Definition Was ist 802.4 (Token Bus)?

Token Bus ist ein Vernetzungstechnik, die zur Zugriffssteuerung auf das Medium und Kollisionsvermeidung das Token-Verfahren einsetzt. Der hierfür notwendige logische Ring ist auf einer physischen Bus-Struktur abgebildet. Das Verfahren eignet sich sehr gut für Netzwerkanwendungen, die ein deterministisches Übertragungsverhalten erfordern.

Der Token Bus ist im Standard IEEE 802.4 spezifiziert. Es handelt sich um eine Vernetzungstechnik mit Vorgaben für die Layer 1 und 2 des ISO/OSI-Schichtenmodells. Unter anderem sind die Bitübertragungsschicht, das Medienzugriffsverfahren und die Protokolle und Frame-Formate der Sicherungsschicht definiert. Für Protokolle höherer Ebenen wie das Internet Protokoll ist der Token Bus transparent, weshalb sich beliebige Netzanwendungen auf Basis der Vernetzungstechnik eines Token Bus betreiben lassen.

Aufgrund des Token-Verfahrens zur Sendesteuerung und Kollisionsvermeidung ist der Token Bus sehr gut für Netzwerkanwendungen geeignet, die ein deterministisches Übertragungsverhalten erfordern. Wie in einem Token Ring (IEEE 802.5) regelt auch hier ein Token die Erlaubnis zum Senden der Daten. Der Token wird logisch in einer definierten Reihenfolge zwischen den einzelnen Stationen weitergegeben.

Hierfür wird ein logischer Ring auf der physikalischen Bus-Struktur abgebildet. Im Gegensatz zum Token Ring ist die Reihenfolge also nicht durch die Verkabelung der Stationen mit dem Ringleitungsverteiler bestimmt, sondern wird von den Adressen der Stationen vorgegeben.

Eine Station gibt den Token an die Station mit der nächst niedrigeren Adresse weiter. Die Station mit der niedrigsten Adresse schließt den Ring, indem sie den Token an die Station mit der höchsten Adresse weiterleitet.

Typische Anwendungsbereiche sind die Vernetzung und Automatisierung in der Industrie. Vernetzungstechnologien wie das ARCNET (Attached Resource Computer Network) oder das Manufacturing Automation Protocol (MAP) basieren auf dem Token-Bus-Ansatz.

Der Token Bus hat heute kaum noch eine Bedeutung und wurde vom Ethernet und echtzeitfähigen Ethernet-Varianten nahezu vollständig abgelöst.

Das Funktionsprinzip des Tokens in einer physischen Bus-Struktur

Wie auch im Token Ring sind die einzelnen Stationen logisch in einer Ringstruktur angeordnet. Diese basiert jedoch auf einer physischen Bus-Struktur und ist völlig unabhängig von der räumlichen Position der Station oder ihrer Anbindung an einen Ringleitungsverteiler. Der logische Ring wird auf Basis der Adressen gebildet.

Jede Station hat abhängig von ihrer Adresse einen logischen Vorgänger und Nachfolger. Tokens sind prinzipiell von allen Stationen im Netz empfangbar. Ein Token ist ein Frame, der einer Station die Sendeerlaubnis erteilt.

Zunächst hören alle Stationen den Bus ab. Möchte eine Station Daten senden, beansprucht sie einen freien Token, kennzeichnet diesen als belegt und fügt Nutzdaten, Zieladresse und Steuerinformationen ein. Dieser Token-Frame wird anschließend an die Station mit der nächst niedrigeren Adresse weitergeben, bis er den eigentlichen Empfänger erreicht. Dieser markiert den Token als "empfangen". Der so markierte Frame erreicht anschließend wieder den ursprünglichen Sender und wird von diesem als frei gekennzeichnet. Der freie Token kann danach von einer anderen Station zum Senden von Daten genutzt werden.

In periodischen Abständen fragen die Stationen auf dem Bus nach, ob sich Stationen mit Adressen zwischen der eigenen und der nächsten Station neu im Ring befinden. Ist dies der Fall, wird der Token an die nächste neue Adresse weitergegeben und der logische Ring erweitert. Verlässt eine Station den logischen Ring, informiert sie ihren Vorgänger über die Adresse ihres Nachfolgers und gibt den Token weiter. Der Ring bleibt dadurch geschlossen.

Abgrenzung des Token Bus vom Ethernet und Token Ring

Wie ein Token Bus ist auch ein Ethernet Bus-basiert. Zur Vermeidung von Kollisionen und zur Steuerung des Zugriffs auf das Netzwerkmedium nutzt das Ethernet kein Token-basiertes Verfahren, sondern Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection (CSMA/CD). Im Gegensatz zum Token Ring muss eine Station im Ethernet nicht auf einen Token warten, um senden zu dürfen.

Die sendewillige Endstation überwacht das Ethernet, ob es gerade belegt ist, und sendet Daten, sobald das Medium für eine bestimmte Zeit frei ist. Während des Sendens wird das Medium von der Sendestation weiter überwacht. Tritt bis zum Ende des Sendevorgangs keine Kollision auf, gilt der Vorgang als erfolgreich abgeschlossen.

Bei einer erkannten Kollision muss die Sendestation den Sendevorgang abbrechen und ein kurzes Störsignal auf der Netzwerkleitung erzeugen, bevor sie wieder versuchen darf zu senden. Bis zu einer definierten Anzahl darf der Sender erneute Sendeversuche starten. Erst wenn die maximale Anzahl an Sendeversuchen erreicht ist, bricht die Station den Vorgang ab und meldet den Protokollen höherer Ebenen einen Sendefehler.

Aufgrund dieses Sendeverhaltens bietet das Ethernet im Gegensatz zum Token Ring oder Token Bus keine vorhersehbaren Datenraten oder Antwortzeiten. Der Token Bus eignet sich sehr gut für Anwendungen, die ein Netzwerk mit deterministischem Übertragungsverhalten benötigen.

Anwendungsbereiche des Token Bus

Verschiedene Netzwerktechniken des industriellen Umfelds basieren auf dem Token-Bus-Verfahren. Dies sind beispielsweise:

• der Feldbus Profibus

• das ARCNET (Attached Resource Computer Network)

• das Manufacturing Automation Protocol (MAP)

Diese Netzwerktechniken stehen in Konkurrenz mit den echtzeitfähigen Varianten des Ethernets wie RTnet, PROFINET oder EtherCAT, die die Token-Bus-basierten Verfahren größtenteils abgelöst haben.

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