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第五章 环网

第五章 环网. 环网的发展 令牌环网媒体访问控制技术 FDDI 媒体访问控制技术和物理层结构 环网的组网技术. 5.1 概述. 传统以太网的弱点 不适应重负荷应用环境 无实时性能和优先权机制 在拓扑结构为公共总线的以太网上，媒体使用光纤比较困难 共享型以太网的覆盖范围受限于碰撞域，无法进一步拓展 20 世纪 80 年代中期， IEEE802.5 标准出世 20 世纪 80 年代后期，使用光纤的高速环网 FDDI 出现 环网的特点 适应重负荷应用环境 具实时性能和优先权机制 媒体可以使用光纤 覆盖范围较大，可达数公里.

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第五章 环网

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  1. 第五章 环网 环网的发展 令牌环网媒体访问控制技术 FDDI媒体访问控制技术和物理层结构 环网的组网技术

  2. 5.1 概述 • 传统以太网的弱点 • 不适应重负荷应用环境 • 无实时性能和优先权机制 • 在拓扑结构为公共总线的以太网上，媒体使用光纤比较困难 • 共享型以太网的覆盖范围受限于碰撞域，无法进一步拓展 • 20世纪80年代中期，IEEE802.5标准出世 • 20世纪80年代后期，使用光纤的高速环网FDDI出现 • 环网的特点 • 适应重负荷应用环境 • 具实时性能和优先权机制 • 媒体可以使用光纤 • 覆盖范围较大，可达数公里

  3. 5.2 令牌环网媒体访问控制技术 • IEEE802.5标准定义了令牌环网的媒体访问控制(MAC)技术和物理层结构 • 令牌环操作 • MAC帧 • MAC基本操作

  4. 5.2.1 令牌环操作 • 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，令牌沿着环旋转 • 当环上一个站想发送帧时必须等待直至检测到经过该站的令牌为止 • 该站抓住令牌并改变令牌中的一个比特，然后将令牌变成一帧的帧首，这时，该站可以在帧首后面加挂上帧的其余字段并进行发送，此时，环上不再有令牌 • 这个帧将在环上环行一整周后由发送站将它清除，发送站在下列两个条件都符合时将在环上插进一个新的令牌 • 该站已完成其帧的发送 • 该站所发送的帧的前沿已回到了本站(在绕环运行一整圈后)

  5. 令牌环图示

  6. 令牌环操作的特点 • 任一时刻只有一个站可以发送 • 在轻负载的条件下，它的效率比较低，但是在重负载的条件下，环的作用是依次循环传递，因此既有效又公平

  7. 5.2.2 MAC帧 • 帧首定界符(SD)：指出令牌或帧的开始，使用独特的符号与帧的其余部分进行区分。 • 访问控制(AC)：包含被用于优先机制中的优先级和预留比特以及监控比特，这一字段还包括令牌比特 • 帧控制(FC)：指出该帧是一个LLC的数据帧(FF=1)还是一个MAC控制帧(FF=0)。 • 目的地址(DA)：表明帧欲发往的目标站。该地址可为单站地址，组播地址或广播地址，选择16比特还是48比特由实现来决定 • 源地址(SA)：帧的始发站地址。位数与DA相同 • 信息：包括LLC数据或与MAC协议的控制操作的有关信息 • 帧检验序列(FCS)：是32比特的循环冗余检验序列 • 帧尾定界符(ED)：指明帧结束的非数据符号。 • 帧状态(FS)：由地址识别，帧被复制等指示位组成

  8. IEEE802.5帧格式

  9. IEEE802.5MAC帧的控制比特

  10. 地址字段 • 源地址字段中的第一个比特总是“0” • 目的地址字段中第一个比特置成“0”表示是一个单地址，置成“1”则表示一组地址 • 全“1”的组地址是对环上所有工作的站的广播地址 • 对于48比特的地址字段，其源和目的地址字段中的第二个比特置成“0”，表示是一全局管理地址，置成“1”则表示是一局部管理地址 • MAC帧信息字段：在某些MAC帧中，信息字段被用于携带有关特定控制用的控制信息，控制信息作为维护环路使用

  11. IEEE802.5地址字段格式 • I：独立地址；G：组地址；U：全局管理；L：局部管理

  12. 5.2.3 MAC基本操作 • 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，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、INFO、FCS、ED、FS)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，或令牌保持计时器计满为止。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）。

  13. MAC基本操作(二) • 帧的接收 • 令牌环上的其他工作站在环上监听，并不断转发着通过的帧 • 为了检查、复制或改变一个比特必须有一定的时间，每个站都要对环引进约一比特的时延 • 每个站都能对通过的帧进行差错校验，如果检验到一个差错就应将E比特置位 • 每个站通过识别帧首定界符SD来监视帧的开始。如果该帧为常规的数据载携帧，并与该接收站的地址符合，在该站有足够缓存空间的情况下，该站就复制该帧。FS字段中的A和C比特都要在转发前进行重置，这使得源站可以区别三种情况 • 目的站不存在/未被复制 • 目的站存在但帧未被复制 • 帧已被目的站复制

  14. MAC基本操作(三) • 帧的清除 • 发送出帧的工作站要负责清除绕环一周回至源发点的帧，当每个发出去的帧回到源站时，应被吸收掉 • 并检查帧ED和FS中的状态比特，判断传输的结果。如果状态表明有错，MAC并不重传，而是向高层报告，这是LLC或某些高层协议的职责

  15. 5.3 差分曼彻斯特编码 • 令牌环网标准规定使用的数据速率时4Mbps和16Mbps，采用差分曼彻斯特编码 • “0”为比特时间开始和中间均跳变，“1”为比特时间中间跳变 • 非数据符号J和K的比特时间的中央没有跳变 • 对于J，在比特时间开始时没有跳变 • 对于K，在比特时间开始时有一个跳变 • 符号J和K通常是以“J－K”成对方式发送，以避免累积的直流分量

  16. 差分曼斯斯特编码

  17. 5.4 FDDI网媒体访问控制技术 • 光纤分布式数据接口(Fiber Distributed Data Interface，简称FDDI) • 传输速率高达100Mb/s的光纤环形局域网网络技术所依据的标准是ANSIX3T9.5 • 以采用IEEE802.2的逻辑链路控制(LLC)标准为前提 • FDDI标准的范围 • 令牌环操作 • MAC帧 • 基本操作

  18. 5.4.1 FDDI标准的范围 • FDDI标准包含了MAC子层和物理层 • 该标准是以采用IEEE802.2LLC标准作为前提的

  19. FDDI的MAC子层 • MAC子层是用MAC服务与MAC协议来加以规定的 • MAC服务 • MAC服务规范从功能上定义了FDDI向LLC或其他较高层用户提供的服务，接口包括发送与接收协议数据单元的设施 • 它还提供每次操作的状态信息，为高层的差错恢复规程所用。 • 在任何情况下，对MAC用户(例如某个高层应用)来说，这一服务规范将MAC与物理层的细节遮掩了起来。尤其是采用各种各样的传输媒体，除了影响性能外，对 MAC用户应成为不可见的 • MAC协议是FDDI标准的核心 • 规范定义了帧结构 • 规范定义了在 MAC实体间所发生的交互作用

  20. FDDI的物理层协议、物理媒体相关子层以及层管理FDDI的物理层协议、物理媒体相关子层以及层管理 • 物理层协议与物理媒体相关子层 • 物理层协议(PHY)是物理层中与媒体无关的部分，它包括与 MAC子层间的服务接口规范。这一接口规范定义了在MAC与PHY之间传递一对串行比特流所需的设施 • PHY还规定了数字数据传输用的编码 • PMD子层是物理层中与媒体相关的部分，它对用于光纤的激励器和接收器的特性做了规定，同时还对站到环的连接、环所用的光缆和连接器等与媒体相关的特性做了规定。 • 层管理(LMT)提供了一个站FDDI各层中正在进行的进程进行管理所必需的控制功能，从而使站在环上能协调地工作。LMT是一种更广泛的，称做站管理(SMT)的概念的一部分，后者包括对LLC于层及更高层中的进程的管理

  21. 5.4.2 令牌环操作 • 令牌环的基本操作对802.5与FDDI来说是十分相似的 • FDDI建立在小令牌帧的基础上，当所有站都空闲时，小令牌帧沿环运行。当某一站有数据要发送这时，必须等待有令牌通过时才可能。一旦识别出有用的令牌，该站便将其吸收，随后便可发送一帧或多帧。这时环上没有令牌后，便在环上插入一新的令牌，不必像802.5令牌环那样，只有收到自己发送的帧后才能释放令牌。因此，任一时刻环上可能会有来自多个站的帧运行。

  22. FDDI令牌工作

  23. 与802.3令牌环操作的区别 • 一个FDDI站并不是通过改变一个比特来抓住令牌的 • 在FDDI中，一个站一旦完成其帧的发送后，即使它尚未开始收到它自己发出的帧，也立即送出一新的令牌

  24. 5.4.3 MAC帧 • 前导码(PA)：用来使帧与每一站的时钟进行同步。帧起始站发出的前导码由64比特的16个空闲符号组成。随后的站可改变字段长度，以适应时钟的要求。 • 帧首定界符(SD)：指示帧的开始，且总是以区别于数据的信号码型组成。其编码为JK，其中J和K均为非数据符号。 • 帧控制(FC)：其比特格式为CLFFZZZZ。C表明帧类型，L表明16比特或48地址，FF表明该帧是LLC帧还是MAC控制帧。 • 目的地址(DA)：表明帧欲发往的站。该地址可为单站地址，组播地址或广播地址。 • 源地址(SA)：发出该帧的站地址。 • 信息：包括LLC数据和与操作有关的信息。 • 帧检验序列(FCS)：长度为32位，用于对FC，DA，SA和信息字段进行保护。 • 帧尾定界符(ED)：由一些非数据符号组成。对于令牌，ED的长度为8比特，对其它帧则为4比特。 • 帧状态(FS)：由差错位，地址识别、帧被复制等指示位组成。每一指示由一个符号表示。FS还可包括附加控制位，其使用由实现者来确定。

  25. FDDI帧格式

  26. 地址字段和帧控制字段 • 地址字段 • 同令牌环网 • 帧控制字段；指明帧的形式 • LLC数据帧 • MAC控制帧 • 站管理帧 • 为实现者保留的帧和为将来标准化保留的帧

  27. FDDI地址字段格式

  28. FDDI帧的类型

  29. 5.4.4 MAC基本操作 • 帧的发送 • 一个想要发送的站需要等待一个令牌帧经过，令牌帧的FC字段中的FF比特置为“00”，ZZZZ比特置为“0000” • 该站在重复整个FC字段前，将令牌从环上吸收掉，以此抓住这一令牌 • 抓往令牌的站可连续发送直至无数据可发，或令牌保持计时器计满为止。

  30. MAC基本操作(二) • 帧的接收 • 环上的其他工作站在环上监听，并重复通过的帧 • 为了检查、复制或改变一个比特必须有一定的时间，每个站都要对环引进约一比特的时延 • 每个站都能对通过的帧进行差错校验，如果检验到一个差错就应将E比特置位 • 每个站通过识别帧首定界符SD来监视帧的开始。如果该帧为常规的数据载携帧，并与该接收站的地址符合，该站就复制该帧。FS字段中的A和C比特都要在转发前进行重置，这使得源站可以区别三种情况 • 目的站不存在/未被复制 • 目的站存在但帧未被复制 • 帧已被目的站复制

  31. MAC基本操作(三) • 帧的清除 • 发送出帧的工作站要负责清除绕环一周回至源发点的帧，当每个发出去的帧回到源站时，应被吸收掉 • 并检查帧FS中(E、A、C)的状态比特，判断传输的结果。如果状态表明有错，MAC并不重传，而是向高层报告，这是LLC或某些高层协议的职责

  32. 5.5 FDDI网物理层 • 数据编码 • 物理层中与媒体相关的部分

  33. 5.5.1 数据编码 • 其他编码的缺点 • FSK与PSK：在高数据率下很难实现 • 强度调制：缺少同步信息 • 曼斯斯特编码：低效率带宽编码方法。每比特需要2波特 • 4B/5B编码 • 把输入码流中每4比特数据码分为一组，然后变换为5比特。这样就使得变换后的码流有了冗余度，利用它即可在码流中除了传输原来的信息以外，还可以传送与误码监测等有关的信息。另一方面，经过适当编码后，还可以改善定时信号的提取和直流分量的起伏问题。 • 第二级编码，即将4B/5B码流中的每一个码元作为一个二进制对待，并采用一种称为不归零反相(NRZI在一个单位时间内用是否有跳变来编码）或不归零－传号的编码技术来编码

  34. 4B/5B编码的特点 • 不采用简单的强度调制编码，因为当遇到一串“1”或“0”时将不存在跃变，因而不能提供同步信息 • 选用4B/5B编码而不用曼斯斯特编码，因为前者更有效 • 将4B/5B编码进一步编成NRZI码。这样可使所得到的差分码有利于改善接收的可靠性 • 选择用于16个4bit数据码组编码有的特定码型是基于这样一个保证：在一行中不出现多于3个“0”的情况，从而能提供适当的同步信息

  35. 4B/5B编码

  36. 5.5.2 物理层中与媒体相关的部分 • 光缆的选择 • 使用多模光纤传输，规定的尺寸为62.5/125μｍ或85/125μｍ，另两种为可选使用，即50/125μｍ和100/140μｍ • 光发送器和光接收器 • 发送器将要发送的编码数据转换为一串光信号，用来携带数据。FDDI标准X3T9.5规定，光发送器使用发光二极管（LED） • 接收器通常为光检测器，用于将外来的光信号转换为电信号。 • 光的波长 • 采用的波长为1300nm • 本规范的制定基础是考虑环上最多能有1000处物理连接和200km的光纤总长度，相邻转发器间的最大距离定为2km

  37. FDDI物理层框图

  38. 加强可靠性的技术规范 • 站旁路：对一个存在故障或电源中继的站，可利用一自动的光旁路开关加以旁路 • 布线集中器：布线集中器能用于星型布线方式中 • 双环：采用双环来连接各站，当任何一站或一条链路发生中断时，网络结构可重新组织，以保持连接 • 主环和副环，MAC连接只发生在主环(顺时针)运行时 • 当链路发生中断或某个站发生故障时，则位于该站两侧的相邻站就设法重新构形 • A类站和B类站 • A类站(双连接站DAS)：有两个FDDI端口，可同时连接主环和副环，当出现故障时，在这类站内部可利用主环与副环工作链路的组合，使网络重新构形 • B类站(单连接站SAS) ：只有一个FDDI端口,要与FDDI环相连必须经过布线集中器连接主环，当出现故障时，可将其隔离

  39. FDDI双环工作

  40. FDDI的两类站

  41. 5.6 令牌环网组网技术 • 令牌环网基本组成 • 星——环型组网结构 • 交换型令牌环网

  42. 5.6.1 令牌环网组网技术 • 基本组成 • 令牌环网网卡 • MAC子层 • PHY子层 • 环路插入器 • 插入器电缆 • 环路电缆 • 节点的插入和退出 • 节点插入环路 • 节点退出环路 • 布线方式复杂，在每个环路插入器中包括两个方向上的媒体段,在物理上看似一种公共总线，而逻辑上是一个环型拓扑结构

  43. 一种令牌环网工程组网结构 • 为了考虑到实现节点构成环路工程上铺设媒体的方便 • 每个环路插入器中包括两个方向上的媒体段，看似总线结构，逻辑上仍然是一个环型拓扑结构

  44. 5.6.2 星——环型组网结构 • 为了符合综合布线系统标准 • 以集中器作为星型结构中心 • 由集中器、网卡、网卡连线和环路电缆段组成

  45. 5.6.3 交换型令牌环网 • 以令牌环网交换器为中心，构成星型拓扑结构 • 交换器上每个端口连接一个令牌环网网段，独享端口带宽

  46. 5.7 FDDI网组网技术 • 应用领域 • 后端局域网 • 高速办公室网 • 主干局域网 • FDDI组网技术要点 • 星——环型拓扑结构 • 单连接站和双连接站 • 园区主干网 • CDDI

  47. 后端局域网 • 用于计算机机房环境下，连接主服务器和大容量存储设备 • 典型的特性 • 高数据传输率 • 高速接口 • 分布式访问 • 有限的距离 • 有限的设备数量 • 以A类站为主，包括少量的B类站 • MAC协议应当允许媒体持续的被利用，FDDI-MAC协议中的受限制的令牌的特性对这种多帧对话的要求能给以支持

  48. 高速办公室网络 • 各种应用，尤其是图象方面的应用，此外，还有光盘技术的成熟，使网络中的数据流量空前增大 • 要求采用能支持大量的分布于较大地理范围的办公室系统的高速局域网 • 在这样的环境中所应用的FDDI网络看来主要应用B类站，以减少连接的费用

  49. 主干局域网 • 不使用单一的局域网来覆盖一个物理范围的原因 • 可靠性差 • 容量易趋于饱和 • 费用不易确定 • 对于廉价微机使用高性能网络成本不合算 • 低性能网络不一定满足整体的需求 • 在建筑物内部或一个部门采用多个低成本，小容量的局域网，而用一个大容量，高性能的局域网将它们连起来，后者称为主干局域网 • FDDI适用于主干局域网(Long long ago)

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