《計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理》Ch5 局域網(wǎng)

1、第五章 局域網(wǎng)定義：局域網(wǎng)LAN(Local Area Network)是一種在較小的地理范圍內(nèi)，用共享通信介質(zhì)將大量計(jì)算機(jī)及各種IP設(shè)備連接在一起，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和資源共享的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。需要解決的主要問題：連接接口連接設(shè)備通信介質(zhì)訪問協(xié)議通信距離、速率等關(guān)鍵問題：多個用戶如何在共享介質(zhì)上進(jìn)行正確、有效的通信 ？SwitchSwitchhubSwitchServerstationstationstationServerstationstationstation5.1 介質(zhì)訪問控制（Medium Access Control)多個用戶在單個信道上進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時，可采用: FDM TDM WDM 問

2、題： 聯(lián)網(wǎng)用戶的個數(shù)是不確定； 每次通信的時機(jī)具有突發(fā)性； 每次通信的數(shù)據(jù)量具有隨機(jī)性；所以， FDM 、TDM 、WDM對于局域網(wǎng)通信其效率都不高,不適合局域網(wǎng)環(huán)境下通信要求。5.1.1 ALOHA協(xié)議ALOHA協(xié)議是70年代在夏威夷大學(xué)由Norman Abramson及其同事發(fā)明的，目的是為了解決地面無線電廣播信道的爭用問題。ALOHA協(xié)議的基本思想：用戶想發(fā)就發(fā)，發(fā)完后進(jìn)行沖突檢測，若有沖突，則等待一個隨機(jī)時長后重復(fù)進(jìn)行，直到發(fā)送成功。ALOHA協(xié)議特點(diǎn)：無協(xié)調(diào)關(guān)系、多用戶競爭單信道使用權(quán)不進(jìn)行載波偵聽，不考慮目前的實(shí)際情況信道利用率低，為18%沖突檢測：在共享介質(zhì)中，某個用戶發(fā)送數(shù)據(jù)后

3、，網(wǎng)上所有用戶（包括發(fā)送者）都可以收到數(shù)據(jù)，發(fā)送者把收到的數(shù)據(jù)與保留在緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，若不同，則表明發(fā)生了沖突。對于接收者如何知道數(shù)據(jù)是否正確呢？ALOHA協(xié)議的改進(jìn)-分槽ALOHA基本思想為：將時間分為離散的時間片；用戶要發(fā)送數(shù)據(jù)時必須等待下一個時間片才能開始發(fā)送。在一定程度上避免了發(fā)送的隨意性，減少了沖突，提高了信道的利用率。主要特點(diǎn)：進(jìn)行了簡單的時間同步，但并未完全避免沖突（可基本避免發(fā)送過程中的沖突，但發(fā)送開始時仍有沖突）；信道的最大利用率：36%；時間片的定義與允許的最大包長和介質(zhì)的時延有關(guān)。存在問題：發(fā)送開始時仍有沖突；如果時間片的定義不合適，有可能在發(fā)送過程中還存在沖突。

4、問題的原因：各站點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)時從不考慮其它站點(diǎn)是否已經(jīng)在發(fā)送數(shù)據(jù)，這樣當(dāng)然會引起許多沖突。怎么辦？基本思想：站點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)前，進(jìn)行載波偵聽，以判斷目前是否有人在發(fā)送數(shù)據(jù)，然后再采取相應(yīng)動作。載波偵聽：根據(jù)物理接口的電氣特性，捕獲信道上的脈沖信號，并與發(fā)送數(shù)據(jù)用的載波信號比較，以判斷是否有人在發(fā)送數(shù)據(jù)的技術(shù)。CSMA有多種形式：1-堅(jiān)持CSMA非堅(jiān)持CSMAP堅(jiān)持CSMA某站點(diǎn)要發(fā)送數(shù)據(jù)時，先偵聽信道；如果空閑，則以概率P發(fā)送數(shù)據(jù)，以概率1-P推遲到下一個時間片，然后偵聽信道；如果信道忙，則等下一個時間片，然后偵聽信道；重復(fù)上述過程，直到數(shù)據(jù)發(fā)送完。某站點(diǎn)要發(fā)送數(shù)據(jù)時，先偵聽信道；如果空閑，則立

5、即發(fā)送；否則，等待一個隨機(jī)時間后，重復(fù)上述過程。5.1.2 載波偵聽多路訪問協(xié)議CSMA(Carrier Sense Multiple Access)某站點(diǎn)要發(fā)送數(shù)據(jù)時，先偵聽信道；如果空閑，則立即發(fā)送；如果忙，繼續(xù)偵聽，直到信道空閑， 然后以概率1發(fā)送數(shù)據(jù)；三種CSMA是否完全避免了沖突呢？例：站點(diǎn)A在發(fā)送數(shù)據(jù)，但由于信道的傳播時延，數(shù)據(jù)還未到達(dá)站點(diǎn)B，此時站點(diǎn)B要發(fā)送數(shù)據(jù)，它偵聽到信道是空閑的，于是也開始發(fā)送數(shù)據(jù)，從而發(fā)生沖突。BA沖突結(jié)論：在CSMA中沖突是不可避免的，必須進(jìn)行沖突檢測和處理！5.1.2 CSMA 協(xié)議 （conti.） 1、CSMA/CD 基本思想： 某站點(diǎn)想要發(fā)送數(shù)據(jù)

6、，它必須首先偵聽信道； 如果信道空閑，立即發(fā)送數(shù)據(jù),并進(jìn)行沖突檢測； 如果信道忙，繼續(xù)偵聽信道，直到信道變?yōu)榭臻e，立即發(fā)送數(shù)據(jù),并進(jìn)行沖突檢測； 如果站點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)過程中檢測到?jīng)_突，立即停止發(fā)送數(shù)據(jù)，并等待一隨機(jī)長的時間，重新偵聽信道。5.1.3 具有沖突檢測的載波偵聽多路訪問協(xié)議CSMA/CD(CSMA With Collision Detection)問題：-是否還存在沖突呢？-是否能正確處理沖突呢？-一個數(shù)據(jù)包發(fā)送后在多長時間內(nèi)能夠確定是否會發(fā)生沖突呢？2、沖突窗口問題：站點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)后多長時間內(nèi)可以檢測到?jīng)_突呢？假設(shè)：局域網(wǎng)內(nèi)站點(diǎn)之間最大的傳播時延為：= 兩站點(diǎn)的距離(m) / 信號傳

7、播速度(200m/s)。 結(jié)論：站點(diǎn)最遲在開始發(fā)送后2 時間（稱之為沖突窗口）內(nèi)可以檢測到?jīng)_突！所以，在2 后沒有沖突才表明數(shù)據(jù)發(fā)送成功！- e/2 時刻A、B數(shù)據(jù)發(fā)生沖突5.2 IEEE802局域網(wǎng)協(xié)議與參考模型IEEE-Institute of Electrical and Electronics Engineers -“電器與電子工程師協(xié)會”1、局域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)：IEEE802（ISO8802）系列：802.1 - 表示局域網(wǎng)中的高層互聯(lián)與管理協(xié)議 802.2 - 邏輯鏈路控制802.3 - CSMA/CD（以太網(wǎng)， Ethernet ）Ethernet 成為IEEE 802.3 標(biāo)準(zhǔn) （1

8、985）IEEE 802.3u Fast Ethernet 標(biāo)準(zhǔn)（1995）IEEE 802.3z Gigabit Ethernet 標(biāo)準(zhǔn)（1998）IEEE 802.3ab Gigabit Ethernet 標(biāo)準(zhǔn)（1999） 802.4 - Token Bus （令牌總線）802.5 - Token Ring（令牌環(huán)）802.6 - 分布隊(duì)列雙總線DQDB - MAN標(biāo)準(zhǔn)802.8 FDDI（光纖分布數(shù)據(jù)接口）802.11 WLAN（無線局域網(wǎng)） 802.x2. IEEE802局域網(wǎng)參考模型 IEEE802只包含兩層：數(shù)據(jù)鏈路層，物理層; IEEE802定義了多種物理層802.3802.1x

9、，以適應(yīng)不同的網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)和不 同的介質(zhì)訪問控制方法； 數(shù)據(jù)鏈路層又分為邏輯鏈路控制LLC和介質(zhì)訪問控制MAC兩個子層：LLC：向高層提供統(tǒng)一的鏈路訪問形式，組幀/拆幀、建立/釋放邏輯連接、差錯控制、幀序號處理等功能，與介質(zhì)、拓?fù)錈o關(guān)； MAC：進(jìn)行尋址與差錯檢測，與介質(zhì)、拓?fù)湎嚓P(guān), MAC在各子標(biāo)準(zhǔn)802.3-802.1x中定義。數(shù)據(jù)鏈路層物理層 OSI IEEE802 介質(zhì)訪問控制子層 MAC802.3CSMA/CD802.4令牌總線802.5令牌環(huán)802.8FDDI802.11WLANIEEE802.2 邏輯鏈路控制子層LLCIEEE802.1 上層協(xié)議接口子層802.x5.2.1 IEEE

10、 802.3以太網(wǎng)協(xié)議1、物理層標(biāo)準(zhǔn)傳統(tǒng)以太網(wǎng)：10Mb/s802.3 粗同軸電纜802.3a 細(xì)同軸電纜802.3i 雙絞線802.3j 光纖快速以太網(wǎng)（FE）：100Mb/s802.3u 雙絞線，光纖千兆以太網(wǎng)（GE）：1000Mb/s（1Gb/s）802.3z 屏蔽短雙絞線、光纖802.3ab 雙絞線萬兆以太網(wǎng)（10GE）：10Gb/s802.3ae 光纖2、以太網(wǎng)物理層標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)識方法速率（Mb/s）基帶或?qū)拵ase，Broad每段最大長度（單位:百米）或介質(zhì)類型（T，F(xiàn)，X）10 Base 5傳統(tǒng)以太網(wǎng)10Base5 粗同軸10Base2 細(xì)同軸10Base-T UTP 10Base-

11、F MMF快速以太網(wǎng)和千兆以太網(wǎng)100Base-T UTP100Base-F MMF/SMF1000Base-X STP/MMF/SMF1000Base-T UTP5.2.2 IEEE 802.3 鏈路層協(xié)議鏈路層協(xié)議包括數(shù)據(jù)幀格式定義和CSMA/CD協(xié)議。1、802.3 MAC 幀格式：前導(dǎo)符起始符目的地址源地址類型/長度數(shù)據(jù)PADCRC7 1 6 6 2 0-1500 0-46 4 (bytes)校驗(yàn)區(qū)間64-1518 字節(jié) 前導(dǎo)符PR:7個Bytes的10101010，該字段的曼徹斯特編碼會產(chǎn)生 10MHz，持續(xù)時間為 5.6s，以便接收方和發(fā)送的時鐘進(jìn)行同步； 起始符SFD:10101

12、011，標(biāo)志著一幀的開始； 目的MAC地址DA: Unicast Addr：最高位為0， Multicast Addr：最高位為1, Broadcast Addr：全 1； 源MAC地址SA: Unicast Addr：最高位為0 .長度/幀類型：指明數(shù)據(jù)部分的字節(jié)數(shù)，01500 Bytes，或者指明數(shù)據(jù)幀的類型。（見參考資料） Data：數(shù)據(jù)，0-1500字節(jié); PAD: 填充字段, 046 Bytes；為了確保64 Bytes 的 最小幀長 ，當(dāng)數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)不夠時進(jìn)行填充。64 目的地址（6） 源地址（6） 長度（2） CRC(4) = 46 Bytes CRC校驗(yàn)碼：4 Bytes； C

13、RC校驗(yàn)：為了保證發(fā)送數(shù)據(jù)的正確性，在發(fā)送端根據(jù)發(fā)送的數(shù)據(jù)產(chǎn)生一個校驗(yàn)碼（循環(huán)冗余碼），附加在數(shù)據(jù)的后面一起發(fā)送到接收端，接收端對收到的數(shù)據(jù)按發(fā)送端形成循環(huán)冗余碼同樣的算法進(jìn)行校驗(yàn)，若有錯，則要求對方重發(fā)。CRC校驗(yàn)例子：校驗(yàn)范圍為：目的地址、源地址、長度/類型、數(shù)據(jù)和PAD；802.3的生成多項(xiàng)式為：G(X)=X32+X26+X23+X22+X16 +X11+X10 +X8+X7 +X5+X4+X2+X1+11、802.3 MAC 幀格式 （conti.）2、關(guān)于以太網(wǎng)的最小幀長度問題已知條件：幀的傳輸時長： t =數(shù)據(jù)幀長度(bit)/數(shù)據(jù)傳輸速率(bps)；信號傳播時延：=兩站點(diǎn)的距離(

14、m)/信號傳播速度(200m/s)； 在以太網(wǎng)中，規(guī)定沖突窗口為2 = 51.2s，即一個站點(diǎn)開始發(fā)送數(shù)據(jù)后，若在51.2 s內(nèi)沒有檢測到?jīng)_突，則本次發(fā)送不會再發(fā)生 沖突；要求：保證在幀的傳輸過程中檢測到?jīng)_突，即：幀的傳輸時延 t = 2* 信號傳播時延= 51.2 s 。結(jié)論1：對于傳輸速率為10M /bps 的網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)?4Bytes的傳輸時間為：64*8/10M = 51.2s ； 所以，幀的長度必須 大于 64 Bytes（不含前導(dǎo)字符和起始字符）。以太網(wǎng)的最小幀長度問題（續(xù)）結(jié)論2：沖突只可能在一幀的前64字節(jié)內(nèi)發(fā)生；幀長度小于64字節(jié)時，在發(fā)送過程中將無法檢測出沖突；長度小于64字

15、節(jié)的幀（碎片幀）都是無效幀。結(jié)論3：在以太局域網(wǎng)中，由于沖突窗口的限制，傳輸速率R、網(wǎng)絡(luò)跨距S、最小幀長Fmin三者之間必須滿足一定的關(guān)系： FminkSR k:系數(shù)可以看出：最小幀長度不變時，傳輸率越高，網(wǎng)絡(luò)跨距就越??；傳輸率固定時，網(wǎng)絡(luò)跨距越大，最小幀長度就應(yīng)該越大；網(wǎng)絡(luò)跨距固定時，傳輸率越高，最小幀長度就應(yīng)該越大。 返 回3、關(guān)于循環(huán)冗余校驗(yàn)問題（CRC校驗(yàn)）（1）CRC 工作原理： 在發(fā)送端假設(shè)有K位信息要發(fā)送，K位信息可對應(yīng)于一個(k-1)次多項(xiàng)式K(x), 第i個信息位為1，則 Xi 的系數(shù)為1，否則為0； 在發(fā)送端和接收端事先約定一個r次生成多項(xiàng)式G(x)； 在發(fā)送端計(jì)算r位循環(huán)

16、冗余碼CRC = Xr *K(x) % G(x)的余數(shù)； 在發(fā)送端把k位信息和r位CRC一起發(fā)送； 在收端把k位信息與r位CRC構(gòu)成一個k+ r 的多項(xiàng)式T(x)； 用多項(xiàng)式T(x) % G(x), 若余數(shù)為0，則表示數(shù)據(jù)正確，否則表示數(shù)據(jù)有錯。異或運(yùn)算例1.已知：信息碼:110011 信息多項(xiàng)式:K(X)=X5+X4+X+1生成碼:11001 生成多項(xiàng)式:G(X)=X4+X3+1 ,(r=4)求：循環(huán)冗余碼CRC。解：1) (X5+X4+X+1)*X4的積是 X9+X8+X5+X4 ,對應(yīng)的碼是1100110000。2) CRC = 積G(X) (異或算法)。 1 0 0 0 0 1Q(X)

17、G(x)1 1 0 0 1 ) 1 1 0 0 1 1 0 0 0 0K(X)*Xr 1 1 0 0 1 . 1 0 0 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1CRC(冗余碼)由計(jì)算結(jié)果知冗余碼CRC=1001。 把data=110011,crc= 1001一起發(fā)送。（2） CRC 例子：例2.已知：接收數(shù)據(jù):110011+1001,多項(xiàng)式:T(X)=X9+X8+X5+X4+X3+1生成碼:11001 ,生成多項(xiàng)式:G(X)=X4+X3+1 (r=4)判斷數(shù)據(jù)的正確性，若正確，求冗余碼和信息碼。解：1) 用接收碼除以生成碼: 1 0 0 0 0 1Q(X)G(x)1 1 0 0 1 ) 1

18、 1 0 0 1 1 1 0 0 1K(X)*XrR(x) 1 1 0 0 1 ， 1 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0S(X)(余數(shù)) 余數(shù)S(x) 為0，所以碼字正確。2)因r=4，所以冗余碼CRC是：1001，信息碼是:110011 1)可檢測出所有奇數(shù)位錯；2)可檢測出所有雙比特的錯；3)可檢測出所有小于、等于校驗(yàn)位長度的突發(fā)錯。例如： 1 0 0 1 1 0Q(X)G(x)1 1 0 0 1 ) 1 1 0 1 1 1 1 0 0 1K(X)*XrR(x) 1 1 0 0 1 . 1 0 1 1 0 1 1 0 0 1 . 1 1 1 1 0 1 1 0 0 1 . 1 1 1

19、 1 S(X) 余數(shù)S(x) 不為0，所以數(shù)據(jù)不正確。 （3）循環(huán)冗余校驗(yàn)碼的特點(diǎn)返 回關(guān)于802.3的MAC地址問題MAC又稱為物理地址，它是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的全球唯一的標(biāo)識符，與其物理位置無關(guān)。注意：MAC地址是在數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行處理，而不是在物理層。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的每一個網(wǎng)絡(luò)接口（網(wǎng)卡）都有一個唯一的MAC地址。MAC地址固化在網(wǎng)卡中.一個節(jié)點(diǎn)允許有多個MAC地址，取決于該站點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)接口的個數(shù)。例如：安裝有多塊網(wǎng)卡的計(jì)算機(jī)；有多個以太網(wǎng)接口的路由器。IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：MAC地址的長度為6個字節(jié)，共48位；可表示24670萬億個地址（有2位用于特殊用途）高24位為機(jī)構(gòu)惟一標(biāo)識符OUI ，由IEEE

20、統(tǒng)一分給設(shè)備生產(chǎn)廠商；如3COM公司的OUI=02608C低24位稱為擴(kuò)展標(biāo)識符EI，由廠商自行分配給每一塊網(wǎng)卡或設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)硬件接口。I/GOUI（22位）G/LEI（24位）0=全局管理地址1=本地管理地址（一般不用）0=單播地址1=組播地址關(guān)于802.3的MAC地址問題（續(xù)）MAC地址的三種類型：單播地址（ Unicast Addr ）：（I/G0） 擁有單播地址的幀將發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)中惟一一個由單播地址指定的站點(diǎn)點(diǎn)對點(diǎn)傳輸；多播地址（ Multicast Addr ）：（I/G1） 擁有多播地址的幀將發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)中由組播地址指定的一組站點(diǎn)點(diǎn)對多點(diǎn)傳輸；廣播地址（ Broadcast Addr ）

21、：（全1地址，F(xiàn)F-FF-FF-FF-FF-FF）擁有廣播地址的幀將發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)中所有的站點(diǎn)。廣播傳輸。注意，以上分類只適用于目的地址，對于源地址只能為單播地址。關(guān)于802.3的MAC地址問題（續(xù)）返 回4、802.3 CSMA/ CD 協(xié)議（1）802.3 的 CSMA/CD 協(xié)議的基本思想：某站點(diǎn)想要發(fā)送數(shù)據(jù)，它必須首先偵聽信道；如果信道空閑，立即發(fā)送數(shù)據(jù)并進(jìn)行沖突檢測；如果信道忙，繼續(xù)偵聽信道，直到信道變?yōu)榭臻e，立即發(fā)送 數(shù)據(jù)并進(jìn)行沖突檢測；如果站點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)過程中檢測到?jīng)_突，立即停止發(fā)送數(shù)據(jù)， 并等待一隨機(jī)長的時間，重新偵聽信道。接收者收取目標(biāo)地址，然后與自己的地址比較，若不同，則繼續(xù)偵

22、聽，若相同，則把數(shù)據(jù)包存放在自己的接收緩沖區(qū)中，并進(jìn)行CRC校驗(yàn)，正確則交給上層協(xié)議，否則丟棄之。 （2）二進(jìn)制指數(shù)回退算法： 用來確定第i次沖突后等待多長時間（Ti）再進(jìn)行第i+1次偵聽：Ti = r *沖突時間片 其中：r = random（0 2i-1），沖突時間片=2， 當(dāng) i 16 一般認(rèn)為硬件發(fā)生故障，不再重試。 信道忙？發(fā)送幀沖突？發(fā)送完？中斷發(fā)送N16?YesNoNoYes發(fā)送成功Yes發(fā)送失敗No延遲隨機(jī)時間NoYes發(fā)送碰撞次數(shù)N+1（3）802.3 CSMA/CD工作的流程圖5、流量控制在數(shù)據(jù)鏈路層必須保證鄰接點(diǎn)之間數(shù)據(jù)的可靠傳輸，除了采用CRC校驗(yàn)防止傳輸出錯外，為了防

23、止接收方處理速度慢導(dǎo)致數(shù)據(jù)報文丟失，收發(fā)雙方必須進(jìn)行流量控制。目前常用的流量控制方法稱為滑動窗口協(xié)議(Sliding Window Protocol)，參見第11章。typedef struct_ethdr u_charether_dhost6;u_charether_shost6;u_shortether_type; ETH_HEADER ;802.3 以太包頭的實(shí)現(xiàn)5.3 令牌環(huán)網(wǎng)和IEEE802.5 問題：能否設(shè)計(jì)出沒有沖突的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議呢？ 令牌環(huán)網(wǎng)主要思路：為了防止沖突，把網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)成一種閉合的環(huán)型，在環(huán)型網(wǎng)絡(luò)上設(shè)計(jì)一個令牌（token)，該令牌在網(wǎng)絡(luò)上循環(huán)，需要發(fā)送數(shù)據(jù)者必須獲取令牌，然后發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)完后在釋放令牌，以便其他人使用。ABDC站點(diǎn)干線耦合器單向環(huán)點(diǎn)到點(diǎn)鏈路1、令牌環(huán)工作原理 在沒有站點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時，令牌在環(huán)上不停地旋轉(zhuǎn)；如果某站點(diǎn)要發(fā)送數(shù)據(jù)等待令牌的到來；抓住令牌并破壞掉；站點(diǎn)往環(huán)中發(fā)送數(shù)據(jù)；發(fā)送的數(shù)據(jù)沿環(huán)旋轉(zhuǎn)一周后，由發(fā)送站點(diǎn)負(fù)責(zé)將其移走發(fā)送站點(diǎn)重新產(chǎn)生令牌。接收者收取目標(biāo)地址，然后與自己的地址比較，若不同，則繼續(xù)偵聽，若相同，則把數(shù)據(jù)包存放在自己的接收緩沖區(qū)中，并進(jìn)行CRC校驗(yàn)，正確則交給上層協(xié)