令牌环（TokenRing）-计算机网络原理

所谓令牌是在环形局域网络中指定的一个特殊格式的帧。当环上所有的站都空闲（无要发的报文）时，令牌绕环环行。令牌本身并不包含信息，其作用是控制信道的使用，保证只有一个站独占信道而不受其它站的干扰。典型的令牌格式由8位组成，例如11111111.显然必须采用某种方法（如异形Machester码等）来防止令牌格式出现在数据之中，即保证数据的透明性。

如图8.4.2所示，令牌环的工作过程如下：

①需发送数据的站等待空闲令牌，在其抓住空闲令牌之前不能发送数据；

②需发送数据的站抓住空闲令牌后，变空闲令牌为忙令牌，即将令牌从11111111变换为11111110，并紧跟令牌最后一位发送一个数据帧（或称报文分组，含有明确的目的地址和源地址）；

③发送出的数据帧沿环传输，到达所寻址的目的站时，被该站复制下来并转发；

④被目的站复制过的数据帧返回到发送站时，发送站将其吸收，同时产生一个空闲令牌并送到环上。

图8.4.2　令牌环工作过程

由于网中只有一个空闲令牌，从而确保了发送站独占信道。为实现上述工作过程，环接口（重发器）必须具备以下功能特点：

①一位延迟

环接口必须检测通过它的每一位，目的在于检测出地址或令牌，特别是要检测出令牌的最后一位，以便决定是否改变这一位。这意味着环接口对每一到达位都必须完整保存，是数据还要复制下来，然后转发它们。为了能改变令牌最后一位，每个环接口至少要产生一位的延迟。如果环上的站数很多，一位延迟累积起来将是相当可观的，其对环网性能有很大影响。

②三种工作状态

a、监听状态

监听状态的功能为：

（a）监视通过的位流，寻找特定的位模式（地址或令牌）；

（b）改变令牌的最后一位；

（c）复制寻址该站的帧的每一数据位，并传送到所连工作站。

b、发送状态

当一个站抓住空闲令牌之后转入发送状态，当发送站再次产生空闲令牌时，又从发送状态转到监听状态。发送状态又分两种情况：

（a）当a＜1，即环的“位长度”小于帧（报文分组）长度时，在环接口发送过程中，帧尚未发送完，其前端位已出现在该站的输入端（这个返回的帧可以作为应答帧），故发送站完成帧发送之后即可产生并送出新的空闲令牌；

（b）当a＞1，即环的“位长度”大于帧（报文分组）长度时，环上可容纳的帧在1个以上。所以一帧发送完毕后，其前端位尚未到达发送站的输入端，故不能立即产生空闲令牌，需要待所发帧的前端到达发送站的输入端时，才能产生并送出新的空闲令牌。

c、旁通状态

当环网正确工作时，有监听状态与发送状态就足够了。旁通状态的主要用途是消除环接口（重发器）的延迟，旁通环上未工作的站，增加可靠性。

图8.4.3　环网接口（重发器）工作状态(www.xing528.com)

现简单分析一下令牌环的性能。在讨论中，假定发送站在发出的帧环行一周回到发送站时产生并发送新令牌。首先讨论环通道的利用率，然后计算令牌环的延迟特性。

设：绕环一周的延迟为d（包括传播时间和重发器的一位延迟），帧的发送时间为t，环上所接站数为N.

当a＜1时（见图8.4.4（a）），在t0时刻发送的帧前端位在t0+d时刻返回发送站的输入端；在t0+t时刻这一帧发送完毕，同时产生的空闲令牌经d/N时间传送到下一站。发送一帧的周期是t+d/N，故环通道的利用率为

图8.4.4　环利用率

当a＞1时（见图8.4.4（b）），在t0时刻发送的帧在t0+t时刻发送完毕，但其前端位在此刻还未达到发送站，而在t0+d时刻才到达发送站并产生空闲令牌，空闲令牌经d/N时间后传到下一站。所以帧的发送周期是d+d/N，从而环通道的利用率为

现在计算一下令牌环的延迟。所谓延迟是指在一个站一次发送之后到下一次发送之间的间隔。设某站（例如站1）已发送完一帧数据，在它再次能够发送之前必需完成下列事件：

站1向站2发送空闲令牌

站2发送一数据帧

站2向站3发送空闲令牌

站3发送一数据帧

⋮

站N-1向站N发送空闲令牌

站N发送一数据帧

站N向站1发送空闲令牌

这样令牌环的延迟等于（N-1）个发送周期再加上令牌传播时间d/N，所以延迟为

用发送时间t将（8.3）式规一化，得

由以上分析可见，环网的延迟有一个最大的上限，根据这个上限就可以判断某站最晚可接收到报文分组的时间，所以比较适合实时控制场合。而总线式CSMA网则属统计延迟特性，无法确定最大的延迟上限，这是它们之间最重要的特性区别之一。

令牌环的主要优点是可利用简单方法实现对环存取的控制，主要缺点是必须维护令牌，令牌的丢失或重复都将破坏环的正常工作。实际工作中往往指定一个站为监控站，由它保证环上只有一个令牌，必要时可向环上插入空闲令牌。