介质访问控制技术与局域网

1、介质访问控制技术与局域网 本章着重介绍局域网的介质访问控制技术、局域网的体系结构与协议，以太网的相关知识，虚拟局域网和高速局域网等。1 介质访问控制技术信道共享连接的网络，分配信道的使用权关键问题。基本不存在路由选择问题，而需要解决当信息的使用产生竞争时介质访问控制技术的问题。 不设置网络层，数据链路层分为两个子层逻辑链路控制子层LLC和介质访问控制子层MAC。MAC子层的主要功能是负责与物理层相关的所有问题，介质访问控制技术是该子层的主要功能。 链路 网络链路：沿着通信路径连接相邻节点的通信信道称为链路。 点对点链路（point-to-point link）：单个接收方与单个发送方 PPP和

2、HDLC 广播链路（broadcast link）：让多个发送方和接收节点都连接到相同的、单一的、共享的广播信道上。 “广播”： 以太网和无线LAN多路访问 协议 如何协调多个发送和接收节点对一个共享广播信道的访问 类比：教室教室中的”多路访问协议”给每个人一个讲话的机会该你讲话时你才讲话不要一个人垄断整个谈话如果有问题请举手当有人讲话时不要打断当其他人讲话时不要睡觉计算机的多路访问协议 碰撞 （collision） 多路访问协议的分类： 信道划分协议（channel partitioning protocol） 随机接入协议 (random access protocol) 轮流协议（tak

3、ing-turns protocol）信道划分协议 时分多路复用(TDM: time division multiplexing) 频分多路复用(FDM) 码分多路复用（CDMA: code division multiple access）随机接入协议 时隙ALOHA ALOHA CSMA轮流协议 轮询协议 令牌传递协议1.1 争用 (随机接入)协议1ALOHA美国夏威夷大学校园网 将分布在各个岛上的工作站通过无线网络和总校校园的主机与其他工作站相联。几乎是不加控制，任何用户站有数据帧就可以发送，如果发现冲突，则冲突的站都分别重发。2分槽ALOHA 将通道上的时间分割成时间片（分槽），每个时

4、间片的长度与一个数据帧传输所需时间相等，各个站要发送数据帧必须在时间片的起始时间，即分槽处开始。这样只有在两个数据帧完全覆盖时才会发生冲突，提高了通道的利用率。 发送第1帧分槽ALOHA协议中，只要第1帧开始发送，在这一时间片内就不允许其他站再发送数据帧。只要开始发送时没产生冲突，在这一时间片内就不会再产生冲突。 3CSMA/CD（1）载波监听多路访问三种不同的协议 每个站在发送数据前先监听信道，如果空闲，则发送数据；如果忙，就不发送，等待一段时间。 不坚持CSMA一旦监听到信道忙，不坚持监听，延迟一个随机的时间后再重新监听。 1坚持CSMA监听到信道忙，坚持监听，直到信道空闲立即将数据帧发送

5、出去。 P坚持CSMA信道空闲，以概率P（0P1）发送数据，以概率（1-P）延迟一段时间，重新监听信道。 3CSMA/CD（2）载波监听多路访问/冲突检测CSMA/CD 信号传播延迟，采用CSMA协议并不能完全消除冲突。发送数据帧的站点边发送数据边监听信道，只要监听到发生冲突，就立即停止发送,并发送若干比特的干扰信号 。 3CSMA/CD（3）二进制指数退避算法确定等待的随机时间 当站点发生第1次冲突，等待021-1个时间片。 当站点发生第2次冲突，等待022-1个时间片。 依此类推，当站点发生第n次冲突，在n10时，等待02n 1个时间片； n10后，等待0210个时间片。 当站点发生冲突的

6、次数达到第16次时，将放弃该数据帧的发送。 1.2 令牌环介质访问控制技术用于环型拓扑结构的网络，属于有序的竞争协议.1.令牌环的组成 2令牌环介质访问控制的操作过程（1）使用一个特殊的令牌帧，当某个站点有数据帧要发送时，必须等待标记为空的令牌帧到来，将令牌帧的空标记改为忙，并将数据帧发送到环上。（2）发送的数据帧在环上循环的过程中，所经过的环上的各个站点都将帧上的目的地址与本站点的地址进行比较，若不等则直接传给后面的站点，若相等则将帧复制接收，然后继续传给后面的站点。2令牌环介质访问控制的操作过程（3）发送的数据帧在环上循环一周后再回到发送站，由发送站将该帧从环上移去，同时将令牌的忙标记改为

7、空标记，传给后面的站。（4）空令牌帧在环上循环，经过某站点时，若该站点有数据帧要发送则重复上述过程，若该站点没有数据帧发送则直接将令牌帧传给下一个站点。 A站点向C站点发送数据帧3令牌帧和数据帧的格式（1）令牌帧3字段，一个开始定界符SD和一个结束定界符ED开始定界符JK0JK000，结束定界符JK1JK1IE （2）数据帧SD、ED开始/结束定界符，与令牌帧相同；AC访问控制1字节，包含PPPTMRRR PPP：优先级位 T：令牌位（0为令牌帧，1为数据帧） M：监控位 RRR：预约位（2）数据帧8字段FC帧控制1个字节，为FFZZZZZZ F：帧类型位 Z：控制位 目的地址/源地址2或6个

8、字节数据05000字节帧校验序号4个字节FS帧状态1个字节，为ACXXACXX A：地址确认位 C：帧复制位 X：位定义令牌环的维护（1）需要对令牌环进行维护的情况 站点发送帧，帧未返回到该站点前该站点崩溃产生一个不能移去的帧；站点接收帧或令牌后就崩溃环上没有令牌的现象；当帧发生错误时，需要确定负责修复的站点。令牌环的维护 （2）通过监控站和帧控制字段来完成对于令牌环的维护 设置监控站，对新帧监控位设置为0，帧通过监控站时，将监控位改为1，如该帧再通过监控站（为不能移去的帧），移去并产生一个新令牌。 监控站设置计时器，只要监控站发送一个帧或令牌，就启动计时器，超时（帧或令牌丢失），产生一个新令

9、牌。1.3 令牌总线访问控制技术1.令牌总线局域网的组成 应用于总线拓扑结构网络，访问控制采用与令牌环相似的访问控制方法。物理结构是总线的而逻辑结构却是环型的。 用于工厂自动化和过程控制及需要实时处理的应用 2令牌总线局域网的帧格式不存在单独的令牌帧格式，由帧控制字段说明是否包含数据，是否为令牌 ，是令牌该字段标明帧的类型。帧类型：申请令牌帧、请求后继1帧、请求后继2帧、谁后继帧、解决竞争帧、令牌、设置后继帧 2 局域网的参考模型及协议 局域网LAN具有共享传输信道、传输速率较高、误码率低以及可靠性高等特点。因此，使局域网的体系结构及传输控制具有不独立设网络层、低层协议简单而介质访问控制技术复

10、杂的特点。局域网的拓扑结构大多采用总线型、环型或星型。2.1 局域网的参考模型局域网各层的主要功能 ：（1）物理层提供发送和接收信号的能力，包括对宽带频道的分配和对基带信号的调制等；（2）介质访问控制子层MAC实现帧的寻址和识别、数据帧的校验以及支持LLC层完成介质访问控制； （3）逻辑链路控制子层LLC规定了无连接和面向连接的两种连接服务 2.2 IEEE802协议电气和电子工程师协会(Institute of Electrical and Electronics Engineers)IEEE802.1A体系结构IEEE802.1B网络互操作IEEE802.2逻辑链路控制 LLCIEEE80

11、2.3CSMA/CD访问控制及物理层技术规范IEEE802.4令牌总线访问控制及物理层技术规范IEEE802.5令牌环访问控制及物理层技术规范IEEE802.6城域网访问控制及物理层技术规范IEEE802.7宽带网访问控制及物理层技术规范IEEE802.8光纤网访问控制及物理层技术规范IEEE802.9综合话音数据访问控制及物理层技术规范IEEE802.10局域网安全技术IEEE802.11无线局域网访问控制及物理层技术规范IEEE802.12优先级高速局域网访问控制及物理层技术规范IEEE802.13100M 高速以太网IEEE802.14电缆电视网 IEEE802标准系列间的关系 3 以太

12、网3.1 IEEE802.3帧格式 1IEEE802.3的帧格式 前导：7字节的“10101010”比特串，同步； 开始标志：1字节的“10101011”比特串，标志着开始； 长度：2字节组成，标明数据字段的字节数； 数据： 填充字段：保证从目的地址开始，到校验和字段的最短长度为64字节； 校验和：4字节组成，一般采用循环冗余校验 2无效的帧出现下列情况的帧都属于无效的帧： 帧的长度与长度字节给出的值不一致； 帧的长度小于规定的最短长度； 帧的长度不是整数字节； 接收到的帧的校验和出错。将无效的帧丢弃！3.2 IEEE802.3物理层标准1允许使用的传输介质 选项10BASE-510BASE-

13、210BASE-T10BASE-F10BROAD-36传输介质50粗同轴电缆50细同轴电缆双绞线光纤75同轴电缆段长（m）50018510010001800段站点数1003033电缆直径10 mm5 mm0.40.6 mm62.5/125m0.41.0 mm拓扑结构总线总线星型星型总线/树型编码技术曼彻斯特曼彻斯特曼彻斯特曼彻斯特曼彻斯特3.2 IEEE802.3物理层标准210BASE-5介质规范50粗同轴电缆，传输速率10Mbps。曼彻斯特编码基带传输方式。每段电缆的最大长度是500米，用中继器可以延长距离。一个以太网中最多4个中继器，网络的最大距离是2.5Km。 注意：中继器延长的不同网

14、段属于一个竞争域。3.2 IEEE802.3物理层标准310BASE-2介质规范50细同轴电缆，每段的最大距离为185米，同样规定最多只能用4个中继器连接5个网段。 5-4-3规则 10BASE-T介质规范双绞线510BASE-F介质规范光纤 10BASE-FP：P代表无源，最大距离为1Km 10BASE-FL：L代表链路，链路长度最大为2Km 10BASE-FB：B代表主干，2Km3.3 IEEE802三种协议的比较1.优缺点比较 协议优点缺点802.3以太网协议简单、站点接入和安装方便，使用广泛。低负载情况效率高，延迟小。发送的时延不确定，重负载时效率低，限制最小帧长，无优先级设置。802

15、.4令牌总线发送时延确定，不限制最小帧长，可设置优先级，重负载时效率高，支持多个信道，可传输数据、语音和图像等多种信号。协议复杂，轻负载时效率低。802.5令牌环发送时延确定，可设置优先级，重负载时效率高，可以使用多种传输介质。协议复杂，轻负载时效率低，限制最大帧长度。2. 3种协议帧格式比较4 局域网连网及网络互联设备实现网段或局域网互联的设备主要包括：中继器集线器网桥交换机1 网卡 网络接口卡 (NIC卡) Network Interface Card 作用： 串/并行转换 存储芯片对数据缓存 处理接收帧 封装发送帧 链路管理CSMA/CD协议实现 编码与译码曼彻斯特编码1 网卡 硬件地址

16、、物理地址 、MAC地址：固化在网卡的ROM中的地址 组成：6字节（48bit ）= 3字节公司标识符+3字节扩展标识符 常用12位十六进制表示MAC地址2 中继器1.中继器的作用-物理层连接 作用：增加节点数目，扩展距离 原理：去噪、放大 缺点：网上业务量太大时，易发生冲突。中继器3 集线器 Hub：多端口中继器物理层独立型模块化堆叠式集线器 USB接口的集线器1.2.3.具有三个端口的集线器集线器网卡工作站网卡工作站网卡工作站双绞线集线器的特点： 10BASE-T: 物理上是星型网，逻辑上是总线型，特定时间至多只有一台计算机能够发送数据，又称为star-shaped bus 或 bus i

17、n a box 多端口中继器 工作在物理层：某端口接收到比特后，向所有其他端口转发集线器de堆叠HubHubHubHub16口10-100M可堆叠的双速集线器用多个集线器可连成更大的局域网集线器集线器一系二系集线器三系三个独立的冲突域用多个集线器可连成更大的局域网一系二系三系集线器集线器集线器集线器主干集线器用集线器扩展局域网 优点使原来属于不同冲突域的局域网上的计算机能够合并为一个冲突域而通信。扩大了局域网覆盖的地理范围。缺点冲突域增大了，但总的吞吐量并未提高。如果不同的冲突域使用不同的数据率或数据链路层协议，那么就不能用集线器将它们互连起来。 4 网桥4 网桥1. 基本概念能实现两个在物理

18、层或数据链路层使用不同协议的网络间的连接 工作在数据链路层，它根据 MAC 帧的目的地址对收到的帧进行转发。网桥具有过滤帧的功能。当网桥收到一个帧时，并不是向所有的端口转发此帧，而是先检查此帧的目的 MAC 地址，然后再确定将该帧转发到哪一个端口 。网桥的过滤和转发功能 ： 同网段 不同2网桥的主要作用（1）网络分段，过了滤通信量（2）扩展网络的距离（3）局域网之间的互联（4）进行物理层和数据链路层协议的变换3. 网桥的缺点存储转发增加了时延。 在MAC子层没有流量控制功能。当负荷很重时，网桥缓存可能出现溢出，造成失帧现象。具有不同 MAC 子层的网段桥接在一起时，网桥要修改帧结构，时延更大。网桥只适合于用户数不太多(不超过几百个)和通信量不太大的局域网，否则有时还会因传播过多的广播信息而产生网络拥塞。这就是所谓的广播风暴。网桥和集线器（或中继器）不同集线器在转发帧时，不对传输媒体进行检测。5 交换机 参考模型的第2层 比网桥的数据吞吐性能更好，端口集成度更高，每端口成本更低，使用更加灵活和方便，取代了传统网桥，成为最主要的网络互联设备之一神州数码 DCS-3426交换机1交换机基本概念