第 7 讲局域网（ 1 ）

第 7 讲局域网（1）

知识回顾 • 数据链路层功能 • 差错控制 • 透明传输 • 帧定界 • 流量控制

本讲内容和教学目标 • 了解局域网的拓扑结构和共享媒体 • 了解适配器的作用 • 理解CSMA/CD协议的工作原理 • 掌握二进制指数类型退避算法

局域网 • 局域网最主要的特点是：网络为一个单位/组织所拥有，且地理范围和站点数目均有限。 • 局域网具有如下的一些主要优点 • 具有广播功能，从一个站点可很方便地访问全网。局域网上的主机可共享连接在局域网上的各种硬件和软件资源。 • 便于系统的扩展和逐渐地演变，各设备的位置可灵活调整和改变。 • 提高了系统的可靠性、可用性和残存性。

局域网的拓扑 集线器星形网总线网匹配电阻干线耦合器环形网树形网

Central server 星型（Star）拓扑结构 • 特点： • 集中控制 • 中心交换节点功能复杂，但其他通信节点负荷相对较轻。 • 建设成本较大 • 可扩展性好

环型（Ring） Ring network • 由一组转发器通过点对点连接成环路构成。常采用令牌方式控制媒体访问。 • 环形拓扑的优点： • 电缆长度短。 • 增加或减少工作站时，仅需简单的连接操作 • 可使用光纤。 • 环形拓扑的缺点： • 节点的故障会引起全网故障。 • 故障检测困难。 • 环形拓扑结构的媒体访问控制协议都采用令牌传达室递的方式，在负载很轻时，信道利用率相对来说就比较低。

Bus network 总线型（Bus）对于共享媒体型网络，网络的拓扑结构和媒体访问控制协议很重要。设计一个好的媒体访问控制协议有三个基本要求：简单、有效的通道利用率、对用户的公平合理。 • 通信网络只是传输媒体 • 成本低 • 分散控制 • 常采用CSMA/CD或Token方式进行媒体访问控制 • 广播型网络

Network backbone Concentrator (or hub) 树型

其它网络拓扑结构-网状（Mesh） • 网络复杂 • 连接成M×N

媒体共享技术 • 静态划分信道 • 频分复用 • 时分复用 • 波分复用 • 码分复用 • 动态媒体接入控制（多点接入） • 随机接入 • 受控接入，如多点线路探询(polling)，或轮询。

以太网的两个标准 • DIX Ethernet V2 是世界上第一个局域网产品（以太网）的规约。 • IEEE 的 802.3 标准。 IEEE是电气和电子工程师协会（Institute of Electrical and Electronics Engineers）的简称. • DIX Ethernet V2 标准与 IEEE 的 802.3 标准只有很小的差别，因此可以将 802.3 局域网简称为“以太网”。 • 严格说来，“以太网”应当是指符合 DIX Ethernet V2 标准的局域网。IEE802将数据链路层分为LLC子层和MAC子层 • 太网所提供的服务主要对应于OSI参考模型的第一和第二层，即物理层和逻辑链路层；而IEEE 802.3则主要是对物理层和逻辑链路层的通道访问部分进行了规定。 • http://en.wikipedia.org/wiki/IEEE_802

IEEE 802 Architecture

IEEE 802协议1-6 • IEEE组织主要负责有关电子和电气产品的各种标准的制定。IEEE于1980年2月成立了IEEE 802委员会，专门研究和指定有关局域网的各种标准。 • 802.1--高层及其交互工作。提供高层标准的框架，包括端到端协议、网络互连、网络管理、路由选择、桥接和性能测量。 • 802.2--连接链路控制LLC，提供OSI数据链路层的高子层功能，提供LAN 、MAC子层与高层协议间的一致接口。 • 802.3--以太网规范，定义CSMA/CD标准的总线介质访问控制（MAC）子层和物理层规范。 • 802.4--令牌总线网。定义令牌总线（Token Bus）介质访问控制（MAC）子层和物理层规范。 • 802.5--令牌环线网，定义令牌传环（Token Ring）介质访问控制（MAC）子层和物理层规范。 • 802.6--城域网MAN，定义城域网（MAN）的介质访问控制（MAC）子层和物理层规范(DQDB分布队列双总线)。

IEEE802协议7-21 • 802.7--宽带技术咨询组，为其他分委员会提供宽带网络技术的建议和咨询。 • 802.8--光纤技术咨询组，为其他分委员会提供使用有关光纤网络技术的建议和咨询。 • 802.9--综合话音/数据局域网（IVD LAN ）。定义综合话音/数据终端访问综合话音/数据局域网（包括IVD LAN、MAN、WAN ）的媒体访问控制（MAC）子层和物理层规范。 • 802.10--可互操作局域网安全标准（SILS ）。定义局域网互连安全机制。 • 802.11--无线局域网。定义自由空间媒体的媒体访问控制（MAC）子层和物理层规范。 • 802.12--按需优先（100VG-ANYLAN ）。定义使用按需优先访问方法的100Mpbs 的以太网标准。 • 802.14--定义了电缆调调制解调器（cable modem）标准。 • 802.15--定义了近距离个人无线网络标准。 • 802.16--定义了宽带无线局域网标准。 • 目前，IEEE标准802.1-802.6 已成为ISO的国际标准ISO8802-1~8802-6。 • 802.17 (弹性分组环 (Resilient Packet Ring)) • 802.18：无线管制 Radio Regulatory TAG • 802.19：共存 Coexistence TA • 802.20：移动宽带无线接入 Mobile Broadband Wireless Access (MBWA) • 802.21：媒质无关切换 Media Independent Handoff

数据链路层的两个子层 • 为了使数据链路层能更好地适应多种局域网标准，802 委员会就将局域网的数据链路层拆成两个子层： • 逻辑链路控制 LLC (Logical Link Control)子层 • 媒体接入控制 MAC (Medium Access Control)子层。 • 与接入到传输媒体有关的内容都放在 MAC子层，而 LLC 子层则与传输媒体无关，不管采用何种协议的局域网对 LLC 子层来说都是透明的

LLC LLC 逻辑链路控制 MAC MAC 媒体接入控制局域网对 LLC 子层是透明的 LLC 子层看不见下面的局域网网络层网络层数据链路层局域网物理层物理层站点 1 站点 2

LLC的功能 • 提供三种服务： • 无连接的服务 • 面向连接的服务 • 复用 • 差错控制与流量控制 • 类似于HDLC协议

以后一般不考虑 LLC 子层 • 由于 TCP/IP 体系经常使用的局域网是 DIX Ethernet V2 而不是 802.3 标准中的几种局域网，因此现在 802 委员会制定的逻辑链路控制子层 LLC（即 802.2 标准）的作用已经不大了。 • 很多厂商生产的适配器上就仅装有 MAC 协议而没有 LLC 协议。

适配器的作用 • 网络接口板又称为通信适配器(adapter)或网络接口卡NIC (Network Interface Card)，或“网卡”。 • 适配器的重要功能 • 进行串行/并行转换。 • 对数据进行缓存。 • 在计算机的操作系统安装设备驱动程序。 • 实现以太网协议。

计算机通过适配器和局域网进行通信 IP 地址硬件地址计算机 CPU 和存储器适配器（网卡）至局域网并行通信串行通信生成发送的数据处理收到的数据把帧发送到局域网从局域网接收帧

Star Layout - Bus Topology

多路访问协议 • 对于广播信道，需要解决信道分配问题，信道的分配方案有： • 静态分配：如传统的FDM或TDM，如果有N个用户，把带宽或时间分成N份，每个用户静态地占用一个。缺点是不能有效地处理突发数据，有的用户无通信量时白白浪费资源。 • 动态分配：异步时分多路复用。分为两种： • 随机访问（争用，contention）：只要有数据，就可直接发送，发生冲突后再采取措施解决冲突。适用于负载轻的网络，负载重时效率低。 • 控制访问：发送站点必须先获得发送的权利，再发送数据，不会发生冲突。在负载重的网络中可获得很高的信道利用率。主要有轮转（round-robin）和预约（reservation）两种方式。

争用协议一：ALOHA协议 • 20世纪70年代，美国夏威夷大学的ALOHA网通过无线广播信道将分散在各个岛屿上的远程终端连接到本部的主机上，是最早采用争用协议的网络。 • 有两个版本： • 纯ALOHA协议（Pure ALOHA）：每个站点只要有数据就可发送；通过监听信道来发现是否发生冲突；若冲突，则等待一段随机时间，再重新发送。 • 时隙ALOHA协议（Slotted ALOHA）：将信道时间分为离散的时间片，每个时间片可以用来发送一个帧。一个站点有数据发送时，必须等到下个时间片的开始才能发送。与纯ALOHA相比信道的利用率提高一倍。

争用协议二：CSMA协议 • 载波侦听多路访问（Carrier Sense Multiple Access）协议中，各站点不是随意发送数据帧，而是先要监听一下信道，根据信道的状态来调整自己的动作，只有发现信道空闲后再可发送数据。即“讲前先听” • 常见的四种CSMA协议： • 1-坚持式CSMA（1-persistent CSMA） • 非坚持式CSMA（non-persistent） • p-坚持式CSMA（p-persistent CSMA） • 带有冲突检测的CSMA（CSMA with Collision Detection) (CSMA/CD)

CSMA/CD 协议 • 最初的以太网是将许多计算机都连接到一根总线上。当初认为这样的连接方法既简单又可靠，因为总线上没有有源器件。匹配电阻（用来吸收总线上传播的信号）匹配电阻只有 D 接受 B 发送的数据 E A B D C B向D 发送数据不接受不接受不接受接受

以太网的广播方式发送 • 总线上的每一个工作的计算机都能检测到 B 发送的数据信号。 • 由于只有计算机 D 的地址与数据帧首部写入的地址一致，因此只有 D 才接收这个数据帧。 • 其他所有的计算机（A, C 和 E）都检测到不是发送给它们的数据帧，因此就丢弃这个数据帧而不能够收下来。 • 具有广播特性的总线上实现了一对一的通信。

为了通信的简便以太网采取了两种重要的措施 • 采用较为灵活的无连接的工作方式，即不必先建立连接就可以直接发送数据。 • 以太网对发送的数据帧不进行编号，也不要求对方发回确认。 • 这样做的理由是局域网信道的质量很好，因信道质量产生差错的概率是很小的。 • 以太网提供的服务是不可靠的交付，即尽最大努力的交付。 • 当目的站收到有差错的数据帧时就丢弃此帧，其他什么也不做。差错的纠正由高层来决定。 • 如果高层发现丢失了一些数据而进行重传，但以太网并不知道这是一个重传的帧，而是当作一个新的数据帧来发送。

以太网发送的数据都使用曼彻斯特(Manchester)编码 码元 1 0 0 0 1 0 0 1 1 1 基带数字信号曼彻斯特编码出现电平转换

载波监听多点接入/碰撞检测 CSMA/CD • CSMA/CD 表示 Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection。 • “多点接入”表示许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上。 • “载波监听”是指每一个站在发送数据之前先要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据，如果有，则暂时不要发送数据，以免发生碰撞。 • 总线上并没有什么“载波”。因此， “载波监听”就是用电子技术检测总线上有没有其他计算机发送的数据信号。

碰撞检测 • “碰撞检测”就是计算机边发送数据边检测信道上的信号电压大小。 • 当几个站同时在总线上发送数据时，总线上的信号电压摆动值将会增大（互相叠加）。 • 当一个站检测到的信号电压摆动值超过一定的门限值时，就认为总线上至少有两个站同时在发送数据，表明产生了碰撞。 • 所谓“碰撞”就是发生了冲突。因此“碰撞检测”也称为“冲突检测”。

检测到碰撞后 • 在发生碰撞时，总线上传输的信号产生了严重的失真，无法从中恢复出有用的信息来。 • 每一个正在发送数据的站，一旦发现总线上出现了碰撞，就要立即停止发送，免得继续浪费网络资源，然后等待一段随机时间后再次发送。

电磁波在总线上的有限传播速率的影响 • 当某个站监听到总线是空闲时，也可能总线并非真正是空闲的。 • A 向 B 发出的信息，要经过一定的时间后才能传送到 B。 • B 若在 A 发送的信息到达 B 之前发送自己的帧(因为这时 B 的载波监听检测不到 A 所发送的信息)，则必然要在某个时间和 A 发送的帧发生碰撞。 • 碰撞的结果是两个帧都变得无用。

B 发送数据 碰撞 t =   A 检测到发生碰撞 t =  B 检测到发生碰撞 t = 2  传播时延对载波监听的影响 1 km A B t = 0 t 单程端到端传播时延记为

B 发送数据 碰撞 t =   A 检测到发生碰撞 t =  B 检测到发生碰撞 t = 2  t =  B 检测到发生碰撞停止发送 STOP STOP t = 2  A 检测到发生碰撞 A B 1 km A B t = 0 t 单程端到端传播时延记为 t = 0 A 检测到信道空闲发送数据 A B t =   B 检测到信道空闲发送数据 A B t =   / 2 发生碰撞 A B A B

1 2 Two nodes transmit at the same time Node detect there has been a collision 3 4 Nodes transmit a jamming signal Nodes wait a random period before retransmitting All computers have access to a common bus at the same time CSMA/CD技术是一种随机争用的媒体访问控制方法

CSMA/CD 流程图

碰撞检测

重要特性 • 使用 CSMA/CD 协议的以太网不能进行全双工通信而只能进行双向交替通信（半双工通信）。 • 每个站在发送数据之后的一小段时间内，存在着遭遇碰撞的可能性。 • 这种发送的不确定性使整个以太网的平均通信量远小于以太网的最高数据率。

争用期 • 最先发送数据帧的站，在发送数据帧后至多经过时间 2 （两倍的端到端往返时延）就可知道发送的数据帧是否遭受了碰撞。 • 以太网的端到端往返时延 2 称为争用期，或碰撞窗口。 • 经过争用期这段时间还没有检测到碰撞，才能肯定这次发送不会发生碰撞。

二进制指数类型退避算法 (truncated binary exponential type) • 发生碰撞的站在停止发送数据后，要推迟（退避）一个随机时间才能再发送数据。 • 确定基本退避时间，一般是取为争用期 2。 • 定义重传次数 k，k  10，即 k = Min[重传次数, 10] • 从整数集合[0,1,…, (2k1)]中随机地取出一个数，记为 r。重传所需的时延就是 r 倍的基本退避时间。 • 当重传达 16 次仍不能成功时即丢弃该帧，并向高层报告。

二进制退避算法

争用期的长度 • 以太网取 51.2 s 为争用期的长度。 • 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。

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。 • 强化碰撞，当发送数据的站一旦发现发生了碰撞时： • 立即停止发送数据； • 再继续发送若干比特的人为干扰信号(jamming signal)，以便让所有用户都知道现在已经发生了碰撞。

A 发送数据 B 发送数据 TB 数据帧开始冲突 TJ 干扰信号  人为干扰信号 A B  信道占用时间 A 检测到冲突 t B 也能够检测到冲突，并立即停止发送数据帧，接着就发送干扰信号。这里为了简单起见，只画出 A 发送干扰信号的情况。

CSMA/CD的要点归纳 • 适配器组成以太网帧，准备发送 • 适配器检测信道，空闭则发送，忙则等待其空闲后再发送。 • 边发送边检测，若检测到碰撞，则中止发送，并发送人为干扰信号。 • 中止发送后，适配器执行指数退避算法，等待一定的随机时间，再检测信道。

以太网的工作原理 • 以太网采用带冲突检测的载波帧听多路访问（CSMA/CD）机制。以太网中节点都可以看到在网络中发送的所有信息，因此，我们说以太网是一种广播网络。以太网的工作过程如下： • 当以太网中的一台主机要传输数据时，它将按如下步骤进行： • 1、监听信道上收否有信号在传输。如果有的话，表明信道处于忙状态，就继续监听，直到信道空闲为止。 • 2、若没有监听到任何信号，就传输数据 • 3、传输的时候继续监听，如发现冲突则执行退避算法，随机等待一段时间后，重新执行步骤1（当冲突发生时，涉及冲突的计算机会发送会返回到监听信道状态。注意：每台计算机一次只允许发送一个包，一个拥塞序列，以警告所有的节点） • 4、若未发现冲突则发送成功，所有计算机在试图再一次发送数据之前，必须在最近一次发送后等待9.6微秒（以10Mbps运行）。

本讲小结 • 局域网拓扑结构 • 802.3标准 • LLC和MAC子层 • CSMA/CD协议 • 二进制指数退避算法

作业 • 上交作业　 • P106,3-14,3-19,3-20,3-22,3-25 • 实验布置 • 实验三　

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