计算机网络原理：第六章 局域网与介质访问子层

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1、第六章局域网与介质访问子层主要内容n局域网概述局域网概述n局域网拓扑结构和传输介质局域网拓扑结构和传输介质n局域网技术局域网技术n信道分配信道分配n多路访问协议多路访问协议nIEEE 802系列标准系列标准n逻辑链路控制逻辑链路控制LLCnIEEE 802.3 和和 Ethernetn快速以太网快速以太网n千兆以太网千兆以太网主要内容（续）n其他局域网技术其他局域网技术nIEEE 802.5和和Token Ringn光纤分布式数据接口光纤分布式数据接口FDDInDPT n网桥技术网桥技术n连接连接 802.X和和 802.Y的网桥的网桥n透明网桥透明网桥/生成数网桥生成数网桥n源路由网桥源路由

2、网桥局域网概述n局域网产生的原因局域网产生的原因n1980年代，微型机发展迅速，彼此需要相互通年代，微型机发展迅速，彼此需要相互通信（近距离），共享资源；信（近距离），共享资源；n分布式的网络应用：分布式计算，分布式数据库分布式的网络应用：分布式计算，分布式数据库n定义定义n局域网是一种将小区域内的各种通信设备互连在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。一起的通信网络。局域网概述（续）n局域网的基本特点局域网的基本特点n高传输率（高传输率（10 Mbps 100 Gbps）n短距离（短距离（0.1 km 10 km）n低出错率（低出错率（10-8 10-11）n局域网发展趋

3、势局域网发展趋势n高速，高速，100G Ethernetn无线，无线局域网无线，无线局域网 IEEE 802.11局域网拓扑结构和传输介质n局域网拓扑结构局域网拓扑结构n星型结构星型结构n环型结构环型结构n总线型结构总线型结构n树型结构树型结构n传输介质传输介质n双绞线双绞线n基带同轴电缆基带同轴电缆n光纤光纤n无线无线无线网卡和桌面天线无线网卡和桌面天线无线网卡和天线无线网卡和天线无线无线PCMCIA网卡网卡无线无线 PCMCIA 网卡和发送网卡和发送/接收器接收器信道分配n计算机网络可以分成两类计算机网络可以分成两类n使用点到点连接的网络使用点到点连接的网络 广域网广域网n使用广播信道（多

4、路访问信道，随机访问信道）的网使用广播信道（多路访问信道，随机访问信道）的网络络 局域网局域网n关键问题：如何解决对信道争用关键问题：如何解决对信道争用n解决信道争用的协议称为介质访问控制协议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，是数据链路层协议的一部分的一部分n信道分配方法有两种信道分配方法有两种n静态分配静态分配n动态分配动态分配信道分配（续）n静态分配静态分配n频分多路复用频分多路复用 FDM（波分复用（波分复用WDM）n原理：将频带平均分配给每个要参与通信的用户原理：将频带平均分配给每个要参与通信的用户n优点：适

5、合于用户较少，数目基本固定，各用户的通信量都较优点：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大的情况n缺点：无法灵活地适应站点数及其通信量的变化缺点：无法灵活地适应站点数及其通信量的变化n时分多路复用时分多路复用 TDMn原理：每个用户拥有固定的信道传送时槽原理：每个用户拥有固定的信道传送时槽n优点：适合于用户较少，数目基本固定，各用户的通信量都较优点：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大的情况n缺点：无法灵活地适应站点数及其通信量的变化缺点：无法灵活地适应站点数及其通信量的变化信道分配（续）n动态分配动态分配n信道分配模型信道分配模型n独立站点假设：每个

6、站点是独立的，并以统计固定的独立站点假设：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，站点被封速率产生帧，一帧产生后到被发送走之前，站点被封锁锁n单信道假设：所有的通信都是通过单一的信道来完成单信道假设：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的，各个站点都可以从信道上收发信息n冲突假设：若两帧同时发出，会相互重叠，结果使信冲突假设：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，号无法辨认，称为冲突。所有的站点都能检测到冲突，冲突帧必须重发冲突帧必须重发n确定何时发送：连续时间确定何时发送：连续时间/时

7、间分槽时间分槽n确定能否发送：载波监听确定能否发送：载波监听/非载波监听非载波监听多路访问协议n定义：控制多个用户共用一条信道的协议定义：控制多个用户共用一条信道的协议n多路访问协议多路访问协议nALOHA协议协议n载波监听多路访问协议载波监听多路访问协议CSMAn带冲突检测的载波监听多路访问协议带冲突检测的载波监听多路访问协议CSMA/CDn无冲突协议无冲突协议n有限竞争协议有限竞争协议n无线局域网协议无线局域网协议ALOHA协议n70年代，夏威夷大学的年代，夏威夷大学的Norman Abramson设计了设计了ALOHA协议协议n目的：解决信道的动态分配目的：解决信道的动态分配n基本思想可

8、用于任何无协调关系的用基本思想可用于任何无协调关系的用户争用单一共享信道使用权的系统户争用单一共享信道使用权的系统n分类分类n纯纯ALOHA协议协议n分槽分槽ALOHA协议协议纯ALOHA协议n基本思想：用户有数据要发送时，可以直接发至信基本思想：用户有数据要发送时，可以直接发至信道；然后监听信道看是否产生冲突，若产生冲突，道；然后监听信道看是否产生冲突，若产生冲突，则等待一段随机的时间重发则等待一段随机的时间重发n多用户共享单一信道，并由此产生冲突，这样的系多用户共享单一信道，并由此产生冲突，这样的系统称为竞争系统统称为竞争系统纯ALOHA协议（续）n信道效率信道效率n假设：帧长固定，无限个

9、用户，按泊松分布产生新帧，平均每个帧假设：帧长固定，无限个用户，按泊松分布产生新帧，平均每个帧时（时（frame time）产生）产生S帧（帧（0 S 1）；发生冲突重传，新旧）；发生冲突重传，新旧帧共传帧共传k次，遵从泊松分布，平均每个帧时产生次，遵从泊松分布，平均每个帧时产生G帧帧n吞吐率吞吐率 S=GP0，P0为发送一帧不受冲突影响的概率为发送一帧不受冲突影响的概率n冲突危险区冲突危险区n一个帧时内产生一个帧时内产生k帧的概率：帧的概率：Prk=Gke-G/k!，两个帧时平均产，两个帧时平均产生生2G个帧，在冲突危险区内无其它帧产生的概率为：个帧，在冲突危险区内无其它帧产生的概率为：P0

10、=e-2G，所以所以S=Ge-2Gn效率：信道利用率最高只有效率：信道利用率最高只有18.4%分槽ALOHA协议n基本思想：把信道时间分成离散的时间槽，槽长为基本思想：把信道时间分成离散的时间槽，槽长为一个帧所需的发送时间。每个站点只能在时槽开始一个帧所需的发送时间。每个站点只能在时槽开始时才允许发送。其他过程与纯时才允许发送。其他过程与纯ALOHA协议相同协议相同n信道效率信道效率n冲突危险区是纯冲突危险区是纯ALOHA的一半，所以的一半，所以P0=e-G，S=Ge-Gn与纯与纯ALOHA协议相比，降低了产生冲突的概率，信道利协议相比，降低了产生冲突的概率，信道利用率最高为用率最高为36.8

11、%载波监听多路访问协议CSMAnCSMA（Carrier Sense Multiple Access Protocols）n载波监听（载波监听（Carrier Sense）n站点在为发送帧而访问传输信道之前，首先监听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信道有无载波n若有载波，说明已有用户在使用信道，则不发送若有载波，说明已有用户在使用信道，则不发送帧以避免冲突帧以避免冲突n多路访问（多路访问（Multiple Access）n多个用户共用一条线路多个用户共用一条线路1-坚持型CSMAn1-persistent CSMAn原理原理n若站点有数据发送，先监听信道若站点有数据发送，

12、先监听信道n若站点发现信道空闲，则发送若站点发现信道空闲，则发送n若信道忙，则继续监听直至发现信道空闲，然后完成发送若信道忙，则继续监听直至发现信道空闲，然后完成发送n若产生冲突，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n优点：减少了信道空闲时间优点：减少了信道空闲时间n缺点：增加了发生冲突的概率缺点：增加了发生冲突的概率n广播延迟对协议性能的影响广播延迟对协议性能的影响n广播延迟越大，发生冲突的可能性越大，协议性能越差广播延迟越大，发生冲突的可能性越大，协议性能越差非坚持型CSMAnnonpersistent CSMAn原理原理n若站点有数据发送，

13、先监听信道若站点有数据发送，先监听信道n若站点发现信道空闲，则发送若站点发现信道空闲，则发送n若信道忙，等待一随机时间，然后重新开始发送过程若信道忙，等待一随机时间，然后重新开始发送过程n若产生冲突，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n优点：减少了冲突的概率优点：减少了冲突的概率n缺点：增加了信道空闲时间，数据发送延迟增大缺点：增加了信道空闲时间，数据发送延迟增大n随着每个帧时发送帧数量（随着每个帧时发送帧数量（G）的增加，非坚持型）的增加，非坚持型CSMA信信道效率比道效率比 1-坚持坚持CSMA高，传输延迟比高，传输延迟比 1-坚持坚持CS

14、MA大大p-坚持型CSMAnp-persistent CSMAn适用于分槽信道适用于分槽信道n原理原理n若站点有数据发送，先监听信道若站点有数据发送，先监听信道n若站点发现信道空闲，则以概率若站点发现信道空闲，则以概率p发送数据，以概率发送数据，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，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重复此过程，直至数据发出或时槽被其他站点所占用n若信道忙，则等待下一个时槽，重新开始发送若信道忙，则等待下一个时槽，重新开始发送n若产生冲突，等待一随机时间，然后重新开始发送若产生冲突，等待一随机时间，然后

15、重新开始发送五种多路访问协议性能比较带冲突检测的载波监听多路访问协议CSMA/CDn引入原因引入原因n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，浪费信道无法被其他站点使用，浪费信道n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，因此产生了提高信道的利用率，因此产生了CSMA/CDn原理原理n站点使用站点使用CSMA协议进行数据发送协议进行数据发送n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在发送期间

16、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信号，使所有的站点都知道发生了冲突n在发出干扰信号后，等待一段随机时间，再新开始发送在发出干扰信号后，等待一段随机时间，再新开始发送n问题：一个站点确定发生冲突要花多少时间？问题：一个站点确定发生冲突要花多少时间？n最坏情况下，最坏情况下，2倍电缆传输时间倍电缆传输时间n工作状态工作状态n传输周期传输周期n竞争周期竞争周期n空闲周期空闲周期无冲突协议无冲突协议（续）n基本位图协议（基本位图协议（A Bit-Map Protocol）n工作原理工作原理n共享信道上有共享信道上有N个站，竞争周期分为个站，竞争周期分为

17、N个时槽，如果个时槽，如果一个站有帧发送，则在对应的时槽内发送比特一个站有帧发送，则在对应的时槽内发送比特1nN个时槽之后，每个站都知道哪个站要发送帧，这时个时槽之后，每个站都知道哪个站要发送帧，这时按站序号发送按站序号发送无冲突协议（续）n象这样在实际发送信息前先广播发送请求的协议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（称为预留协议（reservation protocol）n效率效率n轻负载下，效率为轻负载下，效率为 d/(N+d)，数据帧由，数据帧由d个时间个时间单位组成单位组成n重负载下，效率为重负载下，效率为 d/(d+1)n缺点缺点n与站序号有关的不平等性，序号大的

18、站得到的服务好与站序号有关的不平等性，序号大的站得到的服务好n每个站都有每个站都有 1 比特的开销比特的开销无冲突协议（续）n二进制下数法二进制下数法（Binary Countdown）n工作原理工作原理n所有站的地址用等长二进制位串表所有站的地址用等长二进制位串表示，若要占用信道，则广播该位串示，若要占用信道，则广播该位串n不同站发的地址中的位做不同站发的地址中的位做“或或”操操作，一旦某站了解到比本站地址高作，一旦某站了解到比本站地址高位更高的位置被置为位更高的位置被置为“1”，便放弃，便放弃发送请求发送请求n效率效率nd/(d+log2N)有限竞争协议n占用信道的策略占用信道的策略n竞争

19、方法竞争方法n例，例，CSMAn轻负载下，发送延迟小；重负载下，信道效率低轻负载下，发送延迟小；重负载下，信道效率低n无冲突方法无冲突方法n例，基本位图法例，基本位图法n轻负载下，发送延迟大；重负载下，信道效率高轻负载下，发送延迟大；重负载下，信道效率高n有限竞争方法有限竞争方法n结合以上两种方法，轻负载下使用竞争，重负载下使用无冲结合以上两种方法，轻负载下使用竞争，重负载下使用无冲突方法突方法n减少竞争的站的数目可以增加获取信道的概率减少竞争的站的数目可以增加获取信道的概率n基本思路：将站分组，组内竞争基本思路：将站分组，组内竞争n问题：如何分组？问题：如何分组？适应树搜索协议n工作原理工作

20、原理n站点组织成二叉树站点组织成二叉树n一次成功传输之后，第一次成功传输之后，第0槽全部站可竞争信道，只有一个站要使槽全部站可竞争信道，只有一个站要使用信道则发送；有冲突则在第用信道则发送；有冲突则在第1槽内半数站（槽内半数站（2以下站）参与竞以下站）参与竞争。如其中之一获得信道，本帧后的时槽留给争。如其中之一获得信道，本帧后的时槽留给3以下的站；如发以下的站；如发生冲突，继续折半搜索生冲突，继续折半搜索n当系统负载很重时，从根结点开始竞争发生冲突的概率当系统负载很重时，从根结点开始竞争发生冲突的概率非常大。为提高效率，可以从中间结点开始竞争非常大。为提高效率，可以从中间结点开始竞争n问题：搜

21、索应该从树的哪一级开始？问题：搜索应该从树的哪一级开始？无线局域网协议n无线局域网产生背景无线局域网产生背景n笔记本电脑的普及促进了无线局域网的发展笔记本电脑的普及促进了无线局域网的发展nportable mobilen要做到真正的移动，需要使用无线信号进行通信要做到真正的移动，需要使用无线信号进行通信n无线局域网的特点无线局域网的特点n只有一个信道（与蜂窝电话不同）只有一个信道（与蜂窝电话不同）n短距离传输短距离传输n一个站点发送的信号，只能被它周围一定范围内的站点一个站点发送的信号，只能被它周围一定范围内的站点接收到接收到无线局域网协议（续）n无线局域网与有线局域网不同无线局域网与有线局域

22、网不同n隐藏站点问题（隐藏站点问题（hidden station problem）n由于站点距离竞争者太远，从而不能发现潜在介质由于站点距离竞争者太远，从而不能发现潜在介质竞争者的问题称为隐藏站点问题竞争者的问题称为隐藏站点问题nA向向B发送数据的过程中，发送数据的过程中，C由于收不到由于收不到A的数据，的数据，也可以向也可以向B发送数据，导致发送数据，导致B接收时发生冲突接收时发生冲突无线局域网协议（续）n暴露站点问题（暴露站点问题（exposed station problem）n由于非竞争者距离发送站点太近，从而导致介质非竞由于非竞争者距离发送站点太近，从而导致介质非竞争者不能发送数据的

23、问题称为暴露站点问题争者不能发送数据的问题称为暴露站点问题nB向向A发送数据，被发送数据，被C监听到，导致监听到，导致C不能向不能向D发送数发送数据据无线局域网协议（续）n传统的传统的CSMA协议不适合于无线局域网，需要特殊协议不适合于无线局域网，需要特殊的的MAC子层协议子层协议nCSMAn电缆上的信号传播给所有站点电缆上的信号传播给所有站点nCSMA只判断发送站点周围是否有其它活跃发送站点只判断发送站点周围是否有其它活跃发送站点n冲突被发送站点发现冲突被发送站点发现n某一时刻，信道上只能有一个有效数据帧某一时刻，信道上只能有一个有效数据帧n无线局域网无线局域网n信号只能被发送站点周围一定范

24、围内的站点接收信号只能被发送站点周围一定范围内的站点接收n需要尽量保证接收站点周围一定范围内只有一个发送站点需要尽量保证接收站点周围一定范围内只有一个发送站点n冲突被接收站点发现冲突被接收站点发现n某一时刻，信道上可以有多个有效数据帧某一时刻，信道上可以有多个有效数据帧无线局域网协议（续）nMACA（Multiple Access with Collision Avoidance）n是是IEEE 802.11无线局域网标准的基础无线局域网标准的基础n基本思想：发送站点刺激接收站点发送应答短帧，基本思想：发送站点刺激接收站点发送应答短帧，从而使得接收站点周围的站点监听到该帧，并在从而使得接收站点

25、周围的站点监听到该帧，并在一定时间内避免发送数据一定时间内避免发送数据无线局域网协议（续）n基本过程基本过程nA向向B发送发送RTS(Request To Send)帧，帧，A周围的站点在一定时周围的站点在一定时间内不发送数据，以保证间内不发送数据，以保证CTS帧返回给帧返回给AnB向向A回答回答CTS(Clear To Send)帧，帧，B周围的站点在一定时间内周围的站点在一定时间内不发送数据，以保证不发送数据，以保证A发送完数据发送完数据nA开始发送开始发送n若发生冲突，采用二进制指数后退算法等待随机时间，再重新若发生冲突，采用二进制指数后退算法等待随机时间，再重新开始开始无线局域网协议（

26、续）nMACAWn对对MACA协议做了改进，提高了性能协议做了改进，提高了性能n主要改进主要改进n对每个成功传输的数据帧，都要产生确认帧对每个成功传输的数据帧，都要产生确认帧n增加了发送站点的载波监听增加了发送站点的载波监听n发生冲突后，针对每个数据流（相同源和目的地址）发生冲突后，针对每个数据流（相同源和目的地址）执行后退算法，而不是针对每个站点执行后退算法，而不是针对每个站点n发生拥塞时，站点间交互信息发生拥塞时，站点间交互信息小结n关键问题：在关键问题：在MAC子层如何解决多个站点争用共享信道？子层如何解决多个站点争用共享信道？n信道分配方式：静态（信道分配方式：静态（FDM、WDM、T

27、DM），），动态n多路访问协议多路访问协议n竞争协议竞争协议nALOHA：纯：纯ALOHA、分槽、分槽ALOHAnCSMA：1-坚持型坚持型CSMA、非坚持型、非坚持型CSMA、p-坚持型坚持型CSMA（分槽协（分槽协议）议）nCSMA/CDnEthernet采用哪种采用哪种CSMA协议？协议？n无冲突协议无冲突协议n有限竞争协议有限竞争协议n无线局域网协议（无线局域网协议（MACA,MACAW）IEEE 802协议nIEEE 802系列标准定义了若干种系列标准定义了若干种LAN，包括对物，包括对物理层、理层、MAC子层的定义和描述。它的组成如下：子层的定义和描述。它的组成如下：n802.1

28、基本介绍和接口原语定义基本介绍和接口原语定义n802.2 逻辑链路控制（逻辑链路控制（LLC）子层）子层n802.3 采用采用CSMA/CD技术的局域网技术的局域网n802.4 采用令牌总线（采用令牌总线（Token Bus）技术的局域网）技术的局域网n802.5 采用令牌环（采用令牌环（Token Ring）技术的局域网）技术的局域网n802标准在网络体系结构中的位置IEEE 802 familyIEEE 802 family（续）LAN的参考模型n引入引入LLC子层的原因：子层的原因：nMAC子层只提供尽力而为的数据报服务，不提供确认机子层只提供尽力而为的数据报服务，不提供确认机制和流量控

29、制（滑动窗口）制和流量控制（滑动窗口）n有些情况下，这种服务足够，如支持有些情况下，这种服务足够，如支持IP协议；当需要协议；当需要确确认认和流控的时候，这种服务就不能满足，需要和流控的时候，这种服务就不能满足，需要LLCn对于同一个对于同一个LLC，可以提供多个，可以提供多个MAC选择选择nLLC：Logical Link ControlnLLC子层提供确认机制和流量控制子层提供确认机制和流量控制nLLC隐藏了不同隐藏了不同802MAC子层的差异，为网络层提子层的差异，为网络层提供单一的格式和接口供单一的格式和接口nLLC提供三种服务选项：提供三种服务选项：n不可靠数据报服务，有确认数据报服

30、务，可靠的面相连不可靠数据报服务，有确认数据报服务，可靠的面相连接的服务接的服务nLLC帧头基于帧头基于HDLC协议协议逻辑链路控制子层 LLCnMAC：Medium Access ControlnMAC子层的功能子层的功能n数据数据帧帧封装、发送和接收封装、发送和接收n成帧（帧定界、帧同步）成帧（帧定界、帧同步）n寻址（源和目的寻址（源和目的MAC地址处理）地址处理）n差错检测差错检测n介质访问管理介质访问管理n介质分配（避免冲突）介质分配（避免冲突）n冲突解决（处理冲突）冲突解决（处理冲突）介质访问控制子层 MACn历史历史nALOHA系统系统nALOHA+载波监听载波监听nXerox 设

31、计了设计了2.94Mbps的采用的采用CSMA/CD协议的协议的EthernetnXerox,DEC,Intel共同制定了共同制定了10Mbps的的CSMA/CD以以太网标准太网标准nIEEE定义了采用定义了采用1-坚持型坚持型CSMA/CD技术的技术的802.3局域局域网标准，速率从网标准，速率从1M到到10MbpsnIEEE 802.3标准与以太网协议略有差别标准与以太网协议略有差别IEEE 802.3和Ethernetn802.3采用的电缆标准采用的电缆标准n10Base5：粗缆，：粗缆，AUI接口接口n10Base2：细缆，：细缆，BNC接口，接口，T型头型头n10Base-T：RJ-

32、45接口接口n10Base-F：光纤接口：光纤接口IEEE 802.3和Ethernet（续）n物理层类型用以下域表示物理层类型用以下域表示n n10Base5含义含义n10：10MbpsnBase：基带传输（：基带传输（baseband medium）n5：500米米n收发器（收发器（transceiver）：处理载波监听和）：处理载波监听和冲突检测冲突检测IEEE 802.3和Ethernet（续）IEEE 802.3和Ethernet（续）n布线拓扑结构布线拓扑结构n总线形，脊椎形，树形，分段总线形，脊椎形，树形，分段n三种电缆布线三种电缆布线8个办公室的网络连接(a)粗缆(b)细缆(c

33、)10Base-T 双绞线n扩展网段长度扩展网段长度n中继器：物理层设备，只对信号进行接收、放大中继器：物理层设备，只对信号进行接收、放大和双向重传和双向重传n两个收发器之间最多使用两个收发器之间最多使用4个中继器，最长个中继器，最长2500米米n802.3的信号编码的信号编码n由于曼彻斯特编码简单，所有的由于曼彻斯特编码简单，所有的802.3基带系统基带系统都使用曼彻斯特编码都使用曼彻斯特编码IEEE 802.3 和 Ethernet（续）10Base-T hubn802.3的的MAC子层帧格式子层帧格式n前导序列（前导序列（7个字节个字节10101010）n帧开始标志（帧开始标志（1字节，

34、字节，10101011）IEEE 802.3 和 Ethernet（续）n目标地址和源地址目标地址和源地址n2 或或 6个字节，以太网为个字节，以太网为6个字节个字节 n目的地址第一位（目的地址第一位（LSB:Least Significant Bit）为）为 0，表示单，表示单地址（地址（individual address）；为）；为 1，表示组地址（，表示组地址（group address），支持），支持multicast，目的地址全，目的地址全 1，为广播地址。源，为广播地址。源地址第一位（地址第一位（LSB）为）为0n地址中的第二位（地址中的第二位（LSB）用来区分本地地址和全球地址

35、。）用来区分本地地址和全球地址。n帧长度域（帧长度域（2字节，取值在字节，取值在0-1500之间）之间）n数据（数据（0-1500个字节）个字节）n填充（填充（0-46字节）字节）n校验和：校验和：CRC校验（校验（4个字节）个字节）IEEE 802.3 和 Ethernet（续）n最短帧长最短帧长n避免帧的第一个比特到达电缆的远端前帧已经发完，帧避免帧的第一个比特到达电缆的远端前帧已经发完，帧发送时间应该大于发送时间应该大于 2；n10Mbps LAN，最大冲突检测时间为，最大冲突检测时间为51.2微秒，最短帧微秒，最短帧长为长为64字节；字节；n网络速度提高，最短帧长也应该增大或者站点间的

36、距离网络速度提高，最短帧长也应该增大或者站点间的距离要减小。要减小。IEEE 802.3 和 Ethernet（续）IEEE 802.3 和 Ethernet（续）n二进制指数后退算法（二进制指数后退算法（binary exponential backoff）n将冲突发生后的时间划分为长度为将冲突发生后的时间划分为长度为51.2微秒的时槽微秒的时槽n发生第一次冲突后，各个站点等待发生第一次冲突后，各个站点等待 0 或或 1 个时槽再开始个时槽再开始重传；重传；n发生第二次冲突后，各个站点随机地选择等待发生第二次冲突后，各个站点随机地选择等待0,1,2或或3个时槽再开始重传；个时槽再开始重传；n

37、第第 i 次冲突后，在次冲突后，在 0 至至 2i-1 间随机地选择一个等待的时间随机地选择一个等待的时槽数，再开始重传；槽数，再开始重传；n10次冲突后，选择等待的时槽数固定在次冲突后，选择等待的时槽数固定在0至至210-1间；间；n16次冲突后，发送失败，报告上层。次冲突后，发送失败，报告上层。n交换式交换式802.3 LAN-目的：减少冲突；目的：减少冲突；-两种实现方法两种实现方法n一个卡内是一个一个卡内是一个802.3LAN，构成自己的冲突域，卡间并行，构成自己的冲突域，卡间并行n使用端口缓存，无冲突发生使用端口缓存，无冲突发生IEEE 802.3 和 Ethernet（续）IEEE

38、 802.3 和 Ethernet（续）快速以太网nFast Ethernetn标准标准n1995年，年，IEEE通过通过802.3u标准，实际上是标准，实际上是802.3的一的一个补充。原有的帧格式、接口、规程不变，只是将比特个补充。原有的帧格式、接口、规程不变，只是将比特时间从时间从100ns缩短为缩短为10nsn已合并到已合并到IEEE 802.3中中n对对10 Mbps 802.3 LAN的改进的改进n一种方法是改进一种方法是改进10Base-5 或或 10Base-2，采用，采用CSMA/CD，最大电缆长度减为，最大电缆长度减为1/10，未被采纳，未被采纳n另一种方法是改进另一种方法

39、是改进10Base-T，使用，使用HUB，被采纳，被采纳快速以太网（续）n100Base-T4n使用使用4对对 ISO/IEC 11801定义的定义的3、4、5类平衡双绞线类平衡双绞线n3类非屏蔽双绞线（类非屏蔽双绞线（UTP），），使用使用25MHz的信号的信号（802.3 10M LAN使用使用20MHz的信号，由于使用的信号，由于使用Manchester编码，波特率编码，波特率=2*比特率）比特率）n4对双绞线，对双绞线，1对对 to the hub，1对对 from the hub，另，另外外2对根据数据传输方向变换对根据数据传输方向变换n8B6T（8 bits map to 6 tr

40、its）编码，使用三进制信号）编码，使用三进制信号（ternary signals），），1对双绞线的比特率为对双绞线的比特率为25*8/6=33.3 Mbps，正向，正向100M，反向，反向33.3M快速以太网（续）n100Base-TXn使用使用2对对5类平衡双绞线或类平衡双绞线或150 屏蔽平衡电缆屏蔽平衡电缆，1对对 to the hub，1对对 from the hub，全双工，全双工n5类双绞线使用类双绞线使用125 MHz的信号的信号n4B5B编码，编码，5个时钟周期发送个时钟周期发送4个比特，物理层与个比特，物理层与FDDI兼容，比特率为兼容，比特率为 125*4/5=100

41、Mbpsn100Base-FXn使用使用2根多模光纤，全双工根多模光纤，全双工n100Base-T4 和和 100Base-TX 统称统称 100Base-T快速以太网（续）n两种类型的两种类型的HUBn共享式共享式 HUB，一个冲突域，工作方式与，一个冲突域，工作方式与802.3相同，相同，CSMA/CD，二进制指数后退算法，半双，二进制指数后退算法，半双工工 n交换式交换式HUB，输入帧被缓存，一个端口构成一，输入帧被缓存，一个端口构成一个冲突域个冲突域千兆以太网nGigabit Ethernetn标准：标准：802.3zn已合并到已合并到IEEE 802.3中中nGigabit Ethe

42、rnet 使用扩展的使用扩展的 802.3 MAC 子层接口，通过子层接口，通过GMII（Gigabit Media Independent Interface）与物理层相连与物理层相连千兆以太网（续）n物理层实体物理层实体n1000BASE-LX,1000BASE-SX,1000BASE-CX,1000BASE-Tn1000BASE-X（包括（包括1000BASE-SX,1000BASE-LX,和和 1000BASE-CX）物理层标准）物理层标准符合符合 ANSI X3.230-1994(Fibre Channel)FC-0 和和 FC-1，采用，采用8B/10B编码编码n1000BASE-

43、T 采用采用4B/5B编码编码n在一个冲突域内，只允许一个在一个冲突域内，只允许一个repeatern帧格式帧格式以太网与Metcalfen1972 1975年（通常认为年（通常认为1973年），年），施乐公司（施乐公司（Xerox）的）的Robert Metcalfe等人发明了等人发明了Ethernetn1979年，年，Metcalfe离开施乐，成立了离开施乐，成立了3Com（Computer,Communication,Compatibility）n3Com一度是一度是Cisco的强大竞争对手的强大竞争对手n2010.4，3Com为惠普收购，退出市场为惠普收购，退出市场 nMetcalfe

44、n以太网发明人以太网发明人n创建创建3Com公司公司n提出提出Metcalfes LawIEEE 802.3与Ethernet的区别n帧格式帧格式nIEEE 802.3 MAC地址长度为地址长度为2或或6个字节个字节nEthernet MAC地址长度为地址长度为6个字节个字节nToken Ringn1980年代，年代，IBM开发出令牌环作为它的开发出令牌环作为它的LAN技术技术nIEEE 802.5标准是主要基于标准是主要基于IBM的令牌环网络的，的令牌环网络的，但是也有一些细微的差别但是也有一些细微的差别 n令牌环技术提出时声称理论上比令牌环技术提出时声称理论上比Ethernet好，但好，但

45、是随着交换以太网的出现和以太网速率不断提高，是随着交换以太网的出现和以太网速率不断提高，令牌环技术落后于以太网令牌环技术落后于以太网n技术特点技术特点n环实际上并不是一个广播介质，而是不同的点到点链路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组成的环，点到点链路有很多技术优势n各个站点是公平的，获得信道的时间有上限，避免冲突各个站点是公平的，获得信道的时间有上限，避免冲突发生发生IEEE 802.5 令牌环n基本思想基本思想n令牌（令牌（Token）是一种特殊的比特组合模式，一个站要发送帧时，）是一种特殊的比特组合模式，一个站要发送帧时，需要抓住令牌，并

46、将其移出环需要抓住令牌，并将其移出环n环本身必须有足够的时延容纳一个完整的令牌，时延由两部分组成：环本身必须有足够的时延容纳一个完整的令牌，时延由两部分组成：每站的每站的1比特延迟和信号传播延迟。对于短环，必要时需要插入人比特延迟和信号传播延迟。对于短环，必要时需要插入人工延迟工延迟n环接口有两种操作模式：监听模式和传输模式环接口有两种操作模式：监听模式和传输模式IEEE 802.5 令牌环（续）n当一个站点有数据发送时，在令牌通过此站点时，将令当一个站点有数据发送时，在令牌通过此站点时，将令牌从环上取下，发送自己的数据，发送站负责将发出的牌从环上取下，发送自己的数据，发送站负责将发出的帧从环

47、上移去，然后重新生成令牌，并转入监听模式帧从环上移去，然后重新生成令牌，并转入监听模式n确认：帧内一个比特域，初值为确认：帧内一个比特域，初值为0，目的站收到后，将，目的站收到后，将其变为其变为1；对广播的确认比较复杂；对广播的确认比较复杂n重负载下，效率接近重负载下，效率接近100%n环网设计分析的一个主要问题是环网设计分析的一个主要问题是 1 比特的比特的“物理长度物理长度”，数据传输速率为数据传输速率为 R Mbps，典型信号传播速率为，典型信号传播速率为200米米/微秒，则微秒，则1 比特的比特的“物理长度物理长度”为为 200/R米米n环接口引入了环接口引入了1比特的传输延迟比特的传

48、输延迟IEEE 802.5 令牌环（续）IEEE 802.5 令牌环（续）n802.5的布线的布线n屏蔽双绞线，速率为屏蔽双绞线，速率为1/4/16M，采用差分曼彻，采用差分曼彻斯特编码传输斯特编码传输n为解决环断裂导致整个环无法工作的问题，使用为解决环断裂导致整个环无法工作的问题，使用线路中心（线路中心（Wire Center）进行布线，线路中心）进行布线，线路中心设有旁路中继器设有旁路中继器n令牌环令牌环MAC子层协议子层协议n协议基本操作：无信息传输时，协议基本操作：无信息传输时，3字节的令牌在环上循环；有信息要发送时，字节的令牌在环上循环；有信息要发送时，站获得令牌，并将第二个字节的某

49、一位由站获得令牌，并将第二个字节的某一位由 0 变成变成 1，将令牌的前两个字节，将令牌的前两个字节变成帧的起始序列，然后输出帧的其它部分变成帧的起始序列，然后输出帧的其它部分IEEE 802.5 令牌环（续）n开始定界符开始定界符SD和结束定界符和结束定界符ED标志着帧的开始和结束标志着帧的开始和结束,使用差分曼使用差分曼彻斯特编码模式彻斯特编码模式(HH和和LL，物理层编码违例法，物理层编码违例法)n访问控制域访问控制域 AC 包括令牌位、监视位、优先级位和保留位包括令牌位、监视位、优先级位和保留位n帧控制域帧控制域 FC 用于将数据帧和控制帧区别开来和进行环的维护；帧用于将数据帧和控制帧

50、区别开来和进行环的维护；帧状态字节状态字节FS用于报告帧的传送情况，包括地址位用于报告帧的传送情况，包括地址位A和拷贝位和拷贝位C，帧，帧经过目的站，经过目的站，A置为置为“1”，帧被接收，帧被接收，C置为置为“1”。A、C位提供了位提供了自动确认。为增加可靠性，自动确认。为增加可靠性，A、C在在 FS中出现两次中出现两次nA=0，C=0，目的站不存在或未加电，目的站不存在或未加电nA=1，C=0，目的站存在但帧未被接收，目的站存在但帧未被接收nA=1，C=1，目的站存在且帧被复制，目的站存在且帧被复制n令牌持有时间（令牌持有时间（token-holding time），一般为），一般为10毫

51、秒毫秒n提供优先级控制：访问控制域中的优先级位给出令牌的优先级，只提供优先级控制：访问控制域中的优先级位给出令牌的优先级，只有当要发送的帧的优先级大于等于令牌的优先级时才能获得令牌，有当要发送的帧的优先级大于等于令牌的优先级时才能获得令牌，站还可以预约某个优先级的令牌站还可以预约某个优先级的令牌IEEE 802.5 令牌环（续）n环的维护环的维护n环上存在一个监控站，负责环的维护，通过站的环上存在一个监控站，负责环的维护，通过站的竞争产生竞争产生n监控站的职责监控站的职责n保证令牌不丢失保证令牌不丢失n处理环断开情况处理环断开情况n清除坏帧，检查无主帧清除坏帧，检查无主帧IEEE 802.5

52、令牌环（续）光纤分布式数据接口nFDDI（Fiber Distributed Data Interface）n特征特征n使用多模光纤作为传输介质使用多模光纤作为传输介质nMAC协议与协议与 Token Ring 类似类似n100M的速率的速率n采用采用4B5B编码方法编码方法n32中组合中的中组合中的16种表示数据，种表示数据，3种表示定界符，种表示定界符，2种表示控制，种表示控制，3种表种表示硬件信号，示硬件信号，8种保留种保留n最大距离最大距离200公里公里n最多最多1000个站点个站点光纤分布式数据接口（续）n通常作为连接通常作为连接LAN的主干网络的主干网络nFDDI的双环操作的双环操

53、作nFDDI定义了两类站：定义了两类站：A类站连接双环，类站连接双环，B类站连接单环。类站连接单环。n为提高信道利用率，站点发完数据后立即产生新令牌，为提高信道利用率，站点发完数据后立即产生新令牌，环上可能同时存在多个帧环上可能同时存在多个帧nFDDI的的hub DPT/RPRnDynamic Packet Transport(option)nCisco 的技术，主要用于城域网，非国际标准的技术，主要用于城域网，非国际标准nOC-12(622 Mbps)，OC-48（2.488 Gbps）n结合了结合了IP带宽利用率高、服务种类丰富的特点和光纤环高带宽利用率高、服务种类丰富的特点和光纤环高带宽

54、、自治愈的特点带宽、自治愈的特点nDPT环是双环，每个环都同时用于用户数据和控制数据的环是双环，每个环都同时用于用户数据和控制数据的传输传输nSpatial Reuse Protocol(SRP)nSRP是一个媒介无关的是一个媒介无关的MAC层协议，用来实现层协议，用来实现DPT在光纤环情况上在光纤环情况上的功能的功能nSRP提供基本的寻址，报文封装，带宽控制和控制信息的传输机制提供基本的寻址，报文封装，带宽控制和控制信息的传输机制 DPT（续）n目的地提取报文目的地提取报文:报文被目的节点从环上取下，不报文被目的节点从环上取下，不继续占用带宽。这样继续占用带宽。这样DPT环可以提供空间复用，

55、使环可以提供空间复用，使得多个不同网段可以同时全速使用带宽得多个不同网段可以同时全速使用带宽nDPT结合了结合了 SONET/SDH的处理能力和第二层的的处理能力和第二层的管理能力，来实现多层性能监视，错误检查和错误管理能力，来实现多层性能监视，错误检查和错误隔离功能隔离功能nReferencenHttp:/ 802.X和 802.Y的网桥n互连时需要解决的相同问题互连时需要解决的相同问题n不同不同LAN帧格式的转换帧格式的转换n不同的不同的LAN速率不同，网桥要有缓存能力速率不同，网桥要有缓存能力n高层协议的计时器设置高层协议的计时器设置n不同的不同的LAN支持的最大帧长度不同，分别为支持的

56、最大帧长度不同，分别为1500，8191，5000。解决办法：丢弃无法转发的帧。解决办法：丢弃无法转发的帧连接 802.X和 802.Y的网桥（续）n三种不同的三种不同的LAN互连共有九种组合互连共有九种组合n操作操作n格式转换和重新计算校验和格式转换和重新计算校验和n变换位的顺序变换位的顺序n复制优先级复制优先级n产生一个虚拟的优先级产生一个虚拟的优先级n放弃优先级放弃优先级n把环排空把环排空n设置设置A/C位位n解决速率快慢问题解决速率快慢问题n处理帧太长的问题处理帧太长的问题透明网桥/生成树网桥n工作原理工作原理n网桥工作在混杂（网桥工作在混杂（promiscuous）方式，接收所有的帧

57、）方式，接收所有的帧n网桥接收到一帧后，通过查询地址网桥接收到一帧后，通过查询地址/端口对应表来确定是端口对应表来确定是丢弃还是转发丢弃还是转发n网桥刚启动时，地址网桥刚启动时，地址/端口对应表为空，采用洪泛端口对应表为空，采用洪泛（flooding）方法转发帧）方法转发帧n在转发过程中采用逆向学习在转发过程中采用逆向学习(backward learning)算法算法收集收集MAC地址。网桥通过分析帧的源地址。网桥通过分析帧的源MAC地址得到地址得到MAC地址与端口的对应关系地址与端口的对应关系,并写入地址并写入地址/端口对应表端口对应表n网桥软件对地址网桥软件对地址/端口对应表进行不断的更新

58、，并定时检端口对应表进行不断的更新，并定时检查，删除在一段时间内没有更新的地址查，删除在一段时间内没有更新的地址/端口项端口项透明网桥/生成树网桥（续）n帧的路由过程帧的路由过程n目的目的LAN与源与源LAN相同，则丢弃帧相同，则丢弃帧n目的目的LAN与源与源LAN不同，则转发帧不同，则转发帧n目的目的LAN未知，则洪泛帧未知，则洪泛帧透明网桥/生成树网桥（续）n多个网桥（并行网桥）可能产生回路多个网桥（并行网桥）可能产生回路透明网桥/生成树网桥（续）n解决多个网桥产生回路的问题解决多个网桥产生回路的问题n思想思想n让网桥之间互相通信，用一棵连接每个让网桥之间互相通信，用一棵连接每个LAN的生

59、成树的生成树（Spanning Tree）覆盖实际的拓扑结构）覆盖实际的拓扑结构n构造生成树构造生成树n每个桥广播自己的桥编号，号最小的桥称为生成树的根每个桥广播自己的桥编号，号最小的桥称为生成树的根n每个网桥计算自己到根的最短路径，构造出生成树，使得每个每个网桥计算自己到根的最短路径，构造出生成树，使得每个LAN和桥到根的路径最短和桥到根的路径最短n当某个当某个LAN或网桥发生故障时，要重新计算生成树或网桥发生故障时，要重新计算生成树n生成树构造完后，算法继续执行以便自动发现拓扑结构变化，生成树构造完后，算法继续执行以便自动发现拓扑结构变化，更新生成树更新生成树源路由网桥nCSMA/CD和和

60、Token Bus选择了透明网桥，选择了透明网桥，Token Ring选择了源路由网桥选择了源路由网桥n源路由网桥的原理源路由网桥的原理n帧的发送者知道目的主机是否在自己的帧的发送者知道目的主机是否在自己的LAN内内n如果不在，在发出的帧头内构造一个准确的路由序列，如果不在，在发出的帧头内构造一个准确的路由序列，包含要经过的网桥、包含要经过的网桥、LAN的编号。并将发出的帧的源地的编号。并将发出的帧的源地址的最高位置址的最高位置1n例：图中例：图中A到到D的路由为的路由为:(L1，B1，L2，B2，L3)源路由网桥（续）n每个每个LAN有一个有一个12位的编号，每个网桥有一个位的编号，每个网桥

61、有一个4位的编号位的编号n网桥只接收源地址的最高位为网桥只接收源地址的最高位为1的帧，判定是转发还是丢弃的帧，判定是转发还是丢弃n源路由的产生：每个站点通过广播源路由的产生：每个站点通过广播“发现帧发现帧”(discovery frame)来获得到各个站点的最佳路由来获得到各个站点的最佳路由n若目的地址未知，源站发送若目的地址未知，源站发送“发现帧发现帧”，每个网桥收到后广播，目的站，每个网桥收到后广播，目的站收到后发应答帧，该帧经过网桥时被加上网桥的标识，源站收到后就知收到后发应答帧，该帧经过网桥时被加上网桥的标识，源站收到后就知道了到目的站的最佳路由道了到目的站的最佳路由n优点优点n对带宽进行最优的使用对带宽进行最优的使用n缺点缺点n网桥的插入对于网络是不透明的，需要人工干预网桥的插入对于网络是不透明的，需要人工干预网桥的比较n无线网桥，用于连接无线网桥，用于连接无线局域网和一般的无线局域网和一般的局域网局域网交换机n交换机内的电路让每个计算机位于单独的局交换机内的电路让每个计算机位于单独的局域网网段上并与其他网段通过网桥连接域网网段上并与其他网段通过网桥连接