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27.01.1984 - 

Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung im Token-Passin-Verfahren:

Prototyp eines neuen lokalen Netzwerks von IBM

27.01.1984

Der kürzlich auf der Telecom '83 in Genf von IBM präsentierte Prototyp eines lokalen Netzwerks ist ein Informationsaustauschsystem. Es macht Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung möglich zwischen Benutzern in einem einzelnen Gebäude oder einem Gebäudekomplex über ein Leitungssystem, Kommunikationsadapter und - vor allem - ein gemeinsames Zugangsprotokoll zum Aufbau der Verbindung zwischen den Benutzern. Für diese Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung ist eine Kapazitätsauslegung von mehr als einigen Megabit pro Sekunde erforderlich. Die Entwicklung fortgeschrittener lokaler Netzwerke wurde erforderlich. da die Zahl der Computersysteme und Workstations sowie insbesondere der intelligenten Terminals enorm angestiegen ist.

Bei den meisten Computernetzwerken für lokale Bereiche - zum Beispiel Bürogebäude - werden derzeit die Geräte jeweils über eine getrennte Leitung mit einem Hostsystem verbunden: die Kommunikation zwischen den Geräten im Netzwerk erfolgt über den

Host. Die Steuerung der Datenübertragungsfunktionen liegt ausschließlich beim Host, wobei die Peripheriestationen als Eingabe-/Ausgabegeräte arbeiten. Ein derartiger Aufbau führt zu unerwünschten Arbeitslasten beim Host und erfordert umfangreiche Verkabelung sowie zahlreiche Anschlußstellen. Würde dieser Aufbau unverändert übernommen, so könnte dies die Entwicklung der dezentralen Verarbeitung einschränken und behindern.

Die dezentrale Verarbeitung hat aufgrund von Fortschritten auf dem Gebiet der Software und Hardware zugenommen. Benutzerfreundliche Programme stehen heute in zunehmendem Maße zur Verfügung und geben auch dem Laien die Möglichkeit, von der Leistung eines Computers zu profitieren. Auch intelligente Terminals, die den Benutzern die Ausführung vieler Arbeiten außerhalb großer Hostrechner gestatten werden immer häufiger.

Gleichzeitig fördern dieses Wachstum jedoch auch den Wunsch der Benutzer, miteinander und mit anderen Geräten kommunizieren zu können. Die interaktive dezentrale Verarbeitung macht es erforderlich, daß ganze Systeme und nicht nur Programme in freundlicher Weise auf jeden einzelnen Benutzer reagieren. Hierzu sind Systeme mit so kurzen Antwortzeiten und so großen Bandbreiten erforderlich, daß jeder einzelne Benutzer seine Zeit optimal nutzen und auf diese Weise seine Produktivität erhöhen kann.

In dem Maße, wie sich dieser Trend fortsetzt, wird es immer wichtiger, daß lokale Netzwerke entwickelt werden, die diese Datenübertragungsanforderungen auf kostengünstige und zuverlässige Weise erfüllen.

Innerhalb von Gebäuden ist ein standardisiertes Leitungsnetz mit vielen Anschlußstellen ein äußerst wünschenswertes Element eines solchen lokalen Netzwerks. Da jedoch Informationen, und nicht elektrischer Strom, übertragen werden, sind die Systemanforderungen sehr komplex und vielfältig.

Vorhandene Möglichkeiten

Bei der Auslegung eines lokalen Netzwerkes müssen Entscheidungen im Hinblick auf drei wichtige, miteinander in Beziehung stehende Bereiche getroffen werden. Ein gerätemäßiger beziehungsweise physischer Aufbau muß gewählt werden: Soll das lokale Netzwerk ein Stern-, Bus- oder Ringnetzwerk sein? Welche Form der Zugriffskontrolle soll realisiert werden: Zentrale Kontrolle oder dezentrale Kontrolle mit den Optionen des direkten Zugriffs (CSMA/CD-Trägersignal-Mehrfachzugriff/Kollisionserkennung) und

des kontrollierten Zugriffs (über Kurzzeichen beziehungsweise Kennworte)? Soll mit Breitbanddatenübertragung - unter Verwendung von Frequenzmodulationsverfahren - oder mit Basisbandübertragung - mit einem nicht modulierten Bitstrom - gearbeitet werden?

Mehrere unterschiedliche Kombinationen sind möglich, zum Beispiel ein zentral gesteuertes Sternnetzwerk mit Basisbandtechnik, ein CSMA-CD-Bus mit Basisband- oder Breitbandtechnik oder aber ein Kurzzeichen-gesteuertes Busnetzwerk mit Basisband- oder Breitbandübertragung.

Zu den herausragenden Merkmalen des von der IBM-Forschungsgruppe in Zürich verwendeten Lösungsansatzes gehören eine Ringstruktur, das Konzept der Kurzzeichenweiterleitung sowie die Verwendung der Basisbandübertragung anstelle der Breitbanddatenübertragung.

Der Ring wird durch eine Reihe von Punkt-zu-Punkt-Verbindungen zwischen angeschlossenen Stationen gebildet. Jede Station verfügt über einen Adapter, der die von der vorgeschalteten Station erzeugten Signale erfaßt und die Daten regeneriert, ehe er sie zur nächsten Station sendet.

Ringstruktur

Dieses Verfahren führt zu mehreren sehr wünschenswerten Ergebnissen. Vor allem wird es möglich, den einwandfreien Zustand jedes Ringsegments kontinuierlich zu überwachen und zu beurteilen. Etwaige Fehler werden von einem Empfänger sofort erkannt

und können direkt mit einem bestimmten Ringsegment in Verbindung gebracht werden. Die Eingrenzung eines Problems ist daher sehr einfach und schnell; die betroffene Station wird über ein Schaltelement in einer Verteilertafel umgangen.

Durch die Regenerierung des Signals an jeder einzelnen Station wird eine größere Gesamt-Ansteuerungsstrecke sowie eine geringere Rauschempfindlichkeit erreicht. Während zum Beispiel ein CSMA/CD-Bussystem eine maximale Reichweite von einigen Kilometern haben kann, können Ringsysteme für deutlich größere Entfernungen ausgelegt werden.

Viel wichtiger jedoch ist die Eignung von faseroptischen Systemen für die Ringstruktur. Die Glasfaser ist für den Einsatz in einem Ringnetzwerk mit der unidirektionalen und Punkt-zu-Punkt-Übertragung hervorragend geeignet. Glasfaser kann die höheren Übertragungsgeschwindigkeiten und längeren Ansteuerstrecken (Betriebsentfernungen) bewältigen, die eventuell in Zukunft erforderlich werden. Datenübertragungsgeschwindigkeiten im Bereich von 30 Megabit pro Sekunde (Mbps) bei Entfernungen von über einem Kilometer sind mit Faseroptik möglich und die natürliche Unempfindlichkeit gegen elektromagnetische Interferenzen macht ihre Verwendung noch attraktiver.

Den Zugriff eines Stationsadapters zum Ring und somit die Möglichkeit zur Übertragung von Informationen gestattet ein Kurzzeichen-Ringsignal. Durch Weiterleitung eines Kurzzeichens kann ein Adapter das Kurzzeichen erfassen und somit Zugriff erhalten, ohne daß eine zentrale Zugriffssteuerung erforderlich ist. Auf diese Weise kann der Systemkonstrukteur nicht nur die durchschnittliche Verzögerung bei der Kommunikation mit einer anderen an den Ring angeschlossenen Station, sondern auch die größere

Gesamtverzögerung vorhersagen. Bei Kurzzeichen-Ringsystemen können den verschiedenen Meldungen und Nachrichten unterschiedliche Prioritäten zugewiesen werden. Darüber hinaus ist es bei Kurzzeichensystemen möglich, sowohl die Übertragungsgeschwindigkeit als auch die Entfernung zu erhöhen, wenn sich die Übertragungstechnik weiterentwickelt. Der Grundaufbau des Systems werde hierdurch nicht beeinträchtigt.

Basisbandübertragung

Da Basisbandsysteme den Strom der Informationsbits nicht modulieren, benötigen sie lediglich die Logik zur Unterstützung des Netzwerkzugriffsprotokolls. Andererseits ist auch bei sämtlichen Breitbandkabelsystemen nicht mehr die Logik erforderlich; diese benötigen aber zusätzlich ein Modem zur Aufteilung des verfügbaren Frequenzspektrums in verschiedene Frequenzbänder. Folglich bieten Basisbandsysteme die kostengünstigere Lösung.

Welche Entscheidungen bei der Auslegung und Entwicklung lokaler Netzwerke getroffen werden, ist noch von anderen Faktoren als den vorstehend genannten Überlegungen abhängig: Fragen im Hinblick auf die Leichtigkeit der Installation, Wartung, automatischen Fehlersuche und Systemneukonfiguration sowie die Möglichkeit der Umstellung auf neue Datenübertragungstechnologien sind ebenfalls wichtig und müssen berücksichtigt werden.

Zentrale Punkte für die System-Wartung

Die mögliche Wirkung lokaler Netzwerke auf die Computerdatenübertragung ist mit dem Einfluß des Timesharing-Verfahrens verglichen worden. "Das Szenario" (der lokalen Netzwerke) veranschaulicht einen Übergang von der Welt des Time Sharing auf einem Zentralsystem. Es hat möglicherweise die gleiche Bedeutung wie der Übergang von der Stapelverarbeitung zum Time Sharing, erklärt Karl Kümmerle, Leiter der Forschungsgruppe Zürich, die den Prototyp entwickelt hat.

Der Prototyp umfaßt Elemente, die schon heute erhältlich sind - einen Laserdrucker/Informationsverteiler einen Minicomputer mit einer Diskettenspeichereinheit sowie eine Workstation (einen PC und eine Display-Schreibmaschine). Diese Geräte werden jedoch an ein Netzwerk angeschlossen, das für die Zukunft ausgelegt ist: den Zürich-Ring. Der Zürich-Ring wurde um das Konzept eines Kurzzeichensignals zur Steuerung des Informationsflusses entwickelt. Der Ring umfaßt Übertragungsmedium, Verteilertafeln und Ringadapter. Zur Verkabelung dieses Aufbaus gehören sternförmige Anschlüsse von den Verteilertafeln zu den Büros, was den Vorteil zentraler Punkte für die Systemwartung und Problemanalyse bietet. Bypass-Relais und andere einfache Schaltgeräte erlauben eine automatische Neukonfiguration des Systems.

Das Kurzzeichensignal durchläuft den Ring in einem "Kennsatz", der daneben noch weitere Steuersignale umfaßt. Will ein Gerät eine Nachricht senden, so kann dies geschehen, wenn der Adapter an der Station das Kurzzeichen liest und als. "frei" (binär 0) erkennt. Der Adapter schaltet das freie Kurzzeichen-Bit auf besetzt (binär 0, fügt die Weiterleitungsinformationen (einschließlich der Ziel- und Ausgangsadressen) in den Kennsatz ein und hängt seine Meldung an. Auf diese Weise wird ein "Meldungsrahmen" erstellt, der sodann gesendet werden kann.

Der Meldungsrahmen durchläuft das Übertragungsmedium und kann an jedes Gerät übertragen werden, das über Adapter mit dem Ring verbunden ist. Nicht betriebsbereite Stationen werden über Schalter in den Verteilertafeln umgangen.

Der Meldungsrahmen wird von dem Adapter an jeder einzelnen Station empfangen, regeneriert und neu gesendet. Auf diese Weise erhält und kopiert der Empfänger die für ihn gedachte Nachricht, und die Sendestation erhält im Anschluß daran wieder den

Meldungsrahmen, den sie als den gesendeten erkennt (die Ausgangsadresse ist die eigene); daraufhin nimmt der Sender die Meldung aus dem Ring erzeugt ein neues, "freies" Kurzzeichen und sendet dieses zur Verwendung durch eine andere Station.

Zuverlässigkeit von Protokollen abhängig

Grundlage für die mögliche Verteilung des Zürich-Rings sind sowohl die Zugriffssteuerung zu einem gemeinsam genutzten Übertragungsmedium, das die direkte Kommunikation der Stationen untereinander ermöglicht, als auch vor allem die Zuverlässigkeit dieser Übertragung.

Die im Meldungsrahmen enthaltenen Steuerinformationen beziehen sich auf die "Protokolle" beziehungsweise Regeln, nach denen das System arbeitet. Der zuverlässige Betrieb des Rings ist von diesen Protokollen abhängig.

Betrachten wir als Beispiel die Wechselwirkung zwischen dem Steuerfeld des Meldungsrahmens und dem Ringmonitor zur Überwachung des Rings. Beim Einschalten des Systems erstellt und überwacht der zuerst eingeschaltete Adapter das Kurzzeichen. (In jedem der anderen Adapter befindet sich ebenfalls ein Monitor, die jedoch in diesem Fall alle passiv bleiben). Das Zeitintervall zwischen aufeinanderfolgenden Durchgängen des Steuerfelds ist dem Monitor bekannt. Wird ein Kurzzeichen nicht zu dem erwarteten Zeitpunkt erhalten, so gilt es als "verloren", und der Monitor ergreift die entsprechende Korrekturmaßnahme: Zuerst sendet er eine Reihe von Abschaltmeldungen, mit der sämtliche im (aktiven) Sendemodus befindlichen Stationen in einen (passiven) Wiederhol-Modus geschaltet werden. Sodann wird sämtlicher Datenverkehr auf dem Ring gelöscht indem Leerzeichen für eine längere Zeit gesendet werden als erforderlich ist, um den gesamten Ring zu durchlaufen. Schließlich sendet der Monitor ein neues "freies" Kurzzeichen.

Kann der aktive Monitor seine Funktionen nicht mehr erfüllen (zum Beispiel wenn das Gerät, dessen Adapter die Monitorfunktionen ausführt, abgeschaltet wird), wird einer der anderen, zuvor passiven Monitore aktiviert. Ein neuer aktiver Monitor wird aus einer zuvor festgelegten Reihenfolge ausgewählt, nachdem sämtliche Adapter eine "Monitor-Wiederherstellungsmeldung" gesendet haben. Dieses Verfahren wird auch angewandt, wenn mehrere Adapter mit Monitorfunktionen gleichzeitig auf einen inaktiven Ring schalten.

Diese "Fehlererkennung" sowie zuverlässige und schnelle Wiederherstellung ohne Rückgriff auf eine zentrale Steuerung" ist nach Ansicht von Kümmerle eine bemerkenswerte Leistung des Züricher Forschungsteams. "Vom Standpunkt der Systemarchitektur her ist die Betriebszuverlässigkeit die größte Leistung", die im Prototyp des Zürich-Rings verwirklicht wurde, fährt er fort.

Die Betriebszuverlässigkeit erfordert auch Verfahren zur Handhabung möglicher Störungen in einem der Ringadapter. Jeder Ringadapter umfaßt einen Wiederverstärker zur Weiterleitung der Meldung von einem Adapter zum nächsten. Da der Ring aus einer

Kette von Wiederholverstärkern besteht, könnte ein einzelner Fehler den gesamten Ring unterbrechen. Zur Lösung dieses Problems werden Relais eingesetzt, die es dem Meldungsrahmen ermöglichen, fehlerhafte Adapter oder nicht betriebsbereite Stationen zu umgehen.

Diese Relais befinden sich in entlang des Rings angeordneten Verteilertafeln, die auf diese Weise als zentrale Punkte für die Wartung und Neukonfiguration des Rings dienen.

Das Problem der Taktkoordinierung (die Wiederholverstärker müssen sich auf eine Taktzeit einigen) wird dadurch gelöst, daß jeder Wiederholverstärker das Taktsignal des vorgeschalteten aktiven Wiederholverstärkers verfolgt, so daß die ganze Kaskade synchron arbeitet.

Indem zuverlässige Kommunikationsfunktionen näher an die Arbeitsplätze und andere Geräte herangebracht werden - sowohl die Funktionen in den Verteilertafeln als auch in den Adaptern -, gewährleistet das System Verfügbarkeit, Wartungsfreundlichkeit und Wirtschaftlichkeit. Ein Gebäude könnte beispielsweise mit einem einzelnen Ring verkabelt werden, bei dem an gut zugänglichen Stellen Verteilertafeln angebracht werden, von denen die Leitungen zu Wandsteckdosen geführt werden, an denen die Stationen über Adapter angeschlossen werden können. Die Benutzer können sodann nach und nach an die lokalen Netzwerke angeschlossen werden, indem Sie Stationen hinzufügen, wenn Ihr Bedarf wächst. Auf diese Weise stehen Sie nicht vor der schwierigen Wahl, überhaupt kein lokales Netzwerk zu installieren oder große Summen in ein dezentrales Vermittlungssystem zu investieren, dessen Kapazität möglicherweise den derzeitigen Bedarf weit überschreitet.

Darüber hinaus bietet diese Form eines dezentralen Systems eine hohe Effizienz bei der Wartung, da Störungen auf einzelne Verteilertafeln und Adapter eingegrenzt werden können.

Das kontrollierte Zugriffsverfahren des Zürich-Rings kann für die Zukunft bedeutende Folgen haben. Die künftig zu erwartenden hohen Datenübertragungsgeschwindigkeiten - wie sie für Bildschirmanzeigen mit hohem Informationsgehalt, Sprech- und Videoverkehr erforderlich sind lassen sich mit Kurzzeichenprotokollen wie im Zürich-Ring weitaus besser unterstützen, als dies mit dem am weitesten verbreiteten alternativen lokalen Netzwerkprotokoll, CSMA/CD auf einem Busnetz möglich ist.

Kontrolliertes Zugriffsverfahren

Bei lokalen Netzwerken auf der Grundlage einer solchen CSMA/CD-Busarchitektur kann es gelegentlich vorkommen daß mehrere Geräte gleichzeitig ihre Meldungen auf den Bus geben. Hieraus können Kollisionen zwischen den Meldungen entstehen. Obwohl eine Systemwiederherstellung nach Kollisionen bei der Auslegung dieser Bussysteme berücksichtigt wird, nimmt deren Leistung mit höheren Datenübertragungsgeschwindigkeiten ab. Dies ist darauf zurückzuführen, daß sich auf Bus-Systemen mit zunehmender Datenrate auch die Wahrscheinlichkeit von Kollisionen erhöht.

Das Diagramm zeigt die wichtigsten Bauelemente des Zürich-Ring-Prototyps (Bild 1) Gerätemäßig besteht der Ring aus einer Gruppe miteinander verbundener Verteilertafeln mit Abzweigungen. Der Zugriff zum Übertragungsmedium wird über ein spezifisches Kurzzeichen gesteuert. Diese Zugriffssteuerung auf ein gemeinsam genutztes Übertragungsmedium ist das Kernstück der Prototypauslegung. Die Verteilertafeln können an geeigneten Stellen im Gebäude angeordnet werden, von wo aus die Wartung und Neukonfiguration des Rings vorgenommen werden können. Die Verkabelung von den Verteilertafeln zu den Stationen ist sternförmig ausgelegt. Auf den Verteilertafeln befinden sich Bypass-Relais, mit denen nicht betriebsbereite oder fehlerhafte Stationen aus dem Ring ausgeschaltet und umgangen werden können. Die Geräte sind über Ringadapter an den Ring angeschlossen, die die erforderlichen analogen und digitalen Schaltungen zum Empfangen und Senden von Informationen enthalten.

T. Murphy ist Redakteur der "IBM Research Highlights", aus deren Nummer 4, 1983 obiger Beitrag übersetzt wurde.