Два примера сетей Token Ring: а) Использование одного MAU б) Использование нескольких MAU, подключенных друг к другуСеть Token RingСеть Token Ring: пояснение работы MAUГермафродитный разъем IBM с фиксирующим зажимом. Контакты экрана хорошо видны, позолоченные сигнальные контакты — меньше.
Token Ring была успешной технологией, особенно в корпоративных средах, но постепенно была затмеваема более поздними версиями Ethernet . Gigabit Token Ring была стандартизирована в 2001 году, но с тех пор ее развитие прекратилось. [1]
История
В начале 1970-х годов был разработан широкий спектр различных технологий локальных сетей , одна из которых, Cambridge Ring , продемонстрировала потенциал топологии кольца с передачей маркера , и многие команды по всему миру начали работать над собственными реализациями. В исследовательской лаборатории IBM в Цюрихе Вернер Букс и Ханс Мюллер, в частности, работали над проектированием и разработкой технологии IBM Token Ring, [2] в то время как ранние работы в MIT [3] привели к созданию сети Proteon 10 Mbit/s ProNet-10 Token Ring в 1981 году [4] — в том же году, когда поставщик рабочих станций Apollo Computer представил свою фирменную сеть Apollo Token Ring (ATR) со скоростью 12 Mbit/s, работающую по коаксиальному кабелю RG-6U сопротивлением 75 Ом . [ требуется ссылка ] Позже Proteon разработал версию со скоростью 16 Mbit/s , которая работала по неэкранированному кабелю витой пары.
1985 год. Запуск IBM.
IBM выпустила свой собственный продукт Token Ring 15 октября 1985 года. [5] [6] Он работал на скорости 4 Мбит/с , [7] и подключение было возможно с IBM PC, компьютеров среднего уровня и мэйнфреймов. Он использовал удобную физическую топологию со звездообразной разводкой и работал по экранированной витой паре. Вскоре после этого он стал основой для стандарта IEEE 802.5. [8] [ не удалось проверить ]
В это время IBM утверждала, что локальные сети Token Ring превосходят Ethernet , особенно под нагрузкой, [9] но эти утверждения были подвергнуты сомнению. [10]
В 1988 году рабочая группа 802.5 стандартизировала более быструю передачу данных Token Ring со скоростью 16 Мбит/с . [11] Увеличение скорости до 100 Мбит/с было стандартизировано и выведено на рынок в период упадка Token Ring и так и не получило широкого распространения. [12] Хотя стандарт 1000 Мбит/с был утвержден в 2001 году, на рынок так и не было выведено ни одного продукта, и деятельность по стандартизации замерла [13], поскольку на рынке локальных сетей доминировали Fast Ethernet и Gigabit Ethernet .
Галерея
Адаптер IBM Token Ring Management 100 Мбит/с с функцией wake-on-LAN. Имеются интерфейсы UTP (RJ45) и STP (IBM Data Connector).
Различные полноразмерные карты Micro Channel Token Ring, включая LANStreamer с несколькими портами RJ45 для использования в сети Token Ring
Сетевые интерфейсные карты Token Ring (NIC) с различными интерфейсами: ISA, PCI и Micro Channel
Madge 4/16 Мбит/с TokenRing ISA NIC
Серия из нескольких ранних карт Micro Channel Token Ring 16/4, которые преимущественно устанавливались во многих машинах Personal System/2
Сетевой коммуникационный процессор Texas Instruments TMS380C26PQL, используемый в плате сервера печати Hewlett Packard JetDirect Token Ring
Сравнение с Ethernet
Ранние Ethernet и Token Ring использовали общую среду передачи. Они различались методами доступа к каналу . Эти различия стали несущественными, поскольку современные сети Ethernet состоят из коммутаторов и соединений точка-точка, работающих в полнодуплексном режиме.
У Token Ring и устаревшего Ethernet есть некоторые заметные различия:
Ethernet поддерживает прямое кабельное соединение между двумя сетевыми интерфейсными картами с помощью кроссоверного кабеля или через автоматическое определение, если поддерживается. Token Ring изначально не поддерживает эту функцию и требует дополнительного программного и аппаратного обеспечения для работы при настройке прямого кабельного соединения. [14]
Token Ring устраняет коллизии с помощью одноразового токена и раннего выпуска токена для сокращения времени простоя. Legacy Ethernet устраняет коллизии с помощью множественного доступа с контролем несущей и использования интеллектуального коммутатора ; примитивные устройства Ethernet, такие как концентраторы, могут вызывать коллизии из-за слепого повторения трафика. [15]
Сетевые интерфейсные карты Token Ring содержат все необходимые интеллектуальные возможности для автоматического определения скорости, маршрутизации и могут управляться на многих многостанционных устройствах доступа (MAU), которые работают без питания (большинство MAU работают таким образом, требуя только источника питания для светодиодов ). Сетевые интерфейсные карты Ethernet теоретически могут работать на пассивном концентраторе до некоторой степени, но не как большая локальная сеть, и проблема коллизий все еще присутствует. [16]
Token Ring использует приоритет доступа , в котором определенные узлы могут иметь приоритет над токеном. Некоммутируемый Ethernet не имел положения для системы приоритета доступа, поскольку все узлы имели равный доступ к среде передачи .
Несколько идентичных MAC-адресов поддерживаются в Token Ring (функция, используемая мэйнфреймами S/390 ). [12] Коммутируемый Ethernet не может поддерживать дублирующиеся MAC-адреса без выговора. [17]
Token Ring был сложнее Ethernet, требуя специализированного процессора и лицензированной прошивки MAC/ LLC для каждого интерфейса. Напротив, Ethernet включал как (более простую) прошивку, так и более низкую стоимость лицензирования в чипе MAC. Стоимость интерфейса Token Ring с использованием MAC и PHY Texas Instruments TMS380C16 была примерно в три раза выше, чем у интерфейса Ethernet с использованием MAC и PHY Intel 82586. [ необходима цитата ]
Первоначально обе сети использовали дорогой кабель, но после того, как Ethernet был стандартизирован для неэкранированной витой пары с 10BASE-T ( Cat 3 ) и 100BASE-TX ( Cat 5(e) ), он получил явное преимущество, и его продажи заметно возросли.
Еще более значимым при сравнении общих системных затрат была гораздо более высокая стоимость портов маршрутизатора и сетевых карт для Token Ring по сравнению с Ethernet. Появление коммутаторов Ethernet, возможно, стало последней каплей. [ необходима цитата ]
Операция
Станции в локальной сети Token Ring логически организованы в кольцевую топологию , при этом данные передаются последовательно от одной кольцевой станции к другой, а контрольный токен циркулирует по кольцу, контролируя доступ. Аналогичные механизмы передачи токенов используются ARCNET , token bus , 100VG-AnyLAN (802.12) и FDDI , и они имеют теоретические преимущества перед CSMA/CD раннего Ethernet. [18]
Сеть Token Ring можно смоделировать как систему опроса , в которой один сервер обслуживает очереди в циклическом порядке. [19]
Контроль доступа
Процесс передачи данных происходит следующим образом:
По кольцу непрерывно циркулируют пустые информационные кадры.
Когда компьютеру нужно отправить сообщение, он захватывает токен. Затем компьютер сможет отправить фрейм.
Затем кадр проверяется каждой последующей рабочей станцией. Рабочая станция, которая идентифицирует себя как получателя сообщения, копирует его из кадра и меняет токен обратно на 0.
Когда кадр возвращается к отправителю, он видит, что токен был изменен на 0, а сообщение скопировано и получено. Он удаляет сообщение из кадра.
Кадр продолжает циркулировать как пустой кадр, готовый к приему рабочей станцией, когда у нее возникнет сообщение для отправки.
Многостанционные блоки доступа и блоки контролируемого доступа
IBM 8228 Multistation Access Unit с сопутствующим Setup Aid для подготовки реле на каждом порту. Устройство полностью пассивно и не требует источника питания.
Физически сеть Token Ring организована по схеме звезды с «MAU» в центре, «рукавами» к каждой станции и петлей, проходящей через каждую станцию. [20]
MAU может быть представлен в виде концентратора или коммутатора; поскольку Token Ring не имел коллизий, многие MAU были изготовлены как концентраторы. Хотя Token Ring работает на LLC , он включает исходную маршрутизацию для пересылки пакетов за пределы локальной сети. Большинство MAU по умолчанию настроены в конфигурации «концентрации», но более поздние MAU также поддерживают функцию, чтобы действовать как разделители, а не исключительно концентраторы, как в IBM 8226. [21]
Позже IBM выпустила Controlled Access Units, которые могли поддерживать несколько модулей MAU, известных как Lobe Attachment Module . CAU поддерживали такие функции, как Dual-Ring Redundancy для альтернативной маршрутизации в случае неработающего порта, модульную концентрацию с LAM и несколько интерфейсов, как и большинство более поздних MAU. [22] Это обеспечивало более надежную настройку и удаленное управление, чем неуправляемый концентратор MAU.
Кабели и интерфейсы
Кабели обычно IBM "Type-1", тяжелые двухпарные экранированные витые пары 150 Ом . Это был основной кабель для "IBM Cabling System", структурированной кабельной системы, которая, как надеялась IBM, будет широко принята. Использовались уникальные гермафродитные разъемы , называемые IBM Data Connectors в официальной документации или в разговорной речи разъемами Boy George. [23] Недостатком разъемов является то, что они довольно громоздкие, требуют не менее 3 см × 3 см (1,2 дюйма × 1,2 дюйма) пространства на панели и являются относительно хрупкими. Преимущества разъемов в том, что они бесполые и имеют лучшее экранирование по сравнению со стандартными неэкранированными 8P8C. Разъемы на компьютере обычно были DE-9 female. Существовало несколько других типов кабелей, таких как кабели типа 2 и типа 3. [24]
В более поздних реализациях Token Ring также поддерживалась кабельная система Cat 4 , поэтому разъемы 8P8C (RJ45) использовались как на MAU, CAU, так и на NIC; многие сетевые карты поддерживали как 8P8C, так и DE-9 для обратной совместимости. [20]
Разъемы данных IBM на многостанционном устройстве доступа IBM 8228
«Медиафильтры» 8P8C, которые подключаются к IBM Data Connector, преобразуя его для использования с разъемами 8P8C
Технические подробности
Типы рам
Токен
Когда ни одна станция не отправляет кадр, специальный маркерный кадр циркулирует по петле. Этот специальный маркерный кадр повторяется от станции к станции, пока не достигнет станции, которой нужно отправить данные.
Длина токенов составляет три октета, и они состоят из начального разделителя, октета управления доступом и конечного разделителя.
Кадр отмены
Используется отправляющей станцией для прерывания передачи.
Данные
Кадры данных несут информацию для протоколов верхнего уровня, в то время как кадры команд содержат управляющую информацию и не имеют данных для протоколов верхнего уровня. Кадры данных и команд различаются по размеру в зависимости от размера поля информации.
Начальный разделитель – Начальный разделитель состоит из специального битового шаблона, обозначающего начало кадра. Биты от наиболее значимого к наименее значимому – это J,K,0,J,K,0,0,0. J и K являются нарушениями кода. Поскольку манчестерское кодирование является самосинхронизирующимся и имеет переход для каждого закодированного бита 0 или 1, кодировки J и K нарушают это и будут обнаружены оборудованием. Оба поля – Начальный разделитель и Конечный разделитель – используются для обозначения границ кадра.
Контроль доступа. Это байтовое поле состоит из следующих битов, от наиболее значимых к наименее значимым.
P,P,P,T,M,R,R,R. Биты P являются приоритетными битами, T является битом маркера, который при установке указывает, что это кадр маркера, M является битом монитора, который устанавливается станцией активного монитора (AM), когда она видит этот кадр, а биты R являются зарезервированными битами.
Управление кадром – однобайтовое поле, содержащее биты, описывающие часть данных содержимого кадра, которая указывает, содержит ли кадр данные или управляющую информацию. В управляющих кадрах этот байт определяет тип управляющей информации.
Тип кадра – 01 указывает на кадр LLC IEEE 802.2 (данные) и игнорирует контрольные биты; 00 указывает на кадр MAC, а контрольные биты указывают на тип контрольного кадра MAC
Адрес назначения – шестибайтовое поле, используемое для указания физического адреса назначения.
Исходный адрес – содержит физический адрес отправляющей станции. Это шестибайтовое поле, которое является либо локально назначенным адресом (LAA), либо универсально назначенным адресом (UAA) адаптера отправляющей станции.
Данные – поле переменной длины из 0 или более байт, максимально допустимый размер зависит от скорости кольца, содержит данные управления MAC или информацию верхнего уровня. Максимальная длина 4500 байт.
Последовательность проверки кадра – четырехбайтовое поле, используемое для хранения расчета CRC для проверки целостности кадра приемником.
Конечный разделитель — аналог начального разделителя, это поле отмечает конец кадра и состоит из следующих битов от наиболее значимых к наименее значимым
J,K,1,J,K,1,I,E. I — промежуточный бит кадра, а E — бит ошибки.
Статус кадра — однобайтовое поле, используемое в качестве примитивной схемы подтверждения того, был ли кадр распознан и скопирован предполагаемым получателем.
A = 1, адрес распознан C = 1, кадр скопирован
Активные и резервные мониторы
Каждая станция в сети Token Ring является либо станцией активного монитора (AM), либо станцией резервного монитора (SM). В кольце может быть только один активный монитор в каждый момент времени. Активный монитор выбирается посредством процесса выборов или конкуренции мониторов .
Процесс конкуренции за монитор инициируется, когда происходит следующее:
обнаружена потеря сигнала на кольце.
активная станция-монитор не обнаруживается другими станциями в кольце.
определенный таймер на конечной станции истекает, например, в случае, когда станция не видела кадр токена в течение последних 7 секунд.
Когда происходит любое из вышеперечисленных условий и станция решает, что необходим новый монитор, она передаст кадр токена заявки , объявляя, что она хочет стать новым монитором. Если этот токен возвращается отправителю, то она может стать монитором. Если какая-то другая станция попытается стать монитором в то же время, то станция с наивысшим MAC-адресом победит в процессе выборов. Каждая другая станция становится резервным монитором. Все станции должны иметь возможность стать активной станцией монитора, если это необходимо.
Активный монитор выполняет ряд функций администрирования кольца. Первая функция — работать в качестве главного тактового генератора для кольца, чтобы обеспечить синхронизацию сигнала для станций на проводе. Другая функция AM — вставлять 24-битную задержку в кольцо, чтобы гарантировать, что в кольце всегда есть достаточная буферизация для циркуляции токена. Третья функция AM — гарантировать, что циркулирует ровно один токен, когда нет передаваемого кадра, и обнаруживать сломанное кольцо. Наконец, AM отвечает за удаление циркулирующих кадров из кольца.
Процесс вставки токена
Станции Token Ring должны пройти 5-фазный процесс вставки кольца, прежде чем им будет разрешено участвовать в кольцевой сети. Если какой-либо из этих этапов не будет выполнен, станция Token Ring не вставится в кольцо, а драйвер Token Ring может сообщить об ошибке.
Фаза 0 (проверка лепестка) – Сначала станция выполняет проверку медиа-лепестка. Станция заворачивается в MSAU и может отправить 2000 тестовых кадров по своей передающей паре, которая вернется к своей принимающей паре. Станция проверяет, может ли она принимать эти кадры без ошибок.
Фаза 1 (физическая вставка) — Затем станция посылает 5-вольтовый сигнал в MSAU для размыкания реле.
Фаза 2 (проверка адреса) – Затем станция передает кадры MAC со своим собственным MAC-адресом в поле адреса назначения кадра Token Ring. Когда кадр возвращается и биты Address Recognized (AR) и Frame Copied (FC) в статусе кадра установлены в 0 (что указывает на то, что никакая другая станция в кольце в данный момент не использует этот адрес), станция должна участвовать в периодическом (каждые 7 секунд) процессе опроса кольца. Это когда станции идентифицируют себя в сети как часть функций управления MAC.
Фаза 3 (Участие в опросе кольца) — станция узнает адрес своего ближайшего активного соседа выше по течению (NAUN) и сообщает свой адрес ближайшему соседу ниже по течению, что приводит к созданию карты кольца. Станция ждет, пока не получит кадр AMP или SMP с битами AR и FC, установленными в 0. Когда это происходит, станция переключает оба бита (AR и FC) в 1, если доступно достаточно ресурсов, и ставит в очередь кадр SMP для передачи. Если в течение 18 секунд такие кадры не получены, то станция сообщает о сбое открытия и выводится из кольца. Если станция успешно участвует в опросе кольца, она переходит в финальную фазу вставки, запрос инициализации.
Фаза 4 (инициализация запроса) – Наконец, станция отправляет специальный запрос на сервер параметров для получения информации о конфигурации. Этот кадр отправляется на специальный функциональный адрес, обычно мост Token Ring, который может содержать информацию о таймере и номере звонка, которую должна знать новая станция.
Дополнительная схема приоритета
В некоторых приложениях есть преимущество в возможности назначить одну станцию с более высоким приоритетом. Token Ring определяет дополнительную схему такого рода, как и CAN Bus (широко используется в автомобильных приложениях) – но Ethernet этого не делает.
В приоритетном MAC Token Ring используются восемь уровней приоритета, 0–7. Когда станция, желающая передать, получает токен или фрейм данных с приоритетом, меньшим или равным запрошенному приоритету станции, она устанавливает биты приоритета на желаемый приоритет. Станция не передает немедленно; токен циркулирует по среде, пока не вернется на станцию. После отправки и получения собственного фрейма данных станция понижает приоритет токена обратно до исходного приоритета.
Ниже приведены восемь приоритетов доступа и типов трафика для устройств, поддерживающих 802.1Q и 802.1p :
Взаимосвязь с Ethernet
Интерфейсы Token Ring и Ethernet на 2210-24M
Решения для мостов для сетей Token Ring и Ethernet включали AT&T StarWAN 10:4 Bridge, [25] IBM 8209 LAN Bridge [25] и Microcom LAN Bridge. Альтернативные решения для соединения включали маршрутизатор, который можно было настроить для динамической фильтрации трафика, протоколов и интерфейсов, например IBM 2210-24M Multiprotocol Router, который содержал интерфейсы Ethernet и Token Ring. [26]
Поддержка операционной системы
В 2012 году Дэвид С. Миллер добавил патч для удаления поддержки сетей Token Ring из ядра Linux . [27]
^ Пелки, Джеймс. "14.18 Протеон в главе 14 - Межсетевое взаимодействие: возникновение 1985-1988". История компьютерных коммуникаций . Архивировано из оригинала 2023-05-09 . Получено 2023-05-09 .
^ Крабб, Дон (24 марта 1986 г.). «Основные поставщики различаются в подходах к сетям». InfoWorld . Т. 8, № 12. С. 27.
^ "InfoWorld". 21 ноября 1988 г.
^ Стандарты IEEE: Рабочая группа P802.5. Ieee802.org. Получено 30.10.2011.
^ Рекомендации по локальным сетям IEEE 802.3 . IBM . GG22-9422-0.
^ Дэвид Р. Боггс; Джеффри К. Могул; Кристофер А. Кент (1988). «Измеренная емкость Ethernet: мифы и реальность» (PDF) . Обзор компьютерной связи ACM SIGCOMM . 25 (1): 123–136. doi :10.1145/205447.205460. S2CID 52820607. Архивировано из оригинала (PDF) 2012-03-02 . Получено 2007-12-04 .
^ Урс фон Бург; Мартин Кенни (декабрь 2003 г.). «Спонсоры, сообщества и стандарты: Ethernet против Token Ring в бизнесе локальных сетей» (PDF) . Промышленность и инновации . 10 (4). Taylor & Francis Ltd : 351–375. doi :10.1080/1366271032000163621. S2CID 153804163. Архивировано из оригинала (PDF) 2018-02-19.
^ ab Jonathan Follows (2000). Token Ring Solutions (PDF) (Белая книга). IBM International Technical Support Organization. Архивировано из оригинала (PDF) 2016-08-06. IBM не рассматривает высокоскоростной Token Ring как требование для большинства своих клиентов, и поэтому было принято решение не предоставлять высокоскоростные восходящие каналы Token Ring со скоростью 100 Мбит/с на своих продуктах...
^ "Деятельность IEEE 802.5". Комитет по стандартам IEEE 802 LAN/MAN . Получено 09.05.2023 .
^ "Local Area Networks - Token Ring". Scottsnetworkclass.com. Архивировано из оригинала 2013-08-01 . Получено 2013-06-15 .
^ "Network World". 25 апреля 1988 г.
^ ab Mier, Edwin (1991-06-03). "Buying Smart". Network World . Vol. 8, no. 21. IDG Network World Inc. p. 56. Получено 2016-08-03 .
^ Описание и сценарии настройки многопротокольного маршрутизатора IBM 2210 Nways — Том I (PDF) (Третье изд.). Международная организация технической поддержки IBM , Центр в Рали. Июнь 1997 г. SG24-4446-02 . Получено 03.08.2016 .
