1、第4章计算机局域网络1解读 80年代，微型机发展迅速，彼此需要相互通信（近距年代，微型机发展迅速，彼此需要相互通信（近距离），共享资源；离），共享资源；分布式的网络应用：分布式计算，分布式数据库分布式的网络应用：分布式计算，分布式数据库局域网是在一个较小的范围，利用通信线路将众多计局域网是在一个较小的范围，利用通信线路将众多计算机（一般为微机）及外设连接起来，达到数据通信算机（一般为微机）及外设连接起来，达到数据通信及资源共享目的的一种网络。及资源共享目的的一种网络。覆盖范围小房间、建筑物、园区范围距离0.125km之间 高传输速率 10Mbps1000Mbps 低误码率10-8 10-11
2、采用星形、环形、总线、树形拓扑 为一个单位所拥有，自行建设，不对外提供服务 双绞线、同轴电缆、光纤 技术侧重点是共享信息的处理决定局域网特性的主要技术有三种：用以连接各种设备的拓扑结构星形、环形、总线型、树形 用以数据通信的数据传输形式 基带、频带（宽带）基带、频带（宽带）用以共享资源的介质访问控制方法 按协议实现信道共享:CSMA/CD、CSMA/CA、TOKEN PASSING这三种技术在很大程度上决定了传输介质、传输数据的类型、网络的响应时间、吞吐量和效率，以及网络的应用等各种网络特性。星型:所有结点都连接到中央结点 环型:结点通过点到点链路与相邻结点连接 总线型:所有结点都直接连接到共
3、享信道 基带传输把数字脉冲信号直接在传输介质上传输典型传输介质：双绞线、基带同轴电缆和光导纤维 频带传输（宽带传输）把数字脉冲信号经调制后再在传输介质上传输典型传输介质：宽带同轴电缆和无线电波等局域网中主要的传输形式为基带传输，频带传输用在无线局域网中。即信道访问控制方法（简称：访问方法），指网络中的多个站点如何共享通信媒体（介质）的。局域网采用的访问方法有：带冲突检测的载波侦听多路访问 CSMA/CD 冲突避免的载波侦听多路访问 CSMA/CA（无线局域网）令牌环Token Ring（TOKEN PASSING）令牌总线Token Bus（TOKEN PASSING）描述物理层和数据链路层的
4、功能及与网络层的接口服务。IEEE802定义的物理层功能：1.位流的发送/接收 2.前导码（前缀）的生成/除去（用于同步）3.信号的编码/译码 具体规定了信号的编码/译码、拓朴结构、传输媒体和速率：1.信号编码采样曼彻斯特编码 2.介质为双绞线、同轴电缆、光缆、无线介质等 3.拓扑结构为总线型、树形（星形）和环形 4.传输速率为1Mbps、4Mbps、10Mbps、16Mbps、100Mbps、1000Mbps等 局域网的物理层确定了两个接口：1.介质相关接口（MDI）该接口随介质的不同而改变，但不影响数据链路控制子层LLC和媒体访问控制子层MAC的工作。2.连接单元接口（AUI）特殊的连接部
5、件，类似于粗缆以太网中的收发器电缆。可选项，因为在细缆和双绞线情况下，AUI不存在。IEEE 802委员会按功能将数据链路层划分为两个子层:1.逻辑链路控制（LLC）子层（数据链路控制子层）2.介质访问控制（MAC）子层（媒体访问控制子层）n功能分解的原因与目的：l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。l局域网特点：共享信道，需要解决介质访问控制问题。分层可以使LLC帧的传输独立于介质和MAC方法，使LAN体系结构能适应多种传输媒体，也即在局域网上同一LLC可以有几种MAC方式的选择以适应不同的媒体和访问方法。nLLC功能：向高层提供一个或多个服务访问点（SAP：两
6、个相邻层之间的逻辑接口）；数据帧的发送/接收；帧顺序控制、差错控制和流量控制；某种网络层功能，如数据报、虚电路和多路复用等。nMAC功能：管理多个源链路和多个目的链路；IEEE802制定了若干介质访问控制方法；LLC：与介质、拓扑无关；MAC：与介质、拓扑相关。n实际应用中一般不考虑实际应用中一般不考虑 LLC 子层子层 到了到了20世纪世纪90年代后，激烈竞争的局域网市场逐渐明朗。年代后，激烈竞争的局域网市场逐渐明朗。以太网（以太网（只有只有MAC层协议以及物理层的局域网）在局域层协议以及物理层的局域网）在局域网市场中已取得垄断地位，并且几乎成了局域网的代名词。网市场中已取得垄断地位，并且几
7、乎成了局域网的代名词。因此因此802委员会制定的逻辑链路控制子层委员会制定的逻辑链路控制子层LLC（即（即802.2标标准）的作用已经不大了，很多厂商生产的网卡上就仅装有准）的作用已经不大了，很多厂商生产的网卡上就仅装有MAC协议而没有协议而没有LLC协议。协议。本章在介绍以太网时一般都不用考虑本章在介绍以太网时一般都不用考虑LLC子层。子层。LAN的网络层和更高层次 由于IEEE 802局域网拓扑结构简单，一般不需中间转接，所以网络层的很多功能(如路由选择等)是没有必要的，而流量控制、寻址、排序、差错控制等功能可在数据链路层完成，故IEEE 802标准没有单独设立网络层。IEEE802没有定
8、义局域网的高层，在实际计算机网络中，一般由TCP/IP等协议集和网络操作系统（NOS：Unix、Windows NT、Netware）共同来实现。计算机网络按照通信传播方式可以分成两类：n使用点到点连接的网络使用点到点连接的网络 广域网广域网n使用广播信道的网络使用广播信道的网络 局域网局域网l关键问题：如何解决对信道争用关键问题：如何解决对信道争用 解决信道争用问题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。IEEE 802.3MAC标准中相关概念:冲突：在广播式信道中（例如总线型网络中的总线），有两个或两个以上工作站同时发送数
9、据，在信道上产生信号的混合。载波侦听：发送信息前，检测信道的空闲状态。冲突检测：发送信息时，检测是否发生冲突。多路访问：多结点（工作站）访问同一媒体（共享信道），或者多结点从同一媒体接收信息。多路访问协议：控制多个用户共用一条信道的协议。信道分配方法有两种：静态分配和动态分配n静态分配静态分配l频分多路复用频分多路复用 FDM（波分复用（波分复用WDM）w原理：将频带平均分配给每个要参与通信的用户；原理：将频带平均分配给每个要参与通信的用户；w特点：适合于用户较少，数目基本固定，各用户的通特点：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；信量都较大的情况；w缺点：无法灵活地适应站
10、点数及其通信量的变化。缺点：无法灵活地适应站点数及其通信量的变化。l时分多路复用时分多路复用 TDMw原理：每个用户拥有固定的信道传送时间槽；原理：每个用户拥有固定的信道传送时间槽；w特点：适合于用户较少，数目基本固定，各用户的通特点：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；信量都较大的情况；w缺点：无法灵活地适应站点数及其通信量的变化。缺点：无法灵活地适应站点数及其通信量的变化。n动态分配动态分配l信道分配模型的五个基本假设：信道分配模型的五个基本假设：w站点模型：每个站点是独立的，并以固定的速率产生站点模型：每个站点是独立的，并以固定的速率产生帧，一帧产生后到被发送走之前
11、，站点被封锁；帧，一帧产生后到被发送走之前，站点被封锁；w单信道假设：所有的通信都是通过单一的信道来完成单信道假设：所有的通信都是通过单一的信道来完成的，各个站点都可以从信道上收发信息；的，各个站点都可以从信道上收发信息；w冲突假设：所有的站点都能检测到冲突，冲突帧必须冲突假设：所有的站点都能检测到冲突，冲突帧必须重发；重发；w连续时间和时间分槽（确定何时发送）；连续时间和时间分槽（确定何时发送）；w载波侦听和非载波侦听。载波侦听和非载波侦听。CSMA/CD主要解决问题：1.各站点如何访问共享介质；2.如何解决同时访问造成的冲突。CSMA/CD对站点的要求1.具有判断信道忙/闲的能力（利用站点
12、的接收器接收信道上传输的信号：信号有变化忙；信号无变化闲）。2.具有判断冲突的能力。冲突检测 冲突检测是一个模拟过程，当站点在发送时，其硬件设备必须侦听线缆。站点通过检测信道上反馈信号的能量或脉冲宽度并将之与传送信号比较就可判断是否产生了冲突。u基带接收机搜索高于预期的电压电平来检测冲突的发生基带接收机搜索高于预期的电压电平来检测冲突的发生u宽带接收机则常使用把收到的数据与发出的数据的比特宽带接收机则常使用把收到的数据与发出的数据的比特逐个进行比较的方法来检测冲突的发生逐个进行比较的方法来检测冲突的发生 为了减少局域网上各个站之间的发送冲突，人们引入了载波侦听多路访问（CSMA）的策略，也叫做
13、先听后说。基本的CSMA介质访问方法（1）一个站要发送信息时，首先需侦听总线，以确定介质上是否有其他站点发送的信号（2）若介质上空闲的（没有其他站点发送），则可以发送信息（3）若介质忙（其他站点正在发送），则此站不能发送，需后重试，即返回（1）等待一段时间：坚持退避 坚持退避算法坚持退避：“等待一定间隔时间”非坚持（不坚持）CSMA（nonpersistent CSMA）：n原理 若站点有数据发送，先若站点有数据发送，先侦侦听信道；听信道；若站点发现信道空闲，则发送；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。若信道忙，等待一随机时间，然后重新开始发送过程。n优
14、点：减少了冲突的概率；n缺点：增加了信道空闲时间，数据发送延迟增大；1-坚持型CSMA（1-persistent CSMA）n原理原理l若站点有数据发送，先若站点有数据发送，先侦侦听信道；听信道；l若站点发现信道空闲，则发送；若站点发现信道空闲，则发送；l若信道忙，则继续若信道忙，则继续侦侦听直至发现信道空闲，然后完成发听直至发现信道空闲，然后完成发送；送；n优点：减少了信道空闲时间；优点：减少了信道空闲时间；n缺点：增加了发生冲突的概率；缺点：增加了发生冲突的概率；n信道效率比非坚持信道效率比非坚持CSMA低，传输延迟比非坚持低，传输延迟比非坚持CSMA小。小。n广播延迟对本协议性能的影响：
15、广播延迟越大，发生冲突的广播延迟对本协议性能的影响：广播延迟越大，发生冲突的可能性越大，协议性能越差。可能性越大，协议性能越差。p-坚持型CSMA（p-persistent CSMA）n原理：若站点有数据发送，先若站点有数据发送，先侦侦听信道；听信道；若站点发现信道空闲，则以概率若站点发现信道空闲，则以概率p发送数据，以概率发送数据，以概率q=1-p 延迟一个时间单位（时间单位等于最大的传播延延迟一个时间单位（时间单位等于最大的传播延迟）。延迟后重复第一步；迟）。延迟后重复第一步；若信道忙，则重复第一步。若信道忙，则重复第一步。n优点：降低了降低了1坚持算法的冲突概率坚持算法的冲突概率 减轻了
16、非坚持算法中介质利用率低的问题减轻了非坚持算法中介质利用率低的问题n难点：P值的选择：NP1N为介质忙时，要发送数据的站点数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 问题：既然每一个站在发送数据之前已经侦听到信道为问题：既然每一个站在发送数据之前已经侦听到信道为“空闲空闲”，那么为什么还会出现数据在总线上的碰撞呢？那么为什么还会出现数据在总线上的碰撞呢？n这是因为电磁波在介质上总是以有限的传播速率在传播。这是因为电磁波在介质上总是以有限的传播速率在传播。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。当某个站监听
17、到总线是空闲时，也可能总线并非真正是空闲的。A 向向 B 发出的信息，要经过一定的时间后才能传送到发出的信息，要经过一定的时间后才能传送到 B。B 若在若在 A 发送的信息到达发送的信息到达 B 之前发送自己的帧之前发送自己的帧(因为这时因为这时 B 的载波的载波侦听检测不到侦听检测不到 A 所发送的信息所发送的信息)，则必然要在某个时间和，则必然要在某个时间和 A 发送的发送的帧发生碰撞。帧发生碰撞。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。CSMA/CD协议的原理 站点使用站点使用CSMA协议进行数据发送；协议进行数据发送；站点在发送帧的同时需要继续侦听是否发生冲突，若在
18、站点在发送帧的同时需要继续侦听是否发生冲突，若在帧发送期间检测到冲突，立即终止发送，并向介质发出帧发送期间检测到冲突，立即终止发送，并向介质发出一串干扰（阻塞）信号，使所有的站点都知道发生了冲一串干扰（阻塞）信号，使所有的站点都知道发生了冲突；突；在发出干扰信号（阻塞）后，等待一段随机时间，再重在发出干扰信号（阻塞）后，等待一段随机时间，再重复第一步。复第一步。CSMA/CD协议的工作过程通常可以概括为：先听后发边听边发冲突停发随机重发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 1 kmABt碰撞t=B 检测到信道空闲发送
19、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为 说明说明n电磁波在电磁波在1km电缆上的传播时延约为电缆上的传播时延约为5 s。n在局域网的分析中，常将总线上的单程端到端传播时延在局域网的分析中，常将总线上的单程端到端传播时延记为记为。重要特性重要特性n从上面的分析可知，从上面的分析可知，A发送数据后，最迟经过两倍的端到端的传发送数据后，最迟经过两倍的端到端的传播时延（播时延（2 ）就能知道自己发出
20、的数据是否发生了碰撞。）就能知道自己发出的数据是否发生了碰撞。n2 为为检测到冲突的最长时间长度，经过这段时间还没有检测到检测到冲突的最长时间长度，经过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。碰撞，才能肯定这次发送不会发生碰撞。n由此可见，每一个站在发送数据之后的一小段时间内（由此可见，每一个站在发送数据之后的一小段时间内（2 ），存在着遭遇碰撞的可能性。这一小段时间是不确定的，它取决存在着遭遇碰撞的可能性。这一小段时间是不确定的，它取决于两个发送数据的主机之间的距离。于两个发送数据的主机之间的距离。CSMA/CD的这一特点称为的这一特点称为发送的不确定性发送的不确定性。n以太
21、网采用了以太网采用了CSMA/CD 协议，这种协议，这种发送的不确定性发送的不确定性使整个以使整个以太网的平均通信量远小于以太网的最高传输速率。太网的平均通信量远小于以太网的最高传输速率。n使用使用 CSMA/CD 协议的以太网不能进行全双工通信而只能进行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）。双向交替通信（半双工通信）。避免帧的第一个比特到达电缆的远端前，帧已经发完，帧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发送时间应该大于 2；假设假设R为网络传输速率，为网络传输速率，F为帧长，则：为帧长，则：假设假设S为网络跨距，因为：为网络跨距，因
22、为：所以所以 最小帧长度不变时，网络传输速率越高，网络跨距就越小最小帧长度不变时，网络传输速率越高，网络跨距就越小 传输速率固定时，网络跨距越大，最小帧长度就应该越大传输速率固定时，网络跨距越大，最小帧长度就应该越大 网络跨距固定时，传输速率越高，最小帧长度就应该越大网络跨距固定时，传输速率越高，最小帧长度就应该越大 minFR f SkSR2FR 2f S FR f S 以太网中以太网中争用期争用期的长度的长度 n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，或碰撞窗口碰撞窗口。n以太网取以太网取 51.2 s 为争用期的长度（大约为争用期的长度（大约5km电缆
23、线）。电缆线）。n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。n以太网在发送数据时，若前以太网在发送数据时，若前 64 字节没有发生冲突，则后续的数据就不字节没有发生冲突，则后续的数据就不会发生冲突。会发生冲突。以太网中最短有效帧长以太网中最短有效帧长64Byte n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 字节之内。字节之内。n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于 64 字节。字节。n以太网规定了最短有效
24、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 字节的帧都是字节的帧都是由于冲突而异常中止的由于冲突而异常中止的无效帧（碎片帧）无效帧（碎片帧）。以太网中规定，网络上传输的帧与帧之间的间隙至少为以太网中规定，网络上传输的帧与帧之间的间隙至少为96bit的的时间（时间（10Mbps Ethernet 为为9.6微秒），称为帧间间隔微秒），称为帧间间隔IFS。l 在相继发送的两帧之间强制插入在相继发送的两帧之间强制插入9.6 s的帧间的帧间间隔的目的：确保其他站点也能占用信道间隔的目的：确保其他站点也能占用信道FCSSATypePADADataPadPA帧帧n帧帧n
25、+1n当发送数据的站一旦发现发生了碰撞时，除了立即停止发送数据外，还要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人为干扰信号人为干扰信号 ABTBt 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。n问题 现在考虑一种情况。当某个站正在发送数据时，有另外两个站有数据要发送。这两个站进行载波侦听，发现总线忙，于是就等待。当他们同时发现总线变为空闲时，就立即发送自己的数据。但这必然再次产生碰撞
26、。经冲突检测发现了碰撞，就停止发送。然后再重新发送这样下去，一直不能发送成功。以太网使用截断二进制指数类型的退避算法解决这个问题。n截断二进制指数（Truncated Binary Exponential）退避算法(1)确定基本退避时间T，一般取为时间槽长度，即T2；(2)定义一个参数k，它等于重传的次数，但不超过10，即kmin（重传次数，10）；(3)从离散的整数集合 0，1，（2k1）中随机的抽取一个数，记为r。则重传前需要延迟的时间为rT；(4)当重传达16次仍不能成功，则丢弃帧，并向上层软件或管理实体报告，由他们来决定如何处理此错误。例如：在第一次重传时，k1，r0或1。因此重传推迟
27、的时间是0或T。（第一次重传表明是第二次传送该帧，第一次传送失败）在第二次重传时，k2，r0，1，2或3。因此重传推迟的时间是0，T，2T或3T。依此类推，直到重传达16次。在网络信息较少时能够较好地工作，当网络上传输的信息逐渐增多时，冲突会越来越多。正常情况下，CSMA/CD网络的网络利用率为3040，当网络利用率达到80时，冲突会导致网络速率急剧下降。导致大量冲突的因素：n传输信息站点太多传输信息站点太多n网卡出现故障网卡出现故障n网络介质故障网络介质故障n网络布线不符合规范网络布线不符合规范此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢
