IEEE 802.5 / Token Ring

Der Token Ring ist ein Protokoll von IBM, das nach dem Token-Passing-Verfahren arbeitet. Es basiert in weiten Teilen auf dem Standard IEEE 802.5. Token Ring gibt es in den Varianten 4 MBit/s und 16 MBit/s. Die maximale Anzahl der Stationen liegen bei 260 pro Ring.
IEEE 802.5 setzt auf die bereits normierten Verfahren von Ethernet. So ist durch die LLC-Subschicht (IEEE 802.2) die Hardware-Unabhängigkeit auf der Schicht 2 des OSI-Schichtenmodells erreicht. Protokolle auf der Schicht 3 können also das Ethernet oder Token Ring als Übertragungstechnik verwenden. Außerdem lassen sich Ethernet und Token Ring mit relativ einfachen Mitteln verbinden.
Das Token-Ring-Netz war lange Zeit Standard bei Netzwerken von IBM. Allerdings setzte sich im Bereich der lokalen Netzwerke aufgrund günstiger Vernetzungstechnik Ethernet durch. Während Ethernet weiterentwickelt wurde, stellt IBM die Entwicklung, Vermarktung und den Vertrieb von Token Ring ein. Seit dem gilt Token Ring als veraltet.

Topologie

Wie die Bezeichnung "Token Ring" andeutet, muss es sich bei der Topologie um einen Ring handeln. Im Prinzip ist das auch richtig. Token-Ring-Netze werden normalerweise als Stern-Ring-Kombination aufgebaut. Das bedeutet, dass eine logische Ringstruktur auf eine physikalische Sternstruktur aufsetzt.

Im Prinzip sieht die Token-Ring-Topologie so aus, dass es einen zentralen Punkt gibt, an dem alle Netzwerkleitungen von den Stationen ankommen. Am zentralen Punkt steht ein Ringleitungsverteiler, der die mittels STP-Kabel (Shielded Twisted Pair) sternförmig angebundenen Stationen zu einem Ring zusammenschaltet. Durch den Ringleitungsverteiler wird praktisch ein Ring erzeugt.

Der Ringleitungsverteiler arbeitet passiv, ohne aktive Steuerung. Im Ringleitungsverteiler befinden sich Relais, die von den Stationen gesteuert werden. Wird eine Station vom Netz genommen, dann schließt das betreffende Relais den Ring. Dabei wird der Anschluss im Ringleitungsverteiler überbrückt.
Sollte ein Teil der Leitung schaden nehmen, dann sieht die Topologie einen Ersatzring vor, auf den umgeschaltet werden kann. Der zweite Ring verläuft im selben Kabel.
Für die Verkabelung werden UTP-4-Kabel verwendet.

Abläufe im Token Ring / Token-Passing-Verfahren

Da der Token Ring auf einer Ring-Topologie basiert, werden die Daten immer in eine Richtung weitergegeben. Jede Station hat einen Vorgänger und einen Nachfolger. Beim 4-MBit-Token-Ring kursiert nur ein Datenpaket im Ring. Beim 16-MBit-Token-Ring können mehrere Datenpakete im Ring kursieren.

Das zentrale Element im Token-Passing-Verfahren ist das "Token". Token ist Englisch und bedeutet Zeichen oder Erkennungsmarke.
Ein Token, das aus einer "Alles klar"-Meldung besteht, zirkuliert ständig im Ring. Es wird von jeder Station im Ring gelesen und weitergeleitet. Will eine Station senden, dann wartet sie so lange, bis das Token vorbeikommt. Die Station verändert es zu einer "Belegt"-Meldung. Dann fügt sie die Adresse des Empfängers, den Fehlerbehandlungscode und die Daten mit an und sendet es weiter. Das Datenpaket durchläuft dann den Ring von Station zu Station. Damit die Signalstärke des Datenpakets erhalten bleibt, erzeugt jede Station das Datenpaket noch einmal und übernimmt somit eine Repeaterfunktion. Die Station, die als Empfänger adressiert ist, kopiert sich das Datenpaket, markiert es als erhalten und schickt es weiter. Erreicht das Datenpaket den Sender, stellt der die "Alles klar"-Meldung wieder her und gibt so den Ring für die nächste sendende Station frei.
Damit eine Station nicht den ganzen Netzwerkverkehr für sich belegt, ist die Zeit für die eine Station das Token behalten darf beschränkt. Man bezeichnet dieses Zeit als "Token Hold Time" (THT). Im Standard IEEE 802.5 beträgt diese Zeit 10 ms. Bevor eine Station ihre Datenpakete verschickt, prüft sie, ob das noch innerhalb der vorgegebenen Zeit möglich ist. Wenn nicht, dann hält sie die Datenpakete zurück und gibt das Token frei. Somit lässt sich die maximale Wartezeit angeben, bis eine Station senden darf. Für den Umlauf eines Tokens wird die Zeit "Token Rotation Time" (TRT) angegeben. Sie lässt sich aus der Anzahl der Station mal TRT plus Ring-Latenz berechnen.
Das Original Token-Passing-Verfahren ist für 4 MBit/s ausgelegt. Token Ring mit 16 MBit/s generiert direkt nach Absenden des Datenpakets ein Frei-Token. Dadurch befinden sich in der Regel mehrere Frei-Token zeitgleich im Ring.

Mechanismus im Fehlerfall

Obwohl die Zugriffssteuerung nach festgelegten Regeln erfolgt, kann es auch in einem Token-Ring-Netz zu Fehlern kommen. Zum Beispiel, wenn ein Token aufgrund eines Bitfehlers verloren geht, oder wenn die Station, die sich im Besitz des Tokens befindet, ausfällt. Oder ein Datenpaket hat einen Bitfehler und kreist ewig im Ring. Für diese und weitere Fehler übernimmt eine Station im Netz die Netzüberwachung. Theoretisch kann jede Station im Token-Ring-Netz diese Funktion übernehmen.

Aufbau des Tokens

Das Token ist ein spezielles Datenpaket, bestehend aus 3 Byte. Jeweils ein Byte entsprechen dem Start Delimiter (SD), Access Control (AC) und End Delimiter (ED).

Aufbau eines Token Ring Frames

SD = Start Delimiter
AC = Access Control
FC = Frame Control
Destination = Zieladresse
Source = Quelladresse
Routing = optional, variable Länge
Daten = variable Länge
CRC = Prüfsumme nach CRC
ED = Ending Delimiter
FS = Frame Status

Das Frame ist das Token-Ring-Datenpaket mit Steuerinformationen, Adressen, Prüfsumme und den Daten. Das Frame ist durch ein Start und End Delimiter eingeschlossen. Ein Bit im Access-Control-Byte weist auf ein Token bzw. ein Frame hin. Die Länge der Adressen (Destination/Source) können 6 Byte (IBM) oder 2 Byte lang sein.

IEEE 802.4 - Token Bus

IEEE 802.4 bzw. Token Bus ist eine Anwendung des Token-basierten Verfahrens auf einer Busstruktur. Hierbei wird eine logische Ringstruktur auf eine physikalische Busstruktur aufgesetzt. Die Reihenfolge der Stationen wird nicht durch die Verkabelung vorgegeben, sondern anhand einer Adresszuordnung. Der Grund, im Bus empfangen alle Stationen alle Datenpakete. Um hier das Token-Passing-Verfahren anwenden zu können, muss vorgegeben werden, wann jede Station an der Reihe ist. Das Token wird von der Station mit der höchsten Adresse an die Station mit der nächstniedrigeren Adresse weitergereicht. Die Station mit der niedrigsten Adresse schließt den logischen Ring durch Adressierung auf die Station mit der höchsten Adresse.
Dieses Verfahren wird z. B. beim ARCNET und in der industriellen Automatisierung verwendet. Das Manufacturing Automation Protocol (MAP) der Firma General Motors basiert auf diesem Ansatz.