深度解析IEEE协议族

电气和电子工程师协会（Institute Of Electrical and Electronics Engineers，IEEE）制订了局域网的标准，它相当于OSI参考模型的第一、二层，而高层与OSI参考模型兼容。考虑到局域网中传送数据的帧是带有地址的，不存在路由选择和中间交换，因此，IEEE802的局域网标准规定了物理层、逻辑链路控制层和媒体存取控制层。设置逻辑链路控制层（LLC）的原因是在OSI参考模型的数据链路层中，缺少对包含多个源和目的地址的链路进行访问管理所需的逻辑功能，为此，IEEE802.2对LLC作了规定。由于在同一LLC子层中，可以有多种媒体存取的方式，采用单一的结构不能满足各种应用场合的需要，因此，IEEE802委员会分别对带有冲突检测的载波侦听多路存取、令牌总线、令牌环等三种媒体存取方式规定了相应的协议，即IEEE802.3、IEEE802.4及IEEE802.5协议。这样，OSI参考模型的数据链路层就分成了LLC与MAC子层。

媒体存取控制子层（Medium Access Control，MAC）的任务是对通信媒体的使用进行管理。这就需要解决两个问题：在哪里进行控制，即控制定位（Location of Control）和如何进行控制，即存取方式（Type Of Access）。

控制来源有集中式和分布式控制。集中式控制有下列优点：

1）可实现高质量控制，如提供通信优先级服务、保证信道频带宽度等。

2）控制功能集中在中心控制站，其他站的控制逻辑可以大大简化。

3）避免了通信站之间互相协调的麻烦。

其缺点是：

1）中心控制站结构复杂，它的失效会导致整个系统的瘫痪。

2）中心控制站成为整个网络系统流量的潜在瓶颈，如处理不好，会降低数据传输的效率。

在IEEE802的MAC协议中，采用分布式控制方法，它的特点是控制功能分散到各个通信站，控制的实现是随机的或者是有序的，因此，提高了系统的可靠性和灵活性。

通信媒体的存取方式和通信子网的拓扑结构有关，将在下面详细介绍。

逻辑链路控制子层（Logic Link Control，LLC）的任务是通过MAC提供LLC用户之间的数据交换。主要服务功能是差错控制和流量控制。在IEEE802标准中，把网络层的一些服务功能并入LLC子层，它们是无确认无连接服务、面向连接服务、有确认无连接服务等。

1.IEEE802.3协议

IEEE802.3协议是带有冲突检测的载波侦听多路存取控制协议，常缩写为（Carrier Sense Multiple Access With Collision Detection，CSMA/CD）。它是总线网、树形网最常用的媒体存取控制协议。这种协议属于随机访问型，即争用型协议。这表明，为了在一个多点共享的通信媒体上进行数据交换，采用让各个站以随机的方式发送信息，争用通信媒体。

早期的争用方式控制通信媒体存取的网络是美国夏威夷大学的纯ALOHA网。它以2个24kbit/s的超高频信号分别传送数据和应答信号。各个通信站可根据需要随时进行发信。发送站发信后需对通信媒体进行侦听，侦听的时间等于信号传到网上最远的站再返回本站的时间。如果在侦听时间收到接收站用另一频率传输的应答信号，说明发送成功。否则，就重新发送，如反复发送几次都失败，就停止发送。接收站对收到的数据桢进行校验，如果正确，则发出应答信号，否则，不发应答。这种纯ALOHA方式的信道吞吐率约18%。信道吞吐率指发送成功的信息包数与实际发送的信息包数之比。

一种改进的ALOHA方法是采用分槽ALOHA。它把信道的使用分为等长的时间片（Slot，或称时槽）。每个站发送的数据帧长度等于时间片的长度。采用同步的方式，使所有站都在同一时钟下工作，站的发送时间只能在各时间片的起始时刻，这样，两个站的发信只在同一瞬时发生，碰撞只能整个数据帧发生，而不会出现部分的碰撞，从而使信道吞吐率上升到37%。

由于局域网的各站间信号传输延迟时间远小于数据帧长度，因此，产生了“先听后发送”的CSMA方式。它是采用要发送信息的站先对通信媒体进行侦听，如果没有数据传送，就开始发信，如果有，就按一定的时间算法等待一段时间再试。发信结束，如在应答信号返回所需最大时间内未收到应答信号，就重发该信息帧。这种媒体存取方法减少了碰撞的概率。

当通信媒体忙时，发信站可按下列3种算法工作。

（1）非坚持（non-persistent）协议

其规则是：

①如果媒体空闲，则发送。

②如果媒体忙，则等待一个随机分布的时间，再重复①。

（2）1—坚持（1-persistent）协议

其规则是：

①如果媒体空闲，则发送。

②如果媒体忙，则继续侦听，直到发现媒体空闲，就立即发送。

③如果有冲突（由没有应答信号来确定），等待一个随机分布的时间，再重复①。

（3）P—坚持（P-persistent）协议

其规则是：

①如果媒体空闲，则以概率P发送信息，以（1-P）概率延迟一个时间单元发信。典型时间单元等于最大传输延迟时间。

②如果媒体忙，则继续侦听，直到其空闲，再重复①。

③如果发送已被延迟一个时间单元，再重复①。

CSMA协议的信道吞吐率虽有明显提高，但若两个信息帧发生冲突，则在两个帧发送的整个期间，通信媒体都无法正常使用。为此，采用了“边说边听”的CSMA/CD方式。其规则是：

①如果在发送期间发现冲突（即侦听与发送不一致），立即停止发送该帧，并发一个简短的阻塞信号，通知网上各站。

②发送阻塞信号后，等待一个随机分布的时间，然后按CSMA方式重发该帧。

采用CSMA/CD方式，浪费的时间减小到检测一个冲突所需的时间。它也有3种方式确定发送。在集散控制系统中，采用的是坚持式CSMA/CD方式。这种方式可使系统在很宽的负载范围内都有较高的信息吞吐量和较高的稳定性。

CSMA/CD可以用于总线型或树形网，可用于基带网，也可用于宽带网。宽带网常用的检测冲突方法是把正在发送的数据和发送后经传输再返回的接收数据进行逐位比较，例如比较前16位，如果两者不同，就表示发生冲突。由于返回的信号电平减弱，会被作为噪声处理而未能发现冲突，所以，另一种方法是在端头检测冲突，通过调整各站电平，使到电缆端头的信号电平相接近，这样，当端头检测器检测到被破坏的数据或者高于正常幅度的信号，就认为网上发生了冲突。集散控制系统中采用宽带网时常采用令牌总线媒体存取方式而不采用CSMA/CD方式。

CSMA/CD应用于基带网时，因不存在载波侦听的问题，所以是采用了如下的检测冲突方法。两个数字信号任意叠加所得的信号幅度会超过单一信号幅度，规定一个冲突阈值，它稍大于每个发送器可能发出的最大信号幅值。当某站发送数据时，它的接收器同时侦听媒体，如果接收到的信号幅度大于冲突阈值，就认为发生冲突。由于信号传输引起衰减，当两个相距甚远的站同时发信时，它们发到对方的信号与接收到的被发送信号的叠加会小于冲突阈值。为此，在基带网采用CSMA/CD时对通信电缆的长度有限制。

IEEE802.3的CSMA/CD标准与以太网的CSMA/CD之间的很多差别已解决，人们希望作一些变更，使两者合并为一种标准。下面给出IEEE802.3的数据帧格式，如图3-17所示。

图3-17 IEEE802.3的数据帧格式

各字段如下：

前导码（Preamble）：8B的特殊格式，供接收器建立同步并寻找帧的第1位。

SFD（Start Frame Delimiter）：帧开始定界符，指示帧的开始，1B。

DA（Destination Address）：目的地址，指定帧到达的站，可以是一个物理地址、一个多点广播组地址（一组站点）或者一个全程地址（局域网上所有站点）。

SA（Source Address）：指定帧发送的源地址。

Length：长度，指定LLC字节数。

LLC：在LLC子层准备好的字段。

PAD：填充区，用于填充一些字节，以保证帧足够长，使冲突检测的操作能正确执行。

FCS（Frame Check Sequence）：帧检验序列，32位CRC码，检验的范围从目的地址到帧末。

与以太网的数据帧格式相类似，IEEE802.3的MAC数据帧中，前导码是8组10101010，SFD是10101011，DA可以2B，也可以6B。对于16位地址（2B）时，第1位I/G表示是单地址（I/G=0）或组地址（I/G=1）。后面15位是目的地址。对于48位地址（6B）时，第1位I/G与上述相同定义，第2位U/L表示全局（U/L=0）地址或局部（U/L=1）地址。后面46位是目的地址。源地址也可2B或6B。由于LLC占用0～1500B，因此，长度占用2B。当帧长小于64B时，填充字节到64B。因此，最大帧长是1518B，最小帧长是64B。

2.IEEE802.4通信协议

IEEE802.4通信协议是总线网的令牌总线媒体存取控制协议。令牌总线（Token-pass bus）网是一种较新的技术。它是从令牌环网借鉴而来。

令牌传递式总线网的物理结构是用总线把各个通信站连接起来的网络。这些站是被指定一个逻辑的顺序，在逻辑上这些站是环形连接的。各个站的逻辑顺序可以和它们的物理位置完全无关。

在令牌网中，媒体存取控制是通过传递一个称为“令牌”的特殊标志来实现的。令牌的传递是按照逻辑顺序，从第一个站开始，一直传到最后一个站，然后，再传给第一个站。接到令牌的站在指定的一段时间内就掌握网络的媒体存取权。它可以发送一个或多个信息帧，也可以探询其他站并得到响应。当这些工作完成或者指定的时间片用完时，它就把令牌传递给下一个逻辑顺序上的站。该下游站又重复上述动作。如此周而复始地在总线上进行着数据传输和令牌传递的交替动作。在总线上可以存在不使用令牌的站（无逻辑顺序号），它们只有在其他站对它探询或要求确认时才会响应。

相对于总线网的CSMA/CD技术，令牌总线技术在网络运行管理上比较复杂，IEEE802.4通信协议规定它应具有下列管理功能：

（1）添加通信站的功能

在逻辑环上的每一个站在接收到令牌后就可以接纳新的通信站进入逻辑环。由于在逻辑环上的每个站在逻辑上按地址数值递减顺序排列。因此，接收到令牌的站首先发一个“征求后继站”的帧。邀请逻辑地址在令牌持有站和它在逻辑序列中的下游站之间添加新的通信站到环中。在征询的控制帧发出后，要等待一个时间，长度等于信号从总线的一端到另一端所需时间的两倍。这个时间称为“响应窗口”时间，或称间隙时间、窗口时间。在这个窗口时间内，可能有下列结果：

1）没有响应。说明没有新的通信站要在它和它的下游站之间加入。

2）有一个站响应。令牌持有站把它的下游站地址改为响应的站，并把令牌传递给新站。新站得到令牌后，相应修改它的上、下游站。(www.xing528.com)

3）有几个站响应。令牌持有站借助于一种基于地址数值大小的争用方案解决冲突。首先，它发出一个“解决争用”的控制帧，并等待4个窗口时间。每个要求加入的站根据各自地址的前两位的数值分别在4个窗口时间中的一个进行响应，发出“设置后继站”帧。例如，地址前两位是“00”表示第一个窗口时间，“01”表示第二个窗口时间等。如果某个提出请求的站在与它地址相对应的窗口时间到来前侦听到总线上有别的请求，它就撤消请求，不再发送。如果令牌持有站在窗口时间内只收到一个有效的“设置后继站”的帧，它就接收该站加入逻辑环。不然，它就发出第2个“解决争用帧”，这次的帧只有上次响应过的站才能响应，而且地址为各自地址的第3、4位，还是分别在4个窗口时间中响应。这个过程一直持续到接收到只有一个站响应，或者没有响应，或者重复发送规定的次数仍无法分辨出有效响应为止。后两种情况作为没有新的通信站添加处理，令牌持有站则向下游站传递令牌。

（2）减少通信站的功能

当媒体上的某个站失效或停止工作时，需要将它从逻辑环中退出。要退出的站在得到令牌后，发出一个“设置后继站”的帧给它的上游站，把它的下游站地址转告给上游站，上游站就相应改变它的下游站标志，使它指向新的下游站。这样，要退出的站就从逻辑环上删除了。

（3）逻辑环初始化功能

当总线网上电或者在发生故障以后，都会造成无令牌状态。这时，各个站上的计时器会产生超时信号，并发出“发布令牌”帧。当不止一个站发出“发布令牌”帧时，系统进入争用状态。与添加站相类似，每个参加争用的站发出的帧长度按该站地址的前两位数分别加上0、2、4、6个窗口时间，并在不同的窗口时间发送该帧。发送后，对媒体继续侦听。如果听到有信号，则该站退出争用。只有发送过的站再继续发出“发布令牌”帧。并按它们地址的第3、4位确定附加的响应窗口个数，一直发布到出现一个有效的令牌，或者一直重复发送到地址区的所有各位都用完，这时，最后一次重复中获得成功的站将获得令牌。

（4）错误排除功能

由令牌持有站完成错误排除。主要有下列两种错误：

1）多重令牌错。当令牌持有站侦听到总线上还有其他站发送信息时，表明令牌不止一个。这时，令牌持有站就立即取消它所持有的令牌，从而使该站进入监听状态，并使令牌数减至一个。但也可能因此而造成无令牌出错，这时，就进入逻辑环初始化过程。

2）下游站失效错。当某站完成通信并将令牌传递到它的下游站时，它要侦听一个窗口时间，以确定下游站是否处于正常工作状态。如果听到一个有效帧，则说明下游站工作正常。如果在窗口时间内听不到下游站发送的信息帧，它就再传递一次令牌。如果第二次未成功，它就发出“谁来接替”帧，并把响应该帧的站作为它的新下游站。如果连发两次“谁来接替”帧，都没有站来响应，就发出一个全局地址范围的“征求下游站”帧，邀请总线上任一站来响应，就如果有站响应，则先建立只有两个站的逻辑环，而其他站在以后过程中再添加进来。如果无站响应，则说明网络有故障或本站的接收器有故障，这时，它停止发送转入监听，等待逻辑环初始化过程。

（5）优先级控制功能

IEEE802.4令牌总线标准提供了决定各类数据不同存取优先级权的服务，它们是同步通信（6级）、异步紧急通信（4级）、异步正常通信（2级）、异步插空通信（0级）。优先级别高的数据优先发送。

IEEE802.4的MAC帧格式如图3-18所示。

图3-18 IEEE802.4的MAC帧格式

符号意义如下：

前导码（Premble）：一个或多个字节，建立位同步和定位帧的第一位。

帧开始定界符（Start Delimiter，SD）：表示帧开始，编码形式是NN00NN00，N是非数据符号，1个字节。

帧格式（Frame Format，FF）：表示帧是数据帧或控制帧。

DA、SA：与CSMA/CD相同，表示目的地址和源地址，可以是2B或6B。

LLC：LLC数据单元，由LLC下发的字段。

帧检验序列（FCS）32位，同CSMA/CD。

帧结束（End Delimiter，ED）：格式是NNINNIIE。I=0表示最后一帧。E是差错位。存在FCS错时E=1。N的含义和上述相同，取决于信号在媒体上的编码。

CSMA/CD和令牌传递媒体存取是总线网中应用较多的。在集散控制系统中大多数通信系统采用这两种存取协议。CSMA/CD为各站提供均等的发信机会，算法简单，成本低，可靠性高。在负载小时，有较高信道吞吐量；在负载较大时，仍能稳定工作。但是，由于它可能发生冲突，因此，对信号幅度有较高要求，并且为检测冲突，需规定最小帧长度。令牌传递式总线的吞吐量很高，负荷变化的影响较小，对信号幅度要求不很苛刻，能支持优先级通信。但是，它的算法很复杂，有较大的延迟，尤其在轻负荷条件下，将会有许多无用的令牌传递时间。

3.IEEE802.5通信协议

IEEE802.5通信协议是令牌环形网络媒体存取控制协议。令牌环（Token-ring）技术可能是最早的环控制技术。在美国它已成为最普遍的环存取技术。在环形网络上，有一个叫做令牌的信号（其格式为8位“1”）沿环运动。当令牌到达一个通信站时，若该站没有数据要发送，就把令牌转送到它的下游站，相当于发送了一个长度为0的帧。若该站要发送数据，则先把令牌信号转变成一个“连接标志”（它把令牌的最后一个“1”改为“0”）。并把本站的数据帧接在它的后面发送出去。数据帧的长度不受限制。数据帧发完后再重新产生一个令牌接到数据帧后面，这相当于把令牌传到下游站。

数据帧到达一个站时，环接口从地址字段识别出以该站为目的地的数据帧，把其中的数据字段复制下来，若经校验无误，则把数据送主机。但它并不将该数据帧从环网上去除，去除数据帧是由发送站完成的。因为，这样处理可以利用数据帧作捎带应答，并实现多址或广播通信。以上通信机制的简要说明如图3-19所示。

图3-19 令牌环协议机制

为了使令牌环上只有一个令牌绕环运动，不允许有两个站同时发送数据，令牌环的控制站应有下列功能：

（1）启动和令牌丢失

在环网上电启动或因干扰信号破坏令牌时会造成无令牌状态。环网采用定时器来记录令牌运行状态。当令牌通过控制站时，定时器置“0”，当定时器计时值大于全环巡回一周所需的最大时间时，就认为令牌丢失。这时，该站就向环上发一令牌。

（2）数据帧无休止循环

由于某些原因，一个站发出数据帧后如果不能从环上将其清除，就会造成数据帧的无休止循环。为此，在数据帧上设置监控位。数据帧发送时，该位置“0”，当它通过控制站时被置成“1”，这样，当第二次循环时，若控制器发现该位是“1”，就可确认发送该数据帧的站未能去除该数据帧。因此，控制站就吸收该帧并向环上发出一个令牌。

（3）多重令牌

由于干扰，在环上会出现新的令牌。这样多个站发送数据，互相冲突，谁也不能抵达目的地，最后导致令牌丢失。为此，得到令牌的站周期地向环上发送“持令牌站存在”帧，使别的站确信有站在发送数据。当有不止一个站持有令牌时，就会有一个站听到另一个令牌持有站的“持令牌站存在”帧，从而进入备用状态。

令牌环从其实质来看，是一个集中控制式的环，环上必须有一个中心控制站负责环网工作状态的检测和管理。令牌环在轻负荷时效率低，在重负荷时效率较高。它需要复杂的管理和优先级支持功能。在集散控制系统的应用中，令牌环媒体存取方式在高层，如管理、优化级有所应用。

4.IEEE802.2通信协议

IEEE802.2通信协议是逻辑链路层控制协议。逻辑链路控制层（LLC）是局域网结构中的最高层，它在MAC子层之上，为LLC用户，如TCP/IP等提供数据交换手段。

LLC向高层LLC用户提供3种服务：

（1）无确认无连接服务

这是一种数据报服务，它允许简单地发送和接收帧，这种服务可以是点对点的，也可以是多点和广播式的。

（2）面向连接服务

即在服务访问点（SAP）之间提供虚电路的连接，从而提供流量控制、按序接收和差错恢复功能。

（3）有确认无连接服务

这也是一种数据报服务，它包括有确认的递送服务和有确认的探询服务，提供确认可以减轻高层的负担。这种服务也可以是点对点的，或者是多点和广播式的。

与ISO的参考模型中数据链路层相比较，IEEE802.2有下列不同点：

1）IEEE802.2所处理的链路由许多通信站共同访问。

2）由于有MAC子层，因此，对媒体存取的具体细节不予过问。

3）它还必须提供一些ISO的参考模型中网络层的功能。局域网不存在路由选择，因此，对ISO模型网络层功能可大大简化，并结合在LLC中。

LLC的帧格式如图3-20所示。其含义如下：

存取控制（Access Control，AC）：8位。

目的地址和源地址：DA、SA。

目的服务访问点（Destination Service Access Points，DSAP）：8位。

源服务访问点（Source Service Access Points，SSAP）：8位。

控制字段（Control，C）：8位。

数据（DATA）。

帧校验序列（FCS）：32位。

图3-20 LLC的帧格式