计算机网络及通讯-201409-第4章 局域网及广域网(上)

1第4章局域网与广域网（上）2目录4.1局域网概述4.2局域网信道的介质访问控制4.3以太网技术4.5以太网的组网方式4.6高速以太网4.8无线局域网4.9广域网34.1

局域网概述4.1.1局域网定义4.1.2局域网特点4.1.3局域网的4个技术特性传输介质传输技术编码与调制、复用技术网络拓扑（4.1.4）:总线、星形、环形介质访问控制方法44.1

局域网概述局域网的传输技术——利用传输媒体进行数据传输的技术，可以分为基带传输和宽带传输两种。基带传输，即不经过调制，直接将数字信号波形加载到传输媒体上进行传输。数字信号通常采用经过曼彻斯特或差分曼彻斯特编码的信号。宽带传输，即将待传输的数字信号波形调制到合适的中心频率上，宽带传输可以支持信道的频分复用和信号的多路传输。局域网中通常采用基带传输技术。54.1

局域网概述4.1.5局域网标准IEEE802与ISO8802美国电气和电子工程师学会IEEE是最早从事局域网标准制订的机构。于1980年2月成立了802委员会(又称802课题组)，专门从事局域网和城域网标准研究和制订的机构。802委员会下设多个工作组(802.1～802.12，802.14～802.17，802.20～802.21)，目前部分工作组尚在活跃。6LAN/MAN的IEEE802标准IEEE（InstituteofElectricalandElectronicsEngineers）

——电气电子工程师学会1980年2月成立IEEE802委员会IEEE802.1局域网体系结构IEEE802.2逻辑链路控制协议IEEE802.3CSMA/CD协议IEEE802.4令牌总线IEEE802.5令牌环网IEEE802.6城域网IEEE802.7宽带技术建议组IEEE802.8光纤技术建议组IEEE802.9综合业务局域网接口IEEE802.10局域网安全IEEE802.11无线局域网IEEE802.12具有优先级的高速以太网…ISO对这些标准作了修改，并于1987年作为国际标准重新发布，其名称为ISO8802。7局域网的体系结构单个局域网的体系结构应包含物理层和数据链路层两个层次，它相当于OSI参考模型中的最低两层。从局域网通常采用的拓扑结构来看，由于节点间通信无需中间转接，即不存在路由选择的问题，因此网络层可以省略。其他分组寻址、排序、流量差错控制等交数据链路层完成。

？8为了使数据链路层能更好地适应多种局域网标准，802委员会就将局域网的数据链路层拆成两个子层：LLC(LogicalLinkControl)，MAC(MediumAccessControl)。与接入到传输介质有关的内容都放在MAC子层，而LLC子层则与传输介质无关局域网的体系结构（教材P107）9局域网对LLC子层是不透明的

由于TCP/IP体系经常使用的局域网是DIXEthernetV2而不是802.3标准中的几种局域网，因此现在802委员会制定的逻辑链路控制子层LLC（即802.2标准）的作用已经不大了；很多厂商生产的网卡上就仅装有MAC协议而没有LLC协议，不考虑LLC子层104.2局域网信道的介质访问控制4.2.1介质访问控制/媒体访问控制的基本概念——协调多个站点对共享的传输介质资源的使用3类介质访问控制方法：基于信道划分基于随机访问基于轮询114.2局域网信道的介质访问控制4.2.3基于轮询访问的介质访问控制包括令牌环网、令牌总线访问控制令牌传递在令牌传递协议中，一个称为令牌的控制分组来控制了访问介质的权利。令牌传递方式并不仅适用于环形网络拓扑，也可以应用于其他任何网络拓结构，只是在环形网络中，设备编号最容易实现。（教材P106）12令牌环访问控制和IEEE802.5标准1.令牌环（TokenRing）协议的起源：1969年诞生于贝尔实验室IEEE802小组将其采纳为一种局域网的介质访问控制方式。2.拓扑结构：环形拓扑信号流沿单向传递（顺时针或逆时针）13干线耦合器（TCU，TrunkCoupleUnit）工作模式：

(1)侦听模式（站点没有发送数据时）(2)发送模式（站点发送数据时）令牌环访问控制和IEEE802.5标准(续1)14令牌环访问控制和IEEE802.5标准(续2)干线耦合器——侦听模式连线方式：（如图）功能：对每个经过的bit进行位复制并转发bit，因此每个bit数据位经过一个TCU都需延迟1bit的发送时间。

绕环一周所需时间＝n×bit时延＋传播时间主要工作：收到的数据帧中目标地址＝本站地址收到的帧是令牌帧根据需要修改帧中的某些字段1bit延迟侦听模式TCU15令牌环访问控制和IEEE802.5标准(续3)干线耦合器——发送模式：连接方式：（如图）连接站点和TCU，同时截断线路输入输出的连接。功能：站点发送数据。对收到的bit不进行转发，删除或暂存以备重发。发送模式TCU16令牌环访问控制和IEEE802.5标准(续4)3.介质访问控制方式多点接入式连接 共享介质的访问控制令牌环协议：各站点无数据传递时,各站点处于侦听状态,令牌帧在环路上传递。当某站有数据要发送时，必须先截获令牌，该站点转入发送状态；在THT(TokenHoldingTimer)时间（令牌持有时间）发送数据帧，（广播通信，数据帧中需携带目标地址）；侦听站点收到数据帧后，TCU比较帧中的目标地址与本地地址，相符，则将数据复本送交主机，同时转发数据帧，不符，则转发数据帧，不送交主机；信息帧转发一圈后回到源站，源站将数据bit流从环路上删除；发送方数据发送完或THT时间到，则放出一个令牌，回到侦听状态。

关键问题17令牌轮转时间：TRT≤活跃站点数*THT+环的延迟18令牌环访问控制和IEEE802.5标准(续5)4.工作性能：任何时候，环路上有且仅有一个帧（令牌帧或数据帧）不会发生冲突定性分析轻载时，平均时延较大重载时，近似于TDM，信道利用率接近100%19令牌环访问控制和IEEE802.5标准（续6）5.令牌环运行过程中可能会出现的问题令牌丢失（A站捕获令牌后即出现故障）数据帧无限死循环（A站发出数据帧之后即故障）数据帧丢失（中间线路故障）。。。设置令牌持有时间THT、选取一个监控站（教材P111）20令牌环访问控制和IEEE802.5标准(续7)IEEE802.3与IEEE802.5比较IEEE802.3IEEE802.5MAC协议简单复杂加入站点容易困难帧的长度64-1538B≥0待发时延不确定确定连接可靠性可靠容易断环性能轻载，时延=0；重载，接近崩溃轻载，有时延；重载，信道利用率接近100%优先级无有冲突有无适用场合办公室工厂实时控制系统214.2.2基于随机访问的介质控制协议1、ALOHA协议20世纪70年代用于基于地面的无线广播通信系统其基本思想适用于任何站点间没有协调关系的多站点对于共享信道的使用环境纯ALOHA协议分槽ALOHA协议（教材P104）221、ALOHA协议基本思想：只要一个站点想要传输信息帧，它就把信息帧传输出去。（想发就发）然后听一段时间（发了再听）如果在信息来回传播的最大延迟时间（两倍于相距最远的两个站点之间传递信息的时间〕再加上一小段固定的时间内收到了确认，传输成功；否则，传输站点等待一段随机时间后重发信息帧。如果在重发多次仍得不到确认，就放弃传输。（教材P103）23ALOHA协议的效率

（没有发生冲突的帧的比例是多少？）性能分析采用如下网络模型：无限用户用户产生的新帧服从泊松分布，平均每帧时产生S个新帧，显然吞吐率应该满足0<S≤1每个站点每帧时发送的帧服从泊松分布,平均每帧时发送G个帧吞吐率S应该是负载G与帧传送成功的概率，即：S＝GP0。其中P0是发送的帧不会发生冲突的概率。G＝0.5时，吞吐率S最大，其值为≈0.18

24对纯ALOHA的改进：时隙（Slotted）ALOHA信道上的时间被分成离散的时间间隔即时槽，其大小相当于帧的传输时间。所有的站点的时钟保持同步。站点只有在时槽开始时才能传输数据。冲突危险区比ALOHA降低了一半：只有那些都在同一个时槽开始进行传输的帧才有可能冲突G＝1时，S有最大值1/e≈0.368252、载波监听多路访问CSMAALOHA和时隙ALOHA：任意发送，不考虑其他站点，冲突可能性高，信道利用率低都没有利用到局域网的一个主要特性，那就是与帧的传输时间相比，传播时间是很短的：当一个站点发送帧后，别的站点马上就会知道。（利用这点减少冲突机会）传播时延

电磁波在信道中传播所需要的时间，与距离和电磁波速度有关。发送时延(传输时延)

发送数据所需要的时间，与计算机发送速率有关。如何检测传输状态及冲突？（教材P105）26CSMA协议：（先听再发）想要传输的站点首先听一听介质上是否有其他站点在传输（载波监听〕如果介质忙，它必须等待如果介质空闲，则可传输两个或多个站点还是有可能同时开始传输，这时就会产生冲突。考虑到这种情况，发送站点在发送完后要等待一段时间（要把来回传输的最大时间和发送确认的站点竞争信道的时间考虑在内）以等待确认，如果没有收到确认，发送站点认为发生了冲突，就重发该帧。2、载波监听多路访问CSMA27CSMA协议当发现介质忙时，站点该怎么办？三种算法：1-持续CSMA协议非持续CSMA协议P-持续CSMA协议（教材P105）28CSMA协议（续1）1-持续CSMA协议

基本思想：若介质空闲就传输；否则，转到第2步。若介质忙则继续监听，直到检测到信道空闲然后立即传输。如有冲突，则等待一段随机的时间重复第1步。缺点：若两个或多个站点等待传输，肯定冲突。（一直等待监听，直到空闲）（教材P105）一听到信道空闲就立即发送数据（以概率1发送）29CSMA协议（续2）非持续CSMA基本思想：若介质空闲就传输；否则，转到第2步

若介质忙，等待一段随机的重传延迟时间，重复第1步缺点：如果多个站点同时则会浪费部分信道容量。

（等待一个随机时间再监听）（教材P105）30CSMA协议（续3）P-持续协议：若介质空闲，以概率P传输，以概率(1-P)延迟一个时间单位。该时间单位通常等于最大的传播延迟的两倍。若介质忙，继续监听直到信道空闲并重复第1步。若传输延迟了一个时间单位，则重复第1步。假设n个站点有帧要传输，而此时已经有一个帧正在传输。在该帧被传输完后，将要开始传输的站点数=准备传输的站点数*传输概率，也就是NP，因此为了保证重负载下的性能，要求NP<1，这使得在低负载下的效率非常低下。（教材P105）314.3以太网4.3.1以太网概述（产生、分类、标准、设备布线原则等）4.3.2以太网介质访问协议CSMA/CD教材P107324.3以太网4.3.1以太网概述局域网的技术性能主要取决于拓扑结构、传输媒体和信道访问控制方式。以太网是目前使用最广泛的局域网技术。分类：标准以太网：早期的10Mbps以太网，使用CSMA/CD(载波监听多路访问及冲突检测技术)技术，并以10M/S的速率运行在多种类型的电缆上。快速以太网、吉比特/千兆以太网、10吉比特/万兆以太网教材P107334.3.1以太网概述由来：总线局域网最初是由美国施乐(Xerox)公司的PaloAlto研究中心于1975年研制成功的。基带传输（传输数字信号数据），传输速率为2.94Mb/s，以无源电缆作为传输媒体，并以传播电磁波的以太(ether)命名，故有“以太网”之称。两个标准：1981年，Digital、Intel、Xerox三家公司合作提出了以太网规约。次年又修改成第二版，即DIXEthernetV2，这是世界上第一个局域网产品的规约。1983年，美国电气电子工程师协会IEEE的802.3工作组于制订了第一个以太网标准IEEE802.3，其数据传输速率为10Mb/s。34以太网的两个标准DIXEthernetV2是世界上第一个局域网产品（以太网）的规约；IEEE的802.3标准。说明：DIXEthernetV2标准与IEEE的802.3标准只有很小的差别，因此可以将802.3局域网简称为“以太网”；严格说来，“以太网”应当是指符合DIXEthernetV2标准的局域网。

354.3.1以太网概述(续)以太网的物理结构是总线型的，即把许多计算机都连接在一根总线上。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。

B向

D发送数据CDAE匹配电阻(用来吸收总线上传播的信号)不接受不接受不接受B只有D接受B发送的数据接受364.3.1以太网概述(续)以太网采用广播方式发送数据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。374.3.1以太网概述(续)为了通信的简便，以太网采取的两项重要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。384.3.1以太网概述(续)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帧，而是当作一个新的数据帧来发送。394.3.2以太网工作原理CSMA/CD协议以太网采用一种协调工作机制，称为载波监听多点接入/冲突检测CSMA/CD(CarrierSenseMultipleAccess/CollisionDetection)协议。半双工方式的介质访问控制协议对CSMA协议的改进CSMA中一旦两个帧发生冲突，在坏帧传输时间内其他站点都不能传输，浪费传播时间和容量。先听再发，边发边听采用二进制指数避退的1-持续方式教材P108404.3.2CSMA/CD协议(续)载波监听多点接入/冲突检测CSMA/CD(CarrierSenseMultipleAccess/CollisionDetection)协议“载波监听”指加接在以太网上的每个站在发送数据之前，先要检测总线上是否有其他站正在发送数据，如果有，就暂时不发送数据，以免发生冲突(常称“碰撞”)。“载波监听”只是用来表明检测总线上信号存在与否的一种技术手段。“多点接入”指计算机以多点接入的方式连接到同一根总线上。“冲突检测”指计算机边发送数据边检测总线上信号电压的变化情况。

教材P103414.3.2CSMA/CD协议(续)载波监听多点接入/冲突检测CSMA/CD(CarrierSenseMultipleAccess/CollisionDetection)协议。Q1：如何进行冲突检测？Q2：冲突的后果？Q3：检测到冲突后怎么办？Q4：电磁波在总线上的产生冲突的原因：Q5：发干扰信号的目的？Q6：最小帧长如何确定？Q7：如何避免冲突？教材P103424.3.2CSMA/CD协议(续)Q1：如何进行冲突检测？“冲突检测”就是计算机边发送数据边检测信道上的信号电压大小的变化情况。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，表明产生了发送冲突。所谓“冲突”就是信号发生了碰撞。因此“冲突检测”也称为“碰撞检测”。434.3.2CSMA/CD协议(续)Q2：冲突的后果？当信号发生冲突时，总线上传输的信号产生了严重的失真，接收站就无法从中恢复出有用的信息。Q3：检测到冲突后怎么办？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重新执行发送操作。444.3.2CSMA/CD协议(续)Q4：电磁波在总线上的产生冲突的原因：有限的传播速率454.3.2CSMA/CD协议(续)Q4：电磁波在总线上的产生冲突的原因：有限的传播速率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。464.3.2CSMA/CD协议(续)传播时延对载波监听的影响1kmABt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为单程端到端传播时延注：电磁波在电缆中的传播速度只是在自由空间中的65％，即1km长电缆的传播时延约为5s。

47为单程端到端传播时延t=

B检测到信道空闲发送数据t=

/2发生碰撞AABABt=0A检测到信道空闲发送数据ABBt=B检测到发生碰撞停止发送STOPt=2

A检测到发生碰撞STOPAB1kmABt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=0484.3.2CSMA/CD协议(续)几点结论：使用CSMA/CD协议的以太网不能实现同时发送和接收，即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，一定存在着遭遇信号冲突的可能性。这种发送的不确定性使得整个以太网的平均通信量远小于以太网的最高数据率。494.3.2CSMA/CD协议(续)Q5：发干扰信号的目的？强化冲突在实际应用中采用的一种措施。当发送帧的站监听到冲突时，除了立即停止正常发送之外，还要继续发送若干比特（通常为32比特或48比特）的人为干扰信号（jammingsignal），以强化所发生的冲突，使得所有站都能确知现在已经发生了冲突。504.3.2CSMA/CD协议(续)CSMA/CD强化冲突的示意图(B也能检测到冲突，但图中未绘出B发送的干扰信号)数据帧干扰信号TJABTBtB发送数据A检测到冲突出现冲突信道占用时间A发送数据B检测到冲突514.3.2CSMA/CD协议(续)帧必须足够长，以使冲突能在帧传输完毕前被检测到。如果帧太短，没办法及时进行冲突检测，CSMA/CD就与CSMA协议没有什么区别了。Q6：最小帧长如何确定？最小帧长=通信速率×争用期524.3.2CSMA/CD协议(续)争用期（一个站点确定冲突发生需要多长时间？）若先发送数据帧的A站，在发送数据帧后最多要经过时间2(考虑最坏情况，信号在相距最远的两个站点之间的双趟传播时间)方可知道发送的数据帧是否遭遇到冲突。以太网的端到端往返时延2称为争用期(contentionperiod)或碰撞窗口。只有经过争用期这段时间而没有检测到冲突，才能肯定这次发送不再会发生冲突。争用期的长短与发送速率有关。以太网IEEE802.3对10BASE5介质的争用期为51.2s（以太网的短道段试验实际小于此值，定为51.2s还考虑了其他因素如强化冲突的干扰信号的持续时间等）。最小帧长=通信速率×争用期教材P110例534.3.2CSMA/CD协议(续)Q7：如何避免冲突？当检测到冲突之后，通信双方都要各自延迟一段随机的