Token Ring – IEEE 802.5

Ein Token Ring ist eine ei­gent­lich aus­ge­stor­be­ne Netz­werk­tech­nik: Heut­zu­ta­ge dominiert Ethernet bei ka­bel­ge­bun­de­nen LAN-Ver­bin­dun­gen. Das macht die zugegeben etwas an­ge­staub­te Technik aber nicht weniger in­ter­es­sant. Auch in­zwi­schen his­to­ri­sche Verfahren können dabei helfen, moderne Netzwerke zu verstehen und nach­zu­voll­zie­hen, warum die Technik sich so ent­wi­ckelt hat, wie sie ist. Und wer weiß: Viel­leicht treffen Sie tat­säch­lich noch einmal auf einen Token Ring.

Bei einem Token Ring handelt es sich al­ler­dings nicht wirklich um ein Ring-Netzwerk, auch wenn der Name dies vermuten lässt. Tat­säch­lich entsteht nur ein logischer Ring und kein phy­si­scher. Was die Un­ter­schie­de sind, erklären wir Ihnen weiter unten.

Auch schon vor der Ein­füh­rung des Token Rings gab es selbst­ver­ständ­lich Com­pu­ter­netz­wer­ke. Diese waren aber (wie das ARPANET) nicht für die Öf­fent­lich­keit verfügbar, sondern wurden von einzelnen In­sti­tu­tio­nen zumeist für ihre eigenen Zwecke ent­wi­ckelt und ein­ge­setzt und waren somit nicht stan­dar­di­siert. Anfang der 1980er-Jahre waren die Firmen Procom, Apollo Computer und Proteon die ersten, die Token-Ring-Netzwerke im größeren Stil anboten. Dann hat sich IBM der Sache an­ge­nom­men und Mitte des Jahr­zehnts ein eigenes Produkt auf den Markt gebracht.

Durch die massive Ver­brei­tung der IBM-PCs konnte auch der Token Ring seinen Siegeszug beginnen – und wurde in diesem direkt wieder gebremst. Denn auch die Ethernet-Tech­no­lo­gie, die bereits in den 1970er-Jahren ent­wi­ckelt wurde, gewann in den 1980ern mehr und mehr Po­pu­la­ri­tät, unter anderem durch die Un­ter­stüt­zung von Intel und Xerox. Den Sieg im Wett­streit der beiden Techniken holte sich Ethernet schließ­lich durch die Ein­füh­rung von günstigen, dünnen Ko­axi­al­ka­beln. IBM hatte die Lizenz für das Token-Ring-Verfahren mit so hohen Gebühren verbunden, dass keine günstigen Produkte auf den Markt kommen konnten.

Während IBM zunächst noch versuchte, die Öf­fent­lich­keit von den Vorzügen eines Token Rings zu über­zeu­gen, gab man sich Ende der 1990er-Jahre ge­schla­gen: Zwar hatte das IEEE Standards mit 100 Mbit/s und 1.000 Mbit/s genehmigt, doch wurde Ersteres nur gering ver­mark­tet, und mit Letzterem hat es nicht ein einziges Produkt auf den Markt geschafft.

Die Frage, was ein Token-Ring-Netzwerk ist, lässt sich leichter be­ant­wor­ten, wen man weiß, was es nicht ist: ein Ring-Netzwerk. Eine Ring-Topologie im phy­si­schen Sinne besteht aus einer ring­för­mi­gen Anordnung von Computern. Jeder Netz­teil­neh­mer ist nach links und rechts mit seinen Nachbarn verbunden, sodass das Netzwerk einen ge­schlos­se­nen Ring darstellt. Sobald ein Rechner innerhalb des LANs ausfällt oder eine Ver­bin­dung an­der­wei­tig getrennt wird, bricht das ganze Netzwerk in sich zusammen und keine Ver­bin­dung kommt mehr zustande. Auch wenn ein weiterer Rechner am Netz teil­neh­men möchte, muss man das LAN zumindest für einen kurzen Au­gen­blick un­ter­bre­chen.

Ein Token Ring funk­tio­niert etwas anders, weshalb man davon spricht, dass dieser Technik nur logisch eine Ring-Topologie zugrunde liegt. Die Token-Ring-Topologie setzt auf Mul­ti­sta­ti­on Access Units (MAUs), die eine stern­för­mi­ge Ver­bin­dung der Teil­neh­mer zulässt. Der Verteiler ist ein Kno­ten­punkt, der mit allen Netz­teil­neh­mern verbunden ist. Unter den einzelnen Computern besteht keine direkte Ver­bin­dung.

Dennoch spricht man von einem logischen Ring, der auf der phy­si­ka­li­schen Stern­struk­tur liegt, denn die Da­ten­über­mitt­lung läuft – auf einer abs­tra­hier­ten Ebene – ring­för­mig ab. Zwar werden die Daten immer wieder zum MAU trans­por­tiert, aber nicht von dort aus an einen spe­zi­fi­zier­ten Teil­neh­mer gesendet, sondern einfach an den nächsten Computer in der festen Rei­hen­fol­ge.

Damit es dabei nicht zu Chaos kommt, wendet man das Token-Passing-Verfahren an. Diese Methode sorgt dafür, dass nicht alle Teil­neh­mer gleich­zei­tig in das Netz senden. Nur Rechner, die gerade im Besitz des Tokens sind, haben das Recht, Da­ten­pa­ke­te in das Netz zu schicken. Dieser Token wird ring­för­mig wei­ter­ge­ge­ben – selbst wenn kein Teil­neh­mer eine Sen­de­er­laub­nis benötigt, kreist das Token weiter. Ein Token ist ein leerer Frame in der Größe von 3 Byte, wobei jedes Byte eine ge­son­der­te Aufgabe hat:

• Drittes Byte – Start Delimiter (SD): Die ersten 8 Bit des Frames zeigen den Beginn des Tokens an. Der Aufbau basiert auf dem dif­fe­ren­zi­el­len Man­ches­ter-Code, was eine ein­deu­ti­ge Zuordnung zulässt.
• Zweites Byte – Access Control (AC): Die Zu­griffs­kon­trol­le enthält das Token-Bit. Ist dieses auf 0 gesetzt, ist das Token frei, 1 deutet an, dass es besetzt ist.
• Erstes Byte – End Delimiter (ED): Der End­be­gren­zer ähnelt im Aufbau dem Start­be­gren­zer und macht klar, dass der Frame ab­ge­schlos­sen ist.

Wenn ein Teil­neh­mer den Frame erhält und keine In­for­ma­tio­nen senden möchte, gibt er ihn einfach weiter an den nächsten in der Reihe. Wenn der Computer al­ler­dings etwas senden möchte, ändert dieser das Token-Bit und hängt das ei­gent­li­che Da­ten­pa­ket an das Token an. Nun schickt er das Paket los. Teil dieses Frames ist nun auch Absender- und Emp­fän­ger­adres­se. Dennoch erreicht das Da­ten­pa­ket nicht sofort den Empfänger, sondern wird – über den MAU – von Teil­neh­mer zu Teil­neh­mer wei­ter­ge­reicht, bis es die korrekte Station erreicht hat. Damit das Signal nicht unterwegs an Stärke verliert, fungiert jeder Teil­neh­mer als Repeater: Er liest das Paket ein, erzeugt es neu und schickt es wieder in den Ring.

Die Ziel­sta­ti­on kopiert die In­for­ma­tio­nen, bestätigt den korrekten Empfang der Daten durch eine Änderung im Frame Status (FS), dem letzten Byte im ganzen Frame, und sendet das Paket weiter. Wenn das Da­ten­pa­ket den ur­sprüng­li­chen Sender wieder erreicht hat, löscht dieser die Daten und stellt das Token-Bit wieder auf frei. Al­ter­na­tiv hat er jetzt auch die Mög­lich­keit, die nächsten Daten direkt wieder los­zu­sen­den. Damit aber alle Teil­neh­mer die Chance haben, Daten zu über­mit­teln, ist eine Token Holding Time im­ple­men­tiert. Diese Zeit gibt an, wie lang eine Station das Token für sich in Anspruch nehmen darf.

In jedem Netzwerk können Si­tua­tio­nen auftreten, die ungeplant verlaufen und im Zwei­fels­fall das Netz in die Knie zwingen würden. Ein guter Standard hat für solche Fälle Me­cha­nis­men im­ple­men­tiert, die den Ausfall umgehen. In einem Token Ring sind stan­dard­mä­ßig alle Computer Standby-Monitore (SM), einer kümmert sich al­ler­dings in der Regel in der Rolle eines Active Monitors (AM) um die Über­wa­chung des Netzes. Jeder Teil­neh­mer kann diese Rolle einnehmen. Die Ent­schei­dung, welche Station AM wird – und damit auch, wer SM bleibt – geschieht durch ein festes Verfahren: Monitor Con­ten­ti­on, auch Token Claiming genannt. Das Verfahren wird dann ein­ge­lei­tet, wenn eine Station fest­ge­stellt hat, dass der der­zei­ti­ge AM nicht mehr den ob­li­ga­to­ri­schen Active Monitor Present Frame über den Ring sendet.

In einem solchen Moment erfordert das Protokoll eine Wahl für einen neuen Active Monitor: Die erste Station, die das Fehl­ver­hal­ten des AM bemerkt hat, beginnt, einen so­ge­nann­ten Claim Token Frame zu senden. Die nächste Station im Ring ver­gleicht die MAC-Adresse des Absenders mit der eigenen. Hat die Adresse dieses zweiten Netz­teil­neh­mers einen höheren Wert, tauscht er den Frame mit einem eigenen aus. Am Ende bleibt nur eine Station übrig: Hat deren Frame den Ring dreimal umrundet, ohne dass eine andere Station in­ter­ve­niert, ist ein neuer Active Monitor bestimmt.

Der Active Monitor hat Ver­ant­wor­tung für den rei­bungs­lo­sen Ablauf im Token Ring, doch teilweise können auch Standby-Monitore ein­grei­fen. In folgenden Szenarien kann das Token-Ring-Netzwerk sich selbst heilen:

Sobald ein Token den Active Monitor passiert, setzt dieser einen Timer. Ist die Zeit­span­ne (10 Mil­li­se­kun­den) ab­ge­lau­fen, bevor das Token ihn wieder erreicht, erkennt der AM ein Problem im Netzwerk und erzeugt ein neues, freies Token.

Sollte eine Station ein Paket los­schi­cken und genau in diesem Moment würde der Empfänger ausfallen, würde das Paket unendlich auf dem Ring kreisen, da sich keine Station als Empfänger iden­ti­fi­ziert. Wenn das Paket den AM zum ersten Mal passiert, setzt dieser ein spe­zi­fi­sches Bit um. Kommt das Paket wieder an ihm vorbei, erkennt er anhand des Bits, dass das Paket seinen Empfänger nicht erreicht hat. Nur der AM kann das Bit auf 1 setzen und stellt so fest, dass er bereits mit dem Paket in Kontakt gekommen sein muss. Der Active Monitor zerstört das Paket und erstellt eine neues, freies Token.

In einer normalen Ring-Topologie bedeutet der Ausfall einer Station oder einer Ver­bin­dung den kom­plet­ten Ausfall des Netzes. Bei einem Token-Ring-Netzwerk kann der MAU aber die Schnitt­stel­le einfach über­brü­cken. Feh­ler­haf­te Stationen werden durch einen direkten Nachbar erkannt: Dafür sendet der Teil­neh­mer, der sich direkt hinter dem be­schä­dig­ten Computer befindet, Test-Frames an den Nachbarn. Alle anderen Stationen gehen in einen War­te­mo­dus: Keine Station sendet Daten. Sollte der feh­ler­haf­te Knoten selbst erkennen, dass sein Nachbar eine Be­schwer­de ein­ge­reicht hat, beginnt er eine Feh­ler­ana­ly­se und nimmt sich selbst aus dem Netz.

Der Fehler kann aber auch bei der ur­sprüng­li­chen Station liegen: Die Tatsache, dass den Computer keine Daten mehr erreichen, liegt eventuell auch an einer feh­ler­haf­ten Netz­werk­kar­te. Deshalb setzt der Teil­neh­mer einen Timer, der dem Nachbarn genug Zeit geben würde, einen Selbst­test durch­zu­füh­ren. Sollte nach Ablauf des Timers immer noch kein Frame ankommen, geht die Station von einem Fehler bei sich aus und beginnt sei­ner­seits mit einem Test.

Die feh­ler­haf­te Station – sollte sie nicht der AM gewesen sein – wird bei der Über­tra­gung einfach umgangen, bis eine Lösung gefunden wurde. Sollte es sich um den AM handeln, startet das Token Claiming. Wenn alles wieder funk­tio­niert, erstellt der AM ein neues Token und der Netz­be­trieb kann normal wei­ter­ge­hen.

Die Vor- und Nachteile eines Token Rings lassen sich bei einem Vergleich mit Ethernet ausmachen. Besonders die Tatsache, dass es nicht zu Kol­li­sio­nen kommen kann, macht den Token Ring ei­gent­lich zu einem immer noch in­ter­es­san­ten Konzept: In einem (Half-Duplex-)Ethernet-Netz werden Kol­li­sio­nen durch gleich­zei­ti­ges Senden mehrerer Stationen als selbst­ver­ständ­lich hin­ge­nom­men. Mit der Hilfe von CSMA/CD wird zwar geregelt, wie mit solchen Kol­li­sio­nen um­ge­gan­gen werden soll, doch sie mindern die Ge­schwin­dig­keit trotzdem. In einem Token Ring hingegen können per se keine Kol­li­sio­nen auftreten. Das Token-Passing-Verfahren ver­hin­dert, dass mehrere Stationen gleich­zei­tig senden. Ohnehin laufen In­for­ma­tio­nen immer nur in eine Richtung.

Diese Tatsache gleicht den Makel der fehlenden Ge­schwin­dig­keit zumindest teilweise aus. Während die Token-Ring-Tech­no­lo­gie bei 16 Mbit/s stehen geblieben ist, gab es schon damals Ethernet-Netzwerke mit 100 Mbit/s. Ver­gleicht man dagegen ein einfaches Ring-Netzwerk mit dem Token Ring über MAUs, besticht Letzteres durch die Fle­xi­bi­li­tät der Knoten. Es ist kein Problem, einzelne Computer hin­zu­zu­fü­gen oder aus dem Netz zu nehmen. Auch wenn einzelne Stationen ungeplant ausfallen, ist das Netz nicht gefährdet. Dies in Kom­bi­na­ti­on mit den ef­fek­ti­ven Feh­ler­be­he­bungs­maß­nah­men macht einen Token Ring zu einem sehr stabilen System.