参考材料4-令牌环与令牌总线

令牌环与令牌总线

（1）

令牌环网的操作原理

令牌环网的操作原理可用图 3来说明。当环上的一个工作站希望好送帧时，必须首先

等待令牌。所谓令牌是一组特殊的比特，专门用来仲裁由哪个工作站访问网环。一旦收到

令牌，工作站便可启动发送帧。帧中包括接收站的地址，以标识哪一站应接收此帧。帧在

环上传送时，不管帧是否是针对自己工作站的，所有工作站都进行转发，直到待回到帧的

始发站，并由该始发站撤消该帧。帧的意图接收者除转发帧外，应针对自身站的帧维持一

个副本，并通过在帧的尾部设置“响应比特”来指示已收到此副本。

工作站在发送完一帧后，应该释放令牌，以便出让给它站使用。出让令牌有两种方式，

并与所用的传输速率相关。一种是低速操作（4Mb/s?）时只有收到响应比特才释放，我们

称之为常规释放。第二种是工作站发出帧的最后一比特后释放，我们称之为早期释放。

现在就图3进行一些说明，开始时，假定工作站A想向工作站C发送帧，其过程如图3所

标出的序列。

第1步：工作站A等待令牌从上游邻站到达本站，以便有发送机会。

第2步：工作站A将帧发送到环上，工作站C对发往它的帧进行拷贝，并继续将该帧转

发到环上。

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第3步：工作站A等待接收它所发的帧，并将帧从环上撤离，不再向环上转发。

第4步a：当工作站接收到帧的最后一比特时，便产生令牌，并将令牌通过环传给下游

邻站，随后对帧尾部的响应比特进行处理。

第4步b：当工作站A发送完最后一个比特时，便将令牌传递给下游工作站，所谓早期

释放。

第4步分a、b两种方式,表示选择其中之一。如前所述，在常规释放时选择第4步a，在

早期释放时选择第4步b。还应指出，当令牌传到某一工作站，但无数据发送时，只要简单

地将令牌向下游转发即可。

（2）

令牌环和IEEE 802.5

背景

令牌环网是由IBM于1970年代开发的，现在它仍然是IBM主要的局域网技术，IEEE 802.5几乎和令牌环网标准完全一样或完全兼容。实际上这个标准就是根据令牌环制订的。令牌环这个词通常表示IBM的令牌环网和IEEE 802.5标准。本文就主要说明这两个东西（实际上我看是一个东西）。这两个东西是完全兼容的，虽然在一些微小的地方上还有所不同。IBM的令牌环指的是星型结构，所有

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的计算机都连接到一个MSAU的设备上。而IEEE 802.5未说明拓朴结构，但几乎所有对IEEE 802.5的实现都是基于星型结构的。另外，IEEE 802.5未指定介质类型，而IBM令牌环则使用双绞线。下表中还有一些不同。

物理连接

IBM令牌环网计算机直接连接到MSAU上，MSAU组成一个大环，连接计算机与MSAU的电缆称为lobe cable，连接MSAU与相邻MSAU的电缆称为patch cable。

令牌环内部操作

令牌传送网络内部传送一个小小的帧，称为令牌，有这个令牌的才能权利传送数

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据，如果一个结点（计算机）接到令牌但是没有数据传送，则把令牌传送到下一个结点（计算机）。每个结点（计算机）能够保留令牌的时间是有限制的。如果结点确实有数据要发送，它获得令牌，修改令牌中的一位，把令牌作为一个帧的开始部分，然后把数据（和目的地址）放在令牌后面传送到下一个结点，下一个结点看到令牌上被标记的那一位就明白现在有人在用令牌，自己不能用，使用令牌使得有数据传送的结点在没有令牌时除了等待什么也不能做，这就避免了冲突。令牌带着数据在环网上传送，直到到达目的结点，目的结点发现目的地址和自己的地址相同，将把帧中的数据复制下来，并在数据帧上作好标记说明此帧已经被读过了。这个令牌继续在网上传送，直到回到发送结点，发送结点删除数据，并检查相应的位，看数据是否被目的结点接收并复制。与以太网不同，令牌环中的等待时间是有限的，而且是决定好的了，这对于一些要求可靠性和需要保证响应时间的网络来说至关重要。工厂自动化系统就是一个例子。

优先级系统

令牌环有一个复杂的优先级系统，可以让用户指定的结点经常发送数据，令牌环帧中有两个域用于控制优先级：优先级域和保留域。只有当结点的优先级大于等于令牌中的优先级时能才取得令牌发送数据。在形成数据帧以后，只有高于令牌优先级的结点能够使令牌在下一个循环中一定到自己的手中。在下一个令牌产生时，它的优先级高于本站的优先级。在数据传输完成后，被抬高的优先级必须返回原优先级。

差错管理机制

令牌环网络采用一些措施防止和修正网络错误。在网络中的一个结点可以做为活动监视器，它可以是网络中的任何一个结点，它监视网络性能和其它结点的动作。其中一项工作就是把持续在网上循环的帧删除，有些机器在发送完数据帧后失败了，那这个帧就成了没娘的孩子在网上乱转，这会使其它结点无法发送数据，因此必须把这个帧收回，并重要产生令牌，这任务就是活动监视器的工作了。 因为采取星型结点，所以网络从结构上来说也是安全的。可以选择活动的MSAU，让它监视其它的MSAU，如果其它的MSAU出了问题，就把它们从环中分离出去。在令牌环中有一个错误检测机制称为烽火检测，它用于修复特定的网络错误。当一个结点检测到网络有严重问题时，它可以发送烽火帧，帧中定义了失败域，这个域包括报告失败的结点，和最近的活动上级邻居（NAUN），以及NAUN和它之间的所有设备。烽火过程启动称为自动重新配置的过程，这一过程中，所有在失败域中的结点执行诊断程序，以重新配置网络命使网络重新形成环，绕过失败区域。物理上，MSAU可以完成这一任务。

帧格式

令牌环和IEEE 802.5支持两种帧格式：令牌帧和数据/命令帧。令牌为3字节，包括开始标记，访问位和结束标记；数据/命令帧因信息域的不同而大小不一，数据帧为上层协议传送数据，而命令帧则传送控制命令，并没有包括提供给上层

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协议的数据，格式如下图所示：

令牌帧的就三个域，它们的意义如下：

数据/命令帧的格式意义如下表：

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（3） 令牌环 Token Ring 是一种 LAN 协议，定义在 IEEE 802.5 中。之所以称为环，是因为这种网络的物理结构具有环的形状。环上有多个站逐个与环相连，相邻站之间是一种点对点的链路。通过围绕环的令牌信息授予传输权限。

IEEE 802.5 中定义的令牌环源自 IBM 令牌环 LAN 技术。两种方式都基于令牌传递 Token Passing 技术。虽有少许差别，但总体而言，两种方式是相互兼容的。

令牌环上传输的数据格式（帧）为令牌帧。如果环上的某个工作站想发送信息帧时，必须首先等待令牌；令牌一到，便通过将T比特置“1”来抓住令牌，随后将其余想传输的字段添加在首字段后，形成一个完整的帧发送到环上下一站。当信息帧环绕一周后，网络中没有令牌，这就意味着想传送帧的其它站必须等待。因此令牌环网络中不会发生传输冲突。

信息帧不断进行转发直到它到达预期的目的站，并且需要保留副本以便进一步处理。信息帧不断转发，当它到达发送站时便可以被删除。发送站可以通过检验返回帧以查看帧是否可见，随即目的站对此帧进行拷贝处理。

与以太网 CSMA/CD 网络不同，令牌传递网络具有确定性，这意味着在任意终端站能够传输之前计算出最大传递时间是完全可能的。该特征结合另一些可靠性特征，使得在可预测延迟的应用程序中以及网络操作较为重视的情况中的令牌环网络闲置。

此外，光纤分布式数据接口 FDDI 中也运用了令牌传递协议。

协议结构

1 2 3 9 15 bytes

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SDEL AC FC Destination Address Source Address

Route information 0-30 bytes

Information (LLC or MAC) variable

FCS (4 bytes)

EDEL FS

SDEL/EDEL ― 起始分隔符/结束分隔符（Starting Delimiter/Ending Delimiter）。 AC ― 访问控制（Access Control）字段包括优先级字段。 FC ― 帧控制（Frame Control）字段说明帧是包含数据信息还是控制信息。 Destination Address――目标站地址（Destination Station Address）。 Source Address ― 源站地址（Source Station Address）。 Route Information ― 该字段包括路由选择控制、路由描述符和路由选择类型信息等。 Information ― 信息（Information）字段可能为 LLC 或 MAC。 FCS ― 帧校验序列（Frame Check Sequence） Frame Status ― 由帧接收方开始，识别信号地址，以及帧复制是否成功。

相关协议 IEEE 802.2、802.3、802.4、802.5

组织来源 令牌环由 IEEE （）定义在802.5中。

:

Method and Physical Layer Specification

相关链接 Token Ring Access

: Token Ring and

IEEE 802.5

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5.5 IEEE 802.4标准： 令牌总线局域网

5.5.1 令牌总线局域网的组成

总线局域网的争用总线策略使得它不很适用于工厂的一些对时间有严格要求的实时控制系统。

令牌环形网中的令牌绕网一周的时间虽有一个上限值，但它在轻载时的性能不太好，并且还采用了许多的干线耦合器（这里面使用了有源器件）连接成环路的，其可靠性要比无源的总线要差些。在这种情况下，综合这两种局域网的优点的令牌总线局域网就产生了。这就是 802.4 标准。在美国最先使用这种局域网的是通用汽车公司（General Motor）。

图5-20 表示出令牌总线局域网的两个主要特点，这就是：令牌总线局域网在物理上是一个总线网，而在逻辑上却是一个令牌网。例如图中所示的 7 个站中，站 C 有故障而站 G 未工作。剩下的 5 个站在逻辑上组成了一个令牌网。令牌传递的顺序与站的物理位置无关，在图中设令牌按照A→ D→ B→ E→ F→ A→ 的顺序传递。

这样，令牌总线局域网既具有总线网的 “接入方便” 和 “可靠性较高” 的优点，也具有令牌环形网的 “无冲突” 和 “发送时延有确定的上限值” 的优点。

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5.5.2 令牌总线局域网的MAC子层

在令牌总线局域网中，令牌传递的顺序不是按照站的物理位置，因此必须有一个有效的 MAC 子层协议来管理网络的令牌。这就使得令牌总线局域网的 MAC 子层协议非常复杂（802.4 标准的原文超过 200 页）。

802.4 的 MAC 子层具有如 图5-21 所示的四个主要功能。在 802.4 标准中，各功能都被称为某种机器（Machine），简称为某某机。下面简单介绍这四种功能。

（1）接入控制机（Access Control Machine）

接人控制机是令牌总线网的核心，它决定一个站什么时候可以向总线发送一个帧，并且负责整个逻辑环路的管理。环路的管理主要功能是：环路的初始化、工作站的入网（即加入到环路中）、工作站的退网（即从环路中删除）、差错恢复和优先级的设置。

（2）接口机（Interface Machine）

接口机的任务是：对 LLC 子层向下交给接入控制机发送的 LLC PDU 进行缓存；将 LLC 子层和 MAC 子层的服务质量参数进行变换；将收到的 LLC PDU 进行地址检验。

（3）发送机（Transmit Machine）

发送机从接入控制机收到 LLC PDU，再负责将帧装配成 MAC 帧交给物理层发送。

（4）接收机（Receive Machine）

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接收机将物理层上交的数据进行差错校验。当收 LLC PDU 时就上交给 LLC 子层。若收到的是 MAC 帧（如令牌帧或其他为环路管理用的帧），则交给接入控制机进行处理。

传输媒体使用电缆电视用的 75 欧同轴电缆。可使用单电缆或双电缆系统（可使用或不使用头端）。有三种可供选择的数据率：l、5 和 10 Mb/s 。需要注意的是，802.4 规定要把基带信号再进行调制后才送到电缆上传输。调制的方法有：相位连续移颇键控、相位相干移频键控和多电平双二进制调幅移频键控。

5.5.3 三种局域网的比较

我们已经介绍了三种常用的局域网。现在对它们进行简单的比较。

总线网无疑是使用得最为广泛的。整个电缆是无源的，站点的接入与安装很方便。在低负载时网络基本上没有时延，因为每个站随时可以发送信息。

802.3 协议最大的缺点就是发送时延的不确定性，这对某些实时应用是非常不利的。在使用转发器的情况下，电缆的最大长度只有 2.8 km 。电磁波在电缆线上的往返时间决定了争用期的长度，它和数据的发送速率无关。这一点限制了数据的发送速率。当网络的负载很重时，由于冲突增多，网络的效率就下降很多。 此外，802.3 还不便于将光纤作为总线。

802.4 协议使用高可靠的电视电缆。它的发送时延是确定的，虽然在关键时刻连续发生令牌的丢失会造成一些时延的不确定性。802.4 协议没有对数据帧的长度设置下限。

802.4 协议可以设定优先级。这有利于传送数字化的分组话音信号。 令牌总线局域网在重载时的性能非常好，实际上成为时分复用 TDM 。 由于 802.4 协议采用的是宽带电缆，因此它可以支持多个信道，除了数据外，还可以传送话音和电视。

但是 802.4 协议使用了许多的模拟部件，包括调制解调器和宽带放大器。802.4 协议非常复杂。在负载很轻时也要等待令牌的到来，产生了不必要的发送时延。和总线局域网相似，令牌总线局域网也很难用光纤来实现。

802.5 的令牌环形网既可用双绞线连接，也比较容易用光纤来实现。将令牌环形网做成星形结构可自动检测和排除电缆的故障。

802.5 协议可设置优先级。这一点和令牌总线局域网相似。此外，802.5 协议允许发送很短的帧，但对发送很长的帧则有限制，因为一个站截获令牌的时间不得太长。在重载时，802.5 协议的效率和吞吐率都是很高的。

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令牌环形网的一个主要缺点是令牌的管理采用了集中管理方式。当管理令牌的站出故障时，虽然按照协议可以再产生一个新的管理令牌的站，但这还是造成了一些麻烦。此外，像 802.4 一样，在低负载时，发送数据的站由于要等待令牌，会产生附加的时延。

这三种局域网的标准都是不兼容的。图5-22 画出了 802.3 ~ 802.5 的帧格式的对比。仅从每一种帧所包含的字段种类就可看出它们之间的差别是很大的。支持这些标准的厂家（施乐、通用汽车公司和 IBM ）谁也不肯放弃自己的经济利益，因此这种多标准的状况在短期内是不会根本改变的。

三个标准的最大 MAC 帧长不同。802.3 的最大帧长是 1518 字节。802.4 是 8191 字节（从帧控制字段到 FCS 字段为止，其中地址按 4 字节计算）。802.5 未规定帧长的上限，但每一个站持有令牌的时间是有上限值的。若按一般取值 10 ms，则在 4 Mb/s 下最大帧长为 5000 字节。

有不少人对这三种局域网的性能进行过定量分析［BUX81］［HAMM86］。但从这些分析得出的最主要的结论就是：“基本上得不出来什么结论”。人们总是可以找出一组参数使得在此参数下某一种局域网优于另一种局域网。

唯一可做的结论是：在很重的负载下 802.3 局域网彻底不能用，而基于令牌的局域网则可达到接近于 100% 的效率。若负载范围是从轻到中等，则三种局域网都能胜任。

但是从市场的情况来看，以太网拥有最大的市场，其销售量超过令牌环的 3 ~ 4 倍以上，而令牌总线网则很少有人使用。

（2）

5-3 令牌总线

以太网在共享总线上运行CSMA/CD协议,存在以下弱点:

1

1

1

1 不适应重负荷应用环境。 实时性差，帧的延迟不能确定。 无优先级区分，重要的帧和不重要的帧都有相同的权力使用总线. 由于存在碰撞域,以太网内的节点和以太网的覆盖范围受到限制。

令牌环与令牌总线

1 共享总线方式决定了媒体不能使用光纤，限制了数据的传输距离。

令牌总线局域网是一种传送延迟时间可以确定的系统。

令牌绕网一周的时间上限值 <=nT秒。

令牌总线局域网的两个主要特点，就是令牌总线局域网在物理上是一个总线网，而在逻辑上却是一个令牌网。这样，令牌总线网既具有总线网的“接入方便”和“可靠性较高”的优点，也具有令牌环形网的“无冲突”和“发送时延有确定的上限值”的优点。

在令牌总线局域网中，必须有一个有效的MAC子层协议来管理网络的令牌。因而令牌总线局域网的MAC子层协议非常复杂 。

令牌传递的顺序与站的物理位置无关，在图中设令牌按照A→D→B→E→F→A→ 的顺序传递

1 总线是一根线形或树形的电缆，其上连接着各个节点，每个节点传送的帧其它节点都

能收到。

1 逻辑上，所有节点构成一个环，每个节点都有前方节点和后继节点，并知道它们的地

址。

1

1

1 节点发送前必须获得令牌，整个网络上只有一个令牌，获得令牌的帧可以发送一帧。 如无数据发送，则把令牌交给后继节点。令牌如此沿逻辑环循环传送。 节点传送令牌时，只需指定逻辑环上后继节点的地址。

令牌环与令牌总线

1

1

1 传输媒体使用电缆电视用的750同轴电缆。 注意，802.4规定要把基带信号再进行调制后才送到电缆上传输。 802.4与802.3的物理层完全不兼容。

令牌：一种特殊的帧，只有得到令牌的节点才能发送帧。IEEE 802.4使用令牌，从而避免了多个节点同时访问总线引起的帧碰撞。

1 在下列之一条件下，站必须交出对媒体的控制权：

&

&

&

1 该站没有数据帧要发送 该站发送了所有排队等候传输的数据帧 分配给该站的时间终了 遇到这些情况之一，令牌就被传递给逻辑序列中的下一站。这个新的令牌接收站就获

得了发送权。因此，令牌总线的稳态操作是由交替的数据传递阶段和令牌传送阶段组成的。

特点：

Ø

Ø

Ø 物理上是总线网，逻辑上是令牌网 物理层：传输媒体为75 宽带同轴电缆，数据速率为1Mb/s、5Mb/s或10Mb/s； 传输机制为以太网和令牌环的结合：

●物理传输采用广播方式；

●介质访问控制采用令牌方式。

（3）

令牌总线（Token Bus），是一个使用令牌通过接入到一个总线拓扑的局域网架构。令牌总线被IEEE 802.4工作组标准化。

令牌总线的工作原理

令牌总线是一种在总线拓扑结构中利用“令牌”（token）作为控制节点访问公共传输介质的确定型介质访问控制方法。在采用令牌总线方法的局域网中，任何一个结点只有在取得令牌后才能使用共享总线去发送数据。

与CSMA/CD方法相比，令牌总线方法比较复杂，需要完成大量的环维护工作，包括环初始化、新结点加入环、结点从环中撤出、环恢复和优先级服务。该技术主要归纳为以下三点：

1、 在总线的基础上，通过在网络结点之间有序地传递令牌（一组特定的比特模式）来分配各结点对共享型总线的访问权利，形成闭合的逻辑环路。

2、 完全采用半双工的操作方式，只有获得令牌的结点才能发送信息，其它结点只能接收信息，或者被动地发送信息（在拥有令牌的结点要求下，发送信息）。

3、 为了保证逻辑闭合环路的形成，每个结点都动态地维护着一个连接表，该表记录着本结点在环路中的前继、后继和本结点的地址，每个结点根据后继地址确定下一占有令牌的结点。 令牌环网的工作原理

令牌环与令牌总线

最有影响的令牌环网是IBM公司的Token Ring，IEEE802.5标准就是在IBM公司的Token Ring协议的基础上发展和形成的。

在Token Ring中，结点通过环接口连接成物理环形。令牌是一种特殊的MAC控制帧，帧中有一位标志令牌忙/闲。令牌总是沿着物理环单向逐站传送，传送顺序与结点在环中排列顺序相同。

如果某结点有数据帧要发送，它必须等待空闲令牌的到来。当此结点获得空闲令牌之后，将令牌标志位由“闲”变为“忙”，然后传送数据。令牌环的基本工作过程如下图所示。

IEEE802.5标准对以上技术进行了一些改进，主要表现在以下几点：

--单令牌协议，即环中只能存在一个有效令牌

--支持多优先级方案

--设置一个监控站，执行环维护功能

--通过预约指示器进行令牌预约

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，则最坏情况下等待时间只是全部令牌传递时间之总和，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，选定网中的站点数及最大的报文长度，从而保证在限定的时间内，任一站点可以取得令牌权。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/u7s1.html