介质访问控制技术和局域网

1第4章介质访问控制技术与局域网教学目标通过本章的学习，让学生掌握局域网的基本概念以及扩展性知识。本章将介绍局域网的介质访问控制技术、局域网的体系结构与协议以及目前几乎覆盖全球以太网的相关知识，同时也将介绍虚拟局域网和高速局域网等当前新的网络技术。教学内容1、介质访问控制技术；2、局域网的参考模型及协议；3、以太网；4、局域网连网及互联设备；５、虚拟局域网；６、高速局域网教学的重点和难点1、介质访问控制技术,2、IEEE802.3三种协议的比较,3、如何正确理解虚拟局域网以及其实现技术学习指导１、学生应该理解介质访问控制方式，掌握以太网的工作原理，如何发送数据、接收数据等２、学生应该理解双绞线的通信规则和制作方式3、掌握虚拟局域网的原理，并通过实验自己动手进行虚拟局域网的组建4.1介质访问控制技术介质访问子层的中心论题是相互竞争的用户之间如何分配一个单独的广播信道1、静态分配：只要一个用户得到了信道就不会和别的用户冲突。(用户数据流量具有突发性和间歇性)2、动态分配：称为多路访问或多点接入，指多个用户共用一条线路，而信道并非是在用户通信时固定分配给用户，这样的系统又称为竞争系统。动态分配方法又可以分为：随机访问，典型ALOHA协议、CSMA协议；受控访问，典型令牌网竞争系统和集中控制的多点线路轮询3、信道动态分配中的5个关键假设站模型：站独立，以恒定速率产生帧，每个站只有一个程序单信道假设(核心)冲突假设：两个帧同时传送，就会冲突，所有站点能检测到，冲突帧需重发发送时间:1.连续时间2.时隙载波检测:1.有载波侦听2.无载波侦听4.1.1争用协议1、纯ALOHA协议用户有数据要发送时，可以直接发至信道，若在规定时间内收到应答，表示发送成功，否则重发。重发策略：发送数据后侦听信道是否产生冲突，若产生冲突，则等待一段随机的时间重发，直到发送成功为止，如下图所示。冲突窗口2t22、分槽ALOHA协议把使用信道的时间分成离散的时间槽，槽长为一个帧所需的发送时间，每个站点只能在时间槽开始时才允许发送，其他过程与纯ALOHA协议相同。冲突主要发生在时间槽的起点，一旦发送成功就不会出现冲突，分槽ALOHA大幅度降低了冲突的可能性，信道利用率比纯ALOHA提高了约一倍。冲突窗口为t3、载波侦听多路访问协议CSMA载波侦听(CarrierSense)：站点在发送帧之前，首先侦听信道有无载波，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。三种方式：坚持型CSMA(1-persistentCSMA)非坚持型CSMA(nonpersistentCSMA)p-坚持型CSMA(p-persistentCSMA)(1)坚持型CSMA(1-persistentCSMA)协议思想1.站点有数据发送，先侦听信道；2.若站点发现信道空闲，则发送；3.若信道忙，则继续侦听直至发现信道空闲，然后完成发送；4.若产生冲突，等待一个随机时间，然后重新开始发送过程优点减少了信道空闲时间缺点1.增加了发生冲突的概率;2.广播延迟越大，发生冲突的可能性越大，协议性能越差(2)非坚持型CSMA(nonpersistentCSMA)协议思想1.若站点有数据发送，先侦听信道；2.若站点发现信道空闲，则发送；3.若信道忙，等待一个随机时间重新开始发送过；4.若产生冲突，等待一随机时间重新开始发送；优点减少了冲突的概率,信道效率比1-坚持CSMA高缺点:1.不能找出信道刚一变空闲的时刻2.增加了信道空闲时间，数据发送延迟增大3.传输延迟比1-坚持CSMA大(3)p-坚持型CSMA(p-persistentCSMA)协议思想1.若站点有数据发送，先侦听信道；32.若站点发现信道空闲，则以概率p发送数据，以概率q=1-p延迟至下一个时间槽发送。若下一个时间槽仍空闲，重复此过程，直至数据发出或时间槽被其他站点所占用3.若信道忙，则等待下一个时间槽，重新开始发送4.若产生冲突，等待一随机时间，重新开始发送折中方案：既能像非坚持型CSMA那样减少冲突，又能像1-坚持型CSMA那样减少媒体空闲时间的，适用于分槽信道(4)三种CSMA协议的比较监听信道信道忙YN发送数据等待随机时间（a）不坚持CSMA（b）1坚持CSMA监听信道信道忙YN发送数据Y监听信道信道忙I≤P选择I（0～1）YNN发送数据等待随机时间（c）P坚持CSMA4、带冲突检测的载波侦听多路访问协议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4CSMA/CD协议流程图CSMA/CD工作状态分三个周期：传输周期、竞争周期和空闲周期5、二进制指数退避算法—确定等待的随机时间当站点发生第1次冲突,等待0~21-1个时间片。当站点发生第2次冲突,等待0~22-1个时间片。依此类推，当站点发生第n次冲突，在n≤10时，等待0~2n–1个时间片；n≥10后，等待0~210个时间片当站点发生冲突的次数达到第16次时，将放弃该数据帧的发送4.1.2令牌环介质访问控制技术1、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TokenRing作为它的LAN技术。2、令牌环的结构由一系列环接口和这些接口间的点到点链路构成的闭合环路，各站点通过环接口连到网上。令牌环iMaciMaciMaciMac网络接口卡令牌环网端口内部线路环接口的两种操作模式53、令牌帧和数据帧的格式IEEE802.5令牌环的MAC帧有两种基本格式：令牌帧和数据帧令牌帧1.SD(JK00JKOOO)和ED(JK11JK111)标志着帧的开始和结束，用差分曼彻斯特编模式(J和K的中间没有跳变)2.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；数据帧1.访问控制字段AC，包括令牌位、监视位、优先级位和保留位；2.帧控制字段FC用于将数据帧和控制帧区分开和进行环的维护。前两位为”00”：表示此帧为控制帧；后六位为“000011”：表示一个新的站点试图成为新的控制帧1.帧状态字段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6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4、令牌环介质访问控制协议使用一个特殊的令牌帧，当某个站点有数据帧要发送时，必须等待标记为空的令牌帧到来，将令牌帧的空标记改为忙，并将数据帧发送到环上。发送的数据帧在环上循环的过程中，所经过的环上的各个站点都将帧上的目的地址与本站点的地址进行比较，若不等则直接传给后面的站点，若相等则将帧复制接收，然后继续传给后面的站点。发送的数据帧在环上循环一周后再回到发送站，由发送站将该帧从环上移去，同时将令牌的忙标记改为空标记，传给后面的站。空令牌帧在环上循环，经过某站点时，若该站点有数据帧要发送则重复上述过程，若该站点没有数据帧发送则直接将令牌帧传给下一个站点5、令牌环的维护需要对令牌环进行维护的情况1.站点发送帧，帧未返回到该站点前该站点崩溃：产生了一个不能移去的帧(无主帧)2.站点接收帧或令牌后就崩溃：环上没有令牌通过监控站和帧控制字段来完成对令牌环的维护1.设置监控站，对新帧监控位设置为0，帧通过监控站时，将监控位改为1，如该帧再通过监控站(表明是不能移去的帧)，移去并产生一个新令牌2.监控站设置计时器，只要监控站发送一个帧或令牌，就启动计时器，超时(帧或令牌丢失)，则产生一个新令牌6、令牌环的工作举例74.1.3令牌总线访问控制技术CSMA/CD介质访问控制采用总线争用方式，具有结构简单、在轻负载下延迟小等优点，但随着负载的增加，冲突概率增加，性能将明显下降TokenRing具有重负载下利用率高、对距离不敏感以及具有公平访问等优越性能，但环形网结构复杂，存在可靠性等问题令牌总线是综合了以上两种机制的优点而形成的一种介质访问控制方法，IEEE802.4提出了相关标准：令牌总线(TokenBus)介质访问控制方法1、令牌总线局域网的结构物理结构是总线的，逻辑结构是环型的。每个站点都有一个逻辑标识/地址，逻辑环中各站点根据其地址由大到小有序排列，序列中最后一个站点与第一个站点逻辑相邻，每个站点都知道它的前趋站和后继站的逻辑标识iMaciMaciMaciMaciMacABCDE逻辑环8应用于工厂自动化和过程控制及需要实时处理的场合2、令牌总线局域网的帧格式4.2局域网的参考模型及协议局域网的特点特点：1.地理分布范围较小；2.误码率低，一般在10-11-10-8以下；3.以PC机为主体，数据传输速率高类别：1.普遍应用的局部区域网LAN2.采用电路交换技术的局域网，称计算机交换机CBX(ComputerBranchExchange)或专门小交换机PBX(PrivateBranchExchange)3.新发展的高速局域网HSLN(HighSpeedLocalNetwork)常用的拓扑结构：总线型、环型、星型局域网体系结构介质访问控制子层MAC(MediaAccessControl)数据的封装与解封，包括成帧、寻址和错误检测；介质访问管理，包括介质分配和冲突解决。它是一种控制使用通信介质的机制，它是数据链路层协议的一部分。下图是MAC子层功能结构图逻辑链路控制子层LLC(LogicalLinkControl)向高层提供一个或多个访问点LSAP，用于同网络层通信的逻辑接口，主要执行OSI基本数据链路协议的大部分功能和网络层的部分功能，如帧的收发、差错控制、流量控制、帧同步。94.2.1局域网的参考模型局域网各层的主要功能物理层：提供发送和接收信号的能力，包括对宽带频道的分配和对基带信号的调制等介质访问控制子层MAC：实现帧的寻址和识别、数据帧的校验以及支持LLC层完成介质访问控制逻辑链路控制子层LLC：规定了无连接和面向连接的两种连接服务4.2.2IEEE802协议IEEE802.1A—体系结构IEEE802.1B—网络互操作IEEE802.2—逻辑链路控制LLCIEEE802.3—CSMA/CD访问控制及物理层技术规范IEEE802.4—令牌总线访问控制及物理层技术规范IEEE802.5—令牌环访问控制及物理层技术规范IEEE802.6—城域网访问控制及物理层技术规范IEEE802.7—宽带网访问控制及物理层技术规范IEEE802.8—光纤网访问控制及物理层技术规范IEEE802.9—综合话音数据访问控制及物理层技术规范IEEE802.10—局域网安全技术IEEE802.11—无线局域网访问控制及物理层技术规范IEEE802.12—优先级高速局域网访问控制及物理层技术规范IEEE802.13—100M高速以太网IEEE802.14—电缆电视网4.3以太网IEEE802.3标准是一个介质访问控制协议，它适用于采取1-持续CSMA/CD的局域网以太网：802.3标准的一个具体产品，总线拓扑，采取CSMA/CD协议。优点：传输速率高、网络软件丰富、安装连接简单、使用维护方便，目前已成为国际流行的局域网标准之一。4.3.1IEEE802.3帧格式前导长度…数据…填充字段校验和开始标志目的地址源地址712或62或620～15000～464字节1、IEE