networkvchapter计算机网络原理与技术华蓓

1、计算机网络第四章 介质访问控制子层1主要内容信道分配策略令牌传递网络以太网无线局域网局域网互联虚拟局域网2 使用广播信道的数据链路层 局域网的数据链路层 局域网最主要的特点是：网络为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目均有限。 局域网具有如下的一些主要优点：具有广播功能，从一个站点可很方便地访问全网。局域网上的主机可共享连接在局域网上的各种硬件和软件资源。 便于系统的扩展和逐渐地演变，各设备的位置可灵活调整和改变。提高了系统的可靠性、可用性和残存性。3局域网的拓扑 匹配电阻集线器干线耦合器总线网星形网树形网 环形网4数据链路层的两个子层 为了使数据链路层能更好地适应多种局域网标准，802 委员

2、会就将局域网的数据链路层拆成两个子层：逻辑链路控制 LLC (Logical Link Control)子层媒体接入控制 MAC (Medium Access Control)子层。与接入到传输媒体有关的内容都放在 MAC子层，而 LLC 子层则与传输媒体无关，不管采用何种协议的局域网对 LLC 子层来说都是透明的 5IEEE 802标准系列61. 信道分配策略信道划分：频分多路复用：每个节点分配一个频段时分多路复用：每个节点分配一个时隙码分多址：每个节点分配一个编码71. 信道分配策略随机访问：每个节点自主决定是否发送，冲突发生后，各个节点随机等待一段时间后重试。轮流访问：各个节点按照某种预

3、定的顺序轮流发送，没有冲突。8码分复用 CDM(Code Division Multiplexing) 常用的名词是码分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)。各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此彼此不会造成干扰。这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。 每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片(chip)。 9码片序列(chip sequence) 每个站被指派一个唯一的 m bit 码片序列。如发送比特 1，则发送自己的 m bit 码片序列。如发送比特 0，则发送该码片序列的二进制反码。 例如，S 站的 8

4、 bit 码片序列是 00011011。发送比特 1 时，就发送序列 00011011，发送比特 0 时，就发送序列 11100100。S 站的码片序列：(1 1 1 +1 +1 1 +1 +1) 10CDMA 的重要特点每个站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须互相正交(orthogonal)。在实用的系统中是使用伪随机码序列。 11码片序列的正交关系 令向量 S 表示站 S 的码片向量，令 T 表示其他任何站的码片向量。 两个不同站的码片序列正交，就是向量 S 和T 的规格化内积(inner product)都是 0： (2-3)12码片序列的正交关系举例 令向量 S 为(1 1 1

5、 +1 +1 1 +1 +1)，向量 T 为(1 1 +1 1 +1 +1 +1 1)。 把向量 S 和 T 的各分量值代入(2-3)式就可看出这两个码片序列是正交的。 13任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是1 。一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是 1。 正交关系的另一个重要特性 14CDMA 的工作原理 S 站的码片序列 S110ttttttm 个码片tS 站发送的信号 SxT 站发送的信号 Tx总的发送信号 Sx + Tx规格化内积 S Sx规格化内积 S Tx数据码元比特发送端接收端15CDMA练习谢希仁计算机网络第五版2-16题共有4个站进行码分多址CDMA通

6、信，4个站的码片序列为：A (-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1）B (-1 -1 + 1 -1 +1 +1 +1 -1 ）C (-1 +1 -1 +1 +1 +1 -1 -1 ）D (-1 +1 -1 -1 -1 -1 +1 -1）现收到这样的码片序列(-1 +1 -3 +1 -1 -3 +1 +1），问哪个站发送数据了，发送数据的站发送的1还是0？16CDMA练习谢希仁计算机网络第五版2-16题答：SA= (+1 -1 +3 +1 -1 +3 +1 +1）/8=1 A发送1SB= (+1 -1 -3 -1 -1 -3 +1 -1 ） /8=-1 B发送0SC =(+1 +1 +

7、3 +1 -1 -3 -1 -1 ） /8=0 C无发送SD =(+1 +1 +3 -1 +1 +3 +1 -1） /8=1 D发送117随机访问-纯ALOHA基本思想节点从网络层接收到一个数据包后，立即封装成帧发送。如果在预定的时间内没有收到确认，节点立即以概率 p 重发该帧，以概率 1-p 等待一个帧时。在等待之后，仍以概率 p 重发该帧，以概率 1-p 等待一个帧时，直至发送成功。随机访问信道的效率定义为：当有大量的活动节点、每个节点总有大量的帧要发送时，长期运行过程中成功传输时间占总时间的份额。纯ALOHA系统的吞吐量为 S = Ge-2G，其中G为系统负载。当G = 0.5时，S达到

8、最大值，为0.184。18纯ALOHA的易损时间区19随机访问-时分ALOHA基本思想：将时间分成一系列离散的时隙，每个时隙用来传输一个帧；每个节点只能在一个时隙的开始发送（需要一个全局时钟）；如果在时隙结束前检测到冲突，则节点以概率 p 在后续的每一个隙重传它的帧，直至传送成功。与纯ALOHA相比，每个帧的易损时间区缩小了，因而冲突的概率随之减小，系统吞吐量随之提高。时分ALOHA系统的吞吐量为 S = Ge-G。当G = 1时，S达到最大值，为0.368。20时隙ALOHA的易损时间区21纯ALOHA和时分ALOHA的性能比较22随机访问-CSMA/CD基本思想：节点有帧要发送时，先侦听信

9、道；信道忙则坚持侦听直至信道空闲；一旦发现信道空闲，立即发送；传输的过程中检测信道，一旦检测到冲突立即停止发送；随机等待一段时间后，重新侦听信道。即使发送前先侦听信道，以下两种情况仍有可能发生冲突：信号传播延迟不可忽略，相距较远的竞争节点在不知道另一节点正在发送的情况下发送。两个节点同时等待另一个节点结束传输，然后同时发送。以上观察表明，该策略仅适用于规模较小和负载较轻的网络。23轮流访问预约将时间划分成一系列预约周期和数据传输周期，每个预约周期包含N个时隙，每个节点对应一个时隙。想发送数据的节点必须在其预约时隙到来时发一个“1”。预约周期结束后，所有预约的节点按顺序发送。令牌传递一个称为令牌

10、的特殊帧在节点间按固定的次序巡游； 节点收到令牌后，若没有数据发送，就将令牌传给下一个节点；否则发送一定数量的帧，再把令牌传给下一个节点。242. 令牌传递网络令牌环（802.5）FDDI令牌总线（802.4）252.1 令牌环令牌环由环接口和环接口间的点到点链路组成，节点通过环接口连到网上。数据沿着一个固定的方向在环上流动，每个节点从上游节点接收数据，然后立即转发到下游节点（边收边发而不是存储转发）。目的节点将数据接收下来，同时仍向下游转发。数据返回到发送节点时，发送节点将其从环上取消。26令牌传递令牌是一个特殊的标记，其中有一个令牌位，该位为“0”表示是一个空闲令牌，为“1”表示该令牌正在

11、被使用。只有获得空闲令牌的节点允许发送，发送前将令牌位翻转为“1”，发完后将这一位置“0”，释放令牌。协议规定了每个节点获得令牌后可以发送的最大数据量，以防止一个节点长时间占用信道。令牌标记中包含优先级比特和预约比特，用于限制当前允许发送的最低优先级以及确定下一个令牌的优先级。令牌标记中包含一个监控位，用于检测令牌的丢失。27令牌环的帧结构282.2 FDDIFDDI在许多方面类似于802.5，但有以下重要区别：802.5只有一个环，而FDDI由两个传输方向相反的环组成，正常情况下只有主环工作，主环出现故障时启动次环。29FDDI（续）802.5设计为运行在4Mbps或16Mbps，采用差分曼

12、彻斯特编码；而FDDI设计为运行在100Mbps，采用更高效的4B/5B编码。在802.5中，数据帧由发送站负责取消，然后由发送站重新生成令牌。而在FDDI中，FDDI让目的节点取消帧，并重新生成令牌，因而FDDI并不是一个严格意义上的广播网络。FDDI的帧结构及协议也与802.5有些不同。302.3 令牌总线令牌总线试图结合以太网和令牌环的优点：物理上采用总线结构以获得较高的可靠性。逻辑上采用令牌环的工作原理，各站轮流发送。31令牌总线（续）令牌总线采用75的宽带同轴电缆，其传输技术和使用50基带同轴电缆的802.3完全不同。节点按地址从高到低的顺序组织在一个逻辑环中，令牌按地址从高到低的顺

13、序传递。令牌中携带地址，表明该令牌是传给谁的。收到令牌的节点可以发送数据，然后将令牌传递给后继节点。令牌总线的帧结构。令牌总线的正常操作很简单，但网络的维护和管理很复杂。32令牌总线的帧结构333. 以太网传统以太网快速以太网千兆以太网交换式以太网343. 以太网传统以太网快速以太网千兆以太网交换式以太网352. 适配器的作用 网络接口板又称为通信适配器(adapter)或网络接口卡 NIC (Network Interface Card)，或“网卡”。 适配器的重要功能：进行串行/并行转换。对数据进行缓存。在计算机的操作系统安装设备驱动程序。实现以太网协议。 36计算机通过适配器和局域网进行

14、通信 硬件地址至局域网适配器（网卡）串行通信CPU 和存储器生成发送的数据处理收到的数据把帧发送到局域网从局域网接收帧计算机IP 地址并行通信37最初的以太网是将许多计算机都连接到一根总线上。当初认为这样的连接方法既简单又可靠，因为总线上没有有源器件。 3.3.2 CSMA/CD 协议 B向 D发送数据 C D A E匹配电阻（用来吸收总线上传播的信号）匹配电阻不接受不接受不接受接受B只有 D 接受B 发送的数据38以太网的广播方式发送 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

15、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。 39为了通信的简便以太网采取了两种重要的措施 采用较为灵活的无连接的工作方式，即不必先建立连接就可以直接发送数据。 以太网对发送的数据帧不进行编号，也不要求对方发回确认。这样做的理由是局域网信道的质量很好，因信道质量产生差错的概率是很小的。 40以太网提供的服务 以太网提供的服务是不可靠的交付，即尽最大努力的交付。当目的站收到有差错的数据帧时就丢弃此帧，其他什么也不做。差错的纠正由高层来决定。如果高层发现丢失了一些数据而进行重传，但以太网并不知道这是一个重传的

16、帧，而是当作一个新的数据帧来发送。 41以太网发送的数据都使用曼彻斯特(Manchester)编码 基带数字信号曼彻斯特编码 码元1111100000出现电平转换42载波监听多点接入/碰撞检测 CSMA/CD CSMA/CD 表示 Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection。“多点接入”表示许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上。“载波监听”是指每一个站在发送数据之前先要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据，如果有，则暂时不要发送数据，以免发生碰撞。 总线上并没有什么“载波”。因此， “载波监听”就是用电子技术检测总线上

17、有没有其他计算机发送的数据信号。 43碰撞检测“碰撞检测”就是计算机边发送数据边检测信道上的信号电压大小。当几个站同时在总线上发送数据时，总线上的信号电压摆动值将会增大（互相叠加）。当一个站检测到的信号电压摆动值超过一定的门限值时，就认为总线上至少有两个站同时在发送数据，表明产生了碰撞。所谓“碰撞”就是发生了冲突。因此“碰撞检测”也称为“冲突检测”。44检测到碰撞后在发生碰撞时，总线上传输的信号产生了严重的失真，无法从中恢复出有用的信息来。每一个正在发送数据的站，一旦发现总线上出现了碰撞，就要立即停止发送，免得继续浪费网络资源，然后等待一段随机时间后再次发送。45电磁波在总线上的有限传播速率的

18、影响 当某个站监听到总线是空闲时，也可能总线并非真正是空闲的。 A 向 B 发出的信息，要经过一定的时间后才能传送到 B。B 若在 A 发送的信息到达 B 之前发送自己的帧(因为这时 B 的载波监听检测不到 A 所发送的信息)，则必然要在某个时间和 A 发送的帧发生碰撞。碰撞的结果是两个帧都变得无用。 461 kmABt碰撞t = 2 A 检测到发生碰撞 t = B 发送数据B 检测到发生碰撞 t = t = 0单程端到端传播时延记为 传播时延对载波监听的影响 471 kmABt碰撞t = B 检测到信道空闲发送数据t = / 2发生碰撞t = 2 A 检测到发生碰撞 t = B 发送数据B

19、检测到发生碰撞 t = ABABAB t = 0 A 检测到信道空闲发送数据ABt = 0t = B 检测到发生碰撞停止发送STOPt = 2 A 检测到发生碰撞STOPAB单程端到端传播时延记为 48重要特性使用 CSMA/CD 协议的以太网不能进行全双工通信而只能进行双向交替通信（半双工通信）。每个站在发送数据之后的一小段时间内，存在着遭遇碰撞的可能性。 这种发送的不确定性使整个以太网的平均通信量远小于以太网的最高数据率。 49争用期最先发送数据帧的站，在发送数据帧后至多经过时间 2 （两倍的端到端往返时延）就可知道发送的数据帧是否遭受了碰撞。以太网的端到端往返时延 2 称为争用期，或碰撞

20、窗口。经过争用期这段时间还没有检测到碰撞，才能肯定这次发送不会发生碰撞。 50二进制指数类型退避算法 (truncated binary exponential type)发生碰撞的站在停止发送数据后，要推迟（退避）一个随机时间才能再发送数据。确定基本退避时间，一般是取为争用期 2。定义重传次数 k ，k 10，即 k = Min重传次数, 10从整数集合0,1, (2k 1)中随机地取出一个数，记为 r。重传所需的时延就是 r 倍的基本退避时间。当重传达 16 次仍不能成功时即丢弃该帧，并向高层报告。 51争用期的长度 以太网取 51.2 s 为争用期的长度。对于 10 Mb/s 以太网，在

21、争用期内可发送512 bit，即 64 字节。以太网在发送数据时，若前 64 字节没有发生冲突，则后续的数据就不会发生冲突。 52最短有效帧长 如果发生冲突，就一定是在发送的前 64 字节之内。 由于一检测到冲突就立即中止发送，这时已经发送出去的数据一定小于 64 字节。 以太网规定了最短有效帧长为 64 字节，凡长度小于 64 字节的帧都是由于冲突而异常中止的无效帧。 53强化碰撞 当发送数据的站一旦发现发生了碰撞时：立即停止发送数据；再继续发送若干比特的人为干扰信号(jamming signal)，以便让所有用户都知道现在已经发生了碰撞。 54数据帧干扰信号TJ人为干扰信号 ABTBtB

22、发送数据A 检测到冲突开始冲突信道占用时间A 发送数据B 也能够检测到冲突，并立即停止发送数据帧，接着就发送干扰信号。这里为了简单起见，只画出 A 发送干扰信号的情况。553.4 使用广播信道的以太网3.4.1 使用集线器的星形拓扑传统以太网最初是使用粗同轴电缆，后来演进到使用比较便宜的细同轴电缆，最后发展为使用更便宜和更灵活的双绞线。这种以太网采用星形拓扑，在星形的中心则增加了一种可靠性非常高的设备，叫做集线器(hub) 56使用集线器的双绞线以太网 集线器两对双绞线站点RJ-45 插头57星形网 10BASE-T 不用电缆而使用无屏蔽双绞线。每个站需要用两对双绞线，分别用于发送和接收。集线

23、器使用了大规模集成电路芯片，因此这样的硬件设备的可靠性已大大提高了。 58以太网在局域网中的统治地位10BASE-T 的通信距离稍短，每个站到集线器的距离不超过 100 m。这种 10 Mb/s 速率的无屏蔽双绞线星形网的出现，既降低了成本，又提高了可靠性。 10BASE-T 双绞线以太网的出现，是局域网发展史上的一个非常重要的里程碑，它为以太网在局域网中的统治地位奠定了牢固的基础。 59集线器的一些特点 集线器是使用电子器件来模拟实际电缆线的工作，因此整个系统仍然像一个传统的以太网那样运行。 使用集线器的以太网在逻辑上仍是一个总线网，各工作站使用的还是 CSMA/CD 协议，并共享逻辑上的总

24、线。 集线器很像一个多接口的转发器，工作在物理层。 60具有三个接口的集线器 集线器网卡工作站网卡工作站网卡工作站双绞线613.4.2 以太网的信道利用率 以太网的信道被占用的情况：争用期长度为 2，即端到端传播时延的两倍。检测到碰撞后不发送干扰信号。帧长为 L (bit)，数据发送速率为 C (b/s)，因而帧的发送时间为 L/C = T0 (s)。 62以太网的信道利用率 一个帧从开始发送，经可能发生的碰撞后，将再重传数次，到发送成功且信道转为空闲(即再经过时间 使得信道上无信号在传播)时为止，是发送一帧所需的平均时间。 发 送 成 功 争用期 争用期 争用期 222T0t占用期 发生碰撞

25、 发送一帧所需的平均时间63参数 a 要提高以太网的信道利用率，就必须减小 与 T0 之比。在以太网中定义了参数 a，它是以太网单程端到端时延 与帧的发送时间 T0 之比： (3-2) a0 表示一发生碰撞就立即可以检测出来， 并立即停止发送，因而信道利用率很高。 a 越大，表明争用期所占的比例增大，每发 生一次碰撞就浪费许多信道资源，使得信道 利用率明显降低。 64对以太网参数的要求当数据率一定时，以太网的连线的长度受到限制，否则 的数值会太大。以太网的帧长不能太短，否则 T0 的值会太小，使 a 值太大。 65在理想化的情况下，以太网上的各站发送数据都不会产生碰撞（这显然已经不是 CSMA

26、/CD，而是需要使用一种特殊的调度方法），即总线一旦空闲就有某一个站立即发送数据。发送一帧占用线路的时间是 T0 + ，而帧本身的发送时间是 T0。于是我们可计算出理想情况下的极限信道利用率 Smax为： 信道利用率的最大值 Smax (3-3)663.4.3 以太网的 MAC 层1. MAC 层的硬件地址 在局域网中，硬件地址又称为物理地址，或 MAC 地址。 802 标准所说的“地址”严格地讲应当是每一个站的“名字”或标识符。 但鉴于大家都早已习惯了将这种 48 位的“名字”称为“地址”，所以本书也采用这种习惯用法，尽管这种说法并不太严格。6748 位的 MAC 地址IEEE 的注册管理机

27、构 RA 负责向厂家分配地址字段的前三个字节(即高位 24 位)。地址字段中的后三个字节(即低位 24 位)由厂家自行指派，称为扩展标识符，必须保证生产出的适配器没有重复地址。一个地址块可以生成224个不同的地址。这种 48 位地址称为 MAC-48，它的通用名称是EUI-48。“MAC地址”实际上就是适配器地址或适配器标识符EUI-48。68适配器检查 MAC 地址 适配器从网络上每收到一个 MAC 帧就首先用硬件检查 MAC 帧中的 MAC 地址.如果是发往本站的帧则收下，然后再进行其他的处理。否则就将此帧丢弃，不再进行其他的处理。“发往本站的帧”包括以下三种帧： 单播(unicast)帧

28、（一对一）广播(broadcast)帧（一对全体）多播(multicast)帧（一对多）692. MAC 帧的格式 常用的以太网MAC帧格式有两种标准 ：DIX Ethernet V2 标准IEEE 的 802.3 标准最常用的 MAC 帧是以太网 V2 的格式。70以太网 MAC 帧物理层MAC层110 110101011前同步码帧开始定界符7 字节1 字节8 字节插入IP层目的地址源地址类型数 据FCS6624字节46 1500IP 数据报MAC 帧以太网的 MAC 帧格式 71MAC 帧物理层MAC 层IP 层目的地址源地址类型数 据FCS6624字节46 1500IP 数据报以太网 V

29、2 的 MAC 帧格式目的地址字段 6 字节72MAC 帧物理层MAC 层IP 层目的地址源地址类型数 据FCS6624字节46 1500IP 数据报以太网 V2 的 MAC 帧格式源地址字段 6 字节73MAC 帧物理层MAC 层IP 层目的地址源地址类型数 据FCS6624字节46 1500IP 数据报以太网 V2 的 MAC 帧格式类型字段 2 字节类型字段用来标志上一层使用的是什么协议，以便把收到的 MAC 帧的数据上交给上一层的这个协议。 74MAC 帧物理层MAC 层IP 层目的地址源地址类型数 据FCS6624字节46 1500IP 数据报以太网 V2 的 MAC 帧格式数据字段

30、 46 1500 字节数据字段的正式名称是 MAC 客户数据字段最小长度 64 字节 18 字节的首部和尾部 = 数据字段的最小长度 75MAC 帧物理层MAC 层IP 层目的地址源地址类型数 据FCS6624字节46 1500IP 数据报以太网 V2 的 MAC 帧格式FCS 字段 4 字节当传输媒体的误码率为 1108 时，MAC 子层可使未检测到的差错小于 11014。 当数据字段的长度小于 46 字节时，应在数据字段的后面加入整数字节的填充字段，以保证以太网的 MAC 帧长不小于 64 字节。 76MAC 帧物理层MAC 层IP 层目的地址源地址类型数 据FCS6624字节46 150

31、0IP 数据报以太网 V2 的 MAC 帧格式110 110101011前同步码帧开始定界符7 字节1 字节8 字节插入在帧的前面插入的 8 字节中的第一个字段共 7 个字节，是前同步码，用来迅速实现 MAC 帧的比特同步。第二个字段是帧开始定界符，表示后面的信息就是MAC 帧。 为了达到比特同步，在传输媒体上实际传送的要比 MAC 帧还多 8 个字节77数据字段的长度与长度字段的值不一致；帧的长度不是整数个字节；用收到的帧检验序列 FCS 查出有差错；数据字段的长度不在 46 1500 字节之间。有效的 MAC 帧长度为 64 1518 字节之间。对于检查出的无效 MAC 帧就简单地丢弃。以

32、太网不负责重传丢弃的帧。 无效的 MAC 帧 78帧间最小间隔为 9.6 s，相当于 96 bit 的发送时间。一个站在检测到总线开始空闲后，还要等待 9.6 s 才能再次发送数据。这样做是为了使刚刚收到数据帧的站的接收缓存来得及清理，做好接收下一帧的准备。 帧间最小间隔 793.5 扩展的局域网3.5.1 在物理层扩展局域网主机使用光纤和一对光纤调制解调器连接到集线器 以太网集线器光纤光纤调制解调器光纤调制解调器80某大学有三个系，各自有一个局域网用多个集线器可连成更大的局域网三个独立的碰撞域一系二系三系碰撞域碰撞域碰撞域81用集线器组成更大的局域网都在一个碰撞域中一系三系二系主干集线器一个

33、更大的碰撞域碰撞域82优点使原来属于不同碰撞域的局域网上的计算机能够进行跨碰撞域的通信。扩大了局域网覆盖的地理范围。缺点碰撞域增大了，但总的吞吐量并未提高。如果不同的碰撞域使用不同的数据率，那么就不能用集线器将它们互连起来。 用集线器扩展局域网 833.1 传统以太网物理层布线10Base-5粗同轴电缆，收发器，收发器电缆，AUI连接器，终端匹配器；采用总线型拓扑。10Base-2细同轴电缆，BNC连接器，终端匹配器；采用总线型拓扑。10Base-T双绞线，RJ-45连接器，集线器（hub）；采用星型拓扑。10Base-F光纤，光收发器，光集线器；采用星型拓扑。可使用中继器连接多个网段。（图）

34、粗/细缆以太网在新建的局域网中已很少使用；双绞线以太网成为连接桌面系统最流行的局域网技术；光纤以太网常用于建筑物间的连接。8410Base-T 与 10Base-F 布线85使用中继器连接多个网段86以太网帧结构DIX以太帧结构：前导码：使接收端与发送端时钟同步地址：通常使用6字节地址（MAC地址）类型：指出数据域中携带的数据应交给哪个协议实体处理数据：0-1500字节填充：0-46字节，当帧长太短时填充帧，使达到64字节最小长度。校验和：CRC校验802.3帧格式与DIX 以太帧格式的不同：帧起始标志：与802.4和802.5相兼容长度域：替代了DIX帧中的类型域，指出数据域的长度。这两种格

35、式都可使用，当类型/长度域的值大于1500时解释为类型域，否则解释为长度域。87DIX以太帧与802.3帧88MAC地址每一块网络适配器（网卡）固定分配了一个地址，称为MAC地址，也称物理地址。MAC地址长6个字节，一般用由冒号分隔的6个十六进制数表示，如 8:0:2b:e4:b1:2。全局地址和局部地址局部地址：地址次高比特为1，由网管分配且只在本网内有效。全局地址：地址次高比特为0，由IEEE统一分配。目的地址类型：单播地址：目的主机适配器的MAC地址，地址最高比特为0。多播地址：地址最高比特为1，其余不全为1。广播地址：48位全是1。 以太网中传输的每一个帧可被每一个适配器收到，但适配器

36、仅将发给本节点的帧交给主机。89介质访问控制以太网采用CSMA/CD作为介质访问控制协议：发送前监听信道：信道忙则坚持监听，直至信道空闲； 一旦发现信道空闲，立即发送。发送时继续监听信道，若检测到冲突立即停止传送帧，并发送一个阻塞信号。进入指数退避（exponential backoff）阶段，随机等待一段时间，重新监听信道。90冲突检测若信号在以太网上相距最远的两个适配器之间的往返延迟为2，为保证发送节点能够检测到冲突，帧的发送时间至少应为2。在最大配置的以太网（带有4个中继器、直径为2500米的粗缆以太网）中， 2=51.2s ，这在10Mbps速率下对应于512比特（64字节）的最小帧长

37、。91冲突解决指数退避算法冲突产生后，时间被分成一系列长为51.2s的时隙。第一次冲突后，设置参数 n = 1，然后从02n-1中随机选择一个整数 k，等待 k51.2s 后重试。以后每发生一次冲突，就将 n 加倍，然后从02n-1中随机选择一个整数 k，等待 k51.2s 后重试。算法规定 n 最大为10。适配器通常最多尝试16次，仍冲突则向上层报告出错。92以太网的性能以太网适合在轻负载下工作，通常超过30%的利用率就认为是重负载了。多数以太网工作在较保守的状态下：大部分以太网上的主机数小于200。大部分以太网的规模远小于2500米，往返延迟接近5s而不是51.2s。主机通常会提供某种端到

38、端的流量控制机制。933.2 快速以太网标准为802.3u，除了数据速率提高到100Mbps以外，完全保留了802.3的MAC层（帧格式、接口及处理规程）。定义了三种新的物理层标准（布线方案）：100Base-TX：5类非屏蔽双绞线100Base-T4：3类非屏蔽双绞线100Base-FX：光纤物理层上只使用集线器和交换机进行组网，且传输介质只使用双绞线和光纤。94100Base-TX5类双绞线布线方案。使用两对双绞线，一对用于输入，一对用于输出。每对双绞线运行在125Mbaud上，使用4B/5B编码，每对双绞线可以获得125M4/5 = 100Mbps数据速率。该方案可在两个方向上获得100

39、Mbps数据速率。采用RJ-45连接器。95100Base-T43类双绞线布线方案。使用一根电缆中的全部四对双绞线，一对固定作为输入，一对固定作为输出，还有两对总是切换到当前传输方向上，因此当前传输方向上有三对双绞线。每对双绞线采用25M波特信号速率，传输3状态信号，将三对双绞线视为一体，则信号状态有27种，每种状态至少携带4比特数据。当前传输方向上可以获得425M = 100Mbps的数据速率，同时在另一方向上仍然保留33.3Mbps的带宽（一对双绞线）。该方案仅在一个方向上获得100Mbps数据速率。采用RJ-45连接器。96100Base-FX光纤布线方案。使用两条多模光纤，一条用于输入

40、，一条用于输出。采用4B/5B编码，每条光纤均提供100Mbps的数据速率。计算机与组网设备间的距离可以达到2000米。97 组网设备与自动协商模式组网设备100Base-T（100Base-T4和100Base-TX）既可以用hub也可以用交换机来连接计算机，但用hub连接时站点只能工作在半双工模式下，而用交换机连接时可工作在全双工模式下。在100Base-FX布线中，由于传输距离已经超过了CSMA/CD使用的范围，因此只能用交换机连接计算机，站点工作在全双工模式下。自动协商模式允许两个站点自动配置通信的最佳速率和通信方式（全双工或半双工），从而可以方便地连接已有的10Mbps站点，也便于1

41、0Mbps站点的升级。983.3 千兆以太网标准为802.3z，除数据速率提高到1Gbps以外，仍然与已有的以太网标准相兼容，包括帧格式、最小和最大帧长限制等。所有配置都是点到点的，即必须使用集线器或交换机。支持全双工和半双工两种操作模式。支持铜线和光纤布线。支持流量控制。99操作模式全双工：缺省模式，当使用交换机连接时使用这种模式。没有冲突，不使用CSMA/CD，线路的长度只取决于信号的强度。交换机可以随意混合和匹配速率，也支持自动协商模式。半双工：当使用集线器连接时使用这种模式。使用CSMA/CD，线路上传输的最小帧长512字节，网络规模200米。载波扩展：链路层上仍使用64字节的最小帧长

42、，但由发送硬件在发送时填充至512字节，并由接收硬件自动去除。帧突发（frame bursting）：发送端可将多个帧放在一起传输，以避免将每个帧填充至512字节。100布线（1）双绞线布线：1000Base-CX：使用2对屏蔽双绞线，双绞线最长25米，实际很少使用。1000Base-T：使用4对5类非屏蔽双绞线，双绞线最长100米。每对双绞线运行在125M波特。采用PAM5编码，5个电平等级，其中四种电平用于编码数据，一种电平用于控制，因此每个信号携带2比特数据。4对双绞线可以获得24125M = 1000Mbps数据速率。每对双绞线都可以双向传输，因此可在两个方向上获得1000Mbps数据

43、速率。101布线（2）光纤布线：1000Base-SX：使用多模光纤，光纤最长550米。1000Base-LX：使用单模光纤，光纤最长5000米。每条光纤运行在1250Mbaud信号速率，使用8B/10B编码，数据速率1250M 8/10 = 1000Mbps。1023.4 交换式以太网共享式以太网的问题：在有N个节点的系统中，每个节点平均只能获得总带宽的1/N.当较多的节点加入网络时，由于冲突增加，导致网络性能下降。解决网络规模与网络性能之间矛盾的几种方法：提高网络速度：不能从根本上解决冲突增加的问题。网络分段：增加设备代价，管理困难。交换技术：将冲突域中的节点数减少到一个，避免冲突的发生，

44、从根本上改变共享式局域网的结构。103交换机交换机是交换式以太网的核心：由一个高速交换背板和若干线卡组成。每块线卡上有一些端口，每个端口可连接一台主机。数据帧通过背板在不同线卡间交换。线卡的两种构造方法：线卡上的所有端口连接在一起，形成一个冲突域。线卡上的每个端口有一个输入缓存，输入的帧首先缓存在卡的RAM中，然后再拷贝到目的端口所对应的RAM中，即每个端口是一个独立的冲突域。104交换机示意图105交换式以太网的优点交换式以太网将“共享”变为“独享”：交换机为每个端口提供专用的带宽；每个节点通过专用链路连到交换机的一个端口。网络的总带宽为各个交换端口带宽之和。随着用户的增多，网络带宽不断增加

45、而不是减少，即使网络负载很重也不会导致网络性能下降。交换式以太网从根本上解决了网络规模与网络性能的矛盾问题。1064. 无线局域网无线局域网主要用作有线局域网的补充：有线局域网用来连接服务器和固定的工作站，并连接到因特网上；无线局域网用来连接不易布线的节点或移动节点；无线局域网的设备通常连接到有线局域网上。目前无线局域网最流行的标准是802.11。107网络结构有基础设施的无线局域网：无线节点通过基站（也称接入点AP）相互通信，每个AP及连接到该AP的无线节点组成一个单元（cell）。AP通常连接到一个有线网络上。AP及连接AP的有线网络称为基础设施。自组织网络：无线节点之间相互直接通信，形成

46、一个无中心控制并与“外部世界”无连接的网络。108无线局域网的两种结构109介质访问控制为什么CSMA/CD不适用于无线局域网？存在隐藏节点问题和暴露节点问题，这是因为CSMA只能告诉发送站，在发送站周围是否有站点在传输，而发送站真正想知道的却是，在接收站周围是否有站点在传输。大多数无线节点的收发器是半双工的，无法同时发送和接收数据，这意味着它们不能在发送数据的同时进行冲突检测。802.11不支持冲突检测，因而采用了许多冲突避免技术。由于无线信道的误码率较高，802.11在MAC层上使用了自动重传机制，事实上 这个机制也被用来进行冲突检测。110隐藏节点和暴露节点111操作模式PCF模式：使用

47、基站控制单元内的所有通信服务，只能用于有基础设施的无线网络。轮询服务：基站依次询问单元中的节点，被询问到的节点可以发送，不会有冲突发生。电源管理：基站可以指示某些节点进入睡眠状态以节省电源。DCF模式：可用于自组织网，也可用于有基础设施的无线网络，后者AP和其它无线节点一起竞争信道。使用CSMA/CA作为MAC层协议，支持信道预约和无信道预约两种机制。112信道预约机制若A想向B发送一个数据帧：A向B发送一个RTS帧，给出发送数据帧及确认帧需要的总时间。B收到后回复一个CTS帧，帧中给出同样的时间。A收到CTS帧后开始发送，并启动一个定时器等待确认。若定时器超时，A重复以上过程。若有两个站同时

48、发送RTS帧，则会产生冲突，这时不成功的发送方随机等待一段时间后重试。该机制的要点是利用RTS和CTS帧通知发送方及接收方周围的节点在随后的一段时间内保持沉默，以便让发送方与接收方无干扰地通信。段突发机制：802.11允许发送站将帧分成较小的段传输以减小出错重发的通信量。每个段单独编号，采用停-等协议传输。节点在获取信道后可以连续地将一个帧的所有段全部发完。113使用RTS/CTS预约信道114段突发115帧间距机制802.11允许DCF和PCF在一个单元内共存，这是通过帧间距机制实现的。116无信道预约机制当一个节点有帧要发送时，首先侦听信道：若一开始就侦听到信道空闲，则在等待了DIFS时间

49、后发送该帧。若信道忙，则选取一个随机的回退值，并在侦听到信道空闲时开始递减该值。在此过程中若侦听到信道忙，则冻结计数值。当计数值减为0时，该节点发送整个帧并等待确认。若收到确认帧，表明帧发送成功；若还要发送下一个帧，从第2步开始CSMA/CA协议；若未收到确认，节点重新进入第2步中的回退阶段，并从一个更大的范围内选取随机值。 117无信道预约机制 CSMA/CA与CSMA/CD的不同：在CSMA/CD中，节点侦听到信道空闲时立即发送；而在CSMA/CA中，节点要推迟发送，尤其在第2步中要随机回退。这是为了避免有多个站同时等待信道空闲，并在发现信道空闲后立即发送而造成的冲突。118帧结构帧类型：

50、数据帧、控制帧和管理帧。数据帧结构：119物理层特性802.11 infrared：红外通信，格雷码 ，1Mbps和2Mbps两种速率。优点是各个房间的通信系统互不干扰，缺点是带宽太低。802.11 FHSS：跳频扩频通信，工作在2.4GHz频带， 1Mbps和2Mbps两种速率。优点是安全性好，抗干扰强，常用于建筑物之间的通信，缺点是带宽太低。802.11 DSSS：直序扩频通信，工作在2.4GHz频带，1Mbps和2Mbps两种速率。120物理层特性802.11a OFDM：正交频分多路复用，工作于5GHz频带，最高速率54Mbps。优点是抗窄带干扰强，并能够使用非连续信道。802.11b

51、 HR-DSSS：高速直序扩频，工作于2.4GHz频带，有1、2、5.5和11Mbps四种速率，通信范围是802.11a 的7倍。802.11g OFDM：工作在2.4GHz频带，理论上可以达到54Mbps。1215. 局域网互联使用网桥连接局域网透明桥生成树算法远程桥使用交换机连接局域网122网桥的应用使用网桥的几种典型情况：将各部门原有的局域网互联起来，实现更大范围的资源共享。将地理位置上相距较远的几个局域网互联起来。将逻辑上一个较大的局域网分成多个网段，降低每个网段上的负载。将重要的网段用网桥与其它网段隔离，可提高被保护网段的安全性。123用网桥连接两个局域网124用网桥连接不同局域网的

52、困难帧格式不同：需要重新组帧和重新计算校验和，在此过程中可能会在拷贝帧时由于内存位出错引入不可检测的错误。网络速率不匹配：要求网桥能够缓存大量的帧，但仍有可能因内存不够而丢失帧。最大帧长不同：数据链路层协议不能处理帧的分片与重组，因此超过目的网络最大帧长的帧只能被丢弃。优先级：令牌传递网络支持优先级，而以太网不支持。安全措施：802.11支持数据链路层加密，而以太网不支持。1255.1 透明桥工作原理：透明桥工作于混杂模式，接收与之相连的所有局域网上的帧。对于收到的每一个帧，查找内部的一张转发表，决定是丢弃还是转发，转发的话从哪个端口转发。转发表记录了网桥已知的各个目的地址、这些地址所属的输出线路和最近一次来自于该地址的帧到达网桥的时间。1265.1 透明桥若帧的目的地址未知（即不在转发表中），用扩散法转发。网桥通过逆向学习法获知各个目的地址所属的输出线路，更新转发表。为适应网络的拓扑变化，网桥周期性地扫描转发表，将那些超过几分钟的入口清除掉。127透明桥连接局域网示例128透明桥的处理过程