《计算机网络原理》Ch5 局域网

1、第五章 局域网定义：局域网LAN(Local Area Network)是一种在较小的地理范围内，用共享通信介质将大量计算机及各种IP设备连接在一起，实现数据传输和资源共享的计算机网络。需要解决的主要问题：连接接口连接设备通信介质访问协议通信距离、速率等关键问题：多个用户如何在共享介质上进行正确、有效的通信 ？SwitchSwitchhubSwitchServerstationstationstationServerstationstationstation5.1 介质访问控制（Medium Access Control)多个用户在单个信道上进行数据通信时，可采用: FDM TDM WDM 问

2、题： 联网用户的个数是不确定； 每次通信的时机具有突发性； 每次通信的数据量具有随机性；所以， FDM 、TDM 、WDM对于局域网通信其效率都不高,不适合局域网环境下通信要求。5.1.1 ALOHA协议ALOHA协议是70年代在夏威夷大学由Norman Abramson及其同事发明的，目的是为了解决地面无线电广播信道的争用问题。ALOHA协议的基本思想：用户想发就发，发完后进行冲突检测，若有冲突，则等待一个随机时长后重复进行，直到发送成功。ALOHA协议特点：无协调关系、多用户竞争单信道使用权不进行载波侦听，不考虑目前的实际情况信道利用率低，为18%冲突检测：在共享介质中，某个用户发送数据后

3、，网上所有用户（包括发送者）都可以收到数据，发送者把收到的数据与保留在缓冲区中的数据进行比较，若不同，则表明发生了冲突。对于接收者如何知道数据是否正确呢？ALOHA协议的改进-分槽ALOHA基本思想为：将时间分为离散的时间片；用户要发送数据时必须等待下一个时间片才能开始发送。在一定程度上避免了发送的随意性，减少了冲突，提高了信道的利用率。主要特点：进行了简单的时间同步，但并未完全避免冲突（可基本避免发送过程中的冲突，但发送开始时仍有冲突）；信道的最大利用率：36%；时间片的定义与允许的最大包长和介质的时延有关。存在问题：发送开始时仍有冲突；如果时间片的定义不合适，有可能在发送过程中还存在冲突。

4、问题的原因：各站点在发送数据时从不考虑其它站点是否已经在发送数据，这样当然会引起许多冲突。怎么办？基本思想：站点在发送数据前，进行载波侦听，以判断目前是否有人在发送数据，然后再采取相应动作。载波侦听：根据物理接口的电气特性，捕获信道上的脉冲信号，并与发送数据用的载波信号比较，以判断是否有人在发送数据的技术。CSMA有多种形式：1-坚持CSMA非坚持CSMAP坚持CSMA某站点要发送数据时，先侦听信道；如果空闲，则以概率P发送数据，以概率1-P推迟到下一个时间片，然后侦听信道；如果信道忙，则等下一个时间片，然后侦听信道；重复上述过程，直到数据发送完。某站点要发送数据时，先侦听信道；如果空闲，则立

5、即发送；否则，等待一个随机时间后，重复上述过程。5.1.2 载波侦听多路访问协议CSMA(Carrier Sense Multiple Access)某站点要发送数据时，先侦听信道；如果空闲，则立即发送；如果忙，继续侦听，直到信道空闲， 然后以概率1发送数据；三种CSMA是否完全避免了冲突呢？例：站点A在发送数据，但由于信道的传播时延，数据还未到达站点B，此时站点B要发送数据，它侦听到信道是空闲的，于是也开始发送数据，从而发生冲突。BA冲突结论：在CSMA中冲突是不可避免的，必须进行冲突检测和处理！5.1.2 CSMA 协议 （conti.） 1、CSMA/CD 基本思想： 某站点想要发送数据

6、，它必须首先侦听信道； 如果信道空闲，立即发送数据,并进行冲突检测； 如果信道忙，继续侦听信道，直到信道变为空闲，立即发送数据,并进行冲突检测； 如果站点在发送数据过程中检测到冲突，立即停止发送数据，并等待一随机长的时间，重新侦听信道。5.1.3 具有冲突检测的载波侦听多路访问协议CSMA/CD(CSMA With Collision Detection)问题：-是否还存在冲突呢？-是否能正确处理冲突呢？-一个数据包发送后在多长时间内能够确定是否会发生冲突呢？2、冲突窗口问题：站点在发送数据后多长时间内可以检测到冲突呢？假设：局域网内站点之间最大的传播时延为：= 两站点的距离(m) / 信号传

7、播速度(200m/s)。 结论：站点最迟在开始发送后2 时间（称之为冲突窗口）内可以检测到冲突！所以，在2 后没有冲突才表明数据发送成功！- e/2 时刻A、B数据发生冲突5.2 IEEE802局域网协议与参考模型IEEE-Institute of Electrical and Electronics Engineers -“电器与电子工程师协会”1、局域网的标准：IEEE802（ISO8802）系列：802.1 - 表示局域网中的高层互联与管理协议 802.2 - 逻辑链路控制802.3 - CSMA/CD（以太网， Ethernet ）Ethernet 成为IEEE 802.3 标准 （1

8、985）IEEE 802.3u Fast Ethernet 标准（1995）IEEE 802.3z Gigabit Ethernet 标准（1998）IEEE 802.3ab Gigabit Ethernet 标准（1999） 802.4 - Token Bus （令牌总线）802.5 - Token Ring（令牌环）802.6 - 分布队列双总线DQDB - MAN标准802.8 FDDI（光纤分布数据接口）802.11 WLAN（无线局域网） 802.x2. IEEE802局域网参考模型 IEEE802只包含两层：数据链路层，物理层; IEEE802定义了多种物理层802.3802.1x

9、，以适应不同的网络介质和不 同的介质访问控制方法； 数据链路层又分为逻辑链路控制LLC和介质访问控制MAC两个子层：LLC：向高层提供统一的链路访问形式，组帧/拆帧、建立/释放逻辑连接、差错控制、帧序号处理等功能，与介质、拓扑无关； MAC：进行寻址与差错检测，与介质、拓扑相关, MAC在各子标准802.3-802.1x中定义。数据链路层物理层 OSI IEEE802 介质访问控制子层 MAC802.3CSMA/CD802.4令牌总线802.5令牌环802.8FDDI802.11WLANIEEE802.2 逻辑链路控制子层LLCIEEE802.1 上层协议接口子层802.x5.2.1 IEEE

10、 802.3以太网协议1、物理层标准传统以太网：10Mb/s802.3 粗同轴电缆802.3a 细同轴电缆802.3i 双绞线802.3j 光纤快速以太网（FE）：100Mb/s802.3u 双绞线，光纤千兆以太网（GE）：1000Mb/s（1Gb/s）802.3z 屏蔽短双绞线、光纤802.3ab 双绞线万兆以太网（10GE）：10Gb/s802.3ae 光纤2、以太网物理层标准标识方法速率（Mb/s）基带或宽带Base，Broad每段最大长度（单位:百米）或介质类型（T，F，X）10 Base 5传统以太网10Base5 粗同轴10Base2 细同轴10Base-T UTP 10Base-

11、F MMF快速以太网和千兆以太网100Base-T UTP100Base-F MMF/SMF1000Base-X STP/MMF/SMF1000Base-T UTP5.2.2 IEEE 802.3 链路层协议链路层协议包括数据帧格式定义和CSMA/CD协议。1、802.3 MAC 帧格式：前导符起始符目的地址源地址类型/长度数据PADCRC7 1 6 6 2 0-1500 0-46 4 (bytes)校验区间64-1518 字节 前导符PR:7个Bytes的10101010，该字段的曼彻斯特编码会产生 10MHz，持续时间为 5.6s，以便接收方和发送的时钟进行同步； 起始符SFD:10101

12、011，标志着一帧的开始； 目的MAC地址DA: Unicast Addr：最高位为0， Multicast Addr：最高位为1, Broadcast Addr：全 1； 源MAC地址SA: Unicast Addr：最高位为0 .长度/帧类型：指明数据部分的字节数，01500 Bytes，或者指明数据帧的类型。（见参考资料） Data：数据，0-1500字节; PAD: 填充字段, 046 Bytes；为了确保64 Bytes 的 最小帧长 ，当数据的字节数不够时进行填充。64 目的地址（6） 源地址（6） 长度（2） CRC(4) = 46 Bytes CRC校验码：4 Bytes； C

13、RC校验：为了保证发送数据的正确性，在发送端根据发送的数据产生一个校验码（循环冗余码），附加在数据的后面一起发送到接收端，接收端对收到的数据按发送端形成循环冗余码同样的算法进行校验，若有错，则要求对方重发。CRC校验例子：校验范围为：目的地址、源地址、长度/类型、数据和PAD；802.3的生成多项式为：G(X)=X32+X26+X23+X22+X16 +X11+X10 +X8+X7 +X5+X4+X2+X1+11、802.3 MAC 帧格式 （conti.）2、关于以太网的最小帧长度问题已知条件：帧的传输时长： t =数据帧长度(bit)/数据传输速率(bps)；信号传播时延：=两站点的距离(

14、m)/信号传播速度(200m/s)； 在以太网中，规定冲突窗口为2 = 51.2s，即一个站点开始发送数据后，若在51.2 s内没有检测到冲突，则本次发送不会再发生 冲突；要求：保证在帧的传输过程中检测到冲突，即：帧的传输时延 t = 2* 信号传播时延= 51.2 s 。结论1：对于传输速率为10M /bps 的网络，因为64Bytes的传输时间为：64*8/10M = 51.2s ； 所以，帧的长度必须 大于 64 Bytes（不含前导字符和起始字符）。以太网的最小帧长度问题（续）结论2：冲突只可能在一帧的前64字节内发生；帧长度小于64字节时，在发送过程中将无法检测出冲突；长度小于64字

15、节的帧（碎片帧）都是无效帧。结论3：在以太局域网中，由于冲突窗口的限制，传输速率R、网络跨距S、最小帧长Fmin三者之间必须满足一定的关系： FminkSR k:系数可以看出：最小帧长度不变时，传输率越高，网络跨距就越小；传输率固定时，网络跨距越大，最小帧长度就应该越大；网络跨距固定时，传输率越高，最小帧长度就应该越大。 返 回3、关于循环冗余校验问题（CRC校验）（1）CRC 工作原理： 在发送端假设有K位信息要发送，K位信息可对应于一个(k-1)次多项式K(x), 第i个信息位为1，则 Xi 的系数为1，否则为0； 在发送端和接收端事先约定一个r次生成多项式G(x)； 在发送端计算r位循环

16、冗余码CRC = Xr *K(x) % G(x)的余数； 在发送端把k位信息和r位CRC一起发送； 在收端把k位信息与r位CRC构成一个k+ r 的多项式T(x)； 用多项式T(x) % G(x), 若余数为0，则表示数据正确，否则表示数据有错。异或运算例1.已知：信息码:110011 信息多项式:K(X)=X5+X4+X+1生成码:11001 生成多项式:G(X)=X4+X3+1 ,(r=4)求：循环冗余码CRC。解：1) (X5+X4+X+1)*X4的积是 X9+X8+X5+X4 ,对应的码是1100110000。2) CRC = 积G(X) (异或算法)。 1 0 0 0 0 1Q(X)

17、G(x)1 1 0 0 1 ) 1 1 0 0 1 1 0 0 0 0K(X)*Xr 1 1 0 0 1 . 1 0 0 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1CRC(冗余码)由计算结果知冗余码CRC=1001。 把data=110011,crc= 1001一起发送。（2） CRC 例子：例2.已知：接收数据:110011+1001,多项式:T(X)=X9+X8+X5+X4+X3+1生成码:11001 ,生成多项式:G(X)=X4+X3+1 (r=4)判断数据的正确性，若正确，求冗余码和信息码。解：1) 用接收码除以生成码: 1 0 0 0 0 1Q(X)G(x)1 1 0 0 1 ) 1

18、 1 0 0 1 1 1 0 0 1K(X)*XrR(x) 1 1 0 0 1 ， 1 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0S(X)(余数) 余数S(x) 为0，所以码字正确。2)因r=4，所以冗余码CRC是：1001，信息码是:110011 1)可检测出所有奇数位错；2)可检测出所有双比特的错；3)可检测出所有小于、等于校验位长度的突发错。例如： 1 0 0 1 1 0Q(X)G(x)1 1 0 0 1 ) 1 1 0 1 1 1 1 0 0 1K(X)*XrR(x) 1 1 0 0 1 . 1 0 1 1 0 1 1 0 0 1 . 1 1 1 1 0 1 1 0 0 1 . 1 1 1

19、 1 S(X) 余数S(x) 不为0，所以数据不正确。 （3）循环冗余校验码的特点返 回关于802.3的MAC地址问题MAC又称为物理地址，它是网络节点的全球唯一的标识符，与其物理位置无关。注意：MAC地址是在数据链路层进行处理，而不是在物理层。网络节点的每一个网络接口（网卡）都有一个唯一的MAC地址。MAC地址固化在网卡中.一个节点允许有多个MAC地址，取决于该站点网络接口的个数。例如：安装有多块网卡的计算机；有多个以太网接口的路由器。IEEE802.3标准规定：MAC地址的长度为6个字节，共48位；可表示24670万亿个地址（有2位用于特殊用途）高24位为机构惟一标识符OUI ，由IEEE

20、统一分给设备生产厂商；如3COM公司的OUI=02608C低24位称为扩展标识符EI，由厂商自行分配给每一块网卡或设备的网络硬件接口。I/GOUI（22位）G/LEI（24位）0=全局管理地址1=本地管理地址（一般不用）0=单播地址1=组播地址关于802.3的MAC地址问题（续）MAC地址的三种类型：单播地址（ Unicast Addr ）：（I/G0） 拥有单播地址的帧将发送给网络中惟一一个由单播地址指定的站点点对点传输；多播地址（ Multicast Addr ）：（I/G1） 拥有多播地址的帧将发送给网络中由组播地址指定的一组站点点对多点传输；广播地址（ Broadcast Addr ）

21、：（全1地址，FF-FF-FF-FF-FF-FF）拥有广播地址的帧将发送给网络中所有的站点。广播传输。注意，以上分类只适用于目的地址，对于源地址只能为单播地址。关于802.3的MAC地址问题（续）返 回4、802.3 CSMA/ CD 协议（1）802.3 的 CSMA/CD 协议的基本思想：某站点想要发送数据，它必须首先侦听信道；如果信道空闲，立即发送数据并进行冲突检测；如果信道忙，继续侦听信道，直到信道变为空闲，立即发送 数据并进行冲突检测；如果站点在发送数据过程中检测到冲突，立即停止发送数据， 并等待一随机长的时间，重新侦听信道。接收者收取目标地址，然后与自己的地址比较，若不同，则继续侦

22、听，若相同，则把数据包存放在自己的接收缓冲区中，并进行CRC校验，正确则交给上层协议，否则丢弃之。 （2）二进制指数回退算法： 用来确定第i次冲突后等待多长时间（Ti）再进行第i+1次侦听：Ti = r *冲突时间片 其中：r = random（0 2i-1），冲突时间片=2， 当 i 16 一般认为硬件发生故障，不再重试。 信道忙？发送帧冲突？发送完？中断发送N16?YesNoNoYes发送成功Yes发送失败No延迟随机时间NoYes发送碰撞次数N+1（3）802.3 CSMA/CD工作的流程图5、流量控制在数据链路层必须保证邻接点之间数据的可靠传输，除了采用CRC校验防止传输出错外，为了防

23、止接收方处理速度慢导致数据报文丢失，收发双方必须进行流量控制。目前常用的流量控制方法称为滑动窗口协议(Sliding Window Protocol)，参见第11章。typedef struct_ethdr u_charether_dhost6;u_charether_shost6;u_shortether_type; ETH_HEADER ;802.3 以太包头的实现5.3 令牌环网和IEEE802.5 问题：能否设计出没有冲突的网络协议呢？ 令牌环网主要思路：为了防止冲突，把网络设计成一种闭合的环型，在环型网络上设计一个令牌（token)，该令牌在网络上循环，需要发送数据者必须获取令牌，然后发送数据，发完后在释放令牌，以便其他人使用。ABDC站点干线耦合器单向环点到点链路1、令牌环工作原理 在没有站点发送数据时，令牌在环上不停地旋转；如果某站点要发送数据等待令牌的到来；抓住令牌并破坏掉；站点往环中发送数据；发送的数据沿环旋转一周后，由发送站点负责将其移走发送站点重新产生令牌。接收者收取目标地址，然后与自己的地址比较，若不同，则继续侦听，若相同，则把数据包存放在自己的接收缓冲区中，并进行CRC校验，正确则交给上层协