3.3. Технология Token Ring (802.5)

Технология Token Ring была разработана корпорацией IBM в 1984 году. Разделяемая среда передачи данных Token Ring состоит из отрезков кабеля, соединяющих все компьютеры сети в однонаправленное кольцо. Для доступа к разделяемому кольцу используется детерминированный алгоритм, основанный на передаче компьютерам права на использование кольца в определенном порядке. Это право передается с помощью кадра специального формата – маркера (токена, token).

Сети Token Ring работают с двумя битовыми скоростями – 4 или 16 Мбит/c, смешение скоростей не допускается. Технология Token Ring является более сложной, чем Ethernet, обладает свойствами отказоустойчивости. Определены процедуры контроля работы сети, использующие обратную связь кольцевой структуры – посланный кадр всегда возвращается к станции-отправителю. В некоторых случаях обнаруженные ошибки работы сети автоматически устраняются, например, восстанавливается потерянный маркер. В других случаях ошибки только фиксируются для их устранения обслуживающим персоналом.

Для контроля сети один компьютер назначается активным монитором. Активный монитор выбирается во время инициализации кольца как компьютер с максимальным значением MAC-адреса, после чего каждые 3 секунды он генерирует специальный кадр своего присутствия. Если активный монитор выходит из строя (кадра присутствия нет 7 секунд), процедура инициализации кольца повторяется.

Маркерный метод доступа к разделяемой среде. К сетям с детерминированным маркерным методом доступа относятся сети Token Ring, FDDI, а также сети, близкие к стандарту 802.4 (физическая общая шина) – ArcNet (2,5 Мбит/с, разработка компании Datapoint, 1977 год), а также сети производственного назначения MAP. В них право доступа к среде передается маркером, циклически от компьютера к компьютеру по логическому однонаправленному кольцу. В сети Token Ring каждый компьютер может непосредственно взаимодействовать только с предшествующим и последующим компьютерами. Получив маркер, компьютер анализирует его и при отсутствии своих данных для передачи обеспечивает его продвижение дальше. Компьютер, имеющий данные для передачи, изымает полученный маркер из кольца, что дает ему право доступа к среде и передачи своих данных. Затем он выдает в кольцо кадр данных установленного формата, последовательно по битам. Кадр снабжен адресом назначения и адресом источника. Все компьютеры ретранслируют этот кадр побитно, как повторители. Получив кадр и распознав свой адрес, компьютер назначения копирует кадр в свой внутренний буфер, вставляет в кадр признак подтверждения приема и направляет кадр дальше. Компьютер-отправитель, получив по кольцу (свой) кадр с подтверждением приема, изымает его и передает в сеть новый маркер. Этот алгоритм применяется в сетях Token Ring со скоростью работы 4 Мбит/с, описанных в 1985 году в стандарте 802.5.

Время владения разделяемой средой ограничивается временем удержания маркера, по истечении которого компьютер обязан «сдать» маркер. За время удержания маркера (по умолчанию – 10 мс) компьютер должен передать хотя бы один кадр. Максимальный размер кадра не определен и выбирается с запасом. Характеристики объема передачи и кадра сведены в табл.1.

В сетях 16 Мбит/с используется модифицированный алгоритм доступа – раннего освобождения маркера. В соответствии с ним компьютер-отправитель передает маркер следующему компьютеру сразу после окончания передачи последнего бита кадра, не дожидаясь возвращения по кольцу этого кадра с подтверждением приема. При этом пропускная способность кольца используется более эффективно, так как по нему одновременно продвигаются кадры нескольких компьютеров. Но генерировать свои кадры в каждый момент времени, по прежнему, может только один компьютер – владелец маркера. Ускоряется только процедура передачи владения.

Таблица 1

Скорость передачи	Объем передачи за 10 мс	Максимальный размер кадра
4 Мбит/с	5000 байтов	4 Кбайта
16 Мбит/с	20000 байтов	16 Кбайт

За наличие в сети единственного маркера отвечает активный монитор. Если он не получает маркер в течение длительного времени (например, 2,6 с), то он порождает новый маркер.

Приоритетный доступ к кольцу. Для различных видов сообщений, передаваемым кадрам могут назначаться различные приоритеты: от 0 (низший) до 7 (высший). Решение о приоритете принимает передающий компьютер на основании информации с верхних уровней. Маркер также всегда имеет некоторый уровень текущего приоритета (например, 5). Компьютер имеет право захватывать полученный маркер только в том случае, когда приоритет кадра, который он хочет передать (6), не ниже приоритета маркера. Иначе (4) он обязан передать маркер сразу.

Но каждый простаивающий из-за низкого приоритета компьютер при передаче маркера может записать значение наивысшего приоритета своих ожидающих передачи кадров (4) в резервные биты маркера, если это значение выше имеющегося там текущего значения (3). Так определяется приоритет следующего претендента на маркер. А компьютеру, сдающему маркер, остается только переписать текущее значение приоритета из резервных битов в поле приоритета маркера, обнулив резервные биты. При инициализации кольца основной и резервный приоритет обнуляются.

Механизм приоритетов начинает работать только в том случае, когда приложение, прикладной протокол или устройства более высоких уровней решают его использовать.

Физический уровень Token Ring. Связи сети строятся с помощью концентраторов (Multistation Access Unit, MAU) (рис.3.5). Число узлов – до 260.

Рис.3.5. Сеть Token Ring с двумя MAU

В сети Token Ring могут использоваться активные и пассивные MAU. Пассивный MAU просто соединяет порты внутренними связями так, чтобы подключаемые к портам компьютеры образовали кольцо. Ни усиления сигналов, ни их ресинхронизации он не выполняет. Он только обеспечивает за счет релейных схем обход подключенных, но неработающих компьютеров. Активный MAU выполняет функции регенерации (восстановления формы) сигналов и поэтому иногда называется повторителем. При использовании пассивных MAU роль усилителя сигналов играет каждый сетевой адаптер, а роль ресинхронизирующего блока – сетевой адаптер активного монитора.

В общем случае сеть Token Ring имеет комбинированную звездно-кольцевую конфигурацию. Конечные узлы подключаются к MAU по топологии «звезда», а сами MAU объединяются через специальные порты Ring In (RI) и Ring Out (RO) для образования магистрального физического кольца.

Кабели «компьютер-MAU» называются ответвительными, а кабели «MAU-MAU» – магистральными. Для ответвительных кабелей используется витая пара: экранированная STP (число станций – до 260, длина – до 100 м), неэкранированная UTP (число станций – до 72, длина – до 45 м).

Для пассивных магистральных кабелей используется витая пара: экранированная STP (до 100 м), неэкранированная UTP (до 45 м). Для активных магистральных кабелей используется витая пара: экранированная STP (до 730 м), неэкранированная UTP (до 365 м). Максимальная длина кольца Token Ring – 4000 м.

Сеть Token Ring может строиться на основе нескольких колец, разделенных мостами, маршрутизирующими кадры по принципу «от источника», для чего в кадр добавляется специальное поле с маршрутом прохождения колец.

Недавно компания IBM предложила новый вариант данной технологии – высокоскоростное маркерное кольцо (High Speed Token Ring, HSTR), поддерживающий битовые скорости в 100 и 155 Мбит/с и сохраняющий основные особенности технологии 16 Мбит/с [1, 5].