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1、计算机网络（第二版）电子教案计算机网络（第二版）电子教案局域网概述与令牌环局域网概述与令牌环本讲内容本讲内容第四章 局域网4.1 局域网概述4.1.1 什么是局域网4.1.2 局域网拓扑4.1.3 结构化布线系统*4.2 局域网体系结构4.2.1 局域网参考模型4.2.2 逻辑链路控制子层LLC4.2.3 媒体访问控制子层MAC4.2.4 网卡4.2.5 LAN地址4.3 令牌环访问控制和IEEE 802.5标准4.3.1 令牌环概述4.3.2 令牌环媒体访问控制协议优先级机制（去掉）4.3.3 IEEE 802.5标准 *是要求同学了解的，这些内容在本电子教案中并未讲解而是要求同学自己阅读教
2、材。广域网、局域网、城域网广域网、局域网、城域网l广域网广域网（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。l局域网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。l城域网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。4.1.1 什么是局域网什么是局域网l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节点（Node），而在局域网技术中又
3、经常被称为站点站点（Station）。局域网的拓扑结构局域网的拓扑结构l总线型l星型l环形 分别要记住了，三种拓扑用在哪里？举例子说明。4.2.1 局域网参考模型局域网参考模型l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。l802.1给出了局域网的体系结构l802.2给出了逻辑链路控制子层l802.3/802.4/802.5给出了以太网、令牌总线、令牌环局域网 应用层表示层会话层运输层网络层数据链路层物理层OSI参考模型媒体媒体物理层媒体访问控制逻辑链路控制高层协议IEE
4、E 802参考模型LLC服 务 访 问 点（SAP）IEEE 802标准的范围工作组名称 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
5、802委员会标准化工作局域网的物理层局域网的物理层 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：l信号的编码/解码l前导的生成/去除(该前导用于同步)l比特的传输/接收l对于传输媒体和拓扑结构的说明 局域网的数据链路层局域网的数据链路层l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:1.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。-MAC2.在接收时，将收到的帧解包,进行地址识别和差错检测-MAC3.管理和控制对于局域网传输媒体的访问-MAC4.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
6、差错控制。-LLC的功能 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
7、.2 逻辑链路控制子层逻辑链路控制子层LLClLLC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。lLLC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。LLC提供的服务提供的服务lLLC为上层用户提供三种类型的服务以供选择l无确认无连接服务：l数据报形PDU的传送无需任何形式的确认，也无需流量控制和差错控制机制。依赖于高层协议软件提供可靠和流量控制机制l服务支持单点、多点传送以及广播。l有连接服务l两个用户交换数据
8、前必须建立一条逻辑连接，并且要提供相应的流量控制、排序和差错控制机制，同时提供连接释放功能。l只支持单点传送，没有组广播和广播方式。l有确认无连接服务l提供对数据报的确认机制，同时在进行数据传输前无需建立逻辑连接。LLC PDUlLLC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。l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。DSAPSSAPControlInfo8bit8bit8bitLLC 协议字段协议字段l8比特的SAP字段有2位具有特殊的含义l“全局/本地”（
9、Global/Local）比特，它表明是由802委员会分配了这个SAP数字（确保它的唯一性）还是由本地网络管理员管理这个数字的。l另外一个“组/个体”比特用来标识该SAP指定了一组高层协议还是一个高层协议。l有效的SAP编号只有6位，全局的SAP编号非常有限l可以使用本地分配的SAP编号，但这要求预先知道对方机器的SAP编号。l对SAP进行扩展，即SNAP SAP lDSAP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）协议字段（续）l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。但
10、是l有人注意到，IEEE 802帧的报头包含了奇数个八位组，为了使得整个报头能够按16位对齐，协议类型字段最好能占用奇数个八位组。l另外有人注意到如果协议类型字段超过3个八位组，则可以把这个字段分隔为两个部分，前面3个八位组为组织唯一标识OUI，它是站点的LAN地址（我们会在后面进行介绍，OUI标识了某个网卡制造商）的前面3个八位组，剩余的八位组则作为协议类型，这样制造商可以自己分配协议号，而不会出现冲突。l最后人们达成了一致，把协议类型字段设为5个八位组长（40比特），因为5是大于3的最小奇数。l即前面3个字节表示OUIl后面两个字节表示协议号4.2.3 媒体访问控制子层媒体访问控制子层MA
11、Cl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。l两个关键的参数：l控制位置l集中式：选择某个节点,它可以授权访问网络l分布式：所有节点平等地参与决定传输顺序l控制方式l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媒体访问控制技术l同步机制：采用的是信道分割协议l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l还有一种信道分割协议是码分多址CDMAl异步机制：可以进一步分为三类l时间片轮转：l预约l竞争媒体访问控制技术（续）媒体访问控制技术（续）
12、l时间片轮转：l每个节点按照一定的逻辑顺序得到传输时间片 l站点的逻辑顺序的控制可采用集中式或分布式l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。l令牌传递令牌传递采取分布式控制，一串特殊的比特流即令牌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l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l预约也可以是集中式或分布式的 l竞争：所有节点展开竞争以获取对共享媒体的访问权l冲突检测冲突检测可以检测出媒体上有多个传输同时进行l载波监听载波监听：设备通过侦听
13、媒体来避免冲突 l两者结合在一起就是带冲突检测的载波侦听多路访问带冲突检测的载波侦听多路访问(CSMA/CD)4.2.4 网卡网卡l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。l适配器又常被称为网卡或者网络接口卡NIC。网卡的功能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驱动程序网卡驱动程序l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。4.2.5 LAN地址地址l在对LAN地址进行标准化的过程中，IE
14、EE 802委员会给出的建议是可以使用48位或者16位地址l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l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）地址（续）lLAN地址的前面24位往往被称为“厂商代号”或全球唯一标识OUIl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。l接下来一个比特是用来表示地址是全球还是本地分配的lLAN地址书写
15、的标准格式采用最低位在前的顺序l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 lLAN 地址（续）4.3.1 令牌环概述令牌环概述l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lIEEE802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。l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。l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l包括了一个分布的媒体访问协议来
16、控制站点的传输，只有令牌持有者才能发送帧l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）发送模式线路中心线路中心l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。l旁路中继器由站点供电，出现故障时旁路,站点从环中移走l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令牌环媒体访问控制协议l当环上无信息传输时，令牌就不停地
17、在环网上转，等待站点将其抓获。l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。l一个站点可在令牌持有时间THT（Token Holding Time）内拥有令牌。l令牌轮转时间TRT（Token Rotation Time）环的比特长度环的比特长度l传播时延和传输时延l每个接口1位延时l环的比特长度=信号的传播时延*数据的传输速率+接口的延时l =环路媒体长度*5(us/km)*数据传输速率+接口的延时l（5(us/km)*是信号传播速率200m/us的倒数环的比特长度环的比特长度l例如：某令牌环的媒体长度10Km,数据
18、传输速率4Mbps,环路上共有50个站点，每个站点的引入1位延时。(假设传播速率200m/us)l 环比特长度=10*5*4+1*50=250令牌环的确认机制令牌环的确认机制l帧的递交的确认机制l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l帧的数据字段长度没有限制，只要令牌持有时间允许l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:lA:Access Bit：帧通过目的站点时设置lC:Copy Bit：帧复制到目的站点时设置A0，C0：目的站点不存在或者未加电。A1，C0：目的站点存在但帧未被接收。A1，C1：目的站点存在且帧被复制。A0，C
19、1：这种组合是无意义的优先级机制优先级机制l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)l环中的令牌有一定的优先级n l每个站点发送的帧都分配一个优先级l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）优先级机制（续）l令牌的优先级如何改变?预约机制l站点X想要传输一优先级为n的数据帧:l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。l经过令牌帧的预约字段比n低,该字段改变为n.l持有令牌站点释放令牌时把优先级提升为n。l优先级会不断被提升l优先级提
20、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：实例优先级机制：实例l站点准备发送一个帧:优先级=5l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）优先级机制：实例（续）l令牌优先级高,或者数据帧经过,进行预约l站点传输完,产生一个新的令牌:l提升优先级：有站点预约l或者不提升：无站点预约优先级机制：实例（续）优先级机制：实例（续）l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l早释令牌ETR(Early Token Release)l站点发出数据帧,在帧传输完时
21、,该帧的第一个比特可能会:l已回到发送站点:l还没有回到发送站点:这一段时间必须等待lETR允许站点完成传输后马上释放令牌:l优先级机制的问题：先发送令牌,然后检查预约字段.令牌环维护令牌环维护l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w选取监控站:w竞争机制来产生，出现冲突时采用高地址优先w监控站的功能:w检测令牌丢失:最长无令牌时间w混淆帧:检验和字段w无主帧:监控位w经过监控站时置位，如果两次出现证明无主帧w环长度:人工延迟w确定环断点位置：和线路中心配合w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4.3.3 IEEE 802.
22、5标准标准l802.5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）lIEEE 802.5 LAN的帧格式字节 1 1 1 2或6 2或6 无限制 4 11SD AC FC 目的地址 源地址 LLC DATA FCS ED FS IEEE 802.5 LAN帧格式帧格式l起始定界符(SD)：指示帧的开始。l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l帧控制(FC)：提示此帧是否一个LLC数据帧l目的地址(DA)、源地址(SA)、数据单元(Data Unit)、帧
23、检验序列(FCS)l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。l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。练习题练习题4.10令牌环上的环绕时延必须能够容纳整个令牌。如果电缆不够长，必须人为地增加时延。请说明为什么在时延只有16比特、而令牌为24比特的环网上必须额外地增加时延？4.11在一个4Mbps的令牌环中，令牌持有时间为10ms。可在环上发送的最大帧有多长？4.21一个802.5令牌环中有5个站点，环长度为230米。请问监控站必须插入多少比特的延迟？假设信号传播速度为，分别考虑数据速率为4Mbps和16Mbps的情形。4.23考虑一个16Mbps的IEEE 802.5令牌环，环的传播延时为130微秒。假设环中只有两个站点总是有帧要发送，帧的长度为200字节，请问不采用早释令牌和采用早释令牌的环利用率是多少？