信號與系統(tǒng)修改第9章局域網(wǎng)

1、第9章 局域網(wǎng)局域網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)9.1物理層9.2數(shù)據(jù)鏈路層接入?yún)f(xié)議9.3IEEE 802.3局域網(wǎng)9.4IEEE 802.5 局域網(wǎng)9.5令牌總線局域網(wǎng)IEEE 802.4標(biāo)準(zhǔn)9.6局域網(wǎng)的擴展9.7 局域網(wǎng)通常由一個共享的媒體、一組與媒體接口的設(shè)備以及規(guī)范媒體接入的硬件和軟件組成。9.1.1 IEEE 802參考模型9.1 局域網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)圖9-1 IEEE 802協(xié)議層與OSI模型的對比 9.1.2 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖9-2 局域網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 1.總線與樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖9-3總線局域網(wǎng)上的幀傳輸 2.環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)3.星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)1.MAC層功能9.1.3 媒體接入控制（1）循環(huán)方式（2）預(yù)約方式（3）爭用

2、方式表9-1 標(biāo)準(zhǔn)化的媒體接入控制技術(shù) 2.MAC層幀格式圖9-4 LLC PDU的一般MAC幀格式 標(biāo)志F地址A控制C信息Info幀校驗序列FCS標(biāo)志FMAC控制目的MAC地址源MAC地址LLC PDCCRCDSAPSSAPLLC控制信息I/GDSAP值C/RSSAP值(a) HDLC 幀結(jié)構(gòu)位888可變168MAC幀LLCPDC1個8位字節(jié)1或2變長LLC地址字段I/G=單個/成組C/R=命令/響應(yīng)（b） LLC PDU的一般MAC幀格式 （1）MAC控制（2）目的MAC地址（3）源MAC地址（4）LLC（5）CRC各字段功能9.1.4 邏輯鏈路控制 （1）它必須支持多點接入、媒體共享的鏈

3、路需要，這不同于多點線路，因為它沒有主節(jié)點。 （2）MAC層承擔(dān)了它在鏈路接入上的一些工作。 LLC的尋址包括指定源LLC用戶、目的LLC用戶。典型的用戶是站中的一個高層和差錯控制協(xié)議或網(wǎng)絡(luò)中的一個網(wǎng)絡(luò)管理單元。這些LLC用戶被稱為服務(wù)接入點（SAP）。9.2 物 理 層9.2.1 物理層的基本概念 （1）機械特性：說明接口所用接線器的形狀和尺寸、引線數(shù)目和排列、固定和鎖定裝置等。 （2）電氣特性：說明在接口電纜的哪條線上出現(xiàn)的電壓應(yīng)為什么范圍。 （3）功能特性：說明某條線上出現(xiàn)的某一電平的電壓表示何種意義。 （4）規(guī)程特性：說明對于不同功能的各種可能事件的出現(xiàn)順序。9.2.2 傳輸媒體 傳輸

4、媒體也稱為傳輸介質(zhì)或傳輸媒介，指的是數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中在發(fā)送器和接收器之間的物理通路。傳輸媒體可分為兩大類，即導(dǎo)向傳輸媒體和非導(dǎo)向傳輸媒體。在導(dǎo)向傳輸媒體中，電磁波被導(dǎo)向沿著固定媒體（銅線或光纖）傳播，而非導(dǎo)向傳輸媒體就是指自由空間，在非導(dǎo)向傳輸媒體中電磁波的傳輸常稱為無線傳輸。9.2.3 傳輸方式 在局域網(wǎng)中，數(shù)據(jù)傳輸方式大體上可分為基帶傳輸和頻帶傳輸，基帶傳輸是指數(shù)據(jù)未經(jīng)過調(diào)制（但可經(jīng)過編碼）而直接傳輸，頻帶傳輸是指數(shù)據(jù)經(jīng)過調(diào)制后在高頻處進行傳輸，高頻是相對于基帶傳輸而言的。9.3 數(shù)據(jù)鏈路層接入?yún)f(xié)議 ALOHA系統(tǒng)的基本思想很簡單：用戶只要有數(shù)據(jù)待發(fā)，就讓他們發(fā)送。當(dāng)然，這樣會產(chǎn)生沖突而使沖

5、突幀受到破壞。發(fā)送方只要偵聽信道就可得知它發(fā)出的幀是否被破壞，同樣，其他的用戶也如此工作。9.3.1 純ALOHA圖9-5 陰影幀的沖突危險區(qū) 在任一幀時內(nèi)生成 K 幀的概率服從泊松分布(9-3-1) 由上式可知，生成0幀的概率為e-G，兩個幀時內(nèi)產(chǎn)生的幀數(shù)平均為2G，在整個沖突危險區(qū)內(nèi)無任何其他幀產(chǎn)生的概率為P0=e-2G，代入S=GP0，得(9-3-2) 若每一幀平均重發(fā)NR次才能發(fā)送成功，則發(fā)送一個幀總共所需的平均時間為(9-3-3) 在這種情況下，重發(fā)次數(shù)NR與K的關(guān)系不大，可得出(9-3-4) 再利用式(9-3-2)的結(jié)果，可得出(9-3-5)9.3.2時隙ALOHA 在時隙ALOH

6、A中，由于沖突危險區(qū)減小為純ALOHA的一半，所以在任一幀的時隙內(nèi)無其他幀發(fā)送的概率為e-G，從而得出吞吐量與網(wǎng)絡(luò)負(fù)載G的關(guān)系式為(9-3-6)圖9-6時隙ALOHA與純ALOHA的吞吐量曲線 第k次才成功的概率為(9-3-7)那么每幀傳送次數(shù)的數(shù)學(xué)期望為(9-3-8)9.3.3載波偵聽多址協(xié)議 載波偵聽多址(CarrierSenseMultipleAccess,CSMA)協(xié)議是在ALOHA協(xié)議的基礎(chǔ)上改進的隨機競爭類MAC協(xié)議，性能比ALOHA大大提高且算法簡單，并在實際中得到廣泛應(yīng)用。 非堅持CSMA存在一個明顯的缺點，即一旦監(jiān)聽到信道忙就馬上延遲一段隨機時間后再重新監(jiān)聽，但很可能在再次監(jiān)

7、聽之前信道就已經(jīng)空閑了，也就是說，非堅持CSMA不能找出信道剛一變成空閑的時刻，從而影響了信道利用率的提高。為了克服這一缺點，可以采用堅持（persistent）CSMA。圖9-7傳播時延對載波監(jiān)聽的影響 在ALOHA協(xié)議和各種CSMA協(xié)議中，時隙非堅持CSMA協(xié)議具有最大的吞吐量，但是在總業(yè)務(wù)量G較小時，1堅持CSMA和p堅持CSMA吞吐量最大。選擇合適的p值，可使p堅持CSMA的延遲特性最好；當(dāng)S值較小時，1堅持CSMA的延遲最小。無論是哪一種CSMA協(xié)議，其性能都比ALOHA協(xié)議的性能有明顯提高。9.3.4 CSMA/CD圖9-8CSMA/CD產(chǎn)生沖突對信道占用時間的影響 9.4 IEE

8、E802.3局域網(wǎng)9.4.1 802.3局域網(wǎng)概述 其工作原理是：當(dāng)站點希望傳送時，它就偵聽電纜。如果線路正忙，它就等到線路空閑為止，否則就立即傳輸。如果兩個或多個站點同時在空閑的電纜上開始傳輸，它們就會沖突，于是所有沖突站點終止傳送。等待一個隨機的時間后，再重復(fù)上述過程。 IEEE802.3局城網(wǎng)是一種基帶總線局城網(wǎng)，最初是美國施樂(Xerox)公司的PaloAlto研究中心(簡稱為PARC)于1995年研究成功的，當(dāng)時的數(shù)據(jù)率為294Mbit/s。它以無源的電纜作為總線來傳送數(shù)據(jù)幀，并以曾經(jīng)在歷史上表示傳播電磁波的以太(Ether)來命名。 S1981年，施樂公司與數(shù)字裝備公司(Digit

9、al)以及英特爾(Intel)公司合作，聯(lián)合提出了以太網(wǎng)的規(guī)約ETHE80。1982年修改為第二版規(guī)約，即DIXEthernetV2，成為世界上第一個局域網(wǎng)產(chǎn)品的規(guī)約(DIX是這三個公司名的縮寫)。這個標(biāo)準(zhǔn)后來就成為IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)。在802.3標(biāo)準(zhǔn)中使用CSMA/CD協(xié)議。在美國，DIXEthernetV2標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)還有一定的市場。9.4.2 802.3局域網(wǎng)的信號編碼9.4.3 802.3MAC子層協(xié)議圖9-9 802.3局域網(wǎng)的MAC幀格式 圖9-9 802.3局域網(wǎng)的MAC幀格式 9.4.4交換式802.3局域網(wǎng)圖9-11三種以太網(wǎng)的主要區(qū)別 交換式集線器的交換方式有以下

10、兩種。 （1）存儲轉(zhuǎn)發(fā)交換。 （2）直通交換。 當(dāng)然交換式集線器也存在以下一些問題。 （1）目前還沒有制定一個統(tǒng)一的管理交換式集線器的標(biāo)準(zhǔn)。網(wǎng)絡(luò)管理員必須使用多個管理控制臺才能監(jiān)控不同廠商生產(chǎn)的交換式集線器。 （2）絕大多數(shù)交換式集線器在分析交換流量方面都很欠缺。網(wǎng)絡(luò)管理員需要為每個端口配備測試工具。9.5 IEEE802.5局域網(wǎng)9.5.1令牌環(huán)的組成 令牌環(huán)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖9-12所示，令牌環(huán)的每一個站點通過干線耦合器相連。干線耦合器又稱為轉(zhuǎn)發(fā)器。 干線耦合器有兩種工作狀態(tài)。一種是收聽(或轉(zhuǎn)發(fā))方式，另一種是發(fā)送方式。 （1）轉(zhuǎn)發(fā)從環(huán)路輸入的數(shù)據(jù)流。 （2）不停地監(jiān)視以下兩種特殊的比特組合。

11、圖9-12令牌環(huán)網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 圖9-13干線耦合器的兩種工作方式 圖9-14 802.5令牌環(huán)工作原理 9.5.2 802.5局域網(wǎng)的MAC子層令牌幀和非令牌幀圖9-15 802.5的MAC幀格式 9.5.3 802.5局域網(wǎng)令牌環(huán)的維護 802.5標(biāo)準(zhǔn)中，每個令牌環(huán)中都有一個監(jiān)控站來總管全環(huán)。如果監(jiān)控站失效，競爭協(xié)議將保證很快地選出另一站點作為監(jiān)控站(每個站點都具有成為監(jiān)控站的能力)。當(dāng)監(jiān)控站正常運行時，它單獨負(fù)責(zé)判斷整個環(huán)的工作是否正確。令牌環(huán)中有多個控制幀，如表9-2所示。表9-2 令牌環(huán)中的控制幀 9.6 令牌總線局域網(wǎng)IEEE802.4標(biāo)準(zhǔn)圖9-16令牌總線局域網(wǎng) 9.6.1 802

12、.4標(biāo)準(zhǔn)MAC子層（1）接入控制機。（2）接口機。（3）發(fā)送機。（4）接收機。圖9-17 802.4的MAC子層的功能 圖9-18 802.4的MAC幀格式 表9-3 IEEE 802.4中的控制幀 9.6.2 802.4標(biāo)準(zhǔn)中邏輯環(huán)的維護9.6.3 802.3、802.4和802.5標(biāo)準(zhǔn)比較 802.3總線網(wǎng)是使用得最為廣泛的。整個電纜是無源的，站點的接入與安裝都很方便。低負(fù)載時網(wǎng)絡(luò)基本上沒有時延，因為每個站隨時可以發(fā)送信息。802.3協(xié)議最大的缺點就是發(fā)送時延的不確定性。 在使用轉(zhuǎn)發(fā)器的情況下，電纜的數(shù)據(jù)的發(fā)送速率受限。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載很重時，由于沖突增多，網(wǎng)絡(luò)的效率就下降很多。此外，802.

13、3還不便于將光纖作為總線。 802.4協(xié)議使用高可靠的電視電纜。它的發(fā)送時延是確定的，雖然在關(guān)鍵時刻連續(xù)發(fā)生令牌的丟失會造成一些時延的不確定性。 802.4協(xié)議沒有對數(shù)據(jù)幀的長度設(shè)置下限。 802.4協(xié)議可以設(shè)定優(yōu)先級。這有利于傳送數(shù)字化的分組話音信號。 802.4在重載時的性能非常好。但是 802.4協(xié)議使用了許多的模擬部件，包括調(diào)制解調(diào)器和寬帶放大器。這使得 802.4協(xié)議非常復(fù)雜。在負(fù)載很輕時也要等待令牌的到來，產(chǎn)生了不必要的發(fā)送時延。另外和802.3相似，令牌總線局域網(wǎng)也很難用光纖來實現(xiàn)。 802.5協(xié)議也可設(shè)置優(yōu)先級。這一點和 802.4相似。此外，802.5協(xié)議允許發(fā)送很短的幀，但

14、對發(fā)送很長的幀則有限制，因為一個站截獲令牌的時間不能太長。在重載時，802.5協(xié)議的效率和吞吐率都是很高的。802.5標(biāo)準(zhǔn)的一個主要缺點是令牌的管理采用了集中管理方式。 當(dāng)管理令牌的站出故障時，雖然按照協(xié)議可以再產(chǎn)生一個新的管理令牌的站，但這還是造成了一些麻煩。此外，像 802.4一樣，在低負(fù)載時，發(fā)送數(shù)據(jù)的站由于要等待令牌，會產(chǎn)生附加的時延。最后需要說明的是，這三種局域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)都是不兼容的。 9.7局域網(wǎng)的擴展9.7.1基于集線器的物理層局域網(wǎng)擴展圖9-19基于集線器擴展的局域網(wǎng) 用集線器擴展局域網(wǎng)有以下兩方面好處。 （1）不同的子局域網(wǎng)可以跨網(wǎng)通信。 （2）擴大了局域網(wǎng)的地理范圍。 使用集線器擴展局域網(wǎng)也有以下兩方面的缺點。 （1）局域網(wǎng)中在每一個時刻只能有一個站點發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)三個局域網(wǎng)用一個集線器連接以后，在這個擴展后的大的局域網(wǎng)內(nèi)，同一時刻還是只能有一個站點發(fā)送數(shù)據(jù)。顯然，這樣使得網(wǎng)絡(luò)的效率下降。 （2）集線器不能將不同的以太網(wǎng)互連起來，當(dāng)每個子網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸速率不同時，就不能再用集線器互連。因為集線器從根本上是一個多端口的轉(zhuǎn)發(fā)器，它不能對幀進行幀頭變換的處理。9.7.2基于網(wǎng)橋的數(shù)據(jù)鏈路層的局域網(wǎng)擴展使用網(wǎng)橋擴展局域網(wǎng)具有以下優(yōu)點。 （1）過濾通信量。 （2）擴大了物理范圍 （3）可使用不同的物理層。 （4）可互連不同類型的局域網(wǎng)。 （5）提高了可靠性。 （6）