计算机网络 第5章_介质访问控制子层

1、lPacket.Tracer5.312本章学习要求：本章学习要求：了解了解：局域网与城域网的主要技术特点、局域网拓扑结构的类型与：局域网与城域网的主要技术特点、局域网拓扑结构的类型与 特点、常用的局域网传输媒体，局域网的共享媒体技术、特点、常用的局域网传输媒体，局域网的共享媒体技术、 IEEE 802参考模型与协议的基本概念。参考模型与协议的基本概念。重点掌握重点掌握：局域网的拓朴结构局域网的拓朴结构EthernetEthernet局域网的基本工作原理局域网的基本工作原理CSMA/CDCSMA/CD协议、协议、MACMAC帧、以太网的连接方法帧、以太网的连接方法高速局域网、交换局域网高速局域网

2、、交换局域网的基本工作原理的基本工作原理虚拟局域网的基本工作原理虚拟局域网的基本工作原理无线局域网的基本工作原理无线局域网的基本工作原理网桥的基本工作原理网桥的基本工作原理34lIEEE 802委员会为局域网制定了一系列标准，它们统委员会为局域网制定了一系列标准，它们统称为称为IEEE 802标准；标准；lIEEE 802标准之间的关系：标准之间的关系： 802.10 可互操作的局域网安全802.2 逻辑链路控制子层802.3CSMA/CD802.4令牌总线802.5令牌环802.6城域网802.9语音与数据综合局域网802.11无线局域网 802.1 体系结构与网络互联5.1.4 IEEE

3、802参考模型55.1.4 IEEE 802参考模型lIEEE 802 标准所描述的局域网参考模型与标准所描述的局域网参考模型与OSI参考模参考模型的关系型的关系 ：应 用 层表 示 层会 话 层传 输 层网 络 层数据链路层物 理 层OSI参考模型OSI参考模型逻辑链路控制子层IEEE 802参考模型IEEE 802参考模型介质访问控制子层物 理 层IEEE 802 LAN的数据链路层 lLAN的数据链路层分为两个功能子层：的数据链路层分为两个功能子层：l逻辑链路控制子层（LLC）l介质访问控制子层（MAC）lLLC子层和子层和MAC子层的功能子层的功能l将数据组成帧，并对数据帧进行顺序控制

4、、差错控制和流量控制，使不可靠的物理链路变为可靠的链路。l与接入到传输媒体有关的内容都放在与接入到传输媒体有关的内容都放在 MAC子层，而子层，而 LLC 子层则与传输媒体无关，不管采用何种协议的局子层则与传输媒体无关，不管采用何种协议的局域网对域网对 LLC 子层来说都是透明的子层来说都是透明的l由于局域网现在基本采用以太网，由于局域网现在基本采用以太网，LLC变得没那么重要，变得没那么重要，网络层直接将分组封装到以太网数据帧中，我们不再讨网络层直接将分组封装到以太网数据帧中，我们不再讨论论LLC6IEEE 802标准系列l802.3 CSMA/CD 总线网的总线网的MAC和物理层的规范；和

5、物理层的规范；l802.11 无线局域网的无线局域网的MAC和物理层的规范；和物理层的规范；l802.15 近距离个人区域无线网络；近距离个人区域无线网络；l802.16 宽带无线城域网宽带无线城域网7局域网概述局域网概述l局域网产生的原因局域网产生的原因l80年代，微型机发展迅速，彼此需要相互通信年代，微型机发展迅速，彼此需要相互通信（近距离），共享资源；（近距离），共享资源；l功能分布：分布式计算，分布式数据库功能分布：分布式计算，分布式数据库局域网的概念局域网的概念局域网局域网(Local Area Network, (Local Area Network, 简称简称LAN)LAN)是计

6、算机网络的一种。局是计算机网络的一种。局域网是在一个较小的范围域网是在一个较小的范围( (一个办公室、一幢楼、一家工厂一个办公室、一幢楼、一家工厂等等) )，利用通信线路将众多计算机，利用通信线路将众多计算机( (一般为微机一般为微机) )及外围设备及外围设备连接起来，达到数据通信和资源共享的目的。连接起来，达到数据通信和资源共享的目的。 8局域网的拓朴结构局域网的拓朴结构最常见的局域网拓朴结构有星型、环型、总线型和树型。如图所示。最常见的局域网拓朴结构有星型、环型、总线型和树型。如图所示。集线器(a) 星型网星型网*(b) 环型网环型网(c) 总线网总线网(d) 树型网树型网图图1 局域网的

7、拓朴结构局域网的拓朴结构注：图注：图(a)在物理上是一个星型网，但在逻辑上仍是一个总线网在物理上是一个星型网，但在逻辑上仍是一个总线网干线耦合器匹配电阻9介质访问控制的基本概念介质访问控制的基本概念多个主机同时在一条共享介质上发送数据，就会产生冲突。多个主机同时在一条共享介质上发送数据，就会产生冲突。10如何解决传输冲突？介质访问控制方法要解决以下几个问题介质访问控制方法要解决以下几个问题：l该哪个结点发送数据？该哪个结点发送数据？l发送时会不会出现冲突？发送时会不会出现冲突？l出现冲突怎么办？出现冲突怎么办？使用介质访问控制使用介质访问控制（MAC， medium access contro

8、l）方法方法:两种基本方法：两种基本方法：1，设定一个中心控制主机，由它来决定主机发送数据的顺，设定一个中心控制主机，由它来决定主机发送数据的顺序，无冲突序，无冲突2，分布式控制，各个主机自主决定，需解决冲突问题，分布式控制，各个主机自主决定，需解决冲突问题11局域网中最常用的介质访问控制方法局域网中最常用的介质访问控制方法 l介质访问控制方法控制网络节点何时能够发送数据。介质访问控制方法控制网络节点何时能够发送数据。lIEEE 802规定了局域网中最常用的介质访问控制方法：规定了局域网中最常用的介质访问控制方法：lIEEE 802.3载波监听多路访问载波监听多路访问/冲突检测（冲突检测（CS

9、MA/CD）；）；lIEEE 802.4令牌总线（令牌总线（Token Bus）；）；lIEEE 802.5令牌环（令牌环（Token Ring）；）；12令牌环网l基本原理基本原理l环中数据沿着一个方向绕环中数据沿着一个方向绕环逐站传输。环逐站传输。l谁可以发送帧，是由一个谁可以发送帧，是由一个沿着环旋转的称为沿着环旋转的称为“令牌令牌” Token的特殊帧来控制的。的特殊帧来控制的。只有拿到令牌的站点可以只有拿到令牌的站点可以发送帧，而没有拿到令牌发送帧，而没有拿到令牌的站只能等待。的站只能等待。l 令牌有令牌有“闲闲”和和“忙忙”两个状态，两个状态，l一个站点有数据要发送，必须等空闲令牌

10、到来；截获到空闲令牌，置令一个站点有数据要发送，必须等空闲令牌到来；截获到空闲令牌，置令牌的状态为牌的状态为“忙忙”，并把要传送的数据加上去，令其继续往前传送；，并把要传送的数据加上去，令其继续往前传送；l每到一个站点，该站点的转发器便将帧内的目的地与本站的地址进行比每到一个站点，该站点的转发器便将帧内的目的地与本站的地址进行比较，如果两地址符合，则复制该帧，并在帧中置入较，如果两地址符合，则复制该帧，并在帧中置入“已收到已收到”标志，然标志，然后让帧继续传送；后让帧继续传送；l当传送回发源站点时，若没有检查到当传送回发源站点时，若没有检查到“已收到已收到”标志则继续发送当前帧，标志则继续发送

11、当前帧，否则撤消所发送的数据帧并立即生成一个新的令牌发送到环上（这时还否则撤消所发送的数据帧并立即生成一个新的令牌发送到环上（这时还有数据就继续发送，否则生成空闲令牌）。有数据就继续发送，否则生成空闲令牌）。l令牌总线工作过程类似，持有令牌时一定时间内可发送数据令牌总线工作过程类似，持有令牌时一定时间内可发送数据令牌工作过程载波监听多路访问/冲突检测CSMA/CD）l所有节点都通过总线发送与接收数据，但同一时刻只所有节点都通过总线发送与接收数据，但同一时刻只允许一个节点发送（以广播的方式），其它节点只能允许一个节点发送（以广播的方式），其它节点只能以收听的方式接收数据以收听的方式接收数据l可能

12、会出现多个节点同时发送数据的情况，出现冲突可能会出现多个节点同时发送数据的情况，出现冲突（collision），造成多个节点的传输都失败。），造成多个节点的传输都失败。l各个节点通过竞争的方式来获取发送权，获得发送权各个节点通过竞争的方式来获取发送权，获得发送权的时间是不确定的，因此属于随机型介质访问控制方的时间是不确定的，因此属于随机型介质访问控制方法法15CSMA/CD与Token Bus,Token Ring的比较CSMA/CD的特点：的特点：l算法简单、易于实现算法简单、易于实现l是一种随机访问控制方法，实时性得不到保证，适合办是一种随机访问控制方法，实时性得不到保证，适合办公环境公环

13、境l网络通信负荷增大时，冲突增多，网络吞吐率下降、传网络通信负荷增大时，冲突增多，网络吞吐率下降、传输延迟增加输延迟增加Token Bus,Token Ring的特点的特点l发送数据的时间间隔是确定的，实时性有保证，是确定发送数据的时间间隔是确定的，实时性有保证，是确定型的访问控制方法，适合工业环境型的访问控制方法，适合工业环境l网络通信负荷增大时，没有浪费时间，网络吞网络通信负荷增大时，没有浪费时间，网络吞吐率与传输延迟都很好吐率与传输延迟都很好l环的维护过程复杂，实现困难环的维护过程复杂，实现困难165.1.3以太网Ethernet的产生和发展 lEthernet的核心技术是的核心技术是C

14、SMA/CD介质访问控制方法；介质访问控制方法；l随机争用技术起源于夏威夷大学校园网随机争用技术起源于夏威夷大学校园网ALOHA；(1968-1972)lXerox 创建创建第一个实验性的第一个实验性的以太网以太网(1972-1977)lDEC、Intel和和Xerox将以太网标准化将以太网标准化(1979-1983)lIEEE 802.3标准问世（标准问世（1982年）年）,10BASE-5出现；出现；l10BASE-T结构化布线的历史结构化布线的历史(1986-1990)l交换式和全双工制以太网的出现交换式和全双工制以太网的出现(1990-1994)l快速以太网的出现快速以太网的出现(19

15、92-1995)l千兆网的出现千兆网的出现(1996至今至今)17高速以太网的发展背景l当局域网的节点数不断增加时，每个节点平均分配到当局域网的节点数不断增加时，每个节点平均分配到的带宽将原来越少，冲突和重发次数将大幅增长。三的带宽将原来越少，冲突和重发次数将大幅增长。三种可能的解决方案：种可能的解决方案：l提高数据传输速率增加传播延时带宽积提高数据传输速率增加传播延时带宽积 延时带宽积延时带宽积=传播延时传播延时X带宽带宽l将共享介质方式改为交换方式，建立多个并发连接将共享介质方式改为交换方式，建立多个并发连接l将一个大型局域网划分成多个小型局域网，使得每个将一个大型局域网划分成多个小型局域

16、网，使得每个子网的内部节点数减少子网的内部节点数减少18l数据在总线传播数据在总线传播l最初的以太网是将许多计算机都连接到一根总线上。当初认为最初的以太网是将许多计算机都连接到一根总线上。当初认为这样的连接方法既简单又可靠，因为总线上没有有源器件。这样的连接方法既简单又可靠，因为总线上没有有源器件。 5.2 Ethernet基本工作原理基本工作原理B向 D发送数据 C D A E匹配电阻（用来吸收总线上传播的信号）匹配电阻不接受不接受不接受接受B只有 D 接受B 发送的数据19为了通信的简便为了通信的简便以太网采取了两种重要的措施以太网采取了两种重要的措施 l采用较为灵活的无连接的工作方式，即

17、不必先建立连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。接就可以直接发送数据。 l以太网对发送的数据帧不进行编号，也不要求对方发以太网对发送的数据帧不进行编号，也不要求对方发回确认。回确认。l这样做的理由是局域网信道的质量很好，因信道质这样做的理由是局域网信道的质量很好，因信道质量产生差错的概率是很小的。量产生差错的概率是很小的。 20以太网提供的服务 l以太网提供的服务是不可靠的交付，即尽最大努力的以太网提供的服务是不可靠的交付，即尽最大努力的交付。交付。l当目的站收到有差错的数据帧时就丢弃此帧，其他什当目的站收到有差错的数据帧时就丢弃此帧，其他什么也不做。差错的纠正

18、由高层来决定。么也不做。差错的纠正由高层来决定。l如果高层发现丢失了一些数据而进行重传，但以太网如果高层发现丢失了一些数据而进行重传，但以太网并不知道这是一个重传的帧，而是当作一个新的数据并不知道这是一个重传的帧，而是当作一个新的数据帧来发送。帧来发送。 21CSMA/CD协议的工作流程 lCSMA/CD协议的工作过程通常可以概括为：协议的工作过程通常可以概括为：l先听后发、先听后发、l边听边发、边听边发、l冲突停止、冲突停止、l延迟重发。延迟重发。22载波监听多点接入载波监听多点接入/碰撞检测碰撞检测CSMA/CDlCSMA/CD 表示表示 Carrier Sense Multiple Ac

19、cess with Collision Detection。也叫。也叫带有冲突检测的载波侦听多路访问带有冲突检测的载波侦听多路访问协议协议，是一种，是一种随机争用型的介质访问控制随机争用型的介质访问控制方法。方法。l“多点接入多点接入”表示许多计算机以多点接入的方式连接在一根总表示许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上。线上。l“载波监听载波监听”是指每一个站在发送数据之前先要检测一下总线是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。据，以免发生碰撞。 l总线上并没有什

20、么总线上并没有什么“载波载波”。因此，。因此， “载波监听载波监听”就是用电就是用电子技术检测总线上有没有其他计算机发送的数据信号。子技术检测总线上有没有其他计算机发送的数据信号。 l以太网规定发送的数据采用曼彻斯特编码以太网规定发送的数据采用曼彻斯特编码23碰撞检测l“碰撞检测碰撞检测”就是计算机边发送数据边检测信道上的信号电压就是计算机边发送数据边检测信道上的信号电压大小。大小。l当几个站同时在总线上发送数据时，总线上的信号电压摆动值当几个站同时在总线上发送数据时，总线上的信号电压摆动值将会增大（互相叠加）。将会增大（互相叠加）。l当一个站检测到的信号电压摆动值超过一定的门限值时，就认当一

21、个站检测到的信号电压摆动值超过一定的门限值时，就认为总线上至少有两个站同时在发送数据，表明产生了碰撞。为总线上至少有两个站同时在发送数据，表明产生了碰撞。l所谓所谓“碰撞碰撞”就是发生了冲突。因此就是发生了冲突。因此“碰撞检测碰撞检测”也称为也称为“冲冲突检测突检测”。24检测到碰撞后l正常发送时，计算机发送的数据都是使用曼彻斯特编正常发送时，计算机发送的数据都是使用曼彻斯特编码的信号；码的信号；在发生碰撞时，总线上传输的信号产生了在发生碰撞时，总线上传输的信号产生了严重的失真，无法从中恢复出有用的信息来。严重的失真，无法从中恢复出有用的信息来。l每一个正在发送数据的站，一旦发现总线上出现了碰

22、每一个正在发送数据的站，一旦发现总线上出现了碰撞，就要立即停止发送，免得继续浪费网络资源，然撞，就要立即停止发送，免得继续浪费网络资源，然后等待一段随机时间后再次发送。后等待一段随机时间后再次发送。25电磁波在总线上的电磁波在总线上的有限传播速率的影响有限传播速率的影响 l当某个站监听到总线是空闲时，也可能总线并非真正是当某个站监听到总线是空闲时，也可能总线并非真正是空闲的。空闲的。 lA 向向 B 发出的信息，要经过一定的时间后才能传送到发出的信息，要经过一定的时间后才能传送到 B。lB 若在若在 A 发送的信息到达发送的信息到达 B 之前发送自己的帧之前发送自己的帧(因为这因为这时时 B 的载波监听检测不到的载波监听检测不到 A 所发送的信息所发送的信息)，则必然要，则必然要在某个时间和在某个时间和 A 发送的帧发生碰撞。发送的帧发生碰撞。l碰撞的结果是两个帧都变得无用。碰撞的结果是两个帧都变得无用。 每个站点都是在监听到信道每个