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(jì)算機(jī)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(cè)（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(diǎn)

1.2局域網(wǎng)的主要技術(shù)

1.1局域網(wǎng)的概念、特點(diǎn)

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(shí)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(diǎn)（1）地理范圍有限。（2）通信速率高。（3）傳輸延時(shí)?。?）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(gè)方面：（1）局域網(wǎng)的拓?fù)浣Y(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?fù)浣Y(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(huì)。IEEE在1980年2月成立了局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)（簡(jiǎn)稱IEEE802委員會(huì)），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(duì)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(hào)的編碼/解碼規(guī)定拓?fù)浣Y(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(cuò)檢測(cè)等字段；解封，進(jìn)行地址識(shí)別和差錯(cuò)檢測(cè)；媒體訪問控制；為高層協(xié)議提供相應(yīng)的接口，即一個(gè)或多個(gè)服務(wù)訪問點(diǎn)（SAP），并且進(jìn)行流量和差錯(cuò)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(diǎn)及其與開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型所針對(duì)的網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)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(jiǎn)化、所以不必單設(shè)網(wǎng)絡(luò)層；而多個(gè)局域網(wǎng)互聯(lián)時(shí)，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?yàn)槊嫦蛎襟w，所以應(yīng)在鏈路層之下；因?yàn)樵趶奈锢斫涌诎l(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(jiǎn)化的問題以及新增加的問題因?yàn)榫钟蚓W(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?fù)浣Y(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(cuò)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層的差錯(cuò)控制；·給幀加上序號(hào)；·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(diǎn)和控制方法?？刂泣c(diǎn)：集中與分布：能提供除了對(duì)媒體訪問外的其他更高級(jí)的功能，如優(yōu)先級(jí)控制、可靠性等。每個(gè)站點(diǎn)的訪問控制邏輯簡(jiǎn)單避免對(duì)等實(shí)體間進(jìn)行分布合作可能帶來的問題集中方式具有以下的優(yōu)點(diǎn)：缺點(diǎn)：在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，如果控制點(diǎn)不能工作，則會(huì)導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)癱瘓由于所有對(duì)共享媒體的訪問要經(jīng)過控制站點(diǎn)的允許，可能會(huì)形成瓶頸，降低效率。分布式媒體訪問控制方式的優(yōu)缺點(diǎn)正好與之相反。3IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)：CSMA/CD（CarrierSenseMultiAccess/CollisionDetection）控制點(diǎn)：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(shí)延的存在，即使總線上兩個(gè)站點(diǎn)沒有監(jiān)聽到載波信號(hào)而發(fā)送幀時(shí)，仍可能會(huì)發(fā)生沖突。CD（CollisionDetection）由于CSMA算法沒有沖突檢測(cè)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(jìn)方案是使發(fā)送站點(diǎn)傳輸過程中仍繼續(xù)監(jiān)聽媒體，以檢測(cè)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(cè)協(xié)議，簡(jiǎn)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(shí)立即發(fā)送。（3）發(fā)送信息后進(jìn)行沖突檢測(cè)，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(hào)（連續(xù)幾個(gè)字節(jié)全1），通知總線上各站點(diǎn)沖突已發(fā)生，使各站點(diǎn)重新開始偵聽與競(jìng)爭(zhēng)。（4）已發(fā)出信息的各站點(diǎn)收到阻塞信號(hào)后，等待一段隨機(jī)時(shí)間，重新進(jìn)入偵聽發(fā)送階段。對(duì)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(duì)沖突檢測(cè)CD的理解何謂沖突？在何情況下會(huì)發(fā)生沖突？問題，實(shí)際沖突的漏檢——當(dāng)疊加的信號(hào)返回到先發(fā)送的站時(shí)，該站可能已經(jīng)發(fā)送完整個(gè)幀，并把沖突信號(hào)當(dāng)做是載波。協(xié)議失敗了!最短傳輸時(shí)間最小幀長(zhǎng)電纜長(zhǎng)度最大幀長(zhǎng)CSMA/CD發(fā)送過程流程圖后退機(jī)制。后退多久每個(gè)站都后退1s行不行隨機(jī)退讓行不行純隨機(jī)與隨機(jī)退讓整數(shù)個(gè)時(shí)隙陰影區(qū)的沖突區(qū)間二進(jìn)制指數(shù)退避算法規(guī)則如下：

(1)對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)幀，當(dāng)?shù)谝淮伟l(fā)生沖突時(shí)，設(shè)置一個(gè)參量L=2；

(2)退避間隔取1到L個(gè)時(shí)隙中的一個(gè)隨機(jī)數(shù)，1個(gè)時(shí)隙等于兩站之間的最大傳播時(shí)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(gè)最大重傳次數(shù)，超過該次數(shù)，則不再重傳，并報(bào)告出錯(cuò)。 二進(jìn)制指數(shù)退避算法是按后進(jìn)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(hào)會(huì)衰減，為確保能檢測(cè)出沖突信號(hào)，CSMA/CD總線網(wǎng)限制一段無分支電纜的最大長(zhǎng)度為500米。電纜長(zhǎng)度受限的兩個(gè)原因：最小幀長(zhǎng)信號(hào)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(zhǎng)度（2B）（5）數(shù)據(jù)域（不確定）（6）填充域（不確定）（7）校驗(yàn)字段（4B）除數(shù)據(jù)字段和填充字段外，其余的長(zhǎng)度都是固定的。

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

幀起始定界符字段SFD占1個(gè)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(gè)或6個(gè)字節(jié)源地址字段也占2個(gè)或6個(gè)字節(jié)長(zhǎng)度字段LEN占兩個(gè)字節(jié),其值表示數(shù)據(jù)字段的長(zhǎng)度即為L(zhǎng)LC子層遞交的LLC幀序列,其值為0～1500個(gè)字節(jié)。

填充字段至多46字節(jié)。

幀校驗(yàn)序列FCS字段是32位(即4個(gè)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(gè)主要的功能：一、數(shù)據(jù)的封裝與解封．包括組幀、尋址和錯(cuò)誤檢測(cè)；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(qǐng)求發(fā)送一數(shù)據(jù)幀時(shí)，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(gè)前導(dǎo)P和一個(gè)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(jì)算出LLC數(shù)據(jù)幀的字節(jié)數(shù)，填入數(shù)據(jù)長(zhǎng)度計(jì)數(shù)字段LEN。必要時(shí)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(zhǎng)度滿足最短幀長(zhǎng)的要求。 最后求出CRC校驗(yàn)附加到幀校驗(yàn)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(hào)(PLS)部分提供的載波監(jiān)聽信號(hào)，發(fā)送媒體訪問管理設(shè)法避免發(fā)送信號(hào)與媒體上其它信息發(fā)生沖突。在媒體空閑時(shí)，經(jīng)短暫的幀間延遲(提供給媒體恢復(fù)時(shí)間)之后，就啟動(dòng)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(hào)的任務(wù)，同時(shí)監(jiān)視媒體和產(chǎn)生沖突檢測(cè)信號(hào)。在沒有爭(zhēng)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(gè)發(fā)送請(qǐng)求。假如產(chǎn)生沖突，PLS接通沖突檢測(cè)信號(hào)，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(qiáng)制沖突，由此保證有足夠的沖突持續(xù)時(shí)間，以使其它與沖突有關(guān)的發(fā)送站點(diǎn)都得到通知。在阻塞信號(hào)結(jié)束時(shí)，發(fā)送媒體訪問管理就暫停發(fā)送，等待一個(gè)隨機(jī)選擇的時(shí)間間隔后再進(jìn)行重發(fā)嘗試。發(fā)送媒體訪問管理用二進(jìn)制指數(shù)退避算法調(diào)整媒體負(fù)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(cè)到達(dá)幀，使接收時(shí)鐘與前導(dǎo)碼同步，并接通載波監(jiān)聽信號(hào)。接收媒體訪問管理部件要檢測(cè)到達(dá)的幀是否錯(cuò)誤，幀長(zhǎng)是否超過最大長(zhǎng)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(hào)(即小于最短長(zhǎng)度的幀)。

接收數(shù)據(jù)解封部分的功能，用于檢驗(yàn)幀的目的地址字段，以確定本站點(diǎn)是否應(yīng)該接收該幀。如地址符合，將其送到LLC子層，并進(jìn)行差錯(cuò)檢驗(yàn)。 IEEEE802.3委員會(huì)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(shí)現(xiàn)方案，該委員會(huì)給出了一種簡(jiǎn)明的表示方法：

<數(shù)據(jù)傳輸率(Mpbs)><信號(hào)方式><最大段長(zhǎng)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(xì)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(gè)網(wǎng)絡(luò)中.圖10BASE-2以太網(wǎng)連接 (2)10BASE-T。 10BASE-T定義了一個(gè)物理上的星形拓?fù)渚W(wǎng),其中央節(jié)點(diǎn)是一個(gè)集線器,每個(gè)節(jié)點(diǎn)通過一對(duì)雙絞線與集線器相連。集線器的作用類似于一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器,它接收來自一條線上的信號(hào)并向其他的所有線轉(zhuǎn)發(fā)。由于任意一個(gè)站點(diǎn)發(fā)出的信號(hào)都能被其他所有站點(diǎn)接收,若有兩個(gè)站點(diǎn)同時(shí)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(gè)星形結(jié)構(gòu)，但從邏輯上看與CSMA/CD總線拓?fù)涞墓δ苁且粯拥摹?/p>

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(gè)方向上的信號(hào)。每一位數(shù)據(jù)經(jīng)編碼后，轉(zhuǎn)換為一對(duì)光信號(hào)元素(有光表示高、無光表示低)。由于曼切斯特編碼每?jī)蓚€(gè)時(shí)鐘周期發(fā)出一個(gè)有效的二進(jìn)制比特，所以一個(gè)10Mbps的數(shù)據(jù)流實(shí)際上需要20Mbps的信號(hào)流。IEEE802.3委員會(huì)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(jí)交換機(jī)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(yùn)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(yùn)行的軟件不加任何修改即可在快速以太網(wǎng)上運(yùn)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(jìn)行沖突檢測(cè)，100BASE-T也必須滿足“最短幀長(zhǎng)沖突檢測(cè)時(shí)間*數(shù)據(jù)傳輸速率”的關(guān)系。其中的沖突檢測(cè)時(shí)間等于網(wǎng)絡(luò)中最大傳播時(shí)延的2位。100BASE-T與10BASE-T的MAC幀相同，兩者的最短幀長(zhǎng)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(cè)時(shí)間縮短為10BASE-T的1/10，由此整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的直徑（任何兩站點(diǎn)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(jì)方面。100BASE-T的物理層包含三種媒體選項(xiàng)：100BASE-TX、100BASE-FX和100BASE-T4。

（1）100BASE-TX和1