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计算机网络技术

计算机网络技术. 第 5 章 局域网技术. 第 5 章 局域网技术. 5.1 局域网概述 5.2 以太网技术 5.3 令牌传递网 5.4 高速局域网技术 5.5 无线局域网技术. 局域网 是一种在较小的地理范围内将许多计算机及各种数据设备连在一起实现数据传输和资源共享的计算机网络。 20 世纪 60 年代后期，人们开始研究局域网技术。 20 世纪 70 年代中期起先后推出了： 实验以太网 Ethernet ……Xerox 公司 剑桥环网 Cambridge Ring …… 剑桥大学 ARCnet 网 ……DataPoint

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计算机网络技术

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  1. 计算机网络技术 第5章 局域网技术

  2. 第5章 局域网技术 5.1 局域网概述 5.2 以太网技术 5.3 令牌传递网 5.4 高速局域网技术 5.5 无线局域网技术

  3. 局域网是一种在较小的地理范围内将许多计算机及各种数据设备连在一起实现数据传输和资源共享的计算机网络。局域网是一种在较小的地理范围内将许多计算机及各种数据设备连在一起实现数据传输和资源共享的计算机网络。 20世纪60年代后期，人们开始研究局域网技术。 20世纪70年代中期起先后推出了： 实验以太网Ethernet ……Xerox公司 剑桥环网Cambridge Ring ……剑桥大学 ARCnet网 ……DataPoint 20世纪80年代初，局域网技术迅速发展，成为计算机网络研究与应用的热点问题，也是技术发展最快的领域之一。 5.1 局域网概述

  4. 服务器（Server） 工作站(Workstation) 网络适配器（NIC） 中继器和集线器（Repeater & Hub) 交换机 路由器 局域网的组成

  5. 覆盖较小的地理范围； 提供高的数据传输速率（10Mb/s～10Gb/s）、低误码率的高质量数据传输环境； 建网成本低，易于建立、维护与扩展，一般属于一个单位所有； 局域网的传输模式可以是广播式传输（共享式），也可以是点到点的传输（交换式）。 局域网的技术特点

  6. 局域网技术主要涉及OSI模型的最低两层，其技术要素是：局域网技术主要涉及OSI模型的最低两层，其技术要素是： 拓扑结构 局域网在网络拓扑结构上主要采用总线型、环型、星型三种结构。 传输介质 局域网的传输介质以双绞线、同轴电缆、光纤为主，无线介质为辅。 介质访问控制方法 局域网的介质访问法分为非确定性的分布式随机争用型访问法和确定性的受控访问法 。 5.1.1 局域网的主要技术要素

  7. 局域网的拓扑结构 • 总线结构 • 星形结构 • 环形结构 • 混合结构

  8. 传统的局域网以共享介质为基础； 局域网中任何一段物理信道在一个时间段内只能被一个站点占用。 这就产生了一个信道的合理分配问题。 如何合理分配传输信道？

  9. 由谁占用信道？如何避免冲突？又如何能使网络具有最好的工作效率以及最佳的可靠性？这些问题就是靠所谓介质访问控制方法来解决。由谁占用信道？如何避免冲突？又如何能使网络具有最好的工作效率以及最佳的可靠性？这些问题就是靠所谓介质访问控制方法来解决。 局域网的介质访问控制方法与网络的拓扑结构密切相关： CSMA/CD访问法和Token Passing Bus访问法既可用于总线型网络，又可用于星型网络，但不能用于环型网络； Token Passing Ring访问法只能用于环型网络。 介质访问控制方法

  10. 1980年2月美国的IEEE（Institute of Electrical and Electronics Engineers）成立了802局域网标准委员会，专门从事局域网的标准化研究工作。 该委员会相继推出了一系列局域网标准，称之为IEEE 802系列标准。 该标准被美国国家标准局（ANSI）接收为美国国家标准，并得到了ISO的认可，于84年3月被ISO推为国际标准，称为ISO 8802。 5.1.2 局域网的体系结构

  11. 遵循OSI参考模型的原则，IEEE 802标准主要解决局域网的最低三层的功能，并且将数据链路层分为逻辑链路控制子层(LLC)和介质访问控制子层(MAC)。 高层软件 5.应用层 4.传输层 3.网络层 2.数据链路层 1.物理层 802.1（网际层） 802.2（逻辑链路控制子层LLC） 802.3 802.4 802.5 802.6 802.7 …… 802.12 物 理 层 技 术 规 范 1. IEEE 802参考模型 介质访问控制子层

  12. 物理层定义了四个部分： 物理介质PM 介质访问单元(MAU) 访问单元接口(AUI) 物理收发信号(PLS) LLC 子层 MAC子层 物理信号PLS 物理介质连接设备 物理介质 IEEE 802标准的物理层 数据链路层 访问单元接口AUI 介质相关接口MDI 物理介质访问接口PMA 物理层 介质访问单元MAU

  13. 物理层定义了物理接口的机械、电气、功能和过程（同步）特性；物理层定义了物理接口的机械、电气、功能和过程（同步）特性； 提供信号的编码和解码、时钟提取、发送和接收比特流、载波检测等功能； 指定了传输速率、基带传输或宽带传输、拓扑结构、传输介质和连接设备。 物理层的功能

  14. 由于传统的局域网是多点共享传输介质，因此必须提供相应机制来控制对传输介质的访问。由于传统的局域网是多点共享传输介质，因此必须提供相应机制来控制对传输介质的访问。 鉴于各种不同的局域网中介质访问方式的多样性，为了使数据链路层能更好地适应多种局域网标准，802 将局域网的数据链路层拆成两个子层： 逻辑链路控制 LLC (Logical Link Control)子层 介质访问控制 MAC (Medium Access Control)子层 2. 数据链路层的两个子层 LLC 子层则与传输介质无关，不管采用何种协议的局域网对 LLC 子层来说都是透明的 与接入到传输介质有关的内容都放在 MAC子层

  15. LLC 子层看不见 下面的物理网络 网络层 网络层 LLC LLC 逻辑链路控制 数据 链路层 物理网络 MAC MAC 介质访问控制 物理层 物理层 站点 1 站点 2 物理网络对LLC子层是透明的

  16. MAC子层负责基于各种介质的链路上的通信： 在发送数据时将数据装配成帧，在接收数据时将数据帧拆封； 选择介质的访问控制方式(如：CSMA/CD、Token Bus、Token Ring、FDDI等)，以解决信道上的信号碰撞； 使用循环冗余校验（CRC）检验链路上传输的正确性。 各种MAC子层向LLC子层提供一致的接口服务，使得LLC子层对各种物理介质的访问在MAC子层完全透明 。 MAC子层和物理层功能的全部内容都反映在网卡上。 介质访问控制子层MAC

  17. 局域网的LLC子层协议与其它的数据链路层协议相似，主要提供寻址、排序、差错控制和流量控制等功能。但它具有自身的特点：局域网的LLC子层协议与其它的数据链路层协议相似，主要提供寻址、排序、差错控制和流量控制等功能。但它具有自身的特点： 由于多个站点共享传输介质，不是采用点到点的链路结构，必须支持多点访问。 LLC子层包含有关链路访问的内容，与MAC子层配合来规范对链路的访问。 LLC子层向高层提供一至多个逻辑接口，称为服务访问点SAP。 逻辑链路控制子层LLC

  18. LLC子层由IEEE 802.2定义，其帧格式类似于HDLC。 IEEE 802.2基于HDLC的异步平衡模式作了若干修改，地址和控制字段采用扩展格式，增加了源地址，并对一些帧类型作了增删。 LLC帧是MAC帧中的数据字段； IEEE 802.2

  19. 没有帧定界符及校验字段； 有源地址（源服务访问点），这样适应于点—点、点—多点及广播式通信。 LLC帧控制字段和HDLC中的控制字段一样，将LLC帧分为信息帧、监控帧和无编号帧，分别完成不同的功能。 LLC帧的说明

  20. LLC子层向网际层提供三种形式的服务： 无确认无连接方式——数据报服务支持点到点、多点式或广播式数据传输。 有确认无连接方式对每个接收到的数据单元提供立即确认功能。得到确认后再发送下一个数据单元。 面向连接方式——虚电路服务支持点到点式连接，并提供链路传输数据的定序、流量控制和差错控制。 LLC子层提供的服务

  21. IEEE 802.1 定义体系结构、网际互连标准。 IEEE 802.1A 综述和体系结构。 IEEE 802.1B 网际互连、网络管理及寻址。 IEEE 802.1D 生成树协议。 IEEE 802.1Q VLAN标记协议。 IEEE 802.2 定义逻辑链路控制层LLC标准。 3. IEEE 802系列标准

  22. IEEE 802.3CSMA/CD访问法及其物理层技术规范(10BASE-5)； IEEE 802.3a 10 BASE-2的技术规范； IEEE 802.3b 10 BROAD36的技术规范； IEEE 802.3i 10 BASE-T的技术规范； IEEE 802.3j 10 BASE-F的技术规范； IEEE 802.3u 100 BASE-T的技术规范； IEEE 802.3z， IEEE 802.3ab 1000 BASE-X的技术规范 IEEE 802.4定义Token Passing Bus访问法及其物理层技术规范； IEEE 802.5定义Token Passing Ring访问法及其物理层技术规范； IEEE 802系列标准

  23. IEEE 802.6 定义城域网的访问法及其物理层技术规范。 IEEE 802.7 定义宽带时间片环(Time-Slot)访问控制法及其 物理层技术规范。 IEEE 802.8 光纤网的介质访问法及其物理层技术规范； IEEE 802.9 定义综合数据/电话语音网络通信的各种桌面 接口； IEEE 802.10 定义局域网安全性技术； IEEE 802.11 定义无线局域网的访问法及其物理层技术规 范； IEEE 802.12 定义100VG-AnyLAN的访问法及其物理层技 术规范。 …… IEEE 802标准系列

  24. 1980年9月，DEC公司、Intel公司和Xerox公司联合推出了世界上第一个局域网产品标准DIX Ethernet V1。 1982年修订为DIX Ethernet V2——这是真正的以太网标准。 1983年IEEE 802委员会推出第一个用于局域网的IEEE 802.3 标准。 DIX Ethernet V2 标准与 IEEE 的 802.3 标准只有很小的差别。 5.2 以太网技术

  25. IEEE 802.3定义了带冲突检测的载波侦听多点访问法CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access With Collision Detection）及其物理层的技术规范。适用于总线布局和星形布局。 IEEE 802.3与Ethernet的区别

  26. 5.2.1 以太网的工作原理 标准以太网采用总线型的拓扑结构，网络中的所有计算机串接在一条称为总线的公共信道上。 总线是一条支持多点访问的共享的广播信道。总线上的所有计算机可以平等地访问总线。任何一台计算机发送到总线上的信号可以被总线上的所有计算机检测到。 以太网的广播机制 总线

  27. 网络中的计算机仅在检测到与自己的地址相符的数据帧时才予以接收。 A B C D Application Application Application Transport Transport Transport A B and C D Network Network Network Data Link Data Link Data Link Physical Physical Physical 共享介质的广播技术

  28. 总线上的每一个工作的计算机都能检测到 A 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（B和C）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。 以太网的广播发送方式

  29. 广播帧将被网络中的所有计算机接收。 A B C D Application Application Application Application Transport Transport Transport Transport A B D C Network Network Network Network Data Link Data Link Data Link Data Link Physical Physical Physical Physical 以太网广播

  30. 5.2.2 CSMA/CD介质访问法 以太网的核心技术就是带冲突检测的载波侦听多点访问法（Carrier Sense Multiple Access With Collision Detection）CSMA/CD访问法。 它是一种随机争用型的分布式介质访问控制方法，总线上的各个站点通过竞争的方式，获得总线的访问权。 CSMA/CD起源于20世纪60年代末期美国夏威夷大学的无线分组交换网ALOHA网。其基本思想是“先听后发，边发边听，冲突停发，退避重发”。 以太网的介质访问技术

  31. 载波侦听多路访问/冲突检测(CSMA/CD)的含义： 载波侦听(CS)：节点在发送信息帧之前，必须侦听介质是否处于空闲状态。 多路访问(MA) ： 具有两种含义，既表示多个节点可以同时访问介质，也表示一个节点发送的信息帧可以被多个节点所接收。 冲突检测(CD) ：发送节点在发送信息帧的过程中，还必须监听介质，判断是否发生冲突（同一时刻，有无其他节点也在发送信息帧）。 CSMA/CD访问法

  32. 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。 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。 以太网采取了两种重要的措施

  33. 以太网提供的服务是不可靠的交付，即尽最大努力的交付。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。 以太网提供的服务

  34. 非坚持型 如果信道空闲，立即发送信息。 如果信道忙，则随机等待一段时间再尝试。 P-坚持型 如果信道空闲，则以概率P发送信息，以概率1-P等待。 如果信道忙，则继续监听总线，等到空闲再以概率P发送。 1-坚持型 如果信道空闲，立即发送信息。 如果信道忙，则继续监听总线，等到空闲再发送。 CSMA算法分类

  35. 所谓“冲突”，是指不同站点发出的信号在共享介质上互相叠加导致失真的现象。 “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。 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，表明产生了冲突。 冲突的定义

  36. 冲突现象

  37. 在发生冲突时，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。在发生冲突时，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冲突，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。 当发送站发现了冲突现象时，除了立即停止发送数据外，还要再继续发送若干比特的人为干扰信号(jamming signal)，以便让总线上的所有站点都知道现在已经发生了冲突。 检测到冲突后强化冲突

  38. 冲突检测

  39. 由于冲突检测是在帧的发送过程实现的，因此整个帧的发送时间即为用于检测的时间。由于冲突检测是在帧的发送过程实现的，因此整个帧的发送时间即为用于检测的时间。 最短帧的长度应能保证发送站点可以对可能产生的冲突进行有效的检测。 A B 检出冲突的保障 冲突 对于基带总线而言，帧的发送时间应当不小于信号在网中“传播距离最大”的两个节点之间传播时间的两倍，分别对应信号到达“最远”的节点，以及冲突信号从“最远”的节点返回本节点。

  40. 最小帧长要求：保证发送节点可以对可能产生的冲突进行有效的冲突检测。最小帧长要求：保证发送节点可以对可能产生的冲突进行有效的冲突检测。 由于传输时延即为用于检测的时间，因此对于基带总线而言，一个站点的最小传输时延必须达到总线的传播时延的两倍(T≥2t)，方可检测到所有的冲突。 帧的最小长度的要求

  41. 传输时延T（发送时延）： 发送数据时，数据块从节点进入到传输介质（开始发送第一位到最后一位发送完）所需要的时间。 传播时延t： 信号在信道中传播一定的距离而花费的时间。    T t 信道长度（米） 传播时延 = A B 信号在信道上的传播速率（米/秒） 传输时延和传播时延

  42. 对于10Mbps的基带以太网，Xerox把网络的最大来回程传输时间（即2倍的传播时延）设置成50微秒。这个时间内以10Mbps可传输500位，即62.5字节。对于10Mbps的基带以太网，Xerox把网络的最大来回程传输时间（即2倍的传播时延）设置成50微秒。这个时间内以10Mbps可传输500位，即62.5字节。 为了保证检出冲突，最小帧长必须达到62.5字节。 Xerox把最小帧长扩展到了64字节。 另外，为了防止一个站点占用介质作过长的传输，并限制发送与接收站点中对缓冲区容量的要求， Xerox规定了最大帧长为1518字节。 最小帧长度和最大帧长度

  43. IEEE 802.3沿用了Xerox公司的规定。 以太网中如果发生冲突，就一定是在发送的前 64 字节之内。 由于一检测到冲突就立即中止发送，这时已经发送出去的数据一定小于 64 字节。 以太网规定了最短有效帧长为 64 字节，凡长度小于 64 字节的帧都是由于冲突而异常中止的无效帧。 最短有效帧长

  44. 最先发送数据帧的站，在发送数据帧后至多经过时间 2t （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 2t 称为争用期，或冲突窗口。 经过争用期这段时间还没有检测到冲突，就能肯定这次发送不会发生冲突。 争用期：冲突窗口

  45. 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，存在着遭遇冲突的可能性。 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。 重要特性

  46. ——降低再次冲突概率的措施 为了减少再次冲突的可能性，一个站点在检测到冲突而停止发送后必须随机等待一段时间，才能重新尝试发送。这种处理方法称为退避处理，把计算等待的随机时间的算法称为退避算法。 退避算法的计算步骤： 令k = min (冲突次数,10)； 取随机数 r，r∈(0，1，… ，2k-1)； 重传的时间间隔 T = r×2t，t为网络的传播时延。 最大重传次数为16次，最大退避指数10次。 退避算法

  47. DIX Ethernet V2 ： CSMA/CD 的帧结构 IEEE 802.3 ：

  48. 10101010 ……10101010|10101011 CSMA/CD帧的字段 前导码：是帧同步信号，每个字节均为二进制数10101010。 帧开始定界符SOF：10101011B。最后二位11表示SOF结尾。

  49. CSMA/CD帧的字段 • 目标地址DA和源地址SA：16位或48位的值。 • I/G位用来区别是单个地址（为0）还是组地址（为1），全1的地址为广播地址。注意：SA总是单个地址。 • G/L位用来区别是全局地址（为0）还是局部地址（为1）。注意：全局地址由厂商指定。

  50. 地址字段采用局域网全球地址EUI（Extended Unique Identifier） 例： 08-00-20-AC-DE-48 厂商唯一标识OUI 扩展标识 1 2 3 4 5 6 802.5802.6 00001000 00000000 00100000 10101100 11011110 01001000 802.3802.4 00010000 00000000 00000100 00110101 01111011 00010010 CSMA/CD帧的字段 I/G位 G/L位 G/L位 I/G位

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