第4章計算機局域網絡1解讀第4章計算機局域網絡1解讀局域網產生的原因:80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: 局域網是在一個較小的范圍，利用通信線路將眾多計算機（一般為微機）及外設連接起來，達到數據通信及資源共享目的的一種網絡。第4章計算機局域網絡局域網產生的原因:第4章計算機局域網絡4.1.1局域網的特點覆蓋范圍小 房間、建筑物、園區范圍距離 0.1～25km之間高傳輸速率 10Mbps～1000Mbps低誤碼率 10-8

～10-11

采用星形、環形、總線、樹形拓撲為一個單位所擁有，自行建設，不對外提供服務雙絞線、同軸電纜、光纖技術側重點是共享信息的處理4.1局域網概述4.1.1局域網的特點4.1局域網概述4.1.2局域網的關鍵技術決定局域網特性的主要技術有三種：用以連接各種設備的拓撲結構 星形、環形、總線型、樹形用以數據通信的數據傳輸形式基帶、頻帶（寬帶）用以共享資源的介質訪問控制方法

按協議實現信道共享: CSMA/CD、CSMA/CA、 TOKENPASSING這三種技術在很大程度上決定了傳輸介質、傳輸數據的類型、網絡的響應時間、吞吐量和效率，以及網絡的應用等各種網絡特性。4.1局域網概述4.1.2局域網的關鍵技術4.1局域網概述1.局域網的典型拓撲結構：星型:所有結點都連接到中央結點環型:結點通過點到點鏈路與相鄰結點連接總線型:所有結點都直接連接到共享信道4.1局域網概述1.局域網的典型拓撲結構：4.1局域網概述2.傳輸形式：基帶傳輸 把數字脈沖信號直接在傳輸介質上傳輸 典型傳輸介質：雙絞線、基帶同軸電纜和光導纖維頻帶傳輸（寬帶傳輸） 把數字脈沖信號經調制后再在傳輸介質上傳輸 典型傳輸介質：寬帶同軸電纜和無線電波等局域網中主要的傳輸形式為基帶傳輸，頻帶傳輸用在無線局域網中。4.1局域網概述2.傳輸形式：4.1局域網概述3.介質訪問控制方法： 即信道訪問控制方法（簡稱：訪問方法），指網絡中的多個站點如何共享通信媒體（介質）的。4.1局域網概述 局域網采用的訪問方法有：帶沖突檢測的載波偵聽多路訪問CSMA/CD沖突避免的載波偵聽多路訪問CSMA/CA（無線局域網）令牌環TokenRing（TOKENPASSING）令牌總線TokenBus（TOKENPASSING）3.介質訪問控制方法：4.1局域網概述 局域網采用的訪問方4.1.3局域網體系結構4.1局域網概述1.IEEE802標準簡介描述物理層和數據鏈路層的功能及與網絡層的接口服務。4.1.3局域網體系結構4.1局域網概述1.IEEE8IEEE802定義的物理層功能：1.位流的發送/接收2.前導碼（前綴）的生成/除去（用于同步）3.信號的編碼/譯碼具體規定了信號的編碼/譯碼、拓樸結構、傳輸媒體和速率：

1.信號編碼采樣曼徹斯特編碼

2.介質為雙絞線、同軸電纜、光纜、無線介質等3.拓撲結構為總線型、樹形（星形）和環形

4.傳輸速率為1Mbps、4Mbps、10Mbps、16Mbps、100Mbps、1000Mbps等4.1局域網概述IEEE802定義的物理層功能：4.1局域網概述局域網的物理層確定了兩個接口：

1.介質相關接口（MDI） 該接口隨介質的不同而改變，但不影響數據鏈路控制子層LLC和媒體訪問控制子層MAC的工作。

2.連接單元接口（AUI） 特殊的連接部件，類似于粗纜以太網中的收發器電纜。可選項，因為在細纜和雙絞線情況下，AUI不存在。4.1局域網概述局域網的物理層確定了兩個接口：4.1局域網概述IEEE802委員會按功能將數據鏈路層劃分為兩個子層:1.邏輯鏈路控制（LLC）子層（數據鏈路控制子層）2.介質訪問控制（MAC）子層（媒體訪問控制子層）功能分解的原因與目的：將功能中與硬件相關的部分和與硬件無關的部分分開，降低實現的復雜度。局域網特點：共享信道，需要解決介質訪問控制問題。 分層可以使LLC幀的傳輸獨立于介質和MAC方法，使LAN體系結構能適應多種傳輸媒體，也即在局域網上同一LLC可以有幾種MAC方式的選擇以適應不同的媒體和訪問方法。4.1局域網概述IEEE802委員會按功能將數據鏈路層劃分為兩個子層:4.LLC功能：向高層提供一個或多個服務訪問點（SAP：兩個相鄰層之間的邏輯接口）；數據幀的發送/接收；幀順序控制、差錯控制和流量控制；某種網絡層功能，如數據報、虛電路和多路復用等。MAC功能：管理多個源鏈路和多個目的鏈路；IEEE802制定了若干介質訪問控制方法； LLC：與介質、拓撲無關； MAC：與介質、拓撲相關。4.1局域網概述LLC功能：4.1局域網概述實際應用中一般不考慮LLC子層到了20世紀90年代后，激烈競爭的局域網市場逐漸明朗。以太網（只有MAC層協議以及物理層的局域網）在局域網市場中已取得壟斷地位，并且幾乎成了局域網的代名詞。因此802委員會制定的邏輯鏈路控制子層LLC（即802.2標準）的作用已經不大了，很多廠商生產的網卡上就僅裝有MAC協議而沒有LLC協議。本章在介紹以太網時一般都不用考慮LLC子層。4.1局域網概述實際應用中一般不考慮LLC子層4.1局域網概述LAN的網絡層和更高層次由于IEEE802局域網拓撲結構簡單，一般不需中間轉接，所以網絡層的很多功能(如路由選擇等)是沒有必要的，而流量控制、尋址、排序、差錯控制等功能可在數據鏈路層完成，故IEEE802標準沒有單獨設立網絡層。IEEE802沒有定義局域網的高層，在實際計算機網絡中，一般由TCP/IP等協議集和網絡操作系統（NOS：

Unix、WindowsNT、Netware）共同來實現。4.1局域網概述LAN的網絡層和更高層次4.1局域網概述2.IEEE802標準的組成4.1局域網概述2.IEEE802標準的組成4.1局域網概述4.2介質訪問控制方法4.2.1信道分配問題計算機網絡按照通信傳播方式可以分成兩類：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問題的協議稱為介質訪問控制協議MAC（MediumAccessControl），是數據鏈路層協議的一部分。4.2介質訪問控制方法4.2.1信道分配問題計算機網絡按IEEE802.3MAC標準中相關概念:沖突：在廣播式信道中（例如總線型網絡中的總線），有兩個或兩個以上工作站同時發送數據，在信道上產生信號的混合。載波偵聽：發送信息前，檢測信道的空閑狀態。沖突檢測：發送信息時，檢測是否發生沖突。多路訪問：多結點（工作站）訪問同一媒體（共享信道），或者多結點從同一媒體接收信息。多路訪問協議：控制多個用戶共用一條信道的協議。4.2介質訪問控制方法IEEE802.3MAC標準中相關概念:4.2介質訪問控信道分配方法有兩種：靜態分配和動態分配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；特點：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間槽；特點：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。4.2介質訪問控制方法信道分配方法有兩種：靜態分配和動態分配4.2介質訪問控制方動態分配信道分配模型的五個基本假設：站點模型：每個站點是獨立的，并以固定的速率產生幀，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：所有的站點都能檢測到沖突，沖突幀必須重發；連續時間和時間分槽（確定何時發送）；載波偵聽和非載波偵聽。4.2介質訪問控制方法動態分配4.2介質訪問控制方法4.2介質訪問控制方法CSMA/CD主要解決問題：

1.各站點如何訪問共享介質；

2.如何解決同時訪問造成的沖突。CSMA/CD對站點的要求

1.具有判斷信道忙/閑的能力（利用站點的接收器接收信道上傳輸的信號：信號有變化－忙；信號無變化－閑）。

2.具有判斷沖突的能力。4.2.2CSMA/CD（帶沖突檢測的載波偵聽多路訪問協議）4.2介質訪問控制方法CSMA/CD主要解決問題：4.2.沖突檢測沖突檢測是一個模擬過程，當站點在發送時，其硬件設備必須偵聽線纜。站點通過檢測信道上反饋信號的能量或脈沖寬度并將之與傳送信號比較就可判斷是否產生了沖突。基帶接收機搜索高于預期的電壓電平來檢測沖突的發生寬帶接收機則常使用把收到的數據與發出的數據的比特逐個進行比較的方法來檢測沖突的發生4.2介質訪問控制方法沖突檢測4.2介質訪問控制方法1.載波偵聽多路訪問協議（CSMA）為了減少局域網上各個站之間的發送沖突，人們引入了載波偵聽多路訪問（CSMA）的策略，也叫做先聽后說。基本的CSMA介質訪問方法（1）一個站要發送信息時，首先需偵聽總線，以確定介質上是否有其他站點發送的信號（2）若介質上空閑的（沒有其他站點發送），則可以發送信息（3）若介質忙（其他站點正在發送），則此站不能發送，需等待一段時間后重試，即返回（1）

等待一段時間：堅持退避4.2介質訪問控制方法1.載波偵聽多路訪問協議（CSMA）基本的CSMA介質訪問堅持退避算法堅持退避：“等待一定間隔時間”非堅持（不堅持）CSMA（nonpersistentCSMA）：原理若站點有數據發送，先偵聽信道；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。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；4.2介質訪問控制方法堅持退避算法4.2介質訪問控制方法②

1-堅持型CSMA（1-persistentCSMA）原理若站點有數據發送，先偵聽信道；若站點發現信道空閑，則發送；若信道忙，則繼續偵聽直至發現信道空閑，然后完成發送；優點：減少了信道空閑時間；缺點：增加了發生沖突的概率；信道效率比非堅持CSMA低，傳輸延遲比非堅持CSMA小。廣播延遲對本協議性能的影響：廣播延遲越大，發生沖突的可能性越大，協議性能越差。4.2介質訪問控制方法②1-堅持型CSMA（1-persistentCSMA）③p-堅持型CSMA（p-persistentCSMA）原理：若站點有數據發送，先偵聽信道；若站點發現信道空閑，則以概率p發送數據，以概率q=1-p延遲一個時間單位（時間單位等于最大的傳播延遲）。延遲后重復第一步；若信道忙，則重復第一步。優點：降低了1－堅持算法的沖突概率減輕了非堅持算法中介質利用率低的問題難點：

P值的選擇：N×P<1 N為介質忙時，要發送數據的站點數CSMA技術無法解決發送中的沖突問題！③p-堅持型CSMA（p-persistentCSMA）1kmABt碰撞t=2

A檢測到發生碰撞

t=

B發送數據B檢測到發生碰撞

t=

t=0單程端到端傳播時延記為

問題：既然每一個站在發送數據之前已經偵聽到信道為“空閑”，那么為什么還會出現數據在總線上的碰撞呢？這是因為電磁波在介質上總是以有限的傳播速率在傳播。當某個站監聽到總線是空閑時，也可能總線并非真正是空閑的。A向B發出的信息，要經過一定的時間后才能傳送到B。B若在A發送的信息到達B之前發送自己的幀(因為這時B的載波偵聽檢測不到A所發送的信息)，則必然要在某個時間和A發送的幀發生碰撞。碰撞的結果是兩個幀都變得無用。1kmABt碰撞t=2A檢測到發生碰撞CSMA/CD協議的原理站點使用CSMA協議進行數據發送；站點在發送幀的同時需要繼續偵聽是否發生沖突，若在幀發送期間檢測到沖突，立即終止發送，并向介質發出一串干擾（阻塞）信號，使所有的站點都知道發生了沖突；在發出干擾信號（阻塞）后，等待一段隨機時間，再重復第一步。4.2介質訪問控制方法CSMA/CD協議的工作過程通常可以概括為： 先聽后發→邊聽邊發→沖突停發→隨機重發2.

帶沖突檢測的載波偵聽多路訪問（CSMA/CD）CSMA/CD協議的原理4.2介質訪問控制方法CSMA/C1kmABt碰撞t=2

A檢測到發生碰撞

t=

B發送數據B檢測到發生碰撞

t=

t=0單程端到端傳播時延記為

1kmABt碰撞t=2A檢測到發生碰撞1kmABt碰撞t=

B檢測到信道空閑發送數據t=

/2發生碰撞t=2

A檢測到發生碰撞

t=

B發送數據B檢測到發生碰撞

t=

ABABAB

t=0A檢測到信道空閑發送數據ABt=0t=

B檢測到發生碰撞停止發送STOPt=2

A檢測到發生碰撞STOPAB單程端到端傳播時延記為

1kmABt碰撞t=t=/說明電磁波在1km電纜上的傳播時延約為5s。在局域網的分析中，常將總線上的單程端到端傳播時延記為。4.2介質訪問控制方法說明4.2介質訪問控制方法重要特性從上面的分析可知，A發送數據后，最遲經過兩倍的端到端的傳播時延（2）就能知道自己發出的數據是否發生了碰撞。2為檢測到沖突的最長時間長度，經過這段時間還沒有檢測到碰撞，才能肯定這次發送不會發生碰撞。由此可見，每一個站在發送數據之后的一小段時間內（2），存在著遭遇碰撞的可能性。這一小段時間是不確定的，它取決于兩個發送數據的主機之間的距離。CSMA/CD的這一特點稱為發送的不確定性。以太網采用了CSMA/CD協議，這種發送的不確定性使整個以太網的平均通信量遠小于以太網的最高傳輸速率。使用CSMA/CD協議的以太網不能進行全雙工通信而只能進行雙向交替通信（半雙工通信）。重要特性4.2介質訪問控制方法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

；假設R為網絡傳輸速率，F為幀長，則：假設S為網絡跨距，因為： 所以 最小幀長度不變時，網絡傳輸速率越高，網絡跨距就越小傳輸速率固定時，網絡跨距越大，最小幀長度就應該越大網絡跨距固定時，傳輸速率越高，最小幀長度就應該越大4.2介質訪問控制方法最短幀長以太網中爭用期的長度以太網的端到端往返時延2

稱為爭用期，或碰撞窗口。以太網取51.2

s為爭用期的長度（大約5km電纜線）。對于10Mb/s以太網，在爭用期內可發送512bit，即64字節。以太網在發送數據時，若前64字節沒有發生沖突，則后續的數據就不會發生沖突。以太網中最短有效幀長——64Byte如果發生沖突，就一定是在發送的前64字節之內。由于一檢測到沖突就立即中止發送，這時已經發送出去的數據一定小于64字節。以太網規定了最短有效幀長為64字節，凡長度小于64字節的幀都是由于沖突而異常中止的無效幀（碎片幀）。4.2介質訪問控制方法以太網中爭用期的長度4.2介質訪問控制方法以太網中規定，網絡上傳輸的幀與幀之間的間隙至少為96bit的時間（10MbpsEthernet為9.6微秒），稱為幀間間隔IFS。在相繼發送的兩幀之間強制插入9.6ms的幀間間隔的目的：確保其他站點也能占用信道FCSSATypePADADataPadPA幀間隔>9.6ms幀n幀n+14.2介質訪問控制方法以太網中規定，網絡上傳輸的幀與幀之間的間隙至少為96bit的4.2介質訪問控制方法強化碰撞當發送數據的站一旦發現發生了碰撞時，除了立即停止發送數據外，還要再繼續發送若干比特的人為干擾信號(jammingsignal)，以便讓所有用戶都知道現在已經發生了碰撞。4.2介質訪問控制方法強化碰撞數據幀干擾信號

TJ人為干擾信號ABTBt

B發送數據A檢測到沖突開始沖突信道占用時間A發送數據B也能夠檢測到沖突，并立即停止發送數據幀，接著就發送干擾信號。這里為了簡單起見，只畫出A發送干擾信號的情況。數據幀干擾信號TJ人為干擾信號ABTBtB發送數據A3.CSMA/CD中使用的退避算法問題現在考慮一種情況。當某個站正在發送數據時，有另外兩個站有數據要發送。這兩個站進行載波偵聽，發現總線忙，于是就等待。當他們同時發現總線變為空閑時，就立即發送自己的數據。但這必然再次產生碰撞。經沖突檢測發現了碰撞，就停止發送。然后再重新發送……這樣下去，一直不能發送成功。以太網使用截斷二進制指數類