)常规局域网
常规局域网
总线形结构的局域网所有的站点共享一条公用的传输线路，任何一个站的发送信号都可以沿着总线传输，而每次只能有一个站传输，因此存在着竞争问题。只有获得信息发送权的站才能发送信息，这需要某种形式的访问控制策略，来决定那个站可以发送，通常采取分布式控制。因为在总线形拓扑结构中，所有工作站都接于总线上，是均等的，最有利于分布式控制。为了能在竞争中尽量避免产生冲突，总线形局域网的介质访问方法采用的是载波监听和冲突检测技术。
常规局域网图6.13
常规局域网图6.14
避算法：在CSMA/CD算法中，一旦检测到冲突，并发完阻塞信号后，为了降低再冲突的概率，需要等待一个随机时间，然后再次使用CSMA方法试图传输。为了保证这种退避维持稳定，采用了一种称为二进制指数避的技术，其算法的过程如下： 对每个帧，当第一次发生冲突时，设置参量Ｌ＝２。 退避间隔取１到Ｌ个时间片中的一个随机数。１个时间片等于２ａ。 当帧重复发生一次冲突，则将参量Ｌ加倍。 设置一个最大重传次数，超过这个次数，则不再重传，并报告出错。 这个算法是按后进先出的次序控制的，即未发生冲突，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。Ｅthernet网就是采用CSMA／CD算法，并用二进制指数退避和１－坚持算法。这种算法在低负荷时，如媒体空闲时，要发送帧的站点能立即发送。在重负荷时，仍能保证系统稳定。它是基带系统，采用曼彻斯特编码，通过检测总线上的信号存在与否来实现载波监听。发送站的收发器同时检测冲突，如果发生冲突，收发器的电缆上的信号超过收发器本身发送信号的幅度，就判断出冲突。由于在媒体上传播的信号会衰减，为了正确地检测出冲突信号，Ethernet网限制电缆的最大长度为500米。
１、CSMA／CD总线的实现模型：IEEE 802.3是一个使用CSMA／CD媒体访问控制方法的LAN的综合性标准。CSMA／CD总线同模型，从逻辑上可以划分为两大部分：数据链路层的媒体访问控制子层（MAC）和物理层。它严格对应于ISO开放系统互连模式的最低两层。LLC子层和ＭＡＣ子层在一起完成OSI模式的数据链路层的功能。
在物理层中把依赖于媒体的特性分离出来，使得LLC子层和MAC子层能适用于一系列媒体。在物理层内定义了两个重要的兼容接口，即依赖于媒体的媒体相关接口MDI和访问单元接口AUI。MDI是一个同轴电缆接口，所有站都必须严格遵守IEEE802.3定义的物理媒体信号的确切技术规范，严格遵守站点正确动作的规程，要求这个物理接口完全兼容；AUI为第二兼容接口，大多数站点都设在离开同轴电缆的连接处有一段距离的地方，在与同轴电缆靠近的MAC中只有少量电路，而大部分硬件和全部软件都在站点中，对于确保通信来说，符合这个接口并不是绝对必要的，但是由于它允许在MAC和站配合使用时有极大的灵活性，所以推荐这个接口。
MAC子层和LLC子层之间的接口，包括发送和接收帧的设施，并提供每个操作的状态信息，以供高一层错恢复规程之用。MAC子层和物理层之间的接口，包括成帧、载波监听、起动传输和解决争用（冲突控制）的信号，在两层间传送一对串行比特流（发送、接收）的设施和用于定时等待的功能。
常规局域网图6.16前导码字段包含7个字节，它用于使PLS（物理收发信号）电路和收到的帧达到稳态同步。帧起始定界符（SFD）字段是10101011序列，它紧跟在前导码后，表示一帧的开始。地址字段包括目的地址字段和源地址字段。目的地址字段规定该帧发往的目的地。源地址字段用于标识起发送该帧的站。MAC子层有两类地址：即单个地址的成组地址。
单个地址说明该地址与网络上一个特定站有关，成组地址说明是多目的地的地址，它与给定网络上的一个或多个站有关。也可以是广播地址，即表示网络上所有站的一组地址。长度字段是两个字节字段，其值表示数据字段中LLC数据的字节数量。数据字段包含数据序列。为了CSMA／CD协议的正常操作需要一个最小帧长度，必要时可在LLC数据字段之后，FCS之前以字节为单位加以填充。帧校验序列（FCS）字段是发送和接收都要使用循环冗余校验码（CRC）算法所产生的FCS字段的CRC码，帧的长度为1518字节之间。
常规局域网图6.17（１）发送数据封装部分的功能：当LLC子层请求发送一帧时，MAC子层的发送数据封装部分用LLC子层所提供的数据结构组帧，它将一个前导码Ｐ和一个帧起始定界符SFD附加到帧的开头部分，还将PAD附加到结尾部分，以确保传送帧的长度满足最小帧长的要求，它还要附加目的地址和源地址，长度计数字段和帧校验序列，然后把组成的帧交给MAC子层的发送媒体访问管理部分以供发送。
（２）发送媒体访问管理部分的功能：借助于监视物理层收发信号（PLS）部分提供的载波监听信号，发送媒体访问管理设法避免发送信号与媒体上其它信息发生冲突。在媒体空闲时，经短暂的帧间延迟（提供给媒体恢复时间）之后，就启动帧发送，然后，MAC子层将串行位流送给PLS接口以供发送，PLS完成产生媒体上电信号的任务。同时，监视媒体和产生冲突检测信号。在没有争用的情况下，即完成发送。完成发送后，MAC子层通过LLC与MAC间的接口通知LLC子层，等待下一个发送请求。假如产生冲突，PLS接通冲突检测信号，接着发送媒体访问管理开始处理冲突。首先，它发送一个称为阻塞（Jam）的位序列来强制冲突，这就保证了有足够的冲突持续时间，以使其它与冲突有关的发送都得到通知，在阻塞信号结束时，发送媒体访问管理就停止发送。发送媒体访问管理在随机选择的时间间隔后再进行重发尝试，在重复的冲突面前反复进行重发尝试。发送媒体访问管理用二进制指数退避算法调整媒体负载。然后，或者重发成功，或者媒体故障或过载的情况下，放弃重发尝试。
（３）接收媒体访问管理部分的功能：首先由PLS检测到达帧，使接收与导码同步，并接通载波监听信号。接收媒体访问管理部件要检测到达的帧是否错误，帧长是否超过最大长度，是否为８位的整倍数，还要过滤冲突的信号，即把小于最小长度的帧过滤掉。（４）接收数据解封部分的功能：这一部分检验帧的目的地址字段，决定本站是否应该收该帧。如地址符合，将送到LLC子层，并进行差错检验。
IEEE802.5标准规定了令牌环的媒体访问控制子层和物理层所使用的协议数据单元格式和协议，规定了相信相邻实体间的服务，规定了连接令牌环物理媒体的方法。
常规局域网图6.18
接收的过程是当帧经过站时，该站将帧的目的地址和本站的地址相比较，如地址相符合，则将帧放入接收缓冲器，再输入站，同时将帧回至环上。如地址不符合，则将数据帧重新送入环。环的长度往往是折算成比特数来度量。环上每个中继器引入一位延时，把环看作一个循环缓冲器。环上的比特数等于传播延迟（5us/km）＊发送媒体长度＊数据速率＋中继器延迟。例如：1km长1Mbps速率、20个站点，每个中继器引入１位延迟的环，其环的位长度＝５×１０－６×１×１×１０６＋１×２０＝５＋２０＝２５位。
令牌环的故障处理功能主要体现在对令牌和数据帧的维护。环上至关重要的差错是没有空令牌循环和持续的忙令牌，为解决这些问题，指定一个站为主动令牌管理站。该管理站通过采用一超时机制来检测令牌丢失的情况，该超时值比最长的帧为完全遍历该环所需要的时间还要长一些。如果在这一段时间里没有检测到令牌，就认为令牌已经丢失。为恢复令牌，管理站将清除环上的任何残余数据并发出一个空令牌。为了检测到一个持续循环的忙令牌，管理让在经过的任何一个忙令牌上置其管理比特为１。如果管理站看到一个忙令牌的管理比特已经置为１，它就知道有某个站未能清除自己发出的帧，管理站就将忙令牌改为空令牌。环上其它的站都具有被动管理站的功能和作用，它们的主要工作是检测出主动管理站的故障并承担起主动管理站的职能。
令牌环在轻负荷时，由于存在等待令牌的时间、效率较低。在重负荷时，对各站公平访问且效率高。考虑到数据可能会和令牌形式相同，此时在数据段使用位插入的办法，确保令牌位模式的唯一性，以区别开数据和令牌。采用发送站从环上收回帧的策略，具有广播特性，即可有多个站接收同一数据帧，同时这种策略还具有对发送站自动应答的功能。令牌环的主要优点是通信量可以调节，调节的方法可以是通过允许各站在其收到令牌时传输不同量的数据，或者是通过设定优先权，使具有较高优先权的站优先得到令牌的权利。令牌环的主要缺点是需要令牌操作。
常规局域网如图6.19
常规局域网图6.20令牌环的媒体访问控制协议：(1)令牌环局域网协议标准包括四个部分，即逻辑链路控制(LLC)、媒体访问控制(PHY)和传输媒体。IEEE802.5规定了后面三个部分的标准。LLC和MAC等效于OSI的第二层——数据链路层，PHY相当于OSI的第一层——物理层。令牌环的体系结构如图6.20所示。(2)媒体访问控制功能 ：帧发送：采用沿环传递令牌的方法来实现对媒体的访问控制。取得令牌的站具有发送一帧或一系列帧的机会。令牌发送：在完成帧发送后，该站就要查看本站地址是否已在SA字段中返回，若末查看到，则该站就发送填充，否则就发送令牌。令牌发送之后，该站仍保持在发送状态，直到该站发送的所有的帧从环上去为止。
帧接收：若帧的类型为ＭＡＣ帧，如果帧的ＤＡ字段与站的单个地址、相关组地址或广播地址匹配，则把FC、DA、SA、INFO以及FS字段拷贝到接收缓冲区中，并随后转至适当的子层。优先权操作：访问控制字段中的优先权位(PPP)和预约(RRR)配合工作，使环路服务优先权与环上准备发送的PDU最高优先级匹配。
CSMA/CD媒体访问控制采用总线争用方式，具有结构简单，在轻负载下延迟小等优点，但随着负载的增加；冲突概率增加，性能明显下降。采用令牌环媒体访问控制具有重负载下利用率高，网络性能对距离不敏感，以及具公平访问等优越性能。但环形网结构复杂，以及存在检错可靠性等问题。令牌总线媒体访问是在综合上面两种媒体访问控制优点的基础上形成一种媒体访问控制方法。IEEE802.4标准就是提出了令牌总线的媒体访问控制方法。
常规局域网图6.21在正常运行时，当站点做完该做的工作或者时间终了时，它将令牌传递给逻辑序列中的下一个站。从逻辑上看，令牌是按地址的递减顺序传至下一个站点，但从物理上看，带有目的地址的令牌帧广播到所有的站点，当目的站识别出符合它的地址，即把该令牌帧接。应该指出，总线上的实际顺序与逻辑顺序并无关系。只有收到令牌帧的站点才能将信息帧送到总线上，因此，不象CSMA/CD访问方式那样，令牌总线不可能产生冲突。由于不可能产生冲突，令牌总线的信息帧长度只需根据要传送信息长度来确定，也没有最小分组长度的要求。而对于CSMA/CD访问控制，为民使最远距离的站点也能检测到冲突，需要在实际的信息长度后加填充位，以满足最小信息长度的要求。一些用 于控制领域的令牌总线帧长度可以设置得很短，开销减少，相当于增加了网络的容量。
令牌总线控制的另一特点是站点有公平的访问权。因为取得令牌的站点有报文要以送则可发送，随后，将令牌传递给下一个站点。如果取得令牌的站点没有报文发送，则立刻把令牌传递到下一个站点。由于站点接收到令牌的过程是顺序依次进行的，因此对所有站点都有公平的访问权。令牌总线控制的优越之处还现在每个站传输之前必须等待的时间总量总是确定的，这是因为每个站发送帧的最大长度可以加以限制。此外，当所有站都有报文要发送，则最坏的情况下等待取得令牌和发送报文的时间应该等于全部令牌传送时间和报文发送时间的总和。另一方面，如果只有一个站点有报文要发送，则最坏情况下时间只是全部令牌传递时间之总和，而平均等待时间是它的一半，实际等待时间在这一区间范围内。
对于应用于控制过程的局域网，这个等待访问时间是一个很关键的参数，可以根据需求，选定网中的站及最大的报文长度，从而保证在限定的区间内，任一站点可以取得令牌权。令牌总线访问控制还提供了不同的服务级别，即不同优先级。令牌总线方案要求较多的操作，至少有下列一些功能必须执行。环初始化：即生成一个顺序访问的顺序。网络开始启动时，或由于某种原因，在运行中所有站点不活动的时间超过规定的时间，都需要进行逻辑环的初始化。初始化的过程是一个争用 的过程，争用结果办有一个站能取得令牌，其它的站点用站插入的算法插入。
令牌传递算法：逻辑环按递减的站地址次序组成，刚发完帧的站点将令牌传递给后继站，后继站应立即发送数据或令牌帧，原先释放令牌的站监听到总线上的信号，便可确认后继站已获得令牌。站退出环算法：必须周期性地给未加入的站点以机会，将它们插入到逻辑环的适当位置中，如果同时有几个站要插入时，可采用带有响应窗口的争用外理算法。 站退出环算法：可以通过将其前趋站和后继站连接到一起的办法，将不活动的站退出逻辑环，并修正逻辑环递减的小地址次序。故障外理：网络可能出现错误，这包括令牌丢失引起断环、产生多个令牌等。网络需对这些作出相应的处理。
令牌总线媒体访问控制协议：IEEE 802.4标准规定了令牌总线媒体访问控制(MAC)子层，物理层(PHY)所使用的格式和协议，以及连接令牌总线物理媒体的方法，媒体访问协调所有连接的站对共享媒体的使用。
1、MAC帧格式：令牌总线的MAC帧具有下面的一般格式字段：PREAMBLE：前导码（1 或多字节）。SD：帧起始定界符（1 字节）。FC：帧控制字段（1 字节），表示发送帧的类别，包括MAC控制帧，LLC数据帧和站管理数据帧。ED：帧结束定界符（1字节）。DA：目的地址（2或6 字节），分单个和组地址（多站和播地址）。SA：源地址（2或6 字节）。FCS：帧校验序列（4 字节），SD 与ED之间是CRC码帧校验范围。DATA：数据（0或多字节）有三类，LLC协议数据单元，MAC管理数据和用于MAC控制帧的数据。在SD和ED之间的字节数应少于8191。另外还有异常终止序列格式，仅由SD 和ED 两个字节组成。
常规局域网图6.22
图6.23
如Ts末监听到响应“Who-Follows”控制帧的“Set-Successor”帧，则重复第３步，再发“Who-Follows”帧。
如果第二次“Who-Follows”帧发出后，仍得不到响应，则该站就尝试另一策略来重建逻辑环。该站发送请求后继站“Solicit-Successor”MAC控制帧，并将本站地址作为DA和SA放入控制帧内，询问环中哪一个站要响应它。收到该询问请求就会有响应站，然后，使用响应窗口处理算法来重新建立逻辑环，最后返回第１步。如果“Solicit-Successor-2”控制帧后，仍无响应，则断定发生了故障，故障的原因是多种多样的，或者是所有其它的站都发生故障，或者所有站和逻辑环脱开了，或者是总线断开了，或者是发送站接收机部分损坏了，因而收不到响应，此时，就需要维护逻辑坏，使其重新正常工作。
(2)插入环算法：逻辑环上的每个站应周期性地使新的站有机会插入环中。当同时有几个站要插入时，可以采用带有响应窗口听争用处理算法。(3)退出环算法：方案一：要退出环的站Ts接收到令牌后，发送一个设置后继“Set-Successor”MAC控制帧给Ps，设置后继站为Ns，并将令牌传递给Ns。方案二：要退出环的站Ts接收令牌，Ps发“Who-Follows”MAC控制帧，Ns站响应。(4) 逻辑环的初始化操作：初始化操作实质上是增加一个新站的特例，其操作过程如下：每个站设置一个环不活动计时器，当某个站的环不活动计时器超时，则发一个请求令牌“Claim-Token”MAC控制帧，控制帧带有一个信息域DATA，信息域长度取决于站地址的高二位。类似于站插入环的操作，当多个站同时试图进行初始化操作时，用基于地址的争用算法，争用结果只能允许一个站获得令牌。
IEEE 802 标准的3种类型的局域网：总线形、令牌总线网及令牌环网，现将它们的性能比较如下：
| 项目 | 总线形 | 令牌环网 | 令牌总线 |
| IEEE802标准 | 802.3 | 802.4 | 802.5 |
| 介质访问方法 | 简单、采用CSMA/CD技术 | 较复杂、采用令牌 | 较复杂、采用令牌 |
| 访问冲突 | 有 | 无 | 无 |
| 发送延迟 | 不确定 | 确定 | 确定 |
| 优先级设置 | 无 | 有 | 有 |
| 网络效率 | 轻负荷有效 | 重负荷时效率高 | 重负荷时效率高 |
| 传输介质 | 同轴电缆、双绞线 | UTP 、CATV电缆 | 双绞线、光纤 |
| 速率/Mbit*s-1 | 1—20，通常为10 | 1—10 ，通常为10 | 1—4，通常为4 |
http://www.ee.zsu.edu.cn/network/newpage2aa.htm
《计算机通信网》 王晓军 毛京丽 编著
