第 4 章 计算机局域网络

4.1 局域网概述

LAN 的特点 地域范围小 传输速率高 / 误码率低 由单位 / 部门掌控 着重共享信息的处理

4.1 局域网概述

局域网关键技术 拓扑结构

星形 环形 总线型

4.1 局域网概述

局域网关键技术 传输形式

基带 ( 主要传输形式 ) 宽带 ( 无线局域网中采用 )

4.1 局域网概述

局域网关键技术 介质访问控制方法

网络中的多个站点如何共享通信媒体 固定分配 / 按需分配 / 适应分配 / 探

询访问 / 随机访问 CSMA/CD CSMA/CA Token Passing

4.1.3 局域网体系结构

参与制定标准的机构 IEEE802 美国电气与电子工程师协会 ECMA 欧州计算机制造厂商协会 IEC 国际电工委员会

IEEE802 标准简介

应用层

传输层

网络层

数据链路层

物理层

高层协议LLC 逻辑链路控制子

层MAC 介质访问控制子

层介质相关接口

OSI 参考模型 IEEE802 LAN 参考模型

IEEE802 标准的组成

802.10

安全和保密

802

概述及体系结构

802.1

网络管理

802.3

CSMA/CD

802.4

Token Bus

802.5

Token

Ring

802.6

MAN

802.9

IISLAN

802.11

WLAN

802.12

DPAM

802.3

物理层802.4

物理层802.5

物理层802.6

物理层802.9物理层

802.11物理层

802.12物理层 物理层

802.2 逻辑链路控制

802.1 桥接

MAC

LLC

网际互连

IEEE802 系列中各标准之间的关系

4.2 介质访问控制方法

IEEE802 标准规定了 LAN 中常用的介质访问控制方法 :IEEE802.3 CSMA/CD

IEEE802.4 Token Bus

IEEE802.5 Token Ring

4.2.1 CSMA/CD

载波监听多路访问 / 碰撞检测随机访问的争用型技术[ 先听后讲，边讲边听 ]

如何访问共享介质 + 如何解决冲突 判断信道忙 ( 闲 )

1 载波侦听多路访问 CSMA

基本的 CSMA 介质访问控制方法1) 发送前监听总线2) 若介质空闲 , 则可以发送3) 若介质忙 , 则等待一定间隔时间后重试

" 等待一定间隔时间 " 称为坚持退避

1 载波侦听多路访问 CSMA

坚持退避算法

2 带冲突检测的 CSMA/CD

CSMA 冲突

2 带冲突检测的 CSMA/CD

1) 若介质空闲则发送2) 若介质忙则继续监听 , 一但空闲立即发送3) 发送同时继续监听是否发生冲突 , 若发送

期间检测到冲突 , 立即停止发送 , 并向介质发送一串阻塞 (JAM) 信号以强冲突

4) 发送了 JAM 信号后等待一段随机时间 ,转步骤 1) 重试

CSMA/CD

发送时产生冲突 , 所有站停止发送 , 提高了总线利用率

冲突检测是否需要在整个发送过程中一直进行 ?

冲突检测的定时

单程端到端的信号传播时延 = a

2a 时间长度称为“争用时隙”或“时间槽”同轴电缆： 1km ，电磁波传输时延约 5μs

2a 的时间内进行冲突检测，这后无需检测

设网络跨距为 S, 传输速率为 R, 发送的最小帧长度为 Fmin, 时间槽与 S 有关 , 故三者关系

Fmin=k x S x R

CSMA/CD

10Mbps 以太网时间槽长度为 51.2us, 一个时间槽可发 512bit (64B), 冲突一定在 64B 内可能发生。

凡长度小于 64B 的帧都是无效帧 为让站点能检测到介质空闲，帧与帧之

间的间隙到少应为 96bit 的时间， 10M网中为 9.6us ，称为帧间间隔 IFS

CSMA/CD 中的退避算法

截断二进制指数算法1) 确定基本退避时间 T ，一般 T=2a2) 定义一个参数 k （重传次数 , 不超过10),k=min( 重传次数 ,10)

3) 从离散整数集合 [0,1,..,(2k-1)] 中随机取一个数记为 r, 重传前需要延尺的时间就是r 倍的基本退避时间 , 即 rT

4) 重传 16 次仍不能成功 , 则丢弃该帧 .

CSMA/CD 发送流程

CSMA/CD 接收流程

IEEE802.5 Toking Ring 令牌环

IEEE802.5 Toking Ring 令牌环

4Mbps 16Mbps

IEEE802.5 Toking Ring 令牌环

PPPMRRR

AC00AC0E

访问控制字节

PPPTMRRR 八个 Bit T 为令牌标志位 0: 令牌 1: 数据 M 为监控位

发送帧时该位为 0 监控站将其设置为 1 或监控站收到该位为 1 的帧则将该帧取下，

以免出现“列循环的帧”

帧状态字节

AC00AC0E 为提高可靠性 A 、 C 标志有两个备份 A 目的地址被识别标志 C 接收站成功接收数据标志

4.3 传统以太网 以太网的产生和发展

Xerox 70年代 Ethernet( 以太网 ) DEC 和 Intel 的加入 DIX 　－ 1980年 DIX 1.0 DIX 2.0 IEEE802.3 -- 1982

IEEE802.3 DIX Ethernet II

物理层选项帧首部第 13,14位外部收发器测试

同轴电缆 ,UTP,光缆数据字段长度SQE 测试

同轴电缆网络层协议代码"心跳 " 测试

以太网标准的发展

802.3 1985 10Mbps 10BASE5粗缆802.3a 1985 10Mbps 10BASE2细缆802.3i 1990 10Mbps 10BASE-T双绞线802.3j 1993 10Mbps 10BASE-F光纤802.3u 1997 100Mbps 100ASE-T快速以太

网802.3z 1998 1000Mbps 1000BASE-X

802.3ab 1999 1000Mbps 1000BASE-T

802.3ae 2002 10Gbps 10GBASE-X/R/W

4.3.2 以太网物理层选项

< 速率 > < 信号方式 > <最大长度 / 介质类型 >

10BASE5/10BASE2/10BASE-T/10BASE-F

10BASE-TX

IEEE802.3 帧格式

前导码

帧起始限界

目的地址 源地址

Data 域的长度

填充　　帧校验序列

MAC 地址

6Byte (48 bit) 前 3 个字节为机构标识 , 后 3字节为厂

商指定

MAC 地址的类别

单播地址 广播地址

FF-FF-FF-FF-FF-FF 多播地址

发送给一组计算机

仅 DA 才能使用广播和多播

10Mbps 以太网 - 10Base-5

10Mbps 以太网 - 10Base-5

端接器

中继器

端接器

外部收发器

多端口外部收发器 粗缆

10Mbps 以太网 - 10Base-2

10Mbps 以太网 - 10Base-2

Ｔ头　　　　细缆

10Mbps 以太网 - 10Base-T

PCMCIA 网卡 ( 便携机用 )

HUB

轻巧 , 安装密度高 , 适于建筑物内部的网络布线系统

容错能力好 容易定位故障点

10BASE-T 链路测试机制

正常链路测试脉冲 NLP Normal Link Pulse 每隔 16ms 发送一次 50~150ms未收到则进行 " 链路失败 "状

态 ,禁止数据发送 \ 接收等功能

主要部件

网络接口卡 ( 网卡 / NIC ) 集线器 双绞线电缆 RJ-45 连接器 (水晶头 )

计算机 -集线器大长 100m 最大规模 1023台工作站 最多串联四台集线器 网络跨距最远 500m

10Mbps 以太网 - 光纤

FOIRL 光纤中继器间链路 10BASE-F

10BASE-FL 10BASE-FB 10BASE-FP

全双工以太网

全双工的基本要求 发送和接收信道使用分离的网络介质 每两个站点间配备专用链路 网卡和交换机支持全双工运行

局域网扩展

物理层上扩展 中继器

数据链路层上扩展 网桥 / 交换机

网络层上扩展 路由器

高层上扩展 网关 / 代理服务器

快速以太网

IEEE802.3u 100Base – TX 5类无屏蔽双绞线 100Base – FX 光纤介质 100Base – T4 Cat 3 UTP (4对线 ) 100Base – T2 Cat 3 UTP (2对线 )

100VG-AnyLAN (IEEE802.12)

100BASE-T 与 10BASE-T 异同(1) 介质无关接口（MII）(2) 协调子层（ RS）

D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8

D0

D1

D2

D3

数据速率 25M / 2.5M

连接距离 0.5 米

100BASE-T 与 10BASE-T 异同

(3)10/100Mbps双速自适应仅限双绞线介质

(4) 两种中继规范

编 /译码器 编 /译码器收发器 收发器

I 型中继

收发器 收发器

II 型中继

100BASE-T 与 10BASE-T 异同

(5) 全双工操作

(6)不再支持同轴电缆和总线型拓扑结构支持 UTP ， STP ，光纤

100BASE-TX

UTP / 100米 采用 4B/5B编码

32 个编中取 16 个，余下作为控制 100Mbps 数据率， 125MHz 信号频率 对发送编码进行扰码 每 5B编码编成一个 MLT-3三进制电平码

100BASE-TX 发送编码过程

半位元组

5 位数据

4B/5B编码器

4 位数据

并 / 串转换扰码器

100BASE-FX125Mbps NRZI

MLT-3

31.25MHz

100BASE-FX

采用两根独立的光纤 不使用中继，最长 412米 若用全双工，可达 2km

100BASE-T 的自动协商机制

正常链路测试脉冲 (NLP) 快速链路脉冲（ FLP）突发序列

16±8ms

正常链路脉冲 NLP 10M

16±8ms 16±8ms

快速链路脉冲 FLP 100M

16±8ms 16±8ms

2ms

奇数编号为时钟脉冲，偶数编号为数据脉冲16 位的链路代码字 LCW 用于标识自身的技术能力

· 100BASE-T2 全双工· 100BASE-TX 全双工· 100BASE-T2 半双工· 100BASE-T4

· 100BASE-TX 半双工· 10BASE-T 全双工· 10BASE-T 半双工

100BASE-T 中的中继器

I 型：可支持所有介质 II 型：支持相同编码的介质

千兆位以太网 Gigabit Ethernet

1996 IEEE802.3z 550m MMF 5000m SMF 25m 铜缆 100m UTP

1999 IEEE802.3ab 5 类 UTP

8B/10B编码

GE 中的 MAC 操作特点

半双工时必须进行冲突检测 最小帧长 64B 时间槽长度扩展 到 512B(4096b)

＂载波扩展＂技术

发送帧长度小于 512B 时紧接着发送一个载波扩展信号 , 将发送长度扩展到 512B

7 1 6 6 2 46~1500 4 0~448

前导码 帧首定界符

DA SA 类型 /长度

数据 /填充 帧校验

载波扩展

帧校验范围

最小 64B(最小帧长 )

最小 512B( 时间槽长度 )

载波持续长度

载波扩展技术 :不增加最小帧长 , 保持100m跨距 , 但增加了短帧的发送时间 若帧长为 64B,实际发送 512B 速度增加了 10 倍 , 发送时间增加 8倍 网络性能大大降低

" 帧突发 " 技术 Frame Bursting

连续发送多个短帧 帧间间隔 IPG 用载波扩展位填充 96b 突发长度上限 65536b 8192B

帧 1 RRRRRRRR 帧 2 RRR 帧 3 RRR 帧 4

载波侦听

发送

时间槽 512B突发上限 8192B

载波扩展IPG IPG IPG

全双工方式下 ,GE不采用 CSMA/CD协议 , 无需进行载波扩展

帧突发技术的效率

GE 物理层技术

1000BASE-SX 短波激光 / 多模光纤 /550m 或 220m

1000BASE-LX 长波激光 / 多模 550m 或 220m/ 单模 5km

1000BASE-CX 2对屏蔽铜缆 ,最大 25m

1000BASE-T 4 对 5类双绞线 ,100m

1000BASE-T

4D-PAM5编码技术 , 8bit 转换为 4 个五制符号同时在 4对线上传输

每对线 250Mb/s 1000BASE-T只支持全双工操作

千兆网的应用

主干网 (Switch-Switch) 服务器或高性能工作站 园区网的主干 建筑物间的内部主干 多机系统间 连接服务器集群 Cluster

万兆位以太网 10 GE

2002 IEEE802.3ae 保持了以太网的帧格式 ,最小帧长 仅能在全双工 802.3an 10GBASE-T

光纤分布式数据接口 FDDI

100Mbps 传输数率 200KM 最多 1000台设备 主要用于主干网

FDDI 　双环结构

单端口连接站集中器

MIC

FDDI 介质访问控制

与 Toking Ring 相似 FDDI允许发送站在发送完一帧之后，

立即发送一个空令牌，效率更高

高度可靠性和容错能力

无线局域网 WLAN

结构化综合布线