介質訪問控制技術與局域網

1、介質訪問控制技術與局域網 本章著重介紹局域網的介質訪問控制技術、局域網的體系結構與協議，以太網的相關知識，虛擬局域網和高速局域網等。1 介質訪問控制技術信道共享連接的網絡，分配信道的使用權關鍵問題?；静淮嬖诼酚蛇x擇問題，而需要解決當信息的使用產生競爭時介質訪問控制技術的問題。 不設置網絡層，數據鏈路層分為兩個子層邏輯鏈路控制子層LLC和介質訪問控制子層MAC。MAC子層的主要功能是負責與物理層相關的所有問題，介質訪問控制技術是該子層的主要功能。 鏈路 網絡鏈路：沿著通信路徑連接相鄰節(jié)點的通信信道稱為鏈路。 點對點鏈路（point-to-point link）：單個接收方與單個發(fā)送方 PPP和

2、HDLC 廣播鏈路（broadcast link）：讓多個發(fā)送方和接收節(jié)點都連接到相同的、單一的、共享的廣播信道上。 “廣播”： 以太網和無線LAN多路訪問 協議 如何協調多個發(fā)送和接收節(jié)點對一個共享廣播信道的訪問 類比：教室教室中的”多路訪問協議”給每個人一個講話的機會該你講話時你才講話不要一個人壟斷整個談話如果有問題請舉手當有人講話時不要打斷當其他人講話時不要睡覺計算機的多路訪問協議 碰撞 （collision） 多路訪問協議的分類： 信道劃分協議（channel partitioning protocol） 隨機接入協議 (random access protocol) 輪流協議（tak

3、ing-turns protocol）信道劃分協議 時分多路復用(TDM: time division multiplexing) 頻分多路復用(FDM) 碼分多路復用（CDMA: code division multiple access）隨機接入協議 時隙ALOHA ALOHA CSMA輪流協議 輪詢協議 令牌傳遞協議1.1 爭用 (隨機接入)協議1ALOHA美國夏威夷大學校園網 將分布在各個島上的工作站通過無線網絡和總校校園的主機與其他工作站相聯。幾乎是不加控制，任何用戶站有數據幀就可以發(fā)送，如果發(fā)現沖突，則沖突的站都分別重發(fā)。2分槽ALOHA 將通道上的時間分割成時間片（分槽），每個時

4、間片的長度與一個數據幀傳輸所需時間相等，各個站要發(fā)送數據幀必須在時間片的起始時間，即分槽處開始。這樣只有在兩個數據幀完全覆蓋時才會發(fā)生沖突，提高了通道的利用率。 發(fā)送第1幀分槽ALOHA協議中，只要第1幀開始發(fā)送，在這一時間片內就不允許其他站再發(fā)送數據幀。只要開始發(fā)送時沒產生沖突，在這一時間片內就不會再產生沖突。 3CSMA/CD（1）載波監(jiān)聽多路訪問三種不同的協議 每個站在發(fā)送數據前先監(jiān)聽信道，如果空閑，則發(fā)送數據；如果忙，就不發(fā)送，等待一段時間。 不堅持CSMA一旦監(jiān)聽到信道忙，不堅持監(jiān)聽，延遲一個隨機的時間后再重新監(jiān)聽。 1堅持CSMA監(jiān)聽到信道忙，堅持監(jiān)聽，直到信道空閑立即將數據幀發(fā)送

5、出去。 P堅持CSMA信道空閑，以概率P（0P1）發(fā)送數據，以概率（1-P）延遲一段時間，重新監(jiān)聽信道。 3CSMA/CD（2）載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測CSMA/CD 信號傳播延遲，采用CSMA協議并不能完全消除沖突。發(fā)送數據幀的站點邊發(fā)送數據邊監(jiān)聽信道，只要監(jiān)聽到發(fā)生沖突，就立即停止發(fā)送,并發(fā)送若干比特的干擾信號 。 3CSMA/CD（3）二進制指數退避算法確定等待的隨機時間 當站點發(fā)生第1次沖突，等待021-1個時間片。 當站點發(fā)生第2次沖突，等待022-1個時間片。 依此類推，當站點發(fā)生第n次沖突，在n10時，等待02n 1個時間片； n10后，等待0210個時間片。 當站點發(fā)生沖突的

6、次數達到第16次時，將放棄該數據幀的發(fā)送。 1.2 令牌環(huán)介質訪問控制技術用于環(huán)型拓撲結構的網絡，屬于有序的競爭協議.1.令牌環(huán)的組成 2令牌環(huán)介質訪問控制的操作過程（1）使用一個特殊的令牌幀，當某個站點有數據幀要發(fā)送時，必須等待標記為空的令牌幀到來，將令牌幀的空標記改為忙，并將數據幀發(fā)送到環(huán)上。（2）發(fā)送的數據幀在環(huán)上循環(huán)的過程中，所經過的環(huán)上的各個站點都將幀上的目的地址與本站點的地址進行比較，若不等則直接傳給后面的站點，若相等則將幀復制接收，然后繼續(xù)傳給后面的站點。2令牌環(huán)介質訪問控制的操作過程（3）發(fā)送的數據幀在環(huán)上循環(huán)一周后再回到發(fā)送站，由發(fā)送站將該幀從環(huán)上移去，同時將令牌的忙標記改為

7、空標記，傳給后面的站。（4）空令牌幀在環(huán)上循環(huán)，經過某站點時，若該站點有數據幀要發(fā)送則重復上述過程，若該站點沒有數據幀發(fā)送則直接將令牌幀傳給下一個站點。 A站點向C站點發(fā)送數據幀3令牌幀和數據幀的格式（1）令牌幀3字段，一個開始定界符SD和一個結束定界符ED開始定界符JK0JK000，結束定界符JK1JK1IE （2）數據幀SD、ED開始/結束定界符，與令牌幀相同；AC訪問控制1字節(jié)，包含PPPTMRRR PPP：優(yōu)先級位 T：令牌位（0為令牌幀，1為數據幀） M：監(jiān)控位 RRR：預約位（2）數據幀8字段FC幀控制1個字節(jié)，為FFZZZZZZ F：幀類型位 Z：控制位 目的地址/源地址2或6個

8、字節(jié)數據05000字節(jié)幀校驗序號4個字節(jié)FS幀狀態(tài)1個字節(jié)，為ACXXACXX A：地址確認位 C：幀復制位 X：位定義令牌環(huán)的維護（1）需要對令牌環(huán)進行維護的情況 站點發(fā)送幀，幀未返回到該站點前該站點崩潰產生一個不能移去的幀；站點接收幀或令牌后就崩潰環(huán)上沒有令牌的現象；當幀發(fā)生錯誤時，需要確定負責修復的站點。令牌環(huán)的維護 （2）通過監(jiān)控站和幀控制字段來完成對于令牌環(huán)的維護 設置監(jiān)控站，對新幀監(jiān)控位設置為0，幀通過監(jiān)控站時，將監(jiān)控位改為1，如該幀再通過監(jiān)控站（為不能移去的幀），移去并產生一個新令牌。 監(jiān)控站設置計時器，只要監(jiān)控站發(fā)送一個幀或令牌，就啟動計時器，超時（幀或令牌丟失），產生一個新令

9、牌。1.3 令牌總線訪問控制技術1.令牌總線局域網的組成 應用于總線拓撲結構網絡，訪問控制采用與令牌環(huán)相似的訪問控制方法。物理結構是總線的而邏輯結構卻是環(huán)型的。 用于工廠自動化和過程控制及需要實時處理的應用 2令牌總線局域網的幀格式不存在單獨的令牌幀格式，由幀控制字段說明是否包含數據，是否為令牌 ，是令牌該字段標明幀的類型。幀類型：申請令牌幀、請求后繼1幀、請求后繼2幀、誰后繼幀、解決競爭幀、令牌、設置后繼幀 2 局域網的參考模型及協議 局域網LAN具有共享傳輸信道、傳輸速率較高、誤碼率低以及可靠性高等特點。因此，使局域網的體系結構及傳輸控制具有不獨立設網絡層、低層協議簡單而介質訪問控制技術復

10、雜的特點。局域網的拓撲結構大多采用總線型、環(huán)型或星型。2.1 局域網的參考模型局域網各層的主要功能 ：（1）物理層提供發(fā)送和接收信號的能力，包括對寬帶頻道的分配和對基帶信號的調制等；（2）介質訪問控制子層MAC實現幀的尋址和識別、數據幀的校驗以及支持LLC層完成介質訪問控制； （3）邏輯鏈路控制子層LLC規(guī)定了無連接和面向連接的兩種連接服務 2.2 IEEE802協議電氣和電子工程師協會(Institute of Electrical and Electronics Engineers)IEEE802.1A體系結構IEEE802.1B網絡互操作IEEE802.2邏輯鏈路控制 LLCIEEE80

11、2.3CSMA/CD訪問控制及物理層技術規(guī)范IEEE802.4令牌總線訪問控制及物理層技術規(guī)范IEEE802.5令牌環(huán)訪問控制及物理層技術規(guī)范IEEE802.6城域網訪問控制及物理層技術規(guī)范IEEE802.7寬帶網訪問控制及物理層技術規(guī)范IEEE802.8光纖網訪問控制及物理層技術規(guī)范IEEE802.9綜合話音數據訪問控制及物理層技術規(guī)范IEEE802.10局域網安全技術IEEE802.11無線局域網訪問控制及物理層技術規(guī)范IEEE802.12優(yōu)先級高速局域網訪問控制及物理層技術規(guī)范IEEE802.13100M 高速以太網IEEE802.14電纜電視網 IEEE802標準系列間的關系 3 以太

12、網3.1 IEEE802.3幀格式 1IEEE802.3的幀格式 前導：7字節(jié)的“10101010”比特串，同步； 開始標志：1字節(jié)的“10101011”比特串，標志著開始； 長度：2字節(jié)組成，標明數據字段的字節(jié)數； 數據： 填充字段：保證從目的地址開始，到校驗和字段的最短長度為64字節(jié)； 校驗和：4字節(jié)組成，一般采用循環(huán)冗余校驗 2無效的幀出現下列情況的幀都屬于無效的幀： 幀的長度與長度字節(jié)給出的值不一致； 幀的長度小于規(guī)定的最短長度； 幀的長度不是整數字節(jié)； 接收到的幀的校驗和出錯。將無效的幀丟棄！3.2 IEEE802.3物理層標準1允許使用的傳輸介質 選項10BASE-510BASE-

13、210BASE-T10BASE-F10BROAD-36傳輸介質50粗同軸電纜50細同軸電纜雙絞線光纖75同軸電纜段長（m）50018510010001800段站點數1003033電纜直徑10 mm5 mm0.40.6 mm62.5/125m0.41.0 mm拓撲結構總線總線星型星型總線/樹型編碼技術曼徹斯特曼徹斯特曼徹斯特曼徹斯特曼徹斯特3.2 IEEE802.3物理層標準210BASE-5介質規(guī)范50粗同軸電纜，傳輸速率10Mbps。曼徹斯特編碼基帶傳輸方式。每段電纜的最大長度是500米，用中繼器可以延長距離。一個以太網中最多4個中繼器，網絡的最大距離是2.5Km。 注意：中繼器延長的不同網

14、段屬于一個競爭域。3.2 IEEE802.3物理層標準310BASE-2介質規(guī)范50細同軸電纜，每段的最大距離為185米，同樣規(guī)定最多只能用4個中繼器連接5個網段。 5-4-3規(guī)則 10BASE-T介質規(guī)范雙絞線510BASE-F介質規(guī)范光纖 10BASE-FP：P代表無源，最大距離為1Km 10BASE-FL：L代表鏈路，鏈路長度最大為2Km 10BASE-FB：B代表主干，2Km3.3 IEEE802三種協議的比較1.優(yōu)缺點比較 協議優(yōu)點缺點802.3以太網協議簡單、站點接入和安裝方便，使用廣泛。低負載情況效率高，延遲小。發(fā)送的時延不確定，重負載時效率低，限制最小幀長，無優(yōu)先級設置。802

15、.4令牌總線發(fā)送時延確定，不限制最小幀長，可設置優(yōu)先級，重負載時效率高，支持多個信道，可傳輸數據、語音和圖像等多種信號。協議復雜，輕負載時效率低。802.5令牌環(huán)發(fā)送時延確定，可設置優(yōu)先級，重負載時效率高，可以使用多種傳輸介質。協議復雜，輕負載時效率低，限制最大幀長度。2. 3種協議幀格式比較4 局域網連網及網絡互聯設備實現網段或局域網互聯的設備主要包括：中繼器集線器網橋交換機1 網卡 網絡接口卡 (NIC卡) Network Interface Card 作用： 串/并行轉換 存儲芯片對數據緩存 處理接收幀 封裝發(fā)送幀 鏈路管理CSMA/CD協議實現 編碼與譯碼曼徹斯特編碼1 網卡 硬件地址

16、、物理地址 、MAC地址：固化在網卡的ROM中的地址 組成：6字節(jié)（48bit ）= 3字節(jié)公司標識符+3字節(jié)擴展標識符 常用12位十六進制表示MAC地址2 中繼器1.中繼器的作用-物理層連接 作用：增加節(jié)點數目，擴展距離 原理：去噪、放大 缺點：網上業(yè)務量太大時，易發(fā)生沖突。中繼器3 集線器 Hub：多端口中繼器物理層獨立型模塊化堆疊式集線器 USB接口的集線器1.2.3.具有三個端口的集線器集線器網卡工作站網卡工作站網卡工作站雙絞線集線器的特點： 10BASE-T: 物理上是星型網，邏輯上是總線型，特定時間至多只有一臺計算機能夠發(fā)送數據，又稱為star-shaped bus 或 bus i

17、n a box 多端口中繼器 工作在物理層：某端口接收到比特后，向所有其他端口轉發(fā)集線器de堆疊HubHubHubHub16口10-100M可堆疊的雙速集線器用多個集線器可連成更大的局域網集線器集線器一系二系集線器三系三個獨立的沖突域用多個集線器可連成更大的局域網一系二系三系集線器集線器集線器集線器主干集線器用集線器擴展局域網 優(yōu)點使原來屬于不同沖突域的局域網上的計算機能夠合并為一個沖突域而通信。擴大了局域網覆蓋的地理范圍。缺點沖突域增大了，但總的吞吐量并未提高。如果不同的沖突域使用不同的數據率或數據鏈路層協議，那么就不能用集線器將它們互連起來。 4 網橋4 網橋1. 基本概念能實現兩個在物理

18、層或數據鏈路層使用不同協議的網絡間的連接 工作在數據鏈路層，它根據 MAC 幀的目的地址對收到的幀進行轉發(fā)。網橋具有過濾幀的功能。當網橋收到一個幀時，并不是向所有的端口轉發(fā)此幀，而是先檢查此幀的目的 MAC 地址，然后再確定將該幀轉發(fā)到哪一個端口 。網橋的過濾和轉發(fā)功能 ： 同網段 不同2網橋的主要作用（1）網絡分段，過了濾通信量（2）擴展網絡的距離（3）局域網之間的互聯（4）進行物理層和數據鏈路層協議的變換3. 網橋的缺點存儲轉發(fā)增加了時延。 在MAC子層沒有流量控制功能。當負荷很重時，網橋緩存可能出現溢出，造成失幀現象。具有不同 MAC 子層的網段橋接在一起時，網橋要修改幀結構，時延更大。網橋只適合于用戶數不太多(不超過幾百個)和通信量不太大的局域網，否則有時還會因傳播過多的廣播信息而產生網絡擁塞。這就是所謂的廣播風暴。網橋和集線器（或中繼器）不同集線器在轉發(fā)幀時，不對傳輸媒體進行檢測。5 交換機 參考模型的第2層 比網橋的數據吞吐性能更好，端口集成度更高，每端口成本更低，使用更加靈活和方便，取代了傳統網橋，成為最主要的網絡互聯設備之一神州數碼 DCS-3426交換機1交換機基本概念