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计算机网络Computer Network 2014年11月29日

课程目录 • 第1章概述 • 第2章物理层与数据通信基础 • 第3章数据链路层 • 第4章局域网 • 第5章网络层 • 第6章网络互联技术 • 第7章传输层 • 第8章应用层 • 第9章网络管理与信息安全 • 第10章网络新技术专题计算机网络--刘桂江

本章提纲 第4章局域网 4.1 局域网概述 4.2 以太网 4.3 无线局域网（WLAN） 4.4 高速局域网 4.5 局域网组网技术计算机网络--刘桂江

4.1 局域网概述 4.1.1 局域网的特点 4.1.2 局域网拓扑结构 4.1.3 局域网体系结构计算机网络--刘桂江

4.1.1 局域网的特点 (1) 覆盖的地理范围比较小，通常为10公里以内 (2) 数据传输速率高 (3) 误码率低 (4) 局域网一般为一个单位或部门所独有，而不是公共的或者商用的公共服务设施计算机网络--刘桂江

D A B C A C T C Bus A B A B C Ring Star 4.1.2 局域网拓扑结构 • 总线结构－所有结点都直接连接到共享信道 • 环型结构－结点通过点到点链路与相邻结点连接 • 星型结构－所有结点都连接到中央结点计算机网络--刘桂江

4.1.3 局域网体系结构(1/8) 1. 局域网参考模型计算机网络--刘桂江

4.1.3 局域网体系结构(2/8) 2. IEEE 802标准计算机网络--刘桂江

4.1.3 局域网体系结构(3/8) 3. 物理层 • 802模型的物理层与OSI/RM的物理层的作用基本一致，主要是确保在通信信道上二进制位信号的正确传输。其主要功能包括信号的编码与解码、前导的生成与去除（该前导用于同步）、二进制位信号的发送与接收等。 • 802模型的物理层还包括对传输媒体和拓扑结构的说明。计算机网络--刘桂江

同步：信道分割 异步：信道共享 4.1.3 局域网体系结构(4/8) 4. MAC子层 • 必须提供相应的机制来控制对传输媒体的访问，以便使之更加有序和有效。这就是MAC协议提供的功能。 • 访问控制技术 • 为了更好地响应站点的及时请求，局域网一般采用动态分配信道的异步机制。计算机网络--刘桂江

4.1.3 局域网体系结构(5/8) • 异步机制分为三种：时间片轮转、预约和竞争。 • 在时间片轮转中，每个结点按照一定的时间顺序得到传输时间片。在该时间片轮到某一个站点时，站点可以选择是否进行传输。如果要进行传输，传输的时间不能超过该时间片的长度。当该站点放弃传输机会或者完成传输后，时间片被传递给下一个逻辑站点。令牌环和令牌总线中的令牌传递（Token Passing）方法采用的就是时间片轮转机制。计算机网络--刘桂江

4.1.3 局域网体系结构(6/8) • 采用预约技术时，媒体访问的时间被分成一些时槽。一个站点需要传输数据时，需要预约一些时槽。城域网的DQDB协议采用的就是预约机制。 • 在竞争机制中，没有相应的控制站点来决定谁来进行数据传输，所有的站点都展开竞争以获取对共享媒体的访问权。这种机制的优点是易于实现，并且在低负荷和中等负荷时性能最好，只是在重负荷下性能会急剧下降。以太网中CSMA/CD协议采用的就是竞争机制。计算机网络--刘桂江

4.1.3 局域网体系结构(7/8) 5. LLC子层 • LLC子层的主要功能有： (1) 建立和释放数据链路层的逻辑连接。 (2) 提供与高层的接口。 (3) 差错控制。 (4) LLC帧的封装和拆卸。计算机网络--刘桂江

4.1.3 局域网体系结构(8/8) • LLC帧、MAC帧和高层PDU之间的关系 • 服务访问点(SAP)：SAP提供了多个高层协议进程共同使用一个LLC层实体进行通信的机制。 • 控制：用于定义LLC帧类型。LLC定义了三种类型的帧：信息帧(I帧)、监控帧(S帧)和无编号帧(U帧)。 • 信息：用于传送用户数据。 LLC PDU MAC PDU 计算机网络--刘桂江

4.2 以太网 4.2.1 以太网概述 4.2.2 以太网物理层 4.2.3 以太网MAC子层协议 4.2.4 二进制指数退避算法 4.2.5 以太网的MAC帧格式 4.2.6 交换式以太网计算机网络--刘桂江

Norman Abramson University of Hawaii 4.2.1 以太网概述 (1/3) • 以太网的核心思想起源于一种分组无线交换网----ALOHA。计算机网络--刘桂江

4.2.1 以太网概述 (2/3) • ALOHA协议相当简单，只要一个站点想要传输信息帧，它就把信息帧传输出去。然后它听一段时间，如果在一段特定的时间内收到了确认，它就认为数据传输成功；否则，传输站点等待一段随机的时间后重发信息帧。由于两个站点等待的时间是随机的，所以它们再次冲突的可能性较小。若又发生了第二次冲突，站点还是采用相同的规则重传信息。如果在发生了好几次重传后仍得不到确认，就只好放弃此次信息的传输。计算机网络--刘桂江

Bob Metcalfe Xerox Palo Alto Research Center 4.2.1 以太网概述 (3/3) • 早期的以太网使用的传输介质是同轴电缆，造价较高。 • 1990年， 10Base-T（双绞线） • 1995年， Fast Ethernet（双绞线和光纤） • 1999年，Gigabit Ethernet（屏蔽双绞线和光纤）计算机网络--刘桂江

4.2.2 以太网物理层 • 以太网的物理层主要是对传输介质进行规范。IEEE为同轴电缆、屏蔽双绞线（STP）、非屏蔽双绞线（UTP）和光纤定义了一套标准。 • IEEE使用的命名标准含有三个部分： 10 BASE 2 1) 速率：表示每秒兆位的数据速率。 2) 信号：表示信道上传输的是基带信号或频带信号。 3) PHY：表示物理介质的质地，以及早期版本中电缆段的最大长度，四舍五入到最近的100米的倍数。表示工作在10 Mbps BASE 代表采用基带信号 2 表示每个网段最长为185米计算机网络--刘桂江

4.2.3 以太网MAC子层协议 (1/7) • 以太网采用的媒体访问控制协议是载波侦听多路访问/冲突检测（CSMA/CD）。 1. CSMA协议 • “载波侦听”的含义是指在使用传输介质发送信息之前，先要侦听(检测)介质上有无信号传送，即侦听传输介质是否空闲。 • “多路访问”的含义是指多个有独立标识符的结点共享一条传输介质。 • CSMA方法又称为“先听后说”方法（LBT，Listen Before Talk）。计算机网络--刘桂江

4.2.3 以太网MAC子层协议 (2/7) (1) 非坚持CSMA 1) 若媒体空闲就传输；否则，转到第2)步。 2) 若媒体忙，等待一段随机的重传延迟时间，重复第1)步。 • 优点：减少冲突发生的可能性。 • 缺点：媒体利用率低。 (2) 1坚持CSMA 1) 若媒体空闲就传输；否则，转到第2)步。 2) 若媒体忙则继续监听，直到检测到信道空闲，然后立即传输。 3) 如果有冲突，则等待一段随机的时间后重复第1)步。 • 优点：媒体利用率提高 • 缺点：冲突增加计算机网络--刘桂江

4.2.3 以太网MAC子层协议 (3/7) (3) P坚持CSMA 1) 若媒体空闲，以概率P传输，以概率(1-P)延迟一时间单位。该时间单位通常等于最大传播延迟的两倍。 2) 若媒体忙，继续监听直到信道空闲，并重复第1)步。 3) 若传输延迟了一个时间单位，则重复第1)步。 • 优点：是非坚持和1坚持算法的折中 • 缺点：传输性能基于P的取值。P太小，让试图传输的站点等待时间太长; P太大，冲突的可能性增大计算机网络--刘桂江

4.2.3 以太网MAC子层协议 (4/7) 2. CSMA/CD协议 • CSMA/CD又被称为边说边听（LWT）。 • 传输时间是指一个数据帧从一个站点开始发送，到该数据帧发送完毕所需的时间；当然，它也表示一个接收站点开始接收数据帧，到该数据帧接收完毕所需的时间。数据传输时间可用下面的公式来表示： • 传输时间（s）= 数据帧长度（bit）/ 数据传输速率（bps） • 传播时间是指从一个站点开始发送数据到另一个站点开始接收数据所需要的时间，也即载波信号从一端传播到另一端所需的时间，称为信号传播时间。信号传播时间可用下面的公式表示： • 信号传播时间（μs）= 两站点间的距离（m）/ 信号传播速度（一般为200m/μs）。计算机网络--刘桂江

4.2.3 以太网MAC子层协议 (5/7) • 在CSMA/CD协议中，欲传输的站点监听媒体并遵循以下规则： 1) 若媒体空闲就传输；否则，转到第2)步。 2) 若媒体忙则继续监听，直到检测到信道空闲，然后立即传输。 3) 如果在传输的过程中监听到冲突，它就发送一个短小的人为干扰信号，这个信号使得冲突的时间足够长，让其他的结点都能发现。 4）所有结点收到干扰信号后，都停止传输，并等待一个随机产生的时间间隙后重发（重复第1）步）。计算机网络--刘桂江

4.2.3 以太网MAC子层协议 (6/7) • CSMA和CSMA/CD两种协议在发生冲突时所浪费的时间情况计算机网络--刘桂江

4.2.3 以太网MAC子层协议 (7/7) • CSMA/CD中一个站点用于检测冲突所需要的最大时间从信道的一端到另一端的传播延迟检测冲突最多需要2τ的时间计算机网络--刘桂江

4.2.4 二进制指数退避算法(1/2) • 算法思想：当一个站点经历重复碰撞时，它应退避一个更长的时间以补偿网络的额外负载。 • 算法过程： • 在一次冲突发生后，时间被分割成离散的时槽。时槽长度= 2τ对于10M以太网，时槽的长度被设置为512位时间，即为51.2μs。 • 第一次冲突产生后，每个站点随机等待0或1个时槽后重新发送。若有多个站点在冲突后又选择了同一个等待时槽数，则它们将再次冲突。在第二次冲突后，它们会从0、1、2、3中随机挑选一个数作为等待的时槽数。若又产生第三次冲突（发生的概率为0.25），则它们将从0～7（23-1）中随机挑选一个等待的时槽数。计算机网络--刘桂江

4.2.4 二进制指数退避算法 (2/2) • 一般而言，n次冲突后，等待的时槽数从0～2n-1中随机选出。但在达到10次冲突后，等待的最大时槽数固定为1023，以后不再增加了。在16次冲突后，站点放弃传输，并报告一个错误。 • 这种退避算法带来一个不良后果：没有遇到过或遇到冲突次数少的站点比等待时间更长的站点更有机会得到媒体的访问权。计算机网络--刘桂江

4.2.5 以太网的MAC帧格式 (1/4) (1) 前导：包含8个字节。 • 用于通知接收端即将有数据帧到来，使接收端能够利用曼彻斯特编码的信号跳变来同步时钟。 (2) 目的地址和源地址：各包含6个字节。 • 目的地址标识了帧的目的地站点，源地址标识了发送帧的站点。计算机网络--刘桂江

4.2.5 以太网的MAC帧格式 (2/4) (3) 类型：包含2个字节。 • 类型域标识了在以太网上运行的客户端协议。使用类型域，单个以太网可以向上复用不同的高层协议(如IP、IPX、ARP等)。 (4) 数据：包含0～1500字节。 • 数据域封装了通过以太网传输的高层协议信息。每个帧所能携带的用户数据最长为1500字节，1500字节的限制是为了防止结点长时间地独占传输媒体。计算机网络--刘桂江

4.2.5 以太网的MAC帧格式 (3/4) (5) 填充：包含0～46字节 • 该域是用于保证以太网中数据帧的长度不能小于某个最小长度64字节（从目的地址域一直到校验和域）。由于以太网帧中的目的地址、源地址、类型和校验和字段总共占18字节，所以帧携带的数据最少为46字节。若从高层传来的数据少于46字节，则通过填充来满足限制。 (6) 校验和：包含4字节 • 这个32位字段包括的值用来校验帧字段中数据位的完整性(不包括前导字段)。这个值通常为循环冗余校验(CRC)码。计算机网络--刘桂江

4.2.5 以太网的MAC帧格式 (4/4) • 以太网数据帧的长度为什么不能小于64字节呢？ • 以太网中的CSMA/CD是基于冲突检测的协议。一个站点如果在传送数据帧时检测到了冲突信号，它就知道这个数据帧发生了错误，然后立即停止传送并等待一段随机的时间重传这个数据帧。但如果冲突信号返回到该站点时，数据帧已经发完，则它就不会重传这个数据帧。 • 要保证以太网的重传的实现，就必须保证发送站点收到冲突信号的时候，数据帧还没有传完。也就是要求站点发送数据帧的时间不能小于最坏情况下的冲突检测时间。根据前面的描述，此时间为2τ（51.2μs）。对于10M以太网来说，就是要保证最小数据帧的长度必须要达到51.2μsx10M bps=512位，也即64字节的长度。计算机网络--刘桂江

4.2.6 交换式以太网 • 交换式以太网的核心是交换机（switch） • 当一个站点发送数据帧时，该帧首先被传送到交换机的插卡上，获得该帧的插卡判断目的站点是否连在同一块插卡上。如果是的话，则将该帧复制到同一块插卡的相应连接器上。如果不是，则通过交换机的高速底板将数据帧复制到目标插卡的相应连接器上。通常，交换机的底板使用私有的协议，其运行速度可达到好几个Gbps。 • 不同插卡上可并行传输数据，同一插卡仍是共享式访问。计算机网络--刘桂江

4.3 无线局域网（WLAN） 4.3.1 WLAN概述 4.3.2 WLAN的应用和优势 4.3.3 WLAN的基本技术 4.3.4 WLAN标准：IEEE 802.11 4.3.5 WLAN展望计算机网络--刘桂江

4.3.1 WLAN概述(1/4) 1. WLAN的发展 1971年，ALOHA 20世纪80年代，建立终端结点控制器(TNC) 1985年，FCC授权普通用户可以使用ISM频段 1990年11月IEEE召开了802.11委员会，开始制订无线局域网标准。 • IEEE 802.11无线局域网标准的制定是无线网络技术发展的一个里程碑。IEEE 802.11规范了无线局域网络的MAC层及物理层。计算机网络--刘桂江

4.3.1 WLAN概述 (2/4) 2. 中国WLAN发展现状 3. WLAN的组成 (1) WLAN设备 1) 无线网卡计算机网络--刘桂江

4.3.1 WLAN概述 (3/4) 2) 无线接入点AP 有线网络与无线网络之间的桥接 (2) WLAN的结构模式 1) 扩展服务集模式ESS • 该模式又称为基础设施模式 • ESS扩大了无线站点间的通信距离计算机网络--刘桂江

4.3.1 WLAN概述 (4/4) 2) 独立基本服务集模式IBSS • 该模式又称为Ad hoc模式，也称为点对点（peer to peer，P2P）模式计算机网络--刘桂江

4.3.2 WLAN的应用和优势 1. WLAN的应用领域 (1) 作为有线局域网的扩充 (2) 建筑物之间的互连 (3) 临时性网络 2. WLAN的优点 (1) 搭建速度较快 (2) 安装灵活方便 (3) 节约建设投资 (4) 维护费用较低 (5) 易于使用扩充计算机网络--刘桂江

4.3.3 WLAN的基本技术(1/4) 1. 红外线技术 • 红外线局域网采用小于1μm波长的红外线作为传输媒体，具有非常高的频率，有较强的方向性。由于它采用低于可见光的部分频谱作为传输介质，使用不受无线电管理部门的限制。与微波通信一样，红外线也是按视距方式传播的。 • 红外无线局域网具有以下几个优点： • 安全性较高 • 每个房间里的红外线网络可以互不干扰 • 红外线局域网设备相对简单且又便宜计算机网络--刘桂江

4.3.3 WLAN的基本技术 (2/4) 2. 扩频技术 • 主要目的是将信号散布到更宽的带宽上，以减小发生拥塞和干扰的概率。（1）跳频通信 • 在跳频方案中，按固定的时间间隔使发送信号频率从一个频谱跳到另一个频谱。接收器与发送器同步跳动，从而正确地接收信息。而那些可能的入侵者只能得到一些无法理解的信号。 • IEEE 802.11标准规定每300 ms的间隔变换一次发送频率。发送频率变换的顺序由一个伪随机数决定，发送器和接收器使用相同变换的顺序序列。计算机网络--刘桂江

4.3.3 WLAN的基本技术 (3/4) （2）直接序列扩频 • 在直接序列扩频方案中，输入数据信号进入一个通道编码器并产生一个接近某中央频谱的较窄带宽的模拟信号。这个信号将用一伪随机数序列来进行调制。 • 在接收端，使用同样的数字序列来恢复原信号，然后信号再进入通道解码器来还原传送的数据。计算机网络--刘桂江

4.3.3 WLAN的基本技术 (4/4) 3. 窄带技术 • 在窄带调制方式中，数据基带信号的频谱不做任何扩展即被直接搬移到射频发射出去。窄带无线设备以尽可能窄的无线信号频率传递信息。通过小心调整使用不同信道频率的用户，在信道之间避免干扰。 • 与扩频技术相比，窄带调制方式占用频带少，频带利用率高。计算机网络--刘桂江

4.3.4 WLAN标准：IEEE 802.11(1/15) 1. 802.11标准系列简介 (1) IEEE 802.11 • 标准定义了物理层和MAC层协议的规范，带宽2Mbps 。 (2) IEEE 802.11b • 带宽最高可达11Mbps，比IEEE 802.11标准快5倍，扩大了无线局域网的应用领域。 (3) IEEE 802.11a • 工作在5GHz频带，带宽最高可达54Mbps。计算机网络--刘桂江

4.3.4 WLAN标准：IEEE 802.11(2/15) (4) IEEE 802.11g • 802.11g其实是一种混合标准，它既能适应传统的802.11b标准，也符合802.11a标准。 (5) IEEE 802.11i—安全 (6) IEEE 802.11e--QoS (7) IEEE 802.11f—构建 (8) IEEE 802.11s—Wireless Mesh Network 计算机网络--刘桂江

物理层管理子层 4.3.4 WLAN标准：IEEE 802.11(3/15) 2. WLAN的物理层 • WLAN的物理层主要由三部分组成：PMD协议（物理介质相关协议）、PLCP（物理层汇聚协议）、物理层管理子层，如图所示。 • PMD子层用于识别相关介质传输的信号所使用的调制和编码技术； • PLCP子层主要进行载波侦听的分析和针对不同的物理层形成相应格式的分组； • 物理层管理子层为不同的物理层进行信道选择和调谐。计算机网络--刘桂江

4.3.4 WLAN标准：IEEE 802.11(4/15) 3. WLAN的MAC层 • 无线传输的隐藏站点问题 • (a)表示站点A和C都想和B通信，但A和C都不在对方的无线电波范围内。假定A正在给B传送数据，若C此时监听信道，则它什么也不会听到，从而错误地得出结论：现在可以向B发送数据了。结果B同时收到A和C发来的数据，发生了冲突。这种未能检测出媒体上已存在信号的问题叫做隐藏站点问题。计算机网络--刘桂江

4.3.4 WLAN标准：IEEE 802.11(5/15) • 无线传输的暴露站点问题 • (b)给出了另一种情况。这里C希望传送数据给D，但此时B正在给A传送数据，所以C监听到信道上有信号，从而得出错误的结论：现在不能向D传送数据。其实B向A传送数据并不影响C向D传送数据。这就是暴露站点问题。计算机网络--刘桂江

4.3.4 WLAN标准：IEEE 802.11(6/15) (1) MAC子层结构 • DCF通过使用CSMA/CA和随机退避算法实现介质的自动共享。DCF向上提供竞争服务。 • PCF通过使用集中控制的接入算法（一般在接入点AP实现集中控制），用类似于探询的方法将发送数据权轮流交给各个站点，从而避免了冲突的产生。 • 所有的802.11实现必须都支持DCF，而PCF则是可选的。计算机网络--刘桂江

4.3.4 WLAN标准：IEEE 802.11(7/15) (2) CSMA/CA 1) CSMA/CA的两种载波侦听 • 物理侦听机制和以太网中的CSMA/CD的侦听机制完全相同，即站点在帧传送之前要侦听信道，如果信道忙则推迟帧传送，直到信道空闲为止。 • 虚拟侦听机制是一种与无线信道状态无关的侦听机制。它要求每个站点都维护一个变量NAV（Network Allocation Vector，其值是一个时间长度），在一个站点的NAV指定的时间段内，该站点会认为信道忙。计算机网络--刘桂江

计算机网络 C omputer N etwork