1、計算機網絡第四章 介質訪問控制子層1主要內容信道分配策略令牌傳遞網絡以太網無線局域網局域網互聯虛擬局域網2 使用廣播信道的數據鏈路層 局域網的數據鏈路層 局域網最主要的特點是：網絡為一個單位所擁有，且地理范圍和站點數目均有限。 局域網具有如下的一些主要優點：具有廣播功能，從一個站點可很方便地訪問全網。局域網上的主機可共享連接在局域網上的各種硬件和軟件資源。 便于系統的擴展和逐漸地演變，各設備的位置可靈活調整和改變。提高了系統的可靠性、可用性和殘存性。3局域網的拓撲 匹配電阻集線器干線耦合器總線網星形網樹形網 環形網4數據鏈路層的兩個子層 為了使數據鏈路層能更好地適應多種局域網標準，802 委員

2、會就將局域網的數據鏈路層拆成兩個子層：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的內容都放在 MAC子層，而 LLC 子層則與傳輸媒體無關，不管采用何種協議的局域網對 LLC 子層來說都是透明的 5IEEE 802標準系列61. 信道分配策略信道劃分：頻分多路復用：每個節點分配一個頻段時分多路復用：每個節點分配一個時隙碼分多址：每個節點分配一個編碼71. 信道分配策略隨機訪問：每個節點自主決定是否發送，沖突發生后，各個節點隨機等待一段時間后重試。輪流訪問：各個節點按照某種預

3、定的順序輪流發送，沒有沖突。8碼分復用 CDM(Code Division Multiplexing) 常用的名詞是碼分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)。各用戶使用經過特殊挑選的不同碼型，因此彼此不會造成干擾。這種系統發送的信號有很強的抗干擾能力，其頻譜類似于白噪聲，不易被敵人發現。 每一個比特時間劃分為 m 個短的間隔，稱為碼片(chip)。 9碼片序列(chip sequence) 每個站被指派一個唯一的 m bit 碼片序列。如發送比特 1，則發送自己的 m bit 碼片序列。如發送比特 0，則發送該碼片序列的二進制反碼。 例如，S 站的 8

4、 bit 碼片序列是 00011011。發送比特 1 時，就發送序列 00011011，發送比特 0 時，就發送序列 11100100。S 站的碼片序列：(1 1 1 +1 +1 1 +1 +1) 10CDMA 的重要特點每個站分配的碼片序列不僅必須各不相同，并且還必須互相正交(orthogonal)。在實用的系統中是使用偽隨機碼序列。 11碼片序列的正交關系 令向量 S 表示站 S 的碼片向量，令 T 表示其他任何站的碼片向量。 兩個不同站的碼片序列正交，就是向量 S 和T 的規格化內積(inner product)都是 0： (2-3)12碼片序列的正交關系舉例 令向量 S 為(1 1 1

5、 +1 +1 1 +1 +1)，向量 T 為(1 1 +1 1 +1 +1 +1 1)。 把向量 S 和 T 的各分量值代入(2-3)式就可看出這兩個碼片序列是正交的。 13任何一個碼片向量和該碼片向量自己的規格化內積都是1 。一個碼片向量和該碼片反碼的向量的規格化內積值是 1。 正交關系的另一個重要特性 14CDMA 的工作原理 S 站的碼片序列 S110ttttttm 個碼片tS 站發送的信號 SxT 站發送的信號 Tx總的發送信號 Sx + Tx規格化內積 S Sx規格化內積 S Tx數據碼元比特發送端接收端15CDMA練習謝希仁計算機網絡第五版2-16題共有4個站進行碼分多址CDMA通

6、信，4個站的碼片序列為：A (-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1）B (-1 -1 + 1 -1 +1 +1 +1 -1 ）C (-1 +1 -1 +1 +1 +1 -1 -1 ）D (-1 +1 -1 -1 -1 -1 +1 -1）現收到這樣的碼片序列(-1 +1 -3 +1 -1 -3 +1 +1），問哪個站發送數據了，發送數據的站發送的1還是0？16CDMA練習謝希仁計算機網絡第五版2-16題答：SA= (+1 -1 +3 +1 -1 +3 +1 +1）/8=1 A發送1SB= (+1 -1 -3 -1 -1 -3 +1 -1 ） /8=-1 B發送0SC =(+1 +1 +

7、3 +1 -1 -3 -1 -1 ） /8=0 C無發送SD =(+1 +1 +3 -1 +1 +3 +1 -1） /8=1 D發送117隨機訪問-純ALOHA基本思想節點從網絡層接收到一個數據包后，立即封裝成幀發送。如果在預定的時間內沒有收到確認，節點立即以概率 p 重發該幀，以概率 1-p 等待一個幀時。在等待之后，仍以概率 p 重發該幀，以概率 1-p 等待一個幀時，直至發送成功。隨機訪問信道的效率定義為：當有大量的活動節點、每個節點總有大量的幀要發送時，長期運行過程中成功傳輸時間占總時間的份額。純ALOHA系統的吞吐量為 S = Ge-2G，其中G為系統負載。當G = 0.5時，S達到

8、最大值，為0.184。18純ALOHA的易損時間區19隨機訪問-時分ALOHA基本思想：將時間分成一系列離散的時隙，每個時隙用來傳輸一個幀；每個節點只能在一個時隙的開始發送（需要一個全局時鐘）；如果在時隙結束前檢測到沖突，則節點以概率 p 在后續的每一個隙重傳它的幀，直至傳送成功。與純ALOHA相比，每個幀的易損時間區縮小了，因而沖突的概率隨之減小，系統吞吐量隨之提高。時分ALOHA系統的吞吐量為 S = Ge-G。當G = 1時，S達到最大值，為0.368。20時隙ALOHA的易損時間區21純ALOHA和時分ALOHA的性能比較22隨機訪問-CSMA/CD基本思想：節點有幀要發送時，先偵聽信

9、道；信道忙則堅持偵聽直至信道空閑；一旦發現信道空閑，立即發送；傳輸的過程中檢測信道，一旦檢測到沖突立即停止發送；隨機等待一段時間后，重新偵聽信道。即使發送前先偵聽信道，以下兩種情況仍有可能發生沖突：信號傳播延遲不可忽略，相距較遠的競爭節點在不知道另一節點正在發送的情況下發送。兩個節點同時等待另一個節點結束傳輸，然后同時發送。以上觀察表明，該策略僅適用于規模較小和負載較輕的網絡。23輪流訪問預約將時間劃分成一系列預約周期和數據傳輸周期，每個預約周期包含N個時隙，每個節點對應一個時隙。想發送數據的節點必須在其預約時隙到來時發一個“1”。預約周期結束后，所有預約的節點按順序發送。令牌傳遞一個稱為令牌

10、的特殊幀在節點間按固定的次序巡游； 節點收到令牌后，若沒有數據發送，就將令牌傳給下一個節點；否則發送一定數量的幀，再把令牌傳給下一個節點。242. 令牌傳遞網絡令牌環（802.5）FDDI令牌總線（802.4）252.1 令牌環令牌環由環接口和環接口間的點到點鏈路組成，節點通過環接口連到網上。數據沿著一個固定的方向在環上流動，每個節點從上游節點接收數據，然后立即轉發到下游節點（邊收邊發而不是存儲轉發）。目的節點將數據接收下來，同時仍向下游轉發。數據返回到發送節點時，發送節點將其從環上取消。26令牌傳遞令牌是一個特殊的標記，其中有一個令牌位，該位為“0”表示是一個空閑令牌，為“1”表示該令牌正在

11、被使用。只有獲得空閑令牌的節點允許發送，發送前將令牌位翻轉為“1”，發完后將這一位置“0”，釋放令牌。協議規定了每個節點獲得令牌后可以發送的最大數據量，以防止一個節點長時間占用信道。令牌標記中包含優先級比特和預約比特，用于限制當前允許發送的最低優先級以及確定下一個令牌的優先級。令牌標記中包含一個監控位，用于檢測令牌的丟失。27令牌環的幀結構282.2 FDDIFDDI在許多方面類似于802.5，但有以下重要區別：802.5只有一個環，而FDDI由兩個傳輸方向相反的環組成，正常情況下只有主環工作，主環出現故障時啟動次環。29FDDI（續）802.5設計為運行在4Mbps或16Mbps，采用差分曼

12、徹斯特編碼；而FDDI設計為運行在100Mbps，采用更高效的4B/5B編碼。在802.5中，數據幀由發送站負責取消，然后由發送站重新生成令牌。而在FDDI中，FDDI讓目的節點取消幀，并重新生成令牌，因而FDDI并不是一個嚴格意義上的廣播網絡。FDDI的幀結構及協議也與802.5有些不同。302.3 令牌總線令牌總線試圖結合以太網和令牌環的優點：物理上采用總線結構以獲得較高的可靠性。邏輯上采用令牌環的工作原理，各站輪流發送。31令牌總線（續）令牌總線采用75的寬帶同軸電纜，其傳輸技術和使用50基帶同軸電纜的802.3完全不同。節點按地址從高到低的順序組織在一個邏輯環中，令牌按地址從高到低的順

13、序傳遞。令牌中攜帶地址，表明該令牌是傳給誰的。收到令牌的節點可以發送數據，然后將令牌傳遞給后繼節點。令牌總線的幀結構。令牌總線的正常操作很簡單，但網絡的維護和管理很復雜。32令牌總線的幀結構333. 以太網傳統以太網快速以太網千兆以太網交換式以太網343. 以太網傳統以太網快速以太網千兆以太網交換式以太網352. 適配器的作用 網絡接口板又稱為通信適配器(adapter)或網絡接口卡 NIC (Network Interface Card)，或“網卡”。 適配器的重要功能：進行串行/并行轉換。對數據進行緩存。在計算機的操作系統安裝設備驅動程序。實現以太網協議。 36計算機通過適配器和局域網進行

14、通信 硬件地址至局域網適配器（網卡）串行通信CPU 和存儲器生成發送的數據處理收到的數據把幀發送到局域網從局域網接收幀計算機IP 地址并行通信37最初的以太網是將許多計算機都連接到一根總線上。當初認為這樣的連接方法既簡單又可靠，因為總線上沒有有源器件。 3.3.2 CSMA/CD 協議 B向 D發送數據 C D A E匹配電阻（用來吸收總線上傳播的信號）匹配電阻不接受不接受不接受接受B只有 D 接受B 發送的數據38以太網的廣播方式發送 總線上的每一個工作的計算機都能檢測到 B 發送的數據信號。 由于只有計算機 D 的地址與數據幀首部寫入的地址一致，因此只有 D 才接收這個數據幀。 其他所有的

15、計算機（A, C 和 E）都檢測到不是發送給它們的數據幀，因此就丟棄這個數據幀而不能夠收下來。具有廣播特性的總線上實現了一對一的通信。 39為了通信的簡便以太網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送數據。 以太網對發送的數據幀不進行編號，也不要求對方發回確認。這樣做的理由是局域網信道的質量很好，因信道質量產生差錯的概率是很小的。 40以太網提供的服務 以太網提供的服務是不可靠的交付，即盡最大努力的交付。當目的站收到有差錯的數據幀時就丟棄此幀，其他什么也不做。差錯的糾正由高層來決定。如果高層發現丟失了一些數據而進行重傳，但以太網并不知道這是一個重傳的

16、幀，而是當作一個新的數據幀來發送。 41以太網發送的數據都使用曼徹斯特(Manchester)編碼 基帶數字信號曼徹斯特編碼 碼元1111100000出現電平轉換42載波監聽多點接入/碰撞檢測 CSMA/CD CSMA/CD 表示 Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection?！岸帱c接入”表示許多計算機以多點接入的方式連接在一根總線上?！拜d波監聽”是指每一個站在發送數據之前先要檢測一下總線上是否有其他計算機在發送數據，如果有，則暫時不要發送數據，以免發生碰撞。 總線上并沒有什么“載波”。因此， “載波監聽”就是用電子技術檢測總線上

17、有沒有其他計算機發送的數據信號。 43碰撞檢測“碰撞檢測”就是計算機邊發送數據邊檢測信道上的信號電壓大小。當幾個站同時在總線上發送數據時，總線上的信號電壓擺動值將會增大（互相疊加）。當一個站檢測到的信號電壓擺動值超過一定的門限值時，就認為總線上至少有兩個站同時在發送數據，表明產生了碰撞。所謂“碰撞”就是發生了沖突。因此“碰撞檢測”也稱為“沖突檢測”。44檢測到碰撞后在發生碰撞時，總線上傳輸的信號產生了嚴重的失真，無法從中恢復出有用的信息來。每一個正在發送數據的站，一旦發現總線上出現了碰撞，就要立即停止發送，免得繼續浪費網絡資源，然后等待一段隨機時間后再次發送。45電磁波在總線上的有限傳播速率的

18、影響 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 的載波監聽檢測不到 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。 461 kmABt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 傳播時延對載波監聽的影響 471 kmABt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

19、檢測到發生碰撞 t = ABABAB t = 0 A 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 48重要特性使用 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）。每個站在發送數據之后的一小段時間內，存在著遭遇碰撞的可能性。 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數據率。 49爭用期最先發送數據幀的站，在發送數據幀后至多經過時間 2 （兩倍的端到端往返時延）就可知道發送的數據幀是否遭受了碰撞。以太網的端到端往返時延 2 稱為爭用期，或碰撞

20、窗口。經過爭用期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。 50二進制指數類型退避算法 (truncated binary exponential type)發生碰撞的站在停止發送數據后，要推遲（退避）一個隨機時間才能再發送數據。確定基本退避時間，一般是取為爭用期 2。定義重傳次數 k ，k 10，即 k = Min重傳次數, 10從整數集合0,1, (2k 1)中隨機地取出一個數，記為 r。重傳所需的時延就是 r 倍的基本退避時間。當重傳達 16 次仍不能成功時即丟棄該幀，并向高層報告。 51爭用期的長度 以太網取 51.2 s 為爭用期的長度。對于 10 Mb/s 以太網，在

21、爭用期內可發送512 bit，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。 52最短有效幀長 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。 53強化碰撞 當發送數據的站一旦發現發生了碰撞時：立即停止發送數據；再繼續發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在已經發生了碰撞。 54數據幀干擾信號TJ人為干擾信號 ABTBtB

22、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。553.4 使用廣播信道的以太網3.4.1 使用集線器的星形拓撲傳統以太網最初是使用粗同軸電纜，后來演進到使用比較便宜的細同軸電纜，最后發展為使用更便宜和更靈活的雙絞線。這種以太網采用星形拓撲，在星形的中心則增加了一種可靠性非常高的設備，叫做集線器(hub) 56使用集線器的雙絞線以太網 集線器兩對雙絞線站點RJ-45 插頭57星形網 10BASE-T 不用電纜而使用無屏蔽雙絞線。每個站需要用兩對雙絞線，分別用于發送和接收。集線

23、器使用了大規模集成電路芯片，因此這樣的硬件設備的可靠性已大大提高了。 58以太網在局域網中的統治地位10BASE-T 的通信距離稍短，每個站到集線器的距離不超過 100 m。這種 10 Mb/s 速率的無屏蔽雙絞線星形網的出現，既降低了成本，又提高了可靠性。 10BASE-T 雙絞線以太網的出現，是局域網發展史上的一個非常重要的里程碑，它為以太網在局域網中的統治地位奠定了牢固的基礎。 59集線器的一些特點 集線器是使用電子器件來模擬實際電纜線的工作，因此整個系統仍然像一個傳統的以太網那樣運行。 使用集線器的以太網在邏輯上仍是一個總線網，各工作站使用的還是 CSMA/CD 協議，并共享邏輯上的總

24、線。 集線器很像一個多接口的轉發器，工作在物理層。 60具有三個接口的集線器 集線器網卡工作站網卡工作站網卡工作站雙絞線613.4.2 以太網的信道利用率 以太網的信道被占用的情況：爭用期長度為 2，即端到端傳播時延的兩倍。檢測到碰撞后不發送干擾信號。幀長為 L (bit)，數據發送速率為 C (b/s)，因而幀的發送時間為 L/C = T0 (s)。 62以太網的信道利用率 一個幀從開始發送，經可能發生的碰撞后，將再重傳數次，到發送成功且信道轉為空閑(即再經過時間 使得信道上無信號在傳播)時為止，是發送一幀所需的平均時間。 發 送 成 功 爭用期 爭用期 爭用期 222T0t占用期 發生碰撞

25、 發送一幀所需的平均時間63參數 a 要提高以太網的信道利用率，就必須減小 與 T0 之比。在以太網中定義了參數 a，它是以太網單程端到端時延 與幀的發送時間 T0 之比： (3-2) a0 表示一發生碰撞就立即可以檢測出來， 并立即停止發送，因而信道利用率很高。 a 越大，表明爭用期所占的比例增大，每發 生一次碰撞就浪費許多信道資源，使得信道 利用率明顯降低。 64對以太網參數的要求當數據率一定時，以太網的連線的長度受到限制，否則 的數值會太大。以太網的幀長不能太短，否則 T0 的值會太小，使 a 值太大。 65在理想化的情況下，以太網上的各站發送數據都不會產生碰撞（這顯然已經不是 CSMA

26、/CD，而是需要使用一種特殊的調度方法），即總線一旦空閑就有某一個站立即發送數據。發送一幀占用線路的時間是 T0 + ，而幀本身的發送時間是 T0。于是我們可計算出理想情況下的極限信道利用率 Smax為： 信道利用率的最大值 Smax (3-3)663.4.3 以太網的 MAC 層1. MAC 層的硬件地址 在局域網中，硬件地址又稱為物理地址，或 MAC 地址。 802 標準所說的“地址”嚴格地講應當是每一個站的“名字”或標識符。 但鑒于大家都早已習慣了將這種 48 位的“名字”稱為“地址”，所以本書也采用這種習慣用法，盡管這種說法并不太嚴格。6748 位的 MAC 地址IEEE 的注冊管理機

27、構 RA 負責向廠家分配地址字段的前三個字節(即高位 24 位)。地址字段中的后三個字節(即低位 24 位)由廠家自行指派，稱為擴展標識符，必須保證生產出的適配器沒有重復地址。一個地址塊可以生成224個不同的地址。這種 48 位地址稱為 MAC-48，它的通用名稱是EUI-48?！癕AC地址”實際上就是適配器地址或適配器標識符EUI-48。68適配器檢查 MAC 地址 適配器從網絡上每收到一個 MAC 幀就首先用硬件檢查 MAC 幀中的 MAC 地址.如果是發往本站的幀則收下，然后再進行其他的處理。否則就將此幀丟棄，不再進行其他的處理。“發往本站的幀”包括以下三種幀： 單播(unicast)幀

28、（一對一）廣播(broadcast)幀（一對全體）多播(multicast)幀（一對多）692. MAC 幀的格式 常用的以太網MAC幀格式有兩種標準 ：DIX Ethernet V2 標準IEEE 的 802.3 標準最常用的 MAC 幀是以太網 V2 的格式。70以太網 MAC 幀物理層MAC層110 110101011前同步碼幀開始定界符7 字節1 字節8 字節插入IP層目的地址源地址類型數 據FCS6624字節46 1500IP 數據報MAC 幀以太網的 MAC 幀格式 71MAC 幀物理層MAC 層IP 層目的地址源地址類型數 據FCS6624字節46 1500IP 數據報以太網 V

29、2 的 MAC 幀格式目的地址字段 6 字節72MAC 幀物理層MAC 層IP 層目的地址源地址類型數 據FCS6624字節46 1500IP 數據報以太網 V2 的 MAC 幀格式源地址字段 6 字節73MAC 幀物理層MAC 層IP 層目的地址源地址類型數 據FCS6624字節46 1500IP 數據報以太網 V2 的 MAC 幀格式類型字段 2 字節類型字段用來標志上一層使用的是什么協議，以便把收到的 MAC 幀的數據上交給上一層的這個協議。 74MAC 幀物理層MAC 層IP 層目的地址源地址類型數 據FCS6624字節46 1500IP 數據報以太網 V2 的 MAC 幀格式數據字段

30、 46 1500 字節數據字段的正式名稱是 MAC 客戶數據字段最小長度 64 字節 18 字節的首部和尾部 = 數據字段的最小長度 75MAC 幀物理層MAC 層IP 層目的地址源地址類型數 據FCS6624字節46 1500IP 數據報以太網 V2 的 MAC 幀格式FCS 字段 4 字節當傳輸媒體的誤碼率為 1108 時，MAC 子層可使未檢測到的差錯小于 11014。 當數據字段的長度小于 46 字節時，應在數據字段的后面加入整數字節的填充字段，以保證以太網的 MAC 幀長不小于 64 字節。 76MAC 幀物理層MAC 層IP 層目的地址源地址類型數 據FCS6624字節46 150

31、0IP 數據報以太網 V2 的 MAC 幀格式110 110101011前同步碼幀開始定界符7 字節1 字節8 字節插入在幀的前面插入的 8 字節中的第一個字段共 7 個字節，是前同步碼，用來迅速實現 MAC 幀的比特同步。第二個字段是幀開始定界符，表示后面的信息就是MAC 幀。 為了達到比特同步，在傳輸媒體上實際傳送的要比 MAC 幀還多 8 個字節77數據字段的長度與長度字段的值不一致；幀的長度不是整數個字節；用收到的幀檢驗序列 FCS 查出有差錯；數據字段的長度不在 46 1500 字節之間。有效的 MAC 幀長度為 64 1518 字節之間。對于檢查出的無效 MAC 幀就簡單地丟棄。以

32、太網不負責重傳丟棄的幀。 無效的 MAC 幀 78幀間最小間隔為 9.6 s，相當于 96 bit 的發送時間。一個站在檢測到總線開始空閑后，還要等待 9.6 s 才能再次發送數據。這樣做是為了使剛剛收到數據幀的站的接收緩存來得及清理，做好接收下一幀的準備。 幀間最小間隔 793.5 擴展的局域網3.5.1 在物理層擴展局域網主機使用光纖和一對光纖調制解調器連接到集線器 以太網集線器光纖光纖調制解調器光纖調制解調器80某大學有三個系，各自有一個局域網用多個集線器可連成更大的局域網三個獨立的碰撞域一系二系三系碰撞域碰撞域碰撞域81用集線器組成更大的局域網都在一個碰撞域中一系三系二系主干集線器一個

33、更大的碰撞域碰撞域82優點使原來屬于不同碰撞域的局域網上的計算機能夠進行跨碰撞域的通信。擴大了局域網覆蓋的地理范圍。缺點碰撞域增大了，但總的吞吐量并未提高。如果不同的碰撞域使用不同的數據率，那么就不能用集線器將它們互連起來。 用集線器擴展局域網 833.1 傳統以太網物理層布線10Base-5粗同軸電纜，收發器，收發器電纜，AUI連接器，終端匹配器；采用總線型拓撲。10Base-2細同軸電纜，BNC連接器，終端匹配器；采用總線型拓撲。10Base-T雙絞線，RJ-45連接器，集線器（hub）；采用星型拓撲。10Base-F光纖，光收發器，光集線器；采用星型拓撲?？墒褂弥欣^器連接多個網段。（圖）

34、粗/細纜以太網在新建的局域網中已很少使用；雙絞線以太網成為連接桌面系統最流行的局域網技術；光纖以太網常用于建筑物間的連接。8410Base-T 與 10Base-F 布線85使用中繼器連接多個網段86以太網幀結構DIX以太幀結構：前導碼：使接收端與發送端時鐘同步地址：通常使用6字節地址（MAC地址）類型：指出數據域中攜帶的數據應交給哪個協議實體處理數據：0-1500字節填充：0-46字節，當幀長太短時填充幀，使達到64字節最小長度。校驗和：CRC校驗802.3幀格式與DIX 以太幀格式的不同：幀起始標志：與802.4和802.5相兼容長度域：替代了DIX幀中的類型域，指出數據域的長度。這兩種格

35、式都可使用，當類型/長度域的值大于1500時解釋為類型域，否則解釋為長度域。87DIX以太幀與802.3幀88MAC地址每一塊網絡適配器（網卡）固定分配了一個地址，稱為MAC地址，也稱物理地址。MAC地址長6個字節，一般用由冒號分隔的6個十六進制數表示，如 8:0:2b:e4:b1:2。全局地址和局部地址局部地址：地址次高比特為1，由網管分配且只在本網內有效。全局地址：地址次高比特為0，由IEEE統一分配。目的地址類型：單播地址：目的主機適配器的MAC地址，地址最高比特為0。多播地址：地址最高比特為1，其余不全為1。廣播地址：48位全是1。 以太網中傳輸的每一個幀可被每一個適配器收到，但適配器

36、僅將發給本節點的幀交給主機。89介質訪問控制以太網采用CSMA/CD作為介質訪問控制協議：發送前監聽信道：信道忙則堅持監聽，直至信道空閑； 一旦發現信道空閑，立即發送。發送時繼續監聽信道，若檢測到沖突立即停止傳送幀，并發送一個阻塞信號。進入指數退避（exponential backoff）階段，隨機等待一段時間，重新監聽信道。90沖突檢測若信號在以太網上相距最遠的兩個適配器之間的往返延遲為2，為保證發送節點能夠檢測到沖突，幀的發送時間至少應為2。在最大配置的以太網（帶有4個中繼器、直徑為2500米的粗纜以太網）中， 2=51.2s ，這在10Mbps速率下對應于512比特（64字節）的最小幀長

37、。91沖突解決指數退避算法沖突產生后，時間被分成一系列長為51.2s的時隙。第一次沖突后，設置參數 n = 1，然后從02n-1中隨機選擇一個整數 k，等待 k51.2s 后重試。以后每發生一次沖突，就將 n 加倍，然后從02n-1中隨機選擇一個整數 k，等待 k51.2s 后重試。算法規定 n 最大為10。適配器通常最多嘗試16次，仍沖突則向上層報告出錯。92以太網的性能以太網適合在輕負載下工作，通常超過30%的利用率就認為是重負載了。多數以太網工作在較保守的狀態下：大部分以太網上的主機數小于200。大部分以太網的規模遠小于2500米，往返延遲接近5s而不是51.2s。主機通常會提供某種端到

38、端的流量控制機制。933.2 快速以太網標準為802.3u，除了數據速率提高到100Mbps以外，完全保留了802.3的MAC層（幀格式、接口及處理規程）。定義了三種新的物理層標準（布線方案）：100Base-TX：5類非屏蔽雙絞線100Base-T4：3類非屏蔽雙絞線100Base-FX：光纖物理層上只使用集線器和交換機進行組網，且傳輸介質只使用雙絞線和光纖。94100Base-TX5類雙絞線布線方案。使用兩對雙絞線，一對用于輸入，一對用于輸出。每對雙絞線運行在125Mbaud上，使用4B/5B編碼，每對雙絞線可以獲得125M4/5 = 100Mbps數據速率。該方案可在兩個方向上獲得100

39、Mbps數據速率。采用RJ-45連接器。95100Base-T43類雙絞線布線方案。使用一根電纜中的全部四對雙絞線，一對固定作為輸入，一對固定作為輸出，還有兩對總是切換到當前傳輸方向上，因此當前傳輸方向上有三對雙絞線。每對雙絞線采用25M波特信號速率，傳輸3狀態信號，將三對雙絞線視為一體，則信號狀態有27種，每種狀態至少攜帶4比特數據。當前傳輸方向上可以獲得425M = 100Mbps的數據速率，同時在另一方向上仍然保留33.3Mbps的帶寬（一對雙絞線）。該方案僅在一個方向上獲得100Mbps數據速率。采用RJ-45連接器。96100Base-FX光纖布線方案。使用兩條多模光纖，一條用于輸入

40、，一條用于輸出。采用4B/5B編碼，每條光纖均提供100Mbps的數據速率。計算機與組網設備間的距離可以達到2000米。97 組網設備與自動協商模式組網設備100Base-T（100Base-T4和100Base-TX）既可以用hub也可以用交換機來連接計算機，但用hub連接時站點只能工作在半雙工模式下，而用交換機連接時可工作在全雙工模式下。在100Base-FX布線中，由于傳輸距離已經超過了CSMA/CD使用的范圍，因此只能用交換機連接計算機，站點工作在全雙工模式下。自動協商模式允許兩個站點自動配置通信的最佳速率和通信方式（全雙工或半雙工），從而可以方便地連接已有的10Mbps站點，也便于1

41、0Mbps站點的升級。983.3 千兆以太網標準為802.3z，除數據速率提高到1Gbps以外，仍然與已有的以太網標準相兼容，包括幀格式、最小和最大幀長限制等。所有配置都是點到點的，即必須使用集線器或交換機。支持全雙工和半雙工兩種操作模式。支持銅線和光纖布線。支持流量控制。99操作模式全雙工：缺省模式，當使用交換機連接時使用這種模式。沒有沖突，不使用CSMA/CD，線路的長度只取決于信號的強度。交換機可以隨意混合和匹配速率，也支持自動協商模式。半雙工：當使用集線器連接時使用這種模式。使用CSMA/CD，線路上傳輸的最小幀長512字節，網絡規模200米。載波擴展：鏈路層上仍使用64字節的最小幀長

42、，但由發送硬件在發送時填充至512字節，并由接收硬件自動去除。幀突發（frame bursting）：發送端可將多個幀放在一起傳輸，以避免將每個幀填充至512字節。100布線（1）雙絞線布線：1000Base-CX：使用2對屏蔽雙絞線，雙絞線最長25米，實際很少使用。1000Base-T：使用4對5類非屏蔽雙絞線，雙絞線最長100米。每對雙絞線運行在125M波特。采用PAM5編碼，5個電平等級，其中四種電平用于編碼數據，一種電平用于控制，因此每個信號攜帶2比特數據。4對雙絞線可以獲得24125M = 1000Mbps數據速率。每對雙絞線都可以雙向傳輸，因此可在兩個方向上獲得1000Mbps數據

43、速率。101布線（2）光纖布線：1000Base-SX：使用多模光纖，光纖最長550米。1000Base-LX：使用單模光纖，光纖最長5000米。每條光纖運行在1250Mbaud信號速率，使用8B/10B編碼，數據速率1250M 8/10 = 1000Mbps。1023.4 交換式以太網共享式以太網的問題：在有N個節點的系統中，每個節點平均只能獲得總帶寬的1/N.當較多的節點加入網絡時，由于沖突增加，導致網絡性能下降。解決網絡規模與網絡性能之間矛盾的幾種方法：提高網絡速度：不能從根本上解決沖突增加的問題。網絡分段：增加設備代價，管理困難。交換技術：將沖突域中的節點數減少到一個，避免沖突的發生，

44、從根本上改變共享式局域網的結構。103交換機交換機是交換式以太網的核心：由一個高速交換背板和若干線卡組成。每塊線卡上有一些端口，每個端口可連接一臺主機。數據幀通過背板在不同線卡間交換。線卡的兩種構造方法：線卡上的所有端口連接在一起，形成一個沖突域。線卡上的每個端口有一個輸入緩存，輸入的幀首先緩存在卡的RAM中，然后再拷貝到目的端口所對應的RAM中，即每個端口是一個獨立的沖突域。104交換機示意圖105交換式以太網的優點交換式以太網將“共享”變為“獨享”：交換機為每個端口提供專用的帶寬；每個節點通過專用鏈路連到交換機的一個端口。網絡的總帶寬為各個交換端口帶寬之和。隨著用戶的增多，網絡帶寬不斷增加

45、而不是減少，即使網絡負載很重也不會導致網絡性能下降。交換式以太網從根本上解決了網絡規模與網絡性能的矛盾問題。1064. 無線局域網無線局域網主要用作有線局域網的補充：有線局域網用來連接服務器和固定的工作站，并連接到因特網上；無線局域網用來連接不易布線的節點或移動節點；無線局域網的設備通常連接到有線局域網上。目前無線局域網最流行的標準是802.11。107網絡結構有基礎設施的無線局域網：無線節點通過基站（也稱接入點AP）相互通信，每個AP及連接到該AP的無線節點組成一個單元（cell）。AP通常連接到一個有線網絡上。AP及連接AP的有線網絡稱為基礎設施。自組織網絡：無線節點之間相互直接通信，形成

46、一個無中心控制并與“外部世界”無連接的網絡。108無線局域網的兩種結構109介質訪問控制為什么CSMA/CD不適用于無線局域網？存在隱藏節點問題和暴露節點問題，這是因為CSMA只能告訴發送站，在發送站周圍是否有站點在傳輸，而發送站真正想知道的卻是，在接收站周圍是否有站點在傳輸。大多數無線節點的收發器是半雙工的，無法同時發送和接收數據，這意味著它們不能在發送數據的同時進行沖突檢測。802.11不支持沖突檢測，因而采用了許多沖突避免技術。由于無線信道的誤碼率較高，802.11在MAC層上使用了自動重傳機制，事實上 這個機制也被用來進行沖突檢測。110隱藏節點和暴露節點111操作模式PCF模式：使用

47、基站控制單元內的所有通信服務，只能用于有基礎設施的無線網絡。輪詢服務：基站依次詢問單元中的節點，被詢問到的節點可以發送，不會有沖突發生。電源管理：基站可以指示某些節點進入睡眠狀態以節省電源。DCF模式：可用于自組織網，也可用于有基礎設施的無線網絡，后者AP和其它無線節點一起競爭信道。使用CSMA/CA作為MAC層協議，支持信道預約和無信道預約兩種機制。112信道預約機制若A想向B發送一個數據幀：A向B發送一個RTS幀，給出發送數據幀及確認幀需要的總時間。B收到后回復一個CTS幀，幀中給出同樣的時間。A收到CTS幀后開始發送，并啟動一個定時器等待確認。若定時器超時，A重復以上過程。若有兩個站同時

48、發送RTS幀，則會產生沖突，這時不成功的發送方隨機等待一段時間后重試。該機制的要點是利用RTS和CTS幀通知發送方及接收方周圍的節點在隨后的一段時間內保持沉默，以便讓發送方與接收方無干擾地通信。段突發機制：802.11允許發送站將幀分成較小的段傳輸以減小出錯重發的通信量。每個段單獨編號，采用停-等協議傳輸。節點在獲取信道后可以連續地將一個幀的所有段全部發完。113使用RTS/CTS預約信道114段突發115幀間距機制802.11允許DCF和PCF在一個單元內共存，這是通過幀間距機制實現的。116無信道預約機制當一個節點有幀要發送時，首先偵聽信道：若一開始就偵聽到信道空閑，則在等待了DIFS時間

49、后發送該幀。若信道忙，則選取一個隨機的回退值，并在偵聽到信道空閑時開始遞減該值。在此過程中若偵聽到信道忙，則凍結計數值。當計數值減為0時，該節點發送整個幀并等待確認。若收到確認幀，表明幀發送成功；若還要發送下一個幀，從第2步開始CSMA/CA協議；若未收到確認，節點重新進入第2步中的回退階段，并從一個更大的范圍內選取隨機值。 117無信道預約機制 CSMA/CA與CSMA/CD的不同：在CSMA/CD中，節點偵聽到信道空閑時立即發送；而在CSMA/CA中，節點要推遲發送，尤其在第2步中要隨機回退。這是為了避免有多個站同時等待信道空閑，并在發現信道空閑后立即發送而造成的沖突。118幀結構幀類型：

50、數據幀、控制幀和管理幀。數據幀結構：119物理層特性802.11 infrared：紅外通信，格雷碼 ，1Mbps和2Mbps兩種速率。優點是各個房間的通信系統互不干擾，缺點是帶寬太低。802.11 FHSS：跳頻擴頻通信，工作在2.4GHz頻帶， 1Mbps和2Mbps兩種速率。優點是安全性好，抗干擾強，常用于建筑物之間的通信，缺點是帶寬太低。802.11 DSSS：直序擴頻通信，工作在2.4GHz頻帶，1Mbps和2Mbps兩種速率。120物理層特性802.11a OFDM：正交頻分多路復用，工作于5GHz頻帶，最高速率54Mbps。優點是抗窄帶干擾強，并能夠使用非連續信道。802.11b

51、 HR-DSSS：高速直序擴頻，工作于2.4GHz頻帶，有1、2、5.5和11Mbps四種速率，通信范圍是802.11a 的7倍。802.11g OFDM：工作在2.4GHz頻帶，理論上可以達到54Mbps。1215. 局域網互聯使用網橋連接局域網透明橋生成樹算法遠程橋使用交換機連接局域網122網橋的應用使用網橋的幾種典型情況：將各部門原有的局域網互聯起來，實現更大范圍的資源共享。將地理位置上相距較遠的幾個局域網互聯起來。將邏輯上一個較大的局域網分成多個網段，降低每個網段上的負載。將重要的網段用網橋與其它網段隔離，可提高被保護網段的安全性。123用網橋連接兩個局域網124用網橋連接不同局域網的

52、困難幀格式不同：需要重新組幀和重新計算校驗和，在此過程中可能會在拷貝幀時由于內存位出錯引入不可檢測的錯誤。網絡速率不匹配：要求網橋能夠緩存大量的幀，但仍有可能因內存不夠而丟失幀。最大幀長不同：數據鏈路層協議不能處理幀的分片與重組，因此超過目的網絡最大幀長的幀只能被丟棄。優先級：令牌傳遞網絡支持優先級，而以太網不支持。安全措施：802.11支持數據鏈路層加密，而以太網不支持。1255.1 透明橋工作原理：透明橋工作于混雜模式，接收與之相連的所有局域網上的幀。對于收到的每一個幀，查找內部的一張轉發表，決定是丟棄還是轉發，轉發的話從哪個端口轉發。轉發表記錄了網橋已知的各個目的地址、這些地址所屬的輸出線路和最近一次來自于該地址的幀到達網橋的時間。1265.1 透明橋若幀的目的地址未知（即不在轉發表中），用擴散法轉發。網橋通過逆向學習法獲知各個目的地址所屬的輸出線路，更新轉發表。為適應網絡的拓撲變化，網橋周期性地掃描轉發表，將那些超過幾分鐘的入口清除掉。127透明橋連接局域網示例128透明橋的處理過程