Token Ring
Abk. TR , auch als Token Ring Network ( TRNW ) bezeichnet. Ursprünglich von IBM in den 70er-Jahren entwickelte und favorisierte Technologie für lokale Rechnernetze der Klasse LAN ( Local Area Network ) in physikalischer und logischer Ringtopologie, basierend auf dem Zugriffsverfahren Token Passing . Auf diese Technologie geht auch der offene Netzstandard IEEE 802 .5 von 1992 des IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) zurück. Beide Standards weisen ein sehr hohes Maß an Übereinstimmung auf. Die wichtigste Gemeinsamkeit ergibt sich aus der Verwendung eines umlaufenden Berechtigungssymbols, des so genannten Token , als Mechanismus für das Verwalten des Zugriffsrechts auf das gemeinsame Übertragungsmedium (Shared Medium). Das Token wird von Datenstation (Ringstation) zu Datenstation (Ringstation) weitergereicht. Nur die jeweils im Besitz des Tokens befindliche Station darf über das Übertragungsmedium senden. Lediglich die bei IBM festgelegte Struktur mit einer sternförmigen Verdrahtungstopologie (Installationstopologie) um ein als Multistation Access Unit ( MSAU ) bezeichnetes Gerät weicht von der Festlegung in IEEE 802 .5 ab. Dort wird keine bestimmte Verdrahtungstopologie spezifiziert. Dennoch werden die weitaus meisten Netzwerke auf der Grundlage von IEEE 802 .5 mit einer sternförmigen Installation realisiert.
Der dem Token Passing zugrunde liegende logische Ring des umlaufenden Token wird – wie auch beim Token Bus nach IEEE 802 .4 – mithilfe der Zuordnung einer logischen Adresse für die Datenstationen realisiert. Das bedeutet, dass die logische Nachbarstation in einem Token-Ring-LAN nicht zwingend auch die physikalisch nächste sein muss. Das Zugriffsrecht an dem Übertragungsmedium wird mit dem bereits erwähnten Token gesteuert, das in einer festgelegten Umlaufrichtung den Ring passiert (unidirektionaler Ring). Das Token darf in jedem Netzsegment nur einmal existieren. Es darf jeweils nur eine Station über das Token verfügen, um Kollisionen von Token und Übertragungen zu vermeiden. Diese Station kann nach dem Empfang des Tokens sofort mit der Datenübertragung beginnen. Gibt es gerade keine Daten zu übermitteln, reicht die Station das Token unmittelbar an ihre nächste logische Nachbarstation weiter. Damit steht den verbleibenden übertragungswilligen Stationen die gesamte Ü bertragungsbandbreite zur Verfügung.
Jede Datenstation darf das Token nur für eine festgelegte Zeit nutzen und muss es anschließend weitergeben. Dieses Zugriffsverfahren wird als deterministisch bezeichnet, weil anders als beim CSMA/CD ( IEEE 802 .3) das Zugriffsrecht eindeutig bestimmt zugeordnet wird. Darüber hinaus ist das Verhalten des Netzes bei unterschiedlichen Umgebungsbedingungen präzise beschreibbar und die maximale Umlaufzeit des Tokens lässt sich rechnerisch bestimmen. Sie ist für das Verhalten des gesamten Netzes von ausschlaggebender Bedeutung.
Die Abwicklung einer Datenübertragung geht folgendermaßen vonstatten: Beim Eintreffen des Tokens wird von der Datenstation ein interner Zeitgeber gestartet. Er legt das Intervall (Zeitfenster) fest, in dem die Station eine Übertragung durchführen darf. Die Station setzt im Token eine festgelegte Bitposition, wodurch das Token in eine „Start-of-Frame-Sequenz“ umgewandelt wird. An sie wird das eigentliche Datenpaket angehängt. Während der Übertragung der Daten befindet sich kein Token im Ring. Der Datenübertragungsrahmen ( Frame ) wird in der Reihenfolge der logischen Adressen von Station zu Station übertragen. Erkennt eine der Stationen ihre Adresse , kopiert sie das Datenpaket und übergibt es ihrer lokalen Applikation bzw. einer Routine der Schicht , die die einzelnen Pakete wieder zur Ausgangsinformation zusammensetzt.
Anschließend sendet die adressierte Empfangsstation den Datenübertragungsrahmen ihrer in Umlaufrichtung liegenden Nachbarstation. Die „staffelförmige“ Weitergabe an die jeweilige Nachbarstation wird so lange fortgeführt, bis der Ü bertragungsrahmen die ursprüngliche Sendestation wieder erreicht hat. Diese nimmt den Rahmen vom Ring und kann anhand eines vom Empfänger gesetzten Eintrags im Header feststellen, ob die adressierte Empfangsstation die Daten auch erhalten und übernommen hat. Ist das Zeitfenster noch offen (d.h. die Zuteilungszeit für das Token noch nicht abgelaufen), sendet die ursprüngliche Sendestation bei Bedarf den nächsten Datenübertragungsrahmen . Stehen keine weiteren Daten zur Übertragung an, oder ist die Zuteilungszeit zu Ende, schickt die Station ein neu generiertes Token an ihre nächste logische Nachbarstation und der Zugriffsprozess kann erneut ablaufen.
Ein wichtiger Mechanismus ist die Behebung von Störungen im Ring, wie beispielsweise der Verlust des Tokens oder das Entfernen von (verwaisten) Datenübertragungsrahmen , deren Sendestation aus irgend einem Grund nicht mehr im Netz aktiv ist, sowie das Erkennen einer Unterbrechung im Ring. Mechanismen dieser Art sind von essentieller Bedeutung für den robusten Betrieb und die hohe Verfügbarkeit des Netzes.
Obwohl jede Datenstation in einem IEEE-802 .5-Netz über einen Monitor zur Störungserkennung verfügt, wird er in jedem Token Ring nur jeweils in einer beliebigen Station aktiviert. Diese Monitorstation setzt zur Erkennung verwaister Sendungen bei jedem durchlaufenden Datenübertragungsrahmen das so genannte Monitorbit von binär „0“ auf „1“. Empfängt die Monitorstation nun einen Ü bertragungsrahmen mit dem Monitorbit „1“, muss der Rahmen bereits einmal den Ring und damit auch die Monitorstation passiert haben. Somit lässt sich der Ü bertragungsrahmen eindeutig als verwaist betrachten, weil er ansonsten von der ursprünglichen Sendestation vom Ring genommen worden wäre. Diese Aufgabe übernimmt nun stattdessen die Monitorstation.
Zur Erfassung verloren gegangener Token ist die Monitorstation mit einer Umlaufzeitüberwachung ausgerüstet. Wird die festgelegte Umlaufzeit überschritten, nimmt die Monitorstation an, dass das „alte“ Token verloren gegangen ist, und generiert ein neues.
Die Monitorstation sendet periodisch Kontrollrahmen, die den weiteren Stationen im Ring die Betriebsbereitschaft der Monitorstation signalisieren. Diese aktivieren ihrerseits eine Zeitüberwachung, mit der geprüft wird, ob der nächste Kontrollrahmen auch wirklich eintrifft. Empfängt eine Station innerhalb der festgelegten Periode keinen Kontrollrahmen, nimmt sie zunächst eine Ringunterbrechung an. Daraufhin weist sie mit einem „Beacon-Rahmen“ die anderen Stationen auf den möglichen Defekt hin. Zugleich wird mit dieser Nachricht der Token-Umlauf gestoppt.
Der Beacon-Rahmen enthält die Adressen seines Absenders und der unmittelbar davor liegenden Nachbarstation, von der aus normalerweise die Ü bertragungsrahmen zugestellt werden. Erreicht der Beacon-Rahmen seinen Absender wieder, folgt daraus, dass der Ring entgegen der ursprünglichen Vermutung doch intakt sein muss. Dies führt nun zu dem Schluss, dass die Monitorstation ihrer Aufgabe nicht mehr nachkommt. Nun bieten sich alle anderen Stationen mit „Claim-Token-Rahmen“ als Monitorstation an. Um ein langwieriges Aushandeln der Station für die Monitorfunktion zu vermeiden, wird kurzerhand die Station mit der höchsten logischen Adresse die neue Monitorstation.
Der Mechanismus zur Feststellung der höchsten Adresse ist recht einfach. Jede Station , bei der ein Claim-Token-Rahmen eintrifft, vergleicht ihre eigene Adresse mit der im Rahmen enthaltenen. Ist die eigene Adresse größer, reicht die Station den Rahmen einfach nicht weiter und nimmt ihn damit vom Ring. Dann erzeugt und sendet die Station einen eigenen Claim-Token-Rahmen. Auf diese Weise passiert letztendlich nur noch der Rahmen mit der höchsten Adresse den gesamten Ring. Dass heißt, diejenige Station wird zur neuen Monitorstation, die als Ergebnis des geschilderten Verfahrens ihren eigenen Claim-Token-Rahmen aus dem Netz empfängt.
Im Zuge der so genannten Autokonfiguration wird nun der „Active-Monitor-Present-Rahmen“ dazu benutzt, den Nachbarstationen die Adresse der Monitorstation als direktem logischen Nachbarn mitzuteilen. Dazu wird ein Statusbit gesetzt, das angibt, dass sich die logische Stationsadresse im entsprechenden Rahmen befindet. Nach dem inkrementellen Austesten der jeweils möglichen Nachbaradressen (alle infrage kommenden Adressen werden für den Versand verwendet; der Status des zurückkommenden Rahmens gibt Auskunft darüber, welche Stationen aktiv im Netzwerk sind) verfahren alle anderen Stationen in der gleichen Weise, um die Adressen ihrer logischen Nachbarn zu ermitteln.
Mit einem ähnlichen Ablauf prüfen Datenstationen die verfügbaren Adressen, wenn sie sich neu in den Ring einbringen wollen. Mit einem speziellen Rahmen, dem „Duplicate-Address-Test-Rahmen“, wird die Stationsadresse in den Ring geschickt. Falls die Adresse bereits von einer anderen Station genutzt wird, enthält der zurückkehrende Rahmen eine entsprechende Statusnachricht.
IEEE 802 .5 legt nur Bitraten von 4 Mbit/s und 10 Mbit/s sowie den Datenstationsanschluss an das Übertragungsmedium mit einer ungeschirmten, paarig verdrillte Doppeladerleitung (Unshielded Twisted Pair , UTP ) fest. Hinsichtlich des Übertragungsmediums selbst sind keine Festlegungen getroffen worden. Die Zahl der Datenstationen in einem Ring ist auf 250 begrenzt.
Zu den wichtigen Merkmalen des Netzstandards gehören die acht Prioritätsklassen, mit denen Applikationen die Reihenfolge im Hinblick auf die Dringlichkeit der Datenübertragung angeben können. Eine Datenstation darf einen Token nur dann annehmen, wenn die Prioritätsklasse ihrer Daten gleich oder höher ist als die im Token enthaltene Prioritätsklasse.
IEEE 802 .5 definiert konkret weder eine minimale noch eine maximale Rahmenlänge. Der Maximalwert für die Länge ergibt sich aus den Notwendigkeiten für bestimmte Token-Umlaufzeiten und aus der Anzahl der Stationen im Ring. Der kleinste Wert entsteht durch Auffüllen des Feldes „Data“ mit 0-Bits. Damit wird eine Anpassung an das benutzte Übertragungsprotokoll durchgeführt. Ziel dieser Maßnahme ist, das übermäßige Segmentieren von Benutzerdaten mit dem dafür verbundenen Leistungsabfall zu verhindern.
