3.4.1. Основные характеристики технологии

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 станциям права на использование кольца в определенном порядке. Это право передается с помощью кадра специального формата, называемого маркером илитокеном (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 использует 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 является более сложной технологией, чем Ethernet. Она обладает свойствами отказоустойчивости. В сети Token Ring определены процедуры контроля работы сети, которые используют обратную связь кольцеобразной структуры - посланный кадр всегда возвращается 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.

3.4.2. Маркерный метод доступа к разделяемой среде

В сетях с маркерным методом доступа (а к ним, кроме сетей Token Ring, относятся сети FDDI, а также 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 и передачи своих данных. Затем эта станция выдает в кольцо кадр данных установленного формата последовательно по битам. Переданные данные проходят по кольцу всегда в одном направлении от одной станции к другой. Кадр снабжен адресом назначения и адресом источника.

Все станции кольца ретранслируют кадр побитно, как повторители. Если кадр проходит через станцию назначения, то, распознав свой адрес, эта станция копирует кадр в свой внутренний буфер и вставляет в кадр признак подтверждения приема. Станция, выдавшая кадр данных в кольцо, при обратном его получении с подтверждением приема изымает этот кадр из кольца и передает в сеть новый маркер для обеспечения возможности другим станциям сети передавать данные. Такой алгоритм доступа применяется в сетях Token Ring со скоростью работы 4 Мбит/с, описанных в стандарте 802.5.

На рис. 3.14 описанный алгоритм доступа к среде иллюстрируется временной диаграммой. Здесь показана передача пакета А в кольце, состоящем из 6 станций, от станции 1 к станции3. После прохождения станции назначения3 в пакете А устанавливаются два признака - признак распознавания адреса и признак копирования пакета в буфер (что на рисунке отмечено звездочкой внутри пакета). После возвращения пакета в станцию1 отправитель распознает свой пакет по адресу источника и удаляет пакет из кольца. Установленные станцией3 признаки говорят станции-отправителю о том, что пакет дошел до адресата и был успешно скопирован им в свой буфер.

Рис. 3.14. Принцип маркерного доступа

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 20 000 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 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 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.

Сеть Token-Ring (маркерное кольцо) была предложена компанией IBM в 1985 году (первый вариант появился в 1980 году). Она предназначалась для объединения в сеть всех типов компьютеров, выпускаемых IBM. Уже тот факт, что ее поддерживает компания IBM, крупнейший производитель компьютерной техники, говорит о том, что ей необходимо уделить особое внимание. Но не менее важно и то, что Token-Ring является в настоящее время международным стандартом IEEE 802.5 (хотя между Token-Ring и IEEE 802.5 есть незначительные отличия). Это ставит данную сеть на один уровень по статусу с Ethernet.

Разрабатывалась Token-Ring как надежная альтернатива Ethernet. И хотя сейчас Ethernet вытесняет все остальные сети, Token-Ring нельзя считать безнадежно устаревшей. Более 10 миллионов компьютеров по всему миру объединены этой сетью.

Компания IBM сделала все для максимально широкого распространения своей сети: была выпущена подробная документация вплоть до принципиальных схем адаптеров. В результате многие компании, например, 3СOM, Novell, Western Digital, Proteon и другие приступили к производству адаптеров. Кстати, специально для этой сети, а также для другой сети IBM PC Network была разработана концепция NetBIOS. Если в созданной ранее сети PC Network программы NetBIOS хранились во встроенной в адаптер постоянной памяти, то в сети Token-Ring уже применялась эмулирующая NetBIOS программа. Это позволило более гибко реагировать на особенности аппаратуры и поддерживать совместимость с программами более высокого уровня.

Сеть Token-Ring имеет топологию кольцо, хотя внешне она больше напоминает звезду. Это связано с тем, что отдельные абоненты (компьютеры) присоединяются к сети не напрямую, а через специальные концентраторы или многостанционные устройства доступа (MSAU или MAU - Multistation Access Unit). Физически сеть образует звездно-кольцевую топологию (см. Рисунок 7). В действительности же абоненты объединяются все-таки в кольцо, то есть каждый из них передает информацию одному соседнему абоненту, а принимает информацию от другого.

Рисунок 7. Звездно-кольцевая топология сети Token-Ring

Концентратор (MAU) при этом позволяет централизовать задание конфигурации, отключение неисправных абонентов, контроль работы сети и т.д. (см. Рисунок 8). Никакой обработки информации он не производит.

Рисунок 8. Соединение абонентов сети Token-Ring в кольцо с помощью концентратора (MAU)

Для каждого абонента в составе концентратора применяется специальный блок подключения к магистрали (TCU - Trunk Coupling Unit), который обеспечивает автоматическое включение абонента в кольцо, если он подключен к концентратору и исправен. Если абонент отключается от концентратора или же он неисправен, то блок TCU автоматически восстанавливает целостность кольца без участия данного абонента. Срабатывает TCU по сигналу постоянного тока (так называемый "фантомный" ток), который приходит от абонента, желающего включиться в кольцо. Абонент может также отключиться от кольца и провести процедуру самотестирования (крайний правый абонент на Рисунок 10). "Фантомный" ток никак не влияет на информационный сигнал, так как сигнал в кольце не имеет постоянной составляющей.

Конструктивно концентратор представляет собой автономный блок с десятью разъемами на передней панели (см. Рисунок 9).

Рисунок 9. Концентратор Token-Ring (8228 MAU)

Восемь центральных разъемов (1...8) предназначены для подключения абонентов (компьютеров) с помощью адаптерных (Adapter cable) или радиальных кабелей. Два крайних разъема: входной RI (Ring In) и выходной RO (Ring Out) служат для подключения к другим концентраторам с помощью специальных магистральных кабелей (Path cable). Предлагаются настенный и настольный варианты концентратора.

Существуют как пассивные, так и активные концентраторы MAU. Активный концентратор восстанавливает сигнал, приходящий от абонента (то есть работает, как концентратор Ethernet). Пассивный концентратор не выполняет восстановление сигнала, только перекоммутирует линии связи.

Концентратор в сети может быть единственным (как на Рисунок10), в этом случае в кольцо замыкаются только абоненты, подключенные к нему. Внешне такая топология выглядит, как звезда. Если же нужно подключить к сети более восьми абонентов, то несколько концентраторов соединяются магистральными кабелями и образуют звездно-кольцевую топологию.

Кольцевая топология очень чувствительна к обрывам кабеля кольца. Для повышения живучести сети, в Token-Ring предусмотрен режим так называемого сворачивания кольца, что позволяет обойти место обрыва.

В нормальном режиме концентраторы соединены в кольцо двумя параллельными кабелями, но передача информации производится при этом только по одному из них (см. Рисунок 10).

Рисунок 10. Объединение концентраторов MAU в нормальном режиме

В случае одиночного повреждения (обрыва) кабеля сеть осуществляет передачу по обоим кабелям, обходя тем самым поврежденный участок. При этом даже сохраняется порядок обхода абонентов, подключенных к концентраторам (см. Рисунок 11). Правда, увеличивается суммарная длина кольца.

В случае множественных повреждений кабеля сеть распадается на несколько частей (сегментов), не связанных между собой, но сохраняющих полную работоспособность (см. Рисунок 12). Максимальная часть сети остается при этом связанной, как и прежде. Конечно, это уже не спасает сеть в целом, но позволяет при правильном распределении абонентов по концентраторам сохранять значительную часть функций поврежденной сети.

Несколько концентраторов может конструктивно объединяться в группу, кластер (cluster), внутри которого абоненты также соединены в кольцо. Применение кластеров позволяет увеличивать количество абонентов, подключенных к одному центру, например, до 16 (если в кластер входит два концентратора).

Рисунок 11. Сворачивание кольца при повреждении кабеля

Рисунок 12. Распад кольца при множественных повреждениях кабеля

В качестве среды передачи в сети IBM Token-Ring сначала применялась витая пара, как неэкранированная (UTP), так и экранированная (STP), но затем появились варианты аппаратуры для коаксиального кабеля, а также для оптоволоконного кабеля в стандарте FDDI.

Основные технические характеристики классического варианта сети Token-Ring:

максимальное количество концентраторов типа IBM 8228 MAU - 12;

максимальное количество абонентов в сети - 96;

максимальная длина кабеля между абонентом и концентратором - 45 метров;

максимальная длина кабеля между концентраторами - 45 метров;

максимальная длина кабеля, соединяющего все концентраторы - 120 метров;

скорость передачи данных - 4 Мбит/с и 16 Мбит/с.

Все приведенные характеристики относятся к случаю использования неэкранированной витой пары. Если применяется другая среда передачи, характеристики сети могут отличаться. Например, при использовании экранированной витой пары (STP) количество абонентов может быть увеличено до 260 (вместо 96), длина кабеля - до 100 метров (вместо 45), количество концентраторов - до 33, а полная длина кольца, соединяющего концентраторы - до 200 метров. Оптоволоконный кабель позволяет увеличивать длину кабеля до двух километров.

Для передачи информации в Token-Ring применяется бифазный код (точнее, его вариант с обязательным переходом в центре битового интервала). Как и в любой звездообразной топологии, никаких дополнительных мер по электрическому согласованию и внешнему заземлению не требуется. Согласование выполняется аппаратурой сетевых адаптеров и концентраторов.

Для присоединения кабелей в Token-Ring используются разъемы RJ-45 (для неэкранированной витой пары), а также MIC и DB9P. Провода в кабеле соединяют одноименные контакты разъемов (то есть используются так называемые "прямые" кабели).

Сеть Token-Ring в классическом варианте уступает сети Ethernet как по допустимому размеру, так и по максимальному количеству абонентов. Что касается скорости передачи, то в настоящее время имеются версии Token-Ring на скорость 100 Мбит/с (High Speed Token-Ring, HSTR) и на 1000 Мбит/с (Gigabit Token-Ring). Компании, поддерживающие Token-Ring (среди которых IBM, Olicom, Madge), не намерены отказываться от своей сети, рассматривая ее как достойного конкурента Ethernet.

По сравнению с аппаратурой Ethernet аппаратура Token-Ring заметно дороже, так как используется более сложный метод управления обменом, поэтому сеть Token-Ring не получила столь широкого распространения.

Однако в отличие от Ethernet сеть Token-Ring значительно лучше держит высокий уровень нагрузки (более 30--40%) и обеспечивает гарантированное время доступа. Это необходимо, например, в сетях производственного назначения, в которых задержка реакции на внешнее событие может привести к серьезным авариям.

В сети Token-Ring используется классический маркерный метод доступа, то есть по кольцу постоянно циркулирует маркер, к которому абоненты могут присоединять свои пакеты данных (см. Рисунок 13). Отсюда следует такое важное достоинство данной сети, как отсутствие конфликтов, но есть и недостатки, в частности необходимость контроля целостности маркера и зависимость функционирования сети от каждого абонента (в случае неисправности абонент обязательно должен быть исключен из кольца).

Рисунок 13. Классический маркерный метод доступа

Предельное время передачи пакета в Token-Ring 10 мс. При максимальном количестве абонентов 260 полный цикл работы кольца составит 260 x 10 мс = 2,6 с. За это время все 260 абонентов смогут передать свои пакеты (если, конечно, им есть чего передавать). За это же время свободный маркер обязательно дойдет до каждого абонента. Этот же интервал является верхним пределом времени доступа Token-Ring.

Каждый абонент сети (его сетевой адаптер) должен выполнять следующие функции:

выявление ошибок передачи;

контроль конфигурации сети (восстановление сети при выходе из строя того абонента, который предшествует ему в кольце);

контроль многочисленных временных соотношений, принятых в сети.

Большое количество функций, конечно, усложняет и удорожает аппаратуру сетевого адаптера.

Для контроля целостности маркера в сети используется один из абонентов (так называемый активный монитор). При этом его аппаратура ничем не отличается от остальных, но его программные средства следят за временными соотношениями в сети и формируют в случае необходимости новый маркер.

Активный монитор выполняет следующие функции:

запускает в кольцо маркер в начале работы и при его исчезновении;

регулярно (раз в 7 с) сообщает о своем присутствии специальным управляющим пакетом (AMP - Active Monitor Present);

удаляет из кольца пакет, который не был удален пославшим его абонентом;

следит за допустимым временем передачи пакета.

Активный монитор выбирается при инициализации сети, им может быть любой компьютер сети, но, как правило, становится первый включенный в сеть абонент. Абонент, ставший активным монитором, включает в сеть свой буфер (сдвиговый регистр), который гарантирует, что маркер будет умещаться в кольце даже при минимальной длине кольца. Размер этого буфера - 24 бита для скорости 4 Мбит/с и 32 бита для скорости 16 Мбит/с.

Каждый абонент постоянно следит за тем, как активный монитор выполняет свои обязанности. Если активный монитор по какой-то причине выходит из строя, то включается специальный механизм, посредством которого все другие абоненты (запасные, резервные мониторы) принимают решение о назначении нового активного монитора. Для этого абонент, обнаруживший аварию активного монитора, передает по кольцу управляющий пакет (пакет запроса маркера) со своим MAC-адресом. Каждый следующий абонент сравнивает MAC-адрес из пакета с собственным. Если его собственный адрес меньше, он передает пакет дальше без изменений. Если же больше, то он устанавливает в пакете свой MAC-адрес. Активным монитором станет тот абонент, у которого значение MAC-адреса больше, чем у остальных (он должен трижды получить обратно пакет со своим MAC-адресом). Признаком выхода из строя активного монитора является невыполнение им одной из перечисленных функций.

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.

Token Ring технология (маркерное кольцо) была разработана фирмой IBM в конце 1970-х годов. Спецификации IEEE 802.5 практически повторяют фирменные спецификации, отличаясь лишь в некоторых деталях (например, IEEE 802.5 не оговаривает среду передачи и топологию сети, а фирменный стандарт определяет крученную вару как среду и звезду как физическая топология).

Сети Token Ring могут работать на одной из двух битовых скоростей: 4 Мбит/с (IEEE 802.5) или 16 Мбит/с (IEEE 802.5r). В одном кольце могут быть присутствует только станции, которые работают на одной скорости.

Token Ring определяет логическую топологию “кольцо”: каждая станция связана с двумя соседними. Физически же станции соединяются в звездообразную сеть, в центре которой находится устройство многостанционного доступа (MSAU, Multi-Station Access Unit), в сущности являются повторителем. Как правило, MSAU умеет исключать неработающую станцию из кольца (для этого используется шунтирующее реле). MSAU имеют также отдельные разъемы для объединения нескольких MSAU в одно большое кольцо.

Максимальное количество станций в кольце – 250 (IEEE 802.5), 260 (IBM Token Ring, кабель STP) и 72 (IBM Token Ring, кабель UTP).
Максимальная длина кольца Token Ring составляет 4000 м.

В конце 1990-х годов компанией IBM разработан новый вариант технологии Token Ring – High Speed Token Ring (HSTR), что поддерживает скорости в 100 и 155 Мбит/с. Ведутся разработки версии Token Ring со скоростью в 1 Гбит/с.

Маркерный метод доступа

Token Ring – это самая распространенная технология локальной сети с передачей маркера. В таких сетях циркулирует (передается станциями друг другу в определенном порядке) специальный блок данных – маркер (token). Станция, которая приняла маркер, имеет право передавать свои данные. Для этого она изменяет в маркере один бит (“маркер занят”), добавляет к нему свои данные и передает в сеть (следующие станции). Станции передают такой кадр далее по кольце, пока он не достигнет получателя, который скопирует из него данные и передаст дальше. Когда отправитель получает свой кадр с данными, который сделал полный круг, он его отбрасывает и или передает новый кадр данных (если не минуло максимальное время владения маркером), или изменяет бит занятости маркера на “свободный” и передает маркер далее по кольце.

В течение всего времени владения маркером, к и после передачи своего кадра, станция должна выдавать последовательность, которая заполняет (fill sequence), - произвольную последовательность 0 и 1. Это делается для поддержки синхронизации и контроля за обрывом кольца.

Основной режим работы адаптера - повторение: передатчик побитно выдает данные, которые поступили к приемнику. Когда в станции есть кадр для передачи и принят свободный маркер, станция переходит в режим передачи, при этом битовый поток, который поступает через приемник, анализируется на служебные кадры и или (если обнаружен служебный кадр) инициирующее прерывание (прекращение передачи своего кадра и выдача кадра прерывания), или приняты данные отбрасываются.

В сетях Token Ring 4 Мбит/со станция освобождала маркер только по возвращении ее кадра данных. Сети Token Ring 16 Мбит/с используют алгоритм раннего освобождения маркера (Early Token Release): маркер передается в кольцо сразу по окончании передачи кадру данных. При этом по кольцу одновременно передается несколько кадров данных, но генерировать их в каждый момент времени может только одна станция, которая владеет в этот момент маркером.

За правильной работой сети следит активный монитор (Active Monitor, AM), избираемый во время инициализации кольца как станция с максимальным MAC-адресою. В случае отказа активного монитора, проводятся выборы нового (все станции в сети, кроме активного монитора, считаются резервными мониторами (Standby monitor)). Основная функция активного монитора – контроль наличия единственного маркера в кольце. Монитор выпускает в кольцо маркер и удаляет кадры, которые прошли больше одного оборота по кольцу. Чтобы сообщить другие станции о себе, активный монитор периодически передает служебный кадр AMP. Если за время какой-то (достаточный для оборота маркера по кольцу) маркер не вернется к активному монитору, маркер считается затерянным, и активный монитор генерирует новый маркер.

На режим передачи кадров влияют отмеченные в стандарте максимальные интервалы времени, за соблюдением которых следят специальные таймеры в сетевых адаптерах (приведены значения за умалчиванием, администратор сети может их изменять):

1. время содержания маркера (Token Holding, THT) – 8,9 мс; по окончании этого интервала станция должна прекратить передачу своих данных (текущий кадр можно передать) и освободить маркер; за время содержания маркера станция может передать несколько (небольших) кадров;
2. допустимое время передачи кадру (Valid Transmission, TVX) – 10 мс; максимальное время, в которое должна заключиться передача одного кадра; контролируется активным монитором;
3. время ожидания свободного маркера (No Token, TNT) – 2,6 с; время ожидания свободного маркера активным монитором; если за это время маркер не появится, активный монитор выполняет очистку кольца и генерирует новый маркер;
4. период посылки AMP (Active Monitor, TAM) – 7 с;
5. время ожидания AMP (Standby Monitor Detect AMP, TSM) – 16 с; если за этот интервал не было ни одного кадра AMP, инициирующие выборы нового активного монитора.

Форматы кадров Token Ring

Token Ring определяет три типа кадров: маркер, кадр данных (служебных или пользовательских) и прерывания.

Кадр данных

Прерывание

Рис.8.1. Форматы кадров Token Ring

Поле SD (Starting Delimiter, начальное ограничение) указывает на начало кадра и имеет значение JK0JK000 в манчестерском коде. Поскольку в поле присутствуют специальных кодов J и K, последовательность данных нельзя попутать с ограничением кадру.

Поле ED (Ending Delimiter, конечное ограничение) имеет значение JK1JK1IE, где бит I (Intermediate, промежуточный) указывает, является ли кадр промежуточным в последовательности кадров (I=1) или останнім/єдиним (I=0), а бит E (Error, ошибка) указывает на обнаруженную ошибку (E=1).

Поле AC (Access Control, управление доступом) имеет формат PPPTMRRR, где биты PPP (Priority, приоритет) содержат приоритет маркера, бит T (Token, маркер) отличает свободный маркер (T=1) от кадра данных (T=0), бит M (Monitor, монитор) используется для распознавания кадров, которые сделали больше одного оборота по кольцу: монитор устанавливает M=1 во всех проходящих через него кадрах (другие станции устанавливают M=0), а кадры из M=1 должны удаляться монитором. Биты RRR (Priority reservation, резервирование) несут приоритет станции, которая желает захватить маркер.

Поле FC (Frame Control, управление кадром) имеет формат FFZZZZZZ. Биты FF определяют тип кадра:

1. 00 – кадр данных со служебной информацией (MAC-кадр);
2. 01 – кадр данных пользователя (LLC-кадр);
3. 10, 11 - резерв.

Биты ZZZZZZ используются LLC-кадрами для хранения информации о приоритете кадра уровня LLC. MAC-кадри в этих битах хранят свой тип. IEEE 802.5 определяет 25 типов MAC-кадрів, среди которых основные:

1. CT (Claim Token, заявка на создание маркера) – отправляется резервным монитором при подозрении об отказе активного монитора;
2. DAT (Duplicate Address Test, тест на дублирование адреса) – отправляется станцией при подключении к кольцу для проверки уникальности своего адреса;
3. AMP (Active Monitor Present, является присутствует активный монитор) – регулярно (раз в 7 с) отправляется активным монитором для подтверждения своего присутствия;
4. SMP (Standby Monitor Present, является присутствует резервный монитор) – ответ на кадр AMP;
5. BCN (Beacon, бакен) – отправляется станцией, которая обнаружила сетевую проблему (тишину или бесконечный поток, который может указывать на обрыв кабеля, наличие неисправного адаптера у одной из станций и тому подобное);
6. PRG (Purge, очистка) – сигнал от активного монитора об очистке кольца от всех кадров.

Поле DA (Destination Address, адрес назначения) имеет структуру, подобную структуре адреса в стандарте IEEE 802.3. Старший бит адреса определяет получателя: 0 - индивидуальный (одна станция), 1 - групповой. Второй бит адреса определяет способ назначения адреса: 0 - глобально (универсально, зашито в ПЗП адаптера), 1 - локально. Другие биты используются для указания адреса станции, кольца или группы получателей. Несколько адресов зарезервировано для служебных целей:
FF FF FF FF FF FF – широковещательный кадр (всем станциям)
C0 00 FF FF FF FF – широковещательный MAC-кадр
C0 00 00 00 00 01 – активный монитор
C0 00 00 00 00 02 – сервер параметров кольца
C0 00 00 00 00 08 – монитор ошибок кольца
C0 00 00 00 00 10 – сервер отчетов о конфигурации
C0 00 00 00 01 00 – мост
C0 00 00 00 20 00 – управление сетью.

Поле SA (Source Address, адрес источника) имеет тот же формат, что и адрес назначения, за исключением старшего бита. В адресе источника старший бит называется RII (Routing Information Indicator) и указывает (если RII=1) на наличие данных в поле RI.

Поле RI (Routing Information, маршрутная информация), если используется (RII=1), содержит последовательность (двохбайтних) адресов сегментов на пути к получателю. Данные этого поля управляют работой мостов в режиме маршрутизации от источника.

Поле Info содержит или данные пользователя (кадр LLC), или служебные данные, обусловленные типом кадра (кадр MAC). Стандарт не ограничивает размер этого поля, хотя практически его максимальный размер определяется соотношением времен передачи кадру и содержания маркера. Для 4 Мбит/с максимальный размер кадра обычно устанавливается в 4 Кбайт, а для 16 Мбит/с - в 16 Кбайт. Минимальный размер поля данные не определенный.

Поле FCS (Frame Check Sequence, контрольная сумма) хранит 4-байтный CRC-код для всех полей из FC по Info включительно.

Поле FS (Frame Status, статус кадра) имеет формат AСrrACrr. Биты rr зарезервированы и не используются, другие биты дублируются для надежности. Бит A (Address Recognized, адрес распознан) указывает на то, что получатель кадра присутствует в кольце, а бит C (Frame Copied, кадр скопирован) указывает на то, что приемник скопировал кадр себе в буфер. По этим полям станция-отправитель может узнать, что передан ею кадр был получен.

Система приоритетного доступа

Сети Token Ring гарантируют, что каждая станция будет получать право на передачу данных не реже, чем раз в установленный интервал времени. Кроме того, используется система приоритетов, что позволяет некоторым станциям пользоваться сетью чаще других. Для этого в кадре Token Ring выделены два поля: полет приоритету и полет резервирование. Всего уровней приоритета восемь: от более низкого (0) к более высокому (7). Маркер тоже всегда имеет некоторый уровень приоритета. Станция может захватить маркер только в том случае, если приоритет кадра, что она собирается передать, не ниже приоритету маркера (битов PPP поля AC).
Станция, которая захватила маркер, хранит старое значение его приоритета, записывает у него приоритет своего кадра и обнуляет поле резервирования. Если в кольце есть станция, которая желает передать кадр из больше высоким приоритетом, то она записывает приоритет своего кадра в поле резервирования проходящего по кольцу кадра, в результате чего после оборота по кольцу в поле резервирования будет записан максимальный приоритет из кадров, которые ожидают передачи. Тогда станция переписывает приоритет из поля резервирования в поле приоритета маркера и выдает свободный маркер в кольцо (захватить такой маркер сможет только станция с кадром отмеченного приоритета).

Станция, которая повышает приоритет маркера, становится запоминающей станцией (stacking station) и организует стек для хранения еще необслуживаемых низких приоритетов. Когда через такую станцию проходит свободный маркер с приоритетом, ровным приоритету на верхушке стека, она вытягивает следующее значение из стека и снижает приоритет маркера к нему.

Механизм приоритетов в сетях Token Ring не является обязательным к использованию. Как правило, большинство дополнений им не пользуется, и кольцо работает в неприоритетном режиме (приоритет маркера всегда равняется 0). Существует тенденция к переносу механизмов приоритетного обслуживания на уровне, выше канального (приоритетное обслуживание могут обеспечивать, например, маршрутизаторы).

При построении больших сетей Тoken Ring придется использовать большое количество колец. Отдельные кольца связываются один с одним, как и в других сетях, с помощью мостов. Мосты бывают "прозрачными" (IEEE 802.1d) и с маршрутизацией от источника. Последние позволяют связать в единственную сеть несколько колец, которые используют общую сетевую IPX- или IP-адресу.

Использование мостов позволяет перебороть и ограничение на число станций в сети (260 для спецификации IBM и 250 для IEEE). Мосты могут связывать между собой фрагменты сетей, которые используют разные протоколы, например, 802.5, 802.4 и 802.3. Пакеты из кольца 1 адресованные объекту этого же кольца никогда не попадут в кольцо 2 и наоборот. Через мост пройдут лишь пакеты, которые адресованы объектам соседнего кольца. Фильтрация пакетов осуществляется по физическому адресу и номеру порта. На основе этих данных формируется собственная база данных, которая содержит информацию об объектах колец, подключенных к мосту. Схема распределения сети с помощью мостов может способствовать снижению эффективной загрузки сети.

Мосты с маршрутизацией от источника могут совмещать только сети Token Ring, а маршрутизация пакетов полагается на все устройства, которые посылают информацию в сеть (отсюда и название этого вида мостов). Это значит, что в каждом из сетевых устройств должно быть загружено программное обеспечение, что позволяет маршрутизовать пакеты от отправителя к получателю. Эти мосты не создают собственные базы данных о расположении сетевых объектов и посылают пакет в соседнее кольцо на основе маршрутного указания, что поступило от отправителя самого пакета. Таким образом, база данных о расположении сетевых объектов оказывается распределенной между станциями, которые хранят собственные маршрутные таблицы. Программы маршрутизации используют сетевой драйвер адаптера. Мосты с маршрутизацией от источника пересматривают все кадры, которые поступают, и отбирают те, которые имеют индикатор информации о маршруте RII=1. Такие кадры копируются, и по информации о маршруте определяется, нужно ли их посылать дальше. Мосты с маршрутизацией от источника могут быть настроены на широковещательную передачу по всем маршрутам, или на широковещательную передачу по одном маршруте.

В сетях со сложной топологией маршруты формируются в соответствии с иерархическим протоколом STP (Spanning Tree Protocol). Этот протокол организует маршруты динамически с выбором оптимального маршрута, если адресат доступен несколькими путями. При этом минимизируется транзитный трафик.

Сеть Token-Ring была предложена фирмой IBM в 1985 году (первый вариант появился в 1980 году). Назначением Token-Ring было объединение в сеть всех типов компьютеров, выпускаемых IBM (от персональных до больших). Уже тот факт, что ее поддерживает фирма IBM, крупнейший производитель компьютерной техники, говорит о том, что ей необходимо уделить особое внимание. Но не менее важно и то, что Token-Ring является в настоящее время международным стандартом IEEE 802.5. Это ставит данную сеть на один уровень по статусу с Ethernet.

Фирма IBM сделала все для максимально широкого распространения своей сети: была выпущена подробная документация вплоть до принципиальных схем адаптеров. В результате многие фирмы, например 3COM, Novell, Western Digital, Proteon приступили к производству адаптеров. Кстати, специально для этой сети, а также для другой сети IBM PC Network была разработана концепция NetBIOS. Если в разработанной ранее сети PC Network программы NetBIOS хранились во встроенной в адаптер постоянной памяти, то в сети Token-Ring уже применялась эмулирующая NetBIOS программа, что позволяло более гибко реагировать на особенности конкретной аппаратуры, поддерживая при этом совместимость с программами более высокого уровня.

По сравнению с аппаратурой Ethernet аппаратура Token-Ring оказывается заметно дороже, так как использует более сложные методы управления обменом, поэтому распространена сеть Token-Ring значительно меньше. Однако ее применение становится оправданным, когда требуются большие интенсивности обмена (например, при связи с большими компьютерами) и ограниченное время доступа.

Рис. 5.3. Звездно-кольцевая топология сети Token-Ring

Сеть Token-Ring имеет топологию «кольцо», хотя внешне она больше напоминает «звезду». Это связано с тем, что отдельные абоненты (компьютеры) присоединяются к сети не прямо, а через специальные концентраторы или многостанционные устройства доступа (MSAU или MAU -Multistation Access Unit). Поэтому физически сеть образует звездно-кольцевую топологию (рис. 5.3). В действительности же абоненты объединяются все-таки в кольцо, то есть каждый из них передает информацию одному соседнему абоненту, а принимает информацию от другого соседнего абонента.

Концентратор (MAU) при этом только позволяет централизовать задание конфигурации, отключение неисправных абонентов, контроль за работой сети и т.д. (рис. 5.4). Для присоединения кабеля к концентратору применяются специальные разъемы, которые обеспечивают постоянство замкнутости кольца даже при отключении абонента от сети. Концентратор в сети может быть и единственным, в этом случае в кольцо замыкаются только абоненты, подключенные к нему.

Рис. 5.4. Соединение абонентов сети Token-Ring в кольцо с помощью концентратора (MAU)

В каждом кабеле, соединяющем адаптеры и концентратор (адаптерные кабели, adapter cable), находятся на самом деле две разнонаправленные линии связи. Такими же двумя разнонаправленными линиями связи, входящими в магистральный кабель (path cable), объединяются между собой в кольцо различные концентраторы (рис. 5.5), хотя для этой же цели может также использоваться и единственная однонаправленная линия связи (рис. 5.6).

Рис. 5.5. Объединение концентраторов двунаправленной линией связи

Рис. 5.6. Объединение концентраторов однонаправленной линией связи

Конструктивно концентратор представляет собой автономный блок с восемью разъемами для подключения абонентов (компьютеров) с помощью адаптерных кабелей и двумя (крайними) разъемами для подключения к другим концентраторам с помощью специальных магистральных кабелей (рис. 5.7). Существуют настенный и настольный варианты концентратора.

Несколько концентраторов могут конструктивно объединяться в группу, кластер (cluster), внутри которого абоненты также соединены в единое кольцо. Применение кластеров позволяет увеличивать количество абонентов, подключенных к одному центру (например, до 16, если в кластер входит два концентратора).

Рис. 5.7. Концентратор Token-Ring (8228 MAU)

В качестве среды передачи в сети IBM Token-Ring сначала применялась витая пара, но затем появились варианты аппаратуры для коаксиального кабеля, а также для оптоволоконного кабеля в стандарте FDDI. Витая пара применяется как неэкранированная (UTP), так и экранированная (STP).

Основные технические характеристики сети Token-Ring следующие.

• Максимальное количество концентраторов типа IBM 8228 MAU - 12.
• Максимальное количество абонентов в сети - 96.
• Максимальная длина кабеля между абонентом и концентратором - 45 м.
• Максимальная длина кабеля между концентраторами -45м.
• Максимальная длина кабеля, соединяющего все концентраторы - 120м.
• Скорость передачи данных - 4 Мбит/с и 16 Мбит/с.

Все приведенные характеристики относятся к случаю неэкранированной витой пары. В случае применения другой среды передачи характеристики сети могут отличаться. Например, при использовании экранированной витой пары количество абонентов может быть увеличено до 260 (вместо 96), длина кабеля - до 100 м (вместо 45), количество концентраторов -до 33, а полная длина кольца, соединяющего концентраторы - до 200 м. Оптоволоконный кабель позволяет увеличивать длину кабеля до 1 км.

Как видим, сеть Token-Ring уступает сети Ethernet как по допустимому размеру сети, так и по максимальному количеству абонентов. Что касается скорости передачи, то в настоящее время ведется разработка версий Token-Ring на скорость 100 Мбит/с и на 1000 Мбит/с. Фирма IBM вовсе не собирается отказываться от своей сети, рассматривая ее как достойного конкурента Ethernet.

Для передачи информации в Token-Ring используется вариант кода Ман-честер-П. Как и в любой звездообразной топологии, никаких дополнительных мер по электрическому согласованию и внешнему заземлению не требуется.

Для присоединения кабеля к сетевому адаптеру используется внешний 9-контактный разъем типа DIN. Так же, как и адаптеры Ethernet, адаптеры Token-Ring имеют на своей плате переключатели или перемычки для настройки адресов и прерываний системной шины. Если сеть Ethernet можно построить только на адаптерах и кабеле, то для сети Token-Ring обязательно нужно приобретать концентраторы. Это также увеличивает стоимость аппаратуры Token-Ring.

В то же время в отличие от Ethernet сеть Token-Ring лучше держит большую нагрузку (больше 30-40%) и обеспечивает гарантированное время доступа. Это крайне необходимо, например, в сетях производственного назначения, в которых задержка реакции на внешнее событие может привести к серьезным авариям.

В сети Token-Ring используется классический маркерный метод доступа, то есть по кольцу постоянно циркулирует маркер, к которому абоненты могут присоединять свои пакеты данных. Отсюда следует такое важное достоинство данной сети, как отсутствие конфликтов, но отсюда же следуют такие недостатки, как необходимость контроля за целостностью маркера и зависимость функционирования сети от каждого из абонентов (в случае неисправности абонент обязательно должен быть исключен из кольца).

Для контроля за целостностью маркера используется один из абонентов (так называемый активный монитор). Его аппаратура ничем не отличается от остальных, но его программные средства следят за временными соотношениями в сети и формируют в случае необходимости новый маркер. Активный монитор выбирается при инициализации сети, им может быть любой компьютер сети. Если активный монитор по какой-то причине выходит из строя, то включается специальный механизм, посредством которого другие абоненты (запасные мониторы) принимают решение о назначении нового активного монитора.

Рис. 5.8. Формат маркера сети Token-Ring

Маркер представляет собой управляющий пакет, содержащий всего три байта (рис. 5.8): байт начального разделителя (SD - Start Delimiter), байт управления доступом (АС - Access Control) и байт конечного разделителя (ED - End Delimiter). Начальный разделитель и конечный разделитель представляют собой не просто последовательность нулей и единиц, а содержат импульсы специального вида. Благодаря этому данные разделители нельзя спутать ни с какими другими байтами пакетов. Четыре бита разделителя представляют собой нулевые биты в принятой кодировке, а четыре других бита не соответствуют коду Манчестер-П: в течение двух битовых интервалов удерживается один уровень сигнала, а в течение двух остальных - другой уровень. В результате такой сбой синхронизации легко выявляется приемником.

Рис. 5.9. Формат байта управления доступом

Байт управления разделен на четыре поля (рис. 5.9): три бита приоритета, бит маркера, бит монитора и три бита резервирования. Биты приоритета позволяют абоненту присваивать приоритет своим пакетам или маркеру (приоритет может быть от 0 до 7, причем 7 соответствует наивысшему приоритету, а 0 - наинизшему). Абонент может присоединить к маркеру свой пакет только тогда, когда его собственный приоритет такой же или выше приоритета маркера. Бит маркера определяет, присоединен ли к маркеру пакет (единица соответствует маркеру без пакета, нуль - маркеру с пакетом). Бит монитора, установленный в единицу, говорит о том, что данный маркер передан активным монитором. Биты резервирования позволяют абоненту зарезервировать свое право на дальнейший захват сети, то есть, так сказать, занять очередь на обслуживание. Если приоритет абонента выше, чем текущее значение поля резервирования, он может записать туда свой приоритет вместо прежнего.

Формат пакета Token-Ring представлен на рис. 5.10. Помимо начального и конечного разделителей, а также байта управления доступом, в пакет входят также байт управления пакетом, сетевые адреса приемника и передатчика, данные, контрольная сумма и байт состояния,пакета.

Рис. 5.10. Формат пакета сети Token-Ring (длина полей дана в байтах)

Назначение полей пакета следующее:

• Начальный разделитель (SD) является признаком начала пакета.
• Байт управления доступом (АС) имеет то же назначение, что и в маркере.
• Байт управления пакетом (FC - Frame Control) определяет тип пакета (кадра).
• Шестибайтовые адреса отправителя и получателя пакета имеют стандартный формат, описанный в разделе 3.2.
• Поле данных включает в себя передаваемую информацию или информацию управления обменом.
• Поле контрольной суммы представляет собой 32-разрядную циклическую контрольную сумму пакета (CRC).
• Конечный разделитель является признаком конца пакета. Кроме того, он определяет, является ли данный пакет промежуточным или заключительным в последовательности передаваемых пакетов, а также содержит признак ошибочности пакета (для этого выделены специальные биты).
• Байт состояния пакета говорит о том, что происходило с данным пакетом: был ли он принят и скопирован в память приемника. По нему отправитель пакета узнает, дошел ли пакет по назначению и без ошибок или его надо передавать заново.

Отметим, что больший допустимый размер передаваемых данных в одном пакете по сравнению с сетью Ethernet может стать решающим фактором для увеличения производительности сети. Теоретически для скорости передачи 16 Мбит/с длина поля данных может достигать даже 18 Кбайт, что очень важно при передаче больших объемов данных. Но даже при скорости 4 Мбит/с благодаря маркерному методу доступа сеть Token-Ring часто обеспечивает большую фактическую скорость передачи, чем более быстрая сеть Ethernet (10 Мбит/с), особенно при больших нагрузках (свыше 30-40%), когда заметно сказывается несовершенство метода CSMA/CD, который в этом случае тратит много времени на разрешение повторных конфликтов.

Помимо маркера и обычного пакета, в сети Token-Ring может передаваться специальный управляющий пакет, служащий для прерывания передачи. Он может быть послан в любой момент и в любом месте потока данных. Пакет этот состоит всего из двух однобайтовых полей - начального и конечного разделителей описанного формата.

Интересно, что в более быстрой версии Token-Ring (16 Мбит/с и выше) применяется так называемый метод раннего формирования маркера (ETR -Early Token Release). Он позволяет избежать непроизводительного использования сети в то время, пока пакет данных не вернется по кольцу к своему отправителю. Метод ETR сводится к тому, что сразу после передачи своего пакета, присоединенного к маркеру, любой абонент выдает в сеть новый свободный маркер, то есть все другие абоненты могут начинать передачу своих пакетов сразу же после окончания пакета предыдущего абонента, не дожидаясь, пока он завершит обход всего кольца сети.