Виды сетей передачи данных

Нижегородский Государственный Технический Университет им. Р.Е.
Алексеева
Кафедра «Вычислительные Системы и Технологии»
Отчёт по лабораторной работе №2
по дисциплине «Сети ЭВМ»
«Виды сетей передачи данных»
Выполнил студент группы 10-В-1:
Сидоренко О.О.
Проверил:
Гай В.Е.
г. Нижний Новгород
2013 г.
1. Цель работы
изучить сеть передачи данных.
2. Описание технологии Token Ring (IEEE 802.5)
Сети стандарта Token Ring используют разделяемую среду передачи данных, которая
состоит из отрезков кабеля, соединяющих все станции сети в кольцо. Кольцо
рассматривается как общий разделяемый ресурс, и для доступа к нему используется
детерминированный алгоритм, основанный на передаче станциями права на
использование кольца в определенном порядке. Право на использование кольца
передается с помощью кадра специального формата, называемого маркером или
токеном.
От других сетей ее отличает не только кабельная система, но и использование доступа с
передачей маркера. Кроме того, она работают с двумя битовыми скоростями - 4 Мб/с и 16
Мб/с. Первая скорость определена в стандарте 802.5, а вторая является новым
стандартом де-факто, появившимся в результате развития технологии Token Ring.
Смешение станций, работающих на различных скоростях, в одном кольце не допускается.
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 активного монитора. Активный
монитор выбирается во время инициализации кольца как станция с максимальным
значением МАС-адреса, Если активный монитор выходит из строя, процедура
2
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.
2.1 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.
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.
3
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 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,
4
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 Формат кадра
Кадр Тoken Ring имеет следующий вид:
Поле кадра
Преамбула
Управление доступом
Управление кадром
Адрес места назначения
Адрес отправителя
Данные
CRC
Флаг конца
Состояние кадра
Описание
Сигнализирует о начале кадра
Указывает на приоритет кадра и на то,
что передается, кадр маркера или кадр
данных
Содержит информацию Управления
доступом к среде - для всех
компьютеров или информацию конечной
станции- только для одного компьютера
Адрес компьютера-получателя
Адрес компьютера-отправителя
Передаваемая информация
(Циклический избыточный код) - поле
информации для проверки ошибок
Сигнализирует о конце кадра
Сообщает, был ли распознан и
скопирован кадр (доступен ли адрес
приемника)
В Token Ring существует три различных формата кадров:
маpкеp;
кадp данных;
пpеpывающая последовательность.
5
2.2.1 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 другой 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 маркер(и кадр данных) имеет приоритет, устанавливаемый тремя битами
приоритета (0- 7, 7 - наивысший). 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 показана на рисунке:
Сначала монитор помещает в поле текущего приоритета P максимальное значение
приоритета, а поле резервного приоритета R обнуляется (маркер 7110). Маркер проходит
6
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 данные, 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.
2.2.2 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 MACуровня), 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.
o Чтобы удостовериться, что ее адрес уникальный, станция посылает кадр
"Тест дублирования адреса", когда впервые присоединяется к кольцу.
o Чтобы сообщить другим станциям, что он еще жив, активный монитор
запускает кадр "Активный монитор существует" так часто, как только может.
o Кадр "Существует резервный монитор" отправляется любой станцией, не
являющейся активным монитором.
o Резервный монитор отправляет "Маркеры заявки", когда подозревает, что
активный монитор отказал. Резервные мониторы затем договариваются
между собой, какой из них станет новым активным монитором.
7
o 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.
o 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:
o Начальный ограничитель, такой же, как и для маркера;
o Управление доступом, также совпадает для кадров и для маркеров;
o 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)
Адрес отправителя (либо 2, либо 6 байтов)
Поле данных кадра может содержать данные одного из описанных управляющих
кадров MAC или запись пользовательских данных (предназначенных для
протокола более высокого уровня, такого как IPX или NetBIOS).
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.
Последовательность конца кадра состоит из двух полей: конечный ограничитель
и статус кадра.
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.
Статус кадра имеет длину 1 байт и содержит 4 резервных бита и два подполя: бит
распознавания адреса и бит копирования кадра.
2.2.3 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.
2.3 Распознавание компьютера
Стандарт Token Ring фирмы IBM изначально предусматривал построение связей в сети с
помощью концентраторов. Концентратор, имеет несколько названий, например: MAU
8
[Multistation Access Unit (модуль множественного доступа)]; MSAU (Multistation Access
Unit); SMAU [Smart Multistation Access Unit (интеллектуальный модуль множественного
доступа)]. Сеть Token Ring может включать до 260 узлов. Использование концентраторов
приводит к тому, что сети Token Ring имеют физическую топологию звезда, а
логическую — кольцо.
После появления в сети нового компьютера система Token Ring инициализирует его
таким образом, чтобы он стал частью кольца. Этот процесс включает проверку
уникальности адреса; уведомление всех узлов сети о появлении нового узла. Кабели
соединяют клиенты и серверы с MSAU, который работает по принципу других пассивных
концентраторов. При подсоединении компьютера он включается в кольцо.
2.4 Встроенная отказоустойчивость
В "чистой" сети с передачей маркера вышедший из строя компьютер останавливает
движение маркера, что, в свою очередь, останавливает работу всей сети. MSAU
разработаны таким образом, чтобы обнаруживать вышедшую из строя плату сетевого
адаптера и вовремя отключать ее. Эта процедура позволяет "обойти" отказавший
компьютер, поэтому маркер продолжает свое движение по сети.
3. Блок-схема работы
Приведем упрощенную блок-схему алгоритма работы адаптера Token Ring. Здесь не
учитываются особенности регистрации машины в кольце и возможности приоритетной
работы.
9
Начало
Сброс счетчиков
времени
1
нет
да
2
инициализация ?
Отправить кадр CT
да
Есть кадр
для приема ?
нет
отправить
маркер, если
время захвата
истекло
1
станция
владеет маркером ?
нет
да
2
да
нет
Это
активный монитор и
время оборота маркера
истекло
да
1
Это маркер ?
Сбросить счетчик времени
оборота маркера
Станция уже
владеет маркером ?
время
ответа монитора
истекло
да
Это CT ?
да
Сбросить маркер
нет
нет
1
нет
да
MAC
источника наш ?
MAC
источника наш ?
нет
стать монитором,
отправить новый маркер
да
MAC
источника меньше
нашего ?
Заменить в кадре
MAС источника на
наш
нет
Проанализировать флаги
ошибки и доставки,
сбросить пакет, отправить
маркер в случае захвата
1
да
сбросить счетчик времени
ответа монитора ,
ретранслировать кадр
дальше
нет
1
да
Скопировать кадр в буфер,
проанализировать FCS,
установить флаг доставки и
(если ошибка) флаг ошибки
Адрес
приемника наш ?
нет
1
осн.
приоритет не
меньше приоритета станции
да
Это AMP ?
Передать кадр
дальше по кольцу
1
передать маркер
дальше
да
нет
1
Есть данные
для передачи ?
Это
активный монитор и
истек срок отправки
AMP
нет
Захватить маркер, сбросить
счетчик времени захвата
маркера, начать передачу.
да
Отправить AMP
1
Ретранслировать
кадр дальше
1
Здесь:


FCS – Frame Check Sequence – контрольная сумма пакета;
CT – Claim Token – пакет, используемый при выборах активного монитора;
10

AMP – Active Monitor Present – пакет, периодически отправляемый активным
монитором для уведомления о его работоспособности и присутствии в кольце.
4. Технические характеристики
Технология Token Ring позволяет использовать для соединения конечных станций и
концентраторов различные типы кабеля: STP типа 1, UTP типа 3, UTP типа 6, а также
волоконно-оптический кабель. При использовании экранированной витой пары STP
типа 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
концентраторами может достигать 100 м при использовании кабеля STP типа 1 и 45 м при
использовании кабеля UTP типа 3. Между активными концентраторами максимальное
расстояние увеличивается соответственно до 730 или 365 м в зависимости от типа
кабеля.
Так, если кольцо состоит из 260 станций, то при времени удержания токена в 10 мс токен
вернется в активный монитор в худшем случае через 2,6 с, а это время как раз
составляет тайм-аут контроля оборота токена. В принципе, все значения тайм-аутов в
сетевых адаптерах узлов сети Token Ring можно настраивать, поэтому можно построить
сеть Token Ring с б ольшим количеством станций и с б ольшей длиной кольца.
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.
Выводы






Технология Token Ring развивается в основном компанией IBM и имеет также
статус стандарта IEEE 802.5, который отражает наиболее важные
усовершенствования, вносимые в технологию IBM.
В сетях Token Ring используется маркерный метод доступа, который гарантирует
каждой станции получение доступа к разделяемому кольцу в течение времени
оборота маркера.
Сети Token Ring работают на двух скоростях: 4 и 16 Мбит/с и могут использовать в
качестве физической среды экранированную витую пару, неэкранированную витую
пару, а также волоконно-оптический кабель. Максимальное количество станций в
кольце - 260, а максимальная длина кольца - 4 км.
Технология Token Ring обладает элементами отказоустойчивости. При
некорректной работе кольца запускается процедура его повторной инициализации.
Максимальный размер поля данных кадра Token Ring зависит от скорости работы
кольца. Для скорости 4 Мбит/с он равен около 5Кбайт, а при скорости 16 Мбит/с около 16 Кбайт.
Сеть Token Ring может строиться на основе нескольких колец, разделенных
мостами, маршрутизирующими кадры по принципу «от источника», для чего в кадр
Token Ring добавляется специальное поле с маршрутом прохождения колец.
11