Особенности кольцевых технологий token ring. Технологии локальных сетей. Стандарт Token Ring. Типы кадров технологии Token Ring

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.

Стандарт Token Ring фирмы IBM изначально предусматривал построение связей в сети с помощью концентраторов, называемых MAU (Multistation Access Unit) или MSAU (Multi-Station Access Unit), то есть устройствами многостанционного доступа (рис. 3.15). Сеть Token Ring может включать до 260 узлов.

Рис. 3.15. Физическая конфигурация сети Token Ring

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 MSAU не выполняет. Такое устройство можно считать простым кроссовым блоком за одним исключением - MSAU обеспечивает обход какого-либо порта, когда присоединенный к этому порту компьютер выключают. Такая функция необходима для обеспечения связности кольца вне зависимости от состояния подключенных компьютеров. Обычно обход порта выполняется за счет релейных схем, которые питаются постоянным током от сетевого адаптера, а при выключении сетевого адаптера нормально замкнутые контакты реле соединяют вход порта с его выходом.

Активный концентратор выполняет функции регенерации сигналов и поэтому иногда называется повторителем, как в стандарте Ethernet.

Возникает вопрос - если концентратор является пассивным устройством, то каким образом обеспечивается качественная передача сигналов на большие расстояния, которые возникают при включении в сеть нескольких сот компьютеров? Ответ состоит в том, что роль усилителя сигналов в этом случае берет на себя каждый сетевой адаптер, а роль ресинхронизирующего блока выполняет сетевой адаптер активного монитора кольца. Каждый сетевой адаптер Token Ring имеет блок повторения, который умеет регенерировать и ресинхронизировать сигналы, однако последнюю функцию выполняет в кольце только блок повторения активного монитора.

Блок ресинхронизации состоит из 30-битного буфера, который принимает манчестерские сигналы с несколько искаженными за время оборота по кольцу интервалами следования. При максимальном количестве станций в кольце (260) вариация задержки циркуляции бита по кольцу может достигать 3-битовых интервалов. Активный монитор «вставляет» свой буфер в кольцо и синхронизирует битовые сигналы, выдавая их на выход с требуемой частотой.

Все станции в кольце должны работать на одной скорости - либо 4 Мбит/с, либо 16 Мбит/с. Кабели, соединяющие станцию с концентратором, называются ответвительными (lobe cable), а кабели, соединяющие концентраторы, - магистральными (trunk cable).

Технология Token Ring позволяет использовать для соединения конечных станций и концентраторов различные типы кабеля: STP Type I, UTP Type 3, UTP Type 6, 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 ответвительных кабелей до 100 метров, а при использовании неэкранированной витой пары максимальное количество станций сокращается до 72 при длине ответвительных кабелей до 45 метров.

Расстояние между пассивными MSAU может достигать 100 м при использовании кабеля STP Type 1 и 45 м при использовании кабеля UTP Type 3. Между активными MSAU максимальное расстояние увеличивается соответственно до 730 м или 365 м в зависимости от типа кабеля.

Максимальная длина кольца Token Ring составляет 4000 м. Ограничения на максимальную длину кольца и количество станций в кольце в технологии Token Ring не являются такими жесткими, как в технологии Ethernet. Здесь эти ограничения во многом связаны со временем оборота маркера по кольцу (но не только -есть и другие соображения, диктующие выбор ограничений). Так, если кольцо состоит из 260 станций, то при времени удержания маркера в 10 мс маркер вернется в активный монитор в худшем случае через 2,6 с, а это время как раз составляет тайм-аут контроля оборота маркера. В принципе, все значения тайм-аутов в сетевых адаптерах узлов сети Token Ring можно настраивать, поэтому можно построить сеть Token Ring с большим количеством станций и с большей длиной кольца.

Существует большое количество аппаратуры для сетей Token Ring, которая улучшает некоторые стандартные характеристики этих сетей: максимальную длину сети, расстояние между концентраторами, надежность (путем использования двойных колец).

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.

Выводы

· Технология Token Ring развивается в основном компанией IBM и имеет также статус стандарта IEEE 802.5, который отражает наиболее важные усовершенствования, вносимые в технологию IBM.

· В сетях Token Ring используется маркерный метод доступа, который гарантирует каждой станции получение доступа к разделяемому кольцу в течение времени оборота маркера. Из-за этого свойства этот метод иногда называют детерминированным.

· Метод доступа основан на приоритетах: от 0 (низший) до 7 (высший). Станция сама определяет приоритет текущего кадра и может захватить кольцо только в том случае, когда в кольце нет более приоритетных кадров.

· Сети Token Ring работают на двух скоростях: 4 и 16 Мбит/с и могут использовать в качестве физической среды экранированную витую пару, неэкранированную витую пару, а также волоконно-оптический кабель. Максимальное количество станций в кольце - 260, а максимальная длина кольца - 4 км.

· Технология Token Ring обладает элементами отказоустойчивости. За счет обратной связи кольца одна из станций - активный монитор - непрерывно контролирует наличие маркера, а также время оборота маркера и кадров данных. При некорректной работе кольца запускается процедура его повторной инициализации, а если она не помогает, то для локализации неисправного участка кабеля или неисправной станции используется процедура beaconing.

· Максимальный размер поля данных кадра Token Ring зависит от скорости работы кольца. Для скорости 4 Мбит/с он равен около 5000 байт, а при скорости 16 Мбит/с - около 16 Кбайт. Минимальный размер поля данных кадра не определен, то есть может быть равен 0.

· В сети Token Ring станции в кольцо объединяют с помощью концентраторов, называемых MSAU. Пассивный концентратор MSAU выполняет роль кроссовой панели, которая соединяет выход предыдущей станции в кольце со входом последующей. Максимальное расстояние от станции до MSAU - 100 м для STP и 45 м для UTP.

· Активный монитор выполняет в кольце также роль повторителя - он ресинхронизирует сигналы, проходящие по кольцу.

· Кольцо может быть построено на основе активного концентратора MSAU, который в этом случае называют повторителем.

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

Технология Token Ring разработана компанией IBM в 1970-х гг. Сети, построенные на базе Token Ring, были рассчитаны на скорость обменаВ 4 и 16 Мбит/с при числе сегментов до 250. IEEE в 1985 г. приняла даннуюВ технологию в качестве стандарта IEEE 802.5. При этом в стандарте IEEEВ 802.5 топология не оговорена, а сетевая среда не регламентирована.

Схема передачи данных. Станция может начать передачу данных только после получения от предыдущей станции специального кадра -В маркера доступа. Если станция готова к передаче данных, то

1) узел-отправитель:
- ждет получения маркера,
- захватывает маркер (на определенное время, после истечения которого станция обязана завершить передачу своего очередного кадра и передать маркер доступа следующей станции),
- меняет в маркере один бит, преобразующий маркер во флаг началаВ кадра, вносит в кадр информацию, подлежащую пересылке,
- посылает кадр следующей станции ;
2) переданный в сеть кадр будет двигаться по сети от станции к станции, пока не попадет в узел, которому он адресован;
3) узел назначения:
- копирует необходимую информацию,
- устанавливает флаг копирования (FCI), подтверждающий успешнуюВ доставку кадра адресату,
- возвращает кадр в сеть,
- кадр продолжает движение по сети от станции к станции, покаВ не попадет в узел-отправитель, где он будет уничтожен; путем контроляВ API (индикатора распознавания кадра адресатом) проверяется, подключена ли к сети станция назначения.

Система приоритетов. В кадре Token Ring за управление доступом отвечают два поля - приоритет и резервирование.

Станция может завладеть маркером только, если ее приоритет равен или выше приоритета маркера. Если маркер уже захвачен и преобразован в информационный кадр, то только станция с приоритетом выше, чемВ у станции отправителя, может зарезервировать маркер на следующий цикл.

Станции, которые подняли приоритет маркера, должны его восстановить после завершения передачи.

Физическое соединение

Топологию сети Token Ring можно рассматривать с двух позиций:

логически - кольцо;
физически - звезда.

Отдельные станции присоединяются к сети через специальные концентраторы - многостанционные устройства доступа (Multistation Access Unit, MSAU), которые соединены между собой, образуя кольцо (рис. 4.11 и 4.12).В MSAU может выполнять следующие функции: централизовывать заданиеВ конфигурации, отключать неисправные станции, контролировать работуВ сети и т.д. Для присоединения кабеля к MSAU применяются специальныеВ разъемы, которые обеспечивают замкнутость кольца даже при отключенииВ абонента от сети. Кабель содержит в себе две разнонаправленные линииВ связи. В составе MSAU имеются шунтирующие реле для исключения станций из кольца.

Рис. 4.11.

Механизмы обнаружения и предотвращения сетевых сбоев и ошибок.

В сетях Token Ring существует несколько механизмов обнаружения и предотвращения сетевых сбоев и ошибок:

присвоение одной из станций функций активного монитора, который играет роль центрального источника синхронизации для других станций сети, удаляет из кольца бесконечно циркулирующие кадры, генерирует новые кадры, осуществляет контроль работоспособности сети путемВ вывода из кольца станций, являющихся источником дефективных кадров;
перепрограммирование MSAU для проверки наличия проблемВ и выборочного удаления при необходимости станций из кольца;
применение «сигнализирующего» (beaconing ) алгоритма:
- станция, обнаружившая неисправность сети, высылает сигнальный блок данных, указывающий домен неисправности, состоящий из станции,

сообщающей о неисправности, ее ближайшего активного соседа, расположенного дальше по течению потока информации, и всего, что находится между ними;

Сигнализация инициализирует процесс автореконфигурации (auto-reconfiguration ), в ходе которого узлы, расположенные в пределах отказавшего домена, автоматически выполняют диагностику, пытаясь реконфигурировать сеть вокруг отказавшей зоны.

Рис. 4.12.

Формат блока данных. В сетях на базе Token Ring циркулируют два тина блока данных: блоки маркеров (рис. 4.13) и блоки данных/командВ (рис. 4.14).

Рис. 4.13.

Рис. 4.14.

Блок маркера имеет длину 3 байта. Блок данных и блок команд могут иметь разные размеры в зависимости от размеров информационного ноля.

Блоки данных переносят информацию для протоколов более высоких уровней, а блоки команд содержат управляющую информацию.

Поле ограничитель начала {Start Delimiter) (длина 1 байт) указывает на начало маркера (или блока данных/команд), содержит сигнальныеВ структуры, которые отличают его от остальной части блока данных.

Поле управление доступом (Access Control) (длина 1 байт) содержит следующие компоненты:

поле приоритета;
поле резервирования;
бит маркера, используемый для дифференциации маркера и блокаВ данных/команд;
бит монитора, используемый активным монитором для определения,В циркулирз"ет какой-либо блок в кольце непрерывно или нет.

Поле ограничителя конца {End Delimiter) (длина 1 байт) сигнализирует о конце маркера (или блока данных/ команд), содержит также бит для индикации поврежденного блока и бит идентификации блока, являющегося последним в логической последовательности. Поле управление блоком данных (Frame Control) (длина 1 байт) указывает на тип содержимогоВ блока - данные или управляющая информация. В управляющих блокахВ это поле определяет тип управляющей информации. Поля адрес отправителя и адрес получателя идентифицируют станции пункта назначенияВ и источника. Для IEEE 802.5 длина адресов равна 6 байтам. Поле данныеВ {Data) содержит передаваемые данные. Длина этого поля ограничена временем удержания маркера кольца. Поле контрольная сумма (FCS) содержитВ контрольную сумму, зависящую от содержания блока данных, при помощиВ которой проверяется целостность кадра.

Применение. Сеть на базе технологии Token Ring может применяться для приложений, требующих предсказуемости задержки получения информации и высокой надежности, например в сетях сопряжения с мейнфреймами.

Достоинства и недостатки

Достоинства:

в сетях на базе технологии Token Ring нс может быть коллизий, такВ как передавать информацию по сети может только одна станция, захватившая маркер, остальные станции вынуждены ожидать освобождения маркера;
можно вычислить максимальное время, которое пройдет, прежде чемВ любая станция сети сможет начать передачу данных.

Недостатки:

технология Token Ring представляет собой проприетарный стандартВ (IBM);
технология Token Ring практически прекратила свое развитие;
построение сетей на базе технологии Token Ring не получило распространения.

Когда информационный блок циркулирует по кольцу, маркер в сети отсутствует. Поэтому другие станции, желающие передать информацию, вынуждены ожидать.

Лекция 12.

Технология Token Ring (802.5)

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 станциями права на использование кольца в определенном порядке. Это право передается с помощью кадра специального формата, называемого маркером или токеном (token) .

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. Это более сложная технология, в которой определены процедуры контроля работы сети, придающие ей свойства отказоустойчивости. Так как посланный кадр всегда возвращается на станцию отправитель из-за кольцеобразной структуры сети, то в некоторых случаях обнаруженные ошибки устраняются автоматически, например, восстанавливается 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.

Маркерный метод доступа к разделяемой среде обеспечивает право на доступ циклически по кольцу от станции к станции (Рисунок 55.). 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 Neigghbor, NAUN . Передачу же данных станция всегда осуществляет своему ближайшему соседу вниз по потоку данных.

Рисунок 55. Метод доступа в сети Token Ring

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. Этот алгоритм справедлив для работы со скоростью 4 Мбит/с.

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 20000 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 по окончании передачи последнего бита кадра, не дожидаясь возвращения по кольцу этого кадра с битом подтверждения приема. В этом случае проускная 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, передаваемых 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.

Форматы кадров Token Ring. В стандарте Token Ring существуют три различных формата кадров:

маркер,
кадр данных,
прерывающая последовательность.

Кадр маркера состоит из трех полей, каждое длиной в один байт: начальный ограничитель (Start Delimiter, SD), управление доступом (Access Control), конечный ограничитель (End Delimiter, ED).

Поле начального ограничителя появляется в начале любого кадра, проходящего по сети. Поле представляет собой уникальную последовательность символов манчестерского кода JK0JK000. Поэтому начальный ограничитель нельзя спутать ни с какой битовой последовательностью внутри кадра.

В манчестерском коде для кодирования единиц и нулей используется перепад потенциала, то есть фронт импульса. При манчестерском кодировании каждый такт делится на две части. Информация кодируется перепадами потенциала, проходящими в середине каждого такта. Единица кодируется перепадом от низкого уровня сигнала к высокому, а ноль обратным перепадом. В начале каждого такта может происходить служебный перепад сигнала, если нужно представить несколько единиц или нулей подряд. Так как сигнал изменяется по крайней мере один раз за такт передачи одного бита данных, то манчестерский код обладает хорошими самосинхронизирующимися свойствами. У него нет постоянной составляющей, а основная гармоника в худшем случае имеет частоту N Гц, а в лучшем N/2 Гц.

Поле конечного ограничителя содержит уникальную последовательность манчестерских кодов JK1JK1, а также два однобитовых признака I и E. Признак I (Intermediate) показывает, является ли кадр последним в серии кадров (I=0) или промежуточным (I=1). Признак E (Error) это признак ошибки. Он устанавливается в 0 станцией отправителем, и любая станция кольца, через которую проходит кадр, должна установить этот признак в 1, если она обнаружит ошибку по контрольной сумме или другую некорректность кадра.

Кадр данных состоит из следующих полей: начальный ограничитель (Start Delimiter, SD), управление кадром (Frame Control), адрес назначения (Destination Address, DA), адрес источника (Source Address, SA), данные (INFO), контрольная сумма (Frame Check Sequence, FCS), конечный ограничитель (End Delimiter, ED), статус кадра (Frame Status, FS).

Кадр данных может переносить либо служебные данные для управления кольцом (данные МАС-уровня), либо пользовательские данные (LLC-уровня). Стандарт Token Ring определяет 6 типов управляющих кадров МАС-уровня. Поле FC определяет тип кадра (MAC или LLC), и если он определен как МАС, то поле также указывает, какой из шести типов кадров представлен данным кадром. Назначение этих кадров следующее:

Тест дублирования адреса (DAT) - при первом подсоединении станции к кольцу,
Существует активный монитор (AMP) - периодический кадр активного монитора,
Существует резервный монитор (SMP) - периодический кадр любой другой станции,
Маркер заявки (CT) - кадр станции при отказе активного монитора,
Сигнал (Beacon, BCN) - в случае проблем: обрыв кабеля, выход станции из строя, обнаружение станции, передающей кадры без ожидания маркера,
Очистка (PRG) - используется новым активным монитором для приведения всех станций в исходное состояние и очистки кольца от ранее посланных кадров.

Прерывающая последовательность состоит из двух байтов, содержащих начальный и конечный ограничители. Она может появляться в любом месте потока битов и сигнализирует о том, что текущая передача кадра или маркера отменяется.

Приоритетный доступ к кольцу. Каждый кадр данных или маркер имеет приоритет, устанавливаемый битами РРР поля управления доступом. Станция может воспользоваться маркером, если только у нее есть кадры для передачи с приоритетом равным или большим, чем приоритет маркера. Сетевой адаптер станции с кадрами, у которых приоритет ниже, чем приоритет маркера, не может захватить маркер, но может поместить наибольший приоритет своих ожидающих передачи кадров в резервные биты маркера, но только в том случае, если записанный в резервных битах приоритет ниже его собственного. В результате в резервных битах приоритета устанавливается наивысший приоритет станции, которая пытается получить доступ к кольцу, но не может этого сделать из-за высокого приоритета маркера.

Станция, сумевшая захватить маркер, передает свои кадры с приоритетом маркера, а затем передает маркер следующему соседу. При этом она переписывает значение резервного приоритета в поле приоритета маркера, а резервный приоритет обнуляется. Поэтому при следующем проходе маркера по кольцу его захватывает станция, имеющая наивысший приоритет.

При инициализации кольца основной и резервный приоритеты маркера устанавливаются в 0.

Хотя механизм приоритетов в Token Ring имеется, но он начинает работать только в том случае, когда приложение или прикладной протокол решают его использовать. Иначе все станции будут иметь равные права доступа к кольцу, что в основном и происходит на практикке, так как большая часть приложений этим механизмом не пользуется. Это связано с тем, что приоритеты кадров поддерживаются не во всех технологиях, поэтому приложение будет вести себя по-разному, в зависимости от технологии нижнего уровня, что нежелательно. В современных сетях приоритетность обработки кадров обычно обеспечивается коммутаторами или маршрутизаторами, которые поддерживают их независимо от используемых протоколов канального уровня.

Физический уровень технологии Token Ring. Стандарт Token Ring изначально предусматривал построение связей в сети с помощью концентраторов, называемых MAU или MSAU (Multistation Access Unit), то есть устройствами многостанционного доступа. Сеть Token Ring может включать до 260 узлов (рис.3.15).

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 MSAU не выполняет. Такое устройство можно считать простым кроссовым блоком за одним исключением MSAU обеспечивает обход какого-либо порта, когда присоединенный к этому порту компьютер выключают. Такая функция необходима для обеспечения связности кольца вне зависимости от состояния подключенных компьютеров. Обычно обход порта выполняется за счет релейных схем, которые питаются постоянным током от сетевого адаптера, а при выключении сетевого адаптера нормально замкнутые контакты реле соединяют вход порта с его выходом.

Активный концентратор выполняет функции регенерации сигналов и поэтому иногда называется повторителем. Каждый сетевой адаптер Token Ring имеет блок повторения, который умеет регенерировать и ресинхронизировать сигналы, однако последнюю функцию выполняет в кольце только блок повторения активного монитора.

Блок ресинхронизации состоит из 30-битного буфера, который принимает манчестерские сигналы с несколько искаженными за время оборота по кольцу интервалами следования. При максимальном количестве станций в кольце (260) вариация задержки циркуляции бита по кольцу может достигать 3-х битовых интервалов. Активный монитор "вставляет" свой буфер в кольцо и синхронизирует битовые сигналы, выдавая их на выход с требуемой частотой.

В общем случае сеть Token Ring имеет комбинированную звездно-кольцевую конфигурацию. Конечные узлы подключаются к MSAU по топологии звезды, а сами MSAU объединяются через специальные порты RingIn (RI) и RingOut (RO) для образования магистрального физического кольца. Кабели, соединяющие станцию с концентратором, называются ответвительными (lobe cable), а кабели, соединяющие концентраторы, магистральными (trunk cable). Технология Token Ring позволяет использовать для соединения конечных станций и концентраторов различные типы кабеля: STP Type 1, UTP Type 3, UTP Type 6, а также оптоволоконный кабель.

Максимальная длина кольца Token Ring составляет 4000 м. Ограничения на максимальную длину кольца и количество станций в кольце во многом связаны с временем оборота маркера по кольцу. Так, если кольцо состоит из 260 станций, то при времени удержания маркера 10 мс маркер вернется в активный монитор в худшем случае через 2,6 с, а это время как раз составляет тайм-аут контроля оборота маркера. В принципе, все значения тайм-аутов в сетевых адаптерах сети Token Ring можно настраивать, поэтому можно построить сеть Token Ring с большим количчеством станций и с большей длиной кольца.

Недавно предложен новый вариант технологии High-Speed Token Ring, который поддерживает битовые скорости 100 и 155 Мбит/с, сохраняя основные особенности технологии Token Ring 16 Мбит/с .

Сети Token Ring, как и сети Ethernet, характеризует разделяемая среда передачи данных, которая 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, или токеном (token).

Технология Token Ring был разработана компанией IBM в 1984 году, а затем передана в качестве проекта стандарта в комитет IEЕЕ 802, который на ее основе принял в 1985 году стандарт 802.5.

Каждый ПК работает в Token Ring(рис.2) согласно принципу "Ждать маркера, если необходимо послать сообщение, присоединить его к маркеру, когда он будет проходить мимо. Если проходит маркер, снять с него сообщение и отправить маркер дальше".

Сети Token Ring работают с двумя битовыми скоростями - 4 и 16 Мбит/с. Смешение станций, работающих на различных скоростях, в одном кольце не допускается.

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.

Рисунок 2. Технология Token Ring

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.

Активный концентратор выполняет функции регенерации сигналов, и поэтому иногда называется повторителем, как в стандарте Ethernet.

Все станции в кольце должны работать на одной скорости либо 4 Мбит/с, либо 16 Мбит/с. Кабели, соединяющие станцию с концентратором, называются ответвительными (lobe cable), а кабели, соединяющие концентраторы, - магистральными (trunk cable).

Технология Token Ring позволяет использовать для соединения конечных станций и концентраторов различные типы кабеля:

STP Type 1 - экранированная витая пара (Shielded Twistedpair).

В кольцо допускается объединять до 260 станций при длине ответвительных кабелей до 100 метров;

UTP Туре 3, UTP Туре 6 - неэкранированная витая пара (Unshielded Twistedpair). Максимальное количество станций сокращается до 72 при длине ответвительных кабелей до 45 метров;

Волоконно-оптический кабель.

Расстояние между пассивными MSAU может достигать 100 м при использовании кабеля STP Туре 1 и 45 м при использовании кабеля UTP Type 3. Между активными MSAU максимальное расстояние увеличивается соответственно до 730 м или 365 м в зависимости от типа кабеля.

Все значения тайм-аутов в сетевых адаптерах узлов сети Token Ring можно настраивать, поэтому можно построить сеть Token Ring с большим количеством станций и с большей длиной кольца.

Преимущества технологии Token Ring:

· гарантированная доставка сообщений;

· высокая скорость передачи данных (до 160% Ethernet).

Недостатки технологии Token Ring:

· необходимы дорогостоящие устройства доступа к среде;

· технология более сложная в реализации;

· необходимы 2 кабеля (для повышения надежности): один входящий, другой исходящий от компьютера к концентратору;

· высокая стоимость (160-200% от Ethernet).