局域网协议与技术1n.ppt

本课程主要教学内容 第1章通信网概论第2章网络协议的体系结构第3章局域网协议与技术第4章因特网协议与技术第5章IP广域网的路由与QoS控制第6章网络新技术及其发展 第3章局域网协议与技术 3 1局域网协议与参考模型3 2常规局域网组网技术3 3高速局域网组网技术3 4无线局域网协议与组网3 5虚拟局域网概述 3 1局域网技术与参考模型 3 1 1局域网技术特征3 1 2局域网 城域网参考模型和标准3 1 3介质访问及其控制方法 1 局域网的基本特征 覆盖的地理范围可以在一幢办公楼 一个校园的区域 其距离一般0 1 10km 从技术上来说 已可延伸到城区 MAN 的范围 传输时延小 传输速率高 如10Mbit s 100Mbit s 1000Mbit s的以太网已得到了广泛的应用 正在推出10Gbit s 万兆 的以太网 误码率很低 大致为10 8 10 11 通常小于10 8 可使用多种传输介质 如粗缆 细缆 双绞线 光纤 3 1局域网技术与参考模型 3 1 1局域网技术特征 局域网拓扑结构 3 1 1局域网技术特征 2 局域网的基本技术 总线型拓扑总线型拓扑是局域网最基本的拓扑结构之一 如下图 决定局域网特性的主要技术因素有网络拓扑结构 传输介质和介质访问控制方法 总线型局域网拓扑结构的特点是 所有的节点都通过相应的硬件接口直接连接到一条作为公共传输介质的总线上 总线通常采用同轴电缆作为传输介质 所有节点都可以通过总线传输介质发送或接收数据 但一段时间内只允许一个节点利用总线发送数据 该节点利用总线传输介质以 广播 方式发送数据 其他节点用 收听 方式接收数据 由于总线作为公共传输介质为多个节点共享 就有可能出现同一时刻有两个或两个以上节点利用总线发送数据 因此会出现 冲突 collision 造成传输失败 在 共享介质 方式的总线型局域网实现技术中 必须解决多节点访问总线的 介质访问控制 MediumAccessControl MAC 方法 问题 总线型拓扑 2 如右图 节点H1 H5通过相应的环接口 使用点 点链路 构成闭合的环形 环型网络的环接口的输入 输出端分别有一个接收电路 Receiver R 与一个发送电路 Transmitter T 组成 由于每个节点从网络环接口的接收电路接收上一站传送来的数据 再通过接收 转发方式 通过它的发送电路T 经过点 点链路向下一站传送 因此环中数据传送方向是单一的 环中数据沿着一个方向绕环逐站传输 环型拓扑也属于共享介质方式的局域网 环型拓扑 图5 2环型局域网拓扑 星型拓扑是目前在局域网中应用得最为普遍的一种 在企业网络中几乎都是采用这一方式 星型网络几乎是Ethernet 以太网 专用的拓扑结构 它是因网络中的各工作站节点设备通过一个网络集中设备 如集线器或者交换机 连接在一起 各节点呈星形状分布而得名 这类网络目前用的最多的传输介质是双绞线 如常见的五类线 超五类双绞线等 星型局域网拓扑如下图所示 星型拓扑 需要注意的一点是 根据星型拓扑的定义 星型拓扑中存在着中心节点 每个节点通过点 点链路与中心节点连接 任何两节点之间的通信都要通过中心节点连接 按照这种定义 在共享介质方式的局域网中不存在星型拓扑 以集线器为中心的局域网系统只能以归为物理结构上的星型局域网拓扑 只有在出现交换局域网 SwitchingLAN 之后 才真正出现了物理结构与逻辑结构统一的星型拓扑结构 交换局域网的中心节点是一种交换式集线器 交换机 典型的交换局域网中结点可以通过点 点链路与交换式集线器连接 交换式集线器可以在多对通信节点之间建立并发的逻辑连接 星型拓扑 2 2 局域网的基本技术 所谓介质访问控制方法 是指控制多个节点利用公共传输介质发送和接收数据的方法 介质访问控制方法要解决以下几个问题 该哪个节点发送数据 发送时会不会出现冲突 出现了冲突怎么处理 由此可见 介质访问控制方法是所有 共享介质 类型局域网都必须解决的共性问题 局域网的介质访问控制方法 局域网的介质访问控制方法主要有以下三种 带有冲突检测的载波侦听多路访问 CSMA CD 方法 令牌总线 TokenBus 方法 令牌环 TokenRing 方法 3 1 2局域网 城域网参考模型和标准 1 IEEE802局域网 城域网体系结构 IEEE802委员会于1980年初成立 专门从事局域网标准化方面的工作 目的是推动局域网技术的应用和规范局域网产品的开发 IEEE802委员会分成三个分会 通信介质 或称媒体 分会 该分会的研究领域对应于ISO的OSI参考模型的物理层 该层主要涉及局域网通信的物理传输特性以及标准的物理介质与链路接口的性质 信号存取控制分会 该分会的研究领域对应于ISO的OSI参考模型的数据链路层 该层主要涉及逻辑链路控制协议和介质访问控制协议 以及与物理层 在其下面 和网络层 在其上面 的接口 高层接口分会 该分会负责检查局域网对ISO的OSI参考模型高层 即从网络层到应用层 的影响 实际应用当中 不同的网络技术 通常侧重于不同层的协议 尽管局域网是计算机网络系统中的一种 但局域网并没有完全采用OSI参考模型 由IEEE802工作组制定的LAN MAN体系结构只有OSI RM的最低两层 即物理层和数据链路层 1 IEEE802局域网 城域网体系结构 2 IEEE802委员会在IEEE802 1标准中定义了关于局域网的参考模型 右图为LAN MAN的参考模型以及与OSI RM的映像关系 图IEEE802局域网 城域网参考模型 可见局域网的参考模型分为物理层和数据链路层两个层次 各层的主要功能如下 1 IEEE802局域网 城域网体系结构 3 物理层 主要处理物理链路上发送 传递和接收非结构化的比特流 包括对带宽的频道分配和对基带的信号调制 建立 维持 撤消物理链路等 并要实现电气 机械 功能和规程四大特性的匹配 该层规定了所使用的信号 编码 传输媒体 拓扑结构和传输速率 数据链路层 它最主要的作用是通过一些数据链路层协议 在不太可靠的传输信道上实现可靠的数据传输 负责帧的传送和控制用 同时局域网的数据链路层进一步被划分为两个子层 介质访问控制MAC MediumAccessControl 子层 逻辑链路控制LLC LogicalLinkControl 子层 1 IEEE802局域网 城域网体系结构 4 LLC子层的主要功能 逻辑链路控制LLC子层集中了与介质接入无关的部分 LLC向高层提供一个或多个逻辑接口 或称为服务访问点SAP 它具有帧接收和发送功能 此外 LLC子层还包括多种网络层功能 如数据报 虚电路和多路复用 建立和释放数据链路层的逻辑连接 LLC子层提供两种链路服务 一是无连接LLC 二是面向连接LLC 在任何信息帧交换前 在一对LLC实体间必须建立逻辑链路 在数据传输过程中 信息帧依次发送 并提供差错恢复和流量控制功能 MAC子层的主要功能 1 IEEE802局域网 城域网体系结构 5 介质访问控制MAC子层集中了与各种介质接入有关的部分 其主要功能是控制对传输媒体的访问 同时负责在物理层的基础上进行无差错通信 有管理多个源链路与多个目的链路的功能 具体功能有 1 发送信息时负责把LLC帧组装成带有地址和差错校验段的MAC帧 接收数据时对MAC帧进行抽取 执行地址识别和差错校验 2 实现和维护MAC协议 IEEE802标准制定了几种媒体访问控制方法 同一个LLC子层能与其中任何一种媒体访问方法接口 MAC实现对不同拓扑结构 不同传输媒体的访问控制 IEEE802 3 802 4 802 5等系列标准就是针对不同类型的局域网而制定的 以实现不同媒体 不同拓扑结构访问控制的细节处理 MAC帧与LLC帧的封装 1 IEEE802局域网 城域网体系结构 6 由局域网的参考模型可知 局域网中数据链路层的功能是由MAC子层和LLC子层共同完成的 与之相应的就有两种不同的帧 MAC帧和LLC帧 高层的PDU包传到LLC子层 LLC子层就把高层的PDU包封装成LLC帧 LLC帧再向下传输给MAC子层 MAC子层将LLC帧封装成MAC帧 MAC帧再向下传递给物理层进行比特流传输 如下图所示 局域网中的各站共享一条公共信道 而在一个站点可能有多个进程在运行 这些进程还可能同时与其他一个或多个站的进程进行通信 那么它们是如何实现进程通信的呢 换句话说 一个站点的进程发出连接请求时 怎样才能找到对方的进程呢 若假设站点A要与工作站点B进行进程通信 那么就要求点站A在发出MAC帧中加上站点A在网络中的地址 即源地址 和对方站点 站点B 在网络中的地址 即目的地址 因此 在局域网中要实现进程通信 必须有两种地址 LLC地址和MAC地址 局域网的地址 1 IEEE802局域网 城域网体系结构 7 LLC地址 即是与进程相对应的LLC子层上面的服务访问点SAP地址 逻辑地址 由LLC帧传送 MAC地址 DTE站点在网络中的地址 用物理地址表示 由MAC帧负责传送 在进程通信过程中局域网络的寻址分为两步 用MAC地址找到网络中的某个站点 DTE 剥去MAC帧的首尾并上交给LLC子层 用LLC帧地址寻找该站的某个服务访问点SAP 即进程地址 局域网的地址 2 1 IEEE802局域网 城域网体系结构 8 2 IEEE802标准 IEEE802局域网标准是一个系列标准 并不断地增加新的标准 下图给出了IEEE802系列标准中各个子标准之间的关系 图IEEE802系列标准 这些标准在物理层和介质访问控制MAC子层有区别 但各种局域网的逻辑链路控制LLC子层是相同的 事实上 LLC子层是高级协议与任何一种MAC子层之间的标准接口 2 IEEE802标准 2 IEEE802委员会公布的11条基本标准是 802 1 概述 体系结构和网络互连 以及网络管理和性能测量等标准 802 2 LLC子层协议 802 3 总线型局域网MAC子层和物理层技术规范 802 4 令牌总线局域网MAC子层和物理层技术规范 802 5 令牌环局域网MAC子层和物理层技术规范 802 6 城域网 MAN MAC子层和物理层技术规范 802 7 宽带局域网访问控制方法与物理层规范 802 8 光纤局域网访问控制方法与物理层规范 802 9 话音数据综合局域网标准 802 10 可互操作的局域网的安全与保密规范 802 11 无线局域网标准 一种MAC子层技术规范与一种介质控制方法相对应 2 IEEE802标准 2 IEEE802委员会随着局域网的发展过程新增加的标准 802 1Q 虚拟局域网 VLAN 标准 IEEE802 3i 10BASE T的MAC子层和物理层技术规范IEEE802 3u 100BASE T的MAC子层和物理层技术规范IEEE802 3ab 千兆位以太网MAC子层和物理层技术规范 半双工 IEEE802 3z 千兆位以太网MAC子层和物理层技术规范 全双工 IEEE802 3ae 万兆位以太网MAC子层和物理层技术规范 IEEE802 12 需求优先访问控制方法和物理层技术规范 IEEE802 14 电缆电视 Cable TV 访问方法和物理层技术规范IEEE802 15 无线个人局域网 WPAN 的MAC子层和物理层技术规范 IEEE802 16 固定宽带无线接入系统的空中接口规范 3 LLC协议 LLC层为所有的局域网提供公共的服务 而每一种局域网都定义了各自的MAC层和物理层 换句话说 LLC层协议独立于各种局域网的MAC层和物理层协议 因此应该首先了解LLC层协议 然后再分别了解不同局域网的MAC层协议 物理层协议以及组网技术 LLC帧格式LLC协议定义了LLC层之间通信的帧格式 LLC帧由4个字段组成 目的服务访问点DSAP字段 源服务访问点SSAP字段 控制字段和数据字段 下图给出了LLC帧及前3个字段的具体结构 3 LLC协议 2 地址字段 地址字段由目的服务访问点DSAP字段和源服务访问点SSAP字段组成 两个字段各占一个字节 DSAP字段 该定义了两种目的地址 单地址和成组地址 单地址只能识别链路的一个站 成组地址是一个多目标寻址 可由多个站响应的地址 用于广播和组播 这两种地址由DSAP字段的第一个比特 I G 的值决定 当I G 0时 DSAP的后面7个位表示单个目的服务访问点地址 当I G 1时 DSAP的后面7个位表示成组目的的服务访问点地址 3 LLC协议 2 LLC帧格式中各个字段的含义如下 SSAP字段 它的第一个比特 C R 用于区分LLC帧是命令帧还是响应帧 当C R 0时 表示发送的LLC帧为命令帧 当C R 1时 表示发送的LLC帧为响应帧 SSAP的后面7个位表示源服务访问点 控制字段 占一个或两个字节 是最复杂的字段 LLC的许多重要功能都靠控制字段来实现 根据该字段前两个位的取值 可将控制字段分为信息帧I 监督帧S和无编号帧U 信息帧和监督帧长度为16位 无编号帧的长度为8位 下面简要说明这三种帧 3 LLC协议 3 a 信息帧 控制字段的第1比特为0为信息帧 第2 8比特为发送序号N S 而第10 16比特为接收序号N R 即发送序号和接收序号均按模128进行编号 控制字段的第5个比特是探询 终止 Poll Final 比特 简称P F比特 主站发出的命令帧中若将P比特置为1则表示要求对方立即发送响应 在对方确认的帧中若将F比特置为1则表示要发送的数据已经发送完毕 b 监督帧 若控制字段的第1 2比特为10 则对应的帧即为监督帧S 监督帧共有四种 取决于第3 4比特的值 见前面LLC帧结构图的监督帧中标有 S 的2个比特 所有的监督帧都不包含要传送的数据信息 因此它只有32比特长 显然 监督帧不需要有发送序号N S 但仍需要有接收序号N R c 无编号帧 若控制字段的第1 2比特都是1时 这个帧就是无编号帧U 无编号帧本身不带编号 即无N S 和N R 字段 而是用5bit 见前面LLC帧结构图的无编号中标有 M 的第3 4 6 7 8比特 来表示不同功能的无编号帧 无编号帧主要起控制作用 可在需要时随时发出 数据字段 数据字段的长度M可变且没有限制 但应是整数个字节 实际中由于MAC帧的长度受限 因此LLC帧的长度也被受限 3 LLC协议 4 LLC服务 3 LLC协议 5 LLC子层向上层实体提供三种不同类型的服务 即不确认的无连接服务 面向连接服务 带确认的无连接服务 相应地LLC子层定义了三种操作类型 操作类型1 LLC1 支持不确认无连接服务 是一种数据报服务 其特点是 由于局域网的差错率很低 因此即使在数据链路层不确认问题也不会太大 该方式在局域网中使用最为广泛 适合点到点通信 广播通信和组播通信 操作类型2 LLC2 支持面向连接服务 是一种虚电路服务 端到端的控制由LLC子层提供 并且还要提供数据链路层的定序 流控和错误恢复等功能 该方式特别适合于在一定期间内向同一目的地连续发送许多或传送很长的数据文件的情况 LLC服务 3 LLC协议 6 操作类型3 LLC3 支持带确认的无连接服务 是一种可靠的数据报服务 带确认的无连接服务不需先建立连接而直接发送数据 接收方每收到一个数据单元便立即发出确认信息 发送方每次只发送一个数据单元 在得到这个数据单元的接收确认之后 再发送下一个数据单元 这种服务适合于传输某些非常重要且时间性很强的信息 它只在令牌总线网中使用 由于所有LAN与MAN中的网络设备通过访问共享介质来发送和接收信息 因而必须提供相应的机制来控制对传输介质的访问 其目的是使之更加有序和有效 这就是MAC协议提供的功能 在IEEE802系列标准中 对于不同的局域网 其MAC子层是不相同的 4 MAC协议 目前在所有介质访问控制技术中 最关键的参数是在何地控制和如何控制 何地控制是指采用集中式还是分布式 如何控制是指怎样控制对共享介质的访问 在IEEE802中的局域网介质访问控制方式主要有三种 竞争 对突发性的数据传输 争用是最常用的机制 通过竞争来获得对传输介质的访问权 采用此技术的IEEE802标准有IEEE802 3和IEEE802 11 介质访问控制技术 轮询 Polling 在网络以有序的方式询问各站点是否有数据需要发送 这个询问以信息的形式出现送给每个站点 由它赋予各站点传输数据的权利 当某站点放弃传输机会或者完成传输后 该询问信息被继续传递给下一个逻辑站点 采用此技术的IEEE802标准有IEEE802 4 IEEE802 5 IEEE802 11和IEEE802 12 预约 媒体访问时间被分为一些时槽 一个站点在传输数据时 可以为即将到来的传输预约一些时槽 采用此技术的IEEE802标准有IEEE802 6 4 MAC协议 2 以上三种方式都属于信道的动态分配方法 即动态地为每个用户站点分配信道使用权 MAC帧格式 MAC层从LLC层接收一块数据 并进行相应的介质访问控制 然后把数据传输出去 MAC层组装一个MAC协议数据单元 PDU 这个PDU称之为MAC帧 MAC帧的通用格式如下图所示 MAC帧含有5个区域 4 MAC协议 3 LLC帧 FCS MAC控制字段 包括所有实现介质访问控制和必需的协议控制信息 PCI 目的MAC地址 源MAC地址 LLC帧 来自于LLC层的PDU 帧校验序列 采用CRC循环冗余码进行差错控制 带有冲突检测的载波侦听多路访问 CSMA CD 3 1 3介质访问及其控制方法 典型的介质访问控制方法 每个站点都能独立决定发送帧 若两个或多个站同时发送 即产生冲突 每个站都能判断是否有冲突发生 如冲突发生 则等待随机时间间隔后重发 以避免再次发生冲突 CSMA CD的工作原理可概括成四句话 即先听后发 边发边听 冲突停止 随机延迟后重发 令牌总线 tokenbus 访问控制 令牌环 tokenring 访问控制 令牌环介质访问控制方法 是通过在环形网上传输令牌的方式来实现对介质的访问控制 只有当令牌传输至环中某站点时 它才能利用环路发送或接收信息 3 1 3介质访问及其控制方法 典型的介质访问控制方法 续 令牌总线 tokenbus 访问控制 令牌总线访问控制是在物理总线上建立一个逻辑环 令牌在逻辑环路中依次传递 其操作原理与令牌环相同 它同时具有上述两种方法的优点 是一种简单 公平 性能良好的介质访问控制方法 1 CSMA CD介质访问控制协议 CSMA CD是一种争用型介质访问控制协议 它起源于美国夏威夷大学开发的ALOHA网络系统所采用的ALOHA协议 并进行了改进 提高了介质利用率 总线网是一种传送信息最简单 最直接 也是最流行的局域网 这种网络的典型代表就是1975年由美国Xerox公司研制成功的 采用无源电缆作为总线传输信息的以太网 Ethernet 它是以历史上表示传播电磁波的 以太 Ether 命名的 以太网采用的介质访问控制方法就是后来成为IEEE802 3标准的载波监听多路访问 冲突检测 CarrierSenseMultipleAccess CollisionDetection CSMA CD 技术 在IEEE802 3标准中规定了总线网的CSMA CD访问方法和物理层技术规范 CSMA CD的帧格式在IEEE802 3的CSMA CD协议中 定义了如下图所示的帧格式 1 CSMA CD介质访问控制协议 2 图CSMA CD的MAC帧格式 PA 前导码 帧同步序列 其格式为连续7个字节的 10101010 二进制序列 它的作用是使接收节点的接收电路在正式开始接收帧之前达到稳定的同步状态 但它不作为帧的有效成分 SFD 帧定界符 表示一个有效帧的开始 其格式为 10101011 二进制序列 它也不作为帧的有效成分 DA SA 目的地址 源地址 表示分别目的节点和源节点的MAC地址 FL 帧长度 以字节为单位来表示PDU数据的实际长度 PDU 协议数据单元 表示要传送的LLC层数据 LLC层数据应是一个字节序列 最大数据长度为1500个字节 CSMA CD的帧格式 2 帧格式中的各个字段的含义如下 PAD 填充 CSMA CD的MAC帧要求有最小帧长限制 最小帧长为64个字节 其中包括18个字节固定长度的帧头 帧头为DA SA FL和FCS等4个字段 共18个字节 在内 如果实际的PDU数据长度小于46个字节 必须在PAD字段上填充若干比特的 0 使PDU和PAD字段的总长度不小于46个字节 否则 接收节点会把超短帧作为 帧碎片 滤掉 不予接收 FCS 帧校验序列 采用32位CRC校验 用规定的生成多项式去除数据信息 获得的余数作为校验序列填入FCS字段 因此 CSMA CD的MAC帧包括18个字节的帧头和帧尾在内的最大帧长为1518个字节 CSMA CD的帧格式 3 CSMA CD的帧发送过程与协议算法 1 CSMA CD介质访问控制协议 3 一个节点在发送数据帧之前 首先要检测介质是否空闲 以确定介质上是否有其他节点正在发送数据 如果介质空闲 则可以发送 如果介质忙碌 则要继续检测 一直等到介质空闲时方可发送 在发送数据帧的同时 还要持续检测介质是否发生冲突 一旦检测到冲突发生 便立即停止发送 并向介质上发出一串阻塞脉冲信号来强化冲突 通知总线上各站有冲突发生 以便及早空出信道 这样 介质带宽不致因传送已损坏的帧而被白白地浪费 冲突发生后 应随机延迟一个时间量 再去争用介质 通常采用的延迟算法是二进制指数退避算法 该算法的过程如下 a 对于每个帧 当第一次发生冲突时 设置参数L 2 b 退避时间间隔取1到L个时间片中的一个随机数 1个时间片等于2a a为数据从始端传输到末端所需时间 c 每当帧重复发生一次冲突 则将参量L加倍 1 CSMA CD介质访问控制协议 4 d 设置一个最大重传次数 该值通常设为16 如果超过这个次数 表示发送失败 放弃该帧发送 并报告出错信息 这个算法是按照后进先出的次序控制的 未发生冲突或很少发生冲突的帧 具有优先发送的概率 而发生过多次冲突的帧 发送成功的概率反而小 CSMA CD的帧发送工作流程 先听后发边听边发冲突停止延迟重发 CSMA CD协议的两个方面 1 CSMA CD介质访问控制协议 5 载波监听 是指每一个站在发送数据之前先要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据 如果有 则暂时不要发送数据 要等待信道变为空闲时再发送 其实总线上并没有什么 载波 所谓 载波监听 就是用电子技术检测总线上有没有其他计算机发送的数据信号 冲突检测 就是计算机边发送数据边检测信道上的信号电压的变化情况 当几个站同时在总线上发送数据时 总线上的信号电压变化幅度将会增大 互相叠加 当某个站检测到的信号电压变化幅度超过一定的门限值时 就认为总线上至少有两个站同时在发送数据 表明发生了冲突 1 CSMA CD介质访问控制协议 6 因此 每一个正在发送数据的站 一旦发现总线上出现了碰撞 就要立即停止发送 以免继续浪费网络资源 然后等待一段随机时间后再次发送 既然每一个站在发送数据之前已经监听到信道为 空闲 那么为什么还会出现数据在总线上的碰撞呢 这是因为电磁波在总线上总是以有限的速率传播的 因此当某个站监听到总线是空闲时 也可能总线并非真正是空闲的 在CSMA CD的传输控制方式中 冲突最长要经过多少时间会被检测到 下图用来说明此问题 CSMA CD的冲突检测所需时间 从上图不难看出 A发送数据后 最长经过两倍的总线端到端的传播时延 2a 就能知道自己发送的数据和其他站发送的数据有没有发生碰撞 由于局域网上任意两个站之间的传播时延有长有短 因此按最坏情况考虑 应取总线两端的两个站之间 这两个站之间的距离最大 的端到端传播时延 为此 为了实现这种CSMA CD冲突检测 对发送站所发送的数据帧的长度要有一定的要求 例如在10Mb s的数据速率其数据帧长度的最小值不能小于64字节 如果所发送的信息不足时 可添加 填充 为什么 因为CSMA CD工作原理要求发送站一边发送数据 一边进行冲突检测 若检测到冲突则立即中止发送 然后推迟一段时间 再发送 如果所发送的帧长度太短 发送站还没来得及检测冲突就已经发送完了 那么就无法进行冲突检测了 CSMA CD的冲突检测所需时间 2 2 令牌总线介质访问控制协议 IEEE802 4标准定义了总线拓扑的令牌总线 tokenbus 介质访问控制方法与相应的物理层规范 令牌总线是一种在总线拓扑中利用 令牌 token 作为控制节点访问公共传输介质的介质访问控制方法 在采用令牌总线方法的局域网中 任何一个节点只有在取得令牌后才能使用共享总线去发送数据 令牌是一种特殊结构的控制帧 用来控制节点对总线的访问权 从物理结构来看 令牌总线网是一种总线型局域网 各站共享总线传输信道 但从逻辑结构上看 它又是一种环型局域网 因为接在总线上的各站是组成一个逻辑环来将数据发送权 令牌 按类似物理环路顺序形成闭合环路传送 令牌总线的工作原理 图令牌总线局域网 令牌总线网形成的这种逻辑环通常按工作站地址的递减顺序排列 与站的物理位置无关 以下图为例 该令牌总线网共有8个工作站 其中站C出故障 站G 站H未工作 剩余的5个站按逻辑顺序组成一个令牌环 可以看出 它们的逻辑连接顺序与物理连接关系是截然不同的 2 令牌总线介质访问控制协议 2 令牌总线的工作原理 续 总之 在令牌总线局域网中 只有得到令牌的工作站才有权向总线上发送数据 而其余没得到令牌的站只能监听总线或从总线上接收信息 由于在总线上设置了一个令牌 在任一时刻只可能有一个工作站访问信道 因此不会出现冲突 当逻辑环路建立后 令牌便在逻辑环上不断地轮转 即令牌从高地址传送给较低地址的站 当令牌到达最低地址的站后 又返回去传送给最高地址的站 当一个站得到令牌后 若有数据发送 则立即向网络发送数据 数据发送结束 将令牌传递给下一个站 转移发送权 如果取得令牌的站没有信息要发送 则立刻把令牌送往下一站 由于站点接收到令牌的过程是按逻辑顺序进行的 因此网上各站都有平等的发送数据的机会 即都有平等的访问权 2 令牌总线介质访问控制协议 3 令牌总线的工作原理 续 2 令牌总线介质访问控制协议 4 IEEE802 4的MAC帧格式 帧格式中的各个字段的含义如下 前同步码 与IEEE802 3的前同步码作用一样 用来实现收 发两端的时钟同步 但其长度是小于或等于1个字节 起始字段和结束字段 表示一个有效帧的开始和结束 用来确定帧的边界 其长度各占1个字节 帧控制字段 该字段决定了本次发送的是MAC控制帧还是数据帧 其长度为1个字节 目的地址和源地址 其规定与IEEE802 3的地址字段相同 数据字段 是LLC子层传下来的LLC帧 其最大可达8182字节 比IEEE802 3规定的长度大好几倍 帧校验序列 其规定与IEEE802 3的FCS相同 也可采用32位的循环冗余校验CRC码 2 令牌总线介质访问控制协议 5 IEEE802 4的MAC帧格式 续 尽管令牌总线网正常工作时操作简单 但是控制 管理和维护比较复杂 归纳起来有 令牌总线网的介质访问控制方法主要包括逻辑环的初始化 插入环 退出环 环的恢复和优先级等操作 环初始化 当网络的物理连接已建立 但逻辑环还未形成 或逻辑环路出现故障 或发生令牌丢失故障后 都必须进行逻辑环的初始化 动态形成逻辑环 插入环 为了给不在逻辑环路上的站提供入环的机会 持有令牌的站周期性地查询有无新的站点要求进入环路 并同时告诉要插入环的站 谁是它的上一站和下一站 以便新环路的站填写标识寄存器 退出环 在任何一个节点退出环后 必须将其上一站和下一站联接起来 保持环的完整性 2 令牌总线介质访问控制协议 6 令牌总线的管理 令牌环的工作原理 3 令牌环介质访问控制协议 令牌环由一组用传输介质串联而成的多个工作站组成 每个站通过电缆和介质接口连接器与转发器连接到环上 在令牌环上 通过令牌传递方式来控制各站的发送权 网中设有一张令牌 只有获得令牌的站点才有权力发送数据 所谓令牌就是一个具有特殊格式的帧 它平时不停地在环路上流动 如果各站都没有数据发送 此时的令牌为 空闲令牌 如果某站要发送数据则必须把令牌变为 忙令牌 令牌的工作原理如下图所示 IEEE802 5标准定义了环型拓扑的令牌环 tokenring 介质访问控制方法与相应的物理层规范 图令牌的工作原理 3 令牌环介质访问控制协议 2 令牌环的工作原理 续 令牌在工作时主要有以下3个操作 截获令牌与发送帧 当一个站要发送数据时 必须先截获令牌 所谓截获令牌就是指当空闲令牌传送到正准备发送数据的工作站时 该站便将空闲令牌截获下来 并将其标志转变成信息帧的标志 此时的令牌变为忙令牌 接着将数据等字段加上去 构成要发送的非令牌帧送到环上 接收帧与转发帧 当非令牌帧在环路上传送时 每经过一站 该站的转发器便将帧内的目的地址与本站地址相比较 如果两个地址相符 则复制该帧 送入本站 并在该帧中置入已复制标志 如果同时帧中的目的地址不是本站地址 则转发器只将帧向下转发 3 令牌环介质访问控制协议 3 令牌环的工作原理 续 撤销帧与重新发令牌 当非令牌帧沿环路返回到发送方时 源站不再进行转发 而是对返回的非令牌帧进行检查 判断发送是否成功 若发送成功 则撤销所发送的数据帧 并立即生成一个新的令牌发送到环上 若源站发现目的站并没有复制该帧 则重新发送该帧 显然 在单令牌体制下 整个环路上只可能有一个站处于发送状态 这是因为令牌一旦被某站截获 环路上便暂时没有令牌了 因此 此时其他各站都不能发送数据 只能将要发送的数据形成信息帧后存放在发送缓冲区中 同时将接收到的位流转发给下一站 3 令牌环介质访问控制协议 4 令牌环的工作原理 续 图IEEE802 5的MAC帧 3 令牌环介质访问控制协议 5 MAC帧格式 在IEEE802 5标准中 令牌的MAC子层有两种基本帧 令牌帧和非令牌帧 其格式如下 令牌帧令牌帧由起始字段 访问控制字段和结束字段组成 共占3个字节 各字段的作用如下 1 起始字段和结束字段 表示帧的开始和结束 各占1个字节 2 访问控制字段 占1个字节 各个位的含义如下 3个优先级位PPP 表示优先权等级 共分8级 000为最低级优先级 111为最高级优先级 令牌位T 这是一个关键的位 若T 0 表示令牌帧 若T 1 表示非令