計算機網(wǎng)絡（網(wǎng)絡學院）第四章 局域網(wǎng)與介質(zhì)訪問子層2

1、計算機網(wǎng)絡局域網(wǎng)與介質(zhì)訪問子層( IEEE 802系列標準)第四章局域網(wǎng)與介質(zhì)訪問子層局域網(wǎng)概述局域網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)和傳輸介質(zhì)信道分配多路訪問協(xié)議局域網(wǎng)的IEEE 802系列標準網(wǎng)橋技術(shù)2局域網(wǎng)的IEEE 802系列標準IEEE 802協(xié)議IEEE 802系列標準定義了若干種LAN，包括對物理層、MAC子層的定義和描述。它的組成如下：802.1A 局域網(wǎng)絡和城域網(wǎng)絡標準：綜述和體系結(jié)構(gòu)802.1B 局域網(wǎng)絡的尋址、網(wǎng)絡互連及其管理802.2 邏輯鏈路控制（LLC）子層802.3 采用CSMA/CD技術(shù)的局域網(wǎng)802.4 采用令牌總線（Token Bus）技術(shù)的局域網(wǎng)802.5 采用令牌環(huán)（Token

2、 Ring）技術(shù)的局域網(wǎng)3802標準在網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)中的位置4IEEE 802 family56IEEE802.2標準：邏輯鏈路控制引入LLC子層的原因：MAC子層只提供盡力而為的數(shù)據(jù)報服務，不提供確認機制和流量控制（滑動窗口），有些情況下，這種服務足夠，如支持IP協(xié)議；當需要確認和流控的時候，這種服務就不能滿足，需要LLC。LLC子層提供確認機制和流量控制；LLC隱藏了不同802MAC子層的差異，為網(wǎng)絡層提供單一的格式和接口；LLC提供三種服務選項：不可靠的數(shù)據(jù)報服務 有確認的數(shù)據(jù)報服務可靠的面向連接的服務7LLC幀頭基于HDLC協(xié)議DSAP:目的地址，低位為0，單地址；低位為1，組地址；各位

3、全為1,廣播地址。SSAP:源地址，低位為0，命令幀；低位為1，響應幀DSAPSSAP控制網(wǎng)絡層packet8（a）LLC的位置（b）協(xié)議格式9介質(zhì)訪問控制子層 MAC介質(zhì)訪問控制子層 MAC（Medium Access Control）數(shù)據(jù)封裝（成幀，尋址，差錯控制）介質(zhì)訪問管理介質(zhì)分配競爭方法分成兩個子層的原因管理多點訪問信道的邏輯不同于傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)鏈路控制；對于同一個LLC，可以提供多個MAC選擇10LLC與MAC的接口服務原語名參數(shù)MA_DATA.request目的地址，服務數(shù)據(jù)單元（M_SDU）、服務類別MA_DATA.indication目的地址、源地址、M_SDU、接收類別MA_D

4、ATA.confirm發(fā)送狀態(tài)MA_DATA.request原語由LLC子層傳給MAC子層，請求傳送一個LLC幀。其參數(shù)中的目的地址可以是MAC子層單地址或組地址，供MAC子層組成幀用或更低層訪問使用。M_SDU內(nèi)必須包括數(shù)據(jù)單元長度的信息。MAC子層收到此原語后將按有關(guān)功能成幀和發(fā)送。MA_DATA.indication原語將本地MAC子層收到的來自遠端的LLC幀交給本地LLC子層。幀內(nèi)的M_SDU是指向該站且傳輸無誤的有效幀。MA_DATA.confirm原語被MAC子層用來作為收到LLC子層來的MA_DATA.request原語時的應答手段。該原語中的發(fā)送狀態(tài)可為“成功發(fā)送”或“發(fā)送失敗

5、”（過度的沖突）。11IEEE 802.3 和 Ethernet歷史ALOHA系統(tǒng)ALOHA + 載波監(jiān)聽Xerox 設計了2.94Mbps的采用CSMA/CD協(xié)議的EthernetXerox, DEC, Intel共同制定了10Mbps的CSMA/CD以太網(wǎng)標準IEEE定義了采用1-堅持型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。12802.3采用的電纜標準10base5粗纜500m100個節(jié)點骨干10base2細纜200m30廉價10base-T雙絞線100m1024容易維護10base-F光纜2000m1024距離較遠13物理

6、層類型用以下域表示： 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：RJ-45接口收發(fā)器（transceiver）：處理載波監(jiān)聽和沖突檢測（圖）布線拓撲結(jié)構(gòu)（圖）總線形，脊椎形，樹形，分段14三種類型的802.3接線（a）10Base5（b）10Base2（c）10Base-T15電纜拓撲結(jié)構(gòu)（a）線性（b）垂直主干（c）樹型（d）分段16擴展網(wǎng)段長度中繼器：物理層設備，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

7、長2500米。802.3的信號編碼由于曼徹斯特編碼的簡單，所有的802.3基帶系統(tǒng)都使用曼徹斯特編碼。17Caption: Illustration of computers in eight offices wired with (a) thick, (b) thin, and (c) 10Base-T (twisted pair) Ethernet. Wires can run above the ceiling or under a raised floor. A wiring closet may contain a hub or equipment used for network

8、monitoring, control, or debugging. 18Caption: 10Base-T hub, with 10Base-T cables connecting computers to the hub. 19802.3的MAC子層幀格式前導序列（7個字節(jié)10101010）幀開始標志（1字節(jié)， 10101011）目標地址和源地址2 或 6個字節(jié)，以太網(wǎng)為6個字節(jié) (IEEE 802 specifies the use of either 16- or 48-bit addresses, no conformant implementation of IEEE 802.3

9、uses 16-bit addresses.)先導字段7字節(jié)幀始符1字節(jié)目的地址2或6字節(jié)源地址2或6字節(jié)數(shù)據(jù)字段長度2字節(jié)數(shù)據(jù)0至1500字節(jié)填充段0至46字節(jié)校驗和4字節(jié)20目的地址第一位（LSB: Least Significant Bit）為 0，表示單地址（individual address）；為 1，表示組地址（group address），支持multicast，目的地址全 1，為廣播地址。源地址第一位（LSB）為0。地址中的第二位（LSB）用來區(qū)分本地地址和全球地址。幀長度域（2字節(jié)，取值在0-1500之間）數(shù)據(jù)（0-1500個字節(jié)）填充（0-46字節(jié)）校驗和：CRC校驗（4

10、個字節(jié)）擴展域：用于千兆以太網(wǎng)2122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)送時間應該大于 2；10Mbps LAN，最大沖突檢測時間為51.2微秒，最短幀長為64字節(jié)；網(wǎng)絡速度提高，最短幀長也應該增大或者站點間的距離要減小。23二進制指數(shù)后退算法（binary exponential backoff）算法將沖突發(fā)生后的時間劃分為長度為51.2微秒的時槽發(fā)生第一次沖突后，各個站點等待 0 或 1 個時槽再開始重傳；發(fā)生第二次沖突后，各個站點隨機地選擇等待0, 1, 2或3個時槽再開始重傳；第 i 次沖突后，在 0 至 2i-1 間隨機地選擇一個等待的時槽數(shù)，再開始重傳；10

11、次沖突后，選擇等待的時槽數(shù)固定在0至210-1間；16次沖突后，發(fā)送失敗，報告上層。24目的：減少沖突；兩種實現(xiàn)方法一個卡內(nèi)是一個802.3LAN，構(gòu)成自己的沖突域，卡間并行；使用端口緩存，無沖突發(fā)生。交換式802.3 LAN25IEEE 802.4：令牌總線 Token Bus令牌總線物理層使用75歐姆電視用寬帶同軸電纜。既可以用單電纜，也可以使用雙電纜；可使用端頭，也可以不用。802.4允許用三種不同的模擬調(diào)制方式：相位連續(xù)頻移鍵控，相位相關(guān)頻移鍵控和多級雙二進調(diào)幅相移鍵控。速度可能是1、5或10Mbps。上述調(diào)制方式不僅僅在電纜上提供表達0、1和空閑狀態(tài)方法，還能表示三種其它符號用于網(wǎng)絡

12、控制。26令牌總線MAC子層協(xié)議1714201971113寬帶銅軸電纜邏輯環(huán) 令牌移動方向此站現(xiàn)不在邏輯環(huán)中令牌總線網(wǎng)邏輯環(huán)維護：入環(huán)，退環(huán)，故障恢復，環(huán)初始化27入環(huán)環(huán)一旦建立，每一站點的接口都在其內(nèi)部保存有前一站點和后一站點的地址。令牌持有者周期性發(fā)送允許環(huán)進站的幀來詢問欲加入環(huán)的站點。此幀會給出發(fā)送者以及后繼者的地址。如果沒有站點加入，響應窗口將關(guān)閉；如果有一個站點希望加入，則被插入環(huán)中。如果有兩個以上的站點要求加入，就會產(chǎn)生沖突，然后令牌持有者就廣播“Resolve_contention”幀，執(zhí)行某種仲裁算法。任何情況下，每次只允許一個站進環(huán)。28退環(huán)設一個站點X，它的后繼站點是S，前

13、方站點是P，當它離開環(huán)時，就給P發(fā)送一個Set_successor幀，告訴它的后繼有S代替X。X就停止發(fā)送。29環(huán)初始化環(huán)初始化是新站入環(huán)的特例。當?shù)谝粋€站點打開時，它注意到一段時間內(nèi)沒有通信量，于是它就發(fā)送Claim_token幀。如果沒有聽到任何競爭者競爭令牌，就產(chǎn)生一個令牌，建立一個包括它自己的環(huán)。如果第一次有兩個站點同時啟動，協(xié)議就通過使用修改后的二進制倒計數(shù)法和兩個隨機位來競爭令牌。30其他問題某個站點突然關(guān)機了，非正常退出了。怎么處理？令牌丟失多令牌問題31字節(jié)數(shù) 1 1 1 2或6 2或6 0 8182 4 1先導幀始符幀控制目的地址源地址數(shù)據(jù)校驗和幀尾符先導字段用于與接收時鐘同

14、步，最短長度可為1字節(jié)。起始界符域和結(jié)束界符域用作幀定界標志。這兩個域內(nèi)為特殊模擬編碼符號與0或1的編碼不同，因此它們不會在數(shù)據(jù)域中出現(xiàn)。幀控制域用于區(qū)別數(shù)據(jù)幀或控制幀。數(shù)據(jù)幀內(nèi)帶上該幀的優(yōu)先級，也可以帶有一指示標志，指明目的站確認該幀是否正確接收到。若沒有這個標志，目的站因為沒有令牌而不能發(fā)送任何東西?？刂茙械膸刂朴蛴糜谡f明幀的類型。允許的類型包括令牌傳送幀和各種環(huán)管理幀。管理幀的功能包括讓新站加入環(huán)的機制、允許站脫離環(huán)的機制等等。目的地址和源地址與802.3相同。當使用2字節(jié)地址時最大的數(shù)據(jù)長度為8182字節(jié)，而使用6字節(jié)地址時最大數(shù)據(jù)長度為8174字節(jié)。令牌總線幀格式320 1 r

15、r r p p p數(shù)據(jù)幀幀控制域用于取分數(shù)據(jù)幀和控制幀擴充用優(yōu)先權(quán)（0,2,4,6）0 0 c c c c c cMAC控制幀分類編碼000000申請令牌000001請求令牌001000請求后繼33四種優(yōu)先級：0、2、4和6，最低為0，最高為6。我們可以將每個站想象成四個子站，對應四個優(yōu)先級。當進入MAC子層的信息來自上層時，先檢查數(shù)據(jù)優(yōu)先權(quán)，然后送到四個子站之一。這樣，各子站管理它自己的幀發(fā)送隊列。當令牌從電纜上到來時，它從內(nèi)部傳給優(yōu)先級為6的子站，只要有幀就開始傳輸。當該子站發(fā)完（或超時）時，令牌從內(nèi)部傳給優(yōu)先級為4的子站，此站可以發(fā)送幀直至超時，至此令牌又傳送給優(yōu)先級為2的子站。這一過程

16、要重復到優(yōu)先級為0的子站傳輸完成所有幀或超時為止，然后令牌傳給下一站。 優(yōu)先權(quán)34IEEE 802.5：令牌環(huán) Token Ring技術(shù)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Token Ring作為它的LAN技術(shù)?；舅枷氕h(huán)網(wǎng)設計分析的一個主要問題是 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；35環(huán)接口站單向環(huán) 1比特延遲環(huán)接口至站自站至站自站（a）環(huán)網(wǎng)（b）傾

17、聽模式（c）傳輸模式36特點令牌（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雜；重負載下，效率接近100%。37SDACED 1 1 1 2或6 2或6 無限制 4 1

18、1SDACFC目的地址源地址數(shù)據(jù)校驗和EDFS（b）數(shù)據(jù)幀格式 （FC：幀控制；FS：幀狀態(tài)）pppTMRRRAC接入控制優(yōu)先權(quán)令牌忙閑用于多次通過標示預約令牌環(huán)幀格式（a）令牌格式SD：開始界符AC：訪問控制ED：結(jié)束界符38FC幀控制域cccccc01數(shù)據(jù)00環(huán)控制信息區(qū)分控制幀內(nèi)容Ac00Ac0FS幀狀態(tài)域39環(huán)路時延每個節(jié)點1位延遲，環(huán)路長度造成的傳播的延時40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

19、，使用差分曼徹斯特編碼模式（HH和LL，物理層編碼違例法）；訪問控制域 AC 包括令牌位、監(jiān)視位、優(yōu)先級位和保留位；幀控制域 FC 用于將數(shù)據(jù)幀和控制幀區(qū)別開來和進行環(huán)的維護；幀狀態(tài)字節(jié)FS用于報告幀的傳送情況，包括地址位A和拷貝位C，幀經(jīng)過目的站，A置為“1”，幀被接收，C置為“1”。A、C位提供了自動確認。為增加可靠性，A、C在 FS中出現(xiàn)兩次。A = 0，C = 0，目的站不存在或未加電；A = 1，C = 0，目的站存在但幀未被接收；A = 1，C = 1，目的站存在且?guī)粡椭啤?1令牌持有時間（token-holding time），一般為10毫秒；提供優(yōu)先級控制：訪問控制域中的優(yōu)先

20、級位給出令牌的優(yōu)先級，只有當要發(fā)送的幀的優(yōu)先級大于等于令牌的優(yōu)先級時才能獲得令牌，站還可以預約某個優(yōu)先級的令牌。環(huán)的維護環(huán)上存在一個監(jiān)控站，負責環(huán)的維護，通過站的競爭產(chǎn)生；監(jiān)控站的職責保證令牌不丟失；處理環(huán)斷開情況；清除壞幀，檢查無主幀。42802.5具有精確地處理多個幀優(yōu)先級的方案。三字節(jié)的令牌幀中間字節(jié)內(nèi)有一個給出了令牌優(yōu)先級的域。當站要傳輸優(yōu)先級為n的幀時，它須等待直到捕獲了一優(yōu)先級低于或等于n的令牌。另外，當數(shù)據(jù)幀經(jīng)過某站時，該站可通過將它想發(fā)送的幀的優(yōu)先級寫入經(jīng)過的幀的預約位中，嘗試為它的待發(fā)幀預定下一令牌。然而，若在該幀中已預定有更高一優(yōu)先級，則該站不能預約。在當前幀完成后， 用已

21、預定的優(yōu)先級可產(chǎn)生新的令牌。此機制總是將預訂位的優(yōu)先級提得越來越高，為了克服這一問題，提高預訂位優(yōu)先級的站在其達到目的地后有責任減低優(yōu)先級 優(yōu)先級43監(jiān)控站申請發(fā)出claim token 控制幀，若該幀繞環(huán)一周，發(fā)送者成為新的監(jiān)控站。責任-保證令牌不丟失；當環(huán)斷開時采取行動；出現(xiàn)多幀時清環(huán)路；檢查多次繞環(huán)幀計時器：超時重發(fā)新令牌壞幀：清除，發(fā)新令牌多次繞環(huán)幀：清除考慮環(huán)長度：保證環(huán)路長度足夠令牌長。插入延時44802.5的布線屏蔽雙絞線，速率為1/4/16M，采用差分曼徹斯特編碼傳輸；為解決環(huán)斷裂導致整個環(huán)無法工作的問題，使用線路中心（Wire Center）進行布線，線路中心設有旁路中繼器。

22、45通過線路中心連接的四個站點46802.3優(yōu)點使用最為廣泛；算法簡單；站點可以在網(wǎng)絡運行中安裝；使用無源電纜；輕負載時，延遲為0。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）；三種局域網(wǎng)的比較47速率提高時，幀傳輸時間減少，競爭時間不變（2），效率降低；重負載時，沖突嚴重。802.4優(yōu)點發(fā)送具有確定性，支持優(yōu)先級，可處理短幀；使用寬帶電纜，支持多信道；重負載時，吞吐量和效率較高。缺點:使用大量的模擬裝置；協(xié)議復雜；輕負載時，延遲大；很難用光纖實現(xiàn)。48802.5優(yōu)點使

23、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。缺點中央監(jiān)控；輕負載時，延遲大。49IEEE802.6標準：分布隊列雙路總線兩條平行的單向總線穿繞于整個城市，站點同時連接于兩條總線之上。每條總線都有一個首端，它產(chǎn)生一個穩(wěn)定的53字節(jié)的信元流。每個信元從首端沿總線往下傳，當它到達終點時，就從總線中消失了。50每個信元帶有44字節(jié)的有效載荷。每個信元中帶有兩個協(xié)議位：Busy（繁忙），其值為1表示該信元已被占用；Request（請求），當站點想發(fā)出請求時可將其置為1。在802.6中，站點按照準

24、備好發(fā)送的順序進行排隊，并按照FIFO(先進先出)的原則進行發(fā)送。51（a）最初MAN空閑（b）D發(fā)出請求以后52（c）B發(fā)出請求以后；（d）D發(fā)送以后（e）B發(fā)送以后53例1一個令牌總線系統(tǒng)按照如下方式工作：當令牌到達一個站點時，計時器重置為0。然后，該站點開始發(fā)送優(yōu)先級為6的幀，直到計時器達到T6為止。隨后，它開始發(fā)送優(yōu)先級為4的幀，直到計時器計到T4為止。對于優(yōu)先級為2和0的幀，也重復此算法，如果所有站點的T6到T0的計時值都分別是40ms,80ms,90ms和100ms ,那么請問，預留給各優(yōu)先級的帶寬分別是總帶寬的百分之幾？解答：4個優(yōu)先級分別獲得40,40,10,10ms，因此，總

25、帶寬的40%預留給優(yōu)先級6，總帶寬的40%預留給優(yōu)先級4，總帶寬的10%預留給優(yōu)先級2，總帶寬的10%預留給優(yōu)先級0。54例2在令牌總線中，如果某站點接到令牌后即崩潰，將會發(fā)送什么情況？802.4的協(xié)議是如何處理這種情況的解答：在一個站將令牌傳出之后，它就觀察它的后繼站是否傳出一幀或交出令牌。如果兩者均未發(fā)生，那么該站將再次傳出令牌，如果第二次仍然失敗，該站就發(fā)送Who_Follows幀，該幀中標明了后繼站的地址。當崩潰站點的后繼站看到Who_Follows幀中給出的地址是自己的前站地址，它就發(fā)送Set_Successor幀給出錯站點的前方站點作為響應，聲明自己將成為新的后繼站點。這樣，出錯的

26、站點就從環(huán)中移去了。55例3當數(shù)據(jù)傳輸速率為5Mb/s，且傳播速度為200m/s時，令牌環(huán)接口的一個比特時延等價于多少米的電纜解答：數(shù)據(jù)速率為5Mb/s，則傳輸一位所需要的時間為：1/5Mb/s=200ns。在200ns時間內(nèi)信號可以傳播的距離是200ns*200m /s=40m.因此，令牌環(huán)接口的一個比特延時等價于40米的電纜。56例4令牌環(huán)網(wǎng)上的延時必須能夠容納整個令牌。如果電纜不夠長，必須人為地增加時間延遲。解釋一下，為什么在時延只有16bit而令牌為24bit的環(huán)上，必須額外地增加時延？解答：在發(fā)出16位之后，第1位又回來了，發(fā)送方不能讓它繼續(xù)繞環(huán)傳輸，因為令牌的發(fā)送還未結(jié)束。發(fā)送站可以在其內(nèi)部人為地增加8位時