CH4 局域网补充-令牌环网

1、6.2.5 令牌环网（Token Ring）最早的令牌环网是1969贝尔实验室研制的Newhall环，后来IBM公司把这种技术用在了它的局域网中，叫做IBM令牌环（Token Ring）。1令牌环网的工作特点令牌环并不是广播介质，而是用中继器（Repeater）把单个点到点线路链接起来，并首尾相接形成环路。由于一个发送的帧沿环路传播时能到达所有的站，所以同样可以起到广播发送的作用。 一般情况下，环上数据帧由发送站回收，这种方案有两个好处：一是允许多站播送，当帧在环上循环一周时，可被多个站拷贝；二是允许自动应答，当帧经过目标站时，目标站可改变帧中的应答字段，从而不需返回专门的应答帧。令牌是一种特

2、殊的帧，它在环上循环移动。当一个站得到令牌并有数据发送时就留下令牌，发出数据帧。数据帧在沿环传输的过程中被目标站复制，最后到达源发站被回收。同时发送站可检查返回帧中的应答字段，如果确认目标站已正确接收就释放出令牌，让下游站获得发送机会。令牌的工作原理如图6.25所示。需要注意的是，在轻负载的情况下，令牌环的效率有时不太高，因为发送前站必须等待令牌的到来。但是在重负载的情况下，令牌环的效率是高的。这刚好和总线局域网相反。令牌环最根本的优点就是它对访问的灵活控制。但是令牌环的根本缺点是需要维护令牌，丢失了令牌就无法继续使用环，而复制令牌也将使整个网的运行陷于混乱。2令牌环的MAC帧格式令牌环的MA

3、C帧格式如图6.26所示。 起始定界符(SD)：表明帧的开始。SD出可区别于数据的信号模式组成。非数据符号的实际格式依赖于媒体上的信号编码方式。令牌环网使用差分曼彻斯特编码，无论“0”或“1”比特，中间都有电平跳变。SD的格式为“JK0JK000”。 访问控制(AC)。具有PPPTMRRR的格式，其中PPP和RRR分别是3比特的优先级和预留变量，M是监视比特。T指定该帧是令牌帧还是数据帧。如果是令牌帧，则只有ED字段。图6.25 令牌环的原理帧控制(FC)。表明这是否是一个LLC数据帧。如果不是，该字段控制令牌MAC协议的运行。FC字段编码为FFZZZZZZ，用于表示帧的类型。FF=00时为M

4、AC控制帧，FF=01表示数据帧。6个Z比特表示各种控制帧。 目的站地址(DA)。与8023相同。 源站地址(SA)。与8023相同。 数据单元。包含LLC数据单元。 帧校验序列(FCS)。与8023相同。 结束定界符(ED)。包含差错检验比特(E)，被所有检测出差错的转发器设为1；中间比特(I)，用于表明该帧不是多帧发送中的最后一帧。ED的格式为“JK1JK1IE”。 帧状态(FS)。包含识别的地址(A)和帧复制比特(C)。因为A比特和C不在FCS校验范围内，所以复制它们提供冗余校验来测试错误的设置。在单个优先级条件下的令牌环算法中，优先级和预约优先级的值均设为0。要发送的站等待令牌经过，此

5、时AC字段的令牌比特为0。该站把AC字段的令牌比特设为1后截获该令牌，收到令牌的SD和AC字段此时就成为要发送帧的前两个字段。然后此站就开始发送一个或多个帧，直到发完所有帧或令牌持有计时器超时。当最后发送帧的AC字段返回时， 该站就把令牌比特设为0并加上一个ED字段，向环上插入一个新的令牌。而处于接收模式的站监听环。每个站都可以检查通过的帧是否出现差错并在发现后把E比特设成1；如果站检测到它自已的MAC地址，就把A比特设为1；站也可以把该帧复制下来，把C比特设成1。这样，源站就能区别出帧发送的三种结果： 目的站不存在或不工作(A0，C0)。 目的站存在但帧没有被复制(A1，C0)。 帧被接收到

6、(A1，C1)。3令牌环的优先级IEEE 802.5规定了优先级操作。通过数据帧和令牌中的两个3比特的字段提供8个级别的优先级，分别是一个优先级字段和一个预约优先级字段。为了描述优先级的算法，定义如下的变量：Pf：要发送帧的优先级。Ps：服务优先级：当前令牌的优先级。Pr：本站最后接收到的令牌中所包含的Ps值。Rs：当前令牌中的预约优先级。Rf：在上一次令牌循环中本站接收到的所有帧中的最高预约值。工作原理如下： （1）一个站要发送必须等到一个PsPf令牌。（2）在等待过程中，该站必须预约一个与它优先级（Pf）相同的将来的令牌；如果有一个数据帧经过，且其预约字段小于该站的优先级（RsPf），则把

7、该帧字段预约字段的值设成自己的优先级（RsPf）。如果经过一个令牌，且（Rs<Pf且Pf<Ps），则把该帧的预约字段设成自己的优先级（RsPf）。这具有预先清空所有低优先级预约的效果。（3）当一个站在截获令牌后，把令牌比特设为1并开始发送一个数据帧，把数据帧的预约字段设为0，不改变其他优先级字段（与到达的令牌帧相同）；（4）在发送完一个或者多个数据之后，发出一个新的令牌，并恰当地设置好令牌的优先级和预约字段。从上面的步骤中可以看出，以上算法的效果是使高优先级的站有更多的机会发送数据。在预约优先级的时候，高优先级的站也可抢先获得令牌。第（3）条规则也保证了低优先级也有预约的机会。在数

8、据帧沿环传递过程中可有多次预约，一次比一次提高了预约优先级。第（4）条可使所有预约过的站按优先级由高到低的顺序发送数据。该算法对于优先级来说具有棘轮效应（ratchet effect），这会使优先级不断增高到最高级别并保持最高优先级。为了避免这种情况，规定升高了优先级的站（释放了一个比它收到的令牌优先级更高的令牌）负责过后将优先级降低到先前的等级。因此，升高优先级的站必须记住新旧优先级，而且必须在适当的时候把令牌的优先级降下来。为了实现这个功能，每个站要维护两个栈，一个是预约栈，另一个是优先级栈。4令牌环的管理令牌环网采用了部分集中控制的方案，环的主要管理功能由监控站（Monitor）执行。但

9、监控站是由所有站选举出来的，当一个监控站失效时，其他站还可再选举一个新的监控站。监控站的作用如下：(1) 保证不丢失令牌。(2) 清除无主帧。(3) 保持环路的最小时延。(4) 回收无效帧。5令牌环的初始化和故障恢复连接环网的中继器内部有旁路继电器开关，当站不工作时开关闭合，将站旁路；当站加电时，开关打开，站就在物理上插入环中。站入环后要测试环中是否有与其他地址相同的站，并把自己的地址同志其下游邻站，这就是环的初始化。当网络正常工作时监控站不断发送AMP帧，别的站看到有AMP帧经过就认为监控站存在。当站在一段时间内没有收到任何信息时，就可以认为上游邻站已经失效，环中出现了断点。802.5标准提

10、供了多种数据速率和传输介质，如表6.11所示。标准强制4Mb/s的最大的帧长为4550字节，16Mb/s和100Mb/s的最大帧长为18200字节，与IEEE 802.3局域网相对应。在4Mb/s和16Mb/s上，传统的令牌传递接入控制或者交换的DTR都可以使用。在100Mb/s上，强制使用DTR。在4Mb/s和16Mb/s上使用的信号编码技术时差分曼彻斯特编码。对光线来说，是用开关信号发送差分曼彻斯特信号流。在在100Mb/s上，802.5采纳了100Mb/s以太网使用的物理层规约，包括信号编码方式。7令牌环的性能分析如CSMA/CD协议的性能分析类似，a对环形网的效率也有影响，如图6.28

11、所示。图6.28 a对环形网效率的影响在图6.28中，时间的归一化使发送时间等于1，传播时间等于a。对于a<1的情况，在t0时刻发送一帧的站在t0+a时刻收到它自己发送帧的前沿，并在时刻t0+1时刻结束发送。然后该站发出一个令牌，用平均时间a/N到达下一个站。因此，一个循环占用的时间为a/N1，发送时间为1，所以效率U=1a/N+1。对于a>1的情况有些不同，在t0时刻发送一帧的站在t0+a时刻结束发送，t0+a时刻收到它自己发送帧的前沿。这时，它可以自由地发出一个令牌，用平均时间a/N 到达下一站。因此，一个循环的时间为a/Na，令牌环的效率U=1a(1/N+1)。1a<1

12、1+a/N所以令牌环的效率是：U= （6.11） 1a>1a(1+1/N)随着N的增大，U有一个渐进值：a<11 （6.12） limUNa>11/aIEEE802.6采用了叫做分布队列双总线DQDB（Distributed Queue Dual Bus）的协议。这种双总线一般采用光纤介质。在DQDB的配置中，每个站同时连接到两根总线上。一个站要发送数据时必须选择一根总线，使接收站成为它的下游站；如果无法选择适用的总线，也可向两根总线上同时发送。DQDB协议访问QA时槽的协议是一种分布式排队预约系统。由于有两根总线A和B，访问A的方式与访问B的方式完全相同，以下的讨论仅限于对

13、总线A的访问。6.2.8 光线分布数据接口FDDIFDDI是由美国国家标准协会（ANSI）X3T9.5委员会制定的光线环网接口，数据速率可以达到100Mb/s，环路的长度可扩展到200 Km，连接的站点数可达1000个。（1）FDDI的工作原理FDDI与802.5类似，也是用令牌环协议。但是802.5是单帧发送，环上仅有一个帧在流动，但在大的高速网络中这种传输方式效率太低了。所以在FDDI中采用了多帧发送的方式。还有，与802.5不同的是令牌不是在发送站发出的帧返回后才释放出来的，而是发送完一帧后立即释放令牌。FDDI令牌环的工作原理如图6.31所示。（2）FDDI的MAC帧格式帧的格式如图6

14、.32所示。前导同步码。把帧与每个站的时钟同步。帧的开始是16个空闲符号I=11111（64比特）的字段，后面转发的站为了与时钟要求一致，可以改变该字段的长度。其中I符号的NRZ-1编码具有最高跳变频率，可提供时钟同步信号。空闲符号是一个非数据填充模式，它依赖于介质上的信号编码方式。图6.31 FDDI的工作原理（a）一般帧的格式（b）令牌帧的格式图6.32 FDDI的帧格式起始定界符（SD）。表明帧的开始，以JK编码，其中J=11000和K=10001都是非数据符号； 帧控制（FC）。具有CLFFZZZZ的比特格式，其中C表明这是一个同步或一步帧；L表明使用的是16比特还是48比特的地址；F

15、F表明这是一个LLC、MAC控制或者是预约帧。如果是控制帧，则下面的4个比特代表控制帧的类型。 目的站地址（DA）和源站地址（SA）同802.5。 数据信息字段。包含一个LLC数据单元或与控制有关的信息。 校验码FCS。32比特循环冗余校验，是对FC、DA和SA以及信息字段的校验。 结束定界符（ED）。包含一个非数据符号（T=01101）以及标志帧的结束（除FS字段外）。 帧状态字段（FS）。包含差错已检测（E）、地址识别（A）和帧已经复制（F）等指示符。每个指示符都用一个符号表示，R代表“复位”或“假”，而S代表“置位”或“真”。这使源站在收到自己发送出去的帧的时候，可以区分出下面三种情况：

16、 站不存在或者不工作。 站工作但没有复制帧。 帧被复制。（3）FDDI的容量分配802.5中使用的预约优先级策略不适合在FDDI中使用，因为站通常都在自己发送的帧返回之前释放令牌。还有，FDDI标准的目的是提供比802.5更多的网络容量控制，以满足高速局域网的需求。特别是，FDDI的容量分配机制还要适应流（stream）和突发（bursty）两种不同的通信量。为了满足这种需求，FDDI定义了两种类型的通信量：同步通信量和异步通信量。每个站都分配了总容量的一部分（也可能为0），在这一段时间内发送的帧称为同步帧。所有没有被分配的或者是分配了但没有使用的容量都可以用来发送附加的帧，这些帧称为异步帧。

17、 容量分配的机制如下：定义目标令牌轮转时间（TTRT），每个站保存相同的TTRT值。部分或者全部站可以提供同步分配（SAi），各站可以不同。分配必须满足：DMax+FMax+TokenTime+SAiTTRT其中：SAi分配给站i的同步时间，各个站可能不同，根据需要而定。DMax环网环绕一圈的传播时间。FMax发送最大长度（4500个八位组）的帧所需要的时间。TokenTime发送一个令牌所需要的时间。通过一个站管理协议对SAi赋值。该协议涉及站管理帧的交换，并保证满足上面的公式。初始化时，每个站的SA的值都为0，但其值必须在容量分配的过程中被修改。这里假设同步分配是可选的，且不支持同步分配的

18、站只能发送异步通信量。所有站都有相同的TTRT和单独分配的SAi。另外，每个站还必须维护下面几个容量分配算法所必须的变量：TRT：令牌轮转计时器THT：令牌持有计时器LC：迟到计数器初始化时每个站的TRT的值与TTRT相等，LC的值为0。当计时器被启动后，TRT开始倒计时。如果在TRT超时之前接收完令牌，TRT就复位成TTRT的值。如果在令牌接收完之前TRT超时，LC加1并把TRT复位到TTRT，然后再重新开始倒计时。如果再接收完令牌之前TRT第二次超时，就把LC再加1，并认为令牌丢失，启动一个声明（Claim）进程。因此LC记录了该站从上一次接收令牌依赖TRT超时的次数。如果LC0，就表示T

19、RT从上一次收到令牌以来还没有超时，则认为令牌提前到达。在收到令牌后，站的动作依赖于令牌是否提前或推迟到达。如果令牌提前到达，站把TRT剩下的时间保存到THT中，然后复位TRT，并启动TRT开始下一轮计数。THTTRT TRTTTRT，启动TRT开始下一轮计数。这时站按以下的规则发送数据：在SAi时间长度内发送同步帧。 发送完同步帧或者没有同步帧到达时，则启动THT倒计时。只要THT>0，就开始发送异步帧。如果站接收到的令牌迟到（LC不为0），则把LC设置为0，TRT初始化后继续运行，然后发送SAi时间长的同步帧，不能再发送其他的异步帧。在这个方案中，就是为了保证连续检测到令牌的时间间隔

20、大约为TTRT或者少一点。以这个时间，同步通信量通常能得到给定的容量，异步通信量也能得到更多的容量。容量分配的算法类似于802.4，但是只有两种数据。例子：如图6.33所示提供了一个简化了的4个站的环形网。在此例中，通信量是固定长度的帧，TTRT100帧时间，SAi= 每站20帧时间，每个站总要完全用完同步分配的容量并尽可能多地发送异步帧，一次完整的令牌循环的全部耗费是4帧时间（每站一帧）。图6.33 FDDI的容量分配策略的工作原理表中的一行对应令牌的一次循环，显示了令牌到达每个站的时间、到达时的TRT值，以及站在持有令牌的时间内发送的同步和异步帧的时间。开始的一段时间内没有数据帧发送，所以

21、令牌的循环速度达到尽可能地快（只需4帧时间）。因此当站1在时间4接收到令牌时，它计算出循环时间为4（TRT96）。因此它不仅能发送20个同步帧，而且还能够发送96个异步帧。但是知道该站发完它的同步帧之后THT才有效。站2经历的循环时间为120（20帧96帧4帧开销），但是仍然能发送它的20个同步帧。如果允许各个站继续发送其最大数量的可允许同步帧，则循环时间就增长到180（在时间184），但是不久就稳定在100左右，其中全部同步的利用时间是80而开销是4帧时间，平均有16帧时间的容量用于异步发送。 （4）FDDI的物理层规约IEEE 802.3和IEEE 802.5协议中分别使用曼彻斯特和差分曼彻斯特编码。在这些编码方法中每比特中间都有一次电平跳变，因此波特率是数据速率的两倍。对于高速的FD