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1、第五章 局域网,5.1 介质访问控制5.1.1 ALOHA协议 5.1.2 CSMA协议 5.1.3 CSMA/CD协议 5.2 以太网和IEEE 802.3 5.2.1物理层标准5.2.2 MAC协议 5.2.3性能分析,5.3 令牌环网和IEEE802.55.3.1 MAC协议 5.3.2管理与维护 5.3.3性能分析 5.4 网桥 5.4.1 透明桥 5.4.2 源选径桥,以太网拓扑结构,无路由器，不需要中间交换；需要源和目的地址；半双工；安全性不好；站点越多，性能越差；,以太网发展历史University of Hawaii 的ALOHA 网络Xerox 的 2.94M 以太网（197
2、3）Xerox,DEC and Intel 的 10M 以太网（DIX 标准）（1980 Ver1；1982 Ver2）IEEE 802.3 标准（1985）IEEE 802.3u 100Mbps Fast Ethernet 标准(1995)IEEE 802.3z Gigabit Ethernet 标准（1998）IEEE 802.3ab Gigabit Ethernet 标准（1999）,以太网和IEEE 802.3,IEEE802(ISO 8802)标准之间的关系,802.7：定义宽带技术802.8：定义光纤技术,IEEE 802 family,OSI模型与IEEE802模型的对应关系,L
3、LC协议PDU格式,5.1.1 ALOHA协议（1）,ALOHA协议是70年代在夏威夷大学由Norman Abramson及其同事发明的，目的是为了解决地面无线电广播信道的争用问题。ALOHA协议分为纯ALOHA：有数据就发，发完监听，若冲突就等待随机时间重发，信道最大利用率18%（1/2e）。分槽ALOHA：将信道使用时间划分为时间间隔(帧长)，站点在时槽开始处发送，信道最大利用率：36%（1/e）适用于任何无协调关系的多用户竞争单信道使用权的系统发送前不进行载波侦听。,5.1.2 CSMA协议,在ALOHA协议中，各站点在发送数据时从不考虑其它站点是否已经在发送数据，这样当然会引起许多冲突
4、。对于站点在发送数据前进行载波侦听，然后再采取相应动作的协议，人们称其为载波侦听多路访问CSMA(Carrier Sense Multiple Access)协议。CSMA协议有多种形式1-坚持CSMA：先听后说，若忙，继续监听，直到闲。非坚持CSMA：先听后说，若忙，等待随机时间监听。P坚持CSMA：分槽ALOHA的扩展，若闲，以概率p发送。,5.1.3 CSMA/CD协议,某站点想要发送数据，它首先侦听信道，如果信道空闲，立即发送数据并进行冲突检测；如果信道忙，继续侦听信道，直到信道变为空闲立即发送数据并进行冲突检测。如果站点在发送数据过程中检测到冲突，立即停止发送数据并向总线发一串阻塞信
5、号，以增强冲突，然后等待一随机长的时间，重新侦听信道。以太网和IEEE802.3就是使用CSMA/CD（Collision Detection）协议。,可归纳为：先听后发，边听边发，冲 突停止，随机延迟后重发,冲突窗口,CSMA/CD的发展过程,5.2.1物理层标准,“10”：表示10Mbps“BASE”：基带信号“T”：双绞线“F”：光纤（fiber）,10BASE-5物理层标准,10BASE-2物理层,10BASE-2,IEEE802.3的组成示意图,10BASE-T物理层,曼彻斯特编码,IEEE802.3 的三种接线方式,10BASE-2连接示意图,10BASE-T连接示意图,10BAS
6、E-5和10BASE-2,10BASE-T以太网,用集线器连网,5.2.2 MAC协议,802.3帧格式（1）,Preamble(前导符)：7个Bytes的10101010该字段的曼彻斯特编码产生10MHz，持续时间为 5.6s，以便接收方和发送的时钟进行同步。起始符：10101011标志着一帧的开始。目的地址：6字节(可表示100万亿个以上地址)Unicast Address：最高位为0 Multicast Address：最高位为1Broadcast Address：全 1源地址：6字节Unicast Address：最高位为0,802.3帧格式（2）,Length(长度)：2字节Data
7、(用户数据)：01500 BytesPAD(填充字段)：046 Bytes保证冲突在数据发送期间可以检测到；随着网络速度的提高，必须相应地增大最小帧长度或是缩小电缆最大长度。CRC(Cyclic Redundancy Check)校验码：32位生成多项式为：G(X)=X32+X26+X23+X22+X16+X11+X10+X8+X7+X5+X4+X2+X+1。校验范围为：目的地址、源地址、长度、数据和PAD。,CRC校验,相关参数,冲突窗口（冲突时间片）Contention Time(Slot)=2*电缆传播延迟二进制指数回退算法该回退算法是用来确定第 i次碰撞后等待多长时间（Ti）再进行第i
8、+1次尝试：Ti=r*冲突时间片其中：r=random（0 2i-1）以太网帧的最小帧长度对于10Mbps的以太网，冲突时间片为51.2s(两个站点的最大距离为2500m所带来的延迟外加上4个Repeater的延迟)相当于64Bytes的发送时间,802.3的性能分析（1）,分析802.3协议的性能时，电缆传播延迟和网络数据传输率R是两个重要的参数。反映了传输介质的长度，R与的乘积是决定以太网性能的重要参数。R乘积的物理意义是传输介质等价的比特长度，亦即传输介质能够容纳的比特数（网长）。假设有两个以太网，一个数据传输率为100Mbps，电缆长度为100m；另一个数据传输率为10Mbps，电缆长
9、度为 1km 的以太网，因其R相等，则这两个以太网的性能相差无几。,若假设R（例10Mbps）为以太网的数据传输率，=d/V（200m/s)为信号在介质上的传播延迟，L为帧的平均数据长度，TpL/R为其发送时间。则定义S为吞吐量，即单位时间内两设备间实际上能成功传送的数据位数：网络利用率U定义为：,802.3的性能分析（2）,802.3的性能分析（3）,其中参数决定了以太网的利用率；以上推导的假设条件是：在没有冲突的理想情况下，一个站发送完数据之后，另一个站接着发送数据，并且假定不考虑协议开销。从上面的公式可以知道，U和成反比，随着的增大，802.3网络的利用率U将下降。为了提高吞吐率S 和利
10、用率U，应尽量减小，这可以通过适当增加帧的长度来实现。,802.3的性能分析（4）,802.3的性能分析（5）,802.3的响应时间是不确定的，因而它不适合实时环境；802.3的冲突时间片影响网络的性能；当802.3的速度提高时，必须缩短电缆长度；802.3在轻负载时，性能比较好；在重负载时，性能急剧变坏；因此802.3适合于轻负载，不适合于重负载；以太网之所以成功首先是其极易管理维护，其次是它不贵。,5.3 令牌环网和IEEE802.5,支持两种数据传输输率即：1Mbps和4MbpsIBM后来将其发展为16Mbps。信息传输时间存在确定的上限。,采用点到点的信号传输方式，传输距离要比采用广播
11、式信号传输方式的总线型网络远得多。并且也具有广播特性。,接收站具有对发送站自动应答的功能。而在以太网中的确认，需要接收站竞争介质后，发确认帧。因此效率比以太网高。,令牌维护算法比较复杂，其可靠性要求高，使得组网费用和硬件价格都高于以太网。,令牌环工作原理,在没有站点发送数据时，令牌在环上不停地旋转；如果某站点要发送数据等待令牌的到来；将令牌AC字段的令牌标志位置“1”；站点往环中发送数据；发送的数据沿环旋转一周后，由发送站点负责将其移走；当环被吸空后，重新产生并发送令牌。,令牌环MAC帧格式,SD(Start Delimiter)：标示令牌或帧的开始 ED(End Delimiter)：帧尾定
12、界符。DA，SA：源地址、目的地址 Data：数据字段的长度由THT(Token Hold Timer）确定，THT一般为10ms；FCS(Frame Check Sequence)：CRC校验。,令牌帧,令牌环MAC帧格式,AC(Access Control)：P P P T M R R RT=0：Token；T=1：InformationM1时，用于消除无主帧PPP：数据或令牌的优先级RRR：预约优先级FC(Frame Control)：数据帧/控制帧标识FS(Frame Status)：A C r r A C r r帧状态，用A，C进行捎带应答。AC=00:表示目的站点不存在或没加电。A
13、C=10:表示目的站点存在但没接收帧（出错）。AC=11:表示目的站点存在且正确接收了帧。,AC和FC字段的格式,FF=00:表示命令帧 用于环的维 护和管理FF=01:表示数据帧FF=10和11：暂时 没有使用,IEEE802.5命令帧,环的维护,监控站(Monitor)的功能：保证Token不丢失TTRT当环断开时采取行动启动Beacon（报警）过程清除无主帧AC字段中的Monitor位；保证环能容纳一个完整的Token;Beacon过程(full-of-key problem)：某站发现其邻近站似乎失效时，便发出一个Beacon帧；当站点接收到其上游邻居发来的Beacon帧，则停止发送自
14、己的Beacon帧，而是转发接收到的Beacon帧；最后环中只出现某个站点发出的Beacon帧。监控站的产生Claim过程,802.5的性能,优点全数字线路，适合光纤介质无冲突，公平访问重负载时，性能好支持优先级操作缺点存在单点失效问题解决办法Beacon幀FDDI的双环星型环,星形环,5.4 网桥,定义：网桥(bridge)用于连接两个局域网的一种互联设备。功能：在不同LAN之间进行互联（数据链路层以下不同，数据链路层以上需要采用相同的协议）。用于网段微化，有利于调节负载；对于802.3，可以扩展网络的物理距离；不同的网段之间进行隔离，有助于保密。提高可靠性。,网桥,网桥工作原理示意图,网桥
15、连接两个LAN,封装式网桥,网桥按实现方法的不同可分为：1、封装式网桥2、转换桥3、透明桥4、源选径桥,X.25网络上的网桥,转换式网桥：需要在不同局域网之间进行帧格式转换，克服了封装式网桥的弊病。,5.4.1 透明桥,工作原理桥接收一帧后的处理过程如下所示：(1)如果不知道目的站点所在的LAN，则进行扩散。(2)如果源站点与目的站点所在的LAN相同，则扔掉此帧；(3)如果源站点和目的站点所在的LAN不同，则转发此帧；逆向学习算法根据逆向传输的帧记录目的站点的地址；学习(填表)忘记重新学习。Spanning Tree(802.1d)算法用生成树来解决在帧扩散中所产生的广播风暴问题。,4个局域网
16、和2个网桥的配置,两个并行的透明桥,生成树算法,每一个由多个网段经多个网桥桥接在一起的复杂网络都可看作图论中的一个无向图，在这个无向图中，每个网段和每个网桥相当于一个节点（node），网段与网桥之间的连接相当于一条边(edge)。图论中的结论：对于任何一个由多个节点和连接一对节点的边构成的一个连接图，都存在一棵部分边组成的生成树，既可保持图中各节点的连通性，同时又不存在环路。,生成树算法,选择标识号最小的桥为生成树的根(例子中为B1)。确定除根之外的其它网桥的Root 端口(Root Port是该桥到根代价最小的端口)。确定每个LAN上的指定桥(Designated Bridge)。指定桥是提
17、供每个网段到根代价最小的桥(例子中网段Z的指定桥为B2，Y为B2，V为B4，U为B6，W为B1，X为B1)，如果有多个桥到根的代价相同，则选标识最小的桥作为该网段的指定桥。只有指定桥才可以在网段间转发帧。确定每个网段的指定端口(Designated Port)。每个网段与其指定桥相连的端口叫指定端口。最后每个网桥将非根端口和非指定端口置为阻塞状态，即该端口不转发帧。,扩展局域网的拓扑结构,扩展局域网的生成树,生成树,B1,W,X,B2,Z,Y,B4,V,B6,U,B5,B3,5.4.2 源选径桥,工作原理假定每个发送站点知道目的站点与其是否在同一个 LAN 上；当发送一个到其它LAN的帧时，发
18、送站点将发送帧的源地址的最高位置1，并在帧头中加进到达目的站点的路径。路径标识桥号，局域网号，桥号，局域网号，路径选择源选径桥只关心源地址最高位为1的帧，通过查找帧中的路径信息，决定其下一站的转发；广播查找帧时存在广播风暴问题。,4个源路径桥和4个局域网的配置,源选径算法,第一步，H1发出一个探测帧，探测H2的所在位置。第二步，桥B1和B2都收到H1发出的探测帧，它们分别在探测帧加进路由信息，然后将探测帧分别转发到LAN3和LAN4；第三步，桥B3和B4也收到H1发出的探测帧，它们也分别在探测帧中加进自己的路由信息，继续将探测帧转发到LAN2；第四步：H2收到两个探测帧，H2检查探测帧中累积的
19、路由信息，然后分别沿着探测帧来的路径发响应帧。第五步：H1收到两个H2发来的两个响应帧，从而得知有两条路径可以到达H2，分别为：LAN1B1LAN3B3LAN2LAN1B2LAN4B4LAN2最后H1选择其中一条路径，将路由信息加到数据帧中发给H2。,小结,局域网一般使用广播式信道，在广播式信道中，关键的问题是如何协调控制多个站点对共享信道的同时访问。传统局域网主要有以太网、令牌环网。这两种网络在支持的数据传输率、物理层编码、帧格式、网络的管理与维护以及性能方面都有很大的差异，适合不同的应用环境。当某个单位构建的网络中要使用多种不同的局域网技术时，必须引入网桥设备，以实现不同局域网上的用户能够相互通信。网桥主要有透明桥和源选径桥两种。,
