2.2.1 Основные характеристики технологии

Сети Token Ring 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 детерминированный алгоритм, 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 IEEE 802, который на ее основе принял в 1985 году стандарт 802.5 . Компания IBM долгое время использовала технологию Token Ring в качестве своей основной сетевой технологии для построения локальных сетей на основе компьютеров различных классов - мэйнфреймов, мини-компьютеров и персональных компьютеров.

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 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 по сравнению со стандартом 4 Мбит/с.

Технология Token Ring 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. 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 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.

2.2.2 Маркерный метод доступа к разделяемой среде

В сетях с маркерным методом доступа (а к ним, кроме сетей Token Ring, относятся сети FDDI, а так же сети, близкие к стандарту 802.4, - ArcNet, сети производственного назначения MAP) право на доступ к среде передается циклически от станции к станции по логическому кольцу.

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 Neighbor, NAUN . 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 для передачи своих данных. Затем эта станция выдает в кольцо кадр данных установленного формата. 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 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 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 - соответственнобайт. Максимальные размеры кадра выбраны с некоторым запасом.

В сетях Token Ring 16 Мбит/с используется так же 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 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 (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 так же 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.

2.2.3 Форматы кадров технологии Token Ring

В технологии Token Ring существуют три различных формата кадров:

· маркер;

· кадр данных;

· прерывающая последовательность.

2.2.3.1 Маркер

Кадр маркера состоит из трех полей, каждое длиной в один байт.

· Начальный ограничитель (Start Delimiter, SD) появляется в начале маркера, а так же в начале любого кадра, проходящего по сети. Поле представляет собой следующую уникальную последовательность символов манчестерского кода. Поэтому начальный ограничитель нельзя спутать ни с какой битовой последовательностью внутри кадра.

· Управление доступом (Access Control) 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 монитора 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 активный монитор 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 будет рассмотрено ниже.

· Конечный ограничитель (End Delimeter, ED) - последнее поле маркера.

Как и поле начального ограничителя, это поле содержит уникальную последовательность манчестерских кодов, а так же два однобитовых признака: I и Е. Признак I (Intermediate) показывает, является ли кадр последним в серии кадров (1-0) или промежуточным (1-1). Признак Е (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.

2.2.3.2 Кадр данных и прерывающая последовательность

Кадр данных включает те же три поля, что и маркер, и имеет кроме них еще несколько дополнительных полей. Таким образом, кадр данных состоит из следующих полей:

· начальный ограничитель (Start Delimiter, SD);

· управление кадром (Frame Control, FC);

· адрес назначения (Destination Address, DA);

· адрес источника (Source Address, SA);

· данные (INFO);

· контрольная сумма (Frame Check Sequence, FCS);

· конечный ограничитель (End Delimeter, 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 MAC, то поле так же указывает, какой из шести типов кадров представлен данным кадром.

2.2.3.3 Типы кадров технологии Token Ring

· Чтобы удостовериться, что ее адрес уникальный, станция, когда впервые присоединяется к кольцу, посылает кадр “Тест дублирования адреса” (Duplicate Address Test, DAT) .

· Чтобы сообщить другим станциям, что он работоспособен, активный монитор периодически посылает в кольцо кадр “Существует активный монитор” (Active Monitor Present, AMP) .

· Кадр “Существует резервный монитор” (Standby Monitor Present, SMP) отправляется любой станцией, не являющейся активным монитором в процессе инициализации сети.

· Резервный монитор отправляет кадр “Маркер заявки” (Claim Token, CT), когда подозревает, что активный монитор отказал, затем резервные мониторы договариваются между собой, какой из них станет новым активным монитором.

· Станция отправляет кадр “Сигнал” (Beacon, BCN) в случае возникновения серьезных сетевых проблем, таких как обрыв кабеля, обнаружение станции, передающей кадры без ожидания маркера, выход станции из строя.

Определяя, какая станция отправляет кадр сигнала, диагностирующая программа (ее существование и функции не определяются стандартами Token Ring) может локализовать проблему. Каждая станция периодически передает кадры BCN до тех пор, пока не примет кадр BCN от своего предыдущего (NAUN) соседа. В результате в кольце только одна станция продолжает передавать кадры BCN - та, у которой имеются проблемы с предыдущим соседом.

· Кадр “Очистка” (Purge, PRG) используется новым активным монитором для того, чтобы перевести все станции в исходное состояние и очистить кольцо от всех ранее посланных кадров.

Адреса назначения и источника могут иметь длину либо 2, либо 6 байт. Первый бит адреса назначения определяет групповой или индивидуальный адрес как для 2-байтовых, так и для 6-байтовых адресов. Второй бит в 6-байтовых адресах говорит о том, назначен адрес локально или глобально. Адрес, состоящий из всех единиц, является широковещательным.

Адрес источника имеет тот же размер и формат, что и адрес назначения. Однако признак группового адреса используется в нем особым способом. Так как адрес источника не может быть групповым, то наличие единицы в этом разряде говорит о том, что в кадре имеется специальное поле маршрутной информации (Routing Information Field, RIF). Эта информация требуется при работе мостов, связывающих несколько колец Token Ring, в режиме маршрутизации от источника.

Поле данных INFO кадра может содержать данные одного из описанных управляющих кадров уровня MAC или пользовательские данные, упакованные в кадр уровня LLC. Это поле, как уже отмечалось, не имеет определенной стандартом максимальной длины, хотя существуют практические ограничения на его размер, основанные на временных соотношениях между временем удержания маркера и временем передачи кадра.

Поле статуса FS имеет длину 1 байт и содержит 4 резервных бита и 2 подполя: бит распознавания адреса А и бит копирования кадра С. Так как это поле не сопровождается вычисляемой суммой CRC, то используемые биты для надежности дублируются.

Если бит распознавания адреса не установлен во время получения кадра, это означает, что станция назначения больше не присутствует в сети (возможно, вследствие неполадок, а возможно, станция находится в другом кольце, связанном с данным с помощью моста).

Если оба бита опознавания адреса и копирования кадра установлены, и бит обнаружения ошибки так же установлен, то исходная станция знает, что ошибка случилась после того, как этот кадр был корректно получен.

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

2.2.3.4 Приоритетный доступ к кольцу

Каждый кадр данных или маркер имеет приоритет, устанавливаемый битами приоритета (значение от 0 до 7, причем 7 - наивысший приоритет).

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 захватит станция, имеющая наивысший приоритет.

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

Хотя механизм приоритетов в технологии 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 практике, так как большая часть приложений этим механизмом не пользуется.

Это связано с тем, что приоритеты кадров поддерживаются не во всех технологиях, например в сетях 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 используемых протоколов канального уровня.

2.2.3.5 Физический уровень технологии Token Ring

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 (рисунок 2.1). Сеть Token Ring может включать до 260 узлов.

Рисунок 2.1 - 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.

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 Ring In (RI) и Ring Out (RO) для образования магистрального физического кольца.

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, UTP Type 3, UTP Type 6, а так же 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 жесткими. Здесь эти ограничения во многом связаны со временем оборота маркера по кольцу. 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.

2.3 Логическая структуризация

Под логической структуризацией сети понимается разбиение общей разделяемой среды на логические сегменты, которые представляют самостоятельные разделяемые среды с меньшим количеством узлов. Сеть, разделенная на логические сегменты, обладает более высокой производительностью и надежностью.

2.3.1 Ограничения сети, построенной на общей разделяемой среде

При построении небольших сетей, состоящих из 10-30 узлов, использование стандартных технологий на разделяемых средах передачи данных приводит к экономичным и эффективным решениям. Во всяком случае, это утверждение справедливо для очень большого числа сегодняшних сетей, даже тех, в которых передаются большие объемы мультимедийной информации, - появление высокоскоростных технологий со скоростями обмена 100 и 1000 Мбит/с решает проблему качества транспортного обслуживания таких сетей.

Эффективность разделяемой среды для небольшой сети проявляется в первую очередь в следующих свойствах:

· простой топологии сети, допускающей легкое наращивание числа узлов (в небольших пределах);

· отсутствии потерь кадров из-за переполнения буферов коммуникационных устройств, так как новый кадр не передается в сеть, пока не принят предыдущий - сама логика разделения среды регулирует поток кадров и приостанавливает станции, слишком часто генерирующие кадры, заставляя их ждать доступа;

· простоте протоколов, обеспечившей низкую стоимость сетевых адаптеров, повторителей и концентраторов.

Однако справедливым является и другое утверждение - крупные сети, насчитывающие сотни и тысячи узлов, не могут быть построены на основе одной разделяемой среды. И не только потому, что практически все технологии ограничивают количество узлов в разделяемой среде: все виды семейства Ethernet - 1024 узлами, Token Ring - 260 узлами, a FDDI - 500 узлами.

Даже сеть средних размеров, состоящая из 50-100 компьютеров и укладывающаяся в разрешенный максимум количества узлов, чаще всего будет плохо работать на одной разделяемой среде.

На рисунке 2.2 показана зависимость задержек доступа к среде передачи данных в сетях Ethernet, Token Ring и FDDI от коэффициента использования сети ρ, который так же часто называют коэффициентом нагрузки сети.

Коэффициент использования сети равен отношению трафика, который должна передать сеть, к ее максимальной пропускной способности. Коэффициент использования обычно измеряют в относительных единицах или процентах.

Рисунок 2.2 - Задержки доступа к среде передачи данных для технологий Ethernet, Token Ring и FDDI

Как видно из рисунка 2.2, всем технологиям присущ экспоненциальный рост величины задержек доступа при увеличении коэффициента использования сети, отличается только порог, при котором наступает резкий перелом в поведении сети.

В результате даже сеть средних размеров трудно построить на одном разделяемом сегменте так, чтобы она работала эффективно при изменении интенсивности генерируемого станциями трафика.

Кроме того, при использовании разделяемой среды проектировщик сети сталкивается с жесткими ограничениями максимальной длины сети, которые для всех технологий лежат в пределах нескольких километров, и только технология FDDI позволяет строить локальные сети, длина которых измеряется десятками километров.

2.3.2 Преимущества логической структуризации сети

Ограничения, возникающие из-за использования общей разделяемой среды, можно преодолеть, разделив сеть на несколько разделяемых сред и соединив отдельные сегменты сети такими устройствами, как мосты, коммутаторы или маршрутизаторы (рисунок 2.3).

Рисунок 2. 3 - Логическая структуризация сети

Перечисленные устройства передают кадры с одного своего порта на другой, анализируя адрес назначения, помещенный в этих кадрах. Мосты и коммутаторы выполняют операцию передачи кадров на основе плоских адресов канального уровня, то есть МАС - адресов, а маршрутизаторы - на основе номера сети. При этом единая разделяемая среда, созданная концентраторами (или в предельном случае - одним сегментом кабеля), делится на несколько частей, каждая из которых присоединена к порту моста, коммутатора или маршрутизатора.

Говорят, что при этом сеть делится на логические сегменты или сеть подвергается логической структуризации. Логический сегмент представляет собой единую разделяемую среду. Деление сети на логические сегменты приводит к тому, что нагрузка, приходящаяся на каждый из вновь образованных сегментов, почти всегда оказывается меньше, чем нагрузка, которую испытывала исходная сеть.

Следовательно, уменьшаются вредные эффекты от разделения среды: снижается время ожидания доступа, а в сетях Ethernet - и интенсивность коллизий . Слово “почти” учитывает очень редкий случай, когда сеть разбита на сегменты так, что внутренний трафик каждого сегмента равен нулю, то есть весь трафик является межсегментным.

Такой случай является, естественно, экзотическим. На практике на предприятии всегда можно выделить группу компьютеров, которые принадлежат сотрудникам, выполняющим общую задачу. Это могут быть сотрудники одной рабочей группы, отдела, другого структурного подразделения предприятия. В большинстве случаев им нужен доступ к ресурсам сети их отдела и только изредка - доступ к удаленным ресурсам.

В общем случае деление сети на логические сегменты повышает производительность сети (за счет разгрузки сегментов), а так же гибкость построения сети, увеличивая степень защиты данных, и облегчает управление сетью.

При построении сети как совокупности подсетей каждая подсеть может быть адаптирована к специфическим потребностям рабочей группы или отдела.

При подключении пользователей к различным физическим сегментам сети можно запретить доступ определенных пользователей к ресурсам других сегментов. Устанавливая различные логические фильтры на мостах, коммутаторах и маршрутизаторах, можно контролировать доступ к ресурсам, чего не позволяют сделать повторители.

Побочным эффектом уменьшения трафика и повышения безопасности данных является упрощение управления сетью. Проблемы одной подсети не оказывают влияния на другие подсети и очень часто локализуются внутри сегмента.

2.3.3 Мосты и коммутаторы

Сеть можно разделить на логические сегменты с помощью мостов (bridge) и/или коммутаторов (switch, switching hub) . Мосты и коммутаторы - это функциональные близнецы. Оба эти устройства продвигают кадры на основании одних и тех же алгоритмов. Мосты и коммутаторы используют два типа алгоритмов: алгоритм прозрачного моста (transparent bridge), описанного в стандарте IEEE 802. ID, либо алгоритм моста с маршрутизацией от источника (source routing bridge). Эти стандарты были разработаны задолго до появления первого коммутатора, поэтому в них используется термин “мост”.

Основное отличие коммутатора от моста заключается в том, что мост обрабатывает кадры последовательно, а коммутатор - параллельно.

Это обстоятельство связано с тем, что мосты появились в те времена, когда сеть делили на небольшое количество сегментов, а межсегментный трафик был небольшим (подчинялся правилу 80 на 20 %). Сеть чаще всего делили на два сегмента, поэтому и термин был выбран соответствующий – “мост”. Для обработки потока данных со средней интенсивностью 1 Мбит/с мосту вполне хватало производительности одного процессорного блока.

При изменении ситуации в конце 80-х - начале 90-х годов - появлении быстрых протоколов, производительных персональных компьютеров, мультимедийной информации, разделении сети на большое количество сегментов - классические мосты перестали справляться с работой.

Обслуживание потоков кадров между теперь уже несколькими портами с помощью одного процессорного блока требовало значительного повышения быстродействия процессора, а это довольно дорогостоящее решение.

Более эффективным оказалось решение, которое и “породило” коммутаторы: для обслуживания потока, поступающего на каждый порт, в устройство ставился отдельный специализированный процессор, который реализовывал алгоритм моста. По сути, коммутатор - это мультипроцессорный мост, способный параллельно продвигать кадры сразу между всеми парами своих портов.

Постепенно коммутаторы вытеснили из локальных сетей классические однопроцессорные мосты. Основная причина этого - очень высокая производительность, с которой коммутаторы передают кадры между сегментами сети.

Если мосты могли даже замедлять работу сети, когда их производительность оказывалась меньше интенсивности межсегментного потока кадров, то коммутаторы всегда выпускаются с процессорами портов, которые могут передавать кадры с той максимальной скоростью, на которую рассчитан протокол. Добавление к этому параллельной передачи кадров между портами сделало производительность коммутаторов на несколько порядков выше, чем мостов. Процесс вытеснения мостов начал протекать достаточно быстро с 1994 года, и сегодня локальные мосты практически не производятся сетевой индустрией.

2.3.3.1 Принцип работы прозрачного моста

Прозрачные мосты незаметны для сетевых адаптеров конечных узлов, так как они самостоятельно строят специальную адресную таблицу, на основании которой можно решить, нужно передавать пришедший кадр в какой-либо другой сегмент или нет. Сетевые адаптеры при использовании прозрачных мостов работают точно так же, как и в случае их отсутствия, то есть не предпринимают никаких дополнительных действий, чтобы кадр прошел через мост.

Алгоритм прозрачного моста не зависит от технологии локальной сети, в которой устанавливается мост, поэтому прозрачные мосты Ethernet работают точно так же, как прозрачные мосты FDDI.

Прозрачный мост строит свою адресную таблицу на основании пассивного наблюдения за трафиком, циркулирующим в подключенных к его портам сегментах. При этом мост учитывает адреса источников кадров данных, поступающих на порты моста. По адресу источника кадра мост делает вывод о принадлежности этого узла тому или иному сегменту сети.

Рассмотрим процесс автоматического создания адресной таблицы моста и ее использования на примере простой сети, представленной на рисунок 2.4.

Рисунок 2.4 - Принцип работы прозрачного моста

Мост соединяет два логических сегмента. Сегмент 1 составляют компьютеры, подключенные с помощью одного отрезка коаксиального кабеля к порту 1 моста, а сегмент 2 - компьютеры, подключенные с помощью другого отрезка коаксиального кабеля к порту 2 моста.

Каждый порт моста работает как конечный узел своего сегмента за одним исключением - порт моста не имеет собственного МАС - адреса.

Порт моста работает в так называемом неразборчивом (promisquous) режиме захвата пакетов, когда все поступающие на порт пакеты запоминаются в буферной памяти. С помощью такого режима мост следит за всем трафиком, передаваемым в присоединенных к нему сегментах, и использует проходящие через него пакеты для изучения состава сети. Так как в буфер записываются все пакеты, то адрес порта мосту не нужен.

В исходном состоянии мост ничего не знает о том, компьютеры с какими МАС - адресами подключены к каждому из его портов. Поэтому в этом случае мост просто передает любой захваченный и буферизованный кадр на все свои порты за исключением того, от которого этот кадр получен. В приведенном примере у моста только два порта, поэтому он передает кадры с порта 1 на порт 2, и наоборот. Отличие работы моста в этом режиме от повторителя в том, что он передает кадр не побитно, а с буферизацией.

Буферизация разрывает логику работы всех сегментов как единой разделяемой среды. Когда мост собирается передать кадр с сегмента на сегмент, например с сегмента 1 на сегмент 2, он заново пытается получить доступ к сегменту 2 как конечный узел по правилам алгоритма доступа.

Одновременно с передачей кадра на все порты мост изучает адрес источника кадра и делает новую запись о его принадлежности в своей адресной таблице, которую так же называют таблицей фильтрации или маршрутизации.

Например, получив на свой порт 1 кадр от компьютера 1 , мост делает первую запись в своей адресной таблице: МАС - адрес 1 - порт 1. Если все четыре компьютера данной сети проявляют активность и посылают друг другу кадры, то скоро мост построит полную адресную таблицу сети, состоящую из 4 записей - по одной записи на узел.

После того как мост прошел этап обучения, он может работать более рационально. При получении кадра, направленного, например, от компьютера 1 компьютеру 3 , он просматривает адресную таблицу на предмет совпадения ее адресов с адресом назначения 3 . Поскольку такая запись есть, то мост выполняет второй этап анализа таблицы - проверяет, находятся ли компьютеры с адресами источника (в данном случае - это адрес 1 ) и адресом назначения (адрес 3 ) в одном сегменте. Так как в данном примере они находятся в разных сегментах, то мост выполняет операцию продвижения (forwarding) кадра - передает кадр на другой порт, предварительно получив доступ к другому сегменту.

Если бы оказалось, что компьютеры принадлежат одному сегменту, то кадр просто был бы удален из буфера и работа с ним на этом бы закончилась.

Такая операция называется фильтрацией (filtering).

Если же адрес назначения неизвестен, то мост передает кадр на все свои порты, кроме порта - источника кадра, как и на начальной стадии процесса обучения.

Процесс обучения моста никогда не заканчивается. Мост постоянно следит за адресами источника буферизуемых кадров, чтобы быть в состоянии автоматически приспосабливаться к изменениям, происходящим в сети, - перемещениям компьютеров из одного сегмента сети в другой, появлению новых компьютеров.

С другой стороны, мост не ждет, когда адресная таблица заполнится полностью (да это и невозможно, поскольку заранее не известно, сколько компьютеров и адресов будут находиться в сегментах моста). Как только в таблице появляется первый адрес, мост пытается его использовать, проверяя совпадение с ним адресов назначения всех поступающих пакетов.

Входы адресной таблицы могут быть динамическими, создаваемыми в процессе самообучения моста, и статическими, создаваемыми вручную администратором сети. Динамические входы имеют срок жизни - при создании или обновлении записи в адресной таблице с ней связывается отметка времени.

По истечении определенного тайм-аута запись помечается как недействительная, если за это время мост не принял ни одного кадра с данным адресом в поле адреса источника.

Это дает возможность автоматически реагировать на перемещения компьютера из сегмента в сегмент - при его отключении от старого сегмента запись о его принадлежности к нему со временем вычеркивается из адресной таблицы. После включения этого компьютера в работу в другом сегменте его кадры начнут попадать в буфер моста через другой порт, и в адресной таблице появится новая запись, соответствующая текущему состоянию сети.

Статические записи не имеют срока жизни, что дает администратору возможность подправлять работу моста, если это необходимо.

Кадры с широковещательными МАС - адресами передаются мостом на все его порты, как и кадры с неизвестным адресом назначения. Такой режим распространения кадров называется затоплением сети (flood).

Наличие мостов в сети не препятствует распространению широковещательных кадров по всем сегментам сети, сохраняя ее прозрачность.

Однако это является достоинством только в том случае, когда широковещательный адрес выработан корректно работающим узлом. Однако часто случается так, что в результате каких-либо программных или аппаратных сбоев протокол верхнего уровня или сам сетевой адаптер начинают работать некорректно и постоянно с высокой интенсивностью генерировать кадры с широковещательным адресом в течение длительного промежутка времени.

Мост в этом случае передает эти кадры во все сегменты, “затапливая” сеть ошибочным трафиком. Такая ситуация называется широковещательным штормом (broadcast storm).

К сожалению, мосты не защищают сети от широковещательного шторма.

Максимум, что может сделать администратор с помощью моста для борьбы с ним - установить для каждого узла предельно допустимую интенсивность генерации кадров с широковещательным адресом. Но при этом нужно точно знать, какая интенсивность является нормальной, а какая - ошибочной.

Глава 3. Описание программной модели

Ядро модели сети представляет собой совокупность кольцевых сегментов, состоящих из станций, функционирующих по стандартам технологии Token Ring (с использованием алгоритма раннего освобождения маркера), объединенных между собой коммутаторами, работающими по принципу прозрачного моста.

Моделирование производится в пошаговом режиме, при этом шаг моделирования является единицей модельного времени.

3.1 Характеристики ядра программной модели

§ Максимально приближенные к реальным алгоритмы работы узлов

§ Возможность отключения/включения станций в процессе моделирования.

§ Возможность изменения топологии существующих связей сети, количества станций в сегментах, и количества самих сегментов, а так же коммутаторов непосредственно в процессе моделирования.

§ Настройка временных соотношений моделируемой сети. Для каждого узла, включенного в сеть, представлена возможность определения следующих параметров:

Максимального и текущего времени удержания маркера,

Максимального и текущего времени отсутствия кадра присутствия активного монитора (только для станций),

Максимального и текущего времени отсутствия маркера (только для станций),

- “времени жизни” записей коммутационной матрицы для каждого порта коммутатора.

Кроме того, предусмотрен автоматический подбор и установка оптимальных значений перечисленных параметров. Имеется возможность отключения контроля этих параметров узлами сети.

§ Поддержка индивидуальных счетчиков модельного времени для каждого коммутатора и каждого сегмента сети, что позволяет производить изолированное моделирование нужных компонентов сети.

§ Автоматическое выявление и устранение различных неисправностей, связанных как с потерей (появлением) и искажением кадров, так и с некорректной работой узлов сети.

§ Индивидуальные очереди кадров для каждой станции сети и для каждого порта коммутатора.

§ Полный доступ к буферам и очередям кадров станций и коммутаторов сети, что обеспечивает просмотр и редактирование их содержимого на каждом шаге моделирования.

§ Формирование индивидуальных историй событий и статистики для каждой станции сети с возможностью сохранения в текстовом файле.

§ Доступ к коммутационным матрицам коммутаторов с возможностью их редактирования. Предусмотрен режим внесения статических записей, не имеющих “срока жизни”.

§ Предусмотрена смена МАС-адресов и режимов работы станций в процессе моделирования.

§ Поддержка поля данных кадра произвольного типа с поддержкой контрольной суммы.

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.

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 Ring In (RI) и Ring Out (RO) для образования магистрального физического кольца.

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.

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.

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 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 TokenRing, так же как и сетиEthernet, 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 сетяхEthernet, а детерминированный, основанный на передаче станциям права на использование кольца в определенном порядке. Это право передается с помощью кадра специаль­ного формата, называемогомаркером илитокеном (token ). ТехнологияTokenRingбыл разработана компаниейIBMв 1984году, а затем передана в качестве проекта стандарта в комитетIEEE 802,который на ее основе принял в 1985году стандарт 802.5.СетиTokenRingработают с двумя битовыми скоростями - 4и 16Мбит/с. Сме­шение станций, работающих на различных скоростях, в одном кольце не допускается. СетиTokenRing, работающие со скоростью 16Мбит/с, имеют некоторые усовер­шенствования в алгоритме доступа по сравнению со стандартом 4Мбит/с. ТехнологияTokenRingявляется более сложной технологией, чемEthernet. Она обладает свойствами отказоустойчивости. В сетиTokenRingопределены процедуры контроля работы сети, которые используют обратную связь кольцеобразной струк­туры -посланный кадр всегда возвращается в станцию-отправитель. 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 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 3секунды генерирует специальный кадр своего присутствия. Если этот кадр не появляется в сети более 7секунд, то остальные станции сети начинают процедуру выборов нового активного монитора.

В сетях с маркерным методом доступа (а к ним, кроме сетейTokenRing, относятся, сетиFDDI, а также сети, близкие к стандарту 802.4, -ArcNet, сети производственного назначенияMAP) право на доступ к среде передается циклически от станции к станции по логическому кольцу.

В сети TokenRingкольцо образуется отрезками кабеля, соединяющими сосед ние станции. Таким образом, каждая станция связана со своей предшествующей и последующей станцией и может непосредственно обмениваться данными толькоcними. Для обеспечения доступа станций к физической среде по кольцу циркулирует кадр специального формата и назначения -маркер. В сетиTokenRingлюбая станция всегда непосредственно получает данные только от одной станции -той, которая является предыдущей в кольце. Такая станция называетсяближайшим активным соседом, расположенным выше по потоку (данных) -Nearest Active Upstream Neighbor , NAUN . 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 сетяхTokenRingсо скоростью работы4Мбит/с, описанных в стандарте 802.5.

Время владения разделяемой средой в сети TokenRingограничиваетсявреме­нем 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 10мс, а максимальный размер кадра в стандарте 802.5не определен. Для сетей 4Мбит/с он обычно равен 4Кбайт, а для сетей 16Мбит/с - 16Кбайт. Это связано с тем, что за время удержания маркера станция должна успеть передать хотя бы один кадр. При скорости 4Мбит/с за время 10мс можно передать 5000байт, а при скорости 16Мбит/с -соответственно 20 000байт. Мак­симальные размеры кадра выбраны с некоторым запасом.

В сетях TokenRing 16Мбит/с используется также несколько другой алгоритм доступа к кольцу, называемый алгоритмомраннего освобождения маркера (Early Token Release ). 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(низший) до 7(высший). Решение о приоритете конкретного кадра принимает передающая станция (протоколTokenRingполучает 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, 2,6с), то он порождает новый маркер.

Стандарт TokenRingфирмыIBMизначально предусматривал построение связей в сети с помощью концентраторов, называемыхMAU(MultistationAccessUnit) илиMSAU(Multi-StationAccessUnit), то есть устройствами многостанционного дос­тупа (рис. 3.15).СетьTokenRingможет включать до 260узлов.

Концентратор TokenRingможет 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 MSAUне выполняет. Такое устройство можно счи­тать простым кроссовым блоком за одним исключением - MSAUобеспечивает 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 стандартеEthernet.

В общем случае сеть TokenRingимеет комбинированную звездно-кольцевую конфигурацию. Конечные узлы подключаются кMSAUпо топологии звезды, а сами MSAUобъединяются через специальные портыRingIn(RI) иRingOut(RO) для образования магистрального физического кольца. Все станции в кольце должны работать на одной скорости -либо 4Мбит/с, либо 16Мбит/с. Кабели, соединяющие станцию с концентратором, называются ответвительными (lobecable), а кабели, соединяющие концентраторы, -магист­ральными (trunkcable). ТехнологияTokenRingпозволяет использовать для соединения конечных стан­ций и концентраторов различные типы кабеля:STPTypeI,UTPType 3,UTPType 6, а также волоконно-оптический кабель. При использовании экранированной витой парыSTPType 1из номенклатуры кабельной системыIBMв кольцо допускается объединять до 260станций при длине ответвительных кабелей до 100метров, а при использовании неэкраниро­ванной витой пары максимальное количество станций сокращается до 72при дли­не ответвительных кабелей до 45метров.Расстояние между пассивными MSAUможет достигать 100м при использова­нии кабеляSTPType 1и 45м при использовании кабеляUTPType 3.Между активными MSAUмаксимальное расстояние увеличивается соответственно до 730м или 365м в зависимости от типа кабеля. Максимальная длина кольцаTokenRingсоставляет 4000м.

Недавно компания IBMпредложила новый вариант технологииTokenRing, названныйHigh-SpeedTokenRing,HSTR. Эта технология поддерживает битовые скорости в 100и 155Мбит/с, сохраняя основные особенности технологииTokenRing 16Мбит/с.

Выводы

Технология TokenRingразвивается в основном компаниейIBMи имеет также статус стандартаIEEE 802.5,который отражает наиболее важные усовершен­ствования, вносимые в технологиюIBM.

В сетях TokenRingиспользуется 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 TokenRingработают на двух скоростях: 4и 16Мбит/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 - 4км.

Технология TokenRingобладает 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 процедураbeaconing.

Максимальный размер поля данных кадра TokenRingзависит от скорости ра­боты кольца. Для скорости 4Мбит/с он равен около 5000байт, а при скорости16Мбит/с -около 16Кбайт. Минимальный размер поля данных кадра не оп­ределен, то есть может быть равен 0.

В сети TokenRingстанции в кольцо объединяют с помощью концентраторов, называемых MSAU.Пассивный концентратор MSAUвыполняет роль кроссо-вой панели, которая соединяет выход предыдущей станции в кольце со входом последующей. Максимальное расстояние от станции доMSAU- 100м для STP и 45м для UTP.

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

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

Сеть TokenRingможет строиться на основе нескольких колец, разделенных мостами, маршрутизирующими кадры по принципу «от источника», для чего в кадрTokenRingдобавляется специальное поле с маршрутом прохождения колец.

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.