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1、,第四章 计算机局域网,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。局域网的三个属性局域网是一种通信网络通信设备是广义的在一个小区域内,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,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,4.1.2 局域网的关键技术1.拓扑结
2、构2. 传输形式 基带传输 宽带传输3. 介质访问控制 固定分配、需要分配、适应分配、探询访问和随机访问,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。,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 T
3、DM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；缺点：无法灵活地适应站点数及其通信量的变化。,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）。,4.1.3 局域网体系结构,802标准在网络体系结构
4、中的位置,物理层的功能：实现位（比特流）的传输与接收、同步前序（Preamble)的产生与删除等，该层规定了所使用的信号、编码和介质。规定了有关的拓扑结构和传输速率：有关信号与编码常采用曼彻斯特编码；介质为双绞线、同轴电缆和光缆等；拓扑结构多为总线、树和环型；传输速率为:IMbpS， 4 Mbps， 10 Mbps， 100 Mbps等。,数据链路层功能：分为逻辑链路控制（LLC）和介质访问控制（MAC）两个功能子层。,LLC子层向高层提供一个或多个称为服务访问点SAP的逻辑接口，具有帧的接收、发送功能。发送时把要发送的数据加上地址和循环冗余校验CRC字段等构成LLC帧；接收时把帧拆封，执行地
5、址识别和CRC校验功能，并且有帧顺序、差错控制和流量控制等功能。,MAC子层有管理多个源链路和多个目的链路的功能。 IEEE 802标准制定了几种介质访问控制方法，同一个LLC子层能与其中任一种访问方法（如CSMACD， Token Ring， Token Bus等）接口。,2 IEEE 802标准系列 IEEE 802委员会1980年开始研究局域网标准，1985年公布见EE 802标准的五项标准文本，同年ANSI采用作为美国国家标准，ISO也将其作为局域网的国际标准，对应标准为 ISO 8802，后又扩充了多项标准文本。,IEEE 802标准系列含以下部分： 1）IEEE802.1A 概述和
6、系统结构，EEE802.1B寻址，网络管理和网际互连。 2）IEEE802.2 逻辑链路控制。 3） IEEE 802.3 CSMA/CD总线访问控制方法及物理层技术规范。 4） IEEE 802.4 令牌总线访问控制方法及物理层技术规范。 5） IEEE 802.5 令牌环网访问控制方法及物理层规范。 6） IEEE 8026 城域网访问控制方法及物理层技术规范。 7） IEEE 8027 宽带技术。 8） IEEE 8028 光纤技术（FDDI在 8O23、 8024 8025中的使用）。,9） IEEE 8029 综合业务数字网（ISDN）技术。10） IEEE 80210 局域网安全技
7、术。11）IEEE80211 无线局域网。,IEEE 802 family,LAN的参考模型逻辑链路控制子层 LLC（Logical Link Control）引入LLC子层的原因：MAC子层只提供尽力而为的数据报服务，不提供确认机制和流量控制（滑动窗口），有些情况下，这种服务足够，如支持IP协议；当需要确认和流控的时候，这种服务就不能满足，需要LLC。LLC子层提供确认机制和流量控制；LLC隐藏了不同802MAC子层的差异，为网络层提供单一的格式和接口；LLC提供三种服务选项：unreliable datagram service, acknowledged datagram service
8、,reliable connection-oriented service.LLC帧头基于HDLC协议,介质访问控制子层 MAC（Medium Access Control）Data encapsulation (transmit and receive) Framing (frame boundary delimitation, frame synchronization)Addressing (handling of source and destination addresses)Error detection (detection of physical medium transmis
9、sion errors)Media Access ManagementMedium allocation (collision avoidance)Contention resolution (collision handling)分成两个子层的原因管理多点访问信道的逻辑不同于传统的数据链路控制；对于同一个LLC，可以提供多个MAC选择,4.2.1 CSMA/CD介质访问控制 在广播型信道中，如总线网中的公用信道，信道是各站点的共享资源。CSMA/CD是一种采用随机访问技术的竞争型（有冲突的）访问方法。各站点都能判断信道的状态，判断的方法是利用站点上的接收器从信道上接收信道信号。如果信道电平变
10、化，即所谓有载波，说明信道被其他站点所占用；如果信道上电平不变化，信通就处于空闲状态。由于是广播式信道，因此可具有多目标地址的特点。,补充知识：,一、多路访问协议定义：控制多个用户共用一条信道的协议1 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;,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系统；
11、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 = ，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%.,分槽ALOHA协议基本思想：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
12、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. 4-3,二、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
13、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。,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
14、高，传输延迟比 1-坚持CSMA大。,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；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. 4-4,三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
15、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。,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算法中，在检测到冲突，并发完阻塞信号后。为了降低再冲突的概率，需要等待一个随机时间，然后再用CSMA的算法发送。为了决定这个随机时间，一个通用的退避算法称为二进制指数退避算法。二进制指数后退算法（binar
16、y exponential backoff）算法将冲突发生后的时间划分为长度为51.2微秒的时槽发生第一次冲突后，各个站点等待 0 或 1 个时槽再开始重传；发生第二次冲突后，各个站点随机地选择等待0, 1, 2或3个时槽再开始重传；第 i 次冲突后，在 0 至 2i-1 间随机地选择一个等待的时槽数，再开始重传；10次冲突后，选择等待的时槽数固定在0至210-1间；16次冲突后，发送失败，报告上层。,802.3的MAC子层帧格式,前导序列（7个字节10101010）帧开始标志（1字节， 10101011）目标地址和源地址2 或 6个字节，以太网为6个字节 (IEEE 802 specifies the use of either 16- or 48-bit addresses, no conformant implementation of IEEE 802.3 uses 16-bit addresses.),
