第4章局域网

第4章局域网教学内容与知识要点：·概述：常用拓扑结构，传输技术，介质访问控制技术，IEEE802协议，MAC地址。·IEEE802.3与以太网：CSMA与CSMA/CD，幀结构。以太网的工程标准，共享式以太网及小型以太网。交换式以太网与大型本地网，存储-转发与快速分组交换。第三层交换与第四层交换技术。·IEEE802.4与802.5·高速局域网：100M以太网，FDDI，1000M以太网，ATMLAN。·虚拟局域网VLAN。·IEEE802.11与无线局域网：系统组成，技术特征。·IEEE802.16与无线城域网·蓝牙技术1概述1、LAN的基本特点：（1）基本属性：复盖地理范围小于十几公里；所有权一般属于一个单位或组织；拓扑结构简单；传输速率较高，误码率较低，属于广播式网络，但现代LAN也在引入交换技术。（2）常用的拓扑结构：总线、环、星型、树型，也可使用混合型。（3）常用的传输介质：UTP双绞线、同轴电缆（基带、宽带）、光纤。2、介质访问控制技术（CSMA/CD、TokenRing、TokenBus等）多路复用时间分割频率分割同步时分TDM异步时分TDM随机访问控制访问集中式分布式专用标记预约冲突避免查询预约交换CBXCSMA/CDCSMA寄存器插入时分环3、MAC地址（P232）性质、格式、全局地址/局部地址、单地址/组地址2IEEE802.3与以太网1、CSMA与CSMA/CD（P215）（1）CSMA要点：先听后发，忙碌等待，一发到底，冲突（超时）重发。按等待的处理方式不同有三种CSMA：不坚持CSMA：若介质空闲就发送；否则退避等待随机时间后再监听。1-坚持CSMA：若介质空闲就发送；否则坚持监听，直到介质空闲。P-坚持CSMA：①若介质空闲，以概率P发送，以概率（1-P）等待一个时间单位后返回监听，时间单位一般取最大传播延迟τ。②若介质忙则继续监听到介质空闲，重复第一步。以上在启动发送后如果有冲突，则等待随机时间后再进入监听。方案1的介质利用率较低；方案2易引起冲突；方案3是折中的但实现复杂。（2）CSMA/CD原理：为减少因冲突而浪费的时间，增加冲突检测的机制，实现：先听后发，忙碌等待，边发边听，冲突即停，强化通知，随机等待，重新监听。（3）冲突检测方法：①信号电平门限检测：基带系统中发生冲突时，信号电平的摆动值会因迭加而超出正常值。②信号相位偏移检测：曼彻斯特编码信号迭加后，会导致信号过零电平的位置发生偏移。③副本比较法：将发送的信号立即接收与副本比较是否一致。（4）冲突处理：某一站点检测到冲突后，应①立即停止发送。②发出一个由随机码组成的短的阻塞帧通知其它各站。③等待随机时间之后再尝试重新发送。（5）几个基本参数与概念①τ：总线端到端传播时延。②冲突窗口=τ：从某站点发送第一个比特开始，经时间τ后未遇到冲突则发送成功。③最大冲突检测时间A=2τ：从一个站点发送第一个比特开始，如发生冲突，该站点能够检测到冲突所需经过的最大时间。④规一化传播时延a=τ/T0:T0为帧发送时延。系统效率反比于a的大小。⑤最小帧长度=C×A=C×（2τ）：一个站点开始发送后，必须在经过时间A之后其发送器仍然在工作，才能保证检测到可能的冲突，最小帧长度即使站点的发送工作时间≥A，以保证协议不会失败。⑥帧碎片：一旦发生冲突，网上将出现若干个不完整的帧，称帧碎片。由冲突窗口和冲突处理策略可知，帧碎片的长度小于最小帧长度。⑦帧过滤：接收站点应能识别出帧碎片和阻塞帧不予接收，方法是丢弃所有长度小于最小帧长度的帧。为此，阻塞帧的长度应小于最小帧长度。⑧最大帧长度问题——最佳长度（6）发生冲突后的重发策略①设置一个最大重发次数，超过则不再重发并向高层报告。②重发等待随机时间的计算，一般采用截断式二进制指数退避算法：退避等待时间=R×（2τ），R=[0,1,┄,2K-1]，K=Min[n,10]，n为本帧已冲突次数。（7）CSMA/CD总线网基本特性①属于争用型协议，各站点平等地争用介质使用权。②轻负荷（S0.3）下效率较高，传输时延较小，吞吐量较高。重负荷时因冲突增加导致性能较差。③帧传输时延的随机性大。④结构和MAC协议实现简单，可靠性较好，成本较低。⑤理想化的最大归一化吞吐量Smax=1/（1+4.44a）2、幀结构（P232）①每个帧以7个字节的前导码开始，每字节为10101011，以保证收发双方的时钟同步。帧同步标志基于HDLC。②地址字段长度6个字节，目的地址的最高位为0是单站地址，为1表示组地址，全1为广播地址。③地址的次高位用于区分全局地址（1）或局部地址（0）。④长度字段说明数据字段的字节数，其值0-1500。⑤添充字段的长度0-46字节，用于当数据字段不46字节时在其中添入随机码，使两字段总长度达46字节，保证有效帧长度不少64字节。⑥CRC字段32位，3、共享式以太网及小型以太网（P229）主要参数使用1-坚持CSMA/CD，截断式二进制指数退避算法（K=10，重发次数小于16），信号电平门限检测冲突，最小帧长度64字节（对应τ=51.2微秒），最大帧长1518字节。主要结构10Base-510Base-210Base-T扩展结构4、交换式以太网与大型本地网（P237、P277）（1）交换式以太网基本原理传统的LAN均基于共享技术，以降低成本。交换式局域网则基于缓存和虚拟交换技术，并且工作在MAC子层，可以将网络分成许多网段，每段接入一个或很少几个用户，各网段接入到交换机的不同端口，通过交换机互连成系统，实现各端口的并行工作，使得10M交换机的每个端口可提供独立的10Mb/s的速率，因此理论上每一个用户站点最高可获得10Mb/s的专用带宽，对于全双工10M交换则可达到20Mb/s的带宽等等。基本原理：基于透明桥（2）主要特性①工作于MAC子层。②星形拓扑。③支持面向连接的点到点通信。④用交换式HUB代替常规的共享HUB。（3）直通和存储转发：交换机可提供以下两种数据传输方式直通交换：只要收到帧的目标地址字段，就立即决定转发的方向并开始转发，又称为快速分组交换。它大幅度降低了传输时延，但不能对帧进行校验等处理，而且也可能传递广播风暴。存储转发交换：即等待帧全部到达后再进行转发。其特性与直通交换恰好相反。自适应交换：某些交换机可在网络误码率较低时采用直通交换，而误码率较高时自动采用存储转发。（4）虚拟LAN（VLAN）为什么需要划分多个LAN？为什么需要VLAN？VLAN是位于不同物理网络中的主机的集合，不同VLAN之间的互连与不同物理网络的互连相同（如通过路由器），给子网的划分与管理提供了很大的方便，其基本原理是：①交换机工作于MAC子层，可以提供网桥功能，实现多局域网互联。②交换机基于缓存的工作方式，可以在内部提供映射表，实现识别和转发。③交换机控制交换的方法：按端口转发、按MAC地址转发、按网络地址转发等，相应可以按端口、MAC地址或网络地址组织VLAN。（5）三层交换与四层交换3令牌环与令牌总线1、令牌环（TokenRing，对应IEEE802.5）（1）组成：由若干个环接口连接若干段介质组成闭合环。各站点必须经中继器接入环。（2）基本原理①令牌：在环上设置一个称为令牌的特殊的比特组合，它有空闲和忙碌两种状态，在环上循环运行。②帧发送：一个站点想发送信息时，必须先拿到空令牌，将令牌修改成“忙”，然后将数据帧跟随令牌发送到环上。③帧转发与接收：数据帧每经过一个环接口，该接口便比较其目标地址是否与本站点一致，不一致就仅转发该帧；若地址相等，则在转发的同时将帧复制接收到本地站点。④帧回收：为防止帧在闭合环上无限循环，应由指定站点予以回收。为减少时延，一般采用发送站回收方式，即让帧不断转发回到发送站，再将令牌修改成“空闲”状态，放回环上，从而还可实现“捎带应答”及广播式传输。⑤需要处理无主帧，令牌丢失，令牌重复，环故障等问题。（3）基本特性②公平性好，各个站点的介质使用权是平等的。③重负荷下效率和吞吐量较高，轻负荷时效率较低。④帧传输时延较小且有一个上限，随机性较小。⑤可以实现多优先级传输，有利于实时信息的传输。⑥相对结构较复杂，可靠性较差，协议较复杂，但复盖范围较大，常用于园区主干网。2、令牌总线（TokenBus，对应IEEE802.4）（1）基本原理：将用总线连接的各站点按某种规律组织成一个逻辑环，然后即可采用类似令牌环的介质访问控制方法（2）基本特性大致上综合了总线结构和令牌控制算法的优点，如无冲突、可靠性较好等；但平均传输时延较大，协议最复杂，多用于计算机控制网。4高速局域网1、FDDI（光纤分布式数据接口）（1）主要性能：使用802.2LLC协议和基802.5的令牌环MAC协议，数据速率100Mb/s，信号码元速率125M波特，传输介质多模光纤，拓扑为双环容错结构，最大环路长100公里（光纤长200公里），最多接入500个双连站1000个单连接站，最大站间距离2公里，具有动态分配带宽的能力，可同时提供同步和异步数据传输服务。（2）主要技术特点①4B/5B结合NRZI编码。由于5位编码中选择至少有二个1的组合，而NRZI编码定义1倒相，从而保证每组码元至少有二次电平跳变，以获得足够的同步信号，而码元速率只达到125M波特。4位二进制4B/5B码4位二进制码4B/5/B000011110100010010000101001100110011001010100101010110001110101101110111010001010110011010010101011110111011011001110111011100011101111111111101②采用分布式时钟，以避免集中时钟在高速工作时产生的时钟偏移。③采用双环容错结构和自动重组技术提高可靠性。2、100BASE—X（P239）（1）效率与最小帧长度的矛盾最小帧长度=C×（2τ），规一化传播时延a=τ/T0=τC/L0（L0为平均帧长度，a≤0.5）C提高到传统以太网的十倍，通过将最大覆盖距离从2500米（同轴电缆）减小到250米（双绞线），τ减少到传统以太网的十分之一，保证最小帧长度和a不变。（2）编码技术：8B/6T三进制编码（3类UTP），4B/5BNRZI编码技术（5类UTP）3、1000BASE—X（P241）效率与最小帧长度的矛盾：载荷延伸技术——将最小帧长度提高到512字节，最大距离降到200米，保证a不变。帧串突发技术——为提高效率而允许不加填充地连续发送若干个短帧，总长度不超过1500字节。8B/10B编码技术5无线局域网1、组成结构（P58）2、802.11的物理层技术（P247）ISM——工业、科研、医学频段，2.4-2.4835GHz，自由使用，不需审批。红外（802.11）跳频扩频FHSS（802.11，1-2Mb/s）直接序列扩频DSSS（802.11）5G正交频分多路复用OFDM（802.11a，54Mb/s）高速直接序列扩频HR－DSSS（802.11b，11Mb/s）2.4G-OFDM（802.11g，54Mb/s）3、802.11的MAC子层技术特点（P249）（1）主要问题信号衰减——无法实施冲突检测隐蔽站问题——接收冲突暴露站问题——效率降低（注：由于半双工，因此事实上可以发送。）（2）混合可选的介质访问协议DCF（分布协调功能）——基于CSMA/CA的争用模式，应用于普通数据。PCF（点协调功能）——以DCF服务为基础，提供有控无冲突服务，用于实时数据。（3）DCF——基于RTS/CTS的CSMA/CA技术准面向连接的资源预约，不提供实时的流量、差错等控制。RTS冲突的随机退避等待可选的RTS/CTS协议完全不使用——传输的都是短帧完全使用——传输的都是长帧选择使用——长帧使用、短帧不用（4）虚拟载体侦听NAV（5）抗干扰——分片串技术（6）PCF——基于定期询问和优先级表决的机制（7）DCF/PCF模式的自动切换——基于多种幀间隔的优先级控制6无线城域网（802.16）1、与无线局域网的主要区别