计算机网络-技术(4)

第4章局域网本章节主要知识点•局域网基本概念•介质访问控制方法•以太网•高速以太网快速以太网，千兆以太网，交换式以太网•数据链路层交换技术1)网桥2)网络互联设备3）虚拟局域网VLAN•无线局域网4.1局域网基本概念•局域网产生的原因80年代，微型机发展迅速，小区域内的计算机需要共享资源、相互通信•局域网特点高数据传输率（10～1000Mbps)短距离（0.1～10km)低出错率（10－8～10－11）模型-IEEE802拓扑介质访问控制4.1.1局域网的IEEE802系列标准•IEEE802协议：定义了若干种局域网LAN,包括对物理层、介质访问控制MAC子层的定义和描述组成：•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采用令牌总线技术的局域网(通用汽车公司提出）•802.5采用令牌环技术的局域网（IBM局域网体系结构，在IBM的一些站点仍在使用，以外几乎不再使用）如何构建一个底层网络？802标准在网络体系结构中的位置LAN的参考模型1）物理层主要功能•信号的编码与译码•比特的传输与接收2）MAC子层主要功能：•成帧与拆帧•比特差错检测•寻址•竞争处理3）LLC子层主要功能不同网络类型有不同的介质访问子层，LLC层是为了掩盖不同网络之间的差别，以同一格式为网络层提供服务逻辑链路控制子层LLC1）LLC提供三种服务•不确认的数据报服务（以太网，支持单播，组播和广播）•有确认的数据报服务（重要且高实时性，802.4）•可靠的面向连接服务（虚电路，只支持单播通信）2）LLC帧结构基于HDLC有效SAP地址（代表网络层的通信进程）为128个（最低位另有作用）目的地址最低位：0－单个地址；1－组地址;全为1表广播组地址表示数据要发往某一特定站的一组服务访问点源地址最低位：0－命令帧；1－应答帧3）如果在LLC层需要可靠连接，则LLC帧头还包含了控制域，控制域中包含了序列号和确认号介质控制子层MAC•MAC：mediumaccesscontrol•MAC层的功能一般由硬件－网卡完成4.1.2局域网拓扑结构•决定局域网性能的三要素网络拓扑传输介质介质访问控制方法拓扑构型－总线型•介质访问控制方法采用的是“共享介质”方式•所有节点都连接到一条作为公共传输介质的总线上•所有结点都可以通过总线传输介质以“广播”方式发送或接收数据•因此出现冲突collision是不可避免的，冲突会造成传输失败•必须解决多个结点访问总线的介质访问控制问题拓扑构型－星型结构化布线技术的发展，物理结构由总线型转向星型。交换式局域网switchedLAN的物理结构拓扑构型－环型•结点使用点到点线路连接，多个结点共享一条闭合的环通路•环中数据沿着一个方向绕环逐站传输•环建立、维护、结点的插入和撤出4.2介质访问控制技术计算机网络分类：点到点网络（pointtopoint)和广播网络(broadcasting)•点到点网络一个发送者（sender）/一个接收者（receiver）主要用于广域网•广播网络(传统的以太网）又称为(多路访问信道，随机访问信道，共享信道）的网络多用于局域网。有许多发送者和接收者；访问共同媒体；需要寻址广播网络的关键问题：如何解决对信道争用共享信道举例：卫星信道，多点电话，无线电，传统以太网4.2.1共享信道的访问控制分类1、静态分配•频分多路复用FDM原理：将频带平均分配给每个要参与通信的用户•时分多路复用TDM原理：每个用户拥有固定的信道传送时槽•静态分配的优缺点优点：适合用户少，数目基本固定，各用户的通信量比较大的情况缺点：无法灵活的适应站点数及其通信量的变化共享信道的访问控制分类2、动态分配（多点访问）•随机访问：网上各站点都可以根据自己的意愿随机的访问信道，两个或两个以上站点同时发送信息会产生冲突典型网络：以太网•受控访问：每个时刻网上只有一个站点发送信息集中式控制（多点轮询polling），分散式控制（令牌环网）4.2.2以太网：CSMA和CSMA/CD•载波监听多路访问协议CSMA：carriersensemultipleaccessprotocols,是在ALOHA协议的基础上提出来•主要区别：增加了一个载波监听协议（发送前监听）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。•根据载波监听策略的不同，主要分为：非坚持型CSMA1－坚持型CSMAP-坚持型CSMA非-坚持型CSMA•非坚持：一旦监听到信道忙，就不再监听下去，而是延迟一段随机时间后重新再监听•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1-坚持型CSMA•坚持：在监听到信道忙时，仍坚持听下去，一直监听到信道空闲，立即以1概率发送•优点：减少了信道空闲时间•缺点：增加了发生冲突的概率p-坚持型CSMA•适用于分隙信道•以概率为P的可能性发送数据，以概率1－p延迟下一个时隙•可以根据信道上通信量的多少设定不同的p值，因而可以提高信道利用率5种多路访问协议性能比较带冲突检测的CSMA－－CSMA/CD•引入原因：1）传播时延使得CSMA仍会产生冲突•电磁波在1km同轴电缆的传播时延约为5us•当侦听到闲时，可能其它站已在发送信息而信号在介质上还未传到本站的物理位置，此时站点误认为“闲”•传播延迟越大，发生冲突的可能性越大，协议性能越差CSMA/CD工作状态•传输周期、竞争周期、空闲周期•问题：一个站点确定发生冲突要花多少时间？将竞争周期分成若干个时隙，在一个时隙内侦听都没有冲突，那么就进入了一个传输周期Q1最大冲突检测时间•冲突检测时间是指某一站从开始发送一帧开始到发现有冲突发生的一段时间。网络的最大冲突检测时间通常是网络端到端传播时延的两倍（2）。CSMA/CD原理•原理：1）站点使用CSMA协议进行数据发送（以太网采用1坚持型）2）站点边发送边监听，并在监听到冲突之后立即停止发送3）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4）在发出干扰信号后，等待一段随机时间，再重复上述过程帧间最小的间隔为9.6us，相当于96比特时间Q2争用时间片长度和最短帧长争用期长度•以太网IEEE802.3取51.2s为争用期的长度。•对于10Mb/s以太网，在争用期内可发送512bit，即64字节。•以太网在发送数据时，若前64字节没有发生冲突，则后续的数据就不会发生冲突。为什么需要规定最短有效帧的长度？为了保证帧的正确传输，必须保证冲突信号返回时数据帧还没有发送完毕。•如果发生冲突，就一定是在发送的前64字节之内。•由于一检测到冲突就立即中止发送，这时已经发送出去的数据一定小于64字节。•以太网规定了最短有效帧长为64字节，凡长度小于64字节的帧都是由于冲突而异常中止的无效帧。Q3发现冲突后的随机等待时间以太网检测到冲突并发送完冲突信号后要回避等待一段随机时间，然后进行重试•如果限定值太大，随机等待的时间也会很长，从而导致过长的空闲时间•如果限定值太小，发生冲突的站点不会等待很长的时间，但由于可供选择的时隙次数少了，再次冲突的几率也将随之增大如何确定理想的等待时间呢？IEEE802.3--截止二进制指数退避算法截止二进制指数后退延迟算法•截止二进制指数后退延迟算法τ＝2k·R·a其中：τ为结点重新发送需要的后退延迟时间，a为争用期值，R为随机数;•限定k的范围,k=min（n，10）;如果重发次数n10，则取k=n；如果重发次数n≥10时，则k取值为10;•第n次重发延迟是分布在0与[2min（n，10）-1]个时间片之间，最大可能延迟时间为1023个时间片（时隙＝争用期时间）;•在到后退延迟时间之后，结点将重新判断总线忙、闲状态，重复发送流程;•当冲突次数超过16时，表示发送失败，放弃该帧发送。举例在一个时间片的起始处，两个CSMA/CD站点同时发送一个帧，求前4次竞争都冲突的概率？•第一次竞争冲突的概率为1，因为A,B都要在0时间片发送•第一次冲突后，A,B都将等带0个或1个时间片选择。选择组合为：00，01，10，11共4种，00和11将再次冲突，所以第二次竞争时，冲突概率为0.5•第二次冲突后，A,B都将在0，1，2，3之间选择，选择组合有00，01，02，03，10，11，12，13，20，21，22，23，30，31，32，33共16种，其中00，11，22，33将再次冲突，所以第三次竞争，冲突概率为0.25•第三次冲突，将有64种组合，其中8种将再次冲突，冲突概率为0.125。•前四次竞争都冲突的概率为1×0.5*0.25*0.125=0.015625结论1）使用CSMA/CD协议，一个站不可能同时进行发送和接收，只能采用半双工通信2）高速局域网中取向不使用CSMA/CD的全双工方式例题1•某CSMA/CD基带总线网长度为1000m，信号传播速度为200m/μs,假如位于总线两端的站点在发送数据帧时发生了冲突,试问:①该两站间信号传播延迟时间是多少?②最多经过多长时间才能检测到冲突?解答：①该两站间时延a=1000m/200(m/μS)=5μS②冲突检测时间=2a=2×5μs=10μs例题2•长2Km、10Mbps的基带总线LAN,信号传播速度为200m/μs,试计算:①128个字节的帧从发送开始到接收结束的最大时间是多少?②若两相距最远的站点在同一时刻发送数据,则经过多长时间两站发现冲突?解答：①128×8bit/10Mbps+2000m/200(m/μs)=102.4μs+10μs=112.4μs②2000m/200(m/μs)=10μs例题3•1km的基带以太网,速率达1Gbps,为保证冲突的可靠检测,需保证最起码的帧长度为多少?(设传播时延为5μs/km)解答：最短数据帧长=2*任意两站间的最大距离(m)/200(m/μs)*数据传输速率(Mbps)=2×1000/200×1000=10000bit4.3以太网•以太网的发展的3个重要阶段1）以太网的诞生－－1975年，以电磁学中电磁波发现的重要的假设称为“以太”这个词来命名这个网络2）第一个技术规范－1980年，企业规范DIX规范。DEC:发明方INTEL:推动方XERO:专利方3）第一个技术标准－1985年82－草案85－正式标准以太网成功的原因：以太网和IP生来绝配1）变长分组2）无连接传输。基本属性完全匹配DIX与802.3•1985年802.3标准对DIX作了一些修改，带来了灾难性的后果。使得DIX与802.3承载IP有相当的差异。•两种对IP的承载方式不同：802.3－1985：只能装LLC－SNAP—IP（原因：802标准架构的规定是按照LLC为中心）DIX－MAC上直接承载IP面对IP大潮，802架构面临困境－－如何做？1）维持原来的架构2）顺应IP大潮，恢复DIX规范的多承载性以太网成功的原因：以太网和IP生来绝配1）变长分组2）无连接传输。基本属性完全匹配以太网的帧格式的变迁4.3.1802.3采用的电缆标准•粗同轴电缆（10Base5），100个节点，AUI接口（不使用）10－数据传输速率10MbpsBase-基带传输5－电缆的最大长度500m•细同轴电缆（10Base2）,30个节点，BNC接口和T型头（实际185m)•双绞线（10Base-T）,RJ-45接口T－双绞线星型网，每个站到集线器Hub100mIEEE802.3局域网标准4.3.2以太网帧格式目前，有四种不同格式的以太网帧在使用，它们分别是：•EthernetII即DIX2.0：Xerox与DEC、Intel在1982年制定的以太网标准帧格式。Cisco名称为：ARPA。•Ethernet802.3raw：Novell在1983年公布的专用以太网标准帧格式。Cisco名称为：Novell-Ether。•Ethernet802.3SAP：IEEE在1985年公布的Ethernet802.3的SAP版本