Сети Token Ring (Word 97, txt)

Введение

     Технологиясетей Token Ring была впервые представлена IBM в 1982 г. ив 1985 г. была  включена IEEE (Institutefor Electrical and Electronic Engeneers)как стандарт 802.5. Token Ringпопрежнему является основной технологией IBM длялокальных сетей (LAN), уступая по популярности среди технологий LAN толькоEthernet/IEEE 802.3. Сети Token Ring работают с двумя битовыми скоростями - 4Мб/с и 16 Мб/с. Первая скорость определена в стандарте 802.5, а вторая являетсяновым стандартом де-факто, появившимся в результате развития технологии TokenRing.

   В Token Ring кабели подключаются по схеме “звезда”, однако он функционирует как логическоекольцо .

    В логическомкольце циркулирует маркер (небольшой кадр специального формата, называемыйиногда токеном), когда он доходит до станции, то она захватывает канал. Маркервсегда циркулирует в одном направлении. Узел, получающий маркер у ближайшеговышерасположенного активного соседа передает его нижерасположенному. Каждаястанция в кольце получает данные иззанятого маркера и отправляет их ( в точности повторяя маркер) соседнему узлусети. Таким способом данные циркулируют по кольцу до тех пор, пока не достигнутстанции – адресата. В свою очередь эта станция сохраняет данные и передает ихпротоколам верхнего уровня а кадр передает дальше (поменяв в нем два бита –признак получения). Когда маркер достигает станции–отправителя – онвысвобождается, и далее процесс продолжается аналогично.

  В сетях Token Ring 16 Мб/сиспользуется также несколько другой алгоритм доступа к кольцу, называемыйалгоритмом “раннего освобождения маркера” (Early TokenRelease). В соответствии с ним станция передает маркер доступа следующейстанции сразу же после окончания передачи последнего бита кадра, не дожидаясьвозвращения по кольцу этого кадра с битом подтверждения приема. В этом случаепропускная способность кольца используется более эффективно и приближается к 80% от номинальной. Когда информационный блок циркулирует по кольцу, маркер всети отсутствует (если только кольцо не обеспечивает "раннего освобождениямаркера"), поэтому другие станции, желающие передать информацию, вынужденыожидать.Таким образом по сети может в один момент времени передаваться толькоодин пакет следовательно, в сетях Token Ring не может быть коллизий. Еслиобеспечивается раннее высвобождение маркера, то новый маркер может быть выпущенпосле завершения передачи блока данных.

      Сети Тоkеn Ring используют сложную системуприоритетов, которая позволяет некоторым станциям с высоким приоритетом,назначенным пользователем, более часто пользоваться сетью. Блоки данных TokenRing содержат два поля, которые управляют приоритетом: поле приоритетов и полерезервирования.

Только станции с приоритетом, который равен или вышевеличины приоритета, содержащейся в маркере, могут завладеть им. После того,как маркер захвачен и изменен( в результате чего он превратился винформационный блок), только станции, приоритет которых выше приоритетапередающей станции, могут зарезервировать маркер для следующего прохода посети. При генерации следующего маркера в него включается более высокийприоритет данной резервирующей станции. Станции, которые повышают уровеньприоритета маркера, должны восстановить предыдущий уровень приоритета послезавершения передачи.

Когда кольцо установлено, интерфейс каждой станции хранитадреса предшествующей станции и последующей станции в кольце. Периодическидержатель маркера рассылает один из SOLICIT_SUCCESSOR кадр , предлагая новымстанциям присоединиться к кольцу. В этом кадре указаны адрес отправителя иадрес следующий за ним станции в кольце. Станции с адресами в этом диапазонеадресов могут присоединиться к кольцу. Таким образом сохраняетсяупорядоченность ( по возрастанию) адресов в кольце. Если ни одна станция неоткликнулась на SOLICIT_SUCCESSOR кадр, то станция-обладатель маркера закрываетокно ответа и продолжает функционировать как обычно. Если есть ровно одинотклик, то откликнувшаяся станция включается в кольцо и становиться следующей вкольце. Если две или более станции откликнулись, то фиксируется коллизия.Станция-обладатель маркера запускает алгоритм разрешения коллизий, посылая кадрRESOLVE_CONTENTION. Этот алгоритм - модификация алгоритма обратного двоичногосчетчика на два разряда.

У каждой станции в интерфейсеесть два бит, устанавливаемых случайно. Их значения 0,1,2 и 3. Значение этихбитов определяют величину задержки, при отклике станции на приглашениеподключиться к кольцу. Значения этих бит переустанавливаются каждые 50mсек.

Процедура подключения новой станциик кольцу не нарушает наихудшее гарантированное время для передачи маркера покольцу. У каждой станции есть таймер, который сбрасывается когда станцияполучает маркер. Прежде чем он будет сброшен его значение сравнивается снекоторой величиной. Если оно больше, то процедура подключения станции к кольцуне запускается. В любом случае за один раз подключается не более одной станцииза один раз. Теоретически станция может ждать подключения к кольцу сколь угоднодолго, на практике не более нескольких секунд. Однако, с точки зренияприложений реального времени это одно из наиболее слабых мест 802.4.

     Отключение станции от кольцо очень просто. Станция Х спредшественником S и последователем Р шлет кадр SET_SUCCESSOR, которыйуказывает Р что отныне его предшественником является S. После этого Хпрекращает передачу.

Инициализация кольца - этоспециальный случай подключения станции к кольцу. В начальный момент станциявключается и слушает канал. Если она не обнаруживает признаков передачи, то онагенерирует CLAIM_TOKEN маркер.

    Если конкурентов не обнаружилось, то она генерируетмаркер сама и устанавливает кольцо из одной станции. Периодически онагенерирует кадры SOLICIT_SUCCESSOR, приглашая другие станции включиться вкольцо. Если в начальный момент сразу две станции были включены, то запускаетсяалгоритм обратного двоичного счетчика с двумя разрядами.

Под ISU (Information SymbolUnit) понимается единица передачи информации

Общая часть

В сетях Token Ring используются различные типыкадров:

Data/Command Frame (кадруправления/данные), Token (маркер), Abort (кадр сброса).

Аппаратное обеспечениесетей Token Ring

 При подключении устройств в ARCNet применяют топологиюшина или звезда. Адаптеры ARCNet поддерживают метод доступа Token Bus (маркерная шина)

Смешение станций, работающихна различных скоростях, в одном кольце не допускается.

 Коллизии

    Из-за ошибок передач и сбоев оборудования могутвозникать проблем с передачей маркера - коллизии. Стандарт Token Ring четко определяет методы разрешения коллизий:

 Важной для разрешенияколлизий является возможность станций “слушать” после передачи.

 В случае, если станцияпередает маркер соседней, а та в это время отключается (например из-зааппаратного сбоя), то если не последует передач кадра или маркера, то маркерпосылается вторично.

 Если и при повторнойпередаче маркера ничего не последовало, то станция посылает WHO_FOLLOWS кадр,где указан не отвечающий сосед. Увидя этот кадр, станция, для которой неотвечающая станция - предшественник, шлет кадр SET_SUCCESSOR, и становитсяновым соседом. При этом неотвечающая станция исключается из кольца.

  В случае, если остановилась не только следующаястанция, но и следующая за ней - запускается новая процедура, посылкой кадра SOLICIT_SUCCESSOR_2.В ней участвует процедура разрешения конфликтов. При этом все кто хочетподключиться к кольцу могут это сделать. Фактически кольцо переустанавливается.

Другой вид проблем возникает,когда останавливается держатель маркера и маркер исчезает из кольца. Этапроблема решается запуском процедуры инициализации кольца. У каждой станцииесть таймер, который сбрасывается каждый раз, когда маркер появляется. Еслизначение этого таймера превысит некоторой заранее установленное значение (time out),то станция генерирует кадр CLAIM_TOKEN. При этом запускается алгоритм обратногодвоичного счетчика.

Если оказалось два и более маркеров на шине, станция,владеющая маркером, увидев передачу маркера на шине, сбрасывает свой маркер.Так повторяется до тех пор пока не останется ровно один маркер в системе.

Не все станции в кольцеравны. Одна из станций обозначается как активный монитор, что означаетдополнительную ответственность по управлению кольцом. Активный мониторосуществляет управление тайм-аутом в кольце, порождает новые маркеры (еслинеобходимо), чтобы сохранить рабочее состояние, и генерирует диагностическиекадры при определенных обстоятельствах. Активный монитор выбирается, когдакольцо инициализируется, и в этом качестве может выступить любая станция сети.Алгоритм определения активного монитора следующий: при включенииили если какая-то станции заметит отсутствие монитора, она посылает CLAIM_TOKENкадр. Если она первая, кто послал такой кадр, то она и становится монитором

Если монитор отказал по какой-либо причине, существуетмеханизм, с помощью которого другие станции (резервные мониторы) могутдоговориться, какая из них будет новым активным монитором.  Одной из функцийдля которых служит активный монитор является удаление из кольца постоянноциркулирующих блоков данных. Если устройство, отправившее блок данных,

отказало, то этот блок может постоянно циркулировать покольцу. Это может помешать другим станциям передавать собственные блоки данныхи фактически блокирует сеть. Активный монитор может выявлять и удалять такиеблоки и генерировать новый маркер. Важной функцией монитора является установказадерки на кольце, задержка должна быть достаточна, для того, чтобы в кольцеуместился 24-битный маркер.

Звездообразная топология сети IBM Token Ring такжеспособствует повышению общей надежности сети. Т.к. вся информация сети TokenRing просматривется активными MSAU, эти устройства можно запрограммировать так,чтобы они проверяли наличие проблем и при необходимости выборочно удалялистанции из кольца.

Алгоритм Token Ring,называемый "сигнализирующим" (beaconing), выявляет и пытаетсяустранить некоторые неисправности сети. Если какая-нибудь станция обнаружитсерьезную проблему в сети (например такую, как обрыв кабеля), она высылаетсигнальный блок данных. Сигнальный блок данных указывает домен неисправности, вкоторый входят станция, сообщающая о неисправности, ее ближайший активныйсосед, находящийся выше по течению потока информации (NAUN), и все, чтонаходится между ними. Сигнализация инициализирует процесс, называемый"автореконфигурацией" (autoreconfiguration), в ходе которогоузлы, расположенные в пределах отказавшего домена, автоматически выполняютдиагностику, пытаясь реконфигурировать сеть вокруг отказавшей зоны. Вфизическом плане MSAU может выполнить это с помощью электрическойреконфигурации.

Практическая часть

  Пусть у нас есть сеть из 50 станций, работающая наскорости 10 Мбит/сек и настроенная так, что на подстанции с приоритетом 6остается 1/3 пропускной способности. Тогда каждая станция имеет гарантированнодля приоритета 6 скорость не менее 67 Кб/с. Эта пропускная способность можетбыть использована для управления устройствами в реальном масштабе времени.

  Важной проблемой при создании кольцевой сети является"физическая длина" бита. Пусть данные передаются со скоростью RMbps. Это значит, что каждые 1/R ms на линии появляется бит. Учитывая, чтосигнал распространяется со скоростью 200 m/ms, то один бит занимает 200/Rметров кольца. Отсюда, при скорости 1 Мbps и длине окружности 1 км кольцовмещает не более 5 бит одновременно.

 Следствием конструкции сети кольцо с маркером являетсят, что сеть должна иметь достаточную протяженность, чтобы маркер могутуместиться в ней целиком даже когда все станции находятся в ожидании. Задержкискладываются из двух компонентов - 1 бит задержка на интерфейсе станции изадержка на распространение сигнала. Учитывая, что станции могут выключаться,например

на ночь, следует что накольце должна быть искусственная задержка, если кольцо не достаточно длинное.При малой загрузке станции в сети кольцо с маркером сразу смогут передаватьсвои сообщения. По мере роста загрузки у станций будут расти очереди напередачу и они в соответствии с кольцевым алгоритмом будут захватывать маркер ивести передачу. Постепенно загрузка кольца будет расти пока не достигнет 100%.

Формат маркера

 Кадр маркера состоит из трех полей, каждое длиной водин байт.

• Поле начального ограничителя появляется в начале маркера, а также в начале любого кадра, проходящего по сети. Поле состоит из уникальной серии электрических импульсов, которые отличаются от тех импульсов, которыми кодируются единицы и нули в байтах данных. Поэтому начальный ограничитель нельзя спутать ни с какой битовой последовательностью.
• Поле контроля доступа. Разделяется на четыре элемента данных:
  PPP T M RRR,
  где PPP - биты приоритета, T - бит маркера, M - бит монитора, RRR - резервные биты.

Каждый кадр или маркер имеет приоритет,устанавливаемый битами приоритета (значение от 0 до 7, 7 - наивысший приоритет).Станция может воспользоваться маркером, если только она получила маркер сприоритетом, меньшим или равным, чем ее собственный. Сетевой адаптер станции,если ему не удалось захватить маркер, помещает свой приоритет в резервные битымаркера, но только в том случае, если записанный в резервных битах приоритетниже его собственного. Эта станция будет иметь преимущественный доступ припоследующем поступлении к ней маркера.

     Схема использования приоритетного методазахвата маркера показана на рисунке 13. Сначала монитор помещает в полетекущего приоритета P максимальное значение приоритета, а поле резервногоприоритета R обнуляется (маркер 7110). Маркер проходит по кольцу, в которомстанции имеют текущие приоритеты 3, 6 и 4. Так как эти значения меньше, чем 7,то захватить маркер станции не могут, но они записывают свое значениеприоритета в поле резервного приоритета, если их приоритет выше его текущегозначения. В результате маркер возвращается к монитору со значением резервногоприоритета R = 6. Монитор переписывает это значение в поле P, а значениерезервного приоритета обнуляет, и снова отправляет маркер по кольцу. При этомобороте его захватывает станция с приоритетом 6 - наивысшим приоритетом вкольце в данный момент времени.

Бит маркера имеет значение 0 для маркера и 1 длякадра.

Бит монитора устанавливается в 1 активным монитором ив 0 любой другой станцией, передающей маркер или кадр. Если активный монитор

видит маркер или кадр, содержащий бит монитора в 1, тоактивный монитор знает, что этот кадр или маркер уже однажды обошел кольцо и небыл обработан станциями. Если это кадр, то он удаляется из кольца. Если этомаркер, то активный монитор переписывает приоритет из резервных битовполученного маркера в поле приоритета. Поэтому при следующем проходе маркера покольцу его захватит станция, имеющая наивысший приоритет.

• Поле конечного ограничителя - последнее поле маркера. Так же, как и поле начального ограничителя, это поле содержит уникальную серию электрических импульсов, которые нельзя спутать с данными. Кроме отметки конца маркера это поле также содержит два подполя: бит промежуточного кадра и бит ошибки. Эти поля относятся больше к кадру данных, который мы и рассмотрим

--------

. Поля Start delimiter и Enddelimiter предназначены для распознавания начала и конца кадра. Они имеютспециальную кодировку, которая не может встретиться у пользователя. Поэтомуполя длина кадра не требуется. Поле Frame control отделяет управляющие поля отполей данных. Для кадров данных здесь указывается приоритет кадра. Это полетакже используется станцией получателем для подтверждения корректного или некорректного получения кадра. Без этого поля получатель был бы лишен возможностидавать подтверждения - у него нет маркера.

Token ring иFDDI

ТехнологияFiber Distributed Data Interface (FDDI) - первая технология локальных сетей, котораяиспользовала в качестве среды передачи данных оптоволоконный кабель.

FDDI  посуществу представляет собой быстродействующий вариант Token Ring наволоконной оптике. В отличае от TokenRing FDDI реализуется без традиционныхконцентраторов-“хабов”.Еще одним отличием FDDI от Token Ring является возможность передавать данные одновременно, т.е. в сетях FDDI можетодновременно циркулировать несколько кадров.

 По своей топологии  FDDI состоитиз двух логических колец с циркуляцией маркеров по ним в противоположныхнаправлениях. Кольца образуют основной и резервный пути передачи данных междуузлами сети. Использование двух колец - это основной способ повышения отказоустойчивостив сети FDDI, и узлы, которые хотят им воспользоваться, должны быть подключены кобоим кольцам. В нормальном режиме работы сети данные проходят через все узлы ивсе участки кабеля первичного (Primary) кольца, поэтому этот режим назван режимомThru - "сквозным" или "транзитным". Вторичное кольцо(Secondary) в этом режиме не используется. В случае какого-либо вида отказа,когда часть первичного кольца не может передавать данные (например, обрывкабеля или отказ узла), первичное кольцо объединяется со вторичным

), образуя вновь единое кольцо. Этот режим работы сетиназывается Wrap, то есть "свертывание" или "сворачивание"колец. Операция свертывания производится силами концентраторов и/или сетевыхадаптеров FDDI. Для упрощения этой процедуры данные по первичному кольцу всегдапередаются против часовой стрелки, а по вторичному - по часовой. Поэтому приобразовании общего кольца из двух колец передатчики станций по-прежнемуостаются подключенными к приемникам соседних станций, что позволяет правильнопередавать и принимать информацию соседними станциями.

 В FDDIдостигается битовая скорость 100 Мб/с

  Процедура инициализации FDDI несколькоотличается от инициализации TokenRing:

Длявыполнения процедуры инициализации каждая станция сети должна знать о своихтребованиях к максимальному времени оборота токена по кольцу. Эти требованиясодержатся в параметре, называемом "требуемое время оборота токена" -TTRT (Target Token Rotation Time).

 ПараметрTTRT отражает степень потребности станции в пропускной способности кольца - чемменьше время TTRT, тем чаще станция желает получать токен для передачи своихкадров. Процедура инициализации позволяет станциям узнать о требованиях ковремени оборота токена других станций и выбрать минимальное время в качествеобщего параметра T_Opr, на основании которого в дальнейшем будет распределятьсяпропускная способность кольца. Параметр TTRT должен находиться в пределах от 4мс до 165 мс и может изменяться администратором сети.

Дляпроведения процедуры инициализации станции обмениваются служебными кадрамиМАС-уровня - кадрами Claim. Эти кадры имеют в поле управления значение 1L000011, поле адреса назначения содержит адрес источника (DA = SA), а в полеинформации содержится 4-х байтовое значение запрашиваемого времени оборотатокена T_Req.

Есликакая-либо станция решает начать процесс инициализации кольца по своейинициативе, то она формирует кадр Claim Token со своим значением требуемоговремени оборота токена TTRT, то есть присваивает полю T_Req свое значение TTRT.Захвата токена для отправки кадра Claim не требуется. Любая другая станция,получив кадр Claim Token, начинает выполнять процесс Claim Token. При этомстанции устанавливают признак нахождения кольца в работоспособном состоянииRing_Operational в состояние False, что означает отмену нормальных операций попередаче токена и кадров данных. В этом состоянии станции обмениваются толькослужебными кадрами Claim.

Длявыполнения процедуры инициализации каждая станция поддерживает таймер текущеговремени оборота токена TRT (Token Rotation Timer), который используется также ив дальнейшем при работе кольца в нормальном режиме. Для упрощения изложениябудем считать, что этот таймер, как и другие таймеры станции, инициализируетсянулевым значением и затем наращивает свое значение до определенной величины,называемой порогом истечения таймера. (В реальном кольце FDDI все таймерыработают в двоичном дополнительном коде).

ТаймерTRT запускается каждой станцией при обнаружении момента начала процедуры ClaimToken. В качестве предельного значения таймера выбирается максимальнодопустимое время оборота токена, то есть 165 мс. Истечение таймера TRT дозавершения процедуры означает ее неудачное окончание - кольцо не удалосьинициализировать. В случае неудачи процесса Claim Token запускается процессыBeacon и Trace, с помощью которых станции кольца пытаются выявить некорректноработающую часть кольца и отключить ее от сети.

Вовремя выполнения процесса Claim Token каждая станция сначала может отправить покольцу кадр Claim со значением T_Req, равным значению ее параметра TTRT. Приэтом она устанавливает значение T_Opr, равное значению TTRT. Рассмотрим примеринициализируемого кольца, приведенный на рисунке 9.

В некоторый момент времени все станции передали по кольцусвои предложения о значении максимального времени оборота токена: 72 мс, 37 мс,51 мс и 65 мс. Станция, приняв кадр Claim от предыдущей станции, обязанасравнить значение T_Req, указанное в кадре со значением TTRT своегопредложения.

 Если другая станция просит установить время оборотатокена меньше, чем данная (то есть T_Req < TTRT), то данная станцияперестает генерировать собственные кадры Claim и начинает повторять чужие кадрыClaim, так как видит, что в кольце есть более требовательные станции. Одновременностанция фиксирует в своей переменной T_Opr минимальное значение T_Req, котороеей встретилось в чужих кадрах Claim. Если же пришедший кадр имеет значениеT_Req больше, чем собственное значение TTRT, то он удаляется из кольца.

Станция, являющаяся источником кадра для сети,ответственна за то, чтобы удалить кадр из сети, после того, как он, совершивполный оборот, вновь дойдет до нее.

    Начальныеверсии различных составляющих частей стандарта FDDI были разработаны комитетомХ3Т9.5 в 1986 - 1988 годах, и тогда же появилось первое оборудование - сетевыеадаптеры, концентраторы, мосты и маршрутизаторы, поддерживающие этот стандарт.

Внастоящее время большинство сетевых технологий поддерживают оптоволоконныекабели в качестве одного из вариантов физического уровня, но FDDI остаетсянаиболее отработанной высокоскоростной технологией, стандарты на которую прошлипроверку временем и устоялись, так что оборудование различных производителейпоказывает хорошую степень совместимости.

Блок-схемы

Token Ring

(Логическое кольцо)

FDDI

Заключение

 Сети с кольцевой топологией известны давно и используютсяшироко. Среди их многочисленных достоинств есть одно особо важное - это несреда с множественным доступом, а последовательность соединений точка-точка,образующих кольцо. Соединения точка-точка хорошо изучены, могут работать наразных физических средах: витая пара, коаксиал или оптоволокно. Способ передачив основно цифровой, в то время как у 802.3 есть значительная аналоговыйкомпонент.