第八讲局域网概述与令牌环

1、计算机网络（第二版）电子教案计算机网络（第二版）电子教案 局域网概述与令牌环局域网概述与令牌环 本讲内容本讲内容 第四章 局域网 4.1 局域网概述 4.1.1 什么是局域网 4.1.2 局域网拓扑 4.1.3 结构化布线系统* 4.2 局域网体系结构 4.2.1 局域网参考模型 4.2.2 逻辑链路控制子层LLC 4.2.3 媒体访问控制子层MAC 4.2.4 网卡 4.2.5 LAN地址 4.3 令牌环访问控制和IEEE 802.5标准 4.3.1 令牌环概述 4.3.2 令牌环媒体访问控制协议 优先级机制（去掉） 4.3.3 IEEE 802.5标准 *是要求同学了解的，这些内容在本电子

2、教案中并未讲解而是要求同学自己阅读教材。 广域网、局域网、城域网广域网、局域网、城域网 l广域网广域网（WAN）覆盖了较广的地理区域，途中会穿过 一些公共设施，可能会利用公共电信公司所提供的线 路来进行连接。 l局域网局域网也是一种连接着各种设备的通信网络，覆盖范 围小，由某个组织单独拥有，数据传输速率一般要比 广域网高得多。 l城域网城域网则覆盖于局域网和广域网之间的区域，它实际 上不过是一个更大范围的局域网系统，一般采取和局 域网相似的技术。 4.1.1 什么是局域网什么是局域网 l局域网是一种通信网络，通信网络由一定数量 的设备互连而成，为网络中的两个相连设备提 供它们之间的数据传输的途

3、径。这些设备常被 称为网络节点节点（Node），而在局域网技术中 又经常被称为站点站点（Station）。 局域网的拓扑结构局域网的拓扑结构 l总线型 l星型 l环形 分别要记住了，三种拓扑用在哪里？举例子说 明。 4.2.1 局域网参考模型局域网参考模型 l美国电子和电气工程师协会IEEE于1980年成立了 802委员会，该委员会通过制定一个广为接受的 LAN标准，从而保证了市场的容量，并使得不同厂 商生产的设备间能够相互通信。 l802.1给出了局域网的体系结构 l802.2给出了逻辑链路控制子层 l802.3/802.4/802.5给出了以太网、令牌总线、令牌环局 域网 应用层 表示层

4、会话层 运输层 网络层 数据链路层 物理层 OSI参考模型 媒体媒体 物理层 媒体访问控制 逻辑链路控制 高层协议 IEEE 802参考模型 LLC服务访问点（SAP） IEEE 802标准的范围 工作组名称 研 究 内 容 802.1 高层接口（HILI），包括网络结构、网 际合作和LAN的网络管理 802.2逻辑链路控制（LLC） 802.3载波监听多路访问/冲突检测 （CSMA/CD） 802.4令牌总线 802.5令牌环 802.6城域网（MAN） 802.7广域技术建议组(BBTAG) 802.8光纤技术建议组(FOTAG) 802.9综合业务局域网接口(ISLAN) 802.10交

5、互性局域网安全性标准(SILS) 802.11无线局域网(WLAN) 802.12命令优先级 802.13基于有线电视的广域通讯网 IEEE 802委员会标准化工作 局域网的物理层局域网的物理层 IEEE 802参考模型的最低层对应于OSI模型中 的物理层，包括以下功能： l信号的编码/解码 l前导的生成/去除(该前导用于同步) l比特的传输/接收 l对于传输媒体和拓扑结构的说明 局域网的数据链路层局域网的数据链路层 l物理层之上的层次主要是为局域网的用户提供相应的服务。它 们的主要功能如下: 在传输时，将要传输的数据组装成帧，帧中包含有地址和差错 检测等字段。-MAC 在接收时，将收到的帧解

6、包,进行地址识别和差错检测-MAC 管理和控制对于局域网传输媒体的访问-MAC 为高层协议提供相应的接口即一个或多个服务访问点（SAP）， 并且进行流量和差错控制。-LLC的功能 在局域网的参考模型定义中，最后一条功能属于逻辑链路控制层 (LLC)中，而前三条功能属于另外一个单独的层中，称为媒体访 问控制层(MAC) LAN 协议的上下层关系协议的上下层关系 应用数据 TCP分段 MAC层 LLC层 IP层 TCP层 应用层 MAC尾MAC头 LLC头 IP头 TCP头 IP数据报 LLC协议数据单元 MAC帧 IEEE 802参考和实现模型参考和实现模型 媒体 IEEE 802参考模型 媒体

7、 物理媒体相关子层 (PMD) IEEE 802实现模型 媒体无关子层(可选) 媒体无关接口(可选) 媒体访问控制MAC 逻辑链路控制LLC 媒体访问控制MAC 逻辑链路控制LLC 物理层 高层协议高层协议 4.2.2 逻辑链路控制子层逻辑链路控制子层LLC lLLC层涉及到的是两个站点间链路层协议 数据单元PDU的传输，在进行传输时不必 有中继交换节点的参与。 lLLC有两个和其它大多数链路控制协议不 同的特点: 局域网的链路是共享媒体，而且链路不是点到 点的，必须支持多点访问。 1.LLC包括一些有关链路访问的内容，和MAC层 一道来规范对链路的访问。 LLC提供的服务提供的服务 lLLC

8、为上层用户提供三种类型的服务以供选择 l无确认无连接服务： l数据报形PDU的传送无需任何形式的确认，也无需流量控制和差错控 制机制。 依赖于高层协议软件提供可靠和流量控制机制 l服务支持单点、多点传送以及广播。 l有连接服务 l两个用户交换数据前必须建立一条逻辑连接，并且要提供相应的流量 控制、排序和差错控制机制，同时提供连接释放功能。 l只支持单点传送，没有组广播和广播方式。 l有确认无连接服务 l提供对数据报的确认机制，同时在进行数据传输前无需建立逻辑连接。 LLC PDU lLLC为高层用户提供相应的机制来为每个站点编址，并且为两个用 户间交换数据提供相应的控制。 l目的SAP和源SA

9、P再加上站点地址（在MAC帧中的头部中包括） 一起标识了正在进行通信的两个用户，Control字段用于标识PDU 的类型。 DSAPSSAPControlInfo 8bit8bit8bit LLC 协议字段协议字段 l8比特的SAP字段有2位具有特殊的含义 l“全局/本地”（Global/Local）比特，它表明是由802委员会分配了这个SAP 数字（确保它的唯一性）还是由本地网络管理员管理这个数字的。 l另外一个“组/个体”比特用来标识该SAP指定了一组高层协议还是一个高层 协议。 l有效的SAP编号只有6位，全局的SAP编号非常有限 l可以使用本地分配的SAP编号，但这要求预先知道对方机器

10、的SAP编号。 l对SAP进行扩展，即SNAP SAP lDSAP和SSAP都被设为SNAP（值为0 xAA），控制字段为0 x03，这表明报头被 扩展而包括了一个“协议类型”字段 LLC 协议字段（续）协议字段（续） l最早的协议类型字段采纳了和Ethernet类似的方法，占用2个八 位组。但是 l有人注意到，IEEE 802帧的报头包含了奇数个八位组，为了使 得整个报头能够按16位对齐，协议类型字段最好能占用奇数个 八位组。 l另外有人注意到如果协议类型字段超过3个八位组，则可以把这 个字段分隔为两个部分，前面3个八位组为组织唯一标识OUI， 它是站点的LAN地址（我们会在后面进行介绍，O

11、UI标识了某个 网卡制造商）的前面3个八位组，剩余的八位组则作为协议类型， 这样制造商可以自己分配协议号，而不会出现冲突。 l最后人们达成了一致，把协议类型字段设为5个八位组长（40比 特），因为5是大于3的最小奇数。 l即前面3个字节表示OUI l后面两个字节表示协议号 4.2.3 媒体访问控制子层媒体访问控制子层MAC l媒体访问控制MAC协议决定广播链路中信道如何 分配，使得对传输媒体的访问更加有序、有效， 它又常常称为多路访问协议。 l两个关键的参数： l控制位置 l集中式：选择某个节点, 它可以授权访问网络 l分布式：所有节点平等地参与决定传输顺序 l控制方式 l怎样控制对共享媒体的

12、访问，和拓扑结构相关，同时也 要考虑到花费、性能和复杂程度等因素 媒体访问控制技术媒体访问控制技术 l同步机制：采用的是信道分割协议 l在电路交换中的频分多路(FDM)和时分多路(TDM) 技术就属于这种同步机制 l还有一种信道分割协议是码分多址CDMA l异步机制：可以进一步分为三类 l时间片轮转： l预约 l竞争 媒体访问控制技术（续）媒体访问控制技术（续） l时间片轮转： l每个节点按照一定的逻辑顺序得到传输时间片 l站点的逻辑顺序的控制可采用集中式或分布式 l轮询采用集中式的控制方式，要求选取一个节点作为主节点，主节点 按照时间片轮转的方式来询问所有站点是否有数据要发送。 l令牌传递令

13、牌传递采取分布式控制，一串特殊的比特流即令牌令牌按照固定的顺序 在节点间传递，站点必须抓住令牌才能传输 l预约：媒体访问时间被分成一些时槽，很象同步时分多路复用。 一个节点在要传输时，可以为即将到来的传输预约一些时槽 l预约也可以是集中式或分布式的 l竞争：所有节点展开竞争以获取对共享媒体的访问权 l冲突检测冲突检测可以检测出媒体上有多个传输同时进行 l载波监听载波监听：设备通过侦听媒体来避免冲突 l两者结合在一起就是带冲突检测的载波侦听多路访问带冲突检测的载波侦听多路访问(CSMA/CD) 4.2.4 网卡网卡 l局域网上的两台主机通过共享的传输媒体进行 通信，必须遵循相应的数据链路层协议，

14、因此 大部分的数据链路层协议都通过一个网络硬件 即网络适配器（Adapter）来实现。 l适配器又常被称为网卡或者网络接口卡NIC。 网卡的功能网卡的功能 发送方网卡 物理层 数据链路层 网络层接收方网卡 链路层协议 网络层 数据链路层 物理层 物理链路 网络层 网卡驱动程序网卡驱动程序 l网卡驱动程序一般包括如下函数：初始化网卡、发送帧、中断 处理程序等。 4.2.5 LAN地址地址 l在对LAN地址进行标准化的过程中，IEEE 802委员会给出的建议 是可以使用48位或者16位地址 l局域网上的所有节点（实际上世界上的所有LAN节点）都有一个 唯一的LAN地址 l以太网地址常常以易于阅读的

15、方式来表示，即 BB:BB:BB:BB:BB:BB，被冒号（或者横线-）分割的每个数字对应 于以太网地址的相应字节的16进制表示。 Organizationally Unique Identifier Organizationally Unique Address I/G U/L 1 1 22 24 I/G 位为 1，表示组播地址 U/L：全局还是本地管理地址方式. LAN 地址（续）地址（续） lLAN地址的前面24位往往被称为“厂商代号”或全球唯一标识OUI l前面24位中还有两位有特殊的含义，其中第一个字节中最低位表 示“组/个体”，如果该位为0，则地址指一个特定的节点，而如果 该位为1

16、，则表示是一个组播地址。 l接下来一个比特是用来表示地址是全球还是本地分配的 lLAN地址书写的标准格式采用最低位在前的顺序 l地址a2:41:42:59:31:51不是一个组播地址，因为它的第一个八位 组（a2，10100010）的最低位是0 lLAN 地址（续） 4.3.1 令牌环概述令牌环概述 l令牌环控制技术最早于1969年在贝尔实验室研制的Newhall环 上采用 lIEEE802采纳了令牌环技术作为局域网介质访问访问方法的一 个标准，即IEEE 802.5标准。 l环并不是真正的广播介质，而是单个的点到点的连接组合在一 起形成了一个圆环。 l令牌环网络接口之间通过点到点线路连接而成

17、。帧沿某一固定 的方向绕环传递，每个站点从它的上游邻居接收帧，然后转发 给下游邻居站点 l包括了一个分布的媒体访问协议来控制站点的传输，只有令牌 持有者才能发送帧 l所有站点都会收到任一站点发送的帧，只有目的地址相符的站 点会把帧拷贝下来。 环接口模式环接口模式 环接口 站 无方向环 (a)(b)(c) 1比特延迟 环接口 到站上去自站上来到站上去自站上来 a）环网；（b）侦听模式；（c）发送模式 线路中心线路中心 l环网的问题之一是如果某处电缆断裂，则整个环都无法工作。可 通过线路中心（wire center）来解决。 l旁路中继器由站点供电，出现故障时旁路,站点从环中移走 l通过程序控制，

18、检测到出错站点或环段时旁路故障站点 站点 电缆 旁路中继器 线路中心 接头 4.3.2 令牌环媒体访问控制协议令牌环媒体访问控制协议 l当环上无信息传输时，令牌就不停地在环网上转，等 待站点将其抓获。 l该站点将令牌中的某个特定位由0变为1，将令牌改 造成一个数据帧的起始序列。得到令牌后，填写并发 送组成数据帧的余下字段部分。 l一个站点可在令牌持有时间THT（Token Holding Time）内拥有令牌。 l令牌轮转时间TRT（Token Rotation Time） 环延迟活跃站点数THTTRT 环的比特长度环的比特长度 l传播时延和传输时延 l每个接口1位延时 l环的比特长度=信号的

19、传播时延*数据的传输速 率+接口的延时 l =环路媒体长度*5(us/km)*数据 传输速率+接口的延时 l（ 5(us/km)*是信号传播速率200m/us的倒数 环的比特长度环的比特长度 l例如：某令牌环的媒体长度10Km,数据传输速率4Mbps,环路上共 有50个站点，每个站点的引入1位延时。(假设传播速率200m/us) l 环比特长度=10*5*4+1*50=250 令牌环的确认机制令牌环的确认机制 l帧的递交的确认机制 l比特绕环一周回来，发送者将它们从环中移去,最后数据帧 传输完毕后产生令牌传递出去 l帧的数据字段长度没有限制，只要令牌持有时间允许 l接收者修改经过的帧中的帧状态

20、字段的A（访问）与C（拷 贝）比特 : lA:Access Bit：帧通过目的站点时设置 lC:Copy Bit：帧复制到目的站点时设置 A0，C0：目的站点不存在或者未加电。 A1，C0：目的站点存在但帧未被接收。 A1，C1：目的站点存在且帧被复制。 A0，C1：这种组合是无意义的 优先级机制优先级机制 l在令牌和数据帧中包含两个字段：优先 级字段(3位)和预约字段(3位) l环中的令牌有一定的优先级n l每个站点发送的帧都分配一个优先级 l站点只有当有比当前令牌的优先级相同 或者更高的数据帧时才能抓住令牌 优先级机制（续）优先级机制（续） l令牌的优先级如何改变? 预约机制 l站点X想要

21、传输一优先级为n的数据帧: l发现经过数据帧的预约字段比n低，站点将这个数据帧的预 约字段置为n，表示预约优先级为n的令牌；发现预约字段比 站点的优先级高，就不作任何动作。 l经过令牌帧的预约字段比n低,该字段改变为n. l持有令牌站点释放令牌时把优先级提升为n。 l优先级会不断被提升 l优先级提高的站点X有责任在适当的时候把优先级降到原先 的水平。 提升时记录之前的优先级和当前优先级 看到一个自己提升优先级的令牌时降低令牌优先级 优先级机制：实例优先级机制：实例 l站点准备发送一个帧:优先级=5 l一个令牌经过,并且优先级比站点优先级低或 相等:抓住令牌 优先级机制：实例（续）优先级机制：实

22、例（续） l令牌优先级高,或者数据帧经过,进行预约 l站点传输完,产生一个新的令牌: l提升优先级：有站点预约 l或者不提升：无站点预约 优先级机制：实例（续）优先级机制：实例（续） l站点看到一个它提升的令牌,降低优先级 早释令牌早释令牌 l早释令牌ETR(Early Token Release) l站点发出数据帧,在帧传输完时,该帧的第一个比特可能会: l已回到发送站点: l还没有回到发送站点:这一段时间必须等待 lETR允许站点完成传输后马上释放令牌: l优先级机制的问题：先发送令牌,然后检查预约字段. 令牌环维护令牌环维护 l令牌环网必须选一个站点作为环上的监控站点来总管全环：监控 站保证环只有一个令牌 w选取监控站: w竞争机制来产生，出现冲突时采用高地址优先 w监控站的功能: w检测令牌丢失:最长无令牌时间 w混淆帧:检验和字段 w无主帧:监控位 w经过监控站时置位，如果两次出现证明无主帧 w环长度:人工延迟 w确定环断点位置：和线路中心配合 w环断开时:站点发送BEACON帧,给出可能失效的站点，并且尽量