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      局域网媒体访问控制方法

      所有局域网均由共享该网络传输能力的多个设备组成。在网络中服务器和计算机众多，每台设备随时都有发送数据的需求，这就涉及到媒体的争用问题，所以需要有某些方法来控制对传输媒体的访问，以便两个特定的设备在需要时可以交换数据。传输媒体的访问控制方式与局域网的拓扑结构、工作过程有密切关系。目前，计算机局域网常用的访问控制方式有三种，分别是载波侦听多路访问/冲突检测（CSMA/CD）、令牌环访问控制法（Token Ring）和令牌总线访问控制法（Token Bus）。

      一、载波侦听多路访问/冲突检测（CSMA/CD）

      CSMA/CD是Carrier Sense Multiple Access With Collision Detection的缩写，含有两方面的内容：即载波侦听（CSMA）和冲突检测（CD）。CSMA/CD访问控制方式主要用于总线型网络拓扑结构，是IEEE 802.3局域网标准的主要内容。CSMA/CD的设计思想如下：

      1.载波侦听多路访问（CSMA）

      一个站如果要发送数据，首先要侦听（监听）总线，查看信道上是否有信号，各个站点都有一个"侦听器",用来测试总线上有无其他工作站正在发送信息（也称为载波识别），如果信道已被占用，则此工作站等待一段时间然后再争取发送权；如果侦听总线是空闲的，没有其他工作站发送的信息就立即抢占总线进行信息发送。查看信号的有无称为载波侦听。CSMA技术中要解决的另一个问题是侦听信道已被占用时，等待的一段时间如何确定。通常有两种方法：当某工作站检测到信道被占用后，继续侦听下去，一直等到发现信道空闲后，立即发送，这种方法称为持续的载波侦听多点访问；当某工作站检测到信道被占用后，就延迟一个随机时间，然后再检测，不断重复上述过程，直到发现信道空闲后，开始发送信息，这称为非持续的载波侦听多点访问。

      2.冲突检测（CD）

      当信道处于空闲时，某一个瞬间，如果总线上两个或两个以上的工作站同时都想发送数据，那么该瞬间它们都可能检测到信道是空闲的，同时都认为可以发送信息，从而一齐发送，这就产生了冲突（碰撞）；另一种情况是某站点侦听到信道是空闲的，但这种空闲可能是较远站点已经发送了信包，但由于在传输介质上信号传送的延时，信包还未传送到此站点的原故，如果此站点又发送信息，则也将产生冲突，因此消除冲突是一个重要问题。

      若在帧发送过程中检测到碰撞，则停止发送帧，形成不完整的帧（称"碎片"），在媒体上传输，并随即发送一个Jam（强化碰撞）信号以保证让网络上所有的站都知道已出现了碰撞。发送了Jam信号后，等待一段随机时间，再重新尝试发送。

      在返回到重新发送帧之前，还要做以下工作。

      碰撞次数n加"1"递增（一开始n=0）；

      判断碰撞次数n是否达到16（十进制）；

      若n=16,则按"碰撞次数过多"差错处理；

      若n<16,则计算一个随机量r,r的范围为0&lt;r&lt;2k,其中k=min（n,10），即当n≥10,k=10,当n<t;10,k=n;

      获得延迟时间t=rT.

      其中T为常数，是网络上固有的一个参数，称为"碰撞槽时间"（Slot time）。延迟时间t又称"退避时间",它表示检测到碰撞后要重新发送帧需要一段随机延迟时间，以错开发生碰撞各站的重新发送帧的时间。这种规则又称为"截短二进制指数退避"（Truncated binary exponential backoff）规则，即退避时间是碰撞时间的r倍。

      3.碰撞槽时间

      碰撞槽时间（Slot time）即是在帧发送过程中，发生碰撞时间的上限。即在这段时间中，可能检测到碰撞，而一过这段时间，永远不会发生碰撞，当然也不会检测到碰撞。也就是说，当发送的帧在媒体上传播时，超过了Slot time后，再也不会发生碰撞，直到发送成功，或者说，一过这段时间，发送站争用媒体成功。

      为了理解Slot time,并进一步了解该参数的重要性。先分析检测一次碰撞需要多长时间，如图3-6所示，假设公共总线媒体长度为S,A与B两个站点分别配置在媒体的两个端点上（即A与B站相距S），帧在媒体上传播速度为0.7C（C为光速），网络的传输率为R（bps），帧长为L（bit）。

      图（a）表示A站正开始发送帧fA,沿着媒体向B站传播；图（b）表示fA快到B站前一瞬间，B站发送帧fB;图（c）表示了在B站处发生了碰撞，B站立即检测到碰撞，同时碰撞信号沿媒体向A站回传；图（d）表示碰撞信号返回到A站，此时A站的fA尚未发送完毕，因此A站能检测到碰撞。

      图3-6检测碰撞的最长时间

      从上面fA发送后直到A站检测到碰撞为止，这段时间间隔就是A站能够检测到碰撞的最长时间，这段时间一过，网络上不可能发生碰撞，Slot time的物理意义就是这样描述的，近似地可以用以下公式表示：

      Slot time≈2S/0.7C+2tPHY

      其中C为光速，0.7C是信号在媒体上的传输速度，tPHY为A站物理层的延时，因为发送帧和检测碰撞都在MAC层中进行，因此必须要加上2倍的物理层延时时间。

      A站为了在Slot time上检测到碰撞，它至少要发送的帧长Lmin由以下公式表示：

      因为Lmin/R=Slot time

      所以Lmin≈（2S/0.7C+2tPHY）×R

      Lmin称为最小帧长度，由于碰撞只可能发生在小于或等于Lmin范围内，因此Lmin也可理解为媒体上传播的最大帧碎片长度。

      综上所述，Slot time是CSMA/CD机理中一个极为重要的参数，这一参数描述了在发送帧的过程中处理碰撞的四个方面：

      （1）它是检测一次碰撞所需的最长时间。即超过了该时间，媒体上的帧再也不会遭到碰撞而损坏。

      （2）必须要求发送的帧长度有个下限限制，即所谓"最小帧长度".最小帧长度能保证在网络最大跨距范围内，任何站在发送帧后，若碰撞产生，都能检测到。因为任何站要检测到碰撞必须在帧发送完毕之前，否则碰撞产生后，可能漏检，造成传输错误。

      （3）它是在碰撞产生后，决定了在媒体上出现的最大帧碎片长度。

      （4）作为碰撞后帧要重新发送所需的时间延迟计算的基准。

      从公式Lmin≈（2S/0.7C+2tPHY）×R可以知道，光速C和物理层延时tPHY是常数，对于一个具有CSMA/CD的公共总线（或树型）拓扑结构的局域网来说，公式中其它3个参数Lmin、S及R作为变量互为正、反比关系。例如当传输率R固定时，最小帧长度与网络跨距具有正变的关系。即跨距越大时，Lmin越长；例如当Lmin不变的情况下，传输率越高，跨距S越小。这些分析对以太网的性能和发展和高速以太网的特点均有指导性意义。

      4.接收规则

      在Ethernet结构中，结点的发送是需要通过竞争获得总线的使用权，而其它结点都应处于接收状态。当一个结点完成一组数据接受后，首先要判断接收帧的长度。因为802.3协议对帧的最小长度做了规定。凡接收帧长度小于规定帧的最小长度必然是冲突后的废弃帧。因此，如果帧太短，则表明冲突发生，接收结点丢弃已接收数据，并重新进入等待接收状态。如果说没有发生冲突，接收结点检查帧目的地址。如果目的地址为单一结点的物理地址，并且是本结点地址，则接收该帧。如目的地址是组地址，而接收结点属于该组，则接收该帧。如目的地址是广播地址，也应接收该帧。否则丢弃该接收帧。

      如果接收结点进行地址匹配后，确认应接受该帧，则下一步应进行CRC校验。如果CRC校验正确，进一步应检查LLC数据长度是否正确。如LLC数据长度正确，则MAC子层将帧中LLC数据送LLC子层，进入"成功接收"的结束状态。如果说LLC数据长度不对，则进入"帧长度错"的结束状态。如果帧校验中发现错误，首先应判断接收帧是不是8bit的整数倍。如果帧是8bit的整数倍，表示传输过程中没有发现比特丢失或对位错，此时应进入"帧校验错"结束状态；如果帧长度不是8bit的整数倍，则进入"帧比特错"结束状态。

      从以上讲解中可以看出，任何一个结点发送数据都要通过CSMA/CD方法去争取总线使用权，从它准备发送到成功发送的发送等待延迟时间是不确定的。因此人们将EtherNET所使用的CSMA/CD方法定义为一种随机争用型介质访问控制方法。

      CSMA/CD方式的主要特点是：原理比较简单，技术上较易实现，网络中各工作站处于同等地位，不需要集中控制，但这种方式不能提供优先级控制，各结点争用总线，不能满足远程控制所需要的确定延时和绝对可靠性的要求。另外，此方式效率高，但当负载增大时，发送信息的等待时间较长。

      二、令牌环访问控制法（Token Ring）

      Token Ring是令牌通行环（Token Passing Ring）的简写。其主要技术指标是：网络拓扑为环形布局，基带网，数据传送速率4Mbps,采用单个令牌（或双令牌）的令牌传递方法。环形网络的主要特点是：只有一条环路，信息单向沿环流动，无路径选择问题。

      令牌环技术的基础是使用了一个称之为令牌的特定比特串，当环上所有的站都处于空闲时，令牌沿环传递。当某一站想发送帧时必须等待，直至检测到经过该站的令牌为止。这时该站改变令牌中的一个比特，从而抓住令牌，然后将令牌加在发送数据帧的帧首，变成发送数据帧。此时在环上不再有令牌，因此其它想发送帧的站必须等待。这个发送数据帧将在环上环行一周，然后由发送站将其清除。发送站在下列两个条件都符合时，将在环上释放一个新的令牌：

      （1）本站已完成帧的发送；

      （2）本站所发送帧的前沿已回到本站（帧已绕环运行一整圈）。

      其它站在环上监听，并不断地转发着经过的帧。每个站都能对经过的帧进行检测，如果检测到的目的地址是本身的地址，并且本站有足够的缓存，就复制该帧，从而达到了接收的目的。同时，继续转发该信息包。环上的帧信息绕网一周，由源发送点予以收回。按这种方式工作，发送权一直在源站点控制之下，只有发送信包的源站点放弃发送权，把Token置"空"后，其他站点得到令牌才有机会发送自己的信息。

      令牌方式在轻负载时，由于发送信息之前必须等待令牌，加上规定由源站收回信息，大约有50%的环路在传送无用信息，所以效率较低。然而在重负载环路中，令牌以"循环"方式工作，故效率较高，各站机会均等。令牌环的主要优点在于它提供的访问方式的可调整性，它可提供优先权服务，具有很强的实时性。其主要缺点是有令牌维护要求，为避免令牌丢失或令牌重复，导致这种方式的控制电路较复杂。

      三、令牌总线访问控制法（Token Bus）

      Token Bus是令牌通行总线（Token Passing bus）的简写。这种方式主要用于总线形或树形网络结构中。1976年美国Data Point公司研制成功的ARCnet（Attached Resource Computer）网络，它综合了令牌传递方式和总线网络的优点，在物理总线结构中实现令牌传递控制方法从而构成一个逻辑环路。此方式也是目前微机局域中的主流介质访问控制方式。

      ARCnet网络就是将总线或树形传输介质上的各工作站形成一个逻辑上的环，即将各工作站置于一个顺序的序列内（例如可按照接口地址的大小排列）。方法可以是在每个站点中设一个网络结点标识寄存器NID,初始地址为本站点地址。网络工作前，要对系统初始化，以形成逻辑环路，其过程主要是：网中最大站号n开始向其后继站发送"令牌"信包，目的站号为n+1,若在规定时间内收到肯定的信号ACK,则n+1站连入环路，否则再加1,继续向下询问（该网中最大站号为n=255,n+1后变为0,然后1、2、3、…递增），凡是给予肯定回答的站都可连入环路并将给予肯定回答的后继站号放入本站的NID中，从而形成了一个封闭逻辑环路，经过一遍轮询过程，网络各站标识寄存器NID中存放的都是其相邻的下游站地址。

      逻辑环形成后，令牌的控制方法类似于Token Ring.在Token Bus中，信息是按双向传送的，每个站点都可以"听到"其他站点发出的信息，所以令牌传递时都要加上目的地址，明确指出下一个控制站点。这种方式与CSMA/CD方式的不同在于除了当时得到令牌的工作站之外，其余所有的工作站只收不发，只有当收到令牌后才能开始发送，所以拓扑结构虽然是总线型结构但可以避免冲突。

      Token Bus方式的最大优点是具有极好的吞吐能力，且吞吐量随数据传输速率的增高而增加并随介质的饱和而稳定下来但并不下降；各工作站不需要检测冲突，故信号电压允许较大的动态范围，连网距离较远；有一定实时性，在工业控制中得到了广泛应用，如MAP网就是用的宽带令牌总线。其主要缺点在于其复杂性和时间开销较大，工作站可能必须等待多次无效的令牌传送后才能获得令牌。

      应该指出，ARCnet网实际上采用称为集中器的HUB硬件联网，物理拓扑上有星形和总线型两种连接方式。

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