Token Ring

Inhaltsverzeichnis

Was ist ein Token Ring?

Definition

Das Token-Ring-Netzwerk beschreibt ein Local Area Network (LAN), bei dem alle Computer in einer Ring- oder Sterin-Topologie angeordnet und verbunden sind. Es wird ein Bit- oder Token-Passing-System genutzt, damit Daten-Kollisionen zwischen Computern verhindert werden, die gleichzeitig Daten senden.

Die Token-Ring-Version von IBM wurde zum Standard und ist bekannt als IEEE 802.5 (Institute of Electrical and Electronis Engineers) und wurde bereits im Jahr 1985 definiert. Dieser Standard verwendet Übertragungsgeschwindigkeiten von 4 oder 16 MBit pro Sekunde.

Im folgenden wird die Funktions des Token-Ring-Netzwerks vereinfacht erklärt:

Im Token-Ring zirkulieren immer leere Informations-Frames. Wenn ein Computer eine Nachricht übermittelt, dann fügt er einen Token in einen der leeren Frames ein (der Token-Bit-Abschnitt des Frames wird von 0 auf 1 geändert). Zusätzlich fügt er die zu übermittelnden Daten, sowie eine Ziel-ID ein. Der Frame durchläuft dann den Token-Ring und wird von jedem Computer untersucht.

Wenn ein Computer sich selbst als Ziel erkennt, kopiert er die Nachricht und setzt den Token auf 0 zurück. Wenn der Frame wieder beim Absender ankommt, erkennt er, dass der Token wieder auf 0 gesetzt und die Nachricht übermittelt wurde. Die Nachricht wird dann aus dem Frame entfernt. Danach zirkuliert der Frame wieder als leerer Frame im Token Ring und kann von anderen Computern genutzt werden.

Der Aufbau eines Token-Ring-Netzwerks

Der physikalische Aufbau besteht aus einem oder mehreren Verteilerpunkten. Diese sind durch Trunks miteinander verbunden. Die Endgeräte sind mit Lobe-Kabeln an die Verteilerpunkte angeschlossen. Die Trunk-Kabel dürfen als LwL-Kabel eine Länge von bis zu 2 Kilometern haben. Die Lobe-Kabel haben sowohl bei 4-Mbit/s, als auch bei 16-Mbit/s-Übertragungsrate, eine Länge von 100 Metern. Bei dieser gegeben Länge ist es möglich bis zu 72 Stationen an einem Token-Ring zu betreiben.

Der Zugriff auf den Ring wird durch den Standard IEEE 802.5 gesteuert. Die Übertragung der Daten erfolgt unidirektional (in eine Richtung) und wird durch das Token-Verfahren gesteuert. Wenn Lichtwellenleiter (LwL) mit entsprechenden Umsetzern verwendet werden, gibt es kaum eine Entfernungsbeschränkung, da es möglich ist, die Umsetzer beliebig oft zu kaskadieren. Bis zu 256 oder 136 Endgeräte (4 oder 16 Mbit/s) können so pro Ring angeschlossen werden.

Das Token-Ring-Passing-Verfahren

Damit es beim Verwenden von Daten nicht zu Chaos kommt, verwendet man das Token-Ring-Passing-Verfahren. Dieses sorgt dafür, dass nicht alle Endgeräte zur gleichen Zeit Daten in das Netzwerk senden. Ausschließlich der Computer, der gerade im Besitz eines Tokens ist, kann Datenpakete senden. Hat kein Endgerät das Recht zu senden, zirkuliert das Token fortlaufend weiter. Ein Token bzw. ein leerer Frame hat eine Größe von 3 Byte. Jedes Byte hat eine spezifische Aufgabe:

Drittes Byte

Auch Start Delimiter (SD) genannt, sind die ersten 8 Bit des Frames. Sie zeigen den Beginn des Tokens.

Zweites Byte

Access Control (AC) ist die Zugriffskontrolle. Ist das Bit auf 0 gesetzt, ist es frei. Steht es auf 1, ist es besetzt.

Erstes Byte

End Delimiter (ED) ist der Endbegrenzer. Er ähnelt dem Aufbau des Startbegrenzers und signalisiert, dass der Frame an dieser Stelle abgeschlossen ist.

Wenn ein Endgerät einen Frame bekommt und keine Daten zu senden hat, wird der Frame an das nächste Gerät in der Reihe weitergeleitet. Werden doch Daten gesendet, so erreichen diese nicht direkt das Ziel, sondern werden von Gerät zu Gerät weitergeleitet. Damit der Frame bei langen Sendewegen nicht an Stärke verliert, fungiert jedes Endgerät als Repeater.

Sie lesen das Paket, erzeugen es neu und senden es im Ring weiter. Hat der Frame sein Ziel erreicht und kehrt danach wieder zum ursprünglichen Sender zurück, so könnte dieser direkt wieder Daten los senden. Damit aber alle Endgeräte die Möglichkeit bekommen Daten zu senden, ist ein Holding Time im Token Ring implementiert. Diese Zeitspanne gibt an, wie lange ein Endgerät das Token für sich beanspruchen kann.

Fehlersituationen im Token Ring

Sollte es im Netzwerk zu einem Fehler kommen, könnte dieser im Zweifelsfall das gesamte Netz lahmlegen. Für diese Fälle wurden verschiedene Mechanismen implementiert, welche den Ausfall umgehen. Im Token Ring vorerst alle Computer Standbay-Monitore. In der Regel gibt es jedoch einen Computer, der als Active Monitor agiert und das Netzwerk überwacht.

Diese Rolle kann von jedem Teilnehmer im Ring angenommen werden. Die Auswahl geschieht mit einem definierten Verfahren. Dieses wird als Monitor Contention oder Token Claiming bezeichnet. Es wird eingeleitet, wenn der Active Monitor nicht mehr den AM Present Frame sendet.

In diesem fordert das Protokoll die Wahl für einen neuen AM. Das erste Endgerät, welches die Fehlfunktion des AM bemerkt, sendet dann einen Claim Token Frame. Das nächste Endgerät vergleicht die MAC-Adresse des Senders mit der eigenen. Hat diese einen höheren Wert, tauscht er den Frame mit einem selbst erzeugtem aus.

Am Ende bleibt so nur noch ein Gerät übrig. Ist dieser Frame dann dreimal durch den gesamten Ring gelaufen, ohne dass ein Gerät interveniert hat, ist der neue Active Monitor bestimmt. Der Active Monitor hat im Grunde genommen die Aufgabe, für einen reibungslosen Ablauf im Netzwerk zu sorgen. In folgenden Situationen kann der Ring sich selbst reparieren:

Token gehen auf dem Weg verloren

Wenn ein Token den AM erreicht, setzt dieser einen Timer. Ist diese Zeit abgelaufen und das Token hat den AM nicht erneut passier, erkennt der AM einen Fehler im Ring und erzeugt ein neues Token.

Frame findet keinen Empfänger

Sollte eine Station einen Frame senden und der Empfänger würde ausfallen, würde der Frame unendlich auf dem Ring zirkulieren. Wenn der Frame den AM passiert, setzt dieser ein bestimmtes Bit um. Erreicht der Frame den AM erneut, erkennt dieser, dass das Paket nicht beim Empfänger angekommen ist. Der AM vernichtet den Frame und erzeugt einen neuen.

Tipp

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Fehlfunktion von Schnittstellen

In der üblichen Ring-Topologie bedeutet der Ausfall einer Station den Ausfall des gesamten Netzes. Die Schnittstellen können aber durch die Verteilerpunkte überbrückt werden. Fehlerhafte Schnittstellen werden durch die nächste Station erkannt.

Dafür sendet diese einen Test-Frame an den Nachbarn. Zeitgleich gehen alle anderen Stationen in den Wartemodus und es werden keine Daten gesendet. Sollte die fehlerhafte Station selber erkennen, dass sie einen Test-Frame erhalten hat, beginnt diese mit der Fehleranalyse und nimmt sich selbst vom Netz.

Die Fehlfunktion kann allerdings auch bei der ursprünglichen Station liegen. Für das Nichterhalten von Daten kann auch eine defekte Netzwerkkarte verantwortlich sein. Deshalb setzt die Station einen Timer, welcher der Nachbar-Station genug Zeit einräumt, um die Fehleranalyse durchzuführen. Sollte nach Ablauf der Zeit keine Frame ankommen, geht die Station davon aus, dass der Fehler bei ihr liegt und beginnt ebenfalls mit der Fehleranalyse.