第三章局域网技术

控制网络与现场总线主讲陈青林主要内容数据链路层功能数据链路协议停止等待协议 滑动窗口协议高级数据链路控制规程HDLC局域网的基本知识各类局域网标准以太网规范令牌环网的工作原理令牌总线的工作原理3.1数据链路控制和协议

数据链路控制的考虑

谁能发送？俺也要发数据我有数据要发解决共用介质中“谁能发送的问题”控制传输中的流量检测差错和重传老哥：您悠着点，我吃不了！收了一堆数据，不知道对不对？数据链路层协议该层协议的主要功能是，在相邻两个结点之间建立、维持和释放一条或多条数据链路，将数据按一定的格式(帧格式)组织起来进行传输，保证数据传输无差错、按顺序到达目的地。目前，数据链路层协议主要有两类：面向字符型协议面向位协议一.停止等待协议理想的停止等待协议发数据收数据一.停止等待协议实用的停止等待协议我要发数据，可以吗？我已准备好，可以！发一包数据收到了！传输结束几种情况

数据幀出错数据幀丢失应答幀丢失停止等待的时间重复幀二.连续ARQ协议流量控制的必要性任何接收设备都有处理输入数据的速率限制，并且存储器容量也是有限的。流量控制的目的告诉发送方在等待接收方的应答信号之前最多可以传送多少数据。流量控制常用的方法停等协议滑动窗口协议（连续ARQ协议）流量控制：滑动窗口协议滑动窗口协议：

发送方在收到应答消息前可以发送若干帧。接收方只对其中一些帧进行应答，使用一个ACK帧来对多个数据帧的接收进行确认。窗口：指一个发送方和接收方都要创建的额外缓冲区；对收到应答之前可以传输的数据帧的数目进行了限制；可以不等待窗口被填满而在任何一点对数据帧进行应答；只要窗口未满就可以继续传输。流量控制：滑动窗口协议窗口的表示：以模n方式标号，窗口的大小是n-1。窗口的应用：接收方发出一个应答帧（ACK），它就在其中包含了预期接收的下一帧编号。例如：对以帧4结尾的一串数据帧进行应答，接收方就发送一个包含有编号5的应答帧。当发送方收到含有编号5的应答帧（ACK）时，它就知道了直到编号4为止的所有数据帧均己经被正确地接收了。发送窗口：接收窗口：三.面向比特链路控制规程HDLC高级数据链路控制协议：HDLC协议支持点到点和多点配置下的半双工和全双工模式。帧格式标志地址控制信息从上层来的数据

帧校验序列标志标志地址控制帧校验序列标志标志地址控制管理信息(可能有)

帧校验序列标志信息帧（I-帧）监管帧（S-帧）无序号帧（U-帧）3.1数据链路控制和协议：错误控制错误控制的目标能检测错误设法通知发送方重发错误类型单比特错误多比特错误突发错误常用错误检测方法垂直冗余校验纵向冗余校验循环冗余校验错误控制：错误检测错误检测的过程错误检测：垂直和纵向冗余校验垂直冗余校验：常称作奇偶校验特点：所有单比特错误。错误的个数是奇数时，才能检测出多比特和突发错误。纵向冗余校验：两维的垂直冗余校验特点：难以检验所有在偶数个数据单元的偶数个相同位置发生错误的情况错误检测：循环冗余校验循环冗余校验（CRC）：基于二进制除法过程：在数据单元末尾附加一串冗余比特，称作循环冗余码或循环冗余校验余数，使得整个数据单元可以被另一个预定的二进制数所整除。在数据终点，用同一个数去除输入的数据单元。如果不产生余数，认为数据单元是完整正确的。有余数意味着数据单元在传输中被破坏，拒绝接受。常用的标准多项式：CRC-12（x12+x11+x3+x+1）；CRC-16（x16+x15+x2+1）；CRC-ITU（x16+x12+x5+1）；CRC-32（x32+x26+x23+x22+x16+x12+x11+

x10+x8+x7+x5+x4+x2+x+1）；特点：除了正好数据块的比特值是按除数值变化的错误外，循环冗余校验（CRC）将检测出其他所有错误。3.2局域网技术主要内容:了解局域网的基本知识掌握各类局域网标准掌握以太网规范掌握令牌环网的工作原理掌握令牌总线的工作原理一.局域网基本组成1.局域网的定义和组成定义:

局域网络中的通讯被限制在中等规模的地理范围内,例如一幢办公楼、一座工厂或一所学校;能够使用具有中等或较高数据速率的物理信道,且具有较低的误码率;局域网络是专用的,由单一组织机构所使用。局域网LAN特点

覆盖范围有限数据率较高误码率较低支持广播或组播数据以编址帧形式传输没有中间交换,不需要路由。传输媒体

双绞线、同轴电缆、光纤、无线

用途文件管理、共享资源拓扑结构总线型、星型、环型、树型局域网的组成网络硬件网络服务器网络工作站网络适配器网络设备传输介质网络软件网络操作系统网络协议软件网络通信软件HUB…服务器双绞线2.网络工作站常见的网络工作站有以下三种:(1)无盘工作站和有盘工作站(2)事务处理工作站和图形处理工作站(3)本地工作站和远地工作站3.网络适配器

网络适配器(NAC)又称为网络接口卡(NⅠC),简称网卡:

它是一块可以插在PC机扩展槽上的电路板,主要由一套协议控制电路和数据缓冲存贮器组成。网卡的主要功能为:接收来自设备(工作站、服务器等)的数据。在得到介质的发送权之前,缓冲存储这些数据。按一定的格式和编码向介质发送数据。按地址扫描介质上的各个帧,并把发送到本站的帧读入到缓冲器。把缓冲器的数据送到设备。二.局域网协议1.局域网参考模型2.IEEE802局域网标准这些标准包括:IEEE802.1A综述及体系结构IEEE802.1B寻址、网间互连及网络管理IEEE802.2逻辑链路控制LLCIEEE802.3CSMA/CD访问控制方法及物理层技术规范IEEE802.4令牌总线访问控制方法及物理层技术规范IEEE802.5令牌环网访问控制方法及物理层技术规范IEEE802.6大城市地区网络访问控制方法及物理层技术规范IEEE802.7宽带网规范IEEE802.8光纤网规范IEEE802局域网标准

IEEE802主要的LAN标准802.3CSMA/CD以太网协议

802.4TokenBus令牌总线

802.5TokenRing令牌环

802.6分布队列双总线DQDB--MAN标准

FDDI光纤分布数据接口FDDI802.3CSMA/CD802.4TokenBus802.5TokenRing802.6DQDBFDDI802.2LLC数据链路层

物理层3.IEEE802结构LLC逻辑链路控制协议继承了HDLC的帧结构数据链路层的上子层MAC介质访问控制协议解决共享介质的竞争使用问题数据链路层的下子层实现帧的寻址和识别,完成帧检测序列产生和检验包含有CSMA/CD、令牌总线、令牌环和时间片分隔环四种IEEE802结构协议数据单元和HDLC类似DSAP和SSAP是LLC所使用的地址,标明接收和发送数据计算机的协议堆栈3.2.2以太网规范与组网方法

70年代中期由Xerox提出，数据率为2.94M，称为Ethernet

后来由DEC,IntelandXerox(DIX标准)改进为10M标准

1985年定名为IEEE802.3，即使用1坚持的CSMA/CD协议的LAN标准，数据率从1M到10M，支持多种传输媒体

Ethernet是指基带总线LAN一.传输协议与访问控制方法传输协议 将传输介质的频带有效地分配给网上各站点的方法称为传输协议(即介质访问控制协议)

基带总线网最早的传输协议是纯ALOHA协议经多次改进产生了时间片ALOHA协议、载波侦听多重访问协议(CSMA)和带冲突检测的载波侦听多重访问(CSMA/CD)协议等。以太网采用的是CSMA/CD协议。l.纯ALOHA协议早期ALOHA系统采用完全随机的方法访问信道,称之为纯ALOHA协议,其基本思想是:

用户如果想要发送数据随时可以发送,广播信道上的每个站都可以监听到信道上的信息。问题:

由于纯ALOHA的随意性,各站点发送帧冲突的机会很大,导致效率低下(理论计算不足18%)。2.时间片ALOHA1972年Robert发表了一种能把ALOHA系统吞吐率提高一倍的办法。他的建议是把时间划分成离散的时间间隔(称之为时槽),每段间隔对应于一帧。所有站点均配备一同步时钟用以指示时槽的开始。这就是我们称之为时间片ALOHA的协议。时间片ALOHA协议将一个连续的竞争系统变成一个离散的竞争系统,其效率提高一倍,达37%。

3.载波侦听多重访问协议(CSMA)IEEE802.3定义的载波侦听多重访问协议CSMA(CarrierSenseMultipleAccess)就是一种具有信道检测功能的传输控制系统,其检测手段称为“载波侦听’’。(l)l一坚持CSMA。 当一个站点要传送一批数据时,它首先侦听信道,看其是否空闲。如果信道忙则该站点等待,并继续侦听一直到信道空闲为止;当监听到信道空闲时,就立即发送一帧。如果发生冲突则等待一段随机时间再重新开始。此协议取名为l一坚持,是因为只要侦听到信道空闲就立即发送帧,即发送帧的概率为l。(2)非一坚持CSMA。当一个站点要传送一批数据时,也是首先侦听信道,如果信道空闲就立即开始发送数据。但如果信道正在使用中,该站就不再继续侦听信道何时变为空闲,而是等待一个随机时间,再开始侦听信道。(3)P一坚持CSMA。当一个站点准备发送数据时,它便开始侦听信道。如果信道忙,就坚持侦听直至下一时间片。如果信道空闲,则以概率P发送数据,而以概率(l一P)把发送信息的机会推迟到下一个时间片;若下一个时间单位仍然空闲,便再次或以概率P发送或以概率(l一P)推迟发送;这个过程一直持续下去,直到数据被发送出去,或有其他站发送而检测到信道忙为止。该协议比较适合于分时间片的信道。4.带冲突检测的载波侦听多重访问(CSMA/CD)协议CSMA/CD协议(IEEE802.3)：发送前监听总线；如介质空闲则发送；如介质忙则等待一随机间隔和重试；各站在发送时同时检测冲突；一旦发现冲突，立即停发，并向总线上发一串阻塞信号，让各站知道；冲突后采用二进制指数退避算法：初始L=2，退避间隔取1—L的随机数；冲突后L加倍，设置最大重传次数；重传时间:t=crc为计时单位,r为随机数0<r<L

超过最大重传次数，不再传，报告出错。二.以太网的帧结构三.以太网规范

Ethernet技术规范:.拓扑结构:总线式.传输速率:10Mbps.存取方式:CSMA/CD.最大工作站数:1024.最大传输距离:2.5km(使用中继器).报文长度:64-1518字节(不计报文前的同步序列)四.以太网组网方法不同标准

10Base-5--粗缆Ethernet10Base-2--细缆Ethernet10Base-T--双绞线

10Base-F--光缆

10Broad36--宽带快速EthernetIEEE802.3u：100BaseTX,100BaseT4,100BaseF等数据率（Mbps）基带或宽带段最大长度（百米）10Base-51.10Base-5以太网

分插头:插入电缆收发器:发送/接收,冲突检测,电气隔离,超长控制

AUI:连接件单元接口用于骨干网最大段长度500米每段最多站点数100两站点间最小距离2.5米倍数收发器电缆的最大长度为50米。网络最大跨度2.8公里

粗缆为RG-11,阻抗50欧姆 vampiretapBNC端子收发器78欧姆的6对屏蔽双绞线NIC50欧姆终端器15针的DlX(AUⅠ)接口2.廉价的10Base-2以太网细缆BNC接头NIC

BNCT型接头无需插入电缆段最大长度185m每段最多站点数30两站点间最短距离0.5m网络最大跨度925m最多5段(段间用中继器连接)3.10Base-TNICHub（集线器）相当于多端口转发器用于办公室LAN

拓扑结构为星形，逻辑上仍然是总线形。转发器/中继器的作用：扩充信号传输距离。将信号放大并整形后再转发，消除信号传输的失真和衰减。物理层设备。hub段最大长度100m组网规则:(l)用双绞线(UTP)将工作站连接到集线器上(2)双绞线插头、工作站网卡和集线器的插座均采用RJ-45标准接口。(3)集线器连接站点的数量取决于集线器端口数。(4)介质上最多只允许接入4个中继器从而构成5个网段,每个网段可长500m,全网最大直径达2500m。其中两头和中间的网段可以连入节点,另两个网段除作为中继器间的链路外,不能接入任何节点。每个站点都可以接收到所有来自其他站点的数据需要寻址机制来标识目的站点只有一个站点将收到的帧复制下来，其他站点都将丢弃帧ABCC发现总线空闲终端电阻IEEE802.3/Ethernet操作ABCC发送帧，目的地址为AACACABCB忽略该帧ACABCA复制该帧信号由终端电阻吸收ACl.共享介质的性能在共享介质的局域网中,随着网上用户数的增加,竞争可用带宽部分的节点数目也相应增加。其结果是,随着工作站数目的增加,传输数据的能力下降,每个用户都会遭到较大的延迟。例如,一个具有五个工作站,可用带宽为10Mbps的以太网,在工作站同时工作的情况下,每一个工作站平均得到可用带宽的五分之一,即2Mbps的带宽。如果工作站的数目增大到10个。每个工作站得到的可用带宽大约下降到十分之一,即lMbps。所以,工作站数量增加一倍,可用的带宽就降低百分之五十。解决问题的技术和方法主要包括:采用新的编码和信令,在共享介质上提供更大的带宽。使用优先级,以允许某些节点在其它节点之前传送‘‘高优先级的"信息。对每个节点提供预先确定了的带宽。在共享的局域网分段上,对允许的节点数目加以限制。2.带宽的使用效率在选择高速局域网技术时,对单个的节点来说,可用带宽的大小仅仅是考虑的一个因素。另一个因素是网络使用其可用带宽的效率如何。一般来说,网络开销可用下列的公式来计算:网络开销=(l00x(头的大小+尾的大小)/帧的大小)%

例如,ATM网络使用53个字节的信元(53为一个帧的大小),其中包含了48个字节的数据,5个字节的信元头,则:

ATM开销=(l00X5/53)%=9.43%FDDI网的一个帧大小为4478字节,包含22个字节的头和尾,故

FDDI开销=(l00X22/4478)%=0.49%4.高速网络技术简介高速网络技术可分成两大类:共享介质类型和非共享介质类型。共享介质类型的高速网络技术是在现有共享介质网络技术的基础上,进一步提高数据传输率的网络技术。共享介质类型的高速网络技术主要包括三种;在以太网基础上发展起来的l00BASE-T和l00TG-AnyLAN,以及在令牌环网基础上发展起来的光纤分布数字网络FDDI这三种网络的数据传输率都是l00Mbps,也都采用了共享介质技术和可变帧长技术。交换式802.3LAN问题：站点数的增加将导致LAN的性能降低解决方法：交换式LAN，中心设备为一个交换机，具有高速背板，交换机具有多个连接端口，支持10Base-T工作原理：站点将帧发送到所连接的端口上，交换机检测目的站点所联端口空闲否；若是，则将帧复制到相应的端口；否则，缓存，待目的端口空闲后发送。NICSwitchhub交换机原理

美国Kalpana公司于1994年底借鉴超级路由器中所采用的交换技术最先推出以太网络交换机,称为EtherSwitch该以太网络交换机采用了如下原理:

检测从以太端口来的数据包的源和目的地的MAC(介质访问)层地址,然后与系统内部的动态查找表进行比较,如果该数据包的MAC层地址不在查找表中,则将该地址加入到查找表,并将数据包发送给相应的目的地端口。两种交换方式:

.直通(CutThrough)方式。

.存储转发(StoreandForward)方式。1).直通方式

在输入端口检测到一个数据包后,交换机的控制器从其包头中取出目的地址,通过内部的动态查找表换算成相应的输出端口,在输入和输出交叉处‘‘接通’’,然后把数据包转发到相应的输出端口,这样就完成了交换工作。2).存储转发方式

以太网络交换机的控制器先将输入端口到来的数据包缓存起来,先检查CRC是否正确,并过滤掉包错误,确定包正确后,取出目的地址,通过查找表转换为想要发送的输出端口地址,然后将该包发