局域网 以太网 令牌环网（一）

组成LAN需要下述5种基本结构:
　　① 计算机(特别是PC机);
　　② 传输媒体;
　　③ 网络适配器;
　　④ 网络连接设备;

　　⑤ 网络操作系统。

目前大多数LAN使用的拓扑结构有3种:
　　① 星行拓扑结构;
　　② 环行拓扑结构;
　　③ 总线型拓扑结;

1.星型拓扑结构
　　星型结构是最古老的一种连接方式，大家每天都使用的电话都属于这种结构，如图3所示。
其中,图3(a)为电话网的星型结构,图3(b)为目前使用最普遍的以太网(Ethernet)星型结构,处于
中心位置的网络设备称为集线器,英文名为Hub。

　　　　　　　　　

(a)电话网的星行结构　　　　　　　　　　　　(b)以Hub为中心的结构

这种网络拓扑结构的一种扩充便是星行树,如图4所示。每个Hub与端用户的连接仍为星型,
Hub的级连而形成树。然而,应当指出,Hub级连的个数是有限制的,并随厂商的不同而有变化。
图4
　　还应指出,以Hub构成的网络结构,虽然呈星型布局,但它使用的访问媒体的机制却仍是共
享媒体的总线方式。

2.环型网络拓扑结构
　　环型结构在LAN中使用较多。这种结构中的传输媒体从一个端用户到另一个端用户,直到
将所有端用户连成环型,如图5所示。这种结构显而易见消除了端用户通信时对中心系统的依
赖性。

图5

　　环行结构的特点是,每个端用户都与两个相临的端用户相连,因而存在着点到点链路,但总
是以单向方式操作。于是,便有上游端用户和下游端用户之称。例如图5中,用户N是用户N+1的
上游端用户,N+1是N的下游端用户。如果N+1端需将数据发送到N端，则几乎要绕环一周才能到
达N端。
　　环上传输的任何报文都必须穿过所有端点,因此,如果环的某一点断开,环上所有端间的通
信便会终止。为克服这种网络拓扑结构的脆弱,每个端点除与一个环相连外，还连接到备用环
上,当主环故障时,自动转到备用环上。

3.总线拓扑结构
　　总线结构是使用同一媒体或电缆连接所有端用户的一种方式,也就是说，连接端用户的物
理媒体由所有设备共享，如图6所示。使用这种结构必须解决的一个问题是确保端用户使用媒
体发送数据时不能出现冲突。在点到点链路配置时,这是相当简单的。如果这条链路是半双工
操作，只需使用很简单的机制便可保证两个端用户轮流工作。在一点到多点方式中,对线路的
访问依靠控制端的探询来确定。然而，在LAN环境下,由于所有数据站都是平等的,不能采取上
述机制。对此，研究了一种在总线共享型网络使用的媒体访问方法:带有碰撞检测的载波侦听
多路访问,英文缩写成CSMA/CD。

图6

　　这种结构具有费用低、数据端用户入网灵活、站点或某个端用户失效不影响其它站点或端
用户通信的优点。缺点是一次仅能一个端用户发送数据，其它端用户必须等待到获得发送权。
媒体访问获取机制较复杂。尽管有上述一些缺点,但由于布线要求简单,扩充容易,端用户失效、
增删不影响全网工作,所以是LAN技术中使用最普遍的一种。

2.令牌环网

令牌环是IBM公司于80年代初开发成功的一种网络技术。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，因此令牌环与广播方式的Ethernet不同，它是一种顺序向下一站广播
的LAN。与Ethernet不同的另一个诱人的特点是，即使负载很重，仍具有确定的响应
时间。令牌环所遵循的标准是IEEE802.5，它规定了三种操作速率：1Mb/s、 4Mb/s和
16Mb/s。开始时，UTP 电缆只能在 1Mb/s的速率下操作，STP电缆可操作在 4Mb/s和
16Mb/s，

一、令牌环网的物理结构

　　令牌环的基本结构如图1（a）所示，工作站以串行方式顺序相连，形成一个封闭的环
路结构。数据顺序通过每一工作站，直至到达数据的原发者才停止。图1（b）是基本环形
结构的改进型，在此结构中，工作站未直接与物理环相连，而是连接到一种多站访问单元
（MAU），称为IBM8228。MAU可连接8个工作站。
　　构成令牌环物理结构的传输媒体有屏蔽双绞线（STP）和无屏蔽双绞线（UTP）。

　　　　
　　　　　图1（a）　　　　　　　　　　　　　　　图1（b）

二、令牌环网的组成部件

　　从令牌环物理结构可以看出，组成令牌环网需要的主要部件包括：1、网卡；2、多站访
问单元（MAU）；3、传输媒体；4、连接附件。

四、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。

　　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。

六、MAC帧格式

　　令牌环上传输的数据格式（帧）有两种：一种是令牌，另一种是常规帧。令牌是占有发
送权的标志，占有令牌的站才能发送。常规帧用来发送数据或控制信息。两种帧的格式如图
5所示。

SD=帧首定界符

Ｉ＝信息字段

AC=访问控制

FSC=帧检验序列

FC=帧控制

ED=帧尾定界符

DA=终点地址

FS=帧状态字段

SA=源点地址

 

图5

　　帧首定界符(SD）和帧尾定界符（ED）字段分别是一种专门标志帧首和帧尾的特殊字段，
段1个字节。为了使用户数据获得透明性，应采取某种机制，使信息字段不会出现与SD或ED
相同的比特序列。在令牌环网中所用的机制是除SD和ED字段外,其它所有信息比特都使用曼
彻斯特编码，也就是说通过不同的编码方法来获得专门的标志。从图5的字段描述可知，要
作到这一点，J.K符号必须与常规编码规则不同，即J符号与其前面的符号具有相同的极性，
K符号与前面的符号具有相反的极性。使用这种方式，接收机便可可靠地鉴别帧或令牌帧的
开始和结束。
　　访问控制(AC)字段由优先权比特（P）、令牌（T）和监视（M）比特以及保留比特(R)
组成。由该字段的名字可知，基功能是控制对环的访问。在其出现在令牌帧时，P比特表示
令牌的优先权，因此指示工作站收到该令牌后便可发送那些帧。T比特用来区分令牌帧和常
规。 M比特由活动监视器用来防止帧绕环连续散发。R比特用来使工作站指示高优先权帧的
请求，请求发出的下一个令牌具有请求的优先权。
　　 帧控制（FC）字段定义帧的类型和控制功能如果帧类型（F）指示MAC帧，环上所有工
作站都对其接收和解释，并根据需要对控制比特（Z）进行动作。如果它是工帧，控制比特
公由终点地址字段标识的工作站解释。
　　 源点地址（SA）和终点地址（DA）字段可为16比特或48比特。对于特定的令牌环网，
应有一致的地址长度。DA标识帧意图发往的工作站,可以是一个站或多个站。源点地址(SA)
字段表示发送该帧的站。
　　 信息（I）字段用来载携用户数据或附加控制信息。I字段中最大长度虽无限制，但由
于允许DTE发送帧时有时间限制，所以也就限制了I字段的长度，通常最大值的5000个字节。
　　 帧检验序列（FCS）是32比特的循环冗余检验用来检验FC，DA，SA和I各字段在传输中
有无差错。最后一个字段为帧状态（FS）。FS由两个字段组成：地址识别比特（A）和帧拷
贝比特（C）。如果该帧要由一个或多个工作站识别，则将A比特置为1。如果它拷
贝了该帧，便将C比特置1。使用这种方法，发起工作站可了解下述状态：
　　．被寻址的工作站是否存在或关闭；
　　．被寻址的工作站在工作，但未拷贝帧；
　　．被寻址的站工作且拷贝了帧。

七、令牌环网的帧收发操作

　　帧的发送和接收所遵循的规则称为MAC算法。为了简化和易于理解其基本操作，下面
的过程不考虑优先权机制。
　　１、帧的发送
　　MAC单元收到发送数据请求后，首先将数据封装为MAC帧，参见图5所示。随后，MAC
单元等待令牌到来。如果到来帧的AC字段中的T比特为“0”，则表明令牌已到，并通过
将T比特置“1”来抓住令牌，随后将其余字段FC，DA，SA，I，FCS，ED和FS（见图5）添
加在AC字段后,形成一个完整的帧发送到环上。同时被抓住的令牌帧中的ED字段被该站吸
收。抓往令牌的站可连续发送直至无数据可发,或令牌保持计时器期满为止。该站可通过
将ED字段中I比特置1的方法连续发送多个帧（多帧中的最后一帧除外）。
　　发送出帧的工作站要负责清除绕环一周回至源发点的帧,并检查帧ED和FS中的状态比
特，判断传输的结果。值指出的是，如果状态表明有错，MAC并不重传，而是向高层报告，
发送过程图解见图6。

图6

　　２、帧的接收
　　令牌环上的工作站除对进入的信号转发外，通过识别帧首定界符SD来监视帧的开始。
如果FC字段中的F比特指示它是MAC帧，便对其进行拷贝，并对FS字段中的C比特进行解释，
并按需要进行动作。如果该帧为常规的数据载携帧，并与该接收站的地址符合，帧内容将
拷贝到帧缓冲器，以便进一步处理。在任何一种情况下，FS字段中的A和C比特都要在转
发前根据情况进行设置。接收过程的流程图如图7所示。

八、优先权和环的管理
　　前面所描述的发送和接收帧的过程是一种简化了的基本方式，在令牌环LAN的标
准IEEE802.5中，还引入了优先权机制，旨在确保：
　　．优先权高于当前环服务的优先权的帧能首先发送到环上；
　　．当数据站保存的帧具有相同的优先权时，这些数据站对环的访问有相等的权力。
　　优先权是通过AC字段中的P和R比特来实现的。对具体实现机制有兴趣的读者可查
阅IEEE802.5标准。
　　在令牌环正常操作之前，首先要进行建立。如果一个工作站希望加入业已运行的
环，也必须先经过初始化过程，才能保证在入环时不影响原来环的操作。此外，在正
常操作期间，环上每个活动工作站还必须监视其正确操作。如果出现故障，必须采取
纠正动作，以维持环的正确操作。从总体上来说，这些功能都属于环的管理范畴。不
难看出，令牌环网络使用的媒体访问控制机制是很复杂的，所幸的是大部分规程都可
使用特殊的集成电路芯片实现，其操作细节上对用户是完全透明的，又考虑到令牌环
网络市场远比Ethernet小得多，所以，这里也就不再进一步描述了。