局域网和城域网.ppt

第四章 局域网和城域网,4.1 局域网概述,基于地理范围的网络划分 局域网 城域网 广域网 局域网是应用最为广泛的一类网络。 局域网是自计算机网络产生以来发展最快的一种网络。,4.1 局域网概述,局域网定义 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。 局域网特点： 地理范围和站点数目均有限； 为一个单位或组织所拥有； 较高的数据传输速率；,4.2 局域网参考模型,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，而不需要特别考虑高层以上的协议。 IEEE 802.1定义的局域网参考模型： 将OSI参考模型中的“数据链路层”分为两个子层： 逻辑链路控制子层（LLC） 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,为什么将数据链路层分为两层： 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子层在LLC子层之下。 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,物理层的主要功能是： 信号的编码与译码； 为进行同步用的前同步码（preamble）的产生与去除； 比特的传输与接收。 MAC子层主要功能： 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。 接收方，对收到的帧解包进行地址识别和差错检验 管理和控制对局域网传输媒体的访问 LLC子层主要功能： 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,在 LLC 以上看不到局域网的具体内容，LLC 及高位层是不管局域网的结构和连接方法的，MAC 以下才能了解连接方式及协议（总线、令牌或其它）,局域网参考模型中各层主要功能,LLC 与 MAC 的关系 ： 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 在LLC层将其加上LLC首部后，作为LLC层的PDU，送MAC层 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,4.2.2 拓扑结构,LAN和WAN的设计的关键技术因素： 拓扑 传输媒体 媒体的访问控制技术,常见的局域网拓扑结构,总线/树形拓扑 广播通信 信号向两端传输 端接器,常见的局域网拓扑结构,两个关键问题 每个发出的数据祯需要携带目的地址信息。 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,环形拓扑,单向线路 转发器负责接收数据，并按相同的数据速率转发数据。 数据帧绕环一周，由相应的目的站点接收。 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,星型拓扑,中心节点的两种工作方式： 广播式：物理上是星型，逻辑上是总线 帧交换设备：由中心节点确定将帧从哪一个端口转发出去。,传输媒体和拓扑结构的选择,4.2.2 IEEE802标准,IEEE(电气电子工程师学会) 802委员会专门致力于局域网的发展 IEEE 802.x网络通信协议系列服务于局域网通信 802系列协议的两个基本思想 将局域网作为网络的最小组成单位进行描述 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,SAP 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方的某个上层应用进程。 例：,LLC子层,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 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。 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,LLC子层提供的服务 LLC1 不确认的无连接服务。 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，由于信道可靠，这样做可提高信道利用率。 LLC2 面向连接服务。 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。 LLC3 带确认的无连接服务。 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,主要作用是控制站点对传输介质的访问 谁来控制？ 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。 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。 缺点：若控制站点故障则整个网络瘫痪；控制站点可能会形成整个网络通信的瓶颈。 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,怎样控制？（决定谁先谁后的具体方式） 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。 FDM（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。 TDM（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,异步（动态）：根据当时的通信状况即时地调节信道分配策略。 时间片轮转：轮到某个站点使用时间片时，如果该站点没有数据要传，则直接轮到下一个站点使用时间片。 轮询（集中式）：由主控制器轮流查询各站有无数据要发。 令牌环（分步式）：一个“令牌”各个站点之间传递。,MAC子层,动态 预约：城域网的DQDB方式。适用于连续通信。 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,MAC帧格式,MAC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。 目的MAC地址：接收数据帧的站点MAC地址。 源MAC地址：发出数据帧的站点MAC地址。 LLC：来自LLC层的数据 CRC：循环校验字段，用于差错控制。,4.3 CSMA/CD和IEEE802.3标准,纯ALOHA协议 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。 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+一小段固定时间）内若收到应答，表示发送成功；否则重发 重发策略：等待一段随机的时间，然后重发；如再次冲突，则再等待一段随机的时间，直到重发成功为止。等待随机时间是为了减少再次冲突的可能性。,纯ALOHA的工作原理,纯ALOHA协议,缺点：极容易冲突 性能：网络负载 0. 5 吞吐量 0. 184,纯ALOHA的性能分析,假定一个帧时T0内产生的帧数服从泊松分布 T0 的含义：独占信道时成功发送一帧所用的时间 主要性能参数： S吞吐率（吞吐量、信道利用率），T0 内成功发送的帧数 0 S 1 G网络负载， T0 内总共发送的平均帧数，GS，G=S+重发帧 SGP（发送成功）,纯ALOHA的性能分析,帧成功发送的条件：该帧与其前后2帧的间隔均大于T0，即要求在t0t0+2t这两个帧时内产生的帧数为0。,纯ALOHA的性能分析,任一帧时内产生k帧的概率 服从柏松分布： 两个帧时内产生k帧的概率： 帧发送成功，要求在两个帧时内产生的帧数k0，则Pr(0)=e-2G。 吞吐率：S=GPr(0)Ge-2G 当G0.5时，吞吐率最大，S=1/2e0.18,纯ALOHA的性能分析,分隙ALOHA,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），规定帧不论何时产生，只能在每个时隙开始时发送到信道上。,分隙ALOHA,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产生。,分隙ALOHA,性能：“冲突危险区”长度比纯ALOHA降低一半，最大“网络负载”和最大“吞吐量”提高一倍：G1 S 0. 37。,纯ALOHA和分隙ALOHA的性能比较,CSMA(载波监听多点访问),工作原理：所谓载波侦听（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。 工作原理，可以概括如下 : 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,载波监听策略： 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。 坚持CSMA：监听到信道忙时，仍继续监听，直到信道空闲 1-坚持CSMA：一听到信道空闲就立即发送数据（以概率1发送） p-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,非坚持CSMA,坚持CSMA,对发送概率p的分析,分析： 信道上已存在一帧 此时N个站点同时有数据要传 信道空闲后，N个站点均已概率p发送数据，则信道上总负载NP 若NP1，则会产生冲突，导致冲突帧的重传。 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。 要求NP1 结论：重负载下，p取值应较小，轻负载，p取值过小会浪费带宽。,比较,4.3.2 CSMA/CD,引入原因 当两个帧发生冲突时，两个被损坏帧继续传送毫无意义，而且信道无法被其他站点使用，对于有限的信道来讲，这是很大的浪费。如果站点边发送边监听，并在监听到冲突之后立即停止发送，可以提高信道的利用率，因此产生了CSMA/CD 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，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。,4.3.2 CSMA/CD,4.3.2 CSMA/CD,一个站点确定冲突发生需要多长时间？ 考虑最坏情况2（信号在相距最远的两个站点之间的双趟传播时间。） 要求帧足够长，使得在帧传输完之前，可以检测到冲突。,4.3.3 二进制指数退避算法,检测到冲突后，随机等待的时间算法二进制指数退避算法： 发生第k次冲突，则从数列 0, 1, 2, ., 2k-1 中选择一个随机数r，r时槽作为等待时间。1k10。,4.3.3 二进制指数退避算法,第1次冲突：0,1中随机选择一个数字t,两个站点选择同一时槽的概率为0.5 第2次冲突：0,1,2,3中随机选择一个数字t,两个站点选择同一时槽的概率为0.25 第10次冲突：0,1,210-1中随机选择一个数字t,两个站点选择同一时槽的概率为1/210 第15次冲突：0,1,214-1中随机选择一个数字t,两个站点选择同一时槽的概率为1/214 第16次冲突：放弃，传输失败。,4.3.4 IEEE 802.3标准,IEEE802.3的接线标准 10Base5 - 粗缆Ethernet 10Base2 - 细缆Ethernet 10BaseT - 双绞线 10BaseF - 光缆 10Broad36 - 宽带,10Base5,传输介质：粗缆 拓扑：总线 网卡接口：AUI 用于骨干网,10Base5,转发器（中继器）：放大与重复驱动 IEEE802.3标准规定“5-4-3-2-1”原则： 最多5个网段，4台中继器 ，其中只有3个网段可以连接计算机，2个网段仅做连接用，1个冲突域。见图 每个网段的最多节点数：100个,10Base5,10Base2,传输介质：细同轴电缆 拓扑：总线 网卡接口：BNC 用于办公室局域网 “5-4-3-2-1”原则，最大网络距离925m， 最多可连接的节点数90个,10BaseT,传输介质：双绞线（3CAT或5CAT） 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 网段最大长度：100m,三种类型的网卡接口,4.3.4 IEEE 802.3标准,帧结构 前导序列（7个字节10101010，10MHz，持续5.6s方波） 帧开始标志（1字节， 10101011）,4.3.4 IEEE 802.3标准,目标地址和源地址 2 或 6个字节，以太网为6个字节 目的地址第一位（LSB: Least Significant Bit）为 0，表示单地址（individual address）；为 1，表示组地址（group address），支持multicast，目的地址全 1，为广播地址。 帧长度域（2字节，取值在0-1500之间） 数据（0-1500个字节）,4.3.4 IEEE 802.3标准,填充（0-46字节）：满足最短帧要求 区分有效帧和残余帧，802.3标准规定，有效帧长度最短为64字节。 防止帧过短，而导致第一位尚未到达最远端，帧已发送完。 10Mbps LAN，最大冲突检测时间为51.2微秒，最短帧长为64字节（51.210/8）； 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。 校验和：CRC校验（4个字节）,4.5 令牌环访问控制和IEEE 802.5标准,拓扑结构：点到点链路连接，构成闭合环 干线耦合器（TCU ） 工作状态： 发送方式（站点发送数据时） 收听（转发）方式（其他时候）,干线耦合器（TCU ）,工作原理： 收听方式下： TCU与DTE断开，每个bit经过TCU时，TCU将位复制并转发，每个bit经过TCU都需延迟一bit时间。 不停地监视以下两种特殊的比特组合。 第一种特殊比特组合就是本站的地址。 第二种特殊比特组合就是令牌。,干线耦合器（TCU ）,发送方式下： 连接DTE和TCU，同时截断线路输入输出的连接，主机发送数据。,令牌环网的工作原理,一个特殊帧（令牌）在环状网的各个站点之间依次传递。 当某站有数据要发送时，先截获令牌，将令牌标志转变为信息帧标志，然后发送数据 。 逐站转发到达目的站（其它站这时无令牌而无法发送） 目的站由于符合本站地址，将DTE接入，复制信息帧，同时继续转发，最后附上状态信息 信息帧转发一圈后回到源站，源站检测成功与否，如成功，则收回数据，放出一个令牌，回到收听方式。,令牌环网的工作原理,1,2,3,令牌环网的工作原理,工作性能： 不会发生冲突 轻载时，平均时延较大 重载时，近似于TDM，信道利用率为100%,旁路中继器,为保证环形线路的可靠性，一般采用星型环路,环的维护,令牌环运行过程中可能会出现的问题 令牌丢失（A站捕获令牌后即出现故障） 数据帧无限死循环（A站发出数据帧之后即故障） 数据帧丢失（中间线路故障）,环的维护,使用环路监控器解决上述问题 监控器的建立： 当某一站点发现环上不存在监控器时，发出一个CLAIM_TOKEN帧，若该站为第一个发出，并且CLAIM_TOKEN帧成功绕环一周，则此站即为新的监控站。 工作监控站的作用： 检查令牌（数据）是否丢失： 通过设定计时器检测，帧经过控制站时开始计时，若超过时延，仍没有任何帧经过监控站，则由监控站发出“Purge”命令，重新初始化环，并由监控站生成一个新的令牌发到环上。,环的维护,清除无效帧：由M位判断无效帧，当某一数据帧经过监控站时，监控站检测此帧中的M位，若为0则置1，若为1则表示此帧已是第二次经过监控站，则由监控站将此帧从环路上删除，并生成一个新令牌。 保护环路最小时延，保证令牌在环中转动，若工作站点数少于24，则接入额外的缓冲时延。,IEEE 802.5的帧结构,令牌帧： 数据帧： SD帧起始标志 ED帧结束标志 FCS帧校验和 AC访问控制 FC帧控制 FS帧状态,IEEE 802.5的帧结构,AC访问控制 PPPTMRRR T标识令牌帧还是数据帧，站点捕获令牌后，将T位由0变1 M监控位，由监控站检测和置位。 PPP优先级（可有8种优先级） RRR预约优先级,令牌环的优先级策略,定义几个参数 PM待发帧的优先级别；无帧可发时，PM置为0； PR当前帧优先级 RR预定帧优先级。 如果获得的是令牌（T=0），比较PM和PR； 如果PMPR，表示待发帧的优先级高，将AC中的T置为1，发送数据帧，PR置为PM，RR置为0； 如果PMPR，表示本帧优先级较低，令牌已被其它结点预约，不作修改地转发令牌；,令牌环的优先级策略,如果接收到数据帧，比较PM和RR ； 如果RRPM，表示已有其它优先级高的结点预约，不作修改地转发数据帧； 如果RRPM，表示没有其它结点预约，或者预约的优先级较低，置RR为PM（进行预约），转发该帧； 源发结点，收到绕环一周的数据帧，比较PM和RR ； 如果RRPM，表示已有其它优先级较高的结点预约，传递令牌（T=0），PR置为RR，RR置为0； 如果RRPM，且PM0，表示本结点仍然有数据待发，且优先级较高，继续发送数据帧，置PR为PM，RR置为0；,IEEE 802.5的帧结构,FC帧控制字段 用于区分帧是数据帧还是控制帧 01数据帧 00控制帧,控制命令,IEEE 802.5的帧结构,FS帧状态，用于帧的接收确认 ACAC 接收方检测到数据帧中的目标地址与自身地址相符，则将A置1。 接收方通过校验和检验数据传输无误，则将C置1。 原发送方通过检查帧状态标志，来确定帧的接收状态。 三种接收状态： A0，C0 目标地址不存在。 A1，C0 目标存在，但帧未被接收。 A1，C1 目标存在，且帧被正确接收。,4.4 令牌总线访问控制和IEEE802.4标准,特点：物理上是总线网，逻辑上是令牌网 令牌传递的顺序与站的物理位置无关，而是按照站的逻辑地址的高低顺序依次传递 数据帧在总线上传送,4.4.2 令牌总线访问控制,逻辑环和令牌的维护和管理： 环初始化 插入环 退出环 环恢复,4.4.2 令牌总线访问控制环初始化,逻辑环的顺序：根据站点地址，由大到小确定各站的排列顺序，与物理位置无关 每个站点都保存本站地址、前趋站地址和后继站地址 环路初始化：任何站点检测到网络中信道空闲超过一定时间，就发送Claim-token帧；若没有其他站点竞争，就产生令牌，建立一个只包括自己的环；若有竞争，则按仲裁算法（二进制倒计数法），留下一个站点。其他站点按照新站入环的方法加入。,4.4.2 令牌总线访问控制环初始化,节点“10”建立了环，由节点“10”生成一个令牌，此时环中只有一个节点。,4.4.2 令牌总线访问控制插入环,新站入环：令牌持有者周期性发送Solicit-successor-1(请求继任者)帧，询问是否有地址在它和其后继站之间的站点申请加入。等待一个时隙，若无申请，则正常操作；若有某站通过发送Set-successor帧来申请，则令牌持有者将其保存的后继地址改为新站地址，并将令牌传给新站；然后新站设置其保存的前驱站和后继站地址。,4.4.2 令牌总线访问控制插入环,每次只允许一个站入环。若有多个站点同时申请，则令牌持有者仲裁决定： 发生冲突 令牌持有者发出一个“Resolve_Contention”帧，等待4个响应窗口 每个请求者根据自己地址的前两位决定在哪一个响应窗