Token Ring и FDDI - это функционально намного более сложные технологии, чем Ethernet на разделяемой среде. Разработчики этих технологий стремились наделить сеть на разделяемой среде многими положительными качествами: сделать механизм разделения среды предсказуемым и управляемым, обеспечить отказоустойчивость сети, организовать приоритетное обслуживание для чувствительного к задержкам трафика, например голосового. Нужно отдать им должное - во многом их усилия оправдались, и сети FDDI довольно долгое время успешно использовались как магистрали сетей масштаба кампуса, в особенности в тех случаях, когда нужно было обеспечить высокую надежность магистрали.
Механизм доступа к среде в сетях Token Ring и FDDI является более детерминированным, чем в сетях Ethernet. Рассмотрим его на примере сети Token Ring, станции которой связаны в кольцо (рис. 1), так что любая станция непосредственно получает данные только от одной станции - той, которая является предыдущей в кольце, а передает данные своему ближайшему соседу вниз по потоку данных. Скорость передачи данных в первых сетях Token Ring, разработанных компанией IBM, была всего 4 Мбит/с, но затем была повышена до 16 Мбит/с. Основная среда передачи данных - витая пара. Для адресации станций сети Token Ring (и FDDI) используют МАС-адреса того же формата, что и Ethernet.
Метод доступа Token Ring основан на передаче от узла к узлу специального кадра - токена, или маркера, доступа, при этом только узел, владеющий токеном, может передавать свои кадры в кольцо, которое становится в этом случае разделяемой средой. Существует лимит на период монопольного использования среды - это так называемое время удержания токена, по истечение которого станция обязана передать токен своему соседу по кольцу. В результате такие ситуации, как неопределенное время ожидания доступа к среде, характерные для Ethernet, здесь исключены (по крайней мере, в тех случаях, когда сетевые адаптеры станций исправны и работают без сбоев). Максимальное время ожидания всегда нетрудно оценить, так как оно равно произведению времени удержания токена на количество станций в кольце. Так как станция, получившая токен, но не имеющая в этот момент кадров для передачи, передает токен следующей станции, то время ожидания может быть меньше.
Рис. 1 Сеть Token Ring
Отказоустойчивость сети Token Ring определяется использованием в сети повторителей (не показанных на рис. 1) для создания кольца. Каждый такой повторитель имеет несколько портов, которые образуют кольцо за счет внутренних связей между передатчиками и приемниками. В случае отказа или отсоединения станции повторитель организует обход порта этой станции, так что связность кольца не нарушается.
Поддержка чувствительного к задержкам трафика достигается за счет системы приоритетов кадров. Решение о приоритете конкретного кадра принимает передающая станция. Токен также всегда имеет некоторый уровень текущего приоритета. Станция имеет право захватить переданный ей токен только в том случае, если приоритет кадра, который она хочет передать, выше приоритета токена (или равен ему). В противном случае станция обязана передать токен следующей по кольцу станции.
Благодаря более высокой, чем в сетях Ethernet, скорости, детерминированности распределения пропускной способности сети между узлами, а также лучших эксплуатационных характеристик (обнаружение и изоляция неисправностей), сети Token Ring были предпочтительным выбором для таких чувствительных к подобным показателям приложений, ка к банковские системы и системы управления предприятием.
Технологию FDDI можно считать усовершенствованным вариантом Token Ring, так как в ней, как и в Token Ring, используется метод доступа к среде, основанный на передаче токена, а также кольцевая топология связей, но вместе с тем FDDI работает на более высокой скорости и имеет более совершенный механизм отказоустойчивости.
Технология FDDI стала первой технологией локальных сетей, в которой оптическое волокно, начавшее применяться в телекоммуникационных сетях с 70-х годов прошлого века, было использовано в качестве разделяемой среды передачи данных. За счет применения оптических систем скорость передачи данных удалось повысить до 100 Мбит/с (позже появилось оборудование FDDI на витой паре, работающее на той же скорости).
В тех случаях, когда нужно было обеспечить высокую надежность сети FDDI, применялось двойное кольцо (рис. 2). В нормальном режиме станции используют для передачи данных и токена доступа первичное кольцо, а вторичное простаивает. В случае отказа, например, при обрыве кабеля между станциями 1 и 2, как показано на рис. 2, первичное кольцо объединяется со вторичным, вновь образуя единое кольцо. Этот режим работы сети называется режимом свертывания колец. Операция свертывания производится средствами повторителей (не показанных на рисунке) и/или сетевых адаптеров FDDI.
Для упрощения этой процедуры данные по первичному кольцу всегда передаются в одном направлении (на диаграммах это направление изображается против часовой стрелки), а по вторичному - в обратном (изображается по часовой стрелке). Поэтому при образовании общего кольца из двух колец передатчики станций по-прежнему остаются подключенными к приемникам соседних станций, что позволяет правильно передавать и принимать информацию соседними станциями.
Рис. 2 Отказоустойчивость в сети FDDI
В стандартах FDDI много внимания отводится различным процедурам, которые позволяют определить факт наличия отказа в сети, а затем произвести необходимое реконфигурирование. Технология FDDI расширяет механизмы обнаружения отказов технологии Token Ring за счет резервных связей, которые предоставляет второе кольцо.
Сети стандарта Token Ring, используют разделяемую среду передачи данных, которая состоит из отрезков кабеля, соединяющих все станции сети в кольцо. Сети Token Ring работают с двумя битовыми скоростями - 4 Мб/с и 16 Мб/с.
Кольцо рассматривается как общий разделяемый ресурс, и для доступа к нему используется не случайный алгоритм, как в сетях Ethernet, а детерминированный, основанный на передаче станциями права на использование кольца в определенном порядке. Для обеспечения доступа станций к физической среде по кольцу циркулирует кадр специального формата и назначения - маркер (токен) .
Получив маркер, станция анализирует его, при необходимости модифицирует 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.
При поступлении кадра данных к одной или нескольким станциям, эти станции копируют для себя этот кадр и вставляют в этот кадр подтверждение приема. Станция, выдавшая кадр данных в кольцо, при обратном его получении с подтверждением приема изымает этот кадр из кольца и выдает новый маркер для обеспечения возможности другим станциям сети передавать данные.
В сетях Token Ring 16 Мб/с используется несколько другой алгоритм доступа к кольцу, называемый алгоритмом раннего освобождения маркера. 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 и приближается к 80 % от номинальной.
Для различных видов сообщений передаваемым данным могут назначаться различные приоритеты.
Каждая станция имеет механизмы обнаружения и устранения неисправностей сети, возникающих в результате ошибок передачи или переходных явлений (например, при подключении и отключении станции).
Не все станции в кольце равны. Одна из станций обозначается как активный монитор, что означает дополнительную ответственность по управлению кольцом. Активный монитор осуществляет управление тайм-аутом в кольце, порождает новые маркеры (если необходимо), чтобы сохранить рабочее состояние, и генерирует диагностические кадры при определенных обстоятельствах. Активный монитор выбирается, когда кольцо инициализируется, и в этом качестве может выступить любая станция сети. Если монитор отказал по какой-либо причине, существует механизм, с помощью которого другие станции (резервные мониторы) могут договориться, какая из них будет новым активным монитором.
В Token Ring существует три различных формата кадров:
Кадp данных;
Пpеpывающая последовательность.
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.
Технология сетей Token Ring была впервые представлена IBM в 1982 г. и в 1985 г. была включена IEEE (Institute for Electrical and Electronic Engeneers) как стандарт 802.5. Token Ring попрежнему является основной технологией IBM для локальных сетей (LAN), уступая по популярности среди технологий LAN только Ethernet/IEEE 802.3. Сети Token Ring работают с двумя битовыми скоростями - 4 Мб/с и 16 Мб/с. Первая скорость определена в стандарте 802.5, а вторая является новым стандартом де-факто, появившимся в результате развития технологии Token Ring.
В Token Ring кабели подключаются по схеме “звезда”, однако он функционирует как логическое кольцо.
В логическом кольце циркулирует маркер (небольшой кадр специального формата, называемый иногда токеном), когда он доходит до станции, то она захватывает канал. Маркер всегда циркулирует в одном направлении. Узел, получающий маркер у ближайшего вышерасположенного активного соседа передает его нижерасположенному. Каждая станция в кольце получает данные из занятого маркера и отправляет их (в точности повторяя маркер) соседнему узлу сети. Таким способом данные циркулируют по кольцу до тех пор, пока не достигнут станции – адресата. В свою очередь эта станция сохраняет данные и передает их протоколам верхнего уровня а кадр передает дальше (поменяв в нем два бита – признак получения). Когда маркер достигает станции–отправителя – он высвобождается, и далее процесс продолжается аналогично.
В сетях Token Ring 16 Мб/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 и приближается к 80 % от номинальной. Когда информационный блок циркулирует по кольцу, маркер в сети отсутствует (если только кольцо не обеспечивает "раннего освобождения маркера"), поэтому другие станции, желающие передать информацию, вынуждены ожидать.Таким образом по сети может в один момент времени передаваться только один пакет следовательно, в сетях Token Ring не может быть коллизий. Если обеспечивается раннее высвобождение маркера, то новый маркер может быть выпущен после завершения передачи блока данных.
Сети Тоkеn Ring используют сложную систему приоритетов, которая позволяет некоторым станциям с высоким приоритетом, назначенным пользователем, более часто пользоваться сетью. Блоки данных Token Ring содержат два поля, которые управляют приоритетом: поле приоритетов и поле резервирования.
Только станции с приоритетом, который равен или выше величины приоритета, содержащейся в маркере, могут завладеть им. После того, как маркер захвачен и изменен(в результате чего он превратился в информационный блок), только станции, приоритет которых выше приоритета передающей станции, могут зарезервировать маркер для следующего прохода по сети. При генерации следующего маркера в него включается более высокий приоритет данной резервирующей станции. Станции, которые повышают уровень приоритета маркера, должны восстановить предыдущий уровень приоритета после завершения передачи.
Когда кольцо установлено, интерфейс каждой станции хранит адреса предшествующей станции и последующей станции в кольце. Периодически держатель маркера рассылает один из SOLICIT_SUCCESSOR кадр, предлагая новым станциям присоединиться к кольцу. В этом кадре указаны адрес отправителя и адрес следующий за ним станции в кольце. Станции с адресами в этом диапазоне адресов могут присоединиться к кольцу. Таким образом сохраняется упорядоченность (по возрастанию) адресов в кольце. Если ни одна станция не откликнулась на SOLICIT_SUCCESSOR кадр, то станция-обладатель маркера закрывает окно ответа и продолжает функционировать как обычно. Если есть ровно один отклик, то откликнувшаяся станция включается в кольцо и становиться следующей в кольце. Если две или более станции откликнулись, то фиксируется коллизия. Станция-обладатель маркера запускает алгоритм разрешения коллизий, посылая кадр RESOLVE_CONTENTION. Этот алгоритм - модификация алгоритма обратного двоичного счетчика на два разряда.
У каждой станции в интерфейсе есть два бит, устанавливаемых случайно. Их значения 0,1,2 и 3. Значение этих битов определяют величину задержки, при отклике станции на приглашение подключиться к кольцу. Значения этих бит переустанавливаются каждые 50mсек.
Процедура подключения новой станции к кольцу не нарушает наихудшее гарантированное время для передачи маркера по кольцу. У каждой станции есть таймер, который сбрасывается когда станция получает маркер. Прежде чем он будет сброшен его значение сравнивается с некоторой величиной. Если оно больше, то процедура подключения станции к кольцу не запускается. В любом случае за один раз подключается не более одной станции за один раз. Теоретически станция может ждать подключения к кольцу сколь угодно долго, на практике не более нескольких секунд. Однако, с точки зрения приложений реального времени это одно из наиболее слабых мест 802.4.
Отключение станции от кольцо очень просто. Станция Х с предшественником S и последователем Р шлет кадр SET_SUCCESSOR, который указывает Р что отныне его предшественником является S. После этого Х прекращает передачу.
Инициализация кольца - это специальный случай подключения станции к кольцу. В начальный момент станция включается и слушает канал. Если она не обнаруживает признаков передачи, то она генерирует CLAIM_TOKEN маркер.
Если конкурентов не обнаружилось, то она генерирует маркер сама и устанавливает кольцо из одной станции. Периодически она генерирует кадры SOLICIT_SUCCESSOR, приглашая другие станции включиться в кольцо. Если в начальный момент сразу две станции были включены, то запускается алгоритм обратного двоичного счетчика с двумя разрядами.
Под ISU (Information Symbol Unit) понимается единица передачи информации
Общая часть
В сетях Token Ring используются различные типы кадров:
Data/Command Frame (кадр управления/данные), Token (маркер), Abort (кадр сброса).
Аппаратное обеспечение сетей Token Ring
При подключении устройств в ARCNet применяют топологию шина или звезда. Адаптеры ARCNet поддерживают метод доступа Token Bus (маркерная шина)
Смешение станций, работающих на различных скоростях, в одном кольце не допускается.
Коллизии
Из-за ошибок передач и сбоев оборудования могут возникать проблем с передачей маркера - коллизии. Стандарт Token Ring четко определяет методы разрешения коллизий:
Важной для разрешения коллизий является возможность станций “слушать” после передачи.
В случае, если станция передает маркер соседней, а та в это время отключается (например из-за аппаратного сбоя), то если не последует передач кадра или маркера, то маркер посылается вторично.
Если и при повторной передаче маркера ничего не последовало, то станция посылает WHO_FOLLOWS кадр, где указан не отвечающий сосед. Увидя этот кадр, станция, для которой не отвечающая станция - предшественник, шлет кадр SET_SUCCESSOR, и становится новым соседом. При этом неотвечающая станция исключается из кольца.
В случае, если остановилась не только следующая станция, но и следующая за ней - запускается новая процедура, посылкой кадра SOLICIT_SUCCESSOR_2. В ней участвует процедура разрешения конфликтов. При этом все кто хочет подключиться к кольцу могут это сделать. Фактически кольцо переустанавливается.
Другой вид проблем возникает, когда останавливается держатель маркера и маркер исчезает из кольца. Эта проблема решается запуском процедуры инициализации кольца. У каждой станции есть таймер, который сбрасывается каждый раз, когда маркер появляется. Если значение этого таймера превысит некоторой заранее установленное значение (time out), то станция генерирует кадр CLAIM_TOKEN. При этом запускается алгоритм обратного двоичного счетчика.
Если оказалось два и более маркеров на шине, станция, владеющая маркером, увидев передачу маркера на шине, сбрасывает свой маркер. Так повторяется до тех пор пока не останется ровно один маркер в системе.
Не все станции в кольце равны. Одна из станций обозначается как активный монитор, что означает дополнительную ответственность по управлению кольцом. Активный монитор осуществляет управление тайм-аутом в кольце, порождает новые маркеры (если необходимо), чтобы сохранить рабочее состояние, и генерирует диагностические кадры при определенных обстоятельствах. Активный монитор выбирается, когда кольцо инициализируется, и в этом качестве может выступить любая станция сети. Алгоритм определения активного монитора следующий: при включении или если какая-то станции заметит отсутствие монитора, она посылает CLAIM_TOKEN кадр. Если она первая, кто послал такой кадр, то она и становится монитором
Если монитор отказал по какой-либо причине, существует механизм, с помощью которого другие станции (резервные мониторы) могут договориться, какая из них будет новым активным монитором. Одной из функций для которых служит активный монитор является удаление из кольца постоянно циркулирующих блоков данных. Если устройство, отправившее блок данных,
отказало, то этот блок может постоянно циркулировать по кольцу. Это может помешать другим станциям передавать собственные блоки данных и фактически блокирует сеть. Активный монитор может выявлять и удалять такие блоки и генерировать новый маркер. Важной функцией монитора является установка задерки на кольце, задержка должна быть достаточна, для того, чтобы в кольце уместился 24-битный маркер.
Звездообразная топология сети IBM Token Ring также способствует повышению общей надежности сети. Т.к. вся информация сети Token Ring просматривется активными MSAU, эти устройства можно запрограммировать так, чтобы они проверяли наличие проблем и при необходимости выборочно удаляли станции из кольца.
Алгоритм Token Ring, называемый "сигнализирующим" (beaconing ), выявляет и пытается устранить некоторые неисправности сети. Если какая-нибудь станция обнаружит серьезную проблему в сети (например такую, как обрыв кабеля), она высылает сигнальный блок данных. Сигнальный блок данных указывает домен неисправности, в который входят станция, сообщающая о неисправности, ее ближайший активный сосед, находящийся выше по течению потока информации (NAUN), и все, что находится между ними. Сигнализация инициализирует процесс, называемый "автореконфигурацией" (autoreconfiguration ), в ходе которого узлы, расположенные в пределах отказавшего домена, автоматически выполняют диагностику, пытаясь реконфигурировать сеть вокруг отказавшей зоны. В физическом плане MSAU может выполнить это с помощью электрической реконфигурации.
Практическая часть
Пусть у нас есть сеть из 50 станций, работающая на скорости 10 Мбит/сек и настроенная так, что на подстанции с приоритетом 6 остается 1/3 пропускной способности. Тогда каждая станция имеет гарантированно для приоритета 6 скорость не менее 67 Кб/с. Эта пропускная способность может быть использована для управления устройствами в реальном масштабе времени.
Важной проблемой при создании кольцевой сети является "физическая длина" бита. Пусть данные передаются со скоростью R Mbps. Это значит, что каждые 1/R ms на линии появляется бит. Учитывая, что сигнал распространяется со скоростью 200 m/ms, то один бит занимает 200/R метров кольца. Отсюда, при скорости 1 Мbps и длине окружности 1 км кольцо вмещает не более 5 бит одновременно.
Следствием конструкции сети кольцо с маркером является т, что сеть должна иметь достаточную протяженность, чтобы маркер могут уместиться в ней целиком даже когда все станции находятся в ожидании. Задержки складываются из двух компонентов - 1 бит задержка на интерфейсе станции и задержка на распространение сигнала. Учитывая, что станции могут выключаться, например
на ночь, следует что на кольце должна быть искусственная задержка, если кольцо не достаточно длинное. При малой загрузке станции в сети кольцо с маркером сразу смогут передавать свои сообщения. По мере роста загрузки у станций будут расти очереди на передачу и они в соответствии с кольцевым алгоритмом будут захватывать маркер и вести передачу. Постепенно загрузка кольца будет расти пока не достигнет 100%.
Формат маркера
Кадр маркера состоит из трех полей, каждое длиной в один байт.
Поле начального ограничителя появляется в начале маркера, а также в начале любого кадра, проходящего по сети. Поле состоит из уникальной серии электрических импульсов, которые отличаются от тех импульсов, которыми кодируются единицы и нули в байтах данных. Поэтому начальный ограничитель нельзя спутать ни с какой битовой последовательностью.
Поле
контроля доступа.
Разделяется
на четыре элемента данных:
PPP T M RRR,
где PPP - биты приоритета, T - бит маркера,
M - бит монитора, RRR - резервные биты.
Каждый кадр или маркер имеет приоритет, устанавливаемый битами приоритета (значение от 0 до 7, 7 - наивысший приоритет). Станция может воспользоваться маркером, если только она получила маркер с приоритетом, меньшим или равным, чем ее собственный. Сетевой адаптер станции, если ему не удалось захватить маркер, помещает свой приоритет в резервные биты маркера, но только в том случае, если записанный в резервных битах приоритет ниже его собственного. Эта станция будет иметь преимущественный доступ при последующем поступлении к ней маркера.
Схема использования приоритетного метода захвата маркера показана на рисунке 13. Сначала монитор помещает в поле текущего приоритета P максимальное значение приоритета, а поле резервного приоритета R обнуляется (маркер 7110). Маркер проходит по кольцу, в котором станции имеют текущие приоритеты 3, 6 и 4. Так как эти значения меньше, чем 7, то захватить маркер станции не могут, но они записывают свое значение приоритета в поле резервного приоритета, если их приоритет выше его текущего значения. В результате маркер возвращается к монитору со значением резервного приоритета R = 6. Монитор переписывает это значение в поле P, а значение резервного приоритета обнуляет, и снова отправляет маркер по кольцу. При этом обороте его захватывает станция с приоритетом 6 - наивысшим приоритетом в кольце в данный момент времени.
Бит маркера имеет значение 0 для маркера и 1 для кадра.
Бит монитора устанавливается в 1 активным монитором и в 0 любой другой станцией, передающей маркер или кадр. Если активный монитор
видит маркер или кадр, содержащий бит монитора в 1, то активный монитор знает, что этот кадр или маркер уже однажды обошел кольцо и не был обработан станциями. Если это кадр, то он удаляется из кольца. Если это маркер, то активный монитор переписывает приоритет из резервных битов полученного маркера в поле приоритета. Поэтому при следующем проходе маркера по кольцу его захватит станция, имеющая наивысший приоритет.
Поле конечного ограничителя - последнее поле маркера. Так же, как и поле начального ограничителя, это поле содержит уникальную серию электрических импульсов, которые нельзя спутать с данными. Кроме отметки конца маркера это поле также содержит два подполя: бит промежуточного кадра и бит ошибки. Эти поля относятся больше к кадру данных, который мы и рассмотрим
--------
Поля Start delimiter и End delimiter предназначены для распознавания начала и конца кадра. Они имеют специальную кодировку, которая не может встретиться у пользователя. Поэтому поля длина кадра не требуется. Поле Frame control отделяет управляющие поля от полей данных. Для кадров данных здесь указывается приоритет кадра. Это поле также используется станцией получателем для подтверждения корректного или не корректного получения кадра. Без этого поля получатель был бы лишен возможности давать подтверждения - у него нет маркера.
Token ring и FDDI
Технология Fiber Distributed Data Interface (FDDI ) - первая технология локальных сетей, которая использовала в качестве среды передачи данных оптоволоконный кабель.
FDDI по существу представляет собой быстродействующий вариант Token Ring на волоконной оптике. В отличае от Token Ring FDDI реализуется без традиционных концентраторов-“хабов”. Еще одним отличием FDDI от Token Ring является возможность передавать данные одновременно, т.е. в сетях FDDI может одновременно циркулировать несколько кадров.
По своей топологии FDDI состоит из двух логических колец с циркуляцией маркеров по ним в противоположных направлениях. Кольца образуют основной и резервный пути передачи данных между узлами сети. Использование двух колец - это основной способ повышения отказоустойчивости в сети FDDI, и узлы, которые хотят им воспользоваться, должны быть подключены к обоим кольцам. В нормальном режиме работы сети данные проходят через все узлы и все участки кабеля первичного (Primary) кольца, поэтому этот режим назван режимом Thru - "сквозным" или "транзитным". Вторичное кольцо (Secondary) в этом режиме не используется. В случае какого-либо вида отказа, когда часть первичного кольца не может передавать данные (например, обрыв кабеля или отказ узла), первичное кольцо объединяется со вторичным
), образуя вновь единое кольцо. Этот режим работы сети называется Wrap, то есть "свертывание" или "сворачивание" колец. Операция свертывания производится силами концентраторов и/или сетевых адаптеров FDDI. Для упрощения этой процедуры данные по первичному кольцу всегда передаются против часовой стрелки, а по вторичному - по часовой. Поэтому при образовании общего кольца из двух колец передатчики станций по-прежнему остаются подключенными к приемникам соседних станций, что позволяет правильно передавать и принимать информацию соседними станциями.
В FDDI достигается битовая скорость 100 Мб/с
Процедура инициализации FDDI несколько отличается от инициализации Token Ring:
Для выполнения процедуры инициализации каждая станция сети должна знать о своих требованиях к максимальному времени оборота токена по кольцу. Эти требования содержатся в параметре, называемом "требуемое время оборота токена" - TTRT (Target Token Rotation Time) .
Параметр TTRT отражает степень потребности станции в пропускной способности кольца - чем меньше время TTRT, тем чаще станция желает получать токен для передачи своих кадров. Процедура инициализации позволяет станциям узнать о требованиях ко времени оборота токена других станций и выбрать минимальное время в качестве общего параметра T_Opr, на основании которого в дальнейшем будет распределяться пропускная способность кольца. Параметр TTRT должен находиться в пределах от 4 мс до 165 мс и может изменяться администратором сети.
Для проведения процедуры инициализации станции обмениваются служебными кадрами МАС-уровня - кадрами Claim. Эти кадры имеют в поле управления значение 1L00 0011, поле адреса назначения содержит адрес источника (DA = SA), а в поле информации содержится 4-х байтовое значение запрашиваемого времени оборота токена T_Req.
Если какая-либо станция решает начать процесс инициализации кольца по своей инициативе, то она формирует кадр Claim Token со своим значением требуемого времени оборота токена TTRT, то есть присваивает полю T_Req свое значение TTRT. Захвата токена для отправки кадра Claim не требуется. Любая другая станция, получив кадр Claim Token, начинает выполнять процесс Claim Token. При этом станции устанавливают признак нахождения кольца в работоспособном состоянии Ring_Operational в состояние False, что означает отмену нормальных операций по передаче токена и кадров данных. В этом состоянии станции обмениваются только служебными кадрами Claim.
Для выполнения процедуры инициализации каждая станция поддерживает таймер текущего времени оборота токена TRT (Token Rotation Timer), который используется также и в дальнейшем при работе кольца в нормальном режиме. Для упрощения изложения будем считать, что этот таймер, как и другие таймеры станции, инициализируется нулевым значением и затем наращивает свое значение до определенной величины, называемой порогом истечения таймера. (В реальном кольце FDDI все таймеры работают в двоичном дополнительном коде).
Таймер TRT запускается каждой станцией при обнаружении момента начала процедуры Claim Token. В качестве предельного значения таймера выбирается максимально допустимое время оборота токена, то есть 165 мс. Истечение таймера TRT до завершения процедуры означает ее неудачное окончание - кольцо не удалось инициализировать. В случае неудачи процесса Claim Token запускается процессы Beacon и Trace, с помощью которых станции кольца пытаются выявить некорректно работающую часть кольца и отключить ее от сети.
Во время выполнения процесса Claim Token каждая станция сначала может отправить по кольцу кадр Claim со значением T_Req, равным значению ее параметра TTRT. При этом она устанавливает значение T_Opr, равное значению TTRT. Рассмотрим пример инициализируемого кольца, приведенный на рисунке 9.
В некоторый момент времени все станции передали по кольцу свои предложения о значении максимального времени оборота токена: 72 мс, 37 мс, 51 мс и 65 мс. Станция, приняв кадр Claim от предыдущей станции, обязана сравнить значение T_Req, указанное в кадре со значением TTRT своего предложения.
Если другая станция просит установить время оборота токена меньше, чем данная (то есть T_Req
Станция, являющаяся источником кадра для сети, ответственна за то, чтобы удалить кадр из сети, после того, как он, совершив полный оборот, вновь дойдет до нее.
Начальные версии различных составляющих частей стандарта FDDI были разработаны комитетом Х3Т9.5 в 1986 - 1988 годах, и тогда же появилось первое оборудование - сетевые адаптеры, концентраторы, мосты и маршрутизаторы, поддерживающие этот стандарт.
В настоящее время большинство сетевых технологий поддерживают оптоволоконные кабели в качестве одного из вариантов физического уровня, но FDDI остается наиболее отработанной высокоскоростной технологией, стандарты на которую прошли проверку временем и устоялись, так что оборудование различных производителей показывает хорошую степень совместимости.
Законодателем моды технологии Token Ring , производя около 60 % сетевых адаптеров этой технологии . Сети Token Ring работают с двумя... Token Ring является более сложной технологией , чем Ethernet. Она обладает свойствами отказоустойчивости. В сети Token Ring ...
... (frame switching) в локальных сетях Ограничения традиционных технологий (Ethernet, Token Ring ), основанных на разделяемых средах... передачи в сетях Token Ring или FDDI (рисунок 2.13). Принцип работы коммутатора в сетях любых технологий оставался...
Token Ring технология (маркерное кольцо) была разработана фирмой IBM в конце 1970-х годов. Спецификации IEEE 802.5 практически повторяют фирменные спецификации, отличаясь лишь в некоторых деталях (например, IEEE 802.5 не оговаривает среду передачи и топологию сети, а фирменный стандарт определяет крученную вару как среду и звезду как физическая топология).
Сети Token Ring могут работать на одной из двух битовых скоростей: 4 Мбит/с (IEEE 802.5) или 16 Мбит/с (IEEE 802.5r). В одном кольце могут быть присутствует только станции, которые работают на одной скорости.
Token Ring определяет логическую топологию “кольцо”: каждая станция связана с двумя соседними. Физически же станции соединяются в звездообразную сеть, в центре которой находится устройство многостанционного доступа (MSAU, Multi-Station Access Unit), в сущности являются повторителем. Как правило, MSAU умеет исключать неработающую станцию из кольца (для этого используется шунтирующее реле). MSAU имеют также отдельные разъемы для объединения нескольких MSAU в одно большое кольцо.
Максимальное количество станций в кольце – 250 (IEEE 802.5), 260 (IBM Token Ring, кабель STP) и 72 (IBM Token Ring, кабель UTP).
Максимальная длина кольца Token Ring составляет 4000 м.
В конце 1990-х годов компанией IBM разработан новый вариант технологии Token Ring – High Speed Token Ring (HSTR), что поддерживает скорости в 100 и 155 Мбит/с. Ведутся разработки версии Token Ring со скоростью в 1 Гбит/с.
Token Ring – это самая распространенная технология локальной сети с передачей маркера. В таких сетях циркулирует (передается станциями друг другу в определенном порядке) специальный блок данных – маркер (token). Станция, которая приняла маркер, имеет право передавать свои данные. Для этого она изменяет в маркере один бит (“маркер занят”), добавляет к нему свои данные и передает в сеть (следующие станции). Станции передают такой кадр далее по кольце, пока он не достигнет получателя, который скопирует из него данные и передаст дальше. Когда отправитель получает свой кадр с данными, который сделал полный круг, он его отбрасывает и или передает новый кадр данных (если не минуло максимальное время владения маркером), или изменяет бит занятости маркера на “свободный” и передает маркер далее по кольце.
В течение всего времени владения маркером, к и после передачи своего кадра, станция должна выдавать последовательность, которая заполняет (fill sequence), - произвольную последовательность 0 и 1. Это делается для поддержки синхронизации и контроля за обрывом кольца.
Основной режим работы адаптера - повторение: передатчик побитно выдает данные, которые поступили к приемнику. Когда в станции есть кадр для передачи и принят свободный маркер, станция переходит в режим передачи, при этом битовый поток, который поступает через приемник, анализируется на служебные кадры и или (если обнаружен служебный кадр) инициирующее прерывание (прекращение передачи своего кадра и выдача кадра прерывания), или приняты данные отбрасываются.
В сетях Token Ring 4 Мбит/со станция освобождала маркер только по возвращении ее кадра данных. Сети Token Ring 16 Мбит/с используют алгоритм раннего освобождения маркера (Early Token Release): маркер передается в кольцо сразу по окончании передачи кадру данных. При этом по кольцу одновременно передается несколько кадров данных, но генерировать их в каждый момент времени может только одна станция, которая владеет в этот момент маркером.
За правильной работой сети следит активный монитор (Active Monitor, AM), избираемый во время инициализации кольца как станция с максимальным MAC-адресою. В случае отказа активного монитора, проводятся выборы нового (все станции в сети, кроме активного монитора, считаются резервными мониторами (Standby monitor)). Основная функция активного монитора – контроль наличия единственного маркера в кольце. Монитор выпускает в кольцо маркер и удаляет кадры, которые прошли больше одного оборота по кольцу. Чтобы сообщить другие станции о себе, активный монитор периодически передает служебный кадр AMP. Если за время какой-то (достаточный для оборота маркера по кольцу) маркер не вернется к активному монитору, маркер считается затерянным, и активный монитор генерирует новый маркер.
На режим передачи кадров влияют отмеченные в стандарте максимальные интервалы времени, за соблюдением которых следят специальные таймеры в сетевых адаптерах (приведены значения за умалчиванием, администратор сети может их изменять):
Token Ring определяет три типа кадров: маркер, кадр данных (служебных или пользовательских) и прерывания.
Кадр данных
Прерывание
Рис.8.1. Форматы кадров Token Ring
Поле SD (Starting Delimiter, начальное ограничение) указывает на начало кадра и имеет значение JK0JK000 в манчестерском коде. Поскольку в поле присутствуют специальных кодов J и K, последовательность данных нельзя попутать с ограничением кадру.
Поле ED (Ending Delimiter, конечное ограничение) имеет значение JK1JK1IE, где бит I (Intermediate, промежуточный) указывает, является ли кадр промежуточным в последовательности кадров (I=1) или останнім/єдиним (I=0), а бит E (Error, ошибка) указывает на обнаруженную ошибку (E=1).
Поле AC (Access Control, управление доступом) имеет формат PPPTMRRR, где биты PPP (Priority, приоритет) содержат приоритет маркера, бит T (Token, маркер) отличает свободный маркер (T=1) от кадра данных (T=0), бит M (Monitor, монитор) используется для распознавания кадров, которые сделали больше одного оборота по кольцу: монитор устанавливает M=1 во всех проходящих через него кадрах (другие станции устанавливают M=0), а кадры из M=1 должны удаляться монитором. Биты RRR (Priority reservation, резервирование) несут приоритет станции, которая желает захватить маркер.
Поле FC (Frame Control, управление кадром) имеет формат FFZZZZZZ. Биты FF определяют тип кадра:
Биты ZZZZZZ используются LLC-кадрами для хранения информации о приоритете кадра уровня LLC. MAC-кадри в этих битах хранят свой тип. IEEE 802.5 определяет 25 типов MAC-кадрів, среди которых основные:
Поле DA
(Destination Address, адрес назначения) имеет структуру, подобную структуре адреса в стандарте IEEE 802.3. Старший бит адреса определяет получателя: 0 - индивидуальный (одна станция), 1 - групповой. Второй бит адреса определяет способ назначения адреса: 0 - глобально (универсально, зашито в ПЗП адаптера), 1 - локально. Другие биты используются для указания адреса станции, кольца или группы получателей. Несколько адресов зарезервировано для служебных целей:
FF FF FF FF FF FF – широковещательный кадр (всем станциям)
C0 00 FF FF FF FF – широковещательный MAC-кадр
C0 00 00 00 00 01 – активный монитор
C0 00 00 00 00 02 – сервер параметров кольца
C0 00 00 00 00 08 – монитор ошибок кольца
C0 00 00 00 00 10 – сервер отчетов о конфигурации
C0 00 00 00 01 00 – мост
C0 00 00 00 20 00 – управление сетью.
Поле SA (Source Address, адрес источника) имеет тот же формат, что и адрес назначения, за исключением старшего бита. В адресе источника старший бит называется RII (Routing Information Indicator) и указывает (если RII=1) на наличие данных в поле RI.
Поле RI (Routing Information, маршрутная информация), если используется (RII=1), содержит последовательность (двохбайтних) адресов сегментов на пути к получателю. Данные этого поля управляют работой мостов в режиме маршрутизации от источника.
Поле Info содержит или данные пользователя (кадр LLC), или служебные данные, обусловленные типом кадра (кадр MAC). Стандарт не ограничивает размер этого поля, хотя практически его максимальный размер определяется соотношением времен передачи кадру и содержания маркера. Для 4 Мбит/с максимальный размер кадра обычно устанавливается в 4 Кбайт, а для 16 Мбит/с - в 16 Кбайт. Минимальный размер поля данные не определенный.
Поле FCS (Frame Check Sequence, контрольная сумма) хранит 4-байтный CRC-код для всех полей из FC по Info включительно.
Поле FS (Frame Status, статус кадра) имеет формат AСrrACrr. Биты rr зарезервированы и не используются, другие биты дублируются для надежности. Бит A (Address Recognized, адрес распознан) указывает на то, что получатель кадра присутствует в кольце, а бит C (Frame Copied, кадр скопирован) указывает на то, что приемник скопировал кадр себе в буфер. По этим полям станция-отправитель может узнать, что передан ею кадр был получен.
Сети Token Ring
гарантируют, что каждая станция будет получать право на передачу данных не реже, чем раз в установленный интервал времени. Кроме того, используется система приоритетов, что позволяет некоторым станциям пользоваться сетью чаще других. Для этого в кадре Token Ring выделены два поля: полет приоритету и полет резервирование. Всего уровней приоритета восемь: от более низкого (0) к более высокому (7). Маркер тоже всегда имеет некоторый уровень приоритета. Станция может захватить маркер только в том случае, если приоритет кадра, что она собирается передать, не ниже приоритету маркера (битов PPP поля AC).
Станция, которая захватила маркер, хранит старое значение его приоритета, записывает у него приоритет своего кадра и обнуляет поле резервирования. Если в кольце есть станция, которая желает передать кадр из больше высоким приоритетом, то она записывает приоритет своего кадра в поле резервирования проходящего по кольцу кадра, в результате чего после оборота по кольцу в поле резервирования будет записан максимальный приоритет из кадров, которые ожидают передачи. Тогда станция переписывает приоритет из поля резервирования в поле приоритета маркера и выдает свободный маркер в кольцо (захватить такой маркер сможет только станция с кадром отмеченного приоритета).
Станция, которая повышает приоритет маркера, становится запоминающей станцией (stacking station) и организует стек для хранения еще необслуживаемых низких приоритетов. Когда через такую станцию проходит свободный маркер с приоритетом, ровным приоритету на верхушке стека, она вытягивает следующее значение из стека и снижает приоритет маркера к нему.
Механизм приоритетов в сетях Token Ring не является обязательным к использованию. Как правило, большинство дополнений им не пользуется, и кольцо работает в неприоритетном режиме (приоритет маркера всегда равняется 0). Существует тенденция к переносу механизмов приоритетного обслуживания на уровне, выше канального (приоритетное обслуживание могут обеспечивать, например, маршрутизаторы).
При построении больших сетей Тoken Ring придется использовать большое количество колец. Отдельные кольца связываются один с одним, как и в других сетях, с помощью мостов. Мосты бывают "прозрачными" (IEEE 802.1d) и с маршрутизацией от источника. Последние позволяют связать в единственную сеть несколько колец, которые используют общую сетевую IPX- или IP-адресу.
Использование мостов позволяет перебороть и ограничение на число станций в сети (260 для спецификации IBM и 250 для IEEE). Мосты могут связывать между собой фрагменты сетей, которые используют разные протоколы, например, 802.5, 802.4 и 802.3. Пакеты из кольца 1 адресованные объекту этого же кольца никогда не попадут в кольцо 2 и наоборот. Через мост пройдут лишь пакеты, которые адресованы объектам соседнего кольца. Фильтрация пакетов осуществляется по физическому адресу и номеру порта. На основе этих данных формируется собственная база данных, которая содержит информацию об объектах колец, подключенных к мосту. Схема распределения сети с помощью мостов может способствовать снижению эффективной загрузки сети.
Мосты с маршрутизацией от источника могут совмещать только сети Token Ring, а маршрутизация пакетов полагается на все устройства, которые посылают информацию в сеть (отсюда и название этого вида мостов). Это значит, что в каждом из сетевых устройств должно быть загружено программное обеспечение, что позволяет маршрутизовать пакеты от отправителя к получателю. Эти мосты не создают собственные базы данных о расположении сетевых объектов и посылают пакет в соседнее кольцо на основе маршрутного указания, что поступило от отправителя самого пакета. Таким образом, база данных о расположении сетевых объектов оказывается распределенной между станциями, которые хранят собственные маршрутные таблицы. Программы маршрутизации используют сетевой драйвер адаптера. Мосты с маршрутизацией от источника пересматривают все кадры, которые поступают, и отбирают те, которые имеют индикатор информации о маршруте RII=1. Такие кадры копируются, и по информации о маршруте определяется, нужно ли их посылать дальше. Мосты с маршрутизацией от источника могут быть настроены на широковещательную передачу по всем маршрутам, или на широковещательную передачу по одном маршруте.
В сетях со сложной топологией маршруты формируются в соответствии с иерархическим протоколом STP (Spanning Tree Protocol). Этот протокол организует маршруты динамически с выбором оптимального маршрута, если адресат доступен несколькими путями. При этом минимизируется транзитный трафик.
