1、第六章局域網與介質訪問子層主要內容局域網概述局域網拓撲結構和傳輸介質局域網技術信道分配多路訪問協議IEEE 802系列標準邏輯鏈路控制LLCIEEE 802.3 和 Ethernet快速以太網千兆以太網主要內容（續）其他局域網技術IEEE 802.5和Token Ring光纖分布式數據接口FDDIDPT 網橋技術連接 802.X和 802.Y的網橋透明網橋/生成數網橋源路由網橋局域網概述局域網產生的原因1980年代，微型機發展迅速，彼此需要相互通信（近距離），共享資源；分布式的網絡應用：分布式計算，分布式數據庫定義局域網是一種將小區域內的各種通信設備互連在一起的通信網絡。局域網概述（續）局域網

2、的基本特點高傳輸率（10 Mbps 100 Gbps）短距離（0.1 km 10 km）低出錯率（10-8 10-11）局域網發展趨勢高速，100G Ethernet無線，無線局域網 IEEE 802.11局域網拓撲結構和傳輸介質局域網拓撲結構星型結構環型結構總線型結構樹型結構傳輸介質雙絞線基帶同軸電纜光纖無線無線網卡和桌面天線無線網卡和天線無線PCMCIA網卡無線 PCMCIA 網卡和發送/接收器信道分配計算機網絡可以分成兩類使用點到點連接的網絡 廣域網使用廣播信道（多路訪問信道，隨機訪問信道）的網絡 局域網關鍵問題：如何解決對信道爭用解決信道爭用的協議稱為介質訪問控制協議 MAC (Med

3、ium Access Control)，是數據鏈路層協議的一部分信道分配方法有兩種靜態分配動態分配信道分配（續）靜態分配頻分多路復用 FDM（波分復用WDM）原理：將頻帶平均分配給每個要參與通信的用戶優點：適合于用戶較少，數目基本固定，各用戶的通信量都較大的情況缺點：無法靈活地適應站點數及其通信量的變化時分多路復用 TDM原理：每個用戶擁有固定的信道傳送時槽優點：適合于用戶較少，數目基本固定，各用戶的通信量都較大的情況缺點：無法靈活地適應站點數及其通信量的變化信道分配（續）動態分配信道分配模型獨立站點假設：每個站點是獨立的，并以統計固定的速率產生幀，一幀產生后到被發送走之前，站點被封鎖單信道假

4、設：所有的通信都是通過單一的信道來完成的，各個站點都可以從信道上收發信息沖突假設：若兩幀同時發出，會相互重疊，結果使信號無法辨認，稱為沖突。所有的站點都能檢測到沖突，沖突幀必須重發確定何時發送：連續時間/時間分槽確定能否發送：載波監聽/非載波監聽多路訪問協議定義：控制多個用戶共用一條信道的協議多路訪問協議ALOHA協議載波監聽多路訪問協議CSMA帶沖突檢測的載波監聽多路訪問協議CSMA/CD無沖突協議有限競爭協議無線局域網協議ALOHA協議70年代，夏威夷大學的Norman Abramson設計了ALOHA協議目的：解決信道的動態分配基本思想可用于任何無協調關系的用戶爭用單一共享信道使用權的系

5、統分類純ALOHA協議分槽ALOHA協議純ALOHA協議基本思想：用戶有數據要發送時，可以直接發至信道；然后監聽信道看是否產生沖突，若產生沖突，則等待一段隨機的時間重發多用戶共享單一信道，并由此產生沖突，這樣的系統稱為競爭系統純ALOHA協議（續）信道效率假設：幀長固定，無限個用戶，按泊松分布產生新幀，平均每個幀時（frame time）產生S幀（0 S 1）；發生沖突重傳，新舊幀共傳k次，遵從泊松分布，平均每個幀時產生G幀吞吐率 S = GP0，P0為發送一幀不受沖突影響的概率沖突危險區一個幀時內產生k幀的概率：Prk = Gke-G/k!，兩個幀時平均產生2G個幀，在沖突危險區內無其它幀產

6、生的概率為：P0 = e-2G，所以S = Ge-2G效率：信道利用率最高只有18.4%分槽ALOHA協議基本思想：把信道時間分成離散的時間槽，槽長為一個幀所需的發送時間。每個站點只能在時槽開始時才允許發送。其他過程與純ALOHA協議相同信道效率沖突危險區是純ALOHA的一半，所以P0 = e-G，S = Ge-G與純ALOHA協議相比，降低了產生沖突的概率，信道利用率最高為36.8%載波監聽多路訪問協議CSMACSMA（Carrier Sense Multiple Access Protocols）載波監聽（Carrier Sense）站點在為發送幀而訪問傳輸信道之前，首先監聽信道有無載波若

7、有載波，說明已有用戶在使用信道，則不發送幀以避免沖突多路訪問（Multiple Access）多個用戶共用一條線路1-堅持型CSMA1-persistent CSMA原理若站點有數據發送，先監聽信道若站點發現信道空閑，則發送若信道忙，則繼續監聽直至發現信道空閑，然后完成發送若產生沖突，等待一隨機時間，然后重新開始發送過程優點：減少了信道空閑時間缺點：增加了發生沖突的概率廣播延遲對協議性能的影響廣播延遲越大，發生沖突的可能性越大，協議性能越差非堅持型CSMAnonpersistent CSMA原理若站點有數據發送，先監聽信道若站點發現信道空閑，則發送若信道忙，等待一隨機時間，然后重新開始發送過程

8、若產生沖突，等待一隨機時間，然后重新開始發送過程優點：減少了沖突的概率缺點：增加了信道空閑時間，數據發送延遲增大隨著每個幀時發送幀數量（G）的增加，非堅持型CSMA信道效率比 1-堅持CSMA高，傳輸延遲比 1-堅持CSMA大p-堅持型CSMAp-persistent CSMA適用于分槽信道原理若站點有數據發送，先監聽信道若站點發現信道空閑，則以概率p發送數據，以概率q =1- p 延遲至下一個時槽發送。若下一個時槽仍空閑，重復此過程，直至數據發出或時槽被其他站點所占用若信道忙，則等待下一個時槽，重新開始發送若產生沖突，等待一隨機時間，然后重新開始發送五種多路訪問協議性能比較帶沖突檢測的載波監

9、聽多路訪問協議CSMA/CD引入原因當兩個幀發生沖突時，兩個被損壞幀繼續傳送毫無意義，而且信道無法被其他站點使用，浪費信道如果站點邊發送邊監聽，并在監聽到沖突之后立即停止發送，可以提高信道的利用率，因此產生了CSMA/CD原理站點使用CSMA協議進行數據發送在發送期間如果檢測到沖突，立即終止發送，并發出一個瞬間干擾信號，使所有的站點都知道發生了沖突在發出干擾信號后，等待一段隨機時間，再新開始發送問題：一個站點確定發生沖突要花多少時間？最壞情況下，2倍電纜傳輸時間工作狀態傳輸周期競爭周期空閑周期無沖突協議無沖突協議（續）基本位圖協議（A Bit-Map Protocol）工作原理共享信道上有N個

10、站，競爭周期分為N個時槽，如果一個站有幀發送，則在對應的時槽內發送比特1N個時槽之后，每個站都知道哪個站要發送幀，這時按站序號發送無沖突協議（續）象這樣在實際發送信息前先廣播發送請求的協議稱為預留協議（reservation protocol）效率輕負載下，效率為 d / (N + d)，數據幀由d個時間單位組成重負載下，效率為 d / (d + 1)缺點與站序號有關的不平等性，序號大的站得到的服務好每個站都有 1 比特的開銷無沖突協議（續）二進制下數法（Binary Countdown）工作原理所有站的地址用等長二進制位串表示，若要占用信道，則廣播該位串不同站發的地址中的位做“或”操作，一旦

11、某站了解到比本站地址高位更高的位置被置為“1”，便放棄發送請求效率d / (d + log2N)有限競爭協議占用信道的策略競爭方法例，CSMA輕負載下，發送延遲小；重負載下，信道效率低無沖突方法例，基本位圖法輕負載下，發送延遲大；重負載下，信道效率高有限競爭方法結合以上兩種方法，輕負載下使用競爭，重負載下使用無沖突方法減少競爭的站的數目可以增加獲取信道的概率基本思路：將站分組，組內競爭問題：如何分組？適應樹搜索協議工作原理站點組織成二叉樹一次成功傳輸之后，第0槽全部站可競爭信道，只有一個站要使用信道則發送；有沖突則在第1槽內半數站（2以下站）參與競爭。如其中之一獲得信道，本幀后的時槽留給3以下

12、的站；如發生沖突，繼續折半搜索當系統負載很重時，從根結點開始競爭發生沖突的概率非常大。為提高效率，可以從中間結點開始競爭問題：搜索應該從樹的哪一級開始？無線局域網協議無線局域網產生背景筆記本電腦的普及促進了無線局域網的發展portable mobile要做到真正的移動，需要使用無線信號進行通信無線局域網的特點只有一個信道（與蜂窩電話不同）短距離傳輸一個站點發送的信號，只能被它周圍一定范圍內的站點接收到無線局域網協議（續）無線局域網與有線局域網不同隱藏站點問題（hidden station problem）由于站點距離競爭者太遠，從而不能發現潛在介質競爭者的問題稱為隱藏站點問題A向B發送數據的過

13、程中，C由于收不到A的數據，也可以向B發送數據，導致B接收時發生沖突無線局域網協議（續）暴露站點問題（exposed station problem）由于非競爭者距離發送站點太近，從而導致介質非競爭者不能發送數據的問題稱為暴露站點問題B向A發送數據，被C監聽到，導致C不能向D發送數據無線局域網協議（續）傳統的CSMA協議不適合于無線局域網，需要特殊的MAC子層協議CSMA電纜上的信號傳播給所有站點CSMA只判斷發送站點周圍是否有其它活躍發送站點沖突被發送站點發現某一時刻，信道上只能有一個有效數據幀無線局域網信號只能被發送站點周圍一定范圍內的站點接收需要盡量保證接收站點周圍一定范圍內只有一個發送

14、站點沖突被接收站點發現某一時刻，信道上可以有多個有效數據幀無線局域網協議（續）MACA（Multiple Access with Collision Avoidance）是IEEE 802.11無線局域網標準的基礎基本思想：發送站點刺激接收站點發送應答短幀，從而使得接收站點周圍的站點監聽到該幀，并在一定時間內避免發送數據無線局域網協議（續）基本過程A向B發送RTS(Request To Send)幀，A周圍的站點在一定時間內不發送數據，以保證CTS幀返回給AB向A回答CTS(Clear To Send)幀，B周圍的站點在一定時間內不發送數據，以保證A發送完數據A開始發送若發生沖突，采用二進制指

15、數后退算法等待隨機時間，再重新開始無線局域網協議（續）MACAW對MACA協議做了改進，提高了性能主要改進對每個成功傳輸的數據幀，都要產生確認幀增加了發送站點的載波監聽發生沖突后，針對每個數據流（相同源和目的地址）執行后退算法，而不是針對每個站點發生擁塞時，站點間交互信息小結關鍵問題：在MAC子層如何解決多個站點爭用共享信道？信道分配方式：靜態（FDM、WDM、TDM），動態多路訪問協議競爭協議ALOHA：純ALOHA、分槽ALOHACSMA：1-堅持型CSMA、非堅持型CSMA、 p-堅持型CSMA（分槽協議）CSMA/CDEthernet采用哪種CSMA協議？無沖突協議有限競爭協議無線局域

16、網協議（MACA, MACAW）IEEE 802協議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：802.1 基本介紹和接口原語定義802.2 邏輯鏈路控制（LLC）子層802.3 采用CSMA/CD技術的局域網802.4 采用令牌總線（Token Bus）技術的局域網802.5 采用令牌環（Token Ring）技術的局域網802標準在網絡體系結構中的位置IEEE 802 familyIEEE 802 family（續）LAN的參考模型引入LLC子層的原因：MAC子層只提供盡力而為的數據報服務，不提供確認機制和流量控制（滑動窗口）有些情況下，

17、這種服務足夠，如支持IP協議；當需要確認和流控的時候，這種服務就不能滿足，需要LLC對于同一個LLC，可以提供多個MAC選擇LLC：Logical Link ControlLLC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，為網絡層提供單一的格式和接口LLC提供三種服務選項：不可靠數據報服務，有確認數據報服務，可靠的面相連接的服務LLC幀頭基于HDLC協議邏輯鏈路控制子層 LLCMAC：Medium Access ControlMAC子層的功能數據幀封裝、發送和接收成幀（幀定界、幀同步）尋址（源和目的MAC地址處理）差錯檢測介質訪問管理介質分配（避免沖突）沖突解決（處理沖突

18、）介質訪問控制子層 MAC歷史ALOHA系統ALOHA + 載波監聽Xerox 設計了2.94Mbps的采用CSMA/CD協議的EthernetXerox, DEC, Intel共同制定了10Mbps的CSMA/CD以太網標準IEEE定義了采用1-堅持型CSMA/CD技術的802.3局域網標準，速率從1M到10MbpsIEEE 802.3標準與以太網協議略有差別IEEE 802.3和Ethernet802.3采用的電纜標準10Base5：粗纜，AUI接口10Base2：細纜，BNC接口，T型頭10Base-T：RJ-45接口10Base-F：光纖接口IEEE 802.3和Ethernet（續）

19、物理層類型用以下域表示 10Base5含義10：10MbpsBase：基帶傳輸（baseband medium）5：500米收發器（transceiver）：處理載波監聽和沖突檢測IEEE 802.3和Ethernet（續）IEEE 802.3和Ethernet（續）布線拓撲結構總線形，脊椎形，樹形，分段三種電纜布線8個辦公室的網絡連接 (a) 粗纜(b) 細纜 (c) 10Base-T 雙絞線擴展網段長度中繼器：物理層設備，只對信號進行接收、放大和雙向重傳兩個收發器之間最多使用4個中繼器，最長2500米802.3的信號編碼由于曼徹斯特編碼簡單，所有的802.3基帶系統都使用曼徹斯特編碼IEE

20、E 802.3 和 Ethernet（續）10Base-T hub802.3的MAC子層幀格式前導序列（7個字節10101010）幀開始標志（1字節， 10101011）IEEE 802.3 和 Ethernet（續）目標地址和源地址2 或 6個字節，以太網為6個字節 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）用來區分本地地址和全球地址。幀長度域（2字節，取

21、值在0-1500之間）數據（0-1500個字節）填充（0-46字節）校驗和：CRC校驗（4個字節）IEEE 802.3 和 Ethernet（續）最短幀長避免幀的第一個比特到達電纜的遠端前幀已經發完，幀發送時間應該大于 2；10Mbps LAN，最大沖突檢測時間為51.2微秒，最短幀長為64字節；網絡速度提高，最短幀長也應該增大或者站點間的距離要減小。IEEE 802.3 和 Ethernet（續）IEEE 802.3 和 Ethernet（續）二進制指數后退算法（binary exponential backoff）將沖突發生后的時間劃分為長度為51.2微秒的時槽發生第一次沖突后，各個站點等

22、待 0 或 1 個時槽再開始重傳；發生第二次沖突后，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，再開始重傳；10次沖突后，選擇等待的時槽數固定在0至210-1間；16次沖突后，發送失敗，報告上層。交換式802.3 LAN目的：減少沖突；兩種實現方法一個卡內是一個802.3LAN，構成自己的沖突域，卡間并行使用端口緩存，無沖突發生IEEE 802.3 和 Ethernet（續）IEEE 802.3 和 Ethernet（續）快速以太網Fast Ethernet標準1995年，IEEE通過802.3u標準，實際上是8

23、02.3的一個補充。原有的幀格式、接口、規程不變，只是將比特時間從100ns縮短為10ns已合并到IEEE 802.3中對10 Mbps 802.3 LAN的改進一種方法是改進10Base-5 或 10Base-2，采用CSMA/CD，最大電纜長度減為1/10，未被采納另一種方法是改進10Base-T，使用HUB，被采納快速以太網（續）100Base-T4使用4對 ISO/IEC 11801定義的3、4、5類平衡雙絞線3類非屏蔽雙絞線（UTP），使用25MHz的信號（802.3 10M LAN使用20MHz的信號，由于使用Manchester編碼，波特率=2*比特率）4對雙絞線，1對 to t

24、he hub，1對 from the hub，另外2對根據數據傳輸方向變換8B6T（8 bits map to 6 trits）編碼，使用三進制信號（ternary signals），1對雙絞線的比特率為25 * 8/6 = 33.3 Mbps，正向100M，反向33.3M快速以太網（續）100Base-TX使用2對5類平衡雙絞線或150屏蔽平衡電纜，1對 to the hub，1對 from the hub，全雙工5類雙絞線使用125 MHz的信號4B5B編碼，5個時鐘周期發送4個比特，物理層與FDDI兼容，比特率為 125 * 4/5 = 100 Mbps100Base-FX使用2根多模光

25、纖，全雙工100Base-T4 和 100Base-TX 統稱 100Base-T快速以太網（續）兩種類型的HUB共享式 HUB，一個沖突域，工作方式與802.3相同，CSMA/CD，二進制指數后退算法，半雙工 交換式HUB，輸入幀被緩存，一個端口構成一個沖突域千兆以太網Gigabit Ethernet標準：802.3z已合并到IEEE 802.3中Gigabit Ethernet 使用擴展的 802.3 MAC 子層接口，通過GMII（Gigabit Media Independent Interface）與物理層相連千兆以太網（續）物理層實體1000BASE-LX, 1000BASE-SX

26、, 1000BASE-CX, 1000BASE-T1000BASE-X（包括1000BASE-SX, 1000BASE-LX, 和 1000BASE-CX）物理層標準符合 ANSI X3.230-1994 (Fibre Channel) FC-0 和 FC-1，采用8B/10B編碼1000BASE-T 采用4B/5B編碼在一個沖突域內，只允許一個repeater幀格式以太網與Metcalfe1972 1975年（通常認為1973年），施樂公司（Xerox）的Robert Metcalfe等人發明了Ethernet1979年，Metcalfe離開施樂，成立了3Com （Computer, Com

27、munication, Compatibility）3Com一度是Cisco的強大競爭對手2010.4，3Com為惠普收購，退出市場 Metcalfe以太網發明人創建3Com公司提出Metcalfes LawIEEE 802.3與Ethernet的區別幀格式IEEE 802.3 MAC地址長度為2或6個字節Ethernet MAC地址長度為6個字節Token Ring1980年代，IBM開發出令牌環作為它的LAN技術IEEE 802.5標準是主要基于IBM的令牌環網絡的，但是也有一些細微的差別 令牌環技術提出時聲稱理論上比Ethernet好，但是隨著交換以太網的出現和以太網速率不斷提高，令牌環

28、技術落后于以太網技術特點環實際上并不是一個廣播介質，而是不同的點到點鏈路組成的環，點到點鏈路有很多技術優勢各個站點是公平的，獲得信道的時間有上限，避免沖突發生IEEE 802.5 令牌環基本思想令牌（Token）是一種特殊的比特組合模式，一個站要發送幀時，需要抓住令牌，并將其移出環環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，必要時需要插入人工延遲環接口有兩種操作模式：監聽模式和傳輸模式IEEE 802.5 令牌環（續）當一個站點有數據發送時，在令牌通過此站點時，將令牌從環上取下，發送自己的數據，發送站負責將發出的幀從環上移去，然后重新生

29、成令牌，并轉入監聽模式確認：幀內一個比特域，初值為0，目的站收到后，將其變為1；對廣播的確認比較復雜重負載下，效率接近100%環網設計分析的一個主要問題是 1 比特的“物理長度”，數據傳輸速率為 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米環接口引入了1比特的傳輸延遲IEEE 802.5 令牌環（續）IEEE 802.5 令牌環（續）802.5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斷裂導致整個環無法工作的問題，使用線路中心（Wire Center）進行布線，線路中心設有旁路中繼器令牌環MAC子層協議協議基本操作：無信

30、息傳輸時，3字節的令牌在環上循環；有信息要發送時，站獲得令牌，并將第二個字節的某一位由 0 變成 1，將令牌的前兩個字節變成幀的起始序列，然后輸出幀的其它部分IEEE 802.5 令牌環（續）開始定界符SD和結束定界符ED標志著幀的開始和結束,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、監視位、優先級位和保留位幀控制域 FC 用于將數據幀和控制幀區別開來和進行環的維護；幀狀態字節FS用于報告幀的傳送情況，包括地址位A和拷貝位C，幀經過目的站，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中出現兩次A = 0，

31、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，目的站存在且幀被復制令牌持有時間（token-holding time），一般為10毫秒提供優先級控制：訪問控制域中的優先級位給出令牌的優先級，只有當要發送的幀的優先級大于等于令牌的優先級時才能獲得令牌，站還可以預約某個優先級的令牌IEEE 802.5 令牌環（續）環的維護環上存在一個監控站，負責環的維護，通過站的競爭產生監控站的職責保證令牌不丟失處理環斷開情況清除壞幀，檢查無主幀IEEE 802.5 令牌環（續）光纖分布式數據接口FDDI（Fiber Distributed Data Int

32、erface）特征使用多模光纖作為傳輸介質MAC協議與 Token Ring 類似100M的速率采用4B5B編碼方法32中組合中的16種表示數據，3種表示定界符，2種表示控制，3種表示硬件信號，8種保留最大距離200公里最多1000個站點光纖分布式數據接口（續）通常作為連接LAN的主干網絡FDDI的雙環操作FDDI定義了兩類站：A類站連接雙環，B類站連接單環。為提高信道利用率，站點發完數據后立即產生新令牌，環上可能同時存在多個幀FDDI的hub DPT/RPRDynamic Packet Transport (option)Cisco 的技術，主要用于城域網，非國際標準OC-12 (622 M

33、bps)，OC-48（2.488 Gbps）結合了IP帶寬利用率高、服務種類豐富的特點和光纖環高帶寬、自治愈的特點DPT環是雙環，每個環都同時用于用戶數據和控制數據的傳輸Spatial Reuse Protocol (SRP)SRP是一個媒介無關的MAC層協議，用來實現DPT在光纖環情況上的功能SRP提供基本的尋址，報文封裝，帶寬控制和控制信息的傳輸機制 DPT（續）目的地提取報文: 報文被目的節點從環上取下，不繼續占用帶寬。這樣DPT環可以提供空間復用，使得多個不同網段可以同時全速使用帶寬DPT結合了 SONET/SDH的處理能力和第二層的管理能力，來實現多層性能監視，錯誤檢查和錯誤隔離功能

34、ReferenceHttp:/，搜索關鍵詞“DPT”網橋技術定義：網橋（bridge）是工作在數據鏈路層的一種網絡互連設備，它在互連的LAN之間實現幀的存儲和轉發為什么使用網橋？兩個LAN之間的距離超過2500米，一個比較經濟的方案是使用橋將它們連接起來網橋技術（續）將一個負載很重的大LAN分隔成使用網橋互連的幾個LAN以減輕負擔，防止出故障的站點損害全網沖突域：在使用CSMA/CD協議的以太網中，如果兩個站點同時發送幀會產生沖突，則這個CSMA/CD網絡就是一個沖突域中繼器不能隔離沖突域，網橋/交換機可以隔離沖突域網橋技術（續）網橋可以互連不同類型的LAN網橋可以有助于安全保密網橋技術（續）網橋的工作原理連接k個不同LAN的網橋具有k個MAC子層和k個物理層連接 802.X和 802.Y的網橋互連時需要解決的相同問題不同LAN幀格式的轉換不同的LAN速率不同，網橋要有