网络与通信技术 第三章(2)

交换式局域网
• 局域网交换机工作原理
– 局域网交换机（此处指第二层的网络交换机） 的原理很简单,它是依据第二层的地址传送网络 帧。第二层的地址又称硬件地址（MAC地址）， 第二层交换机通常提供很高的吞吐量（线速）、 低延时（10μｓ左右），每端口的价格比较经 济。第二层的交换机对于路由器和主机是“透 明的”，主要遵从802.1d标准。
CSMA/CD 带冲突检测的载波监听多点访问
• CSMA只能减少冲突但不能避免冲突，原因 是（1）当两个以上的站同时检测到信道空 闲时，均会发送数据，则必然冲突；（2） 当一个站已经发出信号，但由于信号在媒 体上的传输延迟，未能及时到达远方的站， 此时远方的站检测到的信道空闲是不真实 的。
冲突产生示意
ALOHA
• 由美国夏威夷大学在20世纪70年代发明， 最早用在无线局域网。
ALOHA
• 工作原理：站点只要产生帧，就立即发送 到信道上；规定时间内若收到应答，表示 发送成功；否则重发 • 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
• 万兆以太网
– 2002年6月12日802.3以太网标准组织批准了 10G以太网标准的最后草案。
• 万兆以太网的特点
– 万兆以太网的帧格式与10Mb/s、100Mb/s和 1000Mb/s的帧格式完全相同 – 万兆以太网仍然保留了802.3标准对以太网最小 帧和最大帧长度的规定。这就使得用户在将已 有的以太网升级时，仍便于和较低速率的以太 网进行通信。 – 由于数据传输速率高达10Gb/s，因此万兆以太 网的传输介质不再使用铜质的双绞线，而只使 用光纤。它使用长距离的光收发器与单模光纤 接口，以便于能够在广域网和城域网的范围内 工作。它也可以使用较便宜的多模光纤，但传 输距离限制在65~300m。
– 万兆以太网只工作在全双工方式，因此不存在 争用问题。由于不使用CSMA/CD协议，这就 使得万兆以太网的传输距离不再受冲突检测的 限制。 – 标准中采用了局域网和广域网两种物理层模型， 从而使以太网技术方便被引入广域网中，进而 使LAN、MAN和WAN网络可采用同一种以太网 网络核心技术。这样，也方便对各网络的统一 管理和维护，并避免了繁琐的协议转换，实现 了LAN、MAN和WAN网络的无缝连接。
例题
• 在200kbps的共享信道上采用纯 ALOHA协议传输数据，帧长为 200bit。使传输不产生碰撞的要 求是什么？ • 解：
– 帧平均传输时间Tfr： 200bit/200kbps=1ms； – 碰撞（脆弱）时间：2*Tfr=2ms
– 当A站开始发送前1毫秒钟以 内有其他站发送帧，则肯定 在A站开始发送帧时有冲突。 当A站开始发送帧后1毫秒内， 如果有其他站发送帧，也必 然会冲突。
• 冲突依然可能 存在的原因是 因为传播的延 迟。一个站点 之侦听到介质 处于空闲状态， 可能是因为其 他站点的传播 信号还没有到 达该站点。
CSMA/CD
• 目前以太网使用的协议
– 在发送数据的同时要监视是否发生了冲突。
• 电缆上的信号分为三种状态：无信号、正常信号和 近似正常信号2倍的信号，分别对应为信道闲、无冲 突信号和冲突信号
TB:退避时间， 即每次冲突后， 随机等待的时间；
Tfr：帧的平均 发送时间； K：碰撞次数 Kmax：允许的 最大碰撞次数
二进制指数退避算法
碰撞16次后退 出发送
• 随着冲突次数增加，R的取值范围成指数增加，即随机等 待时间TB增加，这样可减少碰撞概率。例如有100个站， 首次发送就产生了碰撞，k=1，则R只能取0和1，若平均 有一半站取0，另一半站取1，那么下一次将有50个站争用 信道，成功的概率很小。但若k=5，则R将在[0，31]范围 内取值，平均取同一等待时间的站的数目变成100/32=3。 3个站再次碰撞的机会将大大减少。 • 碰撞增多时可以靠加大延迟等待的时间减少冲突。但，随 着k的增加，发送的帧的延时也增大。因此，协议规定， 当k增大到10以后，R的取值范围不再按指数增加。即对 于k=11~15，R的取值与k=10时一样。
– 监听到信道忙时仍继续监听，直到信道空闲，一听到 信道空闲就立即发送数据（以概率1发送）
• 非持续CSMA（或不坚持）
– 一旦监听到信道忙，就不再监听；延迟一个随机时间 后再次监听。
• p-持续CSMA（或p-坚持）
– 监听到信道忙时仍继续监听，直到信道空闲，听到信 道空闲时，以概率p发送数据（以概率1-p延迟一段时 间后再发送 ）
载波侦听多路访问
• ALOHA协议中，每个站在发送数据时不考 虑信道的状况，带有很大的盲目性。 • CSMA协议中，每个站在发送数据之前，首 先侦听（检查）信道，若信道忙，则暂不 发送，若信道闲，就发送。
– 载波侦听：检测信道上是否有发送的信号。附 加硬件装臵，每个站点在发送数据之前要监听 信道上是否有数据在传送。若有，则此站暂停 发送，等待一段时间后重试。
• Preamble : 前同步码，7个字节- 10101010…序列，用于 使接收方与发送方同步 • SFD : 帧首定界，1个字节 – 10101011，帧开始标志 • DA: 目的地址 -- MAC 地址，物理地址 • SA: 源地址 -- MAC地址，物理地址 • LEN:数据长度（数据部分的字节数）（0-1500B） 大于1536，表示Type（类型），表明上层协议的类型 • LLC PDU+pad -- 最少46字节, 最多1500字节（超过则多 帧） pad 填充字段，若帧长不足46字节，需要填充 • CRC : 帧校验序列（ CRC-32 ）
• 局域网举例
– 以太网 – 数据链路层协议举例 – 快速以太网、千兆以太网、万兆以太网 – 交换式局域网
以太网
• 以太网Ethernet是Digital Equipment (DEC) 、 Intel(英特尔)和Xerox(施乐)三家公司开发的 局域网组网规范，并于80年代初首次出版， 称为DIX1.0。1982年修改后的版本为 DIX2.0。 这三家公司将此规范提交给 IEEE(电子电气工程师协会)802委员会，经 过IEEE成员的修改并通过，变成了IEEE的 正式标准，并编号为IEEE802.3。
802.3 媒体访问
802.4 媒体访问
802.5 媒体访问
802.6 媒体访问
媒体访问控制MAC
物理层
物理层
物理层
物理层
物理层
• LLC定义了一个协议数据单元（PDU），它在一定程度上 与HDLC相似。头部包含的控制字段就像HDLC中的一样； 这个字段用以流量控制和差错控制。另两个头部字段界定 了使用LLC的源和目的地的上层协议。称为目的业务接入 点（DSAP）和源业务接入点（SSAP）。当上层有多个 协议时，数据链路层为其上层提供服务时，必须标明是上 层哪一对实体之间的通信。
– 最小帧长
• 帧的最小长度限制，保证发出站必须在它发送的帧 尚未结束之前检测到碰撞才有意义。否则，发送一 帧完毕后，缓冲区清除，即使随后检测到碰撞，也 无法重发。最小帧长由电缆的最大延迟决定。
• 假设A站在t1发送一帧，D站在t2=t1+Tp-alpha发送一帧，Tp是电缆的 最大单程延迟，alpha是一个很小的数值，则D站在开始发送时会误认 为信道空闲（因为A站发送的信号还没有传输到D端）。则产生冲突。 冲突产生的杂乱信号需要经过Tp传回到A端。所以A站从发送数据开 始到检测到碰撞信号的延迟时间为2Tp。所以，最小帧长应满足 Tfr >= 2Tp。以太网Tp为25.6μs ，10Mbps，则最小帧长是 10Mbps*25.6*2=512 bits 或64字节。
IEEE802协议
此标准将数据链路层分为逻辑链路控制子层和媒体访问控制子层， 逻辑链路控制子层主要提供寻址、排序、差错控制和流量控制等 功能。
对于局域网而言，不同局域网的区别在于MAC子层的不同。
802.1网际互连
网际互连
802.1寻址管理 802.1体系结构
802.2逻辑链路控制
逻辑链路控制LLC
– 受控访问协议 – 信道静态分配
随机访问
• 在随机访问方法中，没有任何站点优于其他站点， 也没有任何站的能控制其他站点。 • 特性
– 每个站点的传输没有特定的时间表，站点的传输是随 机的 – 没有规则规定下一个将要发送的站点是哪一个。为了 访问介质，站点展开竞争
• 协议要回答的问题
– – – – 站点何时能访问介质？ 如果介质忙碌，站点能做点什么？ 站点如何确定传输的成功和失败？ 如果发生访问冲突，站点能做什么？
• 包括：
– 100Base-TX – 100Base-T4 – 100Base-Fx
快速以太网的比较
• 千兆位以太网
– 是IEEE802.3标准的扩展，在保持与以太网和 快速以太网设备兼容的同时，提供1000Mbps 的数据带宽。工作模式为全双工和半双工两种， 主要采用全双工。全双工采用以太网交换机组 网，不需要使用CSMA/CD协议。半双工方式 使用集线器组网，采用CSMA/CD。可有多种 网络拓扑结构。它基于以太网结构，保留了 IEEE802.3以太网标准帧格式以及IEEE 802.3 的网络管理功能，且网络管理原理保持不变， 现存的软件（如LAN协议）都可运行。
例如，G=1/2时，即每发送两帧的时间要求发送一帧，则吞吐率为0.184
• K：尝试发送的次数 • Tp：电缆的最大传输 延迟时间 • Tfr：帧的平均发送时 间； • TB：退避时间，即每 次碰撞后随机等待的 时间。
图1：纯ALOHA协议
• 脆弱时间（或碰撞时间） 可能发生冲突时间的长 度。下图示例假设站点 发送固定长度的帧，且 每帧发送时间是Tfr。图 显示了A站点的脆弱时 间