Кадр данных
Включает те же три поля, что и маркер, и имеет кроме них еще несколько дополнительных полей:
начальный ограничитель (Start Delimited, SD);
управление кадром (Frame Control, FC);
адрес назначения (Destination Address, DA);
адрес источника (Source Address, SA);
данные (INFO);
контрольная сумма (Frame Check Sequence, FRS);
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 (МАС или LLC), и если он определен как МАС, то поле указывает, какой из шести типов кадров представлен данным кадром.
Назначение этих шести типов кадров:
Станция, которая впервые присоединяется к кольцу, посылает кадр «Тест дублирования адреса» (Duplicate Test, DAT), чтобы удостоверится, что ее адрес уникальный;
Активный монитор периодически посылает в кольцо кадр «Существует активный монитор» (Active Monitor Present, AMP), чтобы сообщить другим станциям о том, что он работоспособен;
Кадр «Существует резервный монитор» (Standby Monitor Present, SMP) отправляется станцией, не являющейся активным монитором;
Резервный монитор отправляет кадр «Маркер заявки» (Claim Token, CT), когда отказывает активный монитор, затем резервные мониторы договариваются между собой, какой из них станет новым активным монитором;
Станция отправляет кадр «Сигнал» (beacon frame) в случае возникновения сетевых проблем;
Кадр «Очистка» (Purge, PRG) используется новым активным монитором для очистки кольца.
Прерывающая последовательность
Состоит из двух байтов, содержащих начальный и конечный ограничители. Она может появиться в любом месте потока битов и отменяет текущую передачу.
Приоритетный доступ к кольцу
Каждый кадр данных или маркер имеет приоритет, устанавливаемый битами приоритета от 0 до 7, (7 – наивысший приоритет). Станция может воспользоваться маркером, если у нее есть кадры для передачи с приоритетом, равным или большим, чем приоритет маркера. Если приоритет имеющихся у станции кадров ниже приоритета маркера, то ее сетевой адаптер может поместить наибольший приоритет своих кадров в резервные биты маркера, но только если записанный в резервных битах приоритет ниже его собственного. В результате в резервных битах приоритета устанавливается наивысший.
Станция, закончив передачу, передает освободившийся маркер соседу, переписав при этом значение резервного приоритета в поле приоритета маркера, резервный приоритет обнуляется. Поэтому при следующем проходе маркера по кольцу его захватит станция с наивысшим приоритетом.
Механизм приоритетов будет работать только в том случае, если приложение или прикладной протокол захотят его использовать. На практике это применяется редко и все кадры имеют равный доступ к кольцу. Это связано с тем, что приоритеты кадров поддерживаются не во всех технологиях, например, в Ethernet они отсутствуют, 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 протоколов канального уровня.
Физические компоненты сети Token Ring
Рабочие станции и другие сетевые устройства обычно подключаются к кольцу не напрямую, а через устройство доступа к среде или концентратор.
В сети Token Ring концентратор, в котором образуется фактическое кольцо, имеет несколько названий, например:
MAU (Multistation Access Unit), модуль множественного доступа;
MSAU (MultiStation Access Unit), модуль множественного доступа;
SMAU (Smart Multistation Access Unit), интеллектуальный модуль множественного доступа.
Концентратор может быть активным или пассивным. Пассивный концентратор просто соединяет порты внутренними связями так, чтобы подсоединенные станции образовали кольцо. Ни усиление сигналов, ни их ресинхронизацию пассивный MSAU не выполняет. Однако MSAU обеспечивает обход какого-либо порта, когда присоединенный к нему ПК выключают. 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 же концентратор выполняет функции регенерации сигналов.
В больших сетях с пассивным концентратором роль усилителя сигналов берет на себя сетевой адаптер, а роль ресинхронизирующего блока выполняет сетевой адаптер активного монитора. Каждый сетевой адаптер Token Ring имеет блок повторения, который умеет регенерировать и ресинронизировать сигналы, однако последнюю функцию выполняет в кольце только сетевой адаптер активного монитора.
Блок ресинхронизации состоит из 30-битного буфера, который принимает манчестерские сигналы с искаженными за время оборота по кольцу интервалами следования. При максимальном количестве станций в кольце (260) вариации 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.
IBM MSAU имеет 10 портов соединения. К нему можно подключить до восьми ПК. Однако сеть Token Ring не ограничивается одним кольцом (концентратором). Каждое кольцо может иметь до 33 концентраторов. Сеть на базе MSAU может поддерживать до 72 ПК – при использовании неэкранированной витой пары, и до 260 ПК – при использовании экранированной витой пары. Другие производители предлагают концентраторы большей емкости.
Когда кольцо заполнено, сеть можно расширить за счет добавления еще одного кольца (MSAU). При этом надо придерживаться правила, согласно которому каждый MSAU необходимо подключить так, чтобы он стал частью кольца.
Гнезда «вход» (Ring In – RI) и «выход» (Ring Out – RO) на MSAU позволяют с помощью кабеля соединить в единое кольцо до 12 MSAU, расположенных стопкой. Такой кабель имеет на обоих концах разъем IBM Data Connector и используется для соединения различного оборудования IBM.
Адаптерные кабели Token Ring применяются для подключения адаптера к MSAU. Такой кабель имеет 9-гнездовой розеточный разъем на одном конце и разъем IBM Data Connector на другом. 9-контактный разъем используется только в сетевых адаптерах Token Ring.
Плата адаптера Token Ring имеет уникальный адрес, присваиваемый каждой плате при ее производстве. Некоторые платы позволяют изменить его с помощью специального программного обеспечения настройки конфигурации, поставляемого вместе с платой.
Рабочая станция допускает установку до двух плат адаптеров Token Ring. Один из них будет считаться основным, другой – альтернативным.
Известны две модели плат Token Ring: со скоростью передачи 4 Мбит/с и 16 Мбит/с. При установке плат следует помнить, что сеть Token Ring может работать только с одной из возможных скоростей передачи. В сети 4 Мбит/с можно использовать платы 16 Мбит/с, т. к. они могут работать и в режиме 4 Мбит/с, но наоборот нельзя.
В сети Token Ring используются обе разновидности витой пары по стандарту IBM или оптоволоконный кабель.
Основное назначение кабельной системы Token Ring состоит в соединении платы сетевого адаптера с MSAU и устройств MSAU друг с другом. Всего существует 9 типов кабелей IBM, которые можно использовать в сети Token Ring.
Подключение станций к кольцу Token Ring
Кабели соединяют клиенты и серверы с MSAU, который работает по принципу других пассивных концентраторов. При подсоединении ПК он включается в кольцо.
Однако физическое подключение сетевого устройства к порту концентратора еще не означает его логического включения в работу сети, т. к. предварительно необходимо провести ряд тестов. Сначала тестируется кабель, соединяющий сетевое устройство с портом MSAU. Адаптер посылает по передающей паре серию сигналов, которые возвращаются по приемной. Если тест прошел успешно, то на входе и выходе сетевого адаптера появляется фантомный ток (phantom current). И только после получения этого сигнала портом концентратора станция подключается к кольцу. В дальнейшем, если фантомный ток исчезнет по каким либо причинам (обрыв кабеля, неисправность сетевой карты и др.), сетевое устройство будет отключено от порта концентратора и, следовательно, от кольца, и сбоев в работе сети не произойдет.
Н
а
заключительном этапе, когда станция
уже подключена к кольцу, происходит
проверка на наличие в сети устройства
с таким же сетевым адресом. Для этого
сетевая карта новой станции отправляет
в сеть кадр DAT с одинаковыми адресами
источника и назначения, которые
соответствуют ее собственному адресу.
Если какая-то другая станция примет
этот кадр (т. е. у нее уже есть такой
же адрес), вновь подключенная станция
автоматически отсоединяется от кольца
Token Ring. Далее определяется адрес ближайшей
против хода сетевого маркера активной
рабочей станции NAUN. Это необходимо для
определения и устранения сбоев в сети.
Для этого активный монитор оправляет
в сеть специальный кадр АМР, адресованный
сразу всем станциям сети. Ближайшая к
активному монитору рабочая станция,
получив кадр АМР, «запоминает» адрес
своего сетевого «соседа», а затем сама
передает в сеть новый кадр с широковещательным
адресом SMP. Следующая по ходу маркера
сетевая станция, принимая кадр, повторяет
эту процедуру и генерирует свой кадр
SMP. В результате все станции сети будут
знать адрес своего соседа NAUN.
Сбои в сетях Token Ring
Token Ring имеет встроенные возможности устранения сбоев. Если какая-либо станция перестает «слышать» сигнал от своего ближайшего соседа по сети в течение 7 с, то, исходя из особенностей топологии Token Ring, можно сделать вывод, что этот сбой вызван либо нарушением работы одного из портов концентратора, к которому подсоединены рабочая станция и станция NAUN, либо повреждением одного из кабелей, соединяющих порты с этими станциями. В этом случае передача данных по сети немедленно прекращается. Последующие действия называются «разграничивающей сигнализацией». Она служит для идентификации той зоны кольца, где возникла неисправность (такая область называется неисправным доменом). Станция, перестав получать сигнал, генерирует специальный предупреждающий о сбое кадр BCN, предназначенный для всех сетевых устройств и содержащий адрес станции NAUN. При получении кадра BCN станция NAUN немедленно отключается от сети и производит тестирование соединительного кабеля. Если при этом повреждение кабеля или порта не обнаружено, то станция NAUN вновь включается в работу, а первая станция, не получив кадр BCN, в свою очередь отключается от сети и проводит тестирование соединительного кабеля и порта MAU. При обнаружении сбоя станция автоматически отключается от сети и кольцо замыкается. При этом на ближайшего соседа «ниже» по кольцу возлагается обязанность удалить из сети пакеты отказавшей станции. В результате сеть сохраняет стабильность. Автоматический корректирующий процесс платы называется автореконфигурацией. Если по каким-то причинам плата не может сама скорректировать свою работу и вернуться в кольцо, надо реконфигурировать ее вручную или заменить запасной.
При сбоях в Token Ring возможна также «потеря» сетевого маркера. В том случае, если станции кольца по истечении определенного времени ожидания (7 сек) не получают служебных кадров АМР и SMP, то начинается «борьба» за маркер. Каждая станция сети генерирует кадр Claim Token, предназначенный для всех станций сети. При получении этого кадра станция сравнивает свой МАС адрес с адресом устройства, передавшего кадр. Если он больше, чем адрес станции, то кадр передается дальше по сети, а если меньше, то распространение этого кадра прекращается, а станция в свою очередь генерирует новый собственный кадр Claim Token со своим МАС адресом. Этот процесс продолжается до тех пор, пока какая либо станция не получит кадр со своим собственным МАС-адресом. Новым активным монитором становится станция, имеющая на данный момент самый большой МАС-адрес.
Если активный монитор обнаруживает, что маркер прошел по кольцу более одного раза или произошел сбой в сетевом трафике, то в сеть посылается кадр Ring Purge (очистка кольца), при получении которого каждая станция осуществляет сброс таймеров.
Сложные сети Token Ring
В сложных сетях Token Ring, состоящих из нескольких колец, используется протокол маршрутизации от источника Source Route Bridging, разработанный фирмой IBM и позволяющий выбрать оптимальный путь для прохождения пакета. Каждому кольцу сложной сети присваивается уникальный номер, по такому же принципу маркируются и мосты. При формировании кадра к нему добавляется поле Routing Information Field (RIF), в которое заносится информация о «местоположении» пункта назначения кадра в сети. Изначально рабочая станция, передающая кадр, «не знает», в каком сегменте сети находится «адресат», и посылает его в то кольцо, где находится сама. Если адресат находится в другом кольце, то кадр возвращается и в сеть направляется уже модифицированный кадр Explorer Frame, который перенаправляется мостами в другие сегменты сети. При каждой передаче этого кадра в следующий сегмент сети мост добавляет в поле RIF свой номер и номер кольца, в которое переадресован кадр. Через некоторое время станция назначения получит один или несколько кадров Explorer Frame, пришедших к ней разными маршрутами. Затем станция назначения помещает в Explorer Frame признак доставки и отправляет кадр назад. На обратном пути Explorer Frame проходит мосты в строго обратном порядке. Для этого используется информация из поля RIF. В результате на рабочую станцию, пославшую кадр, первым вернется тот кадр, который дошел до станции назначения за минимальное время. В дальнейшем все кадры будут пересылаться адресату именно по этому маршруту. При сбое в сети, когда прохождение кадра по ранее выбранному оптимальному маршруту станет невозможным, процесс запуска Explorer Frame повторяется вновь.
Недостатки этого протокола особенно наглядно проявляются в крупных распределенных сетях. Кадры Explorer Frame, генерируемые многочисленными сетевыми устройствами, создают «штормы», аналогичные «штормам широковещательных пакетов».
Необходимо также заметить, что при использовании протокола Source Route Bridging в процессе передачи кадров между кольцами принимают участие не только мосты, но и рабочие станции. Это еще одна причина более высокой стоимости адаптеров Token Ring по сравнению с адаптерами Ethernet.
Сравнение с Ethernet
Сравнивая сети Token Ring и Ethernet, можно отметить следующее. Во-первых, в сетях Token Ring использование полосы пропускания достигает 80-90 %, и для сетей со скоростью 16 Мбит/с реальная производительность составляет 12 Мбит/с, что примерно в четыре раза больше, чем в сетях с Ethernet. Во-вторых, сети Token Ring обладают большей надежностью и имеют встроенные возможности обнаружения поврежденных участков сети и их изоляции. Однако стоимость оборудования и, прежде всего сетевых адаптеров Token Ring, в 4-5 раз выше стоимости оборудования Ethernet. Конечно, более высокая стоимость сетей Token Ring компенсируется их более высокими скоростями передачи и надежностью по сравнению с Ethernet. Тем не менее, сети Token Ring не столь популярны в России, прежде всего из-за их более высокой стоимости.
Достоинства сети Token Ring:
В отличие от Ethernet, сеть Token Ring продолжает работать в условиях интенсивной нагрузки;
Встроенные механизмы диагностики и восстановления – разграничивающая сигнализация и реконфигурация – делают данный протокол очень надежным;
Token Ring упрощает подключение интерфейса IBM к локальной сети (IBM проектировала свой стандарт с учетом подобной поддержки);
Мосты в сетях Token Ring работают более эффективно и проще в реализации, чем мосты, используемые в сетях Ethernet. Им не приходится строить большие таблицы, на основании которых выбирается оптимальный маршрут пересылки кадра из одного сегмента в другой;
Благодаря реконфигурации кольца реализуются средства отказоустойчивости – так называемое «заворачивание кольца». Один кабель позволяет создать кольцо при подключении к двум MSAU.
К недостаткам Token Ring можно отнести следующее:
Платы и оборудование дороже аппаратных средств Ethernet или ARCnet;
Сеть Token Ring может оказаться очень сложной в диагностике и требует значительного опыта.
Следует упомянуть, что недавно компания IBM предложила новый вариант технологии Token Ring, названный High-Speed Token Ring, HSTR. Эта технология поддерживает скорости 100 и 155 Мбит/с, сохраняя основные особенности технологии Token Ring 16 Мбит/с.
В настоящее время стандартизирована версия на 100 Мбит/с и ведутся разработки гигабитной версии. Стандарт на 100 Мбит/с использует физический уровень BaseTX/FX, в свою очередь позаимствованный у FDDI. Длина кабеля UTP категории 5 может достигать 100 м, при использовании STP типа 1, 2 (150 Ом) длина может быть больше. Поддержка 150-омного кабеля обеспечивает совместимость с существующей кабельной системой Token Ring, где широко применяется данный тип кабеля. Размер кадра – до 18200 байт, тот же протокол, 8-уровневая система приоритетов, маршрутизация от источника (до 14 мостов в цепочке). Концентраторы на 100 Мбит/с выполняются только в виде коммутаторов с полнодуплексными портами, т. к. их стоимость оказывается такой же, как и для повторителей, организующих кольца. Высокоскоростные порты используются для организации магистральных связей между коммутаторами и для подключения серверов. По сравнению с адаптерами Ethernet, высокоскоростные адаптеры Token Ring благодаря большему размеру кадра меньше загружают процессор сервера.
Компания 3Com анонсировала систему Token Ring-in-Fast Ethernet - первое законченное техническое решение, позволяющее заказчикам коммутаторов Token Ring экономически эффективно объединять сети Token Ring и Fast Ethernet, настольные рабочие станции Token Ring. Технология 3Com обеспечивает преобразование кадров Token Ring в кадры Fast Ethernet без замедления потока данных.
Новый продукт, дополняя предлагаемые компанией 3Com технические решения ATM и FDDI, становится важным элементом ее масштабируемой структуры Transcend Networking, расширяющей возможности корпоративных сетей и повышающей степень управляемости ими. Эта технология на основе специализированных интегральных микросхем устраняет барьеры между Token Ring, Ethernet и Fast Ethernet, являясь доступным для заказчиков и более эффективным средством интеграции по сравнению с традиционными мостами и маршрутизаторами: выигрыш в производительности комбинированных сетей - почти 2%. Благодаря тому что оба интерфейса - Token Ring и Ethernet - сосуществуют в одной и той же инфраструктуре Fast Ethernet, их можно подсоединять к менее дорогостоящим серверам Fast Ethernet, которые, в свою очередь, становятся экономически эффективным масштабируемым центром для нескольких коммутируемых сопряжений Token Ring.
Система 3Com Token Ring-in-Fast Ethernet, поддерживаемая средствами сетевого управления Transcend, содержит следующие компоненты:
коммутатор Token Ring SuperStack II Switch 2000 TR;
новый модуль Token Ring-in-Fast Ethernet;
коммутатор Fast Ethernet Switch (например, SuperStack II Switch 3000);
сетевые интерфейсные платы 3Com Fast Ethernet.
Заказчики данной системы смогут обеспечить поддержку Fast Ethernet для клиентов Token Ring, объединить сети Token Ring и Fast Ethernet в процессе упрощения их модернизации и предоставить пользователям Token Ring простоту выбора конфигурации, которую предлагает современная технология Fast Ethernet.
Недавно проведенное фирмой Dell `Oro Group исследование показало, что за последний год доля 3Com на мировом рынке коммутаторов Token Ring увеличилась более чем на 10%. Это можно объяснить уверенной стратегией компании в данном секторе, ориентирующейся на высокопроизводительные экономически эффективные модели коммутаторов как для центров обработки данных, так и для рабочих групп. Например, коммутатор SuperStack II 2000 TR обеспечивает маршрутизацию из источника, прозрачную маршрутизацию и прозрачную маршрутизацию из источника (SRT), а также сквозной режим и режим с промежуточным запоминанием. Кроме того, он поддерживает технологии 802.1d и IBM Spanning Tree, что облегчает интеграцию в существующие сетевые инфраструктуры. 3Com поставляет на рынок сетей Token Ring большой набор и других продуктов, в том числе сетевые интерфейсные платы, концентраторы, коммутаторы, маршрутизаторы, конверторы SNA и устройства дистанционного доступа
HSTR против Fast Ethernet:
Выпуск первых продуктов High Speed Token Ring позволил впервые сравнить эту технологию с ее конкурентом - Fast Ethernet. В испытаниях, проведенных организацией The Tolly Group, использовались адаптеры Olicom RapidFire 3530 и интерфейсные модули коммутаторов CrossFire 8650, с одной стороны, и современные продукты Fast Ethernet от известных производителей - с другой. Опытная сеть включала коммутатор, сервер и шесть или восемь клиентских станций. В целом тестирование принесло вполне ожидаемые результаты. В конфигурации с шестью станциями при использовании пакетов размером 1518 байт (максимальная величина, допустимая в сетях Ethernet), фактическая производительность соединения HSTR между коммутатором и сервером оказалась на 37% выше, чем Fast Ethernet. Увеличение размера пакетов Token Ring до 4096; 8192 и 17800 байт привело к выигрышу в 42,4; 46,8 и 43,9% соответственно. Кроме того, если при длине пакетов 1518 байт сетевые операции занимали почти равную часть ресурсов ЦП в сетях обоих типов (33,0 и 31,3%), то по мере ее роста загрузка ЦП уменьшалась до 17,3%. При увеличении числа станций до восьми относительные преимущества HSTR оказались менее заметными, однако абсолютные показатели оставались неизменно выше.
Основные характеристики сети Token Ring:
Топология |
Звезда-кольцо |
Метод доступа |
С передачей маркера |
Кабельная система |
Экранированная и неэкраннированная витая пара (IBM тип 1, 2 или 3) или оптоволоконный |
Скорость передачи данных |
4 и 16 Мбит/с |
Тип передачи |
Узкополосная |
Спецификация |
802.5 |
Максимальное число MSAU |
33 |
Максимальное число узлов |
260 |
Максимальное расстояние между узлом и пассивным MSAU |
45,5 м для кабеля UTP, 100 м для STP или оптоволоконного кабеля |
Максимальное расстояние между узлом и активным MSAU |
365 м для кабеля UTP, 780 м для STP |
Максимальная длина соединительного кабеля между MSAU |
45,5 м для кабеля UTP, 200 м для STP, несколько км для оптоволоконного кабеля |
Минимальная длина кабеля, соединяющего MSAU |
2,5 м |
Максимальная общая длина кабеля, соединяющего MSAU |
121,2 м для кабеля UTP, для оптоволоконного кабеля – до нескольких км |
Максимальная длина кольца Token Ring |
4 км |
Гибридные сети Token Ring-Ethernet
Гибридные сети состоят из сегментов с различными технологиями, между которыми надо установить связь. Эта связь может быть организована с помощью маршрутизаторов, мостов или коммутаторов. Связь через мосты обеспечивает более высокую пропускную способность, но при этом возникает ряд проблем, связанных с различием технологий Token Ring и Ethernet. И хотя ни одна из разновидностей мостов не может решить вопрос совмещения двух технологий, они все-таки позволяют обеспечить коммуникации между разнородными станциями, теряя при этом некоторые преимущества Token Ring.