Token Ring: Funktionsweise einfach erklärt

In einem Netzwerk hängen mehrere Computer, die man Stationen nennt, an einer gemeinsamen Verbindung. Senden zwei Stationen gleichzeitig, entsteht eine Kollision: Zwei Signale befinden sich gleichzeitig auf derselben Leitung. Der Empfänger kann dann die einzelnen Bits (die Nullen und Einsen der Daten) nicht mehr unterscheiden.

Token Ring löst das mit einem Token (englisch für „Zeichen“ oder „Marke“). Wer das Token hat, darf auf das Netz zugreifen. Hat die Station es freigegeben, darf eine andere es nutzen. Das Token wird von Station zu Station weitergereicht, selbst im Leerlauf. Wer senden will, wartet, bis das Token ihn erreicht.

So bekommen alle angeschlossenen Computer Gelegenheit zum Senden. Ein Sender darf das Token nur eine bestimmte Zeit für sich in Anspruch nehmen (die „Token Holding Time“) und muss es dann freigeben. Dadurch ist jeder Station garantiert, dass sie nach dieser festgelegten Zeit senden darf. Das Grundprinzip von Token Ring ist die kollisionsfreie Übertragung.

Die Topologie beschreibt, wie die Geräte und Leitungen eines Netzes angeordnet sind. Man betrachtet sie auf zwei Arten. Die physische Topologie beschreibt den Aufbau der Netzverkabelung. Die logische Topologie beschreibt den Datenfluss zwischen den Endgeräten, also den Computern. Beide können voneinander abweichen.

Bei einem Ring ist jedes Endgerät mit genau zwei anderen verbunden, und es entsteht ein geschlossener Ring. Die Information wird von Teilnehmer zu Teilnehmer weitergeleitet. Token Ring ist logisch so ein Ring. Eingesetzt wurde aber ein Ringleitungsverteiler (englisch MAU, Multistation Access Unit). Jedes Gerät hängt mit nur einem Kabel an diesem Verteiler. Das sieht aus wie ein Stern: Alle Geräte sind mit einem zentralen Teilnehmer verbunden.

Der Verteiler reicht die Daten von einem Anschluss (Port) zum nächsten weiter. Anschlüsse ohne Gerät und Anschlüsse mit ausgeschalteter Station schleift er durch, damit der Ring erhalten bleibt. Auch bei mehreren Verteilern bleibt die Ring-Topologie erhalten.

Ein freies Token wird ständig von Station zu Station weitergeschickt. So kommt ein Datenrahmen zustande und wieder aus dem Ring heraus.

Erstens: Die Station, die senden will, wartet, bis das freie Token sie erreicht. Zweitens: Sie hängt ihre Nutzdaten (die eigentlichen Daten) an, ergänzt Steuersignale und adressiert das Ganze an den Empfänger. Das Token-Bit setzt sie von 0 (freies Token) auf 1. Aus dem freien Token wird ein Datenrahmen.

Drittens: Die Station setzt den Rahmen auf den Ring. Jede Station prüft, ob er an sie adressiert ist. Wenn nicht, setzt sie ihn zurück auf den Ring.

Viertens: Der Empfänger kopiert die Nutzdaten und quittiert den Empfang, er bestätigt ihn also. Dann schickt er den Rahmen wieder auf den Ring. Solange das Token besetzt ist, kann kein Computer Daten anhängen.

Fünftens: Der Sender erhält den Rahmen mit der Quittung zurück. War die Übertragung erfolgreich, wird der Datenrahmen entfernt und das Token wieder auf frei gesetzt. Auch wenn eine Übertragung fehlgeschlagen ist, muss der Sender nach der Quittung auf jeden Fall ein freies Token senden. So ist nach jeder Datenübertragung ein freies Token im Ring.

Im Ring kann einiges schiefgehen. Fehlersituationen werden in der Regel von einer Monitorstation (englisch AM, Activity Monitor) behoben. Sie muss nicht der Server sein. Es ist meist der Adapter, der das erste Token erzeugt hat. Das kann auch eine ganz normale Workstation sein, also ein normaler Arbeitsplatzcomputer.

Die Tabelle zeigt, was bei welchem Fehler geschieht. Beim endlos kreisenden Paket gilt: Fällt eine Senderstation aus, bevor sie ihr Paket vom Ring genommen hat, würde es ohne Fehlerbehandlung endlos kreisen. Deshalb setzt die Monitorstation das M-Bit im Token, wenn es bei ihr vorbeikommt. Beim doppelten Token bricht die sendende Station selbst ab. Bei Ausfall einer Netzschnittstelle überbrückt der Ringleitungsverteiler die betroffene Stelle, wenn einer eingesetzt wird.

Klassisches Ethernet nutzt ein gemeinsames Kabel (zum Beispiel Koaxialkabel), das sich alle Stationen teilen. Der Zugriff wird nicht zentral gesteuert. Deshalb können mehrere Stationen gleichzeitig senden wollen, und es können Kollisionen entstehen. Dagegen hilft das Verfahren CSMA/CD: Die Station horcht zuerst, ob das Medium belegt ist. Dann sendet sie und hört dabei weiter mit. Ist die Leitung belegt und das Maximum an Versuchen noch nicht erreicht, wartet sie eine zufällige Zeit (Backoff) und beginnt wieder beim Horchen.

Token Ring ist dagegen kollisionsfrei. Dort sind die Stationen aktiv am Weitergeben des Tokens beteiligt, im Ethernet nicht. Bei CSMA/CD gibt es rechnerisch keine Garantie, dass ein Paket zu einem bestimmten Zeitpunkt angekommen ist. Der Erfolg hat nur eine gewisse Wahrscheinlichkeit. Das Verfahren ist deshalb nicht echtzeitfähig (eine Ankunft zu einem bestimmten Zeitpunkt ist nicht garantiert), bei Token Ring ist es das.

Wegen der Kollisionen lässt sich die Leistung, die auf dem Papier möglich wäre, nicht voll ausschöpfen. In der Praxis kann man im günstigsten Fall etwa 70 % davon erreichen, unter ungünstigeren Bedingungen sind es unter 30 %. Je mehr Rechner mitmachen und je höher die Auslastung, desto mehr Kollisionen treten auf.

Moderne Ethernetsysteme (zum Beispiel Fast Ethernet) nutzen überwiegend Punkt-zu-Punkt-Verbindungen (eine Verbindung zwischen genau zwei Geräten) mit Switches, dort entstehen keine Kollisionen mehr. Token Ring wurde praktisch vollständig von den Ethernet-Varianten verdrängt. Die Technik wird nicht weiterentwickelt und hat in der Netztechnik keine Bedeutung mehr.