第六章局域网与介质访问子层主要内容
6.1 局域网概述
6.2 局域网拓扑结构和传输介质
6.3 局域网技术
6.3.1 信道分配
6.3.2 多路访问协议
6.4 局域网的 IEEE 802系列标准
6.4.1 IEEE 802.3 和 Ethernet
6.4.2 IEEE 802.4,Token Bus 令牌总线
6.4.3 IEEE 802.5,Token Ring 令牌环
6.4.4 几种局域网的比较
6.4.5 逻辑链路控制 LLC
6.5 网桥技术
6.5.1 连接 802.X和 802.Y的网桥
6.5.2 透明网桥 /生成数网桥
6.5.3 源路由网桥
6.6 高速局域网技术
6.6.1 光纤分布式数据接口 FDDI
6.6.2 DPT (Dynamic Packet Transport)
6.6.3 快速以太网
6.6.4 千兆以太网
6.1 局域网概述
局域网产生的原因
- 80年代，微型机发展迅速，彼此需要相互通信（近距离），共享资源；
- 分布式的网络应用：分布式计算，分布式数据库
定义
- 局域网是一种将小区域内的各种通信设备互连在一起的通信网络。
局域网的基本特点
- 高数据传输率（ 10 ~ 1000 Mbps）
- 短距离（ 0.1 ~ 10 km）
- 低出错率（ 10-8 ~ 10-11）
局域网发展趋势
- 高速,10G Ethernet
- 移动，无线局域网 IEEE 802.11
6.2 局域网拓扑结构和传输介质
局域网拓扑结构
- 星型结构
- 环型结构
- 总线型结构
- 树型结构
传输介质
- 双绞线
- 基带同轴电缆
- 光纤
- 无线
Caption,A Proxim RangeLAN wireless local area network
interface card,Also shown is a table-top antenna which
attaches to the interface card,
Caption,An AirLAN wireless local area network interface
card,The white rectangular object is a wall or ceiling mount
antenna which attaches to the interface.
Caption,A RangeLAN wireless local area network PCMCIA
interface card,The black object attached to the left of the
card is its antenna,
Caption,A RangeLAN wireless PCMCIA network interface
card,Attached is its wireless tranceiver and antenna,
6.3 局域网技术（ 1）
6.3.1 信道分配
- 静态分配
频分多路复用 FDM（波分复用 WDM）
原理：将频带平均分配给每个要参与通信的用户；优点：适合于用户较少，数目基本固定，各用户的通信量都较大的情况；
缺点：无法灵活地适应站点数及其通信量的变化
。
时分多路复用 TDM
原理：每个用户拥有固定的信道传送时槽；
优点：适合于用户较少，数目基本固定，各用户的通信量都较大的情况；
缺点：无法灵活地适应站点数及其通信量的变化
。
6.3 局域网技术（ 3）
- 动态分配
信道分配模型的五个基本假设：
站点模型：每个站点是独立的，并以统计固定的速率产生帧，一帧产生后到被发送走之前，
站点被封锁；
单信道假设：所有的通信都是通过单一的信道来完成的，各个站点都可以从信道上收发信息；
冲突假设：若两帧同时发出，会相互重叠，结果使信号无法辨认，称为冲突。所有的站点都能检测到冲突，冲突帧必须重发；
连续时间和时间分槽（确定何时发送）；
载波监听和非载波监听（确定能否发送）。
6.3 局域网技术（ 4）
-随机接入：站点随机发送信息，通过一定的机制解决冲突。解决信道争用的协议称为介质访问控制协议 MAC（ Medium Access Control），是数据链路层协议的一部分。
-受控接入：轮询等
6.3.2.1 ALOHA协议
70年代,Norman Abramson设计了 ALOHA协议
-多用户共享单一信道，并由此产生冲突，这样的系统称为竞争系统；
- 目的：解决信道的动态分配，基本思想可用于任何无协调关系的用户争用单一共享信道使用权的系统；
- 分类：纯 ALOHA协议和分槽 ALOHA协议
纯 ALOHA协议
- 基本思想：用户有数据要发送时，可以直接发至信道；然后监听信道看是否产生冲突，若产生冲突，则等待一段 随机 的时间重发 ;
Fig,4-1
6.3 局域网技术（ 5）
- 信道效率
假设：帧长固定，无限个用户，按泊松分布产生新帧
，平均每个帧时（ frame time）产生 S帧（ 0 < S < 1
）；发生冲突重传，新旧帧共传 k次，遵从泊松分布
，平均每个帧时产生 G帧；
吞吐率 S = GP0,P0为发送一帧不受冲突影响的概率；
一个帧时内产生 k帧的概率,Pr[k] = Gke-G/k!，两个帧时平均产生 2G个帧，在冲突危险区内无其它帧产生的概率为,P0 = e-2G，所以 S = Ge-2G；
Fig,4-3
效率：信道利用率最高只有 18.4%.
6.3 局域网技术（ 6）
分槽 ALOHA协议
- 基本思想：把信道时间分成离散的时间槽，槽长为一个帧所需的发送时间。每个站点只能在时槽开始时才允许发送。其他过程与纯 ALOHA协议相同。比纯 ALOHA协议减少了冲突的可能。
- 信道效率
冲突危险区是纯 ALOHA的一半，所以 P0 = e-G
,S = Ge-G；
Fig,4-2
与纯 ALOHA协议相比，降低了产生冲突的概率，信道利用率最高为 36.8%。
Fig,4-3
6.3 局域网技术（ 7）
6.3.2.2 载波监听多路访问协议 CSMA（ Carrier Sense Multiple Access
Protocols）
载波监听（ Carrier Sense）
- 站点在为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信道，则不发送帧以避免冲突。
- 局域网是基带传输，但沿用此名称。
多路访问（ Multiple Access）
- 多个用户共用一条线路
1-坚持型 CSMA（ 1-persistent CSMA）
- 原理
若站点有数据发送，先监听信道；
若站点发现信道空闲，则发送；
若信道忙，则继续监听直至发现信道空闲，然后完成发送；
若产生冲突，等待一随机时间，然后重新开始发送过程。
6.3 局域网技术（ 8）
- 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（ nonpersistent CSMA）
- 原理
若站点有数据发送，先监听信道；
若站点发现信道空闲，则发送；
若信道忙，等待一随机时间，然后重新开始发送过程；
若产生冲突，等待一随机时间，然后重新开始发送过程。
- 优点：减少了冲突的概率；
- 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。
6.3 局域网技术（ 9）
p-坚持型 CSMA（ p-persistent CSMA）
- 适用于分槽信道
- 原理
若站点有数据发送，先监听信道；
若站点发现信道空闲，则以概率 p发送数据，以概率
q =1- p 延迟至下一个时槽发送。若下一个时槽仍空闲，重复此过程，直至数据发出或时槽被其他站点所占用；
若信道忙，则等待下一个时槽，重新开始发送；
若产生冲突，等待一随机时间，然后重新开始发送
。
五种多路访问协议性能比较
- Fig,4-4
6.3 局域网技术（ 10）
6.3.2.3 带冲突检测的载波监听多路访问协议
CSMA/CD
引入原因
- 当两个帧发生冲突时，两个被损坏帧继续传送毫无意义
，而且信道无法被其他站点使用，对于有限的信道来讲
，这是很大的浪费。如果站点边发送边监听，并在监听到冲突之后立即停止发送，可以提高信道的利用率，因 此产生了 CSMA/CD
原理
- 站点使用 CSMA协议进行数据发送；
- 在发送期间如果检测到冲突，立即终止发送，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；
- 在发出干扰信号后，等待一段随机时间，再重复上述过程。
6.3 局域网技术（ 11）
工作状态
- 传输周期
- 竞争周期
- 空闲周期
冲突的检测
- 一个站点确定发生冲突要花多少时间？
最坏情况下,2倍电缆传输时间
6.3 局域网技术（ 12）
6.3.2.4 无冲突协议（ Collision-Free Protocols）
基本位图协议（ A Bit-Map Protocol）
- 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。
6.3 局域网技术（ 13）
- 象这样在实际发送信息前先广播发送请求的协议称为 预留协议 （ reservation protocol）
- 效率
轻负载下，效率为 d / (N + d)，数据帧由 d个时间单位组成；
重负载下，效率为 d / (d + 1)。
- 缺点
与站序号有关的不平等性，序号大的站得到的服务好（序号大的时延小）；
每个站都有 1 比特的开销。
6.3 局域网技术（ 14）
二进制倒数法
（ Binary Countdown）
- 工作原理
所有站的地址用等长二进制位串表示，若要占用信道，
则广播该位串；
不同站发的地址中的位做“
或”操作，一旦某站了解到比本站地址高位更高的位置被置为,1”，便放弃发送请求。
- 效率
d / (d + log2N)
6.3 局域网技术（ 15）
6.3.2.5 有限竞争协议（ Limited-Contention Protocols）
占用信道的策略
- 竞争方法
例,CSMA；
轻负载下，发送延迟小；重负载下，信道效率低。
- 无冲突方法
例，基本位图法；
轻负载下，发送延迟大；重负载下，信道效率高。
- 有限竞争方法
结合以上两种方法，轻负载下使用竞争，重负载下使用无冲突 方法。
Fig,4-8，减少竞争的站的数目可以增加获取信道的概率；
基本思路：将站分组，组内竞争；
问题：如何分组？
6.3 局域网技术（ 16）
适应树搜索协议（ The Adaptive Tree Walk
Protocol）
- 工作原理
站点组织成二叉树；
一次成功传输之后，第 0槽全部站可竞争信道，只有一个站要使用信道则发送；有冲突则在第 1槽内半数站（ 2以下站）参与竞争。
如其中之一获得信道，本帧后的时槽留给 3
以下的站；如发生冲突，继续折半搜索。
- 当系统负载很重时，从根结点开始竞争发生冲突的概率非常大。为提高效率，可以从中间结点开始竞争。问题：搜索应该从树的哪一级开始？
6.3 局域网技术（ 17）
6.3.2.6 无线局域网协议
无线局域网产生背景
- 笔记本电脑的普及促进了无线局域网的发展
- portable ≠ mobile
- 要做到真正的移动，需要使用无线信号进行通信。
无线局域网的特点
- 基于蜂窝（ cell）的通信
- 每个蜂窝内只有一个信道（与蜂窝电话不同）
- 一个站点发送的信号，只能被它周围一定范围内的站点接收到
- 短距离传输
6.3 局域网技术（ 18）
无线局域网与有线局域网不同，具有
- 隐藏站点问题（ hidden station problem）
由于站点距离竞争者太远，从而不能发现潜在介质竞争者的问题称为隐藏站点问题。
Fig,4-11(a),A向 B发送数据的过程中,C由于收不到 A
的数据，也可以向 B发送数据，导致 B接收发生冲突。
- 暴露站点问题（ exposed station problem）
由于非竞争者距离发送站点太近，从而导致介质非竞争者不能发送数据的问题称为暴露站点问题。
Fig,4-11(b),B向 A发送数据，被 C监听到，导致 C不能向 D发送数据。
6.3 局域网技术（ 19）
传统的 CSMA协议不适合于无线局域网，需要特殊的
MAC子层协议
- CSMA
在电缆上，信号传播给所有站点
CSMA只判断本发送站点是否有活跃发送站点
冲突被发送站点发现
某一时刻，信道上只能有一个有效数据帧
- 无线局域网
信号只能被发送站点周围一定范围内的站点接收
MAC子层协议需要尽量保证接收站点周围一定范围内只有一个发送站点。
冲突被接收站点发现
某一时刻，信道上可以有多可有效数据帧
6.3 局域网技术（ 20）
MACA（ Multiple Access with Collision Avoidance）
- 是 IEEE 802.11无线局域网标准的基础
- 基本思想：发送站点刺激接收站点发送应答短帧，从而使得接收站点周围的站点监听到该帧，并在一定时间内避免发送数据
- 基本过程
A向 B发送 RTS（ Request To Send）帧,A周围的站点在一定时间内不发送数据，以保证 CTS帧返回给 A；
B向 A回答 CTS（ Clear To Send）帧,B周围的站点在一定时间内不发送数据，以保证 A发送完数据；
A开始发送
若发生冲突，采用二进制指数后退算法等待随机时间，再重新开始。
6.3 局域网技术（ 21）
MACAW
- 对 MACA协议做了改进，提高了性能
- 主要改进
对每个成功传输的数据帧，都要产生确认帧
增加了（发送站点的）载波监听（解决 RTS
冲突）
发生冲突后，针对每个数据流（相同源和目的地址）执行后退算法，而不是针对每个站点
发生拥塞时，站点间交互信息小结
关键问题：在 MAC子层，如何解决多个站点争用共享信道？
信道分配方式：静态（ FDM,WDM,TDM）,动态
多路访问协议
- ALOHA：纯 ALOHA、分槽 ALOHA，（冲突危险区）
- CAMA,1-坚持型 CSMA、非坚持型 CSMA,p-坚持型
CSMA（分槽协议）
- CSMA/CD
无冲突协议、有限竞争协议
无线局域网协议
6.4 局域网的 IEEE 802系列标准（ 1）
IEEE 802协议
- IEEE 802系列标准定义了若干种 LAN，包括对物理层,MAC子层的定义和描述。它的组成如下：
802.1 基本介绍和接口原语定义
802.2 逻辑链路控制（ LLC）子层
802.3 采用 CSMA/CD技术的局域网
802.4 采用令牌总线（ Token Bus）技术的局域网
802.5 采用令牌环（ Token Ring）技术的局域网
6.4 局域网的 IEEE 802系列标准（ 2）
802标准在网络体系结构中的位置
6.4 局域网的 IEEE 802系列标准（ 3）
IEEE 802 family
6.4 局域网的 IEEE 802系列标准（ 4）
6.4 局域网的 IEEE 802系列标准（ 5）
LAN的参考模型
- 逻辑链路控制子层 LLC（ Logical Link Control）
引入 LLC子层的原因：
MAC子层只提供尽力而为的数据报服务，不提供确认机制和流量控制（滑动窗口）,有些情况下，这种服务足够，如支持 IP协议；当需要 确认 和流控的时候，这种服务就不能满足，需要 LLC。
LLC子层提供确认机制和流量控制；
LLC隐藏了不同 802MAC子层的差异，为网络层提供单一的格式和接口；
LLC提供三种服务选项：
unreliable datagram service,
acknowledged datagram service,
reliable connection-oriented service.
LLC帧头基于 HDLC协议
Fig,4-33
6.4 局域网的 IEEE 802系列标准（ 3）
- 介质访问控制子层 MAC（ Medium Access Control）
Data encapsulation (transmit and receive)
Framing (frame boundary delimitation,frame
synchronization)
Addressing (handling of source and destination
addresses)
Error detection (detection of physical medium
transmission errors)
Media Access Management
Medium allocation (collision avoidance)
Contention resolution (collision handling)
分成两个子层的原因
- 管理多点访问信道的逻辑不同于传统的数据链路控制；
- 对于同一个 LLC，可以提供多个 MAC选择
6.4 局域网的 IEEE 802系列标准（ 4）
6.4.1 IEEE 802.3 和 Ethernet
历史
- ALOHA系统
- ALOHA + 载波监听
- Xerox 设计了 2.94Mbps的采用 CSMA/CD协议的 Ethernet
- Xerox,DEC,Intel共同制定了 10Mbps的 CSMA/CD以太网标准
- IEEE定义了采用 1-坚持型 CSMA/CD技术的 802.3局域网标准
，速率从 1M到 10Mbps,802.3标准与以太网协议略有差别。
802.3采用的电缆标准
6.4 局域网的 IEEE 802系列标准（ 5）
6.4 局域网的 IEEE 802系列标准（ 6）
- 收发器（ transceiver）：处理载波监听和冲突检测
Fig,4-18
布线拓扑结构
- 总线形，树形
- Fig,4-19
扩展网段长度
- 中继器：物理层设备，只对信号进行接收、放大和双向重传；
- 两个收发器之间最多使用 4个中继器，最长 2500米。
802.3的信号编码
- 由于曼彻斯特编码的简单，所有的 802.3基带系统都使用曼彻斯特编码。
Caption,Illustration of
computers in eight offices
wired with (a) thick,(b)
thin,and (c) 10Base-T
(twisted pair) Ethernet,
Wires can run above the
ceiling or under a raised
floor,A wiring closet may
contain a hub or equipment
used for network
monitoring,control,or
debugging.
Caption,10Base-T hub,with 10Base-T cables connecting
computers to the hub,
6.4 局域网的 IEEE 802系列标准（ 7）
6.4 局域网的 IEEE 802系列标准（ 9）
最短帧长
- 避免帧的第一个比特到达电缆的远端前帧已经发完，帧发送时间应该大于 2?；
- 10Mbps LAN，最大冲突检测时间为 51.2微秒，最短帧长为 64字节；
- 网络速度提高，最短帧长也应该增大或者站点间的距离要减小。
- 帧间最短间隔,9.6微秒
6.4 局域网的 IEEE 802系列标准（ 10）
二进制指数后退算法（ binary exponential backoff
）
- 算法
将冲突发生后的时间划分为长度为 51.2微秒的时槽
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，再开始重传；
10次冲突后，选择等待的时槽数固定在 0至 210-1间；
16次冲突后，发送失败，报告上层。
6.4 局域网的 IEEE 802系列标准（ 11）
交换式 802.3 LAN
- 目的：减少冲突；
- 两种实现方法
一个卡内是一个 802.3LAN，构成自己的冲突域，卡间并行；
使用端口缓存，无冲突发生。
6.4 局域网的 IEEE 802系列标准（ 12）
6.4 局域网的 IEEE 802系列标准（ 13）
6.4.2 IEEE 802.4：令牌总线 Token Bus（自学）
6.4.3 IEEE 802.5：令牌环 Token Ring
技术产生原因
- 环实际上并不是一个广播介质，而是不同的点到点链路组成的环，点到点链路有很多技术优势；
- 各个站点是公平的，获得信道的时间有上限，避免冲突发生；
- IBM选择 Token Ring作为它的 LAN技术。
基本思想
- 环网设计分析的一个主要问题是 1 比特的“物理长度”，数据传输速率为 R Mbps，典型信号传播速率为 200米 /微秒，则 1 比特的“物理长度”为 200/R米 ；
- 环接口引入了 1比特的传输延迟；
- Fig,4-28
6.4 局域网的 IEEE 802系列标准（ 14）
- 令牌（ Token）是一种特殊的比特组合模式，一个站要发送帧时，需要抓住令牌，并将其移出环；
- 环本身必须有足够的时延容纳一个完整的令牌，时延由两部分组成：每站的 1比特延迟和信号传播延迟。对于短环，必要时需要插入人工延迟；
- 环接口有两种操作模式：监听模式和传输模式。
- 当一个站点有数据发送时，在令牌通过此站点时，将令牌从环上取下，发送自己的数据，然后重新生成令牌，
发送站负责将发出的帧从环上移去，并转入监听模式。
- 确认：帧内一个比特域，初值为 0，目的站收到后，将其变为 1；对广播的确认比较复杂；
- 重负载下，效率接近 100%。
6.4 局域网的 IEEE 802系列标准（ 15）
802.5的布线
- 屏蔽双绞线，速率为 1/4/16M，采用差分曼彻斯特编码传输；
- 为解决环断裂导致整个环无法工作的问题，使用线路中心（
Wire Center）进行布线，线路中心设有旁路中继器。
Fig,4-29
令牌环 MAC子层协议
6.4 局域网的 IEEE 802系列标准（ 16）
- 协议基本操作：无信息传输时,3字节的令牌在环上循环；有信息要发送时，站获得令牌，并将第二个字节的某一位由 0 变成 1
，将令牌的前两个字节变成帧的起始序列，然后输出帧的其它部分；
- 开始定界符 SD和结束定界符 ED标志着帧的开始和结束，使用差分曼彻斯特编码模式（ HH和 LL，物理层编码违例法）；
- 访问控制域 AC 包括令牌位、监视位、优先级位和保留位；
- 帧控制域 FC 用于将数据帧和控制帧区别开来和进行环的维护；
帧状态字节 FS用于报告帧的传送情况，包括地址位 A和拷贝位 C
，帧经过目的站,A置为,1”，帧被接收,C置为,1”。 A,C位提供了自动确认。为增加可靠性,A,C在 FS中出现两次。
A = 0,C = 0，目的站不存在或未加电；
A = 1,C = 0，目的站存在但帧未被接收；
A = 1,C = 1，目的站存在且帧被复制。
6.4 局域网的 IEEE 802系列标准（ 17）
- 令牌持有时间（ token-holding time），一般为 10毫秒；
- 提供优先级控制：访问控制域中的优先级位给出令牌的优先级，只有当要发送的帧的优先级大于等于令牌的优先级时才能获得令牌，站还可以预约某个优先级的令牌
。
环的维护
- 环上存在一个监控站，负责环的维护，通过站的竞争产生；
- 监控站的职责
保证令牌不丢失；
处理环断开情况；
清除坏帧，检查无主帧。
6.4 局域网的 IEEE 802系列标准（ 18）
6.4.4 三种局域网的比较
802.3
- 优点
使用最为广泛；
算法简单；
站点可以在网络运行中安装；
使用无源电缆；
轻负载时，延迟为 0。
- 缺点
使用模拟器件，每个站点在发送的同时要检测冲突；
最短帧长 64字节，对于短数据来讲开销太大；
无优先级，发送是非确定性的，不适合于实时工作；
电缆最长 2500米（使用中继器）；
6.4 局域网的 IEEE 802系列标准（ 19）
速率提高时，帧传输时间减少，竞争时间不变（ 2?）,效率降低；
重负载时，冲突严重。
802.4
- 优点
发送具有确定性，支持优先级，可处理短帧；
使用宽带电缆，支持多信道；
重负载时，吞吐量和效率较高。
- 缺点,
使用大量的模拟装置；
协议复杂；
轻负载时，延迟大；
很难用光纤实现。
6.4 局域网的 IEEE 802系列标准（ 20）
802.5
- 优点
使用点到点连接，完全数字化；
使用线路中心，自动检测和消除电缆故障；
支持优先级，允许短帧，但受令牌持有时间限制，
不允许任意长的帧；
重负载时，吞吐量和效率较高。
- 缺点
中央监控；
轻负载时，延迟大。
无线局域网（ 802.11)
6.6 高速局域网技术（ 1）
6.6.1 光纤分布式数据接口 FDDI（ Fiber Distributed Data
Interface）
特征
- 使用多模光纤作为传输介质
- MAC协议与 Token Ring 类似
- 100M的速率
- 采用 4B5B编码方法
32中组合中的 16种表示数据,3种表示定界符,2种表示控制,3种表示硬件信号,8种保留。
- 最大距离 200公里
- 最多 1000个站点
- 通常作为连接 LAN的主干网络
Fig,4-44
6.6 高速局域网技术（ 2）
- FDDI的双环操作
Fig,4-45
- FDDI定义了两类站,A类站连接双环,B类站连接单环。
- 为提高信道利用率，站点发完数据后立即产生新令牌，
环上可能同时存在多个帧；
- 帧格式
Caption,The back of two FDDI concentrators (hubs) (see
photo img4_013),The top concentrator has 10 ports while
the bottom one has 20.
Caption,The front of two FDDI concentrators (hubs),The
top concentrator has 10 ports while the bottom one has 20,
6.5 高速局域网技术（ 5）
6.5.3 快速以太网（ Fast Ethernet）
标准
- 1995年,IEEE通过 802.3u标准，实际上是 802.3的一个补充。原有的帧格式、接口、规程不变，只是将比特时间从 100ns缩短为 10ns。
对 10 Mbps 802.3 LAN的改进
- 一种方法是改进 10Base-5 或 10Base-2，采用 CSMA/CD
，最大电缆长度减为 1/10，未被采纳；
- 另一种方法是改进 10Base-T，使用 HUB，被采纳。
6.5 高速局域网技术（ 6）
100Base-T4
- 使用 4对 ISO/IEC 11801定义的 3,4,5类平衡双绞线 ;
- 3类非屏蔽双绞线（ UTP）,使用 25MHz的信号（
802.3使用 20MHz的信号，由于使用 Manchester编码，
波特率 =2*比特率）；
- 4对双绞线,1对 to the hub,1对 from the hub，另外 2
对根据数据传输方向变换；
- 8B6T（ 8 bits map to 6 trits）编码，使用三进制信号（
ternary signals）,1对双绞线的比特率为 25 * 8/6 =
33.3 Mbps，正向 100M，反向 33.3M；
- Figure
6.5 高速局域网技术（ 7）
100Base-TX
- 使用 2对 5类平衡双绞线或 150?屏蔽平衡电缆,1对 to the hub
,1对 from the hub，全双工；
- 5类双绞线使用 125 MHz的信号；
- 4B5B编码,5个时钟周期发送 4个比特，物理层与 FDDI
兼容，比特率为 125 * 4/5 = 100 Mbps；
100Base-FX
- 使用 2根多模光纤，全双工
100Base-T4 和 100Base-TX 统称 100Base-T
两种类型的 HUB
- 共享式 HUB，一个冲突域，工作方式与 802.3相同,CSMA/CD
，二进制指数后退算法，半双工 …
- 交换式 HUB，输入 帧被缓存，一个端口构成一个冲突域。
6.5 高速局域网技术（ 8）
6.5.4 千兆以太网（ Gigabit Ethernet）
标准,802.3z
Gigabit Ethernet 使用扩展的 802.3 MAC 子层接口，通过 GMII（ Gigabit Media Independent
Interface） 与物理层相连；
物理层实体,1000BASE-LX,1000BASE-SX,
1000BASE-CX,1000BASE-T.
- Figure
1000BASE-X（包括 1000BASE-SX,1000BASE-
LX,和 1000BASE-CX）物理层标准符合 ANSI
X3.230-1994 (Fibre Channel) FC-0 和 FC-1，采用 8B/10B编码； 1000BASE-T 采用 4B/5B编码；
6.5 高速局域网技术（ 9）
在一个冲突域内，只允许一个 repeater
帧格式
- Figure
Appends extension bits to the first (or only) frame
of a burst if it is less than slotTime bits in length
when in half duplex mode.
10G以太网网 卡组件
6.5 网桥技术（ 1）
定义：网桥（ bridge）是工作在数据链路层的一种网络互连设备，它在互连的 LAN之间实现帧的存储和转发。
为什么使用桥？
- 学校和企业的各个部门分别拥有自己独立管理的 LAN，为了进行交互，需要使用桥来实现互连；
- 一个企业分布在相隔很远的不同建筑物内，在每个建筑物内组建单独的 LAN，并使用桥将这些 LAN连接起来，是比较经济的方案；
Caption,A bridge
connecting LAN
segments in two
buildings,An optical
fiber is used to
connect the bridge
to a remote LAN
segment.
6.5 网桥技术（ 2）
- 将一个负载很重的大 LAN分隔成使用网桥互连的几个
LAN以减轻负担；
- LAN上的两台机器其距离超过 2500米，必须使用网桥将这个 LAN 分隔以保证网络的正常工作；
- 网桥可以互连不同类型的 LAN；
- 网桥可以隔离负载，防止出故障的站点损害全网；
- 网桥可以有助于安全保密。
6.5 网桥技术（ 3）
Caption,A bridge using a
leased satellite channel to
connect LAN segments at
two sites,A satellite bridge
can span arbitrary
distance.
6.5 网桥技术（ 4）
网桥的工作原理
- 连接 k个不同 LAN的网桥具有 k个 MAC子层和 k
个物理层。
6.5 网桥技术（ 5）
6.5.1 连接 802.X和 802.Y的网桥
互连时需要解决的相同问题
- 不同 LAN帧格式的转换；
Fig,4-36
- 不同的 LAN速率不同，网桥要有缓存能力；
- 高层协议的计时器设置；
- 不同的 LAN支持的最大帧长度不同，分别为
1500,8191,5000。解决办法：丢弃无法转发的帧。
三种不同的 LAN互连共有九种组合
- Fig,4-37
- 动作
格式转换和重新计算校验和
变换位的顺序
6.5 网桥技术（ 7）
6.5.2 透明网桥 /生成树网桥
工作原理：
- 网桥工作在混杂（ promiscuous）方式，接收所有的帧；
- 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（ flooding）方法转发帧；
- 在转发过程中采用 逆向学习 （ backward
learning）算法收集 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；
6.5 网桥技术（ 8）
- 帧的路由过程
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，则洪泛帧，并逆向学习。
多个网桥（并行网桥）可能产生回路
- Fig,4-39
解决多个网桥产生回路的问题
- 思想
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。
Fig,4-40
6.5 网桥技术（ 9）
- 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根；
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或网桥发生故障时，要重新计算生成树；
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。
6.5 网桥技术（ 10）
6.4.3 源路由网桥
CSMA/CD和 Token Bus选择了透明网桥,Token Ring选择了源路由网桥
源路由网桥的原理
- 帧的发送者知道目的主机是否在自己的 LAN内；
- 如果不在，在发出的帧头内构造一个准确的路由序列，包含要经 过的网桥,LAN的编号。并将发出的帧的源地址的最高位置 1；
例：图中 A到 D的路由为：（ L1,B1,L2,B2,L3）
- 每个 LAN有一个 12位的编号，每个网桥有一个 4位的编号；
- 网桥只接收源地址的最高位为 1的帧，判定是转发还是丢弃；
6.5 网桥技术（ 11）
- 源路由的产生：每个站点通过广播“发现帧”（ discovery frame）来获得到各个站点的最佳路由。
若目的地址未知，源站发送“发现帧”，每个网桥收到后广播，目的站收到后发应答帧，该帧经过网桥时被加上网桥的标识，源站收到后就知道了到目的站的最佳路由。
优点
- 对带宽进行最优的使用。
缺点
- 网桥的插入对于网络是不透明的，需要人工干预。站点 要知道网络的拓扑结构。
802网桥的比较
- Fig,4-42
VLAN
IEEE802.1Q的定义：一些局域网网段构成的与物理位置无关的逻辑组，而这些网段具有某些共同的需要。每一个 VLAN的帧都有一个明确的标识符
，指明计算机属于哪一个 VLAN。
标识符,IEEE802.3ac对以太网的帧进行了扩展，
在帧结构中插入 4字节的标识符。
Caption,The front of a
Proxim wireless
bridge,This device
bridges a wireless
Proxim local area
network with a
standard Ethernet
network,
Caption,The back of a Proxim wireless bridge,On the left
is an antenna,On the right is an RJ-45 Ethernet jack,To
the left of that is a thin Ethernet BNC connector.
Caption,The concept underlying a switched LAN,
Electronic circuits in the switch provide each computer with
the illusion of a separate LAN segment connected to other
segments by bridges.
Caption,A closeup of two 3Com 24 port Ethernet switches,a Fore
ForeRunner ASX-200 ATM switch with both twisted pair copper and
fiber optic connections,and a Fore ForeRunner LE155 ATM switch
with 12 twisted pair 155 megabit connections
6.1 局域网概述
6.2 局域网拓扑结构和传输介质
6.3 局域网技术
6.3.1 信道分配
6.3.2 多路访问协议
6.4 局域网的 IEEE 802系列标准
6.4.1 IEEE 802.3 和 Ethernet
6.4.2 IEEE 802.4,Token Bus 令牌总线
6.4.3 IEEE 802.5,Token Ring 令牌环
6.4.4 几种局域网的比较
6.4.5 逻辑链路控制 LLC
6.5 网桥技术
6.5.1 连接 802.X和 802.Y的网桥
6.5.2 透明网桥 /生成数网桥
6.5.3 源路由网桥
6.6 高速局域网技术
6.6.1 光纤分布式数据接口 FDDI
6.6.2 DPT (Dynamic Packet Transport)
6.6.3 快速以太网
6.6.4 千兆以太网
6.1 局域网概述
局域网产生的原因
- 80年代，微型机发展迅速，彼此需要相互通信（近距离），共享资源；
- 分布式的网络应用：分布式计算，分布式数据库
定义
- 局域网是一种将小区域内的各种通信设备互连在一起的通信网络。
局域网的基本特点
- 高数据传输率（ 10 ~ 1000 Mbps）
- 短距离（ 0.1 ~ 10 km）
- 低出错率（ 10-8 ~ 10-11）
局域网发展趋势
- 高速,10G Ethernet
- 移动，无线局域网 IEEE 802.11
6.2 局域网拓扑结构和传输介质
局域网拓扑结构
- 星型结构
- 环型结构
- 总线型结构
- 树型结构
传输介质
- 双绞线
- 基带同轴电缆
- 光纤
- 无线
Caption,A Proxim RangeLAN wireless local area network
interface card,Also shown is a table-top antenna which
attaches to the interface card,
Caption,An AirLAN wireless local area network interface
card,The white rectangular object is a wall or ceiling mount
antenna which attaches to the interface.
Caption,A RangeLAN wireless local area network PCMCIA
interface card,The black object attached to the left of the
card is its antenna,
Caption,A RangeLAN wireless PCMCIA network interface
card,Attached is its wireless tranceiver and antenna,
6.3 局域网技术（ 1）
6.3.1 信道分配
- 静态分配
频分多路复用 FDM（波分复用 WDM）
原理：将频带平均分配给每个要参与通信的用户；优点：适合于用户较少，数目基本固定，各用户的通信量都较大的情况；
缺点：无法灵活地适应站点数及其通信量的变化
。
时分多路复用 TDM
原理：每个用户拥有固定的信道传送时槽；
优点：适合于用户较少，数目基本固定，各用户的通信量都较大的情况；
缺点：无法灵活地适应站点数及其通信量的变化
。
6.3 局域网技术（ 3）
- 动态分配
信道分配模型的五个基本假设：
站点模型：每个站点是独立的，并以统计固定的速率产生帧，一帧产生后到被发送走之前，
站点被封锁；
单信道假设：所有的通信都是通过单一的信道来完成的，各个站点都可以从信道上收发信息；
冲突假设：若两帧同时发出，会相互重叠，结果使信号无法辨认，称为冲突。所有的站点都能检测到冲突，冲突帧必须重发；
连续时间和时间分槽（确定何时发送）；
载波监听和非载波监听（确定能否发送）。
6.3 局域网技术（ 4）
-随机接入：站点随机发送信息，通过一定的机制解决冲突。解决信道争用的协议称为介质访问控制协议 MAC（ Medium Access Control），是数据链路层协议的一部分。
-受控接入：轮询等
6.3.2.1 ALOHA协议
70年代,Norman Abramson设计了 ALOHA协议
-多用户共享单一信道，并由此产生冲突，这样的系统称为竞争系统；
- 目的：解决信道的动态分配，基本思想可用于任何无协调关系的用户争用单一共享信道使用权的系统；
- 分类：纯 ALOHA协议和分槽 ALOHA协议
纯 ALOHA协议
- 基本思想：用户有数据要发送时，可以直接发至信道；然后监听信道看是否产生冲突，若产生冲突，则等待一段 随机 的时间重发 ;
Fig,4-1
6.3 局域网技术（ 5）
- 信道效率
假设：帧长固定，无限个用户，按泊松分布产生新帧
，平均每个帧时（ frame time）产生 S帧（ 0 < S < 1
）；发生冲突重传，新旧帧共传 k次，遵从泊松分布
，平均每个帧时产生 G帧；
吞吐率 S = GP0,P0为发送一帧不受冲突影响的概率；
一个帧时内产生 k帧的概率,Pr[k] = Gke-G/k!，两个帧时平均产生 2G个帧，在冲突危险区内无其它帧产生的概率为,P0 = e-2G，所以 S = Ge-2G；
Fig,4-3
效率：信道利用率最高只有 18.4%.
6.3 局域网技术（ 6）
分槽 ALOHA协议
- 基本思想：把信道时间分成离散的时间槽，槽长为一个帧所需的发送时间。每个站点只能在时槽开始时才允许发送。其他过程与纯 ALOHA协议相同。比纯 ALOHA协议减少了冲突的可能。
- 信道效率
冲突危险区是纯 ALOHA的一半，所以 P0 = e-G
,S = Ge-G；
Fig,4-2
与纯 ALOHA协议相比，降低了产生冲突的概率，信道利用率最高为 36.8%。
Fig,4-3
6.3 局域网技术（ 7）
6.3.2.2 载波监听多路访问协议 CSMA（ Carrier Sense Multiple Access
Protocols）
载波监听（ Carrier Sense）
- 站点在为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信道，则不发送帧以避免冲突。
- 局域网是基带传输，但沿用此名称。
多路访问（ Multiple Access）
- 多个用户共用一条线路
1-坚持型 CSMA（ 1-persistent CSMA）
- 原理
若站点有数据发送，先监听信道；
若站点发现信道空闲，则发送；
若信道忙，则继续监听直至发现信道空闲，然后完成发送；
若产生冲突，等待一随机时间，然后重新开始发送过程。
6.3 局域网技术（ 8）
- 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（ nonpersistent CSMA）
- 原理
若站点有数据发送，先监听信道；
若站点发现信道空闲，则发送；
若信道忙，等待一随机时间，然后重新开始发送过程；
若产生冲突，等待一随机时间，然后重新开始发送过程。
- 优点：减少了冲突的概率；
- 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。
6.3 局域网技术（ 9）
p-坚持型 CSMA（ p-persistent CSMA）
- 适用于分槽信道
- 原理
若站点有数据发送，先监听信道；
若站点发现信道空闲，则以概率 p发送数据，以概率
q =1- p 延迟至下一个时槽发送。若下一个时槽仍空闲，重复此过程，直至数据发出或时槽被其他站点所占用；
若信道忙，则等待下一个时槽，重新开始发送；
若产生冲突，等待一随机时间，然后重新开始发送
。
五种多路访问协议性能比较
- Fig,4-4
6.3 局域网技术（ 10）
6.3.2.3 带冲突检测的载波监听多路访问协议
CSMA/CD
引入原因
- 当两个帧发生冲突时，两个被损坏帧继续传送毫无意义
，而且信道无法被其他站点使用，对于有限的信道来讲
，这是很大的浪费。如果站点边发送边监听，并在监听到冲突之后立即停止发送，可以提高信道的利用率，因 此产生了 CSMA/CD
原理
- 站点使用 CSMA协议进行数据发送；
- 在发送期间如果检测到冲突，立即终止发送，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；
- 在发出干扰信号后，等待一段随机时间，再重复上述过程。
6.3 局域网技术（ 11）
工作状态
- 传输周期
- 竞争周期
- 空闲周期
冲突的检测
- 一个站点确定发生冲突要花多少时间？
最坏情况下,2倍电缆传输时间
6.3 局域网技术（ 12）
6.3.2.4 无冲突协议（ Collision-Free Protocols）
基本位图协议（ A Bit-Map Protocol）
- 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。
6.3 局域网技术（ 13）
- 象这样在实际发送信息前先广播发送请求的协议称为 预留协议 （ reservation protocol）
- 效率
轻负载下，效率为 d / (N + d)，数据帧由 d个时间单位组成；
重负载下，效率为 d / (d + 1)。
- 缺点
与站序号有关的不平等性，序号大的站得到的服务好（序号大的时延小）；
每个站都有 1 比特的开销。
6.3 局域网技术（ 14）
二进制倒数法
（ Binary Countdown）
- 工作原理
所有站的地址用等长二进制位串表示，若要占用信道，
则广播该位串；
不同站发的地址中的位做“
或”操作，一旦某站了解到比本站地址高位更高的位置被置为,1”，便放弃发送请求。
- 效率
d / (d + log2N)
6.3 局域网技术（ 15）
6.3.2.5 有限竞争协议（ Limited-Contention Protocols）
占用信道的策略
- 竞争方法
例,CSMA；
轻负载下，发送延迟小；重负载下，信道效率低。
- 无冲突方法
例，基本位图法；
轻负载下，发送延迟大；重负载下，信道效率高。
- 有限竞争方法
结合以上两种方法，轻负载下使用竞争，重负载下使用无冲突 方法。
Fig,4-8，减少竞争的站的数目可以增加获取信道的概率；
基本思路：将站分组，组内竞争；
问题：如何分组？
6.3 局域网技术（ 16）
适应树搜索协议（ The Adaptive Tree Walk
Protocol）
- 工作原理
站点组织成二叉树；
一次成功传输之后，第 0槽全部站可竞争信道，只有一个站要使用信道则发送；有冲突则在第 1槽内半数站（ 2以下站）参与竞争。
如其中之一获得信道，本帧后的时槽留给 3
以下的站；如发生冲突，继续折半搜索。
- 当系统负载很重时，从根结点开始竞争发生冲突的概率非常大。为提高效率，可以从中间结点开始竞争。问题：搜索应该从树的哪一级开始？
6.3 局域网技术（ 17）
6.3.2.6 无线局域网协议
无线局域网产生背景
- 笔记本电脑的普及促进了无线局域网的发展
- portable ≠ mobile
- 要做到真正的移动，需要使用无线信号进行通信。
无线局域网的特点
- 基于蜂窝（ cell）的通信
- 每个蜂窝内只有一个信道（与蜂窝电话不同）
- 一个站点发送的信号，只能被它周围一定范围内的站点接收到
- 短距离传输
6.3 局域网技术（ 18）
无线局域网与有线局域网不同，具有
- 隐藏站点问题（ hidden station problem）
由于站点距离竞争者太远，从而不能发现潜在介质竞争者的问题称为隐藏站点问题。
Fig,4-11(a),A向 B发送数据的过程中,C由于收不到 A
的数据，也可以向 B发送数据，导致 B接收发生冲突。
- 暴露站点问题（ exposed station problem）
由于非竞争者距离发送站点太近，从而导致介质非竞争者不能发送数据的问题称为暴露站点问题。
Fig,4-11(b),B向 A发送数据，被 C监听到，导致 C不能向 D发送数据。
6.3 局域网技术（ 19）
传统的 CSMA协议不适合于无线局域网，需要特殊的
MAC子层协议
- CSMA
在电缆上，信号传播给所有站点
CSMA只判断本发送站点是否有活跃发送站点
冲突被发送站点发现
某一时刻，信道上只能有一个有效数据帧
- 无线局域网
信号只能被发送站点周围一定范围内的站点接收
MAC子层协议需要尽量保证接收站点周围一定范围内只有一个发送站点。
冲突被接收站点发现
某一时刻，信道上可以有多可有效数据帧
6.3 局域网技术（ 20）
MACA（ Multiple Access with Collision Avoidance）
- 是 IEEE 802.11无线局域网标准的基础
- 基本思想：发送站点刺激接收站点发送应答短帧，从而使得接收站点周围的站点监听到该帧，并在一定时间内避免发送数据
- 基本过程
A向 B发送 RTS（ Request To Send）帧,A周围的站点在一定时间内不发送数据，以保证 CTS帧返回给 A；
B向 A回答 CTS（ Clear To Send）帧,B周围的站点在一定时间内不发送数据，以保证 A发送完数据；
A开始发送
若发生冲突，采用二进制指数后退算法等待随机时间，再重新开始。
6.3 局域网技术（ 21）
MACAW
- 对 MACA协议做了改进，提高了性能
- 主要改进
对每个成功传输的数据帧，都要产生确认帧
增加了（发送站点的）载波监听（解决 RTS
冲突）
发生冲突后，针对每个数据流（相同源和目的地址）执行后退算法，而不是针对每个站点
发生拥塞时，站点间交互信息小结
关键问题：在 MAC子层，如何解决多个站点争用共享信道？
信道分配方式：静态（ FDM,WDM,TDM）,动态
多路访问协议
- ALOHA：纯 ALOHA、分槽 ALOHA，（冲突危险区）
- CAMA,1-坚持型 CSMA、非坚持型 CSMA,p-坚持型
CSMA（分槽协议）
- CSMA/CD
无冲突协议、有限竞争协议
无线局域网协议
6.4 局域网的 IEEE 802系列标准（ 1）
IEEE 802协议
- IEEE 802系列标准定义了若干种 LAN，包括对物理层,MAC子层的定义和描述。它的组成如下：
802.1 基本介绍和接口原语定义
802.2 逻辑链路控制（ LLC）子层
802.3 采用 CSMA/CD技术的局域网
802.4 采用令牌总线（ Token Bus）技术的局域网
802.5 采用令牌环（ Token Ring）技术的局域网
6.4 局域网的 IEEE 802系列标准（ 2）
802标准在网络体系结构中的位置
6.4 局域网的 IEEE 802系列标准（ 3）
IEEE 802 family
6.4 局域网的 IEEE 802系列标准（ 4）
6.4 局域网的 IEEE 802系列标准（ 5）
LAN的参考模型
- 逻辑链路控制子层 LLC（ Logical Link Control）
引入 LLC子层的原因：
MAC子层只提供尽力而为的数据报服务，不提供确认机制和流量控制（滑动窗口）,有些情况下，这种服务足够，如支持 IP协议；当需要 确认 和流控的时候，这种服务就不能满足，需要 LLC。
LLC子层提供确认机制和流量控制；
LLC隐藏了不同 802MAC子层的差异，为网络层提供单一的格式和接口；
LLC提供三种服务选项：
unreliable datagram service,
acknowledged datagram service,
reliable connection-oriented service.
LLC帧头基于 HDLC协议
Fig,4-33
6.4 局域网的 IEEE 802系列标准（ 3）
- 介质访问控制子层 MAC（ Medium Access Control）
Data encapsulation (transmit and receive)
Framing (frame boundary delimitation,frame
synchronization)
Addressing (handling of source and destination
addresses)
Error detection (detection of physical medium
transmission errors)
Media Access Management
Medium allocation (collision avoidance)
Contention resolution (collision handling)
分成两个子层的原因
- 管理多点访问信道的逻辑不同于传统的数据链路控制；
- 对于同一个 LLC，可以提供多个 MAC选择
6.4 局域网的 IEEE 802系列标准（ 4）
6.4.1 IEEE 802.3 和 Ethernet
历史
- ALOHA系统
- ALOHA + 载波监听
- Xerox 设计了 2.94Mbps的采用 CSMA/CD协议的 Ethernet
- Xerox,DEC,Intel共同制定了 10Mbps的 CSMA/CD以太网标准
- IEEE定义了采用 1-坚持型 CSMA/CD技术的 802.3局域网标准
，速率从 1M到 10Mbps,802.3标准与以太网协议略有差别。
802.3采用的电缆标准
6.4 局域网的 IEEE 802系列标准（ 5）
6.4 局域网的 IEEE 802系列标准（ 6）
- 收发器（ transceiver）：处理载波监听和冲突检测
Fig,4-18
布线拓扑结构
- 总线形，树形
- Fig,4-19
扩展网段长度
- 中继器：物理层设备，只对信号进行接收、放大和双向重传；
- 两个收发器之间最多使用 4个中继器，最长 2500米。
802.3的信号编码
- 由于曼彻斯特编码的简单，所有的 802.3基带系统都使用曼彻斯特编码。
Caption,Illustration of
computers in eight offices
wired with (a) thick,(b)
thin,and (c) 10Base-T
(twisted pair) Ethernet,
Wires can run above the
ceiling or under a raised
floor,A wiring closet may
contain a hub or equipment
used for network
monitoring,control,or
debugging.
Caption,10Base-T hub,with 10Base-T cables connecting
computers to the hub,
6.4 局域网的 IEEE 802系列标准（ 7）
6.4 局域网的 IEEE 802系列标准（ 9）
最短帧长
- 避免帧的第一个比特到达电缆的远端前帧已经发完，帧发送时间应该大于 2?；
- 10Mbps LAN，最大冲突检测时间为 51.2微秒，最短帧长为 64字节；
- 网络速度提高，最短帧长也应该增大或者站点间的距离要减小。
- 帧间最短间隔,9.6微秒
6.4 局域网的 IEEE 802系列标准（ 10）
二进制指数后退算法（ binary exponential backoff
）
- 算法
将冲突发生后的时间划分为长度为 51.2微秒的时槽
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，再开始重传；
10次冲突后，选择等待的时槽数固定在 0至 210-1间；
16次冲突后，发送失败，报告上层。
6.4 局域网的 IEEE 802系列标准（ 11）
交换式 802.3 LAN
- 目的：减少冲突；
- 两种实现方法
一个卡内是一个 802.3LAN，构成自己的冲突域，卡间并行；
使用端口缓存，无冲突发生。
6.4 局域网的 IEEE 802系列标准（ 12）
6.4 局域网的 IEEE 802系列标准（ 13）
6.4.2 IEEE 802.4：令牌总线 Token Bus（自学）
6.4.3 IEEE 802.5：令牌环 Token Ring
技术产生原因
- 环实际上并不是一个广播介质，而是不同的点到点链路组成的环，点到点链路有很多技术优势；
- 各个站点是公平的，获得信道的时间有上限，避免冲突发生；
- IBM选择 Token Ring作为它的 LAN技术。
基本思想
- 环网设计分析的一个主要问题是 1 比特的“物理长度”，数据传输速率为 R Mbps，典型信号传播速率为 200米 /微秒，则 1 比特的“物理长度”为 200/R米 ；
- 环接口引入了 1比特的传输延迟；
- Fig,4-28
6.4 局域网的 IEEE 802系列标准（ 14）
- 令牌（ Token）是一种特殊的比特组合模式，一个站要发送帧时，需要抓住令牌，并将其移出环；
- 环本身必须有足够的时延容纳一个完整的令牌，时延由两部分组成：每站的 1比特延迟和信号传播延迟。对于短环，必要时需要插入人工延迟；
- 环接口有两种操作模式：监听模式和传输模式。
- 当一个站点有数据发送时，在令牌通过此站点时，将令牌从环上取下，发送自己的数据，然后重新生成令牌，
发送站负责将发出的帧从环上移去，并转入监听模式。
- 确认：帧内一个比特域，初值为 0，目的站收到后，将其变为 1；对广播的确认比较复杂；
- 重负载下，效率接近 100%。
6.4 局域网的 IEEE 802系列标准（ 15）
802.5的布线
- 屏蔽双绞线，速率为 1/4/16M，采用差分曼彻斯特编码传输；
- 为解决环断裂导致整个环无法工作的问题，使用线路中心（
Wire Center）进行布线，线路中心设有旁路中继器。
Fig,4-29
令牌环 MAC子层协议
6.4 局域网的 IEEE 802系列标准（ 16）
- 协议基本操作：无信息传输时,3字节的令牌在环上循环；有信息要发送时，站获得令牌，并将第二个字节的某一位由 0 变成 1
，将令牌的前两个字节变成帧的起始序列，然后输出帧的其它部分；
- 开始定界符 SD和结束定界符 ED标志着帧的开始和结束，使用差分曼彻斯特编码模式（ HH和 LL，物理层编码违例法）；
- 访问控制域 AC 包括令牌位、监视位、优先级位和保留位；
- 帧控制域 FC 用于将数据帧和控制帧区别开来和进行环的维护；
帧状态字节 FS用于报告帧的传送情况，包括地址位 A和拷贝位 C
，帧经过目的站,A置为,1”，帧被接收,C置为,1”。 A,C位提供了自动确认。为增加可靠性,A,C在 FS中出现两次。
A = 0,C = 0，目的站不存在或未加电；
A = 1,C = 0，目的站存在但帧未被接收；
A = 1,C = 1，目的站存在且帧被复制。
6.4 局域网的 IEEE 802系列标准（ 17）
- 令牌持有时间（ token-holding time），一般为 10毫秒；
- 提供优先级控制：访问控制域中的优先级位给出令牌的优先级，只有当要发送的帧的优先级大于等于令牌的优先级时才能获得令牌，站还可以预约某个优先级的令牌
。
环的维护
- 环上存在一个监控站，负责环的维护，通过站的竞争产生；
- 监控站的职责
保证令牌不丢失；
处理环断开情况；
清除坏帧，检查无主帧。
6.4 局域网的 IEEE 802系列标准（ 18）
6.4.4 三种局域网的比较
802.3
- 优点
使用最为广泛；
算法简单；
站点可以在网络运行中安装；
使用无源电缆；
轻负载时，延迟为 0。
- 缺点
使用模拟器件，每个站点在发送的同时要检测冲突；
最短帧长 64字节，对于短数据来讲开销太大；
无优先级，发送是非确定性的，不适合于实时工作；
电缆最长 2500米（使用中继器）；
6.4 局域网的 IEEE 802系列标准（ 19）
速率提高时，帧传输时间减少，竞争时间不变（ 2?）,效率降低；
重负载时，冲突严重。
802.4
- 优点
发送具有确定性，支持优先级，可处理短帧；
使用宽带电缆，支持多信道；
重负载时，吞吐量和效率较高。
- 缺点,
使用大量的模拟装置；
协议复杂；
轻负载时，延迟大；
很难用光纤实现。
6.4 局域网的 IEEE 802系列标准（ 20）
802.5
- 优点
使用点到点连接，完全数字化；
使用线路中心，自动检测和消除电缆故障；
支持优先级，允许短帧，但受令牌持有时间限制，
不允许任意长的帧；
重负载时，吞吐量和效率较高。
- 缺点
中央监控；
轻负载时，延迟大。
无线局域网（ 802.11)
6.6 高速局域网技术（ 1）
6.6.1 光纤分布式数据接口 FDDI（ Fiber Distributed Data
Interface）
特征
- 使用多模光纤作为传输介质
- MAC协议与 Token Ring 类似
- 100M的速率
- 采用 4B5B编码方法
32中组合中的 16种表示数据,3种表示定界符,2种表示控制,3种表示硬件信号,8种保留。
- 最大距离 200公里
- 最多 1000个站点
- 通常作为连接 LAN的主干网络
Fig,4-44
6.6 高速局域网技术（ 2）
- FDDI的双环操作
Fig,4-45
- FDDI定义了两类站,A类站连接双环,B类站连接单环。
- 为提高信道利用率，站点发完数据后立即产生新令牌，
环上可能同时存在多个帧；
- 帧格式
Caption,The back of two FDDI concentrators (hubs) (see
photo img4_013),The top concentrator has 10 ports while
the bottom one has 20.
Caption,The front of two FDDI concentrators (hubs),The
top concentrator has 10 ports while the bottom one has 20,
6.5 高速局域网技术（ 5）
6.5.3 快速以太网（ Fast Ethernet）
标准
- 1995年,IEEE通过 802.3u标准，实际上是 802.3的一个补充。原有的帧格式、接口、规程不变，只是将比特时间从 100ns缩短为 10ns。
对 10 Mbps 802.3 LAN的改进
- 一种方法是改进 10Base-5 或 10Base-2，采用 CSMA/CD
，最大电缆长度减为 1/10，未被采纳；
- 另一种方法是改进 10Base-T，使用 HUB，被采纳。
6.5 高速局域网技术（ 6）
100Base-T4
- 使用 4对 ISO/IEC 11801定义的 3,4,5类平衡双绞线 ;
- 3类非屏蔽双绞线（ UTP）,使用 25MHz的信号（
802.3使用 20MHz的信号，由于使用 Manchester编码，
波特率 =2*比特率）；
- 4对双绞线,1对 to the hub,1对 from the hub，另外 2
对根据数据传输方向变换；
- 8B6T（ 8 bits map to 6 trits）编码，使用三进制信号（
ternary signals）,1对双绞线的比特率为 25 * 8/6 =
33.3 Mbps，正向 100M，反向 33.3M；
- Figure
6.5 高速局域网技术（ 7）
100Base-TX
- 使用 2对 5类平衡双绞线或 150?屏蔽平衡电缆,1对 to the hub
,1对 from the hub，全双工；
- 5类双绞线使用 125 MHz的信号；
- 4B5B编码,5个时钟周期发送 4个比特，物理层与 FDDI
兼容，比特率为 125 * 4/5 = 100 Mbps；
100Base-FX
- 使用 2根多模光纤，全双工
100Base-T4 和 100Base-TX 统称 100Base-T
两种类型的 HUB
- 共享式 HUB，一个冲突域，工作方式与 802.3相同,CSMA/CD
，二进制指数后退算法，半双工 …
- 交换式 HUB，输入 帧被缓存，一个端口构成一个冲突域。
6.5 高速局域网技术（ 8）
6.5.4 千兆以太网（ Gigabit Ethernet）
标准,802.3z
Gigabit Ethernet 使用扩展的 802.3 MAC 子层接口，通过 GMII（ Gigabit Media Independent
Interface） 与物理层相连；
物理层实体,1000BASE-LX,1000BASE-SX,
1000BASE-CX,1000BASE-T.
- Figure
1000BASE-X（包括 1000BASE-SX,1000BASE-
LX,和 1000BASE-CX）物理层标准符合 ANSI
X3.230-1994 (Fibre Channel) FC-0 和 FC-1，采用 8B/10B编码； 1000BASE-T 采用 4B/5B编码；
6.5 高速局域网技术（ 9）
在一个冲突域内，只允许一个 repeater
帧格式
- Figure
Appends extension bits to the first (or only) frame
of a burst if it is less than slotTime bits in length
when in half duplex mode.
10G以太网网 卡组件
6.5 网桥技术（ 1）
定义：网桥（ bridge）是工作在数据链路层的一种网络互连设备，它在互连的 LAN之间实现帧的存储和转发。
为什么使用桥？
- 学校和企业的各个部门分别拥有自己独立管理的 LAN，为了进行交互，需要使用桥来实现互连；
- 一个企业分布在相隔很远的不同建筑物内，在每个建筑物内组建单独的 LAN，并使用桥将这些 LAN连接起来，是比较经济的方案；
Caption,A bridge
connecting LAN
segments in two
buildings,An optical
fiber is used to
connect the bridge
to a remote LAN
segment.
6.5 网桥技术（ 2）
- 将一个负载很重的大 LAN分隔成使用网桥互连的几个
LAN以减轻负担；
- LAN上的两台机器其距离超过 2500米，必须使用网桥将这个 LAN 分隔以保证网络的正常工作；
- 网桥可以互连不同类型的 LAN；
- 网桥可以隔离负载，防止出故障的站点损害全网；
- 网桥可以有助于安全保密。
6.5 网桥技术（ 3）
Caption,A bridge using a
leased satellite channel to
connect LAN segments at
two sites,A satellite bridge
can span arbitrary
distance.
6.5 网桥技术（ 4）
网桥的工作原理
- 连接 k个不同 LAN的网桥具有 k个 MAC子层和 k
个物理层。
6.5 网桥技术（ 5）
6.5.1 连接 802.X和 802.Y的网桥
互连时需要解决的相同问题
- 不同 LAN帧格式的转换；
Fig,4-36
- 不同的 LAN速率不同，网桥要有缓存能力；
- 高层协议的计时器设置；
- 不同的 LAN支持的最大帧长度不同，分别为
1500,8191,5000。解决办法：丢弃无法转发的帧。
三种不同的 LAN互连共有九种组合
- Fig,4-37
- 动作
格式转换和重新计算校验和
变换位的顺序
6.5 网桥技术（ 7）
6.5.2 透明网桥 /生成树网桥
工作原理：
- 网桥工作在混杂（ promiscuous）方式，接收所有的帧；
- 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（ flooding）方法转发帧；
- 在转发过程中采用 逆向学习 （ backward
learning）算法收集 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；
6.5 网桥技术（ 8）
- 帧的路由过程
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，则洪泛帧，并逆向学习。
多个网桥（并行网桥）可能产生回路
- Fig,4-39
解决多个网桥产生回路的问题
- 思想
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。
Fig,4-40
6.5 网桥技术（ 9）
- 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根；
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或网桥发生故障时，要重新计算生成树；
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。
6.5 网桥技术（ 10）
6.4.3 源路由网桥
CSMA/CD和 Token Bus选择了透明网桥,Token Ring选择了源路由网桥
源路由网桥的原理
- 帧的发送者知道目的主机是否在自己的 LAN内；
- 如果不在，在发出的帧头内构造一个准确的路由序列，包含要经 过的网桥,LAN的编号。并将发出的帧的源地址的最高位置 1；
例：图中 A到 D的路由为：（ L1,B1,L2,B2,L3）
- 每个 LAN有一个 12位的编号，每个网桥有一个 4位的编号；
- 网桥只接收源地址的最高位为 1的帧，判定是转发还是丢弃；
6.5 网桥技术（ 11）
- 源路由的产生：每个站点通过广播“发现帧”（ discovery frame）来获得到各个站点的最佳路由。
若目的地址未知，源站发送“发现帧”，每个网桥收到后广播，目的站收到后发应答帧，该帧经过网桥时被加上网桥的标识，源站收到后就知道了到目的站的最佳路由。
优点
- 对带宽进行最优的使用。
缺点
- 网桥的插入对于网络是不透明的，需要人工干预。站点 要知道网络的拓扑结构。
802网桥的比较
- Fig,4-42
VLAN
IEEE802.1Q的定义：一些局域网网段构成的与物理位置无关的逻辑组，而这些网段具有某些共同的需要。每一个 VLAN的帧都有一个明确的标识符
，指明计算机属于哪一个 VLAN。
标识符,IEEE802.3ac对以太网的帧进行了扩展，
在帧结构中插入 4字节的标识符。
Caption,The front of a
Proxim wireless
bridge,This device
bridges a wireless
Proxim local area
network with a
standard Ethernet
network,
Caption,The back of a Proxim wireless bridge,On the left
is an antenna,On the right is an RJ-45 Ethernet jack,To
the left of that is a thin Ethernet BNC connector.
Caption,The concept underlying a switched LAN,
Electronic circuits in the switch provide each computer with
the illusion of a separate LAN segment connected to other
segments by bridges.
Caption,A closeup of two 3Com 24 port Ethernet switches,a Fore
ForeRunner ASX-200 ATM switch with both twisted pair copper and
fiber optic connections,and a Fore ForeRunner LE155 ATM switch
with 12 twisted pair 155 megabit connections
