一、令牌怎么转

规则只有一条：有令牌才能发：

第二行那个「改成忙」是关键：令牌本身是一个特殊的帧，改一个比特就从「空闲」变「忙」。 所以「谁在发」这件事，环上所有人都知道——不需要碰撞检测。 第三行「继续往下传」是环的特点： 帧会绕一圈回到发送者，发送者确认「发出去了、也收到了」才放新令牌。 这个动作自带「送达确认」，所以令牌环比以太网更容易做可靠传输。 代价是「绕一圈」的时间：每个站都有 1 个比特的延迟（转发要时间），站越多，一圈越久。 这就是「令牌环的延迟可以算出来」的原因。

二、延迟为什么可算

因为「等令牌」的时间只跟站数有关：

这两列是「空转一圈」的时间：250 个站时，4 Mbps 要 62.5 微秒、16 Mbps 只要 15.6 微秒。 注意这不是「传数据的时间」，纯粹是「令牌绕一圈」的开销。 所以站越多、速率越低，这份固定开销占比越高。 「可算」这件事本身就是价值：因为「最坏延迟 = 环一圈的时间」， 所以「产线控制指令最多晚多少」是可以承诺的。 而以太网的「撞了就退避」没有上界——最坏情况可能等很久。

三、它为什么输

和 FDDI 一样，输在「迁移成本」：

第二行是运维上的差别：环网「一段断全网断」， 虽然令牌环用了「MAU（多站访问单元）」把环做成星型布线，但它仍然是「逻辑环」—— 一个站故障可能把整个环拖垮。 以太网的交换机方案在运维上简单得多：坏一个口只影响一台， 而且「拔了插另一个口」就能定位问题。 所以运维体系成熟之后，以太网的优势越来越明显。 但令牌环的思想没消失： 今天的「TSN（时间敏感网络）」就在以太网上实现「有界延迟」—— 用时间片调度代替令牌，目标还是三十年前那个目标。 所以「输掉的技术」不等于「错的技术」，它的目标常常被后来的技术继承。

四、动手 Demo：令牌环为什么不会撞车

算不同站数下「令牌绕一圈」要多久，再对比「最坏延迟」。 注意这是「空转」的时间，不是传数据的时间。

for n in (10, 50, 100, 250):
    print('%3d 站：4 Mbps 一圈 %5.2f 微秒  16 Mbps 一圈 %5.2f 微秒'
          % (n, n * 1.0 / 4e6 * 1e6, n * 1.0 / 16e6 * 1e6))

for name, worst, why in (('以太网 CSMA/CD', '不确定', '撞了退避，无上界'),
                         ('令牌环', '环一圈', '有确定上界')):
    print('%-14s 最坏延迟 %-8s 原因 %s' % (name, worst, why))

实跑输出：

--------------------------------------------------------------------
令牌环为什么不会撞车
--------------------------------------------------------------------
**令牌环的规矩是「谁拿到令牌谁说话」，所以它根本不会碰撞。**
**代价是「等令牌」——站越多、等得越久。**这个代价可以精确算出来，因为它只跟「站的个数」有关。

  站数     4 Mbps 环一圈 微秒     16 Mbps 环一圈 微秒
  ----------------------------------------------------
  10       2.50                   0.62
  50       12.50                  3.12
  100      25.00                  6.25
  250      62.50                  15.62

**第二列和第三列是「空转一圈」的时间**：
**250 个站时，4 Mbps 要 62.5 微秒、16 Mbps 只要 15.6 微秒。**
**注意这两列都不是「传数据的时间」，纯粹是「令牌绕一圈」的开销。**
**所以站越多、速率越低，这份固定开销占比越高。**
**令牌环的真正优势是「可预期的延迟」**：
  网络                   最坏延迟             原因
  -----------------------------------------------------------------------
  以太网（CSMA／CD）     **不确定**           撞了就退避，最坏情况无上界
  令牌环                 **环一圈的时间**     有确定上界
  令牌环（优先级）       **可再压缩**         高优先级可以预定令牌

**第一行那个「不确定」是工业现场的致命问题**：**产线上的控制指令晚 100 毫秒，可能就是一炉废品。**
**所以令牌环在工厂里活得比在办公室里久**——**办公要的是「平均快」，工业要的是「最坏也够快」。**
**这也是今天「TSN（时间敏感网络）」要解决的问题**：
**在以以太网为基础的前提下，把「最坏延迟」做成有上界的**。
**换了个做法，目标还是三十年前令牌环那个目标。**

每站 1 比特延迟这个假设：意思是「站转发一个比特要花 1 个比特的时间」， 所以 250 个站就是 250 个比特的时间。 4 Mbps 下 250 比特要 62.5 微秒，16 Mbps 下 15.6 微秒。 这个数说明「站数」是令牌环的核心约束：站越多，一圈越久，每个站「等令牌」的平均时间越长。 所以令牌环适合「站数可控」的场景（比如一个车间），不适合「随便加设备」的场景。 「最坏延迟有上界」这件事在工业上是刚需：产线控制要求「指令最晚 10 毫秒内到达」， 而「撞了退避」给不出这个保证。 所以令牌环在工厂里活得比在办公室久。 今天 TSN 要解决的还是这个问题。

30 秒实验

1. 算一下：如果每个站是 2 比特延迟，250 个站 16 Mbps 一圈多久？
2. 想一下：为什么「令牌环的最坏延迟」能算出来，而以太网不能？
3. 查一下 TSN 的时间片调度，看它和令牌环的异同。

常见误区

1. 以为令牌环「更慢」。 重负载下它的效率比以太网高，因为不碰撞。
2. 以为「不会碰撞就没有延迟」。 等令牌也是延迟，而且和站数成正比。
3. 以为「令牌环被淘汰说明思路是错的」。 TSN 还在做同一件事，只是换了实现。

下一节看几个更小众的链路：100VG、光纤通道、HIPPI 等。

• ☐ （本节完，下一节 3.6.5 100VG-AnyLAN）

相关笔记

• FDDI
• 100VG-AnyLAN
• 📚 图解TCP／IP · 索引