第三章(三、局域网).ppt
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1、1,第3章第3节,局域网技术,2,主要内容,3.3.1局域网概述局域网拓扑结构和传输介质3.3.2局域网参考模型3.3.3局域网技术3.3.1信道分配3.3.2多路访问协议,3,3.3.1局域网概述(1),一、局域网产生的原因功能分布:分布式计算,分布式数据库二、定义与特点1、局域网是一种将小区域内的各种通信设备互连在一起的通信网络。2、局域网的三个属性80年代,微型机发展迅速,彼此需要相互通信(近距离),共享资源;局域网是一种通信网络通信设备是广义的在一个小区域内,4,3.3.1局域网概述(2),3、局域网的基本特点(功能)高数据传输率(10 1000 Mbps)短距离(0.1 10 km)
2、低出错率(10-8 10-11)共享传输信道多采用分布式控制和广播式信道4、从体系结构和传输控制规程来看局域网的基本特点低层协议简单不单独设立网络层低出错率(10-8 10-11)采用多种媒体访问控制技术,5,局域网拓扑结构和传输介质,局域网拓扑结构星型结构环型结构总线型结构树型结构传输介质双绞线基带同轴电缆光纤无线,6,局域网分类及其相互关系,7,3.3.2局域网参考模型(1),3.3.2.1 局域网的体系结构1、局域网是一种通信网。2、局域网的物理层是必须的。大多数局域网的物理层实际上分为两个子层:一个子层描述与传输媒体有关的物理特性,另一个子层描述与传输媒体无关的物理特性。3、局域网的数
3、据链路层也是必须的。4、局域网的网络层是不必要的。,8,3.3.2局域网网参考模型(2),应用层,表示层,会话层,运输层,网络层,数据链路层,物理层,物理层,媒体访问控制MAC,逻辑链路控制LLC,(),(),(),SAP,IEEE802,9,3.3.2局域网网参考模型(3),5、LLC子层的主要功能(1)、建立和释放数据链路层的逻辑连接。(2)、向高层提供一个或多个服务访问点SAP的逻辑接口。(3)、具有帧的接收、发送及差错控制功能。(4)、给LLC帧加上序号。6、MAC子层的功能(1)、发送信息时负责把LLC帧组装成带有地址和差错校验段的MAC帧,接收数据时对MAC帧进行拆卸,执行地址识别
4、和差错校验。(2)、实现和维护MAC协议。,10,3.3.2局域网网参考模型(4),MAC子层与LLC子层一、LLC帧与MAC帧的关系,高层数据,LLC首部,LLC数据,MAC数据,MAC尾部,MAC首部,高层数据,LLC帧,MAC帧,IEEE802标准,IEEE802.1A 局域网和城域网标准:综述及体系结构IEEE802.1B 局域网的寻址、网络互连及网络管理IEEE802.2 逻辑链路控制LLC,是高层协议与MAC子层间的接口IEEE802.3 CSMA/CD访问控制方法,定义了CSMA/CD总线的MAC子层和物理层标准和技术规范IEEE802.4 Token Bus令牌总线访问控制与物
5、理层技术规范IEEE802.5 Token Ring令牌环访问控制与物理层技术规范IEEE802.6 MAN城域网标准IEEE802.7 宽带局域网标准IEEE802.8 光纤局域网标准IEEE802.9 集成化综合话音数据局域网标准IEEE802.10 可互操作的局域网网络安全标准IEEE802.11 无线局域网标准IEEE802.12 100VG-AnyLAN新型高速局域网标准IEEE802.1Q 虚拟局域网VLAN标准,IEEE802标准,13,3.3.3 局域网的信道共享(1),1、信道分配计算机网络可以分成两类使用点到点连接的网络 广域网使用广播信道(多路访问信道,随机访问信道)的网
6、络局域网关键问题:如何解决对信道争用解决信道争用的协议称为介质访问控制协议 MAC(Medium Access Control),是数据链路层协议的一部分。,14,3.3.3 局域网的信道共享(2),信道分配方法有两种静态分配频分多路复用 FDM(波分复用WDM)原理:将频带平均分配给每个要参与通信的用户;优点:适合于用户较少,数目基本固定,各用户的通信量都较大的情况;缺点:无法灵活地适应站点数及其通信量的变化。时分多路复用 TDM原理:每个用户拥有固定的信道传送时槽;优点:适合于用户较少,数目基本固定,各用户的通信量都较大的情况;缺点:无法灵活地适应站点数及其通信量的变化。,15,3.3.3
7、 局域网的信道共享(2),动态分配信道分配模型的五个基本假设:站点模型:每个站点是独立的,并以统计固定的速率产生帧,一帧产生后到被发送走之前,站点被封锁;单信道假设:所有的通信都是通过单一的信道来完成的,各个站点都可以从信道上收发信息;冲突假设:若两帧同时发出,会相互重叠,结果使信号无法辨认,称为冲突。所有的站点都能检测到冲突,冲突帧必须重发;连续时间和时间分槽(确定何时发送);载波监听和非载波监听(确定能否发送)。,16,局域网的信道,局域网一般使用广播式信道,在广播式信道中,关键的问题是如何协调控制多个站点对共享信道的同时访问。传统局域网主要有以太网、令牌环网。这两种网络在支持的数据传输率
8、、物理层编码、帧格式、网络的管理与维护以及性能方面都有很大的差异,适合不同的应用环境。当某个单位构建的网络中要使用多种不同的局域网技术时,必须引入网桥设备,以实现不同局域网上的用户能够相互通信。,17,3.3.5 以太网 IEEE 802.3,以太网发展历史University of Hawaii 的ALOHA 网络Xerox 的 2.94M 以太网(1973)Xerox,DEC and Intel 的 10M 以太网(DIX 标准)(1980 Ver1;1982 Ver2)IEEE 802.3 标准(1985)IEEE 802.3u Fast Ethernet 标准(1995)IEEE 80
9、2.3z Gigabit Ethernet 标准(1998)IEEE 802.3ab Gigabit Ethernet 标准(1999),18,以太网的物理层标准,19,以太网拓扑结构,20,IEEE802.3 的三种接线方式,21,局域网的接法,同轴电缆接法,同轴电缆接法,集线器和双绞线接法,22,以太网的MAC帧,23,802.3帧格式(1),Preamble(前导符):7个Bytes的10101010该字段的曼彻斯特编码会产生10MHz,持续时间为 5.6s,以便接收方和发送的时钟进行同步。起始符:10101011,标志着一帧的开始。目的地址:6字节非广播地址:最高位为0 组播地址:最高
10、位为1广播地址:全 1源地址:6字节,最高位为0,24,802.3帧格式(2),Length(长度):2字节Data(用户数据):01500 BytesPAD(填充字段):046 Bytes保证冲突在数据发送期间可以检测到;随着网络速度的提高,必须相应地增大最小帧长度或是缩小电缆最大长度。,25,802.3帧格式(3),CRC校验码:32位生成多项式为:G(X)=X32+X26+X23+X22+X16+X11+X10+X8+X7+X5+X4+X2+X+1。校验范围为:目的地址、源地址、长度、数据和PAD,26,相关参数,冲突窗口(冲突时间片)=2*电缆传播延迟二进制指数回退算法该回退算法是用来
11、确定第k次碰撞后等待多长时间(Ti)再进行第i+1次尝试:Ti=r*冲突时间片其中:r=random(0 2i-1)以太网帧的最小帧长度对于10Mbps的以太网,冲突时间片为51.2s(两个站点的最大距离为2500m所带来的延迟外加上4个Repeater的延迟),相当于64Bytes的发送时间。,27,3.3.6 载波监听多路访问协议,1、载波监听多路访问协议CSMA(Carrier Sense Multiple Access Protocols)载波监听(Carrier Sense):站点在为发送帧而访问传输信道之前,首先监听信道有无载波,若有载波,说明已有用户在使用信道,则不发送帧以避免冲
12、突。多路访问(Multiple Access):多个用户共用一条线路,28,载波监听多路访问协议CDMA,1-坚持型CSMA(1-persistent CSMA)原理若站点有数据发送,先监听信道;若站点发现信道空闲,则发送;若信道忙,则继续监听直至发现信道空闲,然后完成发送;若产生冲突,等待一随机时间,然后重新开始发送过程。,29,载波监听多路访问协议CDMA,优点:减少了信道空闲时间;缺点:增加了发生冲突的概率;广播延迟对协议性能的影响:广播延迟越大,发生冲突的可能性越大,协议性能越差;非坚持型CSMA(nonpersistent CSMA)原理若站点有数据发送,先监听信道;若站点发现信道空
13、闲,则发送;若信道忙,等待一随机时间,然后重新开始发送过程;若产生冲突,等待一随机时间,然后重新开始发送过程。优点:减少了冲突的概率;缺点:增加了信道空闲时间,数据发送延迟增大;信道效率比 1-坚持CSMA高,传输延迟比 1-坚持CSMA大。,30,载波监听多路访问协议CDMA,p-坚持型CSMA(p-persistent CSMA)适用于分槽信道原理若站点有数据发送,先监听信道;若站点发现信道空闲,则以概率p发送数据,以概率q=1-p 延迟至下一个时槽发送。若下一个时槽仍空闲,重复此过程,直至数据发出或时槽被其他站点所占用;若信道忙,则等待下一个时槽,重新开始发送;若产生冲突,等待一随机时间
14、,然后重新开始发送。,31,3.3.7 带冲突检测的载波监听多路访问协议CSMA/CD,引入原因当两个帧发生冲突时,两个被损坏帧继续传送毫无意义,而且信道无法被其他站点使用,对于有限的信道来讲,这是很大的浪费。如果站点边发送边监听,并在监听到冲突之后立即停止发送,可以提高信道的利用率,因此产生了CSMA/CD原理站点使用CSMA协议进行数据发送;在发送期间如果检测到冲突,立即终止发送,并发出一个瞬间干扰信号,使所有的站点都知道发生了冲突;在发出干扰信号后,等待一段随机时间,再重复上述过程。,32,带冲突检测的载波监听多路访问协议CSMA/CD,工作状态传输周期竞争周期空闲周期问题一个站点确定发
15、生冲突要花多少时间?最坏情况下,2倍电缆传输时间CSMA/CD功能流程,CSMA/CD功能流程,34,无冲突协议(Collision-Free Protocols),1、基本位图协议(A Bit-Map Protocol)工作原理共享信道上有N个站,竞争周期分为N个时槽,如果一个站有帧发送,则在对应的时槽内发送比特1;N个时槽之后,每个站都知道哪个站要发送帧,这时按站序号发送。,35,基本位图协议(A Bit-Map Protocol),象这样在实际发送信息前先广播发送请求的协议称为预留协议(reservation protocol)效率轻负载下,效率为 d/(N+d),数据帧由d个时间单位组
16、成;重负载下,效率为 d/(d+1)。缺点与站序号有关的不平等性,序号大的站得到的服务好;每个站都有 1 比特的开销。,36,无冲突协议,2、二进制倒记数法(Binary Countdown)工作原理所有站的地址用等长二进制位串表示,若要占用信道,则广播该位串;不同站发的地址中的位做“或”操作,一旦某站了解到比本站地址高位更高的位置被置为“1”,便放弃发送请求。效率d/(d+log2N),37,二进制指数后退算法(binary exponential backoff),算法将冲突发生后的时间划分为长度为51.2微秒的时槽发生第一次冲突后,各个站点等待 0 或 1 个时槽再开始重传;发生第二次冲
17、突后,各个站点随机地选择等待0,1,2或3个时槽再开始重传;第 i 次冲突后,在 0 至 2i-1 间随机地选择一个等待的时槽数,再开始重传;10次冲突后,选择等待的时槽数固定在0至210-1间;16次冲突后,发送失败,报告上层。,38,3.3.8 IBM 令牌环局域网(1),技术产生原因环实际上并不是一个广播介质,而是不同的点到点链路组成的环,点到点链路有很多技术优势;各个站点是公平的,获得信道的时间有上限,避免冲突发生;IBM选择Token Ring作为它的LAN技术。基本思想环网设计分析的一个主要问题是 1 比特的“物理长度”,数据传输速率为 R Mbps,典型信号传播速率为200米/微
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