Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Компьютерные сети, называемые также вычислительными сетями, или сетями передачи данных, являются логическим результатом эволюции двух важнейших научно-технических отраслей современной цивилизации - компьютерных и телекоммуникационных технологий. С одной стороны, сети представляют собой частный случай распределенных вычислительных систем, в которых группа компьютеров согласованно выполняет набор взаимосвязанных задач, обмениваясь данными в автоматическом режиме. С другой стороны, компьютерные сети могут рассматриваться как средство передачи информации на большие расстояния, для чего в них применяются методы кодирования и мультиплексирования данных, получившие развитие в различных телекоммуникационных системах.

Основными технологиями локальных сетей остаются Ethernet, Token Ring, FDDI, Fast и Gigabit Ethernet. Token Ring и FDDI - это функционально намного более сложные технологии, чем Ethernet на разделяемой среде. Разработчики этих технологий стремились наделить сеть на разделяемой среде многими положительными качествами: сделать механизм разделения среды предсказуемым и управляемым, обеспечить отказоустойчивость сети, организовать приоритетное обслуживание для чувствительного к задержкам трафика, например голосового. Во многом их усилия оправдались, и сети FDDI довольно долгое время успешно использовались как магистрали сетей масштаба кампуса, в особенности в тех случаях, когда нужно было обеспечить высокую надежность магистрали.

Token Ring является главным примером сетей с передачей маркера. Сети с передачей маркера перемещают вдоль сети небольшой блок данных, называемый маркером. Владение этим маркером гарантирует право передачи. Если узел, принимающий маркер, не имеет информации для отправки, он просто переправляет маркер к следующей конечной станции. Каждая станция может удерживать маркер в течение определенного максимального времени (по умолчанию - 10 мс).

Благодаря более высокой, чем в сетях Ethernet, скорости, детерминированности распределения пропускной способности сети между узлами, а также лучших эксплуатационных характеристик (обнаружение и изоляция неисправностей), сети Token Ring были предпочтительным выбором для таких чувствительных к подобным показателям приложений, как банковские системы и системы управления предприятием.

Технологию FDDI можно считать усовершенствованным вариантом Token Ring, так как в ней, как и в Token Ring, используется метод доступа к среде, основанный на передаче токена, а также кольцевая топология связей, но вместе с тем FDDI работает на более высокой скорости и имеет более совершенный механизм отказоустойчивости.

Технология FDDI стала первой технологией локальных сетей, в которой оптическое волокно, начавшее применяться в телекоммуникационных сетях с 70-х годов прошлого века, было использовано в качестве разделяемой среды передачи данных. За счет применения оптических систем скорость передачи данных удалось повысить до 100 Мбит/с (позже появилось оборудование FDDI на витой паре, работающее на той же скорости).

В стандартах FDDI много внимания отводится различным процедурам, которые позволяют определить факт наличия отказа в сети, а затем произвести необходимое реконфигурирование. Технология FDDI расширяет механизмы обнаружения отказов технологии Token Ring за счет резервных связей, которые предоставляет второе кольцо.

Актуальность данной работы обусловлена важностью изучения технологий локальных компьютерных систем для студентов технических специальностей как одного из краеугольных понятий предмета «Сети ЭВМ».

Целью работы является изучение характеристик сети Token Ring.

Для достижения данной цели в работе были поставлены следующие задачи:

- изучить основные понятия технологии Token Ring;

- исследовать области применения технологии Token Ring.

1 Основные понятия технологии Token Ring

1.1 Основные характеристики технологии

сеть компьютерный телекоммуникационный локальный

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 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 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. Алексеев, А.П. Сети ЭВМ и телекоммуникации [Текст] / А.П.Алексеев. - М. : Солон-р, 2002. - 230 с.

1.2 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. Косарев, В.П. Компьютерные системы и сети: Учебное пособие [Текст] / В.П. Косарев - М.: Финансы и статистика, 1999. - 304 с.

Концентратор MSAU представляет собой набор из 8-24 ответвляющих портов - блоков TCU. К этим портам отдельными радиальными кабелями подклячаются станции - узлы сети. [см. Приложение А]

Блок TCU (Trunk Coupling Unit - блок подключения к магистрали) обеспечивает включение станции в кольцо (подключение к магистрали) или обход ее в случае обрыва радиального кабеля или отключения станции. Включение в кольцо осуществляется через контакты реле, нормально коммутирующего магистраль на обход порта. Реле включается «фантомным» сигналом постоянного тока, посылаемым включенной исправной станцией с проинициализированным сетевым адаптером по линиям приема и передачи. «Фантомность» сигнала означает, что его присутствие никак не влияет на передаваемые данные. Фантомный сигнал приходит на порты 1 и 4. В случае обнаружения неустранимой ошибки, при выключении питания или при желании выйти из сети сетевой адаптер перестает посылать сигнал на реле и TCU исключает станцию из кольца.

Для каждой активной станции обеспечивается связь (однонаправленная) с двумя соседними активными станциями: NA UN (Nearest Active Upstream Neighbor) - ближайший активный передающий сосед, NADN (Nearest Active Downstream Neighbor) - ближайший активный принимающий сосед. Когда TCU отключает свой отвод от кольца, обеспечивается и замыкание выхода передатчика на свой приемник. Таким образом станция, еще не принятая в кольцо (это станция, подключенная к порту 8), может проверить свою линию до MSAU - выполнять тест отвода. Леонтьев, В.П. Новейшая энциклопедия персонального компьютера [Текст] / В.П. Леонтьев - М.: ОЛМА - ПРЕСС, 2002. - 252 с.

Концентраторы Token Ring являются обязательными устройствами классической сети Token Ring. Без них кольцо может работать только при условии постоянного включения и работоспособности (активности) всех станций. Кольца организуются с помощью концентраторов-повторителей, которые могут быть пассивными или активными. Пассивные концентраторы для каждого отвода имеют только реле, позволяющее коммутировать станцию в кольцо или обходить ее. Активные концентраторы для каждого порта выполняют восстановление амплитудных и временных характеристик сигнала. Концентраторы поддерживают любую скорость (4 или 16 Мбит/с), но, естественно, общую для всего кольца.

Если требуется более одного концентратора, то между собой они соединяются через порты RI/RO (Ring In - вход кольца / Ring Out - выход кольца) с помощью магистральных кабелей. Через порты RI/RO концентраторы соединяются в физическое кольцо [см. Приложение Б], в результате чего все подключенные к ним станции оказываются связанными в единое кольцо сети. Если происходит обрыв одного из магистральных кабелей, кольцо сворачивается таким образом, что даже сохраняется порядок обхода станций [см. Приложение Б]. В случае отказа или отключения одного из концентраторов кольцо реконфигурируется так, что в него входят станции всех оставшихся. В случае разрыва кольца (обрыв кабеля, отключение концентратора) в двух и более местах кольцо распадается на два и более островка-сегмента - работоспособных, но не связанных друг с другом [см. Приложение Б].

Магистральный кабель, соединяющий концентраторы, может быть витой парой (STP или UTP) или оптоволоконным. В нормальном режиме используется только одна пара, соединяющая RO одного хаба с RI другого. Вторая пара является резервной (backup) и используется только в случае обхода отключенного хаба. Радиальный кабель также может быть витой парой или оптоволоконным, в нем всегда используются две пары (два волокна). И радиальные, и магистральные кабели являются «прямыми», контакты разъемов соединяются один-в-один. В качестве электрических соединителей используются разъемы MIC, DB-9 и RJ-45, в качестве оптических - ST.

Активные концентраторы могут быть и интеллектуальными (управляемыми) - поддерживать SNMP, RMON и иметь собственные средства локализации неисправных отводов. Многие модели современных устройств имеют фирменные средства диагностики портов с подключенными станциями. Эти средства работают на уровне устройства и обеспечивают исключение неисправного узла гораздо быстрее, чем штатный алгоритм бакенов. Благодаря этому время автоматического восстановления кольца сокращается до 1-2 с.

Коммутаторы широко используются для организации магистралей. Для повышения пропускной способности магистрали, состоящей из нескольких коммутаторов, между ними организуют каналы TokenPipe. Такой канал собирается из 2-4 параллельных линий, связывающих пару коммутаторов. Связка портов выглядит как один логический порт. Пропускная способность канала достигает 128 Мбит/с (4x2x16) для обычных портов и 800 Мбит/с для портов на 100 Мбит/с.

Для построения сетей Token Ring требуются также сетевые адаптеры. Сетевые адаптеры выпускаются для различных шин (ISA, EISA, PCI, PC Card). Используемые системные ресурсы: порты ввода / вывода, прерывания, DMA и буферная память. Карты имеют большой объем буферной памяти, что связано с большим допустимым размером кадра. Карты могут иметь возможность установки ПЗУ удаленной загрузки (Boot ROM), пробуждения по сети. Интерфейсный разъем - DB-9 для кабеля STP (150 Ом), RJ-45 для UTP/STP (100 Ом). Карты могут иметь и пару разъемов - выбор осуществляется при конфигурировании или автоматически. При несовпадении импедансов интерфейса и кабеля карта подключается через согласователь Media Filter, выполняемый в виде переходника или кабеля с разнотипными разъемами на концах. Фирма IBM встраивает согласователи импедансов непосредственно в порты сетевых адаптеров.

Некоторые модели могут поддерживать полнодуплексный режим, что дает повышение пропускной способности только при подключении к выделенному порту коммутатора. Модели адаптеров, предназначенные для серверов, могут иметь возможность резервирования и использования множественных связей. Для этого в станцию устанавливается несколько однотипных адаптеров, связанных с коммутатором. При резервировании используется только один, в случае его отказа (или обрыва связи) переход на резервный выполняется прозрачно для приложений. Множественные связи (MultiLink) позволяют масштабировать пропускную способность. Как правило, допускается использование до четырех параллельных каналов, при этом в полнодуплексном режиме пропускная способность достигает 128 Мбит/с (4x2x16).

Мосты и коммутаторы используются для связи колец в больших сетях. Порты коммутаторов могут работать на разных скоростях. Ряд моделей имеет транслирующие мосты к другим технологиям. Маршрутизация от источника поддерживается всеми коммутаторами, ряд моделей поддерживает и прозрачные мосты (SRT) для связи с другими технологиями. Мосты могут ограничивать размер транслируемого кадра, что отмечается при определении маршрута кадром-разведчиком. Если на вход коммутатора придет кадр большей длины, он, скорее всего, будет отброшен: возможность разбивки большого кадра на мелкие для коммутаторов нетипична - эта функция характерна для маршрутизаторов. Интеллектуальные коммутаторы могут обеспечивать и поддержку виртуальных сетей (VLAN).

1.3 Коллизии

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

Важной для разрешения коллизий является возможность станций «слушать» после передачи.

В случае, если станция передает маркер соседней, а та в это время отключается (например из-за аппаратного сбоя), то если не последует передач кадра или маркера, то маркер посылается вторично.

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

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

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

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

Не все станции в кольце равны. Одна из станций обозначается как активный монитор, что означает дополнительную ответственность по управлению кольцом. Активный монитор осуществляет управление тайм-аутом в кольце, порождает новые маркеры (если необходимо), чтобы сохранить рабочее состояние, и генерирует диагностические кадры при определенных обстоятельствах. Активный монитор выбирается, когда кольцо инициализируется, и в этом качестве может выступить любая станция сети. Алгоритм определения активного монитора следующий: при включении или если какая-то станции заметит отсутствие монитора, она посылает CLAIM_TOKEN кадр. Если она первая, кто послал такой кадр, то она и становится монитором.

Если монитор отказал по какой-либо причине, существует механизм, с помощью которого другие станции (резервные мониторы) могут договориться, какая из них будет новым активным монитором. Одной из функций для которых служит активный монитор является удаление из кольца постоянно циркулирующих блоков данных. Если устройство, отправившее блок данных, отказало, то этот блок может постоянно циркулировать по кольцу. Это может помешать другим станциям передавать собственные блоки данных и фактически блокирует сеть. Активный монитор может выявлять и удалять такие блоки и генерировать новый маркер. Важной функцией монитора является установка задерки на кольце, задержка должна быть достаточна, для того, чтобы в кольце уместился 24-битный маркер.

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

Алгоритм Token Ring, называемый «сигнализирующим» (beaconing), выявляет и пытается устранить некоторые неисправности сети. Если какая-нибудь станция обнаружит серьезную проблему в сети (например такую, как обрыв кабеля), она высылает сигнальный блок данных. Сигнальный блок данных указывает домен неисправности, в который входят станция, сообщающая о неисправности, ее ближайший активный сосед, находящийся выше по течению потока информации (NAUN), и все, что находится между ними. Сигнализация инициализирует процесс, называемый «автореконфигурацией» (autoreconfiguration), в ходе которого узлы, расположенные в пределах отказавшего домена, автоматически выполняют диагностику, пытаясь реконфигурировать сеть вокруг отказавшей зоны. В физическом плане MSAU может выполнить это с помощью электрической реконфигурации. Лоу, Д.Т. Компьютерные сети для "чайников" [Текст] / Д.Т. Лоу. - СПБ.: Диалектика, 2001. - 256 с.

1.4 Маркерный метод доступа к разделяемой среде

В сетях с маркерным методом доступа право на доступ к среде передается циклически от станции к станции по логическому кольцу. Кольцо образуется отрезками кабеля, соединяющими 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 (токен).

Получив маркер, станция анализирует его, при необходимости модифицирует 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.

При поступлении кадра данных к одной или нескольким станциям, эти станции копируют для себя этот кадр и вставляют в этот кадр подтверждение приема. Станция, выдавшая кадр данных в кольцо, при обратном его получении с подтверждением приема изымает этот кадр из кольца и выдает новый маркер для обеспечения возможности другим станциям сети передавать данные.

Описанный алгоритм доступа к среде иллюстрируется временной диаграммой. Здесь показана передача пакета А в кольце, состоящем из 6 станций, от станции 1 к станции 3. [см. Приложение В]

Время удержания одной станцией маркера ограничивается тайм-аутом удержания маркера, после истечение которого станция обязана передать маркер далее по кольцу.

В сетях Token Ring 16 Мб/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 и приближается к 80% от номинальной.

Для различных видов сообщений передаваемым данным могут назначаться различные приоритеты.

Каждая станция имеет механизмы обнаружения и устранения неисправностей сети, возникающих в результате ошибок передачи или переходных явлений (например, при подключении и отключении станции).

Не все станции в кольце равны. Одна из станций обозначается как активный монитор, что означает дополнительную ответственность по управлению кольцом. Активный монитор осуществляет управление тайм-аутом в кольце, порождает новые маркеры (если необходимо), чтобы сохранить рабочее состояние, и генерирует диагностические кадры при определенных обстоятельствах. Активный монитор выбирается, когда кольцо инициализируется, и в этом качестве может выступить любая станция сети. Если монитор отказал по какой-либо причине, существует механизм, с помощью которого другие станции (резервные мониторы) могут договориться, какая из них будет новым активным монитором. Нанс, Б.Г. Компьютерные сети [Текст] / Б.Г. Нанс, - М.: Бином. 2003. - 400 с.

1.5 Форматы кадров Token Ring

В Token Ring существует три различных формата кадров:

маpкеp;

кадp данных;

пpеpывающая последовательность.

Маркер

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

Поле начального ограничителя появляется в начале маркера, а также в начале любого кадра, проходящего по сети. Поле состоит из уникальной серии электрических импульсов, которые отличаются от тех импульсов, которыми кодируются единицы и нули в байтах данных. Поэтому начальный ограничитель нельзя спутать ни с какой битовой последовательностью.

Поле контроля доступа. Разделяется на четыре элемента данных:

PPP T M RRR,

где PPP - биты приоритета, T - бит маркера, M - бит монитора, RRR - резервные биты.

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

Схема использования приоритетного метода захвата маркера [см. Приложение Г]. Сначала монитор помещает в поле текущего приоритета P максимальное значение приоритета, а поле резервного приоритета R обнуляется (маркер 7110). Маркер проходит по кольцу, в котором станции имеют текущие приоритеты 3, 6 и 4. Так как эти значения меньше, чем 7, то захватить маркер станции не могут, но они записывают свое значение приоритета в поле резервного приоритета, если их приоритет выше его текущего значения. В результате маркер возвращается к монитору со значением резервного приоритета R = 6. Монитор переписывает это значение в поле P, а значение резервного приоритета обнуляет, и снова отправляет маркер по кольцу. При этом обороте его захватывает станция с приоритетом 6 - наивысшим приоритетом в кольце в данный момент времени.

Бит маркера имеет значение 0 для маркера и 1 для кадра.

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 в 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 переписывает приоритет из резервных битов полученного маркера в поле приоритета. Поэтому при следующем проходе маркера по кольцу его захватит станция, имеющая наивысший приоритет.

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

Кадр данных

Кадр данных состоит из нескольких групп полей:

последовательность начала кадра;

адрес получателя;

адрес отправителя;

данные;

последовательность контроля кадра;

последовательность конца кадра.

Кадр данных может переносить данные либо для управления кольцом (данные MAC-уровня), либо пользовательские данные (LLC-уровня). Стандарт Token Ring определяет 6 типов управляющих кадров MAC-уровня. Поле «последовательность начала кадра» определяет тип кадра (MAC или LLC) и, если он определен как MAC, то поле также указывает, какой из шести типов кадров представлен данным кадром.

Назначение этих шести типов кадров следующее.

Чтобы удостовериться, что ее адрес уникальный, станция посылает кадр «Тест дублирования адреса», когда впервые присоединяется к кольцу.

Чтобы сообщить другим станциям, что он еще жив, активный монитор запускает кадр «Активный монитор существует» так часто, как только может.

Кадр «Существует резервный монитор» отправляется любой станцией, не являющейся активным монитором.

Резервный монитор отправляет «Маркеры заявки», когда подозревает, что активный монитор отказал. Резервные мониторы затем договариваются между собой, какой из них станет новым активным монитором.

Станция отправляет кадр «Сигнал» в случае возникновения серьезных сетевых проблем, таких как оборванный кабель, или при обнаружении станции, передающей кадры без ожидания маркера. Определяя, какая станция отправляет кадр сигнала, диагностирующая программа может локализовать проблему.

Кадр «Очистка» отправляется после того, как произошла инициализация кольца, и новый активный монитор заявляет о себе.

Каждый кадр (MAC или LLC) начинается с «последовательности начала кадра», которая содержит три поля:

Начальный ограничитель, такой же, как и для маркера;

Управление доступом, также совпадает для кадров и для маркеров;

Контроль кадра - это однобайтовое поле, содержащее два подполя - тип кадра и идентификатор управления MAC: 2 бита типа кадра имеют значения 00 для кадров MAC и 01 для кадров LLC. Биты идентификатора управления MAC определяют тип кадра управления кольцом из приведенного выше списка 6-ти управляющих кадров MAC.

Адрес получателя (либо 2, либо 6 байтов). Первый бит определяет групповой или индивидуальный адрес как для 2-х байтовых, так и для 6-ти байтовых адресов. Второй бит в 6-ти байтовых адресах говорит, назначен адрес локально или глобально.

Адрес отправителя имеет тот же размер и формат, что и адрес получателя.

Поле данных кадра может содержать данные одного из описанных управляющих кадров MAC или запись пользовательских данных, предназначенных для (или получаемых от) протокола более высокого уровня, такого как IPX или NetBIOS. Это поле не имеет определенной максимальной длины, хотя существуют практические ограничения на его размер, основанные на временных требованиях к тому, как долго некоторая станция может управлять кольцом.

Последовательность контроля кадра - используется для обнаружения ошибок, состоит из четырех байтов остатка циклически избыточной контрольной суммы, вычисляемой по алгоритму CRC-32, осуществляющему циклическое суммирование по модулю 32.

Конечный ограничитель в кадре данных имеет дополнительное значение по сравнению с маркером. Кроме уникальной последовательности электрических импульсов он содержит два однобитовых поля: бит промежуточного кадра и бит обнаружения ошибки. Бит промежуточного кадра устанавливается в 1, если этот кадр является частью многокадровой передачи, или в 0 для последнего или единственного кадра. Бит обнаружения ошибки первоначально установлен в 0; каждая станция, через которую передается кадр, проверяет его на ошибки (по коду CRC) и устанавливает бит обнаружения ошибки в 1, если она выявлена. Очередная станция, которая видит уже установленный бит обнаружения ошибки, должна просто передать кадр. Исходная станция заметит, что возникла ошибка, и повторит передачу кадра.

Статус кадра имеет длину 1 байт и содержит 4 резервных бита и два подполя: бит распознавания адреса и бит копирования кадра. Так как это поле не сопровождается вычисляемой суммой CRC, то используемые биты дублируются в байте. Когда кадр создается, передающая станция устанавливает бит распознавания адреса в 0; получающая станция устанавливает бит в 1, чтобы сообщить, что она опознала адрес получателя. Бит копирования кадра также вначале установлен в 0, но устанавливается в 1 получающей станцией (станцией назначения), когда она копирует содержимое кадра в собственную память (другими словами, когда она реально получает данные). Данные копируются (и бит устанавливается), если только кадр получен без ошибок. Если кадр возвращается с обоими установленными битами, исходная станция знает, что произошло успешное получение. Если бит распознавания адреса не установлен во время получения кадра, это означает, что станция назначения больше не присутствует в сети (возможно, вследствие неполадок). Возможна другая ситуация, когда адрес получателя опознается, но бит копирования кадра не установлен. Это говорит исходной станции, что кадр был искажен во время передачи (бит обнаружения ошибки в конечном ограничителе также будет установлен). Если оба бита опознавания адреса и копирования кадра установлены, и бит обнаружения ошибки также установлен, то исходная станция знает, что ошибка случилась после того, как этот кадр был корректно получен.

Прерывающая последовательность

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

Как видно из описания процедур обмена данными, в сети Token Ring на уровнях MAC и LLC применяются процедуры без установления связи, но с подтверждением получения кадров. Олифер, Н.В. Базовые технологии локальных сетей [Текст] / Н.В. Олифер - М.: Мир, 2003. - 404 с.

1.6 Система приоритетов

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

Только станции с приоритетом, который равен или выше величины приоритета, содержащейся в маркере, могут завладеть им. После того, как маркер захвачен и изменен (в результате чего он превратился в информационный блок), только станции, приоритет которых выше приоритета передающей станции, могут зарезервировать маркер для следующего прохода по сети. При генерации следующего маркера в него включается более высокий приоритет данной резервирующей станции. Станции, которые повышают уровень приоритета маркера, должны восстановить предыдущий уровень приоритета после завершения передачи.

Когда кольцо установлено, интерфейс каждой станции хранит адреса предшествующей станции и последующей станции в кольце. Периодически держатель маркера рассылает один из SOLICIT_SUCCESSOR кадр, предлагая новым станциям присоединиться к кольцу. В этом кадре указаны адрес отправителя и адрес следующий за ним станции в кольце. Станции с адресами в этом диапазоне адресов могут присоединиться к кольцу. Таким образом сохраняется упорядоченность (по возрастанию) адресов в кольце. Если ни одна станция не откликнулась на SOLICIT_SUCCESSOR кадр, то станция-обладатель маркера закрывает окно ответа и продолжает функционировать как обычно. Если есть ровно один отклик, то откликнувшаяся станция включается в кольцо и становиться следующей в кольце. Если две или более станции откликнулись, то фиксируется коллизия. Станция-обладатель маркера запускает алгоритм разрешения коллизий, посылая кадр RESOLVE_CONTENTION. Этот алгоритм - модификация алгоритма обратного двоичного счетчика на два разряда.

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

Процедура подключения новой станции к кольцу не нарушает наихудшее гарантированное время для передачи маркера по кольцу. У каждой станции есть таймер, который сбрасывается когда станция получает маркер. Прежде чем он будет сброшен его значение сравнивается с некоторой величиной. Если оно больше, то процедура подключения станции к кольцу не запускается. В любом случае за один раз подключается не более одной станции за один раз.

Теоретически станция может ждать подключения к кольцу сколь угодно долго, на практике не более нескольких секунд. Однако, с точки зрения приложений реального времени это одно из наиболее слабых мест 802.4.

Отключение станции от кольцо очень просто. Станция Х с предшественником S и последователем Р шлет кадр SET_SUCCESSOR, который указывает Р что отныне его предшественником является S. После этого Х прекращает передачу.

Инициализация кольца - это специальный случай подключения станции к кольцу.

В начальный момент станция включается и слушает канал. Если она не обнаруживает признаков передачи, то она генерирует CLAIM_TOKEN маркер.

Если конкурентов не обнаружилось, то она генерирует маркер сама и устанавливает кольцо из одной станции. Периодически она генерирует кадры SOLICIT_SUCCESSOR, приглашая другие станции включиться в кольцо. Если в начальный момент сразу две станции были включены, то запускается алгоритм обратного двоичного счетчика с двумя разрядами. Олифер, Н.В. Высокоскоростные технологии ЛВС [Текст] / Н.В. Олифер - М.: Мир, 2001. - 270 с.

2. Управление доступом к среде IEEE 802.1-802.5

2.1 Структура стандартов IEEE 802.1 - 802.5

В 1980 году в институте IEEE был организован «Комитет 802 по стандартизации локальных сетей», в результате работы которого было принято семейство стандартов IEEE 802.х, которые содержат рекомендации для проектирования нижних уровней локальных сетей. Позже результаты его работы легли в основу комплекса международных стандартов ISO 8802-1…5. Эти стандарты были созданы на основе очень распространенных фирменных стандартов сетей Ethernet, ArcNet и Token Ring. Помимо IEEE в работе по стандартизации протоколов локальных сетей принимали участие и другие организации. Так для сетей, работающих на оптоволокне, американским институтом по стандартизации ANSI был разработан стандарт FDDI, обеспечивающий скорость передачи данных 100 Мб/с. Работы по стандартизации протоколов ведутся также ассоциацией ECMA (European Computer Manufacturers Association), которой приняты стандарты ECMA-80, 81, 82 для локальной сети типа Ethernet и впоследствии стандарты ECMA-89, 90 по методу передачи маркера. Спирин, А. А. Введение в технику волоконно-оптических сетей [Текст] / А.А. Спирин - СПБ.: Питер, 2005. - 334 с.

Стандарты семейства IEEE 802.x охватывают только два нижних уровня семиуровней модели OSI - физический и канальный. Это связано с тем, что именно эти уровни в наибольшей степени отражают специфику локальных сетей. Старшие же уровни, начиная с сетевого, в значительной степени имеют общие черты как для локальных, так и для глобальных сетей.

Специфика локальных сетей нашла также свое отражение в разделении канального уровня на два подуровня:

подуровень управления доступом к среде (Media Access Control, MAC)

подуровень логической передачи данных (Logical Link Control, LLC).

MAC-уровень появился из-за существования в локальных сетях разделяемой среды передачи данных. Именно этот уровень обеспечивает корректное совместное использование общей среды, предоставляя ее в соответствии с определенным алгоритмом в распоряжение той или иной станции сети. После того, как доступ к среде получен, ею может пользоваться следующий подуровень, организующий надежную передачу логических единиц данных - кадров информации. В современных локальных сетях получили распространение несколько протоколов MAC-уровня, реализующих различные алгоритмы доступа к разделяемой среде. Эти протоколы полностью определяют специфику таких технологий как Ethernet, Token Ring, FDDI, 100VG-AnyLAN.

Уровень LLC отвечает за достоверную передачу кадров данных между узлами, а также реализует функции интерфейса с прилегающим к нему сетевым уровнем. Для уровня LLC также существует несколько вариантов протоколов, отличающихся наличием или отсутствием на этом уровне процедур восстановления кадров в случае их потери или искажения, то есть отличающихся качеством транспортных услуг этого уровня.

Протоколы уровней MAC и LLC взаимно независимы - каждый протокол MAC-уровня может применяться с любым типом протокола LLC-уровня и наоборот.

Стандарт IEEE 802 содержит несколько разделов:

В разделе 802.1 приводятся основные понятия и определения, общие характеристики и требования к локальным сетям.

Раздел 802.2 определяет подуровень управления логическим каналом LLC.

Разделы 802.3 - 802.5 регламентируют спецификации различных протоколов подуровня доступа к среде MAC и их связь с уровнем LLC:

стандарт 802.3 описывает коллективный доступ с опознаванием несущей и обнаружением конфликтов (Carrier sense multiple access with collision detection - CSMA/CD), прототипом которого является метод доступа стандарта Ethernet;

стандарт 802.4 определяет метод доступа к шине с передачей маркера (Token bus network), прототип - ArcNet;

стандарт 802.5 описывает метод доступа к кольцу с передачей маркера (Token ring network), прототип - Token Ring.

Для каждого из этих стандартов определены спецификации физического уровня, определяющие среду передачи данных (коаксиальный кабель, витая пара или оптоволоконный кабель), ее параметры, а также методы кодирования информации для передачи по данной среде.

2.2 Функции МАС-уровня и форматы кадров

В соответствии со стандартами IEEE 802 канальный уровень в локальных сетях состоит из двух подуровней - LLC и МАС. Стандарт FDDI не вводит свое определение подуровня LLC, а использует его сервисы, описанные в документе IEEE 802.2 LLC.

Подуровень МАС выполняет в технологии FDDI следующие функции:

Поддерживает сервисы для подуровня LLC.

Формирует кадр определенного формата.

Управляет процедурой передачи токена.

Управляет доступом станции к среде.

Адресует станции в сети.

Копирует кадры, предназначенные для данной станции, в буфер и уведомляет подуровень LLC и блок управления станцией SMT о прибытии кадра.

Генерирует контрольную последовательность кадра (CRC) и проверяет ее у всех кадров, циркулирующих по кольцу.

Удаляет из кольца все кадры, которые сгенерировала данная станция.

Управляет таймерами, которые контролируют логическую работу кольца - таймером удержания токена, таймером оборота токена и т.д.

Ведет ряд счетчиков событий, что помогает обнаружить и локализовать неисправности.

Определяет механизмы, используемые кольцом для реакции на ошибочные ситуации - повреждение кадра, потерю кадра, потерю токена и т.д.

В данном разделе для иллюстрации работы МАС-уровня будет использоваться станция с двойным подключением и одним блоком МАС, то есть станция DA/SM. Ее внутренняя структура. [см. Приложение Д]

В каждом блоке МАС параллельно работают два процесса: процесс передачи символов - MAC Transmit и процесс приема символов - MAC Receive. За счет этого МАС может одновременно передавать символы одного кадра и принимать символы другого кадра.

Форматы кадра и токена

По сети FDDI информация передается в форме двух блоков данных: кадра и токена. Формат кадра FDDI. [см. Приложение Е]

Рассмотрим назначение полей кадра:

Преамбула (Preamble, PA). Любой кадр должен предваряться преамбулой, состоящей как минимум из 16 символов Idle (I). Эта последовательность предназначена для вхождения в синхронизм генератора RCRCLK, обеспечивающего прием последующих символов кадра.

Начальный ограничитель (Starting Delimiter, SD). Состоит из пары символов JK, которые позволяют однозначно определить границы для остальных символов кадра.

Поле управления (Frame Control, FC). Идентифицирует тип кадра и детали работы с ним. Имеет 8-ми битовый формат и передается с помощью двух символов. Состоит из подполей, обозначаемых как CLFFZZZZ, которые имеют следующее назначение:

С - говорит о том, какой тип трафика переносит кадр - синхронный (значение 1) или асинхронный (значение 0).

L - определяет длину адреса кадра, который может состоять из 2-х байт или из 6-ти байт.

FF - тип кадра, может иметь значение 01 для обозначения кадра LLC (пользовательские данные) или 00 для обозначения служебного кадра MAC-уровня. Служебными кадрами МАС-уровня являются кадры трех типов - кадры процедуры инициализации кольца Claim Frame, кадры процедуры сигнализации о логической неисправности Beacon Frame и кадры процедуры управления кольцом SMT Frame.

ZZZZ - детализирует тип кадра.

Адрес назначения (Destination Address, DA) - идентифицирует станцию (уникальный адрес) или группу станций (групповой адрес), которой(ым) предназначен кадр. Может состоять из 2-х или 6-ти байт.

Адрес источника (Source Address, SA) - идентифицирует станцию, сгенерировавшую данный кадр. Поле должно быть той же длины, что и поле адреса назначения.

Информация (INFO) - содержит информацию, относящуюся к операции, указанной в поле управления. Поле может иметь длину от 0 до 4478 байт (от 0 до 8956 символов). Стандарт FDDI допускает размещение в этом поле маршрутной информации алгоритма Source Routing, определенной в стандарте 802.5. При этом в два старших бита поля адреса источника SA помещается комбинация 102 - групповой адрес, комбинация, не имеющая смысла для адреса источника, а обозначающая присутствие маршрутной информации в поле данных.

Контрольная последовательность (Frame Check Sequence, FCS) - содержит 32-х битную последовательность, вычисленную по стандартному методу CRC-32, принятому и для других протоколов IEEE 802. Контрольная последовательность охватывает поля FC, DA, SA, INFO и FCS.

Конечный ограничитель (Ending Delimiter, ED) - содержит единственный символ Terminate (T), обозначающий границу кадра. Однако за ним располагаются еще признаки статуса кадра.

Статус кадра (Frame Status, FS). Первые три признака в поле статуса должны быть индикаторами ошибки (Error, E), распознавания адреса (Address recognized, A) и копирования кадра (Frame Copied, C). Каждый из этих индикаторов кодируется одним символом, причем нулевое состояние индикатора обозначается символом Reset (R), а единичное - Set (S). Стандарт позволяет производителям оборудования добавлять свои индикаторы после трех обязательных.

Токен состоит по существу из одного значащего поля - поля управления, которое содержит в этом случае 1 в поле С и 0000 в поле ZZZZ.

2.3 Операции МАС-уровня

С помощью операций МАС-уровня станции получают доступ к кольцу и передают свои кадры данных. Цикл передачи кадра от одной станции к другой состоит из нескольких этапов: захвата токена станцией, которой необходимо передать кадр, передачей одного или нескольких кадров данных, освобождением токена передающей станцией, ретрансляцией кадра промежуточными станциями, распознаванием и копированием кадра станцией-получателем и удалением кадра из сети станцией-отправителем.

Рассмотрим эти операции.

Захват токена. Если станция имеет право захватить токен, то она после ретрансляции на выходной порт символов PA и SD токена, удаляет из кольца символ FC, по которому она распознала токен, а также конечный ограничитель ED. Затем она передает вслед за уже переданным символом SD символы своего кадра, таким образом, формируя его из начальных символов токена [см. Приложение И].

Передача кадра. После удаления полей FC и ED токена станция начинает передавать символы кадров, которые ей предоставил для передачи уровень LLC. Станция может передавать кадры до тех пор, пока не истечет время удержания токена.

Для сетей FDDI предусмотрена передача кадров двух типов трафика - синхронного и асинхронного.

Синхронный трафик предназначен для приложений, которые требуют предоставления им гарантированной пропускной способности для передачи голоса, видеоизображений, управления процессами и других случаев работы в реальном времени. Для такого трафика каждой станции предоставляется фиксированная часть пропускной способности кольца FDDI, поэтому станция имеет право передавать кадры синхронного трафика всегда, когда она получает токен от предыдущей станции.

Асинхронный трафик - это обычный трафик локальных сетей, не предъявляющий высоких требований к задержкам обслуживания. Станция может передавать асинхронные кадры только в том случае, если при последнем обороте токена по кольцу для этого осталась какая-либо часть неизрасходованной пропускной способности. Интервал времени, в течение которого станция может передавать асинхронные кадры, называется временем удержания токена (Token Holding Time, THT). Каждая станция самостоятельно вычисляет текущее значение этого параметра по алгоритму.

В ходе передачи символов собственного кадра станция удаляет из кольца все поступающие от предыдущей станции символы. Такой процесс называется МАС-заменой (MAC Overwriting). Первоначальный источник удаляемого из сети кадра не имеет значения - это может быть и данный МАС-узел, который ранее поместил этот кадр в кольцо, либо другой МАС-узел. Процесс удаления кадров во время передачи никогда не приводит к удалению еще необработанных кадров: если сеть работает корректно, то удаляются только усеченные кадры, которые образуются либо при захвате токена (этот вариант уже рассмотрен), либо при удалении своего кадра станцией-источником (этот вариант будет рассмотрен ниже). В любом случае, усеченный кадр (remnant frame) - это кадр, у которого есть начальный ограничитель, но отсутствует конечный ограничитель, а вместо него и, может быть, еще некоторых полей вставлены символы простоя Idle. Хант, К.Д. Персональные компьютеры в сетях TCP/IP [Текст] / К.Д. Хант. - Kиев: BHV, 2000. - 384 с.

В случае, если удаляемые символы принадлежат кадру, ранее сгенерированному данным МАС-узлом, то одновременно с удалением кадра из кольца проверяются признаки статуса кадра из поля FS - распознавания адреса, копирования и ошибки. Если признак ошибки установлен, то МАС-уровень не занимается повторной передачей кадра, оставляя это уровню LLC или другим верхним уровням коммуникационного стека протоколов.

Станция прекращает передачу кадров в двух случаях: либо при истечении времени удержания токена THT, либо при передаче всех имеющихся у нее кадров до истечения этого срока. После передачи последнего своего кадра станция формирует токен и передает его следующей станции.

Повторение кадра. Если кадр не адресуется данному МАС-узлу, то последний должен просто повторить каждый символ кадра на выходном порту. Каждый МАС-узел должен подсчитывать количество полученных им полных кадров (усеченные не включаются в подсчет). Каждая станция проверяет повторяемый кадр на наличие ошибок с помощью контрольной последовательности. Если ошибка обнаружена, а признак ошибки в поле FS не установлен, то МАС-узел устанавливает этот признак в кадре, а также наращивает счетчик ошибочных кадров, распознанных данным МАС-узлом.

Обработка кадра станцией назначения. Станция назначения, распознав свой адрес в поле DA, начинает копировать символы кадра во внутренний буфер одновременно с повторением их на выходном порту. При этом станция назначения устанавливает признак распознавания адреса. Если же кадр скопирован во внутренний буфер, то устанавливается и признак копирования (невыполнение копирования может произойти, например, из-за переполнения внутреннего буфера). Устанавливается также и признак ошибки, если ее обнаружила проверка по контрольной последовательности.

Удаление кадра из кольца. Каждый МАС-узел ответственен за удаление из кольца кадров, которые он ранее в него поместил. Этот процесс известен под названием Frame Stripping. Если МАС-узел при получении своего кадра занят передачей следующих кадров, то он удаляет все символы вернувшегося по кольцу кадра. Если же он уже освободил токен, то он повторяет на выходе несколько полей этого кадра прежде, чем распознает свой адрес в поле SA. В этом случае в кольце возникает усеченный кадр, у которого после поля SA следуют символы Idle и отсутствует конечный ограничитель. Этот усеченный кадр будет удален из кольца какой-нибудь станцией, принявшей его в состоянии собственной передачи. Шатт, С.Т. Мир компьютерных сетей [Текст] / С.Т.Шатт . - Kиев: BHV, 2000. - 288 с.

Заключение

На сегодняшний день в мире существует более 130 миллионов компьютеров и более 80% из них объединены в различные информационно-вычислительные сети от малых локальных сетей в офисах до глобальных сетей типа Internet. Всемирная тенденция к объединению компьютеров в сети обусловлена рядом важных причин, таких как ускорение передачи информационных сообщений, возможность быстрого обмена информацией между пользователями, получение и передача сообщений (факсов, E - Mail писем и прочего) не отходя от рабочего места, возможность мгновенного получения любой информации из любой точки земного шара, а так же обмен информацией между компьютерами разных фирм производителей работающих под разным программным обеспечением.

Такие огромные потенциальные возможности, которые несет в себе вычислительная сеть и тот новый потенциальный подъем, который при этом испытывает информационный комплекс, а так же значительное ускорение производственного процесса не дают нам право не принимать это к разработке и не применять их на практике.

При организации взаимодействия узлов в локальных сетях основная роль отводится протоколу канального уровня. Однако, для того, чтобы канальный уровень мог справиться с этой задачей, структура локальных сетей должна быть вполне определенной, так, например, наиболее популярный протокол канального уровня - Ethernet - рассчитан на параллельное подключение всех узлов сети к общей для них шине - отрезку коаксиального кабеля. Протокол Token Ring также рассчитан на вполне определенную конфигурацию связей между компьютерами - соединение в кольцо. Сети с кольцевой топологией известны давно и используются широко. Среди их многочисленных достоинств есть одно особо важное - это не среда с множественным доступом, а последовательность соединений точка-точка, образующих кольцо. Соединения точка-точка хорошо изучены, могут работать на разных физических средах: витая пара, коаксиал или оптоволокно. Способ передачи в основном цифровой. В последние несколько лет наметилось движение к отказу от использования в локальных сетях разделяемых сред передачи данных и переходу к обязательному использованию между станциями активных коммутаторов, к которым конечные узлы присоединяются индивидуальными линиями связи. В чистом виде такой подход предлагается в технологии ATM (Asynchronous Transfer Mode), а смешанный подход, сочетающий разделяемые и индивидуальные среды передачи данных, используется в технологиях, носящих традиционные названия с приставкой switching (коммутирующий): switching Ethernet, switching Token Ring, switching FDDI.