Token Ring/IEEE 802.5

1. Token Ring/IEEE 802.5 - Technologia LAN oparta o architekturę pierścienia i metodę przesyłania żetonu (token). - Opracowana pierwotnie przez firmę IBM w latach 70-tych. - W przeciwieństwie do CSMA/CD ma charakter deterministyczny, tj. istnieje gwarantowany maksymalny czas, po upływie którego węzeł uzyska dostęp (prawo transmisji) do medium. - Jest wyposażona w mechanizmy obsługi awarii sprzętowych, zwiększające niezawodność pracy sieci oraz możliwość określania priorytetu transmisji. - Dzięki w/w cechom znalazła zastosowanie w zastosowaniach przemysłowych (np. układy sterowania produkcją).

2. Porównanie rozwiązań IBM Token Ring i IEEE 802.5

3. Topologia sieci Token Ring Multi-station Access Unit (MAU, MSAU) Patch cable - MAU -- MAU Lobe cable - stacja -- MAU

4. Działanie Token Ring - Obieg ramek w pierścieniu jest jednokierunkowy. - Kolejne stacje uczestniczą w retransmisji ramek (żetonów/danych). - Stacja może rozpocząć nadawanie po przechwyceniu żetonu. - Stacja może przetrzymywać żeton tylko przez określony czas. - Po przechwyceniu żetonu stacja zmienia status ramki, dołącza dane i wysyła ramkę do stacji docelowej (ramka wędruje po pierścieniu). - Stacja docelowa kopiuje zawartość ramki, następnie retransmituje ją dalej oznaczając ją uprzednio jako odczytaną. - Po powrocie do stacji nadawczej ramka jest przez nią usuwana. - Jeśli nie wykryto błędów stacja może nadać kolejną ramkę (o ile nie grozi to przekroczeniem limitu czasu przetrzymywania żetonu). - Po zakończeniu transmisji ramki stacja wysyła nowy żeton.

5. Działanie Token Ring Token Rotation Time (TRT) - średni czas obiegu żetonu wokół pierścienia; iloczyn prędkości transmisji i ilości stacji. Early Token Release - mechanizm zwiększający wydajność transmisji, zakładający małą stopę błędów; stacja docelowa usuwa ramkę z pierścienia (zamiast odesłać ją dalej do stacji nadawczej) a następnie wysyła nowy żeton, który może zostać przechwycony przez kolejną stację.

6. Priorytety w Token Ring IEEE 802.5 specyfikuje opcjonalny mechanizm priorytetów przydzielonych stacjom w pierścieniu. - Stacja może przechwycić żeton tylko, jeśli priorytet zapisany w żetonie (pole priority) jest nie wyższy niż jej priorytet. - Stacja może zgłosić żądanie transmisji o określonym priorytecie ustawiając pole reservation w przesyłanym żetonie, o ile nie jest ono już ustawione na poziom wyższy niż priorytet stacji. - Stacja nadawcza, która usunęła swoją ramkę wysyła nowy żeton z priorytetem wg odebranego pola reservation (zerując je). - Dowolna stacja, która podniosła priorytet żetonu, musi go obniżyć do poziomu wyjściowego, gdy wolny żeton ponownie do niej dotrze; jeśli po drodze ustawiona została rezerwacja na inny poziom, to dana stacja musi poczekać na kolejny obieg żetonu, aby przywrócić mu priorytet do wyjściowej wartości.

7. Ramki Token Ring Stosowane są trzy rodzaje ramek transmitowanych w pierścieniu: - Token Frame - ramka żetonu (3 bajty), - LLC (Data) Frame - ramka danych użytecznych, - MAC (Control) Frame - ramka parametrów sterującyh.

8. Ramki Token Ring Token: Start Delimiter - (8 bitów) wskazuje początek ramki; zawiera symbole nie kodujące (J i K) - w przeciwieństwie do symboli kodujących 0 i 1. Access-Control Byte - zawiera pole priority (3 msb), pole reservation (3 lsb), token bit (rozróżnia ramki żetonu od danych/sterujących) oraz monitor bit (wskazuje czy ramka nie krąży nieustannie). End Delimiter - oznacza koniec ramki; zawiera także bity wskazujące uszkodzenie ramki i ostatnią ramkę w sekwencji logicznej. Data/Command: Frame Control Byte - wskazuje czy ramka zawiera dane (LLC) czy informacje sterujące (MAC); wskazuje typ informacji sterujących. Destination Address - (48 bitów) adres odbiorcy: 1-szy bit określa czy adres indywidualny czy grupowy I/G, 2-gi bit określa czy adres jest przydzielany globalne czy lokalnie U/L; adres ma format big-endian. Source Address - (48 bitów) adres nadawcy: 1-szy bit określa czy jest pole Routing Information (RII), 2-gi bit ma znaczenie j.w. U/L.

9. Ramki Token Ring - c.d. Routing Information - (0-30 bajtów, typowo do 18) jeśli występuje, określa trasę przesyłania ramki przez mosty wg Source Route Bridging w konfiguracji wielopierścieniowej. Data - (od 1 do 4500 lub 18000 bajtów) w przypadku ramki danych zawiera strukturę podwarstwy 802.2 LLC i przenosi dane protokołów warstwy trzeciej (sieciowej); w przypadku ramki sterującej zawiera komunikaty MAC. Frame Check Sequence - (32 bity) zawiera sumę kontrolną ramki CRC. End Delimiter - (8 bitów) oznacza koniec ramki; zawiera także bity wskazujące uszkodzenie ramki i ostatnią ramkę w sekwencji logicznej. Frame Status - (8 bitów) zawiera bity ustawiane przez stację docelową, wskazujące rozpoznanie adresu docelowego i skopiowanie ramki.

10. Zarządzanie pierścieniem TR Active Monitor (AM)- stacja, która wygrywa token claiming process (wymiana komunikatów - wybór AM w oparciu o najwyższy adres); zarządza ona funkcjonowaniem pierścienia. Standby Monitor (SM) - pozostałe stacje monitorują obecność błędów, oraz obecność AM, jeśli stacja nie wykryje obecności AM w czasie limitu czasu, rozpoczyna token claiming process, który zadaniem jest wybór nowego AM. Zadania AM: - neighbor notification - proces rozpoznawania adresów tzw. nearest upstream active nighbor (NAUN) odbywający się cyklicznie; - ring recovery - AM odtwarza żeton jeśli ten nie obiegnie pierścienia w ciagu 10 ms, AM kontroluje poprawność żetonu; - ring timing - AM generuje sygnał zegarowy, reguluje przesunięcie fazowe zegara, wprowadza minimalne opóźnienie transmisji (24 bity), - usuwanie ramek wykonujących ponad jeden obieg pierścienia.

11. Proces włączania stacji do pierścienia TR - Lobe test - stacja wysyła sygnał sygnał lobe test do MAU, który wraca do stacji (MAU tworzy pętlę na łączu do stacji, port MAU jest odizolowany od pozostałej części pierścienia); następnie stacja wysyła do MAU ring attach signal, który włącza port do ringu. - Active Monitor check - AM resetuje pierścień, a nowa stacja czeka na potwierdzenie obecności AM, w przeciwnym razie sama zaczyna proces wyboru AM (token claiming); - Duplicate address check - stacja wysyła ramkę ze swoim adresem jako docelowym, jeśli wróci ona bez potwierdzenia odbioru to stacja uznaje, że jej adres jest jednoznaczny, inaczej stacja opuszcza ring. - Neighbor notification - po włączeniu do ringu stacja ogłasza swoją obecność następnemu sąsiadowi i czeka na wiadomość od sąsiada poprzedzającego. - Ring initialization request - stacja może otrzymać dodatkowe para- metry od specjalnego serwera (ring parameter server), dotyczy specyfikacji IBM.

12. Ramki sterujące MAC (wg IEEE 802.5) Beacon (BCN) - ramka wysyłana przez stację w razie wykrycia poważnego błędu w pierścieniu (tzw. beaconing). Claim Token (CTK) - ramka wysyłana przez SM jeśli uzna on, że AM nie funkcjonuje, rozpoczyna proces token claiming. Ring Purge (PRG) - ramka wysyłana przez AM w celu zresetowania całego pierścienia. Active Monitor Present (AMP) - transmitowana przez AM w odstępach ok. 7-15 s, informuje o jego obecności, rozpoczyna proces neighbor notification. Standby Monitor Present (SMP) - jest wysyłana przez SM w ramach procesu neighbor notification. Duplicate Address Test (DAT) - jest wysyłana przez stację dołączającą się do pierścienia, ma na celu wykrycie zduplikowanych adresów.

13. Ring polling - Neighbor notification (1) Stacja A (AM) wysyła broadcast AMP zawierający pola Address Recognized (ARI) i Frame Copied (FCI) ustawione na zero.

14. Ring polling - Neighbor notification (2) Stacja B zapamiętuje A jako swój NAUN, ustawia ARI i FCI na jeden i odsyła ramkę AMP dalej, aż do stacji A (AM), która usuwa ramkę AMP.

15. Ring polling - Neighbor notification (3) 20 ms później stacja B (SM) wysyła ramkę SMP z polami ARI i FCI ustawionymi na zero.

16. Ring polling - Neighbor notification (4) Stacja C zapamiętuje stację B jako swój NAUN, ustawia bity ARI i FCI na jeden i retransmituje ramkę SMP dalej; ramka wraca do stacji B, która ją usuwa.

17. Ring polling - Neighbor notification (5) 20 ms później stacja C (SM) wysyła ramkę SMP z polami ARI i FCI ustawionymi na zero. Stacja D zapamiętuje C jako swój NAUN, ustawia bity ARI i FCI na jeden i retransmituje ramkę; ramkę usuwa stacja C.

18. Ring polling - Neighbor notification (6) 20 ms później stacja D (SM) wysyła ramkę SMP z polami ARI i FCI ustawionymi na zero. Gdy stacja A otrzyma ramkę z polami ARI i FCI równymi zero zapamiętuje D jako swój NAUN. Proces jest zakończony.

19. Okablowanie Token Ring IBM Type 1 - ekranowany kabel 2-parowy 150 , odległość stacja - MAU do 101 m, styk typu A lub IEEE Medium Interface Connectior (MIC), do 260 stacji. IBM Type 2 - ekranowana skrętka 2- lub 4-parowa (STP), zasięg stacja - MAU do 100 m, styk typu A lub MIC, tylko 2 pary w użyciu, do 260 stacji. IBM Type 3 - nieekranowana skrętka (UTP) kategorii 3 i 4 dla transmisji 4 Mbps lub 4 i 5 dla 16 Mbps, styk RJ-11 lub RJ-45, zasięg stacja - MAU do 45 m (rozwiązania firmowe do 3x więcej), nie więcej niż 72 stacje. Pierścień może się składać z max. 33 MAU dla kabli Type 1 i 2, tylko 9 ośmioportowych MAU dla kabli UTP.

20. Dedicated Token Ring / IEEE 802.3r - realizowany w oparciu o przełączniki (TR multiport bridges), - nie jest wymagana obsługa żetonu, - każde łącze stacja przełącznik stanowy osobny pierścień, - transmisja ma charakter full-duplex do 32 Mbps (Tramsmit Immediate Protocol - TXI). High Speed Token Ring / IEEE 802.3t - tryb pracy analogiczny do Dedicated TR, - realizuje transmisje z prędkością 100 Mbps, wkrótce 1 Gbps, - warstwa fizyczna wzorowana na rozwiązaniach Fast Ethernet i Gigabit Ethernet, - wspierany przez firmy IBM, Madge i Olicom.

21. Source-Route Bridging (SRB) Węzeł X wysyła remkę explorer, która jest przenoszona przez wszystkie mosty np. 1 i 2 z dołączeniem informacji o trasie source routing. Gdy ramki dotrze do węzła Y, on odsyła je wykorzystując zakumulowaną informację. Po odebraniu ramek prze węzeł A, wybiera on trasę wg określonych kryte- riów np.: - pierwsza odebrana (najczęściej), - najmniejsza ilość przeskoków, - największa dopuszczalna ramka (MTU), - kombinacje powyższych. Po wybraniu trasy jest ona umieszczana w ramce w polu routing information field (RIF), na jej obecność wskazuje bit routing information indicator RII (msb w adresie nadawcy).

22. Format ramki SRB Type -Specifically routed - trasa podana przez nadawcę -All paths explorer - służy do wykrywania trasy, mosty zapisują numery ringu i mostu -Spanning-tree explorer - j.w., tylko mosty Spanning tree transmitują ramkę Length - długość pola RIF w bajtach (od 2 do 30, przeważnie do 18) D bit - wskazuje kierunek pobierania informacji o trasie z ramki (naprzód od prawej, w tył od lewej) Largest Frame - maksymalna wielkość ramki przenoszonej po danej trasie (jak MTU) Ring Number - 12-bitowy numer pierścienia (musi być unikalny w sieci) Bridge number - 4-bitowy numer mostu w (unikalny w danym pierścieniu)

23. Translational (Mixed Media) Bridging Problemy translacji (mostowania) pomiędzy odmiennymi sieciami: • Incompatible bit ordering - adresy MAC Ethernet little-endian (lsb first), Token Ring big endian (msb first). • Embedded MAC addresses- adresy MAC wewnątrz pola danych np. w protokole ARP. • Incompatible maximum transfer unit (MTU) sizes - różne maksymalne wielkości ramek, mosty odrzucają za duże ramki ponieważ nie wykonują fragmentacji. • Handling of frame-status bit actions - obsługa specjalnych bitów sterujących pozostawiona producentowi. • Handling of exclusive Token Ring functions - pewne funkcje Token Ring są nie znane dla Ethernet (np. priorytety). • Handling of explorer frames - mosty transparentne nie obsługują source routing • Handling of routing information field (RIF) information within Token Ring frames- j.w. • Incompatible spanning-tree algorithms - STA są niekompatybilne (jedno połączenie).

24. Translational (Mixed Media) Bridging

25. Fiber Distributed Data Interface (FDDI) - Opracowany przez ANSI standard X3T9.5 (1982 -1990). - Wykorzystuje architekturę Token Ring. - Topologia podwójnego przeciwbieżnego pierścienia. - Przepływność 100 Mbps. - Wspiera kilka rodzajów mediów fizycznych. - Znalazł szerokie zastosowanie w sieciach MAN (znaczny zasięg). - Skomponowany z czterech modułów: FDDI Media Access Control MAC, FDDI Physical Layer PHY, FDDI Physical Medium Dependent PMD, FDDI Station Management SMT.

26. FDDI - typy mediów fizycznych Multimode MM-PMD - światłowód wielomodowy 62.5/125 m w wiązką 1300 nm, zapas mocy 11 dB, maksymalna strata sygnału 1.5 dB/km, węzły odległe do 2 km. Single-mode SM-PMD - światłowód jednomodowy 10/125 m w wiązką 1300 nm, zapas mocy 10 do 32 dB, odległość między stacjami od 40 do 60 km w zależności od rodzaju nadajnika optycznego. Twisted-Pair TP-PMD - kabel IBM Type 1 lub skrętka UTP kat. 5, zwany także Copper Distributed Data Interface (CDDI), zasięg do 100 m.

27. FDDI - kodowanie sygnałów - Dane są kodowane w module PHY, PHY odbiera dane z MAC przez złącze o szerokości 4 bitów, - Dane są kodowane wg schematu 4B/5B, co zapewnia dobrą synchronizację i dodatkowe kody sterujące. - Następnie słowa kodowe są zamieniane na postać szeregową i przekazywane do modułu PMD. - Stacje synchronizują swój zegar odbieranym sygnałem (PHY). - Transmisja w łączach światłowodowych odbywa się metodą NRZI w tempie 125 MHz (100 Mbps - 4B/5B). - Transmisja w łączach miedzianych obywa się metodą MLT-3. Ten rodzaj kodowania został przejęty przez Fast Ethernet.

28. FDDI - klasy transmisji Moduł MAC określa zasady przechwytywania żetonu i transmisji ramek wg protokołu Token Rotation Protocol. Są zdefiniowane trzy klasy transmisji (2-e synchroniczne i 1-a asynchroniczna): - Synchronous Class 1 - zapewnia gwarantowane pasmo i czas odpowiedzi, - Synchronous Class 2 - zapewnia ograniczony ruch żetonu dla transmisji typu punkt-punkt, - Asynchronous - zapewnia różne poziomy priorytetu. Ruch synchroniczny zajmuje określoną część pasma, pozostała jest wykorzystywana przez ruch asynchroniczny.

29. FDDI - przechwytywanie żetonu - Proces negocjacji (SMT) odbywa się po włączeniu stacji do pierścienia. - Stacje rywalizują, która zainicjalizuje pierścień z określonym priorytetem (każda stacja ogłasza swoje wymagania odnośnie częstości dostępu wg swoich wymagań synchronicznych. - Wygrywa stacja żądająca najkrótszego czasu oczekiwania (czas ten ustala się jako Target Token Rotation Timer). - Stacja ta wysyła żeton, a przy drugim obiegu pozostałe stacje mogą zacząć nadawać. - Gdy stacje synchroniczne przetransmitują swoje dane, stacje asynchroniczne mogą przejąć żeton.

30. FDDI - format ramki Ramka FDDI może mieć maksymalną długość do 4500 bajtów. • Preamble — 64 lub więcej bitów, zawiera symbole typu non-data. • Start Delimiter— 8 bitów, wskazuje początek ramki, zawiera specjalne symbole. • Frame Control— 8 bitów, określa klasę priorytetu, lub czy jest to ramka typu beacon lub token claim, określa rodzaj przenoszonych danych LLC lub SMT. • Destination Address— 16 do 48 bitów, adres stacji nadawczej, analogiczny do Token Ring. • Source Address— 16 do 48 bitów, adres stacji docelowej. • Data— 0 do 4472 bajtów, zawiera dane wyższych protokołów (LLC), lub komunikaty sterujące (SMT). • Frame Check Sequence (FCS)— 32 bity, suma kontolna cyclic redundancy check • End Delimiter— 8 bitów, oznacza koniec ramki, zawiera specjalne symbole. • Frame Status— 4 do 8 bitów, pozwala stacji docelowej zaznaczyć czy ramka została rozpoznana i skopiowana, czy wystąpił błąd.

31. Topologia FDDI - podwójny przeciwbieżny pierścień Dwa pierścienie tworzą strukturę odporną na awarie - fault tolerant. Pierścień primary służy do normalnej transmisji. Pierścień secondary pozostaje w rezerwie na wypadek awarii.

32. Typy urządzeń FDDI: - Stacje DAS - Dual Attachment Stations - wpięte do obu pieścieni. - Koncentratory DAC - Dual Attachment Concentrators - j.w., służą do dołączania dodatkowych urządzeń bez przerywania głównego pierścienia. - Stacje SAS - Single Attachment Stations - mogą być dołączane do jednego pierścienia za pośrednictwem koncentratora. - Koncentratory SAC - Single Attachment Concentrators - służą do kaskadowego dołączania SAS.

33. FDDI - odporność na awarie (ring wrapping) Odtwarzanie ciągłości pierścienia w wypadku awarii stacji lub przerwania kabla

34. FDDI - odporność na awarie (optical bypass) Działanie optycznej zwrotnicy odcinającej nieczynną stację od pierścienia

35. FDDI - odporność na awarie (dual homing) Najważniejsze węzły mogą być dołączane do pierścienia w dwóch punktach. Tylko jedno łącze normalnie pracuje - drugie pozostaje w rezerwie.