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第 5 章 局域网络（ LAN ）

第 5 章 局域网络（ LAN ）. 本章的主要内容：. LAN 的体系结构 10Mbps Ethernet 链路访问控制协议 100Mbps Ethernet 交换式 Ethernet 1000Mbps Ethernet LAN 的扩展及应用. 一、局域网络的体系结构. 1 、 LAN 的关键技术. （ 1 ）拓扑结构：星型、总线型、环型等。 （ 2 ）数据传输形式：基带、宽带、传输介质等。 （ 3 ）介质访问控制方法： 固定分配 按需求分配

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第 5 章 局域网络（ LAN ）

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  1. 第5章 局域网络（LAN） 本章的主要内容： • LAN的体系结构 • 10Mbps Ethernet • 链路访问控制协议 • 100Mbps Ethernet • 交换式Ethernet • 1000Mbps Ethernet • LAN的扩展及应用

  2. 一、局域网络的体系结构 1、LAN的关键技术 （1）拓扑结构：星型、总线型、环型等。 （2）数据传输形式：基带、宽带、传输介质等。 （3）介质访问控制方法： 固定分配 按需求分配 自适应分配 控询分配 随机访问

  3. A 更上层 P (N)SAP S LLC T MAC N PH DL PH 2、LAN的体系结构---IEEE802系列 OSI/RM IEEE802系列 • 为什么将DL层分为LLC、MAC子层？ • 为什么没有N层及更上层？

  4. 3、IEEE802标准系列 802.1 LAN的体系结构

  5. 更上层 (N)SAP LLC MAC PLS 二、10Mbps Ethernet各层功能 1、PH层： AUI: Access Unit Interface PH层 PMA MAU：Media Access Unit MDI

  6. Ethernet的典型物理硬件组成： NIC 编译码 收发器 Do 发 Tx FIFO 系统接口 DI MAC PLS MAU Rx FIFO CI 收 AUI

  7. (1) MAU的功能： • 发送数据：驱动 • 接收数据：脉冲整形 • 环路测试：DO → DI • 冲突检测：波形比较，CI信号 • SQE测试：Signal Quality Error，每发一帧测试一次 • 过长保护：持续20-50ms后，发CI信号 • 链路完整性检测：物理链路分离的情况

  8. 10BASE-5 (2) AUI的功能： AUI有：内置：在同一网卡上 外置：与网卡分离 收发器 AUI 包含：三对差分线：DO、DI、CI 电源线、地线 网卡

  9. (3) PLS的功能： • 发送DATA：Manchester编码、发送前导码 • 接收DATA：Manchester译码、锁定前导码 • 错误检测：PLS → MAC的连接情况 • 载波侦听：网络的活动状况 (4) MAC的功能： 主要为了实现LAN的链路控制管理协议：CSMA/CD 具体包含：帧的处理 、寻址、差控、介质存取管理 等等。

  10. ① 帧的处理： 56bit 8bit IEEE802.3 10…..10 Data 10101011 DA SA Len FCS 62bit 2bit 10………..10 DA Data Ethernet SA Type FCS 11 T/L域 在100Mbps、1000Mbps Ethernet中 两 标准已经一致统一了。 由DIX联盟提出。即Digital、Intel、Xerox

  11. IEEE分配 厂商分配 3Byte 3Byte ② 寻址： 在同一网络内，采用物理地址进行寻址。 • 差错处理： • 采用Go Back N Frame ARQ

  12. 产生冲突 两站点同时发数据： 产生冲突 两站点不同时发数据： ④ 介质的存取管理： • 载波侦听：发送数据前，检测总线上是否有载波？ 有：暂时不发送 无：发送数据

  13. 256bit = 25.6us 10Mbps • 冲突处理： • 冲突检测：在什么时间范围内，没有检测到冲突 则数据发送成功。 τ时间：LAN中，两最远站点之间的传输时间。 协议中定义为：256位时间。 限制了网络最大拓扑范围 冲突域：2 τ时间 例如：10BASE-T 最多只能级联四个HUB。 100BASE-T只能能级联二个HUB。

  14. 冲突处理： ① 窗口内冲突：2 τ时间内发生的冲突。 1) 发前导/同步时的冲突： SFD 前导 拥塞序列 64bit 32bit 冲突强化信号 2) 在前导/同步后，2 τ时间内的冲突： 收方放弃接收，发方自动重发。

  15. ②窗口外冲突：2 τ时间外发生的冲突。 已经过2 τ时间 产生冲突 τ时间 超出拓扑限制 处理办法： 收方放弃接收 发送方不重发

  16. 更上层 更上层 (N)SAP (N)SAP LLC LLC MAC MAC PH PH DSAP SSAP Control Data (5) LLC的功能： LLC帧结构： 同HDLC的控制域

  17. 三、Ethernet的链路管理协议---CSMA/CD 1、概念 （1）吞吐率(S)：在一帧时内成功发送的平均帧数。 0 ≤ S ≤ 1 （2）网络负载(G)：在一帧时内需要发送的平均帧数。 G >>1 2、随机过程分析（访问控制分析） （1）假设：① 服从Poission（泊松）分布； ② 网络为单信道 ③ 有冲突发生； ④ a> 连续时间 ⑤ a> 有CSMA监听 b>分隙时间 b> 无载波监听

  18. k -λt (λt) e P(K,t) = K! Gk e-G P成= K! （2）Poission的条件 • 从t →t + Δt 时间转换概率为：λ ×Δt ； • （λ为平均到达率，则：G = λ ×Δt ) • ② 在Δt 时间内多于一次发生的概率为0； • ③ 所有事件发生的概率相互独立； • 则：在 t 时刻有 k 个事件发生的概率为： 则： 所以有： S = G × P成

  19. 3、纯ALOHA协议 实现方法：发前不监听信道，有数据就发送，产生冲突后， 等待一随机时延再重新发送。（P.128） 满足假设： ① 服从Poission（泊松）分布； ② 网络为单信道 ③ 有冲突发生； ④ a> 连续时间 ⑤ b> 无载波监听

  20. 则t时间生成0帧的概率： = e-2G Gk e-G P成= K! Δt Δt Δt G = λ ×Δt G’ = λ ×2Δt=2G 因此：S = G ×P成= G × e-2G 当G = 1/2 时，Smax= 0.184 对于10Mbps的网络，最大数据传输速率为：1.84Mbps

  21. 4、分隙ALOHA协议 实现方法：发前不监听信道，有数据就发送，产生冲突后， 等待一随机时延再重新发送。（同纯ALOHA） 满足假设： ① 服从Poission（泊松）分布； ② 网络为单信道 ③ 有冲突发生； ④ b> 分隙时间 （让每一发送的帧同步一时隙） ⑤ b> 无载波监听

  22. 则t时间生成0帧的概率： = e-G Gk e-G P成= K! t G = λ ×Δt G’ = λ ×Δt=G 因此：S = G ×P成= G × e-G 当G = 1 时，Smax= 0.368 对于10Mbps的网络，最大数据传输速率为：3.68Mbps

  23. 5、CSMA(Carrier Sense Multiple Access)协议 纯ALOHA协议 分隙ALOHA协议 Multiple Access协议 Carrier Sense CSMA协议 实现方法：发前监听信道，信道忙暂停发送，直到信道空闲 再发送数据。 满足假设： ① 服从Poission（泊松）分布； ② 网络为单信道； ③ 有冲突发生； ④ a>连续时间 / b>分隙时间； ⑤ a> 有载波监听 。

  24. CSMA协议实现类型： （1）1--坚持CSMA协议： 发前监听信道，信道忙暂停发送，继续监听，直到信道空闲再发送数据。 （2）不—坚持CSMA协议： 发前监听信道，信道忙暂停发送，等待一随机时延再监听，直到信道空闲再发送数据。 （3）P—坚持CSMA协议: 发前监听信道，信道忙暂停发送，等待一基本时延再监听，直到信道空闲再以概率P发送数据。

  25. 6、CSMA/CD(Collision Detection)协议 N 发Data? Y 载波监听 随机时延 延迟到下一个时隙的开始处 强化冲突 发送Data Y 有冲突? 放弃发送 重发次数 >16 N 成功 失败

  26. 截指二进制指数后退（Binary Exponential Backoff）算法： 从一个离散整数集合{0，1，2……..2k-1}中，任意取一个整数R，则随机时延为R倍基本时延（通常为2τ时间），其中，k = min [ 重发次数，10 ]。则有： 第1次冲突，集合为{0，21-1}， 最大时延为：2τ 位时间； 第2次冲突，集合为{0，1，22-1}， 最大时延为：4τ位时间; 第3次冲突，集合为{0，1…23-1}， 最大时延为：8τ位时间; 第10次冲突，集合为{0，1，210-1}， 最大时延为：210τ位； 第16次冲突，集合为{0，1，210-1}， 最大时延为：210τ位； 重发16次后，再冲突就宣布发送失败！！！

  27. 8口HUB 中继单元 MAU MAU 1 8 在标准中，定义名称为： Repeater 在厂商中，定义名称为： HUB（集线器） 四、中继器（Repeater） 1、中继器的体系结构 更上层 LLC Repeater MAC 中继单元 PLS PH层 PMA PMA MAU MDI MDI

  28. 2、中继器的功能---基于物理层的网络互连设备2、中继器的功能---基于物理层的网络互连设备 （1）信号的再生： HUB 10 （2）前导码恢复： 802.3的前导是：56bit；Ethernet的前导是：62bit （3）冲突检测： 发送冲突：某端口在发送数据时检测到的冲突 接收冲突：某端口在接收数据时检测到的冲突 当某端口冲突（不管是发送还是接收冲突）后，均向所有其它端口发送96bit 的冲突强化信号。目的是告之连接在端口上的站点冲突已经发生，暂不要发送数据。

  29. HUB HUB 将导致循环冲突 （4）单端口冲突剩余： 当HUB只检测到一个端口冲突时， 不发送冲突强化信号。

  30. HUB HUB HUB HUB MAU MAU MAU MAU 请思考： 能否连成环形拓扑结构？ （5）过长锁定保护（MJLP）： 4 ~ 7.5ms 网卡： 20 ~ 50ms 中继器：4 ~ 7.5ms 20 ~ 50ms PC PC

  31. （6）端口隔离： 超长时间冲突的端口或过多冲突的端口，将被隔离（即不能进行数据的收发），但仍处于监听状态。一旦冲突减少，可撤除隔离状态。 IPG：数据包间隔，96bit （7）延迟与IPG收缩： HUB 第一个包处理时延：10ms 第二个包处理时延： 5ms ? IPG 也是影响网络拓扑大小的主要因素之一

  32. （8）附加功能： 有的中继器具有一定的管理功能。 支持：MIB、RMON。 3、中继器的实现 （1）非模块式：端口固定、状态指示、冲突检测 （2）模块式：具有部分Switch、Router的功能 （3）堆叠式：包含了非模块式和模块式的部分功能

  33. 物理拓扑 逻辑拓扑 HUB 4、中继器的安全---物理级的网络安全 IEEE802.3 标准： 容易实现数据的窃听

  34. HUB HUB MAC2 干扰帧 以MAC2 发数据包 1 2 3 （1）窃听保护： • 自学习每一端口所连接站点的MAC地址。 • 查MAC地址表，仅向目的端口转发。 • 为符合CSMA/CD协议，同时向其它端口转发相 • 同长度的“干扰帧”。 • 时延处理符合协议要求。

  35. （2）指令控制： 一个站点只能连接一个端口 一个端口只能与一个站点相连 前提： 预先装入MAC地址表，并禁止学习。 或在一指定时间学习，之后禁止。 方法： 通常窃听保护与指令控制结合起来使用。

  36. MAU MAU MAU PC PC PC 五、传输介质与网络拓扑 1、同轴电缆： 构建传统Ethernet：10BASE-5和 10BASE-2 (1) 10BASE-5: 粗缆以太网 < 500m > 2.5m 15芯D型 连接器 AUI < 50m 最大节点数目100个

  37. PC PC PC (2) 10BASE-2: 细缆以太网，Cheap Network < 185m > 0.5m 最大节点数目30个 注 意： T型头 T型头必须直接与BNC接口相连接 Bayonet-Neill-Concelman 即：BNC PC

  38. 中继器逻辑 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 MAU MAU MAU 2、双绞线： 1990年9月，IEEE802.3正式认可10BASE-T规范，同意使用UTP，并增补802.3i到IEEE802系列标准。 交叉连接或 MDI-X连接器 （在设备或使用说明书应标明） X 交叉连接

  39. 3、光纤： 规定使用62.5/125μm的多模光纤 （1）光纤中继器间链路—FOIRL 为实现远距离、抗噪声和高安全而提出来的，而不是为提高数据传输速率，仍然是10Mbps基带传输。 1km 光中继器 光中继器 没有数据传输时，发送1MHz的空闲信号（low-light），以进行完整性检测。 插座式连接器 F-SMA插头 逐步形成：10BASE-FL：光纤链路规范 10BASE-FB：光纤主干规范 10BASE-FP：无源光纤规范

  40. （2）10BASE-FL规范： 图中①、②、③、④为在FOIRL上更新的部分 ①2km 光中继器 光中继器 没有数据传输时，发送1MHz的空闲信号（low-light），以进行完整性检测。 ②　插座式连接器, BFOC插头，即目前广泛使用的ST连接器 ③DTE链路 ④　减少了对驱动的要求，对嵌入式光纤MAU很重要。即光纤接口的网卡。

  41. （3）10BASE-FB规范： 作为一种主干网络技术而提出来的。在10BAE-FL规范基础上，增加了远端错误信号模式。即：让链路双方的MAU指示过长保护、低亮度或同步丢失等。 （4）10BASE-FP规范： 用于没有电源或使用电源很危险的地方，没有得到LAN设备供应商的支持。 光HUB

  42. 4、混合拓扑结构： (1) IEEE std. 8802-3, 1996：10Mbps最大传输通路示例： HUB HUB HUB HUB 10BASE-T： 最大100米 10BASE-T： 最大100米 10BASE-5：最大500米或 10BASE-2：最大185米 10BASE-FL： 最大500米 10BASE-FL： 最大500米

  43. (2) IEEE std. 8802-3, 1996：10Mbps最大传输通路示例： HUB HUB HUB 10BASE-FB: 最大1000米 10BASE-T： 最大100米 10BASE-T： 最大100米 10BASE-FL： 最大500米 10BASE-FL： 最大500米

  44. LLC MAC1 MAC2 PH1 PH2 六、网桥（Bridge） Repeater：基于物理层的互连设备 Bridge： 基于数据链路层的互连设备 1、网桥的原理： 网段1 网段2 802.3 / Ethernet 802.4 / Token Bus

  45. 802.3 802.3 802.4 802.4 802.5 802.5 FDDI FDDI 2、网桥的作用： • 可以隔离冲突域（过滤通信流量） • 扩展网络拓扑结构（理论上无限制） • 互连不同协议的网段 中继器只能构建单一协议的网络 3、网桥的种类：

  46. 光 收 发 器 半 桥 半 桥 光 收 发 器 (1) 按覆盖的范围划分： A. 局部桥： Bridge B. 远程桥（半桥）： 光纤 多模：>2km 单模：>20km

  47. LA LB LC MAC1 MAC1 MAC1 MAC2 MAC2 MAC2 (2) 按转发策略划分： （学习、过滤、转发机制是衡量 一个网桥性能好坏的重要指标） A. 透明桥： LB LA Bridge LC • “逆向”学习建立散列表。 • 查表转发：若数据的目的MAC是本网段内，则丢弃； • 若数据的目的MAC不是本网段内，则查表转发； • 若数据的目的MAC不在表中，采用Flooding法转发； • 表的更新：每隔一定时间更新散列表。

  48. B1 B2 B. 源选径桥： L2 L1 L3 Bridge Bridge B3 2 1 Bridge • 由发送方指定数据帧的转发路径。 • 发送方以广播方式发送一个发现帧（Discovery Frame），沿所有可能的路径到达目的站点，并记录所走过的路径，然后返回发送方。 • 发送方根据这些路径信息确定一条最佳的路径。并将路径信息插入到MAC帧中。 18Byte DA SA Path T/L Data FCS Path: (L1, B1, L2, B2, L3)

  49. 两种网桥的比较 透明桥 源选径桥 连接服务 无 面向连接 透明性 对主机透明 不透明 人工管理 不需要 需要 路径最佳 不一定 最佳 拓扑适应性 好 差

  50. SWITCH 交换模块 802.3 802.3U 模块 FDDI 模块 802.4 模块 (3) 多口桥：通常被称为交换机（Switch） 转发方式： 硬件方式（直接转发）： 不进行差错检测，直接转发。 软件方式（存储转发）： 进行CRC差错检测，只转发正确的数据帧。 在实际产品中，通常根据网络的负载变化情况，自动确定采用硬件方式还是采用软件方式。

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