第三講局域網(wǎng)

1、本講學習目標本講學習目標理解計算機局域網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu) 掌 握 載 波 偵 聽 多 路 訪 問 / 沖 突 檢 測（CSMA/CD）的工作過程 掌握（IEEE802.3）以太網(wǎng)的幀結(jié)構(gòu)以太網(wǎng) 1 局域網(wǎng)概述局域網(wǎng)概述 1.1 局域網(wǎng)的概念、特點局域網(wǎng)的概念、特點 1. 局域網(wǎng)的定義在較小的地理范圍內(nèi)，利用通信線路將許多數(shù)據(jù)設備連接起來，實現(xiàn)彼此之間的數(shù)據(jù)傳輸和資源共享的系統(tǒng)稱為局域網(wǎng)。2. 局域網(wǎng)特點 （1）地理范圍有限。（2）通信速率高。（3）傳輸延時?。?）可靠性較高1.2 局域網(wǎng)的主要技術局域網(wǎng)的主要技術 一般說來，決定局域網(wǎng)特性的主要技術有三個方面：（1）局域網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)。（2）用以傳輸數(shù)

2、據(jù)的介質(zhì)。（3）用以共享媒體的介質(zhì)訪問控制方法。局域網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)1.2 物理層中的傳輸媒體(a) Category 3 UTP.(b) Category 5 UTP.雙絞線1.2 物理層中的傳輸媒體雙絞線同軸電纜 1.2 物理層中的傳輸媒體光纜 1.2 物理層中的傳輸媒體2 局域網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)局域網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu) 2.1 局域網(wǎng)參考模型局域網(wǎng)參考模型 IEEE802參考模型 局域網(wǎng)協(xié)議關系圖IEEE802委員會。IEEE在1980年2月成立了局域網(wǎng)標準化委員會（簡稱IEEE 802 委員會），專門從事局域網(wǎng)的協(xié)議制訂，形成了一系列的標準，稱為IEEE 802標準。IEEE802參考模型的最低層對應于O

3、SI模型中的物理層，包括以下功能： 比特流的傳輸/接收 前導的生成/去除（該前導用于同步） 信號的編碼/解碼 規(guī)定拓撲結(jié)構(gòu)和傳輸速率物理層之上的層次主要為局域網(wǎng)的用戶提供相應的服務。其主要功能如下： 組幀，幀中包含有地址和差錯檢測等字段； 解封，進行地址識別和差錯檢測； 媒體訪問控制； 為高層協(xié)議提供相應的接口，即一個或多個服務訪問點（SAP），并且進行流量和差錯控制。 與開放系統(tǒng)互連參考模型的差異？（通過理解局域網(wǎng)自身的特點及其與開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型所針對的網(wǎng)絡特點之間的差異）分幾層，為什么這樣分層？（考慮網(wǎng)絡協(xié)議所要解決的問題以及特定的網(wǎng)絡通信環(huán)境：距離近、高質(zhì)量的媒體、共享媒體或廣播式通

4、信） 1、在局域網(wǎng)內(nèi)部，路由問題被簡化、所以不必單設網(wǎng)絡層；而多個局域網(wǎng)互聯(lián)時，又涉及多條路徑，所以設置了網(wǎng)際互聯(lián)層802.1。 2、由于共享媒體，出現(xiàn)了新的媒體訪問控制的問題，所以需要增加一部分協(xié)議功能以解決此問題，因為面向媒體，所以應在鏈路層之下；因為在從物理接口發(fā)送之前應該決定能否發(fā)送，所以應在物理層之上，這決定了新的協(xié)議功能，MAC子層的位置簡化的問題以及新增加的問題 因為局域網(wǎng)可以使用不同的媒體（雙絞線、同軸電纜、光纖、無線），可以采用不同的拓撲結(jié)構(gòu)（總線、星、環(huán)、雙環(huán)），可以有不同的媒體訪問控制策略（集中、分布），所以要采用不同的媒體訪問控制方法，因而形成了不同mac子層及物理層的

5、標準，就是IEEE802系列標準的由來。IEEE802協(xié)議 此標準將數(shù)據(jù)鏈路層分為邏輯鏈路控制子層和媒體訪問控制子層，邏輯鏈路控制子層主要提供尋址、排序、差錯控制和流量控制等功能。 802.1網(wǎng)際互連802.2邏輯鏈路控制物理層物理層物理層物理層802.3媒體訪問802.6媒體訪問802.5媒體訪問802.4媒體訪問802.1尋址管理802.1體系結(jié)構(gòu)網(wǎng)際互連邏輯鏈路控制LLC媒體訪問控制MAC物理層2.2 邏輯鏈路控制邏輯鏈路控制LLC子層子層 LLC層處理與接入介質(zhì)無關的而又屬于數(shù)據(jù)鏈路層處理的問題。主要功能如下： 提供與高層的接口； 實現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層的差錯控制； 給幀加上序號； 為高層提供

6、數(shù)據(jù)鏈路層邏輯連接的建立和釋放服務。2.3 媒體訪問控制媒體訪問控制MAC子層子層 媒體訪問控制策略 在所有的媒體訪問控制技術中，最關鍵 的參數(shù)是控制點和控制方法。控制點： 集中與分布：能提供除了對媒體訪問外的其他更高級的功能，如優(yōu)先級控制、可靠性等。 每個站點的訪問控制邏輯簡單 避免對等實體間進行分布合作可能帶來的問題 集中方式具有以下的優(yōu)點： 缺點： 在整個網(wǎng)絡中，如果控制點不能工作，則會導致整個網(wǎng)絡癱瘓 由于所有對共享媒體的訪問要經(jīng)過控制站點的允許，可能會形成瓶頸，降低效率。分布式媒體訪問控制方式的優(yōu)缺點正好與之相反。3 IEEE802.33 IEEE802.3標準：標準：CSMA/CD

7、CSMA/CD（Carrier Sense Multi Carrier Sense Multi Access/Collision DetectionAccess/Collision Detection） 控制點：分布控制 控制方法CSMA/CD多次沖突，放棄發(fā)送。具體思路講前先聽，忙則等待；無聲則講，邊講邊聽；沖突即停，后退重傳；CSMA （Carrier Sense Multi Access） 在CSMA中，由于信道傳播時延的存在，即使總線上兩個站點沒有監(jiān)聽到載波信號而發(fā)送幀時，仍可能會發(fā)生沖突。 CD （Collision Detection） 由于CSMA算法沒有沖突檢測功能，即使沖突已

8、發(fā)生，仍然將已破壞的幀發(fā)送完，使總線的利用率降低。 一種CSMA的改進方案是使發(fā)送站點傳輸過程中仍繼續(xù)監(jiān)聽媒體，以檢測是否存在沖突。 兩者的結(jié)合稱做載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測協(xié)議，簡寫為CSMA/CD，這種協(xié)議已廣泛應用于局域網(wǎng)中。CSMA/CD其具體工作過程概括如下： （1）先偵聽信道，如果信道空閑則發(fā)送信息。 （2）如果信道忙，則繼續(xù)偵聽，直到信道空閑時立即發(fā)送。 （3）發(fā)送信息后進行沖突檢測，如發(fā)生沖突，立即停止發(fā)送，并向總線上發(fā)出一串阻塞信號（連續(xù)幾個字節(jié)全1），通知總線上各站點沖突已發(fā)生，使各站點重新開始偵聽與競爭。 （4）已發(fā)出信息的各站點收到阻塞信號后，等待一段隨機時間，重新進入

9、偵聽發(fā)送階段。對載波偵聽多路訪問CSMA的理解 什么是載波？ 如何偵聽載波？ 什么是多路訪問？對沖突檢測CD 的理解 何謂沖突？ 在何情況下會發(fā)生沖突？ 問題，實際沖突的漏檢當疊加的信號返回到先發(fā)送的站時，該站可能已經(jīng)發(fā)送完整個幀，并把沖突信號當做是載波。協(xié)議失敗了! 最短傳輸時間 最小幀長 電纜長度 最大幀長 站點要求發(fā)送有載波？發(fā)送一幀信息有沖突？發(fā)出阻塞信號沖突 16？延時處理放棄發(fā)送另作處理一次發(fā)送結(jié)束圖4.3 CSMA/CD發(fā)送過程流程圖YNYNNY CSMA/CD發(fā)送過程流程圖發(fā)送過程流程圖后退機制。 后退多久 每個站都后退1s行不行 隨機退讓行不行 純隨機與隨機退讓整數(shù)個時隙陰影

10、區(qū)的沖突區(qū)間二進制指數(shù)退避算法規(guī)則如下：(1)對每個數(shù)據(jù)幀，當?shù)谝淮伟l(fā)生沖突時，設置一個參量L=2；(2)退避間隔取1到L個時隙中的一個隨機數(shù)，1個時隙等于兩站之間的最大傳播時延的兩倍；(3)當數(shù)據(jù)幀再次發(fā)生沖突，由將參量L加倍；(4)設置一個最大重傳次數(shù)，超過該次數(shù)，則不再重傳，并報告出錯。 二進制指數(shù)退避算法是按后進先出的次序控制的，即未發(fā)生沖突或很少發(fā)生沖突的數(shù)據(jù)幀，具有優(yōu)先發(fā)送的概率；而發(fā)生過多次沖突的數(shù)據(jù)幀，發(fā)送成功的概率就更少。 由于在媒體上傳播的信號會衰減，為確保能檢測出沖突信號，CSMA/CD總線網(wǎng)限制一段無分支電纜的最大長度為500米。 電纜長度受限的兩個原因：最小幀長信號衰

11、減1、IEEE 802.3 MAC幀格式4 以太網(wǎng)以太網(wǎng)（1）前導碼（7B）（2）幀起始定界符（2B）（3）目標地址和源地址。（2 OR 6B）（4）數(shù)據(jù)域長度（2B）（5）數(shù)據(jù)域（不確定）（6）填充域（不確定）（7）校驗字段（4B） 除數(shù)據(jù)字段和填充字段外，其余的長度都是固定的。前導碼字段P占7個字節(jié)，每個字節(jié)的比特模式為“10101010” 幀起始定界符字段SFD占1個字節(jié)，其比特模式為“10101011”地址字段包括目的地址字段DA和源地址字段SA。目的地址字段占2個或6個字節(jié)源地址字段也占2個或6個字節(jié) 長度字段LEN占兩個字節(jié),其值表示數(shù)據(jù)字段的長度即為LLC子層遞交的LLC幀序列,

12、其值為01500個字節(jié)。填充字段至多46字節(jié)。幀校驗序列FCS字段是32位(即4個字節(jié))的循環(huán)冗余碼(CRC)。 2、MAC子層功能說明 MAC子層有兩個主要的功能：一、數(shù)據(jù)的封裝與解封包括組幀、尋址和錯誤檢測；二、介質(zhì)訪問管理，包括介質(zhì)分配和沖突解決。 LLC子層發(fā)送數(shù)據(jù)封裝發(fā)送介質(zhì)訪問管理接收介質(zhì)訪問管理接收數(shù)據(jù)解封MAC子層發(fā)送數(shù)據(jù)編碼接收數(shù)據(jù)解碼 當LLC子層請求發(fā)送一數(shù)據(jù)幀時，MAC子層的發(fā)送數(shù)據(jù)封裝部分便按MAC子層的數(shù)據(jù)幀格式組幀。首先將一個前導P和一個幀起始定界符SFD附加到幀的開始部分填上目的地址和源地址計算出LLC數(shù)據(jù)幀的字節(jié)數(shù)，填入數(shù)據(jù)長度計數(shù)字段LEN。必要時還要將填充

13、字符PAD附加到LLC數(shù)據(jù)幀后，以確保傳送幀的長度滿足最短幀長的要求。最后求出CRC校驗附加到幀校驗列FCS中。完成數(shù)據(jù)封裝后的MAC幀，便可遞交MAC子層的發(fā)送媒體訪問管理部分以供發(fā)送。 借助于監(jiān)視物理層收發(fā)信號(PLS)部分提供的載波監(jiān)聽信號，發(fā)送媒體訪問管理設法避免發(fā)送信號與媒體上其它信息發(fā)生沖突。在媒體空閑時，經(jīng)短暫的幀間延遲(提供給媒體恢復時間)之后，就啟動幀發(fā)送。然后，MAC子層將串行位流送給PLS接口以供發(fā)送。 PMA（物理媒體訪問部件）完成產(chǎn)生媒體上電信號的任務，同時監(jiān)視媒體和產(chǎn)生沖突檢測信號。在沒有爭用的情況下，即可完成發(fā)送。發(fā)送完成后，MAC子層通過LLC與MAC間的接口通

14、知LLC子層，等待下一個發(fā)送請求。 假如產(chǎn)生沖突，PLS接通沖突檢測信號，接著發(fā)送媒體訪問管理開始處理沖突。首先它發(fā)送一串稱為阻塞(JAM)碼的位序列來強制沖突，由此保證有足夠的沖突持續(xù)時間，以使其它與沖突有關的發(fā)送站點都得到通知。在阻塞信號結(jié)束時，發(fā)送媒體訪問管理就暫停發(fā)送，等待一個隨機選擇的時間間隔后再進行重發(fā)嘗試。發(fā)送媒體訪問管理用二進制指數(shù)退避算法調(diào)整媒體負載。最后，或者重發(fā)成功或者在媒體故障、過載的情況下，放棄重發(fā)嘗試。 接收媒體訪問管理部分的功能是，首先由PLS檢測到達幀，使接收時鐘與前導碼同步，并接通載波監(jiān)聽信號。接收媒體訪問管理部件要檢測到達的幀是否錯誤，幀長是否超過最大長度，

15、是否為8位的整倍數(shù)。還要過濾因沖突產(chǎn)生的碎片信號(即小于最短長度的幀)。接收數(shù)據(jù)解封部分的功能，用于檢驗幀的目的地址字段，以確定本站點是否應該接收該幀。如地址符合，將其送到LLC子層，并進行差錯檢驗。IEEEE 802.3委員會在定義可選的物理配置方面表現(xiàn)了極大的多樣性和靈活性。為了區(qū)分各種可選用的實現(xiàn)方案，該委員會給出了一種簡明的表示方法： 如10BASE5、10BASE2、10BASE-F，其中的T表示雙絞線、F表示光纖。 2 IEEE 802.3IEEE 802.3物理層規(guī)范物理層規(guī)范 (1)10BASE5和10BASE2。 與10BASE5一樣，10BASE2也使用50歐姆同軸電纜和曼

16、切斯特編碼。數(shù)據(jù)速率為10Mbps。 兩者的區(qū)別在于10BASE5使用粗纜(50mm),10BASE2使用細纜(5mm)。 由于兩者數(shù)據(jù)傳輸率相同,所以可以使用10BASE2電纜段和10BASE5電纜段共存于一個網(wǎng)絡中.圖圖 10BASE-2以太網(wǎng)連接以太網(wǎng)連接(2)10BASE-T。10BASE-T定義了一個物理上的星形拓撲網(wǎng),其中央節(jié)點是一個集線器,每個節(jié)點通過一對雙絞線與集線器相連。集線器的作用類似于一個轉(zhuǎn)發(fā)器,它接收來自一條線上的信號并向其他的所有線轉(zhuǎn)發(fā)。由于任意一個站點發(fā)出的信號都能被其他所有站點接收,若有兩個站點同時要求傳輸,沖突就必然發(fā)生。所以,盡管這種策略在物理上是一個星形結(jié)構(gòu)

17、，但從邏輯上看與CSMA/CD總線拓撲的功能是一樣的。圖圖2-7 10BASE-T以太網(wǎng)連接以太網(wǎng)連接返回本節(jié)返回本節(jié) (3)10BASE-F。10BASE-F是802.3中關于以光纖作為媒體的系統(tǒng)的規(guī)范。該規(guī)范中，每條傳輸線路均使用一條光纖，每條光纖采用曼切斯特編碼傳輸一個方向上的信號。每一位數(shù)據(jù)經(jīng)編碼后，轉(zhuǎn)換為一對光信號元素(有光表示高、無光表示低)。 由于曼切斯特編碼每兩個時鐘周期發(fā)出一個有效的二進制比特，所以一個10Mbps的數(shù)據(jù)流實際上需要20Mbps的信號流。IEEE802.3委員會于1992年提出制定快速以太網(wǎng)標準。在IEEE802.3基礎上，把傳輸速率從10Mbps提高到100

18、Mbps，并于1995年6月，正式把它定為快速以太網(wǎng)標準IEEE802.3u。在IEEE802.3基礎上，把傳輸速率從10Mbps提高到100Mbps，并于1995年6月，正式把它定為快速以太網(wǎng)標準IEEE802.3u。包括：100BASE-TX100BASE-FX100BASE-T45 快速以太網(wǎng)快速以太網(wǎng)100BASE-T組網(wǎng)方法 圖圖4-8 兩級交換機快速以太網(wǎng)組網(wǎng)圖兩級交換機快速以太網(wǎng)組網(wǎng)圖.100BASE-T媒體訪問控制方法 100BASE-T仍采用常規(guī)10Mbps以太網(wǎng)的CSMA/CD媒體訪問控制方法，但其性能是10BADE-T的10倍。100BASE-T的MAC與10BASE-T

19、的MAC相比，除了幀際間隙縮短到原來的1/10外，兩者的幀格式及參數(shù)完全相同。100BASE-T的MAC除可以運行于不同的速率，并能與不同的物理層接口。這樣，原先10Mbps以太網(wǎng)上運行的軟件不加任何修改即可在快速以太網(wǎng)上運行，原先的協(xié)議分析和管理工具也可輕易地被繼承。 為了能成功地進行沖突檢測，100BASE-T也必須滿足“最短幀長沖突檢測時間*數(shù)據(jù)傳輸速率”的關系。其中的沖突檢測時間等于網(wǎng)絡中最大傳播時延的2位。100BASE-T與10BASE-T的MAC幀相同，兩者的最短幀長均為64字節(jié)（512比特），但由于100BASE-T的數(shù)據(jù)速率提高了10位，故相應的沖突檢測時間縮短為10BASE-T的1/10，由此整個網(wǎng)絡的直徑（任何兩站點間的最大距離）也減小到10BASE-T的1/10。 .100BASE-T的物理層100BASE-T和10BASE-T的區(qū)別在物理層標準和網(wǎng)絡設計方面。100BASE-T的物理層包含三種媒體選項：100BASE-TX、100BASE-FX和100BASE-T4。（1）100BASE-TX和100BASE-FX。100BASE-TX