第四章 局域网4.1 概述一、局域网的特点 网络多为一个单位所拥有，地理范围和站点数量有限。 分布范围有限——单位 / 部门 / 团体 / 建筑（几百米 ） 站点密集——在小范围存在多点 采用专用传输媒体——不大用公共网络 高数据传输率、低误码率 ——距离近、媒体质量保证 基带传输——一般无须调制 / 解调，设备简单 拓扑结构单纯规范——总线 / 环型 / 星型 需媒体访问控制 MAC—— 广播子网性质，共用媒体。

二、广播子网广播通信子网——交换通信子网

在小范围采用交换性质的通信子网，往往显得复杂而不必要。 比方：现实中，一个部门的人员，有效沟通的形式之一是开会而不必用电话。 广播通信子网的基本性质是公用媒体。 故存在媒体访问控制问题——如何解决对媒体争用。 以开会为例：谁在一个时刻可以发言？ 解决信道争用的协议称为媒体访问控制协议 MAC （ Medium Access Control ），是数据链路层协议的一部分。

三、媒体访问控制方法 固定分配——分时，效率低 按需分配——请求 / 批准 随机分配——自由访问、存在冲突控制访问

分布——令牌集中——查询、预约

随机访问CSMA/CD

4.2 局域网的 IEEE 802 体系结构一 . IEEE 802 系列标准

802.1A 概述和体系结构 802.1B 寻址、网络管理、网络互连及高层接口802.2 逻辑链路控制子层 LLC802.3 以太网访问方法和物理层规范802.4 令牌总线网访问方法和物理层规范802.5 令牌环网访问方法和物理层规范802.6 城域网访问方法和物理层规范（ DQDB ）802.9 LAN-ISDN 接口802.10 互操作 LAN 安全标准 (SILS)802.11 无线局域网 (Wireless LAN)802.12 100VG ANYLAN 网802.14 交互式电视网（包括 cable modem)

基于不可能用单一技术来满足所有需求，允许多种媒体多种拓扑结构不同访问方式

所有的 LAN 都具有相同的 LLC 子层（与媒体无关）和不同的 MAC 子层和物理层（与媒体相关） 不同的 MAC 和物理层构成了不同技术的 LAN 体现了将功能中与硬件相关的部分和与硬件无关的部分分开，降低实现的复杂度的原则。

LLC ： Logical Link Control 逻辑链路控制MAC ： Media Access Control 媒体访问控制PHY ： Physical layer 物理层

网络层数据链路层物理层

逻辑链路控制 LLC媒体访问控制 MAC

IEEE 802

物理层 PHY

二 . LLC 子层屏蔽各种 LAN MAC 子层的差异，向用户提供统一的访问 LAN 的接口（提供多个 LSAP，支持多种上层协议）向上层提供连接的服务（ CO）和无连接的服务（ CL ）差错控制、流量控制、链路管理

LLC

MACPHY

LLC

MACPHY

LANLLC LLC

LSAP

服务访问点（ SAP ）LSAP——LLC服务访问点MSAP——MAC服务访问点PSAP——PHY服务访问点NSAP—— 网络服务访问点

DSAP SSAP 控制 数据 1 1 1/2 长度无限制 单位：字节

高层 PDU LLC 数据 LLC 首部

MAC 首部 MAC 尾部MAC 数据

LLC 帧和MAC 帧的关系

LLC 帧 （是 HDLC 的子集）

I/G DSAP C/R SSAP

LLC头部LLC 协议信息含源、目 LLC 地址（ SAP）及其它控制信息控制信息与 HDLC 相同（有滑动窗口等内容，也分 I、 S、 U 类型帧）

MAC头部MAC 协议信息含源、目 MAC 地址及其它控制信息

MAC尾部MAC帧的校验字段用于对 MAC帧检错

LLC提供的服务类型 LLC1 不确认无连接的服务 LLC2 面向连接的服务 LLC3 带确认无连接的服务 LLC4 高速传输服务 （ 1991年专为城域网提出）

LLC服务原语REQUEST

COMFIRMATION

INDICATION

REQUEST

COMFIRMATION

INDICATIONRESPONSE

基于局域网比较可靠的实际考虑

MAC

PHY

LLC

IEEE802 标准模式采用完整的 LAN 层次和 LLC PDU上层利用 LLC封装数据向上层多种协议（ IP、 IPX、 X.25 ）提供服务访问点可向上层提供 CO和 CL两种服务

MAC

PHY

Internet 模式无 LLC 子层（或为空层）直接利用 MAC帧封装上层数据只考虑向上层提供无连接的服务

4.3 IEEE802.3 和 以太网历史

ALOHA 系统ALOHA + 载波监听Xerox 设计了 2.94Mbps 的采用 CSMA/CD 协议的 EthernetXerox, DEC, Intel 共同制定了 10Mbps 的 CSMA/CD 以太网标准IEEE 定义了采用 1-坚持型 CSMA/CD技术的 802.3 局域网标准，速率从 1M到 10Mbps ， 802.3 标准与以太网协议略有差别。

一、 IEEE802.3 网络结构IEEE802.3 总体基于总线结构——总线，脊椎形，树形，分段

A 站 B 站 C 站 D 站 E 站服务器 客户机 客户机

服务器 客户机

多个站点连接在一条总线上，信道共享多个站点在共享信道上进行数据传输，带宽共享信道上如果有两个以上站点同时发送，将会冲突所有的站形成一个冲突域，同时形成一个广播域需要某种信道分配和管理机制决定站点的发送权

E 站在时刻 t 启动发送

A 站 B 站 C 站 D 站 E 站

A 站发送帧在时刻 t 传播到 B站两帧在时刻 t+ t△ 碰撞

二、 IEEE802.3 媒体访问控制——CAMA/CD MAC 重要的功能是解决信道的分配，即确定网上的某个站点在何时占有信道。 Ethernet 采用动态分配信道，并在下列假设下进行：

站模型：每站发送数据的概率服从泊松分布单信道：只有一个信道（公用）冲突 ： 站同时发送数据会碰撞

1. 纯 ALOHA 方法的思想 70 年代 ，夏威夷大学的 Norman Abramson 等人设计了一种共享信道分配的算法，经拓展的成果称为 ALOHA 系统 . 最初用于基于地面的无线广播通信，但基本思想适用于任何无协调关系的用户争用单一共享信道使用权的系统 .假设数据帧长度相等允许任何站点在任何时刻不需侦听信道就可完全随机地发送数据帧采用确认机制：

发送站发完一帧等待应答按时收到应答，发下一帧超时未收到应答，重发 ( 需设置 Tmax)超过最大重发次数仍未收到应答，通信失败 ( 需设置 Nmax)

接收站收到数据若正确，发送应答，否则丢弃

trtP

tf

tbtb

一帧正确传输的时间t = tf + 2tb + tr + tP

tf 帧发送时间 （将一帧数据送上信道的时间）tb 信道传播时间tr 接收处理时间tP 应答发送时间

t → tf = 信道传输速率 B （ bits/s) 帧长度 L （ bits)

B 站在 t0 发送，则其他站在（ t0 –tf ， t0+ tf ）内发送，都将发生冲突（即使一帧的末位和另一帧的首位重叠） 成功发送一帧的条件是在 2tf 时间内无其他站发送 .

t

A 站B 站C 站

t0 -tf t0+tft0

1 个帧时 tf

冲突窗口t0+2tf

Pure ALOHA 协议的性能站点发送灵活性大，可随时发送当系统通信量上升时，碰撞剧增，重发概率增加，网络吞吐率 S急剧下降发生碰撞的站不知道碰撞已发生，仍继续发送已受损的帧，浪费资源，信道利用率很低每帧时 tf内只有 0.5帧要发时， S最高为 18.4% ；重负载时，S趋于 0 。

2. 改进的分槽 ALOHA对 Pure ALOHA技术中“完全随机地发送”加以改进。

将信道按时间片分割（时槽），且时槽 =帧时 ，所有站同步 每个站点只能在时槽的起始点发送帧，冲突限制在每个时槽内，冲突帧完全重叠（只浪费一个时间片）

不同站在同一时刻发送帧，将发生冲突不同站发的帧要么完全重叠，要么完全分开成功发送一帧的条件是在 tf时间内无其他站要发

t

A 站B 站C 站

t0 -tft0+tft0

1 个帧时 tf

冲突窗口t0+2tf

吞吐率 S 比纯 ALOHA提高一倍，最高为 36.8%重负载时， S急剧下降，最终趋于 0虽比纯 ALOHA 性能有所提高，代价是各站必须同步，而同步的控制十分复杂

3. CSMA( Carrier Sense Multiple Access )载波侦听多路访问

对 ALOHA 系统发送时”不侦听信道“进行改进站点发送前先监听信道，若信道闲，可以启动传输，若信道忙，则必须等待，以避免冲突。等待时间由退避算法决定。常用的退避算法有三种：

非坚持、 1-坚持、 P-坚持

非坚持（ 0坚持）规则： (1)若信道闲，立即发送 (2)若信道忙，则不再监听信道，而是等待一个随机时间再按(1)进行

优点：降低了冲突概率。（随机延迟可减少再次发生冲突的可能性）重负载时，吞吐率较高缺点：轻负载时，信道上有较多空闲时间，效率低（会出现站点等待传输、信道却空闲的情况）

1—坚持规则：

若信道闲，立即发送若信道忙，则继续监听至信道闲，并立即发送

优点：轻负载时，能有效减少信道的空闲时间，提高传输效率

缺点：发生再次冲突的可能性大 重负载时冲突严重，极限时吞吐量趋于 0（只要有两个或两个以上站等待传输，则冲突不可避免）

p—坚持规则

（ 1）若信道闲，立即启动发送（ 2）若信道忙，则一直监听直到信道闲，以概率 P 立即发送 ，以概率（ 1-P）不发送，并等到一个随机时间后再按①进行

P值的选取： 如有 n个站准备发送，则 n个站点传输的概率为 np，若 np ＞ 1 ，表示冲突后多个站试图发送，会重复冲突，故一般选 np ＜ 1 当然 p也不能太小，若 p太小，则站点延迟大 对于负载未知的网络， p 值应适当选取，对于固定的 p 值，网络的性能会随站点数量 n而变化

优点：可根据不同的负载选取不同的 P值，最大程度的提高信道的利用率和提高吞吐率

缺点：选取一个合适的 P值是一件困难的事情

4. CSMA/CD 与 ALOHA 和 Slotted ALOHA 相比， CSMA虽然通过发前侦听信道，能一定程度减少冲突的可能性，但仍然存在以下问题：• 站点一旦发送，就必须将一帧发送完（即使冲突已经产生）• 一旦发生冲突后，继续发送的是无用信号，浪费信道资源，同时降低网络的吞吐率• 某时刻同时多站发送会产生冲突，重发再次冲突，形成恶性循环• 当两站相距较远时，其中一站的信号在传播到另一站以前，另一站认为信道闲，启动发送，会冲突

E 站在时刻 t 检测到信道闲，启动发送

A 站 B 站 C 站 D 站 E 站

A 站发送帧在时刻 t 传播到 B站两帧在时刻 t+ t△ 碰撞

CSMA/CD— 载波侦听多路访问 / 冲突检测在 CSMA 的基础上，增加各站冲突检测能力站点发前先侦听信道，发后检测信道（边发边收）一旦检测到冲突，立即停止受损帧的传输（不必等一帧传完），及早释放信道，避免资源的浪费同时，向总线上发一串阻塞信号（冲突码），通知各站冲突已发生，以提高信道利用率。如果传输过程中检测到信道无冲突发生，则传输成功

站准备发送

监听信道

发送数据并监听信道 停止发送

发冲突加强信号

等待随机时间Busy

Idle

冲突

正常

CSMA/CD 的冲突检测时间考虑共享 LAN 相距最远的两站的情况 （如图 A←→E ）假设 A 站发送的信号到达 E 站的传播时间为 τ （如有转发器， τ应包括转发器延时）t0 时刻 A 站发送，则在 t0 + τ 时刻到达 E 站E 站在 t0 +τ-ε 时侦听信道闲，启动发送 E 站检测到冲突的时间： ε A 站检测到冲突的时间：τ+(τ-ε)= 2τ-ε → 2τ

结论：冲突检测时间不小于 2τ

最小帧长的设定 保证冲突发生时，站点仍在传输数据，从而能检测到本站所发数据发生了冲突。否则，可能出现帧发送完毕但未检测到冲突，但冲突发生了。

考虑距离最远两站的情况（如图 A←→E ）t0 时刻 A 站发送，则在 t0+tf 时 A 站发完 tf=L/B(帧长 / 数据速率 ) ，为一个帧时E 站在 t0+τ-ε 时侦听信道闲，启动发送 E 站信号在 t0+2τ-ε 时才到达 A 站 如果 (t0+2τ-ε)＞ (t0 + tf) ，即 : tf＜ 2τ 此时，在 E 站信号到来时， A 站已发送完毕， 不再监听信道， A 站误以为发送成功为确保可靠监听，帧时 tf≥2τ ，即帧长 L≥B×2τ

A 站 E 站

t0 t0+τ-ε

ετ

τ越大，碰撞可能性越大。因此， τ越小越好。为了快速检测到冲突，也希望 τ越小越好这就限制了以太网的物理范围，不可能无限大。这是传统LAN 范围小的根本原因。

粗缆以太网，单段 500m细缆以太网，单段 185m

加强冲突检测信号考察如下极端情况：

A 站发送一帧，经过时间 τ后到达 E 站，而 E 站在该帧到达前瞬间（ 1bit 时间之差）启动发送，刚发送就检测到冲突，停止发送， E 站仅有 1bit 在信道上传送（但 A 的帧已被破坏）， 1 位的能量难以被 A 站检测，怎么办？解决措施——加强冲突信号

E 站检测到冲突后不立即停止发送，而是发送一定长度的加强冲突信号（冲突码）后才停下来，以便能让所有站点都可靠地检测到冲突

退避算法—二进制指数退避基本思想

如果首发冲突，重发时等待一个随机长的时间再重发时仍冲突，则等待的随机时间加倍

实现方法第一次碰撞后，随机延迟 0或 1 个时槽再试第二次碰撞后，随机延迟 0 、 1 、 2或 3 个时槽再试第 i次碰撞后，随机延迟 0 、 1 、 2······2 j -1 （任选）个时槽再试。 (i≤10 ， j=i； i>10 ， j=10)第 16次重试仍碰撞，放弃本次发送，宣告失败

优点：可减轻冲突。（冲突次数越多，分散得越开）缺点：会带来后来先服务的效果（即未发生冲突或很少发生冲突的帧将具有优先发送的概率）

纯 ALOHA 时槽 ALOHA CSMA CSMA/CD

发前不侦听时槽起点发 冲突仍厉害 吞吐率低 最高37% 时槽需同步

发前侦听 时槽起点发 时槽不需同步发前侦听 发后监听 冲突停发 轻负载效率高

轻负载时，效率低 适合较重负载

发前不侦听随机发送 冲突厉害 吞吐率低 ≤ 18.4%，效率低

重负载时，冲突严重适合轻负载根据负载调整 P值

0坚持 1坚持 p坚持

三、以太网信道利用率假定1）总线上有 N个站点，每个站的发送概率是 p2) 争用期的长度 2τ3 ）帧长度 L（ bit),数据发送速率 C（ b/s),故帧发送时间为 T0 =L/C

发送成功2τ 2τ T0

TAV

某站发送成功的概率 A A=Np(1-p ） N-1

争用平均次数 NR NR= （ 1-A ） /A

以太网信道利用率S=T0 /TAV=1/（ 1+a(2A-1-1)

a= τ/ T0若使 A最大，则可获得最大信道利用率

Amax= (1-1/N)N-1 (p=1/N)

Amax ->1/e =0.368 (N-> ) N 2 4 8 16 32 64 128 256A 0.5 0.42 0.39 0.38 0.37 0.37 0.369 0.369

Smax->1(1+4.44a)

四、以太网与 IEEE802.3 的 MAC帧格式

46～ 1500 bytes

8 bytes 38～ 1492 bytes

长度 数 据 填充 802.2

6 26 4

目的地址 源地址 校验前导符 帧定位17

帧长度计算范围 （最长 1518 字节，最短 64 字节）

以太网MAC 帧（ RFC894 ）

校验范围

802.3MAC 帧（ RFC1402 ）

类型 数 据 填充6 26 4

校验目的地址 源地址前导符 帧定位17

前导符： 7字节（ 7 个 10101010 位组），同步信号，由硬件产生帧起始定位符： 1字节（ 10101011 ），由硬件产生。 指明帧的起始位置目的地址： 6字节，接收方地址（单播、组播或广播）源地址： 6字节，发送方的地址，只能是单播地址校验字段： 4字节，采用 32 位 CRC ，校验范围为帧定位符之后，校验字段之前的所有字段

目的地址和源地址 共 6 个字节，前三个字节由 IEEE802 分配给厂商，后三个字节由厂商唯一地分配给所生产的网卡。

以太帧类型（ type) ： 2字节，指明MAC帧封装的上层数据类型。0800 ：上层数据为 IP 分组； 0806 ：上层数据为 ARP 信息

802.3 帧长度（ length) ： 2字节，指明 802.3帧中长度字段之后，校验字段之前所有字段的长度之和802.2 ：共 8字节，各字段设置如图中数字，类型域同以太帧

DSAP AA

SSAP AA

ctrl 03

org code 00 00 00

类型

802.2LLC 802.2SNAP

1 1 1 3 2

帧的传送间隔必须不小于一个固定的时间，称为帧间隙帧间隙大小为传送 96 位所需的时间（速率不同，其值不同）帧间的时间间隔可以不同，但必须大于帧间隙

帧间隙 前导与帧定位 MAC 帧长

五、以太网物理层10Mbps以太网

曼切斯特编码曼切斯特编码10Mb/s10Mb/s工作站级工作站级

信号编码信号编码传输速率传输速率使用场合使用场合

光纤光纤500500～～ 20002000

双绞线双绞线100100500500

细缆细缆185185

10001000粗缆粗缆500500

25002500传输介质传输介质

最大段长最大段长 (m)(m)最大冲突直径最大冲突直径 (m)(m)

10BASE-F10BASE-F10BASE-T10BASE-T10BASE210BASE210BASE510BASE5类型类型

介质接口电缆（ AUI ）

收发器（ MAU ）

网卡15针 D 型连接器

10BASE5连接方式

网卡

AUI 电缆MAU

BNC “T”连接器

10BASE2连接方式

冲突 解码编码

AUI RJ-45插头座网卡

HUB

10BASE-T 双绞线接口

子网 1 子网 2 子网 3

集线器 集线器集线器

交换机

六、以太网控制器 主要功能1）数据的封装与解封：将上层数据组装成以太网 MAC帧2 ）链路管理： CSMA/CD 协议的实现3）译码与解码：曼彻斯特编码