4.3 局域网的参考模型和协议

1. 应用层 表示层 会话层 传输层 LSAP 网际层 网络层 网际层 ( ) ( ) 数据链路层 LLC LLC MSAP ( ) ( ) MAC MAC PSAP ( ) ( ) 物理层 物理层 物理层 OSI参考模型 4.3 局域网的参考模型和协议 4.3.1 局域网的参考模型 局域网的参考模型

2. 4.3.1 局域网的参考模型 局域网的参考模型的特点： • 局域网只是一个通信子网，所以模型很简单 • 数据链路层又分为LLC子层（逻辑链路控制子层）和MAC子层（介质访问控制子层）； LLC子层完成相当于OSI模型的数据链路层的功能， MAC子层完成共享信道的功能 • 广播式发送信息，不需路由选择和拥挤控制，所以没有单独设立网络层； • 涉及到网络之间的互联，所以设置了网际层实现不同的局域网的传输 • 服务访问点：PSAP,MSAP,LSAP

3. 网际层 IEEE802.1体系结构、网络的管理和互连 数据 链路 层 IEEE802.2 逻辑链路控制子层LLC 802.3 CSMA /CD 802.4 Token Bus 802.5 Token Ring 802.6 城域 网 802.7 宽带 网 802.8 光纤 网 802.11 无线 网 物理层 物 理 层 协 议 4.3.2 局域网的协议 1. 802协议 1980年2月由IEEE制定了一系列的局域网的标准： 802系列协议

4. 目前IEEE已经制定局域网标准有10多个，主要的标准如下：·IEEE 802.1A：局域网体系结构，并定义接口原语；·IEEE 802.1B：寻址、网间互连和网络管理；·IEEE 802.2：描述逻辑链路控制（LLC）协议，提供OSI数据链路层的上部子层功能，以及介质接入控制（MAC）子层与LLC子层协议间的一致接口；·IEEE 802.3：描述CSMA/CD介质接入控制方法和物理层技术规范；·IEEE 802.4：描述令牌总线网标准；·IEEE 802.5：描述令牌环网标准；·IEEE 802.6：描述城域网DQDB标准；·IEEE 802.7：描述宽带局域网技术；·IEEE 802.8：描述光纤局域网技术； ·IEEE 802.9：描述综合话音/数据局域网（IVD LAN）标准；·IEEE 802.10：描述可互操作局域网安全标准（SILS），定义提供局域网互连的安全机制；·IEEE 802.11：描述无线局域网标准；·IEEE 802.12：描述交换式局域网标准，定义100Mb/s高速以太网按需优先的介质接入控制协议100VG-ANYLAN。·IEEE802.14：描述交互式电视网（包括cable modem）

5. A B 请求 指示 A B 请求 指示 响应 证实 A B 请求 指示 证实 2. 逻辑链路控制子层 LLC 逻辑链路控制子层的服务： ①无连接的服务： 请求和指示原语 ②面向连接的服务： 请求、指示、响应和证实原语 环形网的服务： 面相连接的服务： 请求、指示、证实三种原语

6. 逻辑链路控制子层的服务访问点LLC SAP • 一个主机中可能有多个进程在运行，它们可能同时与其他一些进程进行通信，因而一个主机的LLC层应设有多个服务访问点（L-SAP），即在网络层与LLC子层的界面上提供多个逻辑接口。来自多个L-SAP的服务在LLC子层中进行复用。 • 所谓复用是指利用L-SAP在任一对网络节点之间同时建立多条逻辑链路连接，然后经统一的服务访问点M-SAP与MAC子层交互。所以，MAC子层向上只需提供一个服务访问点M-SAP，也即单一的逻辑接口。MAC子层与物理层之间也只需提供单一的服务访问点（P-SAP）。

7. LLC服务访问点 在图中所示的局域网上共有三个站，站A的一个进程x 欲向站C中的某个进程发送文件，它必须通过站A的LLC层 的一个服务访问点SAP1请求与站C的服务访问点SAP1建立连接， 在此过程中，需要有以下两种地址：·MAC地址·SAP地址

8. ·MAC地址：　　即某站在网络中的物理地址，它由MAC帧进行传送。IEEE为每个站都规定了一个48位的全局地址，当一个站搬移到另一个局域网时，并不改变其全局地址。在48位的地址中，高24位由IEEE分配，世界上凡是生产局域网网卡的厂家都必须向IEEE购买这相应的高24位地址。低24位用于不同厂商或网络管理员对不同的网卡进行配置。这样，对于共享同一传输介质的局域网来说，物理地址不仅指明了数据发送和接收的网卡，还可以过滤那些不属于本主机接收但又必须处理的数据帧信息，并且能有效地处理广播方式的数据传输。·MAC地址：　　即某站在网络中的物理地址，它由MAC帧进行传送。IEEE为每个站都规定了一个48位的全局地址，当一个站搬移到另一个局域网时，并不改变其全局地址。在48位的地址中，高24位由IEEE分配，世界上凡是生产局域网网卡的厂家都必须向IEEE购买这相应的高24位地址。低24位用于不同厂商或网络管理员对不同的网卡进行配置。这样，对于共享同一传输介质的局域网来说，物理地址不仅指明了数据发送和接收的网卡，还可以过滤那些不属于本主机接收但又必须处理的数据帧信息，并且能有效地处理广播方式的数据传输。

9. ·SAP地址：　　即进程在站中的地址，由LLC帧负责传送。　　由此可见，局域网中的寻址要分两步走，第一步是用MAC帧的地址信息找到网络中的某一个站，第二步是用LLC帧的地址信息找到该站中的某个SAP。这样，从站A发出的连接请求帧的源地址和目的地址分别表示为A(1)和C(1)，其中A和C都是MAC地址，括号中的数字则是相应站中LLC层上的SAP地址。　　当站C同意建立连接时，就向站A返回一个接受连接的帧，从此以后，所有由站A的进程x发往站C的帧，都包括源地址A(1)和目的地址C(1)。凡是发给地址C(1)的帧，若其源地址不是A(1)，都将被过滤掉（拒收）。同样，凡不是由地址C(1)发给A(1)的帧也被过滤掉。　　现在如果站A上还有一个进程y和SAP2连接上，并且要和站B的SAP1交换数据。这时，从A(2)到B(1)也可以建立一条连接。同理，进程z还可以从地址B(2)与A(3)建立连接。可见，多个SAP是可以复用一条数据链路的。　　正是因为有了SAP的概念，才使得LLC层具有复用功能。当一个LLC层有很多的服务访问点时，不同的用户使用不同的SAP就可以请求不同的服务。例如，某些用户通过某些SAP使用互联网协议IP，另外一些用户使用IPX协议，还有的可以使用CLNS，这些不同类型的用户同时使用同一站的LLC服务，在一个局域网上互不干扰地同时工作着。

10. SSAP C INFO LLC帧结构： DSAP I/G DDDDDDD C/S SSSSSSS 0：命令 0 N(S) P/F N(R) 1：响应 1 0 0000 P/F N(R) 0：单目地址 1： 多目地址 1 1 M P/F M 2. 逻辑链路控制子层 LLC 逻辑链路控制子层帧结构：

11. HDLC帧结构： FCS A F C INFO F SSAP C INFO LLC帧结构： DSAP 2. 逻辑链路控制子层 LLC LLC帧结构与HDLC帧对比： • LLC帧结构与HDLC帧不同之处： • LLC帧的地址有源地址和目的地址，而HDLC是点到点的协议，无需源地址。 • LLC帧没有帧标记和帧效验，它的帧标记和帧效验移至了MAC子层。 原因：LLC与MAC共同完成数据链路层的功能，而且LLC还完成一部分网络功能。

12. 3. 介质访问控制子层 MAC 介质访问控制子层主要是完成介质访问控制问题： • 以太网介质访问控制是：CSMA/CD • 令牌环网的介质访问控制是：令牌 介质访问控制子层的服务： MAC子层只是向LLC子层提供数据传输服务。 • 有三种原语实现服务： • 请求 • 指示 • 证实

13. PA SFD DA SA L INFO PAD FCS 3. 介质访问控制子层 MAC 以太网介质访问控制子层的帧结构： • PA：前导码，7个字节，为10101010，用于收发的同步 • SFD：帧开始定界符，有效帧的开始，为10101011 • DA,SA：目的地址和源地地址，一般是48位 • L：数据字段的长度 • INFO：数据字段 • PAD：填充字段。当数据字段过短时，填充若干字节，满足最短长度要求（冲突时间片：2d时间能传输的帧的长度 ） • FCS：帧效验序列，32位循环冗余码 • （生成多项式位：x32 + x26 + x23 + x22 + x16 + x12 + x11 + x10 + x8 + x7 + x5 + x4 + x2 + x+1）

14. SFS FCS作用范围 EFS SD AC FC DA SA INFO FCS ED FS 3. 介质访问控制子层 MAC 令牌环网介质访问控制子层的帧结构： • SFS 帧首序列：SD，AC • SD：帧首定界符 • AC：访问控制 • FCS作用范围： FC， DA，SA，INFO， FCS • FC：帧控制 • DA，SA：目的地址和源地地址 • FCS：帧效验序列 • EFS帧尾序列：ED，FS • ED：帧尾定界符 • FS：帧状态，

15. SFS FCS作用范围 EFS SD AC FC DA SA INFO FCS ED FS JK0JK000 SD： 开始结束定界符，差分曼彻斯特编码 物理违例编码法 JK1JK111 ED： PPP T M RRR AC： 令牌的结构 0:闲 优先级 预约优先级 1:忙 监控位 FF ZZZZZZ FC： ACrr ACrr FS： 3. 介质访问控制子层 MAC 令牌环网介质访问控制子层的帧结构： 目前只使用了前两位FF(00),表示MAC帧 FF(01),表示LLC帧 只有A,C两位有用，A为地址位：目的是否识别 C为复制位：目的是否复制了该帧

16. 4. 物理层 物理层传输的是比特流（即二进制的位） 编码：曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码 物理层协议：不同传输介质及接口的机械特性、电气特性、功能特性和规程特性

17. 4.4 局域网发展 局域网的发展： • 网络的结构和速度：10M,100M,1000Mbps • 网络的软件：主要是网络操作系统 • 以太网的发展： • 普通以太网：10Mbps • 快速以太网：100Mbps • 千兆以太网：1000Mbps

18. 以太网主要技术发展情况

19. 以太网媒体接入控制 MAC 10BASE5 粗缆 10BASE2 细缆 10BASE-T 双绞线 10BASE-F 光缆 传统以太网的连接方法 • 传统以太网可使用的传输媒体有四种： • 铜缆（粗缆或细缆） • 铜线（双绞线） • 光缆 • 这样，以太网就有四种不同的物理层。

20. 铜缆或铜线连接到以太网的示意图 主机箱 主机箱 主机箱 网卡 DB-15 连接器 双绞线 收发器电缆 RJ-45 插头 BNC 连接器 插口 收发器 插入式 分接头 MAU 内导体 MDI 集线器 BNC T 型接头 外导体屏蔽层 保护外层

21. 收发器 端接器 收发器电缆 接地端 pc pc pc pc 高层 LLC MAC 介质 PLS物理收发信号 AUI MAU介质连接单元单元 以太网的发展：普通以太网 10Mbps 1. 10BASE5：10Mbps，基带传输，网段长度为100m的5倍 特点： 总线一般为粗同轴电缆 抗干扰性好 收发器可以防止信号衰减 布线不方便

22. 以太网的发展：普通以太网 10BASE5网络的物理限制

23. 以太网的发展：普通以太网 HUB HUB R R R R HUB HUB HUB 54321方法 5个网段 4中继器（R：中继器） 3个网段可以连接计算机 2个网段不可以连接计算机 1个网络

24. 以太网的发展：普通以太网 T型头 端接器 pc pc pc pc 接地端 2. 10BASE2： 10Mbps，基带传输，网段长度为100m的2倍（即185米） 10BASE2网络的物理限制 • 特点： • 总线一般为细 同轴电缆 • 将MAU和AUI集成到网卡，采用T型头 • 布线方便

25. 以太网的发展：普通以太网 HUB 双绞线 3. 10BASE_T： 10Mbps，基带传输，采用双绞线和星型结构 10BASE_T网络的物理限制 • 特点： • 采用双绞线和星型结构 • 全部集成到网卡 • 布线更方便，结构化布线

27. 争用期的长度 • 以太网取 51.2 s 为争用期的长度。 在极限条件下，一个局域网中两个收发器间（允许接4个中继器）的最大距离为2500 m，往返5000 m，同轴电缆的时延特性为4.33 s/km（相当于电磁波以77%的光速在电缆上传播），即如遇冲突，端到端并返回的时延为21.65 s。然而，这是理想的时延，考虑到中继器的额外时延，最坏的情况下取估计时延为45 s，再加上强化冲突需发送48 bit，接收方要接收到48 bit后才确认冲突，即再增加4.8 s，共49.8 s，所以通常以太网取51.2 s为争用期的时间长度（传输512 bit，即64字节的时间），即帧的长度至少为64个字节 • 对于 10 Mb/s 以太网，在争用期内可发送512 bit，即 64 字节。 • 以太网在发送数据时，若前 64 字节没有发生冲突，则后续的数据就不会发生冲突。

28. 最短有效帧长 • 如果发生冲突，就一定是在发送的前 64 字节之内。 • 由于一检测到冲突就立即中止发送，这时已经发送出去的数据一定小于 64 字节。 • 以太网规定了最短有效帧长为 64 字节，凡长度小于 64 字节的帧都是由于冲突而异常中止的无效帧。

29. 以太网的发展：快速以太网 100Mbps 快速以太网的发展： 100VG_AnyLAN， 100BASE_T 1. 100VG_AnyLAN ：100Mbps very good 特点：不使用CSMA/CD协议，而是采用DPAM （按需优先级存取方法） 星状拓扑结构，支持3，4，5类双绞线 采用4对双绞线，4对同时传输数据 采用5B/6B编码方法 缺点：没有相应的设备；不支持全双工，不能使用光纤

30. 以太网的发展：快速以太网 1. 100VG_AnyLAN ：100Mbps very good • DPAM（按需优先级存取方法）： • 集线器充当管理员，每个站点要先向集线器发出请求 • 请求有两个优先级：一般请求和高优先级请求 • 当网络空闲时，允许站点进行发送；网络忙时，站点等待发送 • 管理员先处理优先级高的站点；但一般请求会随着等待时间的加长，会被当作高优先级来处理 • 集线器将信息只在目的端口转发，而不是所有端口。

31. 以太网的发展：快速以太网 • 100BASE_T： • 100BASE_TX, 100BASE_T4, 100BASE_FX • ① 100BASE_TX • 使用两对5类UTP，一对用于发送数据；另一对用于接收（或者1类STP） • 采用4B/5B编码方法 • 采用MIL-3多电平传输波形法，可以降低信号的频率 • 这样100Mbps的传输速率只需125MHz的数据流来传输。

32. 1Tx+ 2Tx- 3Rx+ 4 5 6Rx- 7 8 Tx+1 Tx-2 Rx+3 4 5 Rx-6 7 8 87654321 RJ-45插座 100Base-TX直通线缆 • 交换机（或HUB）的RJ-45端口与主机网卡的RJ-45端口的连接电缆为直通（Straight-Through）的8芯5类线缆

33. 1Tx+ 2Tx- 3Rx+ 4 5 6Rx- 7 8 Tx+1 Tx-2 Rx+3 4 5 Rx-6 7 8 87654321 RJ-45插座 100Base-TX交叉线缆 • 交换机（或HUB）的RJ-45端口与交换机（或HUB）的RJ-45端口的连接电缆为交叉（Crossover）的8芯5类线缆

34. 以太网的发展：快速以太网 • ② 100BASE_T4 • 使用4对3,4,5类UTP，3对用于发送接收数据，1对用于控制 • 采用8B/6T编码方法(8位二进制转换为6位三进制) • 如何达到100Mbps的速率 • 规定3类UTP的信号频率为25MHz • 4对3类UTP • 25×3×8/6=100

35. 以太网的发展：快速以太网 • ② 100BASE_FX • 使用光纤的规范，范围大，距离远，安全，强抗干扰 • 采用单模光纤或多模光纤 • 距离2km • 编码4B/5B

36. 以太网的发展：千兆以太网 1000Mbps • ① 1000BASE_SX ：主要用于短距离主干网 • 采用多模光纤（芯为50及62.5um，波长为850nm） • 采用8B/10B编码，传输距离为260m和525m • ②1000BASE_LX： 主要用于校园主干网 • 采用单模或多模光纤（芯为50及62.5um，波长为1300nm） • 采用8B/10B编码，传输距离为525m,550m和3000m • ③ 1000BASE_CX： 一个交换机房间内 • 采用STP，采用8B/10B编码，传输距离为25m • ④1000BASE_T： 同一建筑物内，结构化布线 • 采用4对5类UTP，传输距离为100m

37. Gigabit Ethernet • 千兆以太网的标准是802.3z，直到1998年6月才公布 • 以太网最根本的特征是采用CSMA/CD机制。 • 为进行冲突检测，最小帧的传输时间必须大于最长距离的信号往返传播时间，唯一的办法是将增加时隙长度，千兆以太网采用的是载波扩展技术，即将时隙增加到4096比特（512字节），但并不增加最小帧的长度

38. 载波延伸(carrier extension) • 吉比特以太网在工作在半双工方式时，就必须进行碰撞检测。 • 由于数据率提高了，因此只有减小最大电缆长度或增大帧的最小长度，才能使参数 a 保持为较小的数值。 • 吉比特以太网仍然保持一个网段的最大长度为 100 m，但采用了“载波延伸”的办法，使最短帧长仍为 64 字节（这样可以保持兼容性），同时将争用时间增大为 512 字节。

39. 在短 MAC 帧后面加上载波延伸 • 凡发送的 MAC 帧长不足 512 字节时，就用一些特殊字符填充在帧的后面，使MAC 帧的发送长度增大到 512 字节，但这对有效载荷并无影响。 • 接收端在收到以太网的 MAC 帧后，要将所填充的特殊字符删除后才向高层交付。 前同步码 目地地址 源地址 数据长度 数 据 FCS 载波延伸 MAC 帧的最小值 = 64 字节 加上载波延伸使 MAC 帧长度 = 争用期长度512 字节 在以太网上实际传输的帧长

40. 分组突发 • 当很多短帧要发送时，第一个短帧要采用上面所说的载波延伸的方法进行填充。 • 随后的一些短帧则可一个接一个地发送，只需留有必要的帧间最小间隔即可。这样就形成可一串分组的突发，直到达到 1500 字节或稍多一些为止。 将突发计时器设定为 1500 字节 争用期 512 字节 载波 监听 载波延伸 发送的 数据 分组#1 RRRRRRRR分组#2 RRRR分组#3 RRR分组#4

41. 全双工方式 • 当吉比特以太网工作在全双工方式时（即通信双方可同时进行发送和接收数据），不使用载波延伸和分组突发。

42. 吉比特以太网的配置举例 中央服务器 吉比特 交换 集线器 100 Mb/s 链路 1 Gb/s 链路 百兆比特或吉比特集线器

43. 4.6.3 10吉比特以太网 • 10 吉比特以太网与 10 Mb/s，100 Mb/s 和 1 Gb/s 以太网的帧格式完全相同。 • 10 吉比特以太网还保留了 802.3 标准规定的以太网最小和最大帧长，便于升级。 • 10 吉比特以太网不再使用铜线而只使用光纤作为传输媒体。 • 10 吉比特以太网只工作在全双工方式，因此没有争用问题，也不使用 CSMA/CD 协议。

44. 吉比特以太网的物理层 • 局域网物理层 LAN PHY。局域网物理层的数据率是 10.000 Gb/s。 • 可选的广域网物理层 WAN PHY。广域网物理层具有另一种数据率，这是为了和所谓的“Gb/s”的 SONET/SDH（即OC-192/STM-64）相连接。 • 为了使 10 吉比特以太网的帧能够插入到 OC-192/STM-64 帧的有效载荷中，就要使用可选的广域网物理层，其数据率为 9.95328 Gb/s。

45. 端到端的以太网传输 • 10 吉比特以太网的出现，以太网的工作范围已经从局域网（校园网、企业网）扩大到城域网和广域网，从而实现了端到端的以太网传输。 • 这种工作方式的好处是： • 成熟的技术 • 互操作性很好 • 在广域网中使用以太网时价格便宜。 • 统一的帧格式简化了操作和管理。

46. 以太网从 10 Mb/s 到10 Gb/s 的演进 • 以太网从 10 Mb/s 到 10 Gb/s 的演进证明了以太网是： • 可扩展的（从 10 Mb/s 到 10 Gb/s）。 • 灵活的（多种传输媒体、全/半双工、共享/交换）。 • 易于安装。 • 稳健性好。

47. 虚拟局域网（VLAN） • 利用交换式集线器可以很方便的实现虚拟局域网VLAN（Virtual LAN）。虚拟局域网其实只是给用户提供的-种服务，而并不是一种新型局域网。　　下图中的是使用了四个交换式集线器的网络拓扑。设有10个工作站分配在三个楼层中，构成了三个局域网，即：LAN1：（Al，A2，B1，C1）LAN2：（A3，B2，C2）LAN3：（A4，B3，C3）　　但这10个用户划分为3个工作组，即：A1-A4；B1-B3；Cl-C3。从图中可看出，每一个工作组的工作站都处在不同的局域网中，也不在同一层楼中。

49. 可以利用交换集线器将这10个工作站划分为三个虚拟局域网：VLAN1、VLAN2和VLAN3。在虚拟局域网上的每一个站都可以听到同一个虚拟局域网上的其他成员所发出的广播。例如，工作站B1～B3同属于虚拟局域网VLAN2。当B1向工作组内成员发送数据时，工作站B2和B3将会收到广播的信息，虽然它们没有和B1连在向一个集线器上，相反，Bl发送数据时，工作站A1，A2和C1郁不会收到B1发出的广播信息，虽然它们都与BI连接在同一个集线器上。交换式集线器不向虚拟局域网以外的工作站传送B1的广播信息。这样，虚拟局域网限制了接收广播信息的工作站数，使得网络不会因传播过多的广播信息而引起性能恶化。即所谓的"广播风暴"。在共享传输介质的局域网中，网络总带宽的绝大部分都是由广播帧消耗的。　　由于虚拟局域网是用户和网络资源的逻辑组合，因此可按照需要将有关设备和资源非常方便地重新组合，使用户从不同的服务器或数据库中存取所需的资源。　　目前使用虚拟局域网的最大问题是当网络要跨越三个以上的集线器时，就变得难以维护。此外，不同厂商生产的具有虚拟局域网功能的集线器之间还缺少互操作性。