第三講局域網本講學習目標理解計算機局域網的體系結構掌握載波偵聽多路訪問/沖突檢測（CSMA/CD）的工作過程掌握（IEEE802.3）以太網的幀結構以太網1局域網概述2局域網的體系結構3IEEE802.3標準：CSMA/CD4以太網5快速以太網1局域網概述

1.1局域網的概念、特點

1.2局域網的主要技術

1.1局域網的概念、特點

1.局域網的定義在較小的地理范圍內，利用通信線路將許多數據設備連接起來，實現彼此之間的數據傳輸和資源共享的系統稱為局域網。2.局域網特點（1）地理范圍有限。（2）通信速率高。（3）傳輸延時小（4）可靠性較高1.2局域網的主要技術

一般說來，決定局域網特性的主要技術有三個方面：（1）局域網的拓撲結構。

（2）用以傳輸數據的介質。（3）用以共享媒體的介質訪問控制方法。

下一節局域網拓撲結構返回1.2物理層中的傳輸媒體(a)Category3UTP.(b)Category5UTP.雙絞線1.2物理層中的傳輸媒體雙絞線同軸電纜1.2物理層中的傳輸媒體光纜1.2物理層中的傳輸媒體返回2局域網的體系結構

2.1局域網參考模型2.2邏輯鏈路控制LLC子層2.3媒體訪問控制MAC子層2.1局域網參考模型

IEEE802參考模型局域網協議關系圖IEEE802委員會。IEEE在1980年2月成立了局域網標準化委員會（簡稱IEEE802委員會），專門從事局域網的協議制訂，形成了一系列的標準，稱為IEEE802標準。IEEE802參考模型的最低層對應于OSI模型中的物理層，包括以下功能：比特流的傳輸/接收前導的生成/去除（該前導用于同步）信號的編碼/解碼規定拓撲結構和傳輸速率物理層之上的層次主要為局域網的用戶提

供相應的服務。其主要功能如下：組幀，幀中包含有地址和差錯檢測等字段；解封，進行地址識別和差錯檢測；媒體訪問控制；為高層協議提供相應的接口，即一個或多個服務訪問點（SAP），并且進行流量和差錯控制。與開放系統互連參考模型的差異？（通過理解局域網自身的特點及其與開放系統互聯參考模型所針對的網絡特點之間的差異）分幾層，為什么這樣分層？（考慮網絡協議所要解決的問題以及特定的網絡通信環境：距離近、高質量的媒體、共享媒體或廣播式通信）1、在局域網內部，路由問題被簡化、所以不必單設網絡層；而多個局域網互聯時，又涉及多條路徑，所以設置了網際互聯層802.1。2、由于共享媒體，出現了新的媒體訪問控制的問題，所以需要增加一部分協議功能以解決此問題，因為面向媒體，所以應在鏈路層之下；因為在從物理接口發送之前應該決定能否發送，所以應在物理層之上，這決定了新的協議功能，MAC子層的位置簡化的問題以及新增加的問題因為局域網可以使用不同的媒體（雙絞線、同軸電纜、光纖、無線），可以采用不同的拓撲結構（總線、星、環、雙環），可以有不同的媒體訪問控制策略（集中、分布），所以要采用不同的媒體訪問控制方法，因而形成了不同mac子層及物理層的標準，就是IEEE802系列標準的由來。IEEE802協議

此標準將數據鏈路層分為邏輯鏈路控制子層和媒體訪問控制子層，邏輯鏈路控制子層主要提供尋址、排序、差錯控制和流量控制等功能。

2.2邏輯鏈路控制LLC子層

LLC層處理與接入介質無關的而又屬于數據鏈路層處理的問題。主要功能如下：·提供與高層的接口；·實現數據鏈路層的差錯控制；·給幀加上序號；·為高層提供數據鏈路層邏輯連接的建立和釋放服務。2.3媒體訪問控制MAC子層

媒體訪問控制策略在所有的媒體訪問控制技術中，最關鍵的參數是控制點和控制方法。控制點：集中與分布：能提供除了對媒體訪問外的其他更高級的功能，如優先級控制、可靠性等。每個站點的訪問控制邏輯簡單避免對等實體間進行分布合作可能帶來的問題集中方式具有以下的優點：缺點：在整個網絡中，如果控制點不能工作，則會導致整個網絡癱瘓由于所有對共享媒體的訪問要經過控制站點的允許，可能會形成瓶頸，降低效率。分布式媒體訪問控制方式的優缺點正好與之相反。3IEEE802.3標準：CSMA/CD（CarrierSenseMultiAccess/CollisionDetection）控制點：分布控制控制方法——CSMA/CD多次沖突，放棄發送。具體思路講前先聽，忙則等待；無聲則講，邊講邊聽；沖突即停，后退重傳；CSMA（CarrierSenseMultiAccess）在CSMA中，由于信道傳播時延的存在，即使總線上兩個站點沒有監聽到載波信號而發送幀時，仍可能會發生沖突。CD（CollisionDetection）由于CSMA算法沒有沖突檢測功能，即使沖突已發生，仍然將已破壞的幀發送完，使總線的利用率降低。一種CSMA的改進方案是使發送站點傳輸過程中仍繼續監聽媒體，以檢測是否存在沖突。兩者的結合稱做載波監聽多路訪問/沖突檢測協議，簡寫為CSMA/CD，這種協議已廣泛應用于局域網中。CSMA/CD其具體工作過程概括如下：

（1）先偵聽信道，如果信道空閑則發送信息。（2）如果信道忙，則繼續偵聽，直到信道空閑時立即發送。（3）發送信息后進行沖突檢測，如發生沖突，立即停止發送，并向總線上發出一串阻塞信號（連續幾個字節全1），通知總線上各站點沖突已發生，使各站點重新開始偵聽與競爭。（4）已發出信息的各站點收到阻塞信號后，等待一段隨機時間，重新進入偵聽發送階段。對載波偵聽多路訪問CSMA的理解什么是載波？如何偵聽載波？什么是多路訪問？對沖突檢測CD的理解何謂沖突？在何情況下會發生沖突？問題，實際沖突的漏檢——當疊加的信號返回到先發送的站時，該站可能已經發送完整個幀，并把沖突信號當做是載波。協議失敗了!最短傳輸時間最小幀長電纜長度最大幀長CSMA/CD發送過程流程圖后退機制。后退多久每個站都后退1s行不行隨機退讓行不行純隨機與隨機退讓整數個時隙陰影區的沖突區間二進制指數退避算法規則如下：

(1)對每個數據幀，當第一次發生沖突時，設置一個參量L=2；

(2)退避間隔取1到L個時隙中的一個隨機數，1個時隙等于兩站之間的最大傳播時延的兩倍；(3)當數據幀再次發生沖突，由將參量L加倍；

(4)設置一個最大重傳次數，超過該次數，則不再重傳，并報告出錯。 二進制指數退避算法是按后進先出的次序控制的，即未發生沖突或很少發生沖突的數據幀，具有優先發送的概率；而發生過多次沖突的數據幀，發送成功的概率就更少。由于在媒體上傳播的信號會衰減，為確保能檢測出沖突信號，CSMA/CD總線網限制一段無分支電纜的最大長度為500米。電纜長度受限的兩個原因：最小幀長信號衰減1、IEEE802.3MAC幀格式4以太網（1）前導碼（7B）（2）幀起始定界符（2B）（3）目標地址和源地址。（2OR6B）（4）數據域長度（2B）（5）數據域（不確定）（6）填充域（不確定）（7）校驗字段（4B）除數據字段和填充字段外，其余的長度都是固定的。

前導碼字段P占7個字節，每個字節的比特模式為“10101010”

幀起始定界符字段SFD占1個字節，其比特模式為“10101011”地址字段包括目的地址字段DA和源地址字段SA。目的地址字段占2個或6個字節源地址字段也占2個或6個字節長度字段LEN占兩個字節,其值表示數據字段的長度即為LLC子層遞交的LLC幀序列,其值為0～1500個字節。

填充字段至多46字節。

幀校驗序列FCS字段是32位(即4個字節)的循環冗余碼(CRC)。

2、MAC子層功能說明

MAC子層有兩個主要的功能：一、數據的封裝與解封．包括組幀、尋址和錯誤檢測；二、介質訪問管理，包括介質分配和沖突解決。

當LLC子層請求發送一數據幀時，MAC子層的發送數據封裝部分便按MAC子層的數據幀格式組幀。 首先將一個前導P和一個幀起始定界符SFD附加到幀的開始部分 填上目的地址和源地址 計算出LLC數據幀的字節數，填入數據長度計數字段LEN。必要時還要將填充字符PAD附加到LLC數據幀后，以確保傳送幀的長度滿足最短幀長的要求。 最后求出CRC校驗附加到幀校驗列FCS中。完成數據封裝后的MAC幀，便可遞交MAC子層的發送媒體訪問管理部分以供發送。借助于監視物理層收發信號(PLS)部分提供的載波監聽信號，發送媒體訪問管理設法避免發送信號與媒體上其它信息發生沖突。在媒體空閑時，經短暫的幀間延遲(提供給媒體恢復時間)之后，就啟動幀發送。然后，MAC子層將串行位流送給PLS接口以供發送。PMA（物理媒體訪問部件）完成產生媒體上電信號的任務，同時監視媒體和產生沖突檢測信號。在沒有爭用的情況下，即可完成發送。發送完成后，MAC子層通過LLC與MAC間的接口通知LLC子層，等待下一個發送請求。假如產生沖突，PLS接通沖突檢測信號，接著發送媒體訪問管理開始處理沖突。首先它發送一串稱為阻塞(JAM)碼的位序列來強制沖突，由此保證有足夠的沖突持續時間，以使其它與沖突有關的發送站點都得到通知。在阻塞信號結束時，發送媒體訪問管理就暫停發送，等待一個隨機選擇的時間間隔后再進行重發嘗試。發送媒體訪問管理用二進制指數退避算法調整媒體負載。最后，或者重發成功或者在媒體故障、過載的情況下，放棄重發嘗試。接收媒體訪問管理部分的功能是，首先由PLS檢測到達幀，使接收時鐘與前導碼同步，并接通載波監聽信號。接收媒體訪問管理部件要檢測到達的幀是否錯誤，幀長是否超過最大長度，是否為8位的整倍數。還要過濾因沖突產生的碎片信號(即小于最短長度的幀)。

接收數據解封部分的功能，用于檢驗幀的目的地址字段，以確定本站點是否應該接收該幀。如地址符合，將其送到LLC子層，并進行差錯檢驗。 IEEEE802.3委員會在定義可選的物理配置方面表現了極大的多樣性和靈活性。為了區分各種可選用的實現方案，該委員會給出了一種簡明的表示方法：

<數據傳輸率(Mpbs)><信號方式><最大段長度(百米)>

如10BASE5、10BASE2、10BASE-F，其中的T表示雙絞線、F表示光纖。

2IEEE802.3物理層規范(1)10BASE5和10BASE2。與10BASE5一樣，10BASE2也使用50歐姆同軸電纜和曼切斯特編碼。數據速率為10Mbps。兩者的區別在于10BASE5使用粗纜(50mm),10BASE2使用細纜(5mm)。 由于兩者數據傳輸率相同,所以可以使用10BASE2電纜段和10BASE5電纜段共存于一個網絡中.圖10BASE-2以太網連接 (2)10BASE-T。 10BASE-T定義了一個物理上的星形拓撲網,其中央節點是一個集線器,每個節點通過一對雙絞線與集線器相連。集線器的作用類似于一個轉發器,它接收來自一條線上的信號并向其他的所有線轉發。由于任意一個站點發出的信號都能被其他所有站點接收,若有兩個站點同時要求傳輸,沖突就必然發生。所以,盡管這種策略在物理上是一個星形結構，但從邏輯上看與CSMA/CD總線拓撲的功能是一樣的。

圖2-710BASE-T以太網連接返回本節(3)10BASE-F。10BASE-F是802.3中關于以光纖作為媒體的系統的規范。該規范中，每條傳輸線路均使用一條光纖，每條光纖采用曼切斯特編碼傳輸一個方向上的信號。每一位數據經編碼后，轉換為一對光信號元素(有光表示高、無光表示低)。由于曼切斯特編碼每兩個時鐘周期發出一個有效的二進制比特，所以一個10Mbps的數據流實際上需要20Mbps的信號流。IEEE802.3委員會于1992年提出制定快速以太網標準。在IEEE802.3基礎上，把傳輸速率從10Mbps提高到100Mbps，并于1995年6月，正式把它定為快速以太網標準IEEE802.3u。在IEEE802.3基礎上，把傳輸速率從10Mbps提高到100Mbps，并于1995年6月，正式把它定為快速以太網標準IEEE802.3u。包括：100BASE-TX100BASE-FX100BASE-T45快速以太網１．100BASE-T組網方法圖4-8兩級交換機快速以太網組網圖２.100BASE-T媒體訪問控制方法100BASE-T仍采用常規10Mbps以太網的CSMA/CD媒體訪問控制方法，但其性能是10BADE-T的10倍。100BASE-T的MAC與10BASE-T的MAC相比，除了幀際間隙縮短到原來的1/10外，兩者的幀格式及參數完全相同。100BASE-T的MAC除可以運行于不同的速率，并能與不同的物理層接口。這樣，原先10Mbps以太網上運行的軟件不加任何修改即可在快速以太網上運行，原先的協議分析和管理工具也可輕易地被繼承。

為了能成功地進行沖突檢測，100BASE-T也必須滿足“最短幀長沖突檢測時間*數據傳輸速率”的關系。其中的沖突檢測時間等于網絡中最大傳播時延的2位。100BASE-T與10BASE-T的MAC幀相同，兩者的最短幀長均為64字節（512比特），但由于100BASE-T的數據速率提高了10位，故相應的沖突檢測時間縮短為10BASE-T的1/10，由此整個網絡的直徑（任何兩站點間的最大距離）也減小到10BASE-T的1/10。３.100BASE-T的物理層

100BASE-T和10BASE-T的區別在物理層標準和網絡設計方面。100BASE-T的物理層包含三種媒體選項：100BASE-TX、100BASE-FX和100BASE-T4。

（1）100BASE-TX和1