第四章局域网广域网

1、第第4章章 局域网与广域网局域网与广域网4.1 局域网4.2 以太网4.3 虚拟局域网4.4 高速以太网4.5 广域网第第4章章 局域网与广域网局域网与广域网n局域网技术是这些年来发展最快，使用最广的网络，许多企业、机关和学校都先后建立了自己的计算机局域网。n本章重点介绍以太网和以太网的组网技术，讨论高速以太网，重点讲述虚拟局域网，介绍广域网的数据链路层协议。4.1 局域网n局域网产生的原因局域网产生的原因n8080年代，微型机发展迅速，彼此需要相互通信（近距年代，微型机发展迅速，彼此需要相互通信（近距离），共享资源；离），共享资源；n分布式的网络应用：分布式计算，分布式数据库分布式的网络应用

2、：分布式计算，分布式数据库n定义定义n局域网是一种将小区域内的各种通信设备互连在一起局域网是一种将小区域内的各种通信设备互连在一起的通信网络。的通信网络。n局域网的基本特点局域网的基本特点n高数据传输率（高数据传输率（10 -10000 Mbps10 -10000 Mbps）n短距离（短距离（0.1 - 10 km0.1 - 10 km）n低出错率（低出错率（1010-8-8 10 10-11-11）n局域网发展趋势局域网发展趋势n高速，高速，10G Ethernet10G Ethernetn移动，无线局域网移动，无线局域网 IEEE 802.11IEEE 802.114.1 局域网n局域网拓

3、扑结构局域网拓扑结构n星型结构星型结构n环型结构环型结构n总线型结构总线型结构n树型结构树型结构网络拓扑结构之间的比较拓扑结构优点缺点总线型安装容易使用电缆少，易于扩充结点隔离性好检测故障定位困难系统范围受限制星型便于管理检测故障定位容易单个站点发生故障不会影影响全网交换机出现问题会影响全网增加工作站时要增加集线器的连线环型检测故障定位容易需要电缆长度短网络的性能依赖于性能最差的结点单环的容错性差树型组网容易，易于扩展检测故障定位容易各个结点对根结点依赖性太大网状型检测故障定位容易容错能力强、可靠性高消耗电缆多、成本高结构复杂，不易于安装、建设4.1 局域网n4.1.1 局域网概述局域网的工作

4、模式（1）对等模式（peer-to-peer）（2）专用服务器模式（server-based）（3）客户/服务器模式（client/server）局域网工作模式比较工作模式 优点 缺点对等模式组建和维护容易，使用简单。不需要专用的服务器。可利用系统内置的网络通信功能，实现低价建网。由于每一台计算机都可能承担双重角色，数据的保密性差。专用服务器模式专用的服务器保障了数据的保密性、可靠性。能够对每一个工作站进行严格的用户设置访问权限。各工作站之间的互通性差，网络工作效率低。各工作站上软硬件资源无法实现共享。客户/服务器模式减少了服务器的工作量。有效地利用了各工作站的共享资源。网络的工作效率较高。网

5、络较复杂，对各工作站的管理比较困难。数据的保密性低于专用服务器模式。4.1 局域网n4.1.2 局域网体系结构1.局域网参考模型4.1 局域网n4.1.2 局域网体系结构MAC与LLC子层帧关系4.1 局域网n4.1.2 局域网体系结构u MAC子层提供标准的OSI数据链路层服务，保证高层协议如TCP/IP、SNA等都可以在局域网模型标准上运行。 功能：帧封装与解封装和介质访问控制实现和维护MAC协议物理寻址比特的差错检测4.1 局域网n4.1.2 局域网体系结构uLLC子层功能：为帧添加序号。差错控制。提供与高层的接口。建立和释放数据链路层的逻辑连接。4.1 局域网n4.1.2 局域网体系结

6、构局域网协议标准IEEE802u1980年2月美国电子电气工程师协会（Institute of Electrical and Electronic Engineers，IEEE）的802委员会成立。uIEEE 802委员会制定了一系列标准。u不同的局域网应用对技术要求也不同，因此构建了若干个具有不同特征的局域网标准，并被国际标准化组织（International Organization for Standardization，ISO）采用。4.1 局域网n4.1.2 局域网体系结构IEEE 802协议结构DSAPDSAPSSAPSSAP控制字节控制字节C C数据数据DataData1 1位位

7、0 0：单地址：单地址1 1：组地址：组地址 7 7位位1 1位位0 0：命令：命令1 1：响应：响应7 7位位信息帧信息帧N N字节数据字节数据监督帧监督帧无编号帧无编号帧头标头标数据数据DataData尾标尾标7 7字字节节1 1字节字节6 6字节字节6 6字节字节2 2字节字节461500461500字节字节4 4字节字节前导前导码码SFDSFD帧定界帧定界符符DADA目的地址目的地址SASA源地源地址址L L帧长度帧长度 I I数据域数据域PADPAD字节字节填充填充 FCSFCS帧检帧检验序验序列列 LLC与与MAC帧格式帧格式4.2 以太网uIEEE 802协议结构以太网（Ethe

8、rnet）是最早的局域网技术。u是一种基于总线型的广播式网络，以高速、低成本的巨大优势受到欢迎也是当前应用最广泛的一种局域网。u以太网的传输速率从10Mbit/s发展到今天的100Mbit/s、1000Mbit/s、10Gbit/s。4.2 以太网u1. 以太网的几种标准u针对网络拓扑、数据速率、信号编码、最大网段长度以及所使用的传输介质，IEEE802.3进行了详细的划分，规定了六种标准。4.2 以太网1. 以太网的几种标准(1)10Base5（粗缆以太网）n10网络的数据传输速率最大为10Mbit/s；n 5网络的最大网段长度为500m；n base代表采用基带传输技术；n10Base5最

9、大距离为500m，以10Mbit/s的速度进行基带传输。u直径为0.4英寸，总长度不易超过2500m。4.2 以太网u1. 以太网的几种标准(2)10Base2（细缆以太网）n10Base2指以太网的最大数据传输率为10Mbit/s。n直径为0.25英寸，采用基带传输技术，每段网线最大长为200m（实际是185m）。n如果网络中设备间的距离超过了185m，需要接有中继器，起到增强信号的目的。4.2 以太网1. 以太网的几种标准(3)10Base-Tn10Base-T是使用最广泛的以太网。n10Base-T标准是采用非屏蔽(UTP)双绞线连接的星型网络结构。 (4)1Base5n与10Base-

10、T一样采用UTP和星型网络拓扑结构；n5表示各个结点之间的连线距离为500m，而集线器与各结点之间的最大连接距离为250m。4.2 以太网1. 以太网的几种标准(5)10Broad36n采用双缆或单缆系统的一种宽带LAN标准；n网络中每个网段的连接距离不超过1800m，整个网络不超过3600m。n可以通过改变基带曼彻斯特编码达到与基带以太网相互兼容。4.2 以太网1. 以太网的几种标准(6)10Base-Fn10Base-F以太网的传输介质为光纤（Fiber）；n标准使用曼彻斯特编码，将电信号转换成光信号。n其标准包含三个规范： 10Base-FP 10Base-FL 10Base-FB4.2

11、 以太网2以太网的帧结构n计算机网络可以分成两类计算机网络可以分成两类n使用点到点连接的网络使用点到点连接的网络 广域网广域网n使用广播信道（多路访问信道，随机访问信使用广播信道（多路访问信道，随机访问信道）的网络道）的网络局域网局域网n关键问题：如何解决对信道争用关键问题：如何解决对信道争用n解决信道争用的协议称为介质访问控制解决信道争用的协议称为介质访问控制协议协议 MACMAC（Medium Access ControlMedium Access Control），），是数据链路层协议的一部分。是数据链路层协议的一部分。4.2 以太网网络层网络层数据链路层数据链路层物理层物理层逻辑链路控

12、制逻辑链路控制 LLC介质访问控制介质访问控制 MAC高层高层 OSI IEEE 802物理层物理层（）（） （）（） （）（）SAP4.2 以太网n1信道分配策略1.静态分配静态分配n频分多路复用频分多路复用 FDM（波分复用（波分复用WDM）n原理：将频带平均分配给每个要参与通信的用户；原理：将频带平均分配给每个要参与通信的用户；n优点：适合于用户较少，数目基本固定，各用户的通优点：适合于用户较少，数目基本固定，各用户的通信量都较大的情况；信量都较大的情况；n缺点：无法灵活地适应站点数及其通信量的变化。缺点：无法灵活地适应站点数及其通信量的变化。n时分多路复用时分多路复用 TDMn原理：每

13、个用户拥有固定的信道传送时槽；原理：每个用户拥有固定的信道传送时槽；n优点：适合于用户较少，数目基本固定，各用户的通优点：适合于用户较少，数目基本固定，各用户的通信量都较大的情况；信量都较大的情况；n缺点：无法灵活地适应站点数及其通信量的变化。缺点：无法灵活地适应站点数及其通信量的变化。4.2 以太网动态分配动态分配信道分配模型的五个基本假设：信道分配模型的五个基本假设：站点模型：每个站点是独立的，并以统计固定的速率产生帧，一帧站点模型：每个站点是独立的，并以统计固定的速率产生帧，一帧产生后到被发送走之前，站点被封锁；产生后到被发送走之前，站点被封锁；单信道假设：所有的通信都是通过单一的信道来

14、完成的，各个站点单信道假设：所有的通信都是通过单一的信道来完成的，各个站点都可以从信道上收发信息；都可以从信道上收发信息；冲突假设：若两帧同时发出，会相互重叠，结果使信号无法辨认，冲突假设：若两帧同时发出，会相互重叠，结果使信号无法辨认，称为冲突。所有的站点都能检测到冲突，冲突帧必须重发；称为冲突。所有的站点都能检测到冲突，冲突帧必须重发；连续时间和时间分槽（确定何时发送）；连续时间和时间分槽（确定何时发送）；载波监听和非载波监听（确定能否发送）。载波监听和非载波监听（确定能否发送）。4.2 以太网n1信道分配策略n2 介质访问控制协议控制多个用户共用一条信道的协议称为多路访控制多个用户共用一

15、条信道的协议称为多路访问协议或介质访问控制协议，可划分为问协议或介质访问控制协议，可划分为3类：类：争争用协议用协议（Contention Protocol）、）、无冲突协无冲突协议议（Collision-Free Protocol ）和）和有限争用协有限争用协议议（Limited-Contention Protocol）4.2 以太网ALOHA协议协议n70年代，年代，Norman Abramson设计了设计了ALOHA协议协议n目的：解决信道的动态分配，基本思想可用于任目的：解决信道的动态分配，基本思想可用于任何无协调关系的用户争用单一共享信道使用权的何无协调关系的用户争用单一共享信道使用

16、权的系统；系统；n分类：纯分类：纯ALOHA协议和分槽协议和分槽ALOHA协议协议n纯纯ALOHA协议协议n基本思想：用户有数据要发送时，可以直接发至基本思想：用户有数据要发送时，可以直接发至信道；然后监听信道看是否产生冲突，若产生冲信道；然后监听信道看是否产生冲突，若产生冲突，则等待一段随机的时间重发突，则等待一段随机的时间重发;4.2 以太网n2 介质访问控制协议NN-121接口接口总线信道总线信道ALOHA系统的一般模型系统的一般模型4.2 以太网n2 介质访问控制协议A1帧产生帧产生B1A2A2B1冲突冲突随机时间随机时间t1t2B2A2t3B2t4B3A3 站站A站站B信道上的信道上

17、的总效应总效应A1B1A2B2纯纯ALOHA系统的工作原理图系统的工作原理图4.2 以太网n2 介质访问控制协议纯纯ALOHA协议的性能分析协议的性能分析主要性能参数：主要性能参数：帧时（帧时（Frame Time）t：独占信道时成功发送一帧所用的时间：独占信道时成功发送一帧所用的时间吞吐率（吞吐量）吞吐率（吞吐量）S：t 内成功发送的帧数内成功发送的帧数 0 S 1网络负载网络负载G ：t 内总共发送的平均帧数内总共发送的平均帧数 4.2 以太网n2 介质访问控制协议纯纯ALOHA协议的性能分析协议的性能分析假定帧的产生服从泊松分布，则假定帧的产生服从泊松分布，则S与与G的关系为：的关系为：

18、S = G P发送成功发送成功P发送成功发送成功为为1帧成功发送的概率帧成功发送的概率4.2 以太网n2 介质访问控制协议纯纯ALOHA协议的性能分析协议的性能分析假定帧时为假定帧时为t，帧成功发帧成功发送的条件送的条件是是该帧与其前该帧与其前后后2帧的间隔帧的间隔均大于均大于t4.2 以太网n2 介质访问控制协议纯纯ALOHA协议的性能分析协议的性能分析两个帧时平均产生两个帧时平均产生2G个帧，在冲突危险区内无其它帧个帧，在冲突危险区内无其它帧产生的概率为：产生的概率为：P = e-2G，所以，所以 S = Ge-2G当当G=0.5时，时，S=0.184即信道利用率最高只有即信道利用率最高只

19、有18.4%.4.2 以太网n2 介质访问控制协议时隙时隙ALOHA协议（协议（S-ALOHA） 工作原理：将时间划分为一段段等长的时隙，规定帧工作原理：将时间划分为一段段等长的时隙，规定帧不论何时产生，只能在每个时隙开始时发送到信道上不论何时产生，只能在每个时隙开始时发送到信道上 重发策略：同纯重发策略：同纯ALOHA 代价：需要全网同步；可设置一个特殊站点，由该代价：需要全网同步；可设置一个特殊站点，由该站点发送时钟信号站点发送时钟信号4.2 以太网n2 介质访问控制协议S-ALOHA工作原理工作原理A1帧产生帧产生B3A2A2B1冲突冲突随机时间随机时间t1t2B2B2B3A3 站站A站

20、站B信道上的信道上的总效应总效应A1B1A2B2A34.2 以太网n2 介质访问控制协议S-ALOHA协议的性能分析协议的性能分析冲突危险区是纯冲突危险区是纯ALOHA的一半，所以的一半，所以P = e-GS = Ge-GG=1时，时，S取最大值，取最大值，S=0.368即，即，S-ALOHA系统信道利用率的理论最大值为系统信道利用率的理论最大值为36.8%4.2 以太网n2 介质访问控制协议4.2 以太网n2 介质访问控制协议载波监听多路访问协议CSMA（Carrier Sense Multiple Access Protocols）n载波监听（Carrier Sense）n站点在为发送帧而

21、访问传输信道之前，首先监听信道有无载波，若有载波，说明已有用户在使用信道，则不发送帧以避免冲突。n多路访问（Multiple Access）n多个用户共用一条线路4.2 以太网n2 介质访问控制协议有待发帧？有待发帧？载波监听策略载波监听策略（分时隙）延迟到下（分时隙）延迟到下一个时隙的开始一个时隙的开始发送发送等待等待2t收到收到ACK？出口出口NY延迟随机时间延迟随机时间NY三种监听策略：三种监听策略：1-坚持坚持CSMA非坚持非坚持CSMAp-坚持坚持CSMA4.2 以太网n2 介质访问控制协议n1-坚持型坚持型CSMA（1-persistent CSMA）n原理原理n若站点有数据发送，

22、先监听信道；若站点有数据发送，先监听信道；n若站点发现信道空闲，则发送；若站点发现信道空闲，则发送；n若信道忙，则继续监听直至发现信道空闲，然后完成发送；若信道忙，则继续监听直至发现信道空闲，然后完成发送；n若产生冲突，等待一随机时间，然后重新开始发送过程。若产生冲突，等待一随机时间，然后重新开始发送过程。n优点：减少了信道空闲时间；优点：减少了信道空闲时间；n缺点：增加了发生冲突的概率；缺点：增加了发生冲突的概率；n广播延迟对协议性能的影响：广播延迟越大，发生冲突的可能性广播延迟对协议性能的影响：广播延迟越大，发生冲突的可能性越大，协议性能越差；越大，协议性能越差；4.2 以太网n2 介质访

23、问控制协议YN1-坚持坚持CSMA信道忙？信道忙？载波监听策略载波监听策略4.2 以太网n2 介质访问控制协议n非坚持型非坚持型CSMA（nonpersistent CSMA）n原理原理n若站点有数据发送，先监听信道；若站点有数据发送，先监听信道；n若站点发现信道空闲，则发送；若站点发现信道空闲，则发送；n若信道忙，等待一随机时间，然后重新开始发送过程；若信道忙，等待一随机时间，然后重新开始发送过程；n若产生冲突，等待一随机时间，然后重新开始发送过程。若产生冲突，等待一随机时间，然后重新开始发送过程。n优点：减少了冲突的概率；优点：减少了冲突的概率；n缺点：增加了信道空闲时间，数据发送延迟增大

24、；缺点：增加了信道空闲时间，数据发送延迟增大；n信道效率比信道效率比 1-坚持坚持CSMA高，传输延迟比高，传输延迟比 1-坚持坚持CSMA大。大。4.2 以太网n2 介质访问控制协议YN非坚持非坚持CSMA信道忙？信道忙？载波监听策略载波监听策略延迟随机时间延迟随机时间4.2 以太网n2 介质访问控制协议np-坚持型CSMA（p-persistent CSMA）n适用于分槽信道n原理n若站点有数据发送，先监听信道；n若站点发现信道空闲，则以概率p发送数据，以概率q =1- p 延迟至下一个时槽发送。若下一个时槽仍空闲，重复此过程，直至数据发出或时槽被其他站点所占用；n若信道忙，则等待下一个时

25、槽，重新开始发送；n若产生冲突，等待一随机时间，然后重新开始发送。4.2 以太网n2 介质访问控制协议载波监听策略载波监听策略 l p?信道忙？信道忙？选择选择0-1之间之间的随机数的随机数l延迟延迟tNNYYP坚持坚持CSMA4.2 以太网n2 介质访问控制协议4.2 以太网n2 介质访问控制协议带冲突检测的载波监听多路访问协议带冲突检测的载波监听多路访问协议CSMA/CDn引入原因n当两个帧发生冲突时，两个被损坏帧继续传送毫无意义，而且信道无法被其他站点使用，对于有限的信道来讲，这是很大的浪费。如果站点边发送边监听，并在监听到冲突之后立即停止发送，可以提高信道的利用率，因此产生了CSMA/

26、CDn原理n站点使用CSMA协议进行数据发送；n在发送期间如果检测到冲突，立即终止发送，并发出一个瞬间干扰信号，使所有的站点都知道发生了冲突；n在发出干扰信号后，等待一段随机时间，再重复上述过程。4.2 以太网n2 介质访问控制协议n工作状态工作状态n传输周期传输周期n竞争周期竞争周期n空闲周期空闲周期4.2 以太网n2 介质访问控制协议冲突检测方法：冲突检测方法： 比较接收到的信号电压的大小比较接收到的信号电压的大小 检测曼彻斯特编码的过零点检测曼彻斯特编码的过零点 比较接收到的信号与刚发出的信号比较接收到的信号与刚发出的信号4.2 以太网n2 介质访问控制协议退避算法：以截断二进制指数类型

27、，来决定重发时延退避算法：以截断二进制指数类型，来决定重发时延 从从 0, 1, 2, ., 2k-1 中随机取一个数中随机取一个数r，重发时延重发时延 = r 基本重发时延基本重发时延 其中其中 k = min 重发次数，重发次数，10 动态退避算法动态退避算法4.2 以太网n2 介质访问控制协议n基本位图协议（A Bit-Map Protocol）n工作原理n共享信道上有N个站，竞争周期分为N个时槽，如果一个站有帧发送，则在对应的时槽内发送比特1；nN个时槽之后，每个站都知道哪个站要发送帧，这时按站序号发送。4.2 以太网n2 介质访问控制协议4.2 以太网n2 介质访问控制协议n象这样在

28、实际发送信息前先广播发送请求的协议称为预留协议预留协议（reservation protocol）n效率n轻负载下，效率为 d / (N + d)，数据帧由d个时间单位组成；n重负载下，效率为 d / (d + 1)。n缺点n与站序号有关的不平等性，序号大的站得到的服务好；n每个站都有 1 比特的开销。4.2 以太网n2 介质访问控制协议n二进制下数法（Binary Countdown）n工作原理n所有站的地址用等长二进制位串表示，若要占用信道，则广播该位串；n不同站发的地址中的位做“或”操作，一旦某站了解到比本站地址高位更高的位置被置为“1”，便放弃发送请求。n效率nd / (d + log

29、2N)4.2 以太网n2 介质访问控制协议问题：不公平，地址值小的问题：不公平，地址值小的站点很难占用信道站点很难占用信道改进：每次发送之后重新对改进：每次发送之后重新对站点编号，刚发送完的站点站点编号，刚发送完的站点排在最后排在最后4.2 以太网n2 介质访问控制协议n占用信道的策略占用信道的策略n竞争方法竞争方法n例，例，CSMA；n轻负载下，发送延迟小；重负载下，信道效率低。轻负载下，发送延迟小；重负载下，信道效率低。n无冲突方法无冲突方法n例，基本位图法；例，基本位图法；n轻负载下，发送延迟大；重负载下，信道效率高。轻负载下，发送延迟大；重负载下，信道效率高。4.2 以太网n2 介质访

30、问控制协议有限竞争协议（有限竞争协议（Limited-Contention Protocols）n结合以上两种方法，轻负载下使用竞争，重负载下使用结合以上两种方法，轻负载下使用竞争，重负载下使用无冲突方法。无冲突方法。n减少竞争的站的数目可以增加获取信道的概率；减少竞争的站的数目可以增加获取信道的概率；n基本思路：将站分组，组内竞争；基本思路：将站分组，组内竞争；n问题：如何分组？问题：如何分组？4.2 以太网n2 介质访问控制协议4.2 以太网n2 介质访问控制协议n适应树搜索协议（适应树搜索协议（The Adaptive Tree Walk Protocol）n工作原理工作原理n站点组织成

31、二叉树；站点组织成二叉树；n一次成功传输之后，第一次成功传输之后，第0槽全部站可竞争信道，只有槽全部站可竞争信道，只有一个站要使用信道则发送；有冲突则在第一个站要使用信道则发送；有冲突则在第1槽内半数槽内半数站（站（2以下站）参与竞争。如其中之一获得信道，本以下站）参与竞争。如其中之一获得信道，本帧后的时槽留给帧后的时槽留给3以下的站；如发生冲突，继续折半以下的站；如发生冲突，继续折半搜索。搜索。n当系统负载很重时，从根结点开始竞争发生冲突的概率当系统负载很重时，从根结点开始竞争发生冲突的概率非常大。为提高效率，可以从中间结点开始竞争。问题：非常大。为提高效率，可以从中间结点开始竞争。问题：搜

32、索应该从树的哪一级开始？搜索应该从树的哪一级开始？4.2 以太网n2 介质访问控制协议4.2 以太网n2 介质访问控制协议关于IEEE 802.3 和 Ethernetn历史nALOHA系统nALOHA + 载波监听nXerox 设计了2.94Mbps的采用CSMA/CD协议的EthernetnXerox, DEC, Intel共同制定了10Mbps的CSMA/CD以太网标准nIEEE定义了采用1-坚持型CSMA/CD技术的802.3局域网标准，速率从1M到10Mbps，802.3标准与以太网协议略有差别。nIEEE802.3 与CSMA/CD4.2 以太网n802.3采用的电缆标准nIEEE

33、802.3 与CSMA/CD4.2 以太网n物理层类型用以下域表示：n n10Base5含义:10：10Mbps; Base：基带传输（baseband medium）；5：500米n10Base5：粗缆，AUI接口；n10Base2：细缆，BNC接口，T型头；n10Base-T：RJ-45接口n收发器（transceiver）：处理载波监听和冲突检测nIEEE802.3 与CSMA/CD4.2 以太网nIEEE802.3 与CSMA/CD4.2 以太网n布线拓扑结构n总线形，脊椎形，树形，分段nIEEE802.3 与CSMA/CD4.2 以太网 分插头分插头 : 插入电缆插入电缆 收发器收发

34、器 : 发送发送/接收接收, 冲突检测冲突检测, 电气隔离，超长控制电气隔离，超长控制 AUI : 连接件单元接口连接件单元接口 用于骨干网用于骨干网最大段长度最大段长度 500米米每段最多站点数每段最多站点数 100两站点间最小距离两站点间最小距离 2.5米米网络最大跨度网络最大跨度 2.5公里公里 10base5nIEEE802.3 与CSMA/CD4.2 以太网10base2nIEEE802.3 与CSMA/CD4.2 以太网10baseTnIEEE802.3 与CSMA/CD4.2 以太网 使用光纤进行长距离连接，最适于建筑物间的连接。使用光纤进行长距离连接，最适于建筑物间的连接。 3

35、个标准个标准 10BaseFP - 无源星形拓扑无源星形拓扑, 链路最长链路最长1 km 10BaseFL - 异步点到点链路，链路最长异步点到点链路，链路最长2 km 10BaseFB - 同步点到点链路，链路最长同步点到点链路，链路最长2 km，有有15个层叠的转发器个层叠的转发器 10baseFnIEEE802.3 与CSMA/CD4.2 以太网nIEEE802.3 与CSMA/CD4.2 以太网 物理层物理层50 同轴电缆同轴电缆BNC 连接器连接器收发器收发器AUI电缆电缆网卡网卡站接口站接口数据封装数据封装/解封（解封（MAC帧）帧）链路管理（链路管理（CSMA/CD协议）协议）曼

36、彻斯特编码曼彻斯特编码/译码译码发送发送/接收接收MACLLCIEEE 802.3的体系结构与功能实现的体系结构与功能实现nIEEE802.3 与CSMA/CD4.2 以太网 分两个子层：物理信令分两个子层：物理信令PLS，负责位流的编码，负责位流的编码/译码，载波监听译码，载波监听 物理媒体连接件物理媒体连接件PMA，与传输媒体相关，负责冲突检测、，与传输媒体相关，负责冲突检测、 超长控制、发送超长控制、发送/接收串行位流接收串行位流 PLS和和PMA可以在同一设备中，也可以在不同设备中可以在同一设备中，也可以在不同设备中LLCMACPLSLLCMACPLSPMAPMA高层高层高层高层DTE

37、 DTE AUI MAUMDIMDIAUI：连接件单元接口：连接件单元接口MAU：媒体连接件单元：媒体连接件单元MDI：媒体相关接口：媒体相关接口物理媒体物理媒体IEEE802.3的物理层的物理层nIEEE802.3 与CSMA/CD4.2 以太网ABCABCABCABCAAC 发现总线空闲发现总线空闲C发送帧，目的地址为发送帧，目的地址为AB 忽略该帧忽略该帧A复制该帧复制该帧A信号由终端电阻吸收信号由终端电阻吸收终端电阻终端电阻Ethenet/802.3操作nIEEE802.3 与CSMA/CD4.2 以太网IEEE 802.3 7 1 2/6 2/6 2 46-1500 4 字节字节FC

38、SPA SALENSFDDALLC PDUPad8 6 6 2 46-1500 4字节字节 FCSSATypePADADataPadEthernet 校验区间校验区间64-1518 字节字节IEEE802.3/Ethernet帧格式帧格式nIEEE802.3 与CSMA/CD4.2 以太网nIEEE802.3 与CSMA/CDIEEE802.3/Ethernet帧格式帧格式PA : 前同步码前同步码 - 10101010序列，用于使接收方与发送方同步序列，用于使接收方与发送方同步SFD : 帧首定界帧首定界 - 10101011DA: 目的地址目的地址 - MAC 地址地址SA: 源地址源地址

39、 - MAC地址地址LEN:数据长度（数据部分的字节数）（数据长度（数据部分的字节数）（0-1500B）Type: 类型：高层协议标识类型：高层协议标识LLC PDU+pad - 最少最少46字节字节, 最多最多1500字节字节 pad 填充字段，保证帧长不少于填充字段，保证帧长不少于64字节字节FCS : 帧校验序列（帧校验序列（ CRC-32 ）4.2 以太网l 在相继发送的两帧之间强制插入在相继发送的两帧之间强制插入9.6 m ms的间隔的间隔l 以确保想要发送数据的其他站点也能占用信道以确保想要发送数据的其他站点也能占用信道FCSSATypePADADataPadPA帧间隔帧间隔 9.

40、6 m ms帧间隔帧间隔nIEEE802.3 与CSMA/CD4.2 以太网 (1) 在在0时刻开始时刻开始发送发送(2) 大约在大约在 -d d 时刻到达时刻到达 B B(3) B 开始发送开始发送; 在在 时刻发生冲突时刻发生冲突(4) 冲突信号在冲突信号在 2 时刻到达时刻到达A AAAABBBBA 和和 B 在总线的两端在总线的两端最小帧长度：最小帧长度：64字节字节nIEEE802.3 与CSMA/CD4.2 以太网n最短帧长n避免帧的第一个比特到达电缆的远端前帧已经发完，帧发送时间应该大于 2；10Mbps LAN，最大冲突检测时间为51.2微秒，最短帧长为64字节；n网络速度提高

41、，最短帧长也应该增大或者站点间的距离要减小。nIEEE802.3 与CSMA/CD4.2 以太网n二进制指数后退算法（二进制指数后退算法（binary exponential backoff）n将冲突发生后的时间划分为长度为将冲突发生后的时间划分为长度为51.2微秒的时槽微秒的时槽n发生第一次冲突后，各个站点等待发生第一次冲突后，各个站点等待 0 或或 1 个时槽再开始重个时槽再开始重传；传；n发生第二次冲突后，各个站点随机地选择等待发生第二次冲突后，各个站点随机地选择等待0, 1, 2或或3个时槽再开始重传；个时槽再开始重传；n第第 i 次冲突后，在次冲突后，在 0 至至 2i-1 间随机地

42、选择一个等待的时间随机地选择一个等待的时槽数，再开始重传；槽数，再开始重传；n10次冲突后，选择等待的时槽数固定在次冲突后，选择等待的时槽数固定在0至至210-1间；间；n16次冲突后，发送失败，报告上层。次冲突后，发送失败，报告上层。nIEEE802.3 与CSMA/CD4.2 以太网nIEEE802.3 与CSMA/CD4.2 以太网n除除MAC机制外，是否有其他解决冲突的方法？机制外，是否有其他解决冲突的方法？n网络互连设备网络互连设备物理上扩展物理上扩展逻辑上划分逻辑上划分n不是所有的网络互连设备均具有隔离冲突的作不是所有的网络互连设备均具有隔离冲突的作用用 nIEEE802.3 与C

43、SMA/CD4.2 以太网中继器作为物理层的网络互连设备，不具备任何流量过滤功能，所以采用中继器互连的网络将会是一个更大的冲突域。nIEEE802.3 与CSMA/CD4.2 以太网集线器作集线器作为多端口为多端口中继器，中继器，也会扩大也会扩大冲突域的冲突域的规模。规模。nIEEE802.3 与CSMA/CD4.2 以太网任何以中继器或任何以中继器或集线器互连而成集线器互连而成的网络段处于同的网络段处于同一个冲突域中，一个冲突域中，对各个主机而言，对各个主机而言，冲突的几率进一冲突的几率进一步增加步增加nIEEE802.3 与CSMA/CD4.2 以太网n使用智能网络互连设备可以减少冲突域的

44、大小使用智能网络互连设备可以减少冲突域的大小(增加冲突域的个数增加冲突域的个数) n智能网络互连设备包括：智能网络互连设备包括：网桥网桥 /交换机交换机(第二层设备第二层设备)路由器路由器(第三层设备第三层设备)nIEEE802.3 与CSMA/CD4.2 以太网以网桥互连的两个网段属于两个不同的冲突域nIEEE802.3 与CSMA/CD4.2 以太网交换机的每个端口都连接了一个网络分段（冲突域）nIEEE802.3 与CSMA/CD4.2 以太网IEEE802标准的其它局域网nIEEE802.5 令牌环Token Ringn技术产生原因n环实际上并不是一个广播介质，而是不同的点到点链路组成

45、的环，点到点链路有很多技术优势；n各个站点是公平的，获得信道的时间有上限，避免冲突发生；nIBM选择Token Ring作为它的LAN技术。n基本思想n环网设计分析的一个主要问题是 1 比特的“物理长度”，数据传输速率为 R Mbps，典型信号传播速率为200米/微秒，则1 比特的“物理长度”为 200/R米；n环接口引入了1比特的传输延迟；IEEE802标准的其它局域网nIEEE802.5 令牌环Token Ringn令牌（令牌（Token）是一种特殊的比特组合模式，一个站要发）是一种特殊的比特组合模式，一个站要发送帧时，需要抓住令牌，并将其移出环；送帧时，需要抓住令牌，并将其移出环；n环本

46、身必须有足够的时延容纳一个完整的令牌，时延由两环本身必须有足够的时延容纳一个完整的令牌，时延由两部分组成：每站的部分组成：每站的1比特延迟和信号传播延迟。对于短环，比特延迟和信号传播延迟。对于短环，必要时需要插入人工延迟；必要时需要插入人工延迟；n环接口有两种操作模式：监听模式和传输模式。环接口有两种操作模式：监听模式和传输模式。n当一个站点有数据发送时，在令牌通过此站点时，将令牌当一个站点有数据发送时，在令牌通过此站点时，将令牌从环上取下，发送自己的数据，然后重新生成令牌，发送从环上取下，发送自己的数据，然后重新生成令牌，发送站负责将发出的帧从环上移去，并转入监听模式。站负责将发出的帧从环上

47、移去，并转入监听模式。n确认：帧内一个比特域，初值为确认：帧内一个比特域，初值为0，目的站收到后，将其变，目的站收到后，将其变为为1；对广播的确认比较复杂；对广播的确认比较复杂；n重负载下，效率接近重负载下，效率接近100%。IEEE802标准的其它局域网nIEEE802.5 令牌环Token RingATATATDataCTDataCTDataCTDataCToken Ring/802.5的操作的操作IEEE802标准的其它局域网nIEEE802.5 令牌环Token RingToken Ring/802.5的操作的操作DACBTDACBDACBDACBT(a)令牌轮转至A (b)A捕获令牌

48、发送数据 (c)A撤销数据(d)重新生成令牌IEEE802标准的其它局域网nIEEE802.5 令牌环Token Ringn802.5的布线n屏蔽双绞线，速率为1/4/16M，采用差分曼彻斯特编码传输；n为解决环断裂导致整个环无法工作的问题，使用线路中心（Wire Center）进行布线，线路中心设有旁路中继器。IEEE802标准的其它局域网nIEEE802.5 令牌环Token RingABCDEIEEE802标准的其它局域网nIEEE802.5 令牌环Token Ringn令牌环令牌环MAC子层协议子层协议IEEE802标准的其它局域网nIEEE802.5 令牌环Token Ringn令牌

49、环令牌环MAC子层协议子层协议n协议基本操作：无信息传输时，协议基本操作：无信息传输时，3字节的令牌字节的令牌在环上循环；有信息要发送时，站获得令牌，在环上循环；有信息要发送时，站获得令牌，并将第二个字节的某一位由并将第二个字节的某一位由 0 变成变成 1，将令，将令牌的前两个字节变成帧的起始序列，然后输牌的前两个字节变成帧的起始序列，然后输出帧的其它部分；出帧的其它部分；n开始定界符开始定界符SD和结束定界符和结束定界符ED标志着帧的开标志着帧的开始和结束，使用差分曼彻斯特编码模式（始和结束，使用差分曼彻斯特编码模式（HH和和LL，物理层编码违例法）；，物理层编码违例法）；IEEE802标准

50、的其它局域网nIEEE802.5 令牌环Token Ringn令牌环令牌环MAC子层协议子层协议n访问控制域访问控制域 AC 包括令牌位、监视位、优先级位和保留位；包括令牌位、监视位、优先级位和保留位；P P P T M R R R优先级位优先级位 令牌位令牌位 监督位监督位预约位预约位IEEE802标准的其它局域网nIEEE802.5 令牌环Token Ringn令牌环令牌环MAC子层协议子层协议n访问控制域访问控制域 AC 包括令牌位、监视位、优先级位和保留位；包括令牌位、监视位、优先级位和保留位； 优先级与预约：规定只有优先级高于令牌内优先级与预约：规定只有优先级高于令牌内 PPP的站点

51、才允许的站点才允许 截获令牌。要发送数据的站点可以在其他站点发送的数据帧经过本截获令牌。要发送数据的站点可以在其他站点发送的数据帧经过本站时进行预约，将本站的优先级写入该帧的预约位。站时进行预约，将本站的优先级写入该帧的预约位。 优先级限制：升高优先级的站点在发送完数据之后，还要负责将令优先级限制：升高优先级的站点在发送完数据之后，还要负责将令牌的优先级降低。牌的优先级降低。 令牌位：帧类型标识。令牌位：帧类型标识。0 - 令牌；令牌；1 - 信息信息/控制帧控制帧 监督位：防止无效帧在环路中无限循环。监督位：防止无效帧在环路中无限循环。 帧发出时，帧发出时，M=0；首次经；首次经过监控站时，

52、过监控站时，M置为置为1；若该帧再次经过监控站，则由监控站将该帧；若该帧再次经过监控站，则由监控站将该帧清除。清除。IEEE802标准的其它局域网nIEEE802.5 令牌环Token Ringn令牌环令牌环MAC子层协议子层协议n帧控制域帧控制域 FC 用于将数据帧和控制帧区别开来和进行用于将数据帧和控制帧区别开来和进行环的维护；环的维护； 帧类型帧类型控制帧类型控制帧类型 1 2 3 4 5 6 7 8 位位 01 - 信息帧信息帧00 - 控制帧控制帧IEEE802标准的其它局域网nIEEE802.5 令牌环Token Ringn令牌环令牌环MAC子层协议子层协议n帧控制域帧控制域 FC

53、 用于将数据帧和控制帧区别开来和进行用于将数据帧和控制帧区别开来和进行环的维护；环的维护；IEEE802标准的其它局域网nIEEE802.5 令牌环Token Ringn令牌环令牌环MAC子层协议子层协议地址字段（地址字段（SA和和DA）：）： 同同IEEE 802.3数据字段（数据字段（DATA）：长度无下限，上限值受限于令牌绕环）：长度无下限，上限值受限于令牌绕环一周的最长时间一周的最长时间FCS（checksum）字段：）字段： 任一站点转发时都进行校验任一站点转发时都进行校验IEEE802标准的其它局域网nIEEE802.5 令牌环Token Ringn令牌环令牌环MAC子层协议子层协

54、议n帧状态字节帧状态字节FS用于报告帧的传送情况，包括地址位用于报告帧的传送情况，包括地址位A和拷贝位和拷贝位C，帧经过目的站，帧经过目的站，A置为置为“1”，帧被接收，帧被接收，C置为置为“1”。A、C位提供了自动确认。为增加可靠性，位提供了自动确认。为增加可靠性，A、C在在 FS中出现两次。中出现两次。 A C x x A C x x 1 2 3 4 5 6 7 8 位位 IEEE802标准的其它局域网nIEEE802.5 令牌环Token Ringn令牌环令牌环MAC子层协议子层协议nA = 0，C = 0，目的站不存在或未加电；，目的站不存在或未加电；nA = 1，C = 0，目的站存

55、在但帧未被接收；，目的站存在但帧未被接收；nA = 1，C = 1，目的站存在且帧被复制。，目的站存在且帧被复制。 A C x x A C x x 1 2 3 4 5 6 7 8 位位 IEEE802标准的其它局域网nIEEE802.5 令牌环Token Ringn令牌环令牌环MAC子层协议子层协议n环的维护环的维护n环上存在一个监控站，负责环的维护，环上存在一个监控站，负责环的维护，通过站的竞争产生；通过站的竞争产生；n监控站的职责监控站的职责n保证令牌不丢失；保证令牌不丢失；n处理环断开情况；处理环断开情况；n清除坏帧，检查无主帧。清除坏帧，检查无主帧。IEEE802标准的其它局域网nIE

56、EE802.5 令牌环Token RingnIEEE802.4 令牌总线Token Bus特点：物理上是总线网，逻辑上是令牌网特点：物理上是总线网，逻辑上是令牌网物理层：传输媒体为物理层：传输媒体为75 宽带同轴电缆，数据率宽带同轴电缆，数据率1M、5M或或10M； 基带信号需要调制基带信号需要调制宽带同轴电缆1311719171420逻辑环令牌运动方向本站目前不在逻辑环中IEEE802标准的其它局域网 前同步码前同步码 起始起始帧控制帧控制 目的地址目的地址 源地址源地址数据数据FCS结束结束 1112/62/6 0 - 818241B前同步码：与前同步码：与IEEE 802.3相同，但最短

57、可以为相同，但最短可以为1字节字节起始、结束字段：与起始、结束字段：与IEEE 802.5相同相同帧控制帧控制: 若是数据帧，则为该帧的优先级；若是数据帧，则为该帧的优先级； 否则标识控制帧类型。否则标识控制帧类型。目的地址、源地址：与目的地址、源地址：与IEEE 802.3相同相同数据部分最大长度：数据部分最大长度：2B地址为地址为8182B，6B地址为地址为8174BFCS : 与与IEEE 802.3相同相同IEEE802.3通过限制帧长度来限制站点占用信道时间通过限制帧长度来限制站点占用信道时间 而而IEEE802.4用定时器来限制用定时器来限制IEEE802标准的其它局域网nIEEE

58、802.4 令牌总线Token Bus 前同步码前同步码 起始起始帧控制帧控制 目的地址目的地址 源地址源地址数据数据FCS结束结束 1112/62/6 0 - 818241BIEEE802标准的其它局域网nIEEE802.4 令牌总线Token Bus逻辑环的顺序逻辑环的顺序：根据站点地址，由大到小确定各站的排列：根据站点地址，由大到小确定各站的排列顺序，与物理位置无关，每个站点都保存本站地址、前趋顺序，与物理位置无关，每个站点都保存本站地址、前趋站地址和后继站地址站地址和后继站地址 环路初始化环路初始化：任何站点检测到网络中信道空闲超过一定时：任何站点检测到网络中信道空闲超过一定时间，就发

59、送间，就发送Claim-token帧；若没有其他站点竞争，就产生令帧；若没有其他站点竞争，就产生令牌，建立一个只包括自己的环；若有竞争，则按仲裁算法牌，建立一个只包括自己的环；若有竞争，则按仲裁算法（二进制倒计数法），留下一个站点。其他站点按照新站（二进制倒计数法），留下一个站点。其他站点按照新站入环的方法加入。入环的方法加入。逻辑环及令牌的管理和维护：建环逻辑环及令牌的管理和维护：建环IEEE802标准的其它局域网nIEEE802.4 令牌总线Token Bus逻辑环及令牌的管理和维护：建环逻辑环及令牌的管理和维护：建环5020301045101010NSTSPS C-TIEEE802标准的

60、其它局域网nIEEE802.4 令牌总线Token Bus逻辑环及令牌的管理和维护：入环逻辑环及令牌的管理和维护：入环新站入环新站入环：令牌持有者周期性发送：令牌持有者周期性发送Solicit-successor-1帧，询问帧，询问是否有地址在它和其后继站之间的站点申请加入。等待一是否有地址在它和其后继站之间的站点申请加入。等待一个时隙，若无申请，则正常操作；若有某站通过发送个时隙，若无申请，则正常操作；若有某站通过发送Set-successor帧来申请，则令牌持有者将其保存的后继地址改为帧来申请，则令牌持有者将其保存的后继地址改为新站地址，并将令牌传给新站；然后新站设置其保存的前新站地址，并