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1、第四章 局域网和城域网4.1 局域网概述o基于地理范围的网络划分基于地理范围的网络划分n局域网n城域网n广域网o局域网是应用最为广泛的一类网络。局域网是应用最为广泛的一类网络。o局域网是自计算机网络产生以来发展最快局域网是自计算机网络产生以来发展最快的一种网络。的一种网络。4.1 局域网概述o局域网定义局域网定义n指在较小的地理范围内，将有限的通信设备互连起来的计算机网络。o局域网特点：局域网特点：n地理范围和站点数目均有限；n为一个单位或组织所拥有；n较高的数据传输速率；4.2 局域网参考模型o局域网和城域网只需要考虑如何使用通信介质在局域网和城域网只需要考虑如何使用通信介质在网络中传输数据
2、，而不需要特别考虑高层以上的网络中传输数据，而不需要特别考虑高层以上的协议。协议。oIEEE802.1定义的局域网参考模型：定义的局域网参考模型：n将OSI参考模型中的“数据链路层”分为两个子层：o逻辑链路控制子层（逻辑链路控制子层（LLC）o介质访问控制子层（介质访问控制子层（MAC）4.2 局域网参考模型4.2 局域网参考模型o为什么将数据链路层分为两层：为什么将数据链路层分为两层：n在原来的OSI参考模型中没有定义对共享媒体的访问控制功能，为了适应局域网的需要，在原有的层次上增加了一个子层（MAC）来完成共享媒体的访问控制功能。MAC层功能与硬件有关，LLC层功能与硬件无关，所以MAC子
3、层在LLC子层之下。n对于同一种LLC层实现，可提供几种不同的MAC选择。局域网参考模型中各层主要功能o物理层的主要功能是物理层的主要功能是：n信号的编码与译码；n为进行同步用的前同步码（preamble）的产生与去除；n比特的传输与接收。oMAC子层主要功能：子层主要功能：n发送方将 LLC 送来的数据封装成帧，帧中包含地址、差错控制、流量控制等字段。n接收方，对收到的帧解包进行地址识别和差错检验 n管理和控制对局域网传输媒体的访问oLLC子层主要功能：子层主要功能：n为高层协议提供相应的接口，即一个或多个服务访问点（SAP），并进行流量和差错控制。局域网参考模型各层主要功能o在在 LLC
4、以上看不到局域网的具体内容，以上看不到局域网的具体内容，LLC 及高位层是及高位层是不管局域网的结构和连接方法的，不管局域网的结构和连接方法的，MAC 以下才能了解连以下才能了解连接方式及协议（总线、令牌或其它）接方式及协议（总线、令牌或其它）局域网参考模型中各层主要功能oLLC与与MAC的关系的关系：n高位层将数据封装好后由高层PDU(协议数据单元)送LLC层数据单元 n在LLC层将其加上LLC首部后，作为LLC层的PDU，送MAC层 n在MAC层加上MAC首部及MAC尾后，构成MAC层的PDU，即MAC帧，送物理层发送出去局域网参考模型中各层主要功能LAN协议上下层关系协议上下层关系4.2
5、.2 拓扑结构oLAN和WAN的设计的关键技术因素：n拓扑n传输媒体n媒体的访问控制技术常见的局域网拓扑结构o总线/树形拓扑n广播通信n信号向两端传输n端接器常见的局域网拓扑结构o两个关键问题n每个发出的数据祯需要携带目的地址信息。n每个站点需要保持统一的媒体访问机制。常见的局域网拓扑结构o环形拓扑o单向线路o转发器负责接收数据，并按相同的数据速率转发数据。o数据帧绕环一周，由相应的目的站点接收。o绕环一周后，回到源发站，由源发站将该数据帧从线路上删除。常见的局域网拓扑结构o星型拓扑集线器、交换机或转发器n中心节点的两种工作方式：o广播式：物理上是星型，逻辑上是总线o帧交换设备：由中心节点确定
6、将帧从哪一个端口转发出去。传输媒体和拓扑结构的选择物理媒体物理媒体环形环形总线总线树形树形星形星形双绞线基带同轴电缆宽带同轴电缆光纤无线媒体4.2.2 IEEE802标准oIEEE(电气电子工程师学会)n802委员会专门致力于局域网的发展nIEEE 802.x网络通信协议系列服务于局域网通信n802系列协议的两个基本思想o将局域网作为网络的最小组成单位进行描述o针对于不同的局域网拓扑结构，不同的传输媒体，不同的通信要求制定出不同的通信标准。4.2.2 IEEE802标准4.2.3 LLC子层oSAP服务访问点服务访问点，相当于上层应用进程的地址。通过数据单元中的SAP信息，将数据单元传递给接收
7、方的某个上层应用进程。例：LLC子层o寻址分二步进行：a)用MAC在网络上找到DTE(Data Terminal Equipment)找到物理地址 b)在LLC帧中找到SAP地址 找到SAP点o一旦建立了连接，只有MAC与LLC地址均符合，并且源/目地址符合的帧才能被接收，其它拒收。o图中可以看出数据链路是复用的（即一条链路被复用成几条逻辑链路）,LLC可以保证各进程互不干扰地正常工作。LLC子层oLLC子层提供的服务子层提供的服务nLLC1 不确认的无连接服务。不确认的无连接服务。o数据报服务，不需确认。这时差错控制、流量控制等由高层（传输层）提供，用于点到点、广播、组播、测试等，由于信道可
8、靠，这样做可提高信道利用率。nLLC2 面向连接服务。面向连接服务。o虚电路方式，有“连接-通信-撤除”三个过程，用于DTE是简单终端时，或长数据传输时。nLLC3 带确认的无连接服务。带确认的无连接服务。o不连接，直接发数据，但要有对方的确认，这样可以有较高的可靠性和信道利用率，例如工业现场上位机与下位机的通信。MAC子层o主要作用是控制站点对传输介质的访问n谁来控制？o集中式：有一个中央控制器负责分配介质的访问权，所有站点要发送数据之前，都要获得中央控制器的允许。n优点：可提供优先级控制功能；每个站点的功能相当简单；避免对等实体间进行分布合作可能带来的问题。n缺点：若控制站点故障则整个网络
9、瘫痪；控制站点可能会形成整个网络通信的瓶颈。o分布式：所有站点使用一个相同的介质分配协议来确定介质访问的先后顺序。MAC子层o怎样控制？（决定谁先谁后的具体方式）n同步（静态）：信道的分配机制事先规定好，不会根据当时通信状态的变化而变化。oFDM（频分多路复用）事先将信道划分出不同的频率范围，若某个频段没有数据传输，则该频段的带宽被浪费。oTDM（时分多路复用）事先划定出时间片，所以站点在自己的时间片内轮流使用信道，若某个站点在属于它的时间片内没有发数据，则该时间片被浪费。MAC子层o异步（动态）：根据当时的通信状况即时地调节信道分配策略。n时间片轮转：轮到某个站点使用时间片时，如果该站点没有
10、数据要传，则直接轮到下一个站点使用时间片。o轮询（集中式）：由主控制器轮流查询各站有无数据要发。o令牌环（分步式）：一个“令牌”各个站点之间传递。MAC子层o动态n预约：城域网的DQDB方式。适用于连续通信。n竞争：多个站点竞争使用传输信道分布式。适用于突发式通信。MAC子层oMAC帧格式MAC控制 目的MAC地址 源MAC地址 LLC CRCoMAC控制字段：包括所有实现媒体访问控制所必需的协议控制信息，比如优先级等。o目的MAC地址：接收数据帧的站点MAC地址。o源MAC地址：发出数据帧的站点MAC地址。oLLC：来自LLC层的数据oCRC：循环校验字段，用于差错控制。4.3 CSMA/C
11、D和IEEE802.3标准o纯ALOHA协议n起源：最早用于无线网，用来连接夏威夷群岛和船舰起源：最早用于无线网，用来连接夏威夷群岛和船舰之间的无线通信，其思想可用于各种共用的传输介质。之间的无线通信，其思想可用于各种共用的传输介质。n工作原理：站点只要产生帧，就立即发送到信道上；工作原理：站点只要产生帧，就立即发送到信道上；规定时间（数据最长的往返时间规定时间（数据最长的往返时间+一小段固定时间）一小段固定时间）内若收到应答，表示发送成功；否则重发内若收到应答，表示发送成功；否则重发n重发策略：等待一段重发策略：等待一段随机的时间随机的时间，然后重发；如再次，然后重发；如再次冲突，则再等待一
12、段随机的时间，直到重发成功为止。冲突，则再等待一段随机的时间，直到重发成功为止。等待等待随机时间随机时间是为了减少是为了减少再次冲突再次冲突的可能性。的可能性。纯ALOHA的工作原理纯ALOHA协议o缺点：极容易冲突o性能：网络负载 0.5 吞吐量 0.184纯ALOHA的性能分析o假定一个帧时T0内产生的帧数服从泊松分布oT0 的含义：独占信道时成功发送一帧所用的时间o主要性能参数：nS吞吐率（吞吐量、信道利用率），T0 内成功发送的帧数0 S 1nG网络负载，T0 内总共发送的平均帧数，GS，G=S+重发帧nSGP（发送成功）纯ALOHA的性能分析o帧成功发送的条件：该帧与其前后2帧的间隔
13、均大于T0，即要求在t0t0+2t这两个帧时内产生的帧数为0。与阴影帧的开始发生碰撞与阴影帧的尾部发生碰撞冲突危险区图4.6 阴影帧的冲突危险区纯ALOHA的性能分析o任一帧时内产生k帧的概率服从柏松分布：o两个帧时内产生k帧的概率：o帧发送成功，要求在两个帧时内产生的帧数k0，则Pr(0)=e-2G。o吞吐率：S=GPr(0)Ge-2Go当G0.5时，吞吐率最大，S=1/2e0.18纯ALOHA的性能分析分隙ALOHAo工作原理：将时间划分为一段段等长的时隙（长度相当于工作原理：将时间划分为一段段等长的时隙（长度相当于帧成功传输的时间），帧成功传输的时间），规定帧不论何时产生，只能在每个规定
14、帧不论何时产生，只能在每个时隙开始时发送到信道上时隙开始时发送到信道上。分隙ALOHAo代价：需要全网同步；可设置一个特殊站点，由代价：需要全网同步；可设置一个特殊站点，由该站点发送时钟信号。该站点发送时钟信号。o帧发送成功的条件：没有其他帧在同一时隙内产帧发送成功的条件：没有其他帧在同一时隙内产生。生。AB产生产生分隙ALOHAo性能：性能：“冲突危险区冲突危险区”长度比纯长度比纯ALOHA降降低一半，最大低一半，最大“网络负载网络负载”和最大和最大“吞吐吞吐量量”提高一倍：提高一倍：G1S0.37。纯ALOHA和分隙ALOHA的性能比较CSMA(载波监听多点访问)o工作原理：所谓载波侦听（
15、carrier sense），意思是网络上各个工作站在发送数据前都要总线上有没有数据传输。若干数据传输（称总线为忙），则不发送数据；若无数据传输（称总线为空），立即发送准备好的数据。所谓多路访问（multiple access)意思是网络上所有工作站收发数据共同使用同一条总线，且发送数据是广播式的。o工作原理，可以概括如下:o先听后说，边听边说；一旦冲突，立即停说；等待时机，然后再说；听，即监听、检测之意；说，即发送数据之意。CSMA：载波监听多点访问o载波监听策略：n 非坚持CSMA：一旦监听到信道忙，就不再监听；延迟一个随机时间后再次监听。n坚持CSMA：监听到信道忙时，仍继续监听，直到信
16、道空闲o1-坚持CSMA：一听到信道空闲就立即发送数据（以概率1发送）op-坚持CSMA：听到信道空闲时，以概率p发送数据，即以概率1-p延迟一段时间后再发送发送等待2收到ACK?出口YN信道忙？延迟一随机时间有待发帧YN出口等待2收到ACK?YN信道忙？延迟一随机时间有待发帧N01之间选择随机数xx1，则会产生冲突，导致冲突帧的重传。n需要重传的帧数越多，则信道负载越大，产生冲突的可能性就越大。n要求NP决定使用哪根总线上的信元。H1H4H3H24.7.2 IEEE 802.6 标准：DQDBo按序排队,FIFOn所有站点发送数据先要预约空信元n站点利用反向信道上信元的“请求位”预约正向信道上的空信元o每站点2个计数器nRC下游站点的传输请求数nCD还需等待几个信元才能传输