局域网专题讲座ppt课件

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1、第4章 局域网,信道分配，MAC子层,本章节主要知识点,介质访问控制（信道共享） 传统局域网以太网 高速以太网快速以太网，千兆以太网，交换式以太网 数据链路层交换 1) 网桥 2) 网络互联设备 3）虚拟局域网VLAN,4.1 信道共享技术,计算机网络分类：点到点网络（point to point)和广播网络(broadcasting) 点到点网络 一个发送者（sender）/一个接收者（receiver） 主要用于广域网 广播网络(传统的以太网） 又称为(多路访问信道，随机访问信道，共享信道）的网络 多用于局域网。有许多发送者和接收者；访问共同媒体；需要寻址广播网络的关键问题：如何解决对信道

2、争用 共享信道举例：卫星信道，多点电话，无线电，传统以太网,4.1.1 共享信道的访问控制分类,1、静态分配 频分多路复用FDM 原理：将频带平均分配给每个要参与通信的用户 时分多路复用TDM 原理：每个用户拥有固定的信道传送时槽静态分配的优缺点 优点：适合用户少，数目基本固定，各用户的通信量比较大的情况 缺点：无法灵活的适应站点数及其通信量的变化,共享信道的访问控制分类,2、动态分配（多点访问）随机访问：网上各站点都可以根据自己的意愿随机的访问信道，两个或两个以上站点同时发送信息会产生冲突 典型网络：以太网受控访问：每个时刻网上只有一个站点发送信息集中式控制（多点轮询polling），分散式

3、控制（令牌环网）,4.1.2 以太网的信道共享技术,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 关键问题：如何解决对信道争用 随机访问技术的发展：ALOHA-CSMA(增加载波监听)-CSMA/CD（增加冲突检测）ALOHA协议：70年代涉及了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ALLOHA协议和时隙ALOHA协议,纯ALOHA协议,70年美国夏威夷大学提出的单接收端，多发送端。用于卫星系统，无线电传输 基本思想： 每个站可随时发送数据帧，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

4、重发，直到重传成功为止。,一个帧发送成功的条件,设发送一帧所需时间为T，且帧长固定。必须在该帧发送前后各一段时间T内（一共有2T的时间间隔）没有其它帧发送,时隙ALOHA协议,72年Robert提出 基本思想：把信道时间划分成离散的时间隙，隙长为一帧所需的发送时间。每个站点只能在时隙开始时才允许发送。其他过程与纯ALOHA协议相同 若在一个时隙内只产生一个新帧，不会冲突，但是若一个时隙内产生一个以上的新帧，那么将可以产生冲突。冲突主要发生在时隙起点，一旦发送成功，则不会出现冲突,时隙ALOHA协议的信道利用率,吞吐率S：在帧时T内成功发送的平均帧数（新帧） 网络负载G：在帧时T内总共发送的平均

5、帧数（包含发送成功和由于冲突需要重发的帧） 轻负载时S约等于G，重负载时G要远远大于S 冲突危险区是纯ALOHA的一半 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%，纯ALOHA最大吞吐率为0.184,以太网：CSMA和CSMA/CD,载波监听多路访问协议CSMA：carrier sense multiple access protocols,是在ALOHA协议的基础上提出来 主要区别：增加了一个载波监听协议（发送前监听）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。 根据载波监听策略的不同，主要分为

6、：非坚持型CSMA1坚持型CSMAP-坚持型CSMA,非-坚持型CSMA,非坚持：一旦监听到信道忙，就不再监听下去，而是延迟一段随机时间后重新再监听优点：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,1-坚持型CSMA,坚持：在监听到信道忙时，仍坚持听下去，一直监听到信道空闲，立即以1概率发送优点：减少了信道空闲时间 缺点：增加了发生冲突的概率,p-坚持型CSMA,适用于分隙信道 以概率为P的可能性发送数据，以概率1p延迟下一个时隙 可以根据信道上通信量的多少设定不同的p值，因而可以提高信道利用率,5种多路访问协议性能比较,带冲突检测的CSMACSMA/CD,引入原因： 1）传

7、播时延使得CSMA仍会产生冲突 电磁波在1km同轴电缆的传播时延约为5us 当侦听到闲时，可能其它站已在发送信息而信号在介质上还未传到本站的物理位置，此时站点误认为“闲” 传播延迟越大，发生冲突的可能性越大，协议性能越差,冲突检测方法,1）信号电平法基于基带传输，两个帧信号叠加后，电压大一倍 2）过零点检测法 用曼彻斯特编码时，零点在每个比特的正中央，有干扰时，可能偏移 3）自收发检测法 在发送数据时也在接收，并逐比特比较,CSMA/CD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？ 将竞争周期分成若干个时隙，在一个时隙内侦听都没有冲突，那么就进入了一个传输周期

8、,Q1 最大冲突检测时间,冲突检测时间是指某一站从开始发送一帧开始到发现有冲突发生的一段时间。网络的最大冲突检测时间通常是网络端到端传播时延的两倍（2 ）。,CSMA/CD原理,原理： 1）站点使用CSMA协议进行数据发送（以太网采用1坚持型） 2）站点边发送边监听，并在监听到冲突之后立即停止发送 3）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 4）在发出干扰信号后，等待一段随机时间，再重复上述过程,Q2 争用时间片长度和最短帧长,争用期长度 以太网IEEE802.3取 51.2 s 为争用期的长度。 对于 10 Mb/s 以太网，在争用期内可

9、发送512 bit，即 64 字节。 以太网在发送数据时，若前 64 字节没有发生冲突，则后续的数据就不会发生冲突。 为什么需要规定最短有效帧的长度？ 为了保证帧的正确传输，必须保证冲突信号返回时数据帧还没有发送完毕。 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。,Q3 发现冲突后的随机等待时间,以太网检测到冲突并发送玩冲突信号后要回避等待一段随机时间，然后进行重试 如果限定值太大，随机等待的时间也会很长，从而导

10、致过长的空闲时间 如果限定值太小，发生冲突的站点不会等待很长的时间，但由于可供选择的时隙次数少了，再次冲突的几率也将随之增大 如何确定理想的等待时间呢？IEEE802.3-截止二进制指数退避算法,截止二进制指数后退延迟算法,截止二进制指数后退延迟算法2kRa其中：为结点重新发送需要的后退延迟时间，a为争用期值，R为随机数; 限定k的范围,k=min（n，10）;如果重发次数n10，则取k=n ；如果重发次数n10时，则k取值为10; 第n次重发延迟是分布在0与2min（n，10）-1个时间片之间，最大可能延迟时间为1023 个时间片（时隙争用期时间）; 在到后退延迟时间之后，结点将重新判断总线

11、忙、闲状态，重复发送流程; 当冲突次数超过16时，表示发送失败，放弃该帧发送。,举例,在一个时间片的起始处，两个CSMA/CD站点同时发送一个帧，求前4次竞争都冲突的概率？ 第一次竞争冲突的概率为1，因为A,B都要在0时间片发送 第一次冲突后，A,B都将等带0个或1个时间片选择。选择组合为：00，01，10，11共4种，00和11将再次冲突，所以第二次竞争时，冲突概率为0.5 第二次冲突后，A,B都将在0，1，2，3之间选择，选择组合有00，01，02，03，10，11，12，13，20，21，22，23，30，31，32，33共16种，其中00，11，22，33将再次冲突，所以第三次竞争，冲

12、突概率为0.25 第三次冲突，将有64种组合，其中8种将再次冲突，冲突概率为0.125。 前四次竞争都冲突的概率为10.5*0.25*0.125=0.015625,退避算法的不公平竞争,比如总线上只有A和B两个站点发送大量数据，第一次竞争，A和B都可以在0，1时隙选择发送，若A选择0，B选择1，则B回退，A成功发送。 第二次A,B一起发送数据，又冲突，由于A是第一次冲突，时隙选择0，1，而B是第二次发送，时隙可选择0，1，2，3 ，A成功捕获总线的机率大1）使用CSMA/CD协议，一个站不可能同时进行发送和接收，只能采用半双工通信 2）高速局域网中取向不使用CSMA/CD的全双工方式,例题1,

13、某CSMA/CD基带总线网长度为1000m，信号传播速度为200m/s,假如位于总线两端的站点在发送数据帧时发生了冲突,试问: 该两站间信号传播延迟时间是多少? 最多经过多长时间才能检测到冲突?解答： 该两站间时延a =1000m/200(m/S)=5S 冲突检测时间=2a=25s=10s,例题2,长2Km、10Mbps的基带总线LAN,信号传播速度为200m/s,试计算: 128个字节的帧从发送开始到接收结束的最大时间是多少? 若两相距最远的站点在同一时刻发送数据,则经过多长时间两站发现冲突?解答： 1288bit/10Mbps+2000m/200(m/s)=102.4s+10s=112.4

14、s 2000m/200(m/s)=10s,例题3,1km的基带以太网,速率达1Gbps,为保证冲突的可靠检测,需保证最起码的帧长度为多少?(设传播时延为5s/km)解答： 最短数据帧长=2*任意两站间的最大距离(m)/200(m/s)*数据传输速率(Mbps)=21000/2001000=10000bit,4.2 局域网概述,局域网产生的原因80年代，微型机发展迅速，小区域内的计算机需要共享资源、相互通信 局域网特点高数据传输率（101000Mbps)短距离（0.110km)低出错率（1081011） 决定局域网性能的三要素网络拓扑传输介质介质访问控制方法,拓扑构型总线型,介质访问控制方法采用

15、的是“共享介质”方式 所有节点都连接到一条作为公共传输介质的总线上 所有结点都可以通过总线传输介质以“广播”方式发送或接收数据 因此出现冲突collision是不可避免的，冲突会造成传输失败 必须解决多个结点访问总线的介质访问控制问题,拓扑构型星型,结构化布线技术的发展，物理结构由总线型转向星型。交换式局域网switched LAN的物理结构,拓扑构型环型,结点使用点到点线路连接，多个结点共享一条闭合的环通路 环中数据沿着一个方向绕环逐站传输 环建立、维护、结点的插入和撤出,4.2.2局域网的IEEE802系列标准,IEEE802协议：定义了若干种局域网LAN,包括对物理层、介质访问控制MAC

16、子层的定义和描述 组成： 802.1基本介绍和接口原语定义 802.2逻辑链路控制LLC子层 802.3采用CSMA/CD技术的局域网 802.4采用令牌总线技术的局域网(通用汽车公司提出） 802.5采用令牌环技术的局域网（IBM局域网体系结构，在IBM的一些站点仍在使用，以外几乎不再使用）,802标准在网络体系结构中的位置,4.2.3 LAN的参考模型,1）物理层主要功能 信号的编码与译码 比特的传输与接收 2）MAC子层主要功能： 成帧与拆帧 比特差错检测 寻址 竞争处理 3）LLC子层主要功能 不同网络类型有不同的介质访问子层，LLC层是为了掩盖不同网络之间的差别，以同一格式为网络层提供服务,服务访问点SAP与MAC地址,1）SAP地址：局域网每个站的网络层都有可能有多个进程在运行过，它们可能同时与其他一个或多个站的网络层的一些进程进行通信，在LLC层上设多个服务访问点SAP，向多个网络层进程提供服务 2）MAC地址：某站的物理地址 IEEE802的寻址：首先用MAC帧的MAC地址信息找到网络中的某个站点，然后用LLC帧的SAP地址信息找到该站点中的某个进程,