计算机网络（网络学院）第四章 局域网与介质访问子层2

1、计算机网络局域网与介质访问子层( IEEE 802系列标准)第四章局域网与介质访问子层局域网概述局域网拓扑结构和传输介质信道分配多路访问协议局域网的IEEE 802系列标准网桥技术2局域网的IEEE 802系列标准IEEE 802协议IEEE 802系列标准定义了若干种LAN，包括对物理层、MAC子层的定义和描述。它的组成如下：802.1A 局域网络和城域网络标准：综述和体系结构802.1B 局域网络的寻址、网络互连及其管理802.2 逻辑链路控制（LLC）子层802.3 采用CSMA/CD技术的局域网802.4 采用令牌总线（Token Bus）技术的局域网802.5 采用令牌环（Token

2、 Ring）技术的局域网3802标准在网络体系结构中的位置4IEEE 802 family56IEEE802.2标准：逻辑链路控制引入LLC子层的原因：MAC子层只提供尽力而为的数据报服务，不提供确认机制和流量控制（滑动窗口），有些情况下，这种服务足够，如支持IP协议；当需要确认和流控的时候，这种服务就不能满足，需要LLC。LLC子层提供确认机制和流量控制；LLC隐藏了不同802MAC子层的差异，为网络层提供单一的格式和接口；LLC提供三种服务选项：不可靠的数据报服务 有确认的数据报服务可靠的面向连接的服务7LLC帧头基于HDLC协议DSAP:目的地址，低位为0，单地址；低位为1，组地址；各位

3、全为1,广播地址。SSAP:源地址，低位为0，命令帧；低位为1，响应帧DSAPSSAP控制网络层packet8（a）LLC的位置（b）协议格式9介质访问控制子层 MAC介质访问控制子层 MAC（Medium Access Control）数据封装（成帧，寻址，差错控制）介质访问管理介质分配竞争方法分成两个子层的原因管理多点访问信道的逻辑不同于传统的数据链路控制；对于同一个LLC，可以提供多个MAC选择10LLC与MAC的接口服务原语名参数MA_DATA.request目的地址，服务数据单元（M_SDU）、服务类别MA_DATA.indication目的地址、源地址、M_SDU、接收类别MA_D

4、ATA.confirm发送状态MA_DATA.request原语由LLC子层传给MAC子层，请求传送一个LLC帧。其参数中的目的地址可以是MAC子层单地址或组地址，供MAC子层组成帧用或更低层访问使用。M_SDU内必须包括数据单元长度的信息。MAC子层收到此原语后将按有关功能成帧和发送。MA_DATA.indication原语将本地MAC子层收到的来自远端的LLC帧交给本地LLC子层。帧内的M_SDU是指向该站且传输无误的有效帧。MA_DATA.confirm原语被MAC子层用来作为收到LLC子层来的MA_DATA.request原语时的应答手段。该原语中的发送状态可为“成功发送”或“发送失败

5、”（过度的冲突）。11IEEE 802.3 和 Ethernet历史ALOHA系统ALOHA + 载波监听Xerox 设计了2.94Mbps的采用CSMA/CD协议的EthernetXerox, DEC, Intel共同制定了10Mbps的CSMA/CD以太网标准IEEE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。12802.3采用的电缆标准10base5粗缆500m100个节点骨干10base2细缆200m30廉价10base-T双绞线100m1024容易维护10base-F光缆2000m1024距离较远13物理

6、层类型用以下域表示： 10Base5含义:10：10Mbps; Base：基带传输（baseband medium）；5：500米10Base5：粗缆，AUI接口；10Base2：细缆，BNC接口，T型头；10Base-T：RJ-45接口收发器（transceiver）：处理载波监听和冲突检测（图）布线拓扑结构（图）总线形，脊椎形，树形，分段14三种类型的802.3接线（a）10Base5（b）10Base2（c）10Base-T15电缆拓扑结构（a）线性（b）垂直主干（c）树型（d）分段16扩展网段长度中继器：物理层设备，只对信号进行接收、放大和双向重传；两个收发器之间最多使用4个中继器，最

7、长2500米。802.3的信号编码由于曼彻斯特编码的简单，所有的802.3基带系统都使用曼彻斯特编码。17Caption: Illustration of computers in eight offices wired with (a) thick, (b) thin, and (c) 10Base-T (twisted pair) Ethernet. Wires can run above the ceiling or under a raised floor. A wiring closet may contain a hub or equipment used for network

8、monitoring, control, or debugging. 18Caption: 10Base-T hub, with 10Base-T cables connecting computers to the hub. 19802.3的MAC子层帧格式前导序列（7个字节10101010）帧开始标志（1字节， 10101011）目标地址和源地址2 或 6个字节，以太网为6个字节 (IEEE 802 specifies the use of either 16- or 48-bit addresses, no conformant implementation of IEEE 802.3

9、uses 16-bit addresses.)先导字段7字节帧始符1字节目的地址2或6字节源地址2或6字节数据字段长度2字节数据0至1500字节填充段0至46字节校验和4字节20目的地址第一位（LSB: Least Significant Bit）为 0，表示单地址（individual address）；为 1，表示组地址（group address），支持multicast，目的地址全 1，为广播地址。源地址第一位（LSB）为0。地址中的第二位（LSB）用来区分本地地址和全球地址。帧长度域（2字节，取值在0-1500之间）数据（0-1500个字节）填充（0-46字节）校验和：CRC校验（4

10、个字节）扩展域：用于千兆以太网2122最短帧长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；网络速度提高，最短帧长也应该增大或者站点间的距离要减小。23二进制指数后退算法（binary exponential backoff）算法将冲突发生后的时间划分为长度为51.2微秒的时槽发生第一次冲突后，各个站点等待 0 或 1 个时槽再开始重传；发生第二次冲突后，各个站点随机地选择等待0, 1, 2或3个时槽再开始重传；第 i 次冲突后，在 0 至 2i-1 间随机地选择一个等待的时槽数，再开始重传；10

11、次冲突后，选择等待的时槽数固定在0至210-1间；16次冲突后，发送失败，报告上层。24目的：减少冲突；两种实现方法一个卡内是一个802.3LAN，构成自己的冲突域，卡间并行；使用端口缓存，无冲突发生。交换式802.3 LAN25IEEE 802.4：令牌总线 Token Bus令牌总线物理层使用75欧姆电视用宽带同轴电缆。既可以用单电缆，也可以使用双电缆；可使用端头，也可以不用。802.4允许用三种不同的模拟调制方式：相位连续频移键控，相位相关频移键控和多级双二进调幅相移键控。速度可能是1、5或10Mbps。上述调制方式不仅仅在电缆上提供表达0、1和空闲状态方法，还能表示三种其它符号用于网络

12、控制。26令牌总线MAC子层协议1714201971113宽带铜轴电缆逻辑环 令牌移动方向此站现不在逻辑环中令牌总线网逻辑环维护：入环，退环，故障恢复，环初始化27入环环一旦建立，每一站点的接口都在其内部保存有前一站点和后一站点的地址。令牌持有者周期性发送允许环进站的帧来询问欲加入环的站点。此帧会给出发送者以及后继者的地址。如果没有站点加入，响应窗口将关闭；如果有一个站点希望加入，则被插入环中。如果有两个以上的站点要求加入，就会产生冲突，然后令牌持有者就广播“Resolve_contention”帧，执行某种仲裁算法。任何情况下，每次只允许一个站进环。28退环设一个站点X，它的后继站点是S，前

13、方站点是P，当它离开环时，就给P发送一个Set_successor帧，告诉它的后继有S代替X。X就停止发送。29环初始化环初始化是新站入环的特例。当第一个站点打开时，它注意到一段时间内没有通信量，于是它就发送Claim_token帧。如果没有听到任何竞争者竞争令牌，就产生一个令牌，建立一个包括它自己的环。如果第一次有两个站点同时启动，协议就通过使用修改后的二进制倒计数法和两个随机位来竞争令牌。30其他问题某个站点突然关机了，非正常退出了。怎么处理？令牌丢失多令牌问题31字节数 1 1 1 2或6 2或6 0 8182 4 1先导帧始符帧控制目的地址源地址数据校验和帧尾符先导字段用于与接收时钟同

14、步，最短长度可为1字节。起始界符域和结束界符域用作帧定界标志。这两个域内为特殊模拟编码符号与0或1的编码不同，因此它们不会在数据域中出现。帧控制域用于区别数据帧或控制帧。数据帧内带上该帧的优先级，也可以带有一指示标志，指明目的站确认该帧是否正确接收到。若没有这个标志，目的站因为没有令牌而不能发送任何东西。控制帧中的帧控制域用于说明帧的类型。允许的类型包括令牌传送帧和各种环管理帧。管理帧的功能包括让新站加入环的机制、允许站脱离环的机制等等。目的地址和源地址与802.3相同。当使用2字节地址时最大的数据长度为8182字节，而使用6字节地址时最大数据长度为8174字节。令牌总线帧格式320 1 r

15、r r p p p数据帧帧控制域用于取分数据帧和控制帧扩充用优先权（0,2,4,6）0 0 c c c c c cMAC控制帧分类编码000000申请令牌000001请求令牌001000请求后继33四种优先级：0、2、4和6，最低为0，最高为6。我们可以将每个站想象成四个子站，对应四个优先级。当进入MAC子层的信息来自上层时，先检查数据优先权，然后送到四个子站之一。这样，各子站管理它自己的帧发送队列。当令牌从电缆上到来时，它从内部传给优先级为6的子站，只要有帧就开始传输。当该子站发完（或超时）时，令牌从内部传给优先级为4的子站，此站可以发送帧直至超时，至此令牌又传送给优先级为2的子站。这一过程

16、要重复到优先级为0的子站传输完成所有帧或超时为止，然后令牌传给下一站。 优先权34IEEE 802.5：令牌环 Token Ring技术产生原因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的环，点到点链路有很多技术优势；各个站点是公平的，获得信道的时间有上限，避免冲突发生；IBM选择Token Ring作为它的LAN技术。基本思想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；环接口引入了1比特的传输延迟；35环接口站单向环 1比特延迟环接口至站自站至站自站（a）环网（b）倾

17、听模式（c）传输模式36特点令牌（Token）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；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1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；环接口有两种操作模式：监听模式和传输模式。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，发送站负责将发出的帧从环上移去，并转入监听模式。确认：帧内一个比特域，初值为0，目的站收到后，将其变为1；对广播的确认比较复杂；重负载下，效率接近100%。37SDACED 1 1 1 2或6 2或6 无限制 4 1

18、1SDACFC目的地址源地址数据校验和EDFS（b）数据帧格式 （FC：帧控制；FS：帧状态）pppTMRRRAC接入控制优先权令牌忙闲用于多次通过标示预约令牌环帧格式（a）令牌格式SD：开始界符AC：访问控制ED：结束界符38FC帧控制域cccccc01数据00环控制信息区分控制帧内容Ac00Ac0FS帧状态域39环路时延每个节点1位延迟，环路长度造成的传播的延时40协议基本操作：无信息传输时，3字节的令牌在环上循环；有信息要发送时，站获得令牌，并将第二个字节的某一位由 0 变成 1，将令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；开始定界符SD和结束定界符ED标志着帧的开始和结束

19、，使用差分曼彻斯特编码模式（HH和LL，物理层编码违例法）；访问控制域 AC 包括令牌位、监视位、优先级位和保留位；帧控制域 FC 用于将数据帧和控制帧区别开来和进行环的维护；帧状态字节FS用于报告帧的传送情况，包括地址位A和拷贝位C，帧经过目的站，A置为“1”，帧被接收，C置为“1”。A、C位提供了自动确认。为增加可靠性，A、C在 FS中出现两次。A = 0，C = 0，目的站不存在或未加电；A = 1，C = 0，目的站存在但帧未被接收；A = 1，C = 1，目的站存在且帧被复制。41令牌持有时间（token-holding time），一般为10毫秒；提供优先级控制：访问控制域中的优先

20、级位给出令牌的优先级，只有当要发送的帧的优先级大于等于令牌的优先级时才能获得令牌，站还可以预约某个优先级的令牌。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；监控站的职责保证令牌不丢失；处理环断开情况；清除坏帧，检查无主帧。42802.5具有精确地处理多个帧优先级的方案。三字节的令牌帧中间字节内有一个给出了令牌优先级的域。当站要传输优先级为n的帧时，它须等待直到捕获了一优先级低于或等于n的令牌。另外，当数据帧经过某站时，该站可通过将它想发送的帧的优先级写入经过的帧的预约位中，尝试为它的待发帧预定下一令牌。然而，若在该帧中已预定有更高一优先级，则该站不能预约。在当前帧完成后， 用已

21、预定的优先级可产生新的令牌。此机制总是将预订位的优先级提得越来越高，为了克服这一问题，提高预订位优先级的站在其达到目的地后有责任减低优先级 优先级43监控站申请发出claim token 控制帧，若该帧绕环一周，发送者成为新的监控站。责任-保证令牌不丢失；当环断开时采取行动；出现多帧时清环路；检查多次绕环帧计时器：超时重发新令牌坏帧：清除，发新令牌多次绕环帧：清除考虑环长度：保证环路长度足够令牌长。插入延时44802.5的布线屏蔽双绞线，速率为1/4/16M，采用差分曼彻斯特编码传输；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。

22、45通过线路中心连接的四个站点46802.3优点使用最为广泛；算法简单；站点可以在网络运行中安装；使用无源电缆；轻负载时，延迟为0。缺点使用模拟器件，每个站点在发送的同时要检测冲突；最短帧长64字节，对于短数据来讲开销太大；无优先级，发送是非确定性的，不适合于实时工作；电缆最长2500米（使用中继器）；三种局域网的比较47速率提高时，帧传输时间减少，竞争时间不变（2），效率降低；重负载时，冲突严重。802.4优点发送具有确定性，支持优先级，可处理短帧；使用宽带电缆，支持多信道；重负载时，吞吐量和效率较高。缺点:使用大量的模拟装置；协议复杂；轻负载时，延迟大；很难用光纤实现。48802.5优点使

23、用点到点连接，完全数字化；使用线路中心，自动检测和消除电缆故障；支持优先级，允许短帧，但受令牌持有时间限制，不允许任意长的帧；重负载时，吞吐量和效率较高。缺点中央监控；轻负载时，延迟大。49IEEE802.6标准：分布队列双路总线两条平行的单向总线穿绕于整个城市，站点同时连接于两条总线之上。每条总线都有一个首端，它产生一个稳定的53字节的信元流。每个信元从首端沿总线往下传，当它到达终点时，就从总线中消失了。50每个信元带有44字节的有效载荷。每个信元中带有两个协议位：Busy（繁忙），其值为1表示该信元已被占用；Request（请求），当站点想发出请求时可将其置为1。在802.6中，站点按照准

24、备好发送的顺序进行排队，并按照FIFO(先进先出)的原则进行发送。51（a）最初MAN空闲（b）D发出请求以后52（c）B发出请求以后；（d）D发送以后（e）B发送以后53例1一个令牌总线系统按照如下方式工作：当令牌到达一个站点时，计时器重置为0。然后，该站点开始发送优先级为6的帧，直到计时器达到T6为止。随后，它开始发送优先级为4的帧，直到计时器计到T4为止。对于优先级为2和0的帧，也重复此算法，如果所有站点的T6到T0的计时值都分别是40ms,80ms,90ms和100ms ,那么请问，预留给各优先级的带宽分别是总带宽的百分之几？解答：4个优先级分别获得40,40,10,10ms，因此，总

25、带宽的40%预留给优先级6，总带宽的40%预留给优先级4，总带宽的10%预留给优先级2，总带宽的10%预留给优先级0。54例2在令牌总线中，如果某站点接到令牌后即崩溃，将会发送什么情况？802.4的协议是如何处理这种情况的解答：在一个站将令牌传出之后，它就观察它的后继站是否传出一帧或交出令牌。如果两者均未发生，那么该站将再次传出令牌，如果第二次仍然失败，该站就发送Who_Follows帧，该帧中标明了后继站的地址。当崩溃站点的后继站看到Who_Follows帧中给出的地址是自己的前站地址，它就发送Set_Successor帧给出错站点的前方站点作为响应，声明自己将成为新的后继站点。这样，出错的

26、站点就从环中移去了。55例3当数据传输速率为5Mb/s，且传播速度为200m/s时，令牌环接口的一个比特时延等价于多少米的电缆解答：数据速率为5Mb/s，则传输一位所需要的时间为：1/5Mb/s=200ns。在200ns时间内信号可以传播的距离是200ns*200m /s=40m.因此，令牌环接口的一个比特延时等价于40米的电缆。56例4令牌环网上的延时必须能够容纳整个令牌。如果电缆不够长，必须人为地增加时间延迟。解释一下，为什么在时延只有16bit而令牌为24bit的环上，必须额外地增加时延？解答：在发出16位之后，第1位又回来了，发送方不能让它继续绕环传输，因为令牌的发送还未结束。发送站可以在其内部人为地增加8位时