Token Ring.

Тема 8. Базовые сетевые технологии. Token Ring.

Значительным вкладом IBM в сетевую индустрию является архитектура Token Ring. Целью этой разработки являлась платформа, обеспечивающая надежную и высокопроизводительную работу сетей, характеристики функционирования которых не носили бы вероятностного характера, присущего Ethernet. Хотя эта архитектура дороже, чем Ethernet, она обладает более высокой производительностью, а диагностика отказов в ней гораздо легче, особенно в сильно загруженной сети. (Существует два уровня производительности Token Ring 4 Мбит/с и 16 Мбит/с.)

Электрически Token Ring работает как кольцо с передачей маркера (token-passing ring), физически же это конфигурация звезды. Для того чтобы понять работу этого кольца, заглянем внутрь его модуля доступа к станциям (multistation access unit - MAU). На рис. 4.1 можно видеть, что каждый порт MAU связан с остальными. После подключения станций к MAU формируется кольцо.

Передача данных по сети Token Ring происходит в строгом порядке. В сети от станции к станции циркулирует специальный 24-битовый пакет – так называемый маркер (token). Когда узел получает маркер, он имеет возможность послать в кольцо кадр данных. Перед тем как станция передаст маркер дальше, она присоединяет к кадру маркера информационный кадр. После этого маркер становится либо кадром управления доступом к передающей среде (medium access control - MAC), либо кадром управления логическим каналом передачи данных (logical link control - LLC). Эта информация включает также адрес (или адреса) получателя пересылаемой информации. Этот кадр проходит по всему кольцу и в конце концов возвращается в пославший его узел. По завершении передачи станция-источник выполняет очистку кадра маркера, удаляя любую дополнительную информацию, привязанную к пакету, и возвращает маркер в кольцо, следующей станции. И затем вся процедура повторяется вновь.

Встроенное управление сетью Token Ring. Высокая стоимость и сложность сетей Token Ring оправдывается их высокой устойчивостью к отказам. Хотя кольцо и может отказать, встроенные средства Token Ring очень сильно уменьшают вероятность полного отказа. В каждом сетевом адаптере запрограммирован набор управляющих функций, описанных стандартом 802.5. При этом узел играет активную роль в управлении всей сетью, работая как монитор.

Основной монитор кольца называется активным монитором (active monitor - AM). При инициализации кольца проверяется адрес каждого подключенного узла. Узел с наивысшем адресом становится активным монитором. После его назначения активный монитор отвечает за работу сети.

Во-первых, активный монитор должен убедиться, что маркер правильно циркулирует по кольцу. Для этого, как только узел назначен активным монитором, он инициализирует очистку кольца и выдает новый маркер. При потере или повреждении маркера активный монитор отвечает за выдачу нового. Многочисленные таймеры следят за событиями в кольце и определяют, когда АМ следует сгенерировать новый маркер. Один из них, называемый T (ANY_TOKEN), указывает, прошел ли маркер через АМ в течении определенного промежутка времени.

Для поддержки активного монитора все остальные узлы сети называются резервными мониторами (standby monitor). Их назначение – проверять, правильно ли работает активный монитор. При отключении активного монитора один из резервных мониторов становится активным.

Роль управляющих станций очень важна для поддержания целостности связи в кольце. Управляющие станции обеспечивают функции управления локальным кольцом и функции сервера, связанные с управлением кольцом.

В процессе управления кольцом управляющая станция может выполнять следующие функции:

· пассивного монитора (standby monitor – SM);

· активного монитора (active monitor – AM);

· сервера отчетов о конфигурациях (configuration report server – CRS);

· сервера параметров кольца (ring parameter server – RPS);

· монитора ошибок кольца (ring error monitor – REM);

· сервера моста LAN (LAN bridge server – LBS);

· механизма выдачи отчетов LAN (LAN reporting mechanism – LRM).

Пассивные мониторы. Роль пассивных мониторов (SM) не ограничена управляющими функциями. Скорее всего они являются кольцевыми станциями (RS) общего назначения. Пассивные мониторы действительно время от времени обеспечивают функции локального управления, поскольку они отвечают за обнаружение сбоев, происходящих в активном мониторе. Если SM не обнаруживают в кольце МАС-кадра активного монитора, то они вступают в состязание за роль активного монитора (AM).

Важно отметить, что агент на сетевой плате каждой RS используется в МАС-взаимодействии с такими основными управляющими станциями, как АМ, CRS, RPS, REM, LBS и LRM.

SM обращается к управляющим станциям, когда им необходимо принять участие в “переговорах” по управлению кольцом. Сами управляющие станции также могут инициализировать подобные переговоры для получения доступа к определенной информации в SM о самой этой станции либо о текущем кадре, которым она управляет.

SM могут также запрашивать некоторые важные параметры кольца от одной из управляющих станций.

Активный монитор. Активный монитор (АМ) является главным менеджером связи в кольце. Он отвечает за поддержание передачи данных и управляющую информацию, циркулирующую между всеми станциями кольца.

АМ отвечает за выполнение следующих семи основных функций:

· поддержку главного тактового генератора;

· инициирование уведомления соседа;

· мониторинг уведомления соседа;

· поддержание надлежащей задержки в кольце;

· мониторинг передачи маркера и кадра;

· выявление утерянных маркеров и кадров;

· очистку кольца.

Поддержка главного тактового генератора.

АМ отвечает за поддержку главного тактового генератора кольца, который определяет временные соотношения в сети Token Ring, обеспечивая синхронизацию тактовых генераторов всех станций. Главный тактовый генератор обращается к таймерам протоколов Token Ring, являющимся неотъемлемой частью архитектуры Token Ring.

Инициирование уведомления соседа.

АМ регулярно передает МАС-кадр Active Monitor Present. Этот кадр передается не реже, чем каждые семь секунд одним из таймеров протоколов Token Ring, встроенных в архитектуру Token Ring, – T(Neighbor_Notification). АМ отвечает за циркуляцию передачи этого кадра на все станции кольца. Передача этого кадра инициирует процесс уведомления соседа (Neighbor Notification).

Мониторинг уведомления соседа.

АМ поддерживает постоянный процесс уведомления соседа. Для контроля этого процесса он использует таймеры протоколов Token Ring. Если во время этой операции происходят какие-то прерывания, то в целях стабилизации кольца АМ выполняет необходимые управляющие функции по средствам передачи МАС-кадра.

Поддержание надлежащей задержки в кольце.

АМ вводит в кольцо 24-битовый шаблон задержки. Это обеспечивает полную передачу станции-получателю маркера, посланного станцией-отправителем, до того, как этот маркер вернется на станцию-отправитель. Отсутствие такой 24-битовой задержки может привести к появлению в кольце различных накладок, выраженных в нарушении временных соотношений.

Мониторинг передачи маркера и кадра.

АМ опрашивает бит монитора в поле управления доступом каждого маркера и кадра, который он перехватывает. Этот бит монитора используется в качестве “резервной точки” для проверки завершения передачи кадра между станциями в кольце. АМ проверяет, не выполнен ли сброс этого бита последней передачей в кольце. Если статус оказывается неправильным, АМ выполняет очистку кольца.

Обнаружение утерянных маркеров и кадров.

Архитектура Token Ring ограничивает максимальное время оборота кадра в кольце 10 мс. Для проверки этого 10 мс интервала АМ обращается к таймеру протоколов Token Ring, называемому Т(Any_Token). АМ пытается обнаружить начальный ограничитель от кадра или маркера в рамках заданного таймером интервала. Если ему не удается обнаружить кадр, а заданный интервал уже истек, АМ выполняет очистку кольца.

Очистка кольца.

АМ обеспечивает широковещательную передачу кадра Ring Purge, когда необходимо очистить кольцо перед выдачей нового маркера. Это происходит в тех случаях, когда АМ выявляет в кольце нарушение синхронизации между работой станций или сбой в выполнении того или иного процесса Token Ring. Когда АМ вырабатывает этот кадр, он переключает все RS в режим Normal Repeat, а также реинициализирует все таймеры протоколов Token Ring. Это приводит к перезапуску процесса уведомления соседа (Neighbor Notification).

Только одна станция в кольце является активным монитором в каждый данный момент времени. Эта роль назначается динамически в соответствии с процессами Token Ring в данном кольце. АМ может быть назначена любая RS в кольце. Активная RS с текущим наивысшим активным адресом в кольце, захватывающая управление процессом Token Claiming, становится АМ.

Вниз по потоку и вверх против потока.

Двумя логическими направлениями перемещения по кольцу являются направления вверх против потока (upstream) и вниз по потоку (downstream). Направление перемещения данных по кольцу – всегда вниз по потоку.

Маркер всегда передается на следующую станцию в направлении вниз по потоку. Станция, которая передает маркер, называется ближайшим активным соседом, расположенным вверх против потока (nearest active upstream neighbor - NAUN), - по отношению к следующей активной станции вниз по потоку, которая принимает маркер.

NAUN.

Концепция NAUN очень важна в среде Token Ring, поскольку является непосредственной точкой отсчета для управления связью и адресации станций в кольце. Одна из наиболее важных задач NAUN заключается в функции уведомления соседа. Процесс уведомления соседа (Neighbor Notification process) позволяет кольцевой станции (ring station - RS) узнать адрес своего NAUN.

Другая важная функция NAUN заключается в локализации неисправности в кольце до уровня некоторой области, называемой доменом неисправности (fault domain). Когда в кольце происходит сбой, концепция NAUN позволяет локализовать проблему до уровня домена неисправности.

Уведомление соседа.

Уведомление соседа (Neighbor Notification) – это последовательный логический процесс, в ходе которого каждая RS узнает адрес своего NAUN.

Режим нормального повторения.

У каждой станции есть состояние, называемое режимом нормального повторения. Находясь в этом состоянии, RS опрашивает все принимаемые ею маркеры и кадры и может соответствующим образом копировать и повторять их.

Очистка кольца.

Процесс очистки кольца (ring purge) представляет собой попытку установки кольца в режим нормального повторения. АМ инициирует процесс очистки кольца в следующих случаях:

· при обнаружении в кольце ошибки;

· если в поле управления доступом маркера или кадра М-бит установлен в 1;

· если кольцо требуется перевести в режим нормального повторения;

· когда АМ обнаруживает, что интервал таймера Т(Any_Token) истек.

Сгенерировав кадр, АМ ожидает приема этого кадра обратно. Если кадр принят, АМ полагает, что кольцо стабилизировано, и сбрасывает все таймеры протоколов Token Ring, после чего инициирует процесс Neighbor Notification для перезапуска и перевода кольца обратно в режим нормального повторения.

В Token Ring используются две основные разновидности кабеля: экранированная витая пара (STP) и не экранированная витая пара (UTP). Для каждого кабеля существует свой разъем. Для экранированного кабеля используется разъем UDC (иначе называемый IBM Data Connector); для неэкранированного кабеля применяется разъем RJ45.

Хотя экранированный кабель дороже неэкранированного, он имеет значительные преимущества. Как уже говорилось экранированный кабель более стоек к электромагнитным помехам. Поэтому иногда просто необходимо использовать экранированный кабель, что гарантирует надежную работу сети. Другое обстоятельство, которое необходимо принять во внимание, – предполагаемый размер сети. Экранированный витой кабель может поддерживать большее число узлов, чем неэкранированный.

Token Ring 16 Мбит/с может работать с неэкранированным кабелем IBM тип 5 при использовании фильтра среды (media filter). Использование типа кабеля ниже пятого может привести к непредсказуемым последствиям.

Как и в Ethernet, необходимо иметь в виду ограничение по длине кабеля и максимальному количеству узлов. В таблице приведены спецификации того, что IBM называет малой переносимой сетью Token Ring (small movable Token Ring network), построенной с помощью IBM MAU и экранированного кабеля. Использую концентраторы, фильтры и лучший кабель, можно превзойти эти ограничения. Однако делать это нужно осторожно.

MAU – центральный узел всей сети. В зависимости от конфигурации он может иметь 4, 6, 8, 12 или 16 портов для подключения узлов и два специальных порта – Ring-In (RI) и Ring-Out (RO), предназначенные для соединения двух и более MAU в кольцо. Предположим, у вас есть 8-портовые модули MAU, и нужно создать сеть с 10 рабочими станциями. Для получения электрического кольца необходимо соединить два MAU с помощью портов RI и RO. Порт RI первого MAU соединяется кабелем с портом RO второго; другим кабелем порт RO первого MAU соединяется с портом RI второго рис. 4.2. Таким образом, создается электрическое кольцо между двумя MAU. Некоторые поставщики предлагают “разумные” MAU, которые не нуждаются во втором кабеле между портами RO и RI. MAU фирмы IBM или совместимые с ними необходимо инициализировать с помощью небольшого устройства. Это устройство вставляется в каждый порт и создает слабый электрический ток, который сбрасывает реле в портах MAU, при этом слышен щелчок.

Устройства сети Token Ring.

Кабели. Стандарт Token Ring определяет семь типов кабельных соединений, которые известны под общим названием кабельная система IBM. Все семь типов кабелей имеют индивидуальные конструктивные спецификации; их использование и прокладка осуществляется в соответствии с определенными рекомендациями, касающимися длины кабельных соединений. Например, кабель тип 3 – неэкранированная витая пара – максимальная длина абонентского кабеля 45 метров. Этот тип кабеля поддерживает до 72 узлов. Кабель типа 3 сопрягается со стандартным разъемом данных IBM через специальный переходник, оснащенный фильтром помех. Кабель типа 3 обычно использует для оконечной нагрузки стандартный телефонный разъем RJ11 или RJ45.

Устройства многостанционного доступа и концентраторы кабельных соединений. Современные модели концентраторов, предназначенных для работы в локальных сетях, включают встроенные развитые логические возможности. Концентраторы снабжены диагностическим программным обеспечением для тестирования концентратора независимо от сетевой операционной системы. Самые популярные новые серии концентраторов включают интеллектуальные устройства, поддерживающие кабель типа UTP. Системы кабельных соединений типа UTP сравнительно недороги и удобны в эксплуатации. В некоторых случаях они допускают большие расстояния, чем те, что предусмотрены соответствующими спецификациями. Некоторые из них рассчитаны на применение смешанных топологий, обеспечивая межсетевые связи.

Мосты. Мост (bridge) представляет собой устройство, которое соединяет одну локальную сеть с другой на уровне линии передачи данных OSI.

Некоторые мосты называются мостами MAC-уровня, поскольку осуществляют связь на уровне МАС. Связь этого вида возможна при условии однородности двух локальных сетей. Например, если локальная сеть Token Ring соединена мостом с другой сетью Token Ring, они могут полностью осуществлять связь через мост МАС-уровня. Но если локальная сеть Token Ring соединена мостом с локальной сетью Ethernet, то эти локальные сети считаются разнородными и не могут взаимодействовать на МАС-уровне. В этом случае используется мост LLC-уровня.

Маршрутизаторы. Маршрутизатор (router) отличается от моста тем, что соединяет одну локальную сеть с другой на сетевом уровне OSI, а не на уровне передачи данных. Маршрутизаторы используются при объединении локальных сетей, работа которых регламентируется одними и теми же протоколами. Чаще всего они действуют в больших объединенных сетях, где существует необходимость в логическом разделении локальных сетей.

Повторители. Повторитель работает на физическом уровне – самом нижнем уровне модели OSI. Эти устройства (repeater) электрически удлиняют физическую протяженность кабельного сегмента локальной сети. Они принимают сигнал из одного кабельного сегмента, усиливают его и передают его в другой кабельный сегмент.

Управление средой кольца.

Управление физическим уровнем Token Ring осуществляется по средствам ряда функций, присущих архитектуре Token Ring. Каждая станция в кольце имеет сетевую плату, которая содержит агента. Этот агент взаимодействует с определенными управляющими станциями Token Ring в кольце по средствам передачи кадров МАС. Роль управляющей станции заранее определена архитектурой Token Ring.