课件计算机网络ch4局域网技术

四、局域网技术主讲教师：李慧贤2013–2014学年第一学期

E-Mail：15-16讲22023/3/6本讲内容LLC协议（IEEE802.2）以太网的MAC子层（IEEE802.3）CSMA/CD协议帧结构CSMA/CD协议工作原理32023/3/6局域网概述局域网是指传输距离有限，传输效率较高，以共享网络资源位目的网络系统。局域网具有如下的一些主要优点：能方便地共享昂贵的外部设备、主机以及软件、数据。从一个站点可访问全网。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、可用性和生存性。42023/3/6IEEE802委员会IEEE802委员会组成：通信介质(或称媒体)分会：研究领域对应于OSI参考模型的物理层。该层主要涉及局域网通信的物理传输特性以及标准的物理介质与链路接口的性质。信号存取控制分会：研究领域对应于OSI参考模型的数据链路层。该层主要涉及逻辑链路控制协议和介质访问控制协议,以及层间接口。高层接口分会：该分会负责检查局域网对ISO的OSI参考模型高层(即从网络层到应用层)的影响。52023/3/6IEEE802局域网标准IEEE802局域网标准是一个标准系列,并不断地增加新的标准。IEEE802标准主要规定了物理层和数据链路层两个层次,并将数据链路层分成逻辑链路控制(LLC)和介质访问控制(MAC)两个子层。除了两个子层以外，802项目还包含控制网际互连的一个部分（802.1），这个部分通过协议确保不同的LAN和WAN之间的兼容性，同时允许数据能够在其他不相互兼容的网络之间传输。62023/3/6IEEE802局域网标准系列关系图

IEEE802.3CSMA/CD(MAC子层)和物理层技术规范

IEEE802.4令牌总线MAC和物理层技术规范

IEEE802.5令牌环网MAC和物理层技术规范72023/3/6IEEE802LAN实现模型面向连接的服务无连接的服务82023/3/6MAC与LLC92023/3/6本讲内容LLC协议（IEEE802.2）以太网的MAC子层（IEEE802.3）CSMA/CD协议帧结构CSMA/CD协议工作原理102023/3/6LLC协议LLC层为所有的局域网提供公共的服务。LLC层协议独立于MAC层和物理层协议。对应于OSI参考模型的数据链路层，实现了数据链路层大部分功能，还有一些功能由MAC层实现。根据局域网的特点对HDLC通信规程进行了适当的简化和重定义。定义了对等LLC层实体之间进行数据通信的服务规范，提供了两种服务：不确认无连接服务和面向连接的服务，并且还定义了网络层与LLC层接口和LLC层与MAC层接口。112023/3/6局域网对LLC子层

是透明的局域网网络层物理层站点1网络层物理层逻辑链路控制LLCLLC媒体接入控制MACMAC数据链路层站点2LLC子层看不见下面的局域网122023/3/6LLC帧格式比特888/168n信息DSAP控制00111SMN(S)P/FP/FP/FMN(R)N(R)12345678I帧：S帧：U帧：SSAP132023/3/6LLC定义的服务不确认无连接服务。它是在无连接的数据链路上提供数据传输服务的，因此不保证数据传输的正确性。数据传输模式：单播、组播和广播。这是一种数据报服务。面向连接服务。它是在面向连接的数据链路上提供数据传输服务的,因此它必须提供建立、使用、终止以及复位数据链路层连接所需的操作手段，并且还要提供数据链路层的定序、流控和错误恢复等功能。这是一种虚电路服务。类型Ⅰ操作类型Ⅱ操作一般网络系统中，LLC协议支持类型Ⅰ操作？142023/3/6LLC与HDLC的协议比较LLC帧必须封装在MAC帧中进行传输，而不能单独地通过物理层传输。因此，LLC帧中没有用于帧同步的标志字段以及用于验证帧正确性的帧校验字段；这些字段由MAC协议添加在MAC帧中，而LLC帧被封装在MAC帧的信息字段中。LLC帧地址字段指示的是服务访问点地址，它是一种逻辑地址，节点的物理地址由MAC帧指示。IEEE802局域网采用平衡式链路结构，LLC协议只定义了一种数据传送操作方式：扩展的异步平衡方式(ABME)。因此，简化了LLC帧的种类。152023/3/6本讲内容LLC协议（IEEE802.2）以太网的MAC子层（IEEE802.3）CSMA/CD协议帧结构CSMA/CD协议工作原理162023/3/6以太网

以太网(Ethernet)最初是由美国Xerox公司和Stanford大学联合开发并于1975年推出的。后来，由DEC、Intel和Xerox公司合作于1980年9月第一次公布了Ethernet的物理层和数据链路层规范，成为世界上第一个局域网工业标准。IEEE802.3国际标准是在Ethernet标准的基础上制定的。无论何种Ethernet，其MAC层均采用争用型介质访问控制协议，即载波监听多点接入/冲突检测CSMA/CD(CarrierSenseMultipleAccess/CollisionDetect)。

172023/3/6CSMA/CD协议CSMA/CD也是一种分布式介质访问控制协议。每个节点在发送数据帧之前,首先要进行载波监听,只有介质空闲时,才允许发送帧。这时,如果两个以上的节点同时监听到介质空闲并发送数据帧,则会产生冲突现象,被损坏的数据帧必须重新发送。每个节点都有能力随时检测冲突是否发生,一旦发生冲突,则应停止发送。然后随机延时一段时间后,再重新争用介质,重发该帧。先听后发，边发边听，冲突停发，随机延迟后重发

182023/3/6以太网的广播方式发送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。B向

D发送数据CDAE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192023/3/6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。202023/3/6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。212023/3/6CSMA/CD的帧格式DA：可以是单地址/多播地址/广播地址SA必须是单地址FCS：采用32为CRC检验字节：712/62/62≤15004帧长：64~1518ByteFCS检验区间222023/3/6帧长度限制最大帧长度限制：由于在早期以太网（1978）时期，RAM是非常昂贵的，越大的帧长度表示在收发器中需要更多的RAM空间，因此收发器的造价也就越贵。最小帧长度限制：当一个短帧还没有到达电缆的末端的时候，发送站已经完成了该短帧的传输，而在电缆的远端，该帧可能与另外一帧发生了冲突。因此，发送方会得出发送成功的错误结论。为了避免这样的情况，所有的帧必须要经过2倍往返时间才能完成发送。232023/3/6帧长度限制（con’t）对于一个最大长度2500米，具有4个中继器的10MbpsLAN来说，最差情况下，往返一周的时间大约是50μs，其中包含通过4个中继器的时间。在10Mbps的要求下，发送一位需要100ns，所以500位是保证可以工作的最小帧长度。因此最小帧长度被定义为64字节。随着网络速度的提高，最小帧长也必须成倍增长，或最大电缆长度成比例减短。对于一个工作在1Gbps速率，2500米的LAN来说，最小帧长必须达到6400字节，或者换一种做法，最小帧长为640字节，但是任何两个站的最大距离为250米。242023/3/6帧间最小间隔帧间最小间隔为9.6s，相当于96bit的发送时间。一个站在检测到总线开始空闲后，还要等待9.6s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。252023/3/6以太网MAC层协议MAC层接口各种以太网的MAC层协议都采用了CSMA/CD协议，而在物理层协议上各有不同。262023/3/6载波监听多点接入/碰撞检测CSMA/CDCSMA/CD表示CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection。“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有没有其他计算机发送的数据信号。272023/3/6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”。282023/3/6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。292023/3/6电磁波在总线上的

有限传播速率的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。302023/3/6以太网冲突312023/3/61kmABt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

322023/3/61kmABt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检测到发生碰撞t=ABABABt=0A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

332023/3/6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。342023/3/6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。352023/3/6二进制指数类型退避算法

(truncatedbinaryexponentialtype)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。定义参数k

，k10，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。362023/3/6争用期的长度以太网取51.2s