计算机网络CH4.

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1、1 第四章 局域网与介质访问子层 2 主要内容 1局域网概述 2局域网拓扑结构和传输介质 3局域网技术 3.1信道分配 3.2多路访问协议 4局域网的IEEE 802系列标准 4.1IEEE 802.3 和 Ethernet 4.2IEEE 802.4：Token Bus 令牌总线 4.3IEEE 802.5： Token Ring 令牌环 4.4几种局域网的比较 4.5逻辑链路控制LLC 3 5网桥技术 5.1连接 802.X和 802.Y的网桥 5.2透明网桥/生成数网桥 5.3源路由网桥 6高速局域网技术 6.1光纤分布式数据接口FDDI 6.2快速以太网 6.3千兆以太网 4 1局域网

2、概述 局域网产生的原因 -80年代，微型机发展迅速，彼此需要相互通信（近距离 ），共享资源； -分布式的网络应用：分布式计算，分布式数据库 定义 -局域网是一种将小区域内的各种通信设备互连在一起的 通信网络。 局域网的基本特点 -高数据传输率（10 1000 Mbps） -短距离（0.1 10 km） -低出错率（10-8 10-11） 局域网发展趋势 -高速，10G Ethernet -移动，无线局域网 IEEE 802.11 5 2局域网拓扑结构和传输介质 局域网拓扑结构 -星型结构 -环型结构 -总线型结构 -树型结构 传输介质 -双绞线 -基带同轴电缆 -光纤 -无线 6 Captio

3、n: A Proxim RangeLAN wireless local area network interface card. Also shown is a table-top antenna which attaches to the interface card. 7 Caption: An AirLAN wireless local area network interface card. The white rectangular object is a wall or ceiling mount antenna which attaches to the interface. 8

4、 Caption: A RangeLAN wireless local area network PCMCIA interface card. The black object attached to the left of the card is its antenna. 9 Caption: A RangeLAN wireless PCMCIA network interface card. Attached is its wireless tranceiver and antenna. 10 3局域网技术（1） 3.1信道分配 计算机网络可以分成两类 -使用点到点连接的网络 广域网 -使

5、用广播信道（多路访问信道，随机访问信道）的网络 局域网 关键问题：如何解决对信道争用 解决信道争用的协议称为介质访问控制协议 MAC（Medium Access Control），是数据链路层协 议的一部分。 11 3局域网技术（2） 信道分配方法有两种 -静态分配 频分多路复用 FDM（波分复用WDM） 原理：将频带平均分配给每个要参与通信的 用户；优点：适合于用户较少，数目基本固定，各用户的 通信量都较大的情况； 缺点：无法灵活地适应站点数及其通信量的 变化。 时分多路复用 TDM 原理：每个用户拥有固定的信道传送时槽； 优点：适合于用户较少，数目基本固定，各 用户的通信量都较大的情况；

6、缺点：无法灵活地适应站点数及其通信量的 变化。 12 3局域网技术（3） -动态分配 信道分配模型的五个基本假设： 站点模型：每个站点是独立的，并以 统计固定的速率产生帧，一帧产生后到被发送走之 前，站点被封锁； 单信道假设：所有的通信都是通过单 一的信道来完成的，各个站点都可以从信道上收发 信息； 冲突假设：若两帧同时发出，会相互 重叠，结果使信号无法辨认，称为冲突。所有的站 点都能检测到冲突，冲突帧必须重发； 连续时间和时间分槽（确定何时发送 ）； 载波监听和非载波监听（确定能否发 送）。 13 3局域网技术（4-1） 3.2多路访问协议 定义：控制多个用户共用一条信道的协议 3.2.1

7、ALOHA协议 70年代，Norman Abramson设计了ALOHA协议 -目的：解决信道的动态分配，基本思想可用于任何无协调关 系的用户争用单一共享信道使用权的系统； -分类：纯ALOHA协议和分槽ALOHA协议 技术特点及其价值 -ALOHA是一种一对多的星形无线广播的校园网络 ； -它首创了计算机网络的随机访问方式，并且改变 了计算机网络过去只能一对一传送数据的传统方法； 14 3局域网技术（4-2） -实用价值不高，严格讲也不属于LAN范畴；但它是 LAN随机访问方式性能分析的出发点；是研究新的随 机访问方式的基础；在卫星通信中亦有一席之地。 -各host间不能直接通信，需要经过中

8、心主机转接； 主机 host、 host主机：两条不同的无线信道 主机 host：广播式发送；无技术难题 host主机：随机争用方式向主机发送，就会带来冲 突问题。 15 3局域网技术（4-3） 纯ALOHA协议 -基本思想：用户有数据要发送时，可以直接发至 信道；然后监听信道看是否产生冲突，若产生冲突， 则等待一段随机的时间重发; -只要用户有数据待发，就让他们发； -无线信道为无差错信道； -在某时间间隔内如只有一个用户发送帧，中心站 接收后通过另一独立信道发回应答信号(ACK)。 Fig. 4-1 16 17 3局域网技术（5） -多用户共享单一信道，并由此产生冲突，这样的系统称 为竞争

9、系统； -信道效率 假设：帧长固定，无限个用户，按泊松分布产生 新帧，平均每个帧时（frame time）产生S帧（0 S 1 ）；发生冲突重传，新旧帧共传k次，遵从泊松分布，平 均每个帧时产生G帧； 吞吐率 S = GP0，P0为发送一帧不受冲突影响的 概率； 冲突危险区，Fig. 4-2 一个帧时内产生k帧的概率：Prk = Gke-G/k!， 两个帧时平均产生2G个帧，在冲突危险区内无其它帧产 生的概率为：P0 = e-2G，所以 S = Ge-2G； Fig. 4-3 效率：信道利用率最高只有18.4%. 18 19 20 21 22 23 3局域网技术（6） 分槽ALOHA协议 -基

10、本思想：把信道时间分成离散的时间槽，槽长 为一个帧所需的发送时间。每个站点只能在时槽开始 时才允许发送。其他过程与纯ALOHA协议相同。 -信道效率 冲突危险区是纯ALOHA的一半，所以P0 = e-G，S = Ge-G； Fig. 4-2 与纯ALOHA协议相比，降低了产生冲突 的概率，信道利用率最高为36.8%。 Fig. 4-3 24 3局域网技术（7） 3.2.2 载波监听多路访问协议CSMA（Carrier Sense Multiple Access Protocols） 载波监听（Carrier Sense） -站点在为发送帧而访问传输信道之前，首先监听信道有无 载波，若有载波，说

11、明已有用户在使用信道，则不发送帧以避 免冲突。 多路访问（Multiple Access） -多个用户共用一条线路 1-坚持型CSMA（1-persistent CSMA） -原理 若站点有数据发送，先监听信道； 若站点发现信道空闲，则发送； 若信道忙，则继续监听直至发现信道空闲，然后 完成发送； 若产生冲突，等待一随机时间，然后重新开始发 送过程。 25 3局域网技术（8） -优点：减少了信道空闲时间； -缺点：增加了发生冲突的概率； -广播延迟对协议性能的影响：广播延迟越大，发生冲突的可 能性越大，协议性能越差； 非坚持型CSMA（nonpersistent CSMA） -原理 若站点有数

12、据发送，先监听信道； 若站点发现信道空闲，则发送； 若信道忙，等待一随机时间，然后重新开始发送过程 ； 若产生冲突，等待一随机时间，然后重新开始发送过 程。 -优点：减少了冲突的概率； -缺点：增加了信道空闲时间，数据发送延迟增大； -信道效率比 1-坚持CSMA高，传输延迟比 1-坚持CSMA大。 26 3局域网技术（9） p-坚持型CSMA（p-persistent CSMA） -适用于分槽信道 -原理 若站点有数据发送，先监听信道； 若站点发现信道空闲，则以概率p发送数 据，以概率q =1- p 延迟至下一个时槽发送。若下 一个时槽仍空闲，重复此过程，直至数据发出或时 槽被其他站点所占用

13、； 若信道忙，则等待下一个时槽，重新开始 发送； 若产生冲突，等待一随机时间，然后重新 开始发送。 五种多路访问协议性能比较 -Fig. 4-4 27 28 3局域网技术（10） 3.2.3 带冲突检测的载波监听多路访问协议 CSMA/CD 引入原因 -当两个帧发生冲突时，两个被损坏帧继续传送毫 无意义，而且信道无法被其他站点使用，对于有限的 信道来讲，这是很大的浪费。如果站点边发送边监听 ，并在监听到冲突之后立即停止发送，可以提高信道 的利用率，因此产生了CSMA/CD 原理 -站点使用CSMA协议进行数据发送； -在发送期间如果检测到冲突，立即终止发送，并 发出一个瞬间干扰信号，使所有的站

14、点都知道发生了 冲突； -在发出干扰信号后，等待一段随机时间，再重复 上述过程。 29 3局域网技术（11） 工作状态 -传输周期 -竞争周期 -空闲周期 问题 -一个站点确定发生冲突要花多少时间？ 最坏情况下，2倍电缆传输时间 CSMA/CD功能流程 -Figure 30 31 3局域网技术（12） 3.2.4 无冲突协议（Collision-Free Protocols） 基本位图协议（A Bit-Map Protocol） -工作原理 共享信道上有N个站，竞争周期分为N个 时槽，如果一个站有帧发送，则在对应的时槽内发 送比特1； N个时槽之后，每个站都知道哪个站要发 送帧，这时按站序号发

15、送。 32 3局域网技术（13） -象这样在实际发送信息前先广播发送请求的协议称 为预留协议（reservation protocol） -效率 轻负载下，效率为 d / (N + d)，数据帧由d 个时间单位组成； 重负载下，效率为 d / (d + 1)。 -缺点 与站序号有关的不平等性，序号大的站得到 的服务好； 每个站都有 1 比特的开销。 33 3局域网技术（14） 二进制下数法 （Binary Countdown） -工作原理 所有站的地址用 等长二进制位串表示，若 要占用信道，则广播该位 串； 不同站发的地址 中的位做“或”操作，一旦 某站了解到比本站地址高 位更高的位置被置为“

16、1”， 便放弃发送请求。 -效率 d / (d + log2N) 34 3局域网技术（15-1） 3.2.5 有限竞争协议（Limited-Contention Protocols） 占用信道的策略 -竞争方法 例，CSMA； 轻负载下，发送延迟小；重负载下，信道效率低。 -无冲突方法 例，基本位图法； 轻负载下，发送延迟大；重负载下，信道效率高。 -有限竞争方法 结合以上两种方法，轻负载下使用竞争，重负载下使用无 冲突方法。 Fig. 4-8，减少竞争的站的数目可以增加获取信道的概率 ； 基本思路：将站分组，组内竞争； 问题：如何分组？ 35 36 3局域网技术（15-2） 对称竞争信道获取概率 对称：每个站申请使用信道的概