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 ネットワーキングテクノロジです。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で受け渡されます。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法の衝突を排除するチャネル アクセス方法です。

トークンリングは、特に企業環境で成功した技術でしたが、イーサネットの後継バージョンによって徐々に影を潜めていきました。ギガビットトークンリングは2001年に標準化されました。^[1]

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ました。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​​組み始めました。IBMチューリッヒ研究所では、特にWerner BuxとHans MüllerがIBMのトークンリング技術の設計と開発に取り組みました^{[2]。一方、} MITでの初期の研究^{[3]は、1981年に}Proteon 10 Mbit/s ProNet-10トークンリングネットワークにつながりました^[4]  。これは、ワークステーションベンダーのApollo Computerが、75オームのRG-6U同軸ケーブルで動作する独自の12 Mbit/s Apollo Token Ring（ATR）ネットワークを発表したのと同じ年です。^[要出典] Proteonは後に、シールドなしツイストペアケーブルで動作する 16 Mbit/sバージョンに進化しました。

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]この製品は}4Mbit/s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であった。この製品は便利なスター配線の物理トポロジーを採用し、シールド付きツイストペアケーブルで動作した。その後まもなく、この製品はIEEE 802.5規格の基礎となった。^{[8] [検証失敗]}

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、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期に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、市場に製品が投入されることはなく、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支配した ためです。

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  100 Mbit/s IBM トークン リング管理アダプタ (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イスがあります。
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  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 Micro Channel Token Ring カード各種
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  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）
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  Madge 4/16 Mbit/sトークンリング ISA NIC
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  主に多くのパーソナルシステム/2マシンにインストールされていた、複数の16/4初期マイクロチャネルトークンリングカードのシリーズ。
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  Texas Instruments TMS380C26PQL ネットワーク通信プロセッサ。Hewlett Packard JetDirect Token Ring プリント サーバー カードで使用されています。

初期のイーサネットとトークン リングはどちらも共有の伝送媒体を使用していました。チャネル アクセス方法が異なっていました。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検知を使用して、2つのネットワークインターフェイスカード間の直接ケーブル接続をサポートします。トークンリングは本質的にこの機能をサポートしておらず、直接ケーブル接続セットアップで動作するために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。レガシーイーサネットは、キャリアセンスマルチ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。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すことで衝突を引き起こす可能性があります。^[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には、速度の自動検出、ルーティングに必要なすべてのインテリジェンスが含まれており、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）上で自動的に駆動できます（ほとんどのMAUはこのように動作し、LED用の電源のみが必要です）。イーサネットネットワークインターフェースカードは、理論的にはパッシブハブ上である程度動作できますが、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、特定のノードがトークンよりも優先されるアクセス優先順位を採用しています。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、アクセス優先順位システムは用意されていません。
• トークンリング（ S/390メインフレームで使用される機能）では、複数の同一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、各インターフェイ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。対照的に、イーサネットでは、(よりシンプルな) ファームウェアと低いライセンス コストの両方が MAC チップに含まれていました。Texas Instruments TMS380C16 MAC および PHY を使用したトークン リング インターフェイスのコストは、Intel 82586 MAC および PHY を使用したイーサネット インターフェイスの約 3 倍でした。^{[引用が必要]}
• 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確な利点があり、売上が大幅に増加しました。
• システム全体のコストを比較すると、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に比べてはるかに高かったことがさらに顕著でした。イーサネット スイッチの出現が決定打だったのかもしれません。^{[引用が必要]}

トークンリングLAN上のステーションは論理的にリングトポロジーに編成されており、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を制御しながら、1つのリングステーションから次のリングステーションに順次送信されます。同様のトークンパッシングメカニズムは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よりも理論的に優れています。^[18]

トークンリングネットワークは、単一のサーバーが周期的にキューにサービスを提供するポーリングシステムとしてモデル化できます。 ^[19]

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で継続的に循環されます。
• コンピュータが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、コンピュータはフレームを送信できるようになります。
• 次に、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、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が確認されます。フレームからメッセージが削除されます。
• 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メッセージを送信するときに取得する準備が整います。

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。^[20]

MAU はハブまたはスイッチの形で存在することができます。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、ローカルネットワークを超えてパケットを転送するためのソースルーティングが含まれています。ほとんどの MAU はデフォルトで「集中」構成に設定されていますが、後の MAU は IBM 8226 のように、集中装置だけでなくスプリッターとして機能する機能もサポートしています。^[21]

その後、IBMはローブアタッチメントモジュールと呼ばれる複数のMAUモジュールをサポートできる制御アクセスユニットをリリースしました。CAUは、デッドポートが発生した場合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中、および後のほとんどのMAUと同様に複数のインターフェイスなどの機能をサポートしました。^[22]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。

ケーブルは一般的にIBMの「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です。これはIBMが広く採用されることを望んだ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、口語ではボーイジョージコネクタと呼ばれるユニークな両性コネクタが使用されました。^[23]コネクタは非常にかさばり、少なくとも3cm×3cm（1.2インチ×1.2インチ）のパネルスペースが必要で、比較的壊れやすいという欠点があります。コネクタの利点は、性別がなく、標準のシールドなし8P8Cよりも優れたシールドを備えていることです。コンピューターのコネクタは通常DE-9メスでした。タイプ2やタイプ3ケーブルなど、他のタイプのケーブルもいくつか存在しました。^[24]

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。^[20]

• 
  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。

フレームを送信しているステーションがない場合、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、データを送信する必要のある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。

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。

データ フレームは上位層プロトコルの情報を伝えますが、コマンド フレームには制御情報が含まれ、上位層プロトコルのデータは含まれません。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。

開始区切り文字 – 開始区切り文字は、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 はコード違反です。マンチェスター エンコーディングは自己クロッキングであり、エンコードされたビット 0 または 1 ごとに遷移があるため、J と K のコーディングはこれに違反し、ハードウェアによって検出されます。開始区切り文字と終了区切り文字の両方のフィールドは、フレームの境界をマークするために使用されます。

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までの順序で次のビットで構成されます。

P、P、P、T、M、R、R、R。P ビットは優先ビット、T 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指定します。M は、アクティブ モニター (AM) ステーションがこのフレームを確認したときに設定されるモニター ビット、R ビットは予約ビットです。

フレーム制御 – フレームの内容の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。

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 のタイプを示します。

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含まれます。これは、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) のいずれかである 6 バイトのフィールドです。

データ – 0 バイト以上の可変長フィールド。最大許容サイズはリング速度によって異なり、MAC 管理データまたは上位層情報が含まれます。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 計算を保存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 – 開始区切り文字の対となるこのフィールドはフレームの終了を示し、最上位から最下位までの次のビットで構成されます。

J、K、1、J、K、1、I、E。I は中間フレーム ビット、E はエラー ビットです。

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。

A = 1、アドレスが認識されました C = 1、フレームがコピーされました

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 モニター (AM) ステーションまたはスタンバイ モニター (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 モニターしか存在できません。アクティブ モニターは、選出またはモニター競合プロセスを通じて選択されます。

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 (たとえば、ステーションが過去 7 秒間にトークン フレームを受信しなかった場合など)。

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すると、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りたいことを通知します。そのトークンが送信元に戻れば、そのステーションがモニターになっても問題ありません。同時に他のステーションがモニターになろうとすると、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ちます。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 モニターは、いくつかのリング管理機能を実行します。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の同期を提供することです。AM のもう 1 つの機能は、リングに 24 ビットの遅延を挿入して、リング内にトークンを循環させるのに十分なバッファリングが常に確保されるようにすることです。AM の 3 番目の機能は、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 リング ステーションは、リング ネットワークに参加する前に、5 段階のリング挿入プロセスを経る必要があります。これらの段階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 ドライバー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) – ステーションは最初にローブ 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。送信ペア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しで受信できるかどうかを確認します。
• フェーズ 1 (物理的な挿入) - 次に、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) – 次に、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 アドレスを含む MAC フレームを送信します。フレームが戻ったときに、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 に設定されている場合 (リング上の他のステーションがそのアドレスを使用していないことを示します)、ステーションは定期的な (7 秒ごと) 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、ステーションが MAC 管理機能の一部としてネットワーク上で自身を識別している場所です。
• 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) のアドレスを学習し、そのアドレスを最も近いダウンストリーム ネイバーに知らせて、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 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できる場合は、ステーションは両方のビット (AR と FC) を 1 に反転し、送信用の SMP フレームをキューに入れます。18 秒以内にそのようなフレームを受信しない場合、ステーションはオープンの失敗を報告し、リングから挿入解除します。ステーションがリング ポールに正常に参加すると、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て、構成情報を取得します。このフレームは、新しいステーションが認識する必要のあるタイマーとリング番号情報を保持す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。

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という利点があります。トークン リングでは、 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 スキームが指定されていますが、イーサネットでは指定されていません。

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が、ステーションの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の優先度に設定します。ステーションはすぐに送信しません。トークンは、ステーションに戻るまで媒体を循環します。ステーションは、独自のデータ フレームを送受信すると、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。

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には、AT&T StarWAN 10:4ブリッジ、^[25]、 IBM 8209 LANブリッジ^[25]、Microcom LANブリッジなどがありました。代替接続ソリューションには、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など、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構成できるルーターが組み込まれていました。^[26]

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。^[27]

• 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

• Castelli, Matthew (2002)。ネットワーク コンサルタント ハンドブック。Cisco Press。ISBN 978-1-58705-039-8。
• ガロ、マイケル、ハンコック、ウィリアム M. (2001)。ネットワーク解説。デジタル プレス。ISBN 978-1-55558-252-4。

ウィキメディア・コモンズには、トークンリングに関連するメディアがあります。

• IEEE 802.5 Web サイト
• Cisco ルータ トークン リング インターフェイスのトラブルシューティング
• Futureobservatory.org における IBM のトークンリング技術の失敗に関する議論
• イーサネットが故障したらどうなるでしょうか?