第五章局域网技术

主要内容：

• 局域网体系结构
• 信道共享技术
• 以太网系列标准
• 无线局域网络

 

局域网的基本特征

不仅仅是地域范围小，而且主机数量不能太多（上千上万）因为共享信道（多用户竞争使用一条信道）

传输速率高

误码率低

基带传输（有线局域网，无线使用频带传输）

 

局域网的基本结构

拓扑结构

介质

 

IEEE802体系结构

 

相对于OSI参考模型，IEEE802体系结构数据链路层划分为两个子层

数据链路层划分子层的目的

将功能中与硬件相关的部分和与硬件无关的部分分开，降低实现的复杂度

LLC：与介质、拓扑无关

MAC：与介质、拓扑相关

逻辑链路控制子层对上层提供统一的访问接口，所以它只有一种。为上层屏蔽了各种MAC子层的不同实现，网络层不需要知道具体的MAC协议

因为市场上大部分局域网都是以太网协议的局域网所以对应的MAC协议只有802.3，所以LLC淡化甚至消失的原因

 

IEEE802网络体系各层功能

物理层功能

• 信号的编码/译码
• 前导码的生成/去除（准备发送数据前发送）
• 比特的发送/接收

数据链路层功能

• MAC子层功能：成帧/拆帧的实现、维护MAC协议，位差错检测，寻址
• LLC子层功能：向高层提供SAP，建立/释放逻辑连接（MAC子层无连接），差错控制，帧序号处理（按序处理，流量控制相关），提供某些网络层功能

5.2信道共享技术

计算机网络可以分为两类：

• 使用点到点连接的网络----广域网
• 使用广播信道（多路访问信道，随机访问信道）的网络----局域网

关键问题：解决信道争用

解决信道争用的协议称为介质访问控制协议MAC（Medium Access Control）是数据链路协议的一部分

信道的静态分配

频分多路复用FDM（波分复用WDM）

时分多路复用TDM

（与站点对应，不是和站点要发送的数据量对应，所以对信道的利用会有浪费)

信道的动态分配

局域网都采用动态分配策略，即根据当前对信道请求的情况动态协调各用户对信道的使用权

类别：

• 冲突协议（ALOHA，分时ALOHA）（事先协商,站点和信道协商，CSMA载波监听多路访问协议）
• 无冲突协议（预约控制协商，发送）

载波监听

站点在发送帧而访问传输信道之前，首先监听信道有无载波，若有载波，说明已有用户在使用，则不发送帧以避免冲突。

多录访问

多个用户共用一条信道

 三个变种

• 1-坚持性CSMA（1-persistent）
  要发送数据，先监听信道，若空闲，则发送；若信道忙，继续监听直到信道空闲，然后完成发送；若冲突，等待随机时间，重新开始发送过程
  优点：减少了信道空闲时间
  缺点：增加了发生冲突的概率
  广播延迟对协议性能的影响：广播延迟越大，发生冲突的可能性越大，协议性能越差。
• 非坚持型CSMA（nonpersitent）
  要发送数据先监听信道，若信道空闲，则发送；信道忙，等待一随机时间，重新开始发送过程；若冲突，等待随机时间，重新开始发送过程
  优点：减少冲突概率
  缺点：增加了信道空闲时间，数据发送延迟增大；
  信道效率比1-坚持CSMA高，传输延迟比1-坚持CSMA大
• p-坚持型CSMA（p-persistent）
  适用于分槽信道
  要发送数据，先监听信道，若空闲，则以概率p发送数据，以概率1-p延迟到下一个时槽发送；若下一个时槽仍空闲，重复此过程，直到数据发出或时槽被其他站点所占用；信道忙，等待下一个时槽，然后重新发送过程；若冲突，等待随机时间，然后重新开始发送过程；
  优点：减少冲突的概率 
  缺点：增加信道空闲时间，数据发送延迟增大

CSMA/CD工作过程

1. 站点使用CSMA协议进行数据发送
2. 发送期间检测到冲突，立即停止发送，并发出一个瞬间干扰信号，使所有的站点都知道发生了冲突
3. 在发出干扰信号后，等待一段随机时间（称为退避），再重复上述过程

 

无冲突协议（Collision-Free Protocol）

基本位图协议

工作原理：

共享信道上有N个站，竞争周期分为N个时槽，如果一个站有帧发送，则在对应的时槽内发送比特1；

N个时槽之后，每个站都知道哪个站要发送帧，这时按站序号发送。

 

预约+数据发送

如上固定序号预约各个站点时间上不公平序号越小越先发送，解决方法：序号不固定，每个周期改变序号

 

令牌协议

网络中流转着一个称谓“令牌Token”的帧，一个节点要发送数据必须首先截获令牌，由于网络中只有一个令牌，从而不会产生冲突。

 问题：令牌丢失，网路崩溃

所以：需要监督管理站，设置最长流转时间，超时后发出新的令牌

5.3传统以太网

使用的传输媒体

• 铜缆（粗缆或细缆）
• 铜线（双绞线）
• 光缆

 

 

网卡

网络接口板又称为通信适配器或网络接口卡NIC（Network Interface Card）或网卡

网卡功能

• 进行串行/并行转换（链路中一个位一个位得串行发送到计算机，计算机通过总线和内部存储及交互一次交互多个32位或64位）
• 对数据进行缓存
• 在计算机的操作系统安装设备驱动程序
• 实现以太网协议

 

网卡的地址

在局域网中，硬件地址又称为物理地址，或MAC地址，网卡地址

地址类型

单播（unicast）帧（一对一）

广播（broadcast）帧（一对全体）

多播（multicast）（一对多）

网卡的地址结构

 集线器

集线器是使用电子器件来模拟实际电缆线的工作，因此整个系统仍然像一个传统的以太网那样运行。

使用集线器的以太网在逻辑上仍是一个总线网，各工作站使用的还是CSMA/CD协议，并共享逻辑上的总线

及县级很像一个多端口转发器，工作在物理层

以太网最大作用距离

5-4-3

5：最多五段

4：四个转发器

3：最多三个网段（三段主机连接）

连接主机的段最大传输距离500m，没有连接的段可达750m，所以10M以太网最大作用距离为3000m 

争用期

最先发送数据帧的站，在发送数据帧后之多经过2τ （两倍的端到端往返时延）就可以知道发送的数据帧是否遭受了碰撞

以太网的端到端往返时延2τ称为争用期，或碰撞窗口

经过争用期这段时间还没有检测到碰撞，才能肯定这次发送会不会发生碰撞

 

以太网取51.2us为争用期的长度

对于10Mb/s以太网，在争用期内可发送512bit，即64字节

以太网在发送数据时，若前64字节没有发生冲突，则后续的数据就不会发生冲突。

 

二进制指数后退算法

发生第一次冲突后，各个站点等待0或1个时槽再开始重传

发生第二次冲突后，各个站点随机地选择等待0,1,2,或3个时槽再开始重传

第i次冲突后，在0至2ⁱ-1间随机地选择一个等待的时槽数，在开始重传

10次冲突后，选择等待的时槽数固定在0至2¹⁰ -1之间

16次冲突后，发送失败，报告上层

时间槽52.1us

最短帧长

如果发生冲突，就一定是在发送的前64字节之内

由于一检测到冲突就立即终止发送，这时已经发送出去的数据一定小于64字节

以太网规定了最短有效帧长64字节，凡长度小于64字节的帧都是由于冲突而异常终止的无效帧

避免某个冲突检测不到，收到小于64字节的帧一定是冲突的无效帧

冲突强化

控制意义

当发送数据的站一旦发现冲突，除了立即停止发送数据外，还要再继续发送若干比特的人为干扰信号（jamming signal），以便让所有用户都知道现在已经发生了冲突。

一次冲突所有参与的节点都会发送一次，至少两次

MAC帧格式

类型域：

• 802.3MAC帧表示后面负载数据长度
• 以太网MAC帧表示上层协议类型（可以是IP，IPX等多种上层协议类型），提供了协议单元复用能力
• 0800h（0x0800） 小的是长度，大的是类型

FCS：校验码 （CRC-32）

物理层插入8字节：前同步码（可能丢失少量同部位，不影响同步关系的创建）

 

无效MAC帧

• 数据字段的长度与长度字段不一致
• 帧的长度不是整数个字节
• 用收到的帧检验序列FCS查出有错误
• 数据字段的长度不在46~1500字节之间
• 有效的MAC帧长度为64~1518字节之间
• 对于检查出的无效MAC帧就只是简单的丢弃。以太网不负责重传丢弃的帧。

发送方不确定接收方的处理结果，接收方没有反馈，当然也没有重传，所以这里不是可靠传输。

帧间最小间隔

帧间最小间隔为9.6us，想当于96bit的发送时间

一个站在检测到总线开始空闲后，还要等待9.6us才能再次发送数据

目的：为了使刚刚收到数据帧的站的接受缓存来得及清理，做好接手下一个帧的准备（流量控制（发送方适应接收方的处理能力）目的）

 

网桥

工作在数据链路层的一种网络互连设备，它在互联的LAN（Local Area Network 局域网）之间实现帧的存储转发

根据MAC帧的目的地址对收到的帧进行转发

网桥有过滤的功能。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，然后再确定将帧转发到那一个端口

互联的局域网可以是异构（以太网，总线网，令牌环）的

优点：

• 过滤通信量
• 扩大物理范围（1.和中继器一样起到信号增强作用。2.中继器不能无限扩展局域网距离，因为它连接的还是一个CSMA/CD碰撞域，距离太长广播时延太大，冲突越多；网桥可以连接两个碰撞域这样可以扩大局域网；而且一个碰撞域的主机数量有限，所以网桥可以扩大容量）
• 提高可靠性（多个碰撞域不相互影响）
• 可互联不同的物理层、不同MAC子层和不同速率的局域网（2baseT,10baseT等）

缺点

• 存储转发增加了时延（完整接收，缓存，查找路由表，转发）
• 在MAC子层并没有流量控制（中继器互联的节点间收发速率相同，而网桥可以连接异构网络，如果发的快，收的慢就会出现流量控制问题）
• 具有不同MAC子层的网段桥接在一起时时延更大
• 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，否则有时会因为传播过多的广播信息而产生网络拥塞（广播风暴）

网桥和集线器区别

• 集线器在转发帧时，不对传输媒体进行检测
• 网桥在转发帧之前必须执行CSMA/CD算法
  若发送过程中出现碰撞，必须停止发送和进行退避
  在这一点上网桥的接口很想一个网卡。但网桥却没有网卡
• 由于网桥没有网卡，因此网桥并不改变它转发帧的源地址

透明网桥/生成网桥

• 网桥工作在混杂方式
• 网桥接收到一帧后，通过查询地址/端口对应表来确定是丢弃还是转发
• 网桥刚启动时，地址/端口对应表为空，采用洪泛法转发帧
• 在转发过程中采用逆向学习（通过源MAC地址和端口号学习）算法手机MAC地址。网桥通过分析帧的源MAC地址得到MAC地址与端口的对应关系，并写入地址/端口对应表
• 网桥软件对地址/端口对应表进行不断的更新，并定时检查，删除在一段时间内没有更新的地址/端口项

透明网桥的帧转发

• 目的LAN与源LAN相同，则丢弃帧
• 目的LAN与源LAN不同，则转发帧
• 目的LAN未知，则洪范帧
• 均执行逆向学习

网桥回路问题

多个网桥（并行网桥）可能产生回路

解决多个网桥产生回路的问题

思路：让网桥之间互相通信，用一棵连接每个LAN的生成树（Spanning Tree）覆盖实际的拓扑结构

构造生成树：

• 每个桥广播自己的桥编号，号最小的桥称为生成树的跟
• 每个网桥计算自己到根的最短路径，构造出生成树，使得每个LAN和桥到根的路径最短
• 当某个LAN或网桥方式故障时，重新计算生成树
• 生成树构造完后，算法继续执行以便自动发现拓扑结构变化，更新生成树
• 两个网桥会冲突检测，发送有先后顺序

源路由网桥

• 透明网桥容易安装，但网络资源的利用不充分
• 源路由（source route）网桥在发送帧时将详细的路由信息放在帧的首部中
• 源站以广播方式向欲通信的目的站发送一个发现帧，每个发现帧都记录所经过的路由
• 发现帧到达目的站时就沿着各自的路由返回源站。源站在得知这些路由后，从所有可能的路由中选择出一个最佳路由。凡从该源站向该目的站发送的帧的首部，都必须携带源站所确定的这一路由信息。

 

以太网交换机

通常都有多个端口，以太网交换机实质上就是一个多端口的网桥

特点：

• 以太网交换机的每个端口都直接与主机（同构主机）相连（区别网桥，网桥连接网段，可以异构网段），并且一般都工作在全双工方式
  （交换机连接同构主机可以使用特殊芯片完成交换，使得吞吐量提升；性能提升，速度快。网桥以软件形式实现，扩展性要强于交换机；目前以太网在局域网中的绝对地位，现实使用的都是同构网络所以我们通常一直说交换机而很少提及网桥）
• 交换机能同时连通许多对的端口，使每一对相互通信的主机都能像独占通信媒体那样，进行无碰撞地传输数据
• 以太网交换机由于使用了专用的交换结构芯片，其交换速率就较高
• 物理端口类型相同

 

全双工以太网

• 不在使用CSMA/CD
• 前提条件：
  发送和接收信道必须使用分离的网络介质
  任两个节点间须配备专门的链路
  网卡和交换机必须支持全双工方式
  
  
• 主要应用场合
  交换机到交换机的连接（干线通道），他们之间通常有较远的距离
  交换机到服务器的连接（收发同时进行，吞吐量是半双工的2倍，考虑半双工冲突的话甚至大于2倍；速率快；没有了CSMA/CD网络最大传播距离的限制；所以全双工只有信号衰减影响通道最大传输距离），以提高通往服务器链路的宽带
  长距离节点间的连接

高速以太网

速度达到或超过100Mb/s的以太网称为高速以太网

在双绞线上传送100Mb/s基带信号的星型拓扑（不再是总线型）以太网，仍使用IEEE802.3 CSMA/CD协议。100BASE-T以太网又称为快速以太网（Fast Ethernet）

 

100BaseT特点

MAC帧格式仍然是802.3标准规定的

保持最短帧长不变，但将一个网段的最大电缆长度减小到100m

帧时间间隔从原来的9.6us改为现在的0.96us（10M(传统以太网)到100M，相同物理介质下改变编码策略提高传输效率）

三种物理层类型

• 100BASE-TX  双绞线以太网
• 100BASE-FX  光纤以太网
• 100BASE-T4  3类线，质量差一点双绞线

直流信号衰减很大

没有同步信号的话连续的0或1接收方识别不出来（100个高电平可能识别为101或99个）

4B/5B编码避免了连续高电平、低电平的缺点：如将高低电平的1111 编码城11100 发送的位数变为原来的1.25倍

三类双绞线不能提供125MHz的速率所以不能使用4B/5B编码

100BASE-T4不具备全双工，双绞线中四对线发送用三对，接收用三对，只有1,4是相互独立的。

 

吉比特以太网（Gigabit Ethernet）

又称千兆比特以太网

支持全双工和半双工两种方式

使用802.3协议规定的帧格式

在半双工方式下使用CSMA/CD协议

与10BASE-T  100BASE-T技术向后兼容

物理层类型

• 1000BASE-X 基于光纤通道的物理层
  1000BASE-SX SX表示短波长
  1000BASE-LX LX 表示长波长
  1000BASE-CX CX表示铜线
• 1000BASE-T 使用4对5类UTP（无屏蔽双绞线）

 

 

 载波扩展

解决吉比特以太网发送速率太快，不能保持51.2um的信道占用时间，在发送帧小于512字节时在FCS（校验码）后面进行载波延伸

副作用：MAC层应该交付的最短帧长位64字节，现在需要另外扩展7倍，信道效率为1/8，若连续多个短帧，利用率会很低。可以通过帧突发避免。

帧突发

在发送帧的同时启动突发定时器

在定时器时间内短帧小于512字节不必进行再次载波扩展，搭到上一个载波扩展的便车上就行。载波扩展的帧最大长度不能超过1500字节。

帧突发解决了同一个发送节点的多个短帧，进行载波扩展带来的信道利用率低的问题。

5.6无线局域网

优点：

• 灵活性和移动性、安装便捷
• 易于进行网络规划和调整

支持拓扑

• 有中心拓扑：无固定基础设施（打电话需要基站）
• 无中心拓扑：有固定基础设施（蓝牙）

常见协议标准

• IEEE802.11系列协议(WIFI)
• 蓝牙规范
• HomeRF标准
• HyperLAN/2标准
• Zigbee标准

 

 如果底层的错误率较高，则在底层协议设计时需解决错误。否则可在上层协议中解决。