1、第 5 讲 局域网本讲内容和教学目标了解了解局域网的局域网的拓扑结构和共享媒体拓扑结构和共享媒体了解适配器的作用了解适配器的作用理解理解CSMA/CD协议的工作原理协议的工作原理掌握二进制指数类型退避算法掌握二进制指数类型退避算法了解局域网体系结构了解局域网体系结构理解以太网的信道利用率理解以太网的信道利用率理解理解MAC地址地址掌握以太网的帧格式掌握以太网的帧格式理解在物理层使用集线器扩展以太网的原理理解在物理层使用集线器扩展以太网的原理理解使用网桥在数据链路层扩展局域网的原理理解使用网桥在数据链路层扩展局域网的原理掌握网桥中掌握网桥中CAM表中表中MAC地址的自学习过程地址的自学习过程理解
2、虚拟局域网的形成及应用理解虚拟局域网的形成及应用了解高速以太网的几种类型了解高速以太网的几种类型了解无线局域网了解无线局域网局域网局域网最主要的特点是：网络为一个单位局域网最主要的特点是：网络为一个单位/组织所拥有，且地理范围和站点数目均有限。组织所拥有，且地理范围和站点数目均有限。局域网具有如下的一些主要优点局域网具有如下的一些主要优点 具有广播功能，从一个站点可很方便地访问全网。局域网上的主机可共享连接在局域网上的各种硬件和软件资源。便于系统的扩展和逐渐地演变，各设备的位置可灵活调整和改变。提高了系统的可靠性、可用性和残存性。局域网的拓扑 匹配电阻集线器干线耦合器总线网星形网树形网 环形网
3、星型（Star）拓扑结构 特点：特点：集中控制集中控制 中心交换节点功中心交换节点功能复杂，但其他能复杂，但其他通信节点负荷相通信节点负荷相对较轻。对较轻。建设成本较大建设成本较大 可扩展性好可扩展性好CentralCentralserverserver环型（Ring）由一组转发器通过点对点连接由一组转发器通过点对点连接成环路构成。常采用令牌方式成环路构成。常采用令牌方式控制媒体访问。控制媒体访问。环形拓扑的优点：环形拓扑的优点：电缆长度短。增加或减少工作站时，仅需简单的连接操作可使用光纤。环形拓扑的缺点：环形拓扑的缺点：节点的故障会引起全网故障。故障检测困难。环形拓扑结构的媒体访问控制协议都
4、采用令牌传达室递的方式，在负载很轻时，信道利用率相对来说就比较低。Ring networkRing network总线型（Bus）通信网络只是传输通信网络只是传输媒体媒体 成本低成本低 分散控制分散控制 常采用常采用CSMA/CD或或Token方式进行媒方式进行媒体访问控制体访问控制 广播型网络广播型网络Bus networkBus network对于共享媒体型网络，网络的拓扑结构和媒体访问控制协议很重要。设计一个好的媒体访问控制协议有三个基本要求：简单、有效的通道利用率、对用户的公平合理。树型Concentrator(or hub)Network backboneNetwork backbo
5、ne其它网络拓扑结构-网状（Mesh）网络复杂网络复杂连接成连接成MN媒体共享技术静态划分信道静态划分信道 频分复用 时分复用 波分复用 码分复用 动态媒体接入控制（多点接入）动态媒体接入控制（多点接入）随机接入 受控接入，如多点线路探询(polling)，或轮询。以太网的两个标准 DIX Ethernet V2 是世界上第一个局域网产品（以太网）的规约。是世界上第一个局域网产品（以太网）的规约。IEEE 的的 802.3 标准。标准。IEEE是电气和电子工程师协会（是电气和电子工程师协会（Institute of Electrical and Electronics Engineers）的简
6、称）的简称.DIX Ethernet V2 标准与标准与 IEEE 的的 802.3 标准只有很小的差别，因此可标准只有很小的差别，因此可以将以将 802.3 局域网简称为局域网简称为“以太网以太网”。严格说来，严格说来，“以太网以太网”应当是指符合应当是指符合 DIX Ethernet V2 标准的局域网标准的局域网。IEE802将数据链路层分为将数据链路层分为LLC子层和子层和MAC子层子层 太网所提供的服务主要对应于太网所提供的服务主要对应于OSI参考模型的第一和第二层，即物理参考模型的第一和第二层，即物理层和逻辑链路层；而层和逻辑链路层；而IEEE 802.3则主要是对物理层和逻辑链路
7、层的通则主要是对物理层和逻辑链路层的通道访问部分进行了规定。道访问部分进行了规定。IEEE 802协议1-9IEEE组织主要负责有关电子和电气产品的各种标准的制定。组织主要负责有关电子和电气产品的各种标准的制定。IEEE于于1980年年2月成立了月成立了IEEE 802委员会，专门研究和指定有关局域网的各种标准。委员会，专门研究和指定有关局域网的各种标准。802.1-高层及其交互工作。提供高层标准的框架，包括端到端协议、网络互连、网络管高层及其交互工作。提供高层标准的框架，包括端到端协议、网络互连、网络管理、路由选择、桥接和性能测量。理、路由选择、桥接和性能测量。802.2-连接链路控制连接链
8、路控制LLC，提供，提供OSI数据链路层的高子层功能，提供数据链路层的高子层功能，提供LAN、MAC子层与子层与高层协议间的一致接口。高层协议间的一致接口。802.3-以太网规范，定义以太网规范，定义CSMA/CD标准的总线介质访问控制（标准的总线介质访问控制（MAC）子层和物理层规）子层和物理层规范。范。802.4-令牌总线网。定义令牌总线（令牌总线网。定义令牌总线（Token Bus）介质访问控制（）介质访问控制（MAC）子层和物理层）子层和物理层规范。规范。802.5-令牌环线网，定义令牌传环（令牌环线网，定义令牌传环（Token Ring）介质访问控制（）介质访问控制（MAC）子层和物
9、理层）子层和物理层规范。规范。802.6-城域网城域网MAN，定义城域网（，定义城域网（MAN）的介质访问控制（）的介质访问控制（MAC）子层和物理层规范）子层和物理层规范(DQDB分布队列双总线分布队列双总线)。802.7-宽带技术咨询组，为其他分委员会提供宽带网络技术的建议和咨询。宽带技术咨询组，为其他分委员会提供宽带网络技术的建议和咨询。802.8-光纤技术咨询组，为其他分委员会提供使用有关光纤网络技术的建议和咨询。光纤技术咨询组，为其他分委员会提供使用有关光纤网络技术的建议和咨询。802.9-综合话音综合话音/数据局域网（数据局域网（IVD LAN）。定义综合话音）。定义综合话音/数据
10、终端访问综合话音数据终端访问综合话音/数据数据局域网（包括局域网（包括IVD LAN、MAN、WAN）的媒体访问控制（）的媒体访问控制（MAC）子层和物理层规范。）子层和物理层规范。IEEE802协议9-21 802.10-可互操作局域网安全标准（可互操作局域网安全标准（SILS）。定义局域网互连安全机制。）。定义局域网互连安全机制。802.11-无线局域网。定义自由空间媒体的媒体访问控制（无线局域网。定义自由空间媒体的媒体访问控制（MAC）子层和物理）子层和物理层规范。层规范。802.12-按需优先（按需优先（100VG-ANYLAN）。定义使用按需优先访问方法的）。定义使用按需优先访问方法
11、的100Mpbs 的以太网标准。的以太网标准。802.14-定义了电缆调调制解调器（定义了电缆调调制解调器（cable modem）标准。）标准。802.15-定义了近距离个人无线网络标准。定义了近距离个人无线网络标准。802.16-定义了宽带无线局域网标准。定义了宽带无线局域网标准。目前，目前，IEEE标准标准802.1-802.6 已成为已成为ISO的国际标准的国际标准ISO8802-18802-6。802.17(弹性分组环弹性分组环(Resilient Packet Ring)802.18：无线管制：无线管制 Radio Regulatory TAG 802.19：共存：共存 Coexi
12、stence TA 802.20：移动宽带无线接入：移动宽带无线接入 Mobile Broadband Wireless Access(MBWA)802.21：媒质无关切换：媒质无关切换 Media Independent Handoff数据链路层的两个子层 为了使数据链路层能更好地适应多种局域网标准，为了使数据链路层能更好地适应多种局域网标准，802 委员会就将局域网的数据链路层拆成两个子委员会就将局域网的数据链路层拆成两个子层：层：逻辑链路控制 LLC(Logical Link Control)子层 媒体接入控制 MAC(Medium Access Control)子层。与接入到传输媒体有
13、关的内容都放在与接入到传输媒体有关的内容都放在 MAC子层，子层，而而 LLC 子层则与传输媒体无关，不管采用何种子层则与传输媒体无关，不管采用何种协议的局域网对协议的局域网对 LLC 子层来说都是透明的子层来说都是透明的 局域网对 LLC 子层是透明的 局 域 网网络层物理层站点 1网络层物理层逻辑链路控制LLCLLC媒体接入控制MACMAC数据链路层站点 2LLC的功能提供三种服务：提供三种服务：无连接的服务 面向连接的服务 复用差错控制与流量控制差错控制与流量控制 类似于HDLC协议以后一般不考虑 LLC 子层 由于由于 TCP/IP 体系经常使用的局域网是体系经常使用的局域网是 DIX
14、 Ethernet V2 而不是而不是 802.3 标准中的几标准中的几种局域网，因此现在种局域网，因此现在 802 委员会制定的逻委员会制定的逻辑链路控制子层辑链路控制子层 LLC（即（即 802.2 标准）的标准）的作用已经不大了。作用已经不大了。很多厂商生产的适配器上就仅装有很多厂商生产的适配器上就仅装有 MAC 协议而没有协议而没有 LLC 协议。协议。适配器的作用 网络接口板又称为网络接口板又称为通信适配器通信适配器(adapter)或或网络接网络接口卡口卡 NIC(Network Interface Card)，或，或“网卡网卡”。适配器的重要功能适配器的重要功能 进行串行/并行转
15、换。对数据进行缓存。在计算机的操作系统安装设备驱动程序。实现以太网协议。计算机通过适配器和局域网进行通信 硬件地址至局域网适配器（网卡）串行通信CPU 和存储器生成发送的数据处理收到的数据把帧发送到局域网从局域网接收帧计算机IP 地址并行通信多路访问协议 对于广播信道，需要解决信道分配问题，信道的分配方案对于广播信道，需要解决信道分配问题，信道的分配方案有：有：静态分配：如传统的FDM或TDM，如果有N个用户，把带宽或时间分成N份，每个用户静态地占用一个。缺点是不能有效地处理突发数据，有的用户无通信量时白白浪费资源。动态分配：异步时分多路复用。分为两种：随机访问（争用，contention）：
16、只要有数据，就可直接发送，发生冲突后再采取措施解决冲突。适用于负载轻的网络，负载重时效率低。控制访问：发送站点必须先获得发送的权利，再发送数据，不会发生冲突。在负载重的网络中可获得很高的信道利用率。主要有轮转（round-robin）和预约（reservation）两种方式。争用协议一：ALOHA协议 20世纪世纪70年代，美国夏威夷大学的年代，美国夏威夷大学的ALOHA网通过无线广网通过无线广播信道将分散在各个岛屿上的远程终端连接到本部的主机播信道将分散在各个岛屿上的远程终端连接到本部的主机上，是最早采用争用协议的网络。上，是最早采用争用协议的网络。有两个版本：有两个版本：纯ALOHA协议（
17、Pure ALOHA）：每个站点只要有数据就可发送；通过监听信道来发现是否发生冲突；若冲突，则等待一段随机时间，再重新发送。时隙ALOHA协议（Slotted ALOHA）：将信道时间分为离散的时间片，每个时间片可以用来发送一个帧。一个站点有数据发送时，必须等到下个时间片的开始才能发送。与纯ALOHA相比信道的利用率提高一倍。争用协议二：CSMA协议 载波侦听多路访问（载波侦听多路访问（Carrier Sense Multiple Access）协议）协议中，各站点不是随意发送数据帧，而是先要监听一下信道，中，各站点不是随意发送数据帧，而是先要监听一下信道，根据信道的状态来调整自己的动作，只有
18、发现信道空闲后根据信道的状态来调整自己的动作，只有发现信道空闲后再可发送数据。即再可发送数据。即“讲前先听讲前先听”常见的四种常见的四种CSMA协议：协议：1-坚持式CSMA（1-persistent CSMA）非坚持式CSMA（non-persistent）p-坚持式CSMA（p-persistent CSMA）带有冲突检测的CSMA（CSMA with Collision Detection)(CSMA/CD)最初的以太网是将许多计算机都连接到一根总线上。当初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认为这样的连接方法既简单又可靠，
19、因为总线上没有有源器件。器件。CSMA/CD 协议 B向 D发送数据 C D A E匹配电阻（用来吸收总线上传播的信号）匹配电阻不接受不接受不接受接受B只有 D 接受B 发送的数据以太网的广播方式发送 总线上的每一个工作的计算机都能检测到总线上的每一个工作的计算机都能检测到 B 发送的数发送的数据信号。据信号。由于只有计算机由于只有计算机 D 的地址与数据帧首部写入的地址一的地址与数据帧首部写入的地址一致，因此只有致，因此只有 D 才接收这个数据帧。才接收这个数据帧。其他所有的计算机（其他所有的计算机（A,C 和和 E）都检测到不是发送给）都检测到不是发送给它们的数据帧，因此就丢弃这个数据帧而
20、不能够收下它们的数据帧，因此就丢弃这个数据帧而不能够收下来。来。具有广播特性的总线上实现了一对一的通信。具有广播特性的总线上实现了一对一的通信。为了通信的简便以太网采取了两种重要的措施 采用较为灵活的无连接的工作方式，即不必先建立连接就采用较为灵活的无连接的工作方式，即不必先建立连接就可以直接发送数据。可以直接发送数据。以太网对发送的数据帧不进行编号，也不要求对方发回确以太网对发送的数据帧不进行编号，也不要求对方发回确认。认。这样做的理由是局域网信道的质量很好，因信道质量产生差错的概率是很小的。以太网提供的服务是不可靠的交付，即尽最大努力的交付。当目的站收到有差错的数据帧时就丢弃此帧，其他什么
21、也不做。差错的纠正由高层来决定。如果高层发现丢失了一些数据而进行重传，但以太网并不知道这是一个重传的帧，而是当作一个新的数据帧来发送。以太网发送的数据都使用曼彻斯特(Manchester)编码 基带数字信号曼彻斯特编码 码元1111100000出现电平转换载波监听多点接入/碰撞检测 CSMA/CD CSMA/CD 表示表示 Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection。“多点接入多点接入”表示许多计算机以多点接入的方式连接在一表示许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上。根总线上。“载波监听载波监听”是指每一个站在发送数据之前先
22、要检测一下是指每一个站在发送数据之前先要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据，如果有，则暂时不总线上是否有其他计算机在发送数据，如果有，则暂时不要发送数据，以免发生碰撞。要发送数据，以免发生碰撞。总线上并没有什么总线上并没有什么“载波载波”。因此，。因此，“载波监听载波监听”就是就是用电子技术检测总线上有没有其他计算机发送的数据信号。用电子技术检测总线上有没有其他计算机发送的数据信号。碰撞检测“碰撞检测碰撞检测”就是计算机边发送数据边检测信道上的信号电就是计算机边发送数据边检测信道上的信号电压大小。压大小。当几个站同时在总线上发送数据时，总线上的信号电压摆动当几个站同时在总线上发送数据时，
23、总线上的信号电压摆动值将会增大（互相叠加）。值将会增大（互相叠加）。当一个站检测到的信号电压摆动值超过一定的门限值时，就当一个站检测到的信号电压摆动值超过一定的门限值时，就认为总线上至少有两个站同时在发送数据，表明产生了碰撞。认为总线上至少有两个站同时在发送数据，表明产生了碰撞。所谓所谓“碰撞碰撞”就是发生了冲突。因此就是发生了冲突。因此“碰撞检测碰撞检测”也称为也称为“冲突检测冲突检测”。检测到碰撞后在发生碰撞时，总线上传输的信号产生了严重的失在发生碰撞时，总线上传输的信号产生了严重的失真，无法从中恢复出有用的信息来。真，无法从中恢复出有用的信息来。每一个正在发送数据的站，一旦发现总线上出现
24、了每一个正在发送数据的站，一旦发现总线上出现了碰撞，就要立即停止发送，免得继续浪费网络资源，碰撞，就要立即停止发送，免得继续浪费网络资源，然后等待一段随机时间后再次发送。然后等待一段随机时间后再次发送。电磁波在总线上的有限传播速率的影响 当某个站监听到总线是空闲时，也可能总线并当某个站监听到总线是空闲时，也可能总线并非真正是空闲的。非真正是空闲的。A 向向 B 发出的信息，要经过一定的时间后才能发出的信息，要经过一定的时间后才能传送到传送到 B。B 若在若在 A 发送的信息到达发送的信息到达 B 之前发送自己的之前发送自己的帧帧(因为这时因为这时 B 的载波监听检测不到的载波监听检测不到 A
25、所发送所发送的信息的信息)，则必然要在某个时间和，则必然要在某个时间和 A 发送的帧发送的帧发生碰撞。发生碰撞。碰撞的结果是两个帧都变得无用。碰撞的结果是两个帧都变得无用。1 kmABt碰撞t=2 A 检测到发生碰撞 t=B 发送数据B 检测到发生碰撞 t=t=0单程端到端传播时延记为 传播时延对载波监听的影响 1 kmABt碰撞t=B 检测到信道空闲发送数据t=/2发生碰撞t=2 A 检测到发生碰撞 t=B 发送数据B 检测到发生碰撞 t=ABABAB t=0 A 检测到信道空闲发送数据ABt=0t=B 检测到发生碰撞停止发送STOPt=2 A 检测到发生碰撞STOPAB单程端到端传播时延记
26、为 重要特性使用使用 CSMA/CD 协议的以太网不能进行全双工通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）。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。遭遇碰撞的可能性。这种这种发送的不确定性发送的不确定性使整个以太网的平均通信量使整个以太网的平均通信量远小于以太网的最高数据率。远小于以太网的最高数据率。争用期最先发送数据帧的站，在发送数据帧后至多经过时最先发送数据帧的站，在发送数据帧后至多经过时间间 2 （两倍的端到端往返时延）（两倍的端到端往返时延）就可知道发送的就可
27、知道发送的数据帧是否遭受了碰撞。数据帧是否遭受了碰撞。以太网的端到端往返时延以太网的端到端往返时延 2 称为称为争用期争用期，或，或碰撞碰撞窗口窗口。经过争用期这段时间还没有检测到碰撞，才能肯定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。这次发送不会发生碰撞。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）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。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 2。定义重传次数 k，k 10，即 k=Min
28、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 以太网取以太网取 51.2 s 为争用期的长度。为争用期的长度。对于对于 10 Mb/s 以太网，在争用期内可发送以太网，在争用期内可发送512 bit，即即 64 字节。字节。以太网在发送数据时，若前以太网在发送数据时，若前 64 字节没有发生冲字节没有发生冲突，则后续的数据就不会发生冲突。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如果发生冲突，就一定是在发送的前 64
29、字节之内。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的数据一定小于 64 字节。字节。以太网规定了最短有效帧长为以太网规定了最短有效帧长为 64 字节，凡长度小于字节，凡长度小于 64 字节的帧都是由于冲突而异常中止的字节的帧都是由于冲突而异常中止的无效帧无效帧。强化碰撞，当发送数据的站一旦发现发生了碰撞时：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。数据帧干扰信号 TJ人为干扰信号 ABTB
30、t B 发送数据A 检测到冲突开始冲突信道占用时间A 发送数据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。CSMA/CD的要点归纳适配器组成以太网帧，准备发送适配器组成以太网帧，准备发送适配器检测信道，空闭则发送，忙则等待其空闲后适配器检测信道，空闭则发送，忙则等待其空闲后再发送。再发送。边发送边检测，若检测到碰撞，则中止发送，并发边发送边检测，若检测到碰撞，则中止发送，并发送人为干扰信号。送人为干扰信号。中止发送后，适配器执行指数退避算法，等待一定中止发送后，适配器执行指数退避算法，等待一定的随机时间，再检测信道。的随机时
31、间，再检测信道。以太网的工作原理 以太网采用带冲突检测的载波帧听多路访问（以太网采用带冲突检测的载波帧听多路访问（CSMA/CD）机制。以太）机制。以太网中节点都可以看到在网络中发送的所有信息，因此，我们说以太网网中节点都可以看到在网络中发送的所有信息，因此，我们说以太网是一种广播网络。是一种广播网络。以太网的工作过程如下：以太网的工作过程如下：当以太网中的一台主机要传输数据时，它将按如下步骤进行：1、监听信道上收否有信号在传输。如果有的话，表明信道处于忙状态，就继续监听，直到信道空闲为止。2、若没有监听到任何信号，就传输数据 3、传输的时候继续监听，如发现冲突则执行退避算法，随机等待一段时间
32、后，重新执行步骤1（当冲突发生时，涉及冲突的计算机会发送会返回到监听信道状态。注意：每台计算机一次只允许发送一个包，一个拥塞序列，以警告所有的节点）4、若未发现冲突则发送成功，所有计算机在试图再一次发送数据之前，必须在最近一次发送后等待9.6微秒（以10Mbps运行）。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：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。这样，以太网就有四种不同的物理层。10BASE5粗缆10BASE2细缆10BASE-T双绞线10BASE-F光缆以太网媒体接入控制 MAC传统以太网的连接方法-cont.
33、铜缆或铜线连接到以太网的示意图铜缆或铜线连接到以太网的示意图主机箱主机箱主机箱双绞线集线器BNC T 型接头收发器电缆网卡插入式分接头MAUMDI保护外层外导体屏蔽层内导体收发器DB-15连接器BNC 连接器插口RJ-45插头以太网的最大作用距离 250 m750 m500 m500 m500 m50 m50 m50 m网段 1转发器网段 2网段 3转发器转发器转发器细缆以太网 10BASE2 用更便宜的直径为用更便宜的直径为 5 mm 的细同轴电缆的细同轴电缆(特性阻抗特性阻抗仍为仍为 50 W)，可代替粗同轴电缆。，可代替粗同轴电缆。将媒体连接单元将媒体连接单元 MAU 和媒体相关接口和媒
34、体相关接口 MDI都安都安装在网卡上，取消了外部的装在网卡上，取消了外部的 AUI电缆。电缆。细缆直接用标准细缆直接用标准 BNC T 型接头连接到网卡上的型接头连接到网卡上的 BNC 连接器的插口。连接器的插口。使用广播信道的以太网使用集线器的星形拓扑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，叫做集线器集线器(hub)使用集线器的双绞线以太网 集线器集线器两对双绞线两对双绞线站点站点RJ-45 插头插头星形网 10BASE-T 不用电缆而使
35、用无屏蔽双绞线。每个站需要用两对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。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。件设备的可靠性已大大提高了。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的通信距离稍短，每个站到集线器的距离不超过离不超过 100 m。这种这种 10 Mb/s 速率的无屏蔽双绞线星形网的出现，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。既降低了成本，又提高了可靠性。10BASE-T 双绞线以太网的
36、出现，是局域网发展史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。中的统治地位奠定了牢固的基础。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，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。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使用集线器的以太网在逻辑上逻辑上仍是一个总线网，仍是一个总线网，各工作站使用的还是各工作站使用的还是 CSMA/CD 协议，并共享逻协议，并共享逻辑上的总线。辑上的总线。集线器很像一个
37、多接口的转发器，工作在物理层。集线器很像一个多接口的转发器，工作在物理层。具有三个接口的集线器 集线器网卡工作站网卡工作站网卡工作站双绞线局域网体系结构局域网参考模型局域网参考模型以太网.1990年推出了以双绞线作为传输介质的物理层标准年推出了以双绞线作为传输介质的物理层标准10Base-T。1993年推出了以光纤作为传输介质的物理层标准年推出了以光纤作为传输介质的物理层标准10Base-F。1995年推出了以双绞线和光纤作为传输介质的年推出了以双绞线和光纤作为传输介质的Fast Ethernet标准，数据速率达到了标准，数据速率达到了100Mbps。1999年推出了以屏蔽双绞线和光纤作为传输
38、介质的年推出了以屏蔽双绞线和光纤作为传输介质的Gigabit Ethernet标准，数据速率达到了标准，数据速率达到了1000Mbps。以太网的物理层 以太网的物理层主要是对传输介质进行规范。以太网的物理层主要是对传输介质进行规范。IEEE为同轴电缆、屏蔽双绞线（为同轴电缆、屏蔽双绞线（STP）、非屏蔽双绞线）、非屏蔽双绞线（UTP）和光纤定义了一套标准。）和光纤定义了一套标准。IEEE使用了以下命名标使用了以下命名标准，它有三个部分：准，它有三个部分：速率：表示每秒兆位的数据速率。信号：表示信道上传输的是基带信号或宽带信号。PHY：表示物理介质的质地，以及早期版本中电缆段的最大长度，四舍五入
39、到最近的100米的倍数。如，如，10BASE2表示工作在表示工作在10Mbps，BASE代表采用基带信代表采用基带信号，号，2表示每个网段最长为表示每个网段最长为185米（四舍五入到米（四舍五入到200米）。米）。以太网的信道利用率 以太网的信道被占用的情况以太网的信道被占用的情况 争用期长度为 2，即端到端传播时延的两倍。检测到碰撞后不发送干扰信号。帧长为 L(bit)，数据发送速率为 C(b/s)，因而帧的发送时间为 L/C=T0(s)。以太网的信道利用率 一个帧从开始发送，经可能发生的碰撞后，将再重传数次，一个帧从开始发送，经可能发生的碰撞后，将再重传数次，到发送成功且信道转为空闲到发送
40、成功且信道转为空闲(即再经过时间即再经过时间 使得信道上使得信道上无信号在传播无信号在传播)时为止，是发送一帧所需的平均时间。时为止，是发送一帧所需的平均时间。发 送 成 功 争用期 争用期 争用期 2 2 2T0t占用期 发生碰撞 发送一帧所需的平均时间参数 a 要提高以太网的信道利用率，就必须减小要提高以太网的信道利用率，就必须减小 与与 T0 之比。在之比。在以太网中定义了参数以太网中定义了参数 a，它是以太网单程端到端时延，它是以太网单程端到端时延 与帧与帧的发送时间的发送时间 T0 之比：之比：0Ta0Ta(3-2)a0 表示一发生碰撞就立即可以检测出来，并立即停止发送，因而信道利用
41、率很高。a 越大，表明争用期所占的比例增大，每发 生一次碰撞就浪费许多信道资源，使得信道 利用率明显降低。对以太网参数的要求当数据率一定时，以太网的连线的长度受到限制，当数据率一定时，以太网的连线的长度受到限制，否则否则 的数值会太大。的数值会太大。以太网的帧长不能太短，否则以太网的帧长不能太短，否则 T0 的值会太小，使的值会太小，使 a 值太大。值太大。在在理想化理想化的情况下，以太网上的各站发送数据都不会产的情况下，以太网上的各站发送数据都不会产生碰撞（这显然已经不是生碰撞（这显然已经不是 CSMA/CD，而是需要使用一，而是需要使用一种特殊的调度方法），即总线一旦空闲就有某一个站立种特
42、殊的调度方法），即总线一旦空闲就有某一个站立即发送数据。即发送数据。发送一帧占用线路的时间是发送一帧占用线路的时间是 T0+，而帧本身的发送时间，而帧本身的发送时间是是 T0。于是我们可计算出。于是我们可计算出理想情况下理想情况下的极限信道利用率的极限信道利用率 Smax为：为：信道利用率的最大值 Smax aTTS1100max(3-3)MAC层的硬件地址 在局域网中，硬件地址又称为物理地址，或在局域网中，硬件地址又称为物理地址，或 MAC 地址。地址。802 标准所说的标准所说的“地址地址”严格地讲应当是每一个站严格地讲应当是每一个站的的“名字名字”或标识符。或标识符。但鉴于大家都早已习惯
43、了将这种但鉴于大家都早已习惯了将这种 48 bit 的的“名字名字”称为称为“地址地址”，所以本书也采用这种习惯用法，尽，所以本书也采用这种习惯用法，尽管这种说法并不太严格。管这种说法并不太严格。48 位的 MAC 地址IEEE 的的注册管理机构注册管理机构 RA 负责向厂家分配地址负责向厂家分配地址字段的前三个字节字段的前三个字节(即高位即高位 24 位位)。地址字段中的后三个字节地址字段中的后三个字节(即低位即低位 24 位位)由厂家自由厂家自行指派，称为行指派，称为扩展标识符扩展标识符，必须保证生产出的适，必须保证生产出的适配器没有重复地址。配器没有重复地址。一个地址块可以生成一个地址块
44、可以生成224个不同的地址。这种个不同的地址。这种 48 位地址称为位地址称为 MAC-48，它的通用名称是，它的通用名称是EUI-48。“MAC地址地址”实际上就是适配器地址或适配器实际上就是适配器地址或适配器标识符标识符EUI-48。适配器检查 MAC 地址 适配器从网络上每收到一个适配器从网络上每收到一个 MAC 帧就首先用硬帧就首先用硬件检查件检查 MAC 帧中的帧中的 MAC 地址地址.如果是发往本站的帧则收下，然后再进行其他的处理。否则就将此帧丢弃，不再进行其他的处理。“发往本站的帧发往本站的帧”包括以下三种帧：包括以下三种帧：单播(unicast)帧（一对一）广播(broadca
45、st)帧（一对全体）多播(multicast)帧（一对多）第 1最高位最先发送最低位最高位最低位最后发送00110101 01111011 00010010 00000000 00000000 00000001最低位最先发送最高位最低位最高位最后发送机构惟一标志符 OUI扩展标志符高位在前低位在前十六进制表示的 EUI-48 地址：AC-DE-48-00-00-80二进制表示的 EUI-48 地址：第 1 字节第 6 字节I/G 比特I/G 比特字节顺序第 2第 3第 4第 5第 6第 1字节顺序第 2第 3第 4第 5第 610101100 11011110 01001000 0000000
46、0 00000000 10000000802.5802.6802.3802.4网卡上的硬件地址 路由器1A-24-F6-54-1B-0E00-00-A2-A4-2C-0220-60-8C-C7-75-2A08-00-20-47-1F-E420-60-8C-11-D2-F6路由器由于同时连接到两个网络上，因此它有两块网卡和两个硬件地址。两种不同的 MAC 帧格式 常用的以太网常用的以太网MAC帧格式有两种标准帧格式有两种标准：DIX Ethernet V2 标准 IEEE 的 802.3 标准最常用的最常用的 MAC 帧是以太网帧是以太网 V2 的格式。的格式。以太网 MAC 帧物理层MAC层1
47、0101010101010 10101010101010101011前同步码帧开始定界符7 字节1 字节8 字节插入IP层目的地址 源地址类型数 据FCS6624字节46 1500IP 数据报以太网的 MAC 帧格式 MAC 帧物理层MAC 层IP 层目的地址源地址类型数 据FCS6624字节46 1500IP 数据报以太网 V2 的 MAC 帧格式目的地址字段 6 字节MAC 帧物理层MAC 层IP 层目的地址源地址类型数 据FCS6624字节46 1500IP 数据报以太网 V2 的 MAC 帧格式源地址字段 6 字节MAC 帧物理层MAC 层IP 层目的地址源地址类型数 据FCS6624
48、字节46 1500IP 数据报以太网 V2 的 MAC 帧格式类型字段 2 字节类型字段用来标志上一层使用的是什么协议，以便把收到的 MAC 帧的数据上交给上一层的这个协议。在以太网中，多种协议可以在局域网中同时共存，例如：类型字段取值为十六进制0800的帧将被识别为IP协议帧，而类型字段取值为十六进制8137的帧将被识别为IPX和SPX传输协议帧。MAC 帧物理层MAC 层IP 层目的地址源地址类型数 据FCS6624字节46 1500IP 数据报以太网 V2 的 MAC 帧格式数据字段 46 1500 字节数据字段的正式名称是 MAC 客户数据字段最小长度 64 字节 18 字节的首部和尾
49、部=数据字段的最小长度 MAC 帧物理层MAC 层IP 层目的地址源地址类型数 据FCS6624字节46 1500IP 数据报以太网 V2 的 MAC 帧格式FCS 字段 4 字节当传输媒体的误码率为 1108 时，MAC 子层可使未检测到的差错小于 11014。当数据字段的长度小于 46 字节时，应在数据字段的后面加入整数字节的填充字段，以保证以太网的 MAC 帧长不小于 64 字节。MAC 帧物理层MAC 层IP 层目的地址源地址类型数 据FCS6624字节46 1500IP 数据报以太网 V2 的 MAC 帧格式10101010101010 10101010101010101011前同步
50、码帧开始定界符7 字节1 字节8 字节插入在帧的前面插入的 8 字节中的第一个字段共 7 个字节，是前同步码，用来迅速实现 MAC 帧的比特同步。第二个字段是帧开始定界符，表示后面的信息就是MAC 帧。为了达到比特同步，在传输媒体上实际传送的要比 MAC 帧还多 8 个字节MAC 帧字节6624IP 层物理层目的地址源地址长度/类型FCSMAC 层10101010101010 10101010101010101011前同步码前同步码帧开始定界符帧开始定界符7 字节1 字节8 字节插入数 据MAC 子层IP 层LLC 子层802.2LLC 帧当长度/类型字段表示长度时 802.3MAC 帧以太网
