Token Ring

Token Ring — это технология локальной вычислительной сети (LAN), основанная на топологии «кольцо» и методе доступа к среде передачи данных с маркерным (токенным) доступом. В такой сети устройства (узлы) соединяются последовательно в замкнутый цикл, а право на передачу данных предоставляется только тому узлу, который в данный момент владеет специальным управляющим кадром — маркером (token). Технология была разработана компанией IBM в 1970-х годах и стандартизирована Институтом инженеров по электротехнике и электронике (IEEE) под номером 802.5. На протяжении 1980-х и первой половины 1990-х годов Token Ring являлся одной из основных альтернатив технологии Ethernet, однако впоследствии уступил ей в массовом применении из-за более высокой стоимости и меньшей гибкости.

История

Разработка и стандартизация

Идея маркерного доступа к кольцевой сети была впервые предложена в 1969 году Уильямом Кроутером (William Crowther) и Дэвидом Уолденом (David Walden) в рамках проекта ARPANET. Однако практическая реализация для коммерческих сетей была осуществлена компанией IBM. В 1984 году IBM выпустила первый продукт Token Ring со скоростью передачи данных 4 Мбит/с. В 1985 году технология была принята как стандарт IEEE 802.5, что обеспечило совместимость оборудования разных производителей.

Расцвет и конкуренция с Ethernet

В конце 1980-х — начале 1990-х годов Token Ring активно внедрялся в корпоративных сетях, особенно в тех, где требовалась высокая надёжность и предсказуемое время доставки пакетов (например, в банковских системах и промышленных АСУ). В отличие от Ethernet, где коллизии могли приводить к неопределённым задержкам, Token Ring гарантировал каждому узлу доступ к среде в течение заданного времени. Однако Ethernet, особенно после появления технологии Fast Ethernet (100 Мбит/с) и коммутаторов, стал значительно дешевле и проще в масштабировании. К середине 1990-х годов Ethernet занял доминирующее положение на рынке LAN, и Token Ring начал вытесняться.

Закат технологии

В 2001 году Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE) объявил о прекращении поддержки стандарта 802.5. К 2005 году практически все производители прекратили выпуск оборудования Token Ring. В настоящее время технология считается устаревшей и используется лишь в единичных унаследованных (legacy) системах.

Принцип работы

Топология «кольцо»

Физически сеть Token Ring представляет собой кольцо, образованное последовательным соединением сетевых адаптеров узлов с помощью кабеля (обычно экранированной витой пары — STP, или оптоволокна). Каждый узел принимает сигнал от предыдущего, регенерирует его и передаёт следующему. Таким образом, данные циркулируют по кольцу в одном направлении.

Маркерный доступ

Маркер — это специальный служебный кадр длиной 3 байта, который непрерывно циркулирует по кольцу. Узел, желающий передать данные, должен захватить маркер. Захват происходит путём изменения определённого бита в маркере (превращение его в «занятый»). После этого узел формирует кадр данных, содержащий адрес получателя и полезную нагрузку, и отправляет его в кольцо. Кадр проходит через все узлы, пока не достигнет адресата. Получатель копирует данные в свой буфер и отмечает в кадре факт приёма. Затем кадр продолжает движение по кольцу, возвращаясь к отправителю. Отправитель проверяет отметку о приёме, удаляет кадр из кольца и генерирует новый свободный маркер, который передаётся следующему узлу.

Алгоритм приоритетов

Стандарт 802.5 предусматривал систему приоритетов (от 0 до 7). Узел мог установить в маркере определённый приоритет, дающий ему преимущество при захвате. Это позволяло обеспечивать качество обслуживания (QoS) для критичных приложений.

Классификация и характеристики

Скорости передачи

Первоначально Token Ring работал на скорости 4 Мбит/с. В 1989 году IBM представила версию на 16 Мбит/с (Token Ring II). Позднее появились реализации на 100 Мбит/с (High-Speed Token Ring), но они не получили широкого распространения.

Типы кабелей

• Экранированная витая пара (STP) — основной тип кабеля для Token Ring. Использовались разъёмы IBM Type 1 (DB-9) и более поздние RJ-45 (для 16 Мбит/с).
• Неэкранированная витая пара (UTP) — применялась реже, на коротких расстояниях.
• Оптоволокно — использовалось для соединения между концентраторами (MAU) на большие расстояния.

Оборудование

• Сетевые адаптеры (NIC) — устанавливались в компьютеры и подключались к кольцу.
• Концентраторы (MAU — Multistation Access Unit) — устройства, позволяющие подключать несколько узлов к одному кольцу. MAU выполняли роль «звезды» в физической топологии, но логически сохраняли кольцо. При выходе из строя одного узла MAU мог автоматически замыкать кольцо, исключая неисправный порт.
• Мосты и маршрутизаторы — использовались для объединения нескольких колец Token Ring или для связи с другими сетями (например, Ethernet).

Применение и значение

Преимущества

• Детерминированность — максимальное время ожидания доступа к среде известно заранее, что критично для систем реального времени.
• Отсутствие коллизий — маркерный доступ исключает одновременную передачу данных двумя узлами.
• Надёжность — технология включала механизмы самовосстановления (например, автоматическое исключение неисправного узла из кольца).

Недостатки

• Высокая стоимость — оборудование Token Ring было значительно дороже Ethernet.
• Сложность масштабирования — добавление новых узлов требовало разрыва кольца или установки дополнительных MAU.
• Ограниченная скорость — даже на 16 Мбит/с Token Ring уступал Fast Ethernet (100 Мбит/с) по пропускной способности.
• Уязвимость к единой точке отказа — хотя MAU частично решали эту проблему, разрыв кабеля или выход из строя активного узла могли парализовать всё кольцо.

Влияние на развитие сетей

Несмотря на коммерческий провал, Token Ring оказал значительное влияние на теорию и практику сетевых технологий. Механизмы маркерного доступа легли в основу стандартов для промышленных сетей (например, PROFIBUS) и оптических колец (FDDI). Кроме того, концепция детерминированного доступа используется в современных системах реального времени, в частности в сетях TSN (Time-Sensitive Networking).

Интересные факты

• В стандарте 802.5 длина кольца могла достигать 1000 метров при использовании STP и до 400 метров при UTP.
• Максимальное количество узлов в одном кольце Token Ring составляло 260 (при 4 Мбит/с) или 130 (при 16 Мбит/с).
• В ранних версиях Token Ring использовались разъёмы IBM Type 1, которые были физически несовместимы с разъёмами Ethernet. Позднее появились адаптеры с разъёмами RJ-45.
• Технология Token Ring иногда ошибочно отождествляется с топологией «звезда», так как физически узлы подключались к MAU по схеме «звезда». Однако логически сеть оставалась кольцом.

Источники

• IEEE Standard 802.5-1989: Token Ring Access Method and Physical Layer Specifications.
• Tanenbaum, A. S. (2003). Computer Networks (4th ed.). Prentice Hall.
• Stallings, W. (2007). Data and Computer Communications (8th ed.). Pearson.
• IBM (1984). Token-Ring Network Architecture Reference.
• «Token Ring: The Forgotten Network Technology» — Computer History Museum, 2015.