电网监控与调度中局域网信息传输控制技术方法

    在局域网中，各个节点仍共享网络的公用信道，当不止一个节点同时要发报时就会发生冲突。协调节点之间争用信道的方法可分为两类，一类是竞争（有冲突）型信道访问方法；另一类是无冲突型信道访问方法。

   (1)竞争型信道访问方法。局域网采用总线形式，各个节点竞争抢占总线发送信息方式，因此存在几个节点可能同时要求占用总线的冲突。为了解决这个矛盾，采用载波侦听多重访问(Carrier Sense Multiple Access) CSMA方法，即采用“先听后发”的办法，每个用户在发送信息之前必须监听这时信道是否空闲。如信道正为其它用户服务，就不能发送信息。若总线处于空闲状态，则可立即发送信息。这样可减少冲突，提高信息传输的准确率。

    先听后发还不能完全避免冲突。因为信号的传播总是需要时间的。假设节点之间的传播时延为τ，则从报文开始发送，要经历时间τ之后才能为另一节点收到。假如总线一端的节点在检测到总线空闲后发送信息，在信息未到达总线另一端之前，距离较远的节点仍可能由于检测总线为空闲而发送信息。可见在一个节点发送信息之后，即使采用CSMA方法，在开始的时间段内仍有可能发生冲突。接收端在接收到信息报文后将对其正确性进行检测，若无错误，则回送确认应答，如发现差错就不予回答。发送端在收到对方确认应答后，则准备下一个分组（若存在）的发送，并监听总线是否空闲。如果超时未收到确认回答，则将在监听总线空闲后，重新该信息分组。由于信息发送冲突将造成差错，因此避免冲突显得很重要。

    设节点之间的传播时延为τ，发送一个信息分组需时间T，时间比为τ/T=a，则CSMA方法保证不发生冲突的几率为(T-τ)/T =1-a，显然a越小，保证不发生冲突的几率就越大。由于局域网中传输的距离不远，传播时延不大，因而使用CSMA方法时保证不发生冲突的比率可以比较大。

    为了进一步提高信道利用率，可以采用“边发送边监听”的方式，即CSMA/CD冲突检测方法(Collision Detection)方法。

    在CSMA方法中，当发生冲突时，冲突的报文仍继续发送．直到将报文全部送完，这样白白地浪费了时间。如果报文比较长，浪费就很大。为了克服这一缺点，增设“冲突检测”，成为“边发边听”，即CSMA/CD方式。采用这种方式时发报前对信道的监听情况与CSMA相同，但在发送报文的过程中还进行冲突检测。一旦发现冲突．立即停止发送，这就节省了时间，提高了信道的利用率。

    冲突检测一般是将发送的信息与从信道上回收的信息进行比较，检查两者是否一致．借以判断是否发生了冲突。在CSMA/CD方法中，因冲突而浪费的时间减少到基本上等于检测发现冲突所需的时间，网络的效率比较高，因而CSMA/CD方式在局域网中获得广泛应用。如以太网(Ethernet)就是采用这种方式。

    以太网采用总线结构，信道介质采用具有分接头的基带同轴电缆，信息传输速率为10Mbit/s。总线每段长度一般不超过500m，以免信号在信道中的传播时间太长或衰减太大。若有需要时可经中继器再增加一段或几段，但两个最远点之间的距离不得超过2500m。

    以太网的信息发送工作过程为：当某节点有报文要请求发送时，先要监测总线是否空闲，只有在信道空闲时才能发送。在发送过程中仍对信道进行监听，如发现有冲突就发一个简短的干扰码以加强冲突再停止发信，然后推迟一段随机时间继续监测信道。发报过程中如无冲突，在规定的时间内收到对方的肯定性应答ACK，就结束此次通信，否则再监测信道，重复上述过程。

    以太网的每个工作站都由计算机、以太网接口控制器和收发器等组成，在结构上主要可分为物理层与数据链路层，与ISO网络模型中的最低两层相对应。高于数据链路层的整个网络结构的层次都称为用户层。

    数据链路层又可划分为数据包装和链路管理两个子层。数据包装子层的主要功能是：划分信息帧、对源地址和目的地址的处理以及差错检测等。链路管理子层的主要功能是：分配信道（避免冲突）、对冲突的处理等。

    数据链路信息的帧格式由5个字段组成，即：目的地址、源地址、帧类型、数据以及32位的帧校验序列。

    物理层的逻辑功能规定了以太网的基本物理特性，如数据编码、定时、电压电平等。物理层实现的主要功能有：信道访问（如载波识别、冲突检测、发送和接收）以及数据编码等。

   (2)无冲突型信道访问方法。在局部网络中，为了不发生冲突而又能有较高的信道利用率，可以采用按需要分配信道的原则。令牌(Token Passing)方式就属于这样一种控制方法。令牌实质上就是发信许可证。局部网络中有令牌在巡回，要发报的节点必须获得令牌，否则无权发信，运用令牌来控制发信可以避免冲突。以环形网络为例，如图6-27所示。

    图6-27    环形局部网络

    其中P1、P2、P3、P4是环网接口机，其功能为接收环上游接口机发来的信息，并向下游接口机发送信息。接口机中设置有缓冲器，用于存储、转发信息。

    在环形网络中，各节点沿着物理环形分布，并通过接口机构成环网相接。令牌是网中唯一的发送权标志，例如以一个8位模式11111110作为令牌，令牌环形网工作时令牌沿着物理环单方向依次逐点传送。各节点的接口都能识别令牌。无报文要发送的节点在令牌到来时只需原封不动地转给下一个节点。要发送报文的节点则必须等待今牌的到来，当令牌经过该节点时就将令牌模式从“空”令牌（本例中为11111110）改成“忙”令牌（本例中为11111111），随后就发送数据帧，帧长不限。只有空令牌才是发送权的真正标志，忙令牌则表示发送权已被占用，并指出随后跟的是数据帧。由于信道上已无空令牌，其它节点不再有发送权，故不会出现冲突。

    获得发送权的节点所发送的数据帧附带“忙”令牌沿着物理环逐个节点传送。每个节点识别帧中的目的地址，如不是指向本站，就把经过的数据帧和“忙”令牌转送给下一个节点；如指向本站，则将该数据帧复制存入缓存器，同时在帧中写入反映接收情况的应答信息，再把它转发给下一个节点。这帧沿环返回到源节点时，发送站根据带回的应答信息可以了解接收情况，最后把已完成任务的返回帧从环上撤走。以图6-28的站间通信过程为例：若工作站1发给站3信息，首先将对方地址和信息送至本站对应的接口机P1；P1机按规定格式形成一个数据帧，称为“成帧”；当P1站从环上得到Token Passing“空”令牌后，P1站即把“空”令牌改为“忙”令牌连同数据帧一起发到环上；信息在环上按顺时针（或逆时针，只允许一种方向）传输，P2站在接收到数据帧后，先核对地址，认为不是本站地址，于是将信息转发P3；P3站在接收信息后，核准终点地址为本站，即对该数据帧进行误码检测，无误后数据送往工作站3，并在状态位中标注确认信息，之后再传给P4；P4再传给P1；P1从状态位上得到确认应答，认为信息已被可靠接收，从而从缓冲器中撤消该信息，并将“忙”令牌改为“空”令牌并传给P2，完成一次信息传送。在网络中，各个接口机轮流得到Token令牌，若有信息发送则进行发送，若没有则需将“空”令牌传至下一个节点，不得独占。只有得到“空”令牌的接口机才有权发送信息，如果有多个信息帧需发送，则一次只能发一个帧，或一次发送不成功，只能等下一个“空”令牌到达后再进行。

    发送站可以采用下列任一种方法来发送新令牌，以便将发送权转给下一个节点。

   1)发送完一帧后随即发送一个新的空令牌。

   2)发送完一帧后忙令牌已环绕一周返回本站，这时才发送新的空令牌。

   3)发送完一帧，待该帧循环一周返回本站，并全部回收之后才发新的空令牌。

    在令牌的传送过程中，可能会因受到干扰等原因出现令牌丢失或忙令牌不停地传送未被撤消等情况，因此可以设置一个节点进行监控。当忙令牌经过监控节点时就给它加上一个标志。如果下一循环还是这个忙令牌又通过监控节点，说明源节点未把令牌状态改变。因此监控节点检查到第二次已出现过的忙令牌时，便将该报文从环上撤走，并发送一个新的空令牌。为了监视令牌是否被丢失，监控节点中设有定时器，当忙令牌或空令牌经过时就启动定时器，从零开始计时，正常情况下空令牌或忙令解不断出现，定时器不会超时。加令牌丢失，定时器就会超时，于是监控节点就可以给环重新设置一个空令牌。

    以总线形式组成的网络也可设置令牌，其工作原理与环形网令牌相似，节点只有获得空令牌后才有权发送数据。总线令牌与环网令牌的主要差别在于环网中的令牌是沿着环路按节点的物理位置逐点传送，而总线中的令牌则是以广播方式按各节点的逻辑次序依次传送。逻辑次序可以和物理次序不同。每一个站都明确在它之前和之后的站的标识，形成一个虚的“环”，各站以逻辑次序传送令牌。

    当节点获得令牌时它就在指定的一段时间内控制信道，可以发送报文，询问别的站或接收响应等。当该站做完了要做的工作或者分配的时间结束，就将令牌传给按逻辑顺序的下一个站，于是下一个站就控制总线，开始工作。

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