第三章(2)局域网
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CSMA载波侦听多路访问协议
• 站在发送前监听信道是否忙，如忙则暂 不发送，从而减少了冲突的可能性 • 当站点发现信道忙时如何处理，常用3种 方法： 非坚持CSMA 1-坚持CSMA P-坚持CSMA
非坚持CSMA
a. 如媒体空闲就传输 b. 如媒体忙，则等待随机时间后重复a 缺点：产生空闲时间
1-坚持CSMA
传播时延对载波监听的影响
A
t t = 2t 1 km 碰撞 A 检测到发生碰撞 B 检测到发生碰撞
t=0
B
B 发送数据
t=t t=t
单程端到端 传播时延记为t
t=0
A
1 km 碰撞
B
B 发送数据
t=t t=t
t t = 2t t=0 A 检测到 信道空闲 发送数据
A 检测到发生碰撞 B 检测到发生碰撞 A A A A STOP STOP A B B B B B
1.10Base5
• • • • • 粗同轴电缆，可靠性好，抗干扰能力强 收发器 : 发送/接收, 冲突检测, 电气隔离 AUI : 连接件单元接口 总线型拓扑 用于网络骨干连接
粗缆 最大段长度 500米 每段最多站点数 100
Vampire tap BNC端子
收发器
AUI 电缆
两站点间最小距离 2.5米
单程端到端 传播时延记为t
t=t B 检测到信道空闲 发送数据 t=t/2 发生碰撞 t=t B 检测到发生碰撞 停止发送
t = 2t A 检测到 发生碰撞
争用期
• 最先发送数据帧的站，在发送数据帧后至 多经过时间 2t （两倍的端到端往返时延） 就可知道发送的数据帧是否遭受了碰撞。 • 以太网的端到端往返时延 2t 称为争用期， 或碰撞窗口。 • 经过争用期这段时间还没有检测到碰撞， 才能肯定这次发送不会发生碰撞。
段最大长度 100m
NIC
4.10BaseF
• 使用光纤进行长距离连接，例如建筑物间连接。 • 星形拓扑结构 •最常见的布线标准： 10BaseFL - 异步点到点链路，链路最长2 km
5.10Broad36
• 使用75电缆连接，拓扑结构为树形 • 用于宽带LAN
IEEE 802.3的体系结构与功能实现
数据率（Mbps）
10 Base 5
基带或宽带 Base，Broad
段最大长度（百米）或 介质类型（T，F，X）
传统以太网的连接方法
• 传统以太网可使用的传输媒体有四种：
– 铜缆（粗缆或细缆） – 铜线（双绞线） – 光缆
• 这样，以太网就有四种不同的物理层。
以太网媒体接入控制 MAC
10BASE5 粗缆
500 m 50 m 转发器 转发器 750 m 250 m 转发器 转发器 50 m 网段 2 网段 1 网段 3 500 m 50 m
500 m
使用集线器的星形拓扑
• 传统以太网最初是使用粗同轴电缆，后来 演进到使用比较便宜的细同轴电缆，最后 发展为使用更便宜和更灵活的双绞线。 • 这种以太网采用星形拓扑，在星形的中心 则增加了一种可靠性非常高的设备，叫做 集线器(hub)
ห้องสมุดไป่ตู้
CSMA/CD 协议
• 最初的以太网是将许多计算机都连接到一根总 线上。当初认为这样的连接方法既简单又可靠， 因为总线上没有有源器件。
匹配电阻（用来吸收总线上传播的信号） 匹配电阻
只有 D 接受 B 发送的数据 A 不接受 B B向 D 发送数据 C 不接受 D 接受 E 不接受
CSMA/CD工作原理
使用集线器的双绞线以太网
站点 集线器 RJ-45 插头
两对双绞线
星形网 10BASE-T
• 不用电缆而使用无屏蔽双绞线。每个站需要 用两对双绞线，分别用于发送和接收。 • 集线器使用了大规模集成电路芯片，因此这 样的硬件设备的可靠性已大大提高了。
集线器的一些特点
• 集线器是使用电子器件来模拟实际电缆线 的工作，因此整个系统仍然像一个传统的 以太网那样运行。 • 使用集线器的以太网在逻辑上仍是一个总 线网，各工作站使用的还是 CSMA/CD 协 议，并共享逻辑上的总线。 • 集线器很像一个多接口的转发器，工作在 物理层。
NIC
网络最大跨度 2.5公里
2. 10Base2
细缆
• • • •
细同轴电缆，可靠性稍差 BNC T型接头连接 总线型拓扑 用于办公室LAN
BNC 接头 NIC
每段最大长度 185m 每段最多站点数 30
两站点间最短距离 0.5 m
网络最多5个段
网络最大跨度 925 m
3. 10BaseT
• • • • 双绞线介质（UTP） 以Hub （集线器）为中心节点。Hub－多端口转发器。 拓扑结构为星形，逻辑上仍然是总线形。 转发器/中继器的作用：将信号放大并整形后再转发，消除 信号传输的失真和衰减。 • 转发器/中继器/HUB——物理层设备(工作在物理层)。 • 用于小型LAN。 HUB
具有三个接口的集线器
集 线 器
双绞线 网卡 工作站
网卡
工作站
网卡 工作站
以太网在局域网中的统治地位
• 10BASE-T 的通信距离稍短，每个站到集线 器的距离不超过 100 m。 • 这种 10 Mb/s 速率的无屏蔽双绞线星形网的 出现，既降低了成本，又提高了可靠性。 • 10BASE-T 双绞线以太网的出现，是局域网 发展史上的一个非常重要的里程碑，它为以 太网在局域网中的统治地位奠定了牢固的基 础。
IEEE802标准之间的关系
802.10 网络安全与保密
802.1B 网际互联
802.1B 网际互联 802.2 逻辑链路控制子层
802.4 令牌 总线 介质访 问控制 803.4 物理层 802.5 令牌环 介质访问 控制
8 0 2 . 1 B 网 络 管 理
802 ． 1 A
8 0 2 体 . 系 1 A 结 体 构 系 结 构
10BASE2 细缆
10BASE-T 双绞线
10BASE-F 光缆
铜缆或铜线连接到以太网 的示意图
主机箱 网卡 主机箱 主机箱 DB-15 连接器 收发器 收发器电缆 插入式 分接头 MDI BNC 连接器 插口 RJ-45 插头 双绞线
内导体
MAU
外导体屏蔽层
保护外层
BNC T 型接头
集线器
以太网的最大作用距离
FCS
IEEE 802.3
校验区间 64-1518 字节
PA： 前同步码 - 10101010序列，用于使接收方与发送方同步 SD： 帧首定界 -- 10101011 DA： 目的MAC地址； SA： 源MAC地址 LEN：数据长度（数据部分的字节数）（0-1500B） LLC PDU+pad -- 最少46字节, 最多1500字节 Pad：填充字段，保证帧长不少于64字节(若Data域≥46字节，则无Pad) FCS： 帧校验序列（CRC-32）
LLC MAC
站接口 数据封装/解封（MAC 帧） 链路管理（CSMA/CD协议） 曼彻斯特编码/译码
网卡
AUI电缆
物理层
发送/接收
收发器 连接器 电缆
IEEE802.3/Ethernet帧格式
7 PA 1 SD 2/6 DA 2/6 2 46-1500 LLC PDU Pad 4 字节
SA
LEN
以太网的 MAC 层
1. MAC 层的硬件地址
• 在局域网中，硬件地址又称为物理地址， 或 MAC 地址。 • 802 标准所说的“地址”严格地讲应当是 每一个站的“名字”或标识符。 • 但鉴于大家都早已习惯了将这种 48 位的 “名字”称为“地址”，所以本书也采用 这种习惯用法，尽管这种说法并不太严格。
48 位的 MAC 地址
• IEEE 的注册管理机构 RA 负责向厂家分配 地址字段的前三个字节(即高位 24 位)。 • 地址字段中的后三个字节(即低位 24 位)由 厂家自行指派，称为扩展标识符，必须保 证生产出的适配器没有重复地址。 • 一个地址块可以生成224个不同的地址。这 种 48 位地址称为 MAC-48，它的通用名称 是EUI-48。 • “MAC地址”实际上就是适配器地址或适 配器标识符EUI-48。
802.2 逻辑链路控制子层
802.3 CSMA /CD 介质访问 控制 803.3 物理层
803.5 物理层
CSMA/CD总线（IEEE 802.3）
布线介质标准
10Base5 10Base2 10BaseT 10BaseF 100BaseT 100BaseF 1000BaseX 1000BaseT 粗同轴 细同轴 双绞线 MMF 双绞线 MMF/SMF 屏蔽短双绞线/MMF/SMF 双绞线
A 发送数据 B 发送数据 开始冲突
A
TB
B
t
A 检测 到冲突
TJ t t
信 道 占 用 时 间
B 也能够检测到冲突，并立即停止发送数据帧，接 着就发送干扰信号。这里为了简单起见，只画出 A 发送干扰信号的情况。
强化碰撞
• 当发送数据的站一旦发现发生了碰撞时：
– 立即停止发送数据； – 再继续发送若干比特的人为干扰信号(jamming signal)，以便让所有用户都知道现在已经发生 了碰撞。
二进制指数类型退避算法 (truncated
binary exponential type)
• 发生碰撞的站在停止发送数据后，要推迟 （退避）一个随机时间才能再发送数据。
– 确定基本退避时间，一般是取为争用期 2t。 – 定义重传次数 k ，k 10，即 k = Min[重传次数, 10] – 从整数集合[0,1,…, (2k 1)]中随机地取出一个 数，记为 r。重传所需的时延就是 r 倍的基本 退避时间。 – 当重传达 16 次仍不能成功时即丢弃该帧，并 向高层报告。
争用期的长度
• 以太网取 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。
最短有效帧长
• 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。
a. 如媒体空闲就传输 b. 如媒体忙，则继续侦听，空闲时立即传 输 c. 如产生冲突，则等待随机时间后重复a 缺点：如有2个以上的站要传输，必然产生 冲突
P-坚持CSMA
a. 如媒体空闲就以概率P传送，而以概率 1-P延迟一个单位时间 单位时间=2t (最大传播时延的2倍) b. 如媒体忙，继续侦听，直到空闲重复a c. 如传输延迟了一个单位时间，则重复a 如有n个站，则 nP<1
局域网的体系结构：参考模型
OSI参考模型
应 用 层
表 示 层
会 话 层
传 输 层
网 络 层 数据链路层 物 理 层
IEEE802参考模型 逻辑链路控制子层 介质访问控制子层 物 理 层
IEEE802标准系列：
IEEE802.1(A部分) 综述和体系结构 •IEEE802.1(B部分) 寻址，网络互连和网络管理 •IEEE802.2 逻辑链路控制 •IEEE802.3 CSMA/CD访问方式和物理层技术规范 •IEEE802.4 令牌传递总线访问方式和物理层技术规范 •IEEE802.5 令牌传递环访问方式和物理层技术规范 •IEEE802.6 城市区域网访问方式和物理层技术规范 •IEEE 802.7——宽带局域网规范 •IEEE 802.8——光纤局域网（FDDI） •IEEE 802.9——ISDN局域网 •IEEE 802.10——网络的安全性规范 •IEEE 802.11——无线局域网规范 IEEE 802.12——100VG-AnyLAN规范 •IEEE 802.13——Cable Modem标准 •IEEE 802.14——近距离个人无线网络标准 •IEEE 802.15——宽带无线局域网标准
思考题
1km长的CSMA/CD网络，数据 率为10Mbps， 信号传播速度为V ＝200000km/S,求该协议应采用的最 小帧长为多少？
重要特性
• 使用 CSMA/CD 协议的以太网不能进行全 双工通信而只能进行双向交替通信（半双 工通信）。 • 每个站在发送数据之后的一小段时间内， 存在着遭遇碰撞的可能性。 • 这种发送的不确定性使整个以太网的平均 通信量远小于以太网的最高数据率。
• 站在发送前监听信道是否忙，如忙则暂 不发送，从而减少了冲突的可能性 • 当站点发现信道忙时如何处理，常用3种 方法： 非坚持CSMA 1-坚持CSMA P-坚持CSMA
非坚持CSMA
a. 如媒体空闲就传输 b. 如媒体忙，则等待随机时间后重复a 缺点：产生空闲时间
1-坚持CSMA
传播时延对载波监听的影响
A
t t = 2t 1 km 碰撞 A 检测到发生碰撞 B 检测到发生碰撞
t=0
B
B 发送数据
t=t t=t
单程端到端 传播时延记为t
t=0
A
1 km 碰撞
B
B 发送数据
t=t t=t
t t = 2t t=0 A 检测到 信道空闲 发送数据
A 检测到发生碰撞 B 检测到发生碰撞 A A A A STOP STOP A B B B B B
1.10Base5
• • • • • 粗同轴电缆，可靠性好，抗干扰能力强 收发器 : 发送/接收, 冲突检测, 电气隔离 AUI : 连接件单元接口 总线型拓扑 用于网络骨干连接
粗缆 最大段长度 500米 每段最多站点数 100
Vampire tap BNC端子
收发器
AUI 电缆
两站点间最小距离 2.5米
单程端到端 传播时延记为t
t=t B 检测到信道空闲 发送数据 t=t/2 发生碰撞 t=t B 检测到发生碰撞 停止发送
t = 2t A 检测到 发生碰撞
争用期
• 最先发送数据帧的站，在发送数据帧后至 多经过时间 2t （两倍的端到端往返时延） 就可知道发送的数据帧是否遭受了碰撞。 • 以太网的端到端往返时延 2t 称为争用期， 或碰撞窗口。 • 经过争用期这段时间还没有检测到碰撞， 才能肯定这次发送不会发生碰撞。
段最大长度 100m
NIC
4.10BaseF
• 使用光纤进行长距离连接，例如建筑物间连接。 • 星形拓扑结构 •最常见的布线标准： 10BaseFL - 异步点到点链路，链路最长2 km
5.10Broad36
• 使用75电缆连接，拓扑结构为树形 • 用于宽带LAN
IEEE 802.3的体系结构与功能实现
数据率（Mbps）
10 Base 5
基带或宽带 Base，Broad
段最大长度（百米）或 介质类型（T，F，X）
传统以太网的连接方法
• 传统以太网可使用的传输媒体有四种：
– 铜缆（粗缆或细缆） – 铜线（双绞线） – 光缆
• 这样，以太网就有四种不同的物理层。
以太网媒体接入控制 MAC
10BASE5 粗缆
500 m 50 m 转发器 转发器 750 m 250 m 转发器 转发器 50 m 网段 2 网段 1 网段 3 500 m 50 m
500 m
使用集线器的星形拓扑
• 传统以太网最初是使用粗同轴电缆，后来 演进到使用比较便宜的细同轴电缆，最后 发展为使用更便宜和更灵活的双绞线。 • 这种以太网采用星形拓扑，在星形的中心 则增加了一种可靠性非常高的设备，叫做 集线器(hub)
ห้องสมุดไป่ตู้
CSMA/CD 协议
• 最初的以太网是将许多计算机都连接到一根总 线上。当初认为这样的连接方法既简单又可靠， 因为总线上没有有源器件。
匹配电阻（用来吸收总线上传播的信号） 匹配电阻
只有 D 接受 B 发送的数据 A 不接受 B B向 D 发送数据 C 不接受 D 接受 E 不接受
CSMA/CD工作原理
使用集线器的双绞线以太网
站点 集线器 RJ-45 插头
两对双绞线
星形网 10BASE-T
• 不用电缆而使用无屏蔽双绞线。每个站需要 用两对双绞线，分别用于发送和接收。 • 集线器使用了大规模集成电路芯片，因此这 样的硬件设备的可靠性已大大提高了。
集线器的一些特点
• 集线器是使用电子器件来模拟实际电缆线 的工作，因此整个系统仍然像一个传统的 以太网那样运行。 • 使用集线器的以太网在逻辑上仍是一个总 线网，各工作站使用的还是 CSMA/CD 协 议，并共享逻辑上的总线。 • 集线器很像一个多接口的转发器，工作在 物理层。
NIC
网络最大跨度 2.5公里
2. 10Base2
细缆
• • • •
细同轴电缆，可靠性稍差 BNC T型接头连接 总线型拓扑 用于办公室LAN
BNC 接头 NIC
每段最大长度 185m 每段最多站点数 30
两站点间最短距离 0.5 m
网络最多5个段
网络最大跨度 925 m
3. 10BaseT
• • • • 双绞线介质（UTP） 以Hub （集线器）为中心节点。Hub－多端口转发器。 拓扑结构为星形，逻辑上仍然是总线形。 转发器/中继器的作用：将信号放大并整形后再转发，消除 信号传输的失真和衰减。 • 转发器/中继器/HUB——物理层设备(工作在物理层)。 • 用于小型LAN。 HUB
具有三个接口的集线器
集 线 器
双绞线 网卡 工作站
网卡
工作站
网卡 工作站
以太网在局域网中的统治地位
• 10BASE-T 的通信距离稍短，每个站到集线 器的距离不超过 100 m。 • 这种 10 Mb/s 速率的无屏蔽双绞线星形网的 出现，既降低了成本，又提高了可靠性。 • 10BASE-T 双绞线以太网的出现，是局域网 发展史上的一个非常重要的里程碑，它为以 太网在局域网中的统治地位奠定了牢固的基 础。
IEEE802标准之间的关系
802.10 网络安全与保密
802.1B 网际互联
802.1B 网际互联 802.2 逻辑链路控制子层
802.4 令牌 总线 介质访 问控制 803.4 物理层 802.5 令牌环 介质访问 控制
8 0 2 . 1 B 网 络 管 理
802 ． 1 A
8 0 2 体 . 系 1 A 结 体 构 系 结 构
10BASE2 细缆
10BASE-T 双绞线
10BASE-F 光缆
铜缆或铜线连接到以太网 的示意图
主机箱 网卡 主机箱 主机箱 DB-15 连接器 收发器 收发器电缆 插入式 分接头 MDI BNC 连接器 插口 RJ-45 插头 双绞线
内导体
MAU
外导体屏蔽层
保护外层
BNC T 型接头
集线器
以太网的最大作用距离
FCS
IEEE 802.3
校验区间 64-1518 字节
PA： 前同步码 - 10101010序列，用于使接收方与发送方同步 SD： 帧首定界 -- 10101011 DA： 目的MAC地址； SA： 源MAC地址 LEN：数据长度（数据部分的字节数）（0-1500B） LLC PDU+pad -- 最少46字节, 最多1500字节 Pad：填充字段，保证帧长不少于64字节(若Data域≥46字节，则无Pad) FCS： 帧校验序列（CRC-32）
LLC MAC
站接口 数据封装/解封（MAC 帧） 链路管理（CSMA/CD协议） 曼彻斯特编码/译码
网卡
AUI电缆
物理层
发送/接收
收发器 连接器 电缆
IEEE802.3/Ethernet帧格式
7 PA 1 SD 2/6 DA 2/6 2 46-1500 LLC PDU Pad 4 字节
SA
LEN
以太网的 MAC 层
1. MAC 层的硬件地址
• 在局域网中，硬件地址又称为物理地址， 或 MAC 地址。 • 802 标准所说的“地址”严格地讲应当是 每一个站的“名字”或标识符。 • 但鉴于大家都早已习惯了将这种 48 位的 “名字”称为“地址”，所以本书也采用 这种习惯用法，尽管这种说法并不太严格。
48 位的 MAC 地址
• IEEE 的注册管理机构 RA 负责向厂家分配 地址字段的前三个字节(即高位 24 位)。 • 地址字段中的后三个字节(即低位 24 位)由 厂家自行指派，称为扩展标识符，必须保 证生产出的适配器没有重复地址。 • 一个地址块可以生成224个不同的地址。这 种 48 位地址称为 MAC-48，它的通用名称 是EUI-48。 • “MAC地址”实际上就是适配器地址或适 配器标识符EUI-48。
802.2 逻辑链路控制子层
802.3 CSMA /CD 介质访问 控制 803.3 物理层
803.5 物理层
CSMA/CD总线（IEEE 802.3）
布线介质标准
10Base5 10Base2 10BaseT 10BaseF 100BaseT 100BaseF 1000BaseX 1000BaseT 粗同轴 细同轴 双绞线 MMF 双绞线 MMF/SMF 屏蔽短双绞线/MMF/SMF 双绞线
A 发送数据 B 发送数据 开始冲突
A
TB
B
t
A 检测 到冲突
TJ t t
信 道 占 用 时 间
B 也能够检测到冲突，并立即停止发送数据帧，接 着就发送干扰信号。这里为了简单起见，只画出 A 发送干扰信号的情况。
强化碰撞
• 当发送数据的站一旦发现发生了碰撞时：
– 立即停止发送数据； – 再继续发送若干比特的人为干扰信号(jamming signal)，以便让所有用户都知道现在已经发生 了碰撞。
二进制指数类型退避算法 (truncated
binary exponential type)
• 发生碰撞的站在停止发送数据后，要推迟 （退避）一个随机时间才能再发送数据。
– 确定基本退避时间，一般是取为争用期 2t。 – 定义重传次数 k ，k 10，即 k = Min[重传次数, 10] – 从整数集合[0,1,…, (2k 1)]中随机地取出一个 数，记为 r。重传所需的时延就是 r 倍的基本 退避时间。 – 当重传达 16 次仍不能成功时即丢弃该帧，并 向高层报告。
争用期的长度
• 以太网取 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。
最短有效帧长
• 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。
a. 如媒体空闲就传输 b. 如媒体忙，则继续侦听，空闲时立即传 输 c. 如产生冲突，则等待随机时间后重复a 缺点：如有2个以上的站要传输，必然产生 冲突
P-坚持CSMA
a. 如媒体空闲就以概率P传送，而以概率 1-P延迟一个单位时间 单位时间=2t (最大传播时延的2倍) b. 如媒体忙，继续侦听，直到空闲重复a c. 如传输延迟了一个单位时间，则重复a 如有n个站，则 nP<1
局域网的体系结构：参考模型
OSI参考模型
应 用 层
表 示 层
会 话 层
传 输 层
网 络 层 数据链路层 物 理 层
IEEE802参考模型 逻辑链路控制子层 介质访问控制子层 物 理 层
IEEE802标准系列：
IEEE802.1(A部分) 综述和体系结构 •IEEE802.1(B部分) 寻址，网络互连和网络管理 •IEEE802.2 逻辑链路控制 •IEEE802.3 CSMA/CD访问方式和物理层技术规范 •IEEE802.4 令牌传递总线访问方式和物理层技术规范 •IEEE802.5 令牌传递环访问方式和物理层技术规范 •IEEE802.6 城市区域网访问方式和物理层技术规范 •IEEE 802.7——宽带局域网规范 •IEEE 802.8——光纤局域网（FDDI） •IEEE 802.9——ISDN局域网 •IEEE 802.10——网络的安全性规范 •IEEE 802.11——无线局域网规范 IEEE 802.12——100VG-AnyLAN规范 •IEEE 802.13——Cable Modem标准 •IEEE 802.14——近距离个人无线网络标准 •IEEE 802.15——宽带无线局域网标准
思考题
1km长的CSMA/CD网络，数据 率为10Mbps， 信号传播速度为V ＝200000km/S,求该协议应采用的最 小帧长为多少？
重要特性
• 使用 CSMA/CD 协议的以太网不能进行全 双工通信而只能进行双向交替通信（半双 工通信）。 • 每个站在发送数据之后的一小段时间内， 存在着遭遇碰撞的可能性。 • 这种发送的不确定性使整个以太网的平均 通信量远小于以太网的最高数据率。