Нижегородский филиал
Курсовая работа
По дисциплине: Сети ЭВМ и телекоммуникации
Тема: Характеристика сети Token Ring
Студента Тарасова Артема Юрьевич
Введение
1. Основная часть
Заключение
Глоссарий
Введение
Локальные сети (Local Area Networks, LAN) - это объединение компьютеров, сосредоточенных на небольшой территории, обычно в радиусе не более 1-2км. В общем случае локальная сеть представляет собой коммуникационную систему, принадлежащую одной организации.
Потребности пользователей вычислительной техники росли. Их уже не удовлетворяла изолированная работа на собственном компьютере, им хотелось в автоматическом режиме обмениваться компьютерными данными с пользователями других подразделений. Так появились локальные сети внутри предприятий.
На первых порах для соединения компьютеров друг с другом использовались нестандартные программно-аппаратные средства. Разнообразные устройства сопряжения, использующие свой собственный способ предоставления данных на линиях связи, свои типы кабелей и т.п., могли соединять только те конкретные модели компьютеров, для которых были разработаны, например, мини-компьютеры PDP-11 с мэйнфреймом IBM 360 или компьютеры "Наири" с компютерами "Днепр".
В середине 80-х годов положение дел в локальных сетях стало кардинально меняться. Утвердились стандартные технологии объединения компьютеров в сеть - Ethernet, Arcnet, Token Ring, Token Bus, несколько позже - FDDI. Мощным стимулом для их появления послужили персональные компьютеры. ПК стали преобладать в локальных сетях, причем в качестве не только клиентских компьютеров, но и в качестве центров хранения и обработки данных, то есть сетевых серверов, потеснив с этих привычных ролей мини-компьютеры и мейнфреймы.
Конец 90-х выявил явного лидера среди технологий локальных сетей - семейство Ethernet, в которое вошли классическая технология Ethernet 10Мбит/с, а так же Fast Ethernet 100Мбит/с и Gigabit Ethernet 1000 Мбит/с.
Технология Token Ring была разработана компанией IBM в 1984году, а затем передана в качестве проекта стандарта в комитет IEEE 802, который на ее основе принял в 1985 году стандарт 802.5 Компания IBM использует технологию Token Ring в качестве своей основной сетевой технологии для построения локальных сетей на основе компьютеров различных классов - мэйнфреймов, мини-компьютеров и персональных компьютеров. В настоящее время именно компания IBM является основным законодателем моды технологии Token Ring, производя около 60% сетевых адаптеров этой технологии.
1. Основная часть
1.1 Общие сведения о технологии Token Ring
Сеть Token Ring была предложена фирмой IBM в 1984 году (первый вариант появился в 1980 году). Назначением Token Ring было объединение в сеть всех типов компьютеров, выпускаемых IBM (от персональных до больших). Уже тот факт, что ее поддерживает фирма IBM, крупнейший производитель компьютерной техники, говорит о том, что она занимает особое место среди компьютерных сетей. Но не менее важно и то, что Token Ring является в настоящее время международным стандартом IEEE 802.5 Это ставит данную сеть на один уровень по статусу с Ethernet.
Фирма IBM сделала все для максимально широкого распространения своей сети: была выпущена подробная документация вплоть до принципиальных схем адаптеров. В результат многие фирмы, например 3COM, Novell, Western Digital, Proteon приступили к производству адаптеров. Кстати, специально для этой сети, а также для другой сети IBM PC Network была разработана концепция NetBIOS. Кстати, если в разработанной ранее сети PC Network программы NetBIOS программы хранились во встроенной в адаптер постоянной памяти, то в сети Token Ring уже применялась эмулирующая NetBIOS программа, что позволяло более гибко реагировать на особенности конкретной аппаратуры, поддерживая при этом совместимость с программами более высокого уровня.
По сравнению с аппаратурой Ethernet аппаратура Token Ring оказывается заметно дороже, так как использует более сложные методы управления обменом, поэтому распространена сеть Token Ring значительно меньше. Однако ее применение становится оправданным, когда требуются большие интенсивности обмена (например, при связи с большими компьютерами) и ограниченное время доступа.
Рисунок 1.1 - Звездно-кольцевая топология сети Token Ring
Сеть Token Ring имеет топологию "кольцо", хотя внешне она больше напоминает "звезду". Это связано с тем, что отдельные абоненты (компьютеры) присоединяются к сети не прямо, а через специальные концентраторы или многостанционные устройства доступа (MSAU или MAU - Multistation Access Unit) . Поэтому физически сеть образует звездно-кольцевую топологию (рис.1.1). В действительности же абоненты объединяются все-таки в кольцо, то есть каждый из них передает информацию одному соседнему абоненту, а принимает информацию от другого соседнего абонента.
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, о чем я рассказал выше. В то время как IEEE 802.5 не оговаривает топологию сети (хотя виртуально все реализации IEEE 802.5 тоже 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 Token Ring IBM используют витую пару) и размер поля маршрутной информации.
В отличии 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 там, 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 Ethernet по надежности не уступает Token Ring и существенно выше по производительности.
Существуют 2 модификации по скоростям передачи: 4Мб/с и 16Мб/с. В Token Ring 16Мб/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 100Мб/с технологию не увенчались успехом. В настоящее время технология Token Ring не поддерживается.
1.2 Маркерный метод доступа к разделяемой среде
В сети Token Ring используется классический маркерный метод доступа, то есть по кольцу постоянно циркулирует маркер, к которому абоненты могут присоединять свои пакеты данных. Отсюда следует такое важное достоинство данной сети, как отсутствие конфликтов, но отсюда же следуют такие недостатки, как необходимость контроля за целостностью маркера и зависимость функционирования сети от каждого из абонентов (в случае неисправности абонент обязательно должен быть исключен из кольца).
Рисунок 2.1 - Формат маркера сети Token Ring
Для контроля за целостностью маркера используется один из абонентов (так называемый активный монитор). Его аппаратура ничем не отличается от остальных, но его программные средства следят за временными соотношениями в сети и формируют в случае необходимости новый маркер. Активный монитор выбирается при инициализации сети, им может быть любой компьютер сети. Если активный монитор по какой то - то причине выходит из строя, то включается специальный механизм, посредством которого другие абоненты (запасные мониторы) принимают решение о назначении нового активного монитора.
Маркер представляет собой управляющий пакет, содержащий всего три байта (рис.2.1): байт начального разделения (SD - Start Delimiter), байт управления доступом (AC - Access Control) и байт конечного разделителя (ED - End Delimiter). Начальный разделитель и конечный разделите представляют собой не просто последовательность нулей и единиц, а содержат импульсы специального вида. Благодаря этому данные разделители нельзя спутать ни с какими другими байтами пакетов. Четыре бита разделителя представляют собой нулевые биты в принятой кодировке, а четыре других бита не соответствуют коду Манчестер - П: в течении двух битовых интервалов удерживается один уровень сигнала, а в течении двух остальных - другой уровень. В результате такой сбой синхронизации легко выявляется приемником.
Рисунок 2.2 - Формат байта управления доступом
Байт управления разделен на четыре поля (рис.2.2): три бита приоритета, бит маркера, бит монитора и три бита резервирования. Биты приоритета позволяют абоненту присваивать приоритет своим пакетам или маркеру (приоритет может быть от 0 до 7, причем 7 соответствует наивысшему приоритету, а 0 - наинизшему). Абонент может присоединить к маркеру свой пакет только тогда, когда его собственный приоритет такой же или выше приоритета маркера. Бит маркера определяет, присоединены ли к маркеру пакет (единица соответствует маркеру без пакета, нуль - маркеру с пакетом). Бит монитора, установленный в единицу, говорит о том, что данный маркер передан активным монитором. Биты резервирования позволяет абоненту зарезервировать свое право на дальнейший захват сети, то есть, так сказать, занять очередь на обслуживание. Если приоритет абонента выше, чем текущее значение поля резервирования, он может записать туда свой приоритет вместо прежнего.
Помимо начального и конечного разделителей, а также байта управления доступом, в пакет входят также байт управления пакетом, сетевые адреса приемника и передатчика, данные, контрольная сумма и байт состояния, пакета.
Рисунок 2.3 - Формат пакета сети Token Ring (длина полей дана в байтах)
Назначение полей пакета следующее:
Начальный разделитель (SD) является признаком начала пакета.2. Байт управления доступом (AC) имеет то же значение, что и в маркере.3. Байт управления пакетом (FC - Frame Control) определяет тип пакета (кадра).4. Шестибайтовые адреса отправителя и получателя пакета имеют стандартный формат.5. Поле данных включает в себя передаваемую информацию или информацию управления обменом.6. Поле контрольной суммы представляет собой 32 - разрядную циклическую контрольную сумму пакета (CRC).7. Конечный разделитель является признаком конца пакета. Кроме того, он определяет, является ли данный пакет промежуточным или заключительным в последовательности передаваемых пакетов, а также содержит признак ошибочности пакета (для этого выделены специальные биты).8. Байт состояния пакета говорит о том, что происходило с данным пакетом: был ли он принят и скопирован в память приемника. По нему отправитель пакета узнает, дошел ли пакет по назначению и без ошибок или его надо передавать заново.
сеть token ring маркер
Отмечу, что больший допустимый размер передаваемых данных в одном пакете по сравнению с сетью Ethernet может стать решающим фактором для увеличения производительности сети. Теоретически для скорости передачи 16Мб/с длина поля данных может достигать даже 18Кбайт, что очень важно при передаче больших объемов данных. Но даже при скорости 4 Мбит/с благодаря маркерному методу доступа сеть Token Ring часто обеспечивает большую фактическую скорость передачи, чем более быстрая сеть Ethernet (10Мбит/с), особенно при больших нагрузках (свыше 30 - 40%), когда заметно сказывается несовершенство метода CSMA/CD, который в этом случае тратит много времени на разрешение повторных конфликтов.
Помимо маркера и обычного пакета, в сети Token Ring может передаваться специальный управляющий пакет, служащий для прерывания передачи. Он может быть послан в любой момент и в любом месте потока данных. Пакет этот состоит всего из двух однобайтовых полей - начального и конечного разделителей описанного формата.
Интересно, что более быстрой версии Token Ring (16Мб/с и выше) применяется так называемый метод раннего формирования маркера (ETR - Early Token Release). Он позволяет избежать непроизводительного использования сети в то время, пока пакет данных не вернется по кольцу к своему отправителю. Метод ETR сводится к тому, что сразу после передачи своего пакета, присоединенного к маркеру, любой абонент выдает в сеть новый свободный маркер, то есть все другие абоненты могут начинать передачу своих пакетов сразу же после окончания пакета предыдущего абонента, не дожидаясь, пока он завершит обход всего кольца сети.
Как уже говорилось ранее, сеть Token Ring имеет топологию "кольцо". Напомню, что отдельные абоненты присоединяются к сети не прямо, а через специальные концентраторы или многостанционные устройства доступа (MSAU или MAU - Multistation Access Unit). Поэтому физически сеть образует звездно-кольцевую топологию (рис.1.1). В действительности же абоненты объединяются все-таки в кольцо, то есть каждый из них передает информацию одному соседнему абоненту, а принимает информацию от другого соседнего абонента.
Концентратор (MAU) при этом только позволяет централизовать задание конфигурации, отключение неисправных абонентов, контроль за работой сети и т.д. (рис 3.1). Для присоединения кабеля к концентратору применяются специальные разъемы, которые обеспечивают постоянство замкнутости кольца даже при отключении абонента от сети. Концентратор в сети может быть и единственным, в этом случае кольцо замыкаются только абоненты, подключенные к нему.
Рисунок 3.1 - Соединение абонентов сети Token Ring в кольцо с помощью концентратора (MAU)
В каждом кабеле, соединяющем адаптеры и концентратор (адаптерные кабели, adapter cable), находятся на самом деле две разнонаправленные линии связи. Такими же двумя разнонаправленными линиями связи, входящими в магистральный кабель (path cable), объединятся между собой в кольцо различные концентраторы (рис 3.2), хотя для этой же цели может использоваться и единственная однонаправленная линия связи (рис 3.3).
Рисунок 3.2 Объединение концентраторов двунаправленной линией связи
Рисунок 3.3 Объединение концентраторов однонаправленной линией связи
Конструктивно концентратор представляет собой автономный блок с восемью разъемами для подключения абонентов (компьютеров) с помощью адаптерных кабелей и двумя (крайними) разъемами для подключения к другим концентраторам с помощью специальных магистральных кабелей (рис.3.4). Существуют настенный и настольный варианты концентратора.
Несколько концентраторов могут конструктивно объединяться в группу, кластер (cluster), внутри которого абоненты также соединены в единое кольцо. Применение кластеров позволяет увеличивать количество абонентов, подключенных к одному центру (например, до 16, если в кластер входит два концентратора).
Рисунок 3.4 Концентратор Token Ring (8228 MAU)
В качестве среды передачи в сети IBM Token Ring сначала применялась витая пара, но затем появились варианты аппаратуры для коаксиального кабеля, а также для оптоволоконного кабеля в стандарте FDDI. Витая пара применяется как неэкранированная (UTP), так и экранированная (STP).
Основные технические характеристики сети Token Ring:
Максимальное количество концентраторов типа IBM 8228 MAU - 12.
Максимальное количество абонентов в сети - 96.
Максимальная длина кабеля между абонентом и концентратором - 45м.
Максимальная длина кабеля между концентраторами - 45м.
Максимальная длина кабеля, соединяющего все концентраторы - 120м.
Скорость передачи данных - 5 Мб/с и 16Мб/с.
Все приведенные характеристики относятся к случаю неэкранированной витой пары. В случае применения другой среды передачи характеристики сети могут отличаться. Например, при использовании экранированной витой пары количество абонентов может быть увеличено до 260 (вместо 96), длина кабеля - до 100м (вместо 45), количество концентраторов - до 33, а полная длина кольца, соединяющего концентраторы - до 200м. Оптоволоконный кабель позволяет увеличивать длину кабеля до 1км.
Как видим, сеть Token Ring уступает сети Ethernet как по допустимому размеру сети, так и по максимальному количеству абонентов. Что касается скорости передачи, то в настоящее время ведется разработка версии Token Ring на скорость 100 Мбит/с и на 1000 Мбит/с. Фирма IBM вовсе не собирается отказывается от своей сети, рассматривая ее как достойного конкурента Ethernet.
Для передачи информации в Token Ring используется вариант кода Манчестер - П. Как и в любой звездообразной топологии, никаких дополнительных мер по электрическому согласованию и внешнему заземлению не требуется.
Для присоединения кабеля к сетевому адаптеру используется внешний 9-контактный разъем типа DIN. Так же, как и адаптеры Ethernet, адаптеры Token Ring имеют на своей плате переключатели или перемычки для настройки адресов и прерываний системной шины. Если сеть Ethernet можно построить только на адаптерах и кабеле, то для сети Token Ring обязательно нужно приобретать концентраторы. Это также увеличивает стоимость аппаратуры Token Ring.
В тоже время в отличии от Ethernet сеть Token Ring лучше держит нагрузку (больше 30 - 40%) и обеспечивает гарантированное время доступа. Это крайне необходимо, например, в сетях производственного назначения, в которых задержка реакции на внешнее событие может привести к серьезным авариям.
Заключение
В этой работе я рассмотрел локальную сеть Token Ring, ее достоинства и недостатки, а так же сравнивал ее с сетью Ethernet. В процессе работы над этим курсовым проектом я узнал, что сети Token Ring основаны на детерминистических алгоритмах. Token Ring строится на основе кольцевой топологии. Передача данных возможно только по кольцо от одного узла второму, от второго к третьему и так далее. В том случае, если передача данных не осуществляется, в сети циркулирует фрейм особого формата - маркер (token). Если компьютер должен передать фрейм данных, он ожидает получения маркера. Получив маркер, компьютер вместо маркера отправляет фрейм данных по кольцу, который передается к получателю, а далее от получателя к отправителю. Получив отправленный ранее маркер, отправитель возвращает маркер в сеть. После этого право на передачу фрейма данных может быть получено другим компьютером, перехватившим маркер. Таким образом, право на передачу данных поочередно переходит от одного компьютера к другому. Полоса пропускания сетей Token Ring - 4 и 16Мбит/с, количество компьютеров в одном логическом кольце - до 240.
Сети Token Ring 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, 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).
Технология Token Ring является более сложной технологией, чем Ethernet. Она обладает свойствами отказоустойчивости. В сети Token Ring определены процедуры контроля работы сети, которые используют обратную связь кольцеобразной структуры - посланный кадр всегда возвращается в станцию - отправитель. В некоторых случаях обнаруженные ошибки в работе сети устраняются автоматически, например, может быть восстановлен потерянный маркер. В других случаях ошибки только фиксируются, а их устранение выполняется вручную.
Сети Token Ring применяется в основном на предприятиях, где требуется высокая надежность работы. Таким образом, выбор сети Token Ring являются лучшим решением для организации надежной, бесперебойной работы сети.
Глоссарий
Список использованных источников
Нормативные правовые акты
1.Высокопроизводительные сети. Энциклопедия пользователя: Пер. с англ. /Марк А. Спортак и др. - К.: Издательство "ДиаСофт", 1998. - 432с.
2.Гук М. Аппаратные средства локальных сетей. Энциклопедия - СПб.: Издательство "Питер", 2000. - 576с.: ил.
.Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы. /В.Г. Олифер, Н.А. Олифер. - СПб: Издательство "Питер", 1999. - 672с.: ил.
.Компьютерные сети+. Учебный курс (MSCE 70-058) /Пер. с англ. - М.: "Русская редакция", 2000. - 552с.
.Кульгин М. Технологии корпоративных сетей. Энциклопедия - СПб: Издательство "Питер", 2000. - 704м.: ил.
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.
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.
Сеть Token-Ring (маркерное кольцо) была предложена компанией IBM в 1985 году (первый вариант появился в 1980 году). Она предназначалась для объединения в сеть всех типов компьютеров, выпускаемых IBM. Уже тот факт, что ее поддерживает компания IBM, крупнейший производитель компьютерной техники, говорит о том, что ей необходимо уделить особое внимание. Но не менее важно и то, что Token-Ring является в настоящее время международным стандартом IEEE 802.5 (хотя между Token-Ring и IEEE 802.5 есть незначительные отличия). Это ставит данную сеть на один уровень по статусу с Ethernet.
Разрабатывалась Token-Ring как надежная альтернатива Ethernet. И хотя сейчас Ethernet вытесняет все остальные сети, Token-Ring нельзя считать безнадежно устаревшей. Более 10 миллионов компьютеров по всему миру объединены этой сетью.
Компания IBM сделала все для максимально широкого распространения своей сети: была выпущена подробная документация вплоть до принципиальных схем адаптеров. В результате многие компании, например, 3СOM, Novell, Western Digital, Proteon и другие приступили к производству адаптеров. Кстати, специально для этой сети, а также для другой сети IBM PC Network была разработана концепция NetBIOS. Если в созданной ранее сети PC Network программы NetBIOS хранились во встроенной в адаптер постоянной памяти, то в сети Token-Ring уже применялась эмулирующая NetBIOS программа. Это позволило более гибко реагировать на особенности аппаратуры и поддерживать совместимость с программами более высокого уровня.
Сеть Token-Ring имеет топологию кольцо, хотя внешне она больше напоминает звезду. Это связано с тем, что отдельные абоненты (компьютеры) присоединяются к сети не напрямую, а через специальные концентраторы или многостанционные устройства доступа (MSAU или MAU – Multistation Access Unit). Физически сеть образует звездно-кольцевую топологию (рис. 7.3). В действительности же абоненты объединяются все-таки в кольцо, то есть каждый из них передает информацию одному соседнему абоненту, а принимает информацию от другого.
Рис. 7.3. Звездно-кольцевая топология сети Token-Ring
Концентратор (MAU) при этом позволяет централизовать задание конфигурации, отключение неисправных абонентов, контроль работы сети и т.д. (рис. 7.4). Никакой обработки информации он не производит.
Рис. 7.4. Соединение абонентов сети Token-Ring в кольцо с помощью концентратора (MAU)
Для каждого абонента в составе концентратора применяется специальный блок подключения к магистрали (TCU – Trunk Coupling Unit), который обеспечивает автоматическое включение абонента в кольцо, если он подключен к концентратору и исправен. Если абонент отключается от концентратора или же он неисправен, то блок TCU автоматически восстанавливает целостность кольца без участия данного абонента. Срабатывает TCU по сигналу постоянного тока (так называемый "фантомный" ток), который приходит от абонента, желающего включиться в кольцо. Абонент может также отключиться от кольца и провести процедуру самотестирования (крайний правый абонент на рис. 7.4). "Фантомный" ток никак не влияет на информационный сигнал, так как сигнал в кольце не имеет постоянной составляющей.
Конструктивно концентратор представляет собой автономный блок с десятью разъемами на передней панели (рис. 7.5).
Рис. 7.5. Концентратор Token-Ring (8228 MAU)
Восемь центральных разъемов (1...8) предназначены для подключения абонентов (компьютеров) с помощью адаптерных (Adapter cable) или радиальных кабелей. Два крайних разъема: входной RI (Ring In) и выходной RO (Ring Out) служат для подключения к другим концентраторам с помощью специальных магистральных кабелей (Path cable). Предлагаются настенный и настольный варианты концентратора.
Существуют как пассивные, так и активные концентраторы MAU. Активный концентратор восстанавливает сигнал, приходящий от абонента (то есть работает, как концентратор Ethernet). Пассивный концентратор не выполняет восстановление сигнала, только перекоммутирует линии связи.
Концентратор в сети может быть единственным (как на рис.7.4), в этом случае в кольцо замыкаются только абоненты, подключенные к нему. Внешне такая топология выглядит, как звезда. Если же нужно подключить к сети более восьми абонентов, то несколько концентраторов соединяются магистральными кабелями и образуют звездно-кольцевую топологию.
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 (рис. 7.6).
Рис. 7.6. Объединение концентраторов MAU в нормальном режиме
В случае одиночного повреждения (обрыва) кабеля сеть осуществляет передачу по обоим кабелям, обходя тем самым поврежденный участок. При этом даже сохраняется порядок обхода абонентов, подключенных к концентраторам (рис. 7.7). Правда, увеличивается суммарная длина кольца.
В случае множественных повреждений кабеля сеть распадается на несколько частей (сегментов), не связанных между собой, но сохраняющих полную работоспособность (рис. 7.8). Максимальная часть сети остается при этом связанной, как и прежде. Конечно, это уже не спасает сеть в целом, но позволяет при правильном распределении абонентов по концентраторам сохранять значительную часть функций поврежденной сети.
Несколько концентраторов может конструктивно объединяться в группу, кластер (cluster), внутри которого абоненты также соединены в кольцо. Применение кластеров позволяет увеличивать количество абонентов, подключенных к одному центру, например, до 16 (если в кластер входит два концентратора).
Рис. 7.7. Сворачивание кольца при повреждении кабеля
Рис. 7.8. Распад кольца при множественных повреждениях кабеля
В качестве среды передачи в сети IBM Token-Ring сначала применялась витая пара, как неэкранированная (UTP), так и экранированная (STP), но затем появились варианты аппаратуры для коаксиального кабеля, а также для оптоволоконного кабеля в стандарте FDDI.
Основные технические характеристики классического варианта сети Token-Ring:
максимальное количество концентраторов типа IBM 8228 MAU – 12;
максимальное количество абонентов в сети – 96;
максимальная длина кабеля между абонентом и концентратором – 45 метров;
максимальная длина кабеля между концентраторами – 45 метров;
максимальная длина кабеля, соединяющего все концентраторы – 120 метров;
скорость передачи данных – 4 Мбит/с и 16 Мбит/с.
Все приведенные характеристики относятся к случаю использования неэкранированной витой пары. Если применяется другая среда передачи, характеристики сети могут отличаться. Например, при использовании экранированной витой пары (STP) количество абонентов может быть увеличено до 260 (вместо 96), длина кабеля – до 100 метров (вместо 45), количество концентраторов – до 33, а полная длина кольца, соединяющего концентраторы – до 200 метров. Оптоволоконный кабель позволяет увеличивать длину кабеля до двух километров.
Для передачи информации в Token-Ring применяется бифазный код (точнее, его вариант с обязательным переходом в центре битового интервала). Как и в любой звездообразной топологии, никаких дополнительных мер по электрическому согласованию и внешнему заземлению не требуется. Согласование выполняется аппаратурой сетевых адаптеров и концентраторов.
Для присоединения кабелей в Token-Ring используются разъемы RJ-45 (для неэкранированной витой пары), а также MIC и DB9P. Провода в кабеле соединяют одноименные контакты разъемов (то есть используются так называемые "прямые" кабели).
Сеть Token-Ring в классическом варианте уступает сети Ethernet как по допустимому размеру, так и по максимальному количеству абонентов. Что касается скорости передачи, то в настоящее время имеются версии Token-Ring на скорость 100 Мбит/с (High Speed Token-Ring, HSTR) и на 1000 Мбит/с (Gigabit Token-Ring). Компании, поддерживающие Token-Ring (среди которых IBM, Olicom, Madge), не намерены отказываться от своей сети, рассматривая ее как достойного конкурента Ethernet.
По сравнению с аппаратурой Ethernet аппаратура Token-Ring заметно дороже, так как используется более сложный метод управления обменом, поэтому сеть Token-Ring не получила столь широкого распространения.
Однако в отличие от Ethernet сеть Token-Ring значительно лучше держит высокий уровень нагрузки (более 30-40%) и обеспечивает гарантированное время доступа. Это необходимо, например, в сетях производственного назначения, в которых задержка реакции на внешнее событие может привести к серьезным авариям.
В сети Token-Ring используется классический маркерный метод доступа, то есть по кольцу постоянно циркулирует маркер, к которому абоненты могут присоединять свои пакеты данных (см. рис. 7.8). 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).
Предельное время передачи пакета в Token-Ring 10 мс. При максимальном количестве абонентов 260 полный цикл работы кольца составит 260 x 10 мс = 2,6 с. За это время все 260 абонентов смогут передать свои пакеты (если, конечно, им есть чего передавать). За это же время свободный маркер обязательно дойдет до каждого абонента. Этот же интервал является верхним пределом времени доступа Token-Ring.
Каждый абонент сети (его сетевой адаптер) должен выполнять следующие функции:
выявление ошибок передачи;
контроль конфигурации сети (восстановление сети при выходе из строя того абонента, который предшествует ему в кольце);
контроль многочисленных временных соотношений, принятых в сети.
Большое количество функций, конечно, усложняет и удорожает аппаратуру сетевого адаптера.
Для контроля целостности маркера в сети используется один из абонентов (так называемый активный монитор). При этом его аппаратура ничем не отличается от остальных, но его программные средства следят за временными соотношениями в сети и формируют в случае необходимости новый маркер.
Активный монитор выполняет следующие функции:
запускает в кольцо маркер в начале работы и при его исчезновении;
регулярно (раз в 7 с) сообщает о своем присутствии специальным управляющим пакетом (AMP – Active Monitor Present);
удаляет из кольца пакет, который не был удален пославшим его абонентом;
следит за допустимым временем передачи пакета.
Активный монитор выбирается при инициализации сети, им может быть любой компьютер сети, но, как правило, становится первый включенный в сеть абонент. Абонент, ставший активным монитором, включает в сеть свой буфер (сдвиговый регистр), который гарантирует, что маркер будет умещаться в кольце даже при минимальной длине кольца. Размер этого буфера – 24 бита для скорости 4 Мбит/с и 32 бита для скорости 16 Мбит/с.
Каждый абонент постоянно следит за тем, как активный монитор выполняет свои обязанности. Если активный монитор по какой-то причине выходит из строя, то включается специальный механизм, посредством которого все другие абоненты (запасные, резервные мониторы) принимают решение о назначении нового активного монитора. Для этого абонент, обнаруживший аварию активного монитора, передает по кольцу управляющий пакет (пакет запроса маркера) со своим MAC-адресом. Каждый следующий абонент сравнивает MAC-адрес из пакета с собственным. Если его собственный адрес меньше, он передает пакет дальше без изменений. Если же больше, то он устанавливает в пакете свой MAC-адрес. Активным монитором станет тот абонент, у которого значение MAC-адреса больше, чем у остальных (он должен трижды получить обратно пакет со своим MAC-адресом). Признаком выхода из строя активного монитора является невыполнение им одной из перечисленных функций.
Маркер сети Token-Ring представляет собой управляющий пакет, содержащий всего три байта (рис. 7.9): байт начального разделителя (SD – Start Delimiter), байт управления доступом (AC – Access Control) и байт конечного разделителя (ED – End Delimiter). Все эти три байта входят также в состав информационного пакета, правда, функции их в маркере и в пакете несколько различаются.
Начальный и конечный разделители представляют собой не просто последовательность нулей и единиц, а содержат сигналы специального вида. Это было сделано для того, чтобы разделители нельзя было спутать ни с какими другими байтами пакетов.
Рис. 7.9. Формат маркера сети Token-Ring
Начальный разделитель SD содержит четыре нестандартных битовых интервала (рис. 7.10). Два из них, обозначающихся J, представляют собой низкий уровень сигнала в течение всего битового интервала. Два других бита, обозначающихся К, представляют собой высокий уровень сигнала в течение всего битового интервала. Понятно, что такие сбои в синхронизации легко выявляются приемником. Биты J и K никогда не могут встречаться среди битов полезной информации.
Рис. 7.10. Форматы начального (SD) и конечного (ED) разделителей
Конечный разделитель ED также содержит в себе четыре бита специального вида (два бита J и два бита K), а также два единичных бита. Но, кроме того, в него входят и два информационных бита, которые имеют смысл только в составе информационного пакета:
Бит I (Intermediate) представляет собой признак промежуточного пакета (1 соответствует первому в цепочке или промежуточному пакету, 0 – последнему в цепочке или единственному пакету).
Бит E (Error) является признаком обнаруженной ошибки (0 соответствует отсутствию ошибок, 1 – их наличию).
Байт управления доступом (AC – Access Control) разделен на четыре поля (рис. 7.11): поле приоритета (три бита), бит маркера, бит монитора и поле резервирования (три бита).
Рис. 7.11. Формат байта управления доступом
Биты (поле) приоритета позволяют абоненту присваивать приоритет своим пакетам или маркеру (приоритет может быть от 0 до 7, причем 7 соответствует наивысшему приоритету, а 0 – низшему). Абонент может присоединить к маркеру свой пакет только тогда, когда его собственный приоритет (приоритет его пакетов) такой же или выше приоритета маркера.
Бит маркера определяет, присоединен ли к маркеру пакет или нет (единица соответствует маркеру без пакета, нуль – маркеру с пакетом). Бит монитора, установленный в единицу, говорит о том, что данный маркер передан активным монитором.
Биты (поле) резервирования позволяют абоненту зарезервировать свое право на дальнейший захват сети, то есть занять очередь на обслуживание. Если приоритет абонента (приоритет его пакетов) выше, чем текущее значение поля резервирования, то он может записать туда свой приоритет вместо прежнего. После обхода по кольцу в поле резервирования будет записан наивысший приоритет из всех абонентов. Содержимое поля резервирования аналогично содержимому поля приоритета, но говорит о будущем приоритете.
В результате использования полей приоритета и резервирования обеспечивается возможность доступа к сети только абонентам, имеющим пакеты для передачи с наивысшим приоритетом. Менее приоритетные пакеты будут обслуживаться только по исчерпании более приоритетных пакетов.
Формат информационного пакета (кадра) Token-Ring представлен на рис. 7.12. Помимо начального и конечного разделителей, а также байта управления доступом в этот пакет входят также байт управления пакетом, сетевые адреса приемника и передатчика, данные, контрольная сумма и байт состояния пакета.
Рис. 7.12. Формат пакета (кадра) сети Token-Ring (длина полей дана в байтах)
Назначение полей пакета (кадра).
Начальный разделитель (SD) является признаком начала пакета, формат – такой же, как и в маркере.
Байт управления доступом (AC) имеет тот же формат, что и в маркере.
Байт управления пакетом (FC – Frame Control) определяет тип пакета (кадра).
Шестибайтовые MAC-адреса отправителя и получателя пакета имеют стандартный формат, описанный в лекции 3.
Поле данных (Data) включает в себя передаваемые данные (в информационном пакете) или информацию для управления обменом (в управляющем пакете).
Поле контрольной суммы (FCS – Frame Check Sequence) представляет собой 32-разрядную циклическую контрольную сумму пакета (CRC).
Конечный разделитель (ED), как и в маркере, указывает на конец пакета. Кроме того, он определяет, является ли данный пакет промежуточным или заключительным в последовательности передаваемых пакетов, а также содержит признак ошибочности пакета (см. рис. 7.10).
Байт состояния пакета (FS – Frame Status) говорит о том, что происходило с данным пакетом: был ли он увиден приемником (то есть, существует ли приемник с заданным адресом) и скопирован в память приемника. По нему отправитель пакета узнает, дошел ли пакет по назначению и без ошибок или его надо передавать заново.
Следует отметить, что больший допустимый размер передаваемых данных в одном пакете по сравнению с сетью Ethernet может стать решающим фактором для увеличения производительности 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.
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.
Помимо маркера и обычного пакета в сети Token-Ring может передаваться специальный управляющий пакет, служащий для прерывания передачи (Abort). Он может быть послан в любой момент и в любом месте потока данных. Пакет этот состоит из двух однобайтовых полей – начального (SD) и конечного (ED) разделителей описанного формата.
Интересно, что в более быстрой версии Token-Ring (16 Мбит/с и выше) применяется так называемый метод раннего формирования маркера (ETR – Early Token Release). Он позволяет избежать непроизводительного использования сети в то время, пока пакет данных не вернется по кольцу к своему отправителю.
Метод ETR сводится к тому, что сразу после передачи своего пакета, присоединенного к маркеру, любой абонент выдает в сеть новый свободный маркер. Другие абоненты могут начинать передачу своих пакетов сразу же после окончания пакета предыдущего абонента, не дожидаясь, пока он завершит обход всего кольца сети. В результате в сети может находиться несколько пакетов одновременно, но всегда будет не более одного свободного маркера. Этот конвейер особенно эффективен в сетях большой протяженности, имеющих значительную задержку распространения.
При подключении абонента к концентратору он выполняет процедуру автономного самотестирования и тестирования кабеля (в кольцо он пока не включается, так как нет сигнала "фантомного" тока). Абонент посылает сам себе ряд пакетов и проверяет правильность их прохождения (его вход напрямую соединен с его же выходом блоком TCU, как показано на рис. 7.4). После этого абонент включает себя в кольцо, посылая "фантомный" ток. В момент включения, передаваемый по кольцу пакет может быть испорчен. Далее абонент настраивает синхронизацию и проверяет наличие в сети активного монитора. Если активного монитора нет, абонент начинает состязание за право стать им. Затем абонент проверяет уникальность собственного адреса в кольце и собирает информацию о других абонентах. После чего он становится полноправным участником обмена по сети.
В процессе обмена каждый абонент следит за исправностью предыдущего абонента (по кольцу). Если он подозревает отказ предыдущего абонента, он запускает процедуру автоматического восстановления кольца. Специальный управляющий пакет (бакен) говорит предыдущему абоненту о необходимости провести самотестирование и, возможно, отключиться от кольца.
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 (рис. 7.13) или же звездно-кольцевую структуру с центральным коммутатором, к которому подключены кольцевые сегменты (рис. 7.14).
Рис. 7.13. Объединение сегментов магистральным кольцом с помощью мостов
Рис. 7.14. Объединение сегментов центральным коммутатором
3.4.1. Основные характеристики технологии
Сети Token Ring, так же как и сети Ethernet, характеризует разделяемая среда передачи данных, которая в данном случае состоит из отрезков кабеля, соединяющих все станции сети в кольцо. Кольцо рассматривается как общий разделяемый ресурс, и для доступа к нему требуется не случайный алгоритм, как в сетях Ethernet, а детерминированный, основанный на передаче станциям права на использование кольца в определенном порядке. Это право передается с помощью кадра специального формата, называемого маркером илитокеном (token) .
Технология Token Ring был разработана компанией IBM в 1984 году, а затем передана в качестве проекта стандарта в комитет IEEE 802, который на ее основе принял в 1985 году стандарт 802.5. Компания IBM использует технологию Token Ring в качестве своей основной сетевой технологии для построения локальных сетей на основе компьютеров различных классов - мэйнфреймов, мини-компьютеров и персональных компьютеров. В настоящее время именно компания IBM является основным законодателем моды технологии Token Ring, производя около 60 % сетевых адаптеров этой технологии.
Сети Token Ring работают с двумя битовыми скоростями - 4 и 16 Мбит/с. Смешение станций, работающих на различных скоростях, в одном кольце не допускается. Сети Token Ring, работающие со скоростью 16 Мбит/с, имеют некоторые усовершенствования в алгоритме доступа по сравнению со стандартом 4 Мбит/с.
Технология Token Ring является более сложной технологией, чем Ethernet. Она обладает свойствами отказоустойчивости. В сети Token Ring определены процедуры контроля работы сети, которые используют обратную связь кольцеобразной структуры - посланный кадр всегда возвращается в станцию - отправитель. В некоторых случаях обнаруженные ошибки в работе сети устраняются автоматически, например может быть восстановлен потерянный маркер. В других случаях ошибки только фиксируются, а их устранение выполняется вручную обслуживающим персоналом.
Для контроля сети одна из станций выполняет роль так называемого активного монитора . Активный монитор выбирается во время инициализации кольца как станция с максимальным значением МАС-адреса, Если активный монитор выходит из строя, процедура инициализации кольца повторяется и выбирается новый активный монитор. Чтобы сеть могла обнаружить отказ активного монитора, последний в работоспособном состоянии каждые 3 секунды генерирует специальный кадр своего присутствия. Если этот кадр не появляется в сети более 7 секунд, то остальные станции сети начинают процедуру выборов нового активного монитора.
3.4.2. Маркерный метод доступа к разделяемой среде
В сетях с маркерным методом доступа (а к ним, кроме сетей Token Ring, относятся сети FDDI, а также сети, близкие к стандарту 802.4, - ArcNet, сети производственного назначения MAP) право на доступ к среде передается циклически от станции к станции по логическому кольцу.
В сети Token Ring кольцо образуется отрезками кабеля, соединяющими соседние станции. Таким образом, каждая станция связана со своей предшествующей и последующей станцией и может непосредственно обмениваться данными только с ними. Для обеспечения доступа станций к физической среде по кольцу циркулирует кадр специального формата и назначения - маркер. В сети Token Ring любая станция всегда непосредственно получает данные только от одной станции - той, которая является предыдущей в кольце. Такая станция называется ближайшим активным соседом, расположенным выше по потоку (данных) -Nearest Active Upstream Neighbor, NAUN . Передачу же данных станция всегда осуществляет своему ближайшему соседу вниз по потоку данных.
Получив маркер, станция анализирует его и при отсутствии у нее данных для передачи обеспечивает его продвижение к следующей станции. Станция, которая имеет данные для передачи, при получении маркера изымает его из кольца, что дает ей право доступа к физической среде и передачи своих данных. Затем эта станция выдает в кольцо кадр данных установленного формата последовательно по битам. Переданные данные проходят по кольцу всегда в одном направлении от одной станции к другой. Кадр снабжен адресом назначения и адресом источника.
Все станции кольца ретранслируют кадр побитно, как повторители. Если кадр проходит через станцию назначения, то, распознав свой адрес, эта станция копирует кадр в свой внутренний буфер и вставляет в кадр признак подтверждения приема. Станция, выдавшая кадр данных в кольцо, при обратном его получении с подтверждением приема изымает этот кадр из кольца и передает в сеть новый маркер для обеспечения возможности другим станциям сети передавать данные. Такой алгоритм доступа применяется в сетях Token Ring со скоростью работы 4 Мбит/с, описанных в стандарте 802.5.
На рис. 3.14 описанный алгоритм доступа к среде иллюстрируется временной диаграммой. Здесь показана передача пакета А в кольце, состоящем из 6 станций, от станции 1 к станции3. После прохождения станции назначения3 в пакете А устанавливаются два признака - признак распознавания адреса и признак копирования пакета в буфер (что на рисунке отмечено звездочкой внутри пакета). После возвращения пакета в станцию1 отправитель распознает свой пакет по адресу источника и удаляет пакет из кольца. Установленные станцией3 признаки говорят станции-отправителю о том, что пакет дошел до адресата и был успешно скопирован им в свой буфер.
Рис. 3.14. Принцип маркерного доступа
Время владения разделяемой средой в сети Token Ring ограничивается временем удержания маркера (token holding time) , после истечения которого станция обязана прекратить передачу собственных данных (текущий кадр разрешается завершить) и передать маркер далее по кольцу. Станция может успеть передать за время удержания маркера один или несколько кадров в зависимости от размера кадров и величины времени удержания маркера. Обычно время удержания маркера по умолчанию равно 10 мс, а максимальный размер кадра в стандарте 802.5 не определен. Для сетей 4 Мбит/с он обычно равен 4 Кбайт, а для сетей 16 Мбит/с - 16 Кбайт. Это связано с тем, что за время удержания маркера станция должна успеть передать хотя бы один кадр. При скорости 4 Мбит/с за время 10 мс можно передать 5000 байт, а при скорости 16 Мбит/с - соответственно 20 000 байт. Максимальные размеры кадра выбраны с некоторым запасом.
В сетях Token Ring 16 Мбит/с используется также несколько другой алгоритм доступа к кольцу, называемый алгоритмом раннего освобождения маркера (Early Token Release) . В соответствии с ним станция передает маркер доступа следующей станции сразу же после окончания передачи последнего бита кадра, не дожидаясь возвращения по кольцу этого кадра с битом подтверждения приема. В этом случае пропускная способность кольца используется более эффективно, так как по кольцу одновременно продвигаются кадры нескольких станций. Тем не менее свои кадры в каждый момент времени может генерировать только одна станция - та, которая в данный момент владеет маркером доступа. Остальные станции в это время только повторяют чужие кадры, так что принцип разделения кольца во времени сохраняется, ускоряется только процедура передачи владения кольцом.
Для различных видов сообщений, передаваемым кадрам, могут назначаться различные приоритеты : от 0 (низший) до 7 (высший). Решение о приоритете конкретного кадра принимает передающая станция (протокол Token Ring получает этот параметр через межуровневые интерфейсы от протоколов верхнего уровня, например прикладного). Маркер также всегда имеет некоторый уровень текущего приоритета. Станция имеет право захватить переданный ей маркер только в том случае, если приоритет кадра, который она хочет передать, выше (или равен) приоритета маркера. В противном случае станция обязана передать маркер следующей по кольцу станции.
За наличие в сети маркера, причем единственной его копии, отвечает активный монитор. Если активный монитор не получает маркер в течение длительного времени (например, 2,6 с), то он порождает новый маркер.
