计算机网络PPT课件第四章局域网.ppt
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1、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。
2、 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,
3、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
4、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
5、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
6、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:
7、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
8、-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
9、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
10、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
11、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
12、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
13、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
14、 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
15、,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(broadc
16、ast)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
17、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.
18、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/
19、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
20、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Et
21、hernet 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
22、(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,D
23、A,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。
24、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
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