数据通信与计算机网络-第四章.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第四章 局域网,4.1,局域网概述,4.2,局域网体系结构,4.3,令牌环访问控制和,IEEE 802.5,标准,4.4 CSMA/CD,和,IEEE 802.3,标准,4.6,局域网互连,4.1.1,什么是局域网,局域网是一种通信网络，通信网络由一定数量的设备互连而成，为网络中的两个相连设备提供它们之间的数据传输的途径。这些设备常被称为网络,节点,（,Node,），而在局域网技术中又经常被称为,站点,（,Station,）。,局域网图例,广域网、局域网、城域网,LAN,MAN,WAN,计算机网络根据其距离和复杂性可以分成三类：局域网、城域网和广域网（见下图）,可以通过四种网络特性,-,通信介质、协议、拓扑以及私有网和公共网间的边界点来确定网络的类型。,短距离复杂程度低,中等距离复杂程度中等,远距离复杂程度高,网络光谱图,广域网、局域网、城域网,广域网,（,WAN,）覆盖了较广的地理区域，途中会穿过一些公共设施，可能会利用公共电信公司所提供的线路来进行连接。,局域网,也是一种连接着各种设备的通信网络，覆盖范围小，由某个组织单独拥有，数据传输速率一般要比广域网高得多。,城域网,则覆盖于局域网和广域网之间的区域，它实际上不过是一个更大范围的局域网系统，一般采取和局域网相似的技术。,4.1.2,局域网拓扑,在,LAN,和,MAN,的设计过程中，其中关键的技术因素在于：,拓扑,传输媒体,媒体的访问控制技术,IEEE 802,参考模型中，物理层所定义的主要功能之一就,是有关拓扑和传输媒体的选择。有关传输媒体的讨论详见第二,章，在此我们将主要讨论拓扑结构。在通信网络中，拓扑一词是,指连接于网络中的终端系统或工作站之间互连的方式。局域网中,常见的拓扑形状为总线形、树形、环形和星形。总线形是树形的,一个特例，只有主干而无分支；当可忽略两者的区别时，我们统,称为总线树形拓扑。,总线拓扑结构,1,总线树形拓扑,总线树形拓扑的一个主要特征就是使用一个多点,(multipoint),媒体，因此不存在转换或重发的问题。对于总线而言，所有站点通过相应的一个硬件接口,(,搭线头,),直接与总线相接。站点与搭线头之间的全双工操作允许把数据传送到总线上及从总线上接收数据。从任何一个站点发出的信号向两个方向广播，并可被其他所有站点接收。在总线的两端是端接器，它会吸收任何信号，并移出总线。,终结器,终结器,打印机,工作站,工作站,文件服务器,文件服务器,笔记本电脑,总线树形拓扑特点,总线型局域网的介质访问控制方法采用的是,“,共享介质,”,方式；,所有结点都连接到一条作为公共传输介质的总线上；,总线传输介质通常采用同轴电缆或双绞线；,所有结点都可以通过总线传输介质以,“,广播,”,方式发送或接收数据，因此出现冲突（,collision,）,”,是不可避免的；,“,冲突,”,会造成传输失败；,必须解决多个结点访问总线的介质访问控制（,MAC,，,medium access control,）,问题。,总线结构与冲突,总线型拓补结构的优点,结构简单，实现容易；,易于扩展，可靠性较好。,2.,环形拓扑构型,结点使用点,点线路连接，构成闭合的物理的环型结构；,环中数据沿着一个方向绕环逐站传输,(,顺时针或逆时针,),；,多个结点共享一条环通路；,环建立、维护、结点的插入与撤出。,3,星形拓扑,可看作一种变形的总线型结构,逻辑上是广播信道（与总线型相同）,易于构造、施工，扩展性好，应用最广泛,总线拓扑可以使用双绞线、基带和宽带同轴电缆，且每种媒体都有大量的产品可供选择。,树形拓扑可以使用宽带同轴电缆。宽带信号的单向特性使得宽带同轴电缆适合于树形结构。,物理媒体用在环形拓扑中比用在总线树形拓扑中性能要高一些。因为，在总线树形拓扑中，每个站点通过一个搭线头与媒体联结，每个搭线头在信号通过时都会使信号衰减变形。,星形拓扑要求在每个设备与中心结点之间有一条点对点的链路，因此一般都使用双绞线，当然有时也使用光纤来连接。,以太网卡,集线器,/,交换机,/,路由器,双绞线,同轴电缆,4,传输媒体和拓扑的选择,拓扑结构,传输媒体和拓扑的选择不是孤立的,总线最灵活、环形吞吐量高、星形易布线,物理媒体,环形,总线,树形,星形,双绞线,基带同轴电缆,宽带同轴电缆,光纤,无线媒体,4.2.1,局域网参考模型,美国电子和电气工程师协会,IEEE,于,1980,年成立了,802,委员会，该委员会通过制定一个广为接受的,LAN,标准，从而保证了市场的容量，并使得不同厂商生产的设备间能够相互通信。,802.1,给出了局域网的体系结构,802.2,给出了逻辑链路控制子层,802.3/802.4/802.5,给出了以太网、令牌总线、令牌环局域网,局域网参考模型,工作组名称,研 究 内 容,802.1,高层接口（,HILI,），包括网络结构、网际合作和,LAN,的网络管理,802.2,逻辑链路控制（,LLC,）,802.3,载波监听多路访问,/,冲突检测（,CSMA/CD,）,802.4,令牌总线,802.5,令牌环,802.6,城域网（,MAN,）,802.7,广域技术建议组,(BBTAG),802.8,光纤技术建议组,(FOTAG),802.9,综合业务局域网接口,(ISLAN),802.10,交互性局域网安全性标准,(SILS),802.11,无线局域网,(WLAN),802.12,命令优先级,802.13,基于有线电视的广域通讯网,IEEE 802,委员会标准化工作,局域网的物理层,IEEE 802,参考模型的最低层对应于,OSI,模型中的物理层，包括以下功能：,信号的编码,/,解码,前导的生成/,去除,(,该前导用于同步,),比特的传输,/,接收,对于传输媒体和拓扑结构的说明,局域网的数据链路层,物理层之上的层次主要是为局域网的用户提供相应的服务。它们的主要功能如下,:,在传输时，将要传输的数据组装成帧，帧中包含有地址和差错检测等字段。,在接收时，将收到的帧解包，进行地址识别和差错检测。,管理和控制对于局域网传输媒体的访问,为高层协议提供相应的接口即一个或多个服务访问点（,SAP,），并且进行流量和差错控制。,在局域网的参考模型定义中，最后一条功能属于逻辑链路控制层,(LLC),中，而前三条功能属于另外一个单独的层中，称为媒体访问控制层,(MAC),LAN,协议的上下层关系,应用数据,TCP,分段,MAC,层,LLC,层,IP,层,TCP,层,应用层,MAC,尾,MAC,头,LLC,头,IP,头,TCP,头,IP,数据报,LLC,协议数据单元,MAC,帧,IEEE 802,参考和实现模型,媒体,IEEE 802,参考模型,媒体,物理媒体相关子层,(PMD),IEEE 802,实现模型,媒体无关子层,(,可选,),媒体无关接口,(,可选,),媒体访问控制,MAC,逻辑链路控制,LLC,媒体访问控制,MAC,逻辑链路控制,LLC,物理层,高层协议,高层协议,4.2.2,逻辑链路控制子层,LLC,LLC,层涉及到的是两个站点间链路层协议数据单元,PDU,的传输，在进行传输时不必有中继交换节点的参与。,LLC,有两个和其它大多数链路控制协议不同的特点,:,1.,局域网的链路是共享媒体，而且链路不是点到点的，必须支持多点访问。,2.LLC,包括一些有关链路访问的内容，和,MAC,层一道来规范对链路的访问,。,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,.,局 域 网,网络层,物理层,网络层,物理层,逻辑链路控制,LLC,LLC,媒体接入控制,MAC,MAC,LLC,子层看不见,下面的局域网,LLC,提供的服务,LCC,为上层用户提供三种类型的服务以供选择,:,无确认无连接服务有连接服务,有确认无连接服务,LLC PDU,LCC,为高层用户提供相应的机制来为每个站点编址，并且为两个用户间交换数据提供相应的控制。,目的,SAP,和源,SAP,再加上站点地址（在,MAC,帧中的头部中包括）一起标识了正在进行通信的两个用户，,Control,字段用于标识,PDU,的类型。,DSAP,SSAP,Control,Info,8bit,8bit,8bit,LLC,协议字段,8,比特的,SAP,字段有,2,位具有特殊的含义,;,有效的,SAP,编号只有,6,位，全局的,SAP,编号非常有限,;,DSAP,和,SSAP,都被设为,SNAP,（值为,0 xAA,），控制字段为,0 x03,，这表明报头被扩展而包括了一个,“,协议类型,”,字段,;,LLC,协议字段（续）,最早的协议类型字段采纳了和,Ethernet,类似的 方法，占用,2,个八位组。,即前面,3,个字节表示,OUI,后面两个字节表示协议号,4.2.3,媒体访问控制子层,MAC,媒体访问控制,MAC,协议决定广播链路中信道如何分配，使得对传输媒体的访问更加有序、有效，它又常常称为多路访问协议。,两个关键的参数：,控制位置,集中式：选择某个节点,它可以授权访问网络,分布式：所有节点平等地参与决定传输顺序,控制方式,怎样控制对共享媒体的访问，和拓扑结构相关，同时也要考虑到花费、性能和复杂程度等因素,媒体访问控制技术,同步机制：采用的是信道分割协议,在电路交换中的频分多路,(FDM),和时分多路,(TDM),技术就属于这种同步机制,还有一种信道分割协议是码分多址,CDMA,异步机制：可以进一步分为三类,时间片轮转：,预约,竞争,媒体访问控制技术（续）,时间片轮转：,每个节点按照一定的逻辑顺序得到传输时间片,站点的逻辑顺序的控制可采用集中式或分布式,轮询采用集中式的控制方式，要求选取一个节点作为主节点，主节点按照时间片轮转的方式来询问所有站点是否有数据要发送。,令牌传递,采取分布式控制，一串特殊的比特流即,令牌,按照固定的顺序在节点间传递，站点必须抓住令牌才能传输,媒体访问控制技术（续）,预约：媒体访问时间被分成一些时槽，很象同步时分多路复用。一个节点在要传输时，可以为即将到来的传输预约一些时槽。预约也可以是集中式或分布式的,竞争：所有节点展开竞争以获取对共享媒体的访问权,冲突检测可以检测出媒体上有多个传输同时进行,载波监听：设备通过侦听媒体来避免冲突,两者结合在一起就是带冲突检测的载波侦听多路访问,(CSMA/CD),4.2.4,网卡,局域网上的两台主机通过共享的传输媒体进行通信，必须遵循相应的数据链路层协议，因此大部分的数据链路层协议都通过一个网络硬件即网络适配器（,Adapter,）来实现。,适配器又常被称为网卡或者网络接口卡,NIC,。,计算机通过网卡和局域网进行通信,CPU,高,速缓,存,存储器,I/O,总线,计算机,至局域网,网络接口卡,（网卡）,串行通信,并行通信,网卡的功能,发送方网卡,物理层,数据链路层,网络层,接收方网卡,链路层协议,网络层,数据链路层,物理层,物理链路,网络层,网卡的组成部分,网卡的两个主要的部件是总线接口和链路接口，除此之外还包括缓冲区（,RAM,）和实现数据链路层协议逻辑的芯片或者可编程硬件。,网卡属于一个半自治单元。,节点,总线接口,链路接口,网卡,网络链路,网卡驱动程序,网卡驱动程序提供了通过网卡来进行数据传输的手段，使得主机的网络协议栈和网络硬件之间有一个契合点。,网卡驱动程序一般包括如下函数：初始化网卡、发送帧、中断处理程序等。一般网卡的初始化程序包括获取,CSR,寄存器的地址、中断号和节点的,LAN,地址等，然后设置中断处理程序，启动网卡的发送和接收部件等。,中断处理程序是网卡驱动程序的一个非常重要的部分。,4.2.5 LAN,地址,在对,LAN,地址进行标准化的过程中，,IEEE 802,委员会给出的建议是可以使用,48,位或者,16,位地址,局域网上的所有节点（实际上世界上的所有,LAN,节点）都有一个唯一的,LAN,地址,以太网地址常常以易于阅读的方式来表示，即,BB:BB:BB:BB:BB:BB,，被冒号（或者横线,-,）分割的每个数字对应于以太网地址的相应字节的,16,进制表示。,LAN,地址（续）,LAN,地址的前面,24,位往往被称为,“,厂商代号,”,或全球唯一标识,OUI,前面,24,位中还有两位有特殊的含义，其中第一个字节中最低位表示,“,组,/,个体,”,，如果该位为,0,，则地址指一个特定的节点，而如果该位为,1,，则表示是一个组播地址。,接下来一个比特是用来表示地址是全球还是本地分配的,LAN,地址书写的标准格式采用最低位在前的顺序,地址,a2:41:42:59:31:51,不是一个组播地址，因为它的第一个八位组（,a2,，,10100010,）的最低位是,0,LAN,地址（续）,节点收到一个单播帧之后，,如果帧的目的地址和节点的,LAN,地址匹配，则从帧中截取数据然后传递给高层,如果不匹配，则丢弃该帧,对于组播帧，接口硬件怎样处理,?,理想情况下，接口硬件芯片知道它所感兴趣的所有地址,但是很难选取一个可以记录的感兴趣的地址的最大个数,如果取得过大，芯片的造价就会太高；,如果过小，则当软件要求的地址数超过这个范围时，芯片就会变得无效,LAN,地址（续）,对于单播和组播帧的过滤：,很多芯片按下述规则来设计：,地址中用一位来表示是组地址还是个体地址；,站点告诉硬件它所感兴趣的个体地址；,芯片把一套组地址分为若干个组，即采用散列漏桶的方式。如果站点想要接收一个特定的组地址，它必须选择该组播地址所散列变换到的漏桶，然后，芯片将发送所有信宿地址散列变换进那个漏桶的包。,另外一种芯片设计提供了,一些固定数目的确切地址（包括组地址和个体地址）；,几个地址散列漏桶，站点可以请求这些散列漏桶的任何子集。,4.3.1,令牌环概述,令牌环控制技术最早于,1969,年在贝尔实验室研制的,Newhall,环上采用,IEEE802,采纳了令牌环技术作为局域网介质访问访问方法的一个标准，即,IEEE 802.5,标准。,环并不是真正的广播介质，而是单个的点到点的连接组合在一起形成了一个圆环。,令牌环网络接口之间通过点到点线路连接而成。帧沿某一固定的方向绕环传递，每个站点从它的上游邻居接收帧，然后转发给下游邻居站点,包括了一个分布的媒体访问协议来控制站点的传输，只有令牌持有者才能发送帧,所有站点都会收到任一站点发送的帧，只有目的地址相符的站点会把帧拷贝下来,。,环接口模式,环接口,站,无方向环,(a),(b),(c),1,比特延迟,环接口,到站上去,自站上来,到站上去,自站上来,a,）,环网；（,b,）,侦听模式,；（,c,）,发送模式,线路中心,环网的问题之一是如果某处电缆断裂，则整个环都无法工作。可通过线路中心（,wire center,）来解决。,旁路中继器由站点供电，出现故障时旁路,站点从环中移走,通过程序控制，检测到出错站点或环段时旁路故障站点,站点,电缆,旁路中继器,线路中心,接头,4.3.2,令牌环媒体访问控制协议,当环上无信息传输时，令牌就不停地在环网上转等待站点将其抓获。,该站点将令牌中的某个特定位由,0,变为,1,，将令牌改造成一个数据帧的起始序列。得到令牌后，填写并发送组成数据帧的余下字段部分。,一个站点可在令牌持有时间,THT,（,Token Holding Time,）内拥有令牌。,令牌轮转时间,TRT,（,Token Rotation Time,）,环的比特长度,环必须容纳一个完整的令牌,:,比特的,“,物理长度,”,:,信号传播速度,/,数据传输速率：,信号传播速度：,200m/,s,数据传输速率：,RMbps,，比特的物理长度为,200/R,环本身必须有足够的时延来容纳一个完整的令牌在环内流通：,每站中确定的,1,比特时延,信号传播时延,比如,3Km,ring,prom,=200m/,s,R=1Mbps,20,站点，则环的比特长度为,3000*R/200+20*1=35,如果环的比特长度不够，则环上插入人工延迟以保证环能够容纳令牌,谁插入人工延迟？监控站,令牌环的确认机制,帧的递交的确认机制,比特绕环一周回来，发送者将它们从环中移去,最后数据帧传输完毕后产生令牌传递出去,帧的数据字段长度没有限制，只要令牌持有时间允许,接收者修改经过的帧中的帧状态字段的,A,（访问）与,C,（拷贝）比特,:,A:Access,Bit,：帧通过目的站点时设置,C:Copy,Bit,：帧复制到目的站点时设置,A,0,，,C,0,：目的站点不存在或者未加电。,A,1,，,C,0,：目的站点存在但帧未被接收。,A,1,，,C,1,：目的站点存在且帧被复制。,A,0,，,C,1,：这种组合是无意义的,优先级机制,在令牌和数据帧中包含两个字段：优先级字段,(3,位,),和预约字段,(3,位,),环中的令牌有一定的优先级,n,每个站点发送的帧都分配一个优先级,站点只有当有比当前令牌的优先级相同或者更高的数据帧时才能抓住令牌,优先级机制（续）,令牌的优先级如何改变,?,预约机制,站点,X,想要传输一优先级为,n,的数据帧,:,发现经过数据帧的预约字段比,n,低，站点将这个数据帧的预约字段置为,n,，表示预约优先级为,n,的令牌；发现预约字段比站点的优先级高，就不作任何动作。,经过令牌帧的预约字段比,n,低,该字段改变为,n.,持有令牌站点释放令牌时把优先级提升为,n,。,优先级会不断被提升,优先级提高的站点,X,有责任在适当的时候把优先级降到原先的水平。,提升时记录之前的优先级和当前优先级,看到一个自己提升优先级的令牌时降低令牌优先级,优先级机制：实例,站点准备发送一个帧,:,优先级,=5,一个令牌经过,并且优先级比站点优先级低或相等,:,抓住令牌,优先级机制：实例（续）,令牌优先级高,或者数据帧经过,进行预约,站点传输完,产生一个新的令牌,:,提升优先级：有站点预约,或者不提升：无站点预约,优先级机制：实例（续）,站点看到一个它提升的令牌,降低优先级,早释令牌,早释令牌,ETR(Early,Token Release),站点发出数据帧,在帧传输完时,该帧的第一个比特可能会,:,已回到发送站点,:,还没有回到发送站点,:,这一段时间必须等待,ETR,允许站点完成传输后马上释放令牌,:,优先级机制的问题：先发送令牌,然后检查预约字段,.,全部等待帧返回 早释令牌,令牌环访问控制过程,令牌环访问控制过程,令牌环工作原理,令牌环工作原理,令牌环维护,令牌环网必须选一个站点作为环上的监控站点来总管全环：监控站保证环只有一个令牌,选取监控站,:,竞争机制来产生，出现冲突时采用高地址优先,监控站的功能,:,检测令牌丢失,:,最长无令牌时间,混淆帧,:,检验和字段,无主帧,:,监控位,经过监控站时置位，如果两次出现证明无主帧,环长度,:,人工延迟,确定环断点位置：和线路中心配合,环断开时,:,站点发送,BEACON,帧,给出可能失效的站点，并且尽量传播,点击进入,4.3.3 IEEE 802.5,标准,802.5,标准提供了多种数据速率（,4Mbps,、,16Mbps,等）和多种传输媒体（屏蔽双绞线、非屏蔽双绞线、光纤等）,当网络由许多彼此远离的站群组成,时，可以使用多个线路中心的拓扑,结构。只要将左图中连向某个站点,的电缆替换成连向远程线路中心即,可。尽管所有站点在逻辑上仍处于,同一个环中，但这样做大大降低了,对布线的要求。使用了线路中心的,802,5,环网具有与基于集线器的,10BASE,T 802,3,网一样的拓扑结构，但它们在格式和协议上并,不相同。,IEEE 802.5 LAN,的帧格式,字节,1,1,1,2,或,6,2,或,6,无限制,4,1,1,SD,AC,FC,目的地址,源地址,LLC DATA,FCS,ED,FS,IEEE 802.5 LAN,帧格式,起始定界符,(SD),：指示帧的开始。,访问控制,(AC),：,PPPTMRRR,，,PPP,和,RRR,分别是,3,位的优先级和预约优先级，,M,是监督位；,T,表明此帧是数据帧还是令牌,帧控制,(FC),：提示此帧是否一个,LLC,数据帧,目的地址,(DA),、源地址,(SA),、数据单元,(Data Unit),、帧检验序列,(FCS),结束定界符,(ED),：包括错误检测位,(E),，如果任一转发站发现错误则置此位。,帧状态,(FS):,包含地址辩认位,(A),和帧拷贝位,(C),，它们均为双份以提供冗余检测。,4.4.1 ALOHA,ALOHA,协议用于基于地面的无线广播通信系统。其基本思想适用于那些站点间无需协调的多路访问链路中。,只要一个站点想要传输信息帧，立即发送信息帧。,站点在发送帧后监听一段时间，如果在信息来回传播的最大延迟时间（两倍于相距最远的两个站点之间传递信息的时间）再加上一小段固定的时间内：,如果收到了确认，则传输成功,否则，发送站点等待一段随机的时间后重发信息帧。,如果重传多次仍得不到确认，放弃传输帧,性能分析采用如下网络模型,无限用户,用户产生的新帧服从普阿松分布，平均每帧时产生,S,个新帧，显然吞吐率应该满足,0S1,站点发送的帧（包括新帧和重传帧）也服从普阿松分布，平均每帧时发送,G,帧,吞吐率应该是负载,G,与传送成功的概率，即,S,GP0,。其中,P0,是发送的帧不会发生冲突的概率。,ALOHA,协议的性能,一个帧的冲突危险区为,2,个帧时：,t,0,+t,与阴影帧的,开始碰撞,与阴影帧的,开始碰撞,t,t,0,+2t,t,0,+3t,t,0,冲突危险区,时间,ALOHA,协议的性能,两个帧时内产生的帧数平均为,2G,，在整个冲突危险区内无任何其他帧产生的概率为,吞吐率,S,满足：,G,0.5,时，,S,有最大值为,1/2e0.18,考虑用户数固定的网络模型,N,个相同的用户,每个用户在一个帧时内成功传输一帧的概率为,S/N,每个时槽一个用户产生的负载（包括新帧和重传帧）为,G/N,用户在给定时槽内成功发送一帧，相当于用户在冲突危险区内发送一帧并且其他用户都没有发送帧，因此,ALOHA,协议的性能（续）,化简后满足：,N,趋于无穷大时，即无限用户环境下与前面的分析有同样的结论：,S-ALOHA,S-ALOHA,对,ALOHA,协议作了改进：,信道上的时间被分成离散的时间间隔即时槽，其大小相当于帧的传输时间。,每个帧只允许在时槽开始处进行传输,冲突危险区比,ALOHA,降低了一半,:,只有那些都在同一个时槽开始进行传输的帧才有可能冲突,而任一帧时内无其他帧发送的概率为,:,S-ALOHA,协议中的吞吐率满足,G,1,时，,S,有最大值为,1/e0.368,4.4.2 CSMA,在,ALHOA,和分槽,ALOHA,协议中，每个站点在发送时不考虑其他站点的情况,在局域网中，帧的传播时间常远小于帧的传输时间,一个站点发送帧后，别的站点马上就可以监听到,载波监听多路访问（,CSMA,也叫做先听先说（,LBT,）,想要传输的站点首先监听媒体上是否有其他站点在传输（载波监听,。,如果媒体空闲，则可立即传输。,如果媒体忙，它必须等待,发送站点在发送完后要等待一段时间以等待确认，如果没有收到确认，发送站点认为发生了冲突，就重发该帧。,点击进入,三种退避算法,根据退避算法，载波侦听多路访问可以分为三种类型：,非坚持型,CSMA 1-,坚持型,CSMA P-,坚持型,CSMA,不同,CSMA,协议的信道利用率和载荷曲线比较,CSMA,的忙等待机制,当媒体忙时，站点有三种坚持策略：,非坚持,CSMA,：,1.,若媒体空闲就传输；否则，转到第,2,步。,2.,若媒体忙，等待一段随机的重传延迟时间，重复第,1,步。,1-,坚持,CSMA,协议：,1.,若媒体空闲就传输否则，转到第,2,步。,2.,若媒体忙则继续监听，直到检测到信道空闲然后立即传输。,3.,如果有冲突，则等待一段随机的时间后重复第,1,步。,CSMA,的忙等待机制（续）,P-,坚持协议：,1.,若媒体空闲，以概率,P,传输，以概率,(1-P),延迟一个时间单位（该时间单位通常等于最大的传播延迟的两倍）。,2.,若媒体忙，继续监听直到信道空闲并重复第,1,步。,3.,若传输延迟了一个时间单位，则重复第,1,步。,P-,坚持要避免的主要问题是在重负荷下的不稳定,总共有,N,个站点，如果这些站点都有帧要传输，为了避免冲突，显然应该满足,NP1,，即,P1/N,但是这样的概率,P,在轻负荷下时会出现大部分信道时间被浪费掉的情况,4.4.3 CSMA/CD,以太网是目前最为广泛使用的局域网技术。,1973,年,Robert Metcalfe,在博士论文中描述了其对局域网技术的研究，毕业之后加入,Xerox,公司参与以太网的工作,1980,年，,Xerox,、,Intel,、,DEC,联合开发以太网的基带版本，并在,1985,年发布了以太网的增强版本。,IEEE 802.3,委员会以以太网为基础，制定了,IEEE 802.3,局域网规范，两个版本的整体技术是一致的。,以太网采用载波监听多路访问,/,冲突检测,CSMA/CD,多路访问即多个站点通过一个共享媒体来发送和接收帧,载波监听意味着站点能够监测到链路是忙还是空闲,冲突检测是指站点在传输帧的同时监听链路，从而能够监测到站点所传输的帧与别的站点传输的帧之间发生冲突的情形,CSMA/CD,发送过程流程图,CSMA/CD,（续）,CSMA,协议中不进行冲突检测,一旦有两个帧发生冲突，在这两个坏帧传输的这段时间内，其他站点都不能传输。,CSMA/CD,对于,CSMA,作了改进，在传输的同时进行冲突检测，又叫做边说边听（,LWT,）。,CSMA/CD,可以和一个现实生活中的例子进行类比,：,假设很多人在一个大的房间内讨论，任何人都可以发言：,载波监听：如果别人在讲话，则先听别人讲；,多路访问：我听到的，别人也可以听到；,冲突检测：自己发言的同时发现另外一个也在讲，则停止讲话。,CSMA/CD,（续）,CSMA/CD,：,若媒体空闲，传输；否则，转第,2,步。,若媒体忙，一直监听直到信道空闲然后立即传输。,若在传输中监听到冲突，发出一个短小的人为干扰,(jamming),信号（,32,比特）让所有的站点都知道发生了冲突并停止传输。,32,比特的,jam,的目的是使那些接收到该帧的站点会发现帧的,CRC,校验码错误，从而会丢弃该帧。,这个被中断的帧被称为发育不全帧（,Runt Frame,）,32,比特的,jam,只要不是正好等于刚刚遇到冲突而中断的帧的,CRC,校验码就可以,许多以太网网卡在设计时发送,32,个,1,，因为正好等于发育不全帧的合法校验码的概率只有,1/232,。,发完人为干扰信号，等待一段随机的时间，再次试图传输（从第,1,步开始重复）。,点击进入动画演示,例：载波侦听,/,冲突检测多址,(CSMA/CD),技术在以太网 中应用,以太网的结构,帧间间隔,IFG,实际的以太网标准中，要求在检测到媒体空闲后必须等待一个帧间间隔,IFG,（,InterFrame,Gap,）,IFG,长度为,96,比特时间,目的是允许最近传输的站点能够将其收发器硬件从发送模式转向接收模式。,宽带总线来讲，延迟还会更长，最坏的情况发生在与头端离得最远的两个相邻站点间，此时用于检测冲突的时间等于从头端到电缆尾部的传播延迟的,4,倍。,检测冲突所花费的时间,基带系统的,CSMA/CD,冲突检测最长需要,2,倍传播延迟,宽带总线的最坏情况发生在与头端离得最远的两个相邻站点间，检测冲突的时间等于从头端到电缆尾部的传播延迟的,4,倍,CSMA/CD,系统有一条非常重要的原则：帧必须足够长以使冲突能在帧传输完毕前被检测到,4.4.4,二进制指数退避算法,CSMA/CD,采用,1,坚持算法，为了使得发生冲突的站点在下次试图传输的时候不大可能再次发生冲突，采用二进制指数退避算法：,当冲突发生后，时间被分成离散的时槽。时槽长度等于在传输媒体上来回传输的时间，以太网标准规定时槽长度为,512,比特时间（对于,10Mbps,以太网来说为,51.2us,）,第一次冲突产生后，每个站点等待,0,或,1,个时槽后尝试重新发送。,如果每个站点等待的时槽数相同，这样它们将再次冲突。这一次，它们会从,0,、,1,、,2,、,3,中随机挑选一个数作为等待的时槽数。如果又产生第三次冲突，它们将从,0,23-1,中随机挑选一个等待的时槽数。,i,次冲突后，等待的时槽数从,0,中随机选出。,如果冲突的次数达到,10,次后，随机等待的最大时槽数固定为,1023,。在,16,次冲突后，站点放弃传输，并报告一个错误。,采用二进制指数退避的,1,坚持方式的好处在于它在不同的负载时信道利用率都比较合理。,不良后果：没有遇到过或遇到冲突次数少的站点比等待时间更长的站点更有机会得到媒体的访问权。,4.4.5,以太网帧格式,DIX,帧格式来源于最早设计以太网的三家公司（,Digital,、,Intel,、,Xerox,）的首字母,IEEE 802.3,委员会对,DIX,帧格式作了少许改动，这两种帧结构基本上一致,:,除了,DIX,格式的帧中的,16,比特的长度字段对应,IEEE 802.3,帧中的,16,比特的类型字段,。,以太网帧格式,64,比特的前导,48,比特的目的地址和,48,比特的源地址,16,比特的类型,/,长度字段,数据和填充字段,32,比特的,CRC,检验和,4.4.6 IEEE 802.3,标准,IEEE 802.3,标准支持多种物理媒体选项：物理层各不相同，但都采用相同的数据链路层协议,10Base5,10Base2,10BaseT,10BROAD36,10BASE,F,媒体选项的命名策略：,10,表示数据速率为,10Mbps,Base,表示采用基带传输,Broad,表示采用宽带传输,T,表示双绞线,F,表示光纤,10Base5,10Base5,是最早的以太网技术采用的媒体选项,通常称为粗缆：使用,10,毫米直径的,50,的同轴电缆,数据速率是,10Mbps,，采用曼彻斯特编码。,10Base5,支持的传输媒体的长度最长为,2.5,公里,一个网段最长为,500,米,通过转发器（,repeater,）来扩展覆盖的范围,转发器用来连接两段电缆，从它连接的电缆上收到的数字信号经过放大后转发给连接的另一条电缆中,转发器工作在物理层，它和,MAC,协议无关，因为它既无缓冲功能，也无分段功能。,如果不同网段上的两个站点同时试图传输，就会产生冲突。,标准允许任何两个站点间最多有四个转发器,10Base5,（续,）,主机通过一个收发器（,transceiver,）连接到粗缆，每个网段最多可以连接,100,个节点。,收发器主要监听媒体上的载波，把数据传输到媒体上，检测是否有冲突存在，有的时候又被称为媒体连接单元,MAU,（,Medium Attachment Unit,）,收发器和网卡（控制器）间通过,AUI,（,Attachment Unit Interface,）电缆连接，在收发器和网卡将传递数据和控制信号。,10Base2,数据速率是,10Mbps,，使用曼彻斯特编码,常称为细以太网或者细缆,使用,50,的同轴电缆,只有,5,毫米直径,采用工业标准的,BNC,连接器组成,T,型接头，细缆中收发器一般都集成在网卡里面，相比粗缆来说：,更加灵活，可靠性高。,价格低廉，而且安装方便,每个网段的使用范围最长只有,200,米（更加精确的说是,185,米），并且每个网段内最多只能连接,30,个站点,10BASE2,BNC T,型接头,无需插入电缆,用于办公室,LAN,细缆,BNC,接头,NIC,段最大长度,185m,每段最多站点数,30,两站点间最短距离,0.5 m,网络最大跨度,925 m,10BaseT,目前最为广泛使用的以太网技术,传输媒体为非屏蔽双绞线（,T,代表双绞线），采用星型拓扑,所有站点通过两对非屏蔽双绞线连接到一个集线器（,Hub,）,Hub,实际上是一个多口的转发器，当从一条线路上接收到信号时，集线器会向其他线路转发。,10BaseT,采用曼彻斯特编码，其数据速率为,10Mbps,。,每个网段的长度限制在,100,米以内。,10BASET,NIC,Hub,（,集线器）相当于多端口转发器,用于办公室,LAN,拓扑结构为星形，逻辑上仍然是总线形,hub,段最大长度,100m,10BROAD36,是,802.3 LAN,中唯一采用宽带信号的规范。,选用标准的,75,的,CATV,同轴电缆。,从头端出发的分段的最大长度是,1800,米。所以最大的端对端的跨度是,3600,米。,10BROAD36,的数据速率为,10Mbps,，电缆通过差分相移键控（,DPSK,）来进行信号调制。,10BASE5,10BASE2,10BASE-T,10BROAD36,10BASE-FP,传输媒体,同轴电缆,(50ohm),同轴电缆,(50ohm),非屏蔽双铰线,同轴电缆,(75ohm),850nm,光纤对,编码技术,基带,(,曼彻斯特码,),基带,(,曼彻斯特码,),基带,(,曼彻斯特码,),宽带DPSK),曼彻斯特,/on-off,拓扑,总线,总线,星型,总线,/,树型,星型,最大网段,长度,(m),500,185,100,1800,500,每网段的,结点数,100,30,-,-,33,IEEE802.3 10Mbps,物理层媒体选项,转发器与集线器,转发器一般用于,10Base2,和,10Base5,中，以太网网段之间可以通过,repeater,连接起来以扩展传输媒体的长度。,集线器是一个多口的转发器，当从一条线路上接收到信号时，集线器会向其他线路转发。,如果多于两个端口同时传输，产生并发送一个冲突存在信号。,一般具有一些网络管理功能。,转发器和集线器工作在物理层,802.3,标准允许任何两个站点间最多有四个转发器,网段间通过转发器和集线器连接不过只是为了扩展覆盖的范围，它们从本质上仍然属于同一个冲突域（,Collision domain,）,采用,CSMA/CD,规则共享同一个信道的所有节点位于同一个冲突域,在同一个冲突域内，任何两个节点同时传输都会遇到冲突。,转发器与集线器（续）,在通过转发器或集线器构建以太网的实践中常常要求遵循,5-4-3,原则,5,指任意两个站点间最多有,5,个以太网网段,4,指任意两个站点间最多有,4,个转发器,3,表示任意两个站点间最多有,3,个网段有站点相连,另外,2,个网段仅仅用于扩充网络覆盖的范围,通过转发器或集线器来连接多个网段的方式常常称为级连,可堆叠集线器（,Stackable Hub,）：,各个集线器之间可以通过另外一个高速数据通道（常常是,G bps,）相连，从而使得各个堆叠起来的,Hub,组合起来形成一个具有更多端口的,Hub,堆叠起来的,Hub,实际上相当于一个大的,Hub,。,它和通过以太网技术把多个网段级连起来是不同的概念，级连技术必须遵循以太网的基本组网原则，即,5-4-3,原则,具有三个端口的集线器,集,线,器,网卡,工作站,网卡,工作站,网卡,工作站,双绞线,联网设备的层次关系,4.6,局域网互连,4.6,局域网互连,转发器和集线器,:,物理层的设备,通过集线器连接起来的局域网属于同一个冲突域，这也意味着所有的节点都共享带宽,所能连接的站点数是有限制的，比如,10BaseT,局域网的站点最多有,1024,个,它所覆盖的范围仍然是有限的，要求遵循,5-4-3,原则,网桥：,第二层（数据链路层）的设备,提供网段间的隔离功能,4.6.1,网桥,网桥（,bridge,）最早是设计为把那些具有相同的物理层和媒体访问子层的局域网（比如都符合,IEEE 802.3,）互连起来而设计的,桥适合于不是非常复杂的局域网之间的互连，它工作在,OSI,模型中的第二层,桥提供一种对,LAN,的扩展，实现,MAC,子层的连接。,桥对遵循,IEEE 802,标准的局域网是完全透明的：,不需要对连接在这些,LAN,