【正文】 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò) 第 3 章 局域網(wǎng) 第 3 章 局域網(wǎng) 局域網(wǎng)概述 * 傳統(tǒng)以太網(wǎng) 以太網(wǎng)的工作原理 傳統(tǒng)以太網(wǎng)的連接方法 以太網(wǎng)的信道利用率 * 以太網(wǎng)的 MAC 層 MAC 層的硬件地址 兩種不同的 MAC 幀格式 第 4 章 局域網(wǎng)（續(xù)） * 擴(kuò)展的局域網(wǎng) 在物理層擴(kuò)展局域網(wǎng) 在數(shù)據(jù)鏈路層擴(kuò)展局域網(wǎng) 虛擬局域網(wǎng) 虛擬局域網(wǎng)的概念 虛擬局域網(wǎng)使用的以太網(wǎng)幀格式 第 4 章 局域網(wǎng)（續(xù)） * 高速以太網(wǎng) 100BASET 以太網(wǎng) 吉比特以太網(wǎng) 10 吉比特以太網(wǎng) 其他種類的高速局域網(wǎng) 100VGAnyLAN 局域網(wǎng) 光纖分布式數(shù)據(jù)接口 FDDI 高性能并行接口 HIPPI 光纖通道 局域網(wǎng)概述 ? 局域網(wǎng)最主要的特點(diǎn)是：網(wǎng)絡(luò)為一個(gè)單位所擁有，且地理范圍和站點(diǎn)數(shù)目均有限。 ? 局域網(wǎng)具有如下的一些主要優(yōu)點(diǎn)： ? 能方便地共享昂貴的外部設(shè)備、主機(jī)以及軟件、數(shù)據(jù)。從一個(gè)站點(diǎn)可訪問全網(wǎng)。 ? 便于系統(tǒng)的擴(kuò)展和逐漸地演變，各設(shè)備的位置可靈活調(diào)整和改變。 ? 提高了系統(tǒng)的可靠性、可用性和殘存性。 媒體共享技術(shù) ? 靜態(tài)劃分信道 ? 頻分復(fù)用 ? 時(shí)分復(fù)用 ? 波分復(fù)用 ? 碼分復(fù)用 ? 動(dòng)態(tài)媒體接入控制（多點(diǎn)接入） ? 隨機(jī)接入 ? 受控接入 ，如多點(diǎn)線路探詢 (polling)，或輪詢。 傳統(tǒng)以太網(wǎng) 以太網(wǎng)的工作原理 ? 1. 兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn) ? DIX Ether V2 是世界上第一個(gè)局域網(wǎng)產(chǎn)品（以太網(wǎng)）的規(guī)約。 ? IEEE 的 標(biāo)準(zhǔn)。 ? DIX Ether V2 標(biāo)準(zhǔn)與 IEEE 的 標(biāo)準(zhǔn)只有很小的差別，因此可以將 局域網(wǎng)簡稱為 “ 以太網(wǎng) ” 。 ? 嚴(yán)格說來， “ 以太網(wǎng) ” 應(yīng)當(dāng)是指符合 DIX Ether V2 標(biāo)準(zhǔn)的局域網(wǎng) 數(shù)據(jù)鏈路層的兩個(gè)子層 ? 為了使數(shù)據(jù)鏈路層能更好地適應(yīng)多種局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，802 委員會(huì)就將局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)鏈路層拆成兩個(gè)子層： ? 邏輯鏈路控制 LLC (Logical Link Control)子層 ? 媒體接入控制 MAC (Medium Access Control)子層。 ? 與接入到傳輸媒體有關(guān)的內(nèi)容都放在 MAC子層，而 LLC 子層則與傳輸媒體無關(guān)，不管采用何種協(xié)議的局域網(wǎng)對 LLC 子層來說都是透明的 以后一般不考慮 LLC 子層 ?由于 TCP/IP 體系經(jīng)常使用的局域網(wǎng)是 DIX Ether V2 而不是 標(biāo)準(zhǔn)中的幾種局域網(wǎng)，因此現(xiàn)在 802 委員會(huì)制定的邏輯鏈路控制子層 LLC（即 標(biāo)準(zhǔn)）的作用已經(jīng)不大了。 ?很多廠商生產(chǎn)的網(wǎng)卡上就僅裝有 MAC 協(xié)議而沒有 LLC 協(xié)議。 2. 網(wǎng)卡的作用 ? 網(wǎng)絡(luò)接口板又稱為 通信適配器 (adapter)或網(wǎng)絡(luò)接口卡 NIC (Network Interface Card)，或“ 網(wǎng)卡 ”。 ? 網(wǎng)卡的重要功能： ?進(jìn)行串行 /并行轉(zhuǎn)換。 ?對數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存。 ?在計(jì)算機(jī)的操作系統(tǒng)安裝設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。 ?實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)協(xié)議。 計(jì)算機(jī)通過網(wǎng)卡 和局域網(wǎng)進(jìn)行通信 CPU 高 速 緩 存 存儲(chǔ)器 I/O 總線 計(jì)算機(jī) 至局域網(wǎng) 網(wǎng)絡(luò)接口卡 （網(wǎng)卡） 串行通信 并行通信 以太網(wǎng)的廣播方式發(fā)送 ? 總線上的每一個(gè)工作的計(jì)算機(jī)都能檢測到 B 發(fā)送的數(shù)據(jù)信號。 ? 由于只有計(jì)算機(jī) D 的地址與數(shù)據(jù)幀首部寫入的地址一致，因此只有 D 才接收這個(gè)數(shù)據(jù)幀。 ? 其他所有的計(jì)算機(jī)（ A, C 和 E）都檢測到不是發(fā)送給它們的數(shù)據(jù)幀，因此就丟棄這個(gè)數(shù)據(jù)幀而不能夠收下來。 ? 具有廣播特性的總線上實(shí)現(xiàn)了一對一的通信。 為了通信的簡便 以太網(wǎng)采取了兩種重要的措施 ? 采用較為靈活的無連接的工作方式，即不必先建立連接就可以直接發(fā)送數(shù)據(jù)。 ? 以太網(wǎng)對發(fā)送的數(shù)據(jù)幀不進(jìn)行編號，也不要求對方發(fā)回確認(rèn)。 ?這樣做的理由是局域網(wǎng)信道的質(zhì)量很好，因信道質(zhì)量產(chǎn)生差錯(cuò)的概率是很小的。 以太網(wǎng)提供的服務(wù) ? 以太網(wǎng)提供的服務(wù)是不可靠的交付，即盡最大努力的交付。 ? 當(dāng)目的站收到有差錯(cuò)的數(shù)據(jù)幀時(shí)就丟棄此幀，其他什么也不做。差錯(cuò)的糾正由高層來決定。 ? 如果高層發(fā)現(xiàn)丟失了一些數(shù)據(jù)而進(jìn)行重傳，但以太網(wǎng)并不知道這是一個(gè)重傳的幀，而是當(dāng)作一個(gè)新的數(shù)據(jù)幀來發(fā)送。 載波監(jiān)聽多點(diǎn)接入 /碰撞檢測CSMA/CD ? CSMA/CD 表示 Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection。 ? “多點(diǎn)接入”表示許多計(jì)算機(jī)以多點(diǎn)接入的方式連接在一根總線上。 ? “載波監(jiān)聽”是指每一個(gè)站在發(fā)送數(shù)據(jù)之前先要檢測一下總線上是否有其他計(jì)算機(jī)在發(fā)送數(shù)據(jù)，如果有，則暫時(shí)不要發(fā)送數(shù)據(jù)，以免發(fā)生碰撞。 ? 總線上并沒有什么“載波”。因此， “載波監(jiān)聽”就是用電子技術(shù)檢測總線上有沒有其他計(jì)算機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)信號。 碰撞檢測 ? ―碰撞檢測”就是計(jì)算機(jī)邊發(fā)送數(shù)據(jù)邊檢測信道上的信號電壓大小。 ? 當(dāng)幾個(gè)站同時(shí)在總線上發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，總線上的信號電壓擺動(dòng)值將會(huì)增大（互相疊加）。 ? 當(dāng)一個(gè)站檢測到的信號電壓擺動(dòng)值超過一定的門限值時(shí)，就認(rèn)為總線上至少有兩個(gè)站同時(shí)在發(fā)送數(shù)據(jù)，表明產(chǎn)生了碰撞。 ? 所謂“碰撞”就是發(fā)生了沖突。因此“碰撞檢測”也稱為“沖突檢測”。 檢測到碰撞后 ? 在發(fā)生碰撞時(shí)，總線上傳輸?shù)男盘柈a(chǎn)生了嚴(yán)重的失真，無法從中恢復(fù)出有用的信息來。 ? 每一個(gè)正在發(fā)送數(shù)據(jù)的站，一旦發(fā)現(xiàn)總線上出現(xiàn)了碰撞，就要立即停止發(fā)送，免得繼續(xù)浪費(fèi)網(wǎng)絡(luò)資源，然后等待一段隨機(jī)時(shí)間后再次發(fā)送。 電磁波在總線上的 有限傳播速率的影響 ? 當(dāng)某個(gè)站監(jiān)聽到總線是空閑時(shí)，也可能總線并非真正是空閑的。 ? A 向 B 發(fā)出的信息，要經(jīng)過一定的時(shí)間后才能傳送到 B。 ? B 若在 A 發(fā)送的信息到達(dá) B 之前發(fā)送自己的幀 (因?yàn)檫@時(shí) B 的載波監(jiān)聽檢測不到 A 所發(fā)送的信息 )，則必然要在某個(gè)時(shí)間和 A 發(fā)送的幀發(fā)生碰撞。 ? 碰撞的結(jié)果是兩個(gè)幀都變得無用。 1 km A B t 碰撞 t = 2? ? ? A 檢測到發(fā)生碰撞 t = ? ? ? B 發(fā)送數(shù)據(jù) B 檢測到發(fā)生碰撞 t = ? t = 0 單程端到端 傳播時(shí)延記為 ? 1 km A B t 碰撞 t = ? ? ? B 檢測到 信道空閑 發(fā)送數(shù)據(jù) t = ? ? ? / 2 發(fā)生碰撞 t = 2? ? ? A 檢測到發(fā)生碰撞 t = ? ? ? B 發(fā)送數(shù)據(jù) B 檢測到發(fā)生碰撞 t = ? A B A B A B t = 0 A 檢測到 信道空閑 發(fā)送數(shù)據(jù) A B t = 0 t = ? B 檢測到發(fā)生碰撞 停止發(fā)送 STOP t = 2? ? ? A 檢測到 發(fā)生碰撞 STOP A B 單程端到端 傳播時(shí)延記為 ? 重要特性 ? 使用 CSMA/CD 協(xié)議的以太網(wǎng)不能進(jìn)行全雙工通信而只能進(jìn)行雙向交替通信（半雙工通信）。 ? 每個(gè)站在發(fā)送數(shù)據(jù)之后的一小段時(shí)間內(nèi)，存在著遭遇碰撞的可能性。 ? 這種 發(fā)送的不確定性 使整個(gè)以太網(wǎng)的平均通信量遠(yuǎn)小于以太網(wǎng)的最高數(shù)據(jù)率。 4. 爭用期 ? 最先發(fā)送數(shù)據(jù)幀的站，在發(fā)送數(shù)據(jù)幀后至多經(jīng)過時(shí)間 2? （兩倍的端到端往返時(shí)延）就可知道發(fā)送的數(shù)據(jù)幀是否遭受了碰撞。 ? 以太網(wǎng)的端到端往返時(shí)延 2? 稱為 爭用期 ，或 碰撞窗口 。 ? 經(jīng)過爭用期這段時(shí)間還沒有檢測到碰撞，才能肯定這次發(fā)送不會(huì)發(fā)生碰撞。 二進(jìn)制指數(shù)類型退避算法 (truncated binary exponential type) ? 發(fā)生碰撞的站在停止發(fā)送數(shù)據(jù)后，要推遲（退避）一個(gè)隨機(jī)時(shí)間才能再發(fā)送數(shù)據(jù)。 ? 確定基本退避時(shí)間，一般是取為爭用期 2?。 ? 定義重傳次數(shù) k ， k ? 10，即 k = Min[重傳次數(shù) , 10] ? 從整數(shù)集合 [0,1,… , (2k ?1)]中隨機(jī)地取出一個(gè)數(shù)，記為 r。重傳所需的時(shí)延就是 r 倍的基本退避時(shí)間。 ? 當(dāng)重傳達(dá) 16 次仍不能成功時(shí)即丟棄該幀，并向高層報(bào)告。 爭用期的長度 ? 以太網(wǎng)取 ?s 為爭用期的長度。 ? 對于 10 Mb/s 以太網(wǎng)，在爭用期內(nèi)可發(fā)送512 bit，即 64 字節(jié)。 ? 以太網(wǎng)在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，若前 64 字節(jié)沒有發(fā)生沖突，則后續(xù)的數(shù)據(jù)就不會(huì)發(fā)生沖突。 最短有效幀長 ? 如果發(fā)生沖突，就一定是在發(fā)送的前 64 字節(jié)之內(nèi)。 ? 由于一檢測到?jīng)_突就立即中止發(fā)送，這時(shí)已經(jīng)發(fā)送出去的數(shù)據(jù)一定小于 64 字節(jié)。 ? 以太網(wǎng)規(guī)定了最短有效幀長為 64 字節(jié)，凡長度小于 64 字節(jié)的幀都是由于沖突而異常中止的 無效幀 。 強(qiáng)化碰撞 ? 當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)的站一旦發(fā)現(xiàn)發(fā)生了碰撞時(shí)，除了立即停止發(fā)送數(shù)據(jù)外，還要再繼續(xù)發(fā)送若干比特的 人為干擾信號 (jamming signal)，以便讓所有用戶都知道現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)生了碰撞。 ? TJ 人為干擾信號 A B TB t ? B 發(fā)送數(shù)據(jù) A 檢測 到?jīng)_突 開始沖突 信 道 占 用 時(shí) 間 A 發(fā)送數(shù)據(jù) B 也能夠檢測到?jīng)_突，并立即停止發(fā)送數(shù)據(jù)幀，接著就發(fā)送干擾信號。這里為了簡單起見，只畫出 A 發(fā)送干擾信號的情況。 傳統(tǒng)以太網(wǎng)的連接方法 ? 傳統(tǒng)以太網(wǎng)可使用的傳輸媒體有四種： ?銅纜（粗纜或細(xì)纜） ?銅線（雙絞線） ?光纜 ? 這樣，以太網(wǎng)就有四種不同的物理層。 10BASE5 粗纜 10BASE2 細(xì)纜 10BASET 雙絞線 10BASEF 光纜 以太網(wǎng)媒體