当前位置：首页 > news >正文

【随机访问介质访问控制-3】为什么工业控制网不用 WiFi？令牌传递协议：无冲突通信流程 + 对比表全解！

news 2025/11/4 11:57:52

同样是共享信道，为什么家里的 WiFi 用 CSMA/CA “抢着发”，而工厂的工业控制网却要 “按顺序发”？甚至搞不懂 “令牌” 到底是什么，为什么它能让网络完全不冲突？这篇文章会用 “会议室轮流用话筒” 的比喻，把令牌传递协议的 5 步工作流程讲透，再用两张对比表理清它和随机访问协议的核心差异 —— 考试常考的 “轻 / 重负载性能”“公平性” 考点，这里全标好了！

一、先搞懂：令牌传递的核心逻辑 ——“谁拿到话筒谁说话”

随机访问协议（比如 CSMA/CD、CSMA/CA）像 “没人管的会议室”，大家靠 “抢话筒” 通信，难免冲突；而令牌传递协议是 “有主持人的会议室”，靠一个特殊的 “话筒（令牌）” 控制发言顺序，从根本上杜绝冲突。【集中控制-循环发送】

它的核心规则就 3 条：

令牌是唯一 “发言许可”：网络里只有一个 “空闲令牌”（不携带数据的控制帧），像话筒一样在站点间循环传递；
只有持令牌者能发言：站点有数据要发，必须等令牌传到自己手上，才能 “拿起话筒说话”；
发完就把话筒传下去：数据发完后，站点会生成新的空闲令牌，继续传给下一个站点，保证循环不中断。

二、令牌传递工作流程：5 步走完 “从拿话筒到传话筒”

以 “令牌环网”（逻辑上是环形结构）为例，整个流程就像会议室里 “轮流发言”，分 5 个关键步骤，每一步都能用 “话筒比喻” 对应：

1. 网络空闲：话筒在循环 “找发言人”

实际流程：网络里没有数据传输时，只有一个 “空闲令牌” 在环形拓扑中循环传递，从一个站点传到下一个站点。
话筒比喻：主持人拿着空闲的话筒，沿着会议室座位依次问 “谁要发言？”，没人发言就继续传。
关键细节：此时令牌状态为 “空闲”，任何站点只要有数据，都能 “接住话筒”。

2. 捕获令牌：有数据的站点 “接过话筒”

实际流程：假设站点 A 有数据要发，当空闲令牌传到 A 时，A 会 “捕获令牌”，并把令牌状态从 “空闲” 改为 “忙”，再把要发送的数据帧附加在 “忙令牌” 后面，形成一个完整的 “数据 + 忙令牌” 帧。
话筒比喻：A 听到主持人递话筒，立刻接过，同时告诉所有人 “话筒现在被我用了（忙）”，然后把要讲的内容（数据）附在话筒后面，说出来。

3. 传递与接收：数据帧 “绕圈找接收人”

实际流程：“数据 + 忙令牌” 帧会沿着环形结构，从 A 传给下一个站点 B，再传给 C…… 每个站点都会接收并转发这个帧：
- 如果站点的地址和数据帧的 “目的地址” 不匹配（比如 B 不是接收方），就只转发，不处理。
- 如果地址匹配（比如 C 是接收方），C 会复制数据帧里的内容，同时在帧头设置 “已复制” 标志，再继续转发。
话筒比喻：A 说完话后，把话筒（带内容）传给 B，B 听了发现不是说给自己的，就传给 C；C 听到是说给自己的，记下来内容，再传给下一个人。

4. 移除数据：发送方 “收回自己的内容”

实际流程：“数据 + 忙令牌” 帧绕环一圈后，最终会回到发送方 A；A 会检查帧头的 “已复制” 标志，确认 C 已经收到数据，然后把数据帧从环上 “移除”（不再转发）。
话筒比喻：话筒（带内容）绕会议室一圈回到 A 手里，A 确认 C 听到了，就把自己说的内容从话筒上删掉，避免内容重复传递。

5. 释放令牌：把 “空闲话筒” 传给下一个人

实际流程：A 移除数据后，会立即生成一个新的 “空闲令牌”，并把它传给下一个站点（比如 B）；此时 B 如果有数据，就能捕获令牌开始发送，没有就继续传递。
话筒比喻：A 把话筒清空，恢复成 “空闲状态”，传给 B，主持人的 “轮流发言” 流程继续。

三、令牌传递协议的 4 大特点：优势、缺点全说透

令牌传递的 “按顺序通信” 模式，决定了它有独特的优劣势，尤其和 “抢话筒” 的随机访问协议对比时，差异特别明显：

1. 最大优势：完全无冲突，公平性 100%

无冲突：因为只有一个令牌，同一时间只有一个站点能发数据，像会议室里 “同一时间只有一个人说话”，根本不会出现 “抢话冲突”；
绝对公平：令牌按固定顺序传递，每个站点都能 “轮到”，不会出现 “某个人一直抢话筒” 的情况 —— 这对工业控制网很重要，比如生产线的每个设备都需要平等的通信机会，不能有优先级失衡。【每个站点都有平等的机会获得信道访问权。】

2. 性能和负载的 “反常识” 关系：轻负载差，重负载强

这是考试高频考点，一定要记清：

轻负载时效率低：比如会议室里只有 1 个人有话要说，还是得等令牌绕环一圈才能拿到话筒 —— 即使没人抢，也要浪费 “传话筒” 的时间，导致延迟变大、效率变低；
重负载时效率高：如果 10 个站点都有数据要发，令牌传递能让大家 “有序轮流发”，信道利用率接近 100%；而随机访问协议（比如 CSMA/CD）会因为 “抢话冲突”，效率急剧下降（冲突越多，浪费的时间越多）。【性能优于随机访问协议】

3. 最大缺点：可靠性依赖 “令牌” 和 “环结构”

令牌丢了会瘫痪：如果令牌在传递中丢失（比如某个站点故障没转发），整个网络就没了 “发言许可”，所有站点都发不了数据 —— 需要复杂的 “令牌恢复机制”（比如超时后重新生成令牌）；
单点故障影响全局：环形结构中，只要一个站点故障（比如 C 坏了），令牌就传不过去，整个环就断了 —— 实际应用中会用 “星型环形拓扑”+“MSAU（多站访问单元）”，故障站点会被自动 “旁路”，避免全网瘫痪。

4. 适用场景：工业控制、实时性要求高的网络

正因为 “无冲突”“重负载效率高”“公平性强”，它特别适合这些场景：

工业控制网（比如生产线设备通信）：设备需要实时、稳定地传数据，不能有冲突导致的延迟；
实时通信网络（比如医疗设备、交通信号控制）：对数据传输的 “确定性” 要求高，必须知道 “什么时候能发数据”，不能靠 “抢”。

四、重点：两张表厘清 “令牌传递 vs 随机访问”

这是考试最常考的对比内容，一张表分清核心差异，另一张表总结所有 MAC 协议的适用场景：

表 1：令牌传递（轮询访问）vs 随机访问（如 CSMA/CD）

对比维度	随机访问协议（CSMA/CD 为例）	令牌传递协议（轮询访问）
控制方式	分布式（无主持人，靠站点自己判断）	集中式 / 分布式协调（有 “令牌主持人”）
冲突情况	存在冲突，需检测 / 避免	完全无冲突
轻负载性能	延迟小、效率高（不用等令牌）	延迟大、效率低（要等令牌传递）
重负载性能	冲突多、效率急剧下降	有序传输、效率接近 100%
公平性	不能保证（可能某站点抢话多）	绝对公平（按顺序轮流）
核心依赖	冲突检测 / 避免机制	令牌和环形拓扑

表 2：常见 MAC 协议适用场景总结

协议类型	核心优势	适用场景
纯 ALOHA	实现简单	历史参考（现已不用）
时隙 ALOHA	比纯 ALOHA 利用率高	卫星通信（时间同步容易实现）
CSMA/CD	有线环境冲突检测高效	传统半双工以太网（如早期网线网络）
CSMA/CA	无线环境冲突避免	WiFi（802.11 无线局域网）
令牌传递	无冲突、重负载效率高、公平性强	工业控制网、实时通信网络（如生产线）