トークンリング
トークンリングは、ローカルエリアネットワークの構築に使用される物理層およびデータリンク層のコンピュータネットワーク技術です。1984年にIBMによって導入され、1989年にIEEE 802.5として標準化されました。トークンと呼ばれる特殊な3バイトフレームを使用し、ワークステーションまたはサーバーの論理リングを巡回します。このトークンパッシングは、すべてのステーションに公平なアクセスを提供し、競合ベースのアクセス方式による衝突を排除するチャネルアクセス方式です。
トークンリング技術は導入後、特に企業環境で広く採用されましたが、徐々にイーサネットの新しいイテレーションに取って代わられました。最後に完成したトークンリング規格は、2001年5月4日に公開されたギガビットトークンリング（IEEE 802.5z）でした。[ 1 ]
歴史
1970年代初頭には、さまざまなローカルエリアネットワーク技術が開発されたが、そのうちの1つであるケンブリッジリングは、トークンパッシングリングトポロジの可能性を実証し、世界中の多くのチームが独自の実装に取り組み始めた。IBMチューリッヒ研究所では、特にヴェルナー・バックスとハンス・ミュラーがIBMのトークンリング技術の設計と開発に取り組み、[ 2 ]一方、 MITでの初期の研究[ 3 ]は、1981年にプロテオン10メガビット/秒のProNet-10トークンリングネットワークにつながった[ 4 ] 。これは、ワークステーションベンダーのアポロコンピュータが、75オームのRG-6U同軸ケーブルで動作する独自の12メガビット/秒のアポロトークンリング（ATR）ネットワークを発表したのと同じ年である。プロテオンは後に、シールドなしツイストペアケーブルで動作する アップグレードされた16メガビット/秒バージョンを開発した。
1985年のIBMの立ち上げ
IBMは1985年10月15日に独自のトークンリング製品を発売した。[ 5 ] [ 6 ] 4Mbpsで動作し、[ 7 ] IBM PC、ミッドレンジコンピュータ、メインフレームから接続可能だった。便利なスター型物理トポロジを採用し、シールド付きツイストペアケーブルで接続された。その後まもなく、IEEE 802.5規格の基礎となった。[ 8 ]
この間、IBMはトークンリングLANは特に負荷がかかった状態ではイーサネットよりも優れていると主張したが[ 9 ]、この主張は議論を呼んだ[ 10 ] 。
1988年に、より高速な16Mbit/sトークンリングが802.5ワーキンググループによって標準化されました。[ 11 ]トークンリングの衰退中に100Mbit/sへの速度向上が標準化され市場に出ましたが、広く使用されることはありませんでした。 [ 12 ] 1000Mbit/s規格は2001年に承認されましたが、製品は市場に投入されず、標準化活動は停止しました。[ 13 ]ファストイーサネットとギガビットイーサネットがローカルエリアネットワーク市場を独占した ためです。
ギャラリー
- 100 Mbit/s IBM Token Ring 管理アダプタ（Wake-on-LAN 対応）。UTP（RJ45）とSTP（IBM データコネクタ）の両方のインターフェースを備えています。
- トークン リング ネットワークで使用するための複数の RJ45 ポートを備えた LANStreamer を含む、フルレングスのマイクロ チャネル トークン リング カード各種
- ISA、PCI、マイクロチャネルなどのさまざまなインターフェースを備えたトークンリングネットワークインターフェースカード（NIC）
- Madge 4/16 Mbit/sトークンリング ISA NIC
- 多くのパーソナルシステム/2マシンに主にインストールされていた、初期のマイクロチャネルトークンリングカードの16/4シリーズ。
- テキサスインスツルメンツ TMS380C26PQL ネットワーク通信プロセッサ（ヒューレット パッカードJetDirectトークン リング プリント サーバ カードで使用）
イーサネットとの比較
初期のイーサネットとトークンリングはどちらも共通の伝送媒体を使用していましたが、チャネルアクセス方法が異なっていました。しかし、現代のイーサネットネットワークは全二重モード で動作するスイッチとポイントツーポイントリンクで構成されているため、これらの違いは重要ではなくなりました。
トークン リングと従来のイーサネットには、いくつかの顕著な違いがあります。
- トークン リング アクセスは、イーサネットの競合ベースのCSMA/CDと比較して、より決定論的です。
- イーサネットは、クロスオーバーケーブルを使用するか、サポートされている場合は自動認識機能を使用して、2つのネットワークインターフェースカード間の直接ケーブル接続をサポートします。トークンリングはこの機能を本質的にサポートしておらず、直接ケーブル接続のセットアップで動作させるには追加のソフトウェアとハードウェアが必要です。[ 14 ]
- トークンリングは、使い捨てトークンの使用と早期トークン解放によって衝突を排除し、ダウンタイムを軽減します。従来のイーサネットは、キャリアセンス多重アクセスとインテリジェントスイッチの使用によって衝突を軽減します。一方、ハブなどの原始的なイーサネットデバイスは、トラフィックを盲目的に繰り返し送信することで衝突を引き起こす可能性がありました。[ 15 ]
- トークンリングネットワークインターフェースカードは、速度の自動検出やルーティングに必要なすべてのインテリジェンスを備えており、電源なしで動作する多くのマルチステーションアクセスユニット（MAU）上で自動的に動作することができます（ほとんどのMAUはこのように動作し、LED用の電源のみを必要とします）。イーサネットネットワークインターフェースカードは、理論上はパッシブハブ上である程度動作可能ですが、大規模なLANとしては動作せず、衝突の問題は依然として存在します。[ 16 ]
- トークンリングはアクセス優先度を採用しており、特定のノードがトークンよりも優先されます。非スイッチ型イーサネットでは、すべてのノードが伝送媒体に平等にアクセスできるため、アクセス優先度システムは備えていませんでした。
- トークンリング（ S/390メインフレームで使用されている機能）では、複数の同一のMACアドレスがサポートされています。[ 12 ]スイッチドイーサネットでは、警告なしに重複したMACアドレスをサポートすることはできません。[ 17 ]
- トークンリングはイーサネットよりも複雑で、インターフェースごとに専用のプロセッサとライセンスされたMAC/ LLCファームウェアが必要でした。これに対し、イーサネットは（よりシンプルな）ファームウェアと低いライセンスコストの両方をMACチップに統合していました。Texas Instruments TMS380C16 MACおよびPHYを使用したトークンリングインターフェースのコストは、Intel 82586 MACおよびPHYを使用したイーサネットインターフェースの約3倍でした。
- 当初、どちらのネットワークも高価なケーブルを使用していましたが、イーサネットが10BASE-T ( Cat 3 ) および100BASE-TX ( Cat 5(e) )のシールドなしツイストペアに標準化されると、イーサネットには明らかな利点があり、売上が著しく増加しました。
- システム全体のコストを比較した場合、さらに顕著だったのは、トークンリングのルーターポートとネットワークカードのコストがイーサネットよりもはるかに高かったことです。イーサネットスイッチの登場が、その決定打となったのかもしれません。
手術
トークンリングLAN上のステーションは、リングトポロジーに論理的に構成され、データはリング内を循環する制御トークンによってアクセス制御されながら、リングステーションから次のステーションへと順次送信されます。同様のトークンパッシング機構は、 ARCNET、トークンバス、100VG-AnyLAN (802.12)、FDDIでも使用されており、初期のイーサネットのCSMA/CDよりも理論的な利点があります。[ 18 ]
アクセス制御
データ転送プロセスは次のようになります。
- 空の情報フレームはリング上を継続的に循環します。
- コンピュータは送信するメッセージがある場合、トークンを取得します。その後、フレームを送信できるようになります。
- その後、フレームは各ワークステーションによって検査されます。メッセージの宛先であると識別されたワークステーションは、フレームからメッセージをコピーし、トークンを0に戻します。
- フレームが送信元に戻ると、送信元はトークンが0に変更され、メッセージがコピーされて受信されたことを確認し、フレームからメッセージを削除します。
- フレームは空のフレームとして循環し続け、ワークステーションが送信するメッセージがあるときに取得する準備が整います。
マルチステーションアクセスユニットと制御アクセスユニット
物理的には、トークンリングネットワークは星型に配線され、中心に「MAU」があり、各ステーションに「アーム」が伸び、ループが各ステーションを往復します。[ 19 ]
MAUはハブまたはスイッチの形態をとることができました。トークンリングには衝突がないため、多くのMAUがハブとして製造されました。トークンリングはLLC上で動作しますが、パケットをローカルネットワーク外へ転送するためのソースルーティング機能を備えています。ほとんどのMAUはデフォルトで「コンセントレーション」構成になっていますが、IBM 8226のように、後に登場したMAUはコンセントレータだけでなくスプリッタとしても動作する機能もサポートしました。[ 20 ]
IBMは後に、ローブ・アタッチメント・モジュールとして知られる複数のMAUモジュールをサポートできる制御アクセス・ユニット（CAU）をリリースしました。CAUは、デッドポート発生時の代替ルーティングのためのデュアルリング冗長性、LAMによるモジュール集線、そして後の多くのMAUと同様に複数のインターフェースなどの機能をサポートしていました。[ 21 ]これにより、管理されていないMAUハブよりも信頼性の高いセットアップとリモート管理が可能になりました。
ケーブルとインターフェース
ケーブルは一般的にIBM「タイプ1」、つまり2対150オームのシールド付きツイストペアケーブルが使用されています。これは、IBMが広く普及することを期待していた構造化ケーブルシステム「IBMケーブリングシステム」の基本ケーブルでした。正式な文書ではIBMデータコネクタと呼ばれる独自の雌雄同型コネクタが使用されていました。このコネクタの欠点は、かなりかさばり、少なくとも3cm×3cm（1.2インチ×1.2インチ）のパネルスペースを必要とし、比較的壊れやすいことです。このコネクタの利点は、雌雄同型で、標準的なシールドなし8P8Cよりも優れたシールド性能を備えていることです。コンピューター側のコネクタは通常DE-9メスでした。タイプ2やタイプ3ケーブルなど、他にもいくつかの種類のケーブルが存在しました。[ 22 ]
トークンリングの後の実装では、Cat 4ケーブルもサポートされたため、 MAU、CAU、NICの両方で8P8C（RJ45）コネクタが使用されました。多くのネットワークカードは、下位互換性のために8P8CとDE-9の両方をサポートしています。[ 19 ]
- IBM 8228 マルチステーション アクセス ユニット上の IBM データ コネクタ
- 8P8C「メディア フィルター」は IBM データ コネクターに接続して 8P8C コネクターで使用できるよう変換します。
技術的な詳細
フレームの種類
トークン
どのステーションもフレームを送信していない場合、特別なトークンフレームがループを巡回します。この特別なトークンフレームは、データの送信が必要なステーションに到達するまで、ステーションからステーションへと繰り返し送信されます。
トークンは 3 オクテットの長さで、開始区切り文字、アクセス制御オクテット、および終了区切り文字で構成されます。
| 開始区切り文字 | アクセス制御 | 終了区切り文字 |
|---|---|---|
| 8ビット | 8ビット | 8ビット |
中止フレーム
送信ステーションが送信を中止するために使用されます。
| SD | ED |
|---|---|
| 8ビット | 8ビット |
データ
データフレームは上位層プロトコルの情報を含み、コマンドフレームは制御情報を含み、上位層プロトコル用のデータは含みません。データフレームとコマンドフレームのサイズは、情報フィールドのサイズによって異なります。
| SD | 交流 | FC | ダ | 南アフリカ | LLC からの PDU (IEEE 802.2) | CRC | ED | FS |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 8ビット | 8ビット | 8ビット | 48ビット | 48ビット | 最大4500×8ビット | 32ビット | 8ビット | 8ビット |
- 開始区切り文字
- 開始デリミタは、フレームの開始を示す特別なビットパターンで構成されます。最上位ビットから最下位ビットの順に、J、K、0、J、K、0、0、0 となります。J と K は、差分マンチェスター符号化における符号違反です。差分マンチェスター符号化では、0 または 1 に符号化されたすべてのシンボルの中間遷移が発生しますが、J と K の符号にはシンボルの中間遷移がありません。開始デリミタと終了デリミタの両方のフィールドは、フレームの境界を示すために使用されます。
J K 0 J K 0 0 0 1ビット 1ビット 1ビット 1ビット 1ビット 1ビット 1ビット 1ビット
- アクセス制御
- このバイトフィールドは、最上位ビットから最下位ビットの順に、P、P、P、T、M、R、R、R というビットで構成されます。P ビットは優先度ビット、T ビットはトークンビットで、設定されている場合、これがトークンフレームであることを示します。M ビットはモニタービットで、アクティブモニター (AM) ステーションがこのフレームを検出したときに設定されます。R ビットは予約ビットで、次のトークンをその優先度で発行する必要があることを示します。
+ ビット0～2 3 4 5～7 0 優先度 トークン モニター 予約
- フレーム制御
- フレームの内容のうちデータ部分を記述するビットを含む1バイトのフィールド。フレームにデータが含まれているか制御情報が含まれているかを示します。制御フレームでは、このバイトは制御情報の種類を指定します。
+ ビット0～1 ビット2～7 0 フレームタイプ 制御ビット
- フレーム タイプ – 01は LLC フレーム IEEE 802.2 (データ) を示し、制御ビットは無視されます。
- 00はMACフレームを示し、制御ビットはMAC制御フレームの種類を示します。
- 宛先アドレス
- 宛先の物理アドレスを指定するために使用される 6 バイトのフィールド。
- 送信元アドレス
- 送信ステーションの物理アドレスが格納されます。これは6バイトのフィールドで、送信ステーションアダプタのローカル割り当てアドレス（LAA）またはユニバーサル割り当てアドレス（UAA）のいずれかになります。
- データ
- 0バイト以上の可変長フィールド。リング速度に応じて最大サイズが異なります。MAC管理データまたは上位層情報を含みます。最大長は4500バイトです。
- フレームチェックシーケンス
- 受信側によるフレーム整合性検証用の CRC 計算を格納するために使用される 4 バイトのフィールド。
- 終了区切り文字
- 開始区切り文字に対応するこのフィールドはフレームの終了を示すもので、最上位ビットから最下位ビットの順に J、K、1、J、K、1、I、E のビットで構成されます。I は中間フレーム ビット、E はエラー ビットです。
J K 1 J K 1 私 E 1ビット 1ビット 1ビット 1ビット 1ビット 1ビット 1ビット 1ビット
- フレームステータス
- フレームが意図した受信者によって認識されコピーされたかどうかについての基本的な確認応答方式として使用される 1 バイトのフィールド。
あ C 0 0 あ C 0 0 1ビット 1ビット 1ビット 1ビット 1ビット 1ビット 1ビット 1ビット
- A = 1、アドレスが認識されました
- C = 1、フレームをコピー
アクティブモニターとスタンバイモニター
トークンリングネットワーク内の各ステーションは、アクティブモニタ（AM）ステーションまたはスタンバイモニタ（SM）ステーションのいずれかです。リング上には一度に1つのアクティブモニタしか存在できません。アクティブモニタは、選出プロセスまたはモニタ競合プロセスによって選択されます。
モニター競合プロセスは、次の場合に開始されます。
- リング上の信号損失が検出されました。
- アクティブなモニター ステーションは、リング上の他のステーションによって検出されません。
- エンド ステーションの特定のタイマーが期限切れになる場合 (ステーションが過去 7 秒間にトークン フレームを受信していない場合など)。
上記のいずれかの状況が発生し、ステーションが新しいモニターが必要であると判断した場合、そのステーションはクレームトークンフレームを送信し、新しいモニターになることを通知します。このトークンが送信元に返送されれば、そのステーションはモニターになることができます。同時に他のステーションがモニターになろうとした場合、最も高いMACアドレスを持つステーションが選出プロセスで勝利します。他のすべてのステーションはスタンバイモニターになります。すべてのステーションは、必要に応じてアクティブモニターステーションになることができる必要があります。
アクティブモニタは、リング管理の様々な機能を実行します。最初の機能は、リングのマスタークロックとして動作し、回線上のステーションの信号を同期させることです。AMのもう一つの機能は、リングに24ビットの遅延を挿入し、トークンが循環するのに十分なバッファリングがリング内に常に確保されるようにすることです。AMの3つ目の機能は、フレームが送信されていないときは常に1つのトークンが循環するようにし、リングの破損を検出することです。最後に、AMはリングから循環フレームを削除する役割を担います。
トークン挿入プロセス
トークンリングステーションは、リングネットワークへの参加を許可される前に、5段階のリング挿入プロセスを実行する必要があります。これらのフェーズのいずれかが失敗すると、トークンリングステーションはリングに挿入されず、トークンリングドライバがエラーを報告する場合があります。
- フェーズ0（ローブチェック） – ステーションはまずローブメディアチェックを実行します。ステーションはMSAUでラップされ、送信ペアに2000個のテストフレームを送信できます。送信されたフレームは受信ペアにループバックされます。ステーションはこれらのフレームをエラーなく受信できることを確認します。
- フェーズ 1 (物理的な挿入) – ステーションは 5 ボルトの信号を MSAU に送信してリレーを開きます。
- フェーズ2（アドレス検証） – ステーションは、トークンリングフレームの宛先アドレスフィールドに自身のMACアドレスを格納したMACフレームを送信します。フレームが戻ってきた際に、フレームステータスのアドレス認識（AR）ビットとフレームコピー（FC）ビットが0（リング上にそのアドレスを使用している他のステーションが存在しないことを示す）に設定されている場合、ステーションは定期的な（7秒ごとの）リングポーリングプロセスに参加する必要があります。これは、MAC管理機能の一環として、ステーションがネットワーク上で自身の存在を証明するプロセスです。
- フェーズ3（リングポールへの参加） – ステーションは、最も近いアクティブアップストリームネイバー（NAUN）のアドレスを取得し、そのアドレスを最も近いダウンストリームネイバーに通知することで、リングマップを作成します。ステーションは、ARビットとFCビットが0に設定されたAMPフレームまたはSMPフレームを受信するまで待機します。受信すると、十分なリソースが利用可能な場合は、両方のビット（ARとFC）を1に反転し、SMPフレームを送信キューに追加します。18秒以内にそのようなフレームを受信しない場合、ステーションはリングのオープンに失敗したことを報告し、リングから切断します。ステーションがリングポールに正常に参加した場合、挿入の最終フェーズに進み、初期化を要求します。
- フェーズ4（要求の初期化） – 最後に、ステーションはパラメータサーバーに特別な要求を送信し、設定情報を取得します。このフレームは、新しいステーションが認識する必要があるタイマーとリング番号の情報を保持している可能性のある、特別な機能アドレス（通常はトークンリングブリッジ）に送信されます。
オプションの優先スキーム
アプリケーションによっては、1つのステーションに高い優先度を指定できることに利点があります。トークンリングは、 CANバス（自動車アプリケーションで広く使用されている）と同様に、この種のオプション方式を規定していますが、イーサネットは規定していません。
トークンリング優先度MACでは、0～7の8つの優先度レベルが使用されます。送信を希望するステーションは、要求優先度以下の優先度を持つトークンまたはデータフレームを受信すると、優先度ビットを希望する優先度に設定します。ステーションはすぐに送信を行うわけではなく、トークンは媒体上を循環し、ステーションに戻ってくるまで続きます。ステーションは自身のデータフレームを送受信した後、トークンの優先度を元の優先度に戻します。
802.1Qおよび802.1pをサポートするデバイスのアクセス優先度とトラフィック タイプは次の 8 つです。
| 優先ビット | 交通の種類 |
|---|---|
| x'000' | 通常のデータトラフィック |
| x'001' | 未使用 |
| x'010' | 未使用 |
| x'011' | 未使用 |
| x'100' | 通常のデータトラフィック（他のデバイスから転送されたもの） |
| x'101' | 時間感度要件に従って送信されるデータ |
| x'110' | リアルタイム感度のデータ（例：VoIP） |
| x'111' | 駅の管理 |
イーサネットとの相互接続
トークンリングとイーサネットネットワークのブリッジングソリューションとしては、AT&T StarWAN 10:4ブリッジ[ 23 ] 、 IBM 8209 LANブリッジ[ 23 ]、Microcom LANブリッジなどがありました。また、トラフィック、プロトコル、インターフェースを動的にフィルタリングするように設定できるルーターを組み込んだ接続ソリューションもありました。例えば、イーサネットとトークンリングの両方のインターフェースを備えたIBM 2210-24Mマルチプロトコルルーター[ 24 ]などです。
オペレーティングシステムのサポート
![[アイコン]](/wiki/File:Wiki_letter_w_cropped.svg) | このセクションは拡張が必要です。不足している情報を追加していただければ幸いです。 （2024年10月） |
2012年にDavid S. MillerはLinuxカーネルからトークンリングネットワークのサポートを削除するパッチをマージしました。[ 25 ]
参照
- IBM PC ネットワーク
- プロトコル戦争- 1980年代のインターネットとOSI標準の戦い
参考文献
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一般的な
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外部リンク
