【正文】 第三章 局域網(wǎng) 第三章 局域網(wǎng) 局域網(wǎng)概述 以太網(wǎng) 以太網(wǎng)的 MAC層 局域網(wǎng)的擴(kuò)展 高速以太網(wǎng) 無(wú)線局域網(wǎng) 本章作業(yè) 局域網(wǎng)概述 ? 局域網(wǎng)產(chǎn)生的原因 ? 80年代，微型機(jī)發(fā)展迅速，小區(qū)域內(nèi)的計(jì)算機(jī)需要共享資源、相互通信。 ? 局域網(wǎng)的基本特點(diǎn) ? 高數(shù)據(jù)傳輸率（ 10 ~ 1000 Mbps） ? 短距離（ ~ 10 km） ? 低出錯(cuò)率（ 108 ~ 1011） ? 決定局域網(wǎng)性能的三要素 ? 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)? ? 傳輸介質(zhì) ? 介質(zhì)訪問(wèn)控制方法 局域網(wǎng)概述 ? 總線形－拓?fù)錁?gòu)型 ? 所有結(jié)點(diǎn)都連接到一條作為公共傳輸介質(zhì)的總線上； ? 介質(zhì)訪問(wèn)控制方法采用的是“共享介質(zhì)”方式； ? 所有結(jié)點(diǎn)都可以通過(guò)總線傳輸介質(zhì)以“廣播”方式發(fā)送或接收數(shù)據(jù)； 匹配電阻 總線網(wǎng) 局域網(wǎng)概述 ? 總線形－拓?fù)錁?gòu)型 ? 因此出現(xiàn)“沖突（ collision）”是不可避免的，“沖突”會(huì)造成傳輸失??； ? 必須解決多個(gè)結(jié)點(diǎn)訪問(wèn)總線的介質(zhì)訪問(wèn)控制問(wèn)題。 匹配電阻 總線網(wǎng) 沖突 局域網(wǎng)概述 ? 星形－拓?fù)錁?gòu)型 ? 交換局域網(wǎng) (switched LAN)的物理結(jié)構(gòu)。 中央結(jié)點(diǎn) 星形網(wǎng) 局域網(wǎng)概述 ? 環(huán)形－拓?fù)錁?gòu)型 ? 結(jié)點(diǎn)使用點(diǎn) — 點(diǎn)線路連接，多個(gè)結(jié)點(diǎn)共享一條閉合的環(huán)通路； ? 環(huán)中數(shù)據(jù)沿著一個(gè)方向繞環(huán)逐站傳輸； ? 環(huán)建立、維護(hù)、結(jié)點(diǎn)的插入與撤出。 干線耦合器 環(huán)形網(wǎng) 局域網(wǎng)概述 ? 共享信道的訪問(wèn)控制 1. 靜態(tài)分配 ?頻分多路復(fù)用 FDM（波分復(fù)用 WDM） ? 原理：將頻帶平均分配給每個(gè)要參與通信的用戶； ?時(shí)分多路復(fù)用 TDM ? 原理：每個(gè)用戶擁有固定的信道傳送時(shí)槽； ?靜態(tài)分配的問(wèn)題 ? 延時(shí)時(shí)間長(zhǎng)； ?信道利用率低 局域網(wǎng)概述 ? 共享信道的訪問(wèn)控制 2. 動(dòng)態(tài)分配（多點(diǎn)訪問(wèn) multiple access） ? 隨機(jī)訪問(wèn)：網(wǎng)上各站都可以根據(jù)自己的意愿隨機(jī)地訪問(wèn)信道，兩個(gè)或兩個(gè)以上站點(diǎn)同時(shí)發(fā)送信息會(huì)產(chǎn)生沖突。 ? 典型網(wǎng)絡(luò)：以太網(wǎng) ? 受控訪問(wèn)：每一時(shí)刻網(wǎng)上只有一個(gè)站點(diǎn)發(fā)送信息； ? 集中式控制（多點(diǎn)輪詢 polling），分散式控制。 局域網(wǎng)概述 ? 局域網(wǎng)的 IEEE 802系列標(biāo)準(zhǔn) ? IEEE 802協(xié)議 : IEEE 802系列標(biāo)準(zhǔn)定義了若干種局域網(wǎng) LAN，包括對(duì)物理層、介質(zhì)訪問(wèn)控制 (MAC)子層的定義和描述。 ? 組成： ? 基本介紹和接口原語(yǔ)定義 ? 邏輯鏈路控制（ LLC）子層 ? 采用 CSMA/CD技術(shù)的局域網(wǎng) ? 采用令牌總線（ Token Bus）技術(shù)的局域網(wǎng) ? 采用令牌環(huán)（ Token Ring）技術(shù)的局域網(wǎng) 局域網(wǎng)概述 ? 802標(biāo)準(zhǔn)在網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中的位置 邏輯鏈路控制子層 LLC 接口原語(yǔ)定義 MAC層 物理層 MAC層 物理層 MAC層 物理層 MAC層 物理層 MAC層 物理層 MAC層 物理層 MAC層 物理層 管理 802 局域網(wǎng)概述與體系結(jié)構(gòu) 安全 CSMA/CD 以太局域網(wǎng) Token Bus 令牌總線 局域網(wǎng) Token Ring 令牌環(huán) 局域網(wǎng) 分布隊(duì)列 雙總線 城域網(wǎng) 綜合語(yǔ)音 /數(shù)據(jù) 局域網(wǎng) 無(wú)線 局域網(wǎng) 交換式 局域網(wǎng) 數(shù)據(jù)鏈路層 物理層 局域網(wǎng)概述 ? 分成兩個(gè)子層的原因 ? 管理多點(diǎn)訪問(wèn)信道的邏輯不同于傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)鏈路控制： ?局域網(wǎng)具有共享傳輸介質(zhì)的特點(diǎn)； ?必須解決發(fā)生沖突的問(wèn)題； ?由 MAC子層提供多種介質(zhì)訪問(wèn)控制方法的實(shí)現(xiàn)。 ? 對(duì)于同一個(gè) LLC，可以提供多個(gè) MAC選擇。 ? LLC隱藏了不同 802MAC子層的差異，為網(wǎng)絡(luò)層提供單一的格式和接口； ? LLC子層提供確認(rèn)機(jī)制和流量控制； ? 總之： 讓 MAC子層與介質(zhì)密切相關(guān)； 讓 LLC子層與所有介質(zhì)訪問(wèn)方法無(wú)關(guān)； 局域網(wǎng)概述 ? 局域網(wǎng)參考模型 ?LLC子層主要功能： ? 建立和釋放數(shù)據(jù)鏈路層的邏輯連接； ? 提供與高層的接口； ? 差錯(cuò)控制； ? 給幀加序號(hào)。 ?MAC子層主要功能： ? 成幀與拆幀； ? 比特差錯(cuò)檢測(cè)； ? 尋址； ? 競(jìng)爭(zhēng)處理。 ?物理層主要功能： ? 信號(hào)的編碼與譯碼； ? 比特的傳輸與接收。 局域網(wǎng)概述 ? 邏輯鏈路控制子層 LLC ? LLC提供三種服務(wù) ? 無(wú)確認(rèn)的數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù) ? 有確認(rèn)的數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù) ? 可靠的面向連接服務(wù) ? LLC幀結(jié)構(gòu)：基于 HDLC ? 有效地址為 27=128個(gè)（最低位有特殊含義） ? 目的地址最低位： 0－單個(gè)地址； 1－組地址 ? 組地址表示數(shù)據(jù)要發(fā)往某一特定站的一組服務(wù)訪問(wèn)點(diǎn)； ? 源地址最低位： 0－命令幀； 1－應(yīng)答幀 字節(jié)數(shù) 1 1 1/2 可變 字段 目的地址 源地址 控制 數(shù)據(jù) 局域網(wǎng)概述 ? 介質(zhì)訪問(wèn)控制子層 MAC ? 主要任務(wù)： 成幀與拆幀；比特差錯(cuò)檢測(cè)；尋址；競(jìng)爭(zhēng)處理。 ? 一般由硬件－網(wǎng)卡完成。 高層 PDU 高層 LLC首部 LLC數(shù)據(jù) LLC層 LLCPDU MAC層 MAC首部 MAC數(shù)據(jù) MAC尾部 MACPDU 局域網(wǎng)概述 ? 服務(wù)訪問(wèn)點(diǎn) SAP與地址 ? MAC地址：某主機(jī)的物理地址； ? SAP地址：某進(jìn)程在主機(jī)中的地址； 以太網(wǎng) ? 以太網(wǎng)的產(chǎn)生與發(fā)展 ? 1975，美國(guó)施樂(lè) (Xerox)公司研制出 信道以太網(wǎng)（ Ether）。 Bob Metcalfe（哈佛大學(xué)博士畢業(yè)）和 David Boggs發(fā)明了以太網(wǎng)，連接了 1英里內(nèi)的 256臺(tái)計(jì)算機(jī)。 1979年， Metcalfe創(chuàng)建了 3Com公司。 ? 1980， DEC、 Intel和 Xerox共同制定了 10Mbps的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn) ， DIX V1。 1982，修改為 DIX Ether V2，該標(biāo)準(zhǔn)成為 。 ? 1995，產(chǎn)生了 100Mbps的 快速以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。 ? 1998，產(chǎn)生了 1000Mbps的 吉比特以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。 以太網(wǎng) ? IEEE 以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn) 速率（ Mb/s） 基帶或?qū)拵? Base， Broad 每段最大長(zhǎng)度（單位 :百米）或 介質(zhì)類(lèi)型（ T， F， X） 10 Base 5 10BASE5 粗纜 10BASE2 細(xì)纜 10BASET 雙絞線 10BASEF 光纜 以太網(wǎng)媒體接入控制 MAC 以太網(wǎng) ? 以太網(wǎng)的信道共享技術(shù) ? 多用戶共享單一信道，并由此產(chǎn)生沖突，這樣的系統(tǒng)稱(chēng)為競(jìng)爭(zhēng)系統(tǒng)； ? 關(guān)鍵問(wèn)題：如何解決對(duì)信道爭(zhēng)用。 ? 隨機(jī)訪問(wèn)技術(shù)的發(fā)展： ALOHA → CSMA （增加載波監(jiān)聽(tīng)） → CSMA/CD（增加沖突檢測(cè)） C D A E 匹配電阻（用來(lái)吸收總線上傳播的信號(hào)） 匹配電阻 B 以太網(wǎng) ? 以太網(wǎng)的廣播方式發(fā)送 ? 總線上每一臺(tái)工作的計(jì)算機(jī)都檢測(cè)到 B發(fā)送的數(shù)據(jù)信號(hào)。 ? 計(jì)算機(jī) D的地址與數(shù)據(jù)幀首部的目的地址一致，因此只有D才接收這個(gè)數(shù)據(jù)幀。 ? 其它所有的計(jì)算機(jī)（ A， C和 E）都檢測(cè)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(lái)。 ? 具有廣播特性的總線上實(shí)現(xiàn)了一對(duì)一的通信。 B向 D 發(fā)送數(shù)據(jù) C D A E 不接受 不接受 不接受 接受 B 只有 D 接受 B 發(fā)送的數(shù)據(jù) 以太網(wǎng) ? 以太網(wǎng) 簡(jiǎn)化通信的兩種措施 ? 采用較為靈活的無(wú)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(duì)發(fā)送的數(shù)據(jù)幀不進(jìn)行編號(hào)，也不要求對(duì)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) ? 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(lái)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(lái)發(fā)送。 以太網(wǎng) ? 隨機(jī)訪問(wèn)技術(shù)： ALOHA協(xié)議 ? 定義： 控制多個(gè)用戶共用一條信道的協(xié)議。 ? 由來(lái)： 70年代， Norman Abramson設(shè)計(jì)了 ALOHA協(xié)議。 ? 目的： 解決信道的動(dòng)態(tài)分配，基本思想可用于任何無(wú)協(xié)調(diào)關(guān)系的用戶爭(zhēng)用單一共享信道使用權(quán)的系統(tǒng)； ? 分類(lèi)： 純 ALOHA協(xié)議和時(shí)隙 ALOHA協(xié)議。 以太網(wǎng) ? 純 ALOHA協(xié)議 ? 最原始的 ALOHA。用于地面分組無(wú)線電系統(tǒng)。 ? 基本思想： 每個(gè)站可隨時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)幀，然后監(jiān)聽(tīng)信道看是否產(chǎn)生沖突，若產(chǎn)生沖突，則等待一段隨機(jī)的時(shí)間重發(fā)，直到重傳成功為止。 以太網(wǎng) ? 純 ALOHA協(xié)議 ? 幀發(fā)送成功的條件： 設(shè)發(fā)送一幀所需時(shí)間為 T（幀時(shí)），且?guī)L(zhǎng)固定。必須在該幀發(fā)送前后各一段時(shí)間 T內(nèi)（一共有 2T的時(shí)間間隔）沒(méi)有其它幀發(fā)送。 以太網(wǎng) ? 純 ALOHA協(xié)議 ? 信道效率 ： ? 幀時(shí)：發(fā)送一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度的幀所需的時(shí)間 ? 吞吐率 S：在幀時(shí) T內(nèi)成功發(fā)送的平均幀數(shù)。 若 S = 0，意味著信道上無(wú)成功數(shù)據(jù)幀傳送； 若 S = 1，意味著數(shù)據(jù)幀一個(gè)接一個(gè)傳送，幀間無(wú)空隙。 若 S 1，意味著每個(gè)幀都沖突 所以吞吐率應(yīng)為 0S1 ? 網(wǎng)絡(luò)負(fù)載 G：在幀時(shí) T內(nèi)總共發(fā)送的平均幀數(shù)（包含發(fā)送成功和未成功）。顯然： G ≥S。 當(dāng)輕負(fù)載（ S1≈0）時(shí)，幾乎無(wú)沖突，則 G ≈ S 當(dāng)重負(fù)載（ S?1）時(shí)，沖突頻繁，則 GS 以太網(wǎng) ? 純 ALOHA協(xié)議 ? 信道效率 ： ? 設(shè)在任一幀時(shí)內(nèi)生成 K幀（包括新幀和重發(fā)幀）的概率服從泊松分布， 則：生成 0幀的概率為 兩個(gè)幀時(shí)內(nèi)產(chǎn)生的平均幀數(shù)為 2G 即： ， 由于 S=GP0，所以 S=Ge2G !k GkGPeK??0 GPe??2( 2 )!k GkGPeK?? 20 GPe?? 以太網(wǎng) ? 純 ALOHA協(xié)議 ? 信道效率 ： ? 對(duì)于 S=Ge2G ，得 S’= e2G + Ge2G (2)，并令其為 0 e2G 2Ge2G =0，推得 2G=1 當(dāng) G=， S有最大值， S=1/(2e)， S≈ 在純 ALOHA中，其吞吐率最大為 以太網(wǎng) ? 時(shí)隙 ALOHA協(xié)議 ? 72年 Robert提出 ? 基本思想： 把信道時(shí)間劃分成離散的時(shí)間隙，隙長(zhǎng)為一個(gè)幀所需的發(fā)送時(shí)間。每個(gè)站點(diǎn)只能在時(shí)隙開(kāi)始時(shí)才允許發(fā)送。其他過(guò)程與純 ALOHA協(xié)議相同。 以太網(wǎng) ? 時(shí)隙 ALOHA協(xié)議 ? 在一個(gè)時(shí)隙內(nèi)只產(chǎn)生一個(gè)新幀，新幀不允許立即發(fā)送，將在下一個(gè)時(shí)隙的開(kāi)始處t0+t 時(shí)發(fā)送，不會(huì)發(fā)生沖突 ? 在一個(gè)時(shí)隙內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)以上新幀，在前一個(gè)時(shí)隙結(jié)束t0+t 時(shí)發(fā)送，兩個(gè)以上的幀同時(shí)發(fā)送，將發(fā)生沖突 以太網(wǎng) ? 時(shí)隙 ALOHA協(xié)