LAN的一些基本概念
令牌环工作原理
1.令牌环的结构
令牌环在物理上是一个由一系列环接口和这些接口间的点—点链路构成的闭合环路，各站点通过环接口连到网上。对媒体具有访问权的某个发送站点，通过环接口出径链路将数据帧串行到环上；其余各站点边从各自的环接口入径链路逐位接收数据帧，同时通过环接口出径链路再生、转发出去，使数据帧在环上从一个站点至下一个站地环行，所寻址的目的站点在数据帧经过时读取其中的信息；最后，数据帧绕环一周返回发送站点，并由其从上撤除所发的数据帧。
由点—点链路构成的环路虽然不是真正意义上的广播媒体，但环上运行的数据帧仍能被所有的站点接收到，而且任何时刻仅允许一个站点发送数据，因此同样存在发送权竞争问题。为了解决竞争，可以使用一个称为令牌（Token）的特殊比特模式，使其沿着环路循环。规定只有获得令牌的站点才有权发送数据帧，完成数据发送后立即释放令牌以供其它站点使用。由于环路中只有一个令牌，因此任何时刻至多只有一个站点发送数据，不会产生冲突。而且，令牌环上各站点均有相同的机会公平地获取令牌。
2.令牌环的操作过程
令牌环的操作过程如图4.14所示。
（1）网络空闲时，只有一个令牌在环路上绕行。令牌是一个特殊的比特模式，其中包含一位“令牌/数据帧”标志位，标志位为“0”表示该令牌为可用的空令牌，标志位为“1”表示有站点正占用令牌在发送数据帧。
（2）当一个站点要发送数据时，必须等待并获得一个令牌，将令牌的标志位置为“1”，随后便可发送数据。
（3）环路中的每个站点边转发数据，边检查数据帧中的目的地址，若为本站点的地址，便读取其中所携带的数据。
（4）数据帧绕环一周返回时，发送站将其从环路上撤消。同时根据返回的有关信息确定所传数据有无出错。若有错则重发存于缓冲区中的待确认帧，否则释放缓冲区中的待确认帧。
（5）发送站点完成数据发送后，重新产生一个令牌传至下一个站点，以使其它站点获得发送数据帧的许可权。
3.环长的比特度量
环的长度往往折算成比特数来度量，以比特度量的环长反映了环上能容纳的比特数量。假如某站点从开始发送数据帧到该帧发送完毕所经历的时间，等于该帧从开始发送经循环返回到发送站点所经历的时间，则数据帧的所有比特正好布满整个环路。换言之，当数据帧的传输时延等于信号在环路上传播时延时，该数据帧的比特数就是以比特度量的环路长度。
实际操作过程中，环路上的每个接口都会引入延迟。接口延迟时间的存在，相当于增加了环路上的信号传播时延，也即等效于增加了环路的比特长度。所以，接口引入的延迟同样也可以用比特来度量。一般，环路上每个接口相当于增加1位延迟。由此，可给出以比特度量的环长计算式：
环的比特长度=信号传播时延×数据传输速率＋接口延迟位数
=环路媒体长度×5(μs/Km)×数据传输速率＋接口延迟位数
式中5μs/Km即信号传播速度200m/μs的倒数。例如，某令牌环媒体长度为10Km，数据传输速率为4Mbps,环路上共有50个站点，每个站点的接口引入1位延迟，则可计算得：
环的比特长度=10(Km)×5(μs/Km)×4(Mbps)＋1(bit)×50
=10×5×10
如果由于环路媒体长度太短或站点数太少，以至于环路的比特长度不能满足数据帧长度的要求，则可以在每个环接口引入额外的延迟，如使用移位寄存器等。
4.令牌环的维护
令牌环的故障处理功能主要体现在对令牌和数据帧的维护上。令牌本身就是比特串，绕环传递过程中也可能受干扰而出错，以至造成环路上无令牌循环的差错；另外，当某站点发送数据帧后，由于故障而无法将所发的数据帧从网上撤消时，又会造成网上数据帧持续循环的差错。令牌丢失和数据帧无法撤消，是环网上最严重的两种差错，可以通过在环路上指定一个站点作为主动令牌管理站，以此来解决这些问题。
主动令牌管理站通过一种超过机制来检测令牌丢失的情况，该超时值比最长的帧为完全遍历环路所需的时间还要长一些。如果在该时段内没有检测到令牌，便认为令牌已经丢失，管理站将清除环路上的数据碎片，并发出一个令牌。
为了检测到一个持续循环的数据帧，管理站在经过的任何一个数据帧上置其监控位为1，如果管理站检测到一个经过的数据帧的监控拉的已经置为1，便知道有某个站未能清除自己发出的数据帧，管理站将清除环路的残余数据，并发出一个令牌。
5.令牌环的特点
令牌环网在轻负荷时，由于存在等待令牌的时间，故效率较低；但在重负荷时，对各站公平访问且效率高。
考虑到帧内数据的比特模式可能会与帧的首尾定界符形式相同，可在数据段采用比特插入法或违法码法，以确保数据的透明传输。
采用发送站点从环上收回帧的策略，具有对发送站点自动应答的功能；同时这种策略还具有广播特性，即可有多个站点接收同一数据帧。
令牌环的通信量可以加以调节，一种方法是通过允许各站点在其收到令牌时传输不同量的数据，另一种方法是通过设定优先权使具有较高优先权的站点先得到令牌。
4.4.2令牌环媒体访问控制协议
IEEE 802.5标准规定了令牌环的媒体访问控制子层和物理层所使用的协议数据单元格式和协议，规定了相邻实体间的
的服务及连接令牌环物理媒体的方法。
1.IEEE 802.5 MAC 帧格式
IEEE 802.5令牌环的MAC帧有两种基本格式：令牌帧和数据帧，如图4.15所示。
令牌帧只有3个字节长，数据帧则可能很长。这两种帧都有一对起始定界符SD和结束定界符ED用于确定帧的边界，它们中各有4位采用曼彻斯特编码中不使用的违法码(“高—高”电平对和“低一低”电平对)，以实现数据的透明传输。
访问控制字段AC的格式如下：
其中T为令牌/数据帧标志位，该位为“0”表示令牌，为“1”表示数据帧。当某个站点要发送数据并获得了一个令牌后，将AC字段中的T位置“1”。此时，SD、AC字段就作为数据帧的头部，随后便可发送数据帧的其余部分。M为监控位，用于检测环路上是否存在持续循环的数据帧。PPP（3比特）为优先编码，当某站点要发送一个优先级为n的数据帧时。必须获得一个PPP编码值≤n的令牌才可发送。RRR（3比特）为预约编码，当某站点要发送数据帧而信道又不空发时，可以在转发其它站点的数据帧时将自己的优先级编码填入RRR中，待该数据帧发送完毕，产生的令牌便有了预约的优先级。若RRR已被其它的站点预约了更高的优先级，则不可再预约。将令牌的优先级提升了的站点，在数据帧发送完毕后，还要负责将令牌的优先级较低的站点也有发送数据帧的机会。
帧控制字段FC中的前两位标志帧的类型。“01”表示为一般信息帧，即其中的数据字段为上层提交的LLC帧；“00”表示为MAC控制帧，此时其后的6位用以区分控制帧的类型。信息帧只发送给地址字段所指的目的站点，控制帧则发送给所有站点。控制帧中不含数据字段。
数据字段的长度没有下限，但其上限受站点令牌持有时间的限制。令牌持有时间的缺省值为10毫秒，数据帧必须在该时段内发送完，超过令牌持有时间，必须释放令牌。
32位的帧校验序列FCS的作用范围自控制字段FC起FC至FCS止，其中不包括帧首（SD、AC字段）和帧尾（ED、FS字段）。
帧状态字段FS的格式如下：
字段中设置了两位A和两位C，其中4位未定义。A位为地址识别位，发送站发送数据帧时将该位置“0”，接收站确认目的地址与本站相符后将该位置“1”。C为帧复制位，发送站发送数据帧时将该位置“0”，接收站接收数据帧后将该位置“1”。当数据帧返回发送站时，A、C位作为应答信号使发送站了解数据帧发送的情况。若返回的AC=11，表示接收站已收到并复制了数据帧；若AC=00，表示接收站不存在，但由于缓冲区不够或其它原因未接收数据帧，右等待一段时间后再重发。由于FS字段不在FCS校验范围内，所以使用两套重复的A、C以提高可靠性。
结束定界符ED除了用于指示帧的结束边界外，其最后一位还用做差错位，发送站发送数据帧时将该位置“0”。此后，任何一个站点要转发该数据帧时，通时FCS校验一旦发现有错，都可以将E位置“1”。这样，当数据帧返回时，发送站便可了解数据帧的传输情况。
2.IEEE 802.5的媒体访问控制功能
令牌环局域协议标准包括四个部分：逻辑链路控制（LLC）、媒体访问控制（MAC）、物理层（PHY）和传输媒体，IEEE802.5 规定了后面三个部分的标准。令牌环的媒体访问控制功能如下：
（1）帧发送。采用沿环传递令牌的方法来实现对媒体的访问控制，取得令牌的站点具有发送一个数据帧或一系列数据帧的机会。
（2）令牌发送。发送站完成数据帧发送后，等待数据帧的返回。在等待期间，继续发送填充字符。一旦源地址与本站相符的数据帧返回后，即发送令牌。令牌发送之后，该站仍保持在发送状态，直到该站点发送的所有数据帧从环路上撤消为止。
（3）帧接收。若接收到的帧为信息帧，则将FC、DA、Data及字段复制到接收缓冲区中，并随后将其转至适当的子层。
（4）优先权操作。访问控制字段中的优先权和预约位配合工作，使环路服务优先权与环上准备发送的PDU最高优先级匹配。
CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection带有冲突监测的载波侦听多址访问）的载波侦听。如果，这时有另外的节点正在传送数据，监听节点将不得不等待，直到传送节点的传送任务结束。如果某时恰好有两个工作站同时准备传送数据，以太网网段将发出“冲突”信号。这时，节点上所有的工作站都将检测到冲突信号，因为这时导线上的电压超出了标准电压。这时以太网网段上的任何节点都要等冲突结束后才能够传送数据。也就是说在CSMA/CD方式下，在一个时间段，只有一个节点能够在导线上传送数据。而转发以太网数据帧的联网设备是集线器,它是一层设备，传输效率比较低。冲突的产生降低了以太网的带宽，而且这种情况又是不可避免的。所以，当导线上的节点越来越多后，冲突的数量将会增加。显而易见的解决方法是限制以太网导线上的节点，需要对网络进行物理分段。将网络进行物理分段的网络设备用到了网桥与交换机。
【CSMA/CD原理】
CSMA/CD需要数据帧的前64字节来检测冲突。一个主机在发送数据之前，需要耗时51.2微秒（在10M以太网中）发送其前64个字节的数据；即便在最大的网络中（根据IEEE标准），51.2微秒也足够完成传播延迟的往返。若另一个主机在这个时隙中也发送数据，CSMA/CD将能检测到冲突。在发送完前64字节之后，其他主机若想尝试发送数据，它将看到Ethernet正繁忙，而无法发送数据帧。这也是为什么Ethernet数据帧的最小长度为64字节的原因。
【Late collision】
Late collision发生在帧的多个字节（大于64）被发送到线路中时产生的冲突。在理论上，以太网不会产生此类冲突。产生late collision的原因包括：
1)电缆违反了距离规则。
2)发生故障的NIC卡不正确地监听线路。
【Local collision】
亦称为Eearly Collistiono，由发送方在帧的前64个字节进入线路之前检测到的冲突。early collision是以太网CSMA/CD访问方法中的组成部分。early collision通常导致小的被中断的帧或称为runt。
1)damaged frame retransmited
损坏的数据帧重传
2)considered abnormal network operation
不正常的网络操作
3)caused by excessive media latency
介质延迟过大导致
4)occasionally occur in normal network operation
在正常的网络环境中偶尔发生
5)cannot occur on a shared media segment
不会发生在共享介质的网络
6)occurs after the first 64 bytes of a frame are transmitted
发生在数据帧的前64字节传送之后
7)frequently occurs in full-duplex operation
通常发生在全双工环境中
8)jam signal sent to intentionally corrupt frame
利用Jam（拥塞）信号故意破坏数据帧
Late Collistion：2、3、6
Local Collision（Early Collision）：1、4、8
1.令牌环的结构
令牌环在物理上是一个由一系列环接口和这些接口间的点—点链路构成的闭合环路，各站点通过环接口连到网上。对媒体具有访问权的某个发送站点，通过环接口出径链路将数据帧串行到环上；其余各站点边从各自的环接口入径链路逐位接收数据帧，同时通过环接口出径链路再生、转发出去，使数据帧在环上从一个站点至下一个站地环行，所寻址的目的站点在数据帧经过时读取其中的信息；最后，数据帧绕环一周返回发送站点，并由其从上撤除所发的数据帧。
由点—点链路构成的环路虽然不是真正意义上的广播媒体，但环上运行的数据帧仍能被所有的站点接收到，而且任何时刻仅允许一个站点发送数据，因此同样存在发送权竞争问题。为了解决竞争，可以使用一个称为令牌（Token）的特殊比特模式，使其沿着环路循环。规定只有获得令牌的站点才有权发送数据帧，完成数据发送后立即释放令牌以供其它站点使用。由于环路中只有一个令牌，因此任何时刻至多只有一个站点发送数据，不会产生冲突。而且，令牌环上各站点均有相同的机会公平地获取令牌。
2.令牌环的操作过程
令牌环的操作过程如图4.14所示。
（1）网络空闲时，只有一个令牌在环路上绕行。令牌是一个特殊的比特模式，其中包含一位“令牌/数据帧”标志位，标志位为“0”表示该令牌为可用的空令牌，标志位为“1”表示有站点正占用令牌在发送数据帧。
（2）当一个站点要发送数据时，必须等待并获得一个令牌，将令牌的标志位置为“1”，随后便可发送数据。
（3）环路中的每个站点边转发数据，边检查数据帧中的目的地址，若为本站点的地址，便读取其中所携带的数据。
（4）数据帧绕环一周返回时，发送站将其从环路上撤消。同时根据返回的有关信息确定所传数据有无出错。若有错则重发存于缓冲区中的待确认帧，否则释放缓冲区中的待确认帧。
（5）发送站点完成数据发送后，重新产生一个令牌传至下一个站点，以使其它站点获得发送数据帧的许可权。
3.环长的比特度量
环的长度往往折算成比特数来度量，以比特度量的环长反映了环上能容纳的比特数量。假如某站点从开始发送数据帧到该帧发送完毕所经历的时间，等于该帧从开始发送经循环返回到发送站点所经历的时间，则数据帧的所有比特正好布满整个环路。换言之，当数据帧的传输时延等于信号在环路上传播时延时，该数据帧的比特数就是以比特度量的环路长度。
实际操作过程中，环路上的每个接口都会引入延迟。接口延迟时间的存在，相当于增加了环路上的信号传播时延，也即等效于增加了环路的比特长度。所以，接口引入的延迟同样也可以用比特来度量。一般，环路上每个接口相当于增加1位延迟。由此，可给出以比特度量的环长计算式：
环的比特长度=信号传播时延×数据传输速率＋接口延迟位数
=环路媒体长度×5(μs/Km)×数据传输速率＋接口延迟位数
式中5μs/Km即信号传播速度200m/μs的倒数。例如，某令牌环媒体长度为10Km，数据传输速率为4Mbps,环路上共有50个站点，每个站点的接口引入1位延迟，则可计算得：
环的比特长度=10(Km)×5(μs/Km)×4(Mbps)＋1(bit)×50
=10×5×10
如果由于环路媒体长度太短或站点数太少，以至于环路的比特长度不能满足数据帧长度的要求，则可以在每个环接口引入额外的延迟，如使用移位寄存器等。
4.令牌环的维护
令牌环的故障处理功能主要体现在对令牌和数据帧的维护上。令牌本身就是比特串，绕环传递过程中也可能受干扰而出错，以至造成环路上无令牌循环的差错；另外，当某站点发送数据帧后，由于故障而无法将所发的数据帧从网上撤消时，又会造成网上数据帧持续循环的差错。令牌丢失和数据帧无法撤消，是环网上最严重的两种差错，可以通过在环路上指定一个站点作为主动令牌管理站，以此来解决这些问题。
主动令牌管理站通过一种超过机制来检测令牌丢失的情况，该超时值比最长的帧为完全遍历环路所需的时间还要长一些。如果在该时段内没有检测到令牌，便认为令牌已经丢失，管理站将清除环路上的数据碎片，并发出一个令牌。
为了检测到一个持续循环的数据帧，管理站在经过的任何一个数据帧上置其监控位为1，如果管理站检测到一个经过的数据帧的监控拉的已经置为1，便知道有某个站未能清除自己发出的数据帧，管理站将清除环路的残余数据，并发出一个令牌。
5.令牌环的特点
令牌环网在轻负荷时，由于存在等待令牌的时间，故效率较低；但在重负荷时，对各站公平访问且效率高。
考虑到帧内数据的比特模式可能会与帧的首尾定界符形式相同，可在数据段采用比特插入法或违法码法，以确保数据的透明传输。
采用发送站点从环上收回帧的策略，具有对发送站点自动应答的功能；同时这种策略还具有广播特性，即可有多个站点接收同一数据帧。
令牌环的通信量可以加以调节，一种方法是通过允许各站点在其收到令牌时传输不同量的数据，另一种方法是通过设定优先权使具有较高优先权的站点先得到令牌。
4.4.2令牌环媒体访问控制协议
IEEE 802.5标准规定了令牌环的媒体访问控制子层和物理层所使用的协议数据单元格式和协议，规定了相邻实体间的
的服务及连接令牌环物理媒体的方法。
1.IEEE 802.5 MAC 帧格式
IEEE 802.5令牌环的MAC帧有两种基本格式：令牌帧和数据帧，如图4.15所示。
令牌帧只有3个字节长，数据帧则可能很长。这两种帧都有一对起始定界符SD和结束定界符ED用于确定帧的边界，它们中各有4位采用曼彻斯特编码中不使用的违法码(“高—高”电平对和“低一低”电平对)，以实现数据的透明传输。
访问控制字段AC的格式如下：
其中T为令牌/数据帧标志位，该位为“0”表示令牌，为“1”表示数据帧。当某个站点要发送数据并获得了一个令牌后，将AC字段中的T位置“1”。此时，SD、AC字段就作为数据帧的头部，随后便可发送数据帧的其余部分。M为监控位，用于检测环路上是否存在持续循环的数据帧。PPP（3比特）为优先编码，当某站点要发送一个优先级为n的数据帧时。必须获得一个PPP编码值≤n的令牌才可发送。RRR（3比特）为预约编码，当某站点要发送数据帧而信道又不空发时，可以在转发其它站点的数据帧时将自己的优先级编码填入RRR中，待该数据帧发送完毕，产生的令牌便有了预约的优先级。若RRR已被其它的站点预约了更高的优先级，则不可再预约。将令牌的优先级提升了的站点，在数据帧发送完毕后，还要负责将令牌的优先级较低的站点也有发送数据帧的机会。
帧控制字段FC中的前两位标志帧的类型。“01”表示为一般信息帧，即其中的数据字段为上层提交的LLC帧；“00”表示为MAC控制帧，此时其后的6位用以区分控制帧的类型。信息帧只发送给地址字段所指的目的站点，控制帧则发送给所有站点。控制帧中不含数据字段。
数据字段的长度没有下限，但其上限受站点令牌持有时间的限制。令牌持有时间的缺省值为10毫秒，数据帧必须在该时段内发送完，超过令牌持有时间，必须释放令牌。
32位的帧校验序列FCS的作用范围自控制字段FC起FC至FCS止，其中不包括帧首（SD、AC字段）和帧尾（ED、FS字段）。
帧状态字段FS的格式如下：
字段中设置了两位A和两位C，其中4位未定义。A位为地址识别位，发送站发送数据帧时将该位置“0”，接收站确认目的地址与本站相符后将该位置“1”。C为帧复制位，发送站发送数据帧时将该位置“0”，接收站接收数据帧后将该位置“1”。当数据帧返回发送站时，A、C位作为应答信号使发送站了解数据帧发送的情况。若返回的AC=11，表示接收站已收到并复制了数据帧；若AC=00，表示接收站不存在，但由于缓冲区不够或其它原因未接收数据帧，右等待一段时间后再重发。由于FS字段不在FCS校验范围内，所以使用两套重复的A、C以提高可靠性。
结束定界符ED除了用于指示帧的结束边界外，其最后一位还用做差错位，发送站发送数据帧时将该位置“0”。此后，任何一个站点要转发该数据帧时，通时FCS校验一旦发现有错，都可以将E位置“1”。这样，当数据帧返回时，发送站便可了解数据帧的传输情况。
2.IEEE 802.5的媒体访问控制功能
令牌环局域协议标准包括四个部分：逻辑链路控制（LLC）、媒体访问控制（MAC）、物理层（PHY）和传输媒体，IEEE802.5 规定了后面三个部分的标准。令牌环的媒体访问控制功能如下：
（1）帧发送。采用沿环传递令牌的方法来实现对媒体的访问控制，取得令牌的站点具有发送一个数据帧或一系列数据帧的机会。
（2）令牌发送。发送站完成数据帧发送后，等待数据帧的返回。在等待期间，继续发送填充字符。一旦源地址与本站相符的数据帧返回后，即发送令牌。令牌发送之后，该站仍保持在发送状态，直到该站点发送的所有数据帧从环路上撤消为止。
（3）帧接收。若接收到的帧为信息帧，则将FC、DA、Data及字段复制到接收缓冲区中，并随后将其转至适当的子层。
（4）优先权操作。访问控制字段中的优先权和预约位配合工作，使环路服务优先权与环上准备发送的PDU最高优先级匹配。
CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection带有冲突监测的载波侦听多址访问）的载波侦听。如果，这时有另外的节点正在传送数据，监听节点将不得不等待，直到传送节点的传送任务结束。如果某时恰好有两个工作站同时准备传送数据，以太网网段将发出“冲突”信号。这时，节点上所有的工作站都将检测到冲突信号，因为这时导线上的电压超出了标准电压。这时以太网网段上的任何节点都要等冲突结束后才能够传送数据。也就是说在CSMA/CD方式下，在一个时间段，只有一个节点能够在导线上传送数据。而转发以太网数据帧的联网设备是集线器,它是一层设备，传输效率比较低。冲突的产生降低了以太网的带宽，而且这种情况又是不可避免的。所以，当导线上的节点越来越多后，冲突的数量将会增加。显而易见的解决方法是限制以太网导线上的节点，需要对网络进行物理分段。将网络进行物理分段的网络设备用到了网桥与交换机。
【CSMA/CD原理】
CSMA/CD需要数据帧的前64字节来检测冲突。一个主机在发送数据之前，需要耗时51.2微秒（在10M以太网中）发送其前64个字节的数据；即便在最大的网络中（根据IEEE标准），51.2微秒也足够完成传播延迟的往返。若另一个主机在这个时隙中也发送数据，CSMA/CD将能检测到冲突。在发送完前64字节之后，其他主机若想尝试发送数据，它将看到Ethernet正繁忙，而无法发送数据帧。这也是为什么Ethernet数据帧的最小长度为64字节的原因。
【Late collision】
Late collision发生在帧的多个字节（大于64）被发送到线路中时产生的冲突。在理论上，以太网不会产生此类冲突。产生late collision的原因包括：
1)电缆违反了距离规则。
2)发生故障的NIC卡不正确地监听线路。
【Local collision】
亦称为Eearly Collistiono，由发送方在帧的前64个字节进入线路之前检测到的冲突。early collision是以太网CSMA/CD访问方法中的组成部分。early collision通常导致小的被中断的帧或称为runt。
1)damaged frame retransmited
损坏的数据帧重传
2)considered abnormal network operation
不正常的网络操作
3)caused by excessive media latency
介质延迟过大导致
4)occasionally occur in normal network operation
在正常的网络环境中偶尔发生
5)cannot occur on a shared media segment
不会发生在共享介质的网络
6)occurs after the first 64 bytes of a frame are transmitted
发生在数据帧的前64字节传送之后
7)frequently occurs in full-duplex operation
通常发生在全双工环境中
8)jam signal sent to intentionally corrupt frame
利用Jam（拥塞）信号故意破坏数据帧
Late Collistion：2、3、6
Local Collision（Early Collision）：1、4、8
