局域网计算机通信原理

局域网的特性 局域网的特点 网络覆盖范围小（25公里以内） 选用较高特性的传输媒体：高的传输速率和低的传输误码率 双绞线、同轴电缆和光纤；在特殊环境下， 也可考虑使用微波、红外线和激光等无线传输媒体 传输技术 使用传输媒体进行通信的技术，常用的有基带传输和宽带传输 网络拓扑 指组网时的电缆铺设形式，常见的有总线形、星形和环形。 局域网的网络拓扑描述对应网络中数据收发的方式 访问控制方法 网络设备访问传输媒体的控制方法， 常用的有竞争、令牌传递和令牌环等 局域网的特点 网络覆盖范围小（25公里以内） 选用较高特性的传输媒体：高的传输速率和低的传输误码率 硬软件设施及协议方面有所简化 媒体访问控制方法相对简单 采用广播方式传输数据信号，一个结点发出的信号可被网上所有的结点接收，不考虑路由选择的问题，甚至可以忽略OSI网络层的存在。 局域网（LAN－Local Area Network）是将分散在有限地理范围内（如一栋大楼，一个部门）的多台计算机通过传输媒体连接起来的通信网络，通过功能完善的网络软件，实现计算机之间的相互通信和共享资源。

计算机网络体系结构 应用层 各种应用层协议 （TELNET,FTP,SMTP等） 表示层 会话层 运输层 TCP,UDP 网络层 IP 数据链路层 与各种网络接口 物理层 OSI模型 IP协议族

物理层 OSI模型的最底层 主要任务是：确定与传输媒体的接口的一些特性 机械特性：接线器的形状，尺寸，引线数目等 电气特性：电压范围 功能特性：某一电平的电压表示的意义 规程特性：不同功能的各种可能事件的出现顺序

数据链路层 在物理层提供的服务基础上向网络层提供服务 数据链路控制协议 数据链路层功能 帧同步功能 差错控制 流量控制 链路控制 其目的是在给定的通信链路上提供发送端和接送端之间的无差错信息传输。 数据链路层功能 帧同步功能 差错控制 流量控制 链路控制

数据链路层 逻辑链路控制子层 物理服务 物理层 美国电气和电子工程协会（IEEE）于1980年2月成立局域网标准化委员会（简称802委员会）专门对局域网的标准进行研究，并提出了LAN的定义。LAN是允许中等地域内的众多独立设备通过中等速率的物理信道直接互连通信的数据通信系统。 数据链路层 逻辑链路控制子层 CSMA/CD 令牌总线 令牌环网 从上图中可以看出，LAN的数据链路层实际上被划分为两个子层：逻辑链路控制子层(LLC)和媒体访问控制子层(MAC)，并且，LAN之间的差别主要体现在物理层和MAC子层。     LAN物理层主要定义结点和传输媒体的接口特性，包括机械特性、电气特性等；LAN的MAC子层则定义结点共享传输媒体时采用的访问控制技术，包括借助于物理层的无差错传输技术等；LAN的LLC子层屏蔽不同的MAC子层之间的差异，以便提供统一的接口；LAN的网络层功能被简化，在单个LAN设计时可以忽略，或者可以认为OSI/RM的更高层通过虚拟的网络层直接引用LLC子层的服务。 物理服务 物理层

以太网 （Ethernet） 以太网使用载波监听CSMA/CD（多路访问/冲突检测） 载波监听：发送结点在发送信息帧之前，必须侦听媒体是否处于空闲状态。 多路访问：具有两种含义，即表示多个结点可以同时访问媒体，也表示一个结点发送的信息帧可以被多个结点所接受。 冲突检测：发送结点在发送信息帧的同时，还必须监听媒体，判断是否发生冲突（在统一时刻，有无其他结点在发送信息帧）。

发送信息 是 否 是 否 是 否 准备好要发送的帧 是否检测到信号？ 经过帧间空隙时段后， 发送数据 碰撞？ 发送阻塞， 增加尝试计数器 尝试计数器溢出？ 完整传输 否 计算和等待补偿时间 设置尝试计数器 溢出指示位

接收信息 否 是 否 是 否 是 输入信号检测？ 将Carrier Sense置为开， 并等待SFD FCS和帧大小合适？ 目标地址匹配？ 传输帧到更高协议层 子层进行处理 丢掉帧

退避算法 对每一帧，当第一次发生冲突时，设置参量L＝2。 退避间隔取1到L个时间片中的一个随机数。 当帧重复发生一次冲突，则将参量L加倍。 设置一个最大重传次数，超过这个次数，则不再重传，并报告出错。

以太网帧格式 MAC头 MAC尾 前导码：长度为7字节，可以使LAN上所有的其他站点达到同步。 （7字节） 帧起始定界符 （1字节） 目标地址 （6字节） 源地址 类型 （2字节） 信息 （n字节） 帧填充 FCS帧校验序列 （4字节） 前导码：长度为7字节，可以使LAN上所有的其他站点达到同步。 SFD帧定界符，也称为帧起始定界符，格式为10101011，占用1字节。 目标地址：占用6字节。 源地址：占用6字节。 类型：占用2字节。 信息：占用0～1500字节。 帧填充：如果数据长度小于46字节，则把它填充到46字节。 FCS：帧校验序列，占用4字节采用32位CRC循环厐余校验。用来做错误校验控制。

以太网的优缺点 以太网的优点 以太网的缺点 在成千上万的结点中都安装了这种流行的标准。 协议简单易懂，特别是协议中关于关于错误处理的部分。 可以安装和删除结点，且不会打乱网络。 在低负载的情况下，可以得到高吞吐量。 以太网的缺点 帧的最小值是64字节，短帧具有较高的额外费用。 不确定性，不能保证在一个已定时隙内的访问，这是一个实时应用程序的问题。 没有办法去区分通信量优先次序。 有限的电缆长度。 当使用量接近最大值时，冲突会引起性能快速下降。

令牌总线网（Token-Bus） 基本原理： 1.在总线的基础上，通过在网络结点之间有序地传递令牌（一组特定的比特模式）来分配各结点对共享型总线的访问权利，形成闭合的逻辑环路。 　２.完全采用半双工的操作方式，只有获得令牌的结点才能发送信息，其他结点只能接收信息，或者被动地发送消息（在拥有令牌的结点要求下，发送信息） 　３.为了保证逻辑闭合环路的形成，每个结点都动态地维护着一个连接表，该表记录着本结点在环路中的前继、后继和本结点的地址，每个结点根据后继地址确定下一占有令牌的结点。

1 令牌总线网结构 3 5 1 2 4

令牌总线网帧格式 PA:前导码，用于收发同步。 SD:帧开始定界符，表示一个有效帧的开始。 >=1 SD 1 FC DA 2/6 SA DATA-UNIT >=0 FCS 4 ED PA:前导码，用于收发同步。 SD:帧开始定界符，表示一个有效帧的开始。 FC:帧控制字段，用于区分帧的类型。字段格式为FFMMMPPP. DA:目标地址。 SA:源地址，它和DA长度必须相同。 DATA-UNIT:根据FC的定义，可以包含LLC协议数据单元、MAC管理数据、和MAC控制帧的数据。 FCS:帧校验序列，对SD和ED之间的所有字段进行循环垅冗余校验。 ED:帧结束标志，标识帧的结束，同时也标识了帧中FCS的位置。

（－）令牌的传递 有令牌的结点在发送完消息后，执行环路维护工作，将令牌传递给后继结点。 监听媒体。监听到合法帧的传递，后继结点已获得令牌，并正常工作；如果在规定时间内未监听到信息在媒体上的传输，执行一次令牌重传。 如仍然未能监听到合法帧的传输，原后继结点已撤出环路，开始寻找后继和环路重构过程。 发送“寻找后继命令帧”，（原后继结点的地址为数据字段）。 原后继结点的后继结点用“设置后继命令帧”予以响应。 双方修改各自连接表中的后继/前继地址，传递令牌，恢复正常工作。

(二）令牌丢失的处理 结点设“环不工作计时器”： （1）在规定的时间内，未能监听到媒体上有信号传输，环不工作计时器超时，则环路中令牌丢失，或者环路处于初始工作状态； （2）所有感知环不工作的结点，采用竞争总线的方法争夺生成令牌的权利： A.各结点根据本结点地址信息和一定的规则，形成不同长度的“要求令牌命令帧”，发送媒体并监听媒体； B.不同的地址形成不同长度的帧几乎“同时”发往媒体时，会产生冲突。 C.结点在发送帧之后，监听媒体时，发短帧的结点会“监听”到其他结点的帧正在发送。发最长帧的结点感觉不到媒体上有信号的结点，赢得生成令牌的权利，执行环路重构的过程。

（三）多个令牌的处理 令牌重复：环路中同时具有多个令牌，由获得令牌的结点进行处理。 判断令牌重复：获得令牌的结点，如果感知媒体上有信号传输，表示有其他结点也掌握着令牌（令牌重复）。 解决方法：立即放弃令牌，并回到监听模式，这样可以使令牌数不少过1。 后果：如果持有令牌的站都放弃令牌，则出现无令牌状态。当一个站在大于规定的时间内测出总线没有活动，就认为令牌丢失。可以再使用令牌丢失的处理。

（－）环路重构 目的：各结点填写连接表，重新构造逻辑环。环路不工作后，获得生成令牌权利的结点进行环路维护。 （1）发出“请求后继命令帧”：寻找可能的后继结点； （2）限定响应结点的范围，在此范围内的结点用“设置后继命令帧”响应。 （3）若有多个适合的结点予以响应（出现冲突），用“解决冲突命令帧”进一步限定范围，直至有且仅有一个结点予以响应； （4）置连接表中的后继地址，并传递令牌给该后继结点； （5）后继结点接收令牌，将令牌中的源地址置为连接表中的前继地址，如果本结点维护的连接表中没有指定后继结点，则重复上述“寻找”后继的动作。 （6）最终，环路形成，并且令牌返回原生成令牌的结点，完成环路重构动作，开始正常的工作。

（二）增加新结点 （1）无响应，令牌持有站依然把令牌传递给它的后继站； （2）收到一个正确的响应，则进行环路重构；若新结点符合后继的要求，用“设置后继命令帧”响应。接受令牌的新站点把它的上一站地址(Ps)和下一站地址(Ns)地址参数设置好，环继续运行下去。 （3）收到了碰撞的响应，既有多个站请求插入逻辑环，这种冲突可以通过一种竞争来解决。这个过程一直持续到下面的三种情况之一：收到一个有效的置后继站帧；无响应；已到达地址位的末尾。在后两种请求下，持有令牌的站放弃让新站加入环的企图，照常传递令牌。 （4）无效响应，此时令牌持有站认为协议出了问题，为了避免冲突，令牌持有站转到监听状态。 逻辑环中的每个站点都能周期性的提供机会让新的结点插入环中。获得令牌的站发出一个征求后继站的帧，请求响应的站提出加入环的请求。持有令牌的站等待一个响应窗口的时间，则可那发生下述情况之一：

（三）结点退出环路 方法1：结点可以在任意时刻，不采取任何动作地搬出环路。该结点的前继会自控开始寻找新后继的过程（令牌维护） 方法2：指定时刻退出环路。希望撤出环路的结点仅在收到令牌之后，用“置后继命令帧”，将其后继结点地址告诉前继结点，并传递令牌，撤出环路。

令牌总线的优缺点 优点 缺点 出色的吞吐量性能。这一性能不因线路长度增加而下降。 支持大的动态范围，没有相对信号强度方面的问题。 媒体访问有调节。 缺点 算法复杂。 开销时间较大。在轻负载下，站点为了使令牌转一圈而等待不必要的时间。

令牌环网(Token－Ring) 基本原理： 环形网的所有结点通过环接口设备（又称环中继转发器RPU）接入环路，一系列的环路（传输媒体，有时也称链路）和RPU组成了整个环路。

环行局域网的结构 下行链路 上行链路 环中继转发器(RPU） RPU从其中的一个环段（称为上行链路）上获取帧中的每个位信号，再生（整形和放大）并转发到另一环段（称为下行链路）。如果帧中宿地址与本结点地址一致，复制MAC帧，并送给附接本RPU的结点 帧的撤出问题：MAC帧无止境地在环路中再生和转发。由发送结点完成。 专门的环监控器，监视和维护环路的工作； RPU负责：网段的连接、信息的复制、再生和转发、环监控等， RPU故障，可导致网络瘫痪。 多路访问器（MAU）

发送信息 等待令牌 否 等待发送帧吗？ 转发令牌 是 否 否 R位<帧优先级吗？ 是 是 传送帧 将R位设为帧优先级 转发令牌 是 否 令牌优先级≤ 帧优先级吗？ 否 否 R位<帧优先级吗？ 是 是 传送帧 将R位设为帧优先级 在环循环后去掉帧 将A和C位传递至更高层 转发令牌 令牌优先级≤ 帧优先级吗？ 是 发送信息 否

等待帧被接受 是 是否食令牌？ 进入Xmit例程 否 否 是该节点的帧？ 重复帧 是 复制并重复帧 接收信息 将帧传至更高层

（字节） 令牌帧 信息帧 AC字段 帧开始/结束标志（SD/ED）：标识帧的开始和结束，取值为JK0JK000和JK1JK1IE； E位（差错标志）：由RPU置位，RPU在转发每个帧的同时，也执行差错校验动作，并利用RPU具有的一位延迟来置位差错标志。 访问控制字段（AC）：    Pr/Rr：本帧优先级和预定优先级，     T：令牌标识，T＝0时，标识对应帧为令牌帧，T＝1时，标识对应帧为信息帧。     M：监视位，由环路中的监控器（或者具有监控功能的RPU）填写，发送结点发送该帧（或令牌）时，M置为0，当该帧经过监控器时，监控器将该位置为1。如果监控器发现监视位已经被置为1，则认为发送结点出了故障，未能按规定撤出该帧，此时监控器负责撤出该帧，并发出令牌帧。 帧控制字段（FC）：格式为“FFzzzzzz”；  FF：帧的种类，FF=00，MAC控制帧； FF=10，管理帧。FF=01，数据帧，本帧携带的LLC帧填放在DATA字段中 帧状态标志（FS）：格式为“ACxxACxx”；由发送方复位和接收方置位，表示帧的收取状况。     A：地址确认位，由接收方置位，表示帧中的宿地址正确；     C：信息复制位，由接收方置位，表示此帧已被接收方正确复制。     Xx：保留未用。

令牌环网的优缺点 优点 确定性和通信量可以被确定优先级。 帧中不要求填加数据，所以帧比较短。 在负载较大的情况下，仍有良好的性能。 通过环的接线集中器，环可以被桥接入环中有效的部位，环的大小没有实际的限制。 缺点 在低负载的情况下，甚至网络是空载的时候，有一段等待令牌返回的延迟。 较高的费用。 与以太网相比，安装和管理更为复杂。

逻辑链路控制层（LLC） DSAP SSAP 控制 信息 逻辑链路控制PDU格式： DSAP：目标服务访问点。 SSAP: 源服务访问点。 控制： 控制字段。 信息： 信息字段。 LLC层独立于MAC访问介质和协议。LLC协议由三种服务形式组成：非确认无连接服务、连接服务和由确认无连接服务。

LLC操纵功能 IP IPX APPN 逻辑链路控制 CSMA/CD 令牌环 令牌总线

链路层向网络层提供的服务 无确认的无连接服务：目的结点不作确认，差错由上层负责。适合于实时传输。 有确认的无连接服务：目的结点对收到的帧要作确认，发送结点可以知道已发出的帧是否安全到达目的结点；误帧重传。适用于不可靠信道。 面向连接服务：可靠地传送数据地服务，即提供在网络实体间建立、维持和释放数据链路地功能