第四章 局域网和城域网 (2)
4.4 令牌总线访问控制和 IEEE802.4标准
4.5 令牌环访问控制和 IEEE 802.5标准令牌总线和 IEEE 802.4
802.3协议不能保证对每个站点公平,不能保证最长等待时间,因此不能应用于工厂自动化和实时系统中,
802.4提出了令牌总线网,既有 802.3的可靠性,又有环网能确知最坏情况的特性,
总线拓扑
令牌,
令牌总线局域网
逻辑环结构,
逻辑上,令牌总线所有站点组成一个环,每个站点按次序分配一个逻辑地址,
每个站点记录前面站点和后面站点,
令牌绕逻辑环传送,只有令牌持有者才有权力发送数据,
10 20 30 40 50 60
逻辑环（站点 20,40不在环中）
令牌总线配置（图中总线上站点按物理地址排序，标准中并未如此规定）
令牌总线控制
令牌总线 MAC协议十分复杂,关键是令牌逻辑环的维护,
环初始化
插入环
退出环
恢复环环初始化
网络没有令牌,开始环初始化过程,
发出一个 CLAIM-TOKEN帧
没有人来竞争,产生令牌,建立一个环
有竞争,比较申请令牌帧的数据字段长度来解决冲突,
CLAIM-TOKEN帧的长度根据其地址的头两位的值设置为
,响应窗口,(时槽时间 )的 0/2/4/6倍
发完之后如果监听到媒体上还有别的站点来发送,放弃申请令牌
否则按照地址的下一个两位来继续竞争 …,
插入环（ 1）
令牌持有者询问是否有站点需要加入
周期性发送 SOLIT_SUCCESSOR帧,之后等待一个响应窗口时间来允许新站加入环中,如果没有新站加入继续其他操作,
如果有一个站点响应 (发送置后继站帧 ),该站点被插入环中,并且成为当前令牌持有者后继站点,并把令牌传递给它,
多个站点响应，插入环出现冲突：
插入环（ 2）
多个站点要求插入环：
令牌持有者发出 RESOLVE_CONTENTION帧并且等待 4个响应窗口,
每个请求者按照自身地址前 2位选择等待的响应窗口数，如在它的响应窗口到来前有站点发送,则放弃
令牌持有者收到有效响应后,该新站成为后继站点,
被插入环
否则根据下一个 2位重复 RESOLVE_CONTENTION过程,
过程持续直到收到一个有效的置后继帧，或者没有响应，或者直到最后两个比特为止,
插入环（ 3）
新站的请求不会影响令牌的轮转时间
每个站点都会计算令牌循环一周的时间
如果通信量太大,不允许新站进环
每次只允许一个站点入环环删除
站点在持有令牌时,能够从环中删除自身,
站点向其前方站点发送置后继站帧来更新后继站点记录,然后把令牌传递给后继站点,
环恢复
站点在一段时间内没有监测到环活动时，发出
CLAIM_TOKEN帧发起环初始化过程,
令牌传递过程中的令牌恢复,
令牌传递之后监测一段时间,看后继站点是否活跃
不活跃,再递交一次
仍然失败,则发送 WHO-FOLLOWS帧,以把出错站点从环中移走
上一步骤仍然失败,发送 SOLICT_SUCCESSOR_2,重建环
令牌持有者故障,令牌丢失,环一段时间没有活动时将开始环初始化过程
令牌持有者发现多个令牌则丢弃一个,直到最后只剩一个或者没有，如果碰巧所有令牌都丢失，则开始环初始化过程数据传输
只有在获得令牌后才能开始数据传输：
站点持有令牌的时间是有限的，然后传递令牌
支持优先级机制
当站点拥有令牌时，按照优先级顺序传输数据
有可能不能传输所有优先级的数据，令牌持有时间是有限的令牌总线优先级算法（ 1）
优先级分 4级 0,2,4,6,其中 6级为最高优先级,
THT令牌拥有时间,一个站点拥有令牌发送第 6
级数据的最大时间,
TRT令牌轮转时间：站点从上次释放令牌后绕环一周回来拥有令牌的时间（包括本站点的高优先级的数据传输）
TRTi 第 i( 4,2,0)优先级的令牌轮转时间，即令牌循环一周仍允许发送第 i级数据的最大轮转时间,
令牌总线优先级算法（ 2）
令牌持有者按照下列算法发送数据,
THT时间内发送第 6级数据,
发送完第 6级数据后,如果上次令牌轮转时间小于
TRT4,发送第 4级数据,
发送完第 4级数据后,如果上次令牌轮转时间小于
TRT2,发送第 2级数据,
发送完第 2级数据后,如果上次令牌轮转时间小于
TRT0,发送第 0级数据,
算法保证第 6级数据的带宽，剩余带宽按照优先级高低分配给 4,2,0级数据
IEEE 802.4标准
物理媒体采用宽带同轴电缆
三种模拟调制技术,
相位连续频移键控,1Mbps
紧凑相位频移键控,5Mbps
多级双二进制调幅相移键控,10Mbps
物理媒体采用光纤：
强度调制：幅移键控
帧的封装采用,违例编码法,,起始定界符 SD
和结束定界符 ED
Token Ring
环接口站无方向环
(a) (b) (c)
1比特延迟环接口到站上去 自站上来 到站上去 自站上来
a） 环网； （ b） 侦听模式； （ c） 发送模式
Token Ring,线路中心
线路中心,
旁路中继器由站点供电,出现故障时旁路,站点从环中移走
通过程序控制,检测出错站点或环段时旁路站点电缆旁路中继器线路中心接头
Token Ring,MAC概述
令牌环中,当所有的站点都空闲时,一种特殊的比特格式 （ 令牌 ） 总是在绕环运行 。
当一个站点想发送一帧时,它必须抓住令牌,并在传输帧之前将令牌从环中删除 。
Token Ring MAC,令牌
环必须容纳一个完整的令牌,
比特的,物理长度,,信号传播速度 /数据传输速率,
信号传播速度,200m/?s
数据传输速率,RMbps,比特的物理长度为 200/R
环本身必须有足够的时延来容纳一个完整的令牌在环内流通：
每站中确定的 1比特时延
信号传播时延
比如 3Km ring,prom=200m/?s,R=1Mbps,20站点，
则环的比特长度为 3000*R/200+20*1 = 35
环上插入人工延迟以保证环能够容纳令牌
谁插入人工延迟？监控站
Token Ring MAC,抓获令牌
怎样抓获令牌?
3字节的令牌不停地在环网上转，等待某个站点将其抓获。
将令牌中的某个特定位由 0变为 1，从而将令牌改造成一个数据帧的起始序列。
得到令牌后，站点填写并发送组成数据帧的余下字段部分。
Token Ring MAC,确认
帧的递交的确认机制
比特绕环一周回来，发送者将它们从环中移去,最后数据帧传输完毕后产生令牌传递出去
帧的数据字段长度没有限制，只要令牌持有时间允许
接收者修改帧状态字段,
A:Access Bit,帧通过目的站点时设置
C:Copy Bit,帧复制到目的站点时设置
Token Ring MAC,THT
令牌持有时间,THT(default 10ms)
站点没有数据发送或者再发送另一帧将超过令牌持有时间时，站点将重新产生一个 3字节的令牌并置于环中。
令牌轮转时间 TRT:
环延迟活跃站点数 T HTT R T
Token Ring MAC,优先级（ 1）
优先级机制：
在令牌和数据帧中包含两个字段：优先级字段 (3位 )和预约字段 (3位 )
环中的令牌有一定的优先级 n
每个站点发送的帧都分配一个优先级
站点只有当有比当前令牌的优先级相同或者更高的数据帧时才能抓住令牌
Token Ring MAC,优先级（ 2）
令牌的优先级如何改变? 预约机制
站点 X想要传输一优先级为 n的数据帧,
发现经过数据帧的预约字段比 n低，站点将这个数据帧的预约字段置为 n,表示预约优先级为 n的令牌；发现预约字段比站点的优先级高，就不作任何动作 。
经过令牌帧的预约字段比 n低,该字段改变为 n.
持有令牌站点释放令牌时把优先级提升为 n。
优先级会不断被提升
优先级提高的站点 X有责任在适当的时候把优先级降到原先的水平。
提升时记录之前的优先级和当前优先级
看到一个自己提升优先级的令牌时降低令牌优先级
Token Ring MAC,优先级（ 3）
站点准备发送一个帧,优先级
一个令牌经过,并且优先级比站点优先级低或相等,抓住令牌
Token Ring MAC,优先级（ 4）
令牌优先级高,或者数据帧经过,进行预约
Token Ring MAC,优先级（ 5）
站点传输完,产生一个新的令牌,
提升优先级：有站点预约
或者不提升：无站点预约
Token Ring MAC,优先级（ 6）
站点看到一个它提升的令牌,降低优先级
Token Ring MAC,优先级（ 7）
如图 4.12:
1,A向 B发帧,优先级为 0,D设置预约字段为 3
2,A提升令牌优先级为 3,记录原来优先级 0
3,令牌被 D抓获,传输数据帧,优先级为 3
4,D释放令牌,优先级字段为收到的令牌优先级
5,A发现了一个优先级为 3的令牌,有责任降低优先级,截获令牌
6,A产生一个等于它提升以前的优先级 0的令牌
Token Ring,环维护
令牌环的维护,监控站保证环只有一个令牌
选取监控站,
竞争机制来产生，出现冲突时采用高地址优先
监控站的功能,
令牌丢失,最长无令牌时间
混淆帧,检验和字段
无主帧,监控位
经过监控站时置位，如果两次出现证明无主帧
环长度,人工延迟
确定环断点位置：和线路中心配合
环断开时,站点发送 BEACON帧,给出可能失效的站点，并且尽量传播环延迟站点数 T H T
Token Ring,ETR
早释令牌 ETR(Early Token Release)
站点发出数据帧,在帧传输完时,该帧的第一个比特可能会,
已回到发送站点,
还没有回到发送站点,这一段时间必须等待
ETR允许站点完成传输后马上释放令牌,
优先级机制的问题：先发送令牌,然后检查预约字段 …,.
IEEE 802.5（ 1）
传输媒体为双绞线,4Mbps/16Mbps
差分曼彻斯特编码
帧格式中利用了违例编码法字节 1 1 1 2或 6 2或 6 无限制 4 1 1
SD AC FC 目的地址 源地址 LLC DATA FCS ED FS
SD ＝ 起始定界符
AC ＝ 访问控制,PPPTMRRR,T(Type) M(monitor)
FC ＝ 帧控制
FCS＝ 帧检验序列
ED ＝ 结束定界符,E(Error)/I(Intermediate)
FS ＝ 帧状态,A(cess)/C(opy)
IEEE 802.5（ 2）
令牌总线
分布式控制
协议更加复杂
令牌环
监控站来维护令牌
监控站出现故障时,有时很难觉察到习题
4.10
4.14
4.4 令牌总线访问控制和 IEEE802.4标准
4.5 令牌环访问控制和 IEEE 802.5标准令牌总线和 IEEE 802.4
802.3协议不能保证对每个站点公平,不能保证最长等待时间,因此不能应用于工厂自动化和实时系统中,
802.4提出了令牌总线网,既有 802.3的可靠性,又有环网能确知最坏情况的特性,
总线拓扑
令牌,
令牌总线局域网
逻辑环结构,
逻辑上,令牌总线所有站点组成一个环,每个站点按次序分配一个逻辑地址,
每个站点记录前面站点和后面站点,
令牌绕逻辑环传送,只有令牌持有者才有权力发送数据,
10 20 30 40 50 60
逻辑环（站点 20,40不在环中）
令牌总线配置（图中总线上站点按物理地址排序，标准中并未如此规定）
令牌总线控制
令牌总线 MAC协议十分复杂,关键是令牌逻辑环的维护,
环初始化
插入环
退出环
恢复环环初始化
网络没有令牌,开始环初始化过程,
发出一个 CLAIM-TOKEN帧
没有人来竞争,产生令牌,建立一个环
有竞争,比较申请令牌帧的数据字段长度来解决冲突,
CLAIM-TOKEN帧的长度根据其地址的头两位的值设置为
,响应窗口,(时槽时间 )的 0/2/4/6倍
发完之后如果监听到媒体上还有别的站点来发送,放弃申请令牌
否则按照地址的下一个两位来继续竞争 …,
插入环（ 1）
令牌持有者询问是否有站点需要加入
周期性发送 SOLIT_SUCCESSOR帧,之后等待一个响应窗口时间来允许新站加入环中,如果没有新站加入继续其他操作,
如果有一个站点响应 (发送置后继站帧 ),该站点被插入环中,并且成为当前令牌持有者后继站点,并把令牌传递给它,
多个站点响应，插入环出现冲突：
插入环（ 2）
多个站点要求插入环：
令牌持有者发出 RESOLVE_CONTENTION帧并且等待 4个响应窗口,
每个请求者按照自身地址前 2位选择等待的响应窗口数，如在它的响应窗口到来前有站点发送,则放弃
令牌持有者收到有效响应后,该新站成为后继站点,
被插入环
否则根据下一个 2位重复 RESOLVE_CONTENTION过程,
过程持续直到收到一个有效的置后继帧，或者没有响应，或者直到最后两个比特为止,
插入环（ 3）
新站的请求不会影响令牌的轮转时间
每个站点都会计算令牌循环一周的时间
如果通信量太大,不允许新站进环
每次只允许一个站点入环环删除
站点在持有令牌时,能够从环中删除自身,
站点向其前方站点发送置后继站帧来更新后继站点记录,然后把令牌传递给后继站点,
环恢复
站点在一段时间内没有监测到环活动时，发出
CLAIM_TOKEN帧发起环初始化过程,
令牌传递过程中的令牌恢复,
令牌传递之后监测一段时间,看后继站点是否活跃
不活跃,再递交一次
仍然失败,则发送 WHO-FOLLOWS帧,以把出错站点从环中移走
上一步骤仍然失败,发送 SOLICT_SUCCESSOR_2,重建环
令牌持有者故障,令牌丢失,环一段时间没有活动时将开始环初始化过程
令牌持有者发现多个令牌则丢弃一个,直到最后只剩一个或者没有，如果碰巧所有令牌都丢失，则开始环初始化过程数据传输
只有在获得令牌后才能开始数据传输：
站点持有令牌的时间是有限的，然后传递令牌
支持优先级机制
当站点拥有令牌时，按照优先级顺序传输数据
有可能不能传输所有优先级的数据，令牌持有时间是有限的令牌总线优先级算法（ 1）
优先级分 4级 0,2,4,6,其中 6级为最高优先级,
THT令牌拥有时间,一个站点拥有令牌发送第 6
级数据的最大时间,
TRT令牌轮转时间：站点从上次释放令牌后绕环一周回来拥有令牌的时间（包括本站点的高优先级的数据传输）
TRTi 第 i( 4,2,0)优先级的令牌轮转时间，即令牌循环一周仍允许发送第 i级数据的最大轮转时间,
令牌总线优先级算法（ 2）
令牌持有者按照下列算法发送数据,
THT时间内发送第 6级数据,
发送完第 6级数据后,如果上次令牌轮转时间小于
TRT4,发送第 4级数据,
发送完第 4级数据后,如果上次令牌轮转时间小于
TRT2,发送第 2级数据,
发送完第 2级数据后,如果上次令牌轮转时间小于
TRT0,发送第 0级数据,
算法保证第 6级数据的带宽，剩余带宽按照优先级高低分配给 4,2,0级数据
IEEE 802.4标准
物理媒体采用宽带同轴电缆
三种模拟调制技术,
相位连续频移键控,1Mbps
紧凑相位频移键控,5Mbps
多级双二进制调幅相移键控,10Mbps
物理媒体采用光纤：
强度调制：幅移键控
帧的封装采用,违例编码法,,起始定界符 SD
和结束定界符 ED
Token Ring
环接口站无方向环
(a) (b) (c)
1比特延迟环接口到站上去 自站上来 到站上去 自站上来
a） 环网； （ b） 侦听模式； （ c） 发送模式
Token Ring,线路中心
线路中心,
旁路中继器由站点供电,出现故障时旁路,站点从环中移走
通过程序控制,检测出错站点或环段时旁路站点电缆旁路中继器线路中心接头
Token Ring,MAC概述
令牌环中,当所有的站点都空闲时,一种特殊的比特格式 （ 令牌 ） 总是在绕环运行 。
当一个站点想发送一帧时,它必须抓住令牌,并在传输帧之前将令牌从环中删除 。
Token Ring MAC,令牌
环必须容纳一个完整的令牌,
比特的,物理长度,,信号传播速度 /数据传输速率,
信号传播速度,200m/?s
数据传输速率,RMbps,比特的物理长度为 200/R
环本身必须有足够的时延来容纳一个完整的令牌在环内流通：
每站中确定的 1比特时延
信号传播时延
比如 3Km ring,prom=200m/?s,R=1Mbps,20站点，
则环的比特长度为 3000*R/200+20*1 = 35
环上插入人工延迟以保证环能够容纳令牌
谁插入人工延迟？监控站
Token Ring MAC,抓获令牌
怎样抓获令牌?
3字节的令牌不停地在环网上转，等待某个站点将其抓获。
将令牌中的某个特定位由 0变为 1，从而将令牌改造成一个数据帧的起始序列。
得到令牌后，站点填写并发送组成数据帧的余下字段部分。
Token Ring MAC,确认
帧的递交的确认机制
比特绕环一周回来，发送者将它们从环中移去,最后数据帧传输完毕后产生令牌传递出去
帧的数据字段长度没有限制，只要令牌持有时间允许
接收者修改帧状态字段,
A:Access Bit,帧通过目的站点时设置
C:Copy Bit,帧复制到目的站点时设置
Token Ring MAC,THT
令牌持有时间,THT(default 10ms)
站点没有数据发送或者再发送另一帧将超过令牌持有时间时，站点将重新产生一个 3字节的令牌并置于环中。
令牌轮转时间 TRT:
环延迟活跃站点数 T HTT R T
Token Ring MAC,优先级（ 1）
优先级机制：
在令牌和数据帧中包含两个字段：优先级字段 (3位 )和预约字段 (3位 )
环中的令牌有一定的优先级 n
每个站点发送的帧都分配一个优先级
站点只有当有比当前令牌的优先级相同或者更高的数据帧时才能抓住令牌
Token Ring MAC,优先级（ 2）
令牌的优先级如何改变? 预约机制
站点 X想要传输一优先级为 n的数据帧,
发现经过数据帧的预约字段比 n低，站点将这个数据帧的预约字段置为 n,表示预约优先级为 n的令牌；发现预约字段比站点的优先级高，就不作任何动作 。
经过令牌帧的预约字段比 n低,该字段改变为 n.
持有令牌站点释放令牌时把优先级提升为 n。
优先级会不断被提升
优先级提高的站点 X有责任在适当的时候把优先级降到原先的水平。
提升时记录之前的优先级和当前优先级
看到一个自己提升优先级的令牌时降低令牌优先级
Token Ring MAC,优先级（ 3）
站点准备发送一个帧,优先级
一个令牌经过,并且优先级比站点优先级低或相等,抓住令牌
Token Ring MAC,优先级（ 4）
令牌优先级高,或者数据帧经过,进行预约
Token Ring MAC,优先级（ 5）
站点传输完,产生一个新的令牌,
提升优先级：有站点预约
或者不提升：无站点预约
Token Ring MAC,优先级（ 6）
站点看到一个它提升的令牌,降低优先级
Token Ring MAC,优先级（ 7）
如图 4.12:
1,A向 B发帧,优先级为 0,D设置预约字段为 3
2,A提升令牌优先级为 3,记录原来优先级 0
3,令牌被 D抓获,传输数据帧,优先级为 3
4,D释放令牌,优先级字段为收到的令牌优先级
5,A发现了一个优先级为 3的令牌,有责任降低优先级,截获令牌
6,A产生一个等于它提升以前的优先级 0的令牌
Token Ring,环维护
令牌环的维护,监控站保证环只有一个令牌
选取监控站,
竞争机制来产生，出现冲突时采用高地址优先
监控站的功能,
令牌丢失,最长无令牌时间
混淆帧,检验和字段
无主帧,监控位
经过监控站时置位，如果两次出现证明无主帧
环长度,人工延迟
确定环断点位置：和线路中心配合
环断开时,站点发送 BEACON帧,给出可能失效的站点，并且尽量传播环延迟站点数 T H T
Token Ring,ETR
早释令牌 ETR(Early Token Release)
站点发出数据帧,在帧传输完时,该帧的第一个比特可能会,
已回到发送站点,
还没有回到发送站点,这一段时间必须等待
ETR允许站点完成传输后马上释放令牌,
优先级机制的问题：先发送令牌,然后检查预约字段 …,.
IEEE 802.5（ 1）
传输媒体为双绞线,4Mbps/16Mbps
差分曼彻斯特编码
帧格式中利用了违例编码法字节 1 1 1 2或 6 2或 6 无限制 4 1 1
SD AC FC 目的地址 源地址 LLC DATA FCS ED FS
SD ＝ 起始定界符
AC ＝ 访问控制,PPPTMRRR,T(Type) M(monitor)
FC ＝ 帧控制
FCS＝ 帧检验序列
ED ＝ 结束定界符,E(Error)/I(Intermediate)
FS ＝ 帧状态,A(cess)/C(opy)
IEEE 802.5（ 2）
令牌总线
分布式控制
协议更加复杂
令牌环
监控站来维护令牌
监控站出现故障时,有时很难觉察到习题
4.10
4.14
