局域网访问控制方式-计算机网络工程实用技术

传输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3种，分别用于不同的拓扑结构：带有冲突检测的载波侦听多路访问法（CSMA/CD），令牌环访问控制法（Token Ring），令牌总线访问控制法（Token Bus）。

（1）CSMA/CD

CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection）采用分布式控制方法，附接总线的各个结点通过竞争的方式，获得总线的使用权。只有获得使用权的结点才可以向总线发送信息帧，该信息帧将被附接总线的所有结点感知。

CSMA/CD的工作原理可概括为“先听后发，边听边发，冲突停止，延迟重发”16个字。具体过程如下：

1）当一个结点想要发送数据的时候，它先检测网络是否有其他结点正在传输数据，即侦听信道是否空闲。

2）如果信道忙，就等待，直到信道空闲。

3）如果信道闲，结点就传输数据。

4）在发送数据的同时，结点继续侦听网络确信没有其他结点在同时传输数据，因为有可能两个或多个结点都同时检测到网络空闲，然后几乎在同一时刻传输数据。如果两个或多个结点同时发送数据，就会发生冲突。

5）当一个传输结点识别出一个冲突，它就发送一个拥塞信号，这个信号使得冲突的时间足够长，让其他的结点都能发现。

6）其他结点受到拥塞信号后，都停止传输，等待一个随机产生的时间间隙（回退时间，Backoff Time）后重发。

CSMA/CD控制方式的优点是：原理比较简单，技术上易实现，网络中各工作站处于平等地位，不需集中控制，不提供优先级控制。但在网络负载增大时，发送时间增长，发送效率急剧下降。

CSMA/CD中的载波监听、多点接入、碰撞检测。

“多点接入”表示许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上。“载波监听”是指每一个站在发送数据之前先要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据。如果有，则暂时不要发送数据，以免发生碰撞。“碰撞检测”就是计算机边发送数据边检测信道上的信号电压大小。当几个站同时在总线上发送数据时，总线上的信号电压摆动值将会增大（互相叠加）。当一个站检测到的信号电压摆动值超过一定的门限值时，就认为总线上至少有两个站同时在发送数据，表明产生了碰撞。所谓“碰撞”就是发生了冲突。因此“碰撞检测”也称为“冲突检测”。

总之，CSMA/CD采用的是一种“有空就发”的竞争型访问策略，因而不可避免会出现信道空闲时多个结点同时争发的现象，无法完全消除冲突，只能是采取一些措施减少冲突，并对产生的冲突进行处理。因此采用这种协议的局域网环境不适合对实时性要求较强的网络应用。

（2）令牌环(www.xing528.com)

令牌环只适用于环形拓扑结构的局域网。其主要原理是：使用一个称之为“令牌”的控制标志（令牌是一个二进制数的字节，它由“空闲”与“忙”两种编码标志来实现，既无目的地址，也无源地址）。当无信息在环上传送时，令牌处于“空闲”状态，它沿环从一个工作站到另一个工作站不停地进行传递。当某一工作站准备发送信息时，就必须等待，直到检测并捕获到经过该站的令牌为止，此时，将令牌的控制标志从“空闲”状态改变为“忙”状态，并发送出一帧信息。其他的工作站随时检测经过本站的帧，当发送的帧目的地址与本站地址相符时，就接收该帧，待复制完毕再转发此帧，直到该帧沿环一周返回发送站，并收到接收站指向发送站的肯定应签信息时，才将发送的帧信息进行清除，并使令牌标志又处于“空闲”状态，继续插入环中。当另一个新的工作站需要发送数据时，按前述过程，检测到令牌，修改状态，把信息装配成帧，进行新一轮的发送。

图3-5 令牌环的基本过程

令牌环控制方式的优点是它能提供优先权服务，有很强的实时性。在重负载环路中，“令牌”以循环方式工作，效率较高。其缺点是控制电路较复杂，令牌容易丢失。但IBM在1985年已解决了实用问题，近年来采用令牌环方式的令牌环网实用性已大大增强。令牌环的工作过程如图3-5所示。

（3）令牌总线

令牌总线主要用于总线型或树形网络结构中。它的访问控制方式类似于令牌环，但它是把总线型或树形网络中的各个工作站按一定顺序如按接口地址大小排列形成一个逻辑环。只有令牌持有者才能控制总线，才有发送信息的权力。信息是双向传送，每个站都可检测到其他站点发出的信息。在令牌传递时，都要加上目的地址，所以只有检测到并得到令牌的工作站，才能发送信息，它不同于CSMA/CD方式，可在总线型和树形结构中避免冲突。

这种控制方式的优点是各工作站对介质的共享权力是均等的，可以设置优先级，也可以不设；有较好的吞吐能力，吞吐量随数据传输速率增高而加大，连网距离较CSMA/CD方式大。缺点是控制电路较复杂、成本高，轻负载时，线路传输效率低。

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。令牌总线是在综合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型或树形网络。采用此种方式时，各结点共享的传输介质是总线型的，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。正常的稳态操作时令牌总线的工作原理如图3-6所示。

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确定，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。

图3-6 令牌总线的工作过程