第4章局域网的介质访问控制方法
第4章计算机局域网络讲义教材
D
D
D
D
令牌
A
C
B 节点A截获令牌,并准
备发送数据
A
C
B 节点A将数据发送到
节点C
A
C
B 数据循环一周后,节点
A将其收回
A
C
B 产生新的令牌,发送到
环路中
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Token Ring的特点
由于每个节点不是随机的争用信道，不会出现冲 突，因此称它是一种确定型的介质访问控制方法， 而且每个节点发送数据的延迟时间可以确定。
10Leabharlann 拓扑结构 ——总线型拓扑结构
所有的节点都通过网络适配器直接连接到一 条作为公共传输介质的总线上，总线可以是 同轴电缆、双绞线、或者是使用光纤；
总线上任何一个节点发出的信息都沿着总线 传输，而其他节点都能接收到该信息，但在 同一时间内，只允许一个节点发送数据；
由于总线作为公共传输介质为多个节点共享， 就有可能出现同一时刻有两个或两个以上节 点利用总线发送数据的情况，因此会出现 “冲突”；
当目的节点检测到该数据帧的目的地址（MAC地址）为 本节点地址时，就继续接收该帧中包含的数据，同时给源 节点返回一个响应。当有两个或更多的节点在同一时间都 发送了数据，在信道上就造成了帧的重叠，导致冲突出现。 为了克服这种冲突，在总线LAN中常采用CSMA/CD协议， 即带有冲突检测的载波侦听多路访问协议，它是一种随机 争用型的介质访问控制方法。
服务器的集中化 提供服务器的集群，便于管理，提高安全性；
文件的大小日益增加 要求更高的网络带宽；
网络用户和工作站数目的日益增加
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克服传统以太网的问题
传统以太网中的一些问题
传统以太网使用共享介质，虽然总线带宽为10Mbps， 但网络节点增多时，网络的负荷加重，冲突和重发增 加，网络效率下降、传输延时增加，造成总线带宽为 30~40%；
第4.2章_介质访问控制方式
令牌环维护
令牌环网必须选一个站点作为环上的监控站点来总管全 环：监控站保证环只有一个令牌 选取监控站:
竞争机制来产生，出现冲突时采用高地址优先 确保令牌不被丢失：计时器——最长无令牌时间 清除混淆帧：检验和字段 检查无主帧:监控位 经过监控站时置位，如果两次出现证明无主帧 环长度:人工延迟 确定环断点位置：和线路中心配合 环断开时:站点发送BEACON帧,给出可能失效的站点，并 且尽量传播
IEEE 802.5标准
802.5标准提供了多种数据速率（4Mbps、 16Mbps等）和多种传输媒体（屏蔽双绞线、 非屏蔽双绞线、光纤等） IEEE 802.5 LAN的帧格式
1 SD 1 AC 1 FC 2或6 目的地址 2或6 源地址 无限制 4 1 1 FS LLC DATA FCS ED
如果收到了确认，则传输成功 否则，发送站点等待一段随机的时间后重发信息帧。
如果重传多次仍得不到确认，放弃传输帧
ALOHA协议的性能
性能分析采用如下网络模型
无限用户 用户产生的新帧服从普阿松分布，平均每帧时产生S个 新帧，显然吞吐率应该满足0<S<1 站点发送的帧（包括新帧和重传帧）也服从普阿松分 布，平均每帧时发送G帧
N
N趋于无穷大时，即无限用户环境下与前面的分析有同 样的结论：
S Ge 2G
分槽ALOHA协议（S-ALOHA）
ALOHA协议简单，但信道的利用率只有18%
S-ALOHA对ALOHA协议作了改进： 信道上的时间被分成离散的时间间隔即时槽，其大小相当于帧 的传输时间。 每个帧只允许在时槽开始处进行传输 冲突危险区比ALOHA降低了一半:只有那些都在同一个时槽 开始进行传输的帧才有可能冲突 G 而任一帧时内无其他帧发送的概率为 e S-ALOHA协议中的吞吐率满足
局域网介质访问控制方法
局域⽹介质访问控制⽅法传输访问控制⽅式与局域⽹的拓扑结构/⼯作过程有密切关系.⽬前,计算机局域⽹常⽤的访问控制⽅式有三种,分别⽤于不同的拓扑结构:带有冲突检测的载波侦听多路访问法(CSMA/CD),令牌环访问控制法(Token Ring),令牌总线访问控制法(token bus).1 CSMA/CD最早的CSMA⽅法起源于美国夏威夷⼤学的ALOHA⼴播分组⽹络，1980年美国DEC、Intel和Xerox公司联合宣布Ethernet⽹采⽤CSMA技术，并增加了检测碰撞功能，称之为CSMA/CD。
这种⽅式适⽤于总线型和树形拓扑结构，主要解决如何共享⼀条公⽤⼴播传输介质。
其简单原理是：在⽹络中，任何⼀个⼯作站在发送信息前，要侦听⼀下⽹络中有⽆其它⼯作站在发送信号，如⽆则⽴即发送，如有，即信道被占⽤，此⼯作站要等⼀段时间再争取发送权。
等待时间可由⼆种⽅法确定，⼀种是某⼯作站检测到信道被占⽤后，继续检测，直到信道出现空闲。
另⼀种是检测到信道被占⽤后，等待⼀个随机时间进⾏检测，直到信道出现空闲后再发送。
CSMA/CD要解决的另⼀主要问题是如何检测冲突。
当⽹络处于空闲的某⼀瞬间，有两个或两个以上⼯作站要同时发送信息，这时，同步发送的信号就会引起冲突，现由IEEE802.3标准确定的CSMA/CD检测冲突的⽅法是：当⼀个⼯作站开始占⽤信道进⾏发送信息时，再⽤碰撞检测器继续对⽹络检测⼀段时间，即⼀边发送，⼀边监听，把发送的信息与监听的信息进⾏⽐较，如结果⼀致，则说明发送正常，抢占总线成功，可继续发送。
如结果不⼀致，则说明有冲突，应⽴即停⽌发送。
等待⼀随机时间后，再重复上述过程进⾏发送。
CSMA/CD控制⽅式的优点是：原理⽐较简单，技术上易实现，⽹络中各⼯作站处于平等地位，不需集中控制，不提供优先级控制。
但在⽹络负载增⼤时，发送时间增长，发送效率急剧下降。
2 令牌环令牌环只适⽤于环形拓扑结构的局域⽹。
其主要原理是：使⽤⼀个称之为“令牌”的控制标志(令牌是⼀个⼆进制数的字节，它由“空闲”与“忙”两种编码标志来实现，既⽆⽬的地址，也⽆源地址)，当⽆信息在环上传送时，令牌处于“空闲”状态，它沿环从⼀个⼯作站到另⼀个⼯作站不停地进⾏传递。
计算机网络技术第4章 局域网
2022/3/23
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以太网名字的由来
1973年，Bob Metcalfe将该系统命名为“以太网 ――Ethernet”。“ 以太网――Ethernet”中的“ether” 源于物理学名词，“以太”最初被认为是电磁波的传 输介质，宇宙中充满了“以太”，因此电磁波将被传 输到宇宙的每一个角落。
DIX 以 太 网 标 准 有 两 个 版 本 ： 1980 年 9 月 发 布 的 1.0版本和1982年11月发布的2.0版本。
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以太网的标准
1985 年 ， IEEE 在 DIX 以 太 网 标 准 的 基 础 上 制 定 了 IEEE
802.3标准，术语“CSMA/CD――带有冲突检测的载
802.7宽带技术咨询组，为其他分委员会提供宽带网络技术的 建议；
802.8光纤技术咨询组，为其他分委员会提供光纤网络技术的 建议；
802.9综合话音/数据的局域网（IVDLAN）介质访问控制协议 及其物理层技术规范；
802.10局域网安全技术标准；
802.11无线局域网的介质访问控制协议及其物理层技术规范；
第 4 章 局域网(LAN)
4.1 LAN拓扑结构和传输介质 4.2 局域网的IEEE 802标准 4.3 局域网的网络体系结构 4.4 CSMA/CD协议和IEEE 802.3标准 4.5 令牌总线和IEEE 802.4标准 4.6 令牌环和IEEE 802.5标准 4.7 高速局域网技术与无线局域网技术 4.8 综合布线技术
802.12 100Mbps高速以太网按需优先的介质访问控制协议
100V20G22-/3A/23ny LAN。
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介质访问控制方法
计算机网络介质访问控制方法局域网的数据链路层分为逻辑链路层LLC和介质访问控制MAC两个子层。
逻辑链路控制是局域网中数据链路数据链路层的上层部分，IEEE 802.2中定义了逻辑链路控制协议。
用户的数据链路服务通过LLC 子层为网络层提供统一的接口。
在LLC子层下面是MAC子层。
介质访问控制属于LLC（LogicalLinkControl）下的一个子层。
是局域网中公用信道的使用产生竞争时，如何分配信道的使用这种分配信道使用权方法称之为介质访问控制方法。
1适合总线结构的带冲突监测的载波监听多路访问（CSMA/CD）方法。
2适合环形结构的令牌环（TOKEN RING）方法。
3适合令牌环总线（TOKEN BUS）访问控制方法。
介质访问控制方法三带冲突监测的载波监听多路访问（CSMA/CD ）CSMA/CD适合于总线型和树型的网络拓扑结构，CSMA/CD有效解决了介质共享、信道分配和信道共享的问题，是目前局域网中最常用的一种介质访问控制方法。
Collision Detection介质访问控制方法四CSMA/CD 各部分含义CSMA/CD 各部分含义所谓载波侦听（Carrier Sense ），是网络上各个工作站在发送数据前都要确认总线上有没有数据传输。
所谓多路访问（Multiple Access 是网络上所有工作站收发数据共同使用同一条总线，且发送数据是广播式的。
所谓冲突（Collision ）是有两个或两个以上工作站同时发送数据，在总线上就会产生信号的混合，这种情况称为数据冲突，又称为碰撞。
介质访问控制方法五CSMA/CD 冲突检测原理01020304侦听信道是否空闲。
如果信道忙，则等待，直到信道空闲；如果信道空闲，站点就准备好要发送的数据。
在发送数据的同时，站点继续侦听网络，确信没有其他站点在同时传输数据才继续传输数据。
若无冲突则继续发送，直到发完全部数据。
若有冲突，则立即停止发送数据，发送一个加强冲突的JAM （阻塞）信号。
第4章局域网常用传输介质和互连设备
包括四个电线对，增加了绕线密度，外套一种高质量的绝缘材 料，传输频率为100MHz。用于语音传输和最高传输速率为 100Mbps，主要用于100Base-T和10Base-T网络。这是最常用的以 太网电缆。5类双绞线是目前网络布线的主流。
4.2.1 同轴电缆的组成
同轴电缆共有四层组成： 1 、一根中央铜导线:铜线传输电磁信号 2、包围铜线的绝缘层:绝缘材料将铜线与金属屏蔽物隔开 3、网状金属屏蔽层：一方面可以屏蔽噪声，另一方面可以作为信号地， 能够很好地隔离外来的电信号 4、一个塑料保护外皮
同轴电缆的组成
4.2.2 同轴电缆类型
4.1.3 双绞线的制作
3. 制作过程 准备制作网线的工具和材料
◆ RJ-45 卡线钳一把 ◆ 水晶头 ◆ 双绞线 制作过程可分为以下步骤： Step 1: 剥线 Step 2: 理线 Step 3: 插线 Step 4: 压线 Step 5: 制作另一端水晶头 Step 6: 线缆的测试
4.1.3 双绞线的制作
知识 点
● 局域网中常用有线传输介质的使用 ● 网卡的作用、分类及参数设置 ● 集线器概念、工作原理、作用及分类 ● 交换机概念、工作原理、作用及与集 线器的区别 ● 路由器概念、工作原理、作用及与交 换机的区别
重点和难 点
● 双绞线的制作及使用 ● 网络设备的使用及应用
本章内容
4.1 局域网中的双绞线 4.1.1 双绞线的组成 4.1.2 双绞线的分类及应用特点 4.1.3 双绞线的制作
计算机网络技术-习题(含答案)
第1章计算机网络概述1．简答计算机网络产生和发展的四个阶段。
【要点提示】第一阶段：单主机的远程联机系统。
第二阶段：以资源共享为目的的多主机、多终端的互连通信网络。
第三阶段：面向全球范围的开放式、标准化计算机网络。
第四阶段：面向更多新应用的高速、智能化的计算机网络。
2．简答计算机网络的定义和构成要素。
【要点提示】计算机网络定义：通过通信设备和通信线路，将分布地理位置不同且功能独立的多个计算机系统相互连接起来，按照相同的协议，在网络操作系统的管理和控制下，实现资源共享和高速通信的系统。
构成的要素：功能独立的计算机，通信设备和传输介质，网络通信协议，网络操作系统。
3．简答计算机网络的逻辑组成。
【要点提示】由资源子网和通信子网组成。
4．简答计算机网络的物理组成。
【要点提示】由网络硬件和网络软件组成。
5．扼要概述计算机网络的功能。
【要点提示】(1) 数据通信 (2) 资源共享 (3) 提高安全与可靠性 (4) 数据信息的集中和综合处理。
6．简述因特网的主要功能【要点提示】(1) 收发电子邮件(2) 浏览WWW(3) 阅读网络新闻(4) 电子公告(5) 远程登陆(6) 下载资料(7) 信息查询(8) 实时交谈和电子商务7．简答计算机网络的分类方法【要点提示】按作用范围划分，按传输方式划分，按通信介质划分，按通信速率，网络控制方式，按拓扑结构划分。
8．按网络的作用范围是如何对计算机网络进行划分的。
【要点提示】局域网，城域网和广域网。
9．简答计算机网络的拓扑结构分类及特点。
【要点提示】总线型、星型、环型、树型和网状结构。
10．试述常用的网络传输介质【要点提示】同轴电缆、双绞线、光纤。
11．什么是虚拟化、云计算、物联网？【要点提示】虚拟化：是一种资源管理技术，将计算机的各类实体资源予以抽象、转换后呈现出来，使用后可以更好地来使用这些资源。
云计算：是一种按使用量付费的模式，提供可用的、便捷的、按需的网络访问。
物联网：将物品信息通过互联网连接起来，进行信息交换和通信，对物品信息实现智能化识别和管理。
4-3介质访问控制方法
局域网组成示意图
局域网协议的特点
（1）协议的简单性 （2）数据链路层分为两上子层 （3）开销位的使用限制较小 （4）数据单元较长
协议的简单性
由于LAN本身比较简单，其所涉及的设备 类型和数量较少，地理范围也较小，而且采 用了广播通信技术，从而简化了流量控制和 路径控制等；另一方面则考虑下述两个要求： （1）由于LAN连接的主要是微机或基于微处理 器的设备，因而要求具有简单且灵活的协议 以便实现。 （2）复杂的网络协议将导致软件开发和维护更 加困难，而对LAN来说，其开发与维护力量通 常较弱，故而要求LAN协议尽量简单。
分布式控制方法
分布式控制方法常用的有： 带有碰撞检测的载波侦听多点访问 （CSMA/CD）法、令牌（也称许可证或通行标 志）（Token Passing）控制法、时隙（Time Slot）控制法和寄存器延迟插入法（Buffer Insertion) 。 从占用传输介质的机会方面来看，访问 控制方法可以分为确定性访问控制方法和随 机访问控制方法。 随机访问控制大多用于总线型局部网络 中，如CSMA/CD技术就属于随机访问控制法。
开销位的使用限制较小
由于WAN中通信线路的造价等原因， 所以希望提高传输信息中的有效成分， 为此必须减少信息帧中的控制和说明信 息，即通过压缩控制信息的方法来减少 开销位，这显然会增加处理机的负担； 反之，LAN中为减轻处理机的负担，往 往增加一些控制信息。
当一个工作站准备发送报文信息时，首先要 等待令牌的到来，当检测到一个经过它的令牌为 空令牌时，即可以“帧”为单位发送信息，并将 令牌置为“忙”（例如将00000000标志附在信息 尾部）向下一站发送。下一站用按位转发的方式 转发经过本站但又不属于由本站接收的信息。由 于环中已无空闲令牌，因此其它希望发送的工作 站必须等待。接收过程为：每一站随时检测经过 本站的信号，当查到信包指定的目的地址与本站 地址相同时，则一面拷贝全部有关信息，一面继 续转发该信息包，环上的帧信息绕环网一周，由 原发送点予以收回。按这种方式工作，发送权一 直在源站点控制之下，只有发送信包的源站点放 弃发送权，把Token（令牌）置“空”后，其他 站点得到令牌才有机会发送自己的信息。
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4.３ 局域网介质访问控制方法
1、介质访问控制方法概念 将传输介质的频带有效地分配给网络上各 结点的方法称为介质访问控制方法。 换种说法，即是指局域网中共用信道的使 用产生竞争时，如何分配信道的使用权，这种 分配信道的使用权的方法，称为介质访问控制 方法。
４.３局域网介质访问控制方法
基于分布式的介质访问控制方法有3种：
⑴ 适合总线结构的带冲突检测的载波监听多 路访问（CSMA/CD）方法。 ⑵ 适合令牌环总线（Token Bus）访问控制 方法。
⑶ 适合环型结构的令牌环（Token Ring）方 法。
4.３局域网介质访问控制方法 2、带冲突检测的载波监听多路访问
CSMA/CD适用于总线型和树形拓扑 结构的网络。
移动
只有持有令牌的结点才有权向总线上发送数据。 不持有令牌的结点只能侦听总线或接收信息和令
牌。
间间隔再去侦听。
“先听后发，边听边发， 冲突停止，随机延迟后
重发”
控制过程包括4个步骤:
⑴ 载波侦听：是指用电子技术检测总线上有没 有其它计算机发送的数据信号，以免发生碰撞。
⑵ 冲突检测：在每个站发送帧期间,同时具有 检测首先冲突的能力。一旦遇到冲突，则立即停 止发送，并向总线上发一串阻塞信号，通报总线 上各站点已发生冲突。
并且产生一个新的空闲令牌发送到环上。
4、令牌总线访问控制
令牌总线（Token Bus）访问控制也属于 共享介质的局域网，所有计算机都连接在总 线上，在物理总线上建立一个逻辑环，令牌 在逻辑环路中依次传递，其工作原理与令牌 环相同。
令牌总线是一种简单、公平、性能良好的介质访
问控制方法,令牌总线的工作流程如图4-6示。其
CSMA/CD有效地解决了介质共享、信道分 配和信道冲突等问题，是目前局域网中最常 采用的一种介质访问控制方法。
CSMA/CD的含义
载波侦听多路访问（CSMA） 冲突检测（CD）
载波侦听多路访问可以描述为： A、一个结点要发送数据，先侦听总 线上是否有其他结点发送的信号。 B、如果总线空闲，则发送数据 C、如果总线繁忙，则再等待一定时
⑵ 接收与转发数据：
数据帧每经过一个结点时比较数据帧
中的目的地址，如果不属于本结点则 转发出去；否则,在帧中设置已经复制
的标志，然后向下一结点转发。
⑶ 取消数据帧并且重发令牌：
当数据帧通过闭环重新传到发送结点时,发送结点
不再转发，而是检查发送是否成功。如果数据帧
传输失败则重发；如果传输成功,则清除该数据帧，
中，图4-6（a）是各结点的物理连接，图4-6（b）
是各结点形成的逻辑环，在图中结点G没有加入到
逻辑环中。
A
B
C
F 令牌
C
A
B
传送方向
D E
F G D E
(a) 令牌总线
(b) 逻辑环
图 4-6 令牌总线的工作原理
技术要点
总线上的各结点按地址组成一个逻辑环 网络中有唯一令牌，并按照确定顺序在逻辑环上
发送帧 Yes 媒体忙？ No 延迟随机时间 No N>=16？
发送
No 发送完？ Yes 发送成功 No 冲突吗？ Yes 发送干扰信号
Yes
发送失败 碰撞次数N+1
图 4-4
CSMA/CD的工作流程图
４.３.１ CSMA/CD带冲突检测的载波监听多路访问 CSMA/CD方法
加强冲突：
当发送数据的站一旦发现发生了碰 撞时，除了立即停止发送数据外，还 要再继续发送若干比特的人为干扰信 号(jamming signal)，以便让所有用户 都知道现在已经发生了碰撞。
⑶ ?多路访问：当检测到冲突并在发完 阻塞信号后,需要等待一个随机时间，然 后再用CSMA的算法重新发送。 ⑷ 争用方式：在总线上的每个结点都能 随时发送信息，但在同一时刻只允许一对 结点可以通信，否则，就会导致信号相互 叠加，造成数据错误，这就是线路争用带 来的问题。
4.３ 局域网介质访问控制方法
3、令牌环访问控制
在令牌环网中，所有结点通过接口连成环形
拓扑ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ构。
所有结点的数据发送都由在环中传递的“令
牌”进行控制。
令牌也称权标，总是沿着环单向传递，结点
必须持有令牌才能发送数据。
令牌环网的工作流程示意
点到点链路 D 站点
单向环
干线耦合器
A
C
B
工作的３个步骤
（1）获取令牌并发送数据帧 网络空闲时各结点都没有帧发送, 只有令牌在环路上绕行,此时令牌 标记00000000，称为空标记。当 空闲令牌传到这个结点时，将空 标记换为11111111，称为忙标记， 然后去掉令牌的尾部，加上数据， 成为数据帧，发送到下一个结点。