1、第第4章章 局域網與廣域網局域網與廣域網4.1 局域網4.2 以太網4.3 虛擬局域網4.4 高速以太網4.5 廣域網第第4章章 局域網與廣域網局域網與廣域網n局域網技術是這些年來發展最快，使用最廣的網絡，許多企業、機關和學校都先后建立了自己的計算機局域網。n本章重點介紹以太網和以太網的組網技術，討論高速以太網，重點講述虛擬局域網，介紹廣域網的數據鏈路層協議。4.1 局域網n局域網產生的原因局域網產生的原因n8080年代，微型機發展迅速，彼此需要相互通信（近距年代，微型機發展迅速，彼此需要相互通信（近距離），共享資源；離），共享資源；n分布式的網絡應用：分布式計算，分布式數據庫分布式的網絡應用

2、：分布式計算，分布式數據庫n定義定義n局域網是一種將小區域內的各種通信設備互連在一起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。的通信網絡。n局域網的基本特點局域網的基本特點n高數據傳輸率（高數據傳輸率（10 -10000 Mbps10 -10000 Mbps）n短距離（短距離（0.1 - 10 km0.1 - 10 km）n低出錯率（低出錯率（1010-8-8 10 10-11-11）n局域網發展趨勢局域網發展趨勢n高速，高速，10G Ethernet10G Ethernetn移動，無線局域網移動，無線局域網 IEEE 802.11IEEE 802.114.1 局域網n局域網拓

3、撲結構局域網拓撲結構n星型結構星型結構n環型結構環型結構n總線型結構總線型結構n樹型結構樹型結構網絡拓撲結構之間的比較拓撲結構優點缺點總線型安裝容易使用電纜少，易于擴充結點隔離性好檢測故障定位困難系統范圍受限制星型便于管理檢測故障定位容易單個站點發生故障不會影影響全網交換機出現問題會影響全網增加工作站時要增加集線器的連線環型檢測故障定位容易需要電纜長度短網絡的性能依賴于性能最差的結點單環的容錯性差樹型組網容易，易于擴展檢測故障定位容易各個結點對根結點依賴性太大網狀型檢測故障定位容易容錯能力強、可靠性高消耗電纜多、成本高結構復雜，不易于安裝、建設4.1 局域網n4.1.1 局域網概述局域網的工作

4、模式（1）對等模式（peer-to-peer）（2）專用服務器模式（server-based）（3）客戶/服務器模式（client/server）局域網工作模式比較工作模式 優點 缺點對等模式組建和維護容易，使用簡單。不需要專用的服務器?？衫孟到y內置的網絡通信功能，實現低價建網。由于每一臺計算機都可能承擔雙重角色，數據的保密性差。專用服務器模式專用的服務器保障了數據的保密性、可靠性。能夠對每一個工作站進行嚴格的用戶設置訪問權限。各工作站之間的互通性差，網絡工作效率低。各工作站上軟硬件資源無法實現共享?？蛻?服務器模式減少了服務器的工作量。有效地利用了各工作站的共享資源。網絡的工作效率較高。網

5、絡較復雜，對各工作站的管理比較困難。數據的保密性低于專用服務器模式。4.1 局域網n4.1.2 局域網體系結構1.局域網參考模型4.1 局域網n4.1.2 局域網體系結構MAC與LLC子層幀關系4.1 局域網n4.1.2 局域網體系結構u MAC子層提供標準的OSI數據鏈路層服務，保證高層協議如TCP/IP、SNA等都可以在局域網模型標準上運行。 功能：幀封裝與解封裝和介質訪問控制實現和維護MAC協議物理尋址比特的差錯檢測4.1 局域網n4.1.2 局域網體系結構uLLC子層功能：為幀添加序號。差錯控制。提供與高層的接口。建立和釋放數據鏈路層的邏輯連接。4.1 局域網n4.1.2 局域網體系結

6、構局域網協議標準IEEE802u1980年2月美國電子電氣工程師協會（Institute of Electrical and Electronic Engineers，IEEE）的802委員會成立。uIEEE 802委員會制定了一系列標準。u不同的局域網應用對技術要求也不同，因此構建了若干個具有不同特征的局域網標準，并被國際標準化組織（International Organization for Standardization，ISO）采用。4.1 局域網n4.1.2 局域網體系結構IEEE 802協議結構DSAPDSAPSSAPSSAP控制字節控制字節C C數據數據DataData1 1位位

7、0 0：單地址：單地址1 1：組地址：組地址 7 7位位1 1位位0 0：命令：命令1 1：響應：響應7 7位位信息幀信息幀N N字節數據字節數據監督幀監督幀無編號幀無編號幀頭標頭標數據數據DataData尾標尾標7 7字字節節1 1字節字節6 6字節字節6 6字節字節2 2字節字節461500461500字節字節4 4字節字節前導前導碼碼SFDSFD幀定界幀定界符符DADA目的地址目的地址SASA源地源地址址L L幀長度幀長度 I I數據域數據域PADPAD字節字節填充填充 FCSFCS幀檢幀檢驗序驗序列列 LLC與與MAC幀格式幀格式4.2 以太網uIEEE 802協議結構以太網（Ethe

8、rnet）是最早的局域網技術。u是一種基于總線型的廣播式網絡，以高速、低成本的巨大優勢受到歡迎也是當前應用最廣泛的一種局域網。u以太網的傳輸速率從10Mbit/s發展到今天的100Mbit/s、1000Mbit/s、10Gbit/s。4.2 以太網u1. 以太網的幾種標準u針對網絡拓撲、數據速率、信號編碼、最大網段長度以及所使用的傳輸介質，IEEE802.3進行了詳細的劃分，規定了六種標準。4.2 以太網1. 以太網的幾種標準(1)10Base5（粗纜以太網）n10網絡的數據傳輸速率最大為10Mbit/s；n 5網絡的最大網段長度為500m；n base代表采用基帶傳輸技術；n10Base5最

9、大距離為500m，以10Mbit/s的速度進行基帶傳輸。u直徑為0.4英寸，總長度不易超過2500m。4.2 以太網u1. 以太網的幾種標準(2)10Base2（細纜以太網）n10Base2指以太網的最大數據傳輸率為10Mbit/s。n直徑為0.25英寸，采用基帶傳輸技術，每段網線最大長為200m（實際是185m）。n如果網絡中設備間的距離超過了185m，需要接有中繼器，起到增強信號的目的。4.2 以太網1. 以太網的幾種標準(3)10Base-Tn10Base-T是使用最廣泛的以太網。n10Base-T標準是采用非屏蔽(UTP)雙絞線連接的星型網絡結構。 (4)1Base5n與10Base-

10、T一樣采用UTP和星型網絡拓撲結構；n5表示各個結點之間的連線距離為500m，而集線器與各結點之間的最大連接距離為250m。4.2 以太網1. 以太網的幾種標準(5)10Broad36n采用雙纜或單纜系統的一種寬帶LAN標準；n網絡中每個網段的連接距離不超過1800m，整個網絡不超過3600m。n可以通過改變基帶曼徹斯特編碼達到與基帶以太網相互兼容。4.2 以太網1. 以太網的幾種標準(6)10Base-Fn10Base-F以太網的傳輸介質為光纖（Fiber）；n標準使用曼徹斯特編碼，將電信號轉換成光信號。n其標準包含三個規范： 10Base-FP 10Base-FL 10Base-FB4.2

11、 以太網2以太網的幀結構n計算機網絡可以分成兩類計算機網絡可以分成兩類n使用點到點連接的網絡使用點到點連接的網絡 廣域網廣域網n使用廣播信道（多路訪問信道，隨機訪問信使用廣播信道（多路訪問信道，隨機訪問信道）的網絡道）的網絡局域網局域網n關鍵問題：如何解決對信道爭用關鍵問題：如何解決對信道爭用n解決信道爭用的協議稱為介質訪問控制解決信道爭用的協議稱為介質訪問控制協議協議 MACMAC（Medium Access ControlMedium Access Control），），是數據鏈路層協議的一部分。是數據鏈路層協議的一部分。4.2 以太網網絡層網絡層數據鏈路層數據鏈路層物理層物理層邏輯鏈路控

12、制邏輯鏈路控制 LLC介質訪問控制介質訪問控制 MAC高層高層 OSI IEEE 802物理層物理層（）（） （）（） （）（）SAP4.2 以太網n1信道分配策略1.靜態分配靜態分配n頻分多路復用頻分多路復用 FDM（波分復用（波分復用WDM）n原理：將頻帶平均分配給每個要參與通信的用戶；原理：將頻帶平均分配給每個要參與通信的用戶；n優點：適合于用戶較少，數目基本固定，各用戶的通優點：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；信量都較大的情況；n缺點：無法靈活地適應站點數及其通信量的變化。缺點：無法靈活地適應站點數及其通信量的變化。n時分多路復用時分多路復用 TDMn原理：每

13、個用戶擁有固定的信道傳送時槽；原理：每個用戶擁有固定的信道傳送時槽；n優點：適合于用戶較少，數目基本固定，各用戶的通優點：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；信量都較大的情況；n缺點：無法靈活地適應站點數及其通信量的變化。缺點：無法靈活地適應站點數及其通信量的變化。4.2 以太網動態分配動態分配信道分配模型的五個基本假設：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，并以統計固定的速率產生幀，一幀站點模型：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；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

14、完成的，各個站點單信道假設：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；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，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；稱為沖突。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）；連續時間和時間分槽（確定何時發送）；載波監聽和非載波監聽（確定能否發送）。載波監聽和非載波監聽（確定能否發送）。4.2 以太網n1信道分配策略n2 介質訪問控制協議控制多個用戶共用一條信道的協議稱為多路訪控制多個用戶共用一

15、條信道的協議稱為多路訪問協議或介質訪問控制協議，可劃分為問協議或介質訪問控制協議，可劃分為3類：類：爭爭用協議用協議（Contention Protocol）、）、無沖突協無沖突協議議（Collision-Free Protocol ）和）和有限爭用協有限爭用協議議（Limited-Contention Protocol）4.2 以太網ALOHA協議協議n70年代，年代，Norman Abramson設計了設計了ALOHA協議協議n目的：解決信道的動態分配，基本思想可用于任目的：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何無協調關系的用戶爭用單一共享信道使用

16、權的系統；系統；n分類：純分類：純ALOHA協議和分槽協議和分槽ALOHA協議協議n純純ALOHA協議協議n基本思想：用戶有數據要發送時，可以直接發至基本思想：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突，則等待一段隨機的時間重發;4.2 以太網n2 介質訪問控制協議NN-121接口接口總線信道總線信道ALOHA系統的一般模型系統的一般模型4.2 以太網n2 介質訪問控制協議A1幀產生幀產生B1A2A2B1沖突沖突隨機時間隨機時間t1t2B2A2t3B2t4B3A3 站站A站站B信道上的信道上

17、的總效應總效應A1B1A2B2純純ALOHA系統的工作原理圖系統的工作原理圖4.2 以太網n2 介質訪問控制協議純純ALOHA協議的性能分析協議的性能分析主要性能參數：主要性能參數：幀時（幀時（Frame Time）t：獨占信道時成功發送一幀所用的時間：獨占信道時成功發送一幀所用的時間吞吐率（吞吐量）吞吐率（吞吐量）S：t 內成功發送的幀數內成功發送的幀數 0 S 1網絡負載網絡負載G ：t 內總共發送的平均幀數內總共發送的平均幀數 4.2 以太網n2 介質訪問控制協議純純ALOHA協議的性能分析協議的性能分析假定幀的產生服從泊松分布，則假定幀的產生服從泊松分布，則S與與G的關系為：的關系為：

18、S = G P發送成功發送成功P發送成功發送成功為為1幀成功發送的概率幀成功發送的概率4.2 以太網n2 介質訪問控制協議純純ALOHA協議的性能分析協議的性能分析假定幀時為假定幀時為t，幀成功發幀成功發送的條件送的條件是是該幀與其前該幀與其前后后2幀的間隔幀的間隔均大于均大于t4.2 以太網n2 介質訪問控制協議純純ALOHA協議的性能分析協議的性能分析兩個幀時平均產生兩個幀時平均產生2G個幀，在沖突危險區內無其它幀個幀，在沖突危險區內無其它幀產生的概率為：產生的概率為：P = e-2G，所以，所以 S = Ge-2G當當G=0.5時，時，S=0.184即信道利用率最高只有即信道利用率最高只

19、有18.4%.4.2 以太網n2 介質訪問控制協議時隙時隙ALOHA協議（協議（S-ALOHA） 工作原理：將時間劃分為一段段等長的時隙，規定幀工作原理：將時間劃分為一段段等長的時隙，規定幀不論何時產生，只能在每個時隙開始時發送到信道上不論何時產生，只能在每個時隙開始時發送到信道上 重發策略：同純重發策略：同純ALOHA 代價：需要全網同步；可設置一個特殊站點，由該代價：需要全網同步；可設置一個特殊站點，由該站點發送時鐘信號站點發送時鐘信號4.2 以太網n2 介質訪問控制協議S-ALOHA工作原理工作原理A1幀產生幀產生B3A2A2B1沖突沖突隨機時間隨機時間t1t2B2B2B3A3 站站A站

20、站B信道上的信道上的總效應總效應A1B1A2B2A34.2 以太網n2 介質訪問控制協議S-ALOHA協議的性能分析協議的性能分析沖突危險區是純沖突危險區是純ALOHA的一半，所以的一半，所以P = e-GS = Ge-GG=1時，時，S取最大值，取最大值，S=0.368即，即，S-ALOHA系統信道利用率的理論最大值為系統信道利用率的理論最大值為36.8%4.2 以太網n2 介質訪問控制協議4.2 以太網n2 介質訪問控制協議載波監聽多路訪問協議CSMA（Carrier Sense Multiple Access Protocols）n載波監聽（Carrier Sense）n站點在為發送幀而

21、訪問傳輸信道之前，首先監聽信道有無載波，若有載波，說明已有用戶在使用信道，則不發送幀以避免沖突。n多路訪問（Multiple Access）n多個用戶共用一條線路4.2 以太網n2 介質訪問控制協議有待發幀？有待發幀？載波監聽策略載波監聽策略（分時隙）延遲到下（分時隙）延遲到下一個時隙的開始一個時隙的開始發送發送等待等待2t收到收到ACK？出口出口NY延遲隨機時間延遲隨機時間NY三種監聽策略：三種監聽策略：1-堅持堅持CSMA非堅持非堅持CSMAp-堅持堅持CSMA4.2 以太網n2 介質訪問控制協議n1-堅持型堅持型CSMA（1-persistent CSMA）n原理原理n若站點有數據發送，

22、先監聽信道；若站點有數據發送，先監聽信道；n若站點發現信道空閑，則發送；若站點發現信道空閑，則發送；n若信道忙，則繼續監聽直至發現信道空閑，然后完成發送；若信道忙，則繼續監聽直至發現信道空閑，然后完成發送；n若產生沖突，等待一隨機時間，然后重新開始發送過程。若產生沖突，等待一隨機時間，然后重新開始發送過程。n優點：減少了信道空閑時間；優點：減少了信道空閑時間；n缺點：增加了發生沖突的概率；缺點：增加了發生沖突的概率；n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；越大，協議性能越差；4.2 以太網n2 介質訪

23、問控制協議YN1-堅持堅持CSMA信道忙？信道忙？載波監聽策略載波監聽策略4.2 以太網n2 介質訪問控制協議n非堅持型非堅持型CSMA（nonpersistent CSMA）n原理原理n若站點有數據發送，先監聽信道；若站點有數據發送，先監聽信道；n若站點發現信道空閑，則發送；若站點發現信道空閑，則發送；n若信道忙，等待一隨機時間，然后重新開始發送過程；若信道忙，等待一隨機時間，然后重新開始發送過程；n若產生沖突，等待一隨機時間，然后重新開始發送過程。若產生沖突，等待一隨機時間，然后重新開始發送過程。n優點：減少了沖突的概率；優點：減少了沖突的概率；n缺點：增加了信道空閑時間，數據發送延遲增大

24、；缺點：增加了信道空閑時間，數據發送延遲增大；n信道效率比信道效率比 1-堅持堅持CSMA高，傳輸延遲比高，傳輸延遲比 1-堅持堅持CSMA大。大。4.2 以太網n2 介質訪問控制協議YN非堅持非堅持CSMA信道忙？信道忙？載波監聽策略載波監聽策略延遲隨機時間延遲隨機時間4.2 以太網n2 介質訪問控制協議np-堅持型CSMA（p-persistent CSMA）n適用于分槽信道n原理n若站點有數據發送，先監聽信道；n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；n若信道忙，則等待下一個時

25、槽，重新開始發送；n若產生沖突，等待一隨機時間，然后重新開始發送。4.2 以太網n2 介質訪問控制協議載波監聽策略載波監聽策略 l p?信道忙？信道忙？選擇選擇0-1之間之間的隨機數的隨機數l延遲延遲tNNYYP堅持堅持CSMA4.2 以太網n2 介質訪問控制協議4.2 以太網n2 介質訪問控制協議帶沖突檢測的載波監聽多路訪問協議帶沖突檢測的載波監聽多路訪問協議CSMA/CDn引入原因n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，對于有限的信道來講，這是很大的浪費。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/

26、CDn原理n站點使用CSMA協議進行數據發送；n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；n在發出干擾信號后，等待一段隨機時間，再重復上述過程。4.2 以太網n2 介質訪問控制協議n工作狀態工作狀態n傳輸周期傳輸周期n競爭周期競爭周期n空閑周期空閑周期4.2 以太網n2 介質訪問控制協議沖突檢測方法：沖突檢測方法： 比較接收到的信號電壓的大小比較接收到的信號電壓的大小 檢測曼徹斯特編碼的過零點檢測曼徹斯特編碼的過零點 比較接收到的信號與剛發出的信號比較接收到的信號與剛發出的信號4.2 以太網n2 介質訪問控制協議退避算法：以截斷二進制指數類型

27、，來決定重發時延退避算法：以截斷二進制指數類型，來決定重發時延 從從 0, 1, 2, ., 2k-1 中隨機取一個數中隨機取一個數r，重發時延重發時延 = r 基本重發時延基本重發時延 其中其中 k = min 重發次數，重發次數，10 動態退避算法動態退避算法4.2 以太網n2 介質訪問控制協議n基本位圖協議（A Bit-Map Protocol）n工作原理n共享信道上有N個站，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1；nN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。4.2 以太網n2 介質訪問控制協議4.2 以太網n2 介質訪問控制協議n象這樣在

28、實際發送信息前先廣播發送請求的協議稱為預留協議預留協議（reservation protocol）n效率n輕負載下，效率為 d / (N + d)，數據幀由d個時間單位組成；n重負載下，效率為 d / (d + 1)。n缺點n與站序號有關的不平等性，序號大的站得到的服務好；n每個站都有 1 比特的開銷。4.2 以太網n2 介質訪問控制協議n二進制下數法（Binary Countdown）n工作原理n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；n不同站發的地址中的位做“或”操作，一旦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。n效率nd / (d + log

29、2N)4.2 以太網n2 介質訪問控制協議問題：不公平，地址值小的問題：不公平，地址值小的站點很難占用信道站點很難占用信道改進：每次發送之后重新對改進：每次發送之后重新對站點編號，剛發送完的站點站點編號，剛發送完的站點排在最后排在最后4.2 以太網n2 介質訪問控制協議n占用信道的策略占用信道的策略n競爭方法競爭方法n例，例，CSMA；n輕負載下，發送延遲??；重負載下，信道效率低。輕負載下，發送延遲小；重負載下，信道效率低。n無沖突方法無沖突方法n例，基本位圖法；例，基本位圖法；n輕負載下，發送延遲大；重負載下，信道效率高。輕負載下，發送延遲大；重負載下，信道效率高。4.2 以太網n2 介質訪

30、問控制協議有限競爭協議（有限競爭協議（Limited-Contention Protocols）n結合以上兩種方法，輕負載下使用競爭，重負載下使用結合以上兩種方法，輕負載下使用競爭，重負載下使用無沖突方法。無沖突方法。n減少競爭的站的數目可以增加獲取信道的概率；減少競爭的站的數目可以增加獲取信道的概率；n基本思路：將站分組，組內競爭；基本思路：將站分組，組內競爭；n問題：如何分組？問題：如何分組？4.2 以太網n2 介質訪問控制協議4.2 以太網n2 介質訪問控制協議n適應樹搜索協議（適應樹搜索協議（The Adaptive Tree Walk Protocol）n工作原理工作原理n站點組織成

31、二叉樹；站點組織成二叉樹；n一次成功傳輸之后，第一次成功傳輸之后，第0槽全部站可競爭信道，只有槽全部站可競爭信道，只有一個站要使用信道則發送；有沖突則在第一個站要使用信道則發送；有沖突則在第1槽內半數槽內半數站（站（2以下站）參與競爭。如其中之一獲得信道，本以下站）參與競爭。如其中之一獲得信道，本幀后的時槽留給幀后的時槽留給3以下的站；如發生沖突，繼續折半以下的站；如發生沖突，繼續折半搜索。搜索。n當系統負載很重時，從根結點開始競爭發生沖突的概率當系統負載很重時，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：非常大。為提高效率，可以從中間結點開始競爭。問題：搜

32、索應該從樹的哪一級開始？搜索應該從樹的哪一級開始？4.2 以太網n2 介質訪問控制協議4.2 以太網n2 介質訪問控制協議關于IEEE 802.3 和 Ethernetn歷史nALOHA系統nALOHA + 載波監聽nXerox 設計了2.94Mbps的采用CSMA/CD協議的EthernetnXerox, DEC, Intel共同制定了10Mbps的CSMA/CD以太網標準nIEEE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10Mbps，802.3標準與以太網協議略有差別。nIEEE802.3 與CSMA/CD4.2 以太網n802.3采用的電纜標準nIEEE

33、802.3 與CSMA/CD4.2 以太網n物理層類型用以下域表示：n n10Base5含義:10：10Mbps; Base：基帶傳輸（baseband medium）；5：500米n10Base5：粗纜，AUI接口；n10Base2：細纜，BNC接口，T型頭；n10Base-T：RJ-45接口n收發器（transceiver）：處理載波監聽和沖突檢測nIEEE802.3 與CSMA/CD4.2 以太網nIEEE802.3 與CSMA/CD4.2 以太網n布線拓撲結構n總線形，脊椎形，樹形，分段nIEEE802.3 與CSMA/CD4.2 以太網 分插頭分插頭 : 插入電纜插入電纜 收發器收發

34、器 : 發送發送/接收接收, 沖突檢測沖突檢測, 電氣隔離，超長控制電氣隔離，超長控制 AUI : 連接件單元接口連接件單元接口 用于骨干網用于骨干網最大段長度最大段長度 500米米每段最多站點數每段最多站點數 100兩站點間最小距離兩站點間最小距離 2.5米米網絡最大跨度網絡最大跨度 2.5公里公里 10base5nIEEE802.3 與CSMA/CD4.2 以太網10base2nIEEE802.3 與CSMA/CD4.2 以太網10baseTnIEEE802.3 與CSMA/CD4.2 以太網 使用光纖進行長距離連接，最適于建筑物間的連接。使用光纖進行長距離連接，最適于建筑物間的連接。 3

35、個標準個標準 10BaseFP - 無源星形拓撲無源星形拓撲, 鏈路最長鏈路最長1 km 10BaseFL - 異步點到點鏈路，鏈路最長異步點到點鏈路，鏈路最長2 km 10BaseFB - 同步點到點鏈路，鏈路最長同步點到點鏈路，鏈路最長2 km，有有15個層疊的轉發器個層疊的轉發器 10baseFnIEEE802.3 與CSMA/CD4.2 以太網nIEEE802.3 與CSMA/CD4.2 以太網 物理層物理層50 同軸電纜同軸電纜BNC 連接器連接器收發器收發器AUI電纜電纜網卡網卡站接口站接口數據封裝數據封裝/解封（解封（MAC幀）幀）鏈路管理（鏈路管理（CSMA/CD協議）協議）曼

36、徹斯特編碼曼徹斯特編碼/譯碼譯碼發送發送/接收接收MACLLCIEEE 802.3的體系結構與功能實現的體系結構與功能實現nIEEE802.3 與CSMA/CD4.2 以太網 分兩個子層：物理信令分兩個子層：物理信令PLS，負責位流的編碼，負責位流的編碼/譯碼，載波監聽譯碼，載波監聽 物理媒體連接件物理媒體連接件PMA，與傳輸媒體相關，負責沖突檢測、，與傳輸媒體相關，負責沖突檢測、 超長控制、發送超長控制、發送/接收串行位流接收串行位流 PLS和和PMA可以在同一設備中，也可以在不同設備中可以在同一設備中，也可以在不同設備中LLCMACPLSLLCMACPLSPMAPMA高層高層高層高層DTE

37、 DTE AUI MAUMDIMDIAUI：連接件單元接口：連接件單元接口MAU：媒體連接件單元：媒體連接件單元MDI：媒體相關接口：媒體相關接口物理媒體物理媒體IEEE802.3的物理層的物理層nIEEE802.3 與CSMA/CD4.2 以太網ABCABCABCABCAAC 發現總線空閑發現總線空閑C發送幀，目的地址為發送幀，目的地址為AB 忽略該幀忽略該幀A復制該幀復制該幀A信號由終端電阻吸收信號由終端電阻吸收終端電阻終端電阻Ethenet/802.3操作nIEEE802.3 與CSMA/CD4.2 以太網IEEE 802.3 7 1 2/6 2/6 2 46-1500 4 字節字節FC

38、SPA SALENSFDDALLC PDUPad8 6 6 2 46-1500 4字節字節 FCSSATypePADADataPadEthernet 校驗區間校驗區間64-1518 字節字節IEEE802.3/Ethernet幀格式幀格式nIEEE802.3 與CSMA/CD4.2 以太網nIEEE802.3 與CSMA/CDIEEE802.3/Ethernet幀格式幀格式PA : 前同步碼前同步碼 - 10101010序列，用于使接收方與發送方同步序列，用于使接收方與發送方同步SFD : 幀首定界幀首定界 - 10101011DA: 目的地址目的地址 - MAC 地址地址SA: 源地址源地址

39、 - MAC地址地址LEN:數據長度（數據部分的字節數）（數據長度（數據部分的字節數）（0-1500B）Type: 類型：高層協議標識類型：高層協議標識LLC PDU+pad - 最少最少46字節字節, 最多最多1500字節字節 pad 填充字段，保證幀長不少于填充字段，保證幀長不少于64字節字節FCS : 幀校驗序列（幀校驗序列（ CRC-32 ）4.2 以太網l 在相繼發送的兩幀之間強制插入在相繼發送的兩幀之間強制插入9.6 m ms的間隔的間隔l 以確保想要發送數據的其他站點也能占用信道以確保想要發送數據的其他站點也能占用信道FCSSATypePADADataPadPA幀間隔幀間隔 9.

40、6 m ms幀間隔幀間隔nIEEE802.3 與CSMA/CD4.2 以太網 (1) 在在0時刻開始時刻開始發送發送(2) 大約在大約在 -d d 時刻到達時刻到達 B B(3) B 開始發送開始發送; 在在 時刻發生沖突時刻發生沖突(4) 沖突信號在沖突信號在 2 時刻到達時刻到達A AAAABBBBA 和和 B 在總線的兩端在總線的兩端最小幀長度：最小幀長度：64字節字節nIEEE802.3 與CSMA/CD4.2 以太網n最短幀長n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；n網絡速度提高

41、，最短幀長也應該增大或者站點間的距離要減小。nIEEE802.3 與CSMA/CD4.2 以太網n二進制指數后退算法（二進制指數后退算法（binary exponential backoff）n將沖突發生后的時間劃分為長度為將沖突發生后的時間劃分為長度為51.2微秒的時槽微秒的時槽n發生第一次沖突后，各個站點等待發生第一次沖突后，各個站點等待 0 或或 1 個時槽再開始重個時槽再開始重傳；傳；n發生第二次沖突后，各個站點隨機地選擇等待發生第二次沖突后，各個站點隨機地選擇等待0, 1, 2或或3個時槽再開始重傳；個時槽再開始重傳；n第第 i 次沖突后，在次沖突后，在 0 至至 2i-1 間隨機地

42、選擇一個等待的時間隨機地選擇一個等待的時槽數，再開始重傳；槽數，再開始重傳；n10次沖突后，選擇等待的時槽數固定在次沖突后，選擇等待的時槽數固定在0至至210-1間；間；n16次沖突后，發送失敗，報告上層。次沖突后，發送失敗，報告上層。nIEEE802.3 與CSMA/CD4.2 以太網nIEEE802.3 與CSMA/CD4.2 以太網n除除MAC機制外，是否有其他解決沖突的方法？機制外，是否有其他解決沖突的方法？n網絡互連設備網絡互連設備物理上擴展物理上擴展邏輯上劃分邏輯上劃分n不是所有的網絡互連設備均具有隔離沖突的作不是所有的網絡互連設備均具有隔離沖突的作用用 nIEEE802.3 與C

43、SMA/CD4.2 以太網中繼器作為物理層的網絡互連設備，不具備任何流量過濾功能，所以采用中繼器互連的網絡將會是一個更大的沖突域。nIEEE802.3 與CSMA/CD4.2 以太網集線器作集線器作為多端口為多端口中繼器，中繼器，也會擴大也會擴大沖突域的沖突域的規模。規模。nIEEE802.3 與CSMA/CD4.2 以太網任何以中繼器或任何以中繼器或集線器互連而成集線器互連而成的網絡段處于同的網絡段處于同一個沖突域中，一個沖突域中，對各個主機而言，對各個主機而言，沖突的幾率進一沖突的幾率進一步增加步增加nIEEE802.3 與CSMA/CD4.2 以太網n使用智能網絡互連設備可以減少沖突域的

44、大小使用智能網絡互連設備可以減少沖突域的大小(增加沖突域的個數增加沖突域的個數) n智能網絡互連設備包括：智能網絡互連設備包括：網橋網橋 /交換機交換機(第二層設備第二層設備)路由器路由器(第三層設備第三層設備)nIEEE802.3 與CSMA/CD4.2 以太網以網橋互連的兩個網段屬于兩個不同的沖突域nIEEE802.3 與CSMA/CD4.2 以太網交換機的每個端口都連接了一個網絡分段（沖突域）nIEEE802.3 與CSMA/CD4.2 以太網IEEE802標準的其它局域網nIEEE802.5 令牌環Token Ringn技術產生原因n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

45、的環，點到點鏈路有很多技術優勢；n各個站點是公平的，獲得信道的時間有上限，避免沖突發生；nIBM選擇Token Ring作為它的LAN技術。n基本思想n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；n環接口引入了1比特的傳輸延遲；IEEE802標準的其它局域網nIEEE802.5 令牌環Token Ringn令牌（令牌（Token）是一種特殊的比特組合模式，一個站要發）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；送幀時，需要抓住令牌，并將其移出環；n環本

46、身必須有足夠的時延容納一個完整的令牌，時延由兩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：每站的部分組成：每站的1比特延遲和信號傳播延遲。對于短環，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；必要時需要插入人工延遲；n環接口有兩種操作模式：監聽模式和傳輸模式。環接口有兩種操作模式：監聽模式和傳輸模式。n當一個站點有數據發送時，在令牌通過此站點時，將令牌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，然后重新生成令牌，發送從環上取下，發送自己的數據，然后重新生成令牌，發送站負責將發出的幀從環上移去，并轉入監聽模式。站負責將發出的幀從環上

47、移去，并轉入監聽模式。n確認：幀內一個比特域，初值為確認：幀內一個比特域，初值為0，目的站收到后，將其變，目的站收到后，將其變為為1；對廣播的確認比較復雜；對廣播的確認比較復雜；n重負載下，效率接近重負載下，效率接近100%。IEEE802標準的其它局域網nIEEE802.5 令牌環Token RingATATATDataCTDataCTDataCTDataCToken Ring/802.5的操作的操作IEEE802標準的其它局域網nIEEE802.5 令牌環Token RingToken Ring/802.5的操作的操作DACBTDACBDACBDACBT(a)令牌輪轉至A (b)A捕獲令牌

48、發送數據 (c)A撤銷數據(d)重新生成令牌IEEE802標準的其它局域網nIEEE802.5 令牌環Token Ringn802.5的布線n屏蔽雙絞線，速率為1/4/16M，采用差分曼徹斯特編碼傳輸；n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。IEEE802標準的其它局域網nIEEE802.5 令牌環Token RingABCDEIEEE802標準的其它局域網nIEEE802.5 令牌環Token Ringn令牌環令牌環MAC子層協議子層協議IEEE802標準的其它局域網nIEEE802.5 令牌環Token Ringn令牌

49、環令牌環MAC子層協議子層協議n協議基本操作：無信息傳輸時，協議基本操作：無信息傳輸時，3字節的令牌字節的令牌在環上循環；有信息要發送時，站獲得令牌，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并將第二個字節的某一位由 0 變成變成 1，將令，將令牌的前兩個字節變成幀的起始序列，然后輸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；出幀的其它部分；n開始定界符開始定界符SD和結束定界符和結束定界符ED標志著幀的開標志著幀的開始和結束，使用差分曼徹斯特編碼模式（始和結束，使用差分曼徹斯特編碼模式（HH和和LL，物理層編碼違例法）；，物理層編碼違例法）；IEEE802標準

50、的其它局域網nIEEE802.5 令牌環Token Ringn令牌環令牌環MAC子層協議子層協議n訪問控制域訪問控制域 AC 包括令牌位、監視位、優先級位和保留位；包括令牌位、監視位、優先級位和保留位；P P P T M R R R優先級位優先級位 令牌位令牌位 監督位監督位預約位預約位IEEE802標準的其它局域網nIEEE802.5 令牌環Token Ringn令牌環令牌環MAC子層協議子層協議n訪問控制域訪問控制域 AC 包括令牌位、監視位、優先級位和保留位；包括令牌位、監視位、優先級位和保留位； 優先級與預約：規定只有優先級高于令牌內優先級與預約：規定只有優先級高于令牌內 PPP的站點

51、才允許的站點才允許 截獲令牌。要發送數據的站點可以在其他站點發送的數據幀經過本截獲令牌。要發送數據的站點可以在其他站點發送的數據幀經過本站時進行預約，將本站的優先級寫入該幀的預約位。站時進行預約，將本站的優先級寫入該幀的預約位。 優先級限制：升高優先級的站點在發送完數據之后，還要負責將令優先級限制：升高優先級的站點在發送完數據之后，還要負責將令牌的優先級降低。牌的優先級降低。 令牌位：幀類型標識。令牌位：幀類型標識。0 - 令牌；令牌；1 - 信息信息/控制幀控制幀 監督位：防止無效幀在環路中無限循環。監督位：防止無效幀在環路中無限循環。 幀發出時，幀發出時，M=0；首次經；首次經過監控站時，

52、過監控站時，M置為置為1；若該幀再次經過監控站，則由監控站將該幀；若該幀再次經過監控站，則由監控站將該幀清除。清除。IEEE802標準的其它局域網nIEEE802.5 令牌環Token Ringn令牌環令牌環MAC子層協議子層協議n幀控制域幀控制域 FC 用于將數據幀和控制幀區別開來和進行用于將數據幀和控制幀區別開來和進行環的維護；環的維護； 幀類型幀類型控制幀類型控制幀類型 1 2 3 4 5 6 7 8 位位 01 - 信息幀信息幀00 - 控制幀控制幀IEEE802標準的其它局域網nIEEE802.5 令牌環Token Ringn令牌環令牌環MAC子層協議子層協議n幀控制域幀控制域 FC

53、 用于將數據幀和控制幀區別開來和進行用于將數據幀和控制幀區別開來和進行環的維護；環的維護；IEEE802標準的其它局域網nIEEE802.5 令牌環Token Ringn令牌環令牌環MAC子層協議子層協議地址字段（地址字段（SA和和DA）：）： 同同IEEE 802.3數據字段（數據字段（DATA）：長度無下限，上限值受限于令牌繞環）：長度無下限，上限值受限于令牌繞環一周的最長時間一周的最長時間FCS（checksum）字段：）字段： 任一站點轉發時都進行校驗任一站點轉發時都進行校驗IEEE802標準的其它局域網nIEEE802.5 令牌環Token Ringn令牌環令牌環MAC子層協議子層協

54、議n幀狀態字節幀狀態字節FS用于報告幀的傳送情況，包括地址位用于報告幀的傳送情況，包括地址位A和拷貝位和拷貝位C，幀經過目的站，幀經過目的站，A置為置為“1”，幀被接收，幀被接收，C置為置為“1”。A、C位提供了自動確認。為增加可靠性，位提供了自動確認。為增加可靠性，A、C在在 FS中出現兩次。中出現兩次。 A C x x A C x x 1 2 3 4 5 6 7 8 位位 IEEE802標準的其它局域網nIEEE802.5 令牌環Token Ringn令牌環令牌環MAC子層協議子層協議nA = 0，C = 0，目的站不存在或未加電；，目的站不存在或未加電；nA = 1，C = 0，目的站存

55、在但幀未被接收；，目的站存在但幀未被接收；nA = 1，C = 1，目的站存在且幀被復制。，目的站存在且幀被復制。 A C x x A C x x 1 2 3 4 5 6 7 8 位位 IEEE802標準的其它局域網nIEEE802.5 令牌環Token Ringn令牌環令牌環MAC子層協議子層協議n環的維護環的維護n環上存在一個監控站，負責環的維護，環上存在一個監控站，負責環的維護，通過站的競爭產生；通過站的競爭產生；n監控站的職責監控站的職責n保證令牌不丟失；保證令牌不丟失；n處理環斷開情況；處理環斷開情況；n清除壞幀，檢查無主幀。清除壞幀，檢查無主幀。IEEE802標準的其它局域網nIE

56、EE802.5 令牌環Token RingnIEEE802.4 令牌總線Token Bus特點：物理上是總線網，邏輯上是令牌網特點：物理上是總線網，邏輯上是令牌網物理層：傳輸媒體為物理層：傳輸媒體為75 寬帶同軸電纜，數據率寬帶同軸電纜，數據率1M、5M或或10M； 基帶信號需要調制基帶信號需要調制寬帶同軸電纜1311719171420邏輯環令牌運動方向本站目前不在邏輯環中IEEE802標準的其它局域網 前同步碼前同步碼 起始起始幀控制幀控制 目的地址目的地址 源地址源地址數據數據FCS結束結束 1112/62/6 0 - 818241B前同步碼：與前同步碼：與IEEE 802.3相同，但最短

57、可以為相同，但最短可以為1字節字節起始、結束字段：與起始、結束字段：與IEEE 802.5相同相同幀控制幀控制: 若是數據幀，則為該幀的優先級；若是數據幀，則為該幀的優先級； 否則標識控制幀類型。否則標識控制幀類型。目的地址、源地址：與目的地址、源地址：與IEEE 802.3相同相同數據部分最大長度：數據部分最大長度：2B地址為地址為8182B，6B地址為地址為8174BFCS : 與與IEEE 802.3相同相同IEEE802.3通過限制幀長度來限制站點占用信道時間通過限制幀長度來限制站點占用信道時間 而而IEEE802.4用定時器來限制用定時器來限制IEEE802標準的其它局域網nIEEE

58、802.4 令牌總線Token Bus 前同步碼前同步碼 起始起始幀控制幀控制 目的地址目的地址 源地址源地址數據數據FCS結束結束 1112/62/6 0 - 818241BIEEE802標準的其它局域網nIEEE802.4 令牌總線Token Bus邏輯環的順序邏輯環的順序：根據站點地址，由大到小確定各站的排列：根據站點地址，由大到小確定各站的排列順序，與物理位置無關，每個站點都保存本站地址、前趨順序，與物理位置無關，每個站點都保存本站地址、前趨站地址和后繼站地址站地址和后繼站地址 環路初始化環路初始化：任何站點檢測到網絡中信道空閑超過一定時：任何站點檢測到網絡中信道空閑超過一定時間，就發

59、送間，就發送Claim-token幀；若沒有其他站點競爭，就產生令幀；若沒有其他站點競爭，就產生令牌，建立一個只包括自己的環；若有競爭，則按仲裁算法牌，建立一個只包括自己的環；若有競爭，則按仲裁算法（二進制倒計數法），留下一個站點。其他站點按照新站（二進制倒計數法），留下一個站點。其他站點按照新站入環的方法加入。入環的方法加入。邏輯環及令牌的管理和維護：建環邏輯環及令牌的管理和維護：建環IEEE802標準的其它局域網nIEEE802.4 令牌總線Token Bus邏輯環及令牌的管理和維護：建環邏輯環及令牌的管理和維護：建環5020301045101010NSTSPS C-TIEEE802標準的

60、其它局域網nIEEE802.4 令牌總線Token Bus邏輯環及令牌的管理和維護：入環邏輯環及令牌的管理和維護：入環新站入環新站入環：令牌持有者周期性發送：令牌持有者周期性發送Solicit-successor-1幀，詢問幀，詢問是否有地址在它和其后繼站之間的站點申請加入。等待一是否有地址在它和其后繼站之間的站點申請加入。等待一個時隙，若無申請，則正常操作；若有某站通過發送個時隙，若無申請，則正常操作；若有某站通過發送Set-successor幀來申請，則令牌持有者將其保存的后繼地址改為幀來申請，則令牌持有者將其保存的后繼地址改為新站地址，并將令牌傳給新站；然后新站設置其保存的前新站地址，并