參考材料4-令牌環(huán)與令牌總線

1、（1）令牌環(huán)網的操作原理令牌環(huán)網的操作原理可用圖 3來說明。當環(huán)上的一個工作站希望好送幀時，必須首先等待令牌。所謂令牌是一組特殊的比特，專門用來仲裁由哪個工作站訪問網環(huán)。一旦收到令牌，工作站便可啟動發(fā)送幀。幀中包括接收站的地址，以標識哪一站應接收此幀。幀在環(huán)上傳送時，不管幀是否是針對自己工作站的，所有工作站都進行轉發(fā)，直到待回到幀的始發(fā)站，并由該始發(fā)站撤消該幀。幀的意圖接收者除轉發(fā)幀外，應針對自身站的幀維持一個副本，并通過在幀的尾部設置“響應比特”來指示已收到此副本。工作站在發(fā)送完一幀后，應該釋放令牌，以便出讓給它站使用。出讓令牌有兩種方式，并與所用的傳輸速率相關。一種是低速操作（4Mb/s?

2、）時只有收到響應比特才釋放，我們稱之為常規(guī)釋放。第二種是工作站發(fā)出幀的最后一比特后釋放，我們稱之為早期釋放。現(xiàn)在就圖3進行一些說明，開始時，假定工作站A想向工作站C發(fā)送幀，其過程如圖3所標出的序列。第1步：工作站A等待令牌從上游鄰站到達本站，以便有發(fā)送機會。第2步：工作站A將幀發(fā)送到環(huán)上，工作站C對發(fā)往它的幀進行拷貝，并繼續(xù)將該幀轉發(fā)到環(huán)上。第3步：工作站A等待接收它所發(fā)的幀，并將幀從環(huán)上撤離，不再向環(huán)上轉發(fā)。第4步a：當工作站接收到幀的最后一比特時，便產生令牌，并將令牌通過環(huán)傳給下游鄰站，隨后對幀尾部的響應比特進行處理。第4步b：當工作站A發(fā)送完最后一個比特時，便將令牌傳遞給下游工作站，所謂

3、早期釋放。第4步分a、b兩種方式,表示選擇其中之一。如前所述，在常規(guī)釋放時選擇第4步a，在早期釋放時選擇第4步b。還應指出，當令牌傳到某一工作站，但無數據發(fā)送時，只要簡單地將令牌向下游轉發(fā)即可。（2）令牌環(huán)和IEEE 802.5背景令牌環(huán)網是由IBM于1970年代開發(fā)的，現(xiàn)在它仍然是IBM主要的局域網技術，IEEE 802.5幾乎和令牌環(huán)網標準完全一樣或完全兼容。實際上這個標準就是根據令牌環(huán)制訂的。令牌環(huán)這個詞通常表示IBM的令牌環(huán)網和IEEE 802.5標準。本文就主要說明這兩個東西（實際上我看是一個東西）。這兩個東西是完全兼容的，雖然在一些微小的地方上還有所不同。IBM的令牌環(huán)指的是星型結

4、構，所有的計算機都連接到一個MSAU的設備上。而IEEE 802.5未說明拓樸結構，但幾乎所有對IEEE 802.5的實現(xiàn)都是基于星型結構的。另外，IEEE 802.5未指定介質類型，而IBM令牌環(huán)則使用雙絞線。下表中還有一些不同。IBM令牌環(huán)IEEE 802.5傳輸速率4Mbps或16Mbps4Mbps或16Mbps每網段計算機數STP時260臺，UTP時72臺250拓樸結構星型未指定傳輸介質雙絞線未指定信號基帶基帶訪問方法令牌傳送令牌傳送編碼差量曼徹斯特制差量曼徹斯特制物理連接IBM令牌環(huán)網計算機直接連接到MSAU上，MSAU組成一個大環(huán)，連接計算機與MSAU的電纜稱為lobe cable

5、，連接MSAU與相鄰MSAU的電纜稱為patch cable。令牌環(huán)內部操作令牌傳送網絡內部傳送一個小小的幀，稱為令牌，有這個令牌的才能權利傳送數據，如果一個結點（計算機）接到令牌但是沒有數據傳送，則把令牌傳送到下一個結點（計算機）。每個結點（計算機）能夠保留令牌的時間是有限制的。如果結點確實有數據要發(fā)送，它獲得令牌，修改令牌中的一位，把令牌作為一個幀的開始部分，然后把數據（和目的地址）放在令牌后面?zhèn)魉偷较乱粋€結點，下一個結點看到令牌上被標記的那一位就明白現(xiàn)在有人在用令牌，自己不能用，使用令牌使得有數據傳送的結點在沒有令牌時除了等待什么也不能做，這就避免了沖突。令牌帶著數據在環(huán)網上傳送，直到到

6、達目的結點，目的結點發(fā)現(xiàn)目的地址和自己的地址相同，將把幀中的數據復制下來，并在數據幀上作好標記說明此幀已經被讀過了。這個令牌繼續(xù)在網上傳送，直到回到發(fā)送結點，發(fā)送結點刪除數據，并檢查相應的位，看數據是否被目的結點接收并復制。與以太網不同，令牌環(huán)中的等待時間是有限的，而且是決定好的了，這對于一些要求可靠性和需要保證響應時間的網絡來說至關重要。工廠自動化系統(tǒng)就是一個例子。優(yōu)先級系統(tǒng)令牌環(huán)有一個復雜的優(yōu)先級系統(tǒng)，可以讓用戶指定的結點經常發(fā)送數據，令牌環(huán)幀中有兩個域用于控制優(yōu)先級：優(yōu)先級域和保留域。只有當結點的優(yōu)先級大于等于令牌中的優(yōu)先級時能才取得令牌發(fā)送數據。在形成數據幀以后，只有高于令牌優(yōu)先級的結

7、點能夠使令牌在下一個循環(huán)中一定到自己的手中。在下一個令牌產生時，它的優(yōu)先級高于本站的優(yōu)先級。在數據傳輸完成后，被抬高的優(yōu)先級必須返回原優(yōu)先級。差錯管理機制令牌環(huán)網絡采用一些措施防止和修正網絡錯誤。在網絡中的一個結點可以做為活動監(jiān)視器，它可以是網絡中的任何一個結點，它監(jiān)視網絡性能和其它結點的動作。其中一項工作就是把持續(xù)在網上循環(huán)的幀刪除，有些機器在發(fā)送完數據幀后失敗了，那這個幀就成了沒娘的孩子在網上亂轉，這會使其它結點無法發(fā)送數據，因此必須把這個幀收回，并重要產生令牌，這任務就是活動監(jiān)視器的工作了。因為采取星型結點，所以網絡從結構上來說也是安全的。可以選擇活動的MSAU，讓它監(jiān)視其它的MSAU，

8、如果其它的MSAU出了問題，就把它們從環(huán)中分離出去。在令牌環(huán)中有一個錯誤檢測機制稱為烽火檢測，它用于修復特定的網絡錯誤。當一個結點檢測到網絡有嚴重問題時，它可以發(fā)送烽火幀，幀中定義了失敗域，這個域包括報告失敗的結點，和最近的活動上級鄰居（NAUN），以及NAUN和它之間的所有設備。烽火過程啟動稱為自動重新配置的過程，這一過程中，所有在失敗域中的結點執(zhí)行診斷程序，以重新配置網絡命使網絡重新形成環(huán)，繞過失敗區(qū)域。物理上，MSAU可以完成這一任務。幀格式令牌環(huán)和IEEE 802.5支持兩種幀格式：令牌幀和數據/命令幀。令牌為3字節(jié)，包括開始標記，訪問位和結束標記；數據/命令幀因信息域的不同而大小不一

9、，數據幀為上層協(xié)議傳送數據，而命令幀則傳送控制命令，并沒有包括提供給上層協(xié)議的數據，格式如下圖所示：令牌幀的就三個域，它們的意義如下：開始標記通知每個結點，有幀來了訪問控制它由高三位的優(yōu)先級域，低三位的保留域，還有一位令牌標記位（和數據/命令幀區(qū)別）和一位監(jiān)視位（供活動監(jiān)視器確定此幀的發(fā)送者是不是失敗）組成。結束標記通知每個結點，幀結束了，它還包括一些指示位指示損壞的幀或是邏輯序列中的最后一幀數據/命令幀的格式意義如下表：開始標記通知每個結點，有幀來了訪問控制它由高三位的優(yōu)先級域，低三位的保留域，還有一位令牌標記位（和數據/命令幀區(qū)別）和一位監(jiān)視位（供活動監(jiān)視器確定此幀的發(fā)送者是不是失?。┙M成

10、。幀控制指出幀包括的是數據還是控制信息，在控制幀中，此幀表示控制信息的類型目的和源地址兩個6字節(jié)地址域指出了源地址和目的地址數據此域的長度受限于結點保存令牌的最長時間幀校驗序列（FCS）由源結點根據數據內容計算得到，目的結點根據內容再進行計算以決定幀內數據是否正確，如果不正確，目的結點棄此幀結束標記通知每個結點，幀結束了，它還包括一些指示位指示損壞的幀或是邏輯序列中的最后一幀幀狀態(tài)結束命令/數據幀的一位數據，它包括地址識別標記和幀復制標記（3）令牌環(huán) Token Ring 是一種 LAN 協(xié)議，定義在 IEEE 802.5 中。之所以稱為環(huán)，是因為這種網絡的物理結構具有環(huán)的形狀。環(huán)上有多個站逐

11、個與環(huán)相連，相鄰站之間是一種點對點的鏈路。通過圍繞環(huán)的令牌信息授予傳輸權限。IEEE 802.5 中定義的令牌環(huán)源自 IBM 令牌環(huán) LAN 技術。兩種方式都基于令牌傳遞 Token Passing 技術。雖有少許差別，但總體而言，兩種方式是相互兼容的。令牌環(huán)上傳輸的數據格式（幀）為令牌幀。如果環(huán)上的某個工作站想發(fā)送信息幀時，必須首先等待令牌；令牌一到，便通過將T比特置“1”來抓住令牌，隨后將其余想傳輸的字段添加在首字段后，形成一個完整的幀發(fā)送到環(huán)上下一站。當信息幀環(huán)繞一周后，網絡中沒有令牌，這就意味著想傳送幀的其它站必須等待。因此令牌環(huán)網絡中不會發(fā)生傳輸沖突。信息幀不斷進行轉發(fā)直到它到達預期

12、的目的站，并且需要保留副本以便進一步處理。信息幀不斷轉發(fā)，當它到達發(fā)送站時便可以被刪除。發(fā)送站可以通過檢驗返回幀以查看幀是否可見，隨即目的站對此幀進行拷貝處理。與以太網 CSMA/CD 網絡不同，令牌傳遞網絡具有確定性，這意味著在任意終端站能夠傳輸之前計算出最大傳遞時間是完全可能的。該特征結合另一些可靠性特征，使得在可預測延遲的應用程序中以及網絡操作較為重視的情況中的令牌環(huán)網絡閑置。此外，光纖分布式數據接口 FDDI 中也運用了令牌傳遞協(xié)議。 協(xié)議結構123915 bytesSDELACFCDestination AddressSource AddressRoute information 0

13、-30 bytesInformation (LLC or MAC) variable FCS (4 bytes)EDELFS · SDEL/EDEL 起始分隔符/結束分隔符（Starting Delimiter/Ending Delimiter）。 · AC 訪問控制（Access Control）字段包括優(yōu)先級字段。 · FC 幀控制（Frame Control）字段說明幀是包含數據信息還是控制信息。 · Destination Address目標站地址（Destination Station Address）。 · Source

14、Address 源站地址（Source Station Address）。 · Route Information 該字段包括路由選擇控制、路由描述符和路由選擇類型信息等。 · Information 信息（Information）字段可能為 LLC 或 MAC。 · FCS 幀校驗序列（Frame Check Sequence） · Frame Status 由幀接收方開始，識別信號地址，以及幀復制是否成功。 相關協(xié)議IEEE 802.2、802.3、802.4、802.5組織來源令牌環(huán)由 IEEE （）定義在802

15、.5中。 相關鏈接/getieee802/download/802.5-1998.pdf: Token Ring Access Method and Physical Layer Specification Token Ring and IEEE 802.5 【轉自世紀安全網 】 （1）5.5 IEEE 802.4標準： 令牌總線局域網5.5.1 令牌總線局域網的組成 總線局域網的爭用總線策略使得它不很適用于工廠的一些對時間有嚴格要求的實時控制系統(tǒng)。 令牌環(huán)形網中的令牌繞網一周的時間雖有一個上限值，但它在輕載時的性能不太好，并且還采用了許多的干線

16、耦合器（這里面使用了有源器件）連接成環(huán)路的，其可靠性要比無源的總線要差些。在這種情況下，綜合這兩種局域網的優(yōu)點的令牌總線局域網就產生了。這就是 802.4 標準。在美國最先使用這種局域網的是通用汽車公司（General Motor）。 圖5-20 表示出令牌總線局域網的兩個主要特點，這就是：令牌總線局域網在物理上是一個總線網，而在邏輯上卻是一個令牌網。例如圖中所示的 7 個站中，站 C 有故障而站 G 未工作。剩下的 5 個站在邏輯上組成了一個令牌網。令牌傳遞的順序與站的物理位置無關，在圖中設令牌按照A D B E F A 的順序傳遞。 這樣，令牌總線局域網既具有總線網的 “接入方便” 和 “

17、可靠性較高” 的優(yōu)點，也具有令牌環(huán)形網的 “無沖突” 和 “發(fā)送時延有確定的上限值” 的優(yōu)點。5.5.2 令牌總線局域網的MAC子層 在令牌總線局域網中，令牌傳遞的順序不是按照站的物理位置，因此必須有一個有效的 MAC 子層協(xié)議來管理網絡的令牌。這就使得令牌總線局域網的 MAC 子層協(xié)議非常復雜（802.4 標準的原文超過 200 頁）。 802.4 的 MAC 子層具有如 圖5-21 所示的四個主要功能。在 802.4 標準中，各功能都被稱為某種機器（Machine），簡稱為某某機。下面簡單介紹這四種功能。 （1）接入控制機（Access Control Machine） 接人控制機是令牌總

18、線網的核心，它決定一個站什么時候可以向總線發(fā)送一個幀，并且負責整個邏輯環(huán)路的管理。環(huán)路的管理主要功能是：環(huán)路的初始化、工作站的入網（即加入到環(huán)路中）、工作站的退網（即從環(huán)路中刪除）、差錯恢復和優(yōu)先級的設置。 （2）接口機（Interface Machine） 接口機的任務是：對 LLC 子層向下交給接入控制機發(fā)送的 LLC PDU 進行緩存；將 LLC 子層和 MAC 子層的服務質量參數進行變換；將收到的 LLC PDU 進行地址檢驗。 （3）發(fā)送機（Transmit Machine） 發(fā)送機從接入控制機收到 LLC PDU，再負責將幀裝配成 MAC 幀交給物理層發(fā)送。 （4）接收機（Rece

19、ive Machine） 接收機將物理層上交的數據進行差錯校驗。當收 LLC PDU 時就上交給 LLC 子層。若收到的是 MAC 幀（如令牌幀或其他為環(huán)路管理用的幀），則交給接入控制機進行處理。 傳輸媒體使用電纜電視用的 75  歐同軸電纜?？墒褂脝坞娎|或雙電纜系統(tǒng)（可使用或不使用頭端）。有三種可供選擇的數據率：l、5 和 10 Mb/s 。需要注意的是，802.4 規(guī)定要把基帶信號再進行調制后才送到電纜上傳輸。調制的方法有：相位連續(xù)移頗鍵控、相位相干移頻鍵控和多電平雙二進制調幅移頻鍵控。5.5.3 三種局域網的比較 我們已經介紹了三種常用的局域網?，F(xiàn)在對它們進行簡單的比較。 總線

20、網無疑是使用得最為廣泛的。整個電纜是無源的，站點的接入與安裝很方便。在低負載時網絡基本上沒有時延，因為每個站隨時可以發(fā)送信息。 802.3 協(xié)議最大的缺點就是發(fā)送時延的不確定性，這對某些實時應用是非常不利的。在使用轉發(fā)器的情況下，電纜的最大長度只有 2.8 km 。電磁波在電纜線上的往返時間決定了爭用期的長度，它和數據的發(fā)送速率無關。這一點限制了數據的發(fā)送速率。當網絡的負載很重時，由于沖突增多，網絡的效率就下降很多。 此外，802.3 還不便于將光纖作為總線。 802.4 協(xié)議使用高可靠的電視電纜。它的發(fā)送時延是確定的，雖然在關鍵時刻連續(xù)發(fā)生令牌的丟失會造成一些時延的不確定性。802.4 協(xié)議

21、沒有對數據幀的長度設置下限。 802.4 協(xié)議可以設定優(yōu)先級。這有利于傳送數字化的分組話音信號。 令牌總線局域網在重載時的性能非常好，實際上成為時分復用 TDM 。 由于 802.4 協(xié)議采用的是寬帶電纜，因此它可以支持多個信道，除了數據外，還可以傳送話音和電視。 但是 802.4 協(xié)議使用了許多的模擬部件，包括調制解調器和寬帶放大器。802.4 協(xié)議非常復雜。在負載很輕時也要等待令牌的到來，產生了不必要的發(fā)送時延。和總線局域網相似，令牌總線局域網也很難用光纖來實現(xiàn)。 802.5 的令牌環(huán)形網既可用雙絞線連接，也比較容易用光纖來實現(xiàn)。將令牌環(huán)形網做成星形結構可自動檢測和排除電纜的故障。 802

22、.5 協(xié)議可設置優(yōu)先級。這一點和令牌總線局域網相似。此外，802.5 協(xié)議允許發(fā)送很短的幀，但對發(fā)送很長的幀則有限制，因為一個站截獲令牌的時間不得太長。在重載時，802.5 協(xié)議的效率和吞吐率都是很高的。 令牌環(huán)形網的一個主要缺點是令牌的管理采用了集中管理方式。當管理令牌的站出故障時，雖然按照協(xié)議可以再產生一個新的管理令牌的站，但這還是造成了一些麻煩。此外，像 802.4 一樣，在低負載時，發(fā)送數據的站由于要等待令牌，會產生附加的時延。 這三種局域網的標準都是不兼容的。圖5-22 畫出了 802.3 802.5 的幀格式的對比。僅從每一種幀所包含的字段種類就可看出它們之間的差別是很大的。支持這

23、些標準的廠家（施樂、通用汽車公司和 IBM ）誰也不肯放棄自己的經濟利益，因此這種多標準的狀況在短期內是不會根本改變的。 三個標準的最大 MAC 幀長不同。802.3 的最大幀長是 1518 字節(jié)。802.4 是 8191 字節(jié)（從幀控制字段到 FCS 字段為止，其中地址按 4 字節(jié)計算）。802.5 未規(guī)定幀長的上限，但每一個站持有令牌的時間是有上限值的。若按一般取值 10 ms，則在 4 Mb/s 下最大幀長為 5000 字節(jié)。 有不少人對這三種局域網的性能進行過定量分析BUX81HAMM86。但從這些分析得出的最主要的結論就是：“基本上得不出來什么結論”。人們總是可以找出一組參數使得在此

24、參數下某一種局域網優(yōu)于另一種局域網。 唯一可做的結論是：在很重的負載下 802.3 局域網徹底不能用，而基于令牌的局域網則可達到接近于 100% 的效率。若負載范圍是從輕到中等，則三種局域網都能勝任。 但是從市場的情況來看，以太網擁有最大的市場，其銷售量超過令牌環(huán)的 3 4 倍以上，而令牌總線網則很少有人使用。（2）5-3 令牌總線以太網在共享總線上運行CSMA/CD協(xié)議,存在以下弱點: 1    不適應重負荷應用環(huán)境。 1    實時性差，幀的延遲不能確定。 1    無優(yōu)先級區(qū)分，重要的幀和不重要的幀都有相同的權力使用總線. 1

25、   由于存在碰撞域,以太網內的節(jié)點和以太網的覆蓋范圍受到限制。 1    共享總線方式決定了媒體不能使用光纖，限制了數據的傳輸距離。 令牌總線局域網是一種傳送延遲時間可以確定的系統(tǒng)。     令牌繞網一周的時間上限值 <=nT秒。 令牌總線局域網的兩個主要特點，就是令牌總線局域網在物理上是一個總線網，而在邏輯上卻是一個令牌網。這樣，令牌總線網既具有總線網的“接入方便”和“可靠性較高”的優(yōu)點，也具有令牌環(huán)形網的“無沖突”和“發(fā)送時延有確定的上限值”的優(yōu)點。 在令牌總線局域網中，必須有一個有效的MAC子層協(xié)議來管理網絡的

26、令牌。因而令牌總線局域網的MAC子層協(xié)議非常復雜 。    令牌傳遞的順序與站的物理位置無關，在圖中設令牌按照ADBEFA的順序傳遞 1    總線是一根線形或樹形的電纜，其上連接著各個節(jié)點，每個節(jié)點傳送的幀其它節(jié)點都能收到。 1    邏輯上，所有節(jié)點構成一個環(huán)，每個節(jié)點都有前方節(jié)點和后繼節(jié)點，并知道它們的地址。 1    節(jié)點發(fā)送前必須獲得令牌，整個網絡上只有一個令牌，獲得令牌的幀可以發(fā)送一幀。 1    如無數據發(fā)送，則把令牌交給后繼節(jié)點。令牌如此沿邏輯環(huán)循環(huán)傳送。 1  

27、60; 節(jié)點傳送令牌時，只需指定邏輯環(huán)上后繼節(jié)點的地址。 1    傳輸媒體使用電纜電視用的750同軸電纜。 1    注意，802.4規(guī)定要把基帶信號再進行調制后才送到電纜上傳輸。 1    802.4與802.3的物理層完全不兼容。    令牌：一種特殊的幀，只有得到令牌的節(jié)點才能發(fā)送幀。IEEE 802.4使用令牌，從而避免了多個節(jié)點同時訪問總線引起的幀碰撞。 1 在下列之一條件下，站必須交出對媒體的控制權： &    該站沒有數據幀要發(fā)送 &    該

28、站發(fā)送了所有排隊等候傳輸的數據幀 &    分配給該站的時間終了 1    遇到這些情況之一，令牌就被傳遞給邏輯序列中的下一站。這個新的令牌接收站就獲得了發(fā)送權。因此，令牌總線的穩(wěn)態(tài)操作是由交替的數據傳遞階段和令牌傳送階段組成的。 特點： Ø 物理上是總線網，邏輯上是令牌網 Ø 物理層：傳輸媒體為75W寬帶同軸電纜，數據速率為1Mb/s、5Mb/s或10Mb/s； Ø 傳輸機制為以太網和令牌環(huán)的結合： 物理傳輸采用廣播方式； 介質訪問控制采用令牌方式。 （3）令牌總線（Token Bus），是一個使用令牌通過接入到一個總線拓撲的局域網架構。令牌總線被IEEE 802.4工作組標準化。 令牌總線的工作原理 令牌總線是一