Grundsätzliche Zugriffsverfahren

Betrachten wir eine typische Situation in einem kleinen Netzwerk. Teilnehmer A möchte sein E-Mail-Konto abrufen, Teilnehmer B erstellt gerade ein Angebot, steht also in ständiger Verbindung mit der Datenbank der Warenwirtschaft. Teilnehmer C will seinen gerade erstellten Geschäftsbrief auf dem Server sichern und ihn anschließend ausdrucken. Alle Teilnehmer möchten also gleichzeitig auf das Netzwerk zugreifen. 
Um einer solchen Situation Herr zu werden, bedarf es eines Mechanismus, der den Zugriff reglementiert. 
Man unterscheidet zwei Lösungen:

1. stochastische (zufällige) Zugriffsverfahren
2. deterministische (festgelegte) Zugriffsverfahren

Stochastische Zugriffsverfahren arbeiten mit dem contention resolution-Prinzip, welches besser bekannt ist als CSMA/CD (carrier sense, multiple access/collision detect) . Deterministische Zugriffsverfahren arbeiten nach dem Token Prinzip.

CSMA/CD

CSMA/CD ist ein stochastisches Zugriffsverfahren, vorwiegend auf IEEE 802.3-Netze (IEEE 802.3: ein Bussystem, das als Zugriffsmethode CSMS/CD benutzt). Was bedeutet diese Abkürzung ?

Entdeckt eine Station eine Kollision, dann sendet sie das Jam-Signal und informiert damit alle anderen Stationen. Alle Sendevorgänge werden abgebrochen. Nach einer zufällig bestimmten Wartezeit versuchen die Stationen erneut ihre Daten zu senden.

Nachteile

• nicht geeignet für grosse Netze mit vielen Stationen (ständige Kollisionen)
• eine Prioritätsvergabe ist nicht möglich, deshalb steht nicht fest, zu welchem Zeitpunkt eine Station sicher senden kann

Die Manchester Kodierung

Bei dem stochastischen Zugriffsverfahren ist von Kollisionen die Rede. Was ist eine Kollision und wie stellt man überhaupt fest ob eine Kollision vorliegt ?

Kodierung des Signals

Innerhalb von Netzen werden binäre Daten übertragen. Würde man versuchen ein entsprechendes Signal für die Datenübertragung zu verwenden, würde dies daran scheitern, dass sich aufgrund der Gleichspannungsanteile das Taktsignal verlieren würde. Sender und Empfänger würden nicht mehr synchron arbeiten.

Man benötigt also ein Signal, das Gleichspannungsanteile vermeidet.
Dazu wandelt man zuerst das Binärsignal in ein NRZ-Signal (Non Return Zero Signal) um.

Eine XOR-Verknüpfung zwischen dem NRZ-Signal und dem Taktsignal ergibt die sogenannte Manchester Kodierung.

Das Manchester kodierte Signal stellt die binären Informationen durch Spannungswechsel innerhalb der Bitzeit dar. Eine ansteigende Flanke entspricht einer 1, eine abfallende Flanke einer 0. Auf diese Weise werden grössere Gleichspannungsanteile vermieden.

Was ist eine Kollision ?

Wenn ein oder mehrere Stationen gleichzeitig ein Signal aussenden überlagern sich diese Manchester kodierten Signale, und es entsteht ein erhöhter Gleichspannungsanteil (Offset). Es handelt sich aber erst dann um eine Kollision, wenn der Offset den Schwellwert, hier Kollisionspegel, erreicht.
Nachdem der Transceiver die Kollision festgestellt hat, teilt er dies dem ECB (Ethernet Controller Board) mit. Das ECB sendet darufhin das JAM-Signal, um sicherzugehen, dass auch wirklich alle Stationen die Kollision registrieren.

Der Token Ring

IBM-Token-Ring wird durch die IEEE 802.5 beschrieben, die ebenfalls den LLC-Sublayer nach der IEEE 802.2 einsetzt. Es handelt sich um ein logisches Ringsystem, das als Zugriffsmethode Token-Passing verwendet. Um die Probleme eines physikalischen Ringes zu vermeiden, verwendet man in der Regel physikalisch eine Sterntopologie. Um dies zu ermöglichen, werden Ringleitungsverteiler(=MAU) eingesetzt.

Es existieren zwei Versionen von Token-Ring. Sie unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Datenübertragungsrate und ihres Zugriffsverfahrens. Das ursprüngliche IBM-Token-Ring besitzt eine Datenübertragungsrate von 4MBit/s. Die aktuellere Variante ermöglicht 16MBit/s. Sie erreicht dies, indem sie das Token-Passing-Zugriffsverfahren abändert. Sobald eine Station ihre Daten gesendet hat, generiert sie ein neues Freitoken. Mehrere Token auf einem Ring werden auf diese Weise ermöglicht. Der Name dieser Token-Ring-Variante, Early-Token Release, ist daher sehr passend.
In einem Token-Ring sind maximal 260 (72 bei 16MBit/s) Stationen erlaubt. Die Verkabelung besteht aus STP-Kabeln, mittlerweile ist jedoch eine Verkabelung mit UTP-Kabeln möglich. Dies entspricht jedoch nicht der Spezifikation durch IBM. Die Ringleitungsverteiler sind entweder per STP- oder per LWL-Kabel verbunden.

Um den Problemen des Token-Passing-Zugriffsverfahrens zu begegnen, gibt es in einem Token-Ring-Netz zwei Kontrollinstanzen:

Zusammenfassung:

Token-Passing

Im Gegensatz zu CSMA/CD handelt es sich hier um ein deterministisches Zugangsverfahren. Vorraussetzung für Token-Passing ist, das jede Station ihren Vorgänger und ihren Nachfolger kennt.

Zentrales Element dieses Verfahrens ist das Token. Das Token kann zwei wesentliche Zustände annehmen:

Beispiel Datenübertragung

Betrachten wir eine Datenübertragung im Token-Ring:

Situation: Station A möchte Daten an Station C senden

1. Station A wartet auf das Freitoken
2. Station A nimmt das Freitoken aus dem Netz und wandelt es durch das Setzen des Besetzt-Bits in ein Belegt-Token um
3. Station A schreibt ebenfalls die Absenderadresse, die Zieladresse und die Daten in das Token
4. Station A sendet das Token an ihren Nachfolger (Station B)
5. Station B vergleicht die eigene Adresse mit der Zieladresse
6. Station B sendet das Token an Ihren Nachfolger, da der Vergleich negativ ausfiel
7. Station C vergleicht die eigene Adresse mit der Zieladresse
8. Station C setzt das Receive-Bit, da der Vergleich positiv ausfiel
9. Station C kopiert die Daten und setzt das Copy-Bit zur Bestätigung
10. Station C schickt das Token an ihren Nachfolger (Station D)
11. Station D vergleicht die eigene Adresse mit der Ziel- und Absenderadresse
12. Station D sendet das Token an ihren Nachfolger (Station A), da die Vergleiche negativ ausfielen
13. Station A identifiziert sich als Absender des Tokens
14. Station A erkennt den Erfolg ihrer Übertragung und und nimmt den Token vom Netz
15. Station A erzeugt ein neues Freitoken

Zusammenfassung

• Möchte eine Station Daten senden, muss sie auf ein Freitoken warten
• Sie nimmt das Freitoken vom Netz und wandelt es in ein Belegt-Token um
• Absender, Empfänger und ggf. Daten werden hinzugefügt
• das Token wird so lange weitergeleitet, bis es beim Empfänger eintrifft
• Der Empfänger kopiert die Daten, nimmt das Token aber nicht vom Netz. Stattdessen setzt er das Receive- und das Copy-Bit und schickt das Token weiter, bis es seinen Absender erreicht
• der Absender nimmt das Token vom Netz und erzeugt ein neues Freitoken

Damit eine Station, die gerade ein Freitoken erzeugt hat, dieses nicht sofort wieder in Beschlag nimmt, schreiben viele Implementierungen dieses Zugriffsverfahrens vor, dass sie das Token weitergeben muss.