令牌环是什么令牌环网结构介绍

在计算机网络发展史上，令牌环网（Token Ring）以其独特的访问控制机制和确定性延迟，曾是局域网技术的重要一极，尤其在要求高可靠性和实时性的领域。本文将深入解析令牌环网的核心原理、帧结构、拓扑特点、工作流程、性能优势与局限，并结合IBM、FDDI及工业控制等经典案例，还原其在特定历史时期的技术价值与应用场景。

       一、 令牌环网的本质：有序的介质访问控制

       令牌环网的核心思想在于解决以太网CSMA/CD（载波监听多路访问/冲突检测）带来的不确定性和冲突问题。它采用一种称为“令牌传递”的确定性介质访问控制（MAC）协议。在网络中，一个特殊的数据帧——“令牌”（Token）——沿着逻辑环从一个站点依次传递到下一个站点。只有持有令牌的站点才被允许在特定时间段内向网络发送数据。这种机制从根本上避免了多个站点同时发送数据导致的冲突，确保了网络访问的公平性和可预测性。

       案例1：IBM Token Ring (IEEE 802.5)：作为令牌环网最著名的实现，IBM在1980年代中期推出的Token Ring网络产品（后标准化为IEEE 802.5）广泛用于企业环境，特别是在IBM大型机和小型机集成场景中，其可靠的传输特性受到青睐。

       案例2：FDDI (光纤分布式数据接口)：虽然通常被视为独立标准（ANSI X3T9.5 / ISO 9314），但FDDI本质上是一种基于令牌传递的双环光纤网络。它继承了令牌环的确定性访问机制，并利用光纤实现了高达100 Mbps的传输速率和更远的距离，常用于校园骨干网。

       案例3：工业自动化网络：许多工业现场总线协议，如Profibus DP 和早期的 ARCNET，都采用了类似令牌传递的机制（主站轮询或令牌环变体），以满足制造业中对实时控制和确定性响应的严格要求。

       二、 核心组件：令牌与数据帧的结构

       理解令牌环网运作的关键在于认识其特殊的帧结构：

       1. 令牌帧 (Token Frame)：这是网络中流通的“通行证”。其结构非常简单，主要包含：

        起始定界符 (SD)：标识帧的开始，包含特殊的曼彻斯特编码违例，用于与数据区分。

        访问控制 (AC)：这是令牌帧的核心字段。包含：
优先级位 (PPP)：指示令牌的优先级（0-7）。
令牌位 (T)：在令牌帧中置为0，表示这是一个空闲令牌。
监视位 (M)：由活动监视器用于检测环上循环帧。
预留位 (RRR)：站点用于请求发送特定优先级的数据。

        结束定界符 (ED)：标识帧的结束，同样包含编码违例。

       2. 数据帧 (Data/Command Frame)：当站点捕获令牌后，会将令牌帧转换为数据帧（将AC字段中的T位置1），并添加其他字段：

        起始定界符 (SD)：同令牌帧。

        访问控制 (AC)：T位为1，表示携带数据。

        帧控制 (FC)：指示帧是LLC数据帧还是MAC控制帧（如环管理帧）。

        目的地址 (DA)：目标站点的MAC地址。

        源地址 (SA)：发送站点的MAC地址。

        数据 (Data)：上层传递下来的信息（LLC PDU），长度可变（受令牌持有时间限制）。

        帧校验序列 (FCS)：CRC校验码，用于检测传输错误。

        结束定界符 (ED)：同令牌帧，包含I位（中间帧位，指示是否最后一帧）和E位（错误检测位，由站点置位表示检测到错误）。

        帧状态 (FS)：包含A位（地址识别位）和C位（帧复制位），由目标站点和源站点设置，用于向源站点报告帧是否被识别（A=1）和复制（C=1）。

       案例1：IEEE 802.5 帧结构：IBM Token Ring及其标准化的IEEE 802.5规范，定义了上述详细的帧结构，成为令牌环技术的蓝本。

       案例2：令牌优先级机制应用：在关键业务场景（如90年代的证券交易大厅后台网络），高优先级的工作站可以通过设置AC字段中的PPP和RRR位，确保在拥塞时能更快地获得令牌发送实时交易数据。

       案例3：环错误检测：AC中的M位和ED中的E位，配合环上的活动监视器（Active Monitor），共同构成了令牌环网的错误检测和恢复机制基础，用于处理令牌丢失或帧持续循环等故障。

       三、 物理拓扑与逻辑拓扑：星型环

       令牌环网的一个显著特点是其物理拓扑和逻辑拓扑的分离：

       1. 物理拓扑：星型 (Star)：所有站点（工作站、服务器、打印机等）都通过点对点的链路连接到一个中央设备上。这个中央设备在IBM Token Ring中称为多站访问单元 (MAU - Multistation Access Unit) 或 受控访问单元 (CAU - Controlled Access Unit)。现代等效设备是令牌环交换机或集线器（虽然集线器概念更常用于以太网）。

       2. 逻辑拓扑：环型 (Ring)：尽管物理连接是星型，但MAU/CAU内部通过继电器或电子开关将端口连接形成一个闭合的逻辑环。数据帧和令牌在这个逻辑环上依次从一个站点传递到下一个站点。站点从上游邻居接收帧，检查目标地址，如果不是给自己的且未被损坏，则再生信号并转发给下游邻居。

       案例1：IBM 8228 MAU：这是早期IBM Token Ring网络中最常见的MAU设备，通常提供8个或16个连接端口（称为“ lobes ”），设备通过特殊的屏蔽双绞线（Type 1/Type 2）连接到MAU的端口上。MAU内部通过继电器形成环。

       案例2：堆叠与级联：为了扩展网络规模，多个MAU可以通过其专用的“环入（RI - Ring In）”和“环出（RO - Ring Out）”端口进行级联，形成一个更大的逻辑环。这种设计在大型办公室部署中很常见。

       案例3：容错设计：MAU的一个重要特性是“旁路继电器（Bypass Relay）”。当站点关机、网卡故障或断开连接时，MAU会自动将该端口从逻辑环中旁路掉（短路），确保环的连续性。这提高了网络的可靠性。

       四、 工作流程：令牌传递的精髓

       令牌环网的基本操作流程如下：

       1. 令牌循环：一个空闲令牌（AC字段中T=0）持续在逻辑环上从一个站点传递到下一个站点。

       2. 捕获令牌：当某个站点（设为目标站点A）有数据要发送时，它必须等待令牌到达。一旦收到令牌，站点A首先检查令牌的优先级（PPP位）。如果令牌优先级等于或低于本站点待发数据的优先级，站点A即可“捕获”该令牌。

       3. 发送数据：站点A将令牌帧的T位置为1，将其转换为数据帧的起始部分（SD和AC）。然后，它添加FC、DA、SA、数据、FCS、ED和FS字段，构成完整的数据帧，发送到环上。

       4. 帧传递与接收：数据帧沿着环传递。每个中间站点再生信号并检查目标地址（DA）。如果不是给自己的，则转发；如果是给自己的，则复制帧到缓冲区（同时继续转发），并根据情况设置FS字段中的A位（地址识别）和C位（帧复制）。

       5. 源站回收与释放令牌：数据帧最终会绕环一周回到源站点A。站点A检查FS字段：如果A和C位都被置位，说明目标站点成功接收了帧；如果只有A位置位，说明目标存在但未复制（可能缓冲区满）；如果A位未置位，说明目标地址不存在或站点未激活。无论结果如何，源站点A都负责将该数据帧从环上移除（停止转发）。然后，站点A根据网络负载和优先级机制，生成一个新的空闲令牌（T=0）并立即释放到环上，或者（如果还有高优先级数据要发且令牌持有时间未超限）立即发送下一帧（早期标准允许连续发送多帧，后期标准如802.5通常限制每次捕获令牌只发一帧）。

       案例1：正常数据传输：工作站A需要发送文件给服务器B。A捕获令牌，发送数据帧。帧经过中间站点C、D，它们检查DA不是自己，转发。到达服务器B，B识别地址，复制数据并置A=1，C=1（假设成功复制），继续转发。帧最终回到A，A看到FS中A=1，C=1，知道发送成功，移除帧，释放新令牌。

       案例2：目标站点故障：工作站A发送数据给工作站E，但E已关机。帧绕环一周回到A，A检查FS发现A=0（地址未识别），知道E不存在或不可达，移除帧，释放新令牌。

       案例3：优先级抢占：在关键任务环境中，一个拥有高优先级数据（如报警信号）的站点，即使当前令牌被低优先级站点持有并正在发送数据，它也可以通过设置AC中的RRR位进行“预约”。当当前发送完成，令牌被释放时，新令牌的优先级会被提升到预约的级别，从而让高优先级站点能优先获得令牌。

       五、 关键角色：活动监视器 (Active Monitor)

       为了维护令牌环网的稳定运行，环上必须存在一个特殊的管理站点，称为活动监视器 (AM)：

       1. 选举：当环初始化或检测到当前AM失效时，环上所有站点（具备AM能力的）会参与一个选举过程。通常拥有最高MAC地址的站点成为新的AM。

       2. 核心职责：
令牌维护：确保环上始终存在一个令牌。如果令牌丢失（例如，站点捕获令牌后崩溃），AM负责在超时后清除环并生成一个新令牌。
清除孤儿帧：如果源站点在发送帧后崩溃，未能移除帧，导致帧在环上持续循环（称为“孤儿帧”），AM通过监视帧的AC字段中的监视位（M位）来检测这种情况。AM首次看到帧时，将M位置1；如果再次看到该帧且M位已为1，说明它已循环一周未被源站移除，AM则将其清除。
环延迟补偿：AM负责确保环的总延迟至少能容纳一个完整的令牌帧在环上循环。如果物理环太短（站点少或距离近），AM会插入额外的延迟（通过缓冲区）。
时钟同步：在早期的4/16 Mbps令牌环中，AM作为主时钟源，为环上其他站点（备用监视器）提供定时信号，确保数据传输同步。

       3. 备用监视器 (Standby Monitors)：环上其他站点作为备用监视器（SM）。它们持续监听来自AM的特定控制帧（AMP帧 - Active Monitor Present）。如果在一段时间内未收到AMP帧，SM会发起新的选举。

       案例1：令牌丢失恢复：某个站点捕获令牌后突然断电，未能释放新令牌。活动监视器（AM）在“无令牌计时器”超时后，会发送“清除”帧（Purge Frame）清空环上可能残留的数据，然后生成并释放一个新的空闲令牌。

       案例2：处理循环帧：源站点A发送帧给B后崩溃。该帧在环上持续循环。AM第一次看到该帧时，将其AC字段的M位置1。当该帧第二次经过AM时，AM发现M位已为1，立即将其从环中移除，防止其无限循环浪费带宽。

       案例3：环初始化：当一个新站点插入MAU或环上电启动时，首先会进行“环轮询（Ring Poll）”或“邻居通知（Neighbor Notification）”过程，确定各站点的上游邻居地址（NAUN - Nearest Active Upstream Neighbor），然后选举出活动监视器，环才进入正常工作状态。

       六、 性能优势：确定性、可靠性与公平性

       令牌环网在其鼎盛时期提供了优于早期共享式以太网的关键特性：

       1. 确定性延迟 (Deterministic Latency)：这是令牌环网最突出的优势。由于采用令牌传递机制，站点发送数据的最大等待时间（即最坏情况延迟）是可以计算和限定的。它等于令牌绕环一周的时间（环延迟）加上所有站点发送其最大允许数据量所需时间的总和。这种确定性对于工业控制、实时数据采集（如早期医疗监护设备联网）、金融交易等对延迟敏感的应用至关重要。

       2. 无冲突 (Collision-Free)：令牌机制从根本上消除了以太网中因CSMA/CD机制导致的冲突和冲突域问题。在重负载下，令牌环网的吞吐量不会像共享式以太网那样因冲突加剧而急剧下降，其效率在高负载时通常高于共享式以太网（理论最大利用率接近100%）。

       3. 优先级支持：通过访问控制（AC）字段中的优先级位（PPP）和预留位（RRR），令牌环网可以支持不同优先级的流量。高优先级站点能更快地获得令牌或预约发送权限，保证关键业务数据的及时传输。

       4. 公平性：令牌按顺序传递，每个站点都有均等的机会获得令牌发送数据（在相同优先级下），避免了某些站点在CSMA/CD中可能“饿死”的情况。

       5. 内置错误检测与恢复：如前所述，通过活动监视器、帧状态字段、错误检测位等机制，令牌环网具有较强的错误检测和自愈能力（如处理令牌丢失、孤儿帧、站点故障旁路等）。

       案例1：汽车制造生产线控制：在90年代的自动化生产线中，多个PLC（可编程逻辑控制器）和机器人控制器需要精确同步。采用令牌环网（如基于令牌传递的Profibus或专用令牌环方案）能确保控制指令在确定的时间内送达各设备，避免因网络延迟不确定导致的生产节拍混乱或安全事故。

       案例2：证券交易后台系统：在早期的电子交易系统中，确保交易订单和行情数据在网络拥堵时仍能及时处理是核心需求。令牌环网的优先级机制和确定性延迟，使其成为当时一些关键交易后台网络的选择，保证高优先级交易指令优先发送。

       案例3：大型机连接环境：IBM环境中的大型机（如System/370, AS/400）连接大量终端和控制器时，对可靠性和有序访问要求高。IBM自身的Token Ring产品提供了与这些系统良好的集成性和可靠性，是其早期在企业市场成功的重要因素。

       七、 历史局限与衰落原因

       尽管有诸多优点，令牌环网最终在与以太网的竞争中落败，主要受限于以下因素：

       1. 成本高昂：
硬件成本：令牌环网卡（NIC）和MAU/CAU的价格远高于同期的以太网卡和集线器（Hub）。使用的屏蔽双绞线（如IBM Type 1）也比非屏蔽双绞线（UTP）昂贵且笨重。
安装维护：MAU需要供电，布线要求更严格（阻抗匹配等），配置和管理相对复杂。

       2. 复杂性：令牌环协议本身（如优先级处理、环管理、活动监视器选举和维护）比早期的以太网CSMA/CD协议复杂得多。这使得实现成本高，故障诊断也更具挑战性。

       3. 单点故障风险：虽然MAU的旁路功能提供了站点故障的容错，但活动监视器（AM）本身是一个潜在的单点故障。如果AM失效且选举过程不顺利，整个环会瘫痪。MAU本身故障也会影响多个站点。

       4. 扩展性限制：令牌环网规模受限于令牌绕环一周的最大时间（环延迟）。站点数量增加或距离延长会导致延迟增大，进而影响性能（需要增加令牌持有时间或降低效率）。虽然可以通过设置多个环并用网桥连接，但这增加了复杂性和成本。

       5. 技术演进缓慢：
速率提升慢：IBM Token Ring从4 Mbps到16 Mbps的升级花费了较长时间。而以太网从10 Mbps共享式快速发展到10BASE-T星型、100BASE-TX快速以太网，再到千兆以太网，演进路径清晰且迅速。
交换技术普及滞后：当以太网成功转向交换技术（Switch）后，不仅彻底解决了冲突问题，还提供了全双工通信和更高的带宽。令牌环交换技术虽然存在，但发展缓慢且成本极高，未能形成规模效应。

       6. 市场与生态：
厂商锁定：早期主要由IBM推动，开放性不如遵循IEEE 802.3标准的以太网。众多厂商涌入以太网市场，推动了价格快速下降和技术创新。
规模经济：以太网的巨大安装基数和产业链优势，使得其组件成本持续下降，应用支持更广泛。

       案例1：成本对比：在1990年代初，一块16 Mbps令牌环网卡的价格可能是10 Mbps以太网卡的数倍。一个8端口MAU的价格也远高于一个8端口的10BASE-T Hub。

       案例2：速率竞争：当令牌环在1990年左右推出16 Mbps版本时，10BASE-T以太网（基于廉价UTP）正在快速普及。仅仅几年后（1995年），100BASE-TX快速以太网标准发布并迅速商业化，速度远超16M令牌环，而令牌环向100M（HSTR）和千兆的发展几乎停滞。

       案例3：交换式以太网的冲击：1990年代中期，交换式以太网出现。一台以太网交换机即可为每个端口提供独享带宽、全双工通信、无冲突环境，并且兼容现有大量UTP布线。这直接瓦解了令牌环在性能和确定性上的优势，同时保持了以太网的成本和生态优势。

       八、 令牌环网的遗产与影响

       尽管作为一种主流的局域网技术已经退出历史舞台，令牌环网的思想和技术遗产仍在以下方面持续产生影响：

       1. 确定性网络理念：令牌环网是早期实现确定性网络延迟的成功范例。这一理念深刻影响了后续需要实时性的网络技术发展，尤其是在工业自动化和控制领域（IACS）。

       2. 现代工业网络协议：许多重要的工业以太网协议和现场总线协议，为了满足实时性要求，都借鉴或采用了基于令牌传递或时间调度的介质访问控制机制：
Profibus DP/PA：使用主站轮询或令牌传递（在主站间）机制。
ControlNet：采用并行的时间域多路复用（CTDMA）机制，本质上是确定性的时间片轮询。
基金会现场总线 H1：使用链路活动调度器（LAS）进行调度，类似集中式令牌管理。
EtherCAT、PROFINET IRT、Time-Sensitive Networking (TSN)：虽然基于以太网物理层，但在数据链路层通过精密的调度机制（如时间槽、循环队列）实现确定性的实时通信，其思想与令牌环的有序访问一脉相承。

       3. 无线网络协议：一些无线局域网（WLAN）或无线个域网（WPAN）协议，在协调信道访问时也采用了类似令牌或轮询的机制，以避免冲突并保证服务质量（QoS），例如Wi-Fi中的点协调功能（PCF，虽不常用）或某些Zigbee网络模式。

       4. 环形拓扑的可靠性应用：令牌环网的双环（如FDDI）或自愈环理念，被广泛应用于现代光传输网络（如SDH/SONET, OTN）和城域以太网（如ERPS, G.8032）中，通过环保护倒换（RPR）机制提供高可靠性。

       5. 网络管理概念：活动监视器的角色及其选举、维护机制，体现了分布式系统中领导者选举和状态监控的思想，对理解复杂网络管理有参考价值。

       案例1：PROFINET IRT：西门子等厂商主导的PROFINET工业以太网协议，其IRT（等时实时）版本通过交换机中精确的时钟同步和预定义的时间调度表，在标准以太网上实现了微秒级的确定性通信，用于运动控制等高要求场景，其设计哲学深受令牌环确定性思想启发。

       案例2：光纤通道仲裁环 (FC-AL)：在存储区域网络（SAN）中，光纤通道的仲裁环拓扑（现已较少使用）直接采用了令牌（称为“仲裁环环路主控权”）传递机制来管理对共享环路的访问。

       案例3：SDH/SONET自愈环：现代电信骨干网广泛使用基于SDH或SONET的光纤环。它们通常采用双环结构（内环和外环）。当一处光纤断裂时，环上的节点能快速检测到故障，并在极短时间内（<50ms）将业务切换到保护环路上（类似于FDDI的环回），确保业务不中断。这种高可靠性设计的源头可追溯至令牌环和FDDI的双环思想。

       九、 令牌环网 vs. 以太网：历史性的抉择

       回顾局域网发展史，令牌环网与以太网之争是一场技术特性与成本、开放生态之间博弈的经典案例：

        技术特性：在共享介质时代，令牌环网在确定性、高负载下效率和可靠性方面，理论上优于CSMA/CD以太网。其优先级机制也更适合早期关键业务应用。

        成本与简单性：以太网，尤其是基于UTP的10BASE-T标准出现后，在成本、安装简易性、维护便利性上具有压倒性优势。其协议相对简单，易于理解和实现。

        开放性与生态：IEEE 802.3标准的开放性和广泛采纳，吸引了海量厂商参与，形成了强大的生态系统。而令牌环（尤其是早期）与IBM绑定较深，开放性相对不足。

        技术演进能力：以太网展现了惊人的技术演进和适应能力。它成功地从共享介质过渡到全交换架构，从半双工到全双工，速率从10M、100M、1G、10G、40G、100G乃至更高持续升级，并不断融入新的特性（如VLAN、QoS、PoE）。而令牌环在速率提升（16M之后）、向交换式演进、成本控制等方面都未能跟上步伐。

        市场选择：最终，市场选择了“足够好”（尤其在交换式以太网解决冲突问题后）但成本低廉、部署灵活、生态繁荣的以太网。令牌环网的技术优势在成本壁垒和快速迭代的以太网面前逐渐丧失竞争力。

       这场竞争的结果深刻塑造了现代计算机网络的基础架构，确立了以太网作为事实上的有线局域网唯一标准。

       十、 总结：一项被超越但不应被遗忘的技术

       令牌环网代表了计算机网络发展史上追求确定性和可靠通信的重要努力。其精巧的令牌传递机制、星型环拓扑设计、活动监视器管理以及优先级控制，都体现了早期网络工程师解决共享介质访问难题的智慧。它在特定历史时期，尤其是对实时性和可靠性要求极高的工业控制、金融交易和IBM大型机集成环境中，发挥了不可替代的作用。

       然而，高昂的成本、实现的复杂性、相对封闭的生态以及（最重要的）未能跟上以太网在交换技术和高速率方面的迅猛发展，最终导致了令牌环网的衰落。但它的技术遗产，特别是确定性访问的思想，已经融入现代工业网络协议（如PROFINET IRT, EtherCAT）和电信传输技术（自愈环）的血液中。

       理解令牌环网，不仅是为了回顾一段历史，更是为了理解网络技术演进的逻辑——性能与特性固然重要，但成本、简单性、开放性和持续创新的能力，往往是决定一项技术能否普及并长盛不衰的更关键因素。令牌环网作为一项被超越的技术，其设计理念中的精华部分，仍在以新的形式服务于当今的网络世界。