Локальная сеть Token-Ring

Сеть Token-Ring  предложена фирмой IBM в 1985 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 ей необходимо уделить особое внимание. 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 результате многие фирмы, например 3COM, Novell, Western Digital, Protean приступили к производству адаптеров. Кстати, специально для этой сети, а также для другой сети IBM PC Network была разработана концепция Net BIOS. Если в разработанной ранее сети PC Network программы Net BIOS хранились во встроенной в адаптер постоянной памяти, то в сети Token-Ring уже применялась эму­лирующая Net BIOS 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.

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 много станционные устройства доступа (MSAU или MAU –Multi station Access Unit). Поэтому физически сеть образует звездно-коль­цевую топологию (рис. 5.3). В действительности же абоненты объединяются все-таки в кольцо, то есть каждый из них передает информацию одному соседнему абоненту, а принимает информацию от другого сосед­него абонента.

Концентратор (MAU) при этом только позволяет централизовать зада­ние конфигурации, отключение неисправных абонентов, контроль за ра­ботой сети и т.д. (рис. 5.4). 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 в кольцо замыка­ются только абоненты, подключенные к нему.

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), объединяются между со­бой в кольцо различные концентраторы (рис. 5.5), хотя для этой же цели может также использоваться и единственная однонаправленная линия связи (рис. 5.6).

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. 5.7). 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).

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 следующие.

• Максимальное количество концентраторов типа IBM 8228 MAU - 12.
• Максимальное количество абонентов в сети - 96.
• Максимальная длина кабеля между абонентом и концент­ратором — 45 м.
• Максимальная длина кабеля между концентраторами -45м.
• Максимальная длина кабеля, соединяющего все концентра­торы - 120м.
• Скорость передачи данных - 4 Мбит/с и 16 Мбит/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 100 м (вместо 45), количество концентраторов - до 33, а полная длина кольца, соединяющего концентраторы - до 200 м. Оптоволоконный кабель позволяет увеличивать длину кабеля до 1 км.
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 вер­сий Token-Ring на скорость 100 Мбит/с и на 1000 Мбит/с. Фирма IBM вовсе не собирается отказываться от своей сети, рассматривая ее как до­стойного конкурента Ethernet.

Для передачи информации в Token-Ring используется вариант кода Ман­честер-11. 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 то же время в отличие от Ethernet сеть Token-Ring лучше держит боль­шую 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.

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).

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 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. 5.8): байт начального разделителя (SD - Start Delimiter), байт управления доступом (AC - Access Control) и байт конечного разделите­ля (ED - End Delimiter). Начальный разделитель и конечный раздели­тель 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-11: в тече­ние двух битовых интервалов удерживается один уровень сигнала, а в течение двух остальных — другой уровень. В результате такой сбой синх­ронизации легко выявляется приемником.

Байт управления разделен на четыре поля (рис. 5.9): 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, присоединен 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 позволяют 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.

Формат пакета Token-Ring представлен на рис. 5.10. 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.

Назначение полей пакета следующее:

• Начальный разделитель (SD) является признаком начала пакета.
• Байт управления доступом (АС) имеет то же назначение, что и в маркере.
• Байт управления пакетом (FC - Frame Control) определяет тип пакета (кадра).
• Шести байтовые адреса отправителя и получателя пакета имеют стандартный формат, описанный в разделе 3.2.
• Поле данных включает в себя передаваемую информацию или информацию управления обменом.
• Поле контрольной суммы представляет собой 32-разрядную циклическую контрольную сумму пакета (CRC).
• 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).
• 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.
Отметим, 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 16 Мбит/с длина поля данных может достигать даже 18 Кбайт, 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 (10 Мбит/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 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, 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.