第三講局域網(wǎng)

第三講局域網(wǎng)本講學(xué)習(xí)目標(biāo)理解計算機局域網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)掌握載波偵聽多路訪問/沖突檢測（CSMA/CD）的工作過程掌握（IEEE802.3）以太網(wǎng)的幀結(jié)構(gòu)以太網(wǎng)1局域網(wǎng)概述2局域網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)3IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)：CSMA/CD4以太網(wǎng)5快速以太網(wǎng)1局域網(wǎng)概述

1.1局域網(wǎng)的概念、特點

1.2局域網(wǎng)的主要技術(shù)

1.1局域網(wǎng)的概念、特點

1.局域網(wǎng)的定義在較小的地理范圍內(nèi)，利用通信線路將許多數(shù)據(jù)設(shè)備連接起來，實現(xiàn)彼此之間的數(shù)據(jù)傳輸和資源共享的系統(tǒng)稱為局域網(wǎng)。2.局域網(wǎng)特點（1）地理范圍有限。（2）通信速率高。（3）傳輸延時?。?）可靠性較高1.2局域網(wǎng)的主要技術(shù)

一般說來，決定局域網(wǎng)特性的主要技術(shù)有三個方面：（1）局域網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)。

（2）用以傳輸數(shù)據(jù)的介質(zhì)。（3）用以共享媒體的介質(zhì)訪問控制方法。

下一節(jié)局域網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)返回1.2物理層中的傳輸媒體(a)Category3UTP.(b)Category5UTP.雙絞線1.2物理層中的傳輸媒體雙絞線同軸電纜1.2物理層中的傳輸媒體光纜1.2物理層中的傳輸媒體返回2局域網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)

2.1局域網(wǎng)參考模型2.2邏輯鏈路控制LLC子層2.3媒體訪問控制MAC子層2.1局域網(wǎng)參考模型

IEEE802參考模型局域網(wǎng)協(xié)議關(guān)系圖IEEE802委員會。IEEE在1980年2月成立了局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化委員會（簡稱IEEE802委員會），專門從事局域網(wǎng)的協(xié)議制訂，形成了一系列的標(biāo)準(zhǔn)，稱為IEEE802標(biāo)準(zhǔn)。IEEE802參考模型的最低層對應(yīng)于OSI模型中的物理層，包括以下功能：比特流的傳輸/接收前導(dǎo)的生成/去除（該前導(dǎo)用于同步）信號的編碼/解碼規(guī)定拓撲結(jié)構(gòu)和傳輸速率物理層之上的層次主要為局域網(wǎng)的用戶提

供相應(yīng)的服務(wù)。其主要功能如下：組幀，幀中包含有地址和差錯檢測等字段；解封，進行地址識別和差錯檢測；媒體訪問控制；為高層協(xié)議提供相應(yīng)的接口，即一個或多個服務(wù)訪問點（SAP），并且進行流量和差錯控制。與開放系統(tǒng)互連參考模型的差異？（通過理解局域網(wǎng)自身的特點及其與開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型所針對的網(wǎng)絡(luò)特點之間的差異）分幾層，為什么這樣分層？（考慮網(wǎng)絡(luò)協(xié)議所要解決的問題以及特定的網(wǎng)絡(luò)通信環(huán)境：距離近、高質(zhì)量的媒體、共享媒體或廣播式通信）1、在局域網(wǎng)內(nèi)部，路由問題被簡化、所以不必單設(shè)網(wǎng)絡(luò)層；而多個局域網(wǎng)互聯(lián)時，又涉及多條路徑，所以設(shè)置了網(wǎng)際互聯(lián)層802.1。2、由于共享媒體，出現(xiàn)了新的媒體訪問控制的問題，所以需要增加一部分協(xié)議功能以解決此問題，因為面向媒體，所以應(yīng)在鏈路層之下；因為在從物理接口發(fā)送之前應(yīng)該決定能否發(fā)送，所以應(yīng)在物理層之上，這決定了新的協(xié)議功能，MAC子層的位置簡化的問題以及新增加的問題因為局域網(wǎng)可以使用不同的媒體（雙絞線、同軸電纜、光纖、無線），可以采用不同的拓撲結(jié)構(gòu)（總線、星、環(huán)、雙環(huán)），可以有不同的媒體訪問控制策略（集中、分布），所以要采用不同的媒體訪問控制方法，因而形成了不同mac子層及物理層的標(biāo)準(zhǔn)，就是IEEE802系列標(biāo)準(zhǔn)的由來。IEEE802協(xié)議

此標(biāo)準(zhǔn)將數(shù)據(jù)鏈路層分為邏輯鏈路控制子層和媒體訪問控制子層，邏輯鏈路控制子層主要提供尋址、排序、差錯控制和流量控制等功能。

2.2邏輯鏈路控制LLC子層

LLC層處理與接入介質(zhì)無關(guān)的而又屬于數(shù)據(jù)鏈路層處理的問題。主要功能如下：·提供與高層的接口；·實現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層的差錯控制；·給幀加上序號；·為高層提供數(shù)據(jù)鏈路層邏輯連接的建立和釋放服務(wù)。2.3媒體訪問控制MAC子層

媒體訪問控制策略在所有的媒體訪問控制技術(shù)中，最關(guān)鍵的參數(shù)是控制點和控制方法?？刂泣c：集中與分布：能提供除了對媒體訪問外的其他更高級的功能，如優(yōu)先級控制、可靠性等。每個站點的訪問控制邏輯簡單避免對等實體間進行分布合作可能帶來的問題集中方式具有以下的優(yōu)點：缺點：在整個網(wǎng)絡(luò)中，如果控制點不能工作，則會導(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)癱瘓由于所有對共享媒體的訪問要經(jīng)過控制站點的允許，可能會形成瓶頸，降低效率。分布式媒體訪問控制方式的優(yōu)缺點正好與之相反。3IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)：CSMA/CD（CarrierSenseMultiAccess/CollisionDetection）控制點：分布控制控制方法——CSMA/CD多次沖突，放棄發(fā)送。具體思路講前先聽，忙則等待；無聲則講，邊講邊聽；沖突即停，后退重傳；CSMA（CarrierSenseMultiAccess）在CSMA中，由于信道傳播時延的存在，即使總線上兩個站點沒有監(jiān)聽到載波信號而發(fā)送幀時，仍可能會發(fā)生沖突。CD（CollisionDetection）由于CSMA算法沒有沖突檢測功能，即使沖突已發(fā)生，仍然將已破壞的幀發(fā)送完，使總線的利用率降低。一種CSMA的改進方案是使發(fā)送站點傳輸過程中仍繼續(xù)監(jiān)聽媒體，以檢測是否存在沖突。兩者的結(jié)合稱做載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測協(xié)議，簡寫為CSMA/CD，這種協(xié)議已廣泛應(yīng)用于局域網(wǎng)中。CSMA/CD其具體工作過程概括如下：

（1）先偵聽信道，如果信道空閑則發(fā)送信息。（2）如果信道忙，則繼續(xù)偵聽，直到信道空閑時立即發(fā)送。（3）發(fā)送信息后進行沖突檢測，如發(fā)生沖突，立即停止發(fā)送，并向總線上發(fā)出一串阻塞信號（連續(xù)幾個字節(jié)全1），通知總線上各站點沖突已發(fā)生，使各站點重新開始偵聽與競爭。（4）已發(fā)出信息的各站點收到阻塞信號后，等待一段隨機時間，重新進入偵聽發(fā)送階段。對載波偵聽多路訪問CSMA的理解什么是載波？如何偵聽載波？什么是多路訪問？對沖突檢測CD的理解何謂沖突？在何情況下會發(fā)生沖突？問題，實際沖突的漏檢——當(dāng)疊加的信號返回到先發(fā)送的站時，該站可能已經(jīng)發(fā)送完整個幀，并把沖突信號當(dāng)做是載波。協(xié)議失敗了!最短傳輸時間最小幀長電纜長度最大幀長CSMA/CD發(fā)送過程流程圖后退機制。后退多久每個站都后退1s行不行隨機退讓行不行純隨機與隨機退讓整數(shù)個時隙陰影區(qū)的沖突區(qū)間二進制指數(shù)退避算法規(guī)則如下：

(1)對每個數(shù)據(jù)幀，當(dāng)?shù)谝淮伟l(fā)生沖突時，設(shè)置一個參量L=2；

(2)退避間隔取1到L個時隙中的一個隨機數(shù)，1個時隙等于兩站之間的最大傳播時延的兩倍；(3)當(dāng)數(shù)據(jù)幀再次發(fā)生沖突，由將參量L加倍；

(4)設(shè)置一個最大重傳次數(shù)，超過該次數(shù)，則不再重傳，并報告出錯。 二進制指數(shù)退避算法是按后進先出的次序控制的，即未發(fā)生沖突或很少發(fā)生沖突的數(shù)據(jù)幀，具有優(yōu)先發(fā)送的概率；而發(fā)生過多次沖突的數(shù)據(jù)幀，發(fā)送成功的概率就更少。由于在媒體上傳播的信號會衰減，為確保能檢測出沖突信號，CSMA/CD總線網(wǎng)限制一段無分支電纜的最大長度為500米。電纜長度受限的兩個原因：最小幀長信號衰減1、IEEE802.3MAC幀格式4以太網(wǎng)（1）前導(dǎo)碼（7B）（2）幀起始定界符（2B）（3）目標(biāo)地址和源地址。（2OR6B）（4）數(shù)據(jù)域長度（2B）（5）數(shù)據(jù)域（不確定）（6）填充域（不確定）（7）校驗字段（4B）除數(shù)據(jù)字段和填充字段外，其余的長度都是固定的。

前導(dǎo)碼字段P占7個字節(jié)，每個字節(jié)的比特模式為“10101010”

幀起始定界符字段SFD占1個字節(jié)，其比特模式為“10101011”地址字段包括目的地址字段DA和源地址字段SA。目的地址字段占2個或6個字節(jié)源地址字段也占2個或6個字節(jié)長度字段LEN占兩個字節(jié),其值表示數(shù)據(jù)字段的長度即為LLC子層遞交的LLC幀序列,其值為0～1500個字節(jié)。

填充字段至多46字節(jié)。

幀校驗序列FCS字段是32位(即4個字節(jié))的循環(huán)冗余碼(CRC)。

2、MAC子層功能說明

MAC子層有兩個主要的功能：一、數(shù)據(jù)的封裝與解封．包括組幀、尋址和錯誤檢測；二、介質(zhì)訪問管理，包括介質(zhì)分配和沖突解決。

當(dāng)LLC子層請求發(fā)送一數(shù)據(jù)幀時，MAC子層的發(fā)送數(shù)據(jù)封裝部分便按MAC子層的數(shù)據(jù)幀格式組幀。 首先將一個前導(dǎo)P和一個幀起始定界符SFD附加到幀的開始部分 填上目的地址和源地址 計算出LLC數(shù)據(jù)幀的字節(jié)數(shù)，填入數(shù)據(jù)長度計數(shù)字段LEN。必要時還要將填充字符PAD附加到LLC數(shù)據(jù)幀后，以確保傳送幀的長度滿足最短幀長的要求。 最后求出CRC校驗附加到幀校驗列FCS中。完成數(shù)據(jù)封裝后的MAC幀，便可遞交MAC子層的發(fā)送媒體訪問管理部分以供發(fā)送。借助于監(jiān)視物理層收發(fā)信號(PLS)部分提供的載波監(jiān)聽信號，發(fā)送媒體訪問管理設(shè)法避免發(fā)送信號與媒體上其它信息發(fā)生沖突。在媒體空閑時，經(jīng)短暫的幀間延遲(提供給媒體恢復(fù)時間)之后，就啟動幀發(fā)送。然后，MAC子層將串行位流送給PLS接口以供發(fā)送。PMA（物理媒體訪問部件）完成產(chǎn)生媒體上電信號的任務(wù)，同時監(jiān)視媒體和產(chǎn)生沖突檢測信號。在沒有爭用的情況下，即可完成發(fā)送。發(fā)送完成后，MAC子層通過LLC與MAC間的接口通知LLC子層，等待下一個發(fā)送請求。假如產(chǎn)生沖突，PLS接通沖突檢測信號，接著發(fā)送媒體訪問管理開始處理沖突。首先它發(fā)送一串稱為阻塞(JAM)碼的位序列來強制沖突，由此保證有足夠的沖突持續(xù)時間，以使其它與沖突有關(guān)的發(fā)送站點都得到通知。在阻塞信號結(jié)束時，發(fā)送媒體訪問管理就暫停發(fā)送，等待一個隨機選擇的時間間隔后再進行重發(fā)嘗試。發(fā)送媒體訪問管理用二進制指數(shù)退避算法調(diào)整媒體負載。最后，或者重發(fā)成功或者在媒體故障、過載的情況下，放棄重發(fā)嘗試。接收媒體訪問管理部分的功能是，首先由PLS檢測到達幀，使接收時鐘與前導(dǎo)碼同步，并接通載波監(jiān)聽信號。接收媒體訪問管理部件要檢測到達的幀是否錯誤，幀長是否超過最大長度，是否為8位的整倍數(shù)。還要過濾因沖突產(chǎn)生的碎片信號(即小于最短長度的幀)。

接收數(shù)據(jù)解封部分的功能，用于檢驗幀的目的地址字段，以確定本站點是否應(yīng)該接收該幀。如地址符合，將其送到LLC子層，并進行差錯檢驗。 IEEEE802.3委員會在定義可選的物理配置方面表現(xiàn)了極大的多樣性和靈活性。為了區(qū)分各種可選用的實現(xiàn)方案，該委員會給出了一種簡明的表示方法：

<數(shù)據(jù)傳輸率(Mpbs)><信號方式><最大段長度(百米)>

如10BASE5、10BASE2、10BASE-F，其中的T表示雙絞線、F表示光纖。

2IEEE802.3物理層規(guī)范(1)10BASE5和10BASE2。與10BASE5一樣，10BASE2也使用50歐姆同軸電纜和曼切斯特編碼。數(shù)據(jù)速率為10Mbps。兩者的區(qū)別在于10BASE5使用粗纜(50mm),10BASE2使用細纜(5mm)。 由于兩者數(shù)據(jù)傳輸率相同,所以可以使用10BASE2電纜段和10BASE5電纜段共存于一個網(wǎng)絡(luò)中.圖10BASE-2以太網(wǎng)連接 (2)10BASE-T。 10BASE-T定義了一個物理上的星形拓撲網(wǎng),其中央節(jié)點是一個集線器,每個節(jié)點通過一對雙絞線與集線器相連。集線器的作用類似于一個轉(zhuǎn)發(fā)器,它接收來自一條線上的信號并向其他的所有線轉(zhuǎn)發(fā)。由于任意一個站點發(fā)出的信號都能被其他所有站點接收,若有兩個站點同時要求傳輸,沖突就必然發(fā)生。所以,盡管這種策略在物理上是一個星形結(jié)構(gòu)，但從邏輯上看與CSMA/CD總線拓撲的功能是一樣的。

圖2-710BASE-T以太網(wǎng)連接返回本節(jié)(3)10BASE-F。10BASE-F是802.3中關(guān)于以光纖作為媒體的系統(tǒng)的規(guī)范。該規(guī)范中，每條傳輸線路均使用一條光纖，每條光纖采用曼切斯特編碼傳輸一個方向上的信號。每一位數(shù)據(jù)經(jīng)編碼后，轉(zhuǎn)換為一對光信號元素(有光表示高、無光表示低)。由于曼切斯特編碼每兩個時鐘周期發(fā)出一個有效的二進制比特，所以一個10Mbps的數(shù)據(jù)流實際上需要20Mbps的信號流。IEEE802.3委員會于1992年提出制定快速以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。在IEEE802.3基礎(chǔ)上，把傳輸速率從10Mbps提高到100Mbps，并于1995年6月，正式把它定為快速以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.3u。在IEEE802.3基礎(chǔ)上，把傳輸速率從10Mbps提高到100Mbps，并于1995年6月，正式把它定為快速以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.3u。包括：100BASE-TX100BASE-FX100BASE-T45快速以太網(wǎng)１．100BASE-T組網(wǎng)方法圖4-8兩級交換機快速以太網(wǎng)組網(wǎng)圖２.100BASE-T媒體訪問控制方法100BASE-T仍采用常規(guī)10Mbps以太網(wǎng)的CSMA/CD媒體訪問控制方法，但其性能是10BADE-T的10倍。100BASE-T的MAC與10BASE-T的MAC相比，除了幀際間隙縮短到原來的1/10外，兩者的幀格式及參數(shù)完全相同。100BASE-T的MAC除可以運行于不同的速率，并能與不同的物理層接口。這樣，原先10Mbps以太網(wǎng)上運行的軟件不加任何修改即可在快速以太網(wǎng)上運行，原先的協(xié)議分析和管理工具也可輕易地被繼承。

為了能成功地進行沖突檢測，100BASE-T也必須滿足“最短幀長沖突檢測時間*數(shù)據(jù)傳輸速率”的關(guān)系。其中的沖突檢測時間等于網(wǎng)絡(luò)中最大傳播時延的2位。100BASE-T與10BASE-T的MAC幀相同，兩者的最短幀長均為64字節(jié)（512比特），但由于100BASE-T的數(shù)據(jù)速率提高了10位，故相應(yīng)的沖突檢測時間縮短為10BASE-T的1/10，由此整個網(wǎng)絡(luò)的直徑（任何兩站點間的最大距離）也減小到10BASE-T的1/10。３.100BASE-T的物理層

100BASE-T和10BASE-T的區(qū)別在物理層標(biāo)準(zhǔn)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方面。100BASE-T的物理層包含三種媒體選項：100BASE-TX、100BASE-FX和100BASE-T4。

（1）100BASE-TX和1