4.5 令牌總線媒體訪問控制
前面介紹過的CSMA/CD媒體訪問控制采用總線爭(zhēng)用方式,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、在輕負(fù)載下延遲小等優(yōu)點(diǎn),但隨著負(fù)載的增加,沖突概率增加,性能將明顯下降。采用令牌環(huán)媒體訪問控制具有重負(fù)載下利用率高、網(wǎng)絡(luò)性能對(duì)距離不敏感以及具有公平訪問等優(yōu)越性能,但環(huán)形網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,存在檢錯(cuò)和可靠性等問題。令牌總線(Token Bus)媒體訪問控制是在綜合了以上兩種媒體訪問控制優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上形成的一媒體訪問控制方法,IEEE802.4提出的就是令牌總線媒體訪問控制方法的標(biāo)準(zhǔn)
4.5.1令牌總線工作原理
令牌總線媒體訪問控制是將局域網(wǎng)物理總線上的站點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)邏輯環(huán),每一個(gè)站點(diǎn)都在一個(gè)有序的序列中被指定一個(gè)邏輯位置,序列中最后一個(gè)站點(diǎn)的后面又跟著第一個(gè)站點(diǎn)。每個(gè)站點(diǎn)都知道在它之前的前趨站和在它之后的后繼站的標(biāo)識(shí),如圖4.16所示。
從圖中可以看出,在物理結(jié)構(gòu)上它是一個(gè)總線結(jié)構(gòu)局域網(wǎng),但是在邏輯結(jié)構(gòu)上,又成了一種環(huán)形結(jié)構(gòu)的局域網(wǎng)。和令牌環(huán)一樣,站點(diǎn)只有取得令牌,才能發(fā)送幀,而令牌在邏輯環(huán)上依次(A→D→B→C→A)循環(huán)傳遞。
在正常運(yùn)行時(shí),當(dāng)站點(diǎn)做完該做的工作或者時(shí)間終了時(shí),它將令牌傳遞給邏輯序列中的下一個(gè)站點(diǎn)。從邏輯上看,令牌是按地址的遞減順序傳送至下一個(gè)站點(diǎn)的,但從物理上看,帶有目的地址的令牌幀廣播到總線上所有的站點(diǎn),當(dāng)目的站識(shí)別出符合它的地址,即把該令牌幀接收。應(yīng)該指出,總線上站點(diǎn)的實(shí)際順序與邏輯順序并無對(duì)應(yīng)關(guān)系。
只有收到令牌幀的站點(diǎn)才能將信息幀送到總線上,這就不像CSMA/CD訪問方式那樣,令牌總線不可能產(chǎn)生沖突。由于不可能產(chǎn)生沖突,令牌總線的信息幀長(zhǎng)度只需根據(jù)要傳送的信息長(zhǎng)度來確定,就沒有最短幀長(zhǎng)度的要求。而對(duì)于CSMA/CD訪問控制,為了使最遠(yuǎn)距離的站點(diǎn)也能檢測(cè)到?jīng)_突,需要在實(shí)際的信息長(zhǎng)度后添加填充位,以滿足最短幀長(zhǎng)度的要求。
令牌總線控制的另一個(gè)特點(diǎn)是站點(diǎn)間有公平的訪問權(quán)。因?yàn)槿〉昧钆频恼军c(diǎn)有報(bào)文要發(fā)送則可發(fā)送,隨后,將令牌傳遞給下一個(gè)站點(diǎn);如果取得令牌的站點(diǎn)沒有報(bào)文要發(fā)送,則立刻把令牌傳遞到下一站點(diǎn)。由于站點(diǎn)接收到令牌的過程是順序依次進(jìn)行的,因此對(duì)所有站點(diǎn)都有公平的訪問權(quán)。
令牌總線控制的優(yōu)越之處,還體現(xiàn)在每個(gè)站點(diǎn)傳輸之前必須等待的時(shí)間總量總是"確定"的,這是因?yàn)槊總€(gè)站點(diǎn)發(fā)送幀的長(zhǎng)度可以加以限制。當(dāng)所有站點(diǎn)都有報(bào)文要發(fā)送,最壞的情況下,等待取得令牌和發(fā)送報(bào)文的時(shí)間,等于全部令牌和報(bào)文傳送時(shí)間的總和;如果只有一個(gè)站點(diǎn)有報(bào)文要發(fā)送,則最壞情況下等待時(shí)間只是全部令牌傳遞時(shí)間的總和。對(duì)于應(yīng)用于控制過程的局域網(wǎng),這個(gè)等待訪問時(shí)間是一個(gè)很關(guān)鍵的參數(shù)。可以根據(jù)需求,選定網(wǎng)中的站點(diǎn)數(shù)及的報(bào)文長(zhǎng)度,從而保證在限定的時(shí)間內(nèi),任一站點(diǎn)都可以取得令牌。
令牌總線訪問控制還提供了不同的服務(wù)級(jí)別,即不同的優(yōu)先級(jí)。
令牌總線的主要操作如下:
(1)環(huán)初始化,即生成一個(gè)順序訪問的次序。網(wǎng)絡(luò)開始啟動(dòng)時(shí),或由于某種原因,在運(yùn)行中所有站點(diǎn)不活動(dòng)的時(shí)間超過規(guī)定的時(shí)間,都需要進(jìn)行邏輯環(huán)的初始化。初始化的過程是一個(gè)爭(zhēng)用的過程,爭(zhēng)用結(jié)果只有一個(gè)站能取得令牌,其它的站點(diǎn)用站插入的算法插人。
(2)令牌傳遞算法。邏輯環(huán)按遞減的站地址次序組成,剛發(fā)完幀的站點(diǎn)將令牌傳遞給后繼站,后繼站應(yīng)立即發(fā)送數(shù)據(jù)或令牌幀,原先釋放令牌的站監(jiān)聽到總線上的信號(hào),便可確認(rèn)后繼站已獲得令牌。
(3)站插入環(huán)算法。必須周期性地給未加入環(huán)的站點(diǎn)以機(jī)會(huì),將它們插入到邏輯環(huán)的適當(dāng)位置中。如果同時(shí)有幾個(gè)站要插入時(shí),可采用帶有響應(yīng)窗口的爭(zhēng)用處理算法。
(4)站退出環(huán)算法?？梢酝ㄟ^將其前趨站和后繼站連接到一起的辦法,使不活動(dòng)的站退出邏輯環(huán),并修正邏輯環(huán)遞減的站地址次序。
(5)故障處理。網(wǎng)絡(luò)可能出現(xiàn)錯(cuò)誤,這包括令牌丟失引起斷環(huán)、重復(fù)地址、產(chǎn)生多個(gè)令牌等。網(wǎng)絡(luò)需對(duì)這些故障做出相應(yīng)的處理。
前面介紹過的CSMA/CD媒體訪問控制采用總線爭(zhēng)用方式,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、在輕負(fù)載下延遲小等優(yōu)點(diǎn),但隨著負(fù)載的增加,沖突概率增加,性能將明顯下降。采用令牌環(huán)媒體訪問控制具有重負(fù)載下利用率高、網(wǎng)絡(luò)性能對(duì)距離不敏感以及具有公平訪問等優(yōu)越性能,但環(huán)形網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,存在檢錯(cuò)和可靠性等問題。令牌總線(Token Bus)媒體訪問控制是在綜合了以上兩種媒體訪問控制優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上形成的一媒體訪問控制方法,IEEE802.4提出的就是令牌總線媒體訪問控制方法的標(biāo)準(zhǔn)
4.5.1令牌總線工作原理
令牌總線媒體訪問控制是將局域網(wǎng)物理總線上的站點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)邏輯環(huán),每一個(gè)站點(diǎn)都在一個(gè)有序的序列中被指定一個(gè)邏輯位置,序列中最后一個(gè)站點(diǎn)的后面又跟著第一個(gè)站點(diǎn)。每個(gè)站點(diǎn)都知道在它之前的前趨站和在它之后的后繼站的標(biāo)識(shí),如圖4.16所示。
從圖中可以看出,在物理結(jié)構(gòu)上它是一個(gè)總線結(jié)構(gòu)局域網(wǎng),但是在邏輯結(jié)構(gòu)上,又成了一種環(huán)形結(jié)構(gòu)的局域網(wǎng)。和令牌環(huán)一樣,站點(diǎn)只有取得令牌,才能發(fā)送幀,而令牌在邏輯環(huán)上依次(A→D→B→C→A)循環(huán)傳遞。
在正常運(yùn)行時(shí),當(dāng)站點(diǎn)做完該做的工作或者時(shí)間終了時(shí),它將令牌傳遞給邏輯序列中的下一個(gè)站點(diǎn)。從邏輯上看,令牌是按地址的遞減順序傳送至下一個(gè)站點(diǎn)的,但從物理上看,帶有目的地址的令牌幀廣播到總線上所有的站點(diǎn),當(dāng)目的站識(shí)別出符合它的地址,即把該令牌幀接收。應(yīng)該指出,總線上站點(diǎn)的實(shí)際順序與邏輯順序并無對(duì)應(yīng)關(guān)系。
只有收到令牌幀的站點(diǎn)才能將信息幀送到總線上,這就不像CSMA/CD訪問方式那樣,令牌總線不可能產(chǎn)生沖突。由于不可能產(chǎn)生沖突,令牌總線的信息幀長(zhǎng)度只需根據(jù)要傳送的信息長(zhǎng)度來確定,就沒有最短幀長(zhǎng)度的要求。而對(duì)于CSMA/CD訪問控制,為了使最遠(yuǎn)距離的站點(diǎn)也能檢測(cè)到?jīng)_突,需要在實(shí)際的信息長(zhǎng)度后添加填充位,以滿足最短幀長(zhǎng)度的要求。
令牌總線控制的另一個(gè)特點(diǎn)是站點(diǎn)間有公平的訪問權(quán)。因?yàn)槿〉昧钆频恼军c(diǎn)有報(bào)文要發(fā)送則可發(fā)送,隨后,將令牌傳遞給下一個(gè)站點(diǎn);如果取得令牌的站點(diǎn)沒有報(bào)文要發(fā)送,則立刻把令牌傳遞到下一站點(diǎn)。由于站點(diǎn)接收到令牌的過程是順序依次進(jìn)行的,因此對(duì)所有站點(diǎn)都有公平的訪問權(quán)。
令牌總線控制的優(yōu)越之處,還體現(xiàn)在每個(gè)站點(diǎn)傳輸之前必須等待的時(shí)間總量總是"確定"的,這是因?yàn)槊總€(gè)站點(diǎn)發(fā)送幀的長(zhǎng)度可以加以限制。當(dāng)所有站點(diǎn)都有報(bào)文要發(fā)送,最壞的情況下,等待取得令牌和發(fā)送報(bào)文的時(shí)間,等于全部令牌和報(bào)文傳送時(shí)間的總和;如果只有一個(gè)站點(diǎn)有報(bào)文要發(fā)送,則最壞情況下等待時(shí)間只是全部令牌傳遞時(shí)間的總和。對(duì)于應(yīng)用于控制過程的局域網(wǎng),這個(gè)等待訪問時(shí)間是一個(gè)很關(guān)鍵的參數(shù)。可以根據(jù)需求,選定網(wǎng)中的站點(diǎn)數(shù)及的報(bào)文長(zhǎng)度,從而保證在限定的時(shí)間內(nèi),任一站點(diǎn)都可以取得令牌。
令牌總線訪問控制還提供了不同的服務(wù)級(jí)別,即不同的優(yōu)先級(jí)。
令牌總線的主要操作如下:
(1)環(huán)初始化,即生成一個(gè)順序訪問的次序。網(wǎng)絡(luò)開始啟動(dòng)時(shí),或由于某種原因,在運(yùn)行中所有站點(diǎn)不活動(dòng)的時(shí)間超過規(guī)定的時(shí)間,都需要進(jìn)行邏輯環(huán)的初始化。初始化的過程是一個(gè)爭(zhēng)用的過程,爭(zhēng)用結(jié)果只有一個(gè)站能取得令牌,其它的站點(diǎn)用站插入的算法插人。
(2)令牌傳遞算法。邏輯環(huán)按遞減的站地址次序組成,剛發(fā)完幀的站點(diǎn)將令牌傳遞給后繼站,后繼站應(yīng)立即發(fā)送數(shù)據(jù)或令牌幀,原先釋放令牌的站監(jiān)聽到總線上的信號(hào),便可確認(rèn)后繼站已獲得令牌。
(3)站插入環(huán)算法。必須周期性地給未加入環(huán)的站點(diǎn)以機(jī)會(huì),將它們插入到邏輯環(huán)的適當(dāng)位置中。如果同時(shí)有幾個(gè)站要插入時(shí),可采用帶有響應(yīng)窗口的爭(zhēng)用處理算法。
(4)站退出環(huán)算法?？梢酝ㄟ^將其前趨站和后繼站連接到一起的辦法,使不活動(dòng)的站退出邏輯環(huán),并修正邏輯環(huán)遞減的站地址次序。
(5)故障處理。網(wǎng)絡(luò)可能出現(xiàn)錯(cuò)誤,這包括令牌丟失引起斷環(huán)、重復(fù)地址、產(chǎn)生多個(gè)令牌等。網(wǎng)絡(luò)需對(duì)這些故障做出相應(yīng)的處理。