第四章 局域网和城域网 (1)
4.1 局域网概述
4.2 局域网参考模型
4.3 CSMA/CD和 IEEE802.3标准局域网概述（ 1）
广域网：
覆盖范围大
中间穿过公共设施，利用了电信线路
包含互连起来的交换节点
电路交换和分组交换技术局域网概述（ 2）
局域网
覆盖范围小：最长传播延时已知
局域网通常为某个组织单独拥有,
局域网内部传输率高。
传统 LAN采用广播网络技术
后来出现了交换 LAN
城域网和局域网的基本技术类似。
局域网概述（ 3）
网络链路：包括点到点链路和广播链路。
点到点链路：链路的两端各有一个单一的发送者和接受者，比如 PPP和 HDLC协议。
广播链路中：多个发送和接收站点连接到同一个共享广播信道上
MAC协议：决定广播链路中信道分配的协议媒体访问控制 MAC协议。
局域网参考模型（ 1）
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
IEEE 802参考模型
LLC服务访问点 （ SAP
）
IEEE 802标准的范围
IEEE 802参考模型和 OSI参考模型局域网参考模型（ 2）
物理层：
信号编码、同步、比特的收发
传输媒体和拓扑结构的说明
数据链路层：
帧的传输：媒体访问控制子层 MAC
帧同步
管理和控制对传输媒体的访问
为高层（网络）协议提供标准接口：逻辑链路控制子层 LLC
传输媒体
布线媒体：
双绞线
同轴电缆
光纤
无线媒体
微波
红外 /激光
无线电
卫星拓扑结构（ 1）
总线 /树型结构
总线：使用多点 (multipoint)媒体，端接器吸收信号，移出总线
树型：一个无回路的带分支的电缆
根为头端（ headend）
任何一个站点传送的信息被其他所有站点接收，端接器来消除媒体上的帧。
端接阻抗信息流搭线头
(a)总线站点
(b)树头端拓扑结构（ 2）
环形拓扑
一组转发器,转发器间通过点到点的连接构成闭合环路,
数据单向传输，源站点负责把帧移走
星形拓扑
站点与公共的中心节点连接
中心节点以广播方式：总线结构
中心节点进行帧交换转发器站点
(c)环
Central hub,switch
or repeater
(d)星形拓扑结构（ 3）
传输媒体和拓扑的选择不是孤立的
总线最灵活、环形吞吐量高、星形易布线物理媒体 环形 总线 树形 星形双绞线 ★ ★ ★
基带同轴电缆 ★ ★
宽带同轴电缆 ★ ★
光纤 ★ ★
无线媒体 ★ ★ ★
IEEE 802标准
IEEE 802委员会制定的标准被 ISO采用为
ISO8802
要求基于芯片和超大规模集成电路 (VLSI)的解决方案
分层结构,IEEE 802参考模型
支持多种拓扑结构、传输媒体,MAC技术
IEEE 802委员会组成结构工作组名称 研 究 内 容
802.1 高层接口 （ HILI）,包括网络结构,网际合作和 LAN的网络管理
802.2 逻辑链路控制 （ LLC）
802.3 载波监听多路访问 /冲突检测 （ CSMA/CD）
802.4 令牌总线
802.5 令牌环
802.6 城域网 （ MAN）
802.7 广域技术建议组 (BBTAG)
802.8 光纤技术建议组 (FOTAG)
802.9 综合业务局域网接口 (ISLAN)
802.10 交互性局域网安全性标准 (SILS)
802.11 无线局域网 (WLAN)
802.12 命令优先级
802.13 基于有线电视的广域通讯网逻辑链路控制 LLC子层（ 1）
LLC子层负责两个节点间的数据链路层
PDU的传输，中间无需中继交换,
链路是共享链路,支持多个站点访问，并且没有主节点,
LLC子层和 MAC子层协同工作,
逻辑链路控制 LLC子层（ 2）
LLC协议为高层用户提供站点编址机制,实质是基于 HDLC协议。
支持广播和组播
提供三种服务,
无确认无连接：无流量控制和差错控制
有连接：建立一条逻辑连接
有确认无连接：
连接带来开销
帧的确认机制媒体访问控制 MAC子层（ 1）
MAC层提供控制传输媒体访问的机制,
使访问有序,
参数,
控制位置
控制方式媒体访问控制 MAC子层（ 2）
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媒体访问控制 MAC子层（ 3）
集中式的优点,
可以提供高级功能,如优先级控制,
单个节点的访问逻辑简单,
避免了对等实体间进行分布合作而可能带来的问题
缺点,
网络依赖控制节点,
控制节点会成为性能瓶颈,
分布式控制的优缺点相反,
媒体访问控制 MAC子层（ 4）
访问控制技术：
同步,TDM,FDM
异步：动态分配信道
时间片轮转 *,token passing
多个站点传输，集中 /分布
预约 *：
站点传输是连续的，集中 /分布
DQDB
竞争 *：突发性，分布式
CSMA/CD
MAC方式 总线拓扑 环拓扑 交换 LAN
时间片轮转 令牌总线 〔 IEEE 802.4〕
询问 （ IEEE 802.11）
令牌环 （ IEEE 802.5）
FDDI
请求 /优先级 （ IEEE 802.12）
预约 DQDB （ IEEE 802.6）
竞争 CSMA/CD （ IEEE 802.3）
CSMA （ IEEE 802.11）
CSMA/CD（ IEEE802.3）
媒体访问控制 MAC子层（ 5）
MAC 帧通用格式
MAC检测错误并丢弃出错的帧
LLC或者高层协议进行差错控制
MAC控制 目的 MAC地址 源 MAC地址 LLC数据 CRC
CSMA/CD和 IEEE 802.3
载波监听多路访问 /冲突检测 (CSMA/CD),是在总线 /树形和星型拓扑中应用最广泛的媒体访问控制技术,
技术特点：
随机访问：站点传输是随机的
竞争技术：为访问权而竞争
站点之间没有优先级：站点有数据传输就可以传输
冲突：多个站点同时传输会遇到冲突
如何检测冲突
如何从冲突中恢复
协议：
用于分组无线网的 ALOHA协议
S-ALOHA
CSMA,CSMA/CD
ALOHA技术
第一个随机 MAC协议,1970年用于分组无线电
站点有数据，就立即传输,
接收者收到数据后发送 ACK
通过等待 ACK超时来检测冲突
多个站点同时传输遇到冲突
冲突恢复：等待一段随机时间后重传数据
太短：许多冲突
太长：信道利用率低
ALOHA 技术,效率（ 1）
假设,
用户的行为符合普阿松分布,有无限多个用户,
每个帧传输时间相等 T.
T时间内,用户产生 S个新帧,(0<S<1)
T时间内,用户发送 G个帧（新帧＋重传帧）,
G >= S
系统如果处在平衡状态下,
S = G*P0
其中 P0为帧成功传输的概率
ALOHA 技术,效率（ 2）
ALOHA 技术,效率（ 3）
帧发送成功的概率等于在其冲突危险（ 2
倍帧时）区域内没有其他站点发送帧的概率，即在冲突危险区域内产生 0帧的概率用户行为服从普阿松分布,Pk=GK*e-G/k!
所以 S = G*e-2G
G=0.5时,S最大等于 0.18
改进的 ALOHA 技术
改进：分槽 ALOHA
增加时槽的概念,
一个时槽等于发送一个帧的最长时间,
站点只有在时槽开始时可以发送帧,
只有同一时槽开始进行传输帧才产生冲突
冲突的危险区减少一半,效率提高一倍,到 0.36.
载波监听多路访问 CSMA
局域网的特性：
与帧传输时间相比，传播时间比较短
站点能够马上知道其他站点的传输
CSMA,先听后说 LBT
站点监听媒体,只有媒体空闲才可以发送数据,降低冲突概率,
仍然有可能多个站点同时开始发送数据,这时各个站点收不到确认,各自重发,
CSMA重发策略
媒体忙时，站点的等待策略：
0坚持策略
随机等待一段时间,再发送,
1坚持策略
继续监听，等媒体空闲立即重发,
P坚持策略：重负载下要满足 NP < 1
媒体空闲时,以概率 P发送,1-P延迟一个时槽,
媒体忙，则继续监听直到信道空闲载波监听多路访问 /冲突检测
CSMA由于只发不听,所以要到最大往返延迟后才能够知道发送是否成功,大量的信道容量被浪费,
CSMA/CD边发边听,能够立即知道正在发送的数据是否被干扰,
CSMA/CD
如果节点有帧要传输，首先监听媒体，如果空闲则开始传输；如果媒体忙，则一直监听直到媒体空闲，然后开始传输。 1-坚持
在传输中继续监听媒体，如果在这段时间
（冲突检测时间）内没有监听到冲突，则帧成功传输；如果监听到冲突，停止传输帧的剩余部分，而传输一个短小 (48bit)的人为干扰
(jamming)信号让所有的站点都知道发生冲突
发完人为干扰信号，等待一小段随机的时间，
再次试图传输。即采用二进制指数退避二进制指数退避算法
指数退避算法：
时间分割成时槽,每个时槽（ 512比特时间 )51.2?s
第一次冲突发生后,等待 0或 1个时槽尝试发送
第 i次冲突,等待的时槽数从 0到 2i-1中随机选取,10
次冲突后,随机等待最大槽数固定为 1023次,
16次冲突后，放弃传输，报告错误
没有遇到冲突的站点更有机会获得访问权
A B
( a ) A 在时刻 t 发送一帧
A B
( b) A 发送的帧在时刻 t +d 到达 B
A B
( c ) B 在时刻 t +d 开始发送，与 A 的帧冲突
A B
( d) B 和 A 冲突后的帧在时刻 t +2d 到达 A
CS M A/ CD 的冲突检测的最坏情况冲突检测,2倍端到端传播延迟冲突检测
为了保证冲突检测机制正常，帧的传输时间必须大于冲突检测的最坏时间：即最小帧长 >2倍最大传播延迟
冲突后发送 Jamming信号（ 48比特）
确保所有人都注意到出现冲突
IEEE 802.3标准
10 BA SE5 10 BA SE2 10 BA SE- T 10 BR O A D 3 6 10 BA SE-
FP
传输媒体同轴电缆
50?
同轴电缆
50?
非屏蔽双绞线同轴电缆
75?
8 5 0 n m
光纤对拓扑 总线 总线 星型 总线 / 树型 星型最大网段
5 0 0 18 5 10 0 18 0 0 5 0 0
每网段最大节点数
10 0 30
IEEE 802.3:10Base2
10,10Mbps; 2,电缆长度最长 200米（实际 185
米）
Repeater
转发器 repeater:10Base2/10Base5
以太网网段之间可以通过 repeater连接起来以扩展传输媒体的长度。
转发器工作在物理层，连接两个或者多个电缆。从一个电缆上收到物理信号，然后转发给其他连接的电缆
jamming信号也要通过转发器转发
它和 MAC协议无关，因为它既无缓冲功能，也无分段功能。所以如果不同网段上的两个站点同时试图传输，就会产生冲突。 802.3标准允许任何两个站点间最多有四个转发器，
10BaseT
T代表双绞线
通过 Hub连接，星形拓扑结构
节点到 Hub间的距离最长为 100米
IEEE 802.3帧格式
64比特的前导开始：
前面 7个字节为 10101010。该字段用于,唤醒,接收者，接收者利用它与发送方的时钟进行同步。
最后一个字节为 10101011,,提醒,接收者帧的开始
用户数据最长为 1500字节，同时以太网限制每个帧中从长度字段结束到检验和字段开始的长度最小为 46字节前导 目的地址 源地址 长度 检验和数据
64 48 48 16 320~46
填充
IEEE802.3 帧格式
0~1500
最小帧长限制
为什么限制每个帧中从长度字段结束到检验和字段开始的长度最小为 46字节？
考虑一个 2500米的以太网配置,两个站点间最多有四个转发器,把传输媒体的传播延迟和转发器处的转发延迟考虑在一起,IEEE802.3认为端到端的传播延迟最多为 51.2微妙,而传输速率为 10Mbps,也就是帧的最小帧长限制为 512比特,以太网帧中的目的地址,源地址,类型和检验和字段占去了 18字节,所以携带的数据最少为 46字节 （ 368比特 ） 。
习题
4.3
4.5
4.7
4.9
4.1 局域网概述
4.2 局域网参考模型
4.3 CSMA/CD和 IEEE802.3标准局域网概述（ 1）
广域网：
覆盖范围大
中间穿过公共设施，利用了电信线路
包含互连起来的交换节点
电路交换和分组交换技术局域网概述（ 2）
局域网
覆盖范围小：最长传播延时已知
局域网通常为某个组织单独拥有,
局域网内部传输率高。
传统 LAN采用广播网络技术
后来出现了交换 LAN
城域网和局域网的基本技术类似。
局域网概述（ 3）
网络链路：包括点到点链路和广播链路。
点到点链路：链路的两端各有一个单一的发送者和接受者，比如 PPP和 HDLC协议。
广播链路中：多个发送和接收站点连接到同一个共享广播信道上
MAC协议：决定广播链路中信道分配的协议媒体访问控制 MAC协议。
局域网参考模型（ 1）
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
IEEE 802参考模型
LLC服务访问点 （ SAP
）
IEEE 802标准的范围
IEEE 802参考模型和 OSI参考模型局域网参考模型（ 2）
物理层：
信号编码、同步、比特的收发
传输媒体和拓扑结构的说明
数据链路层：
帧的传输：媒体访问控制子层 MAC
帧同步
管理和控制对传输媒体的访问
为高层（网络）协议提供标准接口：逻辑链路控制子层 LLC
传输媒体
布线媒体：
双绞线
同轴电缆
光纤
无线媒体
微波
红外 /激光
无线电
卫星拓扑结构（ 1）
总线 /树型结构
总线：使用多点 (multipoint)媒体，端接器吸收信号，移出总线
树型：一个无回路的带分支的电缆
根为头端（ headend）
任何一个站点传送的信息被其他所有站点接收，端接器来消除媒体上的帧。
端接阻抗信息流搭线头
(a)总线站点
(b)树头端拓扑结构（ 2）
环形拓扑
一组转发器,转发器间通过点到点的连接构成闭合环路,
数据单向传输，源站点负责把帧移走
星形拓扑
站点与公共的中心节点连接
中心节点以广播方式：总线结构
中心节点进行帧交换转发器站点
(c)环
Central hub,switch
or repeater
(d)星形拓扑结构（ 3）
传输媒体和拓扑的选择不是孤立的
总线最灵活、环形吞吐量高、星形易布线物理媒体 环形 总线 树形 星形双绞线 ★ ★ ★
基带同轴电缆 ★ ★
宽带同轴电缆 ★ ★
光纤 ★ ★
无线媒体 ★ ★ ★
IEEE 802标准
IEEE 802委员会制定的标准被 ISO采用为
ISO8802
要求基于芯片和超大规模集成电路 (VLSI)的解决方案
分层结构,IEEE 802参考模型
支持多种拓扑结构、传输媒体,MAC技术
IEEE 802委员会组成结构工作组名称 研 究 内 容
802.1 高层接口 （ HILI）,包括网络结构,网际合作和 LAN的网络管理
802.2 逻辑链路控制 （ LLC）
802.3 载波监听多路访问 /冲突检测 （ CSMA/CD）
802.4 令牌总线
802.5 令牌环
802.6 城域网 （ MAN）
802.7 广域技术建议组 (BBTAG)
802.8 光纤技术建议组 (FOTAG)
802.9 综合业务局域网接口 (ISLAN)
802.10 交互性局域网安全性标准 (SILS)
802.11 无线局域网 (WLAN)
802.12 命令优先级
802.13 基于有线电视的广域通讯网逻辑链路控制 LLC子层（ 1）
LLC子层负责两个节点间的数据链路层
PDU的传输，中间无需中继交换,
链路是共享链路,支持多个站点访问，并且没有主节点,
LLC子层和 MAC子层协同工作,
逻辑链路控制 LLC子层（ 2）
LLC协议为高层用户提供站点编址机制,实质是基于 HDLC协议。
支持广播和组播
提供三种服务,
无确认无连接：无流量控制和差错控制
有连接：建立一条逻辑连接
有确认无连接：
连接带来开销
帧的确认机制媒体访问控制 MAC子层（ 1）
MAC层提供控制传输媒体访问的机制,
使访问有序,
参数,
控制位置
控制方式媒体访问控制 MAC子层（ 2）
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媒体访问控制 MAC子层（ 3）
集中式的优点,
可以提供高级功能,如优先级控制,
单个节点的访问逻辑简单,
避免了对等实体间进行分布合作而可能带来的问题
缺点,
网络依赖控制节点,
控制节点会成为性能瓶颈,
分布式控制的优缺点相反,
媒体访问控制 MAC子层（ 4）
访问控制技术：
同步,TDM,FDM
异步：动态分配信道
时间片轮转 *,token passing
多个站点传输，集中 /分布
预约 *：
站点传输是连续的，集中 /分布
DQDB
竞争 *：突发性，分布式
CSMA/CD
MAC方式 总线拓扑 环拓扑 交换 LAN
时间片轮转 令牌总线 〔 IEEE 802.4〕
询问 （ IEEE 802.11）
令牌环 （ IEEE 802.5）
FDDI
请求 /优先级 （ IEEE 802.12）
预约 DQDB （ IEEE 802.6）
竞争 CSMA/CD （ IEEE 802.3）
CSMA （ IEEE 802.11）
CSMA/CD（ IEEE802.3）
媒体访问控制 MAC子层（ 5）
MAC 帧通用格式
MAC检测错误并丢弃出错的帧
LLC或者高层协议进行差错控制
MAC控制 目的 MAC地址 源 MAC地址 LLC数据 CRC
CSMA/CD和 IEEE 802.3
载波监听多路访问 /冲突检测 (CSMA/CD),是在总线 /树形和星型拓扑中应用最广泛的媒体访问控制技术,
技术特点：
随机访问：站点传输是随机的
竞争技术：为访问权而竞争
站点之间没有优先级：站点有数据传输就可以传输
冲突：多个站点同时传输会遇到冲突
如何检测冲突
如何从冲突中恢复
协议：
用于分组无线网的 ALOHA协议
S-ALOHA
CSMA,CSMA/CD
ALOHA技术
第一个随机 MAC协议,1970年用于分组无线电
站点有数据，就立即传输,
接收者收到数据后发送 ACK
通过等待 ACK超时来检测冲突
多个站点同时传输遇到冲突
冲突恢复：等待一段随机时间后重传数据
太短：许多冲突
太长：信道利用率低
ALOHA 技术,效率（ 1）
假设,
用户的行为符合普阿松分布,有无限多个用户,
每个帧传输时间相等 T.
T时间内,用户产生 S个新帧,(0<S<1)
T时间内,用户发送 G个帧（新帧＋重传帧）,
G >= S
系统如果处在平衡状态下,
S = G*P0
其中 P0为帧成功传输的概率
ALOHA 技术,效率（ 2）
ALOHA 技术,效率（ 3）
帧发送成功的概率等于在其冲突危险（ 2
倍帧时）区域内没有其他站点发送帧的概率，即在冲突危险区域内产生 0帧的概率用户行为服从普阿松分布,Pk=GK*e-G/k!
所以 S = G*e-2G
G=0.5时,S最大等于 0.18
改进的 ALOHA 技术
改进：分槽 ALOHA
增加时槽的概念,
一个时槽等于发送一个帧的最长时间,
站点只有在时槽开始时可以发送帧,
只有同一时槽开始进行传输帧才产生冲突
冲突的危险区减少一半,效率提高一倍,到 0.36.
载波监听多路访问 CSMA
局域网的特性：
与帧传输时间相比，传播时间比较短
站点能够马上知道其他站点的传输
CSMA,先听后说 LBT
站点监听媒体,只有媒体空闲才可以发送数据,降低冲突概率,
仍然有可能多个站点同时开始发送数据,这时各个站点收不到确认,各自重发,
CSMA重发策略
媒体忙时，站点的等待策略：
0坚持策略
随机等待一段时间,再发送,
1坚持策略
继续监听，等媒体空闲立即重发,
P坚持策略：重负载下要满足 NP < 1
媒体空闲时,以概率 P发送,1-P延迟一个时槽,
媒体忙，则继续监听直到信道空闲载波监听多路访问 /冲突检测
CSMA由于只发不听,所以要到最大往返延迟后才能够知道发送是否成功,大量的信道容量被浪费,
CSMA/CD边发边听,能够立即知道正在发送的数据是否被干扰,
CSMA/CD
如果节点有帧要传输，首先监听媒体，如果空闲则开始传输；如果媒体忙，则一直监听直到媒体空闲，然后开始传输。 1-坚持
在传输中继续监听媒体，如果在这段时间
（冲突检测时间）内没有监听到冲突，则帧成功传输；如果监听到冲突，停止传输帧的剩余部分，而传输一个短小 (48bit)的人为干扰
(jamming)信号让所有的站点都知道发生冲突
发完人为干扰信号，等待一小段随机的时间，
再次试图传输。即采用二进制指数退避二进制指数退避算法
指数退避算法：
时间分割成时槽,每个时槽（ 512比特时间 )51.2?s
第一次冲突发生后,等待 0或 1个时槽尝试发送
第 i次冲突,等待的时槽数从 0到 2i-1中随机选取,10
次冲突后,随机等待最大槽数固定为 1023次,
16次冲突后，放弃传输，报告错误
没有遇到冲突的站点更有机会获得访问权
A B
( a ) A 在时刻 t 发送一帧
A B
( b) A 发送的帧在时刻 t +d 到达 B
A B
( c ) B 在时刻 t +d 开始发送，与 A 的帧冲突
A B
( d) B 和 A 冲突后的帧在时刻 t +2d 到达 A
CS M A/ CD 的冲突检测的最坏情况冲突检测,2倍端到端传播延迟冲突检测
为了保证冲突检测机制正常，帧的传输时间必须大于冲突检测的最坏时间：即最小帧长 >2倍最大传播延迟
冲突后发送 Jamming信号（ 48比特）
确保所有人都注意到出现冲突
IEEE 802.3标准
10 BA SE5 10 BA SE2 10 BA SE- T 10 BR O A D 3 6 10 BA SE-
FP
传输媒体同轴电缆
50?
同轴电缆
50?
非屏蔽双绞线同轴电缆
75?
8 5 0 n m
光纤对拓扑 总线 总线 星型 总线 / 树型 星型最大网段
5 0 0 18 5 10 0 18 0 0 5 0 0
每网段最大节点数
10 0 30
IEEE 802.3:10Base2
10,10Mbps; 2,电缆长度最长 200米（实际 185
米）
Repeater
转发器 repeater:10Base2/10Base5
以太网网段之间可以通过 repeater连接起来以扩展传输媒体的长度。
转发器工作在物理层，连接两个或者多个电缆。从一个电缆上收到物理信号，然后转发给其他连接的电缆
jamming信号也要通过转发器转发
它和 MAC协议无关，因为它既无缓冲功能，也无分段功能。所以如果不同网段上的两个站点同时试图传输，就会产生冲突。 802.3标准允许任何两个站点间最多有四个转发器，
10BaseT
T代表双绞线
通过 Hub连接，星形拓扑结构
节点到 Hub间的距离最长为 100米
IEEE 802.3帧格式
64比特的前导开始：
前面 7个字节为 10101010。该字段用于,唤醒,接收者，接收者利用它与发送方的时钟进行同步。
最后一个字节为 10101011,,提醒,接收者帧的开始
用户数据最长为 1500字节，同时以太网限制每个帧中从长度字段结束到检验和字段开始的长度最小为 46字节前导 目的地址 源地址 长度 检验和数据
64 48 48 16 320~46
填充
IEEE802.3 帧格式
0~1500
最小帧长限制
为什么限制每个帧中从长度字段结束到检验和字段开始的长度最小为 46字节？
考虑一个 2500米的以太网配置,两个站点间最多有四个转发器,把传输媒体的传播延迟和转发器处的转发延迟考虑在一起,IEEE802.3认为端到端的传播延迟最多为 51.2微妙,而传输速率为 10Mbps,也就是帧的最小帧长限制为 512比特,以太网帧中的目的地址,源地址,类型和检验和字段占去了 18字节,所以携带的数据最少为 46字节 （ 368比特 ） 。
习题
4.3
4.5
4.7
4.9
