3.2 局域网介质访问控制方式

局域网介质访问控制方式主要解决介质使用权或机构问题,从而实现对网络传输信道的合理分配。局域网介质访问控制是局域网重要的一项基本任务,对局域网体系结构、工作过程和网络性能产生决定性的影响。

局域网介质访问控制包括:确定网络结点能够将数据发送到介质上去的特定时刻和解决如何对公用传输介质访问和利用并加以控制。传统的局域网介质访问控制方式有三种:带有冲突碰撞检测的载波监听多路访问(CSMA/CD,Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)、令牌环和令牌总线。

3.2.1 载波监听多路访问/冲突检测法(CSMA/CD)

CSMA/CD是一种适用于总线结构的分布式介质访问控制方法,是IEEE 802.3的核心协议,是一种典型的随机访问的争用型技术。它的工作过程分两部分:

1. 载波监听总线,即先听后发

使用CSMA/CD方式时,总线上各结点都在监听总线,即检测总线上是否有别的结点发送数据。如果发现总线是空闲的,即没有检测到有信号正在传送,则可立即发送数据。如果监听到总线忙,即检测到总线上有数据正在传送,这时结点要持续等待直到监听到总线空闲时才能将数据发送出去,或等待一个随机时间,再重新监听总线,一直到总线空闲再发送数据。

2. 总线冲突检测,即边发边听

当两个或两个以上结点同时监听到总线空闲,开始发送数据时,就会发会碰撞,产生冲突。另外,传输延迟可能会使第一个结点发送的数据未到达目的结点,另一个要发送数据的结点就已监听到总线空闲,并开始发送数据,这也会导致冲突的产生。发生冲突时,两个传输的数据都会被破坏,产生碎片,使数据无法到达正确的目的结点。为确保数据的正确传输,每一结点在发送数据时要边发送边检测冲突。当检测到总线上发生冲突时,就立即取消传输数据,随后发送一个短的干扰信号JAM(阻塞信号),以加强冲突信号,保证网络上所有结点都知道总线上已经发生了。在阻塞信号发送后,等待一个随机时间,然后再将要发送的数据发送一次。如果还有冲突发生,则重复监听、等待和重传的操作。图3.1显示了采用CSMA/CD方法的流程图。

CSMA/CD是一种争用协议,每一结点处于平等地位去传输介质,算法较简单,技术上易实现。但它不能提供优先级控制,即不能提供急需数据的优先处理能力。此外,不确定的等待时间和延迟难以满足远程控制所需要的确定延时和绝对可靠性的要求。为克服CSMA/CD的不足,产生了许多CSMA/CD的改进方式,如带优先权的CSMA/CD。

由于CSMA/CD是一种用户访问总线时间不确定的随机竞争总线的方法,所以它适用于办公自动化等对数据传输实时性要求不严格和通信负荷较轻的应用环境中。

图3.1 CSMA/CD流程图

3.2.2 令牌环访问控制(Token-Ring)

令牌环技术是1969年由IBM提出来的。它适用于环形网络,并已成为流行的环访问技术。这种介质访问技术的基础是令牌。令牌是一种特殊的帧,用于控制网络结点的发送权,只有持有令牌的结点才能发送数据。由于发送结点在获得发送权后就将u盘装win7系统gho令牌删除,在环路上不会再有令牌出现,其它结点也不可能再得到令牌,保证环路上某一时刻只有一个结点发送数据,因此令牌环技术不存在争用现象,它是一种典型的无争用型介质访问控制方式。

令牌有“忙”和“闲”两种状态。当环正常工作时,令牌总是沿着物理环路单向逐结点传送,传送顺序与结点在环路中的排列顺序相同。当某一个结点要发送数据时,它须等待空闲令牌的到来。它获得空令牌后,将令牌置“忙”,并以帧为单位发送数据。如果下一结点是目的结点,则将帧拷贝到接收缓冲区,在帧中标志出帧已被正确接收和复制,同时将帧送回环上,否则只是简单地将帧送回环上。帧绕行一周后到达源结点后,源结点回收已发送的帧,并将令牌置“闲”状态,再将令牌向下一个结点传送。图3.2给出了令牌环的基本工作过程。

当令牌在环路上绕行时,可能会产生令牌的丢失,此时,应在环路中插入一个空令牌。令牌的丢失将降低环路的利用率,而令牌的重复也会破坏网络的正常运行,因此必须设置一个监控结点,以保证环路中只有一个令牌绕行。当令牌丢失,则插入一个空闲令牌。当令牌重复时,则删除多余的令牌。

令牌环的主要优点在于其访问方式具有可调整性和确定性,且每个结点具有同等的介质访问权。同时,还提供优先权服务,具有很强的适用性。它的主要缺点是环维护复杂,实现较困难。

图3.2令牌环的基本过程

3.2.3 令牌总线访问控制(Token-Bus)

CSMA/CD采用用户访问总线时间不确定的随机竞争方式,有结构简单、轻负载时时延小等特点,但当网络通讯负荷增大时,由于冲突增多,网络吞吐率下降、传输延时增加,性能明显下降。令牌环在重负荷下利用率高,网络性能对传输距离不敏感。但令牌环网控制复杂,并存在可靠性保证等问题。令牌总线综合CSMA/CD与令牌环两种介质访问方式的优点的基础上而形成的一种介质访问控制方式。

令牌总线主要适用于总线形或树形网络。采用此种方式时,各结点共享的传输介质是总线形的,每一结点都有一个本站地址,并知道上一个结点地址和下一个结点地址,令牌传递规定由高地址向低地址,最后由最低地址向最高地址依次循环传递,从而在一个物理总线上形成一个逻辑环。环中令牌传递顺序与结点在总线上的物理位置无关。图3.3给出了正常的稳态操作时令牌总线的工作原理。http://www.upzxt.com

图3.3令牌总线的工作过程

所谓正常的稳态操作,是指在网络已完成初始化之后,各结点进入正常传递令牌与数据,并且没有结点要加入或撤出,没有发生令牌丢失或网络故障的正常工作状态。

与令牌环一致,只有获得令牌的结点才能发送数据。在正常工作时,当结点完成数据帧的发送后,将令牌传送给下一个结点。从逻辑上看,令牌是按地址的递减顺序传给下一个结点的。而从物理上看,带有地址字段的令牌帧广播到总线上的所有结点,只有结点地址和令牌帧的目的地址相符的结点才有权获得令牌。

获得令牌的结点,如果有数据要发送,则可立即传送数据帧,完成发送后再将令牌传送给下一个结点;如果没有数据要u盘装xp系统发送,则应立即将令牌传送给下一个结点。由于总线上每一结点接收令牌的过程是按顺序依次进行的,因此所有结点都有访问权。为了使结点等待令牌的时间是确定的,需要限制每一结点发送数据帧的最大长度。如果所有结点都有数据要发送,则在最坏的情况下,等待获得令牌的时间和发送数据的时间应该等于全部令牌传送时间和数据发送时间的总和。另一方面,如果只有一个结点有数据要发送,则在最坏的情况下,等待时间只是令牌传送时间的总和,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。

令牌总线还提供了不同的优先级机制。优先级机制的功能是将待发送的帧分成不同的访问类别,赋予不同的优先级,并把网络带宽分配给优先级较高的帧,而当有足够的带宽时,才发送优先级较低的帧。

令牌总线的特点在于它的确定性、可调整性及较好的吞吐能力,适用于对数据传输实时性要求较高或通讯负荷较重的应用环境中,如生产过程控制领域。它的缺点在于它的复杂性和时间开销较大,结点可能要等待多次无效的令牌传送后才能获得令牌。

3.2.4 CSMA/CD与Token Bus、Token Ring的比较

在共享介质访问控制方法中,CSMA/CD与Token Bus、Token Ring 应用广泛。从网络拓扑结构看,CSMA/CD与Token Bus都是针对总线拓扑的局域网设计的,而Token Ring是针对环型拓扑的局域网设计的。如果从介质访问控制方法性质的角度看,CSMA/CD属于随机介质访问控制方法,而Token Bus、Token Ring则属于确定型介质访问控制方法。

与确定型介质访问控制方法比较,CSMA/CD方法有以下几个特点:

(1)CSMA/CD介质访问控制方法算法简单,易于实现。目前有多种VLSI(Very Large Scale Integration)可以实现CSMA/CD方法,这对降低Ethernet成本,扩大应用范围是非常有利的。

(2)CSMA/CD是一种用户访问总线时间不确定的随机竞争总线的方法,适用于办公自动化等对数据传输实时性要求不严格的应用环境。

(3)CSMA/CD在网络通信负荷较低时表现出较好的吞吐率与延迟特性。但是,当网络通信负荷增大时,由于冲突增多,网络吞吐率下降、传输延迟增加,因此CSMA/CD方法一般用于通信负荷较轻的应用环境中。

与随机型介质访问控制方法比较,确定型介质访问控制方法Token Bus、Token Ring有以下几个特点:

(1)Token Bus、Token Ring网中结点两次获得令牌之间的最大时间间隔是确定的,因而适用于对数据传输实时性要求较高的环境,如生产过程控制领域。

(2)Token Bus、Token Ring在网络通信负荷较重时表现出很好的吞吐率与较低的传输延迟,因而适用于通信负荷较重的环境。

(3)Token Bus、Token Ring的不足之处在于它们有需要复杂的环维护功能,实现较困难。