第三章-局域网(1)

1、计算机通信网络计算机通信网络2016年秋季学期年秋季学期第三章第三章 计算机局域网计算机局域网3.1 概述概述3.2 局域网的拓扑结构局域网的拓扑结构3.3 IEEE 802标准与模型标准与模型3.4 局域网的介质访问控制方法局域网的介质访问控制方法3.5 以太网以太网3.1概述一、什么是局域网电气电子工程师协会（IEEE）的局部地区网络标准委员会曾提出如下定义：“局部地区网络通信一般被限制在中等规模的地理区域内（10km以内），是专用的，由单一组织机构所使用。” 二、局域网的特点1、覆盖的地理范围小，其范围不超过10km。2、数据传输速率高，通常为Mbps（每秒兆位）数量级。3、通常属于某一

2、个部门所有。4、便于安装和维护、可靠性高,误码率低。5、结构灵活、建网成本低。6、局域网协议简单：协议只涉及通信子网的内容，其协议模型只包括OSI参考模型的下三层。介质访问控制机制很复杂，所以把局域网的数据链路层分为逻辑链路控制子层LLC子层和介质访问控制子层MAC子层。 CSMA/CD方法发展的背景ALOHA网 基本设计思想：随机访问控制技术 各站随机发送数据包； 利用应答来确定发送是否成功；随机发送；冲突（collision）；后退延迟（backup）：性能分析： P = 0.18 N No od de e 1 1N No od de e 2 2N No od de e n nN Ne e

3、t tt tt tt tt t冲冲 突突成成 功功时间片（slot）；随机发送；冲突（collision）；后退延迟（backup）：性能分析：分组发送成功概率P; P = 0.37;Node 1Node 1Node 2Node 2NodeNodeNetNett tt tt tt t冲 突冲 突成 功成 功3.2 局域网的拓扑结构匹配电阻总线网总线型拓扑结构总线型拓扑结构所有的节点都直接连接到一条作所有的节点都直接连接到一条作为公共传输介质的总线上，为公共传输介质的总线上，节点通过总线发送或接收数节点通过总线发送或接收数据，但一段时间内只允许一据，但一段时间内只允许一个节点利用总线发送数据。个

4、节点利用总线发送数据。 优点：优点：结构简单，实现容易；易结构简单，实现容易；易于安装和维护；站点入网灵于安装和维护；站点入网灵活。活。 缺点：缺点：传输介质故障难以排除，传输介质故障难以排除，因此任何一处故障都会导致因此任何一处故障都会导致整个网络的瘫痪。整个网络的瘫痪。干线耦合器环形网环形拓扑结构环形拓扑结构所有节点通过通信线路连接成一所有节点通过通信线路连接成一个闭合的环。数据沿环的一个闭合的环。数据沿环的一个方向逐站传输个方向逐站传输 。 优点：优点：能够有效地避免冲突。能够有效地避免冲突。 缺点：缺点：环型结构中的网卡等通信环型结构中的网卡等通信部件比较昂贵，管理复杂。部件比较昂贵，

5、管理复杂。星形拓扑结构星形拓扑结构由一中心节点设备和一系列通过由一中心节点设备和一系列通过点到点链路接到中心设备的点到点链路接到中心设备的节点组成，各节点以点对点节点组成，各节点以点对点方式与中心设备相连接。方式与中心设备相连接。 优点：优点：结构简单，管理方便，可结构简单，管理方便，可扩充性强，组网容易。扩充性强，组网容易。 缺点：缺点：需要大量电缆，费用较高需要大量电缆，费用较高；中心设备产生故障，全网；中心设备产生故障，全网不能工作，对中心设备的可不能工作，对中心设备的可靠性和冗余度要求高。靠性和冗余度要求高。集线器星形网树形网 树形拓扑结构树形拓扑结构 树形是星形拓扑结树形是星形拓扑结

6、构的扩充，构的扩充，一个星一个星形拓扑的末端形拓扑的末端节节点点又是其他星形拓扑又是其他星形拓扑的中心。的中心。局域网传输介质的选择 4类：双绞线、同轴电缆、光纤、无线介质拓扑 总线 星状 环状同轴电缆双绞线光纤无线介质3.3 IEEE802标准与模型 IEEE 802委员会：局域网标准委员会 IEEE 802.1 定义了局域网体系结构、网络互联等 802.2 逻辑链路层 802.3 CSMA/CD 802.4令牌总线 802.5令牌环 802.12 100M以太网 802.11 无线局域网IEEE 802模型与OSI/RM的关系 1973年，以太网之父Dr. Robert Metcalfe在

7、Xerox发明了以太网；1985年，IEEE正式推出802.3 10Base-5的标准；1988年，IEEE正式推出802.3a 10Base-2的标准；1990年，IEEE正式推出802.3i 10Base-T的标准；1993年，IEEE正式推出802.3j 10Base-F的标准；1995年，IEEE正式推出802.3u 100Base-T的标准；1998年，IEEE正式推出千兆网802.3z 1000Bas-X的标准；1999年，IEEE正式推出千兆网802.3ab 1000Base-T的标准；2002年，IEEE正式推出万兆网802.3ae标准，包含了 10GBase-R，10GBas

8、e-W和10GBase-X。2003年， IEEE正式推出标准网线供电标准。2004年，IEEE正式推出万兆网803.3ak同轴电缆10G标准。2006年，IEEE正式推出万兆网803.3an10G非屏蔽双绞线铜线标准。2007年，IEEE802.3ap背板标准通过。2010年，IEEE802.3ba,40/100G获批。IEEE 802协议结构（1） IEEE 802协议结构（2） 局 域 网网络层物理层站点 1网络层物理层逻辑链路控制LLCLLC媒体接入控制MACMAC数据链路层站点 2 IEEE 802委员会将第1项功能定义为逻辑链路控制（LLC）子层，后3项功能则被放在另一个独立的子层

9、，称为媒体访问控制（MAC）。局域网上同一LLC可以有几种MAC方式的选择。 在最低一层即物理层上的功能比较明确，包括： 1. 信号的编码/译码。 2. 比特的发送/接收。 802模型的物理层还包括对传输媒体一般而言，这被认为是位于OSI模型最低层下面的。然而，由于传输媒体和拓朴结构的选择对LAN设计至关重要，所以也被包括在LAN协议的描述中。 LLC子层用于由IEEE 802及FDDI规定的所有媒体的访问控制（MAC）标准。LLC标准向LL子层的用户提供种服务形式，即不确认的无连接服务、连接方式服务和确认的无连接服务。 IEEE 802.2逻辑链路控制（LLC）标准与媒体访问控制（MAC）标

10、准一起执行数据链路层的功能。 3种LLC协议都使用同样的PDU格式，它包括4个字段。有两个8位地址段：目标服务访问点（DSAP）段和源服务访问点（SSAP）段。 标准局域网的实现模型标准以太网的物理层： 物理信令子层（PLS） 实现MAC子层与PMA子层之间的数据转换和传输 物理介质附属子层（PMA） 实现数据在物理介质上的传输转化，同时完成介质冲突检测等功能 附属单元接口（AUI） 统一数据输入输出 实现物理介质非相关 介质相关接口（MDI） 提供与传输介质相连的接口LLC和MAC数据单元 LLC数据单元 IEEE 802.3 MAC帧帧 Pr：前导码，：前导码，7B。1和和0交替，告诉接收

11、端，数据帧即将到来交替，告诉接收端，数据帧即将到来SFD：帧起始定界符，：帧起始定界符，1B，指示一帧的开始，为，指示一帧的开始，为“10101011”DA/SA：目的地址：目的地址/源地址字段，各源地址字段，各6BL：长度，：长度，2B，指出其后字段的长度，单位为字节，指出其后字段的长度，单位为字节I ：数据字段，是一组：数据字段，是一组n(46n1500)字节的任意值序列字节的任意值序列 FCS：帧校验序列，：帧校验序列，4B。该序列包括。该序列包括32位的循环冗余校验位的循环冗余校验(CRC)值值IEEE 802.3数据单元 IEEE 802.4 MAC帧帧 PrPr：前导码字段，：前导

12、码字段，7B7BSFDSFD：帧起始定界符字段，：帧起始定界符字段，1B1BFCFC：帧控制字段。用于区分帧的类型，包括：帧控制字段。用于区分帧的类型，包括MACMAC控制帧、控制帧、LLCLLC数据帧、站点数据帧、站点管理数据帧等管理数据帧等 DA/SADA/SA：目的地址：目的地址/ /源地址字段，各源地址字段，各6B6BI I：数据字段，根据帧控制字段：数据字段，根据帧控制字段(FC)(FC)的取值，数据字段可以包含的取值，数据字段可以包含LLCLLC协议数协议数据单元、据单元、MACMAC管理数据和管理数据和MACMAC控制帧的数据。在控制帧的数据。在SDSD和和EDED之间的字节数不

13、之间的字节数不应大于应大于81928192FCSFCS：帧校验序列，：帧校验序列，4B4BEDED：帧结束标志字段，标识帧的结束：帧结束标志字段，标识帧的结束IEEE 802.4数据单元 IEEE 802.5 MAC帧帧 SFDSFD：帧起始标记，：帧起始标记，1B1BAC：访问控制字段；：访问控制字段；1BPPP：优先级编码：优先级编码 T：令牌：令牌/数据帧标志位，为数据帧标志位，为“0”表示令牌，为表示令牌，为“1”表示数据帧表示数据帧M：监控位，用于检测环路上是否存在持续循环的数据帧：监控位，用于检测环路上是否存在持续循环的数据帧 RRR：3比特，为预约编码比特，为预约编码FC：帧控制

14、：帧控制DA/SA：目的地址：目的地址/源地址源地址I：数据字段：数据字段IEEE 802.5数据单元 总线上的每一个工作的计算机都能检测到 B 发送的数据信号。 由于只有计算机 D 的地址与数据帧首部写入的地址一致，因此只有 D 才接收这个数据帧。 其他所有的计算机（A, C 和 E）都检测到不是发送给它们的数据帧，因此就丢弃这个数据帧而不能够收下来。具有广播特性的总线上实现了一对一的通信。 Ethernet地址 网络物理地址;Ethernet地址 = Manufacture ID + NIC ID 24bit 24bit 公司：Cisco 00-00-0c Novell 00-00-1B

15、00-00-D8 3Com 00-20-AF 00-60-8C IBM 08-00-5A典型的Ethernet地址 ： 00-60-8C -01-28-12 000000001010000010001100 000000010010100000010010Ethernet地址具有惟一性，取决于你所使用的网卡；MAC地址单元（DA，SA） 载波侦听多址接入（CSMA) 为了减少局域网（以太网）上各个站之间的发送冲突，人们引入了载波侦听多路访问（CSMA）的策略，也叫做先听后说。希望传输的站首先对媒体进行侦听，以确定是否有别的站在传输。如果媒体空闲，该站就可以传输，否则，该站将退避一段时间后再尝试

16、。 CSMA方法的性能信道利用率同数据包的长度和信道传播延时有关。 采用CSMA，需要一种算法来决定，当发现媒体忙时如何处理。常用的有三种算法。3.4局域网介质访问控制方法 持续和非持续CSMA 第一个载波侦听协议叫做1-持续CSMA或者1-坚持CSMA（carrier sense multiple access）。当一个站点要传送数据时，它首先侦听信道，看是否有其它站点正在传送。如果信道正忙，继续监听，直到当它侦听到信道空闲时，就立即将数据以概率1送出。若发生冲突，站点就等待一个随机长的时间，然后重新开始侦听，此协议就叫做1-持续CSMA，因为站点一旦发现信道空闲，其发送数据的概率是1。 第

17、二个载波侦听协议是非持续CSMA。在该协议中，在发送之前，站点会侦听信道的状态。如果没有其它站点在发送，它就开始发送。但如果信道正在使用之中，该站点将不再继续侦听信道，而是等待一个随机的时间后，再重复上述过程。凭直觉，这种协议会比1-持续CSMA协议的信道利用率高，但时延可能会长些 。 最后一个协议用于分隙信道，叫做P-持续CSMA（P-persistent CSMA），其工作过程如下：一个站点在发送之前，首先侦听信道，如果信道空闲，便以概率P传送，而以概率q=1-p把该次发送推迟到下一时节隙。如果下一时隙仍然空闲，便再次以概率p传送而以概率q把该次发送推迟到下下个时隙。此过程一直重复，直到发

18、送成功或者另外一站开始发送为止。在后一种情况下，该站的动作与发生冲突时一样（即等待一随机时间后重新开始）。若站点一开始就侦听到信道忙，它就等到下一时隙，然后开始上述过程。图4-3给出了上述三种协议，以及纯ALOHA和分隙ALOHA的吞吐率和载荷的关系曲线。 一般来讲，对于P持续的CSMA协议，当又n个站（节点）同时具有数据发送时，当np1时，冲突增大，但是信道空闲的概率减少，因此应当仔细选择发送概率P，使np在概率意义上尽量接近于1。有冲突检测的CSMA 持续和非持续CSMA协议的改进是，站点检测到冲突就取消传送，也就是说，如果两站侦听到空闲并同时开始传送，它们几乎将会同时检测到冲突。一旦检测

19、到冲突，不是继续传完它们的帧，而是尽快停止，反正帧已被冲突破坏得无法辨认。迅速结束冲突帧的传送，既节省了时间又节省了频带。该协议被称为带冲突检测的载波侦听多路访问CSMA/CD（carrier sense multiple access with collision detection），它广泛应用于局域以太网的MAC子层。 在采用CSMA/CD协议的局域网上，如果两个或两个以上的站点同时决定传送，将会产生冲突。通过检测反馈信号的能量或脉冲宽度并将之与传送信号比较就可判断是否产生了冲突。当一个站点检测到冲突后，它便取消传送，等待一个随机的时间后，重新尝试传送 。 CSMA/CD概括为： 先听后

20、发 边听边发 冲突停止 延迟再发令牌环访问控制方式 令牌环是一种适用于环形网络的分布式介质访问控制方式，已由IEEE802委员会建议成为局域网控制协议标准之一，即IEEE802.5标准。在令牌环网中，令牌也叫通行证，它具有特殊的格式和标记。令牌有“忙（Busy）”和“空闲（Free）”两种状态。 具有广播特性的令牌环访问控制方式，还能使多个站点接收同一个信息帧，同时具有对发送站点自动应答的功能。其访问控制过程如图所示。数据传送过程。Token Ring 基本工作原理Node ANode BNode CNode DNode ENode ANode BNode CNode ENode DBACD（a）BACD（b）BACD（c）FreeToken站点BusyTokenFreeTokenToken Bus基本工作原理Node ANode BNode CNode DNode ENode ANode BNode CNode EN