计算机网络PPT课件第四章局域网.ppt

第四章 局域网,第四章 局域网,4.1 介质访问控制方法 4.2 ALOHA原理 4.3 CSMA方式 4.4 局域网概述 4.5 局域网的体系结构 4.6 CSMA/CD和以太网802.3标准 4.7 IEEE 802.4 令牌总线局域网 4.8 IEEE 802.5 令牌环 4.9 局域网的扩展,4.1 介质访问控制方法,介质访问技术是局域网的关键技术之一。 所谓介质访问技术，就是研究如何有效地利用通道(介质)的问题，目的是如何适应数据传输的间歇(突发性)特点，采用适当的复用策略，以提高通道的利用率，减少数据传输中的时延，提高网络的吞吐率。 网络性能在很大程度上与所采用的介质访问技术有关。 介质访问技术的中心问题是解决通道复用问题。,多点访问协议,一条共享的通信信道 两个或多个结点可同时发送信号: 相互干扰 在某一时刻只有一个结点可以成功地发送信号 多点访问协议: 分布式的算法来决定如何共享信道, i.e., 决定工作站何时可以发送 注意：有关共享通道的通信（协商）也必须在该通道自身上解决! 我们希望多点访问协议能够解决什么问题: 同步还是异步 了解其他站点的信息 健壮性 (e.g.如何对待信道错误) 性能,MAC 协议: 分类,通道分割 将信道分割成较小的 “片” (时隙, 频率) 将小片分给各站点使用 随机访问 允许冲突 从冲突中“恢复” “排队” 严格协调访问来避免冲突,目标: 高效, 公平, 简单, 分散控制,随机访问协议,当结点有数据要发送时： 使用信道全部的传输速率 R. 在诸多结点中不存在“预先”协商的机制 可能发生两个以上结点同时传输 - “冲突” 随机访问的 MAC协议定义了: 如何检测冲突 如何从冲突中恢复 (e.g., 通过延迟重发) 随机访问 MAC协议的实例: ALOHA 时隙ALOHA CSMA and CSMA/CD,4.2 ALOHA原理,4.2.1 纯ALOHA 4.2.2 时隙ALOHA,4.2.1 纯ALOHA,纯Aloha 工作原理 站点可在任意时刻发送帧 检测到冲突，等待一个随机时间后重发 （注：如等待时间不随机，会因再次冲突而死锁） 缺点：极容易冲突 性能 网络负载G=0.5时，吞吐率Smax=0.184,4.2.1 纯ALOHA,纯Aloha( 参考动画:纯ALOHA演示) 纯Aloha系统的工作原理图,4.2.1 纯ALOHA,纯ALOHA的吞吐量的极大值只能达到理想值的18.4。实际上为安全起见，纯ALOHA的吞吐量S不应超过10。这就是为什么在纯ALOHA出现之后，又提出了多种改进的ALOHA系统。,4.2.2 时隙ALOHA,时隙Aloha（slotted aloha） 工作原理 将时间划分成等长的时隙，站点只在时间片到来的瞬间发送帧 信道利用率提高一倍 重发策略：同纯ALOHA 性能：网络负载G=1时，吞吐率Smax=0. 368 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 帧发送成功的条件：没有其他帧在同一时隙内到达,4.2.2 时隙ALOHA,时隙Aloha（slotted aloha） 时隙Aloha系统的工作原理图,4.2.2 时隙ALOHA,4.3 CSMA方式,4.3.1 CSMA的概念 4.3.2 CSMA的分类,4.3.1 CSMA的概念,在使用广播式的无线或有线局域网中，假设一个站点发送报文时其他站点很快就可以察觉到，如果某一站点在发报前已知道通道上有报文在传送，它就不必再发报，以免产生冲突。这种用监听通道情况以决定是否可以发报的方法，就是载波监听多重访问(CSMA: Carrier Sense Multiple Access)方式。,4.3.1 CSMA的概念,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突 多路访问（multiple Access） 多个用户共用一条线路,CSMA: Carrier Sense Multiple Access,CSMA: （载波检测多路访问）发送前侦听: 如果信道闲置: 发送整个分组 如果信道忙, 推迟发送 坚持性 CSMA: 当信道闲置时，以p的概率立即重试 (可能导致不稳定) 非坚持性 CSMA: 在某个随机间隔以后再试 为人处事的规则之一: 不要打断别人的发言!,4.3.2 CSMA的分类,载波监听多路访问协议CSMA 坚持CSMA 1-坚持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，然后立刻（以概率1）开始发送数据； 若产生冲突，等待一随机时间，然后重新开始发送过程。 优点 减少了信道空闲时间； 缺点 增加了发生冲突的概率； 传播延迟对协议性能的影响 传播延迟越大，发生冲突的可能性越大，协议性能越差；,4.3.2 CSMA的分类,载波监听多路访问协议CSMA 坚持CSMA p-坚持型CSMA（p-persistent CSMA） 适用于分时隙信道 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（即以概率q=1-p延迟至下一个时隙发送）。若下一个时隙仍空闲，重复此过程，直至数据发出或时隙被其他站点所占用； 若信道忙，则等待下一个时隙，重新开始发送； 若产生冲突，等待一随机时间，然后重新开始发送。,4.3.2 CSMA的分类,载波监听多路访问协议CSMA 非坚持型CSMA（nonpersistent CSMA） 原理 若站点有数据发送，先监听信道； 若站点发现信道空闲，则立刻发送数据； 若信道忙，等待一随机时间，然后再监听信道； 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。,CSMA 的冲突,冲突可能发生在: 由于传播延迟两个节点可能听不到对方的发送,冲突: 整个分组的传输时间被浪费,以太网结点间的时空图,注意: 这里的冲突概率是由距离和 传播延迟来决定的,CSMA/CD (Collision Detection，冲突检测),CSMA/CD: 在冲突发生后，短时间内可探测到 立即中断传输, 减少信道的时间浪费 坚持性或非坚持性重传 冲突检测: 在有线 LAN中简便易行: 检测信号强度, 比较收、发的信号 在无线 LAN比较困难: 传输时接收器是关闭的 人类社会的范例: 彬彬有礼的交谈者,CSMA/CD 冲突检测,4.4 局域网概述,4.4.1 局域网的基本组成 4.4.2 局域网的特点 4.4.3 局域网的分类,4.4.1 局域网的基本组成,硬件：由计算机系统和通信系统组成 网络服务器: 提供网络服务，共享资源，网络管理。 网络工作站：客户机 网络接口卡（网络适配器、网卡）：实现计算机和传输介质之间的物理连接。 网络设备：集线器（HUB）、中继器、交换机（Switch）、网桥、路由器（Router）。 传输介质：非屏蔽双绞线、屏蔽双绞线、基带同轴电缆、光缆。,4.4.1 局域网的基本组成,服务器,4.4.1 局域网的基本组成,以太网卡,4.4.1 局域网的基本组成,集线器,4.4.1 局域网的基本组成,集线器,4.4.1 局域网的基本组成,路由器,4.4.1 局域网的基本组成,交换机,4.4.1 局域网的基本组成,网络软件 网络系统软件 网络操作系统（NOS） 网络协议软件 网络通信软件 网络应用软件 为用户提供实际的网络应用。,4.4.2 局域网的特点,局域网最主要的特点是: 网络为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目均有限。,4.4.2 局域网的特点,局域网还具有以下的一些优点： 能方便地共享昂贵的外部设备、主机以及软件、数据，从一个站点可访问全网。 便于系统的扩展和逐渐地演变，各设备的位置可灵活调整和改变。 提高了系统的可靠性、可用性和残存性。,4.4.3 局域网的分类,局域网按网络拓扑结构可分为以下四类： 星形：所有结点都连接到中央结点 环型：结点通过点到点链路与相临结点连接 总线型：所有结点都直接连接到共享信道 树型：类似总线型（非直接，或结合星型）,4.4.3 局域网的分类,4.5局域网的体系结构,局域网参考模型 对应于OSI参考模型最低两层： 物理层：透明传输位流，规定信号编码、传输媒体、拓扑结构及数据率 数据链路层(802委员会将局域网的数据链路层拆成两个子层) 介质访问控制子层 MAC（Medium Access Control） 逻辑链路控制子层 LLC（Logical Link Control）,4.5局域网的体系结构,将数据链路层拆成两层后： 与接入到传输媒体有关的内容都放在MAC子层。 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。,4.5局域网的体系结构,局域网参考模型,4.5局域网的体系结构,MAC子层： 数据链路层中与接入各种传输媒体有关的问题。还负责在物理层的基础上进行无差错的通信。更具体些讲，MAC子层的主要功能是： 将上层交下来的数据封装成帧进行发送(接收时进行相反的过程，将帧拆卸) 实现和维护MAC协议 比特差错检测 寻址,4.5局域网的体系结构,媒体接入控制MAC子层 802标准规定MAC地址字段可采用6字节(48 bit)或2字节16bit这两种中的一种。 如：0050BA 213E04 :0050BA 厂商代码 在生产网卡时，这种6字节的MAC地址已被固化在网卡中。,LAN 地址,每个 LAN上的网卡都有具唯一性的LAN 地址,LAN 地址 (续),MAC 分配由 IEEE管理 制造商购买部分MAC地址空间 (以保证唯一性) 比方: (a) MAC地址: 美国人的社会保险号 (b) IP地址: 类似邮政地址 MAC 平面地址 = 可以迁移 可以将 LAN卡从一个LAN换到另一个 IP 层次性地址不可迁移 取决于某个站点接入的网络,4.5局域网的体系结构,平常所讲的物理地址或MAC地址，也就是通常所说的计算机中网卡的硬件地址，共48位,高24位由IEEE分配,世界上凡是制造局域网网卡的厂家都必须向IEEE购买这24位高地址,该地址被称为地址块或厂家代码。低24位地址由厂家分配。,4.5局域网的体系结构,在计算机网络中，硬件地址的作用就是用来找到我们所要进行通信的计算机。网卡从网上每收到一个MAC帧就首先检查其硬件地址。如果是发往本站的帧则收下，然后再进行其他的处理。否则就将此帧丢弃，不再进行其他的处理。这里“发往本站的帧”包括以下三种帧： 单播(unicast)帧(一对一通信)，即收到的帧的MAC地址与本站的硬件地址相同。 广播(broadcast)帧(一对所有通信)，即发送给所有站点的帧(全1地址)。 多播(multicast)帧(一对多通信)，即发送给一部分站点的帧。 所有的网卡都至少应当能够识别前两种帧，即能够识别单播和广播地址。有的网卡可以用编程的方法识别多播地址。当操作系统启动时，它就将网卡初始化，使网卡能够识别某些多播地址,4.5局域网的体系结构,LLC子层： 数据链路层中与媒体接入无关的部分，其主要功能是： 建立和释放数据链路层的逻辑连接 提供与高层的接口 差错控制 给帧加上序号,4.5局域网的体系结构,LLC子层向上主要提供三种操作类型(operation type)的服务： 操作类型1一一即LLC1，不确认的无连接服务，即数据报，可用于点对点服务，特别适合于广播和多播通信； 操作类型2一一即LLC2，面向连接服务，开销较大，每次通信需要经过连接建立、数据传送、连接断开这三个阶段； 操作类型3一一即LLC3，带确认的无连接服务，用于传送某些非常重要且时间性也很强的信息，如过程控制或自动化。,回顾前面与局域网相关的知识,信道共享技术 信道复用FDM、TDM等 信道竞争- （1）有控 （2）随机 ALOHA、CSMA。CSMA/CD 深入探讨CSMA/CD,4.6 CSMA/CD和802.3标准,4.6.1 CSMA/CD协议的提出 4.6.2 CSMA/CD的要点 4.6.3 802.3标准和以太网 4.6.4 802.3标准的优缺点,4.6.1 CSMA/CD协议的提出,为了通信的简便，以太网采取了两种重要的措施： (1) 采用较为灵活的无连接的工作方式，即不必先建立连接就可以直接发送数据。 (2) 以太网对发送数据帧不进行编号，也不要求对方发回确认。 所以，以太网提供的服务是不可靠的交付，即尽最大努力的交付。,4.6.1 CSMA/CD协议的提出,剩下的一个重要的问题是如何协调总线上的各计算机的工作，即在同一时间只能允许一台计算机发送信息，否则各计算机之间就会相互干扰，结果大家都无法正常发送数据。,4.6.1 CSMA/CD协议的提出,以太网采用的协调方法是使用一种特殊的协议，即CSMA/CD (载波监听多点接入/碰撞检测) 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(CD)，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。,4.6.2 CSMA/CD的要点,“载波监听” 指每一个站在发送数据之前先要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据，如果有，则暂时不要发送数据，以免发生碰撞。以太网使用曼彻斯特编码信号。 “多点接入” 许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上。 “碰撞检测” 计算机边发送数据边检测信道上的信号电压大小，如果检测到电压超过一定的门限值，就认为发生了碰撞。,问题？,要监听多久为空才发送 要监听多久才知道自己正确发送 监听不为空要等多久 发现碰撞后要等多久。等等 要靠协议保证,4.6.3 802.3标准和以太网协议,IEEE 802.3和Ethernet 历史 ALOHA系统 ALOHA+载波监听 Xerox设计了2.94Mbps的采用CSMA/CD协议的Ethernet Xerox, DEC, Intel共同制定了10Mbps的CSMA/CD以太网标准 IEEE定义了采用1-坚持CSMA/CD技术的802.3局域网标准，速率从1M到10Mbps，802.3标准与以太网协议略有差别。,4.6.3 802.3标准和以太网协议,IEEE 802.3和Ethernet 802.3 MAC子层协议 802.3的MAC子层帧格式 前导序列（7个字节10101010） 帧开始标志（1字节，10101011）,4.6.3 802.3标准和以太网,IEEE 802.3和Ethernet 802.3 MAC子层协议 802.3的MAC子层帧格式 目标地址和源地址 2或6个字节，10Mbps以太网规定为6个字节 目的地址的最高位为0是普通地址，为1时是组播地址，全1时为广播地址；源地址第一位（LSB）为0。 地址中的第二位用来区分本地地址和全球地址。 数据长度域（2字节，取值在01500之间） 数据（01500个字节） 填充（046字节） 校验和：CRC校验（4个字节），校验区间：DAPAD 扩展域：用于千兆以太网,802.3/Ethernet v2帧格式,PA： 前同步码 - 10101010序列，用于使接收方与发送方同步 SFD： 帧首定界 - 10101011 DA： 目的MAC地址； SA： 源MAC地址 LEN：数据长度（数据部分的字节数）（0-1500B） Type： 类型。高层协议标识 LLC PDU+pad - 最少46字节, 最多1500字节 Pad：填充字段，保证帧长不少于64字节(若Data域46字节，则无Pad) FCS： 帧校验序列（CRC-32）,8 6 6 2 46-1500 4字节,FCS,SA,Type,PA,DA,Data,Pad,Ethernet,IEEE 802.3,7 1 2/6 2/6 2 46-1500 4 字节,校验区间,64-1518 字节,4.6.3 802.3标准和以太网,IEEE 802.3和Ethernet 802.3 MAC子层协议 最短帧长 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 2；,4.6.3 802.3标准和以太网,IEEE 802.3和Ethernet 802.3 MAC子层协议 最短帧长 802.3标准规定：任意两个站点间最多可有三个同轴电缆段（即4个中继器），接到中继器的点到点链路总长不能超过1000米，所以允许最大电缆长度2500米。若加上6节50米中继器电缆，则整个局域网最大作用距离为2800米。理论:5 S /KM*5.6=28 S 考虑中继最多:45 S +48bit加强码传输时间4.8 S =49.8 S-计算机一般表示成2的n次方的表示形式51.2 S ,4.6.3 802.3标准和以太网,IEEE 802.3和Ethernet 802.3 MAC子层协议 最短帧长 802.3规定：在10Mbps局域网中，时间片2t=51.2s 最短帧长度：10Mbps(2t)/8=64 Byte 注：最短帧长度不包括前同步码，范围应为从“目的地址校验和” 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,最小帧长计算,设信号在介质上端点到端点的传播延时为t秒，数据传输速率为R b/s，则在最坏情况下能使任何站监听到冲突的最小帧长为2tR bits。 例题：教材习题四（14题）。,以太网: 应用CSMA/CD,A: 检测信道, if 闲置 then 发送并检测信道; If 检测到了其他站点传输 then 中止传输并发送冲突信号; 更新冲突 #; 按指数退避算法延迟发送; goto A else 帧发送结束;将冲突次数置0 else 等待正在进行的传输结束并goto A,截断二进制指数类型的退避算法,以太网中随机等待时间采用二进制指数后退算法BEB（Binary Exponential Backoff）： 设退让时间片数为R，取值范围k（的k次方），其中 K=min (n,i) 式中，n为冲突次数，i为退让极限（Back off limit）。 当ni时，K=n；当ni时，K=i；当n=j时，其中j为尝试极限（Attempt limit），放弃发送，并通知高层。 确定基本退避时间，一般是取争用期 2t 定义参数K，它等于重传次数，但一般不超过退避极限值（如10）。故K=MIN重传次数，退避极限值。 随机地取退让时间片数，退避时间即为 2t,以太网的 CSMA/CD (续),指数退避（Exponential Backoff）: Goal目的: 使得重发的企图能够与推测出的当前负载相适应 在重负荷下: 随机等待的时间将更长些 首次冲突: 从0,1中选择 K； 延迟的时长为 K x 512 bit 传输时间 第二次冲突后:从 0,1,2,3选择K 在10次或更多的冲突发生后：从 0,1,2,3,4,1023选择K,4.6.3 802.3标准和以太网,IEEE 802.3和Ethernet 802.3采用的电缆标准,物理层类型的表示方法 10Base5含义：10：10Mbps； Base：基带传输（baseband medium）；5：500米 10Base5：粗缆，AUI接口； 10Base2：细缆，BNC接口，T型头； 10Base-T：双绞线，RJ-45接口；,4.6.3 802.3标准和以太网,IEEE 802.3和Ethernet 三种802.3电缆 Transceiver（收发器）：处理载波监听和冲突检测,4.6.3 802.3标准和以太网,IEEE 802.3和Ethernet 布线拓扑结构 总线形，脊椎形，树形，分段 扩展网段长度 中继器：物理层设备，只对信号进行接收、放大和双向重传 两个收发器之间最多使用4个中继器，最长2500米。,4.6.3 802.3标准和以太网,IEEE 802.3和Ethernet 10Base5 分插头 : 插入电缆 收发器 : 发送/接收, 冲突检测, 电气隔离，超长控制 AUI : 连接件单元接口 用于骨干网,4.6.3 802.3标准和以太网,IEEE 802.3和Ethernet 10Base2 BNC T型接头 无需插入电缆 用于办公室LAN,4.6.3 802.3标准和以太网,IEEE 802.3和Ethernet 10BaseT 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。 转发器/中继器的作用：扩充信号传输距离。将信号放大并整形后再转发，消除信号传输的失真和衰减。物理层设备。,10BaseT/100BaseT自适应网络,10/100 Mb/s传输速率; 后者被称为 “快速以太网” T: 代表双绞线（ Twisted Pair） 所有结点通过双绞线连接到集线器（Hub）,物理上呈现出 “星型拓扑” CSMA/CD 算法在集线器（Hub）中实现 从结点到集线器的最长距离为 100米 集线器可以与发生故障的适配器断开而不影响其他 需要注意：网卡、网线规格、集线器技术参数的匹配,4.6.4 802.3标准的优缺点,优点： 使用最为广泛； 算法简单； 站点可以在网络运行中安装； 使用无源电缆； 轻负载时，延迟为0。,4.6.4 802.3标准的优缺点,缺点： 使用模拟器件，每个站点在发送的同时要检测冲突； 最短帧长64字节，对于短数据来讲开销太大； 无优先级，发送是非确定性的，不适合于实时工作； 电缆最长2500米（使用中继器）； 速率提高时，帧传输时间减少，竞争时间不变（2t），效率降低； 重负载时，冲突严重。,4.7 IEEE 802.4 令牌总线局域网,IEEE 802.4 令牌总线（Token Bus） 特点 物理上是总线网，逻辑上是令牌网 物理层：传输媒体为75宽带同轴电缆， 数据率1M、5M或10M； 基带信号需要调制,4.7 IEEE 802.4 令牌总线局域网,IEEE 802.4 令牌总线（Token Bus） 帧结构 先导字节：10101010 优先级：0，2，4或6 开始/结束界符：模拟编码 帧最大长度：8182/8174字节 CRC校验,4.8 IEEE 802.4 令牌总线局域网,IEEE 802.4 令牌总线（Token Bus） 逻辑环的维护 初始化、站点要求加入、令牌丢失/多令牌,4.8 IEEE 802.5 令牌环,4.8.1 IEEE 802.5 令牌环的产生原因 4.8.2 IEEE 802.5 令牌环的基本思想 4.8.3 令牌环MAC子层协议 4.8.4 802.5标准的优缺点,4.8.1 IEEE 802.5 令牌环的产生原因,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选择令牌环(Token Ring)作为它的LAN技术。,4.8.2 IEEE 802.5 令牌环的基本思想,基本思想 令牌（Token）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，并将其移出环； 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1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； 环接口有两种操作模式：监听模式和传输模式； 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，然后重新生成令牌，发送站负责将发出的帧从环上移去，并转入监听模式； 确认：帧内一个比特域，初值为0，目的站收到后，将其变为1；对广播的确认比较复杂； 重负载下，效率接近100%。,4.8.2 IEEE 802.5 令牌环的基本思想,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/微秒，则1比特的“物理长度”为 200/R米； 环接口引入了1比特的传输延迟； Fig. 4-28,4.8.2 IEEE 802.5 令牌环的基本思想,4.8.3 令牌环MAC子层协议,令牌环MAC子层协议 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，站获得令牌，并将第二个字节的某一位由 0 变成 1，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； 开始定界符SD和结束定界符ED标志着帧的开始和结束，使用差分曼彻斯特编码模式（HH和LL，物理层编码违例法）；,令牌传递(1),令牌是一种小帧，3个字节 如果计算机没有信息要传递，它只是将令牌向下传递。,令牌帧,1B,1B,1B,接入控制,结束,起始,P P P T M R R R,令牌位,优先级,监督位,预约位,1B,1B,1B,非令牌帧,1B,1B,1B,访问控制,结束,起始,帧状态,帧控制,目的地址,源地址,FCS,1 1 1 2/6 2/6 0 4 1 1,数据,令牌传递(2),如果计算机有信息要传递，它抓住令牌，将T比特置1，然后将数据装入帧中，向下游的计算机传递该帧。一个令牌一帧。,令牌传递(3),该数据帧在环中按一定方向循环，直到目的计算机，目的计算机将帧中帧状态字段中的A比特置1，表示收到，将帧中帧状态字段中的C比特置1，表示Copy，然后该帧继续向下传递。,令牌传递(4),源计算机检查帧状态字段中的A、C比特，确认信息传递成功，于是将数据从帧中移除，将数据帧还原成令牌帧，向下传递。,优先级和预约,P P P T M R R R,令牌位,优先级,监督位,预约位,令牌帧接入控制域,计算机的优先级大于等于令牌的优先级，才能抓住令牌 计算机的优先级大于等于令牌的优先级，才能预约令牌 计算机升高令牌的优先级，完成传输后，释放令牌的时候必须把优先级降回它抓住令牌的优先级状态。,4.8.3 令牌环MAC子层协议,环的维护 环上存在一个监控站，负责环的维护，通过站的竞争产生； 监控站的职责 保证令牌不丢失； 处理环断开情况； 清除坏帧，检查无主帧。,令牌环网络活动监视 (Active Monitor ),选举、时钟、维护,例如：清除剩余帧，释放新令牌,4.8.4 802.5标准的优缺点,优点： 使用点到点连接，完全数字化； 使用线路中心，自动检测和消除电缆故障； 支持优先级，允许短帧，但受令牌持有时间限制，不允许任意长的帧； 重负载时，吞吐量和效率较高。,4.8.4 802.5标准的优缺点,缺点： 中央监控； 轻负载时，延迟大。,4.9.1 局域网的基本组成,硬件：由计算机系统和通信系统组成 网络服务器: 提供网络服务，共享资源，网络管理。 网络工作站：客户机 网络接口卡（网络适配器、网卡）：实现计算机和传输介质之间的物理连接。 网络设备：集线器（HUB）、中继器、交换机（Switch）、网桥、路由器（Router）。 传输介质：非屏蔽双绞线、屏蔽双绞线、基带同轴电缆、光缆。,4.9.1 局域网的基本组成,服务器,4.9.1 局域网的基本组成,以太网卡,4.9.1 局域网的基本组成,集线器,4.9.1 局域网的基本组成,集线器,4.9.1 局域网的基本组成,路由器,4.9.1 局域网的基本组成,交换机,4.9.1 局域网的基本组成,网络软件 网络系统软件 网络操作系统（NOS） 网络协议软件 网络通信软件 网络应用软件 为用户提供实际的网络应用。,4.9.2 局域网的特点,局域网最主要的特点是: 网络为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目均有限。,4.9.2 局域网的特点,局域网还具有以下的一些优点： 能方便地共享昂贵的外部设备、主机以及软件、数据，从一个站点可访问全网。 便于系统的扩展和逐渐地演变，各设备的位置可灵活调整和改变。 提高了系统的可靠性、可用性和残存性。,4.9.3 局域网的分类,局域网按网络拓扑结构可分为以下四类： 星形：所有结点都连接到中央结点 环型：结点通过点到点链路与相临结点连接 总线型：所有结点都直接连接到共享信道 树型：类似总线型（非直接，或结合星型）,4.9.3 局域网的分类,4.10局域网的体系结构,局域网参考模型 对应于OSI参考模型最低两层： 物理层：透明传输位流，规定信号编码、传输媒体、拓扑结构及数据率 数据链路层(802委员会将局域网的数据链路层拆成两个子层) 介质访问控制子层 MAC（Medium Access Control） 逻辑链路控制子层 LLC（Logical Link Control）,4.10局域网的体系结构,将数据链路层拆成两层后： 与接入到传输媒体有关的内容都放在MAC子层。 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。,4.10局域网的体系结构,局域网参考模型,4.10局域网的体系结构,MAC子层： 数据链路层中与接入各种传输媒体有关的问题。还负责在物理层的基础上进行无差错的通信。更具体些讲，MAC子层的主要功能是： 将上层交下来的数据封装成帧进行发送(接收时进行相反的过程，将帧拆卸) 实现和维护MAC协议 比特差错检测 寻址,4.10局域网的体系结构,媒体接入控制MAC子层 802标准规定MAC地址字段可采用6字节(48 bit)或2字节16bit这两种中的一种。 如：0050BA 213E04 :0050BA 厂商代码 在生产网卡时，这种6字节的MAC地址已被固化在网卡中。,LAN 地址,每个 LAN上的网卡都有具唯一性的LAN 地址,LAN 地址 (续),MAC 分配由 IEEE管理 制造商购买部分MAC地址空间 (以保证唯一性) 比方: (a) MAC地址: 美国人的社会保险号 (b) IP地址: 类似邮政地址 MAC 平面地址 = 可以迁移 可以将 LAN卡从一个LAN换到另一个 IP 层次性地址不可迁移 取决于某个站点接入的网络,4.10局域网的体系结构,平常所讲的物理地址或MAC地址，也就是通常所说的计算机中网卡的硬件地址，共48位,高24位由IEEE分配,世界上凡是制造局域网网卡的厂家都必须向IEEE购买这24位高地址,该地址被称为地址块或厂家代码。低24位地址由厂家分配。,4.10局域网的体系结构,在计算机网络中，硬件地址的作用就是用来找到我们所要进行通信的计算机。网卡从网上每收到一个MAC帧就首先检查其硬件地址。如果是发往本站的帧则收下，然后再进行其他的处理。否则就将此帧丢弃，不再进行其他的处理。这里“发往本站的帧”包括以下三种帧： 单播(unicast)帧(一对一通信)，即收到的帧的MAC地址与本站的硬件地址相同。 广播(broadcast)帧(一对所有通信)，即发送给所有站点的帧(全1地址)。 多播(multicast)帧(一对多通信)，即发送给一部分站点的帧。 所有的网卡都至少应当能够识别前两种帧，即能够识别单播和广播地址。有的网卡可以用编程的方法识别多播地址。当操作系统启动时，它就将网卡初始化，使网卡能够识别某些多播地址,4.10局域网的体系结构,LLC子层： 数据链路层中与媒体接入无关的部分，其主要功能是： 建立和释放数据链路层的逻辑连接 提供与高层的接口 差错控制 给帧加上序号,4.10局域网的体系结构,LLC子层向上主要提供三种操作类型(operation type)的服务： 操作类型1一一即LLC1，不确认的无连接服务，即数据报，可用于点对点服务，特别适合于广播和多播通信； 操作类型2一一即LLC2，面向连接服务，开销较大，每次通信需要经过连接建立、数据传送、连接断开这三个阶段； 操作类型3一一即LLC3，带确认的无连接服务，用于传送某些非常重要且时间性也很强的信息，如过程控制或自动化。,4.11 扩展的局域网：集线器（Hubs）,物理层设备: 本质上是工作在位流层面上的中继器: 将接收到的位流在所有其他接口上复制发送 集线器可以按照层次结构“级联” ,把骨干 （backbone ）集线器置顶端,集线器(续),每个被连接的 LAN称为 LAN网段（ segment） 集线器不隔离碰撞域: 任意LAN网段中的结点都可能与其他网段中的结点发生冲突 集线器的优点: 简单,廉价设备 多层结构提供了一个性能略微降低较大的互联LAN: 即使一个集线器故障，部分 LAN结点仍可以继续工作 扩展了结点间的距离 (每个Hub 100m),集线器的局限,单一的冲突域导致了最大吞吐量不可能增加 多层结构的吞吐量实际与单个网段相同 对单个 LAN中同样的冲突域的限制也强加到了所有新近加入到这个互联LAN的结点上 不能连接不同类型的以太网 (e.g., 10BaseT 和 100baseT),4.11扩展的局域网：网桥(Bridge),链路层设备: 使用以太网帧工作, 检查帧的首部的信宿地址后，选择性的进行转发 由于网桥可以缓存帧，网桥可以隔离碰撞域 当在网段间转发帧时,网桥使用 CSMA/CD方式访问网段并进行传输,扩展的局域网：网桥(续),网桥优点: 隔离冲突域使得网络的最大总吞吐量提高, 对接入的结点数和地理覆盖的范围没有限制 由于是存储转发设备，所以可以连接不同的以太网 透明: 不需要改变主机的LAN网络接口适配器,主干网桥（Backbone Bridge）,不使用主干方式的互联,不推荐的两个理由: - 在 Computer Science hub故障可能引出的问题 - 所有在EE 和 SE 之间传输的数据必须通过 CS 网段,网桥: 帧的过滤,转发,网桥过滤帧 同LAN网段内传输的帧不转发到其他的LAN网段 转发: 如何知道那个LAN网段在哪，如何转发? 看起来好像是路由选择问题 (只不过距离短一点!),网桥过滤,网桥可以通过 自学 了解某台主机可以从哪个接口到达: 维护过滤表 当帧到达时,网桥“得知”发送方的位置:信号进入的 LAN网段 在过滤表中记录发送方的位置 过滤表的条目: (结点的 LAN地址, 网桥的接口,时间戳-Time Stamp) 过滤表中过期的条目会被丢弃 (TTL 可以为 60 分钟),过滤,filtering procedure: If 信宿LAN地址与接收到的帧处于同一网段 then 丢弃该帧； else 查询过滤表 if 发现了信宿的条目 then 按条目所指的接口进行转发; else 泛洪（flood）; /* 在除了接收该帧的接口以外的所有接口上进行转发*/ ,网桥自学过程: 举例,假设 C 给D发送帧， D再用帧对C进行应答,C 发送帧, 网桥没有D的资料,因此在两个LAN进行泛洪 网桥注意C是在1#端口 位处上部的LAN将该帧忽略 D接收到了该帧,网桥的自学过程: 举例,D 产生了给 C的应答, 并发送 网桥注意到了D发出的帧 网桥查出D处在2#接口上 网桥已知 C 在1#接口上,所以有选择的 通过1#接口转发,忽略同网段通信的帧 自学源地址 转发异网段的帧 广播未知帧,网桥工作原理小结,网桥支撑树(Spanning Tree),为增强可靠性, 一般希望有一些冗余,比如在信源、信宿间设立具有可替换的路径 如果同时有了多条路经，就有可能产生循环 网桥会产生成倍的帧并永远转发下去 解决办法: 将网桥组织成为生成树，其具体做法是把将部分网桥的部分接口暂时加以封锁,多端口网桥：以太网交换机,使用LAN地址在链路层转发、过滤帧 (frame) 交换:可同时实现A-to-B 和A-to-B 的数据传输, 不会产生冲突 接口数量较多 一般情况: 各个主机,呈星状同交换机连接 是以太网（Eth