Token Ring est le protocole promu par IBM pour se démarquer d’Ethernet. Au départ ce réseau avait un débit de 4 Mbps, aujourd’hui c’est du 16 Mbps. On a vu avec Ethernet que l’organisation pour l’accès à la parole était assez anarchique : chacun parle quand il veut, sa méthode de détection des collisions est basée sur le principe qu’on laisse se produire des erreurs et qu’on les traite quand elles arrivent. IBM n’a pas apprécié cette philosophie et à inventé l’anneau (RING) à jeton (TOKEN) où chacun parle quand on lui donne la parole.
4.2 Principe
Un jeton tourne, va de station en station. Lorsque l’on veut parler on attend que le jeton passe. Si il est libre on le marque occupé et on parle. Lorsque l’on reçoit un message on marque la trame pour signaler qu’on l’a lue et on la laisse continuer. L’émetteur reçoit donc la trame qu’il a émise en sachant si le destinataire l’a lue. Il libère le jeton et le passe à son voisin. Comme il n’y a qu’un jeton en circulation sur l’anneau une seule station peut transmettre à un instant donné. Ceci évite l’émission simultanée de plusieurs trames et résout le problème de l’accès multiple.
Il est plus lent sur de faibles charges qu’Ethernet mais plus rapide qu’Ethernet (même 100 Mbps) sur de lourdes charges car il ne s’écroule pas sous les collisions.
Lorsque le trafic est faible, le jeton passe la plupart de son temps à circuler sur l’anneau. De temps en temps une station en prend possession et émet sa trame. Par contre lorsque le trafic s’intensifie de sorte que chaque station possède des trames en attente d’émission, dès qu’une station libère le jeton, la suivante le prend immédiatement. Le droit d’émettre se déplace de station en station suivant l’ordre de connexion physique.
4.3 Topologie
En topologie logique c’est un anneau. C’est à dire que ce n’est pas un simple réseau à diffusion mais une succession de liaisons point à point formant un cercle.
Par contre sa topologie physique (qui peut aussi être un anneau) est souvent une étoile. L’étoile permet en fait d’ajouter une station sur le réseau en fonctionnement et d’assurer le bon fonctionnement de l’anneau en cas de panne d’une station.
Le TR était assez novateur pour le câblage car il utilise du matériel actif équivalent au HUB Ethernet et ceci bien avant 10base T. Ce matériel qui donne la configuration en étoile est nommé MAU (Medium Acces Unit) et c’est lui qui permet de détecter une coupure dans l’anneau et de la réparer immédiatement. C’est aussi cet équipement qui permet d’ajouter une station à « chaud ». Il est possible d’avoir un anneau d’étoiles en reliant plusieurs MAU ensemble. Le TR peut compter jusqu’à 256 stations.
4.4 Le niveau physique
Au niveau physique la norme recommande d’utiliser des paires torsadées blindées bien qu’en théorie on puisse aussi utiliser du coax ou de la fibre optique.
Les signaux de transmission sont en Bande de Base et utilisent les règles du codage Manchester Différentiel : un bit à 1 correspond à une transition en début de l’intervalle temps du bit, un bit à 0 est caractérisé par l’absence de transition. Cette méthode de codage est plus complexe mais offre une meilleure immunité aux bruits.
Remarque : les cartes TR sont prévues pour pouvoir émettre en même temps qu’elles reçoivent. En effet si l’anneau est court et que la trame est longue il se peut très bien que les premiers octets de la trame reviennent avant que les derniers ne soient émis.
4.5 Trame
Marqueur début et fin : codage erroné du Manchester Différentiel en oubliant la transition au milieu de l’intervalle temps bit. Sur TR des 0 et des 1 sont transmis en permanence, ainsi c’est l’absence de signal cohérent pendant 2 bits puis un bit à 0, encore 2 bits incohérents et enfin 3 bits à 0 qui signale le début. La fin d’une trame est signalée par 2 bits incohérents, un bit à 1, 2 bits incohérents puis 3 bits à 1.
On notera qu’il n’y a pas de préambule comme dans Ethernet. Ceci s’explique naturellement par le fait que le préambule (suite de 1 et de 0) permet aux différentes stations de synchroniser leurs horloges de lecture des bits. Or, sur TR on transmet en permanence des 1 et des 0, les horloges sont donc en permanence synchronisées.
Le champs Control est utilisé pour gérer le droit à la parole. Il y a un bit pour signifier si le jeton est libre ou non et 7 autres dont on verra l’utilité précise par la suite : 1 bit de supervision dit bit moniteur, 3 bits de priorité (de 0 à 7) et 3 bits de réservation.
Frame Control est le champs qui permet de déterminer le type de trame, c’est à dire de distinguer les trames de données des trames diverses de commande du réseau.
Les adresses sont par défaut celles inscrites par le constructeur sur la carte (chacune est unique au monde), elles sont sur 6 octets. En local on peut redéfinir les adresses sur uniquement 2 octets. Ceci permet de gagner 4 octets par trame.
Le champ données peut être aussi long que l’on veut. Ceci dit étant donné que chaque station a un temps maximum de maintient du jeton, la taille des données maximales sera limitée par le nombre maximal de bits que peut émettre la station pendant ce temps.
CRC : détection d’erreurs de transmission.
Le champs frame status contient 2 informations : les bits A et C. A est mis à 1 lorsqu’un MAU reconnaît l’adresse destinataire comme étant celle d’une des stations lui étant reliée. C est mis à 1 lorsque la station destinataire effectue une copie de la trame.
4.6 Le protocole
La base du protocole est la capture du jeton lorsque l’on veut transmettre. Lorsque le jeton est capturé , la station peut le conserver pendant le « temps de maintient du jeton » (THT : Token Holding Timer) dont la valeur est paramétrable. Par défaut elle est de 10 ms. Pendant ce temps la station doit émettre une grande trame, plusieurs trames ou relâcher le jeton si elle n’a plus rien à émettre.
Le principe étant basé sur un jeton, il est important de le surveiller. Si le jeton est perdu, par exemple à cause d’une perturbation électrique ou de la panne d’une station, plus personne ne pourra parler. Il se peut aussi qu’une trame tourne indéfiniment sur le réseau si l’émetteur de cette trame tombe en panne avant de la retirer.
Il y a donc une station sur le réseau appelée moniteur. Elle va surveiller et gérer les problèmes susceptibles de se produire. Le moniteur vérifie notamment que la structure du jeton est correcte et qu’une trame orpheline ne circule pas sur l’anneau. Lorsqu’une situation anormale est constatée, le moniteur purge l’anneau et y injecte un nouveau jeton.
Méthode pour surveiller la présence du jeton : le moniteur réinitialise un timer à chaque passage du jeton, si le timer arrive au bout avant que le moniteur ne voit passer le jeton, il émet une trame de purge (PRG) qui fait le tour de l’anneau. Ensuite, il émet un jeton neuf.
Méthode pour surveiller une trame qui boucle : lorsqu’une trame passe devant le moniteur, il met le bit moniteur de l’octet contrôle d’accès de la trame à 1. Ainsi si le moniteur voit arriver une trame avec ce bit M à 1 c’est que la trame a déjà fait plus d’un tour. Le moniteur la supprime donc comme si il en était l’émetteur et émet un jeton vide.
4.7 Le moniteur
Le moniteur a donc un rôle essentiel dans le réseau. Il aurait donc était impensable de dédier un poste à ce rôle : le réseau aurait entièrement dépendu du bon fonctionnement de ce poste. Une panne du câble, du poste ou du logiciel du poste aurait paralysé tout le réseau. Le principe choisi a donc était que chaque station du réseau puisse jouer le rôle du moniteur. La première connectée au réseau se déclare moniteur, si cette station vient à défaillir, elle est remplacée immédiatement par une autre station ( toutes les stations en ayant la capacité). Puisqu’il y aura des candidatures multiples, un protocole particulier désigne l’une des stations comme moniteur.
Protocole de détection de l’absence de moniteur : le moniteur en fonction émet régulièrement une trame AMP (Active Monitor Present). Chaque station possède un timer qu’elle réinitialise au passage de la trame AMP. Si le moniteur cesse d’émettre cette trame, les timers vont arriver au bout. La première station dont le timer arrive à terme lance le protocole d’élection d’un nouveau moniteur.
Il reste néanmoins un risque : si le moniteur émet une trame AMP et meurt. La trame AMP va tourner en boucle, personne ne s’apercevra qu’il n’y plus de moniteur. De plus, étant donné que la trame AMP possède le jeton, plus personne ne parlera. Pour régler ce problème le moniteur attend un temps minimum entre deux émissions d’AMP et chaque station possède un deuxième timer réinitialisé au passage d’un AMP. Si la trame AMP arrive avant que ce timer n’arrive à terme dans une station, cette dernière détruit la trame AMP et lance la procédure d’élection d’un nouveau moniteur.
Protocole d’élection d’un nouveau moniteur : pour l’élection d’un nouveau moniteur on va choisir la station ayant l’adresse la plus grande.
La première station qui détecte l’absence de moniteur actif, c’est à dire dont le premier timer arrive à terme avant le passage de la trame AMP ou dont le deuxième timer n’est pas arrivé à terme au passage de cette même trame, lance une trame particulière appelée Claim Token qui contient son adresse. Lorsqu’une station reçoit un claim Token elle en émet un autre avec comme adresse la plus grande entre celle reçue et la sienne. Cette procédure au bout du compte arrive au fait que la station ayant l’adresse la plus grande reçoit un claim Token avec sa propre adresse. A ce moment elle se déclare moniteur.
Seulement, à cet instant, elle est seule à savoir qu’elle est moniteur, elle émet alors une trame qui signale qu’elle a prit le rôle de moniteur.
4.8 Moniteur multiple
Bien sûr, si la présence d’un moniteur est indispensable, il ne faut absolument pas qu’il y en ait plusieurs. Cela provoquerait un retrait de trame non justifié. Par exemple le premier moniteur, en voyant passer la trame mettrait le bit M à 1, le second croirait que la trame vient de boucler et la supprimerait.
Pour éviter cela, le moniteur va surveiller les trames AMP, si il lui en arrive une qu’il n’a pas émis, c’est qu’il y a un autre moniteur. Il lance alors la procédure d’élection d’un nouveau moniteur.
4.9 L’autotest matériel
Nous avons vu qu’en cas de trame qui boucle le moniteur purge l’anneau avec une trame PRG. La purge est en fait utilisée à chaque fois qu’un problème apparaît, cependant il arrive que la purge ne règle pas le problème. Dans ce cas les stations du réseau, voyant qu’une trame PRG est passée mais que le problème persiste, élisent un nouveau moniteur qui tente à son tour de purger l’anneau. Si le problème persiste encore, on entre dans la phase d’autotest. C’est à dire que toute les stations du réseau se déconnectent et se font un test matériel complet. Ensuite, seules les stations s’étant reconnues comme saines se reconnectent et élisent un nouveau moniteur.
4.10 Notion de priorité
En plus du fait que le protocole de TR soit déterministe au contraire d’Ethernet, il est doté d’un mécanisme pour la notion de priorité des trames.
Jusqu’à présent, on a décrit le fonctionnement en supposant que toutes les trames avaient la même priorité, hors TR prévoit 8 niveaux de priorité, de 0 (trame courante) à 7 (trames exceptionnelles et urgentes).
En fait, lorsqu’une station veut émettre une trame, soit il n’y a pas de trafic et elle va pouvoir prendre immédiatement le jeton libre (dans ce cas le niveau de priorité désiré est sans importance) soit il y a du trafic et elle va voir passer plusieurs trames avant que le jeton ne lui revienne. Dans ce cas elle va utiliser le champ réservation de la trame qui passe devant elle en lui mettant son niveau de priorité (les 3 bits permettent d’inscrire une priorité de 0 à 7).
Si une autre station veut aussi émettre une réservation, elle ne pourra le faire que si son niveau de priorité est supérieur. Dans ce cas elle remplace l’ancienne réservation par la sienne.
Ainsi lors d’un tour, c’est la plus prioritaire qui a inscrit son niveau de priorité.
La station qui a émis cette trame va relâcher à la fin de l’émission un jeton libre. Mais avant cela, elle aura copié le niveau de réservation dans le champs priorité (également 3 bits).
Les stations qui verront passer ce jeton libre ne pourront le prendre que si leur niveau de priorité est égal ou supérieur à celui indiqué dans le jeton. Par contre elles peuvent toujours effectuer des réservations avec les mêmes contraintes.
Bien sûr, ce n’est pas forcement celle qui avait effectué la plus forte réservation qui va prendre le jeton puisque si une station pendant le tour du jeton est apparu avec une priorité plus forte, elle prendra le jeton qu’elle ait effectué ou pas une réservation !
4.11 Localisation des coupures de câbles
Dans TR si un câble est défaillant c’est tout le réseau qui est affecté contrairement à Ethernet où ce ne sont que les stations branchées sur ce câble qui sont coupées du réseau. Il fallait donc un mécanisme pour parer à cette éventualité. De même si une station s’arrête alors qu’elle était connectée sur le réseau, il ne faut plus lui envoyer de trame car sinon, l’anneau serait ouvert. C’est le MAU qui règle tout cela.
En fait les stations ne sont pas vraiment en étoile comme on l’a vu précédemment, elles sont connectées à un MAU qui simule l’anneau.
Celui-ci étant en liaison permanente avec les cartes TR, dès que l’une d’elles ne répond plus, il l’a court-circuite pour fermer l’anneau.
Il en est de même pour des coupures de câbles : c’est le MAU qui va court-circuiter le câble défaillant. Avant cela il faut détecter l’endroit de la panne. Pour cela les stations ont un protocole bien défini : quand un câble de l’anneau est sectionné, très vite, plus personne ne reçoit rien. Les stations émettent alors des trames appelées BCN (Beacon) pour signaler qu’elles ne reçoivent plus rien. Une Beacon contient au départ l’adresse de la station émettrice. Une station qui reçoit une Beacon la retransmet et arrête d’émettre les siennes. Ainsi ne circuleront très rapidement sur le réseau que les Beacons de la station qui se situe juste après la coupure puisque ce sera la seule à ne rien recevoir. Le MAU sait alors où se situe la coupure grâce à l’adresse située dans ces Beacons. Il l’isole en refermant l’anneau par un autre chemin.
4.12 Duplication d’adresse
Le TR étant prévu pour fonctionner avec des adresses sur 2 octets définies par l’administrateur, il est possible que dû à une erreur humaine deux stations aient la même adresse.
Ceci est gênant donc, quand une station se connecte au réseau, elle commence par émettre une trame DAT (Duplicate Adresse Test).
Cette trame a comme particularité d’avoir comme adresse destinataire l’adresse source.
Ainsi lorsque cette trame revient si le frame status indique que la trame a été lue, c’est qu’il y a une autre station avec la même adresse.
TR le signale immédiatement au système du réseau. Ces derniers réagissent de façons complètement différentes : certains refusent de se connecter, d’autres se contentent de le signaler et certains envoient un ordre de déconnexion pour l’autre station !
4.13 Un mécanisme complexe
Les erreurs qui sont susceptibles de détruire le fonctionnement de l’anneau sont nombreuses.
Nous n’avons pas traité tous les cas prévus par la norme : nous n’avons pas parlé des émissions continues, des pertes du signal, des erreurs de fréquence et de transmission, des pertes de trames, des modifications du jeton, de la non reconnaissance des délimiteurs…
La méthode d’accès à la parole qui paraissait simple au départ et posant moins de problèmes que CSMA/CD est en fait un vrai casse tête dû au fait que la moindre perturbation doit au moins être suivie d’une purge de l’anneau.
Il faut donc tout prévoir et avoir du matériel très fiable.
4.14 Les ponts
On peut bien sûr relier plusieurs TR par des ponts.
Ces ponts ont les mêmes fonctionnalités que les ponts Ethernet mais utilisent un principe fondamentalement différent.
Les ponts Ethernet sont dits transparents et le routage se fait de pont en pont.
Sur TR on parle de routage à la source et les stations ont parfaitement « conscience » de la présence des ponts.
Rappels sur les ponts Ethernet :
Les stations A, B, C et D peuvent être sur un même réseau physique. Le pont limite l’encombrement en ne laissant passer que les trames nécessaires. Pour situer les stations, le pont observe les adresses sources des trames et en cas de doute, il diffuse.
Lorsque la station A envoie une trame à la station D : A diffuse la trame et ne se soucie pas du travail des ponts qui vont amener la trame à bon port. Pour régler le problème du chemin lorsqu’il y en a plusieurs, les ponts Ethernet utilisent l’algorithme du Spanning Tree :
Son principe est par étapes :
1 -- On choisi un pont racine, ce sera celui dont l’adresse est la plus petite.
2 – Sur chaque réseau on choisi un pont désigné qui le raccorde à la racine : on prend celui qui a le plus court accès (en nombre de ponts) à la racine. Donc le pont racine est le pont désigné pour chacun des réseaux auxquels il est raccordé. Si il y a des ex æquo on prend celui qui a la plus petite adresse.
Les ponts TR :
Leur système est beaucoup plus simple : ils ne font rien !
En fait les stations ont « conscience » qu’il peut y avoir des ponts et donc le gère.
Lorsqu’une station veut parler à une autre, elle va d’abord essayer de lui parler sur son anneau.
Si personne ne lit la trame, elle pense que la station est sur un autre anneau relié par un pont. Elle la recherche en envoyant une trame discovering. Quand un pont voit passer une trame de ce type il se note dedans et la renvoie de l’autre côté. Si un pont voit passer une trame discovering où il est déjà il l’a jette. Quand le destinataire la reçoit, il l’a renvoie en suivant le chemin inverse. Ainsi la station de départ connaît le chemin d’accès au destinataire et le notera dans chaque trame qu’elle lui enverra.
Il y a plusieurs politiques applicables : soit on prend le premier qui revient, soit celui qui a traversé le moins de ponts,…
Le principe de noter le chemin dans chaque trame est appelé routage à la source.
4.15 Conclusion
Au niveau efficacité le TR est une réussite puisque le débit effectif suit à peut près le débit soumis et en tout cas ne s’écroule jamais. De plus il gère parfaitement les niveaux de priorité, ce qui le rend conforme aux utilisations temps réels.
Cependant, il n’a pas réussi à s’imposer car sa technologie est trop chère et que la méthode d’accès est finalement assez complexe. De plus son principe ne se prête pas à l’utilisation des switch qui permettent d’isoler les serveurs sur des parties à hauts débits.
Il reste néanmoins d’actualité chez IBM et dans les applications temps réel et son principe est toujours utilisé pour les réseaux fédérateurs FDDI.
5. 802.4 : Token Bus
1. Introduction
Le principe ici est le même que pour TR : on partage la ressource de communication en se passant un jeton. Seulement ici les stations se trouvent sur un bus logique (comme pour Ethernet, on peut très bien avoir en physique un bus ou une étoile). Le principe du jeton a l’avantage de garantir un temps maximum entre deux accès à la parole. Pour utiliser le jeton on doit définir un anneau logique. Pour cela à un instant donné une station n’a qu’un prédécesseur et un successeur. Le jeton viendra du prédécesseur et sera transmis au successeur.
2. Principe
Le bus assure la diffusion des signaux vers toutes les stations. Le jeton détermine un accès séquentiel des stations à la parole, évitant ainsi les collisions.
Les stations connectées au réseau forment un anneau logique en étant rangées par ordre décroissant de leurs adresses. La station ayant la plus petite adresse considère comme son successeur la station ayant la plus grande adresse, ainsi une boucle est formée. Chaque station connaît l’adresse de son successeur et celle de son prédécesseur. Une seule station possède le jeton, elle émet ses trames pendant un temps maximum puis envoie une trame « jeton » à sa station successeur. Ainsi le jeton passe par toutes les stations et personne ne parle en même temps. L’emplacement physique n’intervient pas dans le passage du jeton.
3. Le signal
Les signaux sont transmis sur du câble coaxial de façon analogique (ce qui induit l’utilisation de modems) sous forme d’ondes porteuses modulées. Deux techniques de modulation de fréquence peuvent être utilisées, elles déterminent le débit : 5 ou 10 Mbps. Il existe aussi une méthode de transmission numérique (avec un codage Manchester) mais le fait qu’elle limite le débit à 1 Mbps le rend impopulaire. La distance maximale couverte par le câblage est de 3.7 Km.
4. La trame
Préambule: c’est une suite de 1 et de 0 émise pendant une durée minimum qui correspond à 1 Mbps à l’émission d’1 octet. Il permet de synchroniser les horloges.
SD : Start Delimiter, c’est NN0NN000 avec N qui est un signal analogique qui ne représente ni un 1 ni un 0.
FC : Frame Control permet de connaître le type de trame, c’est à dire trame de données ou de commande (Claim Token, jeton libre, etc.). Il contient aussi les priorités.
SA et AD : Adresse source et destination sur 2 ou 6 octets comme pour TR.
ED : End Delimiter, c’est NN/NN/IE avec / qui signifie qu’on peut mettre un 1 ou un 0. I est à 1 si la station émettrice a encore des trames à émettre, à 0 sinon. E est mis à 1 par un répéteur si il n’a pas réussi à réamplifier correctement le signal.
5. Insertion d’une station dans l’anneau
Dès que l’anneau logique a été établi, chaque station gère en permanence les adresses de la station prédécesseur et de la station successeur.
Périodiquement, la station qui détient le jeton transmet une trame de type recherche successeur (Solicit-Successor-1) afin de faire appel aux stations non partenaires de l’anneau à cet instant et qui souhaitent le rejoindre. Cette trame précise l’adresse de la station émettrice et celle de son successeur sur l’anneau. Seules les stations dont la valeur de l’adresse est comprise entre les adresses mentionnées ont le droit de rejoindre l’anneau logique. Ce protocole permet de conserver facilement l’ordre décroissant des adresses des stations sur l’anneau logique. Si aucune station ne se porte candidate dans l’intervalle de temps (fenêtre de réponse) qui suit l’émission de cette trame, la fenêtre de réponse est fermée et le processus normal de circulation du jeton reprend. Si une seule station se porte candidate en émettant une trame Set-Successor, elle s’insère sur l’anneau et devient la prochaine station destinataire du jeton.
Si deux ou plusieurs stations se portent candidates, leurs trames seront victimes de collisions. La station qui détient le jeton exécute alors un algorithme d’arbitrage commençant par la diffusion d’une trame résolution de contention destinée à initialiser le processus de résolution de contention.
Bien sûr, la station qui a la plus petite adresse du réseau (on la nomme lowest adress) ce comporte un peu différemment : elle ne va pas ouvrir une fenêtre de réponse mais deux successives en émettant une trame Solicit-Successor-2. Pendant la première fenêtre, seules les stations ayant une plus petite adresse que celle de l’émettrice peuvent répondre. Pendant la seconde, ce sont les stations qui ont une adresse supérieure à celle du successeur de l’émettrice qui peuvent répondre. Si une réponse est effectuée dans la seconde fenêtre alors qu’une réponse a déjà était faite pendant la première elle est ignorée. Les problèmes de collision se règlent aussi par l’algorithme de résolution de contention.
6. Résolution de contention
Lorsqu’une station qui a émis une trame de recherche successeur détecte une collision, elle émet une trame Resolve-Contention qui indique aux candidates qu’il y a eu une collision. Puis elle ouvre 4 fenêtres de réponse successives. Les stations candidates, à la réception de la trame Resolve-Contention, arment un timer qui vaut 0, 1, 2 ou 3 * TC (TC = temps d’ouverture d’une fenêtre de réponse). Avant de répondre, les stations attendront le temps de ce timer. Ainsi, les stations vont se répartir dans les différentes fenêtres de réponse. La première réponse qui sera seule dans sa fenêtre sera acceptée. Pour choisir le timer qui sera déclenché, les candidates au premier essai utilisent les 2 bit de poids faible de leurs adresses (0, 1, 2 ou 3). A partir du deuxième essai (si il y a eu plusieurs réponses dans les 4 fenêtres), les candidates tireront aléatoirement ce chiffre entre 0 et 3.
7. Initialisation
L’initialisation de l’anneau logique est un cas particulier du processus d’appel à candidature. Quand la première station devient active, elle constate après un délai d’observation suffisant, qu’il n’y a aucun trafic sur le support de transmission. Sur cette constatation, la station transmet une trame Claim Token. N’obtenant pas de réponse, elle constitue un anneau logique dont elle est l’unique station.
Ensuite, périodiquement elle déroule le processus d’appel à candidature (au départ, elle est forcement la station lowest adress et ouvre donc deux fenêtres, une pour celles qui ont une adresse plus petite qu’elle et une pour celles qui ont une adresse plus grande que celle de son successeur, c’est à dire elle même). Les autres stations s’insèrent au fur et à mesure qu’elles deviennent actives selon le processus décrit au paragraphe précédent.
8. Suppression d’une station
Quitter l’anneau est très facile. Lorsqu’une station veut quitter l’anneau, elle attend le jeton. Quand il arrive, elle émet une trame Set-Successor à sa station prédécesseur pour lui indiquer son nouveau successeur. Cette dernière préviendra ensuite celui-ci qu’elle est son nouveau prédécesseur. La station qui veut quitter l’anneau est donc libre dès qu’elle a prévenu son successeur. Nous verrons plus tard que même si elle n’a pu effectuer ce processus (à cause d’un arrêt brutal par exemple) les stations actives règleront seules ce problème.
9. Passage du jeton
Lorsqu’une station libère le jeton, elle émet une trame à destination de son successeur, lui indiquant qu’il est à présent le possesseur du jeton. Puis elle surveille que celui ci l’a bien reçu. Pour cela elle observe le bus, si une trame (jeton libre ou données) apparaît, c’est qu’il l’a bien reçu, sinon, elle retente la procédure de passage du jeton. Si cette procédure échoue de nouveau, elle va considérer que son successeur est mort et va donc chercher à joindre le successeur de son successeur en envoyant une trame « qui suit mon successeur ? » (Who-Follows), qui contient l’adresse du successeur supposé mort. Les stations, en recevant cette trame vérifient leurs prédécesseurs. Celle qui se reconnaît répond en donnant son adresse: l’anneau est ainsi reconstitué.
10. Perte du jeton
Lorsqu’une station ne possède pas le jeton, elle écoute en permanence le bus. Premièrement pour détecter un signal lui étant adressé deuxièmement pour surveiller la perte du jeton. En effet, en fonctionnement normal, des signaux doivent être émis régulièrement sur le bus, que ce soit le passage du jeton ou des trames de données. Une absence de signal pendant un certain temps (supérieur au temps de 4 fenêtres de réponse et de propagation sur le bus) est donc significatif de la perte du jeton.
La première station qui détecte cette perte du jeton émet une trame Claim Token dont la longueur dépend de son adresse. Les stations repérant un Claim Token vont en émettre à leur tour. Chaque station va émettre des Claim Token successifs jusqu’à ce que lorsqu’un Claim Token ait fini d’ être transmis et que la station écoute le bus elle entende un signal (Claim Token des autres). Dans ce cas, elle abandonne la compétition pour la régénération du jeton. Très vite la plupart des stations abandonnent donc et une seule entend un silence après la transmission de son Claim Token . Après plusieurs itérations d’un Claim Token suivi d’un silence, la station considère avoir gagné le droit de régénérer le jeton. Ensuite elle reprend le processus normal.
11. Duplication du jeton
Une station qui est dans l’état recherche de successeurs ou qui a envoyé une trame Who-Follows et qui entend sur le bus une trame de données ou un jeton comprend qu’une autre station est active. Elle abandonne donc son jeton. La situation redevient ainsi normale.
12. Duplication d’adresse
Quand une station voit passer une trame qu’elle n’a pas émise dont le CRC est valide avec comme adresse source sa propre adresse, elle comprend qu’il y a une duplication d’adresse et se déconnecte. Ensuite elle va entrer dans le processus de candidature à l’anneau.
Tant que la station ayant la même adresse sera présente sur l’anneau logique, elle ne pourra se reconnecter puisqu’il ne sera jamais proposé d’intervalle incluant son adresse : l’intervalle proposé par une station va de l’adresse strictement inférieure à la sienne à l’adresse strictement supérieure à celle de son successeur.
13. Mode réponse immédiate
Dans le FC se trouve un bit qui permet d’envoyer une trame dite en mode réponse immédiate. C’est à dire lorsqu’une station reçoit une trame avec ce bit à 1 c’est qu’elle peut et doit répondre immédiatement sans attendre le jeton. C’est une sorte de délégation temporaire du jeton. Ce mode permet de demander un accusé de réception immédiat ou de donner la parole à une station qui n’est pas sur l’anneau. Par exemple lors d’une recherche de successeur la trame adressée aux candidates est de ce mode afin qu’elle puisse répondre bien qu’elle n’ait pas le jeton.
En pratique ce mode est aussi utilisé pour faire du contrôle centralisé éventuellement multimaître. Dans ce cas seuls les maîtres font partie de l’anneau (un esclave ne parlant que sur l’ordre d’un maître), mais tous les maîtres et esclaves sont connectés au même bus. Lorsqu’un maître demande une tache à un esclave il lui envoie une trame en mode réponse immédiate.
14. Temps de transmission
Chaque fois qu’une station acquière le jeton, elle peut transmettre pendant une durée de temps limité avant de devoir passer le jeton à son successeur. Le temps maximum de transmission appelé Hi Pri Token Hold Time est configuré par l’administrateur après analyse des contraintes du système.
L’appel de nouvelles stations ne doit pas interférer avec le temps de rotation maximum du jeton. Une station déclenche donc un timer à chaque passage du jeton et lance la procédure d’insertion d’une station que si le jeton a fait un tour rapide (ce qui correspond à une faible activité du réseau).
De plus, même si le réseau a une faible activité il n’est pas utile de lancer l’appel à candidature à chaque tour. Chaque station a donc un compteur (Inter Solicit Count) qui lui permet de lancer l’appel à candidature que tous les X tours du jeton.
15. Gestion des priorités
Le bus à jeton défini quatre niveaux de priorité référencés 0, 2, 4 et 6. Le niveau 0 est le plus faible, 6 le plus fort.
Le principe est assez simple, chaque station va émettre en priorité ses trames de forte priorité et a plus de temps pour transmettre les trames de priorité 6 que celles de 0 de sorte que le trafic des trames de priorité 0 laisse de la bande passante pour les priorités plus élevées.
Mécanisme : on définit une valeur TTRTi (Target Token Rotation Time) pour chaque priorité i. TRT6 indiquera le temps de rotation maximum du jeton et on aura TRT6>TRT4>TRT2>TRT0. Chaque station a quatre timer : TRT6, TRT4, TRT2 et TRT0. Ces timers sont initialisés à chaque passage du jeton à respectivement TTRT6, TTRT4, TTRT2 et TTRT0 (TTRTi-TRTi=Temps de rotation du jeton). Avant d’initialiser TRTi à TTRTi à l’arrivée du jeton d’autres timers (HTi) sont initialisés à TRTi. Ce procédé a pour but que les TRT commencent à décompter le temps de rotation du jeton et que les HT indiquent combien de temps on peut émettre dans la priorité i.
Ensuite, chaque timer (TRTi et HTi) continue à décompter le temps. Une station peut émettre en priorité 6 tant que HT6 >0, puis si HT4 est encore >0 elle peut émettre pendant HT4 et ainsi de suite.
Voyons un exemple pour bien comprendre le mécanisme :
Pour l’exemple suivant on prendra TTRT6=100, TTRT4=80, TTRT2=50 et TTRT0=30. Les trames sont toutes de même longueur avec un temps d’émission de 20. Au départ, la station doit émettre une trame de chaque priorité.
Le jeton a mis 40 pour faire le tour, on a donc TRT6=60, TRT4=40, TRT2=10 et TRT0=-10.
A l’arrivée du jeton on positionne donc HT6=60, HT4=40, HT2=10 et HT0=-10 puis TRT6=100, TRT4=80, TRT2=50 et TRT0=30.
HT6 étant supérieur à 0 la station émet sa trame de priorité 6. On a donc TRT6=80, TRT4=60, TRT2=30, TRT0=10, HT6=40, HT4=20, HT2=-10 et HT0=-30.
HT4>0 donc la station émet sa trame de priorité 4, on a alors TRT6=60, TRT4=40, TRT2=10, TRT0=-10, HT6=20, HT4=0, HT2=-30 et HT0=-50.
HT2<0 la station ne peut donc pas émettre sa trame de priorité 2, elle libère le jeton.
Le jeton met cette fois 20 à faire le tour.
A l’arrivée du jeton on a donc TRT6=40, TRT4=20, TRT2=-10 et TRT0=-30, la station réinitialise ses compteurs. Ce qui donne TRT6=100 , TRT4=80, TRT2=50, TRT0=30, HT6=40, HT4=20, HT2=-10 et HT0= -30.
La station aurait pu émettre des trames de priorité 6 et 4 mais supposons qu’elle n’ait que des trames de priorités 0 et 2. Dans ce cas elle est obligée de passer directement le jeton.
Le jeton met de nouveau 40 pour faire le tour.
A son retour on a donc TRT6=60 , TRT4=40, TRT2=10, TRT0= -10. La réinitialisation donne TRT6=100 , TRT4=80, TRT2=50, TRT0=30, HT6=60, HT4=40, HT2=10 et HT0=-10.
La station peut donc émettre une trame de priorité 2 mais d’une durée uniquement de 10.
Cette méthode permet de laisser sur le réseau la priorité aux trames de forte priorité et de limiter le débit des trames de faible priorité.
16. Conclusion
Ce type de réseau à l’avantage d’être déterministe et de ne pas s’écrouler sous les collisions. Cependant la nécessité d’avoir des équipements comme des modems et du câble coaxial le rend relativement coûteux.
Il est de moins en moins utilisé mais encore d’actualité dans les réseaux industriels. GIXInet et Arcnet ont été les premiers à utiliser cette méthode. TORNAD (le réseau du TGV) et HSDB, Hight Speed Data Bus (réseau militaire) sont des exemples de Token Bus.
6. ANSI X3T9.5 : FDDI
1. Introduction
FDDI : Fiber Distributed Date Interface
Né au début des années 80, son principe est celui d’un double anneau à 100Mbps sur fibre optique. Son rôle principal est celui des réseaux fédérateurs (Backbone), à plat il peut s’étendre sur 100 km et accepter jusqu’à 1000 stations. Ses trames maximales sont de 45 Ko. On le trouve encore beaucoup sur des sites où un backbone à 100 Mbps était nécessaire avant l’arrivé du 100BaseT, mais FASTETHERNET et le Gigabit Ethernet sont en train de causer sa perte. Sa norme n’est pas de l’IEEE, elle vient de l’ANSI et est nommée X3T9.5. Certaines installations tournent à 200 Mbps mais elles sont instables, on utilise le réseau secondaire pour transmettre 200 Mbps.
2. Le codage 4B/5B NRZI
Ce codage est basé sur NRZI qui code un 1 par une transition et un 0 par une absence de transition plus le fait qu’on code 4 bits par une suite de 5 ne comprenant jamais plus de trois 0 à la suite, un 0 au début et deux 0 à la fin. Ceci permet d’avoir au moins une transition tous les 3 bits.
3. Trame FDDI
La trame ressemble à celle du TR, il y a un préambule car on n’émet pas en permanence. Le Start Delimiter (SD) et le End Delimiter (ED) sont des codes particuliers ne correspondant à rien d’autre :
SD : 1100010001
ED : 01101 si jeton vide
0110101101 si c’est une trame
On remarquera qu’il n’y a pas de champs Access Control, c’est le champs FC qui permet de dire si le jeton est libre ou non.
Il n’y a pas non plus de champs priorité, réservation, ni de bit M.
Une autre particularité : dans le FC, un bit indique si on utilise les adresses sur 2 ou 6 octets, ainsi les deux adressages peuvent cohabiter.
Les trames sont lues puis régénérées complètement dans chaque station.
4. Principe
Etant donné sa taille importante, le délai de propagation peut atteindre 1ms. Cela suffit seul à expliquer qu’il ait fallu modifier le protocole 802.5. En effet, s’il fallait attendre le retour de l’entête d’une trame pour réemettre un jeton, cela induirait une perte de bande passante importante. C’est donc la longueur qui a poussé les concepteurs de FDDI à modifier le protocole de gestion du jeton et les mécanismes de priorité.
5. Circulation du jeton
Comme dans le TR, une station qui souhaite émettre des données doit attendre le jeton libre. Lorsque celui-ci arrive, la station peut émettre dans tous les cas une trame dite synchrone puis en fonction de l’algorithme que nous verrons ensuite, des trames dites asynchrones pendant une durée limitée. Ensuite le station réemet le jeton. Contrairement à TR on n’attend pas le retour de ses trames avant de réemettre le jeton, le délai serait trop long. Il peut donc y avoir sur l’anneau plusieurs trames en simultané mais un seul et unique jeton. Le fait que l’on n’attende pas le retour de ses trames pour réemettre le jeton explique le fait qu’on ne puisse utiliser le même principe de priorité que dans TR.
Les trames sont ensuite retirées de l’anneau par la station qui les a émises, néanmoins les dépouilles de trames continuent à circuler puisqu’une station ne reconnaît sa trame qu’à l’adresse source. Etant donné qu’il n’y a pas de bit M, ces dépouilles et les trames dont l’émetteur serait déconnecté avant de les retirer pourraient tourner indéfiniment. Ce problème est réglé par le fait que toutes les stations sont des répéteurs (puisqu’elles réemettent la trame qu’elles reçoivent) sauf celle qui est en train d’émettre . Cette dernière purge donc tout ce qui lui arrive en amont. Cette méthode simple a quand même un inconvénient : une station peut recevoir plusieurs fois le même message, il faudra donc régler ce problème au niveau supérieur.
6. Le jeton simple
Le principe utilisé par FDDI vise à partager de manière aussi équitable que possible la bande passante de l’anneau entre les diverses stations tout en privilégiant les messages urgents.
Les stations d’un réseau transmettent généralement leurs données selon deux flux différents. Une petite partie est émise régulièrement et le reste ponctuellement.
Sur FDDI, chaque station est sûre de pouvoir émettre à chaque passage du jeton libre une petite quantité de données et est sûre que le jeton libre revient relativement rapidement et régulièrement.
Les trames qu’on est sûr de pouvoir émettre sont dites synchrones. Ensuite, selon la disponibilité du réseau, la station pourra peut être encore émettre plusieurs trames dites asynchrones.
Fonctionnement
A l’initialisation d’une station sur le réseau, on lui attribue deux valeurs :
- TTRT : Target Token Rotation Timer, qui sert à déterminer le temps maximal de transmission autorisé.
- Si : c’ est un pourcentage de TTRT, qui sert à déterminer le temps maximal d’émission de trames synchrones (Si * TTRT).
La somme des Si des stations du réseau est inférieure à 100%, de sorte que si toutes les stations émettent pendant leur temps maximum (Si * TTRT) en mode synchrone le jeton libre mettra au plus TTRT pour faire un tour. De plus, chaque station possède 2 timers :
- TRT: Target Rotation timer, qui permet de décompter le temps effectif de rotation du jeton libre.
- THT : Token Hold Timer, qui permet de mesurer le temps disponible pour la transmission asynchrone.
Voyons comment une station se comporte :
o Etat initial : TTRT= 100ms
Si=20% soit 20ms de transmission synchrone.
TRT=TTRT=100ms.
o Instant t : Arrivée du jeton libre
La station n’a rien à dire, elle laisse passer le jeton mais déclenche quand même TRT.
o Instant t+60 ms : Nouvelle arrivée du jeton libre
TRT=100-60=40ms.
Cette fois, la station a des trames à émettre en mode synchrone et asynchrone. THT se positionne à TRT soit 40ms et TRT se repositionne à TTRT soit 100ms. La station transmet ses trames synchrones.
o Instant t+80 ms : La station a épuisé son crédit temps pour l’émission des trames synchrones.
TRT vaut 80ms et THT toujours 40ms.
La station commence à émettre ses trames asynchrones.
o Instant t+120 ms : La station a épuisé son THT et n’a donc plus le droit de transmettre en asynchrone.
THT vaut donc 0 et TRT 40ms.
Elle libère le jeton.
o Instant t+160 ms : Le jeton n’est pas revenu mais le TRT est arrivé au bout.
La station met un booléen, AT (Arrivée Tardive) à 1.
Elle remet le TRT à TTRT.
o Instant t+180 ms : Le jeton revient de nouveau.
Le fait que le bit AT soit à 1 interdit à la station d’émettre des trames asynchrones cette fois.
L’arrivée du jeton provoque la remise à 0 du bit AT.
TRT vaut 80ms.
La station peut émettre pendant 20ms des trames synchrones.
o Instant t+200 ms : La station cesse d’émettre ses trames synchrones et libère le jeton.
o Instant t+230 ms : Le jeton revient.
Le TRT vaut 30 ms.
THT passe donc à 30 ms et TRT est réinitialisé à 100 ms.
La station peut émettre en synchrone pendant 20ms puis asynchrone pendant 30 ms.
o Et ainsi de suite…
Cette méthode permet qu’un jeton libre ne puisse pas mettre plus de 2 * TTRT à revenir. Ceci permet non seulement de détecter un problème sur l’anneau mais aussi d’assurer à chaque station qu’elle pourra émettre en mode synchrone au moins tous les 2 * TTRT.
7. Le jeton réduit
Le jeton réduit est un processus qui permet à un groupe des stations de se réserver pendant un temps tout le trafic asynchrone, pour transmettre par exemple, un flot de données important.
Lorsqu’une station décide d’utiliser cette méthode, elle attend un jeton libre, en mode synchrone, elle prévient les stations qui doivent faire parti de son groupe puis libère non pas un jeton normal mais un jeton réduit.
Avec ce type de jeton, les stations qui n’ont pas été invitées au groupe ne peuvent plus émettre du tout en mode asynchrone, ce qui laisse de la bande passante pour celles du groupe.
Cette méthode n’altère pas la transmission synchrone. Lorsque les stations du groupe ont transmis toutes leurs données, la station du départ, lorsqu’elle a récupéré le jeton, libère un jeton simple et le fonctionnement du réseau redevient normal.
8. Gestion des priorités
Dans FDDI, la notion de priorité ne s’applique pas uniformément. En fait, les transmissions de trames synchrones sont les plus prioritaires puisque ce sont les seules que l’on est sûr de pouvoir transmettre. Cependant, parmi ces trames, toutes ont la même priorité. La notion de priorité s’applique donc uniquement sur la transmission asynchrone et en dehors de la notion de jeton réduit.
Nous avons déjà vu que le jeton mettait au plus 2 * TTRT pour faire le tour de l’anneau, mais que pour pouvoir transmettre des trames asynchrones il fallait que ce dernier fasse le tour en moins de TTRT. La notion de priorité induit quelques contraintes supplémentaires au sujet du droit de transmettre des trames asynchrones.
FDDI prévoit 8 niveaux de priorité, le niveau de priorité (de 0 à 7) sera noté i. Pour le calcul du droit de transmettre des trames asynchrones, les stations utilisent une fonction Pri qui est inversement proportionnelle à i :
Le droit d’émettre une trame asynchrone n’est pas uniquement d’avoir le THT > 0, il faut que le THT soit supérieur au résultat de Pri(i) , i étant le niveau de priorité de la trame à émettre. De plus, la station n’aura pour cette trame que le temps de THT – Pri(i). Il faut donc prévoir si on aura le temps ou pas d’émettre cette trame. Pour cela, les stations calculent le temps d’émission de la trame et vérifient l’inégalité suivante : THT – Pri(i) ? Dm avec Dm qui indique le temps de transmission de la trame.
Voyons un exemple d’organigramme de calcul de droit d’émettre pour une station qui aurait dans sa pile trois trames : m1, m2 et m3 de priorités respectives 5, 7 et 0.
Après cet exemple dans une station, voyons le comportement du réseau avec un exemple simplifié.
Nous prendrons un anneau comportant 5 stations notées A, B, C, D et E. Le TTRT du réseau est 100ms. Afin de simplifier, les durées d’émission d’un jeton et tous les délais physiques sont négligés. Toutes les trames sont supposées avoir la même longueur et un temps d’émission de 5ms. Le trafic synchrone (Si) est équitablement réparti entre toutes les stations, chacune dispose de 5% soit 5ms (donc 1 trame). On suppose qu’une station veut émettre des trames qui ont toutes la même priorité et qu’elle veut à chaque passage du jeton émettre le même nombre de trames :
A veut émettre une trame synchrone et 5 asynchrones de priorité 0
B veut émettre une trame synchrone et 1 asynchrone de priorité 1
C veut émettre une trame synchrone et 1 asynchrone de priorité 5
D veut émettre une trame synchrone et 2 asynchrones de priorité 0
E veut émettre une trame synchrone et 4 asynchrones de priorité 0
Voici les TRT et THT de chacune des stations durant les deux premiers tours de jeton. (Au départ, aucun trafic n’avait été écoulé en synchrone et asynchrone pendant les rotations précédentes du jeton). Le tableau nous permet de voir le mécanisme des limitations : certaines stations n’ont pu émettre toutes leurs trames.
Le tableau suivant décrit le même exemple sur 8 tours de jeton en ne reportant que le nombre de trames asynchrones transmises :
On voit bien sur cet exemple, même si il est simpliste que le mécanisme de limitation fait tourner le solde de bande passante disponible entre les différentes stations ayant des trames de même priorité tout en laissant disponible la bande passante nécessaire aux trames de plus fortes priorités.
9. Gestion des fautes
Dans FDDI, on a pas de signal continu ni de moniteur comme dans TR. Il faut donc d’autres moyens pour gérer les fautes.
On a déjà vu que le problème de la trame qui boucle est réglé par le fait que la station émettrice purge ce qui lui arrive en amont.
Pour la disparition du jeton, on utilise le fait qu’il soit censé passer au moins tous les 2 * TTRT. En clair, si le jeton n’est pas arrivé lorsque TRT arrive à 0 et que le bit AT vaut 1, on sait que le jeton est perdu. La première station qui s’en aperçoit émet une trame Claim Token avec son adresse et son TTRT. Un station qui reçoit un Claim Token avec un TTRT supérieur le retransmet, s’il est égal, elle le retransmet si l’adresse source de l’émetteur est plus grande que la sienne. Dans les autres cas, elle émet son propre Claim Token. Quand une station reçoit son Claim Token, c’est qu’elle est celle qui a la plus grande adresse de celles qui proposent le plus grand TTRT. C’est à elle d’émettre un nouveau jeton et de prévenir les autres stations du TTRT à utiliser.
Ce mécanisme induit qu’on a sur le réseau le TTRT le plus grand paramétré dans les stations et permet de changer ce dernier en cours de fonctionnement. Il est néanmoins incontestable que l’on perd du temps à chaque perte de jeton.
Pour détecter une coupure on s’appuie sur ce mécanisme. En effet, une coupure induit une perte de jeton et donc l’émission d’une trame Claim Token. Si on ne reçoit pas un Claim Token après un certain temps on sait qu’il y a une coupure. On émet alors des trames Beacon à la façon TR pour localiser la panne.
Les stations sont réparties dans deux classes de connexion. La classe A regroupe les stations ayant un réseau secondaire, en cas de problème on reboucle donc sur ce réseau et la station reste connectée. Les stations de la classe B sont connectées avec un seul réseau au concentrateur. En cas de problème le concentrateur la déconnecte.
10. Insertion d’une station de classe A
Lorsque l’on insère une station de classe A dans un FDDI, on parle de croissance. Imaginons un cas où 3 stations de classe A sont reliées à un concentrateur.
Lorsque la station B est débranchée les stations A et C utilisent leurs réseaux secondaires comme dans la figure ci-dessous :
Lorsque B est branché deux sous anneaux se créent reliant A et B d’un coté, B et C de l’autre :
Ensuite, ces deux sous anneaux se relient en un seul pour relier A, B et C :
Enfin, une des stations, A ou C raccorde l’anneau ABC au grand réseau :
Pour terminer, les stations vont se brancher uniquement sur le réseau primaire :
11. Conclusion
FDDI est une sorte de TR à hauts débits. Il est utilisé en tant que réseau fédérateur par sa capacité à transmettre l’information rapidement sur de grandes distances. On le voit encore sur de nombreux sites mais les réseaux modernes comme ATM sont en train de le remplacer.
