[计算机软件及应用]ch4 局域网

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1、2019年1月18日星期五,第4章 局域网,1,内容回忆,3.7 虚电路和数据报 建立虚电路表的两种方法；虚电路方式和数据报方式的比较 3.8 网络性能评价指标 带宽；吞吐量；时延； 3.9 广域网实例 PSTN；N-ISDN（基本速率接口和基群速率接口）；X.25；FR；ATM；POS接口,2019年1月18日星期五,第4章 局域网,2,第四章 局域网,4.1 局域网参考模型 4.2 以太网 4.3 令牌环网和FDDI 4.4 高速以太网 4.5 无线局域网 4.6 网桥 4.7 局域网组网 4.8 弹性分组环,2019年1月18日星期五,第4章 局域网,3,4.1 局域网参考模型,2019

2、年1月18日星期五,第4章 局域网,4,IEEE 802系列常用标准,802.1包括局域网概述、体系结构、网络管理和网络互联 802.2描述逻辑链路控制LLC规范 802.3描述CSMACD介质访问控制子层与物理层规范 802.5描述令牌环网介质访问控制子层与物理层规范 802.11描述WLAN介质访问控制子层和物理层规范 802.15描述WPAN介质访问控制子层和物理层规范 802.16描述WMAN介质访问控制子层和物理层规范 802.20描述WWAN介质访问控制子层和物理层规范,2019年1月18日星期五,第4章 局域网,5,4.2 以太网,4.2.1 CSMA/CD协议 4.2.2 帧格

3、式 4.2.3 以太网地址 4.2.4 物理层标准 4.2.5 报文封装 4.2.6 以太网运行参数,2019年1月18日星期五,第4章 局域网,6,以太网发展历史,University of Hawaii 的ALOHA 网络（1968） Xerox 的 2.94M 以太网（1973） Xerox, DEC and Intel 的 10M 以太网（DIX 标准）（1980 Ver1；1982 Ver2 ） IEEE 802.3 标准 （1985） IEEE 802.3u Fast Ethernet 标准（1995） IEEE 802.3z/ab Gigabit Ethernet 标准（1999

4、） IEEE 802.3ae 10G Ethernet标准（2002） 100G/40G（2007）,2019年1月18日星期五,第4章 局域网,7,4.2.1 CSMA/CD协议,ALOHA协议 纯ALOHA（pure ALOHA） 分槽ALOHA（slot ALOHA） 载波侦听多路访问CSMA 载波侦听多路访问/冲突检测CSMA/CD 以太网 载波侦听多路访问/冲突避免CSMA/CA 无线局域网,2019年1月18日星期五,第4章 局域网,8,1. ALOHA协议,ALOHA协议是60年代末夏威夷大学的Norman Abramson及其同事发明的，目的是为了解决地面无线电广播信道的争用问

5、题。 ALOHA协议分为纯ALOHA和分槽ALOHA。 纯ALOHA协议的基本思想 发送方不进行载波侦听，想发送就可以发送；在发送数据过程中进行冲突检测，检测到冲突，则等待一段随机长时间后重发数据。 信道的最大利用率：18%（1/2e） 适用于任何无协调关系的多用户争用信道,2019年1月18日星期五,第4章 局域网,9,分槽ALOHA,思想：用时钟来同步用户数据的发送。将时间分为离散的时间片，用户每次必须等到下一个时间片才能开始发送数据，避免用户发送数据的随意性，减少数据产生冲突的可能性。 优缺点： 优点：分槽ALOHA的信道利用率36%（1/e） 缺点：用户数据的平均发送时延要大于纯ALO

6、HA,2019年1月18日星期五,第4章 局域网,10,2. CSMA协议,CSMA协议的提出背景 对于站点在发送数据前进行载波侦听，然后再采取相应动作的协议，称其为载波侦听多路访问CSMA(Carrier Sense Multiple Access)协议。 CSMA协议有多种形式 1-坚持CSMA 非坚持CSMA P坚持CSMA,2019年1月18日星期五,第4章 局域网,11,1坚持CSMA（1-persistent CSMA）,某站点要发送数据时，它首先侦听信道，看看是否其他站点正在发送数据。 若信道空闲，该站点立即发送数据。 若信道忙，该站点继续侦听信道直到信道变为空闲，然后发送数据。

7、 1和坚持的含义,2019年1月18日星期五,第4章 局域网,12,非坚持CSMA（nonpersistent CSMA）,某站点要发送数据时，它首先侦听信道，看看是否其他站点正在发送数据。 若信道空闲，该站点立即发送数据。 若信道忙，站点不再继续侦听信道，而是等待一个随机长的时间后，再重复上述过程。 优缺点： 优点：信道利用率高一些 缺点：数据传输时间长一些,2019年1月18日星期五,第4章 局域网,13,P坚持CSMA（P-persistent CSMA）,P坚持CSMA主要用于分槽ALOHA。 一个站点在发送数据之前，首先侦听信道，若信道空闲，便以概率p发送数据，以概率1-p将数据发送

8、推迟到下一个时间片； 若下一个时间片信道仍然空闲，便再次以概率p发送数据，以概率1-p将数据发送推迟到下一个时间片。此过程一直重复，直到该站点将数据发送出去或其他站点开始发送数据为止。 若该站点一开始侦听信道发现信道忙，就等到下一个时间片继续侦听信道。,2019年1月18日星期五,第4章 局域网,14,3. CSMA/CD协议,（1）首先侦听信道； （2）如果信道空闲，立即发送数据并进行冲突检测； （3）如果信道忙，继续侦听信道，直到信道变为空闲，立即发送数据并进行冲突检测； （4）如果在发送数据过程中检测到冲突，立即停止发送数据，并等待一随机长的时间，重新回到（1）。,2019年1月18日星

9、期五,第4章 局域网,15,冲突检测的方法,（1）比较法 站点在发送数据的同时接收总线上的信号，然后将从总线上接收到的数据与其发送的数据进行比较，若发生变化，则认为发生冲突。 （2）编码违例判决法 站点通过检查总线上的信号波形是否符合曼彻斯特编码规则来判断是否发生冲突，若违反曼彻斯特编码，则认为发生冲突。 若以太网站点在发送数据过程中检测出冲突，则停止发送数据，并且发出一个4字节的阻塞（jam）信号加强冲突，以便通知总线上的各站点已经发生冲突。,2019年1月18日星期五,第4章 局域网,16,4. 冲突窗口,2称为冲突窗口，站点在冲突窗口时间内都没有检测到冲突， 才能确定该站点“抓住”了信道

10、。 10Mbps以太网规定冲突窗口为51.2us。 10Mbps粗缆以太网标准规定，两个站点最多可以经过4个中继器 连接5段电缆，每段长度为500米。,2019年1月18日星期五,第4章 局域网,17,5. 退避算法,以太网退避过程是以冲突窗口大小为基准的，每个站点有一个冲突次数计数器i。 若站点发生第i次冲突，等待时间将从0（2i-1）个51.2us之间随机选一个值。 以此类推，当冲突次数大于10后，都是从0210-1个51.2us中选择一个等待时间。 当冲突次数超过16时，表示发送失败，放弃该组发送。 上述算法称为二进制指数退避（binary exponential backoff）算法。

11、 核心思想：站点冲突次数越多，平均等待时间越长,2019年1月18日星期五,第4章 局域网,18,CSMA/CD发送过程,2019年1月18日星期五,第4章 局域网,19,4.2.2 帧格式,以太网有5种帧格式，最常用的是Ethernet-II格式（以太网格式） 和Ethernet-802.3格式（802.3格式）。,以太网/802.3帧格式,2019年1月18日星期五,第4章 局域网,20,帧格式中字段含义（1）,前导符（ Preamble ）： 7个字节的10101010 接收方通过该字段提取同步时钟。 起始符：10101011 目的地址：6字节 单播地址（ Unicast Address

12、 ） 组播地址（Multicast Address） 广播地址（Broadcast Address） 源地址：6字节，必须为单播地址,2019年1月18日星期五,第4章 局域网,21,帧格式中字段含义（2）,类型/长度（Type/Length ）：2字节 以太网帧中该字段为类型字段，用于说明数据字段中的数据是哪个协议交下来的。若值为0x0800，则是IP报文；若值为0x0806，则是ARP报文。 802.3帧中，该字段是长度字段，指明数据的字节数。 数据（data） 长度为01500字节。以太网的MTU（Maximum Transmission Unit） 填充（PAD）:046字节，保证帧的

13、最小长度为64B CRC:4字节，生成多项式是CRC-32。校验范围是从目的地址字段到填充字段。,2019年1月18日星期五,第4章 局域网,22,内容回忆,4.1 局域网参考模型 4.2 以太网 纯ALOHA协议；分槽ALOHA；1坚持CSMA；非坚持CSMA；P坚持CSMA；CSMA/CD（黑屋子开会）；冲突窗口（争用期）；以太网最小帧长度；退避算法 以太网帧格式；MTU；填充字段；CRC,2019年1月18日星期五,第4章 局域网,23,4.2.3 以太网地址,以太网地址长度为6字节，前3字节用于标识厂商；后 3字节为系列号，由厂商自行分配。 以太网地址通常以16进制数表示。 Cisco

14、公司的以太网地址前缀是00-00-0c；IBM公司08-00 -5A；HP公司08-00-09；3com00-20-AF, 00-60-8C; Intel公司00-60-8C。,2019年1月18日星期五,第4章 局域网,24,以太网地址分类,以太网帧中目的地址分为单播地址、组播地址和广播地址。 单播地址：指向某个特定网卡的地址。网卡的地址固化在其ROM中。因此以太网地址又称为硬件地址、物理地址和MAC地址。 组播地址：标识一组机器，只能作为目的地址。 IANA规定，将01:00:5E:00:00:0001:00:5E:7F:FF:FF用于IP组播地址到以太网组播地址的映射。 广播地址：全1的

15、地址,2019年1月18日星期五,第4章 局域网,25,4.2.4 物理层标准,集线器是物理层设备，相当于多个端口的中继器，对比特 进行信号放大和转发。 以太网物理层都采用相同的编码方案曼彻斯特编码,2019年1月18日星期五,第4章 局域网,26,4.2.5 报文封装,2019年1月18日星期五,第4章 局域网,27,4.2.6 以太网运行参数,2019年1月18日星期五,第4章 局域网,28,4.3 令牌环网和FDDI,4.3.1 令牌环网 4.3.2 FDDI,2019年1月18日星期五,第4章 局域网,29,4.3.1 令牌环网,2019年1月18日星期五,第4章 局域网,30,令牌环

16、网特点和令牌传递机制,令牌环（Token Ring）网一般以屏蔽双绞线作为传输介质，采用环形拓扑，数据速率为16Mbps，通过令牌传递进行介质访问控制。 令牌传递机制 当环空闲时，令牌不停地在环上旋转。当某站点有数据要发送时，它首先改变令牌中的一位，然后将要发送的数据加到令牌后面，然后将整个数据帧发到环中，数据帧沿环旋转至接收方，接收方拷贝数据帧，而数据帧继续沿着环旋转，最后回到发送站点。 发送站点通过检查返回的数据帧来查看数据帧是否被接收站点正确接收，同时负责将其发送的数据帧从环中移走，然后产生一个新的令牌并发送到环上。,2019年1月18日星期五,第4章 局域网,31,4.3.2 FDDI网,光纤分布式数据接口（ FDDI，Fiber Distributed Data Interface）是由美国国家标准化组织ANSI设计开发的世界上第一个高速局域网。 FDDI以光纤通信和IEEE 802.5令牌环网技术为基础，使用双环结构，速率为100Mbps。 FDDI采用双环拓扑结构，主环和辅环，两个环的传输方向相反。正常情况下只有主环工作