介質(zhì)訪問(wèn)控制技術(shù)與局域網(wǎng)

1、介質(zhì)訪問(wèn)控制技術(shù)與局域網(wǎng) 本章著重介紹局域網(wǎng)的介質(zhì)訪問(wèn)控制技術(shù)、局域網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)與協(xié)議，以太網(wǎng)的相關(guān)知識(shí)，虛擬局域網(wǎng)和高速局域網(wǎng)等。1 介質(zhì)訪問(wèn)控制技術(shù)信道共享連接的網(wǎng)絡(luò)，分配信道的使用權(quán)關(guān)鍵問(wèn)題?；静淮嬖诼酚蛇x擇問(wèn)題，而需要解決當(dāng)信息的使用產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)時(shí)介質(zhì)訪問(wèn)控制技術(shù)的問(wèn)題。 不設(shè)置網(wǎng)絡(luò)層，數(shù)據(jù)鏈路層分為兩個(gè)子層邏輯鏈路控制子層LLC和介質(zhì)訪問(wèn)控制子層MAC。MAC子層的主要功能是負(fù)責(zé)與物理層相關(guān)的所有問(wèn)題，介質(zhì)訪問(wèn)控制技術(shù)是該子層的主要功能。 鏈路 網(wǎng)絡(luò)鏈路：沿著通信路徑連接相鄰節(jié)點(diǎn)的通信信道稱為鏈路。 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路（point-to-point link）：?jiǎn)蝹€(gè)接收方與單個(gè)發(fā)送方 PPP和

2、HDLC 廣播鏈路（broadcast link）：讓多個(gè)發(fā)送方和接收節(jié)點(diǎn)都連接到相同的、單一的、共享的廣播信道上。 “廣播”： 以太網(wǎng)和無(wú)線LAN多路訪問(wèn) 協(xié)議 如何協(xié)調(diào)多個(gè)發(fā)送和接收節(jié)點(diǎn)對(duì)一個(gè)共享廣播信道的訪問(wèn) 類比：教室教室中的”多路訪問(wèn)協(xié)議”給每個(gè)人一個(gè)講話的機(jī)會(huì)該你講話時(shí)你才講話不要一個(gè)人壟斷整個(gè)談話如果有問(wèn)題請(qǐng)舉手當(dāng)有人講話時(shí)不要打斷當(dāng)其他人講話時(shí)不要睡覺計(jì)算機(jī)的多路訪問(wèn)協(xié)議 碰撞 （collision） 多路訪問(wèn)協(xié)議的分類： 信道劃分協(xié)議（channel partitioning protocol） 隨機(jī)接入?yún)f(xié)議 (random access protocol) 輪流協(xié)議（tak

3、ing-turns protocol）信道劃分協(xié)議 時(shí)分多路復(fù)用(TDM: time division multiplexing) 頻分多路復(fù)用(FDM) 碼分多路復(fù)用（CDMA: code division multiple access）隨機(jī)接入?yún)f(xié)議 時(shí)隙ALOHA ALOHA CSMA輪流協(xié)議 輪詢協(xié)議 令牌傳遞協(xié)議1.1 爭(zhēng)用 (隨機(jī)接入)協(xié)議1ALOHA美國(guó)夏威夷大學(xué)校園網(wǎng) 將分布在各個(gè)島上的工作站通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和總校校園的主機(jī)與其他工作站相聯(lián)。幾乎是不加控制，任何用戶站有數(shù)據(jù)幀就可以發(fā)送，如果發(fā)現(xiàn)沖突，則沖突的站都分別重發(fā)。2分槽ALOHA 將通道上的時(shí)間分割成時(shí)間片（分槽），每個(gè)時(shí)

4、間片的長(zhǎng)度與一個(gè)數(shù)據(jù)幀傳輸所需時(shí)間相等，各個(gè)站要發(fā)送數(shù)據(jù)幀必須在時(shí)間片的起始時(shí)間，即分槽處開始。這樣只有在兩個(gè)數(shù)據(jù)幀完全覆蓋時(shí)才會(huì)發(fā)生沖突，提高了通道的利用率。 發(fā)送第1幀分槽ALOHA協(xié)議中，只要第1幀開始發(fā)送，在這一時(shí)間片內(nèi)就不允許其他站再發(fā)送數(shù)據(jù)幀。只要開始發(fā)送時(shí)沒產(chǎn)生沖突，在這一時(shí)間片內(nèi)就不會(huì)再產(chǎn)生沖突。 3CSMA/CD（1）載波監(jiān)聽多路訪問(wèn)三種不同的協(xié)議 每個(gè)站在發(fā)送數(shù)據(jù)前先監(jiān)聽信道，如果空閑，則發(fā)送數(shù)據(jù)；如果忙，就不發(fā)送，等待一段時(shí)間。 不堅(jiān)持CSMA一旦監(jiān)聽到信道忙，不堅(jiān)持監(jiān)聽，延遲一個(gè)隨機(jī)的時(shí)間后再重新監(jiān)聽。 1堅(jiān)持CSMA監(jiān)聽到信道忙，堅(jiān)持監(jiān)聽，直到信道空閑立即將數(shù)據(jù)幀發(fā)送

5、出去。 P堅(jiān)持CSMA信道空閑，以概率P（0P1）發(fā)送數(shù)據(jù)，以概率（1-P）延遲一段時(shí)間，重新監(jiān)聽信道。 3CSMA/CD（2）載波監(jiān)聽多路訪問(wèn)/沖突檢測(cè)CSMA/CD 信號(hào)傳播延遲，采用CSMA協(xié)議并不能完全消除沖突。發(fā)送數(shù)據(jù)幀的站點(diǎn)邊發(fā)送數(shù)據(jù)邊監(jiān)聽信道，只要監(jiān)聽到發(fā)生沖突，就立即停止發(fā)送,并發(fā)送若干比特的干擾信號(hào) 。 3CSMA/CD（3）二進(jìn)制指數(shù)退避算法確定等待的隨機(jī)時(shí)間 當(dāng)站點(diǎn)發(fā)生第1次沖突，等待021-1個(gè)時(shí)間片。 當(dāng)站點(diǎn)發(fā)生第2次沖突，等待022-1個(gè)時(shí)間片。 依此類推，當(dāng)站點(diǎn)發(fā)生第n次沖突，在n10時(shí)，等待02n 1個(gè)時(shí)間片； n10后，等待0210個(gè)時(shí)間片。 當(dāng)站點(diǎn)發(fā)生沖突的

6、次數(shù)達(dá)到第16次時(shí)，將放棄該數(shù)據(jù)幀的發(fā)送。 1.2 令牌環(huán)介質(zhì)訪問(wèn)控制技術(shù)用于環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)，屬于有序的競(jìng)爭(zhēng)協(xié)議.1.令牌環(huán)的組成 2令牌環(huán)介質(zhì)訪問(wèn)控制的操作過(guò)程（1）使用一個(gè)特殊的令牌幀，當(dāng)某個(gè)站點(diǎn)有數(shù)據(jù)幀要發(fā)送時(shí)，必須等待標(biāo)記為空的令牌幀到來(lái)，將令牌幀的空標(biāo)記改為忙，并將數(shù)據(jù)幀發(fā)送到環(huán)上。（2）發(fā)送的數(shù)據(jù)幀在環(huán)上循環(huán)的過(guò)程中，所經(jīng)過(guò)的環(huán)上的各個(gè)站點(diǎn)都將幀上的目的地址與本站點(diǎn)的地址進(jìn)行比較，若不等則直接傳給后面的站點(diǎn)，若相等則將幀復(fù)制接收，然后繼續(xù)傳給后面的站點(diǎn)。2令牌環(huán)介質(zhì)訪問(wèn)控制的操作過(guò)程（3）發(fā)送的數(shù)據(jù)幀在環(huán)上循環(huán)一周后再回到發(fā)送站，由發(fā)送站將該幀從環(huán)上移去，同時(shí)將令牌的忙標(biāo)記改為

7、空標(biāo)記，傳給后面的站。（4）空令牌幀在環(huán)上循環(huán)，經(jīng)過(guò)某站點(diǎn)時(shí)，若該站點(diǎn)有數(shù)據(jù)幀要發(fā)送則重復(fù)上述過(guò)程，若該站點(diǎn)沒有數(shù)據(jù)幀發(fā)送則直接將令牌幀傳給下一個(gè)站點(diǎn)。 A站點(diǎn)向C站點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)幀3令牌幀和數(shù)據(jù)幀的格式（1）令牌幀3字段，一個(gè)開始定界符SD和一個(gè)結(jié)束定界符ED開始定界符JK0JK000，結(jié)束定界符JK1JK1IE （2）數(shù)據(jù)幀SD、ED開始/結(jié)束定界符，與令牌幀相同；AC訪問(wèn)控制1字節(jié)，包含PPPTMRRR PPP：優(yōu)先級(jí)位 T：令牌位（0為令牌幀，1為數(shù)據(jù)幀） M：監(jiān)控位 RRR：預(yù)約位（2）數(shù)據(jù)幀8字段FC幀控制1個(gè)字節(jié)，為FFZZZZZZ F：幀類型位 Z：控制位 目的地址/源地址2或6個(gè)

8、字節(jié)數(shù)據(jù)05000字節(jié)幀校驗(yàn)序號(hào)4個(gè)字節(jié)FS幀狀態(tài)1個(gè)字節(jié)，為ACXXACXX A：地址確認(rèn)位 C：幀復(fù)制位 X：位定義令牌環(huán)的維護(hù)（1）需要對(duì)令牌環(huán)進(jìn)行維護(hù)的情況 站點(diǎn)發(fā)送幀，幀未返回到該站點(diǎn)前該站點(diǎn)崩潰產(chǎn)生一個(gè)不能移去的幀；站點(diǎn)接收幀或令牌后就崩潰環(huán)上沒有令牌的現(xiàn)象；當(dāng)幀發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)，需要確定負(fù)責(zé)修復(fù)的站點(diǎn)。令牌環(huán)的維護(hù) （2）通過(guò)監(jiān)控站和幀控制字段來(lái)完成對(duì)于令牌環(huán)的維護(hù) 設(shè)置監(jiān)控站，對(duì)新幀監(jiān)控位設(shè)置為0，幀通過(guò)監(jiān)控站時(shí)，將監(jiān)控位改為1，如該幀再通過(guò)監(jiān)控站（為不能移去的幀），移去并產(chǎn)生一個(gè)新令牌。 監(jiān)控站設(shè)置計(jì)時(shí)器，只要監(jiān)控站發(fā)送一個(gè)幀或令牌，就啟動(dòng)計(jì)時(shí)器，超時(shí)（幀或令牌丟失），產(chǎn)生一個(gè)新令

9、牌。1.3 令牌總線訪問(wèn)控制技術(shù)1.令牌總線局域網(wǎng)的組成 應(yīng)用于總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，訪問(wèn)控制采用與令牌環(huán)相似的訪問(wèn)控制方法。物理結(jié)構(gòu)是總線的而邏輯結(jié)構(gòu)卻是環(huán)型的。 用于工廠自動(dòng)化和過(guò)程控制及需要實(shí)時(shí)處理的應(yīng)用 2令牌總線局域網(wǎng)的幀格式不存在單獨(dú)的令牌幀格式，由幀控制字段說(shuō)明是否包含數(shù)據(jù)，是否為令牌 ，是令牌該字段標(biāo)明幀的類型。幀類型：申請(qǐng)令牌幀、請(qǐng)求后繼1幀、請(qǐng)求后繼2幀、誰(shuí)后繼幀、解決競(jìng)爭(zhēng)幀、令牌、設(shè)置后繼幀 2 局域網(wǎng)的參考模型及協(xié)議 局域網(wǎng)LAN具有共享傳輸信道、傳輸速率較高、誤碼率低以及可靠性高等特點(diǎn)。因此，使局域網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)及傳輸控制具有不獨(dú)立設(shè)網(wǎng)絡(luò)層、低層協(xié)議簡(jiǎn)單而介質(zhì)訪問(wèn)控制技術(shù)復(fù)

10、雜的特點(diǎn)。局域網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)大多采用總線型、環(huán)型或星型。2.1 局域網(wǎng)的參考模型局域網(wǎng)各層的主要功能 ：（1）物理層提供發(fā)送和接收信號(hào)的能力，包括對(duì)寬帶頻道的分配和對(duì)基帶信號(hào)的調(diào)制等；（2）介質(zhì)訪問(wèn)控制子層MAC實(shí)現(xiàn)幀的尋址和識(shí)別、數(shù)據(jù)幀的校驗(yàn)以及支持LLC層完成介質(zhì)訪問(wèn)控制； （3）邏輯鏈路控制子層LLC規(guī)定了無(wú)連接和面向連接的兩種連接服務(wù) 2.2 IEEE802協(xié)議電氣和電子工程師協(xié)會(huì)(Institute of Electrical and Electronics Engineers)IEEE802.1A體系結(jié)構(gòu)IEEE802.1B網(wǎng)絡(luò)互操作IEEE802.2邏輯鏈路控制 LLCIEEE80

11、2.3CSMA/CD訪問(wèn)控制及物理層技術(shù)規(guī)范IEEE802.4令牌總線訪問(wèn)控制及物理層技術(shù)規(guī)范IEEE802.5令牌環(huán)訪問(wèn)控制及物理層技術(shù)規(guī)范IEEE802.6城域網(wǎng)訪問(wèn)控制及物理層技術(shù)規(guī)范IEEE802.7寬帶網(wǎng)訪問(wèn)控制及物理層技術(shù)規(guī)范IEEE802.8光纖網(wǎng)訪問(wèn)控制及物理層技術(shù)規(guī)范IEEE802.9綜合話音數(shù)據(jù)訪問(wèn)控制及物理層技術(shù)規(guī)范IEEE802.10局域網(wǎng)安全技術(shù)IEEE802.11無(wú)線局域網(wǎng)訪問(wèn)控制及物理層技術(shù)規(guī)范IEEE802.12優(yōu)先級(jí)高速局域網(wǎng)訪問(wèn)控制及物理層技術(shù)規(guī)范IEEE802.13100M 高速以太網(wǎng)IEEE802.14電纜電視網(wǎng) IEEE802標(biāo)準(zhǔn)系列間的關(guān)系 3 以太

12、網(wǎng)3.1 IEEE802.3幀格式 1IEEE802.3的幀格式 前導(dǎo)：7字節(jié)的“10101010”比特串，同步； 開始標(biāo)志：1字節(jié)的“10101011”比特串，標(biāo)志著開始； 長(zhǎng)度：2字節(jié)組成，標(biāo)明數(shù)據(jù)字段的字節(jié)數(shù)； 數(shù)據(jù)： 填充字段：保證從目的地址開始，到校驗(yàn)和字段的最短長(zhǎng)度為64字節(jié)； 校驗(yàn)和：4字節(jié)組成，一般采用循環(huán)冗余校驗(yàn) 2無(wú)效的幀出現(xiàn)下列情況的幀都屬于無(wú)效的幀： 幀的長(zhǎng)度與長(zhǎng)度字節(jié)給出的值不一致； 幀的長(zhǎng)度小于規(guī)定的最短長(zhǎng)度； 幀的長(zhǎng)度不是整數(shù)字節(jié)； 接收到的幀的校驗(yàn)和出錯(cuò)。將無(wú)效的幀丟棄！3.2 IEEE802.3物理層標(biāo)準(zhǔn)1允許使用的傳輸介質(zhì) 選項(xiàng)10BASE-510BASE-

13、210BASE-T10BASE-F10BROAD-36傳輸介質(zhì)50粗同軸電纜50細(xì)同軸電纜雙絞線光纖75同軸電纜段長(zhǎng)（m）50018510010001800段站點(diǎn)數(shù)1003033電纜直徑10 mm5 mm0.40.6 mm62.5/125m0.41.0 mm拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)總線總線星型星型總線/樹型編碼技術(shù)曼徹斯特曼徹斯特曼徹斯特曼徹斯特曼徹斯特3.2 IEEE802.3物理層標(biāo)準(zhǔn)210BASE-5介質(zhì)規(guī)范50粗同軸電纜，傳輸速率10Mbps。曼徹斯特編碼基帶傳輸方式。每段電纜的最大長(zhǎng)度是500米，用中繼器可以延長(zhǎng)距離。一個(gè)以太網(wǎng)中最多4個(gè)中繼器，網(wǎng)絡(luò)的最大距離是2.5Km。 注意：中繼器延長(zhǎng)的不同網(wǎng)

14、段屬于一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)域。3.2 IEEE802.3物理層標(biāo)準(zhǔn)310BASE-2介質(zhì)規(guī)范50細(xì)同軸電纜，每段的最大距離為185米，同樣規(guī)定最多只能用4個(gè)中繼器連接5個(gè)網(wǎng)段。 5-4-3規(guī)則 10BASE-T介質(zhì)規(guī)范雙絞線510BASE-F介質(zhì)規(guī)范光纖 10BASE-FP：P代表無(wú)源，最大距離為1Km 10BASE-FL：L代表鏈路，鏈路長(zhǎng)度最大為2Km 10BASE-FB：B代表主干，2Km3.3 IEEE802三種協(xié)議的比較1.優(yōu)缺點(diǎn)比較 協(xié)議優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)802.3以太網(wǎng)協(xié)議簡(jiǎn)單、站點(diǎn)接入和安裝方便，使用廣泛。低負(fù)載情況效率高，延遲小。發(fā)送的時(shí)延不確定，重負(fù)載時(shí)效率低，限制最小幀長(zhǎng)，無(wú)優(yōu)先級(jí)設(shè)置。802

15、.4令牌總線發(fā)送時(shí)延確定，不限制最小幀長(zhǎng)，可設(shè)置優(yōu)先級(jí)，重負(fù)載時(shí)效率高，支持多個(gè)信道，可傳輸數(shù)據(jù)、語(yǔ)音和圖像等多種信號(hào)。協(xié)議復(fù)雜，輕負(fù)載時(shí)效率低。802.5令牌環(huán)發(fā)送時(shí)延確定，可設(shè)置優(yōu)先級(jí)，重負(fù)載時(shí)效率高，可以使用多種傳輸介質(zhì)。協(xié)議復(fù)雜，輕負(fù)載時(shí)效率低，限制最大幀長(zhǎng)度。2. 3種協(xié)議幀格式比較4 局域網(wǎng)連網(wǎng)及網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備實(shí)現(xiàn)網(wǎng)段或局域網(wǎng)互聯(lián)的設(shè)備主要包括：中繼器集線器網(wǎng)橋交換機(jī)1 網(wǎng)卡 網(wǎng)絡(luò)接口卡 (NIC卡) Network Interface Card 作用： 串/并行轉(zhuǎn)換 存儲(chǔ)芯片對(duì)數(shù)據(jù)緩存 處理接收幀 封裝發(fā)送幀 鏈路管理CSMA/CD協(xié)議實(shí)現(xiàn) 編碼與譯碼曼徹斯特編碼1 網(wǎng)卡 硬件地址

16、、物理地址 、MAC地址：固化在網(wǎng)卡的ROM中的地址 組成：6字節(jié)（48bit ）= 3字節(jié)公司標(biāo)識(shí)符+3字節(jié)擴(kuò)展標(biāo)識(shí)符 常用12位十六進(jìn)制表示MAC地址2 中繼器1.中繼器的作用-物理層連接 作用：增加節(jié)點(diǎn)數(shù)目，擴(kuò)展距離 原理：去噪、放大 缺點(diǎn)：網(wǎng)上業(yè)務(wù)量太大時(shí)，易發(fā)生沖突。中繼器3 集線器 Hub：多端口中繼器物理層獨(dú)立型模塊化堆疊式集線器 USB接口的集線器1.2.3.具有三個(gè)端口的集線器集線器網(wǎng)卡工作站網(wǎng)卡工作站網(wǎng)卡工作站雙絞線集線器的特點(diǎn)： 10BASE-T: 物理上是星型網(wǎng)，邏輯上是總線型，特定時(shí)間至多只有一臺(tái)計(jì)算機(jī)能夠發(fā)送數(shù)據(jù)，又稱為star-shaped bus 或 bus i

17、n a box 多端口中繼器 工作在物理層：某端口接收到比特后，向所有其他端口轉(zhuǎn)發(fā)集線器de堆疊HubHubHubHub16口10-100M可堆疊的雙速集線器用多個(gè)集線器可連成更大的局域網(wǎng)集線器集線器一系二系集線器三系三個(gè)獨(dú)立的沖突域用多個(gè)集線器可連成更大的局域網(wǎng)一系二系三系集線器集線器集線器集線器主干集線器用集線器擴(kuò)展局域網(wǎng) 優(yōu)點(diǎn)使原來(lái)屬于不同沖突域的局域網(wǎng)上的計(jì)算機(jī)能夠合并為一個(gè)沖突域而通信。擴(kuò)大了局域網(wǎng)覆蓋的地理范圍。缺點(diǎn)沖突域增大了，但總的吞吐量并未提高。如果不同的沖突域使用不同的數(shù)據(jù)率或數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，那么就不能用集線器將它們互連起來(lái)。 4 網(wǎng)橋4 網(wǎng)橋1. 基本概念能實(shí)現(xiàn)兩個(gè)在物理

18、層或數(shù)據(jù)鏈路層使用不同協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)間的連接 工作在數(shù)據(jù)鏈路層，它根據(jù) MAC 幀的目的地址對(duì)收到的幀進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。網(wǎng)橋具有過(guò)濾幀的功能。當(dāng)網(wǎng)橋收到一個(gè)幀時(shí)，并不是向所有的端口轉(zhuǎn)發(fā)此幀，而是先檢查此幀的目的 MAC 地址，然后再確定將該幀轉(zhuǎn)發(fā)到哪一個(gè)端口 。網(wǎng)橋的過(guò)濾和轉(zhuǎn)發(fā)功能 ： 同網(wǎng)段 不同2網(wǎng)橋的主要作用（1）網(wǎng)絡(luò)分段，過(guò)了濾通信量（2）擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)的距離（3）局域網(wǎng)之間的互聯(lián)（4）進(jìn)行物理層和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的變換3. 網(wǎng)橋的缺點(diǎn)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)增加了時(shí)延。 在MAC子層沒有流量控制功能。當(dāng)負(fù)荷很重時(shí)，網(wǎng)橋緩存可能出現(xiàn)溢出，造成失幀現(xiàn)象。具有不同 MAC 子層的網(wǎng)段橋接在一起時(shí)，網(wǎng)橋要修改幀結(jié)構(gòu)，時(shí)延更大。網(wǎng)橋只適合于用戶數(shù)不太多(不超過(guò)幾百個(gè))和通信量不太大的局域網(wǎng)，否則有時(shí)還會(huì)因傳播過(guò)多的廣播信息而產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)擁塞。這就是所謂的廣播風(fēng)暴。網(wǎng)橋和集線器（或中繼器）不同集線器在轉(zhuǎn)發(fā)幀時(shí)，不對(duì)傳輸媒體進(jìn)行檢測(cè)。5 交換機(jī) 參考模型的第2層 比網(wǎng)橋的數(shù)據(jù)吞吐性能更好，端口集成度更高，每端口成本更低，使用更加靈活和方便，取代了傳統(tǒng)網(wǎng)橋，成為最主要的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備之一神州數(shù)碼 DCS-3426交換機(jī)1交換機(jī)基本概念