FDDI接口

定义

FDDI接口是一套面向局域网的接口规范，它规定了站点怎样通过光纤接入一个共享的令牌环网络，以及这种接入所需的帧格式、编码方式和物理连接条件，整套标准与开放系统互连参考模型的分层结构相对应^[1]。接口在逻辑上是个环，但物理上可以由环形、星形或环形星形的接线方式实现；站点按端口能力分为双连接站（DAS）和单连接站（SAS）两类^[3]。标准规定的标称速率为100Mbit/s，能够支持分布在数公里范围内的多个站点互连^[4]。

除光纤之外，后续的标准也允许用铜缆承载同样的信号，这种以双绞线为介质的变体通常被称为CDDI，其物理层规范对应TP-PMD^[1]。在中国，等同采用国际标准的接口规范以GB/T 16678系列国家标准的形式发布，第1至第3部分分别对应物理层协议、媒体访问控制和物理层媒体相关部分^[5]。

原理

FDDI的协议结构由4个相对独立的部分组成：媒体访问控制（MAC）负责令牌处理、寻址、帧生成与校验；物理层协议（PHY）负责编码解码和时钟同步；物理层媒体相关部分（PMD）规定光纤链路、功率电平、误码率与连接器；站管理（SMT）负责站点插入与删除、配置管理、故障隔离和恢复^[6]。上位协议通过IEEE 802.2定义的逻辑链路控制子层与MAC衔接，因此在网络层看来它与以太网等共享介质网络并无本质差别^[1]。

在信号层面，每4位数据被映射为一个5位符号，即4B/5B编码，使线路码元速率为125Mbaud时承载100Mbit/s的有效数据；这样做的目的是保证码流中有足够的电平跳变，供接收端提取时钟^[7]。编码后的码元再用NRZI方式调制到光信号上，100Mbit/s的数据率因而对应公式 $100 \times \frac{5}{4} = 125$ Mbaud 的线路速率^[7]。各站使用各自的本地时钟发送或转发数据，并通过至少10位的弹性缓冲吸收收发时钟的差异^[7]。

介质访问采用定时令牌协议：环上的站点通过声明帧比较各自提出的目标令牌循环时间，取得令牌后即可发送数据，发送结束后立即释放新令牌，无需等待数据帧绕环一周，因此环中可同时存在多个帧^[2]。令牌协议把服务划分为同步服务、受限异步服务和优先级异步服务3类，同步带宽事先分配，异步带宽则按优先级动态占用^[7]。

graph LR

A[站点A DAS] -->|主环 顺时针| B[集中器 DAC]

B --> C[站点C SAS]

C --> B

B --> D[站点D DAS]

D -->|主环| A

D -.->|备用环 逆时针| B

B -.-> A

A -.-> D

双环结构是容错的基础：正常情况下只有主环传送数据，副环处于待命状态，一旦主环上的设备失效或光缆断裂，SMT会把受影响的区间旁路，让数据改由副环绕过故障点，站管理同时利用邻站信息帧确定各节点的相对位置并生成环图^[2]。若网络不需要副环节点作备份，副环也可以承载数据，此时总吞吐量可提高到200Mbit/s^[1]。

发展历程

FDDI的标准化动因可以追溯到20世纪80年代初：当时大型主机与外围设备之间需要一种新型的高速输入输出通道标准，而IEEE P802在1982年已经形成了4Mbit/s令牌环的协议草案，为更高速度的令牌环设计提供了基础，相关工作随后交由ANSI X3T9.5委员会推进^[8]。1986年IEEE Communications Magazine 刊登的教程性文章把FDDI描述为一项拟定中的美国国家标准，采用1300纳米波长的发光二极管光源，数据率为100Mbit/s^[8]。

标准文本是分批完成的：媒体访问控制部分为ANSI X3.139-1987，物理层协议部分为ANSI X3.148-1988，物理层媒体相关部分为ANSI X3.166-1989，站管理部分为ANSI X3.229-1994，双绞线物理层部分为ANSI X3.263-1995，这些文本分别对应ISO/IEC 9314系列的不同部分^[1]。1989年前后描述的FDDI-II版本在原有的分组交换之外增加了电路交换能力，使网络可以承载语音与视频信号^[1]。中国在1996年12月18日发布了GB/T 16678系列国家标准，并于1997年7月1日起实施^[9]。

20世纪90年代中前期是FDDI应用最集中的阶段，1994年前后已有思科系统、美国国家半导体、Network Peripherals、SysKonnect和3Com等厂商提供相关产品^[1]。此后，速率同为100Mbit/s而成本更低的快速以太网出现，1998年以后千兆以太网进一步普及，FDDI装置在局域网中逐步被以太网部署取代^[1]。

应用

FDDI最常见的用途是校园环境中的主干网，这类场景的特点是站点分散在多栋建筑物内，需要较长的传输距离和较高的带宽；由于覆盖范围较大，它有时也被归入城域网的范畴^[2]。典型组网方式是「双环树」：路由器、集中器和文件服务器等基础设施设备双连接在主干环上，普通工作站则通过集中器以单连接方式接入，形成树状分支^[10]。

在航空电子等对实时性和可靠性有要求的领域，FDDI也被研究用作高速数据总线，用于互连系统内部的计算节点^[11]。在协议层面，互联网工程任务组在1989年提出了在FDDI上传输互联网协议的标准草案，并在1990年作了修订，由于它沿用48位MAC地址，地址解析协议等机制可以与其他局域网共用^[1]。

局限

FDDI的默认参数是按1000条物理链路、总长200公里的光纤通路推算的，通常对应500个双连接站点和100公里双光缆，因此它在站点数量和网络直径上有明确的上限，超出后需要调大定时器参数才能支持更大的网络^[4]。单环100Mbit/s的速率在20世纪90年代中后期已不再领先，与同等速率的快速以太网相比，其光纤器件和双环接线带来的成本更高^[1]。

双环要求每个接入设备持续工作，因为环路的物理路径实际上穿过每一台连接设备，标准虽然允许配置光旁路器，但工程上认为这类器件不够可靠，因此工作站等不受网络管理员直接控制的设备不适合直接挂在双环上^[1]。在带宽分配上，受限异步服务占用的带宽无法转给其他站点，未被使用的部分即被浪费；同步带宽则需事先通过站管理协议分配，灵活性有限^[7]。此外，标准定义的最大帧长约4500字节，虽大于以太网的1500字节，但仍不足以改变其作为共享介质网络在负载升高时响应时间变差的总体特性^[6]。

参见

• 令牌环 —— 同样采用令牌传递的环形局域网技术，FDDI的介质访问方式与其有渊源。

• 快速以太网 —— 速率同为100Mbit/s的局域网技术，在成本和部署上取代了FDDI。

• 千兆以太网 —— 速率更高的以太网标准，进一步压缩了FDDI的应用空间。

• 光纤通信 —— FDDI以光纤作为标准传输介质的技术基础。

• 开放系统互连参考模型 —— FDDI各子层划分所对应的分层框架。

• 同步光网络 —— FDDI后期曾研究与它互连的接口标准。