Mạng Token Ring (tiếng Anh Token Ring Network) là mạng cục bộ (LAN) sử dụng một thông điệp có định dạng xác định, gọi là thẻ bài luân chuyển trong một vòng logic giữa các máy trạm và máy chủ. Quá trình luân chuyển thẻ bài là phương pháp truy cập kênh truyền cho phép tất cả các máy trạm có thể được sử dụng kênh và làm giảm tranh chấp khi truy cập kênh.

Hình trạng mạng vòng về mặt vật lý bao gồm các thiết bị tính toán kết nối nhau theo vòng. Mỗi phần tử tham gia vào mạng sẽ kết nối với thiết bị hàng xóm về bên phải và bên trái. Như vậy mạng trở thành vòng mạng kín. Nếu một thiết bị ngừng hoạt động hoặc kết nối bị ngắt quãng, toàn bộ hoạt động mạng bị ngắt và kết nối giữa các thiết bị sẽ mất. Nếu một máy tính muốn tham gia vào mạng, hoạt động của mạng LAN sẽ phải được ngắt trong một khoảng thời gian ngắn.

Phương thức hoạt động

Mạng Token Ring hoạt động hoàn toàn khác với các hình trạng mạng vòng khác, công nghệ này chỉ dựa một cách logic trên hình trạng mạng vòng. Token Ring sử dụng các thiết bị truy cập MAU (Multistation Access Units), cho phép thực hiện các kết nối dạng sao. Nút phân phối là nút sẽ kết nối với tất cả các máy tính trong mạng. Trong kiến trúc kết nối này, không có kết nối trực tiếp giữa các máy tính trong mạng. Tuy vậy trong kiến trúc này, vẫn tồn tại vòng logic do cấu trúc vật lý hình sao. Quá trình truyền dữ liệu có dạng hình vòng trên tầng trừu tượng. Tuy được gửi liên tục về thiết bị MAU, dữ liệu không gửi từ đây tới một máy xác định bất kỳ nào đó, mà chỉ đơn giản gửi tới máy tính tiếp theo trong một dãy thiết bị cố định.

Để tránh quá trình gửi nhận các gói tin trở nên hỗn loạn, quá trình luân chuyển thẻ bài thực hiện theo một thủ tục chặt chẽ. Theo đó, không phải tất cả các thành viên của mạng có thể gửi dữ liệu qua mạng cùng một lúc. Chỉ máy tính nào đang ở trạng thái nắm giữ thẻ bài mới có quyền gửi gói dữ liệu vào mạng. Thẻ bài này được luân chuyển theo vòng, thậm chí cả khi không có thành viên nào yêu cầu cho phép gửi dữ liệu thì thẻ bài vẫn tiếp tục được luân chuyển.

Thẻ bài là một khung dữ liệu rỗng kích thước gồm 3 byte, mỗi byte tương ứng với một tác vụ riêng rẽ.

• Byte thứ ba – SD (Start Delimiter): 8 bit đầu của khung dữ liệu biểu thị nơi bắt đầu của thẻ bài. Cấu trúc này dựa trên mã Manchester vi sai, cho phép chỉ rõ điểm bắt đầu.

• Byte thứ hai – AC (Access Control): trường AC chứa các bit thể hiện trạng thái của thẻ bài. Nếu các bit này được thiết lập giá trị “0”, có nghĩa là thẻ bài rỗi. Nếu bit này thiết lập giá trị 1 – thẻ bài đã bị chiếm giữ.

• Byte đầu tiên – ED (End Delimiter): Biểu diễn điểm kết thúc của thẻ bài tương tự như điểm chỉ dấu bắt đầu của thẻ bài. Dấu hiệu này chỉ ra rằng, khung dữ liệu đã kết thúc.

Nếu một trạm nhận được khung dữ liệu không muốn gửi dữ liệu nào đi, trạm đó chỉ cần đơn giản bỏ qua lượt trong vòng luân chuyển thẻ bài. Tuy nhiên, nếu một máy tính muốn gửi dữ liệu nào đó, trạm đó sẽ phải thay đổi bit trạng thái của thẻ bài và gắn kèm gói dữ liệu vào thẻ bài. Một phần của khung dữ liệu này chứa địa chỉ nơi gửi và nơi nhận dữ liệu. Tuy vậy, gói dữ liệu không tới được nơi nhận ngay lập tức mà phải thông qua MAU và được chuyển tiếp tới người nhận A, tới B, tới C, v.v. Để chắc chắn rằng các tín hiệu không bị suy giảm trong quá trình truyền, mỗi thành viên trong mạng sẽ hoạt động giống như một bộ lặp tín hiệu: mỗi thành viên sẽ đọc gói tin, tạo sinh lại gói tin và gửi ngược lại vào vòng.

Trạm đích sau đó sao chép lại gói tin, thu nhận dữ liệu và khẳng định quá trình này bằng cách thiết lập trạng thái của khung dữ liệu – là byte sau cùng của toàn bộ khung dữ liệu và truyền gói tin. Khu gói dữ liệu đạt tới người gửi ban đầu một lần nữa, trạm gửi sẽ xóa dữ liệu và giải phóng bit trạng thái của thẻ bài. Thời gian chiếm giữ thẻ bài được xác định sao cho tất cả các trạm trong mạng đều có cơ hội truyền dữ liệu. Thời gian này xác định một trạm có thể chiếm giữ thẻ bài trong bao lâu.

Tất cả các trạm trong Token Ring được kết nối theo kiến trúc hình sao thông qua thiết bị MAU, tuy vậy các gói dữ liệu được gửi qua lại giữa các máy tính với nhau theo mạng vòng.

Các lỗi thường gặp

Các vấn đề đều có thể xảy ra trong các mạng khác nhau. Trong các lỗi, thường xuyên xảy ra nhất là lỗi ngắt mạng. Đối với mạng Token Ring, một cách mặc định, các máy tính đều ở trạng thái SM (Standby Monitor), tuy vậy trạng thái có thể hoạt động là trạng thái AM (Active Monitor). Mỗi trạm đều có thể chuyển về trạng thái này. Quá trình quyết định để xác định trạm nào chuyển vào trạng thái AM, những trạm nào ở lại trạng thái SM được thực hiện theo thủ tục cố định: thủ tục giám sát tranh chấp – thủ tục yêu cầu thẻ bài. Thủ tục này được kích hoạt khi một trạm xác định được AM hiện thời không trao đổi dữ liệu qua mạng vòng. Những vấn đề có thể xảy ra trong mạng vòng:

• Mất thẻ bài;

• Gói tin không thể tìm được nơi nhận;

• Vấn đề lỗi trong giao tiếp mạng;

So sánh với Ethernet

Các ưu, nhược điểm của Token Ring có thể được thể hiện khi so sánh với Ethernet. Trong mạng Token Ring, các vấn đề tương tranh không xảy ra. Trong mạng Ethernet, với cơ chế kiểm soát đa truy cập CSMA/CD, các tương tranh có thể được kiểm soát nhưng sẽ làm giảm tốc độ mạng. Thủ tục luân chuyển thẻ bài cho phép ngăn chặn tình huống khi nhiều trạm muốn đồng thời gửi dữ liệu.

Công nghệ Token Ring ngừng phát triển khi tốc độ mạng đạt tới 16Mb/giây, trong khi đó công nghệ Ethernet đã đạt được tốc độ 100Mb/giây và tiếp tục phát triển tới tốc độ Gb/giây trên đường cáp đồng. Kiến trúc mạng vòng thông qua thiết bị MAU làm cho mạng trở nên linh động hơn, việc đưa thêm nút vào mạng và loại bỏ nút mạng trở nên thuận tiện hơn và làm cho mạng vòng trở thành hệ thống khá ổn định.

Lịch sử phát triển

Vào đầu những năm 1970, các cơ sở nghiên cứu và các hãng đã phát triển một dải rộng các công nghệ mạng cục bộ, một trong số đó là công nghệ Cambridge Ring đã trình diễn được những tiềm năng của hình trạng mạng vòng chuyển tiếp thẻ bài. Nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới đã tiến hành triển khai thử nghiệm kiến trúc này. Tại phòng thí nghiệm nghiên cứu của IBM tại Zurich, Werner Bux và Hans Muller đã bước đầu phát triển công nghệ Token Ring của IBM. Những nghiên cứu bước đầu tại MIT đã tạo ra công nghệ mạng Token Ring Proteon 10Mb/giây ProNet-10 trong năm 1981. Cũng trong thời gian đó, nhà sản xuất máy tính Apollo Computer đưa ra sản phẩm mạng Apollo Token Ring (ATR) chạy trên cáp đồng trục RG-6U với trở kháng 75 Ω. Công nghệ Proteon sau đó được phát triển lên thành phiên bản với tốc độ 16Mb/giây sử dụng cáp xoắn kép không bọc.

Tới năm 1984, hãng IBM hoàn thiện quá trình xây dựng, phát triển và công bố sản phẩm mạng Token Ring. Các sản phẩm của IBM về công nghệ Token Ring được ra mắt từ tháng 10/1985 với tốc độ 4Mb/giây. Công nghệ IBM cho phép kết nối các máy tính cá nhân, máy tính hạng trung và các máy tính lớn. Sản phẩm này cho phép tổ chức hình trạng mạng dạng sao và sử dụng cáp xoắn kép. Sau đó chuẩn này được phát triển thành lõi cơ sở của tiêu chuẩn (ANSI)/IEEE 802.5.

Tới năm 1989 công nghệ mạng được chuẩn hóa thành chuẩn IEEE 802.5. Đây là công nghệ mạng LAN khá thành công đối với môi trường mạng các tập đoàn. Tuy vậy công nghệ này sau đó đã bị công nghệ mạng Ethernet làm lu mờ trong quá trình phát triển công nghệ.

Năm 1988, công nghệ Token Ring 16Mb/giây được nhóm làm việc về chuẩn hóa công nghệ và phát triển lên 100Mb/giây trong thời kỳ xế chiều của công nghệ. Tuy vậy công nghệ 100Mb/giây hầu như không sử dụng rộng rãi. Tới năm 2001, công nghệ 1000Mb/giây được phát triển và chuẩn hóa, tuy vậy hầu như không có sản phẩm công nghệ nào được đưa ra thị trường và sự phát triển của chuẩn này thực sự dừng lại. Khi đó các công nghệ Fast Ethernet và Gigabit Ethernet đã chiếm lĩnh hoàn toàn thị trường các sản phẩm mạng cục bộ.

Là một trong các công nghệ mạng LAN phổ biến trước những năm 2000, tuy nhiên sau đó dần trở nên lỗi thời và đã hầu như dừng phát triển sau năm 2001 với sự chiếm lĩnh của công nghệ Fast Ethernet và Gigabit Ethernet. Tuy vậy những vấn đề công nghệ và kiến trúc chuyển tiếp thẻ bài (token passing) vẫn được sử dụng trong một số công nghệ truyền dữ liệu trong mạng cục bộ như FDDI.

Tài liệu tham khảo

1. A.S. Tanenbaum, and D. J. Wetherall (2011). Computer Networks. Pearson 2011.
2. W. Stallings. Data and Computer Communications. Pearson 2013;
3. Benrouz A. Forouzan. Data Communication and Networking. McGraw-Hill 2012.
4. J. F Kurose, K. W Ross. Computer Networking A topdown approach. 6th ed. Pearson. 2013.