第5章 局域网技术

以太网的基本结构
<传输速率 Mb/s> <传输方式> <网段最大长度 (*100m)>
以太网物理层类型
10Base5 粗同轴电缆 10Base2 细同轴电缆 10BaseT 双绞线 10BaseF 光纤MMF 100BaseT 双绞线 100BaseF 光纤MMF/SMF 1000BaseX 屏蔽双绞线/MMF/SMF 1000BaseT 双绞线
逻辑链路控制子层 LLC（Logical Link Control）
1. LLC帧格式 （控制信息与HDLC大同小异）
1 1 1/2
长度无限制
数据
DSAP SSAP 控制
单位：字节
LLC PDU
高层PDU
LLC首部 LLC数据
MAC首部
MAC数据
MAC尾部
LLC帧和MAC帧的关系
逻辑链路控制子层 LLC的服务
帧格式说明 （1）
前导码 7个字节的10101010，产生固定频率的方波信号（如 1000MHZ)，持续5~6微秒，收发双方的时钟同步。 帧首定界符 1个字节的10101011，标志着帧的开始。 目的地址和源地址 共6个字节，前三个字节由IEEE802分配给厂商，后三 个字节由厂商唯一地分配给所生产的网卡。
IEEE 802体系结构
OSI IEEE 802局域网
高层
网络层 数据链路层 物理层
逻辑链路控制子层 介质访问控制子层 物理层
IEEE802数据链路层分层的目的 将功能中与硬件相关的部分和与硬件无关的 部分分开，降低实现的复杂度。 局域网特点：共享信道(如总线)。需要解决介 质访问控制(MAC)问题。分层可以使帧的传 输独立于介质和MAC方点：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。
最短帧长
避免帧的第一个比特到达电缆的远端前帧已经发完，帧 发送时间应该大于 2；
E PEA D C PAE A TAE＋TEA 时间
10Mbps LAN，最大冲突检测时间为51.2微秒，最短帧长 为64字节； 网络速度提高，最短帧长也应该增大或者站点间的距离 要减小。
IEEE802.3/Ethernet帧格式
(c) 环型局域网
传输介质
双绞线 基带同轴电缆 光纤 无线
局域网的IEEE 802体系结构
802标准在网络体系结构中的位置
802.1网际互连 网际互连
802.1寻址管理 802.1体系结构
802.2逻辑链路控制
逻辑链路控制LLC
802.3 媒体访问
802.4 媒体访问
802.5 媒体访问
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；
对目的地址，以太网只有最高位有定义，为“0”表示单播，为“1” 表示多播或广播。若广播要求目的地址全“1”。而IEEE802.3对最 高位和次高位都有定义，最高位与以太网相同。次高位为“0”表示 全局管理地址，为“1”局部管理地址，一般情况下总为全局管理地 址（由IEEE802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； 缺点：无法灵活适应站点数及其通信量的变化。
信道的动态分配
动态分配 局域网都采用动态分配策略，即根据当 前对信道请求的情况动态协调各用户对信道 的使用权。 动态分配主要分为以下两类 冲突协议 无冲突协议
冲突协议
ALOHA协议
上世纪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协议和时间片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。 时间片ALOHA协议 基本思想：把信道时间分成离散的时间片，片长为一个 帧所需的发送时间。每个站点只能在时间片开始时才允 许发送。其他过程与纯ALOHA协议相同。
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。
信道的静态分配
时间片ALOHA协议的发送过程
A1 站A 帧产生 B1 站B 信道上 实际发 送情况 B2 冲突
随机 时间
A2
随机时间
A2
A3
B2
B3
A1
B1
B2
A2
A3
B3
载波监听多路访问协议CSMA （Carrier Sense Multiple Access Protocols）
载波监听（Carrier Sense）
局域网的基本特征
覆盖范围小 房间、建筑物、园区范围 距离≤ 25 km 高传输速率 10 Mbps ～1000Mbps 低误码率 10 -8 ～ 10 -10 采用基带传输 为一个单位所拥有，自行建 设，不对外提供服务
局域网的基本构成
局域网拓扑结构
(a) 总线型局域网
(b) 星型局域网
第五章 局域网技术
主要内容
局域网体系结构
信道共享技术
以太网系列标准 虚拟局域网 无线网络
5.1 局域网概述
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； 功能分布：分布式计算，分布式数据库
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。
2. 服务访问点（SAP）
LLC SAP：向上层提供进程访问能力。 MAC SAP：MAC地址（即：网卡地址、物理地址）
3. LLC提供的服务类型
LLC1 不确认无连接的服务 LLC2 面向连接的服务
LLC3 带确认无连接的服务 LLC4 高速传输服务 （1991年专为城域网提出）
5.2 信道共享技术
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（称为退避） ， 再重复上述过程。
CSMA/CD流程图
令牌协议
在网络中流转着一个被称为“令牌Token”的帧，一个节 点要发送数据必须首先截获令牌，由于网络中只有一个 令牌，从而不会产生冲突。
四种10M以太网比较
以太网介质访问控制子层MAC
以太网的介质访问控制方法
空闲 否 9.6µ s 间隙时间到 是 网络有载波 是 发送数据 是 停止发送 发送Jam信号 按照二进制 指数退避算 法等待
是
有冲突 否 发送成功
二进制指数后退算法 （binary exponential backoff） 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 之间； 16次冲突后，发送失败，报告上层。
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。
载波监听多路访问协议CSMA（3）
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。
LLC： 与介质、拓扑无关 MAC：与介质、拓扑相关
IEEE802网络体系各层功能
1. 物理层的功能
信号的编码/译码 前导码的生成/去除 比特的发送/接收
2. 数据链路层的功能
MAC子层功能：成帧/拆帧， 实现、维护MAC协议， 位差错检测，寻址。 LLC子层功能：向高层提供SAP，建立/释放逻辑连 接，差错控制，帧序号处理，提供某些网络层功能。
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）
多个用户共用一条信道
1-坚持型CSMA（1-persistent CSMA）