Tổng quan về Token Ring

TOKEN RING 1 .Tổng quan về Token Ring: Kiến trúc Token Ring là một phần trong giải pháp và khả năng kết nối dành cho toàn bộ giữa các máy tính và trong môi trường máy tính do công ty IBM cung cấp vào năm 1984 gồm: Máy tính cá nhân Máy tính trung tâm(mid-range computer) Máy chính(mainframe) và môi trường kiến trúc mạng hệ thống(Systems Network Architecture). Mục tiêu của Token Ring là thực hiện một cấu trúc đi dây đơn giản, dùng cáp xoắn đôi nối máy tính vào mạng thông qua ở cắm điện trên tường và có đường dây chính tập trung ở một nơi. 2 .Các đặc tính của Token Ring: Mạng Token Ring là một ứng dụng thực tế của tiêu chuẩn IEEE 802.5, phương pháp truy nhập thẻ bài (token), chứ không phải sở đồ cáp đã giúp phân biệt mạng Token Ring với các mạng khác. a.Kiến trúc: Kiến trúc Token Ring điển hình bắt đầu với một vòng vật lý. Trong thực tế, các máy tính được nối với nhau bằng vòng cáp hình sao(token ring), các máy tính trên mạng được nối với một hub trung tâm. Vòng logic biểu thị đường đi của thẻ bài (token) giữa 2 máy tính. Vòng cáp vật lý trong thực tế nằm trong hub. Người dùng là thành phần của vòng, nhưng họ lại nối kết với vòng qua hub. b.Đặc điểm cơ bản của Token Ring: Mạng Token Ring có những đặc tính sau: Cấu hình star ring Phương pháp truy nhập: chuyển thẻ bài (token passing) Cáp UTP và STP Tốc độ truyền 4Mbps và 16Mbps Truyền dải gốc Quy cách kỹ thuật 802.5 3 .Phương thức vận hành của vòng chuyển thẻ bài: Khi máy tính đầu tiên trong mạng Token Ring đăng nhập mạng, mạng tạo ra một thẻ bài(token). Thẻ bài này du ngoạn quanh vòng, thăm dò từng máy tính một đến khi có một máy tính phát tín hiệu cho biết nó muốn truyền dữ liệu và giành quyền điều khiển thẻ bài. “Thẻ bài” là một luồng bit định sẵn, cho phép máy tính đặt dữ liệu lên cáp mạng. Máy tính có thể không truyền dữ liệu lên cáp trừ phi nó đã đoạt được quyền sở hữu thẻ bài; trong khi thẻ bài đang chịu sự điều khiển của một máy tính, những máy tính còn lại không thể tiến hành truyền dữ liệu. Sau khi đoạt được thẻ bài máy tính gởi đi một khung dữ liệu lên mạng Hình 1: Thẻ bài(token) chạy quanh khung theo chiều kim đồng hồ Khung này tiếp tục chuyển quanh vòng rồi dừng lại tại máy tính có địa chỉ khớp với địa chỉ đích trên khung. Máy tính đích sao chép khung dữ liệu sang vùng nhớ đệm của nó rồi đánh dấu vào trường trạng thái(frame status) của khung để thông báo rằng dữ liệu đã được tiếp nhận. Khung dữ liệu lại quay trở về máy gởi theo vòng quay trở về máy gởi, tại đây cuộc truyền được xác nhận là đã thành công. Máy gởi sẽ loại bỏ khung dữ liệu ra khỏi vòng và gởi lên vòng một thẻ bài mới. Mỗi lần chỉ có một thẻ bài hoạt động trên mạng và thẻ bài chỉ xoay vòng theo một chiều. Nếu thẻ bài có sẵn, máy tính đóng vai trò như một bộ chuyển tiếp một chiều, tái tạo thẻ bài và chuyển nó đi. Nhận biết máy tính: Khi một máy tính mới đăng nhập, hệ thống Token Ring kết nạp máy tính đó để nó trở thành một phần của vòng. Thủ tục “kết nạp” bao gồm: Kiểm tra xem có địa chỉ trùng nhau không. Thông báo cho các máy tính khác trên mạng biết về sự hiện diện của máy tính mới. : Giám sát hệ thống Máy tính đầu tiên đăng nhập mạng được hệ thống Token Ring phân công giám sát hoạt động mạng. Bộ giám sát này kiểm tra nhằm bảo đảm khung dữ liệu được truyền-nhận đúng địa chỉ, bằng cách kiểm tra xem có khung dữ liệu nào luân chuyển từ một vòng trở lên và bảo đảm mỗi lần chỉ có một thẻ bài trên mạng. Như đã nói ở trên, kỹ thuật token ring nhờ vào hoạt động của một frame nhỏ, được gọi là token, token chạy vòng tròn trên mạng khi tất car các trạm đều rảnh rỗi. Các mạng token ring được dùng chủ yếu trong môi trường kỹ thuật và quản lý. Bất cứ khi nào một trạm muốn truyền phải đợi cho đến khi nó phát hiện một token chuyển qua nó. Trạm truyền sẽ bắt lấy token thông qua thao tác sửa một bit trong đó, chuyển nó từ một token thành một tuần tự bit đánh dấu đâu frame của một frame số liệu. Sau đó trạm này thêm và truyền phần còn lại của các field cần thiết để xây dựng một frame số liệu hoàn chỉnh. Khi một trạm bắt lấy một token và bắt đầu truyền một frame số liệu, sẽ không còn token nào trên vòng nữa, vì vậy các trạm khác muốn truyền phải đợi. Frame trên vòng du ngoạn một vòng và được trạm truyền bắt lấy. Trạm truyền sẽ chèn một token mới vào vòng nếu cả hai điều kiện sau đây xảy ra: Trạm đã hoàn tất việc truyền tất cả các frame của nó Đầu của frame được truyền đã trở về (sau khi hoàn thành một vòng) trạm này. Nếu chiều dài tính theo bit của ring ngắn hơn chiều dài của frame, thì điều kiện đầu tiên bao hàm cả điều kiện thứ 2. Điều kiện thứ 2 đảm bảo chỉ một frame số liệu tại một thời điểm trên vòng và chỉ một trạm có thể truyền tại một thời điểm, nhờ đó đơn giản được thủ tục khắc phục lỗi. Dưới điều kiện tải nhẹ, sẽ không hiệu quả đối với token ring vì một trạm phải đợi cho token đi được một vòng trước khi truyền. Tuy nhiên dưới điều kiện tải nặng, là lúc phát huy được ưu thế, các chức năng ring trong mô hình round-robin đạt được hiệu quả khá cao. Trong mô hình round-robin thì tất cả các hoạt động truyền đều phải xảy ra theo một thứ tự nghiêm ngặt. 4 .Giao tiếp ring: Một mạng token ring như sau ở hình 2 a) và các thành phần cần thiết để kết nối một DTE vào môi trường cáp được mô tả trong b) và c). Hình 2 b) mô tả một DTE có thể được kết nối một cách trực tiếp vào ring thông qua một bộ tập trung (concentrator). Thiết bị này được kết nối trực tiếp vào cáp trung kế và cung cấp vài điểm nối cho DTE. Bộ tập trung này thông thường được đặt tại nơi mà cáp trung kế đi vào. Hình 2: Các thành phần của mạng token ring: a) Cấu hình ring b) Giao tiếp DTE c) Sơ đồ TCU Đơn vị ghép trung kế TCU (trunk couple unit) hình thành nên một giao tiếp vật lý với môi trường cáp. Đơn vị ghép trung kế bao gồm tập hợp các rơ le và mạch điện tử để điều khiển và thu các tín hiệu đến, đi từ cáp. Việc chèn thêm một DTE vào vòng được điều khiển bởi đơn vị MAC nằm trên card điều khiển truyền bên trong DTE. Đơn vị MAC kích hoạt 2 cặp rơ le của TCU để chèn DTE vào vòng. Các mạch truyền nhận trong đơn vị MAC này chỉ làm nhiệm vụ đơn giản là đọc và chuyển tiếp tín hiệu nhận theo hướng truyền nếu DTE không phải là nguồn phát frame này, hoặc xóa tín hiệu nhận được từ vòng nếu nó đã khởi động truyền. 5 .Khuôn dạng frame IEEE 802.5: Hình 3: Mô tả kiến trúc frame cho giao thức 802.5 Sarting delimiter(SD): chỉ định đầu frame. SD bao gồm các mẫu báo hiệu có thể phân biệt với số liệu. Nó được mã hóa như sau: JK0JK000. Trong đó J và K là các ký hiệu không phải là số liệu. Dạng thực sự của một ký hiệu khác số liệu được mã hóa trên môi trường. Access control(AC): có dạng PPPTMRRR, trong đó PPP và RRR là 3 bit đầu ưu tiên và các biến dự trữ, M là bit giám sát. T chỉ ra frame là token hay số liệu. Frame control(FC): chỉ cho biết đây có phải là frame số liệu LLC hay không. Nếu không phải, các bit trong field này điều khiển hoạt động của giao thức MAC trên ring. Data: chứa các đơn vị số liệu của LLC End delimiter(ED): chứa các bit phát hiện lỗi (E), nó được set nếu bất kỳ repeater nào phát hiện ra một lỗi, và bit trung gian(I) được dùng để chỉ rằng frame này không phải là frame cuối trong một cuộc truyền đa frame. Frame status(FS): chứa bit nhận biết địa chỉ (A) và bit copy frame(C), việc dùng các bit này được giải thích bên dưới. Vì bit A và C nằm ngoài phạm vi của FCS, nên chúng được gấp đôi để thực hiện một thao tác kiểm tra dự phòng nhằm phát hiện các cài đặt sai. Có thể xem xét lại giải thuật token ring trong trường hợp có dùng quyền ưu tiên. Trong trường hợp này, các bit ưu tiên và bit giữ chỗ được cho là 0. Một trạm muốn truyền đợi cho đến khi token chuyển qua nó., tức là khi bit token trong frame chuyển qua có giá trị 0 trong field AC. Trạm bắt lấy token bằng cách đặt bit token thành 1. Các field SD và AC của token nhận được bây giờ đóng vai trò là 2 field đầu tiên của frame gởi ra. Trạm sẽ truyền một hay nhiều frame, tiếp tục cho đến khi cho đến khi nguồn cung cấp frame cảu nó đã cạn hoặc thời gian được phép giữ token đã hết. Khi field AC của frame sau cùng đã quay về trạm, trạm đặt lại bit token thành 0 và thêm vào một field ED, kết quả là token mới được chèn vào trong ring. Các trạm trong chế độ nhận lắng nghe ring. Mỗi trạm có thể kiểm tra các frame chuyển qua nó để tìm lỗi và có thể đặt bit E thành 1 nếu phát hiện được một lỗi. Nếu một trạm nào đó phát hiện địa chỉ MAC trùng với địa chỉ MAC của nó, nó đặt bit A thành 1, cũng có thể copy frame này, và đặt bit C thành 1. Thao tác này cho phép trạm nguồn biết được ba kết quả khác nhau của một frame truyền là: Trạm đích không tồn tại hay không mở máy nếu A=0 và C=0. Trạm đích tồn tại nhưng frame không được copy A=1 và C=0. Frame được tiếp nhận A=1 và C=1. 6 .Ưu tiên trên vòng token: Chuẩn 802.5 có 8 mức ưu tiên được hỗ trợ bởi 2 field 3 bit trong mỗi frame số liệu và token: một field ưu tiên và một field giữ chỗ. Các biến dùng trong lược đồ ưu tiên: Pf: ưu tiên của frame đang được truyền bởi trạm Ps: ưu tiên phục vụ(ưu tiên của token hiện hành) Rr: giá trị của Ps chứ trong token sau cùng được trạm tiếp nhận. Rs: giá trị đăng ký giữ chỗ trong token hiện hành RR: giá trị đăng ký giữ chỗ cao nhất trong các frame nhận được bởi trạm trong thời gian quay của token sau cùng. Lược đồ làm việc như sau: Một trạm muốn truyền phải đợi một token với Ps≤ Pf Trong khi đợi, một trạm có thể đăng ký một token tương lai theo mức ưu tiên của nó(Pf). Nếu có một trạm đi qua, và nếu field đăng ký giữ chỗ của nó nhỏ hơn ưu tiên của nó (Rs≤ Pf) thì trạm này có thể đặt field giữ chỗ của frame này thành ưu tiên của nó(Rs ← Pf). Nếu một frame token chạy qua, và nếu (Rs< Pf và Pf < Ps) thì trạm này đặt field giữ chỗ của frame này thành ưu tiên của nó (Rs ← Pf). Việc cài đặt này có tác dụng làm rỗng trước khi cho bất kỳ giá trị đăng ký ưu tiên mức thấp nào. Khi một trạm bắt lấy một token, nó đặt bit token thành 1 để bắt đầu một frame số liệu, đặt field giữ chỗ của frame số liệu là 0, và giữ nguyên field ưu tiên( bằng với mức ưu tiên của token đến). Tiếp theo, sau khi truyền một hay nhiều frame số liệu, trạm phát ra một token mới với field ưu tiên và giữ chỗ được đặt như chỉ định trong bảng sau: Các hoạt động được thực hiện bởi trạm giữ token để tiến hành lược đồ ưu tiên Tóm lại, một trạm có một frame ưu tiên cao hơn frame hiện hành có thể đăng ký token kế tiếp cho mức ưu tiên của nó khi frame chuyển qua. Khi token kế được phát ra, nó sẽ có mức ưu tiên thấp hơn và không thể bắt lấy token, vì vậy nó chuyển đến trạm đã đăng ký hay một trạm trung gian cùng với số liệu gửi của mức ưu tiên bằng hay cao hơn mức ưu tiên đã đăng ký. Trạm nâng cấp mức ưu tiên này sẽ chịu trách nhiệm giảm cấp đến mức trước đó của nó khi tất cả các trạm có mức ưu tiên cao hơn đã hoàn tất việc truyền. Khi trạm này thấy một token với mức ưu tiên cao hơn sau khi đã truyền xong, nó giả sử rằng không có tải có mức ưu tiên cao hơn đang đợi, và nó giảm cấp ưu tiên của token trước khi chuyển nó đi tiếp. 7 . Sự giải phóng token sớm: Khi một trạm phát ra một frame, nếu chiều dài của vòng nhỏ hơn frame, thì điểm đầu của frame được truyền trở về trạm truyền trước khi nó hoàn thành việc truyền, trong trường hợp này trạm có thể phát ra một token sớm hơn thời điểm nó kết thúc truyền frame số liệu. Nếu frame ngắn hơn chiều dài ring, thì sau khi một trạm đã hoàn tất việc truyền một frame, nó phải đợi cho đến khi điểm đầu của frame trở về trước khi phát ra một token, trong trường hợp này, một phần công suất của ring không được dùng. Để tăng hiệu quả sử dụng ring, một tùy chọn phát token sớm được thêm vào chuẩn 802.5 việc phát token sớm cho phép một trạm đang truyền giải phóng một token sớm hơn thời điểm mà nó hoàn tất truyền frame, bất chấp đầu của frame đã trở về trạm truyền hay chưa. Mức ưu tiên được dùng cho một token được giải phóng trước khi nhận được header của frame truyền trước đó là mức ưu tiên của frame mới vừa nhận. Hình 4: Lược đồ ưu tiên token ring