41局域网概述 局域网产生的原因 第4章 80年代,微型机发展迅速,小区城内的计算机需 要共享资源、相互通信。 局域网的基本特点 局城网 高数据传输率(10-1000Mbps) 短距离(0.1~10km) 低出错率(108-1011) 决定局域网性能的三要素 网络拓扑 传输介质 介质访问控制方法 总线型一拓扑构型 总线型一拓扑构型 一介质访问控制方法采用的是“共享介质”方式 因此出现“冲突( collision)”是不可避免的,“冲 所有结点都连接到一条作为公共传输介质的总线 突”会造成传输失败 必须解决多个结点访问总线的介质访问控制问题 所有结点都可以通过总线传输介质以“广播”方式发 送或接收数据 星型一拓扑构型 环型一拓扑构型 一交換局域网( switched LAN)的物理结构 结点使用点一点线路连接,多个结点共享一条闭合 环中数据沿着一个方向绕环逐站传输 环建立、維护、结点的插入与撒出
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共享信道的访问控制 共享信道的访问控制 1.静态分配 频分多路复用FDM(波分复用wDM 2动态分配(多点访问 multiple access) 原理:将频带平均分配给每个要参与通信的用 随机访问:网上各站都可以根据自己的意愿随机 地访问信道,两个或两个以上站点同时发送信息 时分多路复用TDM 会产生冲突 原理:每个用户拥有固定的信道传送时槽 优点:适合于用户较少,数目基本固定,各用户 受控访问:每一时刻网上只有一个站点发送信 的通信量都较大的情况 缺点:无法灵活地适应站点数及其通信量的变 集中式控制(多点轮询 polling),分散式控 制 局域网的IEEE802系列标准 802标准在网络体系结构中的位置 8022逻辑链路控制(LLC)子层 IEEE802系列标准定义了若干种局域网LAN,包 括对物理层、介质访问控制(MAC)子层的定义和描 802.1接口原语定 幽幽幽幽幽删 802.1基本介绍和接口原语定义 -802.2逻辑链路控制(LLC)子层 esND令牌环合语音交换式 8023采用 CSMA/CD技术的局域网 局域网局域网 局域网 QDB局域网 802.4采用令牌总线( Token bus)技术的局域网 令牌总线 8025采用令牌环( Token ring)技术的局域网 局域网城域 分成两个子层的原因 LAN的参考模型 管理多点访问信道的逻辑不同于传統的数据链路控 物理层主要功能 Network layEr 局域网具有共享传输介质的特点 一比特的传输与接收。 必须解决发生冲突的问题; MAC子层主要功能 由MAC子层提供多种介质访问控制方法实现 对于同一个LLC,可以提供多个MAC选择 比特差错检测; 寻 LLC隐藏了不同802MAC子层的差异,为网络层提 一竞争处理 供单一的格 LCC子层主要功能: LLC子层提供确认机制和流量控制 建立和释放数链路层的逻辑连接 总之: 一让MAC子层与介质密切相关 ≯让LLC子层与所有介质访问控制方法无关; 一给帧加序号
2 制。 ÿ让LLC子层与所有介质访问控制方法无关；
逻辑链路控制子层LLC( Logieal Link Control 介质控制子层MAC( Medium Access Control) LLC提供三种服务 主要任务 不确认的数据报服务; 成帧与拆帧;比特差错检测;寻址;竞争处理 有确认的数据报服务; 般由硬件-网卡完成 可靠的面向连接服务 高层PDU LLC帧结构字节数 基于HDLC 地址源地址 LLC首部LLC数据 LLC层 一有效地址为128个(最低位另有含义) LC-PDU 目的地址最低位:0-单个地址;1-组地址; 组地址表示数提要发往某一特定站的一组服务访问点 AC首部MAC数据MAC尾部MAC层 源地址最低位:0-命令帧;1-应答幀 MAC-PDU 服务访问点SAP与地址 42以太网( Ethernet) MAC地址:某站的物理地址 发 SAP地址:某进程在站中地址; 1975,美国施乐( Xerox)公司研制出2.94Mbps的共享 信道以太网( Ethernet), Bob Metcalfe(哈佛大学博士 毕业)和 David boums发明了以太网,连接了1英里内的256台 1980, Xerox, DEC,lnte共同制定了10Mbps的以太网 1998,产生了1000Mbps的以太网标准 采用受彻斯特编码传输 以太网的信道共享技术 随机访问技术: ALOHA协议 多用户共享单一信道,并由此产生冲突,这样的系 定义:控制多个用户共用一条信道的协 统称为竞争系统 关键问题:如何解决对信道争用 ALOHA协议 70年代, Norman Abramson设计了 ALOHA协议。 随机访问技术的发展 ALOHA 目的:解决信道的动态分配,基本思想可用于任何无协 →CSMA(增加栽波监听) 调关系的用户争用单一共享信道使用权的系统 →CSMA/CD(增加冲突检测) 分类:纯 ALOHA协议和时隙 ALOHA协议
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纯 ALOHA协议 个帧发送成功的条件 70年美国夏威夷大学提出,用于地面分组无线电系統 基本思想: 设发送一帧所需时间为T(帧时),且帧长固定 每个站可随时发送数据帧,然后监听信道看是否产 须在该幀发送前后各一段时间7内(一共有2T的时 生冲突,若产生冲突,则等待一段随机的时间重发,直 到重传成功为止 间间隔)没有其它帧发送 站1「口「3「5 2突度传一「S 13冲史重传 易冲突区 纯 ALOHA协议的信道效率 时隙 ALOHA协议 吞吐率S:在帧时T内成功发送的平均帧数 72年 Robert提出 若S=0,意味着信道上无成功数据帧传送; 基本思想 若S=1,意味着数据幀一个接一个传送,帧间无空隙 把信道时间划分成离散的时间隙,隙长为一个帧 网络负载G;在幀时T内总共发送的平均幀数(包含发 送成功和未成功)。显然:G>S。 所需的发送时间。每个站点只能在时隙开始时才允许 若G=S,意味着信道上数据桢不产生冲突 发送,其他过程与纯 ALOHA协议相同 站1_11 冲突重传 不稳定区域 站2 时隙→A,4,Ar→ 时隙 ALOHA协议的信道效率 以太网:CSMA和CSMA/CD 冲突危险区是纯 ALOHA的一半 载波监听多路访问协议CSMA 与纯 ALOHA协议相比,降低了产生冲突的概率 Carrier Sense Multiple Access Protocols 信道利用率最高为36.8% 是在 ALOHA协议的基础上提出来 主要区别:增加一个载波监听协议(发送前监听) 站点在为发送帧而访问传输信道之前,首先监听 信道有无载波,若有载波,说明已有用户在使用信 道,则不发送幀以避免冲突 主要类型 Pure ALOHA: S= Ge"2G 非坚持型CSMA( nonpersistent CSMA 1-坚持型CSMA(l- persistent CSMA) G (attempts per packet time p-坚持型CSMA(p- persistent CSMA)
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1-坚持型CSMA(1- persistent CSMA) “坚持”:在监听到信道忙时,仍坚持听下去,一直 传播延迟的影响 监到信道空闲为止 传播延迟越大,发生冲突的可能性越大,协议性 能越差, 苴听策略 信道空闲 优点:减少了信道空闲时间 缺点:增加了发生冲突的概率 非坚持型CSMA( nonpersistent CSMA) p-坚持型CSMA( p-persistent CSMA) “非坚持”:一旦监听到信道忙,就不再坚持听下去 适用于分隙信道 而是廷迟一段随机时间后重新再监听 原理 以概率(1-p)廷迟一 段时间τ 可根据信道上通信是送之间的 量的多少设定不同的p 值,因而可以提高信道 利用率 优点:减少了冲突的概率; 缺点:增加了信道空闲时间,数据发送廷迟增大; 五种多路访问协议性能比较 带冲突检测的 CSMA/CD 引入原因 当两个帧发生冲突时,两个被损坏帧继续传送毫 o Dt pe 无意义,而且信道无法被其他站点使用,对于有限的信 道来讲,这是很大的浪费。如果站点边发送边监听,并 在监听到冲突之后立即停止发送,可以提高信道的利用 率,因此产生了 CSMA/CI 原理: 沾点使用CSMA协议进行数据发送; 在发送期间如果检测到冲突,立即终止发送,并 发出一个瞬间千扰信号,使所有的站点都知道发生了冲 在发出千扰信号后,等待一段随机时间,再重复 上述过程
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CSMA/CD的流程图 CSMA/CD的工作状态 传输周期、竞争周期、空闲周期 竞争时隙 监听策略 传输周期竞争周期 空闲周期 强化冲突 匚放弃帧的发送 问题:一个站点确定发生冲突要花多少时间? 最坏情况下,2倍电缆传输时间 8023的MAC帧 8023的MAC子层帧格式 LLC PDU LLC子层 [D、ISA数提长度数据填充验利 目标地址源地址 字节6620-15000-46 SA数长度数接填充校验和 前导符( Preamble) 目标地址源地址 1C子层 其内容是1和0交替出现(每个字节内容=10101010B) 通知接收端准备接收数据帻; 物理层 供接收端进行比特同步之用 幀始标志(SFD) 数据+填充=46~1500 其内容是10101011B 一旦收到两个连续的1,得知后面为MAC帧 8023的MAC子层帧格式 8023的MAC子层帧格式 -1500-464 0-15000-46 [前导符 SFD DASA数播长度数据「填充校验和 前导 SFD DA SA据长度数据填校验和 目标地址(DA)和源地址(SA) 目标地址源地址 目标地址最低位为0,表示单地址;为1,表示组 填充(Pad) 目的地址全1,为广播地址 用于保证 CSMA/CD协议正常操作所需的最小帧长 数据长度( Length of data field) 数据字段的长度 当数据部分<46个字节,则填充0补足46个字节 数据(Data) 一校验和 来自LLC子层的PDU CRC校验
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8023的最短帧长 例题 发送的帧最短长度应当保证在发送完毕之前,必 若两台计算机通过一条150m的同轴电缆链接,采 须能够检测到可能最晚来到的冲突信号。帧发送时间 用 CSMA/CD网络协议,电缆的时延特性为 应该大于2Td(r 对于10 Mbps LAN,最大冲突检测时间为512微 43μs/km,考虑其它的往返廷时因素385μs,网络 秒,相当于发送512比特,即最短桢长为512比特(64 的数据传输速率为10Mbps,问发送的帧的最短长度是 字节) 置”里平里 信息在总线上的来回廷迟时间是2×1.5km×4,33 uskm,加上38.5μs,在这个时间内,要保持有桢可 以发送 最短帧长=(2×1.5×4,33+38.5)×106×10 Mbps x10° =515bit)或≥65(Byte) IEEE8025:令牌环 Token ring IEEE8025:令牌环 Token ring 典型应用网络:IBⅥ令牌环网(1985.10),数据传输速率 物理外部结构:星型 网络拓朴结构:环型 16Mbps,260个节点 环实际上并不是一个广播介质,而是不同的点到 点链路组成的环,点到点链路有很多技术优势; 各个站点是公平的,获得信道的时间有上限,避 免冲突发生; 多路迹接单元 采用差分曼彻斯特编码传输 IBM令牌环网网络结构 BM令牌环网拓朴结构 令牌环的旁路中继器 接口一干线偶合器 有两种工作状态:侦听方式和发送方式 为解决环断裂导致整个环无法工作的问题,使用 个站点不处于发送数据状态时,就处于侦听状 线路中心进行布线,线路中心设有旁路中继器 侦听方式 发送方式 在网中的位置
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令牌环一工作过程 当网终初始化时,由指定的站点生成令牌 令牌沿着网络环单向逐站传送; 只有当空令牌传到某站点,该站点才可发送数据; 数据沿着网络环单向逐站传送; 数据经过目的站时,目的站接收(复制),数据 令在环路中流动 )A站蔬得今牌 (2)c站接收并特发数提 继续单向逐站传送 数据经过源站时,源站收回(不再传送) 源站交出令牌(传送給下以站) 没有冲突发生 重负载下,效率接近100 A站收园所发的数据 (4)、站重析发出令牌 IEEE 令牌总线 Token bus 网桥技术 实现类似令牌环网的数据传送 网桥( bridge): 法 是工作在数据链路层的一种网络互连设备; 物理上:总线型、逻辑上:环型 它在互连的LAN之间实现帧的存储和转发 环的构成 令牌从节点的地址由高向低传递,最低地址的节点 传递给最高地址的节点。令牌传递的顺序与站的物理位 作用 ⑩扩大物理范围;将独立的LAN进行互连; 只有当令牌传到某工作站,该站才可发送数据 ②提高可靠性;网絡出故障,只影响个别 ③过滤通信量;使LAN各网段成为隔离开的冲突域 从而减轻了扩展的LAN上的负荷(减少冲突) ④可互连不同物理层、MAC子层和不同速率的 令牌总线网的物理结构 令牌总线网的逻辑环 LAN。 网桥应用情形 网桥应用情形 个企业分布在相隔很远的不同建筑物内,在每 将一个负载很重的大LAN分隔成使用网桥互连的 个建筑物内组建单独的LAN,并使用桥将这些LAN 几个LAN以减轻负担; 连接起来,是比较经济的方橐 单个局域
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网桥的内部结构 网桥的工作原理 据MAC幀的目的地址对收到的帧进行转发 接k个不同LAN的网桥具有k个MAC子层 桢达到时,先检查其目的的MAC地址,然后再确 定将该幀转发到哪一个端口 物理层 802.PH8024PM 84 多国 连接802X和802Y的网桥 桥的缺点 ·不同LAN幀格式的转換; ①增加了时延;网桥进行转发所需的处理时间 ②可能产生失帧;由于MAC子层没有流量控制功能 当网终负荷很重时,网桥内的缓存发生溢出 图436 透明网桥(生成树网桥) 不同的LAN速率不同,网桥要有缓存能力 CSMA/CD和 Token bus 高层协议的计时器设置 不同的LAN支持的最大帧长度不同,分别 透明网桥(生成树网桥) 站表的登记;(网桥刚启动时或新站加入) 透明一对LAN中的各站都可进行帧转发 采用扩散方法转发帧;(向其它的LAN网段转 发) 基本功能: 在转发过程中采用逆向学习算法收集MAC地址 网桥通过分析帧的源MAC地址得到MAC地址与 ②学习站址; 端口的对应关系,并登记到站表中 ③解决拓朴中可能存在的回路 网桥软件对站表进行不断的更新,并定时检查,删 除在一段时间内没有更新的地址/端口项 作原理 帧的路由过程 网桥工作在混杂方式,接收所有的帧 目的LAN与源LAN相同,则丢弃帧; 网桥接收到一帧后,通过查询站表来确定是丢弃还 目的LAN与源LAN不同,则转发帧; 是转发 目的LAN未知,则扩散帧,并逆向学习
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多个网桥产生回路的问题 解决多个网桥产生回路的问题 多个网桥(并行网桥)可能产生回路 宀H发送“帧”后,由网桥1和网桥2向网段B转发“帧1” 让网桥之间互相通信,用一棵连接每个LAN的生 和“帧2”; 成树( Spanning Tree)覆盖实际的拓扑结构 网桥1和网桥2分别收到“帧1”和“帧2”后,又将其转 构造生成树 发到网段A 每个桥广播自己的桥编号,号最小的桥称为生成 结果引起一个帧在网络中不停地兜圈子 树的根 每个网桥计算自己到根的最短路径,构造出生成 网段B 树,使得每个LAN和桥到根的路径最短 当某个LAN或网桥发生故障时,要重新计算生成 树 网段A 生成树构造完后,算法继续执行以便自动发现拓 扑结构变化,更新生成树 构造生成树 源路由网桥 发送幀的源站提供路由信息,网桥中不需存储 }=a 和维护路由信息 发送帧的网络工作站将路由信息放在信息帧的首 部,然后发送该帧,网桥读取源LAN上的信息帧 网络工作站的路由信息获得 aLAN拓朴 0生成树 ·采用动态路由搜寻过程,即,工作站向其它工作 站广播一个路由查找帧,从各个目标工作站的回 实线为生成树一部分,虚线不是生成树一部分 应信息里,建立路由信息表 源路由的产生 快速以太网( Fast ethernet) 每个站点通过广播“查找帧”来获得到各个站点的 最佳路由 标准 若目的地址未知,源站发送“查找帧”,每个网桥 1995年,IEEE通过8023u标准,实际上是8023的 收到后广播,目的站收到后发应答帧,该桢经过网 时被加上网桥的标识,源站收到后就知道了到目 个补充。原有的帧格式、接口、规程不变,只 是将比特时间从100ns缩短为10ns 的站的最佳路由 优点 对带宽进行最优的使用 对10Mbps8023LAN的改进 一种方法是改进10Base-5或10Base-2,采用 网桥的插入对于网络是不透明的,需要人工干预 CSMA/CD,最大电缆长度减为1/10,未被采纳 点要知道网络的拓扑结构 另一种方法是改进100 Base-t,使用HUB,被采纳
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