شبکه توکن‌رینگ (Token-ring) چیست و چگونه کار می‌کند؟

توکن (Token) چیست؟

در شبکه‌های توکن‌رینگ، توکن، یک فریم 3 بایتی است. توکن را می‌توان به مجوزی تشبیه کرد که هر رایانه‌ای برای تبادل داده با گره‌‌های دیگر، ابتدا باید آن را در اختیار بگیرد. در هر لحظه فقط یک رایانه می‌تواند به توکن دسترسی یابد و همین راه‌کار از برخورد داده‌ها در شبکه جلوگیری می‌کند. وقتی که شبکه بی‌کار است و هیچ داده‌ای در آن تبادل نمی‌شود، توکن آزادانه و پیوسته در مسیر حلقوی شبکه می‌چرخد. همین‌که گره‌ای خواست برای گره دیگری داده بفرستد، توکن را جذب می‌کند و شبکه را به کار می‌گیرد. تا زمانی که تبادل داده پایان نپذیرفته و توکن دوباره آزاد نشده و به حلقه بازنگشته است، هیچ گره دیگری نمی‌تواند برای ارسال داده خود، از شبکه استفاده کند. به گره‌ای که توکن را در اختیار دارد، Active Monitor و به گره‌های دیگر Standby Monitor می‌گویند.

منظور از هم‌بندی (توپولوژی) فیزیکی و منطقی چیست؟

هم‌بندی (توپولوژی) فیزیکی، ساختار هندسی کابل‌ها و اتصالات فیزیکی شبکه را مشخص می‌کند. اما هم‌بندی (توپولوژی) منطقی، نقشه و نحوه گردش داده‌ها در شبکه را نشان می‌دهد. هم‌بندی فیزیکی یک شبکه الزاما با هم‌بندی منطقیش یکی نیست. مثلا همانطور که اشاره شد، شبکه‌ توکن‌رینگ حتی اگر هم‌بندی فیزیکی ستاره‌ای داشته باشد، داده‌ها را طبق هم‌بندی منطقی حلقوی هدایت خواهدکرد. (برای اطلاعات بیشتر در اینباره، مقاله تفاوت هم‌بندی (توپولوژی) فیزیکی و منطقی شبکه را ببینید.)

شبکه توکن‌رینگ (Token Ring) چگونه کار می‌کند؟

توکن‌رینگ‌های اولیه با هم‌بندی فیزیکی حلقوی ایجاد می‌شدند. بعدها با استفاده از هاب و سوئیچ، ساختار فیزیکی توکن‌رینگ از حلقوی به ستاره‌ای تغییر یافت. اما حتی در این‌صورت نیز هم‌بندی منطقی توکن‌رینگ یعنی نحوه حرکت داده‌ها در شبکه، حلقوی باقی می‌ماند. در شبکه توکن‌رینگ هر بسته داده‌ در مسیری حلقوی از رایانه‌ای به رایانه دیگر ارسال می‌شود تا نهایتا به مقصد برسد. سپس گره مقصد به گره مبدا پیغام می‌فرستد که داده را دریافت کرده است. شبکه توکن‌رینگ برای ارسال و دریافت داده از روش چرخش توکن (Token passing) بهره می‌برد که طبق آن، هر رایانه فقط زمانی می‌تواند شبکه را به کار بگیرد که کنترل توکن را در دست داشته باشد. این روش از برخورد داده‌ها (Collision) در شبکه جلوگیری می‌کند، زیرا در هر لحظه فقط یک رایانه می‌تواند از شبکه استفاده کند.

توضیح مراحل کار شبکه توکن‌رینگ باتوجه به تصویر 1
تصویر متحرک 1 اصول کار شبکه توکن‌رینگ را نشان می‌دهد. در ادامه، مراحل کار شبکه توکن‌رینگ توضیح داده می‌شود:

تصویر 1. مراحل کار شبکه توکن‌رینگ (توجه: برای این‌که مراحل کار در تصویر متحرک از ابتدا نمایش داده شود، صفحه را ریفرش کنید.) 

• در آغاز، یک توکن آزاد در حلقه حرکت می‌کند (نور چرخان فیروزه‌ای). توکن، مانند مجوزی برای انتقال داده است. هر رایانه‌ای برای این‌که بتواند از شبکه استفاده کند، ابتدا باید توکن آزاد را در اختیار بگیرد.
• در تصویر متحرک 1، رایانه 1 می‌خواهد داده‌هایی را به رایانه 4 بفرستد. پس ابتدا توکن آزاد را می‌گیرد. سپس داده‌های خود و آدرس گیرنده را به توکن اضافه می‌کند. (این مرحله با نور چشمک‌زن زرد مشخص شده است.)
• بسته داده سپس حرکتش را در حلقه شروع می‌کند و به رایانه 2 می‌رسد. رایانه 2 آدرس گیرنده داده را می‌خواند و متوجه می‌شود که داده‌ها متعلق به او نیست. پس آن را به رایانه 3 می‌فرستد. رایانه 3 نیز چنین می‌کند و داده‌ها را به رایانه 4 می‌فرستد.
• رایانه 4 آدرس گیرنده را می‌خواند و متوجه می‌شود که داده متعلق به اوست. پس پیغام را می‌خواند (مرحله خوانش پیغام با نور چشمک‌زن زرد مشخص شده است.) اما رایانه 4 نمی‌تواند توکن آزاد را در حلقه رها کند، زیرا ابتدا باید فریم یا ظرف داده را به رایانه 1 یعنی همان رایانه‌ای که حرکت توکن از آن‌جا شروع شده بود، بازبفرستد و بدینوسیله به آن اطلاع دهد که داده‌ ارسالی او را دریافت کرده است. (این مرحله با نور چشمک‌زن بنفش نشان داده شده است.)
• پس رایانه 4 فریمی را (که نشانگر دریافت پیغام است و باید به دست رایانه 1 برسد)، به حرکت درمی‌آورد. فریم در مسیر خود به سمت مقصد، ابتدا به رایانه 5 می‌رسد. رایانه 5 آدرس گیرنده را بررسی می‌کند و چون فریم را متعلق به خود نمی‌بیند، آن را به رایانه بعدی یعنی رایانه 6 می‌فرستد. رایانه 6 نیز همین فرآیند را تکرار می‌کند تا فریم نهایتا به صاحبش یعنی رایانه 1 برسد.
• رایانه 1 با بررسی آدرس گیرنده فریم، متوجه می‌شود که رایانه 4 برای او پیغام فرستاده است. پس آن را می‌خواند (این مرحله با نور چشمک‌زن بنفش مشخص شده است.) اکنون چون کار رایانه 1 با شبکه پایان یافته است، توکن را مجددا به شبکه بازمی‌گرداند تا شبکه آزاد شود و رایانه‌های دیگر نیز در صورت نیاز بتوانند از شبکه استفاده کنند.

توکن‌رینگ ستاره‌ای با استفاده از هاب یا سوئیچ

به‌کارگیری هاب یا سوئیچ، هم‌بندی فیزیکی توکن‌رینگ را از حلقوی به ستاره‌ای تغییر می‌دهد. اما هم‌بندی منطقی توکن‌رینگ همچنان حلقوی باقی می‌ماند و توکن نیز به همان شیوه‌ای که گفته شد کنترل می‌شود. استفاده از هاب یا سوئیچ شبکه، اعتمادپذیری (reliability) شبکه را بسیار افزایش می‌دهد، زیرا هاب و سوئیچ، هر پورتی را که اتصالش قطع یا کابلش معیوب باشد، به‌طور خودکار دور می‌زنند و به کار خود ادامه می‌دهند.

شبکه توکن‌رینگ ستاره‌ای با استفاده از MAU

 آی‌بی‌ام برای ایجاد توکن‌رینگ ستاره‌ای نوعی هاب منفعل (Passive Hub) موسوم به «واحد دسترسی چندایستگاهی» یا اصطلاحا MAU (مخفف Multistation Access Unit) تولید کرد. گره‌های شبکه توسط کابل با هم‌بندی فیزیکی ستاره‌ای به MAU وصل می‌شوند. دستگاه MAU نیز مانند هاب و سوئیچ اترنت، سیم‌ها را با هم‌بندی فیزیکی ستاره‌ای تجمیع می‌کند اما چون ساختار درونی آن مانند یک شبکه حلقوی است، ترافیک شبکه را با هم‌بندی حلقوی هدایت می‌کند.

تصویر 2. بخش بالایی تصویر، شبکه توکن‌رینگی را نشان می‌دهد که کابل‌های آن در نوعی هاب موسوم به MAU تجمیع شده‌اند و نتیجتا هم‌بندی فیزیکی شبکه، ستاره‌ای (Star) شده است. بخش پایینی تصویر، ساختار درونی MAU در همان شبکه را نشان می‌دهد. ساختار درونی MAU مانند یک شبکه حلقوی (Ring) کار می‌کند (اگر جهت فلش‌ها را که جهت حرکت داده‌ها را نشان می‌دهند دنبال کنید، متوجه می‌شوید که مسیر حرکت داده‌ها حلقوی است). لذا ترافیک شبکه توکن‌رینگ طبق الگوی حلقوی هدایت و مدیریت می‌شود. به همین سبب گفته می‌شود که هم‌بندی منطقی شبکه توکن‌رینگ، حلقوی است.

در شبکه توکن‌رینگ، به گره یا رایانه‌ای که به شبکه متصل است، ایستگاه (Station) می‌گویند. به مسیر رفت و بازگشت سیگنال بین گره و MAU، نیز لب (Lobe) گفته می‌شود. پس گره‌ای که برای مثال، طول لب آن 200 متر است، به 100 متر کابل نیاز دارد. حداکثر طول کابل برای هر لب بسته به نوع کابل انتخابی 22.5 یا 100 متر است. با استفاده از تکرارگر (ریپیتر)، می‌توان سیگنال‌ها را تقویت کرد و طول کابل را تا 2.4 کیلومتر نیز افزایش داد. بسیاری از هاب‌های MAU با کابل‌های فیبر نوری نیز سازگارند. شبکه‌های توکن‌رینگ معمولا با سرعت 4 یا 16 مگابیت‌برثانیه کار می‌کنند. اما با استفاده از تجهیزات خاص برخی شرکت‌ها دست‌یابی به سرعت 100 مگابیت‌برثانیه نیز ممکن است.

تصویر 3. یک دستگاه MAU هشت پورتی 8228

هر دستگاه MAU معمولا 8 یا 16 پورت شبکه دارد. اگر شبکه محلی بزرگ‌تری لازم باشد، می‌توان چند MAU را به هم متصل کرد. برای این منظور می‌توان کانکتور خروجی یک MAU را به کانکتور ورودی MAU بعدی متصل کرد و این روند را ادامه داد تا نهایتا کانکتور خروجی آخرین MAU به کانکتور ورودی اولین MAU متصل و حلقه کامل شود. در مجموع می‌توان تا 33 دستگاه MAU را در یک حلقه منطقی به هم متصل کرد. دستگاه MAU می‌تواند مستقل باشد یا درون رک نصب شود (رک‌مونت).

تصویر 4. با استفاده از چند MAU و کانکتورهای ویژه آن می‌توان چند MAU را به هم متصل کرد تا شبکه توکن‌رینگ بزرگتری ایجاد شود.

توکن‌رینگ کاملا دوطرفه (Full-duplex Token Ring) با استفاده از سوئیچ

در صورت استفاده از سوئیچ به‌جای هاب و MAU، توکن‌رینگ به شبکه‌ای کاملا دوطرفه یا اصطلاحا full-duplex تبدیل می‌شود. در توکن‌رینگ کاملا دوطرفه یا full-duplex token ring که به آن DTR یا Dedicated token ring هم می‌گویند، سوئیچ شبکه به گره‌ها اجازه می‌دهد هم‌زمان داده بفرستند و دریافت کنند. سوئیچ، شبکه را به سگمنت‌های کوچکتر تقسیم می‌کند. وقتی یک گره، بسته داده می‌فرستد، سوئیچ توکن‌رینگ، آدرس مقصد بسته را می‌خواند و داده‌ را مستقیما به گره مقصد می‌فرستد. سوئیچ بین دو گره مبدا و مقصد، اتصال اختصاصی ایجاد می‌کند تا داده‌ها هم‌زمان ارسال و دریافت شوند. توکن‌رینگ کاملا دوطرفه، پهنای باند ارسال و دریافت داده را برای رایانه‌های متصل به شبکه افزایش و بازده شبکه را ارتقا می‌دهد.

شبکه‌ توکن‌رینگ و نوع کابل

دو نوع از شبکه‌های توکن‌رینگ از نظر کابل مورد استفاده که هر دو با سرعت 4 یا 16 مگابیت‌برثانیه کار می‌کنند، چنین هستند:

• توکن‌رینگ نوع 1 (Type 1 Token Ring): عموما از کابل غلاف‌دار زوج به‌هم تابیده (STP) با کانکتورهای خاص برای شبکه‌های توکن‌رینگ بهره می‌برد. اما دستگاه‌های MAU شانزده مگابیت‌برثانیه نیز عموما پورت‌هایی برای کانکتورهای RJ-45 یا DB9 دارند.
• توکن‌رینگ نوع 3 (Type 3 Token Ring): از کابل‌ استاندارد بدون غلاف زوج به هم تابیده (UTP) با کانکتورهای RJ-45 بهره می‌برد.

توکن‌رینگ نوع 1 اغلب اعتمادپذیرتر از توکن‌رینگ نوع 3 است. توکن‌رینگ نوع 1 به‌ازای هر حلقه تا 260 رایانه و توکن‌رینگ نوع 3 به‌ازای هر حلقه تا 72 رایانه را میزبانی می‌کند.

سخن پایانی

شبکه‌ توکن‌رینگ، سامانه خودپایشی نیز دارد که آن را در برابر بروز خطاهای مختلف مقاوم می‌کند. اما پرداختن به آن، مجالی دیگر می‌طلبد.