Локальная вычислительная сеть (ЛВС, локальная сеть; англ. Local Area Network, LAN) - компьютерная сеть, покрывающая обычно относительно небольшую территорию или небольшую группу зданий (дом, офис, фирму, институт). Также существуют локальные сети, узлы которых разнесены географически на расстояния более 12 500 км (космические станции и орбитальные центры). Несмотря на такие расстояния, подобные сети всё равно относят к локальным.
Технологии локальных сетей реализуют, как правило, функции только двух нижних уровней модели OSI - физического и канального. Функциональности этих уровней достаточно для доставки кадров в пределах стандартных топологий, которые поддерживают LAN: звезда, общая шина, кольцо и дерево. Однако из этого не следует, что компьютеры, связанные в локальную сеть, не поддерживают протоколы уровней, расположенных выше канального. Эти протоколы также устанавливаются и работают на узлах локальной сети, но выполняемые ими функции не относятся к технологии LAN.
Технология локальных сетей определяют все компоненты, которые нужны для осуществления обмена информацией. Технологии локальных сетей состоят из топологии, средств передачи данных, алгоритма управления и методов кодирования информации. Для каждой из перечисленных составляющих имеются соответствующие стандарты. Эти стандарты издаются организацией IEEE и они известны под именем IEEE 802.
Технология Ethernet сейчас наиболее популярна в мире. В классической сети Ethernet применяется стандартный коаксиальный кабель двух видов (толстый и тонкий). Однако все большее распространение получила версия Ethernet, использующая в качестве среды передачи витые пары, так как монтаж и обслуживание их гораздо проще. Применяются топологии типа “шина” и типа “пассивная звезда”.
Стандарт определяет четыре основных типа среды передачи.
· 10BASE5 (толстый коаксиальный кабель);
· 10BASE2 (тонкий коаксиальный кабель);
· 10BASE-T (витая пара);
· 10BASE-F (оптоволоконный кабель).
Fast Ethernet – высокоскоростная разновидность сети Ethernet, обеспечивающая скорость передачи 100 Мбит/с. Сети Fast Ethernet совместимы с сетями, выполненными по стандарту Ethernet. Основная топология сети Fast Ethernet - пассивная звезда.
Gigabit Ethernet – высокоскоростная разновидность сети Ethernet, обеспечивающая скорость передачи 1000 Мбит/с.
В связи с тем, что сети совместимы, легко и просто соединять сегменты Ethernet, Fast Ethernet и Gigabit Ethernet в единую сеть.
Сеть Token-Ring предложена фирмой IBM. Token-Ring предназначалась для объединение в сеть всех типов компьютеров, выпускаемых IBM (от персональных до больших).
Token Ring - технология локальной вычислительной сети (LAN) кольца с «маркерным доступом» - протокол локальной сети, который находится на канальном уровне (DLL) модели OSI. Он использует специальный трёхбайтовый фрейм, названный маркером, который перемещается вокруг кольца. Владение маркером предоставляет его обладателю право передавать информацию на носителе. Кадры кольцевой сети с маркерным доступом перемещаются в цикле.
Станции на локальной вычислительной сети (LAN) Token Ring логически организованы в кольцевую топологию с данными, передаваемыми последовательно от одной кольцевой станции до другой с управляющим маркером, циркулирующим вокруг кольцевого доступа управления. Этот механизм передачи маркера совместно использован ARCNET, маркерной шиной, и FDDI, и имеет теоретические преимущества перед стохастическим CSMA/CD Ethernet. Максимальный размер полезного блока данных (MTU) 4464 байта.
Token Ring и IEEE 802.5 являются главными примерами сетей с передачей маркера. Сети с передачей маркера перемещают по сети небольшой блок данных, называемый маркером. Владение этим маркером гарантирует право передачи. Если узел, принимающий маркер, не имеет информации для отправки, он просто переправляет маркер к следующей конечной станции. Каждая станция может удерживать маркер в течение определенного максимального времени (по умолчанию - 10 мс).
Данная технология предлагает вариант решения проблемы коллизий, которая возникает при работе локальной сети. В технологии Ethernet такие коллизии возникают при одновременной передаче информации несколькими рабочими станциями, находящимися в пределах одного сегмента, то есть использующих общий физический канал данных.
Если у станции, владеющей маркером, имеется информация для передачи, она захватывает маркер, изменяет у него один бит (в результате чего маркер превращается в последовательность «начало блока данных»), дополняет информацией, которую он хочет передать, и отсылает эту информацию к следующей станции кольцевой сети. Когда информационный блок циркулирует по кольцу, маркер в сети отсутствует (если только кольцо не обеспечивает «раннего освобождения маркера» - early token release), поэтому другие станции, желающие передать информацию, вынуждены ожидать. 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.
Информационный блок циркулирует по кольцу, пока не достигнет предполагаемой станции назначения, которая копирует информацию для дальнейшей обработки. Информационный блок продолжает циркулировать по кольцу; он окончательно удаляется после достижения станции, отославшей этот блок. Станция отправки может проверить вернувшийся блок, чтобы убедиться, что он был просмотрен и затем скопирован станцией назначения.
Эта технология канального уровня была разработана компанией IBM в начале1980 гг., а затем стандартизирована IEEE в проекте 802, как спецификация IEEE 802.5. Сети Token Ring относятся к сетям с маркерным методом управления доступом, в которых отсутствует конкуренция за доступ к среде передачи. Логически сеть Token Ring представляет собой кольцо, а физически — звезду. Сети Token Ring работают с двумя битовыми скоростями — 4 и 16 Мбит/с. Смешение станций, работающих на различных скоростях, в одном кольце не допускается.
Для объединения компьютеров в сетях Token Ring используются концентраторы — т.н. устройства многостанционного доступа (MSAU, MultiStation Access Unit ). Рабочие станции отдельными кабелями подключаются к MSAU по топологии «звезда». Технология Token Ring позволяет использовать для соединения экранированную или неэкранированную витую пару.
Максимальная длина сегмента при использовании неэкранированной витой пары (UTP) – 150 м (при работе на скорости 4 Мбит/с) или 60 м (при работе на скорости 16 Мбит/с), при использовании экранированной витой пары (STP) – расстояние передачи увеличивается до 300 м (для 4 Мбит/с) или 100 м (для 16 Мбит/с).
В кольце на основе неэкранированных кабелей может работать не более 72 станций, в кольце на основе экранированных кабелей – максимум 260 станций.
В сетях с маркерным методом доступа право на доступ к среде передается циклически от станции к станции по логическому кольцу. Кольцо образуется отрезками кабеля, соединяющими все рабочие станции, и рассматривается как разделяемая среда передачи. Для обеспечения доступа станций к физической среде по кольцу циркулирует кадр специального формата и назначения – маркер или токен (token) .
Маркер представляет собой определенную последовательность битов и одновременно может быть использован только одной рабочей станцией или узлом. Получив маркер, рабочая станция анализирует его, при необходимости модифицирует, а при отсутствии у нее данных для передачи обеспечивает его продвижение к следующей станции. Станция, которая имеет данные для передачи, при получении маркера, извлекает его из кольца, что дает ей право доступа к физической среде и передачи своих данных. Затем эта станция преобразует маркер в кадр установленного формата и начинает передавать его по кольцу. Кадр снабжен адресом назначения и адресом источника (каждая рабочая станция имеет уникальный 48-битный МАС-адрес).
Передаваемые данные проходят по кольцу всегда в одном направлении от одной станции к другой, поэтому их получают все рабочие станции сети. Каждая станция проверяет, не ей ли предназначен кадр. Если нет, то станция выступает в роли ретранслятора и передает полученный кадр следующей станции сети. Когда станция-адресат распознает кадр, она копирует его в свою память, затем модифицирует некоторые биты в формате кадра (признак подтверждения приема) и возвращает его по кольцу обратно станции-отправителю. Последняя изымает этот кадр из кольца и проверяет, нормально ли принято сообщение. После этого она выдает новый маркер для обеспечения возможности другим станциям сети передавать данные.
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.
Сети Token Ring, работающие со скоростью 16 Мбит/с, имеют отличный от сетей со скоростью 4 Мбит/с алгоритм доступа к кольцу, называемый алгоритмом раннего освобождения маркера (Early Token Release) . В соответствии с ним станция передает маркер 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, 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. Остальные станции в это время только ретранслируют чужие кадры, так что принцип разделения кольца во времени сохраняется, ускоряется только процедура передачи владения кольцом.
Технология Token Ring обладает свойствами отказоустойчивости. Для контроля работы сети и обработки ошибок в сетях Token Ring одна из станций выполняет роль активного монитора, который изучает кадры, циркулирующие по сети, удаляет все дефектные кадры, выдает новый маркер и обеспечивает правильную работу сети.
К достоинствам технологии Token Ring можно отнести:
- простоту расчета задержки передачи между любыми двумя устройствами, что особенно важно в автоматизированных системах управления, требующих обработки процессов в реальном режиме времени;
- отсутствие коллизий.
Недостатки:
- высокая стоимость, низкая совместимость оборудования;
- невысокая скорость передачи.
Эта технология была создана организацией IBM в 1984 году. Сети Token Ring работают с 4 и 16 Мбит/с битовыми скоростями. Смешивание работающих на разных скоростях в одном кольце не допускается. Эта технология сложнее чем Ethernet. Имеет несколько начальных характеристик отказоустойчивости. В такой сети используются функции контроля роботы сети, которые работают по принципу обратной связи. Такой принцип работает в кольцеобразной структуре. Отправленный кадр всегда возвращается к отправителю. Иногда ошибки в сети устраняются автоматически. Что уменьшает .
В такой сети используется роль активного монитора для контроля данной сети. Такой монитор выбирается во время подключения кольца, и главные параметром выбора есть максимальное значение MAC-адреса станции. Если во время роботы сети, монитор не подает каждых 3 секунды специальный кадр, то выбирает новый монитор. Выбор случайного монитора есть одна из возможных причин .
В такой сети каждая станция всегда получает данные только от предыдущей станции в сети и передает данные следующей станцией по кольцу. Отправленные данные проходят всегда в одном направлении по кольцу. Когда кадр проходит через станцию адресата, станция опознав свой адрес копирует кадр к себе, и вставляет в кадр данные про подтверждения приема. На рис.1. показан алгоритм такой топологии. На рисунку показано отправка пакета А в кольце, который состоит из 6 станций. Пакет идет от станции к 1 к 3. При прохождении станции 3 (адресата) в пакете А вкладываются два признака — признак А, что пакет распознан, и признак С, что он копируется. Когда пакет возвращается на станцию 1, она распознает пакет по параметру который вложил адресат(станция 3) и удаляет из кольца. здесь работает.
Время удержания токена — это время владения разделяемой средой в сети, которое ограничено константой. Когда время истекло, станция обязана прекратить транслирование личных данных и передать токен далее по кольцу. Обычное время удержание токена — 10 мс, а максимальный кадр в стандарте 802,5 не определен. Для сетей 4 Мбит/с — 4 Кбайт, а для 16 Мбит/с — 16 Кбайт. Это сделано так, что бы станция успела передать хотя бы один кадр. Это сделано для повышения .
Рисунок 1
Также существуют приоритеты кадров — от 0 (низший) до 7 (высший). Станция может удержать токен только если приоритет кадра низший передаваемого личного кадра дальше по сети. Иначе станция должна передать токен без удержания.
Физический уровень технологии
Сеть изначально строилась с использованием также называемых устройства многостационного доступа . Сеть может иметь до 260 узлов. Сеть имеет физическую топологию звезды, а логическую — кольцо. Концентраторы данной сети могут быть активными и пассивными. Пассивных концентратор соединяет порты так, что бы станции создавали кольцо. Он не усиливает и не синхронизацию не выполняет. Активный концентратор же выполняет функции усиления сигналов. И его можно называть повторитель. При множестве пассивных концентраторов, роль усилителя сигналов на себя берет , а роль синхронизации — адаптер активного монитора.
Технология Token Ring разрешает реализовывать разные типы кабелей: UTP-3, STP-1,UTP-6 и волоконно-оптический кабель. В такой топологии нету жёстких ограничений по поводу максимальной длины кольца и количества станций. Все параметры удержания токена, и тд настраиваются. Так что можно построить любые масштабы.
Особенности FDDI
Эта технология прямой потомок Token Ring. Эта сеть основывается на основе двух оптоволоконных колец, которые реализуют резервный и основной путь транспортировки информации между узлами. Наличие двух колец — основное средство повышение отказоустойчивости в сети FDDI. Отличия FDDI от Token Ring:
- Время держания токена в сети FDDI зависит от загрузки кольца, но только для асинхронного трафика.
- Отсутствует приоритеты кадров, есть два класса — синхронный и асинхронный. Синхронный обслуживается всегда даже при перезагрузках кольца.
В сети FDDI возможно подключать станции и концентраторы двума способами.
- Двойное подключение — одновременное подключение к вторичному и первичному кольцам.
- Одиночное подключение — подключение только к первичному кольцу.
Техники подключения показаны на рис.2. И техника реконфигурации показана на рис.3.
Рисунок 2
История и основные характеристики
Сети Token Ring, так же как и сети Ethernet, характеризует разделяемая среда передачи данных, которая состоит из отрезков кабеля, соединяющих все компьютеры сети в кольцо. Для доступа к кольцу служит не случайный алгоритм, как в сетях Ethernet, а детерминированный, основанный на передаче станциям права на использование кольца. Это право передается с помощью кадра специального формата, называемого маркером (token).
Технология Token Ring был разработана компанией IBM в 1984 году, а затем передана в качестве проекта стандарта в комитет IEEE 802, который на ее основе принял в 1985 году стандарт IEEE 802.5. Компания IBM использует технологию Token Ring в качестве своей основной сетевой технологии для построения локальных сетей на основе компьютеров различных классов – мэйнфреймов, мини-компьютеров и ПК. В настоящее время именно компания IBM является основным законодателем моды технологии Token Ring, производя около 60 % сетевых адаптеров этой технологии.
Сети Token Ring работают с двумя скоростями – 4 и 16 Мбит/с. Смешение станций, работающих на различных скоростях, в одном кольце не допускается.
Сети, работающие со скоростью 16 Мбит/с, имеют некоторые усовершенствования в алгоритме доступа по сравнению со стандартом 4 Мбит/с.
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 к отправителю. 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.
Для контроля сети одна из станций исполняет 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 выбора нового активного монитора.
Параметры Token Ring:
Ø сетевая топология – кольцо,
Ø сетевой кабель – витая пара,
Ø скорость передачи – 4 или 16 Мбит/с,
Ø максимальная длина кабеля – 100 м (STP) или 45 м (UTP),
Ø максимальная длина кольца – 4000 м,
Ø максимальное количество узлов – 260 (STP) или 72 UTP),
Ø метод доступа – маркерный.
Маркерный метод доступа к среде
В сетях с маркерным методом доступа, к которым, кроме сетей Token Ring, относятся сети FDDI , Arc Net и сети производственного назначения MAP , право на доступ к среде передается циклически от станции к станции по логическому кольцу.
Для обеспечения доступа станций к физической среде по кольцу циркулирует кадр специального формата и назначения – маркер (token). В сети Token Ring любая станция всегда получает данные только от станции, которая является предыдущей в кольце. Такая станция называется ближайшим активным соседом, расположенным выше по потоку данных . Передачу же данных станция всегда осуществляет своему ближайшему соседу вниз по потоку данных.
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. Такой алгоритм доступа применяется в сетях Token Ring со скоростью работы 4 Мбит/с , описанных в стандарте 802.5.
Время владения средой в сети Token Ring ограничивается временем удержания маркера , после истечения которого станция обязана прекратить передачу собственных данных и передать маркер далее по кольцу. Станция может успеть передать за время удержания маркера один или несколько кадров в зависимости от их размера 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 –20 000 байт. Максимальные размеры кадра выбраны с некоторым запасом.
В сетях Token Ring 16 Мбит/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, 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, передаваемым кадрам, могут назначаться различные приоритеты : от 0 до 7. 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.
Форматы кадров Token Ring
В Token Ring существуют три различных формата кадров:
Ø маркер,
Ø кадр данных,
Ø прерывающая последовательность.
Маркер
Кадр маркера состоит из трех полей длиной в один байт каждое:
Ø начальный ограничитель появляется в начале маркера, а также в начале любого кадра, проходящего по сети. Поле представляет собой уникальную последовательность символов манчестерского кода – JKOJKOOO, поэтому его нельзя спутать ни с какой последовательностью внутри кадра.
Ø управление доступом состоит из четырех подполей: РРР , Т , М и RRR , где РРР - биты приоритета , Т - бит маркера , М - бит монитора , RRR -резервные биты приоритета . Бит Т , установленный в 1 , указывает на то, что данный кадр является маркером доступа. Бит M 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 со значением 1, то он 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 передает его дальше по кольцу. Использование полей приоритетов рассмотрим позже.
Ø конечный ограничитель последнее поле маркера. Так же как и поле начального ограничителя, это поле содержит уникальную последовательность манчестерского кода JK1JK1 , а также два однобитовых признака I и Е . Признак I показывает, является ли кадр последним в серии кадров (I=0 ) или промежуточным (I=1 ). Признак Е – 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.
Технология Token Ring был разработана компанией IBM в 1984 году, а затем передана в качестве проекта стандарта в комитет IEEE 802, который на ее основе принял в 1985 году стандарт 802.5. Компания IBM в течение долгого времени использовала технологию Token Ring как свою основную сетевую технологию построения локальных сетей на основе компьютеров различных классов - мэйнфреймов, мини-компьютеров и персональных компьютеров. Однако в последнее время даже в продукции компании IBM доминируют представители семейства Ethernet.
Сети Token Ring работают с двумя битовыми скоростями - 4 и 16 Мбит/с. Смешение в одном кольце станций, работающих на разных скоростях, не допускается. Сети Token Ring, работающие со скоростью 16 Мбит/с, имеют некоторые усовершенствования в алгоритме доступа по сравнению со стандартом 4 Мбит/с.
Технология Token Ring сложнее, чем Ethernet. Она обладает некоторыми начальными свойствами отказоустойчивости. В сети Token Ring определены процедуры контроля работы сети, которые опираются на свойство обратной связи, изначально присущее кольцеобразной структуре - посланный кадр всегда возвращается к станции-отправителю. В некоторых случаях обнаруженные ошибки в работе сети устраняются автоматически, например, может быть восстановлен потерянный токен. В других случаях ошибки только фиксируются, а их устранение выполняется вручную обслуживающим персоналом.
Для контроля сети одна из станций исполняет роль так называемого активного монитора. Активный монитор выбирается во время инициализации кольца, критерием выбора служит максимальное значение MAC-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, обозначающий его присутствие. Если этот кадр не появляется в сети более 7 секунд, то остальные станции сети начинают процедуру выборов нового активного монитора.
Доступ с передачей токена
Сети Token Ring пользуются разделяемой средой путем передачи токена, принципы которого были рассмотрены в главе 12 при описании функций уровня MAC. Давайте остановимся более детально на некоторых особенностях этого метода, присущих технологии Token Ring 4 Мбит/с, описанной в стандарте 802.5.
В сети Token Ring любая станция всегда непосредственно получает данные только от одной станции - той, которая является предыдущей в кольце. А передает данные своему ближайшему соседу вниз по потоку данных.
Получив токен, станция анализирует его и при отсутствии у нее данных для передачи продвигает токен к следующей станции. Станция, которая имеет данные для передачи, при получении токена изымает его из кольца, что дает ей право доступа к физической среде для передачи своих данных. Затем эта станция выдает в кольцо кадр данных установленного формата последовательно по битам. Кадр снабжается адресами приемника и источника.
Переданные данные проходят по кольцу всегда в одном направлении от одной станции к другой. 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, получив его с подтверждением приема, изымает свой кадр из кольца и передает в сеть новый токен, давая другим станциям сети возможность передавать данные.
На рис. 1 описанный алгоритм доступа к среде иллюстрируется временной диаграммой. Здесь показана передача пакета А в кольце, состоящем из 6 станций, от станции 1 к станции 3. После прохождения станции назначения 3 в пакете А устанавливаются два признака - признак A распознавания адреса и признак C копирования пакета в буфер (что на рисунке отмечено звездочкой внутри пакета). После возвращения пакета в станцию 1 отправитель распознает свой пакет по адресу источника и удаляет пакет из кольца. Установленные станцией 3 признаки говорят станции-отправителю о том, что пакет дошел до адресата и был успешно скопирован в его буфер.
Рис. 1. Доступ с передачей токена
Время владения разделяемой средой в сети Token Ring ограничивается фиксированной величиной, называемой временем удержания токена. После истечения этого времени станция обязана прекратить передачу собственных данных (текущий кадр разрешается завершить) и передать токен далее по кольцу. Станция может успеть передать за время удержания токена один или несколько кадров в зависимости от размера кадров и величины времени удержания токена.
Обычно время удержания токена по умолчанию равно 10 мс, а максимальный размер кадра в стандарте 802.5 не определен. Для сетей 4 Мбит/с он, как правило, равен 4 Кбайт, а для сетей 16 Мбит/с - 16 Кбайт. Это связано с тем, что за время удержания токена 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 - 20 000 байт. Максимальные размеры кадра выбраны с некоторым запасом.
В сетях Token Ring 16 Мбит/с используется модернизированный вариант алгоритма доступа к кольцу, называемый алгоритмом раннего освобождения токена. В соответствии с ним станция передает токен доступа следующей станции сразу же после окончания передачи последнего бита кадра, не дожидаясь возвращения по кольцу этого кадра с установленными битами A и С. В этом случае пропускная 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 токеном. 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 кадрами, 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). 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.
За наличие в сети токена, причем единственной его копии, отвечает активный монитор. Если активный монитор не получает токен в течение длительного времени (например, 2,6 с), то он порождает новый токен.
Приоритетный доступ в технологии Token Ring предназначен для поддержки требований QoS приложений. Однако разработчики приложений для локальных сетей практически им не пользовались.
Физический уровень технологии Token Ring
Стандарт Token Ring фирмы IBM изначально предусматривал построение связей в сети с помощью концентраторов (рис. 2), называемых устройствами многостанционного доступа (Multi- station Access Unit, MAU, или MSAU). Сеть Token Ring может включать до 260 узлов. Использование концентраторов приводит к тому, что сети Token Ring имеют физическую топологию звезда, а логическую - кольцо.
Рис. 2. 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 концентратор не выполняет. Такое MSAU-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 его можно назвать повторителем.
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 синхронизирующего блока - сетевой адаптер активного монитора кольца. Каждый сетевой адаптер Token Ring имеет блок повторения, который умеет регенерировать и синхронизировать сигналы, однако последнюю функцию выполняет в кольце только блок повторения активного монитора.
В общем случае сеть Token Ring имеет комбинированную звездно-кольцевую конфигурацию. Конечные узлы подключаются к MSAU-устройствам по топологии звезды, а сами концентраторы объединяются через специальные порты Ring In (RI) и Ring Out (RO), образуя магистральное физическое кольцо.
Технология Token Ring позволяет использовать для соединения конечных станций и концентраторов различные типы кабеля: STP типа 1, UTP типа 3, UTP типа 6, а также волоконно-оптический кабель. При использовании экранированной витой пары STP типа 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 концентраторами может достигать 100 м при использовании кабеля STP типа 1 и 45 м при использовании кабеля UTP типа 3. Между активными концентраторами максимальное расстояние увеличивается соответственно до 730 или 365 м в зависимости от типа кабеля.
Максимальная длина кольца Token Ring составляет 4000 м.
ПРИМЕЧАНИЕ
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 токена по кольцу. Есть и другие соображения, диктующие выбор ограничений. Так, если кольцо состоит из 260 станций, то при времени удержания токена в 10 мс токен вернется в активный монитор в худшем случае через 2,6 с, а это время как раз составляет тайм-аут контроля оборота токена. В принципе, все значения тайм-аутов в сетевых адаптерах узлов сети Token Ring можно настраивать, поэтому можно построить сеть Token Ring с б ольшим количеством станций и с б ольшей длиной кольца.