Сети с маркерным методом доступа (стандарт IEEE
Стандарт IEEE802.4 определяет подуровень управления доступом к передающей среде канального уровня и физический уровень локальных компьютерных сетей шинной топологии. Доступ осуществляется с помощью кадра маркера определенного формата. Передача маркера происходит от одной станции к другой в порядке убывания их логических адресов. Станция с наименьшим адресом циклически передает кадр маркера станции с наибольшим адресом, тем самым, замыкая логическое кольцо передачи маркёра. Станция, которая получает маркер от другой станции, относительно нее называется преемником. Соответственно, станция, от которой поступает маркер, называется предшественником. Так для станции Ст2 (рис. 14) предшественником является станция Ст3, а преемником — станция Ст1.
| Ст4 |
 |
|||
 |
Рис. 14. Организация логического кольца в шине с маркерным доступом
Последовательность расположения станций в логическом кольце не обязательно должна соответствовать последовательности их физического размещения на шине. Более того, некоторые станции могут быть вообще не включены в логическое кольцо. Основное различие между ними заключается в том, что станция, не входящая в логическое кольцо, не получает кадр маркера и, соответственно, она не может передавать кадры данных. Такая станция считается пассивной и может только принимать адресованные ей кадры данных. Протоколом функционирования сети предусмотрена возможность включения пассивных станций в логическое кольцо, после чего они получают право передавать кадры данных. Управление сетью, в том числе и реконфигурация логического кольца, осуществляется децентрализованным способом. В каждый момент времени функции управления берет на себя станция, владеющая маркером. В том числе она осуществляет:
• генерацию (реконфигурацию) логического кольца;
• контроль за передачей маркера;
• изменение параметров управляющих алгоритмов;
Наиболее распространенной среди кольцевых локальных сетей с маркерным методом доступа является сеть Token Ring. Фирма IBM провела большую работу по стандартизации сети Token Ring, в результате чего она была принята сначала в качестве стандарта IEEE 802.5, а затем и международного стандарта ISO/DIS 8802/5. В настоящее время используются сети со скоростью 16 Мбит/с. и более. Наряду с более высокой скоростью передачи в этих сетях используются кадры длиной 18000 байт, что в четыре раза больше стандартной длины.
Сеть Token Ring является кольцевой по способу организации передающей среды, но ни в коей мере по своей топологии, которая может быть достаточно сложной и больше напоминает звездообразную структуру, чем кольцевую. Внешне ее бывает трудно отличить от таких сетей, как Ethernet, Arcnet и им подобных. Два момента определяют отличие от IEEE 802.4 — это передача кадров только в одном направлении и полный цикл вращения кадра данных. Сравнивая маркерный метод доступа в сетях с шинной и кольцевой топологией, необходимо отметить два основных отличия. Во-первых, в кольцевых сетях кадры данных, как и кадр маркера, передаются в одном направлении по кольцу независимо от месторасположения станций. Во-вторых, протокол IEEE 802.5 предусматривает полный цикл вращения кадра данных, то есть кадр должен возвращаться его отправителю. При этом получатель дополняет кадр информацией о результате его приема. Только после этого маркер "освобождается" и передается дальше по кольцу.
Стандартом определено три типа кадров, это:
• кадр данных;
• кадр маркера;
• кадр прерывания.
По принципу построения кадр данных (рис. 19 ) стандарта IEЕЕ 802.5 аналогичен кадру данных стандарта IEEE 802.4. Различие заключается в отсутствии преамбулы и наличии полей управления доступом к передающей среде (УД) и состояния кадра (СК).
| Байты | 1 | 1 | 1 | 2(6) | 2(6) | n | 4 | 1 | 1 | ||||||||||
| НО | УД | УК | АП | АО | Данные | КПК | КО | СК | |||||||||||
| РРР ТМ RRR |
• прием и обработку запросов на подключение пассивных станций к логическому кольцу.
Для передачи данных и управления сетью определены кадры: данных, управления и прерывания. Кадры данных и управления имеют одинаковую структуру (рис. 15) и различаются между собой только содержимым поля управления кадром, а также полем данных.
|
Число байт |
Вид |
Значение поля |
|
1 |
10101010 |
Преамбула |
|
1 |
10101011 |
Начальный ограничитель |
|
1 |
УК z z z z z z |
Управление |
|
2 или 6 |
Адрес получателя |
|
|
2 или 6 |
Адрес отправителя |
|
|
2 |
Длина блока данных |
|
|
0-1318 |
Данные |
|
|
0-312 |
Заполнитель |
|
|
4 |
Контрольная последовательность |
|
|
1 |
Конечный ограничитель |
где: УК - указатель кадра; z - бит типа кадра;
Каждому кадру предшествует преамбула, включающая от одного до нескольких символов заполнителей в зависимости от скорости передачи и применяемого метода модуляции сигналов. За преамбулой следует начальный ограничитель кадра длиной в один байт. Следующий за ним байт содержит управляющую информацию, с помощью которой определяется тип кадра. За полем управления кадром следуют двух или шести байтные поля адресов получателя, и отправителя информации. Последующее за ним поле Данных содержит информацию, поступающую с подуровня управления логическим каналом, либо формируемую диспетчером. Максимальное его значение 1318 байт. Под значение контрольной последовательности кадра отведены следующие четыре байта. Кадр завершается однобайтовым полем конечного ограничителя.
Два младших разряда поля управления кадром указывают на тип кадра:
Кроме того, существует семь типов управляющих кадров, которые кодируются (см. табл. 2) с помощью четырех старших разрядов поля управления кадром.
Таблица 2
Коды четырех старших разрядов поля управление кадром
|
№ |
Кодирование поля |
Тип кадра |
|
1 |
00000000 |
Заявка маркера |
|
2 |
00000001 |
Запрос преемника 1 |
|
3 |
00000010 |
Запрос преемника 2 |
|
4 |
00000011 |
Кто следующий? |
|
5 |
00000100 |
Разрешение соперничества |
|
6 |
00001000 |
Кадр маркера |
|
7 |
00001100 |
Установить преемника |
Кадр " Заявка маркера" используется для восстановления маркера в случае его потери, содержит поле данных равное 0, 2, 4 или 6 интервалам ответа, обязательно кратным байту. Кадры "Запрос преемника 1" и "Запрос преемника 2" используются для включения новой станции в логическое кольцо. Кадр "Кто следующий?" используется для обхода очередной станции в случае, если она не передает данные или маркер, т.е. молчит. За кадром должно следовать три окна ответа, в которые помещают свои адреса ближайшие станции, желающие подключиться к логическому кольцу. Кадр "Разрешение соперничества" предоставляет станции возможность подключиться к логическому кольцу. С этой целью после данного кадра размещается четыре окна ответа.
Среди управляющих кадров особое место занимает "Кадр маркера", с помощью которого регулируется доступ к передающей среде. Кадр маркера (рис. 16) имеет укороченный формат, в нем отсутствует поле данных. Последним в табл. 2 находится кадр "Установить преемника", который совместно с кадром "Запрос преемника" управляет подключением станций к логическому кольцу.
|
Преамбула |
НО |
00001000 |
Адрес получателя |
Адрес отправителя |
КПК |
КО |
где: НО - начальный ограничитель; КПК - контрольная последовательность кадра; УК - указатель кадра; z - бит типа кадра; КО - конечный ограничитель. Старшие разряды поля управления кадра "Данные подуровня управления логическим звеном" также несут определенную смысловую нагрузку.
Конечный ограничитель кроме указания конца кадра несет дополнительную смысловую нагрузку. Единицы в 3, 6 и 7 разрядах указывают, что кадр является промежуточным и передача информации будет продолжена. Нулевое значение этих разрядов указывает на последний передаваемый кадр. Единица в 8 разряде конечного ограничителя указывает на наличие ошибки в данном кадре, а 0 — на ее отсутствие.
Самым коротким среди кадров является кадр "Прерывание", состоящий только из начального и конечного ограничителей.
Данный кадр выдается станцией, которая желает прервать передачу кадра. Прерывание осуществляется после передачи очередного байта текущего кадра.
Рассмотрим случай, когда четыре станции (Ст1 — Ст4) одновременно находятся в состоянии "Заявка маркера". Допустим, что эти станции различаются по первым четырем битам своего адреса, значение которых приведено в табл. 3
Таблица 3
Значения четырех старших разрядов адреса
|
Станция |
Разряды адреса l 2 3 4 |
|||
|
Ст1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
|
Ст2 |
1 |
0 |
0 |
1 |
|
Ст3 |
1 |
0 |
1 |
0 |
|
Ст4 |
1 |
0 |
1 |
1 |
Инициализация маркера начинается (рис. 17) с передачи станциями кадров "Заявка маркера". Завершив передачу кадра, каждая из станций после одного окна, ответа прослушивает передающую среду. Так, станция Ст1 в момент времени Т1 заканчивает передачу кадра, а в момент времени Т2, начинает прослушивать моноканал.. В этот момент времени станции Ст2, Ст3 и Ст4 продолжают; передачу кадров "Заявка маркера". Присутствие сигналов в передающей среде говорит станции Ст1 о том, что какая-то одна или несколько станции с большим номером пытаются заявить маркер. В нашем случае таких станций три. В результате этого станция Ст1 переходит в состояние "Дежурное". Одновременно закончив, передачу, кадра, станции Ст2, Ст3 и Ст4 в момент времени Т4 прослушивают моноканал, отсутствие сигналов в нем создает у каждой из станций впечатление, что она единственная заявляет маркер. Для исключения подобной ситуации станции Ст2, Ст3 и Ст4 повторяют передачу кадров "Заявка маркера", длина которых определяется на основании следующих двух разрядов адреса
Рис. 17. Начальный этап инициализации маркера
Если после выборки двух последних бит адреса наблюдается отсутствие передачи, то данная станция выиграла процесс инициализации маркера.
Таким образом, маркер оказывается у станции с максимальным адресом, в нашем случае это станция Ст4.
При отсутствии логического кольца станция Ст4 начинает формировать его, используя для этого процедуру контролируемого соперничества станций, называемую "(окно ответа". С этой целью она передает кадр "Разрешение соперничества", за которым следует четыре окна ответа (рис. 18). Станции (Ст1, Ст2, Ст3), желающие подключиться к логическому кольцу, выбирают в соответствии со значениями первых двух разрядов своего адреса одно из окон ответа и, при свободном предыдущем окне ответа, начинают передачу кадра "Установить приемника". В поле адреса получателя этого кадра указывается адрес станции, пославшей кадр "Разрешение соперничества", а в поле данных станция помещает свой собственный адрес. С помощью этой информации станция, инициирующая логическое кольцо, определяет своего преемника. Обнаружив столкновение кадров, станция Ст4 повторно выдает кадр "Разрешение соперничества", предоставляя станциям Ст2 и Ст3 разрешить между собой конфликтную ситуацию. В этом случае используются следующие два разряда адреса, значение которых больше у станции Ст3. На основании этого станция Ст3 без помех передает кадр "Установить преемника", подключаясь вслед за станцией Ст4 к логическому кольцу. Процесс повторяется до подключения всех желающих станций.
Рис. 18. Начальный этап формирования логического кольца
После завершения процедуры формирования: логического кольца, станция с максимальным адресом переходит в состояние "Использование маркера" и начинает передачу кадров данных. По окончании передачи передает кадр маркера следующей станции.
В процессе работы компьютерной сети может динамически меняться ее логическое) кольцо, то есть станции могут как отключаться, так и подключаться к ней.
В качестве дополнительных (факультативных) возможностей обеспечивается механизм приоритетного доступа к передающей среде. Определено четыре класса обслуживания с номерами 6, 4, 2, 0 и приоритетом в порядке убывания номера класса. Определяющими являются следующие величины:
• ТНТ — время удержания маркера, определяющее максимальное время, которое станция может удерживать маркер при передаче кадров класса 6. Этот класс обеспечивает абсолютный приоритет, позволяя передавать кадры данных с минимально возможной задержкой, поэтому он получил название класса синхронных данных;
• TRTn — заданное для класса n время вращения маркера, где п=0,2,4. Определяет максимальное время, за которое должен быть получен маркер для передачи данных класса n;
• TTRT — реальное время вращения маркера, определяемое по специальному таймеру, отслеживающему интервал между двумя приходами маркера.
Нормальное функционирование протоколов канального уровня обеспечивается определённым перечнем услуг, предоставляемых физическим уровнем. Перечень и функциональное назначение этих услуг во многом подобны перечню и назначению услуг физического уровня стандарта IEЕЕ 802.3. Одно из отличий заключается в использовании 75-ом-ного кабеля вместо 50-омного кабеля. Далее, протокол IEEE 802.4 допускает использование трех методов модуляции сигналов:
1. фазонепрерывная модуляция сдвигом частоты, при которой изменение частоты сигнала осуществляется непрерывно при переходе с одной частоты на другую;
2. фазокогерентная Модуляция сдвигом частоты, в этом случае переход с одной частоты сигнала на другую осуществляется при пересечении нулевого уровня сигналом несущей;
3. многоуровневая двубинарная амплитудно-фазовая модуляция, является разновидностью амплитудно-фазовой, модуляции с более чем двумя уровнями амплитуд.
В зависимости от используемых сетевых средств может быть реализована различная топология сети: линейная, звездообразная или древовидная. Наиболее известной среди сетей данного типа является сеть ARCNET фирмы Datapoint с явно выраженной звездообразной топологией. Основной областью применения сетей стандарта IEEE 802.4 является сфера производственных сетей, предъявляющая жесткие требования к сетевому трафику. Хотя на данный момент это уже отживший стандарт, практически нигде не применяемый и не используемый.
Рис. 19 Структура кадра стандарта IEEE 802.5,
где: НО - начальный ограничитель;
УД - управление доступом;
Р - бит приоритета кадра;
Т - бит маркера;
М - бит монитора;
R - бит резервирования приоритета;
УК - указатель кадра; АП - адрес получателя;
АО - адрес отправителя;
КПК – контрольная последовательность кадра;
КО - конечный ограничитель; СК - состояние кадра.
Начальный ограничитель служит для указания начала кадра и представляет собой следующую комбинацию бит JKOJKOOO, где J и К — символы "не данные". Для представления данных используется манчестерское кодирование, характерной особенностью которого является то, что в середине временного интервала каждого разряда осуществляется изменение уровня сигнала на противоположное. Отсутствие этого изменения говорит о том, что символ не принадлежит манчестерскому коду и не может встретиться ни в какой последовательности данных. В начальный и конечный ограничитель специально вводятся символы, не соответствующие манчестерскому кодированию, которые поэтому и называются "не данные". При передаче разряда J или К полярность сигнала не меняется в течение всей его длительности. Попарная передача сигналов J. и К используется для устранения длительной передачи сигналов, одной полярности.
В сети используется приоритетный метод доступа, для организации которого введено поле управления доступом (см. рис. 19). Три бита (РРР) этого поля определяют текущий приоритет кадр и могут принимать значения от. 111 до 000, причем значение 111 соответствует высшему, значение 000 — низшему приоритету.
Бит Т называется битом маркера и позволяет отличить кадр маркера от кадра данных. Значение бита Т равное нулю указывает на кадр маркера, а его единичное значение— на кадр данных.
Бит М называется битом монитора и служит для предотвращения постоянной циркуляции кадра данных или маркера по кольцу.
При формировании кадра биту М присваивается значение 0. Когда кадр проходит через управляющую (мониторную) подсистему, нулевое значение бита М меняется на 1. При повторном прохождении кадра или кадра маркера с нулевым приоритетом через мониторную подсистему, о чем свидетельствует Т=1, этот кадр удаляется из кольца.
Биты резервирования приоритета (RRR) используются с целью предварительного запроса станцией требуемого приоритета.
Поле указателя кадра определяет тип кадра данных, а также его функции.
Следующие два поля имеют одинаковую структуру и используются для задания адресов получателя и отправителя, которые могут состоять из двух или шести байт каждый. Стандартом предусмотрена иерархическая организация адресов, форматы которых;
представлены на рис. 20.
Первый разряд (И/Г) первого байта адреса содержит признак способа адресации: индивидуальный (И/Г = 0) или групповой (И/Г = 1). В первом случае адресуется один логический объект или станция, во втором — несколько логических объектов или станций. Сам же адрес состоит из номера кольца и адреса станции внутри его. В случае многокольцевой топологии это позволяет существенно упростить процесс адресации объектов других колец. В 48 разрядный адрес (рис. 20) дополнительно вводится разряд указателя (У/Л) способа назначения адресов. Значение У/Л = 0 определяет универсальный способ назначения адресов. При У/Л = 1 назначение адресов осуществляется локальным образом в рамках каждой подсети.
|
И/Г |
Номер кольца |
Адрес станции |
|
|
Число бит |
1 |
7 |
8 |
|
И/Г |
У/Л |
Номер кольца |
Адрес станции |
|
|
Число бит |
1 |
1 |
14 |
32 |
Рис. 20 Структура поля адреса получателя
Поле данных может иметь любую длину, кратную байту с учетом ограничения на время вращения маркера. Формат поля данных зависит от типа кадра. Для кадров управления логическим каналом структура этого поля определяется стандартом IEЕЕ 802.2.
Поле контрольной последовательности кадра содержит остаток, полученный в результате деления содержимого кадра на образующий полином.
Конечный ограничитель имеет следующую структуру: JK1JK1IE, где: I — разряд признака промежуточного кадра; Е — разряд признака ошибки. Значение разряда I равное единице указывает, что кадр является первым или промежуточным в последовательности кадров. Нулевое значение разряда указывает, что данный кадр единственный или последний в последовательности кадров. Разряд Е используется для индикации ошибки.
Поле состояния кадра (СК) имеет вид АСrrАСrr, где А — бит опознавания адреса; С — индикация копирования кадра; r — резервные разряды. Значение разряда А устанавливается в единицу станцией, опознавшей в кадре свой собственный адрес.
Функционирование сети обеспечивается с помощью управляющих кадров и рассматривается как выполнение ряда взаимосвязанных процессов. Управление работой сети осуществляется централизованным способом с помощью так называемого активного монитора, являющегося главным менеджером связи в кольце. Следует заметить, что активным монитором может быть любая, но в каждый, конкретный момент только одна станция. Активный монитор отвечает за передачу управляющей информации и данных всеми станциями кольца. В том числе он отвечает за поддержку главного тактового генератора, осуществляет требуемую задержку передачи, следит за; потерянными кадрами и маркером. Однако активный монитор не берет на себя абсолютно все функции управления кольцом, часть их выполняется другими станциями сети, которые в этом случае называются пассивными мониторами.
Наряду с процессом передачи данных в сети предусмотрен ряд управляющих процессов. С помощью этих процессов обеспечивается контроль и управление функционированием сети. Сюда относятся такие процессы как: очистка кольца; определение соседних станций; подключение новых станций; соревнование за право быть активным монитором; управление кадрами и маркером; сигнализация о неисправностях.
В качестве дополнительных (факультативных) возможностей обеспечивается механизм приоритетного доступа к передающей среде. Определено четыре класса обслуживания с номерами 6, 4, 2, 0 и приоритетом в порядке убывания номера класса.
Возможность передачи кадров данных определяется с помощью следующих величин:
• ТНТ — время удержания маркера;
• TRTn — заданное для класса n время вращения маркера;
• TRT — реальное время вращения маркера.
Подключение станции к передающей среде осуществляется с помощью кабеля сопряжения со средой и специального блока подключения к среде. Кабель сопряжения со средой представляет собой две витых пары проводников, одна из которых служит для передачи, а вторая — для приема, данных. Категория используемого кабеля может быть различной, что в основном влияет на его длину. Со стороны блока подключения используется нормально замкнутый разъем данных IBM. При рассоединении этого разъема контакты его ответной части замыкают соответствующие линии магистрального канала (рис. 21а), а в случае подключения кабеля сопряжения магистральный канал коммутируется на принимающую и передающую пары проводников (рис 21б). Со стороны сетевого адаптера может использоваться штекерный разъем типа DB9 или телефонный разъем RJ45.
а) режим ретрансляции
б) режим связи со станцией
Рис. 21. Режимы работы блока подключения
Как правило, активные и пассивные многостанционные устройства размещаются в одной или нескольких стойках кабельных соединений, к которым и подключаются сетевые станции. В этом случае топология сети приобретает явно выраженный звездообразный характер.
