第三章局域網(wǎng)技術(shù)

控制網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場總線主講陳青林主要內(nèi)容數(shù)據(jù)鏈路層功能數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議停止等待協(xié)議 滑動窗口協(xié)議高級數(shù)據(jù)鏈路控制規(guī)程HDLC局域網(wǎng)的基本知識各類局域網(wǎng)標準以太網(wǎng)規(guī)范令牌環(huán)網(wǎng)的工作原理令牌總線的工作原理3.1數(shù)據(jù)鏈路控制和協(xié)議

數(shù)據(jù)鏈路控制的考慮

誰能發(fā)送？俺也要發(fā)數(shù)據(jù)我有數(shù)據(jù)要發(fā)解決共用介質(zhì)中“誰能發(fā)送的問題”控制傳輸中的流量檢測差錯和重傳老哥：您悠著點，我吃不了！收了一堆數(shù)據(jù)，不知道對不對？數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議該層協(xié)議的主要功能是，在相鄰兩個結(jié)點之間建立、維持和釋放一條或多條數(shù)據(jù)鏈路，將數(shù)據(jù)按一定的格式(幀格式)組織起來進行傳輸，保證數(shù)據(jù)傳輸無差錯、按順序到達目的地。目前，數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議主要有兩類：面向字符型協(xié)議面向位協(xié)議一.停止等待協(xié)議理想的停止等待協(xié)議發(fā)數(shù)據(jù)收數(shù)據(jù)一.停止等待協(xié)議實用的停止等待協(xié)議我要發(fā)數(shù)據(jù)，可以嗎？我已準備好，可以！發(fā)一包數(shù)據(jù)收到了！傳輸結(jié)束幾種情況

數(shù)據(jù)幀出錯數(shù)據(jù)幀丟失應答幀丟失停止等待的時間重復幀二.連續(xù)ARQ協(xié)議流量控制的必要性任何接收設(shè)備都有處理輸入數(shù)據(jù)的速率限制，并且存儲器容量也是有限的。流量控制的目的告訴發(fā)送方在等待接收方的應答信號之前最多可以傳送多少數(shù)據(jù)。流量控制常用的方法停等協(xié)議滑動窗口協(xié)議（連續(xù)ARQ協(xié)議）流量控制：滑動窗口協(xié)議滑動窗口協(xié)議：

發(fā)送方在收到應答消息前可以發(fā)送若干幀。接收方只對其中一些幀進行應答，使用一個ACK幀來對多個數(shù)據(jù)幀的接收進行確認。窗口：指一個發(fā)送方和接收方都要創(chuàng)建的額外緩沖區(qū)；對收到應答之前可以傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀的數(shù)目進行了限制；可以不等待窗口被填滿而在任何一點對數(shù)據(jù)幀進行應答；只要窗口未滿就可以繼續(xù)傳輸。流量控制：滑動窗口協(xié)議窗口的表示：以模n方式標號，窗口的大小是n-1。窗口的應用：接收方發(fā)出一個應答幀（ACK），它就在其中包含了預期接收的下一幀編號。例如：對以幀4結(jié)尾的一串數(shù)據(jù)幀進行應答，接收方就發(fā)送一個包含有編號5的應答幀。當發(fā)送方收到含有編號5的應答幀（ACK）時，它就知道了直到編號4為止的所有數(shù)據(jù)幀均己經(jīng)被正確地接收了。發(fā)送窗口：接收窗口：三.面向比特鏈路控制規(guī)程HDLC高級數(shù)據(jù)鏈路控制協(xié)議：HDLC協(xié)議支持點到點和多點配置下的半雙工和全雙工模式。幀格式標志地址控制信息從上層來的數(shù)據(jù)

幀校驗序列標志標志地址控制幀校驗序列標志標志地址控制管理信息(可能有)

幀校驗序列標志信息幀（I-幀）監(jiān)管幀（S-幀）無序號幀（U-幀）3.1數(shù)據(jù)鏈路控制和協(xié)議：錯誤控制錯誤控制的目標能檢測錯誤設(shè)法通知發(fā)送方重發(fā)錯誤類型單比特錯誤多比特錯誤突發(fā)錯誤常用錯誤檢測方法垂直冗余校驗縱向冗余校驗循環(huán)冗余校驗錯誤控制：錯誤檢測錯誤檢測的過程錯誤檢測：垂直和縱向冗余校驗垂直冗余校驗：常稱作奇偶校驗特點：所有單比特錯誤。錯誤的個數(shù)是奇數(shù)時，才能檢測出多比特和突發(fā)錯誤?？v向冗余校驗：兩維的垂直冗余校驗特點：難以檢驗所有在偶數(shù)個數(shù)據(jù)單元的偶數(shù)個相同位置發(fā)生錯誤的情況錯誤檢測：循環(huán)冗余校驗循環(huán)冗余校驗（CRC）：基于二進制除法過程：在數(shù)據(jù)單元末尾附加一串冗余比特，稱作循環(huán)冗余碼或循環(huán)冗余校驗余數(shù)，使得整個數(shù)據(jù)單元可以被另一個預定的二進制數(shù)所整除。在數(shù)據(jù)終點，用同一個數(shù)去除輸入的數(shù)據(jù)單元。如果不產(chǎn)生余數(shù)，認為數(shù)據(jù)單元是完整正確的。有余數(shù)意味著數(shù)據(jù)單元在傳輸中被破壞，拒絕接受。常用的標準多項式：CRC-12（x12+x11+x3+x+1）；CRC-16（x16+x15+x2+1）；CRC-ITU（x16+x12+x5+1）；CRC-32（x32+x26+x23+x22+x16+x12+x11+

x10+x8+x7+x5+x4+x2+x+1）；特點：除了正好數(shù)據(jù)塊的比特值是按除數(shù)值變化的錯誤外，循環(huán)冗余校驗（CRC）將檢測出其他所有錯誤。3.2局域網(wǎng)技術(shù)主要內(nèi)容:了解局域網(wǎng)的基本知識掌握各類局域網(wǎng)標準掌握以太網(wǎng)規(guī)范掌握令牌環(huán)網(wǎng)的工作原理掌握令牌總線的工作原理一.局域網(wǎng)基本組成1.局域網(wǎng)的定義和組成定義:

局域網(wǎng)絡(luò)中的通訊被限制在中等規(guī)模的地理范圍內(nèi),例如一幢辦公樓、一座工廠或一所學校;能夠使用具有中等或較高數(shù)據(jù)速率的物理信道,且具有較低的誤碼率;局域網(wǎng)絡(luò)是專用的,由單一組織機構(gòu)所使用。局域網(wǎng)LAN特點

覆蓋范圍有限數(shù)據(jù)率較高誤碼率較低支持廣播或組播數(shù)據(jù)以編址幀形式傳輸沒有中間交換,不需要路由。傳輸媒體

雙絞線、同軸電纜、光纖、無線

用途文件管理、共享資源拓撲結(jié)構(gòu)總線型、星型、環(huán)型、樹型局域網(wǎng)的組成網(wǎng)絡(luò)硬件網(wǎng)絡(luò)服務器網(wǎng)絡(luò)工作站網(wǎng)絡(luò)適配器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備傳輸介質(zhì)網(wǎng)絡(luò)軟件網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議軟件網(wǎng)絡(luò)通信軟件HUB…服務器雙絞線2.網(wǎng)絡(luò)工作站常見的網(wǎng)絡(luò)工作站有以下三種:(1)無盤工作站和有盤工作站(2)事務處理工作站和圖形處理工作站(3)本地工作站和遠地工作站3.網(wǎng)絡(luò)適配器

網(wǎng)絡(luò)適配器(NAC)又稱為網(wǎng)絡(luò)接口卡(NⅠC),簡稱網(wǎng)卡:

它是一塊可以插在PC機擴展槽上的電路板,主要由一套協(xié)議控制電路和數(shù)據(jù)緩沖存貯器組成。網(wǎng)卡的主要功能為:接收來自設(shè)備(工作站、服務器等)的數(shù)據(jù)。在得到介質(zhì)的發(fā)送權(quán)之前,緩沖存儲這些數(shù)據(jù)。按一定的格式和編碼向介質(zhì)發(fā)送數(shù)據(jù)。按地址掃描介質(zhì)上的各個幀,并把發(fā)送到本站的幀讀入到緩沖器。把緩沖器的數(shù)據(jù)送到設(shè)備。二.局域網(wǎng)協(xié)議1.局域網(wǎng)參考模型2.IEEE802局域網(wǎng)標準這些標準包括:IEEE802.1A綜述及體系結(jié)構(gòu)IEEE802.1B尋址、網(wǎng)間互連及網(wǎng)絡(luò)管理IEEE802.2邏輯鏈路控制LLCIEEE802.3CSMA/CD訪問控制方法及物理層技術(shù)規(guī)范IEEE802.4令牌總線訪問控制方法及物理層技術(shù)規(guī)范IEEE802.5令牌環(huán)網(wǎng)訪問控制方法及物理層技術(shù)規(guī)范IEEE802.6大城市地區(qū)網(wǎng)絡(luò)訪問控制方法及物理層技術(shù)規(guī)范IEEE802.7寬帶網(wǎng)規(guī)范IEEE802.8光纖網(wǎng)規(guī)范IEEE802局域網(wǎng)標準

IEEE802主要的LAN標準802.3CSMA/CD以太網(wǎng)協(xié)議

802.4TokenBus令牌總線

802.5TokenRing令牌環(huán)

802.6分布隊列雙總線DQDB--MAN標準

FDDI光纖分布數(shù)據(jù)接口FDDI802.3CSMA/CD802.4TokenBus802.5TokenRing802.6DQDBFDDI802.2LLC數(shù)據(jù)鏈路層

物理層3.IEEE802結(jié)構(gòu)LLC邏輯鏈路控制協(xié)議繼承了HDLC的幀結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)鏈路層的上子層MAC介質(zhì)訪問控制協(xié)議解決共享介質(zhì)的競爭使用問題數(shù)據(jù)鏈路層的下子層實現(xiàn)幀的尋址和識別,完成幀檢測序列產(chǎn)生和檢驗包含有CSMA/CD、令牌總線、令牌環(huán)和時間片分隔環(huán)四種IEEE802結(jié)構(gòu)協(xié)議數(shù)據(jù)單元和HDLC類似DSAP和SSAP是LLC所使用的地址,標明接收和發(fā)送數(shù)據(jù)計算機的協(xié)議堆棧3.2.2以太網(wǎng)規(guī)范與組網(wǎng)方法

70年代中期由Xerox提出，數(shù)據(jù)率為2.94M，稱為Ethernet

后來由DEC,IntelandXerox(DIX標準)改進為10M標準

1985年定名為IEEE802.3，即使用1堅持的CSMA/CD協(xié)議的LAN標準，數(shù)據(jù)率從1M到10M，支持多種傳輸媒體

Ethernet是指基帶總線LAN一.傳輸協(xié)議與訪問控制方法傳輸協(xié)議 將傳輸介質(zhì)的頻帶有效地分配給網(wǎng)上各站點的方法稱為傳輸協(xié)議(即介質(zhì)訪問控制協(xié)議)

基帶總線網(wǎng)最早的傳輸協(xié)議是純ALOHA協(xié)議經(jīng)多次改進產(chǎn)生了時間片ALOHA協(xié)議、載波偵聽多重訪問協(xié)議(CSMA)和帶沖突檢測的載波偵聽多重訪問(CSMA/CD)協(xié)議等。以太網(wǎng)采用的是CSMA/CD協(xié)議。l.純ALOHA協(xié)議早期ALOHA系統(tǒng)采用完全隨機的方法訪問信道,稱之為純ALOHA協(xié)議,其基本思想是:

用戶如果想要發(fā)送數(shù)據(jù)隨時可以發(fā)送,廣播信道上的每個站都可以監(jiān)聽到信道上的信息。問題:

由于純ALOHA的隨意性,各站點發(fā)送幀沖突的機會很大,導致效率低下(理論計算不足18%)。2.時間片ALOHA1972年Robert發(fā)表了一種能把ALOHA系統(tǒng)吞吐率提高一倍的辦法。他的建議是把時間劃分成離散的時間間隔(稱之為時槽),每段間隔對應于一幀。所有站點均配備一同步時鐘用以指示時槽的開始。這就是我們稱之為時間片ALOHA的協(xié)議。時間片ALOHA協(xié)議將一個連續(xù)的競爭系統(tǒng)變成一個離散的競爭系統(tǒng),其效率提高一倍,達37%。

3.載波偵聽多重訪問協(xié)議(CSMA)IEEE802.3定義的載波偵聽多重訪問協(xié)議CSMA(CarrierSenseMultipleAccess)就是一種具有信道檢測功能的傳輸控制系統(tǒng),其檢測手段稱為“載波偵聽’’。(l)l一堅持CSMA。 當一個站點要傳送一批數(shù)據(jù)時,它首先偵聽信道,看其是否空閑。如果信道忙則該站點等待,并繼續(xù)偵聽一直到信道空閑為止;當監(jiān)聽到信道空閑時,就立即發(fā)送一幀。如果發(fā)生沖突則等待一段隨機時間再重新開始。此協(xié)議取名為l一堅持,是因為只要偵聽到信道空閑就立即發(fā)送幀,即發(fā)送幀的概率為l。(2)非一堅持CSMA。當一個站點要傳送一批數(shù)據(jù)時,也是首先偵聽信道,如果信道空閑就立即開始發(fā)送數(shù)據(jù)。但如果信道正在使用中,該站就不再繼續(xù)偵聽信道何時變?yōu)榭臻e,而是等待一個隨機時間,再開始偵聽信道。(3)P一堅持CSMA。當一個站點準備發(fā)送數(shù)據(jù)時,它便開始偵聽信道。如果信道忙,就堅持偵聽直至下一時間片。如果信道空閑,則以概率P發(fā)送數(shù)據(jù),而以概率(l一P)把發(fā)送信息的機會推遲到下一個時間片;若下一個時間單位仍然空閑,便再次或以概率P發(fā)送或以概率(l一P)推遲發(fā)送;這個過程一直持續(xù)下去,直到數(shù)據(jù)被發(fā)送出去,或有其他站發(fā)送而檢測到信道忙為止。該協(xié)議比較適合于分時間片的信道。4.帶沖突檢測的載波偵聽多重訪問(CSMA/CD)協(xié)議CSMA/CD協(xié)議(IEEE802.3)：發(fā)送前監(jiān)聽總線；如介質(zhì)空閑則發(fā)送；如介質(zhì)忙則等待一隨機間隔和重試；各站在發(fā)送時同時檢測沖突；一旦發(fā)現(xiàn)沖突，立即停發(fā)，并向總線上發(fā)一串阻塞信號，讓各站知道；沖突后采用二進制指數(shù)退避算法：初始L=2，退避間隔取1—L的隨機數(shù)；沖突后L加倍，設(shè)置最大重傳次數(shù)；重傳時間:t=crc為計時單位,r為隨機數(shù)0<r<L

超過最大重傳次數(shù)，不再傳，報告出錯。二.以太網(wǎng)的幀結(jié)構(gòu)三.以太網(wǎng)規(guī)范

Ethernet技術(shù)規(guī)范:.拓撲結(jié)構(gòu):總線式.傳輸速率:10Mbps.存取方式:CSMA/CD.最大工作站數(shù):1024.最大傳輸距離:2.5km(使用中繼器).報文長度:64-1518字節(jié)(不計報文前的同步序列)四.以太網(wǎng)組網(wǎng)方法不同標準

10Base-5--粗纜Ethernet10Base-2--細纜Ethernet10Base-T--雙絞線

10Base-F--光纜

10Broad36--寬帶快速EthernetIEEE802.3u：100BaseTX,100BaseT4,100BaseF等數(shù)據(jù)率（Mbps）基帶或?qū)拵Ф巫畲箝L度（百米）10Base-51.10Base-5以太網(wǎng)

分插頭:插入電纜收發(fā)器:發(fā)送/接收,沖突檢測,電氣隔離,超長控制

AUI:連接件單元接口用于骨干網(wǎng)最大段長度500米每段最多站點數(shù)100兩站點間最小距離2.5米倍數(shù)收發(fā)器電纜的最大長度為50米。網(wǎng)絡(luò)最大跨度2.8公里

粗纜為RG-11,阻抗50歐姆 vampiretapBNC端子收發(fā)器78歐姆的6對屏蔽雙絞線NIC50歐姆終端器15針的DlX(AUⅠ)接口2.廉價的10Base-2以太網(wǎng)細纜BNC接頭NIC

BNCT型接頭無需插入電纜段最大長度185m每段最多站點數(shù)30兩站點間最短距離0.5m網(wǎng)絡(luò)最大跨度925m最多5段(段間用中繼器連接)3.10Base-TNICHub（集線器）相當于多端口轉(zhuǎn)發(fā)器用于辦公室LAN

拓撲結(jié)構(gòu)為星形，邏輯上仍然是總線形。轉(zhuǎn)發(fā)器/中繼器的作用：擴充信號傳輸距離。將信號放大并整形后再轉(zhuǎn)發(fā)，消除信號傳輸?shù)氖д婧退p。物理層設(shè)備。hub段最大長度100m組網(wǎng)規(guī)則:(l)用雙絞線(UTP)將工作站連接到集線器上(2)雙絞線插頭、工作站網(wǎng)卡和集線器的插座均采用RJ-45標準接口。(3)集線器連接站點的數(shù)量取決于集線器端口數(shù)。(4)介質(zhì)上最多只允許接入4個中繼器從而構(gòu)成5個網(wǎng)段,每個網(wǎng)段可長500m,全網(wǎng)最大直徑達2500m。其中兩頭和中間的網(wǎng)段可以連入節(jié)點,另兩個網(wǎng)段除作為中繼器間的鏈路外,不能接入任何節(jié)點。每個站點都可以接收到所有來自其他站點的數(shù)據(jù)需要尋址機制來標識目的站點只有一個站點將收到的幀復制下來，其他站點都將丟棄幀ABCC發(fā)現(xiàn)總線空閑終端電阻IEEE802.3/Ethernet操作ABCC發(fā)送幀，目的地址為AACACABCB忽略該幀ACABCA復制該幀信號由終端電阻吸收ACl.共享介質(zhì)的性能在共享介質(zhì)的局域網(wǎng)中,隨著網(wǎng)上用戶數(shù)的增加,競爭可用帶寬部分的節(jié)點數(shù)目也相應增加。其結(jié)果是,隨著工作站數(shù)目的增加,傳輸數(shù)據(jù)的能力下降,每個用戶都會遭到較大的延遲。例如,一個具有五個工作站,可用帶寬為10Mbps的以太網(wǎng),在工作站同時工作的情況下,每一個工作站平均得到可用帶寬的五分之一,即2Mbps的帶寬。如果工作站的數(shù)目增大到10個。每個工作站得到的可用帶寬大約下降到十分之一,即lMbps。所以,工作站數(shù)量增加一倍,可用的帶寬就降低百分之五十。解決問題的技術(shù)和方法主要包括:采用新的編碼和信令,在共享介質(zhì)上提供更大的帶寬。使用優(yōu)先級,以允許某些節(jié)點在其它節(jié)點之前傳送‘‘高優(yōu)先級的"信息。對每個節(jié)點提供預先確定了的帶寬。在共享的局域網(wǎng)分段上,對允許的節(jié)點數(shù)目加以限制。2.帶寬的使用效率在選擇高速局域網(wǎng)技術(shù)時,對單個的節(jié)點來說,可用帶寬的大小僅僅是考慮的一個因素。另一個因素是網(wǎng)絡(luò)使用其可用帶寬的效率如何。一般來說,網(wǎng)絡(luò)開銷可用下列的公式來計算:網(wǎng)絡(luò)開銷=(l00x(頭的大小+尾的大小)/幀的大小)%

例如,ATM網(wǎng)絡(luò)使用53個字節(jié)的信元(53為一個幀的大小),其中包含了48個字節(jié)的數(shù)據(jù),5個字節(jié)的信元頭,則:

ATM開銷=(l00X5/53)%=9.43%FDDI網(wǎng)的一個幀大小為4478字節(jié),包含22個字節(jié)的頭和尾,故

FDDI開銷=(l00X22/4478)%=0.49%4.高速網(wǎng)絡(luò)技術(shù)簡介高速網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可分成兩大類:共享介質(zhì)類型和非共享介質(zhì)類型。共享介質(zhì)類型的高速網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是在現(xiàn)有共享介質(zhì)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的基礎(chǔ)上,進一步提高數(shù)據(jù)傳輸率的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。共享介質(zhì)類型的高速網(wǎng)絡(luò)技術(shù)主要包括三種;在以太網(wǎng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的l00BASE-T和l00TG-AnyLAN,以及在令牌環(huán)網(wǎng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的光纖分布數(shù)字網(wǎng)絡(luò)FDDI這三種網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸率都是l00Mbps,也都采用了共享介質(zhì)技術(shù)和可變幀長技術(shù)。交換式802.3LAN問題：站點數(shù)的增加將導致LAN的性能降低解決方法：交換式LAN，中心設(shè)備為一個交換機，具有高速背板，交換機具有多個連接端口，支持10Base-T工作原理：站點將幀發(fā)送到所連接的端口上，交換機檢測目的站點所聯(lián)端口空閑否；若是，則將幀復制到相應的端口；否則，緩存，待目的端口空閑后發(fā)送。NICSwitchhub交換機原理

美國Kalpana公司于1994年底借鑒超級路由器中所采用的交換技術(shù)最先推出以太網(wǎng)絡(luò)交換機,稱為EtherSwitch該以太網(wǎng)絡(luò)交換機采用了如下原理:

檢測從以太端口來的數(shù)據(jù)包的源和目的地的MAC(介質(zhì)訪問)層地址,然后與系統(tǒng)內(nèi)部的動態(tài)查找表進行比較,如果該數(shù)據(jù)包的MAC層地址不在查找表中,則將該地址加入到查找表,并將數(shù)據(jù)包發(fā)送給相應的目的地端口。兩種交換方式:

.直通(CutThrough)方式。

.存儲轉(zhuǎn)發(fā)(StoreandForward)方式。1).直通方式

在輸入端口檢測到一個數(shù)據(jù)包后,交換機的控制器從其包頭中取出目的地址,通過內(nèi)部的動態(tài)查找表換算成相應的輸出端口,在輸入和輸出交叉處‘‘接通’’,然后把數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到相應的輸出端口,這樣就完成了交換工作。2).存儲轉(zhuǎn)發(fā)方式

以太網(wǎng)絡(luò)交換機的控制器先將輸入端口到來的數(shù)據(jù)包緩存起來,先檢查CRC是否正確,并過濾掉包錯誤,確定包正確后,取出目的地址,通過查找表轉(zhuǎn)換為想要發(fā)送的輸出端口地址,然后將該包發(fā)