第4章 局域网-1

勘误表P143，自动协商的第一段最后一句之后添加“现在光纤媒体也采取类似的机制来支持自动协商”P158倒数第3行：原来不是转发状态的端口到在新的拓扑中要变为转发状态这段时间内可能会出现网络分割（替换为回路），原来属于转发状态的端口经过计算后发现不是转发状态，在这段重新计算的时间内可能出现路由回路（替换为分割）。P159第二段倒数2行：从监听变为学习状态以及从学习状态变为阻塞（替换为转发）状态的时间可以通过根桥发送的配置BPDU消息包含的转发延迟来设置P160倒数4行：下游节点发送回agreement之后通知选取端口直接从丢失（替换为丢弃）状态到转发状态14.1局域网概述按照网络覆盖地理范围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。途中通过中继交换节点相连局域网LAN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。传统局域网使用广播，后来引入交换技术个人区域网PAN覆盖10米左右的区域，连接便携和移动等消费和控制类电子设备城域网MAN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。1.局域网体系结构802.1:体系结构802.2:LLC802.3:Ethernet802.11:WLAN802.15:WPAN802.16:WMAN应用层表示层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IEEE802参考模型LLC服务访问点（SAP）IEEE802标准的范围信号编解码比特传输传输媒体和拓扑结构的说明为高层协议提供统一的接口，进行流量和差错控制帧同步和差错检测媒体访问大多数情况下，物理层中有一部分是和媒体无关的，负责信号编码，同步以及一些各物理媒体间通用的设计。另外一部分是与媒体相关的，成为媒体相关子层，包括对于特定媒体的电气和机械定义。在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。主要功能有：①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验等字段。②在接收时，将收到的帧解包，进行地址识别和差错检验。③管理和控制对于局域网媒体的访问。④为高层协议提供相应的接口即一个或多个服务访问点，并且进行流量和差错控制。2.逻辑链路控制LLCLLC层涉及到站点间的协议数据单元PDU的传输，无需中间节点的参与，基于HDLC协议•链路为共享媒体，支持多点访问。•LLC包括一些有关链路访问的内容，和MAC层一起规范链路访问。LLC为上层用户提供三种类型的服务以供选择无确认无连接服务：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服务支持单点、组播以及广播。有连接服务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。只支持单点传送，没有组广播和广播方式。有确认无连接服务提供数据报确认机制，在进行数据传输前无需建立逻辑连接。LLC为高层用户提供相应的机制来为每个站点编址，并且为两个用户间数据交换提供相应的控制。LLC的编码机制实际上就是标识原和目的的LLC用户。一般来说，LLC用户就是一个更高层协议或者站点的一个网络管理功能单元。从OSI模型角度看，LLC用户地址称为服务访问点SAP。SAP（ServiceAccessPoint）目的SAP和源SAP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。DSAPSSAPControlInfo8bit8bit8bit8比特的SAP字段有2位具有特殊的含义“组/个体”比特(最低位)用来标识该SAP指定了一组高层协议还是一个高层协议。“全局/本地”（Global/Local）比特：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。有效的SAP编号只有(6)位，全局的SAP编号(6位）非常有限可以使用本地分配的SAP编号，但这要求预先知道对方机器的SAP编号。全“1”的SAP是保留的，表示所有的SAP,类似于广播地址。全“0”的SAP保留用来表示数据链路层本身。SNAPSAPSNAPSAPDSAP和SSAP都被设为SNAP（值为0xAA），控制字段为0x03，这表明报头被扩展而包括了一个“协议类型”字段最早的协议类型字段为2个八位组IEEE802帧的报头包含了奇数(3)个八位组如果协议类型字段超过3个八位组，前面3个八位组可标识某网卡制造商，剩余的八位组则作为协议类型标准将协议类型字段设为5个八位组长（40比特）:24b的OUI和16b的Type网络链路包括两种类型：点对点链路和广播链路。点对点链路，链路的两端各有一个单一的发送者和接受者，不考虑流量影响的前提下，节点想要发送就可以发送。PPP和HDLC协议都是比较常用的点对点链路上的数据链路层协议。对于广播链路而言，多个发送和接收站点连接到同一个共享广播信道上，因为所有节点都可以发送帧，可能再某个时刻，同时有两个节点通过共享媒体发送。这样每个节点都会同时收到这两个帧，两个帧互相干扰，就会收不到实际的帧，产生冲突。3.媒体访问控制MAC媒体访问控制MAC协议决定广播链路中信道如何分配，常称为多路访问协议控制位置集中式：选择某个节点,它可以授权访问网络分布式：所有节点平等地参与决定传输顺序控制方式怎样控制对共享媒体的访问，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MAC分类：同步机制：信道分割协议，整个信道带宽被分割成许多部分，每一部分分配给某一个站点。比如频分多路FDMA时分多路TDMA码分多址CDMA异步机制：时间片轮转竞争预约时间片轮转：每个节点按照一定的逻辑顺序得到传输时间片站点的逻辑顺序的控制可采用集中式或分布式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。令牌传递采取分布式控制，一串特殊的比特流即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•令牌传递顺序•令牌持有时间•令牌维护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预约也可以是集中式或分布式的竞争：所有节点展开竞争以获取对共享媒体的访问权冲突检测可以检测出媒体上有多个传输同时进行载波监听：设备通过侦听媒体来避免冲突两者结合在一起就是带冲突检测的载波侦听多路访问(CSMA/CD)网卡网络适配器（Adapter）实现大部分的数据链路层协议，常被称为网卡或者网络接口卡NIC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节点总线接口链路接口网卡网络链路网卡除总线接口和链路接口外还包括缓冲区和实现数据链路层协议逻辑的芯片或者可编程硬件。网卡是一个半自治单元。局域网地址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以太网地址常以易于阅读的方式来表示，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。OrganizationallyUniqueIdentifierOrganizationallyUniqueAddressI/GU/L112224I/G位为1，表示组播地址U/L：全局还是本地管理地址方式.IEEE802标准中LAN地址采用最低位在前的顺序（即按照在链路上传输的顺序）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节点收到一个单播帧之后，进行过滤如果帧的目的地址和节点的LAN地址匹配，则从帧中截取数据然后传递给高层；如果不匹配，则丢弃该帧混杂模式：所有收到的帧都交给高层全球唯一标识这个字节中的最低位表示“组/个体”。如果为0，则地址是一个特定的节点。如果为1，表示一个组播地址。当厂商从全球机构获得地址块时,设为0。如果设为1，表示本地管理的，由网管人员进行地址分配，并确保没有地址冲突。对于组播帧，接口硬件怎样处理?理想情况下，接口硬件芯片知道它所感兴趣的所有地址但是很难选取一个可以记录的感兴趣的地址的最大个数•如果取得过大，芯片的造价就会太高；•如果过小，则当软件要求的地址数超过这个范围时，芯片就会变得无效很多芯片按下述规则来设计：地址中用一位来表示是组地址还是个体地址；站点告诉硬件它所感兴趣的个体地址；芯片把感兴趣的组地址分为若干个组，即采用hashbucket（哈希桶）的方式。如果站点想要接收一个特定的组地址，它必须选择该组播地址所散列变换到的bucket，然后，芯片将发送所有信宿地址散列变换进那个bucket的包。另外一种芯片设计提供了一些固定数目的确切地址（包括组地址和个体地址）；几个地址hashbucket，站点可以请求这些bucket的任何子集。4.2以太网访问控制4.2.1CSMA/CDALOHA：想说就说只要一个站点想要传输信息帧，立即发送信息帧。接收站点通过检查帧检验序列字段来决定帧是否完好无损。如果是合法帧，站点通过另外一个信道发出确认站点在发送帧后监听一段时间，如果在信息来回传播的最大延迟时间（两倍于相距最远的两个站点之间传递信息的时间）再加上一小段固定的时间内：如果收到了确认，则传输成功否则，发送站点等待一段随机的时间后重发信息帧。•太短：许多冲突•太长：信道利用率低如果重传多次仍得不到确认，放弃传输帧是世界上最早的无线电计算机通信网。它是1968年美国夏威夷大学的一项研究计划的名字。70年代初研制成功一种使用无线广播技术的分组交换计算机网络，也是最早最基本的无线数据通信协议。取名ALOHA，是夏威夷人表示致意的问候语，这项研究计划的目的是要解决夏威夷群岛之间的通信问题。Aloha网络可以使分散在各岛的多个用户通过无线电信道来使用中心计算机，从而实现一点到多点的数据通信。ALOHA性能：无限用户无限用户的ALOHA用户产生的新帧（固定长度）服从普阿松分布，平均每帧时产生S个新帧，显然吞吐率应该满足0S1吞吐率S（新注入网络中的负载）站点发送的帧（包括新帧和重传帧）也服从普阿松分布，平均每帧时发送G帧网络负载G（网络中传输的负载）归一化：帧时为1最大吞吐率为1在稳定状态下，吞吐率应该是负载G与传送成功的概率，即S＝GP0。其中P0是发送的帧不会发生冲突的概率。忽略传播延时的因素!][keGkPGk在稳定状态下，吞吐率应该是负载G与传送成功的概率，即S＝GP0。其中P0是发送的帧不会发生冲突的概率。忽略传播延时的因素时间冲突危险区t0+t与阴影帧的头部碰撞与阴影帧的尾部碰撞tt0+2tt0+3tt0两个帧时内产生的帧数平均为2G，在整个冲突危险区内无任何其他帧产生的概率GeP20G＝0.5时，S有最大值为1/2e≈0.184GGeS2!][keGkPGkALOHA性能：有限用户固定（有限）用户的ALOHAN个相同的用户每个用户在一个帧时内成功传输一帧的概率为S/N，总的吞吐率为S每个时槽一个用户产生的负载（包括新帧和重传帧）为G/N，总负载为G用户在给定时槽内成功发送一帧，相当于用户在冲突危险区内发送一帧并且其他用户都没有发送帧，因此)1N(2)NG1(*NGNS化简后满足：)1N(2)NG1(GSN趋于无穷大时，即无限用户环境下与前面的分析有同样的结论：GGeS2分槽ALOHA协议S-ALOH