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计算机网络,第 4 章 局域网,第 4 章 局域网,4.1 局域网概述 *4.2 传统以太网 4.2.1 以太网的工作原理 4.2.2 传统以太网的连接方法 4.2.3 以太网的信道利用率 *4.3 以太网的 MAC 层 4.3.1 MAC 层的硬件地址 4.3.2 两种不同的 MAC 帧格式,第 4 章 局域网（续）,*4.4 扩展的局域网 4.4.1 在物理层扩展局域网 4.4.2 在数据链路层扩展局域网 4.5 虚拟局域网 4.5.1 虚拟局域网的概念 4.5.2 虚拟局域网使用的以太网帧格式,第 4 章 局域网（续）,*4.6 高速以太网 4.6.1 100BASE-T 以太网 4.6.2 吉比特以太网 4.6.3 10 吉比特以太网 4.7 其他种类的高速局域网 4.7.1 100VG-AnyLAN 局域网 4.7.2 光纤分布式数据接口 FDDI 4.7.3 高性能并行接口 HIPPI 4.7.4 光纤通道 4.8 无线局域网 *4.8.1 无线局域网的组成 4.8.2 802.11 标准中的物理层 4.8.3 802.11 标准中的 MAC 层,4.1 局域网概述,局域网最主要的特点是：网络为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目均有限。

局域网具有如下的一些主要优点： 能方便地共享昂贵的外部设备、主机以及软件、数据从一个站点可访问全网 便于系统的扩展和逐渐地演变，各设备的位置可灵活调整和改变 提高了系统的可靠性、可用性和残存性局域网的拓扑,局域网的问题,计算机网络可以分成两类 使用点到点连接的网络——广域网 用广播信道（多路访问信道，随机访问信道）的网络——局域网 需要解决的问题：如何解决对信道争用 多路访问协议 控制多个用户共用一条信道的协议,信道争用问题,一个竞争冲突的实例,媒体共享技术,静态划分信道 通过集中器或复用器连接 特点：附加设备，集中控制 接入方法：顺序扫描查询，或使用中断技术 频分复用 时分复用 波分复用 码分复用 说明：仅适用于站点较少、站点数目相对固定且每个站点通信量均较大的情形，不适于突发性数据 动态媒体接入控制（多点接入） 随机接入：站点可随时发送数据，争用信道，易冲突 受控接入 ： 集中式控制，如多点线路探询(polling)，或轮询 分散式控制，令牌环网，传递令牌，获得令牌才有权发送数,数据链路层的两个子层,为了使数据链路层能更好地适应多种局域网标准，802 委员会就将局域网的数据链路层拆成两个子层： 逻辑链路控制 LLC (Logical Link Control)子层 媒体接入控制 MAC (Medium Access Control)子层。

与接入到传输媒体有关的内容都放在 MAC子层，而 LLC 子层则与传输媒体无关，不管采用何种协议的局域网对 LLC 子层来说都是透明的,局域网对 LLC 子层是透明的,,,局 域 网,,,,,网络层,物理层,站点 1,,,,,网络层,物理层,,数据 链路层,站点 2,LLC 子层看不见 下面的局域网,LLC与MAC,功能分解的目的：将功能中与硬件相关的部分和与硬件无关的部分进行区分，降低研究和实现的复杂度 MAC子层功能：成帧/拆帧， 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，差错控制，帧序号处理，某些网络层功能（如多路复用，数据报和虚电路服务）,以后一般不考虑 LLC 子层,由于TCP/IP 体系经常使用的局域网是 DIX Ethernet V2 而不是 802.3 标准中的几种局域网，因此现在 802 委员会制定的逻辑链路控制子层 LLC（即 802.2 标准）的作用已经不大了 很多厂商生产的网卡上就仅装有 MAC 协议而没有 LLC 协议动态分配的前提：5个假定,1. 站模型假定：各站独立，且以固定速率 产生帧在成功发送一帧之前，站点不会产生新帧（单用户系统） 2. 单信道假定：只有一个信道，各站平等共享该信道 3. 冲突假定：若有冲突（两帧有重叠），必须重发 4. 时间假定： 连续时间：帧可以在任何时刻发送 时隙：帧必须在时隙开始时发送 5. 载波假定： 有载波：站点可以检测到信道是否空闲 无载波：站点在发送之前无法判断信道是否空闲,信道争用模型,站点 连接到广播网络中的每一立的设备，能够产生待发送帧，具有占用信道的平等权利。

单一信道 所有站点都通过同一信道发送/接收帧，某一特定时刻只允许一个站点使用信道信道共享技术,纯ALOHA协议、时隙ALOHA协议、预约ALOHA协议 CSMA、CSMA/CD 无冲突协议：位图协议、二进制倒计数法 有限竞争协议,纯ALOHA协议,工作原理： 站点只要产生帧，就立即发送到信道上（任意时刻发送帧）； 规定时间内若收到应答，表示发送成功；否则表示发生冲突，进行重发 重发策略：等待一段随机的时间，然后重发；如再次冲突，则再等待一段随机的时间，直到重发成功为止 缺点：极容易冲突 性能：网络负载 0. 5 吞吐量 0. 184,纯ALOHA系统的工作原理图,,,,A1,,帧产生,B1,A2,A2,B1,,,冲突,,,t2,,,B2,,,A2,,t3,B2,,t4,B3,A3,,,,,站A,站B,信道上的总效应,A1,B1,A2,B2,t1,纯ALOHA协议的性能分析,假定帧的产生服从泊松分布，其概率密度函数为： (t) =  e -t , 其中t为到达时间间隔 主要性能参数： 吞吐率（吞吐量）S ---T0 内成功发送的帧数 0 S  1 网络负载G --- T0 内总共发送的平均帧数 T0 的含义：独占信道时成功发送一帧所用的时间 帧成功发送的条件：该帧与其前后2帧的间隔均大于T0 S与G的关系：S = G P[发送成功] P[发送成功] = P [ 连续2个到达间隔〉T0 ] = （P [到达间隔〉T0 ] ）2 P [到达间隔 〉T0 ] = T0  (t) dt =  T0  (G/ T0) e -Gt/ T0 dt = e -G 吞吐量公式： S = G e -2G 极大值为 G=0.5时，S = 0.184,时隙ALOHA协议（S-ALOHA）,工作原理：将时间划分为一段段等长的时隙，规定帧不论何时产生，只能在每个时隙开始时发送到信道上 重发策略：同纯ALOHA 性能：网络负载  1 吞吐量  0. 37 代价：需要全网同步；可设置一个特殊站点，由该站点发送时钟信号 帧发送成功的条件：没有其他帧在同一时隙内到达 P[发送成功] = P [ 到达间隔 〉T0 - Tx ] P [ 到达间隔 〉Tx ] =   T0 -Tx (t) dt  Tx  (t) dt =   T0 -Tx  e -t dt  Tx   e -t dt =   T0 -Tx (G/ T0) e -Gt/ T0 dt  Tx  (G/ T0) e -Gt/ T0 dt = e -G 吞吐量公式： S = G e -G 极大值为 G= 1 时，S = 0.37 第k次发送成功的概率 Pk = e -G ( 1-e -G )k-1   平均重发次数 E=  k Pk =  k e -G ( 1-e -G )k-1 = e G,时隙ALOHA系统的工作原理图,,,,A1,,帧产生,B3,A2,A2,B1,冲突,,随机时间t1,,t2,,,B2,,,B2,B3,A3,,,站A,站B,信道上的总效应,A1,B1,A2,B2,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,A3,预约ALOHA协议,工作原理： 网络负载很轻时，网络按ALOHA方式工作 网络负载很重时，网络按接近于TDM的方式工作 各站点以某种方式预约帧的发送时隙，从而保证所发送的帧不会与别的站的帧发生冲突,工作原理：N个时隙组成一个复用帧，每站点分配一个时隙，其余时隙由各站点争用；若某站点暂时无数据发送，则让自己的时隙空闲，其他站点检测到后，按ALOHA方式共享此时隙。

缺点：  出现争用冲突时，非时隙主人的站点必须停发一次，观察时隙站主是否有数据要发送  时隙站主发送完，下一复用帧该时隙要空闲，供其他站点观察时隙站主是否有数据要发送,第 i 帧,第 i+1 帧,第 i+2 帧,第 i+3 帧,预约ALOHA之Binder方案,预约ALOHA之Crowther方案,适用于站点数未知且可变的情况 工作原理：对任何时隙，所有站点均可争用争用成功后，可以一直占用使用完毕后，再由其他站点重新争用 缺点：有较多数据帧要发送的站点可能长时间垄断时隙,预约ALOHA之Roberts方案,工作原理： 每个站点发送数据之前必须进行预约每个复用帧前面的各时隙用于发送时隙，最后一个时隙再分成子时隙，专门用于预约请求按时隙ALOHA方式进行 优点：冲突局限于较短的子时隙范围，提高信道利用率,载波监听多点接入/碰撞检测CSMA/CD,CSMA/CD 表示 Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection “多点接入”表示许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上 “载波监听”是指每一个站在发送数据之前先要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据，如果有，则暂时不要发送数据，以免发生碰撞。

总线上并没有什么“载波”因此， “载波监听”就是用电子技术检测总线上有没有其他计算机发送的数据信号CSMA：载波监听多路访问,坚持和非坚持 CSMA 对Aloha的改进：信道忙时不会有其他站点争用 CSMA/CD 对 Aloha的进一步改进，终止冲突帧的发送过程,坚持CSMA,1-坚持 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，然后立刻（以概率1）开始发送数据； 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；,坚持CSMA,p-坚持型CSMA（p-persistent CSMA） 适用于分时隙信道 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（即以概率q=1-p延迟至下一个时隙发送）若下一个时隙仍空闲，重复此过程，直至数据发出或时隙被其他站点所占用； 若信道忙，则等待下一个时隙，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。

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，则立刻发送数据； 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大五种多路访问协议性能比较,碰撞检测,“碰撞检测”就是计算机边发送数据边检测信道上的信号电压大小 当几个站同时在总线上发送数据时，总线上的信号电压摆动值将会增大（互相叠加） 当一个站检测到的信号电压摆动值超过一定的门限值时，就认为总线上至少有两个站同时在发送数据，表明产生了碰撞 所谓“碰撞”就是发生了冲突因此“碰撞检测”也称为“冲突检测”检测到碰撞后,在发生碰撞时，总线上传输的信号产生了严重的失真，无法从中恢复出有用的信息来 每一个正在发送数据的站，一旦发现总线上出现了碰撞，就要立即停止发送，免得继续浪费网络资源，然后等待一段随机时间后再次发送电磁波在总线上的有限传播速率的影响,当某个站监听到总线是空闲时，也可能总线并非真正是空闲的。

A 向 B 发出的信息，要经过一定的时间后才能传送到 B。