1959年 1胃 -- 计 算‘机 学 报 第 1期
局部网络的控制结构基本概念及 BLS*
冯 龙 ，lI
(水电部承利才(电科学研究院) 0
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．
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C0NTR0L C0NSTITUT10N AND BLS- 一 THE NEW
ESSENTIAL C0NCEPTS 0F LAN
Feng Long
tl l itme耐 w Con~ervanep 4Hd HydrodectH~ P⋯ f ReItar曲 ．Miaiatry o|Water Resource B“ Elcc c Po~er)
A bstract A new concept．of b Control Constitution (。c)，is advanced
． The d砒 ere．
rices and relations between CC and M AC from IEEE 802 Standard are discussed
． Control Con—
stitution
，
is a structure logically paralleled with Topological Structure， and their imegration
forms 8 new conc L ，
．
ept of AN Based on CC a reference model for LAN structure analysis is
propc*ed． Another new concept of LAN communication，Bh Length Series(BLS)，is also
advanced． It consist* of Effective，Ineffective。Viewing B“ Length and Bit Length Factor．It
builds the relations among the LAN performance parameters and the communicati0n efficiencv
is indicated by BLS As application of these'Flew concepts．an LAN performance analysis
mod eI k ief m f耐 嘧
．
。
r L
摘景 本文提出和定艾7计算机局部网络的控制结构的基本概念．讨论7
官与 IEEE 802标 堆 的 MAC 的区别和 联 系． 认 为控 制 结构和 拓扑 结构一起 ， 。
组成了局部网络完整的结构概念．以此本文进一步提 出了局部网络的结构分析
参考模型． 它建议 了对局部 网络结构进行考察、技术划分、评估的统一方法．
本文还提出和定艾 了局部同通信的位长度系列概念． 包括有效位长度、无
效位长度、视在位长度和位长度因素．该概念冲通信过程进行 7抽象和划分，建
立 了网络性能参数的普遍联 系．其中位长度因素反映 了通信效率的是小．
最后，本文略述了以上新概念的应用之一：建立 网络性能分析模型．
一
、 引 言
自从有了 IEEE 802国际标准，各国的研究者和工程师就使用读标准中的“媒体访问
’BL$．(sit Length S~tirs)．即位长窿系列新疆念．
本文 1987年 3月 14日啦罩4．
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I抑} 冯 龙：l榻部瞬1络的控制结梅基本概盘及 BLS．" 冀
旌制 (MAc)” 来表述局都网络L中关于舟质访简和通信控制的内容和概念，并由此产生
了一系列含义相近的术语． 同时，也有一些文献从其它角度，使用了诸如‘ 共享技术 、”通
信方式 等等表述．在国内，由于不同的翻译和理解水平，使用的术语就更多一些．随着
局郝网络技术研究的深入，这些概念的使用显示出了一些不是之处．特别在理论分析方
面，Anderson和 Jenson 从三个方面提出了网络拓扑结构的考察方法 ，而对于拓扑结构
以外的部分，就缺乏一个与之对虚的，具有确定内涵的基本概念、术语和考察方法。而
IEEE 802标准中的 MAC，其侧重点是网络实现参考模型的一部分，它描述的是l网鲳中
具体结点上的功能层 ，与 Anderson和 ,Ien$oa把网络作为一个整体来考察不同． 因而，
笔者认为有必要把网络作为一个整体来考察，对拓扑结构以外的部分给出严格的定义和
考察方法 ，以建立起完整的系统概念。
因此，本文试图提出控制结构的新概念，以表述局部网络 中介质访问与通信控翩的基
本内容．并 自此提出一个局部网络的分析参考模型，为网络的系统性考察分析提供新的
方法．
美国学者 W．Stalling博士在其《局部网络技术》一爷中，提出了“位长度 概念．与
传统方法不同，“位长度”从一个新角度研究数据通信问题，为网络性能分析提供了新的手
段．但是，位长度所描述韵内容过于一般化，难于作较为具体的分析．因此，本文从另一
个角度提出”位长度系列”概念，以期为网络性能分析导得一午新途径．
=、控制结构的基本概念
‘ 拓扑结构是计算机局部网络和分布式系统的一个基本问题，采用不同的拓扑结构，对
l它们的系统特性有很大影晌．Anderson 和 ,IeIl$Oa提出了拓扑结构的考寮方法，包含三
方面内容： 一 ，
【1]信息传输策略．它描述信息传输特征，一般分直按传输和间接传输两种．【2】传
输捡制方法． 它描述信息传输韵路由避择问题． 有集申式路径选择或非集中式珞径选
择，以及无路径选择等．【3】传输通路结构．它描述介质连接特性．基本上可分为专用蔼
路与共享通路两类． ‘ ．
局部网 络(下文如不特别说明，均指其通信子网部分)的另一个基本问题是通信过程
控制与网络操作管理．目前对逸一概念，学术界尚未有一个绕一的定义．在各种技术 文
献巾广泛使用着下述术语：访问方式；存取方法；共享技术；通信方式：访问控制技术 等
等．深入考察可以发现，这些术语的具体含义并不确定，而是随着不同的文献及不同使用
场合而变化．作为基本概念，它们都存在着以下三个{习题：‘ u
(1)不够 准 确 和 清 晰，结 果 是 概 念 的 内 涵 不 确 定，在 不 回 场 合有 不 同 的 内
容 ．
(2)不够完备，结果是仅表述了原有概念的部分内容．
例如访问方式．文献中常见的有：广播访阿方式嗣}牌谤向方 ，或命令，响应访问
’多IIl自 tEEnS U2髹准的 M^cJ 隈 何曩后支矗羹详 E-
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， 算 l撬 学 · 报 l989卑
方式 j它1f]可以用来描述周一个网络，都表述为“访问方式 ，但每次表达的内容不同 其
次 它(访问方式)无法完整地描述其全部内容和关系．
；(3)没有确定的分类方法． 不少文献“ 将固定分配、随机分配 集 中控制分配、
分布控制分配、动态分配等，统统 隶属 于访问方式， 内容互相重叠，不 具备互l斥
性．
对于建立在网络拓扑连接之上，解决通信过程控制和网络操作管理的方法和技术 ，应
当具备以下三大部分内容： ．
(1)数据化的信息使用什么方式来访问传输介质，即介质如何来传输或运载数据的
j曰题．它反映了被传输数据与传输介质之间的关系，解决怎样利用介质的问膊．可称之
为“介质访问方式”．按照目前已有的技术，它基本上可分为频分多路复用 (FDM)和时
分多路复用 (TDM)两太类．FDM 为宽带通信，有专用频道技术与频道转换技术之分；
TDM 为基带通信，按照结点闻数据传输是否同步，可分为线路交换 (CBX)和点对点式
(同步复用)，顺序循环式 (准同步复用)，以及广播与准广播式 (异步复用)技术．且前
TDM 多用于数据通信网，FDM 多用于数据、话音、视频综合网．
(2)信道控制权力怎样在结点之间进行分配，也就是结点如何取得介质使用权的问
题．它反映了结点与结点罐 点与信道之间的逻辑关系，解决结点用什么规则来发送或接
收数据的问题．可静之为“通信控j皇0方式 。按照控制行为的性质 有随机性控制和确定
性控制两大类．随机性控制中，常见的有 CSMA／CD、寄存器插入 、时间槽循环等方式 ；
在确定性控制中，有令牌传递、盘城控制、时间l片预约、轮流查询等方式．一般随机性控制
多用于办公环境 ，确定性控制多用于工业环境．
(3)采 用何 种组织结构和办珐，来进行网络实体的物理实现．、 即用什么方 法 和 方
案，支持并实现已选定的介质访问方式与通信控制方式，碚立实用系统的问题． 它犀
映了物理实现与通信控制和介质访问之间的关系，解决最终实现的问题．可称之为 “系
统宴现方法”． 按照实现方案的空间特征，可分之为集中式、分布式和混合式三种． 它
构具体内容，一般包括控翩逻辑实现，故障检测，系统恢复，后 备监 视等方 法和 技
术． ．
由此可见，局部网络中除拓扑结构外的上述内容，是一个具有结构特征的多维关系
集A．．如果说拓扑是网络的 “硬”结构，那么它就应该是网络的 “软 结构． 作为基
本概念，立满足准确性，清晰性、完整性的要求．用 “结构 来描述和限定它的结梅关
系，用 “控制”来描述其行为，是恰当的．因此，本文提出局部网络的 “控髑结 概
念
定义 I．局部网络中传输介质的访问和结点通信的控制 在一个特定系统中的实现
t方法和技术)，叫做该蔚趣两绦系掳的控制结构．控制结构的 内容包括；【1】介质访问
方式．【2】通信控制方式．【3】系统实现方法．
：．-- 三 控 制结构概念与局部网络的结构分析参考模型
控制结构概念从结构的角度，将局部网络中瞬拓士h培梅以外的内容，作了描述与概
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I期 冯 龙：局部网络的控制结构基本概念及 sLs,．
广赍访问方式+[：二：二 r专用频道技术 复用(FDM)卜【频道转换技术 『堂 式(目步TOM) J点到点式 。一
蓝用(TDM)+I j瓯寄循环式(准同步TDM)
【 式c异步 。M L准广播式⋯
r令牌传递式
制 l轮梳查询方式 I
时间片预约式
L主从 式
控制逻辑
网络 管理
差锆幢衡
系统恢复
后备监视
图 3一l 局部网络控制结构的体系结构 图
括，井对自身的体系内容，作了定义和划分．根据控制结构概念的定义，使用图，可以清晰
地表示 出它的内容和分类关系，如图 3-1所示．图 3—1呈三层有向树结构，描述了它的纵
向隶属关系，可称为控制结构的体系结构圈．在该图中，介质访问方式 、通信控制方式 、系
统实现方法，表现为逻辑上的平行关系．
与 Ander son、Jenson提出的拓扑结构的考察方法一样，控制结构概念的提出，为考
察局部网络的控制结构提供了方法和 途径．根据介质访问方式 、通信控制方式 、系统实现
方法三个方面，就 可以对网络控制结构作出有效的描述和评价 ，作为考察方法，其概念是
清晰的，划分是合理的 ，标率是通用的(请参见图 3—1)． ，
控制结构作为考察方法，与 Andersdn Jen'soh的拓朴结构考察方法是同构的，可以
相对应．它们在内容上互不重叠 ，且除了拓朴结构与控制结构外 ，局部网络系统在结构上
不存在其它内容．我们只要将控制结构概念和 Anderson、Jenson 的拓扑结构考察方法
结合起来，就能构成对局部网络整体结构进行分析的统一方法 本文提出一个局部网络的
有向树结构分析参考模型，简称局部网结构分析模型，如图 3-2所示 ，根据该参考模型，即
可对局部网络的各种结构进行全面的分析和评价． 。。
控制结构和拓扑结构，将局部网络从结构上分成了两个部分．它们对各自内容灼描
述与限定，符合完备性和互斥性原则．因此，我们可以从控制结构概念出发，得出下述结
论： 一 、：
拓扑结构描述了局部网络通信介质的拓扑互连关系；控制结构描述了局部网络通信
过程的控制管理关系；二者一起，构成了完整的局部网络系统的结构概念，简称为局部臣I
络结构，如图 3-3所示． ．
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计 算 枫 学 报 1 989年
局部网络结
直接传输
图3-3 局鄙网络结构的示意图
四、控制结构概念与 IEEE 802标准的 MAC
MAC (Medium Access Contro1)，通译介质存取控制(方式)．
在 IEEE 802．1(Revision B，Part A)中，MAC被解释为：“站的一部分，它支持
站的介质送取控制功能。
在 IEEE 802．2(Draft E)中，MAC 被定义为：。它是数据站支持介质送取控制功
能的部份． MAC 子层位于逻辑链路控制子层下面，MAC规程包括构造帧／解释帧数据
单元，执行错误校验，和获得使用基础物理介质的权力o
可以看 出，该定义具有如下特点：
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l期 冯 龙：扁部网络的控铡结构耋本概念及 BLs
(1)主要定义局部网协议模型中介于 LLC (逻辑链路控制层)和 PHY (物理层)之
间的哪部分实体(层)的功能和名称j - ：
(2)直接服务于数据帧的构造和校验．
C3)其癌国琅于结点上的活动．善重规定在结点上进行的操作棚财和功能要求．
由以上三点，可以看出该定义观察问题的角度为：【1】侧重于物理实现的角度．【2】
侧重于局部范围(相对于网络整体而言)的角度．【3】侧重于通信问题的角度．
MAC 的提出 对建立局部网络的通信协议意义重大 它为结点上介质访问的控制
操作问题提供了有效的解决办法．为局部网络的系统设计和产品开发提供了一种规范．
控制结构的概念侧重于方法和技术．它从方法与技术上涉及了 IEEE 802标准 中的
LI C、MAC、PHY和站管理中的有关内容． 如果说 MAC腿务于局部网的 IEEE 802
实现参考模型，那么控制结构的溉念刚服务于局部网络的结构分析参考模型．
控制结构的溉念侧重于系统结构的角度．控和结构不涉及数据的组织与管理，也不
具有通信协议的性质． 而 MAC 则没有在结构上多怍考虑，因此没有自身的结构体系，
也没有建立与外界的结构关系． ，
控制结构概念将局部网络当作一个整体(黑箱)来考察，侧重于系统整体的角度．
网络系统看，[EEE 802的定义明确指出，MAC 是“站的一部分”，它着重描述了结点上
的一部分操作和功能．从网络通信协议上看，MAC仅是局部网络协议模型中间的一层．
而控制结构的概念，丝毫不涉及结点上的具体活动，也不涉及通信协议中的个别层次，宜
是对局部网系统通信控制和管理行为的整体性描述．
综上所述，控制结构概念观察和提出问题所侧重的角度为：【1】方法和技术的角度．
【2】结构的角度．【3】系统的角度．
控制结构概念的提出有利于局部网络的理论分析．它使局部网从结构上分成两个既
互斥又完备的部分，理顺了其中的结构关 系，从而使局部网络的结构分 析模 型 得 以 建
立．
控制结构的概念有利于局部网络的分类． 它实际上提供了一个结构分类方 法 的 雏
形。即可以按不同拓扑结构和不同的控制结掏之间的各种组合来分类。 例如参照图 3-2
为控制结构分类，参照图 3-3探寻局部网络统一的分类方法．事实上，MAC没有提傲 自
己的分类方法，国内外 目前也没有一个系统自 部网络分类方法．
控制结构的概念有利于建立性能模型和进行系统优化．控制结构作为局部网络结构
(树)下的一个子根，向下又拓展出一个树状系统 ，它和拓扑结构(子)根系一起，为使用
系统分解方法来建立模型提供了基础．另外，它也为在局部网络中直用系统优化技术中
的分解协调方法提供了途径．． 。
局部网络不能自行建立和维持运行 ，它必须有一个专门负责通信控制及管理的系统．
从技术和方法的角度看，该系统存在着一个在结构上符合完备性和互斥性的体系．而这
个体系的内容，是介质访问控制方式所无法来完整表达的．而局部网络的控制结构的概
念，却可以做到这一点．完整性是整翩菇梅概念I最突出_韵特点，它表现在：l【l】所表达和
限定的内容是完整的．[2】其自身具有完整的结构体系．【3】作为局部鼹结抽的一部分-
与拓扑结构一起，组成了蔚鲫 殴络完整的结构概念． 。 -
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计 算 机 学 报
五、位长度系列概念
局部网络性能分析的基本参数是数据传输率 和传输延迟时间 D．位长度( ]被定
义为 ：
一 R X D
表示用二进制位来计算的传输延迟的长度．一它发生在特定的两个端点之间，可以
是点对点通信，也可以是一个等效网络．它反映了网络性能的重要特征．过去人们用信
道利用率和正态服务时间法来测量局部网性能，在位长度相等时，所得的结果一样．局部
网性能参数还有：数据长度 L，数据 (L)发送时间 ，数据吞吐率 ，并有：
T — m M
— 一
置 tr + D
纵观局部硼络的通信过程，可以发现它能分解成三个部分：
(1)有效传输．它描述资源子网对通信子鄹的数据传输子过程 是没有延迟的直接
传送，_这种 直接提供 传输 效益 的特 征称为有效 性．
(2)无效传输．它描述传输过程驻留在介质上的子过程 (该过程发生在通信子网)．
此时数据仍在传输，但不提供实际吞吐，用户看不到它的传输效益，这种特征称为无效
性． ．
(3)视在传输．它是观察者从网路外面看到的数据传输过程．包括有效传输子过程
和无效传输子过程． 。．
为了全面和深入的刻划上述通信过程，并在局部网络性能参数间建立统一联系，本文
借用位长度的概念 ，加以引申朝发展，提出“位长度系列”概念．
定义 2 在局部网络中，数据有效传输的特征用有效位长度 (L)来反映．其太小等
于数据速率 (R)与数据发送时间 ( )之积，即 ，
． L— R × T。 - (5．1)
数据无效传输的特征用无效位长度 (9)来反映． 其大小等于数据速率 (R)与数据
传输延迟时间 (D)之积，即 · ．
9一 R × D 一、 (5 2)
数据视在传输的特征用视在位长度 ( )来反映．。其大小等于有效位长度 (L)与无
效位长度 (9)之和，即 一
— L + 9 (5．3)
有效位长度 (L)与视在位长度 ( )之比，叫做位长度因素 ( )． 它反映了有效传输
在视在传辕中所占的大小．即
j
I
s=k
．
(5-4)
上述有娥位长度 (L)、无效位长度 (9)、视在位长度 ( )、垃长度罚索 ( )一起，统
称为位长度系列一 ．． ‘． ll_ l¨ ．
定义中的无效位长度 (9)，虽然在表达式上瓤耀位长膳 聊 相同 但其含义已大大
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1斯 ； 冯 龙 ：局都网络的控制结构基本辊惫及 BI 鲫
不同，在原位长度概念下 ，R和D的作用对网络性能来说都是积极的，它们之间可以互相
弥补，但在无效位长度 (9)的定义中，R和D都是消极的，因此也没有互补作用．
I理 1 位长度系列的对偶概念是广义传输时间．对偶因子为 R．(证明略)
引理 2 位长度圉素 ( )和数据吞吐率 (M)对偶，在R不变时 ， 可作为吖大小的
度量．
证明． 由位长度因素定义
一
L
一 — {： 一一 一 所以ML R R —R ．(5 5) +9 (丁+D) ⋯⋯ 。 ．
位长度系列概念反映了局部网络的通信机制与性能参数的联系，其中位长因素( )反
映了有效通信在视在通信中的比重，乖J用它可以对网络性能模型进行有 效 的 分 析 和 推
导．
六、新概念的应用之 ——建立网络模型
关于局部网络的性能分析模型，目前世界上大部分研究者，均用排队论方法，将网络
看作是由顽客、队列 、服务员构成的随机服务系统．其特点是不涉及通讯子网的内部结
构，包括网络结构的大部分和数据结构．因此，排队模型大都比较简单，只能从理论上做
大致的分析和说明，离砬用实践相差甚远．
有了控制结构概念，我们就可以用系统结构分析的方法来建立模型．首先，将局部网
的资源予网嵇通信 子网拆开，先独立地研究通信子两部分，建立其性能模型．第二，在通
信子网中，分解出拓扑结构与控制结构两个部分，然后按照建模要求，对拓扑结构与控制
结构分别加以处理，得出各自的参数关系和子模型，最后进行叠加与综合，得出完整的胜
能模型．
按照位长度系列概念，我们可以将观察到的通信过程(视在通信)，分解成有效通信与
无效通信两大部分．这也是一种结构分解．局部网络的有效通信部分由它的有效位长度
(L— R X 丁)决定，内容为网络有效数据在网络数据速率下的发送过程． 局部网的无
效通信部分主要 由无效位长度 (9一 R X D)决定 ，其内容包括：(1)由网络拓扑结构引
起的传输延迟．处理的办法是求出其结点间平均延迟．(2)由网络控制结构引起的传输
延迟．包括介质访问延迟、通信控制延迟 、实现方法延迟．在通信过程中分别表现在数据
的传输和响直 、信道控制权力的转移、网络管理等方面．处理的办法是分门剐类，单项计
算．(3) 网络数据结构引起的传输延迟．即各种帧结构中的附加位传输延迟．
对上述参数分别处理后，和用位长度因素 ( )，就可以推导出一种新型的局部网数据
吞吐性能模型．作者已经建立了令牌总线 (IEEE 8D2 4)、准广播式令牌环(IEEE 802．5)、
顺序流式令牌环的性能分析模型，并进行了比较研究，得 出了相应的结论．该模型有三
个特点：
(1)与应用环境一致．该模型建立在先有结点分布的条件下，这与实际情况一样．
(2)模型结构化．模型中的参数均唯一对应网络结构和数据结构 中的相应内容．
【3)模型具有可比性．并且 ，可以量化．
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计 算 机 学 报 19e9单
在车谦翘研究过程中，曾得到国家经济信息中心窦永平工程师很多帮助与指导；球剃承电科学研究院1土毒林，白
建国、能源部信息 中心异力等同志也给予了热情协作．1谭此致谢．
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参 考 文 献
冯龙，局部网络的两个新概念和令牌总线令牌环可比性能模型扣探 ，第三届圭直微程序设计匍井布式系绕学术
金 议 ，桂林 ， 【98 7
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