计算机网络中的令牌环

什么是令牌环？

令牌环是一种计算机网络拓扑结构和访问方法，用于将设备连接成物理环或环路。在令牌环网络中，数据可以在环中单向或双向传输，设备按顺序连接到网络中。这种拓扑结构与以太网等使用总线或星形配置的其他网络拓扑结构形成对比。

什么是令牌环网络？

令牌环网络是一种局域网 (LAN) 技术，它使用环形拓扑结构连接设备。在令牌环网络中，设备以物理或逻辑环形连接，数据在环中以单向或双向方式传输。“令牌”一词指的是用于管理网络访问的特定控制包。

令牌环的历史

令牌环技术拥有丰富的历史，可追溯到20世纪70年代，并经历了多次发展和变化。以下是令牌环的简要历史

1. 早期发展（20世纪70年代）： 令牌环技术的概念最初由 IBM 在20世纪70年代早期提出。IBM 在20世纪70年代末推出了第一个名为“IBM 令牌环架构”的令牌环网络。这项技术旨在用于 IBM 较大的大型机计算机系统。
2. IEEE 标准化（20世纪80年代）： 在20世纪80年代早期，令牌环技术开始获得更广泛的认可。电气和电子工程师协会 (IEEE) 为令牌环 LAN 开发了名为 IEEE 802.5 的标准。这项标准化工作帮助令牌环成为一种更广泛采用的 LAN 技术。
3. 商业化（20世纪80年代）： 整个20世纪80年代，包括 IBM 在内的各种技术公司将令牌环硬件和软件商业化。这导致了令牌环网络在企业和公司环境中广泛部署。该技术提供了确定性访问，这对于任务关键型应用程序很有吸引力。
4. 速度改进（20世纪90年代）： 在20世纪90年代早期，令牌环网络主要以 4 Mbps（兆比特每秒）的速度运行。然而，技术进步导致了以 16 Mbps 速度运行的令牌环网络的开发，提供了更快的​​数据传输。
5. 以太网的挑战（20世纪90年代）： 尽管令牌环具有可靠性和确定性，但它面临着来自以太网 LAN 的竞争，以太网 LAN 变得越来越流行且更具成本效益。以太网的共享总线拓扑和 CSMA/CD（载波侦听多路访问/冲突检测）访问方法使其更易于实施和扩展，而令牌环需要专门的硬件。
6. 令牌环 100 和 1000（21世纪初）： 为了保持竞争力，令牌环技术发展到提供更高的速度。令牌环 100（100 Mbps）和令牌环 1000（1 Gbps）在21世纪初推出。然而，这些发展在 LAN 技术的历史上相对较晚，以太网已经确立了其主导地位。
7. 衰落和遗产（21世纪初至今）： 尽管令牌环努力改进和发展，但其受欢迎程度和市场份额逐渐下降。以太网成为大多数网络应用的主导 LAN 技术。许多组织从令牌环迁移到以太网网络，使得令牌环基本上成为遗留技术。

什么是令牌环星形拓扑？

令牌环星形拓扑是一种传统令牌环网络拓扑类型，其中网络的物理布局结合了星形配置，即使网络的逻辑结构仍然是环形。这种设计结合了星形和环形拓扑的元素以提供某些优势。令牌环星形拓扑的工作方式如下：

1. 物理星形布局： 在令牌环星形拓扑中，所有设备都连接到中央集线器或多站接入单元 (MAU)。这个中央集线器也被称为星形的焦点。每个设备，例如计算机或网络打印机，都与集线器有专用连接，这些连接从集线器辐射出来，就像车轮的辐条一样。
2. 逻辑环形结构： 逻辑环形拓扑的布局；整个网络保持在中央集线器内部创建的逻辑环形结构。这意味着数据包和令牌将继续在集线器内的环中循环，就像在具有物理环形拓扑的传统令牌环网络中一样。
3. 令牌传递： 令牌传递的控制器仍然控制对网络的访问。当设备连接到集线器时，集线器需要传输数据。它等待令牌到达集线器。一旦它拥有令牌，它就可以将数据传输到集线器内的逻辑环上。令牌继续循环，直到另一个设备需要传输。

什么是1类和3类令牌环网络？

在令牌环网络中，1类和3类是令牌环网络的两种不同标准或类别。这些标准是IEEE 802.5系列令牌环局域网的一部分。每种类型都规定了令牌环网络的其他物理特性和要求。

1类令牌环 (IEEE 802.5)

• 速度： 1类令牌环以 4 Mbps（兆比特每秒）的数据速率运行。
• 布线： 1类令牌环网络使用屏蔽双绞线电缆。它也称为 STP（屏蔽双绞线）布线。这些电缆旨在减少电磁干扰，并且还能增强网络的可靠性。
• 拓扑结构： 1类令牌环网络通常使用物理环形拓扑结构，其中设备以闭环配置顺序连接。令牌传递协议维护逻辑环形结构。
• 连接器： 1类令牌环网络通常使用 IBM 数据连接器 (IDC) 作为将设备连接到网络的标准连接器。

3类令牌环 (IEEE 802.5)

• 速度： 3类令牌环网络以 16 Mbps（兆比特每秒）的数据速率运行。这比1类有了显著的速度提升。
• 布线： 3类令牌环网络也使用与1类类似的屏蔽双绞线电缆 (STP)。然而，这些电缆可能具有不同的规格以适应更高的数据速率。
• 拓扑结构： 3类令牌环网络可以保持物理环形拓扑结构，但也可以通过物理星形拓扑结构实现，其中设备连接到中央集线器（多站接入单元或 MAU）。尽管是物理星形布局，但逻辑环形结构在集线器内部得到维护。
• 连接器： 3类令牌环网络可以使用与1类网络相同的 IBM 数据连接器 (IDC) 或其他与更高数据速率兼容的连接器。

什么是全双工令牌环？

它是一种令牌环网络，能够实现网络设备之间的同时双向通信（即全双工通信）。传统上，环形拓扑用于建立半双工模式下的通信，这意味着设备只能传输或接收数据，而不能同时进行。全双工令牌环网络的主要目的是提高网络效率和容量。

此外，全双工令牌环网络还提供更低的延迟，这使得它们非常适合需要低延迟通信的应用，例如实时视频会议和语音通话。降低延迟还可以增强用户体验并支持关键的、时间敏感的任务。

实施全双工令牌环需要兼容的硬件，包括网卡（NIC）和其他网络设备来处理同时双向数据传输。好消息是，全双工令牌环网络通常向后兼容以半双工模式运行的传统令牌环设备，允许逐步过渡，而无需立即进行昂贵的网络范围升级。这种灵活性确保了组织在其令牌环基础设施中利用同步、高速双向通信优势的更平滑的迁移路径。

令牌环的优点

使用令牌环有一些优点。这些优点如下：

• 确定性访问： 令牌环网络提供对网络的访问，这意味着所有设备都以预定义的顺序获得访问权限。这也确保网络上的每个设备都有更好的机会传输数据，而不会出现争用或冲突。确定性访问有利于需要可预测网络行为和保证访问网络介质的应用程序。
• 可靠性： 令牌环网络以其可靠性而闻名。由于一次只有一个设备可以传输，因此几乎消除了数据冲突，从而减少了重传并提高了整体网络完整性。这种可靠性使令牌环适用于任务关键型应用程序。
• 可预测的性能： 令牌环网络提供一致且可预测的性能，使其成为语音和视频通信等实时应用的理想选择，其中低延迟和一致的数据传输至关重要。
• 低延迟： 令牌环网络通常表现出低延迟，使其适用于需要快速数据传输和响应时间的应用程序。由于确定性访问和最小的争用，
• 数据完整性： 令牌环网络提供高数据完整性，因为它们最大限度地降低了由冲突引起的数据损坏风险。这对于数据准确性至关重要的应用程序至关重要。
• 安全性： 令牌环网络提供固有的安全优势。设备必须拥有令牌才能传输数据，这使得未经授权的设备更难访问网络。然而，值得注意的是，现代以太网网络通常包含安全功能。
• 支持全双工： 某些令牌环网络，也称为全双工同步双向通信，受令牌环网络支持。这可以通过允许设备同时发送和接收数据来提高网络效率和容量。
• 向后兼容性： 令牌环网络还支持以较低速度或半双工模式运行的旧设备。它还允许逐步进行网络升级，而无需立即更换旧设备。

令牌环的缺点

令牌环提供了一些优点，如确定性和可靠性。同样，它也有一些缺点，这将降低令牌环的普及率。这些缺点如下：

• 复杂的安装和维护： 设置和维护令牌环网络可能比以太网更复杂且成本更高。它需要仔细注意布线、连接器和物理环形拓扑。
• 较低的数据传输速率： 令牌环网络的运行数据速率低于以太网。最初的令牌环网络以 4 Mbps（兆比特每秒）运行，即使是更快的版本（例如 16 Mbps）也比 10 Mbps 以太网慢。虽然开发了更快的版本，但它们较少被采用。
• 可扩展性有限： 令牌环网络在可扩展性方面也存在局限性。随着更多设备添加到网络中，令牌循环所需的时间可能会增加，这可能导致数据传输的潜在延迟。这使得令牌环不太适合大型网络。
• 单点故障： 在物理环形拓扑中，单个电缆断裂或网络设备故障会中断整个网络。虽然冗余环形配置可以在一定程度上克服这个问题，但它们增加了复杂性和成本。
• 成本： 令牌环网络还需要专门的硬件，包括网卡 (NIC) 和 MAU（多站接入单元）。这种硬件通常比其以太网同类产品更昂贵。
• 缺乏行业支持： 以太网因广泛的行业支持和标准化而成为主导的局域网技术。令牌环与 IBM 相关联，限制了其在特定行业之外的采用。
• 遗留技术： 随着以太网以更高的速度和更高的成本效益发展，令牌环相对落后。这使得令牌环成为一种遗留技术，难以跟上现代网络的需求。
• 过渡挑战： 对于拥有现有令牌环基础设施的组织来说，从令牌环过渡到以太网或其他网络技术可能具有挑战性且成本高昂。
• 复杂的故障排除： 在网络问题中，诊断和排除令牌环网络上的问题可能比在以太网网络上更复杂。

什么是令牌传递？

它是一种在特定计算机网络（如令牌环和 FDDI（光纤分布式数据接口））中使用的网络访问方法。它也是一种用于调节网络上可以访问网络介质以传输数据的设备的机制。

首先，生成并放置到网络上的特殊数据包，也称为“令牌”。此令牌充当许可证，授予持有者在网络上传输数据的权利。根据特定的网络技术，令牌可以由中央设备生成，也可以通过分布式过程生成。

令牌引入网络后，它按照预定义的顺序连续循环，从一个设备移动到下一个设备。网络上的每个设备都会侦听令牌沿网络介质传输。当设备收到令牌时，它会知道已获得传输数据的权限。

当设备有数据要发送时，它会抓住令牌并将其数据附加到令牌上，然后将其释放回网络。现在，令牌携带着附加的数据继续循环。它在网络中传输，直到到达其目的地设备或设备，在那里数据被捕获和处理。

在数据传输期间，网络上的其他设备保持监听模式。它们监视数据在循环时的状态，但不干扰传输。这确保一次只有一个设备可以传输数据，从而防止冲突并确保有序通信。

设备成功传输数据后，它会将令牌释放到网络上，使其恢复循环。此过程连续重复，确保网络上的设备轮流传输数据，而不会出现争用或来自其他设备的干扰。

令牌环与以太网如何比较？

令牌环和以太网是网络行业中使用的两种不同的 LAN（局域网）技术。虽然两者都用于类似的目的，但它们具有独特的特征和差异。以下是令牌环和以太网的比较