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第四章 局域网

第四章 局域网. 4.1 概述. 一、 局域网的特点 网络多为一个单位所拥有，地理范围和站点数量有限。 分布范围有限 —— 单位 / 部门 / 团体 / 建筑（几百米 ） 站点密集 —— 在小范围存在多点 采用专用传输媒体 —— 不大用公共网络 高数据传输率、低误码率 —— 距离近、媒体质量保证 基带传输 —— 一般无须调制 / 解调，设备简单 拓扑结构单纯规范 —— 总线 / 环型 / 星型 需媒体访问控制 MAC—— 广播子网性质，共用媒体。. 二、 广播子网 广播通信子网 —— 交换通信子网

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第四章 局域网

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  1. 第四章 局域网 4.1 概述 • 一、局域网的特点 • 网络多为一个单位所拥有，地理范围和站点数量有限。 • 分布范围有限——单位/部门/团体/建筑（几百米 ） • 站点密集——在小范围存在多点 • 采用专用传输媒体——不大用公共网络 • 高数据传输率、低误码率 ——距离近、媒体质量保证 • 基带传输——一般无须调制/解调，设备简单 • 拓扑结构单纯规范——总线/环型/星型 • 需媒体访问控制MAC——广播子网性质，共用媒体。

  2. 二、广播子网 广播通信子网——交换通信子网 在小范围采用交换性质的通信子网，往往显得复杂而不必要。 比方：现实中，一个部门的人员，有效沟通的形式之一是开会而不必用电话。 广播通信子网的基本性质是公用媒体。 故存在媒体访问控制问题——如何解决对媒体争用。 以开会为例：谁在一个时刻可以发言？ 解决信道争用的协议称为媒体访问控制协议 MAC（Medium Access Control），是数据链路层协议的一部分。

  3. 三、媒体访问控制方法 • 固定分配——分时，效率低 • 按需分配——请求/批准 • 随机分配——自由访问、存在冲突 控制访问 分布——令牌 集中——查询、预约 随机访问 CSMA/CD

  4. 4.2 局域网的IEEE 802体系结构 一. IEEE 802系列标准

  5. 802.1A 概述和体系结构 • 802.1B 寻址、网络管理、网络互连及高层接口 • 802.2 逻辑链路控制子层LLC • 802.3 以太网访问方法和物理层规范 • 802.4 令牌总线网访问方法和物理层规范 • 802.5 令牌环网访问方法和物理层规范 • 802.6 城域网访问方法和物理层规范（DQDB） • 802.9 LAN-ISDN接口 • 802.10 互操作LAN安全标准 (SILS) • 802.11 无线局域网 (Wireless LAN) • 802.12 100VG ANYLAN网 • 802.14 交互式电视网（包括 cable modem)

  6. 基于不可能用单一技术来满足所有需求，允许 • 多种媒体 • 多种拓扑结构 • 不同访问方式 • 所有的LAN都具有相同的LLC子层（与媒体无关）和不同的MAC子层和物理层（与媒体相关） • 不同的MAC和物理层构成了不同技术的LAN • 体现了将功能中与硬件相关的部分和与硬件无关的部分分开，降低实现的复杂度的原则。

  7. 网络层 IEEE 802 数据链路层 逻辑链路控制 LLC 媒体访问控制 MAC 物理层 物理层PHY LLC： Logical Link Control 逻辑链路控制 MAC：Media Access Control 媒体访问控制 PHY：Physical layer 物理层

  8. 二. LLC子层 • 屏蔽各种LAN MAC子层的差异，向用户提供统一的访问LAN的接口（提供多个LSAP，支持多种上层协议） 向上层提供连接的服务（CO）和无连接的服务（CL） • 差错控制、流量控制、链路管理

  9. LSAP LLC LLC LAN LLC LLC MAC MAC PHY PHY 服务访问点（SAP） LSAP——LLC服务访问点 MSAP——MAC服务访问点 PSAP——PHY服务访问点 NSAP——网络服务访问点

  10. I/G DSAP C/R SSAP LLC帧 （是HDLC的子集） 长度无限制 单位：字节 1 1 1/2 DSAP SSAP 控制 数据 高层PDU LLC帧和MAC帧的关系 LLC首部 LLC数据 MAC首部 MAC数据 MAC尾部

  11. LLC头部 • LLC协议信息 • 含源、目LLC地址（SAP）及其它控制信息 控制信息与HDLC相同（有滑动窗口等内容，也分I、S、U类型帧） MAC头部 • MAC协议信息 • 含源、目MAC地址及其它控制信息 MAC尾部 • MAC帧的校验字段 • 用于对MAC帧检错

  12. LLC提供的服务类型 • LLC1 不确认无连接的服务 • LLC2 面向连接的服务 • LLC3 带确认无连接的服务 • LLC4 高速传输服务 （1991年专为城域网提出）

  13. REQUEST INDICATION COMFIRMATION REQUEST INDICATION RESPONSE COMFIRMATION LLC服务原语 基于局域网比较可靠的实际考虑

  14. LLC MAC PHY MAC PHY • IEEE802标准模式 • 采用完整的LAN层次和LLC PDU • 上层利用LLC封装数据 • 向上层多种协议（IP、IPX、X.25）提供服务访问点 • 可向上层提供CO和CL两种服务 Internet 模式 • 无LLC子层（或为空层） • 直接利用MAC帧封装上层数据 • 只考虑向上层提供无连接的服务

  15. 4.3 IEEE802.3 和 以太网 历史 • ALOHA系统 • ALOHA + 载波监听 • Xerox 设计了2.94Mbps的采用CSMA/CD协议的Ethernet • Xerox, DEC, Intel共同制定了10Mbps的CSMA/CD以太网标准 • IEEE定义了采用1-坚持型CSMA/CD技术的802.3局域网标准，速率从1M到10Mbps，802.3标准与以太网协议略有差别。

  16. 客户机 客户机 服务器 A站 B站 C站 D站 E站 客户机 服务器 • 一、IEEE802.3 网络结构 IEEE802.3 总体基于总线结构 ——总线，脊椎形，树形，分段

  17. A站 B站 C站 D站 E站 A站发送帧 在时刻t传播到B站 E站在时刻t启动发送 两帧在时刻t+△ t碰撞 • 多个站点连接在一条总线上，信道共享 • 多个站点在共享信道上进行数据传输，带宽共享 • 信道上如果有两个以上站点同时发送，将会冲突 • 所有的站形成一个冲突域，同时形成一个广播域 • 需要某种信道分配和管理机制决定站点的发送权

  18. 二、IEEE802.3 媒体访问控制——CAMA/CD MAC 重要的功能是解决信道的分配，即确定网上的某个站点在何时占有信道。 Ethernet 采用动态分配信道，并在下列假设下进行： • 站模型：每站发送数据的概率服从泊松分布 • 单信道：只有一个信道（公用） • 冲突 ： 站同时发送数据会碰撞

  19. 1.纯 ALOHA方法的思想 • 70年代 ，夏威夷大学的Norman Abramson等人设计了一种共享信道分配的算法，经拓展的成果称为ALOHA系统. • 最初用于基于地面的无线广播通信，但基本思想适用于任何无协调关系的用户争用单一共享信道使用权的系统. • 假设数据帧长度相等 • 允许任何站点在任何时刻不需侦听信道就可完全随机地发送数据帧 • 采用确认机制： • 发送站发完一帧等待应答 • 按时收到应答，发下一帧 • 超时未收到应答，重发(需设置Tmax) • 超过最大重发次数仍未收到应答，通信失败(需设置Nmax) • 接收站收到数据若正确，发送应答，否则丢弃

  20. tf tb tr tb tP 一帧正确传输的时间 t = tf + 2tb+ tr+ tP tf帧发送时间 （将一帧数据送上信道的时间） tb信道传播时间 tr接收处理时间 tP应答发送时间 t →tf = 帧长度 L（bits) 信道传输速率 B（bits/s)

  21. 1个帧时tf A站 B站 C站 t t0 -tf t0 t0+tf t0+2tf 冲突窗口 B站在t0发送，则其他站在（ t0 –tf， t0+ tf）内发送，都将发生冲突（即使一帧的末位和另一帧的首位重叠） 成功发送一帧的条件是在 2tf 时间内无其他站发送.

  22. Pure ALOHA协议的性能 • 站点发送灵活性大，可随时发送 • 当系统通信量上升时，碰撞剧增，重发概率增加，网络吞吐率S急剧下降 • 发生碰撞的站不知道碰撞已发生，仍继续发送已受损的帧，浪费资源，信道利用率很低 • 每帧时tf内只有0.5帧要发时，S最高为18.4%；重负载时，S趋于0。

  23. 2. 改进的分槽ALOHA 对Pure ALOHA技术中“完全随机地发送”加以改进。 • 将信道按时间片分割（时槽），且时槽=帧时 ，所有站同步 • 每个站点只能在时槽的起始点发送帧，冲突限制在每个时槽内，冲突帧完全重叠（只浪费一个时间片） • 不同站在同一时刻发送帧，将发生冲突 • 不同站发的帧要么完全重叠，要么完全分开 • 成功发送一帧的条件是在tf时间内无其他站要发

  24. 1个帧时tf A站 B站 冲突窗口 C站 t t0+tf t0+2tf t0-tf t0 • 吞吐率S比纯ALOHA提高一倍，最高为36.8% • 重负载时，S急剧下降，最终趋于0 • 虽比纯ALOHA性能有所提高，代价是各站必须同步，而同步的控制十分复杂

  25. 3. CSMA( Carrier Sense Multiple Access ) 载波侦听多路访问 • 对ALOHA系统发送时”不侦听信道“进行改进 • 站点发送前先监听信道，若信道闲，可以启动传输，若信道忙，则必须等待，以避免冲突。 • 等待时间由退避算法决定。常用的退避算法有三种： • 非坚持、1-坚持、P-坚持

  26. 非坚持（0坚持） 规则： (1)若信道闲，立即发送 (2)若信道忙，则不再监听信道，而是等待一个随机时间再按(1)进行 优点： • 降低了冲突概率。（随机延迟可减少再次发生冲突的可能性） • 重负载时，吞吐率较高 缺点： • 轻负载时，信道上有较多空闲时间，效率低 （会出现站点等待传输、信道却空闲的情况）

  27. 1—坚持 规则： • 若信道闲，立即发送 • 若信道忙，则继续监听至信道闲，并立即发送 优点： • 轻负载时，能有效减少信道的空闲时间，提高传输效率 缺点： • 发生再次冲突的可能性大 • 重负载时冲突严重，极限时吞吐量趋于0 （只要有两个或两个以上站等待传输，则冲突不可避免）

  28. p—坚持 规则 （1）若信道闲，立即启动发送 （2）若信道忙，则一直监听直到信道闲，以概率P立即发送 ，以概率（1-P）不发送，并等到一个随机时间后再按①进行 P值的选取： • 如有n个站准备发送，则n个站点传输的概率为np，若np＞1，表示冲突后多个站试图发送，会重复冲突，故一般选np ＜ 1 • 当然p也不能太小，若p太小，则站点延迟大 • 对于负载未知的网络，p值应适当选取，对于固定的p值，网络的性能会随站点数量n而变化

  29. 优点： 可根据不同的负载选取不同的P值，最大程度的提高信道的利用率和提高吞吐率 缺点： 选取一个合适的P值是一件困难的事情

  30. A站 B站 C站 D站 E站 A站发送帧 在时刻t传播到B站 E站在时刻t检测到 信道闲，启动发送 两帧在时刻t+△ t碰撞 • CSMA/CD • 与ALOHA和Slotted ALOHA相比，CSMA虽然通过发前侦听信道，能一定程度减少冲突的可能性，但仍然存在以下问题： • 站点一旦发送，就必须将一帧发送完（即使冲突已经产生） • 一旦发生冲突后，继续发送的是无用信号，浪费信道资源，同时降低网络的吞吐率 • 某时刻同时多站发送会产生冲突，重发再次冲突，形成恶性循环 • 当两站相距较远时，其中一站的信号在传播到另一站以前，另一站认为信道闲，启动发送，会冲突

  31. CSMA/CD—载波侦听多路访问/冲突检测 • 在CSMA的基础上，增加各站冲突检测能力 • 站点发前先侦听信道，发后检测信道（边发边收） • 一旦检测到冲突，立即停止受损帧的传输（不必等一帧传完），及早释放信道，避免资源的浪费 • 同时，向总线上发一串阻塞信号（冲突码），通知各站冲突已发生，以提高信道利用率。 • 如果传输过程中检测到信道无冲突发生，则传输成功

  32. 站准备发送 等待随机时间 监听信道 发送数据 并监听信道 停止发送 发冲突加强信号 Busy Idle 冲突 正常

  33. CSMA/CD的冲突检测时间 考虑共享LAN相距最远的两站的情况 （如图 A←→E） • 假设A站发送的信号到达E站的传播时间为τ （如有转发器，τ应包括转发器延时） • t0时刻A站发送，则在t0 + τ时刻到达E站 • E站在t0 +τ-ε时侦听信道闲，启动发送 • E站检测到冲突的时间：ε • A站检测到冲突的时间： τ+(τ-ε)= 2τ-ε → 2τ 结论：冲突检测时间不小于2τ

  34. t0 t0+τ-ε A站 E站 ε τ 最小帧长的设定 保证冲突发生时，站点仍在传输数据，从而能检测到本站所发数据发生了冲突。否则，可能出现帧发送完毕但未检测到冲突，但冲突发生了。 考虑距离最远两站的情况（如图 A←→E） • t0时刻A站发送，则在t0+tf时A站发完 • tf=L/B(帧长/数据速率)，为一个帧时 • E站在t0+τ-ε时侦听信道闲，启动发送 • E站信号在t0+2τ-ε时才到达A站 • 如果(t0+2τ-ε)＞(t0 + tf)，即: tf＜2τ 此时，在E站信号到来时，A站已发送完毕， 不再监听信道，A站误以为发送成功 为确保可靠监听，帧时tf≥2τ，即帧长L≥B×2τ

  35. τ越大，碰撞可能性越大。因此，τ越小越好。τ越大，碰撞可能性越大。因此，τ越小越好。 • 为了快速检测到冲突，也希望τ越小越好 • 这就限制了以太网的物理范围，不可能无限大。这是传统LAN范围小的根本原因。 • 粗缆以太网，单段500m • 细缆以太网，单段185m

  36. 加强冲突检测信号 • 考察如下极端情况： A站发送一帧，经过时间τ后到达E站，而E站在该帧到达前瞬间（1bit时间之差）启动发送，刚发送就检测到冲突，停止发送，E站仅有1bit在信道上传送（但A的帧已被破坏），1位的能量难以被A站检测，怎么办？ • 解决措施——加强冲突信号 E站检测到冲突后不立即停止发送，而是发送一定长度的加强冲突信号（冲突码）后才停下来，以便能让所有站点都可靠地检测到冲突

  37. 退避算法—二进制指数退避 基本思想 • 如果首发冲突，重发时等待一个随机长的时间 • 再重发时仍冲突，则等待的随机时间加倍 实现方法 • 第一次碰撞后，随机延迟0或1个时槽再试 • 第二次碰撞后，随机延迟0、1、2或3个时槽再试 • 第i次碰撞后，随机延迟0、1、2······2 j -1（任选）个时槽再试。(i≤10，j=i；i>10，j=10) • 第16次重试仍碰撞，放弃本次发送，宣告失败 优点：可减轻冲突。（冲突次数越多，分散得越开） 缺点：会带来后来先服务的效果（即未发生冲突或很少发生冲突的帧将具有优先发送的概率）

  38. 纯ALOHA 时槽ALOHA CSMA CSMA/CD 发前不侦听随机发送 冲突厉害 吞吐率低 ≤18.4%，效率低 发前不侦听时槽起点发 冲突仍厉害 吞吐率低 最高37% 时槽需同步 发前侦听 时槽起点发 时槽不需同步 发前侦听 发后监听 冲突停发 轻负载效率高 p坚持 0坚持 1坚持 根据负载调整P值 轻负载时，效率低 适合较重负载 重负载时，冲突严重适合轻负载

  39. 发送成功 2τ 2τ T0 三、以太网信道利用率 假定 1）总线上有N个站点，每个站的发送概率是p 2)争用期的长度2τ 3）帧长度L（bit),数据发送速率C（b/s),故帧发送时间为T0 =L/C TAV

  40. 某站发送成功的概率A A=Np(1-p）N-1 争用平均次数NR NR=（1-A）/A 以太网信道利用率 S=T0 /TAV=1/（1+a(2A-1-1) a= τ/ T0 若使A最大，则可获得最大信道利用率

  41. Amax= (1-1/N)N-1 (p=1/N) Amax ->1/e =0.368 (N-> ) N 2 4 8 16 32 64 128 256 A 0.5 0.42 0.39 0.38 0.37 0.37 0.369 0.369 Smax->1(1+4.44a)

  42. 以太网MAC帧（RFC894） 数 据 校验 填充 类 型 6 6 2 4 7 1 46～1500 bytes 802.3MAC帧 8 bytes （RFC1402） 38～1492 bytes 校验 长 度 802.2 数 据 填充 6 6 2 7 1 4 校验范围 前导 符 目的 地址 前导 符 目的 地址 帧 定位 源 地址 源 地址 帧 定位 帧长度计算范围 （最长1518字节，最短64字节） 四、以太网与IEEE802.3的MAC帧格式

  43. 前导符：7字节（7个10101010位组），同步信号，由硬件产生前导符：7字节（7个10101010位组），同步信号，由硬件产生 • 帧起始定位符：1字节（10101011），由硬件产生。 指明帧的起始位置 • 目的地址：6字节，接收方地址（单播、组播或广播） • 源地址：6字节，发送方的地址，只能是单播地址 • 校验字段：4字节，采用32位CRC，校验范围为帧定位符之后，校验字段之前的所有字段 目的地址和源地址 共6个字节，前三个字节由IEEE802分配给厂商，后三个字节由厂商唯一地分配给所生产的网卡。

  44. 802.2LLC 802.2SNAP 类 型 DSAP AA SSAP AA ctrl 03 org code 00 00 00 1 1 1 3 2 • 以太帧 • 类型（ type)：2字节，指明MAC帧封装的上层数据类型。 0800 ：上层数据为IP分组； 0806：上层数据为ARP信息 • 802.3帧 • 长度（ length)：2字节，指明802.3帧中长度字段之后，校验字段之前所有字段的长度之和 • 802.2：共8字节，各字段设置如图中数字，类型域同以太帧

  45. 帧的传送间隔必须不小于一个固定的时间，称为帧间隙帧的传送间隔必须不小于一个固定的时间，称为帧间隙 • 帧间隙大小为传送96位所需的时间（速率不同，其值不同） • 帧间的时间间隔可以不同，但必须大于帧间隙 前导与帧定位 MAC 帧长 帧间隙

  46. 类型 10BASE5 10BASE2 10BASE-T 10BASE-F 传输介质 最大段长(m) 最大冲突直径(m) 粗缆 500 2500 细缆 185 1000 双绞线 100 500 光纤 500～2000 曼切斯特编码 10Mb/s 工作站级 信号编码 传输速率 使用场合 五、以太网物理层 10Mbps以太网

  47. 收发器（MAU） 15针D型连接器 介质接口 电缆（AUI） 网卡 10BASE5连接方式

  48. BNC “T” 连接器 AUI电缆 MAU 网卡 10BASE2连接方式

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