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第五章 局域网技术

交换 今日汗水， 路由 明朝辉煌. 中 北 大 学 电 子 与 计 算 机 科 学 技 术 学 院 School of Electronics and Computer Science and Technology . NUC. 第五章 局域网技术. IEEE802 标准. IEEE802 系列标准. IEEE802.1 ：概述、体系结构、网际互连及网络管理和性能测试； IEEE802.2 ：逻辑链路控制 LLC ，即高层与任何一种局域网 MAC 层的接口； IEEE802.3 ：以太网， CSMA/CD 总线网的 MAC 子层和物理层技术规范；

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第五章 局域网技术

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  1. 交换今日汗水，路由明朝辉煌 中 北 大 学 电 子 与 计 算 机 科 学 技 术 学 院 School of Electronics and Computer Science and Technology . NUC 第五章局域网技术

  2. IEEE802标准

  3. IEEE802系列标准 IEEE802.1：概述、体系结构、网际互连及网络管理和性能测试； IEEE802.2：逻辑链路控制LLC，即高层与任何一种局域网MAC层的接口； IEEE802.3：以太网，CSMA/CD总线网的MAC子层和物理层技术规范； IEEE802.4：令牌总线网，令牌总线网的MAC子层和物理层技术规范； IEEE802.5：令牌环网，令牌环网的MAC子层和物理层技术规范； IEEE802.6：分布队列双绞线，城域网的MAC子层和物理层技术规范； IEEE802.7：宽带技术； IEEE802.8：光纤技术； IEEE802.9：综合语音与数据局域网规范； IEEE802.10：可互操作的局域网安全性规范；

  4. IEEE802系列标准 IEEE802.11：无线局域网； IEEE802.12：100VG AnyLAN，新型高速局域网； IEEE802.13：100M快速以太网(5B6B编码系统) IEEE802.14：cable modem(CATV网络上数据传输标准) IEEE802.15：无线个人区域网络（蓝牙） IEEE802.16：无线城域网WiMAX IEEE802.17：弹性分组环网络RPR IEEE802.20：宽带无线接入标准

  5. IEEE802系列标准关系

  6. IEEE802参考模型的层次关系 • LLC和MAC子层的功能分解主要是将数据链路层功能中与硬件有关的部分和与硬件无关的部分区分开来 ：

  7. LLC帧和MAC帧的关系

  8. 逻辑链路控制(LLC)子层 • 逻辑链路控制子层的规范包含在IEEE802.2标准中。 • 这个标准与HDLC是兼容的，但使用的帧格式有所不同。这是由于HDLC的标志和位填充技术并不适合局域网，因而被排除，而且帧校验序列由MAC子层实现，因而也不包含在LLC的帧结构中。 • 另外为了适合局域网中的寻址，地址字段也有所改变，同时提供目标地址和源地址。

  9. LLC帧格式 • (a)帧结构； • (b)地址字段； • (c)控制字段

  10. LLC服务 • LLC与所在的局域网所采用的拓扑结构、传输介质以及介质访问控制方式无关，它完成数据链路管理、差错控制、流量控制和数据帧顺序控制的功能，并为高层提供服务访问点。 • 按照服务的类型，LLC提供3种服务： • 无确认连接的服务： • 连接方式的服务： • 有确认无连接的服务：

  11. LLC的操作类型 • LLC协议与HDLC协议类似，它们之间的差别如下： • LLC使用无编号信息帧支持无确认无连接的服务，这被称为LLC1型操作； • LLC用HDLC的异步平衡方式的操作来支持连接方式的LLC服务，这种操作类型被称为LLC2型操作。LLC不支持HDLC的其他操作； • LLC用一种新的无编号帧（AC）支持有确认无连接的服务，这被称为LLC3型操作。

  12. 介质访问控制(MAC)子层 • 在局域网和城域网中，所有的设备共享传输介质，因此当信道的使用产生竞争时，如何分配信道的使用权便成为关键的问题。数据链路层的介质访问控制子层被用来解决广播信道的分配问题，与之相应的用来分配传输介质使用权的协议被称为MAC协议。 • 集中式和分布式 • 同步式和异步式 • 循环式、预约式和竞争式

  13. IEEE802.3标准与以太网 • 在局域网和城域网中，所有的设备共享传输介质，因此当信道的使用产生竞争时，如何分配信道的使用权便成为关键的问题。 • 数据链路层的介质访问控制子层被用来解决广播信道的分配问题，与之相应的用来分配传输介质使用权的协议被称为MAC协议。 • ETHERNET(以太网)的核心技术是它的随机争用型介质访问方法，即CSMA/CD介质访问控制方法。

  14. 以太网综述 • 1973年5月22日，Xerox PARC（Palo Alto研究中心）的Robert Metcalfe和David Boggs描述了他们基于Alto主机连接的网络形式，并称之为以太网。 • 最初的以太网以2.94Mbps传输率工作在基带粗同轴电缆上。 • 以太是十九世纪科学界所想象的气态物质，它使电磁波能够通过空气传播。 • 以太网包括DIX以太网和IEEE802.3以太网两个标准。

  15. DIX以太网的发展 • Xerox得到DEC和Intel公司的支持，共同实现标准和器件的开发工作，1980年，以太网1.0版由三家公司联合发表，称为DIX80，即著名的以太网蓝皮书，全称为：“以太网，一种局域网：数据链路层和物理层规范，1.0版”，采用10Mbps。 • 两年后，DIX重新定义该标准，并于1982年公布DIX82，即以太网2.0版（Ethernet II）作为终结。

  16. IEEE802.3以太网的发展 • 1980年2月，IEEE802 LAN标准委员会成立，其中802.3分委会在DIX工作基础上负责创建国际性标准。 • 1982年，802.3标准出台，它与DIX82差别甚微，以太网成为IEEE802标准系列中第一个标准化的局域网标准。 • 1985年，IEEE802委员会正式推出IEEE802.3 CSMA/CD局域网标准，描述了基于DIX以太网标准的局域网标准。并被ISO接受为国际标准，为ISO/IEC 8802-3。

  17. IEEE802.3和Ethernet II(DIX) • 今天的以太网和802.3可以认为是同义词 • 以太网的核心思想是利用共享的公共传输介质。 • 常规的共享式以太网只能以半双工的方式工作，用户依赖于单条共享信道，在技术上不能同时收发数据。 • 随着以太网的技术发展，1997年出现全双工以太网（802.3x），从而实现了同时收发。

  18. 以太网的技术标准

  19. 以太网的介质访问方式 • MAC子层的中心议题是相互竞争的用户之间如何分配一个单独的广播信道。 • 分配方法有静态分配和动态分配两种。 • 而所有传统的信道静态分配方法均不能有效地处理通信的突发性，所以我们必须采用信道动态分配。 • 结合MAC子层和物理层，不同的协议规则决定了不同的网络形式的应用和技术实现。 • 以太网的核心技术是它的随机争用型介质访问方法，即CSMA/CD介质访问控制方法。

  20. 以太网的帧结构 • 前导码：7个字节的1、0间隔代码：1010···10（56位） • 帧首定界符（SFD）：1个字节10101011二进制序列 • 目的地址（DA）：目的站MAC地址，6个字节 • 最高位：0表示单播、1表示多播（组播）、全1为广播，即FF.FF.FF.FF.FF.FF • 源地址（SA）：源站MAC地址，6个字节 • 类型（TYPE）：2字节，表示高层协议类型 • 数据（DATA）：46—1500字节 • 帧检验序列（FCS）：4字节，32位冗余校验CRC32

  21. DIX 以太网和IEEE802.3帧 • 以太帧（Ethernet II） • IEEE802.3 帧 • DIX以太帧的DATA直接封装网络层分组，而IEEE 802.3帧封装LLC-PDU，L表示LLC-PDU字节数。 • 帧兼容策略：大于最大帧长度1518D表示TYPE，否则表示L。实际做法：取值1536D（0600H）为界。例如IP为0800H、IPX为8137H。

  22. CSMA/CD机理 • CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection）协议是对ALOHA协议（一种基于地面无线广播通信而创建、适用于无协调关系的多用户竞争单信道使用权的系统）的改进，它确保在了网络结点在侦听到信道忙时不会有新站同时发送数据。 • CSMA/CD的基本过程如下：一个站要发送信息，首先要监听总线，以决定介质上是否有其他站的发送信号存在。如果介质是空闲的，则可以发送信息；反之，则等待一个时间间隔后重试（退避）。

  23. CSMA形式 • 按照退避算法的语义规则，CSMA/CD有以下三种具体形式： • 非坚持退避 • 1-坚持退避 • P-坚持退避 • 以太网所采用的是1-坚持退避CSMA/CD。当站点希望传送数据时，它就等到线路空闲为止，否则就立即传输。

  24. 非坚持退避 ①假如介质是空闲的，则发送。 ②假如介质是忙的，则等待一个随机时间，重复第一步。

  25. 1-坚持退避 ①假如介质是空闲的，则发送。 ②假如介质是忙的，继续监听，直到空闲为止，立即发送。 ③假如发生冲突，则等待一个随机时间，重复第一步。

  26. P-坚持退避 ①假如介质是空闲的，则以概率P直接发送，或以1-P的概率延迟一个时间单位。 ②假如介质是忙的，继续监听，直到空闲为止，重复第一步。 ③如果被延迟一个时间单位，重复第一步。 ④假如发生冲突，采用某种方法解决（退避）。

  27. CD冲突的检测 • 以太网所采用的是1-坚持退避CSMA/CD。如果两个或多个站点同时在空闲的电缆上开始传输，就会产生冲突，站点对冲突的检测可以依据如下方法： • ①比较接收到的信号电压的大小 • ②检测曼彻斯特编码的过零点 • ③比较接收到的信号与刚发出的信号 • 每站在发送帧期间同时具有检测冲突的能力，一旦冲突发生，就立即停止发送，并向总线上发出一串阻塞信号，通知总线各站，冲突已经发生，同时以退避算法,控制各站发送。

  28. 退避算法 • 当一个发送尝试由于冲突而停止时，该站就要准备重新发送。重传的调度由称作“截短二进制指数退避”（Truncated Binary Exponential Back off）的受控的随机化进程来决定。 • 即在人为干扰结束后，要延迟一段时间之后才能进行重发，这个退避时间是时间T的整数倍。在第n次重发尝试以前，延迟的时间应该是rT，r是均匀分布的随机整数，在[0，2k]范围内。其中k=min(n,10)。当n=16（极限值），即连续发生15次重发碰撞仍未成功发送时，则作为差错向LLC子层报告，发送失败。

  29. 碰撞槽时间（Slot Time） • 关于时间T，为常量，是网络链路上固有的参数，称为“碰撞槽时间（Slot Time）”。 • 其物理含义指在帧发送过程中，发生碰撞时间的上限。即在这段时间内，可能检测到碰撞，而经过这段时间后，则不会发生碰撞，当然也不会检测到碰撞。近似的可以使用以下公式表示： • 其中S为网络跨距（公共总线长度），C为光速，tphy指物理层延时。

  30. 帧准备好 差错处理 Y 媒体忙？ 延迟随 机时间t N 开始发送帧 N N N Y 发送完毕？ 碰撞？ N>=16？ Y Y 发送Jam码 碰撞次数N++ 发送成功 停止发送 发送流程

  31. CSMA/CD的发送流程 • CSMA/CD的发送流程可以简单的概括为： • 先听后发 • 边听边发 • 冲突停止 • 延迟重发 • 冲突检测是发送结点在发送的同时，将其发送信号波形与接受到的波形相比较。

  32. 补充：典型以太网技术

  33. 10Mbps以太网 • 四种10Mbps以太网物理性能比较

  34. 10BASE5以太网参数 • 10BASE5以太网参数取值如下：

  35. 粗缆 BNC端子 最大段长度 500米 每段最多站点数 100 收发器 AUI 电缆 NIC 两站点间最小距离 2.5米 网络最大跨度 2.5公里 10BASE5 • 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

  36. 细缆 BNC 接头 NIC 段最大长度 185m 每段最多站点数 30 两站点间最短距离 0.5 m 网络最大跨度 925 m 10BASE2 • BNC T型接头 • 无需插入电缆 • 用于办公室LAN

  37. hub 段最大长度 100m NIC 10BASE-T • Hub（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 • 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。

  38. 100Mbps以太网 • 1992年IEEE重新召集了802.3委员会，指示制订一个快速的LAN。802.3委员会决定保持802.3原状，只是提高其速率。IEEE在1995年6月正式采纳了其成果802.3u。 • 从技术角度上讲，802.3u并不是一种新的标准，只是对现存802.3标准的追加，习惯上称为快速以太网。 • 其基本思想很简单：保留所有的旧的分组格式，接口以及程序规则，只是将位时从100ns减少到10ns，并且所有的快速以太网系统均使用集线器，不再使用同轴电缆。

  39. 100BASE以太网物理性能 • 100BASE以太网物理性能：

  40. 5-4-3法则（以太网） Thicknet 5-4-3 rule; 5 backbone segments, 4 repeaters, and 3 segments

  41. 快速以太网系统的跨距 • Slot Time=2S/0.7C+2tphy • Slot Time为512位时间

  42. 100m DTE DTE DTE DTE DTE DTE DTE DTE 100m 100m I 100m 100m II 100m 5m 100m II II 205m 快速以太网系统跨距 • 双绞线

  43. 412m DTE DTE DTE DTE DTE DTE DTE DTE I II II II 228m 320m 272m 快速以太网系统跨距 • 光缆

  44. 100m 100m 208.8m 160.8m II I DTE DTE DTE DTE DTE DTE 100m 5m 111.2m II II 快速以太网系统跨距 • 混合介质（双绞线-光缆）

  45. 100Base-T4 • 即3类UTP，它采用的信号速度为25MHz，需要四对双绞线； • 不使用曼彻斯特编码，而是三元信号，每个周期发送4比特，这样就获得了所要求的100Mb/s，还有一个33.3Mb/s的保留信道。该方案即所谓的8B6T（8比特被映射为6个三进制位）。

  46. 100Base-TX • 即5类UTP，其设计比较简单，因为它可以处理速率高达125MHz以上的时钟信号，每个站点只需使用两对双绞线，一对连向集线器，另一对从集线器引出。 • 它没有采用直接的二进制编码，而是采用了一种运行在125MHz下的被称为4B5B的编码方案。 • 100Base-TX是全双工的系统。

  47. 100Base-FX • 使用两束多模光纤，每束都可用于两个方向，因此它也是全双工的，并且站点与集线器之间的最大距离高达2km。 • 100Base-T4和100Base-FX可使用两种类型（共享式、交换式）的集线器，它们统称为100Base-T。在共享式集线器中，所有的输入线在逻辑上连在一起，形成了同一个冲突域。 • 100Base-FX电缆与正常的以太网冲突算法来说显得过长，所以它们必须与交换式集线器相连，每根电缆各为一个冲突域。

  48. 1Gbps以太网 • 吉以太网由802.3z和802.3ab定义：

  49. 1Gbps以太网的技术实现 • 1Gbps以太网与100Mbps以太网类似，只是速度更快，它们具有同样的帧格式，同样的最小和最大帧长，同样的退避算法。 • 半双工模式下的技术实现： • 载波延伸（Carrier Extension）： 512位->512字节（填充0F）。 • 帧突发（Frame Bursting）：效率弥补

  50. 载波延伸和帧突发 • 载波延伸的方法是将争用期由512位扩展到512字节，即凡是发送帧长不足512字节时，就填充特殊字符（0F）补足。 • 而帧突发则是解决由载波延伸所导致的问题。当许多短帧需要发送时，如果每一个帧都扩展为512字节，无疑会造成资源的巨大浪费。 • 因此规定，第一个短帧使用载波延伸，一旦发送成功，则随后的短帧连续发送直到1500字节为止。在此期间，由于线路始终处于“忙”的状态，不会有其它站点抢占信道。

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