Transcript 第7讲局域网

第 7 讲 局域网（1）
知识回顾
 数据链路层功能
 差错控制
 透明传输
 帧定界
 流量控制
本讲内容和教学目标
 了解局域网的拓扑结构和共享媒体
 了解适配器的作用
 理解CSMA/CD协议的工作原理
 掌握二进制指数类型退避算法
局域网
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。
 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
集线器
星形网
总线网
匹配电阻
干线耦合器
环形网
树形网
星型（Star）拓扑结构
 特点：
 集中控制
 中心交换节点功
能复杂，但其他
通信节点负荷相
对较轻。
 建设成本较大
 可扩展性好
Central
server
环型（Ring）
 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
控制媒体访问。
 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：
– 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 network
总线型（Bus）
 通信网络只是传输
媒体
 成本低
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。
 分散控制
 常采用CSMA/CD
或Token方式进行媒
体访问控制
 广播型网络
Bus network
树型
Network backbone
Concentrator
(or hub)
其它网络拓扑结构-网状（Mesh）
 网络复杂
 连接成M×N
媒体共享技术
 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）
– 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。
 IEEE 的 802.3 标准。 IEEE是电气和电子工程师协会（Institute
of Electrical and Electronics Engineers）的简称.
 DIX Ethernet V2 标准与 IEEE 的 802.3 标准只有很小的差别，因此可
以将 802.3 局域网简称为“以太网”。
 严格说来，“以太网”应当是指符合 DIX Ethernet V2 标准的局域网 。
IEE802将数据链路层分为LLC子层和MAC子层
 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
层和逻辑链路层；而IEEE 802.3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。
 http://en.wikipedia.org/wiki/IEEE_802
IEEE 802 Architecture
IEEE 802协议1-6
 IEEE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
1980年2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。
 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、网络管理、路由选择、桥接和性能测量。
 802.2--连接链路控制LLC，提供OSI数据链路层的高子层功能，提供
LAN 、MAC子层与高层协议间的一致接口。
 802.3--以太网规范，定义CSMA/CD标准的总线介质访问控制（MAC）
子层和物理层规范。
 802.4--令牌总线网。定义令牌总线（Token Bus）介质访问控制（MAC）
子层和物理层规范。
 802.5--令牌环线网，定义令牌传环（Token Ring）介质访问控制
（MAC）子层和物理层规范。
 802.6--城域网MAN，定义城域网（MAN）的介质访问控制（MAC）
子层和物理层规范(DQDB分布队列双总线)。
IEEE802协议7-21
 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。
 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。
 802.9--综合话音/数据局域网（IVD LAN ）。定义综合话音/数据终端访问综合话音/数据
局域网（包括IVD LAN、MAN、WAN ）的媒体访问控制（MAC）子层和物理层规范。
 802.10--可互操作局域网安全标准（SILS ）。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（MAC）子层和物理层规范。
 802.12--按需优先（100VG-ANYLAN ）。定义使用按需优先访问方法的100Mpbs 的以太
网标准。
 802.14--定义了电缆调调制解调器（cable modem）标准。
 802.15--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。
 目前，IEEE标准802.1-802.6 已成为ISO的国际标准ISO8802-1~8802-6。
 802.17 (弹性分组环 (Resilient Packet Ring))
 802.18：无线管制 Radio Regulatory TAG
 802.19：共存 Coexistence TA
 802.20：移动宽带无线接入 Mobile Broadband Wireless Access (MBWA)
 802.21：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，
802 委员会就将局域网的数据链路层拆成两个子
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关的内容都放在 MAC子层，
而 LLC 子层则与传输媒体无关，不管采用何种
协议的局域网对 LLC 子层来说都是透明的
局域网对 LLC 子层
是透明的
LLC 子层看不见
下面的局域网
网络层
网络层
逻辑链路控制
LLC
LLC
媒体接入控制
MAC
局域网
MAC
物理层
物理层
站点 1
站点 2
数据
链路层
LLC的功能
 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
– 类似于HDLC协议
以后一般不考虑 LLC 子层
由于 TCP/IP 体系经常使用的局域网是
DIX Ethernet V2 而不是 802.3 标准中的几
种局域网，因此现在 802 委员会制定的逻
辑链路控制子层 LLC（即 802.2 标准）的
作用已经不大了。
很多厂商生产的适配器上就仅装有 MAC
协议而没有 LLC 协议。
适配器的作用
 网络接口板又称为通信适配器(adapter)或网络接
口卡 NIC (Network Interface Card)，或“网卡”。
 适配器的重要功能
– 进行串行/并行转换。
– 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
IP 地址
硬件地址
计算机
CPU 和
存储器
生成发送的数据
处理收到的数据
并行
通信
适配器
（网卡）
把帧发送到局域网
从局域网接收帧
至局域网
串行通信
Star Layout - Bus Topology
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
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）：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70年代，美国夏威夷大学的ALOHA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
上，是最早采用争用协议的网络。
 有两个版本：
– 纯ALOHA协议（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（Carrier Sense Multiple Access）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，
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“讲前先听”
 常见的四种CSMA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)
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
E
接受
不接受
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 B 发送的数
据信号。
 由于只有计算机 D 的地址与数据帧首部写入的地址一
致，因此只有 D 才接收这个数据帧。
 其他所有的计算机（A, C 和 E）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不能够收下
来。
 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
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
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
码元
基带数字信号
曼彻斯特编码
出现电平转换
1
0
0
0
1
0
0
1
1
1
载波监听多点接入/碰撞检测
CSMA/CD
 CSMA/CD 表示 Carrier Sense Multiple Access with
Collision Detection。
 “多点接入”表示许多计算机以多点接入的方式连接在一
根总线上。
 “载波监听”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
要发送数据，以免发生碰撞。
 总线上并没有什么“载波”。因此， “载波监听”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。
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
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
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
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“碰撞”就是发生了冲突。因此“碰撞检测”也称为
“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
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了
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。
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
非真正是空闲的。
 A 向 B 发出的信息，要经过一定的时间后才能
传送到 B。
 B 若在 A 发送的信息到达 B 之前发送自己的帧
(因为这时 B 的载波监听检测不到 A 所发送的
信息)，则必然要在某个时间和 A 发送的帧发
生碰撞。
 碰撞的结果是两个帧都变得无用。
传播时延对载波监听的影响
t=0
A
1 km
B
碰撞
t
t = 2  
B 发送数据
t=
t=
A 检测到发生碰撞
B 检测到发生碰撞
单程端到端
传播时延记为
1 km
A
t=0
B
碰撞
t = 2  
t=0
A 检测到
信道空闲
发送数据
t=
t=
A 检测到发生碰撞
t
单程端到端
传播时延记为
B 检测到发生碰撞
A
B
A
A
A
t = 2  
A 检测到
发生碰撞
STOP
B
t=
B 检测到信道空闲
发送数据
B
t=/2
发生碰撞
B
t=
B 检测到发生碰撞
停止发送
STOP
A
B 发送数据
B
CSMA/CD技术
是一种随机争用的
媒体访问控制方法
1
3
Two nodes transmit
at the same time
Nodes transmit a
jamming signal
2
4
All computers have access to
a common bus at the same time
Node detect there
has been a collision
Nodes wait a random
period before retransmitting
CSMA/CD 流程图
碰撞检测
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。
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 2 （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 2 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。
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 2。
– 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。
二进制退避算法
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。
 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。
人为干扰信号
A 发送数据
A
开始冲突
B 发送数据
B

TB
TJ
t

A 检测
到冲突
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。
CSMA/CD的要点归纳
 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
再发送。
 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。
 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。
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（CSMA/CD）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
是一种广播网络。 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
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）。
本讲小结
 局域网拓扑结构
 802.3标准
 LLC和MAC子层
 CSMA/CD协议
 二进制指数退避算法
作业
 上交作业
– P106,3-14,3-19,3-20,3-22,3-25
 实验布置
– 实验三