отправитель из-за кольцеобразной структуры сети, то в некоторых случаях обнаруженные ошибки устраняются автоматически, например, восстанавливается 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.

Маркерный метод доступа к разделяемой среде обеспечивает право на доступ циклически по кольцу от станции к станции (Рисунок 55.). 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 Neigghbor, NAUN . Передачу же данных станция всегда осуществляет своему ближайшему соседу вниз по потоку данных.

Рисунок 55. Метод доступа в сети Token Ring

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. Этот алгоритм справедлив для работы со скоростью 4 Мбит/с.

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 20000 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 по окончании передачи последнего бита кадра, не дожидаясь возвращения по кольцу этого кадра с битом подтверждения приема. В этом случае проускная 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, передаваемых 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.

Форматы кадров Token Ring. В стандарте Token Ring существуют три различных формата кадров:

  • маркер,
  • кадр данных,
  • прерывающая последовательность.

Кадр маркера состоит из трех полей, каждое длиной в один байт: начальный ограничитель (Start Delimiter, SD), управление доступом (Access Control), конечный ограничитель (End Delimiter, ED).

Поле начального ограничителя появляется в начале любого кадра, проходящего по сети. Поле представляет собой уникальную последовательность символов манчестерского кода JK0JK000. Поэтому начальный ограничитель нельзя спутать ни с какой битовой последовательностью внутри кадра.

В манчестерском коде для кодирования единиц и нулей используется перепад потенциала, то есть фронт импульса. При манчестерском кодировании каждый такт делится на две части. Информация кодируется перепадами потенциала, проходящими в середине каждого такта. Единица кодируется перепадом от низкого уровня сигнала к высокому, а ноль обратным перепадом. В начале каждого такта может происходить служебный перепад сигнала, если нужно представить несколько единиц или нулей подряд. Так как сигнал изменяется по крайней мере один раз за такт передачи одного бита данных, то манчестерский код обладает хорошими самосинхронизирующимися свойствами. У него нет постоянной составляющей, а основная гармоника в худшем случае имеет частоту N Гц, а в лучшем N/2 Гц.

Поле конечного ограничителя содержит уникальную последовательность манчестерских кодов JK1JK1, а также два однобитовых признака I и E. Признак I (Intermediate) показывает, является ли кадр последним в серии кадров (I=0) или промежуточным (I=1). Признак E (Error) — это признак ошибки. Он устанавливается в 0 станцией отправителем, и любая станция кольца, через которую проходит кадр, должна установить этот признак в 1, если она обнаружит ошибку по контрольной сумме или другую некорректность кадра.

Кадр данных состоит из следующих полей: начальный ограничитель (Start Delimiter, SD), управление кадром (Frame Control), адрес назначения (Destination Address, DA), адрес источника (Source Address, SA), данные (INFO), контрольная сумма (Frame Check Sequence, FCS), конечный ограничитель (End Delimiter, ED), статус кадра (Frame Status, FS).

Кадр данных может переносить либо служебные данные для управления кольцом (данные МАС-уровня), либо пользовательские данные (LLC-уровня). Стандарт Token Ring определяет 6 типов управляющих кадров МАС-уровня. Поле FC определяет тип кадра (MAC или LLC), и если он определен как МАС, то поле также указывает, какой из шести типов кадров представлен данным кадром. Назначение этих кадров следующее:

  • Тест дублирования адреса (DAT) - при первом подсоединении станции к кольцу,
  • Существует активный монитор (AMP) - периодический кадр активного монитора,
  • Существует резервный монитор (SMP) - периодический кадр любой другой станции,
  • Маркер заявки (CT) - кадр станции при отказе активного монитора,
  • Сигнал (Beacon, BCN) - в случае проблем: обрыв кабеля, выход станции из строя, обнаружение станции, передающей кадры без ожидания маркера,
  • Очистка (PRG) - используется новым активным монитором для приведения всех станций в исходное состояние и очистки кольца от ранее посланных кадров.

Прерывающая последовательность состоит из двух байтов, содержащих начальный и конечный ограничители. Она может появляться в любом месте потока битов и сигнализирует о том, что текущая передача кадра или маркера отменяется.

Приоритетный доступ к кольцу. Каждый кадр данных или маркер имеет приоритет, устанавливаемый битами РРР поля управления доступом. Станция может воспользоваться маркером, если только у нее есть кадры для передачи с приоритетом равным или большим, чем приоритет маркера. Сетевой адаптер станции с кадрами, у которых приоритет ниже, чем приоритет маркера, не может захватить маркер, но может поместить наибольший приоритет своих ожидающих передачи кадров в резервные биты маркера, но только в том случае, если записанный в резервных битах приоритет ниже его собственного. В результате в резервных битах приоритета устанавливается наивысший приоритет станции, которая пытается получить доступ к кольцу, но не может этого сделать из-за высокого приоритета маркера.

Станция, сумевшая захватить маркер, передает свои кадры с приоритетом маркера, а затем передает маркер следующему соседу. При этом она переписывает значение резервного приоритета в поле приоритета маркера, а резервный приоритет обнуляется. Поэтому при следующем проходе маркера по кольцу его захватывает станция, имеющая наивысший приоритет.

При инициализации кольца основной и резервный приоритеты маркера устанавливаются в 0.

Хотя механизм приоритетов в Token Ring имеется, но он начинает работать только в том случае, когда приложение или прикладной протокол решают его использовать. Иначе все станции будут иметь равные права доступа к кольцу, что в основном и происходит на практикке, так как большая часть приложений этим механизмом не пользуется. Это связано с тем, что приоритеты кадров поддерживаются не во всех технологиях, поэтому приложение будет вести себя по-разному, в зависимости от технологии нижнего уровня, что нежелательно. В современных сетях приоритетность обработки кадров обычно обеспечивается коммутаторами или маршрутизаторами, которые поддерживают их независимо от используемых протоколов канального уровня.

Физический уровень технологии Token Ring. Стандарт Token Ring изначально предусматривал построение связей в сети с помощью концентраторов, называемых MAU или MSAU (Multistation Access Unit), то есть устройствами многостанционного доступа. Сеть Token Ring может включать до 260 узлов (рис.3.15).

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 MSAU не выполняет. Такое 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 иногда называется повторителем. Каждый сетевой адаптер Token Ring имеет блок повторения, который умеет регенерировать и ресинхронизировать сигналы, однако последнюю функцию выполняет в кольце только блок повторения активного монитора.

Блок ресинхронизации состоит из 30-битного буфера, который принимает манчестерские сигналы с несколько искаженными за время оборота по кольцу интервалами следования. При максимальном количестве станций в кольце (260) вариация задержки циркуляции бита по кольцу может достигать 3-х битовых интервалов. Активный монитор "вставляет" свой буфер в кольцо и синхронизирует битовые сигналы, выдавая их на выход с требуемой частотой.

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 RingIn (RI) и RingOut (RO) для образования магистрального физического кольца. 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: STP Type 1, UTP Type 3, UTP Type 6, а также оптоволоконный кабель.

При использовании экранированной витой пары STP Type 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 MSAU может достигать 100 м при использовании кабеля STP Type 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 во многом связаны с временем оборота маркера по кольцу. Так, если кольцо состоит из 260 станций, то при времени удержания маркера 10 мс маркер вернется в активный монитор в худшем случае через 2,6 с, а это время как раз составляет тайм-аут контроля оборота маркера. В принципе, все значения тайм-аутов в сетевых адаптерах сети Token Ring можно настраивать, поэтому можно построить сеть Token Ring с большим количчеством станций и с большей длиной кольца.

Недавно предложен новый вариант технологии High-Speed Token Ring, который поддерживает битовые скорости 100 и 155 Мбит/с, сохраняя основные особенности технологии Token Ring 16 Мбит/с .