1.2 介质访问控制MAC
1.2.1 网络拓扑结构
网络的拓扑结构是指网络中各节点的互联形式。在局域网（Local Area Network，LAN）中，常见的拓扑结构有星形、树形、环形、总线形等，如图1-10所示。
图1-10 网络的拓扑结构
① 星形结构。其连接特点是每个节点点对点连接到中心站，节点间的通信必须经过中心站，这样的连接便于系统集中控制、易于维护且网络扩展方便，但这种结构中心站的任务繁重，而每个节点的通信处理负担很小，要求中心站必须具有极高的可靠性，否则中心站一旦损坏，整个系统便趋于瘫痪，对此中心站通常采用双机热备份，以提高系统的可靠性。几台计算机通过HUB相互连接的方式就是典型的星形拓扑结构。
② 树形结构。其传输介质是不封闭的分支电缆，网络适应性强。可认为是星形拓扑或总线形拓扑的扩展形式，用多接点并联连接的接线盒取代星形结构的中心节点。一个站发送数据，其他站都能接收。因此，树形拓扑也可完成多点广播式通信。
③ 环形结构。通过网络节点的点对点链路连接，构成一个封闭的环路。信号在环路上从一个设备到另一个设备单向传输，直到信号传输到目的地为止。每个设备只与逻辑或空间上与它相连的设备链接，信号只能单向传输。如果N+1端需将数据发送到N端，则几乎要绕环一周才能到达N端。
这种结构容易安装和重新配置，接入和断开一个节点只需改动两条连接，可以减少初期建网的投资费用；每个节点只有一个下游节点，不需要路由选择；可以消除端用户通信时对中心系统的依赖性，但某一节点一旦失效，整个系统就会瘫痪。
由于多个节点共享环路，需要某种访问控制方式。
④ 总线形结构。总线形结构在LAN中使用最普遍，连接布线简单、扩充容易、成本低廉，如图1-10（d）所示。其连接特点是端用户的物理媒体由所有设备共享，各节点地位平等，无中心节点控制。总线上一个节点发送数据，所有其他节点都能接收。总线拓扑可以发送广播报文。某个节点一旦失效不会影响其他节点的通信，但使用这种结构必须解决的一个问题是确保端用户发送数据时不能出现冲突。每次只能由一个节点发送信息，要确保各节点发送数据时不能出现冲突，网络可以广播发送。
1.2.2 传输介质
传输介质也称为传输媒质或通信介质，是指通信双方用于传输彼此信息的物理通道，通常分为有线传输介质和无线传输介质两大类。有线传输介质使用物理导体，提供从一个设备到另一个设备的通信通道；无线传输介质通常使用超短波、微波，在空间广播传输信息。在工业控制网络中常用的有线传输介质为双绞线、同轴电缆和光缆等，其外形分别如图1-11所示。
图1-11 常用的传输介质
（1）双绞线
双绞线是目前最常见的一种传输介质，用金属导体来接收和传输通信信号，可分为非屏蔽双绞线（Unshielded Twisted Pair，UTP）和屏蔽双绞线（Shielded Twisted Pair，STP）。
每一对双绞线由绞合在一起的相互绝缘的两根铜线组成。把两根绝缘的铜线按一定密度绞合在一起，可降低信号干扰的程度，每一根导线在传输中辐射的电波也会被另一根导线上发出的电波抵消。
屏蔽双绞线有较好的屏蔽性能，所以也具有较好的电气性能，价格较贵。
把多对双绞线放在一个绝缘套管中便成了双绞线电缆，如局域网中常用的5类、6类、7类双绞线就是由4对（非屏蔽）双绞线组成的，较为低廉，所以目前双绞线仍是企业局域网中首选的传输介质。
双绞线既可以传输模拟信号又可以传输数字信号。对于模拟信号，每5～6km需要一个放大器；对于数字信号，每2～3km需一个中继器。
（2）同轴电缆
如图1-11所示，同轴电缆分为四层。内导体是一根铜线，铜线外面包裹着泡沫绝缘层，再外面是由金属或者金属箔制成的导体层，最外面由一个塑料外套将电缆包裹起来。其中铜线用来传输信号；网状金属屏蔽层一方面可以屏蔽噪声，另一方面可以作为信号地；绝缘层通常由陶制品或塑料制品组成，它将铜线与金属屏蔽层隔开；塑料外套可使电缆免遭物理性破坏，通常由柔韧性好的防火塑料制品制成。这样的电缆结构既可以防止自身产生的电干扰，也可防止外部干扰。
经常使用的同轴电缆有两种：一种是50Ω电缆，用于数字传输，由于多用于基带传输，也叫基带同轴电缆；另一种是75Ω电缆，多用于模拟信号传输。
常用同轴电缆连接器是卡销式连接器，将连接器插到插口内，再旋转半圈即可，安装十分方便。T形连接器（细缆以太网使用）常用于分支的连接。
同轴电缆的数据传输速度、传输距离、可支持的节点数、抗干扰性能都优于双绞线，成本也高于双绞线，但低于光缆。安装相对简单且不易损坏。
（3）光缆
光导纤维是目前最先进、最有效的传输介质，用于以极快速度传输巨大信息的场合。它是一种传输光束的细微而柔韧的媒介，简称为光纤。在它的中心部分有一根或多根玻璃纤维，通过从激光器或发光二极管发出的光波穿过中心纤维来进行数据传输。光纤有以下特点。
① 抗干扰性好。光缆中的信息是以光的形式传播的，由于光不受外界电磁干扰的影响，而且本身也不向外辐射信号，所以光缆具有良好的抗干扰性能，适用于长距离的信息传输以及要求高度安全的场合。
② 具有更宽的带宽和更高的传输速率，且传输能力强。
③ 衰减少，无中继时传输距离远。这样可以减少整个通道的中继器数目，而同轴电缆和双绞线每隔几千米就需要接一个中继器。
④ 光缆本身费用昂贵，对芯材纯度要求高。
在使用光缆互联多个小型机的应用中，必须考虑光纤的单向特性。如果要进行双向通信，就应使用双股光纤，一个用于输入，一个用于输出。由于要对不同频率的光进行多路传输和多路选择，因此又出现了光学多路转换器。
光缆连接采用光缆连接器，安装要求严格。如果两根光缆间任意一段芯材未能与另一段光纤或光源对正，就会造成信号失真或反射；如果连接过分紧密，则会造成光线改变发射角度。
1.2.3 介质访问控制
不管采用总线结构还是环形结构的网络，网络设备共享传输介质，为解决在同一时间多个设备同时争用传输介质的问题，介质访问控制（MAC）起到关键作用。
IEEE 802系列标准是IEEE 802 LAN/MAN 标准委员会制定的局域网、城域网技术标准，其组成及相互关系如图1-12所示。其中最广泛使用的有以太网、令牌环、无线局域网等。
图1-12 IEEE802协议及内部各标准间的关系
IEEE 802.3 ：以太网介质访问控制协议 （CSMA/CD）及物理层技术规范。
IEEE 802.4 ：令牌总线网（Token-Bus）的介质访问控制协议及物理层技术规范。
IEEE 802.5 ：令牌环网（Token-Ring）的介质访问控制协议及物理层技术规范。
（1）CSMA/CD
载波监听多路访问/冲突检测（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection，CSMA/CD）是一种分布式介质访问控制协议，IEEE802.3是载波侦听多路访问局域网的标准。
这种传送方式允许网络中的各节点自由发送信息，但如果两个以上的节点同时发送信息则会出现线路冲突，采用CSMA/CD方式处理。
每个站在发送数据帧之前，首先要进行载波监听，只有介质空闲时，才允许发送数据帧。如果两个以上的站同时监听到介质空闲并发送帧，则会产生冲突现象，会使发送的帧都成为无效帧，发送随即宣告失败。每个站必须有能力随时检测冲突是否发生，一旦发生冲突，则应停止发送，然后随机延时一段时间后，再重新争用介质，重新发送帧。网中的各个节点都能独立地决定数据帧的发送与接收，采用点到点或广播式通信。
CSMA/CD先听后发、边听边发、冲突停止、随机延迟再发，好像在一个无人主持的讨论会上，一群有礼貌的人们在讨论问题，没有主持人大家也都能有序发言。也像是在车辆少时的交通路口，只有黄灯闪烁，车辆也能有序通行。
CSMA/CD控制方式原理比较简单、技术上容易实现；网络中各工作站处于平等地位，不需集中控制，不提供优先级控制；但在网络负载增大时，冲突概率增加，发送效率急剧下降；因此CSMA/CD控制方式常用于总线型网络、且通信负荷较轻的场合。
（2）令牌网
这种传送方式对介质访问的控制权是以令牌（TOKEN）为标志的：只有得到令牌的节点才有权控制和使用网络，物理拓扑可以是总线形网络也可以是环形网络结构。IEEE802.4是总线令牌网的标准，IEEE802.5是环形令牌网的标准。
令牌传送实际上是一种按预先的安排让网络中各节点依次轮流占用通信线路的方法，传送的次序由用户根据需要预先确定，而不是按节点在网络中的物理次序传送。
令牌网是一种有规划、有控制、有组织的网络，当出现下列情况时节点必须交出令牌：①本节点已发完要发送的数据；②本节点根本没有数据要发；③令牌持有最大时间限制到。
维护令牌是网络上所有节点的责任，与令牌相关的必不可少的处理包括：节点的自由上/下线，令牌传递，令牌丢失处理等。令牌网与CSMA/CD网的比较见表1-2。
表1-2 令牌网与CSMA/CD网的比较
（3）主从方式
严格讲，主从方式是在网络的更高层定义的，但表现在对介质的访问特点时，网络中的主站周期性地轮询各从站节点，被轮询到的从站向主站汇报状态、接受主站控制，从站节点一般不会主动发出信息。这种方式适用于星形网络结构或具有主站的总线型网络拓扑结构。
Modbus网络和PROFIBUS-DP主从结构均按照这种方式工作，也按照这种方式对介质访问进行控制。
（4）CSMA/NBA
CAN总线对MAC访问控制采用“优先级仲裁”机制，即带非破坏性逐位仲裁的载波侦听多址访问（Carrier Sense Multiple Access/ Nondestructive Bit-Wise Arbitration，CSMA/NBA），这是一种与上述三种方法都截然不同的做法。
CAN协议规范定义总线数值为两种互补的逻辑数值之一：“显性”（逻辑0）和“隐性”（逻辑1）。任何发送设备都可以驱动总线为“显性”，当同时向总线发送“显性”位和“隐性”位时，最后总线上出现的是“显性”位，当且仅当总线空闲或发送“隐性”位期间，总线为“隐性”状态。
在总线空闲时，每个节点都可尝试发送，但如果多于两个的节点同时开始发送，发送权的竞争需要通过11bit标识符的逐位仲裁来解决。
标识符值越小，优先级越高，标识符值小的节点在竞争中为获胜的一方。这种机制不同于以太网，总线上不会发生冲突，竞争中获胜的节点可以继续发送，直到完成为止。