Anneau à jeton

Token Ring est une technologie de réseau informatique de couche physique et de liaison de données utilisée pour construire des réseaux locaux . Elle a été introduite par IBM en 1984 et normalisée en 1989 sous le nom de IEEE 802.5 . Elle utilise une trame spéciale de trois octets appelée jeton qui est transmise autour d'un anneau logique de postes de travail ou de serveurs . Ce passage de jeton est une méthode d'accès au canal qui offre un accès équitable à toutes les stations et élimine les collisions des méthodes d'accès basées sur la contention .

La technologie Token Ring a connu un grand succès, notamment dans les environnements d'entreprise, mais elle a été progressivement éclipsée par les versions ultérieures d' Ethernet . La technologie Gigabit Token Ring a été normalisée en 2001.

Au début des années 1970, de nombreuses technologies de réseaux locaux ont été développées, dont l'une, le Cambridge Ring , qui a démontré le potentiel d'une topologie en anneau à jeton passant , et de nombreuses équipes dans le monde entier ont commencé à travailler sur leurs propres implémentations. Au laboratoire de recherche IBM de Zurich, Werner Bux et Hans Müller, en particulier, ont travaillé sur la conception et le développement de la technologie Token Ring d'IBM, tandis que les premiers travaux au MIT ont conduit au réseau Proteon 10 Mbit/s ProNet-10 Token Ring en 1981 - la même année où le fournisseur de stations de travail Apollo Computer a présenté son réseau propriétaire Apollo Token Ring (ATR) à 12 Mbit/s fonctionnant sur un câblage coaxial RG-6U 75 ohms . Proteon a ensuite développé une à 16 Mbit/s qui fonctionnait sur un câble à paire torsadée non blindé

IBM a lancé son propre produit propriétaire Token Ring le 15 octobre 1985. Il fonctionnait à 4 Mbit/s , et pouvait être connecté à des PC IBM, des ordinateurs de milieu de gamme et des ordinateurs centraux. Il utilisait une topologie physique en étoile pratique et fonctionnait sur un câblage à paires torsadées blindées. Peu de temps après, il est devenu la base de la norme IEEE 802.5.

À cette époque, IBM affirmait que les réseaux LAN Token Ring étaient supérieurs à Ethernet , en particulier sous charge, mais ces affirmations ont été débattues.

En 1988, le Token Ring à 16 Mbit/s , plus rapide, a été normalisé par le groupe de travail 802.5. Une augmentation à 100 Mbit/s a été normalisée et commercialisée pendant le déclin de l'existence du Token Ring et n'a jamais été largement utilisée. Bien qu'une norme à 1 000 Mbit/s ait été approuvée en 2001, aucun produit n'a jamais été mis sur le marché et l'activité de normalisation s'est arrêtée car Fast Ethernet et Gigabit Ethernet dominaient le marché des réseaux locaux.

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  Adaptateur de gestion IBM Token Ring 100 Mbit/s avec Wake-on-LAN. Les interfaces UTP (RJ45) et STP (IBM Data Connector) sont toutes deux présentes.
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  Cartes Token Ring Micro Channel pleine longueur assorties, y compris un LANStreamer doté de plusieurs ports RJ45 pour une utilisation dans un réseau Token Ring
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  Cartes d'interface réseau Token Ring (NIC) avec différentes interfaces : ISA, PCI et Micro Channel
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  Carte réseau ISA TokenRing Madge 4/16 Mbit/s
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  Une série de plusieurs cartes Token Ring Micro Channel 16/4 anciennes qui auraient été principalement installées dans de nombreuses machines Personal System/2
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  Processeur de communication réseau Texas Instruments TMS380C26PQL, utilisé dans une carte de serveur d'impression Hewlett Packard JetDirect Token Ring

Les premiers réseaux Ethernet et Token Ring utilisaient tous deux un support de transmission partagé. Ils différaient dans leurs méthodes d'accès aux canaux . Ces différences sont devenues sans importance, car les réseaux Ethernet modernes se composent de commutateurs et de liaisons point à point fonctionnant en mode duplex intégral .

Token Ring et Ethernet hérité présentent quelques différences notables :

• L'accès Token Ring est plus déterministe que l'accès CSMA/CD basé sur la contention d'Ethernet .
• Ethernet prend en charge une connexion par câble directe entre deux cartes d'interface réseau à l'aide d'un câble croisé ou par détection automatique si elle est prise en charge. Token Ring ne prend pas en charge cette fonctionnalité de manière inhérente et nécessite un logiciel et un matériel supplémentaires pour fonctionner sur une configuration de connexion par câble directe.
• Le Token Ring élimine les collisions grâce à l'utilisation d'un jeton à usage unique et à la libération anticipée du jeton pour réduire les temps d'arrêt. L'Ethernet traditionnel réduit les collisions grâce à l'accès multiple par détection de porteuse et à l'utilisation d'un commutateur intelligent ; les périphériques Ethernet primitifs tels que les concentrateurs pourraient précipiter les collisions en raison de la répétition aveugle du trafic.
• Les cartes d'interface réseau Token Ring contiennent toute l'intelligence nécessaire à la détection automatique de vitesse, au routage et peuvent se piloter elles-mêmes sur de nombreuses unités d'accès multistations (MAU) qui fonctionnent sans alimentation (la plupart des MAU fonctionnent de cette manière, ne nécessitant qu'une alimentation pour les LED ). Les cartes d'interface réseau Ethernet peuvent théoriquement fonctionner sur un concentrateur passif dans une certaine mesure, mais pas comme un grand réseau local et le problème des collisions est toujours présent.
• Token Ring utilise une priorité d'accès dans laquelle certains nœuds peuvent avoir la priorité sur le jeton. Ethernet non commuté ne disposait pas de disposition pour un système de priorité d'accès car tous les nœuds ont un accès égal au support de transmission .
• Plusieurs adresses MAC identiques sont prises en charge sur Token Ring (une fonctionnalité utilisée par les mainframes S/390 ). Ethernet commuté ne peut pas prendre en charge les adresses MAC en double sans réprimande.
• Le Token Ring était plus complexe que l'Ethernet, nécessitant un processeur spécialisé et un micrologiciel MAC/ LLC sous licence pour chaque interface. En revanche, Ethernet incluait à la fois le micrologiciel (plus simple) et le coût de licence inférieur de la puce MAC. Le coût d'une interface Token Ring utilisant le MAC et le PHY TMS380C16 de Texas Instruments était environ trois fois supérieur à celui d'une interface Ethernet utilisant le MAC et le PHY Intel 82586.
• Au début, les deux réseaux utilisaient des câbles coûteux, mais une fois qu'Ethernet a été standardisé pour les paires torsadées non blindées avec 10BASE-T ( Cat 3 ) et 100BASE-TX ( Cat 5(e) ), il a bénéficié d'un avantage certain et ses ventes ont considérablement augmenté.
• Le coût des ports de routeur et des cartes réseau pour Token Ring par rapport à Ethernet est encore plus important lorsqu'on compare les coûts globaux du système. L'apparition des commutateurs Ethernet a peut-être été la goutte d'eau qui a fait déborder le vase.

Les stations sur un réseau local à jeton en anneau sont organisées logiquement dans une topologie en anneau , les données étant transmises séquentiellement d'une station en anneau à la suivante avec un jeton de contrôle circulant autour de l'anneau pour contrôler l'accès. Des mécanismes de transmission de jeton similaires sont utilisés par ARCNET , le bus à jeton , 100VG-AnyLAN (802.12) et FDDI , et ils présentent des avantages théoriques par rapport au CSMA/CD des premiers Ethernet.

Un réseau Token Ring peut être modélisé comme un système d'interrogation dans lequel un seul serveur fournit un service aux files d'attente dans un ordre cyclique.

Le processus de transmission des données se déroule comme suit :

• Des trames d’informations vides circulent en permanence sur l’anneau.
• Lorsqu'un ordinateur a un message à envoyer, il saisit le jeton. L'ordinateur pourra alors envoyer la trame.
• La trame est ensuite examinée par chaque station de travail successive. La station de travail qui s'identifie comme étant la destination du message copie celui-ci de la trame et remet le jeton à 0.
• Lorsque la trame revient à l'expéditeur, il constate que le jeton a été changé en 0 et que le message a été copié et reçu. Il supprime le message de la trame.
• La trame continue de circuler comme une trame vide , prête à être reprise par un poste de travail lorsqu'il a un message à envoyer.

Physiquement, un réseau Token Ring est câblé en étoile , avec des « MAU » au centre, des « bras » vers chaque station et une boucle allant et venant à travers chacune d'elles.

Une MAU peut se présenter sous la forme d'un hub ou d'un commutateur. Comme Token Ring n'a pas de collisions, de nombreuses MAU ont été fabriquées en tant que hubs. Bien que Token Ring fonctionne sur LLC , il inclut le routage source pour transférer les paquets au-delà du réseau local. La majorité des MAU sont configurées dans une configuration de « concentration » par défaut, mais les MAU ultérieurs prennent également en charge une fonction permettant d'agir comme des séparateurs et non des concentrateurs exclusivement, comme sur l'IBM 8226.

Plus tard, IBM a commercialisé des unités d'accès contrôlé pouvant prendre en charge plusieurs modules MAU connus sous le nom de module de connexion de lobe . Les CAU prenaient en charge des fonctionnalités telles que la redondance à double anneau pour un routage alternatif en cas de port mort, la concentration modulaire avec les LAM et plusieurs interfaces comme la plupart des MAU ultérieurs. Cela offrait une configuration et une gestion à distance plus fiables qu'avec un hub MAU non géré.

Le câblage est généralement de type IBM « Type-1 », un câble blindé à deux paires torsadées de 150 ohms . Il s'agissait du câble de base du « IBM Cabling System », un système de câblage structuré qu'IBM espérait voir largement adopté. Des connecteurs hermaphrodites uniques , appelés IBM Data Connectors dans les écrits officiels ou familièrement connecteurs Boy George, ont été utilisés. Les connecteurs ont l'inconvénient d'être assez volumineux, nécessitant au moins 3 cm × 3 cm (1,2 po × 1,2 po) d'espace de panneau et d'être relativement fragiles. Les avantages des connecteurs sont qu'ils sont sans genre et ont un blindage supérieur au 8P8C standard non blindé. Les connecteurs de l'ordinateur étaient généralement des connecteurs femelles DE-9 . Plusieurs autres types de câbles existaient, tels que les câbles de type 2 et de type 3.

Dans les implémentations ultérieures de Token Ring, le câblage Cat 4 était également pris en charge, de sorte que les connecteurs 8P8C (RJ45) ont été utilisés sur les MAU, les CAU et les NIC ; de nombreuses cartes réseau prenant en charge à la fois 8P8C et DE-9 pour une compatibilité ascendante.

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  Connecteurs de données IBM sur l'unité d'accès multistation IBM 8228
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  « Filtres multimédia » 8P8C qui se branchent sur un connecteur de données IBM pour le convertir en vue d'une utilisation avec des connecteurs 8P8C

Lorsqu'aucune station n'envoie de trame, une trame de jeton spéciale fait le tour de la boucle. Cette trame de jeton spéciale est répétée d'une station à l'autre jusqu'à ce qu'elle arrive à une station qui doit envoyer des données.

Les jetons ont une longueur de trois octets et se composent d'un délimiteur de début, d'un octet de contrôle d'accès et d'un délimiteur de fin.

Utilisé par la station émettrice pour interrompre la transmission.

Les trames de données contiennent des informations pour les protocoles de couche supérieure, tandis que les trames de commande contiennent des informations de contrôle et ne contiennent aucune donnée pour les protocoles de couche supérieure. Les trames de données et de commande varient en taille, en fonction de la taille du champ Informations.

Délimiteur de début – Le délimiteur de début est constitué d'un modèle de bits spécial indiquant le début de la trame. Les bits du plus significatif au moins significatif sont J,K,0,J,K,0,0,0. J et K sont des violations de code. Étant donné que le codage Manchester est auto-synchronisé et qu'il comporte une transition pour chaque bit codé 0 ou 1, les codages J et K violent cette règle et seront détectés par le matériel. Les champs Délimiteur de début et Délimiteur de fin sont tous deux utilisés pour marquer les limites de trame.

Contrôle d'accès – Ce champ d'octets se compose des bits suivants, du bit le plus significatif au bit le moins significatif

P, P, P, T, M, R, R, R. Les bits P sont des bits prioritaires, T est le bit de jeton qui, lorsqu'il est défini, spécifie qu'il s'agit d'une trame de jeton, M est le bit de surveillance qui est défini par la station de surveillance active (AM) lorsqu'elle voit cette trame, et les bits R sont des bits réservés.

Contrôle de trame – Champ d'un octet qui contient des bits décrivant la partie de données du contenu de la trame et qui indique si la trame contient des données ou des informations de contrôle. Dans les trames de contrôle, cet octet spécifie le type d'informations de contrôle.

Type de trame – 01 indique la trame LLC IEEE 802.2 (données) et ignore les bits de contrôle ; 00 indique la trame MAC et les bits de contrôle indiquent le type de trame de contrôle MAC

Adresse de destination – Un champ de six octets utilisé pour spécifier l’adresse physique de la ou des destination(s).

Adresse source : contient l'adresse physique de la station émettrice. Il s'agit d'un champ de six octets qui correspond soit à l'adresse locale attribuée (LAA), soit à l'adresse universelle attribuée (UAA) de l'adaptateur de la station émettrice.

Données – Un champ de longueur variable de 0 octet ou plus, la taille maximale autorisée dépendant de la vitesse de l'anneau contenant des données de gestion MAC ou des informations de couche supérieure. Longueur maximale de 4 500 octets.

Séquence de contrôle de trame – Champ de quatre octets utilisé pour stocker le calcul d’un CRC pour la vérification de l’intégrité de la trame par le récepteur.

Délimiteur de fin – L'équivalent du délimiteur de début, ce champ marque la fin de la trame et se compose des bits suivants du plus significatif au moins significatif

J,K,1,J,K,1,I,E. I est le bit de trame intermédiaire et E est le bit d'erreur.

État de la trame – Champ d'un octet utilisé comme schéma d'accusé de réception primitif indiquant si la trame a été reconnue et copiée par son récepteur prévu.

A = 1, Adresse reconnue C = 1, Trame copiée

Chaque station d'un réseau Token Ring est soit une station de surveillance active (AM), soit une station de surveillance de secours (SM). Il ne peut y avoir qu'un seul moniteur actif à la fois sur un anneau. Le moniteur actif est choisi par le biais d'un processus d'élection ou de contention de moniteurs .

Le processus de contention du moniteur est lancé lorsque les événements suivants se produisent :

• une perte de signal sur la bague est détectée.
• une station de surveillance active n'est pas détectée par les autres stations de l'anneau.
• un temporisateur particulier sur une station terminale expire, par exemple dans le cas où une station n'a pas vu de trame de jeton au cours des 7 dernières secondes.

Lorsque l'une des conditions ci-dessus se produit et qu'une station décide qu'un nouveau moniteur est nécessaire, elle transmet une trame de jeton de réclamation , annonçant qu'elle souhaite devenir le nouveau moniteur. Si ce jeton revient à l'expéditeur, il peut devenir le moniteur. Si une autre station tente de devenir le moniteur en même temps, la station avec l' adresse MAC la plus élevée remporte le processus d'élection. Chaque autre station devient un moniteur de secours. Toutes les stations doivent être capables de devenir une station de surveillance active si nécessaire.

Le moniteur actif remplit un certain nombre de fonctions d'administration de l'anneau. La première fonction est de fonctionner comme horloge maîtresse de l'anneau afin de synchroniser le signal pour les stations sur le fil. Une autre fonction de l'AM est d'insérer un délai de 24 bits dans l'anneau, afin de garantir qu'il y a toujours suffisamment de mémoire tampon dans l'anneau pour que le jeton puisse circuler. Une troisième fonction de l'AM est de garantir qu'un seul jeton circule chaque fois qu'aucune trame n'est transmise et de détecter un anneau brisé. Enfin, l'AM est responsable de la suppression des trames en circulation de l'anneau.

Les stations Token Ring doivent passer par un processus d'insertion d'anneau en 5 phases avant d'être autorisées à participer au réseau en anneau. Si l'une de ces phases échoue, la station Token Ring ne s'insérera pas dans l'anneau et le pilote Token Ring peut signaler une erreur.

• Phase 0 (vérification des lobes) – Une station effectue d’abord une vérification des médias des lobes. Une station est enveloppée au niveau de la MSAU et est capable d’envoyer 2 000 trames de test sur sa paire de transmission qui reviendront ensuite sur sa paire de réception. La station vérifie qu’elle peut recevoir ces trames sans erreur.
• Phase 1 (insertion physique) – Une station envoie ensuite un signal de 5 volts au MSAU pour ouvrir le relais.
• Phase 2 (vérification de l'adresse) – Une station transmet ensuite des trames MAC avec sa propre adresse MAC dans le champ d'adresse de destination d'une trame Token Ring. Lorsque la trame revient et si les bits d'adresse reconnue (AR) et de trame copiée (FC) dans l'état de la trame sont définis sur 0 (indiquant qu'aucune autre station actuellement sur l'anneau n'utilise cette adresse), la station doit participer au processus d'interrogation périodique (toutes les 7 secondes) de l'anneau. C'est là que les stations s'identifient sur le réseau dans le cadre des fonctions de gestion MAC.
• Phase 3 (Participation à l'interrogation en anneau) – Une station apprend l'adresse de son voisin actif en amont le plus proche (NAUN) et fait connaître son adresse à son voisin en aval le plus proche, ce qui conduit à la création de la carte en anneau. La station attend de recevoir une trame AMP ou SMP avec les bits AR et FC définis sur 0. Lorsqu'elle le fait, la station bascule les deux bits (AR et FC) sur 1, si suffisamment de ressources sont disponibles, et met en file d'attente une trame SMP pour la transmission. Si aucune trame de ce type n'est reçue dans les 18 secondes, la station signale un échec d'ouverture et se désinsère de l'anneau. Si la station participe avec succès à une interrogation en anneau, elle passe à la phase finale d'insertion, l'initialisation de la demande.
• Phase 4 (initialisation de la demande) – Enfin, une station envoie une demande spéciale à un serveur de paramètres pour obtenir des informations de configuration. Cette trame est envoyée à une adresse fonctionnelle spéciale, généralement un pont Token Ring, qui peut contenir des informations sur le temporisateur et le numéro d'anneau que la nouvelle station doit connaître.

Dans certaines applications, il est avantageux de pouvoir désigner une station ayant une priorité plus élevée. Token Ring spécifie un schéma optionnel de ce type, tout comme le bus CAN (largement utilisé dans les applications automobiles), mais ce n'est pas le cas d'Ethernet.

Dans le MAC à priorité Token Ring, huit niveaux de priorité, de 0 à 7, sont utilisés. Lorsque la station souhaitant transmettre reçoit un jeton ou une trame de données avec une priorité inférieure ou égale à la priorité demandée par la station, elle définit les bits de priorité sur la priorité souhaitée. La station ne transmet pas immédiatement ; le jeton circule sur le support jusqu'à ce qu'il revienne à la station. Lors de l'envoi et de la réception de sa propre trame de données, la station rétrograde la priorité du jeton à la priorité d'origine.

Voici les huit priorités d'accès et types de trafic suivants pour les appareils prenant en charge 802.1Q et 802.1p :

Les solutions de pontage pour les réseaux Token Ring et Ethernet comprenaient le pont AT&T StarWAN 10:4, le pont LAN IBM 8209 et le pont LAN Microcom. D'autres solutions de connexion incluaient un routeur qui pouvait être configuré pour filtrer de manière dynamique le trafic, les protocoles et les interfaces, comme le routeur multiprotocole IBM 2210-24M, qui contenait à la fois des interfaces Ethernet et Token Ring.

En 2012, David S. Miller a fusionné un correctif pour supprimer la prise en charge du réseau Token Ring du noyau Linux .