第6章 局域网与介质访问子层

局域网概述 局域网产生的原因 – 80年代，微型机发展迅速，彼此需要相互通信（近距离）， 共享资源； – 功能分布：分布式计算，分布式数据库。 定义 – 局域网是一种将小区域内的各种通信设备互连在一起的通信网络。 局域网的三个属性 – 局域网是一种通信网络； – 通信设备是广义的； – 在一个小区域内。

局域网的基本特点 – 高数据传输率（10 〜 1000 Mbps） – 短距离（0.1 〜 10 km） – 低出错率（10-8 〜 10-11） 局域网拓扑结构 – 星型结构 – 环型结构 – 总线型结构 – 树型结构 传输介质 – 双绞线 – 基带同轴电缆 – 光纤 – 无线

6.3.1 信道分配问题 •计算机网络可以分成两类： – 使用点到点连接的网络— 广域网； – 使用广播信道（多路访问信道，随机访问信道）的网络— 局域网。 多用户共享单一信道，并由此产生冲突，这样的系统称为竞争系统； 关键问题：如何解决对信道争用。 •解决信道争用的协议 称为介质访问控制协议MAC（Medium Access Control），是数据链路层协议的一部分。

信道分配方法 有两种: 静态分配和动态分配。 • 静态分配 – 频分多路复用FDM（波分复用WDM） 原理：将频带平均分配给每个要参与通信的用户； 优点：适合于用户较少，数目基本固定，各用户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化。 – 时分多路复用TDM 原理：每个用户拥有固定的信道传送时隙；

• 动态分配 – 信道分配模型的五个基本假设： » 站点模型：每个站点是独立的，并以统计固定的速率产生帧，一帧产生后到被发送走之前，站点被封锁； » 单信道假设：所有的通信都是通过单一的信道来完成的，各个站点都可以从信道上收发信息； » 冲突假设：若两帧同时发出，会相互重叠，结果使信号无法辨认，称为冲突。所有的站点都能检测到冲突，冲突帧必须重发； » 连续时间和时间分隙（确定何时发送）； » 有载波监听和无载波监听（确定能否发送）。

6.3.2 多路访问协议 定义：控制多个用户共用一条信道的协议。 1. ALOHA协议 70年代，Norman Abramson设计了ALOHA协议。 目的：解决信道的动态分配，基本思想可用于任何无协 调关系的用户争用单一共享信道使用权的系统； 分类：纯ALOHA协议和分隙ALOHA协议。

纯ALOHA协议 70年美国夏威夷大学提出。用于地面分组无线电系统。 基本思想： 每个站可随时发送数据帧，然后监听信道看是否产生冲突，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。

设发送一帧所需时间为T（帧时），且帧长固定。 一个帧发送成功的条件： 必须在该帧发送前后各一段时间T内（一共有2T 的时间间隔）没有其它帧发送。

纯ALOHA协议的信道效率 吞吐率S ：在帧时T内成功发送的平均帧数。 合理的S : 0≤S≤1 。 网络负载G ：在帧时T内总共发送的平均帧数（包含发 送成功和未成功）。显然： G ≥S。 若G = S，意味着信道上数据帧不产生冲突。 在稳定状态下： G = S + R 其中， R为帧时T内重发的平均帧数；

假设：帧长固定，无限个用户，按泊松分布产生新帧， 平均每个帧时产生S 帧（0 < S < 1）；发生冲突重传。 在2T内产生冲突的概率为1 - e-2G， 因此，在2T内重发的平均帧数为R = G (1 - e-2G ) G = S + R = S + G (1 - e-2G ) ∴ S = G e-2G 帧当G =0.5时， Smax = 0.184。一般实际选取S < 10％。

分隙ALOHA协议 72年Robert提出。 基本思想： 把信道时间划分成离散的时间隙，隙长为一个帧所 需的发送时间。每个站点只能在时隙开始时才允许发 送。其他过程与纯ALOHA协议相同。

时隙ALOHA协议的信道效率 冲突危险区是纯ALOHA的一半，所以 S = G e-G 当G =1.0时， Smax = 0.368。

2. 载波监听多路访问协议CSMA CSMA（Carrier Sense Multiple Access Protocols） 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，则不发送帧以避免冲突。 主要类型： 非坚持型CSMA（non-persistent CSMA） 1-坚持型CSMA（1-persistent CSMA） p-坚持型CSMA（p-persistent CSMA）

1-坚持型CSMA（1-persistent CSMA） “坚持”：在监听到信道忙时，仍坚持听下去，一直监到信道空闲为止。 原理： 优点：减少了信道空闲时间； 缺点：增加了发生冲突的概率；

传播延迟的影响 传播延迟越大，发生冲突的可能性越大，协议性能越差。

非坚持型CSMA（non-persistent CSMA） “非坚持”：一旦监听到信道忙，就不再坚持听下去，而是延迟一段随机时间后重新再监听。 原理: 优点：减少了冲突的概率； 缺点：增加了信道空闲时间，数据发送延迟增大；

p-坚持型CSMA（p-persistent CSMA） 适用于分隙信道。 原理： 若站点有数据发送，先监听信道； 若站点发现信道空闲，则以概率p发送数据，以概率q =1- p 延迟至下一个时隙发送。若下一个时隙仍空闲，重复此过程，直至数据发出或时隙被其他站点所占用； 若信道忙，则等待下一个时隙，重新开始发送； 若产生冲突，等待一随机时间，然后重新开始发送。

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，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/CD。 原理： 站点使用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，并发出一个瞬间干扰信号，使所有的站点都知道发生了冲突； 在发出干扰信号后，等待一段随机时间，再重复上述过程。

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 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。

4. 无冲突协议（Collision-Free Protocols） 当网络负荷较大时，竞争协议（ALOHA和CSMA）的通信效率急剧下降。 无冲突协议的关键问题： 在一次成功的传送之后，哪个站将会得到共享信道 分类 预约类协议 授权类协议（令牌类） 假设：系统有N个站，每个站有唯一的编号（地址）， 从0 → N-1。

5.基本位图协议（A Bit-Map Protocol） 原理： 共享信道上有N个站，竞争周期分为N个时隙，如果一个站有帧发送，则在对应的时隙内发送比特1； N个时隙之后，每个站都知道哪个站要发送帧，这时按站序号发送。

象这样在实际发送信息前先广播发送请求的协议称为预约协议（reservation protocol） 效率: 轻负载下，效率为d/(N + d)，数据帧由d个时间单位 组成； 重负载下，效率为d/(d + 1)。 缺点: 与站序号有关的不平等性，序号大的站得到的服务好； 每个站都有1 比特的开销。

6.4 局域网的IEEE 802系列标准 IEEE 802协议: IEEE 802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)子层的定义和描述。 组成： 802.1 基本介绍和接口原语定义 802.2 逻辑链路控制（LLC）子层 802.3 采用CSMA/CD技术的局域网 802.4 采用令牌总线（Token Bus）技术的局域网 802.5 采用令牌环（Token Ring）技术的局域网

802标准在网络体系结构中的位置

分成两个子层的原因 •管理多点访问信道的逻辑不同于传统的数据链路控制； – 局域网具有共享传输介质的特点； – 必须解决发生冲突的问题； – 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。 – LLC隐藏了不同802MAC子层的差异，为网络层 提供单一的格式和接口； – LLC子层提供确认机制和流量控制； 总之： •让MAC子层与介质密切相关； •让LLC子层与所有介质访问方法无关；

LAN的参考模型 物理层主要功能： MAC子层主要功能： LCC子层主要功能： •信号的编码与译码； •比特的传输与接收。 •成帧与拆帧； •比特差错检测； •寻址； •竞争处理。 LCC子层主要功能： •建立和释放数据链路层的逻辑连接； •提供与高层的接口； •差错控制； •给帧加序号。

逻辑链路控制子层LLC（Logical Link Control） – 不确认的数据报服务； – 有确认的数据报服务； – 可靠的面向连接服务。 LLC帧结构 基于HDLC。 •有效地址为128个（最低位另有含义） – 目的地址最低位：0－单个地址；1－组地址； •组地址表示数据要发往某一特定站的一组服务访问点； – 源地址最低位： 0－命令帧；1－应答帧

介质控制子层MAC（Medium Access Control ） 主要任务 成帧与拆帧；比特差错检测；寻址；竞争处理。 一般由硬件－网卡完成。

IEEE 802.3 和以太网Ethernet 历史 • ALOHA系统 • ALOHA + 载波监听 • Xerox 设计了2.94Mbps的采用CSMA/CD协议的Ethernet • Xerox, DEC, Intel共同制定了10Mbps的CSMA/CD以太网标准 • IEEE定义了采用1-坚持型CSMA/CD技术的802.3局域网标准，速率从1M到10Mbps，802.3标准与以太网协议略有差别。

802.3采用的电缆标准 粗同轴电缆(10Base5)，100个节点， AUI接口； 10–数据传输速率10Mbps； Base–基带传输； 细同轴电缆(10Base2)，30个节点， BNC接口和T型头； 双绞线(10BBase-T)，RJ-45接口 T–双绞线星型网；每个站到集线器Hub≤100m。

802.3的物理结构 Hub功能： 每个端口具有收发功能，当某个端口收到信号时，立即向其它端口转发，若多个端口同时有信号输入，则所有端口都收不到正确的信息帧。

10Base-T hub, with 10Base-T cables connecting computers to the hub.

802.3的接线 收发器（transceiver）：处理载波监听和冲突检测。

三种以太网布线方案 (a) 粗缆以太网10Base5 (b) 细缆以太网10Base2 (c)双绞线以太网 10Base-T (twisted pair)

802.3的总线拓朴结构 中继器：物理层设备，只对信号进行接收、放大和双向重传； 扩展网段长度：两个收发器之间最多使用4个中继器，最长2500米。

802.3的信号编码 数据编码技术 研究数据在信号传输过程中如何进行编码（变换）。 数字数据的数字传输（基带传输）

基带传输－基本概念 基带：基本频带，指传输变换前所占用的频带，是原始信号所固有的频带。 基带传输：在传输时直接使用基带信号。 基带传输是一种最简单最基本的数字数据的数字传输方式， 一般用低电平表示“0”，高电平表示“1”。 适用范围：低速和高速的各种情况。 限制：因基带信号所带的频率成分很宽，所以对传输线 有一定的要求。

常用的几种编码方式 1.不归零制码（NRZ：Non-Return to Zero） 原理：用两种不同的电平分别表示二进制信息“0”和“1”，低电平表示“0”，高电平表示“1”。 缺点：①难以分辨一位的结束和另一位的开始； ②发送方和接收方必须有时钟同步； ③若信号中“0”或“1”连续出现，信号直流分量将累加。 结论：容易产生传播错误。

2.曼彻斯特码（Manchester）也称相位编码 原理：每一位中间都有一个跳变，从低跳到高表示“0”，从高跳到低表示“1”。 优点：克服了NRZ码的不足。每位中间的跳变即可作为数据，又可作为时钟，能够自同步。 主要应用场合：EtherNet (以太网) 3.差分曼彻斯特码（Differential Manchester） 原理：每一位中间都有一个跳变，每位开始时有跳变表示“0”，无跳变表示“1”。位中间跳变表示时钟，位前跳变表示数据。 优点：时钟、数据分离，便于提取。 主要应用场合：Token Ring(令牌环网)

（差分）曼彻斯特编码－示例

（差分）曼彻斯特编码的特点 特点： ①内含数据信息和时钟信息，易实现两种信息的合并 与分离； ②无直流分量； ③效率低。时钟信号频率是发送信号频率的两倍。 违例码：若位中间不发生跳变。有"0"违例V0，有"1"违例V1。 某些网络利用它们作为帧信息的开始和结束标志。

802.3的最短帧长 发送的帧最短长度应当保证在发送完毕之前，必须能够检测到可能最晚来到的冲突信号。帧发送时间应该大于2Td (t)。 对于10Mbps LAN，最大冲突检测时间为51.2微秒，相当于发送512比特， 即最短帧长为512比特（64字节）。

6.5网桥技术 网桥（bridge）： 是工作在数据链路层的一种网络互连设备； 它在互连的LAN之间实现帧的存储和转发。 作用： ②提高可靠性；网络出故障，只影响个别网段； 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LAN。

网桥应用情形 个企业分布在相隔很远的不同建筑物内， 在每个建筑物内组建单独的LAN，并使用桥将这 些LAN连接起来，是比较经济的方案；

网桥应用情形 将一个负载很重的大LAN分隔成使用网桥互连的几个LAN以减轻负担；

网桥的内部结构 根据MAC帧的目的地址对收到的帧进行转发；当 一个帧达到时，先检查其目的的MAC地址，然后再确 定将该帧转发到哪一个端口。

网桥的工作原理 连接k个不同LAN的网桥具有k个MAC子层和k个 物理层。

三种不同的LAN互连共有九种组合 操作： 格式转换和重新计算校验和 变换位的顺序 复制优先级 产生一个虚拟的优先级 放弃优先级 把环排空 设置A/C位 解决速率快慢问题 处理帧太长的问题

网桥的缺点 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， 当网络负荷很重时，网桥内的缓存发生溢出； 应用： ①透明网桥（生成树网桥） CSMA/CD和Token Bus。 ②源路由网桥 Token Ring。

透明网桥（生成树网桥） 透明－对LAN中的各站都可进行帧转发。 基本功能： ①帧转发； ②学习站址； ③解决拓朴中可能存在的回路。 工作原理： • 网桥工作在混杂方式，接收所有的帧； • 网桥接收到一帧后，通过查询站表来确定是丢弃还 是转发；

•站表的登记；（网桥刚启动时或新站加入） – 采用扩散方法转发帧； （ 向其它的LAN网段转发）， – 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地址与端 口的对应关系，并登记到站表中。 •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； •帧的路由过程 – 目的LAN与源LAN相同，则丢弃帧； – 目的LAN与源LAN不同，则转发帧； – 目的LAN未知，则扩散帧，并逆向学习。

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。 •H发送“帧”后，由网桥1和网桥2向网段B转发“帧1”和“帧2”； •网桥1和网桥2分别收到“帧1”和“帧2”后，又将其转发到网段A； •结果引起一个帧在网络中不停地兜圈子。

构造生成树 实线为生成树一部分，虚线不是生成树一部分

源路由网桥 由发送帧的源站提供路由信息，网桥中不需存储 和维护路由信息。 原理 •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，并依 信息帧的路由信息来决定如何发送该帧。 •网络工作站需存储和维护路由信息。 •网络工作站的路由信息获得： – 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 应信息里，建立路由信息表。

源路由的产生 •每个站点通过广播“查找帧”来获得到各个站点的 最佳路由。 •若目的地址未知，源站发送“查找帧”，每个网桥 收到后广播，目的站收到后发应答帧，该帧经过网 桥时被加上网桥的标识，源站收到后就知道了到目 的站的最佳路由。 优点 对带宽进行最优的使用。 缺点 网桥的插入对于网络是不透明的，需要人工干预。 站点要知道网络的拓扑结构

•Caption: The back of a Proxim wireless bridge. On the left is an antenna. On the right is an RJ-45 Ethernet jack. To the left of that is a thin Ethernet BNC connector.

P108 思考:用网桥B1和B2连接起来。每一个网桥都有两个接口（1和2）。在一开始，两个网桥中的转发表都是空的。以后有以下各站向其他的站发送了数据帧：A发送给E，C发送给B，D发送给C，B发送给A。试把有关数据填写在表3-2中。

6.6 高速局域网技术 光纤分布式数据接口FDDI （Fiber Distributed Data Interface） •特征 – 使用多模光纤作为传输介质； – MAC协议与Token Ring 类似； – 100M的速率； – 采用4B5B编码方法； • 32中组合中的16种表示数据，3种表示定界符，2种表 示控制，3种表示硬件信号，8种保留。 – 最大距离200公里； – 最多1000个站点； – 通常作为连接LAN的主干网络。

– 通常作为连接LAN的主干网络。

– FDDI的双环操作 – FDDI定义了两类站：A类站连接双环，B类 站连接单环。

– 为提高信道利用率，站点发完数据后立即产 生新令牌，环上可能同时存在多个帧； – 帧格式

•Caption: The back of two FDDI concentrators (hubs) (see photo img4_013). The top concentrator has 10 ports while the bottom one has 20.

•Caption: The front of two FDDI concentrators (hubs). The top concentrator has 10 ports while the bottom one has 20.

快速以太网（Fast Ethernet） •标准 – 1995年，IEEE通过802.3u标准，实际上是802.3的 一个补充。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。 •对10 Mbps 802.3 LAN的改进 – 一种方法是改进10Base-5 或10Base-2，采用 CSMA/CD，最大电缆长度减为1/10，未被采纳； – 另一种方法是改进10Base-T，使用HUB，被采纳。

快速以太网（Fast Ethernet） 两种高速局域网: FDDI and Fiber Channel IEEE 802 (Keep It Simple, Stupid) IEEE 802 => IEEE 802.3u or Fast Ethernet (1992 ----1995) IEEE 802.3z or gigabit Ethernet (1995 ----1998) 最初的快速以太网标准

•100Base-T4 – 使用4对ISO/IEC 11801定义的3、4、5类平衡双绞线; – 3类非屏蔽双绞线（UTP），使用25MHz的信号（802.3使 用20MHz的信号，由于使用Manchester编码，波特率=2× 比特率）； – 4对双绞线，1对to the hub，1对from the hub，另外2对根据数据传输方向变换； – 8B6T（8 bits map to 6 trits）编码，使用三进制信号，1对 双绞线的比特率为25×8/6 = 33.3 Mbps，正向100M，反向 33.3M； • 100Base-TX – 使用2对5类平衡双绞线或150W屏蔽平衡电缆，1对to the hub，1对from the hub，全双工； – 5类双绞线使用125 MHz的信号； – 4B5B编码，5个时钟周期发送4个比特，物理层与FDDI兼 容，比特率为125×4/5 = 100 Mbps；

•100Base-FX – 使用2根多模光纤，全双工 • 100Base-T4 和100Base-TX 统称100Base-T •两种类型的HUB – 共享式HUB，一个冲突域，工作方式与802.3相同， CSMA/CD，二进制指数后退算法，半双工… – 交换式HUB，输入帧被缓存，一个端口构成一个冲突域。

千兆以太网（Gigabit Ethernet） •标准：802.3z • Gigabit Ethernet 使用扩展的802.3 MAC 子层接口， 通过GMII（Gigabit Media Independent Interface） 与物理层相连； • 物理层实体：1000BASE-LX, 1000BASE-SX, 1000BASE-CX, 1000BASE-T. • 1000BASE-X（包括1000BASE-SX, 1000BASE-LX, 和1000BASE-CX）物理层标准符合ANSI X3.230- 1994 (Fibre Channel) FC-0 和FC-1，采用8B/10B编 码；1000BASE-T 采用4B/5B编码； • 在一个冲突域内，只允许一个repeater

习题讲解 6-5 每个帧加上前导字段为(1518+8)*8位，而10Base以太网的数据速率是10Mb/s，则发送一帧的时间为(1518+8)*8÷(10Mb/s),再加上时间间隔9.6µs发送时间为： (1518+8)*8÷(10Mb/s)+9.6µs=1230.4µs

6-8 生成树优先级的取值范围是0-61440，其中0的优先级最高，61440的优先级最低，优先级的有效值为4096的倍数，从0-61440递增，数值越大，优先级越低。由于12288时4096的3倍，所以要提高一级应为4096的2倍，即8192。

作业: 6-11