Token Ring

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.