第7章局域網(wǎng)及其體系結(jié)構(gòu)

1、v7.1 局域網(wǎng)簡介局域網(wǎng)簡介 v7.2 局域網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)局域網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu) v7.3 CSMA/CD與與IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn) v7.4 交換式以太網(wǎng)及快速以太網(wǎng)交換式以太網(wǎng)及快速以太網(wǎng)v7.5 7.5 無線局域網(wǎng)無線局域網(wǎng) v7.6 局域網(wǎng)擴(kuò)展局域網(wǎng)擴(kuò)展 7.1.1 局域網(wǎng)概述局域網(wǎng)是將小范圍的通信設(shè)備連在一起的通信網(wǎng)。一般說來，局域網(wǎng)有以下特點(diǎn)：1）為一個(gè)單位所擁有，且地理范圍和站點(diǎn)數(shù)目均有限； 2）較高的通信速率。局域網(wǎng)的傳輸速率在每秒10Mbps的數(shù)量級 以上，可達(dá)Gbps； 3）較低的時(shí)延和誤碼率，一般為10-810-11； 4）各站點(diǎn)為平等關(guān)系而不是主從關(guān)系； 5）能支持簡單的

2、點(diǎn)對點(diǎn)或多點(diǎn)通信； 6）支持多種傳輸介質(zhì)。 與多用戶系統(tǒng)相比，局域網(wǎng)有如下一些主要優(yōu)點(diǎn)： 1）能方便共享昂貴的外設(shè)、主機(jī)以及軟件、數(shù)據(jù)，從一個(gè)站點(diǎn)訪問全網(wǎng)； 2）便于系統(tǒng)的擴(kuò)展和逐漸地演變； 3）提高了系統(tǒng)的可靠性和可用性； 4）響應(yīng)速度較快； 5）各設(shè)備的位置可靈活地調(diào)整和改變，有利于數(shù)據(jù)的處理和辦公自動 化。 7.1.2 7.1.2 局域網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)局域網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 1.星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)所有通信都要通過中央節(jié)點(diǎn),不允許兩個(gè)站直接通信。中心節(jié)點(diǎn)可以是一個(gè)中繼器，也可以是一個(gè)局域網(wǎng)交換器。數(shù)據(jù)以幀的形式進(jìn)行傳送。目前局域網(wǎng)系統(tǒng)中大部分采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，幾乎取代了環(huán)形和總線結(jié)構(gòu)。2. 環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由

3、一組轉(zhuǎn)發(fā)器（repeater，又稱中繼器）通過點(diǎn)到點(diǎn)鏈路連接成封閉的環(huán)所構(gòu)成。各條鏈路都是單向的，數(shù)據(jù)是沿著一個(gè)方向繞環(huán)運(yùn)行的。每個(gè)站在轉(zhuǎn)發(fā)器處與網(wǎng)絡(luò)連接。數(shù)據(jù)以幀來傳送。一個(gè)站每當(dāng)要發(fā)送下一幀時(shí)，它都要等待到下一個(gè)輪次，然后才能發(fā)送。當(dāng)某一幀經(jīng)過目的站時(shí)，該站在通過目的地址識別該幀，并在本地復(fù)制該幀。此幀繼續(xù)環(huán)行，直至回到源發(fā)站，并在那里被除去。3. 總線和樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)按照總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來說，通信網(wǎng)絡(luò)只是傳輸介質(zhì)，沒有交換機(jī)，也沒有轉(zhuǎn)發(fā)器。所有站通過合適的硬件直接接到一條線狀傳輸介質(zhì)（即總線）上，任何一個(gè)站的信息發(fā)任何一個(gè)站的信息發(fā)送都在介質(zhì)上傳播并能被所有其他站所接送都在介質(zhì)上傳播并能被所有

4、其他站所接收收。樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是總線結(jié)構(gòu)的一般化。通常把總線型和樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的介質(zhì)稱為多點(diǎn)式或廣播式介質(zhì)。所有站共享一條公共傳輸鏈路共享一條公共傳輸鏈路，所以在某一時(shí)刻只有一個(gè)設(shè)備能夠發(fā)送引發(fā)發(fā)送沖突問題。數(shù)據(jù)以幀的形式進(jìn)行傳輸。由于不存在中間站，因而本質(zhì)上不涉及交換。7.2 局域網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)局域網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu) 7.2.1 局域網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)：IEEE802參考模型自1980年以來，許多國家和國際標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)都在積極進(jìn)行局域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化工作，其中最有影響力的是IEEE制定的局域網(wǎng)的802標(biāo)準(zhǔn)，包括CSMA/CD、令牌總線和令牌環(huán)等。它被ANSI接受為美國國家標(biāo)準(zhǔn)，被ISO作為國際標(biāo)準(zhǔn)（稱為 ISO880

5、2標(biāo)準(zhǔn)）。這些標(biāo)準(zhǔn)在物理層和MAC子層上有所不同，但在數(shù)據(jù)鏈路層上是兼容的。 由于局域網(wǎng)只是一個(gè)短距離內(nèi)的計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)，它并不存在路由選擇問題，因而它不涉及網(wǎng)絡(luò)層，只需考慮最低的兩層。 IEEE 802的LAN標(biāo)準(zhǔn)遵循OSI參考模型的分層原則，描述最低兩層-物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的功能以及與網(wǎng)絡(luò)層的接口服務(wù)。然而由于局域網(wǎng)的種類繁多，其介質(zhì)訪問控制方式各不相同，為了使局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)鏈路層不致于過分復(fù)雜，有必要將數(shù)據(jù)鏈路層分成兩個(gè)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）。由此來使得數(shù)據(jù)鏈路層更容易實(shí)

6、現(xiàn)向上提供的服務(wù)與介質(zhì)、拓?fù)涞纫蛩責(zé)o關(guān)的統(tǒng)一特性。 圖7-2 IEEE802 參考模型IEEE802.1標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定局域網(wǎng)的低三層的功能如下：物理層:與OSI/RM的物理層相對應(yīng)，但所采用的具體協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容直接與傳輸介質(zhì)有關(guān)。介質(zhì)訪問控制（MAC）層:具體管理通信實(shí)體接入信道而建立數(shù)據(jù)鏈路的控制過程。邏輯鏈路控制（LLC）層:LLC子層屏蔽不同的MAC子層之間的差異，以便向上提供統(tǒng)一的接口。提供一個(gè)或多個(gè)服務(wù)訪問點(diǎn)，以復(fù)用的形式建立多點(diǎn)-多點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)通信連接，并包括尋址、差錯(cuò)控制、順序控制和流量控制等功能。LLC子層的這些功能基本上與HDLC規(guī)程一致。此外，在LLC層還提供本屬于OSI/RM中

7、網(wǎng)絡(luò)層提供的兩項(xiàng)服務(wù)，即無連接的數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)和面向連接的虛電路服務(wù)。 LLC子層協(xié)議與局域網(wǎng)的拓?fù)湫问胶蛡鬏斀橘|(zhì)的類型無關(guān)，它對各種不同類型的局域網(wǎng)都是適用的。然而，MAC子層協(xié)議卻與網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湫问郊皞鬏斀橘|(zhì)的類型 直接相關(guān)，其主要作用是介質(zhì)訪問控制和對信道資源的分配。IEEE 802標(biāo)準(zhǔn)系列之間的關(guān)系7.2.2 局域網(wǎng)的邏輯鏈路控制LLC 1.邏輯鏈路控制子層的服務(wù)訪問點(diǎn)LLC SAP一個(gè)主機(jī)中可能有多個(gè)進(jìn)程在運(yùn)行，它們可能同時(shí)與其他一些進(jìn)程進(jìn)行通信，因而一個(gè)主機(jī)的LLC層應(yīng)設(shè)有多個(gè)服務(wù)訪問點(diǎn)（L-SAP）；即在網(wǎng)絡(luò)層與LLC子層的界面上提供多個(gè)邏輯接口。來自多個(gè)L-SAP的服務(wù)在LLC子層中

8、進(jìn)行復(fù)用。所謂復(fù)用是指利用L-SAP在任一對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間同時(shí)建立多條邏輯鏈路連接，然后經(jīng)統(tǒng)一的服務(wù)訪問點(diǎn)M-SAP與MAC子層交互。所以，MAC子層向上只需提供一個(gè)服務(wù)訪問點(diǎn)M-SAP，也即單一的邏輯接口。MAC子層與物理層之間也只需提供單一的服務(wù)訪問點(diǎn)（P-SAP）。 （1）MAC地址:某站在網(wǎng)絡(luò)中的物理地址，它由MAC幀進(jìn)行傳送;在48位的地址中，高24位由IEEE分配;低24位用于不同廠商或網(wǎng)絡(luò)管理員對不同的網(wǎng)卡進(jìn)行配置。（2）SAP地址:進(jìn)程在站中的地址，由LLC幀負(fù)責(zé)傳送。 由此可見，局域網(wǎng)中的尋址要分兩步走，第一步是用MAC幀的地址信息找到網(wǎng)絡(luò)中的某一個(gè)站；第二步是用LLC幀的地址

9、信息找到該站中的某個(gè)SAP。這樣， 從站A發(fā)出的連接請求幀的源地址和目的地址分別表示為A(1)和C(1)，其中A和C都是MAC地址，括號中的數(shù)字則是相應(yīng)站中LLC層上的SAP地址。 正是因?yàn)橛辛薙AP的概念，才使得LLC層具有復(fù)用功能。當(dāng)一個(gè)LLC層有很多的服務(wù)訪問點(diǎn)時(shí)，不同的用戶使用不同的SAP就可以請求不同的服務(wù)。例如， 某些用戶通過某些SAP使用互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議IP，另外一些用戶使用IPX協(xié)議(IPX:NOVELL用于NETWARE)，還有的可以使用CLNS（Connectionless Network Service 無連接網(wǎng)絡(luò)服務(wù) ），這些不同類型的用戶同時(shí)使用同一站的LLC服務(wù)，在一 個(gè)

10、局域網(wǎng)上互不干擾地同時(shí)工作著。 2.LLC的PDU結(jié)構(gòu)LLC PDU的結(jié)構(gòu)和HDLC非常像。由于它還要封裝在MAC幀中，所以LLC PDU沒有標(biāo)志字段和幀校驗(yàn)序列字段。這樣，LLC PDU共有4個(gè)字段，即目的服務(wù)訪問點(diǎn)DSAP字段、源服務(wù)訪問點(diǎn)SSAP字段、控制字段和數(shù)據(jù)字段。 地址字段共兩個(gè)字節(jié)，目的服務(wù)訪問點(diǎn)DSAP和源服務(wù)訪問點(diǎn)SSAP都各占一個(gè)字節(jié)。DSAP字段的最低位（第一個(gè)比特）為I/G比特。 I(Individual)代表“單個(gè)”，而G(Group)代表“組”。當(dāng)I/G比特為0時(shí)，它后面的7bit就代表一個(gè)單個(gè)目的服務(wù)訪問點(diǎn)。但當(dāng)I /G比特為1時(shí)，則DSAP代表組地址。組地址規(guī)

11、定數(shù)據(jù)要發(fā)往其一特定站的一組服務(wù)訪問點(diǎn)，它只適合于不確認(rèn)的無連接服務(wù)。全1的組地址為該站所有工作的 DSAP。SSAP字段的最低位（第一個(gè)比特）為C/R比特。當(dāng)C/R比特為零時(shí)LLC PDU為命令幀，否則為響應(yīng)幀。在C/R比特后面的7bit用來表示源服務(wù)訪問點(diǎn)。因此，DSAP值和SSAP值都各占7bit。LLC PDU的控制字段為兩個(gè)字節(jié)（當(dāng)LLC PDU為信息PDU或監(jiān)督PDU時(shí)）或一個(gè)字節(jié)（當(dāng)LLC PDU為無編號PDU時(shí)）。信息PDU和監(jiān)督PDU的控制字段與HDLC的擴(kuò)展的控制字段的格式一樣，其序號按模128進(jìn)行編號。無編號PDU則與 HDLC的情況一樣。 LLC PDU的數(shù)據(jù)字段長度并

12、無限制，但都應(yīng)是整數(shù)個(gè)字節(jié)。當(dāng)MAC幀的長度受限時(shí)，由于MAC幀的首部和尾部的長度在不同的局域網(wǎng)中都有明確的規(guī)定，因此 LLC PDU的長度實(shí)際上也并不是沒有限制的。 LAN的標(biāo)準(zhǔn)主要包括：IEEE802.4采用令牌方式解決總線爭用的局域網(wǎng)；IEEE802.5采用令牌環(huán)方式解決對信道爭用的局域網(wǎng)；IEEE802.3或DIX Ethernet V2采用CSMA/CD解決總線（信道）爭用的局域網(wǎng)。IEEE802.11采用采用CSMA/CD解決信道爭用的無線局域網(wǎng)。7.3.1 CSMA/CD CSMA/CD（Carry sense multiple access/collision detectio

13、n）是一種總線爭用協(xié)議，爭用協(xié)議一般用于總線網(wǎng)，每個(gè)站都能獨(dú)立地決定幀的發(fā)送。如兩個(gè)站或多個(gè)站同時(shí)發(fā)送，即產(chǎn)生沖突，同時(shí)發(fā)送的所有幀都會出錯(cuò)。每個(gè)站必須有能力判斷沖突是否發(fā)生，如沖突發(fā)生，則應(yīng)等待隨機(jī)時(shí)間間隔后重發(fā)，以避免再次發(fā)生沖突。 1ALOHACSMA/CD由ALOHA協(xié)議和CSMA協(xié)議發(fā)展而來，為說明CSMA/CD的機(jī)理，先介紹ALOHA和CSMA。美國夏威夷大學(xué)的純ALOHA是最早采用爭用方式的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，它最初工作于無線信道。其工作原理很簡單：每個(gè)站都可發(fā)送數(shù)據(jù)-成功；競爭信道資源失敗沖突！ 沖突的結(jié)果使沖突雙方都檢測到數(shù)據(jù)出錯(cuò)，因而都必須重發(fā)。但發(fā)生沖突的站不能馬上重發(fā)，因?yàn)檫@樣

14、會繼續(xù)沖突，而是讓各站等待（延緩）一段隨機(jī)時(shí)間再重發(fā)。若有沖突，再延緩一段隨機(jī)時(shí)間，直到重發(fā)成功為止。 由于純ALOHA的隨意性，各站沖突機(jī)會很大，導(dǎo)致效率低下，其吞吐量不足18%。 一種改進(jìn)的方案稱為時(shí)隙ALOHA（也稱分槽ALOHA）。在這種網(wǎng)絡(luò)中，信道被劃分為等長時(shí)間片（時(shí)隙）。每個(gè)站所發(fā)送的數(shù)據(jù)幀到達(dá)目的地的最大時(shí)最大時(shí)延延就等于時(shí)間片長度時(shí)間片長度。所有站在時(shí)間上同步起來，同時(shí)規(guī)定，不論幀何時(shí)產(chǎn)生，它只能在每個(gè)時(shí)隙的開始點(diǎn)才可以發(fā)送。這樣改進(jìn)后，如果2個(gè)站發(fā)送的信息產(chǎn)生在不同的時(shí)隙，不會沖突。若沖突，它們必是同一時(shí)刻開始整幀碰撞，避免了2個(gè)幀部分碰撞。這樣減少了沖突機(jī)會，其信道吞吐量

15、提高到37%。分槽ALOHA與純ALOHA不同的是：在分槽ALOHA中，計(jì)算機(jī)并不是在敲入回車鍵的時(shí)候就可以立即發(fā)送幀了，相反，它必須要等到下一個(gè)時(shí)槽的開始時(shí)刻。因此，連續(xù)的純ALOHA變成了離散的ALOHA。2. 載波監(jiān)聽多路訪問CSMA CSMA（Carrior Sense Multipte Access）協(xié)議是一種帶有監(jiān)聽的多路訪問系統(tǒng)，是對ALOHA協(xié)議的改進(jìn)。CSMA被通俗地稱為“先聽后講”，其工作原理是：每個(gè)站在發(fā)送數(shù)據(jù)前先要監(jiān)聽信道上是否有載波載波，即是否有別的站在傳輸數(shù)據(jù)即是否有別的站在傳輸數(shù)據(jù)。如果介質(zhì)空閑，就可發(fā)送；如果介質(zhì)忙，就暫不發(fā)送而回避一段時(shí)間。這樣大大減少了沖突。

16、根據(jù)監(jiān)聽到介質(zhì) 狀態(tài)后采取的回避策略可將CSMA分為3種：1）1-堅(jiān)持型CSMA ；2）非堅(jiān)持型CSMA；3）P-堅(jiān)持型CSMA 。1）1-堅(jiān)持型CSMA 當(dāng)某站要送數(shù)據(jù)時(shí)，先監(jiān)聽信道，若信道忙，就堅(jiān)持監(jiān)聽，直到信道空閑為止，當(dāng)空閑時(shí)立即發(fā)送一幀。當(dāng)一個(gè)站發(fā)現(xiàn)信道空閑時(shí)，它傳輸數(shù)據(jù)當(dāng)一個(gè)站發(fā)現(xiàn)信道空閑時(shí)，它傳輸數(shù)據(jù)的概率為的概率為1。假如有沖突發(fā)生，則等待一段時(shí)間后再監(jiān)聽信道。 2）非堅(jiān)持型CSMA當(dāng)某站監(jiān)聽到信道忙狀態(tài)時(shí)，不再堅(jiān)持監(jiān)聽，而是隨機(jī)后延一段時(shí)間再來監(jiān)聽。其缺點(diǎn)是很可能在再次監(jiān)聽之前信道已空閑了，從而產(chǎn)生浪費(fèi)。 3）P-堅(jiān)持型CSMA 這種方式適合于時(shí)隙信道，當(dāng)某站準(zhǔn)備發(fā)送信息時(shí)，

17、它首先監(jiān)聽信道。若空閑，便以概率P傳送信息；而以概率（1-P）推遲發(fā)送。 如果該站監(jiān)聽到信道為 忙，就等到下一個(gè)時(shí)隙再重復(fù)上述過程。P堅(jiān)持型CSMA可以算是1堅(jiān)持型CSMA和非堅(jiān)持型CSMA的折衷，這兩者算是P堅(jiān)持算法的特例，即P分別等 于1和0時(shí)的情形。傳播延遲對協(xié)議的影響：當(dāng)一個(gè)站剛剛開始發(fā)送數(shù)據(jù)之后，另一站也做好發(fā)送數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備，并且開始檢測信道。這種情況發(fā)生的幾率雖然小，但是也是有的。如果第一個(gè)站的信號還沒有達(dá)到第二個(gè)站，則第二個(gè)站將會檢測到信道是空閑的，于是也將開始發(fā)送數(shù)據(jù)，從而導(dǎo)致沖突。所以，傳播延遲越長，則這種影響也會變得越發(fā)重要；同時(shí)，協(xié)議的性能也越差。那么傳輸延遲為0，情況會如

18、何？答案是：沖突仍然可能會發(fā)生。如果在一個(gè)站的傳輸過程中有兩個(gè)站都準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)了，則這兩個(gè)站都會等待第一個(gè)站的傳輸結(jié)束；然后，它們恰好同時(shí)開始傳輸數(shù)據(jù)，因而也會導(dǎo)致沖突。在以上這種情況下，發(fā)送方如何檢測沖突的發(fā)生？發(fā)送方通過對接收到的信號的功率或者脈沖寬度進(jìn)行檢查，并將它與原始發(fā)送的信號進(jìn)行比較，就可以檢測到是否有沖突發(fā)生。3. 帶沖突檢測的CSMA：CSMA/CD CSMA在發(fā)送數(shù)據(jù)之前進(jìn)行載波監(jiān)聽，所以減少了沖突機(jī)會，但由于傳播時(shí)延傳播時(shí)延的存在，仍然可能沖突。 考慮2個(gè)站點(diǎn)的模型，其中一個(gè)先發(fā)送信息，由于傳送時(shí)延傳送時(shí)延使另一個(gè)站點(diǎn)也發(fā)現(xiàn)倍道是空閑的，于是也發(fā)送信息；結(jié)果2個(gè)站點(diǎn)的信息在途

19、中發(fā)生沖突，但2個(gè)站均不知道，一直要將數(shù)據(jù)幀余下部分發(fā)完，等到有錯(cuò)再重發(fā)送。 對傳播時(shí)延小的網(wǎng)絡(luò)，CSMA 可降低沖突次數(shù)，減少沖突時(shí)間；但對傳播時(shí)延大的網(wǎng)絡(luò)，CSMA無多大價(jià)值。 能否在發(fā)送時(shí)檢測到?jīng)_突并在沖突后立即停發(fā)？這就是CSMA/CD（Carrior Sense Multiple Access With Collision Detection）的思想。 源站點(diǎn)監(jiān)聽到信道空閑后就發(fā)送數(shù)據(jù)，并邊發(fā)邊監(jiān)聽；若監(jiān)聽到干擾信號，則表示檢測到?jīng)_突；于是立即停止發(fā)送，并發(fā)一串阻塞信號增加沖突，以便網(wǎng)中其他站點(diǎn)均可知道沖突，然后準(zhǔn)備重發(fā)沖突受損的幀。如何估算所需的沖突檢測時(shí)間呢？對基帶總線而言，此時(shí)

20、用于檢測沖突的時(shí)間不會超過任意2站之間的最大傳輸延遲（這里用比特時(shí)間來表示）的2倍。這個(gè)檢測時(shí)間對于確定沖突檢測和競爭周期具有重要的意義。另外，這個(gè)沖突檢測時(shí)間對于確定數(shù)據(jù)的幀的長度也具有重要作用：為了保證發(fā)送節(jié)點(diǎn)可以對發(fā)生的沖突進(jìn)行有效的沖突檢測，發(fā)送的幀的長度必須足夠大，以確保發(fā)送節(jié)點(diǎn)在檢測到?jīng)_突時(shí)還在發(fā)送該幀，即為了保證發(fā)送節(jié)點(diǎn)在完成發(fā)送任務(wù)之前可以發(fā)現(xiàn)沖突，整個(gè)幀的發(fā)送時(shí)間應(yīng)當(dāng)不小于沖突檢測時(shí)間，即幀的最小長度規(guī)定為代表任意2站之間的最大傳輸延遲（比特時(shí)間）的2倍。具有具有5 5段段10BASE510BASE5線纜的標(biāo)準(zhǔn)線纜的標(biāo)準(zhǔn)CSMA/CDCSMA/CD網(wǎng)絡(luò)示意圖網(wǎng)絡(luò)示意圖 在CS

21、MA/CD中，載波監(jiān)聽后，發(fā)送站的收發(fā)器同時(shí)檢測沖突。如果收發(fā)器電纜上的信號超過收發(fā)器本身發(fā)送信號的幅度就判斷出沖突。在CSMA/CD算法中，一旦檢測到?jīng)_突，需要等待一段隨機(jī)時(shí)間，然后再次使用CSMA方法傳輸。延遲時(shí)間采用一種稱為二進(jìn)制指數(shù)的退避算法實(shí)現(xiàn)。其算法過程如下：v 對每個(gè)幀，當(dāng)?shù)谝淮伟l(fā)生沖突時(shí)，設(shè)置參數(shù)L2。v 退避重發(fā)時(shí)間在1L個(gè)時(shí)隙中隨機(jī)抽取。v 當(dāng)幀再次沖突時(shí)，L加倍，即L2L。v 退避重發(fā)時(shí)間仍在1L個(gè)時(shí)隙中隨機(jī)抽取。v 當(dāng)沖突n次，L2n。v 設(shè)置一個(gè)最大重傳次數(shù)，超過此值，不再重發(fā)，并報(bào)告出錯(cuò)。v 此算法的效果是，不沖突或少沖突的幀重發(fā)的機(jī)會大，沖突多的幀重發(fā)的機(jī)會小。

22、7.3.2 IEEE 802.3，Ethernet 1.概述以太網(wǎng)是目前使用最為廣泛的局域網(wǎng)，從70年代末期就有了正式的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品。在整個(gè)80年代中以太網(wǎng)與PC機(jī)同步發(fā)展，其傳輸率自80年代初的 10Mbps發(fā)展到90年代達(dá)到100Mbps，而且目前已出現(xiàn)了1Gbps的以太網(wǎng)產(chǎn)品。以太網(wǎng)支持的傳輸介質(zhì)從最初的同軸電纜發(fā)展到雙絞線和光纜。星型拓?fù)涞某霈F(xiàn)使以太網(wǎng)技術(shù)上了一個(gè)新臺階，獲得更迅速的發(fā)展。從共享型以太網(wǎng)發(fā)展到交換型以太網(wǎng)，并出現(xiàn)了全雙工以太網(wǎng)技術(shù)，致使整個(gè)以太網(wǎng)系統(tǒng)的帶寬成 十倍、百倍地增長，并保持足夠的系統(tǒng)覆蓋范圍。關(guān)于以太網(wǎng)有兩個(gè)重要的標(biāo)準(zhǔn)：由DEC、Intel和Xerox三家公司聯(lián)合

23、推出的DIX（三個(gè)公司首字母組合）的DIX Ethernet V2，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是應(yīng)用在Internet 的TCP/IP協(xié)議棧，是事實(shí)上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。另一個(gè)是由IEEE802委員會根據(jù)DIX，并進(jìn)行微量的修改后推出的IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)，這是個(gè)國際標(biāo)準(zhǔn)。面對DIX強(qiáng)大的市場和應(yīng)用占有率，在1997年的時(shí)候，IEEE終于認(rèn)輸，承認(rèn)并接受DIX和802.3共存的局面。DIX Ethernet V2與與IEEE802.3之間的區(qū)別：之間的區(qū)別：從體系結(jié)構(gòu)角度區(qū)分：以太網(wǎng)-DIX Ethernet V2只有MAC層。IEEE802.3的數(shù)據(jù)鏈路層包含LLC和MAC層。從數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上區(qū)別：兩者的幀格式有些差異

24、。2. 802.3局域網(wǎng)的MAC子層 802.3局域網(wǎng)主要使用CSMA/CD作為其介質(zhì)訪問控制技術(shù)。現(xiàn)在流行的總線局域網(wǎng)的MAC子層的幀結(jié)構(gòu)有兩種格式，一種是802.3標(biāo)準(zhǔn)的格式。另一種是DIX Ethernet V2 的以太網(wǎng)幀格式。圖中畫出了這兩種標(biāo)準(zhǔn)的MAC幀結(jié)構(gòu)。（1）前導(dǎo)碼當(dāng)幀在介質(zhì)上傳輸時(shí)，接收方就能建立起位同步。（3）目的地址（DA） 它說明了幀企圖發(fā)往目的站的地址，共6個(gè)字節(jié)，可以是： 一個(gè)唯一的地址，即單址-代表單個(gè)站； 一個(gè)多址-代表一組站； 一個(gè)全地址-代表局域網(wǎng)上所有的站。當(dāng)目的地址出現(xiàn)多址時(shí)，即表示該幀被一組站同時(shí)接收，稱“組播”（Multicast）。當(dāng)目的地址出現(xiàn)

25、全地址時(shí)，即表示該幀被局域網(wǎng)上所有站 同時(shí)接收，稱“廣播”（Broadcast）。以DA的最高位來判斷是否單址，若最高位為0則表示單址，1表示多址或全地址。且全地址還必須是 DA為全1代碼。（5）類型共占2個(gè)字節(jié)。它說明了高層所使用的協(xié)議，例如可能是IP協(xié)議，也可能是NOVELL的IPX協(xié)議。（6）數(shù)據(jù)（DATA）它的范圍處在46字節(jié)至1500字節(jié)之間。注意到注意到46字節(jié)最小幀長度是一個(gè)限制，字節(jié)最小幀長度是一個(gè)限制，目的是要求局域網(wǎng)上所有的站都能檢目的是要求局域網(wǎng)上所有的站都能檢測到該幀測到該幀，即保證網(wǎng)絡(luò)正常工作。如果高層協(xié)議的分組使數(shù)據(jù)段小于46個(gè)字，則由有關(guān)軟件把DATA填充到46字

26、節(jié)最小長度。為什么在以太網(wǎng)的幀中要求數(shù)據(jù)域至少是46字節(jié)？雖然有時(shí)候0字節(jié)的數(shù)據(jù)域也是有用的，但是它會帶來一個(gè)問題：當(dāng)一個(gè)收發(fā)器檢測到?jīng)_突的時(shí)候，它會截?cái)喈?dāng)前的幀，這意味著沖突幀中已經(jīng)送出的位將會出現(xiàn)在電纜上。為了更加容易地區(qū)分有效幀和垃圾數(shù)據(jù)，以太網(wǎng)要求有效幀必須至少64字節(jié)長。即：6+6+2+46+4=64限制最小幀長的另一個(gè)（也是更重要的）理由是避免出現(xiàn)這樣的情況：當(dāng)一個(gè)短幀還沒有到達(dá)電纜的遠(yuǎn)端的時(shí)候，發(fā)送站已經(jīng)完成了該短幀的傳送，而在電纜的遠(yuǎn)端處，該幀可能與另一幀發(fā)生沖突。這個(gè)問題見教材P134。當(dāng)遠(yuǎn)端的站檢測到這個(gè)沖突時(shí)，會產(chǎn)生一個(gè)48位的突發(fā)噪聲以警告所有其他的站。換句話說，它阻塞

27、了以太，以保證發(fā)送方不會漏掉這次沖突。大約在512bit的時(shí)候，發(fā)送方看到了突發(fā)噪聲，并且也放棄了它的傳送任務(wù)。如果一個(gè)站試圖傳送一個(gè)非常短的幀，則可以想象：雖然沖突發(fā)生了，但是在突發(fā)噪聲回到發(fā)送方之前，傳送任務(wù)已經(jīng)完成。然后，發(fā)送方將會不正確地得出結(jié)論：這個(gè)幀已經(jīng)被成功地發(fā)送出去了，即這個(gè)噪聲不是由于它剛剛所傳送的幀引起的！為了避免發(fā)生這樣的情況，所有的幀至少需要：數(shù)據(jù)在線路上最長傳輸時(shí)間2的時(shí)間才能完成。因此，當(dāng)突發(fā)噪聲回到發(fā)送方時(shí)，傳送過程仍在進(jìn)行。隨著網(wǎng)絡(luò)速度的提高，最小幀也必須成比例地增加，或者最大電纜長度成比例地減短。對于IEEE802.3幀來說，由于它的高層協(xié)議基于邏輯鏈路控制子

28、層（LLC），即IEEE802.2標(biāo)準(zhǔn)。因此在以太網(wǎng)DATA段的位置中被LLC協(xié)議數(shù)據(jù)單元（LLC-PDU）所取代，而以太網(wǎng)的DATA字段直接為網(wǎng)絡(luò)層的分組。與之相應(yīng)的，IEEE802.3中的長度字段（L）代替了以太網(wǎng)幀的類 型字段。L表示LLC-PDU的字節(jié)數(shù)，它的范圍也在46字節(jié)-1500字節(jié)之間。至于LLC-PDU中的數(shù)據(jù)由那一個(gè)網(wǎng)絡(luò)層分組來提供則由LLC-PDU某些特征位來 表示。 為了使得以太網(wǎng)和IEEE802.3兩種幀能兼容，即都能在網(wǎng)上正常發(fā)送和接收，怎樣處理TYPE和L是關(guān)鍵之一，解決的辦法是：認(rèn)為該段中的值大于最大幀長度（即1518D），則表示為類型段，該段的值僅來說明繼后的

29、DATA是何種網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的分組，也就是認(rèn)為該幀為以太網(wǎng)幀，按以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)來處理；反 之則認(rèn)為是IEEE802.3幀結(jié)構(gòu)，按照IEEE802.3幀結(jié)構(gòu)來處理。實(shí)際的做法為：取值1536D（既0600H）作為界限：大于或等于0600H， 認(rèn)為是以太網(wǎng)幀，此段按類型處理。例IP為0800H，XNS為0600及IPX為8137H。反之，認(rèn)為是IEEE802.3幀，該段為長度值。兩種幀結(jié)構(gòu)另外的區(qū)別是：以太網(wǎng)幀的DA段上只有最高位才有定義，區(qū)分單址還是多址。而IEEE802.3幀卻最高兩位有定義，次高位“0”表示全局管理地址，“1”表示局部管理地址。這里的全局管理地址指的是由這里的全局管理地址指的是由I

30、EEE統(tǒng)一分配統(tǒng)一分配的的MAC地址，它可以保證世界上任何兩個(gè)站都地址，它可以保證世界上任何兩個(gè)站都不會有同樣的全局地址不會有同樣的全局地址。局部管理地址指的是由每個(gè)網(wǎng)絡(luò)管理員分配局部管理地址指的是由每個(gè)網(wǎng)絡(luò)管理員分配的地址，在局部網(wǎng)絡(luò)之外并無意義。的地址，在局部網(wǎng)絡(luò)之外并無意義。一般來說地址總是全局管理，因此該位總設(shè)置為“0”。對于廣播地址來說，兩種幀結(jié)構(gòu)中DA的次高位均設(shè)置為1。7.4.1 交換式以太網(wǎng)1為什么出現(xiàn)了交換式以太網(wǎng)？在采用CSMA/CD的以大網(wǎng)中，各個(gè)站點(diǎn)共享一條10Mbps的總線總線。但是在最近的幾年：局域網(wǎng)上的用戶數(shù)明顯增加了。大量的多媒體數(shù)據(jù)需要在網(wǎng)絡(luò)上傳輸。計(jì)算機(jī)支持

31、的協(xié)同工作（CSCW）模式的出現(xiàn)，也要求局域網(wǎng)有更高的數(shù)據(jù) 率?，F(xiàn)有局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸速率就往往作成為整個(gè)系統(tǒng)的瓶頸。以太網(wǎng)交換技術(shù)的出現(xiàn)解決了這個(gè)問題。 在以太網(wǎng)中使用交換式集線器（switching hub或hub/switch）可明顯地提高網(wǎng)絡(luò)的性能。人們總把交換機(jī)和交換式集線器等同起來，區(qū)分交換機(jī)和交換式集線器不是其工作機(jī)制，而是擁有的功能。交換式集線器的主要特點(diǎn)是：所有端口平時(shí)都不連通。當(dāng)工作站需要通信時(shí)，交換式集線器能同時(shí)連通許多對的端口，使每一對相互通信的工作站都能像獨(dú)占通信介質(zhì)那樣，進(jìn)行無沖突地傳輸數(shù)據(jù)。通信完成用就斷開連接。對于普通10Mbps的共享式以太網(wǎng)（共享總線以太網(wǎng)和通

32、過普通集線器連接而成的以太網(wǎng)），若共有N個(gè)用戶，則每個(gè)用戶占有的平均帶寬只有總帶寬（10Mbps）的N分之一。在使用交換式集線器時(shí)，雖然數(shù)據(jù)率還是10Mbps，但由于一個(gè)用戶在通信時(shí)是獨(dú)占而不是和其他網(wǎng)絡(luò)用戶共享傳輸介質(zhì)的帶寬。因此，對于擁有N對端口的交 換式集線器，其總?cè)萘烤褪荖10Mbps。這點(diǎn)正是交換式集線器的最大優(yōu)點(diǎn)。共享總線以太網(wǎng) 用共享式集線器連接的以太網(wǎng) 用交換機(jī)連接的以太網(wǎng) 從共享總線以太網(wǎng)或10BASET以太網(wǎng)轉(zhuǎn)到交換式以太網(wǎng)時(shí)，所有接入設(shè)備的軟件和硬件、網(wǎng)卡等都不需要作任何改動。也就是說，所有接入的設(shè)備繼續(xù)使用 CSMA/CD協(xié)議。此外，只要增加集線器的容量，整個(gè)系統(tǒng)的容量

33、是很容易擴(kuò)充的。 交換式集線器的交換方式有以下兩種（1）存儲轉(zhuǎn)發(fā)（store-forward）交換優(yōu)點(diǎn)：轉(zhuǎn)發(fā)的幀都是有效幀；缺點(diǎn)：延遲大。（2）直通（cut-through）交換 優(yōu)點(diǎn)：延遲?。蝗秉c(diǎn)：可能轉(zhuǎn)發(fā)無效幀。（3）自適應(yīng)（直通/存儲轉(zhuǎn)發(fā)）特點(diǎn)：網(wǎng)絡(luò)性能好時(shí)直通； 網(wǎng)絡(luò)性能不好時(shí)存儲轉(zhuǎn)發(fā)。7.4.2 虛擬局域網(wǎng)（VLAN）利用交換式集線器可以很方便的實(shí)現(xiàn)虛擬局域網(wǎng)VLAN（Virtual LAN）。虛擬局域網(wǎng)其實(shí)只是給用戶提供的一種服務(wù)，而并不是一種新型局域網(wǎng)。虛擬局域網(wǎng)的目標(biāo)就是：使得跨接不同物理LAN網(wǎng)段的節(jié)點(diǎn)連接成邏輯LAN網(wǎng)段，處于不同物理網(wǎng)段的用戶通過軟件通過軟件設(shè)置處于同一局

34、域網(wǎng)中，形成邏輯的工作組。 通過這種方式，就可以使得處于不同物理LAN但是處于同一VLAN的節(jié)點(diǎn)可以互發(fā)廣播報(bào)文。如何構(gòu)建VLAN？通過軟件把處于不同LAN的工作站設(shè)置為一個(gè)VLAN。交換式集線器不向虛擬局域網(wǎng)以外的工作站傳送廣播信息。這樣，虛擬局域網(wǎng)（實(shí)際上是軟件）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而引起性 能惡化。即所謂的“廣播風(fēng)暴”。 在共享傳輸介質(zhì)的局域網(wǎng)中，網(wǎng)絡(luò)總帶寬的絕大部分都是由廣播幀消耗的。由于虛擬局域網(wǎng)是用戶和網(wǎng)絡(luò)資源的邏輯組合，因此可按照需要將有關(guān)設(shè)備和資源非常方便地重新組合，使用戶從不同的服務(wù)器或數(shù)據(jù)庫中存取所需的資源。 學(xué)習(xí)IEEE802.1

35、1標(biāo)準(zhǔn)的意義： 雖然不是所有的產(chǎn)品都采用了這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。不過通過熟悉這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，可以了解設(shè)計(jì)無線LAN時(shí)所考慮的關(guān)鍵因素和功能。1.IEEE802.11體系結(jié)構(gòu) 無線LAN的最小構(gòu)成模塊是基本服務(wù)集（BSS）。 它由一些運(yùn)行相同的MAC協(xié)議和爭用同一共享介質(zhì)的站點(diǎn)組成。 通常把BSS稱為一個(gè)單元（Cell）。7.5 無線局域網(wǎng)一個(gè)擴(kuò)展服務(wù)集(ESS)由兩個(gè)或更多個(gè)通過分布系統(tǒng)互連的BSS組成?；谶w移性，無線LAN標(biāo)準(zhǔn)定義了三種站點(diǎn)：（1）不遷移：這種站點(diǎn)的位置是固定的或者只是在某一個(gè)BSS的通信站點(diǎn)的通信范圍內(nèi)移動。（2）BSS遷移 ：站點(diǎn)從某個(gè)ESS的BSS遷移到同一ESS的另一個(gè)BSS。（3）

36、ESS遷移：站點(diǎn)從某個(gè)ESS的BSS遷移到另一ESS的BSS2. 介質(zhì)訪問控制IEEE802.11工作組考慮了兩種MAC層的信道爭用算法：一種是分布式訪問控制協(xié)議:利用載波監(jiān)聽機(jī)制；適用于無基站的無線LAN。另一種是中央訪問控制協(xié)議:由中央決策者進(jìn)行訪問的協(xié)調(diào)；適用于由一些互連的無線站點(diǎn)和一個(gè)連到骨干有線LAN的基站所組成的網(wǎng)絡(luò)。 IEEE802.11規(guī)定所有的MAC層必須提供DCF（分布協(xié)調(diào)功能），其信道爭用的算法與以太網(wǎng)相似，但不完全相同。而PCF（點(diǎn)協(xié)調(diào)功能）可選，由于在PCF中由基站負(fù)責(zé)信道分配，所以在這種模式下，各站在使用信道時(shí)，不會發(fā)生爭用現(xiàn)象。IEEE 802.11協(xié)議結(jié)構(gòu) 3.

37、PCF和DCF協(xié)調(diào)功能DCF子層采用簡單的CSMA算法來解決信道爭用問題。DCF沒有沖突檢測功能，這是因?yàn)椋?）大多數(shù)無線設(shè)備都工作在半雙工模式下，所以在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，無法再監(jiān)聽信道中發(fā)生的沖突。2）介質(zhì)上信號的動態(tài)范圍非常大，因而發(fā)送站不能有效地辨別出輸入的微弱信號是噪聲還是站點(diǎn)自己發(fā)送的結(jié)果。為了保證DCF和PCF共存，IEEE802.11提供了一種方法，即通過小心地定義幀間的時(shí)間間隔IFS（InterFrame Spacing）來做到DCF和PCF共存。利用IFS的CSMA訪問控制的操作過程如下：（1）發(fā)送站監(jiān)聽介質(zhì)。若介質(zhì)空閑，站點(diǎn)再繼續(xù)監(jiān)聽等于IFS的一段時(shí)間，如果在這段時(shí)間內(nèi)介質(zhì)仍然

38、是空閑的，則站點(diǎn)可立即發(fā)送幀。（2） 若介質(zhì)忙（無論是發(fā)送站一開始就監(jiān)聽到介質(zhì)忙，還是繼續(xù)監(jiān)聽到介質(zhì)忙），站點(diǎn)推遲發(fā)送并繼續(xù)監(jiān)聽介質(zhì)直到完成當(dāng)前的傳輸。（3） 一旦當(dāng)前的傳輸已完成，站點(diǎn)要再監(jiān)聽一個(gè)IFS。若在此期間介質(zhì)仍然忙忙，然后站點(diǎn)按照二進(jìn)制指數(shù)退避算法退避一段時(shí)間后監(jiān)聽介質(zhì)。如果介質(zhì)仍然空閑，站點(diǎn)就可以發(fā)送幀。當(dāng)一幀被發(fā)送出去以后，對于任何一個(gè)站，必須等待一段特定長度的死等時(shí)間（dead time）之后，它才可以發(fā)送幀數(shù)據(jù)。通常，用三種不同的IFS值來提供基于優(yōu)先權(quán)的介質(zhì)訪問控制：1）SIFS（Short IFS），用于一個(gè)對話中的各個(gè)部分有機(jī)會首先被發(fā)送。 它在所有IFS中具有最高的

39、優(yōu)先權(quán)。適應(yīng)于RTS（Request to Send）、CTS（Clear to Send）和ACK這些的幀的發(fā)送。它們通常比其他類型的幀具有更高的發(fā)送有限權(quán)。2）PIFS（PCF IFS）：如果經(jīng)過SIFS間隔后，沒有站使用信道，那么達(dá)到PIFS間隔時(shí)，基站發(fā)出查詢幀或表決幀。用于決定誰是下一個(gè)發(fā)送者。3）如果在PIFS空閑間隔后，基站不想有任何動作，則會到達(dá)DIFS時(shí)間點(diǎn)，這是任何站都可能試圖獲得信道以便發(fā)送一個(gè)新的幀。這時(shí)，常用的爭用信道的規(guī)則在這里仍然適用。 IEEE802.11 MAC定時(shí)基本訪問方法 局域網(wǎng)技術(shù)發(fā)展迅速，應(yīng)用越來越廣泛，但它的覆蓋范圍有限。LAN互連技術(shù)的發(fā)展，拓展了LAN的地理范圍，豐富了LAN資源。LAN上的用戶可以共享互 連網(wǎng)絡(luò)上的資源和進(jìn)行通信。所謂LAN互連就是LAN之間、LAN和WAN之間、LAN和大型的主機(jī)之間設(shè)備彼此連接起來，以實(shí)現(xiàn)用戶對所互連的網(wǎng)絡(luò)的資源共享及通信。網(wǎng)絡(luò)互連時(shí)， 一般要通過中間設(shè)備相連，這些設(shè)備概括起來主要有：中繼器（又稱轉(zhuǎn)發(fā)器）和集線器hub：在物理層實(shí)現(xiàn)互連；網(wǎng)橋（又稱橋接器）和交換機(jī)：在數(shù)據(jù)鏈路層實(shí)現(xiàn)互連；路