計算機網(wǎng)絡(luò)課件第四章局域網(wǎng)

1、第四章 局域網(wǎng),第四章 局域網(wǎng),4.1 介質(zhì)訪問控制方法 4.2 ALOHA原理 4.3 CSMA方式 4.4 局域網(wǎng)概述 4.5 局域網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu) 4.6 CSMA/CD和以太網(wǎng)802.3標準 4.7 IEEE 802.4 令牌總線局域網(wǎng) 4.8 IEEE 802.5 令牌環(huán) 4.9 局域網(wǎng)的擴展,4.1 介質(zhì)訪問控制方法,介質(zhì)訪問技術(shù)是局域網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。 所謂介質(zhì)訪問技術(shù)，就是研究如何有效地利用通道(介質(zhì))的問題，目的是如何適應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈g歇(突發(fā)性)特點，采用適當(dāng)?shù)膹?fù)用策略，以提高通道的利用率，減少數(shù)據(jù)傳輸中的時延，提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐率。 網(wǎng)絡(luò)性能在很大程度上與所采用的介質(zhì)訪問技術(shù)有關(guān)。

2、 介質(zhì)訪問技術(shù)的中心問題是解決通道復(fù)用問題。,多點訪問協(xié)議,一條共享的通信信道 兩個或多個結(jié)點可同時發(fā)送信號: 相互干擾 在某一時刻只有一個結(jié)點可以成功地發(fā)送信號 多點訪問協(xié)議: 分布式的算法來決定如何共享信道, i.e., 決定工作站何時可以發(fā)送 注意：有關(guān)共享通道的通信（協(xié)商）也必須在該通道自身上解決! 我們希望多點訪問協(xié)議能夠解決什么問題: 同步還是異步 了解其他站點的信息 健壯性 (e.g.如何對待信道錯誤) 性能,MAC 協(xié)議: 分類,通道分割 將信道分割成較小的 “片” (時隙, 頻率) 將小片分給各站點使用 隨機訪問 允許沖突 從沖突中“恢復(fù)” “排隊” 嚴格協(xié)調(diào)訪問來避免沖突,

3、目標: 高效, 公平, 簡單, 分散控制,隨機訪問協(xié)議,當(dāng)結(jié)點有數(shù)據(jù)要發(fā)送時： 使用信道全部的傳輸速率 R. 在諸多結(jié)點中不存在“預(yù)先”協(xié)商的機制 可能發(fā)生兩個以上結(jié)點同時傳輸 - “沖突” 隨機訪問的 MAC協(xié)議定義了: 如何檢測沖突 如何從沖突中恢復(fù) (e.g., 通過延遲重發(fā)) 隨機訪問 MAC協(xié)議的實例: ALOHA 時隙ALOHA CSMA and CSMA/CD,4.2 ALOHA原理,4.2.1 純ALOHA 4.2.2 時隙ALOHA,4.2.1 純ALOHA,純Aloha 工作原理 站點可在任意時刻發(fā)送幀 檢測到?jīng)_突，等待一個隨機時間后重發(fā)（注：如等待時間不隨機，會因再次沖突

4、而死鎖） 缺點：極容易沖突 性能 網(wǎng)絡(luò)負載G=0.5時，吞吐率Smax=0.184,4.2.1 純ALOHA,純Aloha( 參考動畫:純ALOHA演示) 純Aloha系統(tǒng)的工作原理圖,4.2.1 純ALOHA,純ALOHA的吞吐量的極大值只能達到理想值的18.4。實際上為安全起見，純ALOHA的吞吐量S不應(yīng)超過10。這就是為什么在純ALOHA出現(xiàn)之后，又提出了多種改進的ALOHA系統(tǒng)。,4.2.2 時隙ALOHA,時隙Aloha（slotted aloha） 工作原理 將時間劃分成等長的時隙，站點只在時間片到來的瞬間發(fā)送幀 信道利用率提高一倍 重發(fā)策略：同純ALOHA 性能：網(wǎng)絡(luò)負載G=1時

5、，吞吐率Smax=0. 368 代價：需要全網(wǎng)同步；可設(shè)置一個特殊站點，由該站點發(fā)送時鐘信號 幀發(fā)送成功的條件：沒有其他幀在同一時隙內(nèi)到達,4.2.2 時隙ALOHA,時隙Aloha（slotted aloha） 時隙Aloha系統(tǒng)的工作原理圖,4.2.2 時隙ALOHA,4.3 CSMA方式,4.3.1 CSMA的概念 4.3.2 CSMA的分類,4.3.1 CSMA的概念,在使用廣播式的無線或有線局域網(wǎng)中，假設(shè)一個站點發(fā)送報文時其他站點很快就可以察覺到，如果某一站點在發(fā)報前已知道通道上有報文在傳送，它就不必再發(fā)報，以免產(chǎn)生沖突。這種用監(jiān)聽通道情況以決定是否可以發(fā)報的方法，就是載波監(jiān)聽多重訪

6、問(CSMA: Carrier Sense Multiple Access)方式。,4.3.1 CSMA的概念,載波監(jiān)聽（carrier sense） 站點在為發(fā)送幀而訪問傳輸信道之前，首先監(jiān)聽信道有無載波，若有載波，說明已有用戶在使用信道，則不發(fā)送幀以避免沖突 多路訪問（multiple Access） 多個用戶共用一條線路,CSMA: Carrier Sense Multiple Access,CSMA: （載波檢測多路訪問）發(fā)送前偵聽: 如果信道閑置: 發(fā)送整個分組 如果信道忙, 推遲發(fā)送 堅持性 CSMA: 當(dāng)信道閑置時，以p的概率立即重試 (可能導(dǎo)致不穩(wěn)定) 非堅持性 CSMA: 在

7、某個隨機間隔以后再試 為人處事的規(guī)則之一: 不要打斷別人的發(fā)言!,4.3.2 CSMA的分類,載波監(jiān)聽多路訪問協(xié)議CSMA 堅持CSMA 1-堅持CSMA（1-persistent CSMA） 原理 若站點有數(shù)據(jù)發(fā)送，先監(jiān)聽信道； 若站點發(fā)現(xiàn)信道空閑，則發(fā)送； 若信道忙，則繼續(xù)監(jiān)聽直至發(fā)現(xiàn)信道空閑，然后立刻（以概率1）開始發(fā)送數(shù)據(jù)； 若產(chǎn)生沖突，等待一隨機時間，然后重新開始發(fā)送過程。 優(yōu)點 減少了信道空閑時間； 缺點 增加了發(fā)生沖突的概率； 傳播延遲對協(xié)議性能的影響 傳播延遲越大，發(fā)生沖突的可能性越大，協(xié)議性能越差；,4.3.2 CSMA的分類,載波監(jiān)聽多路訪問協(xié)議CSMA 堅持CSMA p-

8、堅持型CSMA（p-persistent CSMA） 適用于分時隙信道 原理 若站點有數(shù)據(jù)發(fā)送，先監(jiān)聽信道； 若站點發(fā)現(xiàn)信道空閑，則以概率p發(fā)送數(shù)據(jù)（即以概率q=1-p延遲至下一個時隙發(fā)送）。若下一個時隙仍空閑，重復(fù)此過程，直至數(shù)據(jù)發(fā)出或時隙被其他站點所占用； 若信道忙，則等待下一個時隙，重新開始發(fā)送； 若產(chǎn)生沖突，等待一隨機時間，然后重新開始發(fā)送。,4.3.2 CSMA的分類,載波監(jiān)聽多路訪問協(xié)議CSMA 非堅持型CSMA（nonpersistent CSMA） 原理 若站點有數(shù)據(jù)發(fā)送，先監(jiān)聽信道； 若站點發(fā)現(xiàn)信道空閑，則立刻發(fā)送數(shù)據(jù)； 若信道忙，等待一隨機時間，然后再監(jiān)聽信道； 若產(chǎn)生沖突

9、，等待一隨機時間，然后重新開始發(fā)送過程。 優(yōu)點 減少了沖突的概率； 缺點 增加了信道空閑時間，數(shù)據(jù)發(fā)送延遲增大； 信道效率比1-堅持CSMA高，傳輸延遲比1-堅持CSMA大。,CSMA 的沖突,沖突可能發(fā)生在: 由于傳播延遲兩個節(jié)點可能聽不到對方的發(fā)送,沖突: 整個分組的傳輸時間被浪費,以太網(wǎng)結(jié)點間的時空圖,注意: 這里的沖突概率是由距離和 傳播延遲來決定的,CSMA/CD (Collision Detection，沖突檢測),CSMA/CD: 在沖突發(fā)生后，短時間內(nèi)可探測到 立即中斷傳輸, 減少信道的時間浪費 堅持性或非堅持性重傳 沖突檢測: 在有線 LAN中簡便易行: 檢測信號強度, 比較

10、收、發(fā)的信號 在無線 LAN比較困難: 傳輸時接收器是關(guān)閉的 人類社會的范例: 彬彬有禮的交談?wù)?CSMA/CD 沖突檢測,4.4 局域網(wǎng)概述,4.4.1 局域網(wǎng)的基本組成 4.4.2 局域網(wǎng)的特點 4.4.3 局域網(wǎng)的分類,4.4.1 局域網(wǎng)的基本組成,硬件：由計算機系統(tǒng)和通信系統(tǒng)組成 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器: 提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，共享資源，網(wǎng)絡(luò)管理。 網(wǎng)絡(luò)工作站：客戶機 網(wǎng)絡(luò)接口卡（網(wǎng)絡(luò)適配器、網(wǎng)卡）：實現(xiàn)計算機和傳輸介質(zhì)之間的物理連接。 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備：集線器（HUB）、中繼器、交換機（Switch）、網(wǎng)橋、路由器（Router）。 傳輸介質(zhì)：非屏蔽雙絞線、屏蔽雙絞線、基帶同軸電纜、光纜。,4.4.1 局域網(wǎng)的

11、基本組成,服務(wù)器,4.4.1 局域網(wǎng)的基本組成,以太網(wǎng)卡,4.4.1 局域網(wǎng)的基本組成,集線器,4.4.1 局域網(wǎng)的基本組成,集線器,4.4.1 局域網(wǎng)的基本組成,路由器,4.4.1 局域網(wǎng)的基本組成,交換機,4.4.1 局域網(wǎng)的基本組成,網(wǎng)絡(luò)軟件 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)軟件 網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)（NOS） 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議軟件 網(wǎng)絡(luò)通信軟件 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用軟件為用戶提供實際的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。,4.4.2 局域網(wǎng)的特點,局域網(wǎng)最主要的特點是: 網(wǎng)絡(luò)為一個單位所擁有，且地理范圍和站點數(shù)目均有限。,4.4.2 局域網(wǎng)的特點,局域網(wǎng)還具有以下的一些優(yōu)點： 能方便地共享昂貴的外部設(shè)備、主機以及軟件、數(shù)據(jù)，從一個站點可訪問全網(wǎng)。 便于系統(tǒng)的擴展

12、和逐漸地演變，各設(shè)備的位置可靈活調(diào)整和改變。 提高了系統(tǒng)的可靠性、可用性和殘存性。,4.4.3 局域網(wǎng)的分類,局域網(wǎng)按網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)可分為以下四類： 星形：所有結(jié)點都連接到中央結(jié)點 環(huán)型：結(jié)點通過點到點鏈路與相臨結(jié)點連接 總線型：所有結(jié)點都直接連接到共享信道 樹型：類似總線型（非直接，或結(jié)合星型）,4.4.3 局域網(wǎng)的分類,4.5局域網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu),局域網(wǎng)參考模型 對應(yīng)于OSI參考模型最低兩層： 物理層：透明傳輸位流，規(guī)定信號編碼、傳輸媒體、拓撲結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)率 數(shù)據(jù)鏈路層(802委員會將局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)鏈路層拆成兩個子層) 介質(zhì)訪問控制子層 MAC（Medium Access Control） 邏輯鏈路

13、控制子層 LLC（Logical Link Control）,4.5局域網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu),將數(shù)據(jù)鏈路層拆成兩層后： 與接入到傳輸媒體有關(guān)的內(nèi)容都放在MAC子層。 LLC子層則與傳輸媒體無關(guān)，不管采用何種協(xié)議的局域網(wǎng)對LLC子層來說都是透明的。,4.5局域網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu),局域網(wǎng)參考模型,4.5局域網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu),MAC子層： 數(shù)據(jù)鏈路層中與接入各種傳輸媒體有關(guān)的問題。還負責(zé)在物理層的基礎(chǔ)上進行無差錯的通信。更具體些講，MAC子層的主要功能是： 將上層交下來的數(shù)據(jù)封裝成幀進行發(fā)送(接收時進行相反的過程，將幀拆卸) 實現(xiàn)和維護MAC協(xié)議 比特差錯檢測 尋址,4.5局域網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu),媒體接入控制MAC子層 8

14、02標準規(guī)定MAC地址字段可采用6字節(jié)(48 bit)或2字節(jié)16bit這兩種中的一種。 如：0050BA 213E04 :0050BA 廠商代碼 在生產(chǎn)網(wǎng)卡時，這種6字節(jié)的MAC地址已被固化在網(wǎng)卡中。,LAN 地址,每個 LAN上的網(wǎng)卡都有具唯一性的LAN 地址,LAN 地址 (續(xù)),MAC 分配由 IEEE管理 制造商購買部分MAC地址空間 (以保證唯一性) 比方: (a) MAC地址: 美國人的社會保險號 (b) IP地址: 類似郵政地址 MAC 平面地址 = 可以遷移 可以將 LAN卡從一個LAN換到另一個 IP 層次性地址不可遷移 取決于某個站點接入的網(wǎng)絡(luò),4.5局域網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu),平

15、常所講的物理地址或MAC地址，也就是通常所說的計算機中網(wǎng)卡的硬件地址，共48位,高24位由IEEE分配,世界上凡是制造局域網(wǎng)網(wǎng)卡的廠家都必須向IEEE購買這24位高地址,該地址被稱為地址塊或廠家代碼。低24位地址由廠家分配。,4.5局域網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu),在計算機網(wǎng)絡(luò)中，硬件地址的作用就是用來找到我們所要進行通信的計算機。網(wǎng)卡從網(wǎng)上每收到一個MAC幀就首先檢查其硬件地址。如果是發(fā)往本站的幀則收下，然后再進行其他的處理。否則就將此幀丟棄，不再進行其他的處理。這里“發(fā)往本站的幀”包括以下三種幀： 單播(unicast)幀(一對一通信)，即收到的幀的MAC地址與本站的硬件地址相同。 廣播(broadcas

16、t)幀(一對所有通信)，即發(fā)送給所有站點的幀(全1地址)。 多播(multicast)幀(一對多通信)，即發(fā)送給一部分站點的幀。 所有的網(wǎng)卡都至少應(yīng)當(dāng)能夠識別前兩種幀，即能夠識別單播和廣播地址。有的網(wǎng)卡可以用編程的方法識別多播地址。當(dāng)操作系統(tǒng)啟動時，它就將網(wǎng)卡初始化，使網(wǎng)卡能夠識別某些多播地址,4.5局域網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu),LLC子層： 數(shù)據(jù)鏈路層中與媒體接入無關(guān)的部分，其主要功能是： 建立和釋放數(shù)據(jù)鏈路層的邏輯連接 提供與高層的接口 差錯控制 給幀加上序號,4.5局域網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu),LLC子層向上主要提供三種操作類型(operation type)的服務(wù)： 操作類型1一一即LLC1，不確認的無連接服

17、務(wù)，即數(shù)據(jù)報，可用于點對點服務(wù)，特別適合于廣播和多播通信； 操作類型2一一即LLC2，面向連接服務(wù)，開銷較大，每次通信需要經(jīng)過連接建立、數(shù)據(jù)傳送、連接斷開這三個階段； 操作類型3一一即LLC3，帶確認的無連接服務(wù)，用于傳送某些非常重要且時間性也很強的信息，如過程控制或自動化。,回顧前面與局域網(wǎng)相關(guān)的知識,信道共享技術(shù) 信道復(fù)用FDM、TDM等 信道競爭- （1）有控 （2）隨機 ALOHA、CSMA。CSMA/CD 深入探討CSMA/CD,4.6 CSMA/CD和802.3標準,4.6.1 CSMA/CD協(xié)議的提出 4.6.2 CSMA/CD的要點 4.6.3 802.3標準和以太網(wǎng) 4.6.

18、4 802.3標準的優(yōu)缺點,4.6.1 CSMA/CD協(xié)議的提出,為了通信的簡便，以太網(wǎng)采取了兩種重要的措施： (1) 采用較為靈活的無連接的工作方式，即不必先建立連接就可以直接發(fā)送數(shù)據(jù)。 (2) 以太網(wǎng)對發(fā)送數(shù)據(jù)幀不進行編號，也不要求對方發(fā)回確認。 所以，以太網(wǎng)提供的服務(wù)是不可靠的交付，即盡最大努力的交付。,4.6.1 CSMA/CD協(xié)議的提出,剩下的一個重要的問題是如何協(xié)調(diào)總線上的各計算機的工作，即在同一時間只能允許一臺計算機發(fā)送信息，否則各計算機之間就會相互干擾，結(jié)果大家都無法正常發(fā)送數(shù)據(jù)。,4.6.1 CSMA/CD協(xié)議的提出,以太網(wǎng)采用的協(xié)調(diào)方法是使用一種特殊的協(xié)議，即CSMA/CD

19、 (載波監(jiān)聽多點接入/碰撞檢測) 原理 站點使用CSMA協(xié)議進行數(shù)據(jù)發(fā)送； 在發(fā)送期間如果檢測到?jīng)_突(CD)，立即終止發(fā)送，并發(fā)出一個瞬間干擾信號，使所有的站點都知道發(fā)生了沖突； 在發(fā)出干擾信號后，等待一段隨機時間，再重復(fù)上述過程。,4.6.2 CSMA/CD的要點,“載波監(jiān)聽” 指每一個站在發(fā)送數(shù)據(jù)之前先要檢測一下總線上是否有其他計算機在發(fā)送數(shù)據(jù)，如果有，則暫時不要發(fā)送數(shù)據(jù)，以免發(fā)生碰撞。以太網(wǎng)使用曼徹斯特編碼信號。 “多點接入” 許多計算機以多點接入的方式連接在一根總線上。 “碰撞檢測” 計算機邊發(fā)送數(shù)據(jù)邊檢測信道上的信號電壓大小，如果檢測到電壓超過一定的門限值，就認為發(fā)生了碰撞。,問題？

20、,要監(jiān)聽多久為空才發(fā)送 要監(jiān)聽多久才知道自己正確發(fā)送 監(jiān)聽不為空要等多久 發(fā)現(xiàn)碰撞后要等多久。等等 要靠協(xié)議保證,4.6.3 802.3標準和以太網(wǎng)協(xié)議,IEEE 802.3和Ethernet 歷史 ALOHA系統(tǒng) ALOHA+載波監(jiān)聽 Xerox設(shè)計了2.94Mbps的采用CSMA/CD協(xié)議的Ethernet Xerox, DEC, Intel共同制定了10Mbps的CSMA/CD以太網(wǎng)標準 IEEE定義了采用1-堅持CSMA/CD技術(shù)的802.3局域網(wǎng)標準，速率從1M到10Mbps，802.3標準與以太網(wǎng)協(xié)議略有差別。,4.6.3 802.3標準和以太網(wǎng)協(xié)議,IEEE 802.3和Ethe

21、rnet 802.3 MAC子層協(xié)議 802.3的MAC子層幀格式 前導(dǎo)序列（7個字節(jié)10101010） 幀開始標志（1字節(jié)，10101011）,4.6.3 802.3標準和以太網(wǎng),IEEE 802.3和Ethernet 802.3 MAC子層協(xié)議 802.3的MAC子層幀格式 目標地址和源地址 2或6個字節(jié)，10Mbps以太網(wǎng)規(guī)定為6個字節(jié) 目的地址的最高位為0是普通地址，為1時是組播地址，全1時為廣播地址；源地址第一位（LSB）為0。 地址中的第二位用來區(qū)分本地地址和全球地址。 數(shù)據(jù)長度域（2字節(jié)，取值在01500之間） 數(shù)據(jù)（01500個字節(jié)） 填充（046字節(jié)） 校驗和：CRC校驗（4

22、個字節(jié)），校驗區(qū)間：DAPAD 擴展域：用于千兆以太網(wǎng),802.3/Ethernet v2幀格式,PA： 前同步碼 - 10101010序列，用于使接收方與發(fā)送方同步 SFD： 幀首定界 - 10101011 DA： 目的MAC地址； SA： 源MAC地址 LEN：數(shù)據(jù)長度（數(shù)據(jù)部分的字節(jié)數(shù)）（0-1500B） Type： 類型。高層協(xié)議標識 LLC PDU+pad - 最少46字節(jié), 最多1500字節(jié) Pad：填充字段，保證幀長不少于64字節(jié)(若Data域46字節(jié)，則無Pad) FCS： 幀校驗序列（CRC-32）,8 6 6 2 46-1500 4字節(jié),FCS,SA,Type,PA,DA,

23、Data,Pad,Ethernet,IEEE 802.3,7 1 2/6 2/6 2 46-1500 4 字節(jié),校驗區(qū)間,64-1518 字節(jié),4.6.3 802.3標準和以太網(wǎng),IEEE 802.3和Ethernet 802.3 MAC子層協(xié)議 最短幀長 避免幀的第一個比特到達電纜的遠端前幀已經(jīng)發(fā)完，幀發(fā)送時間應(yīng)該大于 2；,4.6.3 802.3標準和以太網(wǎng),IEEE 802.3和Ethernet 802.3 MAC子層協(xié)議 最短幀長 802.3標準規(guī)定：任意兩個站點間最多可有三個同軸電纜段（即4個中繼器），接到中繼器的點到點鏈路總長不能超過1000米，所以允許最大電纜長度2500米。若加

24、上6節(jié)50米中繼器電纜，則整個局域網(wǎng)最大作用距離為2800米。理論:5 S /KM*5.6=28 S 考慮中繼最多:45 S +48bit加強碼傳輸時間4.8 S =49.8 S-計算機一般表示成2的n次方的表示形式51.2 S ,4.6.3 802.3標準和以太網(wǎng),IEEE 802.3和Ethernet 802.3 MAC子層協(xié)議 最短幀長 802.3規(guī)定：在10Mbps局域網(wǎng)中，時間片2t=51.2s 最短幀長度：10Mbps(2t)/8=64 Byte 注：最短幀長度不包括前同步碼，范圍應(yīng)為從“目的地址校驗和” 網(wǎng)絡(luò)速度提高，最短幀長也應(yīng)該增大或者站點間的距離要減小,最小幀長計算,設(shè)信號

25、在介質(zhì)上端點到端點的傳播延時為t秒，數(shù)據(jù)傳輸速率為R b/s，則在最壞情況下能使任何站監(jiān)聽到?jīng)_突的最小幀長為2tR bits。 例題：教材習(xí)題四（14題）。,以太網(wǎng): 應(yīng)用CSMA/CD,A: 檢測信道, if 閑置 then 發(fā)送并檢測信道; If 檢測到了其他站點傳輸 then 中止傳輸并發(fā)送沖突信號; 更新沖突 #; 按指數(shù)退避算法延遲發(fā)送; goto A else 幀發(fā)送結(jié)束;將沖突次數(shù)置0 else 等待正在進行的傳輸結(jié)束并goto A,截斷二進制指數(shù)類型的退避算法,以太網(wǎng)中隨機等待時間采用二進制指數(shù)后退算法BEB（Binary Exponential Backoff）： 設(shè)退讓時間

26、片數(shù)為R，取值范圍k（的k次方），其中 K=min (n,i) 式中，n為沖突次數(shù)，i為退讓極限（Back off limit）。 當(dāng)ni時，K=n；當(dāng)ni時，K=i；當(dāng)n=j時，其中j為嘗試極限（Attempt limit），放棄發(fā)送，并通知高層。 確定基本退避時間，一般是取爭用期 2t 定義參數(shù)K，它等于重傳次數(shù)，但一般不超過退避極限值（如10）。故K=MIN重傳次數(shù)，退避極限值。 隨機地取退讓時間片數(shù)，退避時間即為2t,以太網(wǎng)的 CSMA/CD (續(xù)),指數(shù)退避（Exponential Backoff）: Goal目的: 使得重發(fā)的企圖能夠與推測出的當(dāng)前負載相適應(yīng) 在重負荷下: 隨機等待

27、的時間將更長些 首次沖突: 從0,1中選擇 K； 延遲的時長為 K x 512 bit 傳輸時間 第二次沖突后:從 0,1,2,3選擇K 在10次或更多的沖突發(fā)生后：從 0,1,2,3,4,1023選擇K,4.6.3 802.3標準和以太網(wǎng),IEEE 802.3和Ethernet 802.3采用的電纜標準,物理層類型的表示方法 10Base5含義：10：10Mbps； Base：基帶傳輸（baseband medium）；5：500米 10Base5：粗纜，AUI接口； 10Base2：細纜，BNC接口，T型頭； 10Base-T：雙絞線，RJ-45接口；,4.6.3 802.3標準和以太網(wǎng),

28、IEEE 802.3和Ethernet 三種802.3電纜 Transceiver（收發(fā)器）：處理載波監(jiān)聽和沖突檢測,4.6.3 802.3標準和以太網(wǎng),IEEE 802.3和Ethernet 布線拓撲結(jié)構(gòu) 總線形，脊椎形，樹形，分段 擴展網(wǎng)段長度 中繼器：物理層設(shè)備，只對信號進行接收、放大和雙向重傳 兩個收發(fā)器之間最多使用4個中繼器，最長2500米。,4.6.3 802.3標準和以太網(wǎng),IEEE 802.3和Ethernet 10Base5 分插頭 : 插入電纜 收發(fā)器 : 發(fā)送/接收, 沖突檢測, 電氣隔離，超長控制 AUI : 連接件單元接口 用于骨干網(wǎng),4.6.3 802.3標準和以太

29、網(wǎng),IEEE 802.3和Ethernet 10Base2 BNC T型接頭 無需插入電纜 用于辦公室LAN,4.6.3 802.3標準和以太網(wǎng),IEEE 802.3和Ethernet 10BaseT Hub（集線器）相當(dāng)于多端口轉(zhuǎn)發(fā)器 用于辦公室LAN 拓撲結(jié)構(gòu)為星形，邏輯上仍然是總線形。 轉(zhuǎn)發(fā)器/中繼器的作用：擴充信號傳輸距離。將信號放大并整形后再轉(zhuǎn)發(fā)，消除信號傳輸?shù)氖д婧退p。物理層設(shè)備。,10BaseT/100BaseT自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò),10/100 Mb/s傳輸速率; 后者被稱為 “快速以太網(wǎng)” T: 代表雙絞線（ Twisted Pair） 所有結(jié)點通過雙絞線連接到集線器（Hub）,物理

30、上呈現(xiàn)出 “星型拓撲” CSMA/CD 算法在集線器（Hub）中實現(xiàn) 從結(jié)點到集線器的最長距離為 100米 集線器可以與發(fā)生故障的適配器斷開而不影響其他 需要注意：網(wǎng)卡、網(wǎng)線規(guī)格、集線器技術(shù)參數(shù)的匹配,4.6.4 802.3標準的優(yōu)缺點,優(yōu)點： 使用最為廣泛； 算法簡單； 站點可以在網(wǎng)絡(luò)運行中安裝； 使用無源電纜； 輕負載時，延遲為0。,4.6.4 802.3標準的優(yōu)缺點,缺點： 使用模擬器件，每個站點在發(fā)送的同時要檢測沖突； 最短幀長64字節(jié)，對于短數(shù)據(jù)來講開銷太大； 無優(yōu)先級，發(fā)送是非確定性的，不適合于實時工作； 電纜最長2500米（使用中繼器）； 速率提高時，幀傳輸時間減少，競爭時間不變

31、（2t），效率降低； 重負載時，沖突嚴重。,4.7 IEEE 802.4 令牌總線局域網(wǎng),IEEE 802.4 令牌總線（Token Bus） 特點 物理上是總線網(wǎng)，邏輯上是令牌網(wǎng) 物理層：傳輸媒體為75寬帶同軸電纜， 數(shù)據(jù)率1M、5M或10M； 基帶信號需要調(diào)制,4.7 IEEE 802.4 令牌總線局域網(wǎng),IEEE 802.4 令牌總線（Token Bus） 幀結(jié)構(gòu) 先導(dǎo)字節(jié)：10101010 優(yōu)先級：0，2，4或6 開始/結(jié)束界符：模擬編碼 幀最大長度：8182/8174字節(jié) CRC校驗,4.8 IEEE 802.4 令牌總線局域網(wǎng),IEEE 802.4 令牌總線（Token Bus）

32、邏輯環(huán)的維護 初始化、站點要求加入、令牌丟失/多令牌,4.8 IEEE 802.5 令牌環(huán),4.8.1 IEEE 802.5 令牌環(huán)的產(chǎn)生原因 4.8.2 IEEE 802.5 令牌環(huán)的基本思想 4.8.3 令牌環(huán)MAC子層協(xié)議 4.8.4 802.5標準的優(yōu)缺點,4.8.1 IEEE 802.5 令牌環(huán)的產(chǎn)生原因,產(chǎn)生原因 環(huán)實際上并不是一個廣播介質(zhì)，而是不同的點到點鏈路組成的環(huán)，點到點鏈路有很多技術(shù)優(yōu)勢； 各個站點是公平的，獲得信道的時間有上限，避免沖突發(fā)生； IBM選擇令牌環(huán)(Token Ring)作為它的LAN技術(shù)。,4.8.2 IEEE 802.5 令牌環(huán)的基本思想,基本思想 令牌（

33、Token）是一種特殊的比特組合模式，一個站要發(fā)送幀時，需要抓住令牌，并將其移出環(huán)； 環(huán)本身必須有足夠的時延容納一個完整的令牌，時延由兩部分組成：每站的1比特延遲和信號傳播延遲。對于短環(huán)，必要時需要插入人工延遲； 環(huán)接口有兩種操作模式：監(jiān)聽模式和傳輸模式； 當(dāng)一個站點有數(shù)據(jù)發(fā)送時，在令牌通過此站點時，將令牌從環(huán)上取下，發(fā)送自己的數(shù)據(jù)，然后重新生成令牌，發(fā)送站負責(zé)將發(fā)出的幀從環(huán)上移去，并轉(zhuǎn)入監(jiān)聽模式； 確認：幀內(nèi)一個比特域，初值為0，目的站收到后，將其變?yōu)?；對廣播的確認比較復(fù)雜； 重負載下，效率接近100%。,4.8.2 IEEE 802.5 令牌環(huán)的基本思想,基本思想 環(huán)網(wǎng)設(shè)計分析的一個主要

34、問題是1比特的“物理長度”，數(shù)據(jù)傳輸速率為R Mbps，典型信號傳播速率為200米/微秒，則1比特的“物理長度”為 200/R米； 環(huán)接口引入了1比特的傳輸延遲； Fig. 4-28,4.8.2 IEEE 802.5 令牌環(huán)的基本思想,4.8.3 令牌環(huán)MAC子層協(xié)議,令牌環(huán)MAC子層協(xié)議 協(xié)議基本操作：無信息傳輸時，3字節(jié)的令牌在環(huán)上循環(huán)；有信息要發(fā)送時，站獲得令牌，并將第二個字節(jié)的某一位由 0 變成 1，將令牌的前兩個字節(jié)變成幀的起始序列，然后輸出幀的其它部分； 開始定界符SD和結(jié)束定界符ED標志著幀的開始和結(jié)束，使用差分曼徹斯特編碼模式（HH和LL，物理層編碼違例法）；,令牌傳遞(1),

35、令牌是一種小幀，3個字節(jié) 如果計算機沒有信息要傳遞，它只是將令牌向下傳遞。,令牌幀,1B,1B,1B,接入控制,結(jié)束,起始,P P P T M R R R,令牌位,優(yōu)先級,監(jiān)督位,預(yù)約位,1B,1B,1B,非令牌幀,1B,1B,1B,訪問控制,結(jié)束,起始,幀狀態(tài),幀控制,目的地址,源地址,FCS,1 1 1 2/6 2/6 0 4 1 1,數(shù)據(jù),令牌傳遞(2),如果計算機有信息要傳遞，它抓住令牌，將T比特置1，然后將數(shù)據(jù)裝入幀中，向下游的計算機傳遞該幀。一個令牌一幀。,令牌傳遞(3),該數(shù)據(jù)幀在環(huán)中按一定方向循環(huán)，直到目的計算機，目的計算機將幀中幀狀態(tài)字段中的A比特置1，表示收到，將幀中幀狀態(tài)

36、字段中的C比特置1，表示Copy，然后該幀繼續(xù)向下傳遞。,令牌傳遞(4),源計算機檢查幀狀態(tài)字段中的A、C比特，確認信息傳遞成功，于是將數(shù)據(jù)從幀中移除，將數(shù)據(jù)幀還原成令牌幀，向下傳遞。,優(yōu)先級和預(yù)約,P P P T M R R R,令牌位,優(yōu)先級,監(jiān)督位,預(yù)約位,令牌幀接入控制域,計算機的優(yōu)先級大于等于令牌的優(yōu)先級，才能抓住令牌 計算機的優(yōu)先級大于等于令牌的優(yōu)先級，才能預(yù)約令牌 計算機升高令牌的優(yōu)先級，完成傳輸后，釋放令牌的時候必須把優(yōu)先級降回它抓住令牌的優(yōu)先級狀態(tài)。,4.8.3 令牌環(huán)MAC子層協(xié)議,環(huán)的維護 環(huán)上存在一個監(jiān)控站，負責(zé)環(huán)的維護，通過站的競爭產(chǎn)生； 監(jiān)控站的職責(zé) 保證令牌不丟失

37、； 處理環(huán)斷開情況； 清除壞幀，檢查無主幀。,令牌環(huán)網(wǎng)絡(luò)活動監(jiān)視(Active Monitor ),選舉、時鐘、維護,例如：清除剩余幀，釋放新令牌,4.8.4 802.5標準的優(yōu)缺點,優(yōu)點： 使用點到點連接，完全數(shù)字化； 使用線路中心，自動檢測和消除電纜故障； 支持優(yōu)先級，允許短幀，但受令牌持有時間限制，不允許任意長的幀； 重負載時，吞吐量和效率較高。,4.8.4 802.5標準的優(yōu)缺點,缺點： 中央監(jiān)控； 輕負載時，延遲大。,4.9.1 局域網(wǎng)的基本組成,硬件：由計算機系統(tǒng)和通信系統(tǒng)組成 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器: 提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，共享資源，網(wǎng)絡(luò)管理。 網(wǎng)絡(luò)工作站：客戶機 網(wǎng)絡(luò)接口卡（網(wǎng)絡(luò)適配器、網(wǎng)卡）：實

38、現(xiàn)計算機和傳輸介質(zhì)之間的物理連接。 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備：集線器（HUB）、中繼器、交換機（Switch）、網(wǎng)橋、路由器（Router）。 傳輸介質(zhì)：非屏蔽雙絞線、屏蔽雙絞線、基帶同軸電纜、光纜。,4.9.1 局域網(wǎng)的基本組成,服務(wù)器,4.9.1 局域網(wǎng)的基本組成,以太網(wǎng)卡,4.9.1 局域網(wǎng)的基本組成,集線器,4.9.1 局域網(wǎng)的基本組成,集線器,4.9.1 局域網(wǎng)的基本組成,路由器,4.9.1 局域網(wǎng)的基本組成,交換機,4.9.1 局域網(wǎng)的基本組成,網(wǎng)絡(luò)軟件 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)軟件 網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)（NOS） 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議軟件 網(wǎng)絡(luò)通信軟件 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用軟件為用戶提供實際的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。,4.9.2 局域網(wǎng)的特點,局域網(wǎng)最主要

39、的特點是: 網(wǎng)絡(luò)為一個單位所擁有，且地理范圍和站點數(shù)目均有限。,4.9.2 局域網(wǎng)的特點,局域網(wǎng)還具有以下的一些優(yōu)點： 能方便地共享昂貴的外部設(shè)備、主機以及軟件、數(shù)據(jù)，從一個站點可訪問全網(wǎng)。 便于系統(tǒng)的擴展和逐漸地演變，各設(shè)備的位置可靈活調(diào)整和改變。 提高了系統(tǒng)的可靠性、可用性和殘存性。,4.9.3 局域網(wǎng)的分類,局域網(wǎng)按網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)可分為以下四類： 星形：所有結(jié)點都連接到中央結(jié)點 環(huán)型：結(jié)點通過點到點鏈路與相臨結(jié)點連接 總線型：所有結(jié)點都直接連接到共享信道 樹型：類似總線型（非直接，或結(jié)合星型）,4.9.3 局域網(wǎng)的分類,4.10局域網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu),局域網(wǎng)參考模型 對應(yīng)于OSI參考模型最低兩層

40、： 物理層：透明傳輸位流，規(guī)定信號編碼、傳輸媒體、拓撲結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)率 數(shù)據(jù)鏈路層(802委員會將局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)鏈路層拆成兩個子層) 介質(zhì)訪問控制子層 MAC（Medium Access Control） 邏輯鏈路控制子層 LLC（Logical Link Control）,4.10局域網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu),將數(shù)據(jù)鏈路層拆成兩層后： 與接入到傳輸媒體有關(guān)的內(nèi)容都放在MAC子層。 LLC子層則與傳輸媒體無關(guān)，不管采用何種協(xié)議的局域網(wǎng)對LLC子層來說都是透明的。,4.10局域網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu),局域網(wǎng)參考模型,4.10局域網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu),MAC子層： 數(shù)據(jù)鏈路層中與接入各種傳輸媒體有關(guān)的問題。還負責(zé)在物理層的基礎(chǔ)上進行

41、無差錯的通信。更具體些講，MAC子層的主要功能是： 將上層交下來的數(shù)據(jù)封裝成幀進行發(fā)送(接收時進行相反的過程，將幀拆卸) 實現(xiàn)和維護MAC協(xié)議 比特差錯檢測 尋址,4.10局域網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu),媒體接入控制MAC子層 802標準規(guī)定MAC地址字段可采用6字節(jié)(48 bit)或2字節(jié)16bit這兩種中的一種。 如：0050BA 213E04 :0050BA 廠商代碼 在生產(chǎn)網(wǎng)卡時，這種6字節(jié)的MAC地址已被固化在網(wǎng)卡中。,LAN 地址,每個 LAN上的網(wǎng)卡都有具唯一性的LAN 地址,LAN 地址 (續(xù)),MAC 分配由 IEEE管理 制造商購買部分MAC地址空間 (以保證唯一性) 比方: (a) M

42、AC地址: 美國人的社會保險號 (b) IP地址: 類似郵政地址 MAC 平面地址 = 可以遷移 可以將 LAN卡從一個LAN換到另一個 IP 層次性地址不可遷移 取決于某個站點接入的網(wǎng)絡(luò),4.10局域網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu),平常所講的物理地址或MAC地址，也就是通常所說的計算機中網(wǎng)卡的硬件地址，共48位,高24位由IEEE分配,世界上凡是制造局域網(wǎng)網(wǎng)卡的廠家都必須向IEEE購買這24位高地址,該地址被稱為地址塊或廠家代碼。低24位地址由廠家分配。,4.10局域網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu),在計算機網(wǎng)絡(luò)中，硬件地址的作用就是用來找到我們所要進行通信的計算機。網(wǎng)卡從網(wǎng)上每收到一個MAC幀就首先檢查其硬件地址。如果是發(fā)往本

43、站的幀則收下，然后再進行其他的處理。否則就將此幀丟棄，不再進行其他的處理。這里“發(fā)往本站的幀”包括以下三種幀： 單播(unicast)幀(一對一通信)，即收到的幀的MAC地址與本站的硬件地址相同。 廣播(broadcast)幀(一對所有通信)，即發(fā)送給所有站點的幀(全1地址)。 多播(multicast)幀(一對多通信)，即發(fā)送給一部分站點的幀。 所有的網(wǎng)卡都至少應(yīng)當(dāng)能夠識別前兩種幀，即能夠識別單播和廣播地址。有的網(wǎng)卡可以用編程的方法識別多播地址。當(dāng)操作系統(tǒng)啟動時，它就將網(wǎng)卡初始化，使網(wǎng)卡能夠識別某些多播地址,4.10局域網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu),LLC子層： 數(shù)據(jù)鏈路層中與媒體接入無關(guān)的部分，其主要功能

44、是： 建立和釋放數(shù)據(jù)鏈路層的邏輯連接 提供與高層的接口 差錯控制 給幀加上序號,4.10局域網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu),LLC子層向上主要提供三種操作類型(operation type)的服務(wù)： 操作類型1一一即LLC1，不確認的無連接服務(wù)，即數(shù)據(jù)報，可用于點對點服務(wù)，特別適合于廣播和多播通信； 操作類型2一一即LLC2，面向連接服務(wù)，開銷較大，每次通信需要經(jīng)過連接建立、數(shù)據(jù)傳送、連接斷開這三個階段； 操作類型3一一即LLC3，帶確認的無連接服務(wù)，用于傳送某些非常重要且時間性也很強的信息，如過程控制或自動化。,4.11 擴展的局域網(wǎng)：集線器（Hubs）,物理層設(shè)備: 本質(zhì)上是工作在位流層面上的中繼器: 將接

45、收到的位流在所有其他接口上復(fù)制發(fā)送 集線器可以按照層次結(jié)構(gòu)“級聯(lián)” ,把骨干 （backbone ）集線器置頂端,集線器(續(xù)),每個被連接的 LAN稱為 LAN網(wǎng)段（ segment） 集線器不隔離碰撞域: 任意LAN網(wǎng)段中的結(jié)點都可能與其他網(wǎng)段中的結(jié)點發(fā)生沖突 集線器的優(yōu)點: 簡單,廉價設(shè)備 多層結(jié)構(gòu)提供了一個性能略微降低較大的互聯(lián)LAN: 即使一個集線器故障，部分 LAN結(jié)點仍可以繼續(xù)工作 擴展了結(jié)點間的距離 (每個Hub 100m),集線器的局限,單一的沖突域?qū)е铝俗畲笸掏铝坎豢赡茉黾?多層結(jié)構(gòu)的吞吐量實際與單個網(wǎng)段相同 對單個 LAN中同樣的沖突域的限制也強加到了所有新近加入到這個互聯(lián)

46、LAN的結(jié)點上 不能連接不同類型的以太網(wǎng) (e.g., 10BaseT 和 100baseT),4.11擴展的局域網(wǎng)：網(wǎng)橋(Bridge),鏈路層設(shè)備: 使用以太網(wǎng)幀工作, 檢查幀的首部的信宿地址后，選擇性的進行轉(zhuǎn)發(fā) 由于網(wǎng)橋可以緩存幀，網(wǎng)橋可以隔離碰撞域 當(dāng)在網(wǎng)段間轉(zhuǎn)發(fā)幀時,網(wǎng)橋使用 CSMA/CD方式訪問網(wǎng)段并進行傳輸,擴展的局域網(wǎng)：網(wǎng)橋(續(xù)),網(wǎng)橋優(yōu)點: 隔離沖突域使得網(wǎng)絡(luò)的最大總吞吐量提高, 對接入的結(jié)點數(shù)和地理覆蓋的范圍沒有限制 由于是存儲轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備，所以可以連接不同的以太網(wǎng) 透明: 不需要改變主機的LAN網(wǎng)絡(luò)接口適配器,主干網(wǎng)橋（Backbone Bridge）,不使用主干方式的互聯(lián)

47、,不推薦的兩個理由: - 在 Computer Science hub故障可能引出的問題 - 所有在EE 和 SE 之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)必須通過 CS 網(wǎng)段,網(wǎng)橋: 幀的過濾,轉(zhuǎn)發(fā),網(wǎng)橋過濾幀 同LAN網(wǎng)段內(nèi)傳輸?shù)膸晦D(zhuǎn)發(fā)到其他的LAN網(wǎng)段 轉(zhuǎn)發(fā): 如何知道那個LAN網(wǎng)段在哪，如何轉(zhuǎn)發(fā)? 看起來好像是路由選擇問題 (只不過距離短一點!),網(wǎng)橋過濾,網(wǎng)橋可以通過 自學(xué) 了解某臺主機可以從哪個接口到達: 維護過濾表 當(dāng)幀到達時,網(wǎng)橋“得知”發(fā)送方的位置:信號進入的 LAN網(wǎng)段 在過濾表中記錄發(fā)送方的位置 過濾表的條目: (結(jié)點的 LAN地址, 網(wǎng)橋的接口,時間戳-Time Stamp) 過濾表中過期的條

48、目會被丟棄 (TTL 可以為 60 分鐘),過濾,filtering procedure: If 信宿LAN地址與接收到的幀處于同一網(wǎng)段 then 丟棄該幀； else 查詢過濾表 if 發(fā)現(xiàn)了信宿的條目 then 按條目所指的接口進行轉(zhuǎn)發(fā); else 泛洪（flood）; /* 在除了接收該幀的接口以外的所有接口上進行轉(zhuǎn)發(fā)*/ ,網(wǎng)橋自學(xué)過程: 舉例,假設(shè) C 給D發(fā)送幀， D再用幀對C進行應(yīng)答,C 發(fā)送幀, 網(wǎng)橋沒有D的資料,因此在兩個LAN進行泛洪 網(wǎng)橋注意C是在1#端口 位處上部的LAN將該幀忽略 D接收到了該幀,網(wǎng)橋的自學(xué)過程: 舉例,D 產(chǎn)生了給 C的應(yīng)答, 并發(fā)送 網(wǎng)橋注意到了D發(fā)出的幀 網(wǎng)橋查出D處在2#接口上 網(wǎng)橋已知 C 在1#接口上,所以有選擇的 通過1#接口轉(zhuǎn)發(fā),忽略同網(wǎng)段通信的幀 自學(xué)源地址 轉(zhuǎn)發(fā)異網(wǎng)段的幀 廣播未知幀,網(wǎng)橋工作原理小結(jié),網(wǎng)橋支撐樹(Spanning Tree),為增強可靠性, 一般希望有一些冗余,比如在信源、信宿間設(shè)立具有可替換的路徑 如果同時有了多條路經(jīng)，就有可能產(chǎn)生循環(huán) 網(wǎng)橋會產(chǎn)生