计算机网络 第1讲 局域网概述与令牌环

4.1.1局域网及其特征•局域网：是一种通信网络，用于把物理位置上邻近的计算机连接起来进行资源共享。•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。•局域网的主要优点：–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。4.1局域网概述广域网、局域网、城域网•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。•局域网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。•城域网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。4.2.1局域网参考模型•美国电子和电气工程师协会IEEE于1980年成立了802委员会，该委员会通过制定一个广为接受的LAN标准，从而保证了市场的容量，并使得不同厂商生产的设备间能够相互通信。–802.1给出了局域网的体系结构–802.2给出了逻辑链路控制子层–802.3/802.4/802.5给出了以太网、令牌总线、令牌环局域网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IEEE802委员会标准化工作局域网的物理层IEEE802参考模型的最低层对应于OSI模型中的物理层，包括以下功能：–信号的编码/解码–前导的生成/去除(该前导用于同步)–比特的传输/接收–对于传输媒体和拓扑结构的说明局域网的数据链路层•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。它们的主要功能如下: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测等字段。2.在接收时，将收到的帧解包，进行地址识别和差错检测。3.管理和控制对于局域网传输媒体的访问4.为高层协议提供相应的接口即一个或多个服务访问点（SAP），并且进行流量和差错控制。•在局域网的参考模型定义中，最后一条功能属于逻辑链路控制层(LLC)中，而前三条功能属于另外一个单独的层中，称为媒体访问控制层(MAC)LAN协议的上下层关系应用数据TCP分段MAC层LLC层IP层TCP层应用层MAC尾MAC头LLC头IP头TCP头IP数据报LLC协议数据单元MAC帧IEEE802参考和实现模型媒体IEEE802参考模型媒体物理媒体相关子层(PMD)IEEE802实现模型媒体无关子层(可选)媒体无关接口(可选)媒体访问控制MAC逻辑链路控制LLC媒体访问控制MAC逻辑链路控制LLC物理层高层协议高层协议4.2.2逻辑链路控制子层LLC•LLC层涉及到的是两个站点间链路层协议数据单元PDU的传输，在进行传输时不必有中继交换节点的参与。•LLC有两个和其它大多数链路控制协议不同的特点:1.局域网的链路是共享媒体，而且链路不是点到点的，必须支持多点访问。2.LLC包括一些有关链路访问的内容，和MAC层一道来规范对链路的访问。LLC提供的服务•LCC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、多点传送以及广播。–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•提供对数据报的确认机制，同时在进行数据传输前无需建立逻辑连接。LLCPDU•LCC为高层用户提供相应的机制来为每个站点编址，并且为两个用户间交换数据提供相应的控制。–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。DSAPSSAPControlInfo8bit8bit8bitLLC协议字段•8比特的SAP字段有2位具有特殊的含义–“全局/本地”（Global/Local）比特，它表明是由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。–另外一个“组/个体”比特用来标识该SAP指定了一组高层协议还是一个高层协议。•有效的SAP编号只有6位，全局的SAP编号非常有限–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。–对SAP进行扩展，即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LLC协议字段（续）•最早的协议类型字段采纳了和Ethernet类似的方法，占用2个八位组。但是–有人注意到，IEEE802帧的报头包含了奇数个八位组，为了使得整个报头能够按16位对齐，协议类型字段最好能占用奇数个八位组。–另外有人注意到如果协议类型字段超过3个八位组，则可以把这个字段分隔为两个部分，前面3个八位组为组织唯一标识OUI，它是站点的LAN地址（我们会在后面进行介绍，OUI标识了某个网卡制造商）的前面3个八位组，剩余的八位组则作为协议类型，这样制造商可以自己分配协议号，而不会出现冲突。–最后人们达成了一致，把协议类型字段设为5个八位组长（40比特），因为5是大于3的最小奇数。•即前面3个字节表示OUI•后面两个字节表示协议号4.2.3媒体访问控制子层MAC•媒体访问控制MAC协议决定广播链路中信道如何分配，使得对传输媒体的访问更加有序、有效，它又常常称为多路访问协议。•两个关键的参数：–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媒体访问控制技术•同步机制：采用的是信道分割协议–在电路交换中的频分多路(FDM)和时分多路(TDM)技术就属于这种同步机制–还有一种信道分割协议是码分多址CDMA•异步机制：可以进一步分为三类–时间片轮转：–预约–竞争媒体访问控制技术（续）•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•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)4.2.4网卡•局域网上的两台主机通过共享的传输媒体进行通信，必须遵循相应的数据链路层协议，因此大部分的数据链路层协议都通过一个网络硬件即网络适配器（Adapter）来实现。•适配器又常被称为网卡或者网络接口卡NIC。网卡的功能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网卡的组成部分•网卡的两个主要的部件是总线接口和链路接口，除此之外还包括缓冲区（RAM）和实现数据链路层协议逻辑的芯片或者可编程硬件。•网卡属于一个半自治单元。节点总线接口链路接口网卡网络链路网卡驱动程序•网卡驱动程序提供了通过网卡来进行数据传输的手段，使得主机的网络协议栈和网络硬件之间有一个契合点。•网卡驱动程序一般包括如下函数：初始化网卡、发送帧、中断处理程序等。•一般网卡的初始化程序包括获取CSR寄存器的地址、中断号和节点的LAN地址等，然后设置中断处理程序，启动网卡的发送和接收部件等。•中断处理程序是网卡驱动程序的一个非常重要的部分。4.2.5LAN地址•在对LAN地址进行标准化的过程中，IEEE802委员会给出的建议是可以使用48位或者16位地址•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.LAN地址（续）•LAN地址的前面24位往往被称为“厂商代号”或全球唯一标识OUI•前面24位中还有两位有特殊的含义，其中第一个字节中最低位表示“组/个体”，如果该位为0，则地址指一个特定的节点，而如果该位为1，则表示是一个组播地址。•接下来一个比特是用来表示地址是全球还是本地分配的•LAN地址书写的标准格式采用最低位在前的顺序–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0LAN地址（续）•节点收到一个单播帧之后，–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•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LAN地址（续）•对于单播和组播帧的过滤：–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；•芯片把一套组地址分为若干个组，即采用散列漏桶的方式。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漏桶，然后，芯片将发送所有信宿地址散列变换进那个漏桶的包。–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）；•几个地址散列漏桶，站点可以请求这些散列漏桶的任何子集。