數(shù)據(jù)鏈路層與局域網(wǎng)

1、計算機網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層與局域網(wǎng)內(nèi) 容一、數(shù)據(jù)鏈路層的基本概念二、停止等待協(xié)議三、連續(xù) ARQ 協(xié)議四、面向比特的鏈路層協(xié)議 HDLC五、因特網(wǎng)的點對點協(xié)議 PPP六、局域網(wǎng)概述七、傳統(tǒng)以太網(wǎng)八、虛擬局域網(wǎng) 九、無線局域網(wǎng)一 數(shù)據(jù)鏈路層的基本概念 n鏈路(link)是一條無源的點到點的物理線路段，中間沒有任何其他的交換結(jié)點。n一條鏈路只是一條通路的一個組成部分。n數(shù)據(jù)鏈路(data link) 除了物理線路外，還必須有通信協(xié)議來控制這些數(shù)據(jù)的傳輸。若把實現(xiàn)這些協(xié)議的硬件和軟件加到鏈路上，就構(gòu)成了數(shù)據(jù)鏈路。n現(xiàn)在最常用的方法是使用適配器（即網(wǎng)卡）來實現(xiàn)這些協(xié)議的硬件和軟件。n一般的適配器都包括了數(shù)據(jù)

2、鏈路層和物理層這兩層的功能。 數(shù)據(jù)鏈路層像個數(shù)字管道 n常常在兩個對等的數(shù)據(jù)鏈路層之間畫出一個數(shù)字管道，而在這條數(shù)字管道上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)單位是幀。n早期的數(shù)據(jù)通信協(xié)議曾叫作通信規(guī)程(procedure)。因此在數(shù)據(jù)鏈路層，規(guī)程和協(xié)議是同義語。 結(jié)點結(jié)點幀幀數(shù)據(jù)鏈路層的主要功能(1) 鏈路管理 (2) 幀定界 (3) 流量控制(4) 差錯控制 (5) 將數(shù)據(jù)和控制信息區(qū)分開 (6) 透明傳輸 (7) 尋址 二、停止等待協(xié)議n2.1 完全理想化的數(shù)據(jù)傳輸n先研究一下數(shù)據(jù)鏈路層的模型。數(shù)據(jù)鏈路層的簡單模型局域網(wǎng)廣域網(wǎng)主機 H1主機 H2路由器 R1路由器 R2路由器 R3電話網(wǎng)局域網(wǎng)主機 H1 向 H2

3、 發(fā)送數(shù)據(jù)鏈路層應(yīng)用層運輸層網(wǎng)絡(luò)層物理層鏈路層應(yīng)用層運輸層網(wǎng)絡(luò)層物理層鏈路層網(wǎng)絡(luò)層物理層鏈路層網(wǎng)絡(luò)層物理層鏈路層網(wǎng)絡(luò)層物理層R1R2R3H1H2從層次上來看數(shù)據(jù)的流動數(shù)據(jù)鏈路層的簡單模型( 續(xù)）局域網(wǎng)廣域網(wǎng)主機 H1主機 H2路由器 R1路由器 R2路由器 R3電話網(wǎng)局域網(wǎng)主機 H1 向 H2 發(fā)送數(shù)據(jù)鏈路層應(yīng)用層運輸層網(wǎng)絡(luò)層物理層鏈路層應(yīng)用層運輸層網(wǎng)絡(luò)層物理層鏈路層網(wǎng)絡(luò)層物理層鏈路層網(wǎng)絡(luò)層物理層鏈路層網(wǎng)絡(luò)層物理層R1R2R3H1H2僅從數(shù)據(jù)鏈路層觀察幀的流動2.1 完全理想化的數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)鏈路層主機 A緩存主機 B數(shù)據(jù)鏈路AP2AP1緩存發(fā)送方接收方幀高層幀完全理想化的數(shù)據(jù)傳輸所基于的兩個假

4、定 n假定 1： 鏈路是理想的傳輸信道，所傳送的任何數(shù)據(jù)既不會出差錯也不會丟失。n假定 2： 不管發(fā)方以多快的速率發(fā)送數(shù)據(jù)，收方總是來得及收下，并及時上交主機。n這個假定就相當(dāng)于認為：接收端向主機交付數(shù)據(jù)的速率永遠不會低于發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)的速率。 2.2 具有最簡單流量控制的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議n現(xiàn)在去掉上述的第二個假定。但是，仍然保留第一個假定，即主機 A 向主機 B傳輸數(shù)據(jù)的信道仍然是無差錯的理想信道。然而現(xiàn)在不能保證接收端向主機交付數(shù)據(jù)的速率永遠不低于發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)的速率。n由收方控制發(fā)方的數(shù)據(jù)流，乃是計算機網(wǎng)絡(luò)中流量控制的一個基本方法。 具有最簡單流量控制的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議算法在發(fā)送結(jié)點： (1

5、) 從主機取一個數(shù)據(jù)幀。 (2) 將數(shù)據(jù)幀送到數(shù)據(jù)鏈路層的發(fā)送緩存。 (3) 將發(fā)送緩存中的數(shù)據(jù)幀發(fā)送出去。 (4) 等待。 (5) 若收到由接收結(jié)點發(fā)過來的信息(此信息 的格式與內(nèi)容可由雙方事先商定好)，則 從主機取一個新的數(shù)據(jù)幀，然后轉(zhuǎn)到(2)。具有最簡單流量控制的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議算法（續(xù)）在接收結(jié)點： (1) 等待。 (2) 若收到由發(fā)送結(jié)點發(fā)過來的數(shù)據(jù)幀， 則將其放入數(shù)據(jù)鏈路層的接收緩存。 (3) 將接收緩存中的數(shù)據(jù)幀上交主機。 (4) 向發(fā)送結(jié)點發(fā)一信息，表示數(shù)據(jù)幀已 經(jīng)上交給主機。 (5) 轉(zhuǎn)到(1)。兩種情況的對比（傳輸均無差錯）ABDATADATADATADATA送主機 B送主機

6、 B送主機 B送主機 BABDATA送主機 BDATA送主機 B時間不需要流量控制需要流量控制2.3 實用的停止等待協(xié)議時間ABDATA0送主機ACKDATA1送主機ACK(a) 正常情況ABDATA0DATA0送主機ACK(c) 數(shù)據(jù)幀丟失重傳tout丟失 ！ABDATA0送主機ACKDATA0丟棄ACK(d) 確認幀丟失重傳tout丟失 ！ABDATA0NAKDATA0送主機ACK(b) 數(shù)據(jù)幀出錯重傳出錯四種情況超時計時器的作用n結(jié)點A發(fā)送完一個數(shù)據(jù)幀時，就啟動一個超時計時器(timeout timer)。n計時器又稱為定時器。n若到了超時計時器所設(shè)置的重傳時間 tout而仍收不到結(jié)點

7、B 的任何確認幀，則結(jié)點 A 就重傳前面所發(fā)送的這一數(shù)據(jù)幀。n一般可將重傳時間選為略大于“從發(fā)完數(shù)據(jù)幀到收到確認幀所需的平均時間”。 解決重復(fù)幀的問題 n使每一個數(shù)據(jù)幀帶上不同的發(fā)送序號。每發(fā)送一個新的數(shù)據(jù)幀就把它的發(fā)送序號加 1。 n若結(jié)點 B 收到發(fā)送序號相同的數(shù)據(jù)幀，就表明出現(xiàn)了重復(fù)幀。這時應(yīng)丟棄重復(fù)幀，因為已經(jīng)收到過同樣的數(shù)據(jù)幀并且也交給了主機 B。n但此時結(jié)點 B 還必須向 A 發(fā)送確認幀 ACK，因為 B 已經(jīng)知道 A 還沒有收到上一次發(fā)過去的確認幀 ACK。 幀的編號問題 n任何一個編號系統(tǒng)的序號所占用的比特數(shù)一定是有限的。因此，經(jīng)過一段時間后，發(fā)送序號就會重復(fù)。 n序號占用的比

8、特數(shù)越少，數(shù)據(jù)傳輸?shù)念~外開銷就越小。 n對于停止等待協(xié)議，由于每發(fā)送一個數(shù)據(jù)幀就停止等待，因此用一個比特來編號就夠了。n一個比特可表示 0 和 1 兩種不同的序號。 幀的發(fā)送序號 n數(shù)據(jù)幀中的發(fā)送序號 N(S) 以 0 和 1 交替的方式出現(xiàn)在數(shù)據(jù)幀中。n每發(fā)一個新的數(shù)據(jù)幀，發(fā)送序號就和上次發(fā)送的不一樣。用這樣的方法就可以使收方能夠區(qū)分開新的數(shù)據(jù)幀和重傳的數(shù)據(jù)幀了。 可靠傳輸 n雖然物理層在傳輸比特時會出現(xiàn)差錯，但由于數(shù)據(jù)鏈路層的停止等待協(xié)議采用了有效的檢錯重傳機制，數(shù)據(jù)鏈路層對上面的網(wǎng)絡(luò)層就可以提供可靠傳輸?shù)姆?wù)。 2.4 循環(huán)冗余檢驗的原理 n在數(shù)據(jù)鏈路層傳送的幀中，廣泛使用了循環(huán)冗余檢驗

9、 CRC 的檢錯技術(shù)。n假設(shè)待傳送的數(shù)據(jù) M = 1010001101（共k bit）。我們在M的后面再添加供差錯檢測用的 n bit 冗余碼一起發(fā)送。 冗余碼的計算 n用二進制的模 2 運算進行 2n 乘 M 的運算，這相當(dāng)于在 M 后面添加 n 個 0。n得到的 (k + n) bit 的數(shù)除以事先選定好的長度為 (n + 1) bit 的數(shù) P，得出商是 Q 而余數(shù)是 R，余數(shù) R 比除數(shù) P 至少要少1 個比特。 冗余碼的計算舉例 n設(shè) n = 5, P = 110101，模 2 運算的結(jié)果是：商 Q = 1101010110， 余數(shù)R = 01110。n將余數(shù) R 作為冗余碼添加在數(shù)

10、據(jù) M 的后面發(fā)送出去，即發(fā)送的數(shù)據(jù)是101000110101110，或 2nM + R。 1101010110 Q 商 除數(shù) P 110101 101000110100000 2nM 被除數(shù) 110101 111011 110101 111010 110101 111110 110101 101100 110101 110010 110101 01110 R 余數(shù)循環(huán)冗余檢驗的原理說明 幀檢驗序列 FCS n在數(shù)據(jù)后面添加上的冗余碼稱為幀檢驗序列 FCS (Frame Check Sequence)。n循環(huán)冗余檢驗 CRC 和幀檢驗序列 FCS并不等同。nCRC 是一種常用的檢錯方法，而 F

11、CS 是添加在數(shù)據(jù)后面的冗余碼。nFCS 可以用 CRC 這種方法得出，但 CRC 并非用來獲得 FCS 的惟一方法。 檢測出差錯 n只要得出的余數(shù) R 不為 0，就表示檢測到了差錯。n但這種檢測方法并不能確定究竟是哪一個或哪幾個比特出現(xiàn)了差錯。n一旦檢測出差錯，就丟棄這個出現(xiàn)差錯的幀。n只要經(jīng)過嚴格的挑選，并使用位數(shù)足夠多的除數(shù) P，那么出現(xiàn)檢測不到的差錯的概率就很小很小。 2.5 停止等待協(xié)議的算法n這里不使用否認幀（實用的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議大都是這樣的），而且確認幀帶有序號 n。n按照習(xí)慣的表示法，ACKn 表示“第 n 1 號幀已經(jīng)收到，現(xiàn)在期望接收第 n 號幀”。nACK1 表示“0 號

12、幀已收到，現(xiàn)在期望接收的下一幀是 1 號幀”；nACK0 表示“1 號幀已收到，現(xiàn)在期望接收的下一幀是 0 號幀”。 在發(fā)送結(jié)點 (1) 從主機取一個數(shù)據(jù)幀，送交發(fā)送緩存。(2) V(S)0。 (3) N(S)V(S)。(4) 將發(fā)送緩存中的數(shù)據(jù)幀發(fā)送出去。 (5) 設(shè)置超時計時器。(6) 等待。 等待以下(7)和(8)這兩個事件中最先出現(xiàn)的一個(7) 收到確認幀 ACKn， 若 n = 1 V(s)，則： 從主機取一個新的數(shù)據(jù)幀，放入發(fā)送緩存； V(S)1 V(S)，轉(zhuǎn)到 (3)。 否則，丟棄這個確認幀，轉(zhuǎn)到(6)。 (8) 若超時計時器時間到，則轉(zhuǎn)到(4)。在接收結(jié)點 (1) V(R)0。

13、(2) 等待。(3) 收到一個數(shù)據(jù)幀； 若 N(S) = V(R)，則執(zhí)行(4)； 否則丟棄此數(shù)據(jù)幀，然后轉(zhuǎn)到(6)。(4) 將收到的數(shù)據(jù)幀中的數(shù)據(jù)部分送交上層軟件 （也就是數(shù)據(jù)鏈路層模型中的主機）。(5) V(R)1 V(R)。(6) nV(R)； 發(fā)送確認幀 ACKn，轉(zhuǎn)到(2)。 三、連續(xù) ARQ 協(xié)議3.1 連續(xù) ARQ 協(xié)議的工作原理 n在發(fā)送完一個數(shù)據(jù)幀后，不是停下來等待確認幀，而是可以連續(xù)再發(fā)送若干個數(shù)據(jù)幀。n如果這時收到了接收端發(fā)來的確認幀，那么還可以接著發(fā)送數(shù)據(jù)幀。n由于減少了等待時間，整個通信的吞吐量就提高了。 連續(xù) ARQ 協(xié)議的工作原理 DATA0DATA1DATA2D

14、ATA3DATA4DATA5重傳 DATA2重傳 DATA3ACK1ACK2ACK1 確認 DATA0ACK2 確認 DATA1DATA2 出錯，丟棄DATA3 不按序，丟棄，重傳 ACK2DATA4 不按序，丟棄，重傳 ACK2DATA5 不按序，丟棄，重傳 ACK2ACK3ACK3 確認 DATA2ACK4 確認 DATA3ACK4重傳 DATA5重傳 DATA4超時重傳時間ABtout送交主機送交主機?ACK2ACK2ACK23.2 滑動窗口的概念n發(fā)送端和接收端分別設(shè)定發(fā)送窗口和接收窗口 。n發(fā)送窗口用來對發(fā)送端進行流量控制。n發(fā)送窗口的大小 WT 代表在還沒有收到對方確認信息的情況下

15、發(fā)送端最多可以發(fā)送多少個數(shù)據(jù)幀。 01234567012發(fā)送窗口WT不允許發(fā)送這些幀允許發(fā)送 5 個幀(a)01234567012不允許發(fā)送這些幀還允許發(fā)送 4 個幀WT已發(fā)送(b)01234567012不允許發(fā)送這些幀WT已發(fā)送(c)01234567012不允許發(fā)送這些幀還允許發(fā)送 3 個幀WT已發(fā)送 已發(fā)送并已收到確認(d)接收端設(shè)置接收窗口 n在接收端只有當(dāng)收到的數(shù)據(jù)幀的發(fā)送序號落入接收窗口內(nèi)才允許將該數(shù)據(jù)幀收下。 n若接收到的數(shù)據(jù)幀落在接收窗口之外，則一律將其丟棄。 n在連續(xù) ARQ 協(xié)議中，接收窗口的大小 WR = 1。n只有當(dāng)收到的幀的序號與接收窗口一致時才能接收該幀。否則，就丟棄

16、它。n每收到一個序號正確的幀，接收窗口就向前（即向右方）滑動一個幀的位置。同時發(fā)送對該幀的確認。 不允許接收這些幀01234567012WR準備接收 0 號幀(a)不允許接收這些幀01234567012WR準備接收 1 號幀已收到(b)不允許接收這些幀01234567012WR準備接收 4 號幀已收到(c)滑動窗口的重要特性n只有在接收窗口向前滑動時（與此同時也發(fā)送了確認），發(fā)送窗口才有可能向前滑動。n收發(fā)兩端的窗口按照以上規(guī)律不斷地向前滑動，因此這種協(xié)議又稱為滑動窗口協(xié)議。n當(dāng)發(fā)送窗口和接收窗口的大小都等于 1時，就是停止等待協(xié)議。 發(fā)送窗口的最大值 n當(dāng)用 n 個比特進行編號時，若接收窗口

17、的大小為 1，則只有在發(fā)送窗口的大小 WT 2n 1時，連續(xù) ARQ 協(xié)議才能正確運行。n例如，當(dāng)采用 3 bit 編碼時，發(fā)送窗口的最大值是 7 而不是 8。 四、面向比特的鏈路控制規(guī)程 HDLC4.1 HDLC 協(xié)議概述n1974年，IBM 公司推出了面向比特的規(guī)程SDLC (Synchronous Data Link Control)。n后來 ISO 把 SDLC 修改后稱為 HDLC (High-level Data Link Control)，譯為高級數(shù)據(jù)鏈路控制，作為國際標準ISO 3309。nCCITT 則將 HDLC 再修改后稱為鏈路接入規(guī)程 LAP (Link Access

18、Procedure)。不久，HDLC 的新版本又把 LAP 修改為 LAPB，“B”表示平衡型(Balanced)，所以 LAPB 叫做鏈路接入規(guī)程(平衡型)。 4.2 HDLC 的幀結(jié)構(gòu)n標志字段 F (Flag) 為 6 個連續(xù) 1 加上兩邊各一個 0 共 8 bit。在接收端只要找到標志字段就可確定一個幀的位置。 比特888可變168信息 Info標志 F標志 F地址 A控制 C幀檢驗序列 FCS透明傳輸區(qū)間FCS 檢驗區(qū)間零比特填充法 nHDLC 采用零比特填充法使一幀中兩個 F 字段之間不會出現(xiàn) 6 個連續(xù) 1。n在發(fā)送端，當(dāng)一串比特流數(shù)據(jù)中有 5 個連續(xù) 1 時，就立即填入一個 0

19、。n在接收幀時，先找到 F 字段以確定幀的邊界。接著再對比特流進行掃描。每當(dāng)發(fā)現(xiàn) 5 個連續(xù) 1 時，就將其后的一個 0 刪除，以還原成原來的比特流。 零比特的填充與刪除 數(shù)據(jù)中某一段比特組合恰好出現(xiàn)和 F 字段一樣的情況0 1 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 0 1 0會被誤認為是 F 字段發(fā)送端在 5 個連 1 之后填入 0 比特再發(fā)送出去填入 0 比特0 1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0在接收端將 5 個連 1 之后的 0 比特刪除，恢復(fù)原樣在此位置刪除填入的 0 比特0 1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0

20、透明傳輸 n采用零比特填充法就可傳送任意組合的比特流，或者說，就可實現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層的透明傳輸。n當(dāng)連續(xù)傳輸兩個幀時，前一個幀的結(jié)束標志字段 F 可以兼作后一幀的起始標志字段。n當(dāng)暫時沒有信息傳送時，可以連續(xù)發(fā)送標志字段，使收端可以一直和發(fā)端保持同步。 其他字段 n地址字段 A 是 8 bit。 n幀檢驗序列 FCS 字段共 16 bit。所檢驗的范圍是從地址字段的第一個比特起，到信息字段的最末一個比特為止。 n控制字段 C 共 8 bit，是最復(fù)雜的字段。HDLC 的許多重要功能都靠控制字段來實現(xiàn)。 五、因特網(wǎng)的點對點協(xié)議 PPP5.1 PPP 協(xié)議的工作原理n現(xiàn)在全世界使用得最多的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)

21、議是點對點協(xié)議 PPP (Point-to-Point Protocol)。n用戶使用撥號電話線接入因特網(wǎng)時，一般都是使用 PPP 協(xié)議。 用戶撥號入網(wǎng)的示意圖 路由器調(diào)制解調(diào)器調(diào)制解調(diào)器因特網(wǎng)服務(wù)提供者(ISP)用戶家庭撥號電話線 使用 TCP/IP 的 PPP 連接使用 TCP/IP 的 客戶進程路由選擇 進程至因特網(wǎng)PC 機PPP 協(xié)議 n1992 年制訂了 PPP 協(xié)議。經(jīng)過 1993 年和 1994 年的修訂，現(xiàn)在的 PPP 協(xié)議已成為因特網(wǎng)的正式標準RFC 1661。 nPPP協(xié)議有三個組成部分 n一個將 IP 數(shù)據(jù)報封裝到串行鏈路的方法。n鏈路控制協(xié)議 LCP (Link Con

22、trol Protocol)。n網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議 NCP (Network Control Protocol)。 5.2 PPP 協(xié)議的幀格式nPPP 的幀格式和 HDLC 的相似。 n標志字段 F 仍為 0 x7E （符號“0 x”表示后面的字符是用十六進制表示。十六進制的 7E 的二進制表示是 01111110）。n地址字段 A 只置為 0 xFF。地址字段實際上并不起作用。n控制字段 C 通常置為 0 x03。nPPP 是面向字節(jié)的，所有的 PPP 幀的長度都是整數(shù)字節(jié)。 PPP 協(xié)議的幀格式nPPP 有一個 2 個字節(jié)的協(xié)議字段。n當(dāng)協(xié)議字段為 0 x0021 時，PPP 幀的信息字段就是

23、IP 數(shù)據(jù)報。n若為 0 xC021, 則信息字段是 PPP 鏈路控制數(shù)據(jù)。n若為 0 x8021，則表示這是網(wǎng)絡(luò)控制數(shù)據(jù)。 IP 數(shù)據(jù)報1211字節(jié)12不超過 1500 字節(jié)PPP 幀先發(fā)送7EFF03FACFCSF7E協(xié)議信 息 部 分首部尾部透明傳輸問題 n當(dāng) PPP 用在同步傳輸鏈路時，協(xié)議規(guī)定采用硬件來完成比特填充（和 HDLC 的做法一樣）。 n當(dāng) PPP 用在異步傳輸時，就使用一種特殊的字符填充法。 字符填充法 n將信息字段中出現(xiàn)的每一個 0 x7E 字節(jié)轉(zhuǎn)變成為 2 字節(jié)序列(0 x7D, 0 x5E)。 n若信息字段中出現(xiàn)一個 0 x7D 的字節(jié), 則將其轉(zhuǎn)變成為 2 字節(jié)序

24、列(0 x7D, 0 x5D)。n若信息字段中出現(xiàn) ASCII 碼的控制字符（即數(shù)值小于 0 x20 的字符），則在該字符前面要加入一個 0 x7D 字節(jié)，同時將該字符的編碼加以改變。 不提供使用序號和確認的可靠傳輸 nPPP 協(xié)議之所以不使用序號和確認機制是出于以下的考慮：n在數(shù)據(jù)鏈路層出現(xiàn)差錯的概率不大時，使用比較簡單的 PPP 協(xié)議較為合理。n在因特網(wǎng)環(huán)境下，PPP 的信息字段放入的數(shù)據(jù)是 IP 數(shù)據(jù)報。數(shù)據(jù)鏈路層的可靠傳輸并不能夠保證網(wǎng)絡(luò)層的傳輸也是可靠的。n幀檢驗序列 FCS 字段可保證無差錯接受。 5.3 PPP 協(xié)議的工作狀態(tài) n當(dāng)用戶撥號接入 ISP 時，路由器的調(diào)制解調(diào)器對撥

25、號做出確認，并建立一條物理連接。nPC 機向路由器發(fā)送一系列的 LCP 分組（封裝成多個 PPP 幀）。n這些分組及其響應(yīng)選擇一些 PPP 參數(shù)，和進行網(wǎng)絡(luò)層配置，NCP 給新接入的 PC機分配一個臨時的 IP 地址，使 PC 機成為因特網(wǎng)上的一個主機。n通信完畢時，NCP 釋放網(wǎng)絡(luò)層連接，收回原來分配出去的 IP 地址。接著，LCP 釋放數(shù)據(jù)鏈路層連接。最后釋放的是物理層的連接。 PPP 協(xié)議的狀態(tài)圖 建立失敗失敗NCP 配置鑒別成功通信結(jié)束載波停止檢測到 載波雙方協(xié)商一些選項鑒別網(wǎng)絡(luò)打開終止靜止六、局域網(wǎng)概述n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。 n局域

26、網(wǎng)具有如下的一些主要優(yōu)點：n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)。n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。n提高了系統(tǒng)的可靠性、可用性和殘存性。局域網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展歷程802參考模型與OSI參考模型的對應(yīng)關(guān)系 57IEEE 802協(xié)議結(jié)構(gòu)（1） 58IEEE 802協(xié)議結(jié)構(gòu)（2） 局域網(wǎng)的拓撲 匹配電阻集線器干線耦合器總線網(wǎng)星形網(wǎng)樹形網(wǎng) 環(huán)形網(wǎng)60802.3協(xié)議結(jié)構(gòu)與實際10BASE-5結(jié)構(gòu)的比較 61Ethernet協(xié)議結(jié)構(gòu) 62發(fā)送流程與接收流程圖 63CSMA/CD的結(jié)點工作狀態(tài)圖 64Ethernet網(wǎng)卡電路結(jié)構(gòu) 65Ethernet網(wǎng)卡

27、66計算機接入局域網(wǎng)的結(jié)構(gòu)67Ethernet幀結(jié)構(gòu)的比較媒體共享技術(shù)n靜態(tài)劃分信道n頻分復(fù)用n時分復(fù)用n波分復(fù)用n碼分復(fù)用 n動態(tài)媒體接入控制（多點接入）n隨機接入n受控接入 ，如多點線路探詢(polling)，或輪詢。 七 傳統(tǒng)以太網(wǎng)7.1 以太網(wǎng)的工作原理 n1. 兩個標準 nDIX Ethernet V2 是世界上第一個局域網(wǎng)產(chǎn)品（以太網(wǎng)）的規(guī)約。nIEEE 的 802.3 標準。nDIX Ethernet V2 標準與 IEEE 的 802.3 標準只有很小的差別，因此可以將 802.3 局域網(wǎng)簡稱為“以太網(wǎng)”。n嚴格說來，“以太網(wǎng)”應(yīng)當(dāng)是指符合 DIX Ethernet V2 標準

28、的局域網(wǎng) 數(shù)據(jù)鏈路層的兩個子層 n為了使數(shù)據(jù)鏈路層能更好地適應(yīng)多種局域網(wǎng)標準，802 委員會就將局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)鏈路層拆成兩個子層：n邏輯鏈路控制 LLC (Logical Link Control)子層n媒體接入控制 MAC (Medium Access Control)子層。n與接入到傳輸媒體有關(guān)的內(nèi)容都放在 MAC子層，而 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 局域網(wǎng)對 LLC 子層是透明的 局 域 網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層物理層站點 1網(wǎng)絡(luò)層物理層邏輯鏈路控制LLCLLC媒體接入控制MACMAC數(shù)據(jù)鏈路層站點 2以后一般不考慮 LLC 子層 n由于TCP/I

29、P 體系經(jīng)常使用的局域網(wǎng)是 DIX Ethernet V2 而不是 802.3 標準中的幾種局域網(wǎng)，因此現(xiàn)在 802 委員會制定的邏輯鏈路控制子層 LLC（即 802.2 標準）的作用已經(jīng)不大了。n很多廠商生產(chǎn)的網(wǎng)卡上就僅裝有 MAC 協(xié)議而沒有 LLC 協(xié)議。 7.2 網(wǎng)卡的作用 n網(wǎng)絡(luò)接口板又稱為通信適配器(adapter)或網(wǎng)絡(luò)接口卡 NIC (Network Interface Card)，或“網(wǎng)卡”。 n網(wǎng)卡的重要功能：n進行串行/并行轉(zhuǎn)換。n對數(shù)據(jù)進行緩存。n在計算機的操作系統(tǒng)安裝設(shè)備驅(qū)動程序。n實現(xiàn)以太網(wǎng)協(xié)議。 計算機通過網(wǎng)卡和局域網(wǎng)進行通信 CPU高速緩存存儲器I/O 總線計算

30、機至局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)接口卡（網(wǎng)卡）串行通信并行通信n最初的以太網(wǎng)是將許多計算機都連接到一根總線上。當(dāng)初認為這樣的連接方法既簡單又可靠，因為總線上沒有有源器件。 7.3 CSMA/CD 協(xié)議 B向 D發(fā)送數(shù)據(jù) C D A E匹配電阻（用來吸收總線上傳播的信號）匹配電阻不接受不接受不接受接受B只有 D 接受B 發(fā)送的數(shù)據(jù)7.3 CSMA/CD 協(xié)議 以太網(wǎng)的廣播方式發(fā)送 n總線上的每一個工作的計算機都能檢測到 B 發(fā)送的數(shù)據(jù)信號。 n由于只有計算機 D 的地址與數(shù)據(jù)幀首部寫入的地址一致，因此只有 D 才接收這個數(shù)據(jù)幀。 n其他所有的計算機（A, C 和 E）都檢測到不是發(fā)送給它們的數(shù)據(jù)幀，因此就丟棄這個

31、數(shù)據(jù)幀而不能夠收下來。n具有廣播特性的總線上實現(xiàn)了一對一的通信。 載波監(jiān)聽多點接入/碰撞檢測CSMA/CDnCSMA/CD 表示 Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection。n“多點接入”表示許多計算機以多點接入的方式連接在一根總線上。n“載波監(jiān)聽”是指每一個站在發(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。 n總線上并沒有什么“載波”。因此， “載波監(jiān)聽”就是用電子技術(shù)檢測總線上有沒有其他計算機發(fā)送的數(shù)據(jù)信號。 碰撞檢測n“碰撞檢測”就是計算機邊發(fā)送數(shù)據(jù)邊檢測信道上的信號電

32、壓大小。n當(dāng)幾個站同時在總線上發(fā)送數(shù)據(jù)時，總線上的信號電壓擺動值將會增大（互相疊加）。n當(dāng)一個站檢測到的信號電壓擺動值超過一定的門限值時，就認為總線上至少有兩個站同時在發(fā)送數(shù)據(jù)，表明產(chǎn)生了碰撞。n所謂“碰撞”就是發(fā)生了沖突。因此“碰撞檢測”也稱為“沖突檢測”。檢測到碰撞后n在發(fā)生碰撞時，總線上傳輸?shù)男盘柈a(chǎn)生了嚴重的失真，無法從中恢復(fù)出有用的信息來。n每一個正在發(fā)送數(shù)據(jù)的站，一旦發(fā)現(xiàn)總線上出現(xiàn)了碰撞，就要立即停止發(fā)送，免得繼續(xù)浪費網(wǎng)絡(luò)資源，然后等待一段隨機時間后再次發(fā)送。二進制指數(shù)類型退避算法 (truncated binary exponential type)n發(fā)生碰撞的站在停止發(fā)送數(shù)據(jù)后，

33、要推遲（退避）一個隨機時間才能再發(fā)送數(shù)據(jù)。n確定基本退避時間，一般是取為爭用期 2。n定義重傳次數(shù) k ，k 10，即 k = Min重傳次數(shù), 10n從整數(shù)集合0,1, (2k 1)中隨機地取出一個數(shù)，記為 r。重傳所需的時延就是 r 倍的基本退避時間。n當(dāng)重傳達 16 次仍不能成功時即丟棄該幀，并向高層報告。 強化碰撞 n當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)的站一旦發(fā)現(xiàn)發(fā)生了碰撞時，除了立即停止發(fā)送數(shù)據(jù)外，還要再繼續(xù)發(fā)送若干比特的人為干擾信號(jamming signal)，以便讓所有用戶都知道現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)生了碰撞。 7.4 傳統(tǒng)以太網(wǎng)的連接方法 n傳統(tǒng)以太網(wǎng)可使用的傳輸媒體有四種：n銅纜（粗纜或細纜）n銅線（雙絞線

34、）n光纜n這樣，以太網(wǎng)就有四種不同的物理層。 10BASE5粗纜10BASE2細纜10BASE-T雙絞線10BASE-F光纜以太網(wǎng)媒體接入控制 MAC銅纜或銅線連接到以太網(wǎng)的示意圖 主機箱主機箱主機箱雙絞線集線器BNC T 型接頭收發(fā)器電纜網(wǎng)卡插入式分接頭MAUMDI保護外層外導(dǎo)體屏蔽層內(nèi)導(dǎo)體收發(fā)器DB-15連接器BNC 連接器插口RJ-45插頭以太網(wǎng)的最大作用距離 250 m750 m500 m500 m500 m50 m50 m50 m網(wǎng)段 1轉(zhuǎn)發(fā)器網(wǎng)段 2網(wǎng)段 3轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)器細纜以太網(wǎng) 10BASE2 n用更便宜的直徑為 5 mm 的細同軸電纜(特性阻抗仍為 50 W)，可代替粗同

35、軸電纜。 n將媒體連接單元 MAU 和媒體相關(guān)接口 MDI都安裝在網(wǎng)卡上，取消了外部的 AUI電纜。 n細纜直接用標準 BNC T 型接頭連接到網(wǎng)卡上的 BNC 連接器的插口。 網(wǎng)卡的功能 n數(shù)據(jù)的封裝與解封 發(fā)送時將上一層交下來的數(shù)據(jù)加上首部和尾部，成為以太網(wǎng)的幀。接收時將以太網(wǎng)的幀剝?nèi)ナ撞亢臀膊?，然后送交上一層?n鏈路管理 主要是 CSMA/CD 協(xié)議的實現(xiàn)。 n編碼與譯碼 即曼徹斯特編碼與譯碼。 星形網(wǎng) 10BASE-T n不用電纜而使用無屏蔽雙絞線。每個站需要用兩對雙絞線，分別用于發(fā)送和接收。n在星形網(wǎng)的中心則增加了一種可靠性非常高的設(shè)備，叫做集線器(hub)。 n集線器使用了大規(guī)模

36、集成電路芯片，因此這樣的硬件設(shè)備的可靠性已大大提高了。 以太網(wǎng)在局域網(wǎng)中的統(tǒng)治地位n10BASE-T 的通信距離稍短，每個站到集線器的距離不超過 100 m。n這種 10 Mb/s 速率的無屏蔽雙絞線星形網(wǎng)的出現(xiàn)，既降低了成本，又提高了可靠性。 n10BASE-T 雙絞線以太網(wǎng)的出現(xiàn)，是局域網(wǎng)發(fā)展史上的一個非常重要的里程碑，它為以太網(wǎng)在局域網(wǎng)中的統(tǒng)治地位奠定了牢固的基礎(chǔ)。 集線器的一些特點 n集線器是使用電子器件來模擬實際電纜線的工作，因此整個系統(tǒng)仍然像一個傳統(tǒng)的以太網(wǎng)那樣運行。 n使用集線器的以太網(wǎng)在邏輯上仍是一個總線網(wǎng)，各工作站使用的還是 CSMA/CD 協(xié)議，并共享邏輯上的總線。 n集線

37、器很像一個多端口的轉(zhuǎn)發(fā)器，工作在物理層。 具有三個端口的集線器 集線器網(wǎng)卡工作站網(wǎng)卡工作站網(wǎng)卡工作站雙絞線n虛擬局域網(wǎng) VLAN 是由一些局域網(wǎng)網(wǎng)段構(gòu)成的與物理位置無關(guān)的邏輯組。n這些網(wǎng)段具有某些共同的需求。n每一個 VLAN 的幀都有一個明確的標識符，指明發(fā)送這個幀的工作站是屬于哪一個 VLAN。n虛擬局域網(wǎng)其實只是局域網(wǎng)給用戶提供的一種服務(wù)，而并不是一種新型局域網(wǎng)。 八、虛擬局域網(wǎng)8.1 虛擬局域網(wǎng)的概念以太網(wǎng)交換機A4B1以太網(wǎng)交換機VLAN3C3B3VLAN1VLAN2C1A2A1A3C2B2以太網(wǎng)交換機以太網(wǎng)交換機三個虛擬局域網(wǎng) VLAN1, VLAN2和 VLAN3 的構(gòu)成 以太網(wǎng)

38、交換機A4B1以太網(wǎng)交換機VLAN3C3B3VLAN1VLAN2C1A2A1A3C2B2以太網(wǎng)交換機以太網(wǎng)交換機三個虛擬局域網(wǎng) VLAN1, VLAN2和 VLAN3 的構(gòu)成 當(dāng) B1 向 VLAN2 工作組內(nèi)成員發(fā)送數(shù)據(jù)時，工作站 B2 和 B3 將會收到廣播的信息。以太網(wǎng)交換機A4B1以太網(wǎng)交換機VLAN3C3B3VLAN1VLAN2C1A2A1A3C2B2以太網(wǎng)交換機以太網(wǎng)交換機三個虛擬局域網(wǎng) VLAN1, VLAN2和 VLAN3 的構(gòu)成 B1 發(fā)送數(shù)據(jù)時，工作站 A1, A2 和 C1都不會收到 B1 發(fā)出的廣播信息。 以太網(wǎng)交換機A4B1以太網(wǎng)交換機VLAN3C3B3VLAN1VL

39、AN2C1A2A1A3C2B2以太網(wǎng)交換機以太網(wǎng)交換機三個虛擬局域網(wǎng) VLAN1, VLAN2和 VLAN3 的構(gòu)成 虛擬局域網(wǎng)限制了接收廣播信息的工作站數(shù)，使得網(wǎng)絡(luò)不會因傳播過多的廣播信息(即“廣播風(fēng)暴”)而引起性能惡化。 n虛擬局域網(wǎng)協(xié)議允許在以太網(wǎng)的幀格式中插入一個 4 字節(jié)的標識符，稱為 VLAN 標記(tag)，用來指明發(fā)送該幀的工作站屬于哪一個虛擬局域網(wǎng)。 8.2 虛擬局域網(wǎng)使用的以太網(wǎng)幀格式 802.3MAC 幀字節(jié)66246 15004MAC 幀目地地址源地址長度/類型數(shù) 據(jù)FCS長度/類型 = 802.1Q 標記類型 標記控制信息 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0

40、0 0 0 0 0 VID 2 字節(jié)2 字節(jié)插入 4 字節(jié)的 VLAN 標記4用戶優(yōu)先級CFI計算機網(wǎng)絡(luò)高級教程98n無線網(wǎng)絡(luò)包括：無線局域網(wǎng)與無線城域網(wǎng)無線網(wǎng)絡(luò)包括：無線局域網(wǎng)與無線城域網(wǎng) n無線局域網(wǎng)技術(shù)與無線局域網(wǎng)技術(shù)與IEEE 802.11標準標準 n無線無線Ad hoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù) n藍牙（藍牙（Bluetooth）技術(shù)）技術(shù) n無線應(yīng)用協(xié)議無線應(yīng)用協(xié)議WAP技術(shù)技術(shù) 九、無線局域網(wǎng)9.1 無線局域網(wǎng)的組成99無線局域網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的過程100 無線傳輸標準 n802.11a : 5GHz波段（速率波段（速率54Mbps）n802.11b : 2.4GHz波段（速率波段（速率11Mbps）n802.11g : 5GHz波段（速率波段（速率100Mbps）101典型的無線局域網(wǎng)結(jié)構(gòu) 9.1 無線局域網(wǎng)的組成n有固定基礎(chǔ)設(shè)施的無線局域網(wǎng)基本服務(wù)集 BSS擴展的服務(wù)集 ESS基本服務(wù)集 BSSAB漫游接入點 AP接入點 AP分配系統(tǒng) DS門橋門橋802.x局域網(wǎng)因特網(wǎng)n有固定基礎(chǔ)設(shè)施的無線局域網(wǎng)基本服務(wù)集BSS擴展的服務(wù)集 ESS基本服務(wù)集BSSAB接入點 AP接入點