Token Ring: 802.5

Cette conférence présente le protocole Token Ring (802.5), développé par IBM comme alternative à Ethernet. Elle explique son fonctionnement, sa topologie, ses mécanismes d’accès au média, ainsi que ses avantages et limites dans le cadre des réseaux locaux.

Principe de fonctionnement du Token Ring

Token Ring repose sur un mécanisme d'accès au réseau basé sur un jeton (token) circulant en continu sur un anneau logique. Contrairement à Ethernet où les stations émettent de manière anarchique en détectant et gérant les collisions, Token Ring organise strictement l'accès au média. Une seule station peut transmettre à la fois, celle qui possède le jeton.

Le jeton circule de station en station. Lorsqu'une station souhaite transmettre, elle attend que le jeton lui parvienne. Si le jeton est libre, elle le marque comme occupé et émet sa trame. Chaque station qui reçoit la trame la lit et marque la trame pour indiquer qu'elle l'a reçue, puis la laisse continuer. L'émetteur récupère la trame pour vérifier si le destinataire l'a bien lue, puis libère le jeton et le passe à la station suivante. Ce mécanisme évite les collisions et organise l'accès multiple au réseau.

Topologie physique et logique

Logiquement, le réseau Token Ring forme un anneau, c’est-à-dire une succession de liaisons point à point formant un cercle fermé. Cependant, la topologie physique est souvent une étoile. Cette configuration permet d'ajouter ou retirer des stations sans interrompre le fonctionnement de l'anneau et d'assurer la continuité du réseau en cas de panne d'une station.

Niveau physique et codage

La norme recommande l'utilisation de paires torsadées blindées pour la couche physique, bien que le coaxial ou la fibre optique soient également possibles. La transmission s'effectue en bande de base avec un codage Manchester différentiel. Ce codage complexe consiste à représenter un bit à 1 par une transition au début de l'intervalle temporel du bit, tandis qu'un bit à 0 est caractérisé par l'absence de transition. Cette méthode améliore l'immunité aux bruits par rapport à d'autres codages.

Structure de la trame Token Ring

La trame Token Ring comprend plusieurs champs essentiels :

• Marqueurs de début et de fin : codés avec le Manchester différentiel, bien que parfois mal codés en oubliant la transition au milieu du bit.
• Access Control : gère le droit à la parole. Il contient un bit indiquant si le jeton est libre ou occupé, un bit moniteur de supervision, 3 bits de priorité (de 0 à 7) et 3 bits de réservation.
• Frame Control : identifie le type de trame, distinguant les trames de données des trames de commande réseau.
• Adresses : par défaut, chaque carte possède une adresse unique sur 6 octets. En local, il est possible de redéfinir des adresses sur 2 octets pour économiser 4 octets par trame.
• Données : la longueur des données est variable et peut être aussi longue que nécessaire.
• CRC : champ de détection d’erreurs de transmission.
• Frame Status : contient deux bits, A et C. Le bit A est mis à 1 lorsqu'un MAU (Multi-station Access Unit) reconnaît l'adresse destinataire comme la sienne, et le bit C est mis à 1 lorsque la station destinataire effectue une copie de la trame.

Le protocole d'accès et gestion du jeton

La capture du jeton est la base du protocole. Lorsqu'une station souhaite transmettre, elle attend que le jeton lui soit transmis. Une fois capturé, elle peut le conserver pendant une durée paramétrable appelée Token Holding Timer (THT), par défaut 10 ms. Pendant ce temps, la station peut émettre une ou plusieurs trames, ou relâcher le jeton si elle n'a plus rien à envoyer.

La surveillance du jeton est cruciale : si le jeton est perdu, par exemple à cause d'une panne ou d'une perturbation électrique, aucune station ne pourra plus transmettre. De même, une trame peut tourner indéfiniment si l'émetteur tombe en panne avant de la retirer. Ces situations nécessitent des mécanismes de contrôle et de récupération.

Le rôle du moniteur

Le moniteur joue un rôle essentiel dans la gestion du réseau Token Ring. Plutôt que de dédier un poste unique à cette fonction, ce rôle est assumé par la première station connectée, qui se déclare moniteur. Si cette station tombe en panne, une autre station capable de jouer ce rôle la remplace automatiquement. Un protocole spécial permet de désigner le moniteur parmi plusieurs candidats, assurant ainsi la continuité du réseau sans point de défaillance unique.

Gestion des priorités

Token Ring est un protocole déterministe, contrairement à Ethernet, et intègre un mécanisme de priorités pour les trames. Il existe 8 niveaux de priorité, de 0 (trame courante) à 7 (trames exceptionnelles et urgentes).

Lorsqu'une station veut émettre, si le jeton est libre, elle peut immédiatement transmettre, indépendamment de la priorité. Si le réseau est occupé, elle utilise les 3 bits de réservation dans la trame qui passe pour inscrire son niveau de priorité. Si une autre station souhaite également réserver, elle ne peut le faire que si sa priorité est supérieure, remplaçant alors l'ancienne réservation.

Au cours d'un tour, la réservation la plus élevée est inscrite. La station qui émet relâche ensuite un jeton libre portant ce niveau de priorité. Les stations ne peuvent prendre ce jeton que si leur priorité est égale ou supérieure à celle indiquée. Elles peuvent toujours effectuer des réservations selon les mêmes règles.

Il est important de noter que la station qui prend le jeton n'est pas nécessairement celle qui a effectué la réservation la plus élevée, car une station avec une priorité plus forte peut apparaître pendant le tour du jeton et le prendre immédiatement.

Gestion des pannes et localisation des coupures

Contrairement à Ethernet où une coupure de câble affecte uniquement les stations connectées à ce câble, dans Token Ring une coupure affecte tout le réseau. Pour pallier ce problème, le MAU (Multi-station Access Unit) joue un rôle important. Il simule l'anneau et gère les connexions physiques, permettant d'isoler les pannes et d'empêcher l'ouverture de l'anneau si une station s'arrête.

Détection de duplication d’adresses

Token Ring utilise des adresses sur 2 octets définies localement, ce qui peut entraîner des duplications d'adresses par erreur. Lorsqu'une station se connecte, elle émet une trame DAT (Duplicate Address Test) dont l'adresse destinataire est identique à sa propre adresse source. Si cette trame revient avec un frame status indiquant qu'elle a été lue, cela signifie qu'une autre station possède la même adresse.

Le réseau signale immédiatement cette duplication. Selon la configuration, certaines stations refusent la connexion, d'autres se contentent d'alerter, et certaines envoient un ordre de déconnexion à la station en conflit.

Complexité du mécanisme et fiabilité

Le protocole Token Ring, bien que paraissant simple dans son principe d'accès au média, est en réalité complexe. De nombreux cas d'erreurs doivent être gérés : émissions continues, pertes de signal, erreurs de fréquence, pertes de trames, modifications du jeton, non-reconnaissance des délimiteurs, etc.

La moindre perturbation nécessite souvent une purge de l'anneau pour restaurer un fonctionnement normal. Cela implique que le matériel utilisé doit être très fiable et que tous les cas d'erreurs doivent être anticipés.

Conclusion

Token Ring est efficace car son débit effectif suit presque toujours le débit nominal et ne s'effondre jamais, contrairement à Ethernet. Il gère parfaitement les priorités, ce qui le rend adapté aux applications temps réel.

Cependant, il n'a pas réussi à s'imposer largement en raison de son coût élevé et de la complexité de son mécanisme d'accès. De plus, son principe ne se prête pas bien à l'utilisation des commutateurs (switches) qui isolent les serveurs sur des segments à hauts débits.

Token Ring reste néanmoins utilisé chez IBM et dans certaines applications temps réel. Son principe est également à la base des réseaux fédérateurs FDDI.

Points clés

• Token Ring utilise un jeton unique circulant sur un anneau logique pour organiser l'accès au réseau.
• Topologie logique en anneau, souvent réalisée physiquement en étoile via un MAU.
• Transmission en bande de base avec codage Manchester différentiel pour une meilleure immunité au bruit.
• Trame structurée avec champs de contrôle d'accès, priorité, adresses, données et CRC.
• Le jeton est capturé pour transmettre, avec un temps de maintien paramétrable (THT).
• Le moniteur est un rôle dynamique assumé par une station élue pour gérer le réseau.
• Gestion de 8 niveaux de priorité pour les trames, avec mécanisme de réservation et prise de jeton conditionnée.
• Le MAU assure la continuité de l'anneau et la localisation des pannes.
• Détection automatique des duplications d'adresses via la trame DAT.
• Protocole complexe nécessitant du matériel fiable et une gestion rigoureuse des erreurs.
• Efficace et stable, mais coûteux et complexe, il reste utilisé dans des contextes spécifiques.