第4章 局域网技术 ppt.Convertor

第4章 局域网技术 局域网的基本概念 局域网模型 令牌网 以太网

光纤分布式数据接口（FDDI） 交换式局域网 无线局域网

逻辑链路控制层(LLC)

本章知识点 1

4.1 局域网的基本概念

20世纪60年代末，局域网先驱：ALOHA无线电系统。 20世纪70年代：以太网（Ethernet）技术产生。

20世纪80年代：令牌环，FDDI技术产生，IEEE的802委员会提出802系列标准。

局域网主要由网络服务器、用户工作站和通信设备(网络适配器、传输介质、网络互连设备)等三个部分组成。如下图所示： 局域网的组成 2

4.1 局域网的基本概念 4.1.1 局域网的特性和特点 1.决定局域网特性的技术要素有

网络拓扑结构：典型拓扑结构，星型、总线型和环型； 传输介质：双绞线、光纤和无线介质 ； 介质访问控制方法

2.局域网特性的主要技术见下表： 传输媒体 传输技术 双绞线、同轴电缆和光纤；在特殊环境下，也可考虑使用微波、红外线和激光等无线传输媒体 使用传输媒体进行通信的技术，常用的有基带传输和宽带传输 指组网时的电缆铺设形式，常见的有总线型、星型和环型。局域网的网络拓扑描述对应网络中数据收发的方式 网络拓扑 访问控制方网络设备访问传输媒体的控制方法，常用的有竞争、令牌法 传递和令牌环等 局域网特性的主要技术 3

3.局域网的主要特点 4.1 局域网的基本概念

（1）地域范围小，距离在2.5千米以内。

（2）两高两低。高传输速率，低误码率；高可靠性，低成本。 （3）由单位或部门内部控制和管理。 （4）可采用多种通信介质。 4.1.2 拓扑结构和局域网的组建

局域网的网络拓扑结构主要有星型结构、总线结构、环型结构和混合型结构。 1、总线拓扑结构 1）结构：

采用 “共享介质”、分布式的控制策略 结构简单、容易实现、便于扩展、应用广泛 2）特点：

① 所有节点通过网卡共享一条传输介质； ②所有节点均通过总线发送或接收数据； ③多节点同时发送数据，则冲突发生；

④用介质访问控制方法，解决多节点如何公平地获得使用传输介质的机会。 3）介质访问控制方法主要解决： ① 哪个节点可以发送数据； ② 是否会产生冲突； ③ 冲突产生怎么办；

④ 使网上工作站公平获得使用传输介质的机会 。 4

2、环型拓扑结构

1）结构：采用“分布式的控制策略”，多节点共享一条环通路。 环型结构 环星型结构

4.1 局域网的基本概念 2）特点

① 采用令牌控制，不会产生冲突。 ②数据帧由令牌携带传送；

③可实现数据发送的优先级控制；

④需要解决数据插入环和从环中删除的问题； ⑤需要解决令牌死循环和令牌丢失的问题； ⑥环中节点损坏，可能导致全网瘫痪等。 环型局域网使用的介质访问控制协议：

Token Ring、时间片分割环、移位寄存器插入环等。 5

3、星型拓扑结构

4.1 局域网的基本概念

1）结构：采用“集中式的控制策略” 2）特点

① 中心节点HUB控制全网的通信，任何两节点间的通信都要通 过中心节点;

② 简单、实用，易于实现、便于管理。单个节点的损坏不会影

响全网的正常工作；

③ 中央节点损坏，全网瘫痪。 注意：

在局域网中，由于使用中央设备的不同，局域网的物理拓扑结构（设备间使用传输介质的物理连接关系）和逻辑拓扑结构（设备间逻辑链路的连接关系）也将不同 6

下面以企业级局域网为例，来说明局域网的组成结构。企业级网络是对简单的混合局域网拓扑结构的扩展。这里主要介绍分布式主干网络、并行网络、网状网络等组网方式。 1. 分布式主干网络

由许多连接到位于层次拓扑结构中的一系列中央集线器或路由器上的集线器组成，如下图所示。

4.1 局域网的基本概念

一个简单的分布式主干网络 复杂的分布式主干网络 7

2. 并行主干网络

并行式主干是健壮性更强的企业级网络的拓扑结构，并行式主干有多个从中央路由器或交换机到每个网段的连接。下图描绘了一个简单的并行式主干拓扑结构。 并行主干网络

4.1 局域网的基本概念 8

3. 网状网络 在网状网络中，路由器间至少可通过两条路径互相链接，它比前面所讨论的主干网络更为复杂。 网状网络

4.1 局域网的基本概念 9

4.1.3 传输技术 LAN传输技术 有线传输 无线传输

LAN传输形式

基带传输：在信道上直接传送数据的基带信号

宽带传输：在单根电缆上采用多路调制解调过程的传输 4.1 局域网的基本概念

有线介质—双绞线、光缆和同轴电缆； 无线传质—微波、红外线和激光。 4.1.4 局域网的逻辑结构

有关LAN的标准化主要集中在OSI体系结构的低二层， IEEE 802系列标准间的关系如下图所示：

从右图可以看出，LAN的数据链路层实际上被划分为两个子层：逻辑链路控制子层(LLC)和媒体访问控制子层(MAC)，并且LAN之间的差别主要体现在物理层和MAC子层。 10

IEEE—— 国际电子电气工程师协会The Institute of Electrical and Electronic Engineer；IEEE

802 参考模型遵循ISO/OSI参考模型原则。 4.2 局域网模型 4.2.1 IEEE 802模型

1） IEEE 802 LAN 的物理层功能 基本功能同OSI的物理层

2） IEEE 802 LAN 的数据链路层功能 LLC子层：主要负责提供寻址、 差控、 流控、封装成帧等。

MAC子层：主要负责传输介质资源

共享算法，即介质访问控制方法。

数据链路层分层的目的：使其功能与硬件有关的部分和与软件有关的部分

较好地分离。因此，IEEE 802标准具有很好的扩

充性。而且，有利于将来使用新的介质访问方法。 11

4.2.2 IEEE 802协议标准 4.2 局域网模型

从80年到2002年，IEEE802委员会相继公布的系列标准17类21个标准： 从IEEE802.1 A——到IEEE802.17定义了一系列局域网标准.

低三层功能由网卡（网络适配器）完成。网卡中包括处理器和存储器，网卡与局域网间是串行通信；网卡与计算机之间是并行通信，因此网卡的一个重要功能之一就是进行串/并转换。也是一种半自治单元。 12

4.2 局域网模型

4.2.3 信道的多点共享访问控制 访问控制技术 ① 同步控制技术 ② 异步控制技术 时间片轮转 竞争机制 预约技术 13

4.3 令牌网

令牌控制技术最早于1969年在贝尔实验室研制的Newhall环上采用。 4.3.1 令牌环网与IEEE 802.5

令牌环网络是采用令牌思想的环状网络，采用IEEE802.5标准定义而成 1．令牌环交换 2．令牌环帧

令牌环网的帧类型：IEEE802.5帧或IBM令牌环帧 下图是IBM令牌环帧的结构示意图 14

4.3 令牌网 SD

AC FC DA SA INFO FCS ED FS F F Z Z Z Z Z Z

FF：帧类型。

00—传送帧为MAC-PDU 01—传送帧为LLC –PDU 10、11—未定义的帧格式 ZZZZZZ : 控制位，由环上各站 解释。如，当FF=01, ZZZZZZ=r r r YYY 其中，r r r :保留位， YYY:优先级位。 J K 1 J K 1 I E

JK：非数据JK。

I: 中间帧位（或后继帧位）

I=0 该帧后面还有待发帧； I=1 该帧为最后一帧 E : 控差错检测位。

发送站把E置为0,换上所有站都对该帧进行差错检测，有差错，置E=1

数据字段的长度不限，但发送一帧的耗时 < 为该站所建立的令牌保有时间。 15

4.3 令牌网 SD AC

FC DA SA INFO FCS ED FS A C r r A C r r

A —— 地址识别指示位； C —— 帧拷贝指示位； r r —— 未定义的保留位。

发送站发送数据帧时，将A、C 位都置为 0，如接收站检测到数据帧的目的地址与本站地址相一致，则，将A——1，如还拷贝了该帧，则将C——1。 发送站可根据 A C 位区分三种状态： 1）环上不存在所寻址的目的站；

2）寻址的站存在，但没有接收（拷贝）该帧； 3）寻址的站存在，且已接收（拷贝）了该帧。 16

4.3 令牌网

4.3.2 令牌总线网与IEEE 802.4

令牌总线网的物理结构与以太总线网相同，利用广播式的传输方式，但逻辑上则与环网相同，采用令牌发送信息。

每个站点都有一个前驱站和一个后继站，各站都有自己的逻辑地址（TS），同时还在其MAC层动态保存其前驱节点（PS）和后继节点（NS）的地址，末站的后继节点就是首节点，通过首尾相接形成环形通路。 令牌总线网 17

4.3 令牌网

令牌总线网的帧结构 18

4.3 令牌网

令牌总线网的帧结构 19

令牌总线网的介质访问控制方法 4.3 令牌网

1）该方法用于总线网 2）不会产生冲突

3）逻辑环动态形成：必须通过争

用重新建立逻辑环

逻辑环的管理策略

分散管理：由各站进入的先后顺序确定； 集中管理：由管理站确定逻辑环顺序。

令牌总线介访操作过程：令牌的传递和数据的传送两种状态。 A: 数据帧的发送与接收：方法同 Token Ring

B: 令牌的传递算法：发完数据的站将令牌传递给后继站，并进行成功确认。 如可确认

在规定的时间内，帧听到总线上有信号存在——成功； 在规定的时间内，帧听不到总线上有信号存在——失败。 20

4.3 令牌网

C: 新站插入操作

情况一，在TS和NS间插入；

情况二，在 ？? TS和NS ? ？时插入。 D: 旧站删除操作

① 发1个响应窗口的“设置后继者”时，响应站插入（PS后一站插入）； 发2个响应窗口的“设置后继者”时，响应站插入（任意站插入）。 21

4.4 以太网

4.4.1 CSMA/CD协议

控制方法应该满足的三个要求 ① 协议本身要简单；

② 要能获得有效的通道利用率；③ 对网上各站点要公平合理。 介质访问控制方法的分类

① 随机型：争用，先争到的先用；（有冲突） ② 确定型：轮转，每站轮流获得发送机会。 预约，预约时间片。（无冲突） 1） 随机型介质访问控制协议——争用协议

工作原理：完全随机，一旦数据准备好，便作发送尝试。 控制原则： 网上各站以争用的方式，抢用传输介质。 待解决的问题：冲突。

（1）ALOHA技术 (Additive Link on Line Hawaii System。一种随机接入系统) 纯ALOHA ALOHA

分时ALOHA（开槽ALOHA ） 用于控制总线网的介质访问控制方法。 22

4.4 以太网

（2）CSMA 技术（载波监听多路访问技术——Carrier Sense Multiple Access Protocols） ① 控制方案

基本思想：先听后发（LBT）——Listen Before Talk

(a) 网上所有站共享一条传输介质，且在运行时间内全程监听传输介质上是否有其他站的信号存在；

(b) 若介质空闲，则发送数据。若介质忙，则等待一随机时间后重试；

(c) 发送方以收到肯定的应答，判定信息是否已被目的方正确接收，得不到确认，进行重传。

CSMA的通道利用率可达53-82%。

两站同时监听到线路空闲，则冲突不可避免。 23

4.4 以太网

② CSMA的坚持退避算法 1）1-坚持CSMA

（由于信道空闲时，数据发送的概率为“1”，因此，称为1-坚持CSMA ） (a).侦听，若介质空闲，则发送数据； (b). 若介质忙，则继续侦听，直 到介质空闲，发送； (c).若冲突产生，等一随机时间后，重复第一步。 2）不坚持CSMA

(a). 侦听，若介质空闲，则立即发送数据； (b). 若介质忙，则不再继续侦听， 而是等待一个随机时间后，重复第一步。

不坚持CSMA协议的信道利用率会比1-坚持CSMA好一些，但数据传输 时间稍长。

3）P-坚持CSMA

(a).侦听，若介质空闲，则以P 的概率发送数据，而以1-P的概率延迟一个时 间单位（时间单位=最大的传输延迟）； (b).若介质忙，则继续侦听，直到空 闲，重复第一步； (c).若发送被延迟一个时间单位，则重复第一步。即一帧发 完，重新侦听）

在这种模式下，又有0.01、0.1、0.5等多种坚持的CSMA退避算法。 24

4.4 以太网

1-坚持算法：有空闲就发送，但当两站同时监听到线路空闲时，冲突不可避免。 不坚持算法：优：利用随机的重传时间来减少冲突的概率；缺：即使几个节点都要发送数据，线路却处于空闲状态，信道利用率低。

P-坚持算法：欲取两者之优点（降低冲突概率，提高了利用率），但未从根本上解决两站同时判定介质为空闲而同时发送数据的问题。 三种退避算法的评价

4.4.2 CSMA/CD的工作原理

实质：在先听后发（LBT）的基础上，加了一次边听边发LWT（ Listen While Talk ） 即：“先听后发，边听边发” 1 原理

① 侦听、空闲、发送。发送的同时，也监听自己所发信息的传输情况；

② 若冲突，则由帧发出一阻塞信号通知网上各站，并尽快终止此次发送； ③ 不采用专门的应答信号，也不必等到冲突的信包发完；

④ 每个冲突的节点，不应在信道空闲时立即重发（否则有可能冲突），而是等待一个 随机时间后重发。如还冲突，则再等待一个更长的时间后，尝试重发；

⑤ 重发机制：收方验证，有差错，则向发方回送一个特殊的信包，要求重发。 通道利用率：90%以上。 25

4.4 以太网

CSMA/CD介质访问控制方法： 先听后发，边听边发，冲突停止，随机

延迟后重发。 2 CSMA /CD 的 MAC 帧结构

802.3在LLC子层的帧结构：LLC-PDU

802.3在MAC子层的帧结构：在 LLC-PDU 的基础上，加前导码、起始定界 符、填充字段、帧校验，形成MAC 帧。

802.3在MAC子层的帧结构： 在 LLC-PDU 的基础上，加前导码、起始定 界符、填充字段、帧校验，形成MAC 帧。 最大帧长：1518 字节 最小帧长：64 个字节 LLC-PDU PAD 26

4.4 以太网

① 帧的长度与信息字段长度不一致； ② 帧的长度不是 8 位组数量的整数倍；

③ FCS值不能被同一除数整除时。 收方在下列条件之一时，视接收帧为无效MAC帧，不向己方LLC子层传送: 27

4.4 以太网 28

4.4 以太网

1）发送数据封装

MAC子层在LLC-PDU的基础上，加前导码PA和起始定界符SFD 在帧头位置；加一填充字段PAD在帧尾，同时附加上信息长度计数字段L和FCS序列，构成MAC数据帧交给介质访问管理部分。 2）发送介质访问管理

执行“先听后发、边听边发”的发送模式。

若线路空闲无争用，数据发送成功。MAC通过接口通知LLC发送结束，并等待从LLC传来的有关下一帧数据的发送请求。

若冲突发生（总线上存在两个以上的信号载波），发送介质访问管理立即开始处理冲突。方法是，发送一阻塞（Jam ）强化冲突，其目的是：加快通知其他节点，信道上已经出现冲突，以便让信道尽快空闲下来。且各站在随机选择的时间间隔后进行重发尝试。 采用二进制退避算法确定随机等待时间： τ = R · A · （2N -1） 冲突等待时间 随机时间 计量单位 冲突次数 29

4.4 以太网

由上式可知：冲突的次数越多，冲突后重发的随机等待时间越长。保证了网上各站具有同等的享受介质权利。

CSMA/CD最多允许重传16次。 3）接收介质访问管理

由接收数据解码后的二进制数据，送往MAC子层的接收 介质访问管理——检查到达的数据帧是否出现差错。

4）接收数据解封

检查目的地址字段—— 一致——去掉MAC子层添加的相应控制信息，同时进行差错检测——送往LLC子层——送往应用进程（用户）。 30

4.4 以太网 5 冲突避免技术

1) 第一类冲突避免法（时分多路复用与CSMA/CD组合法） 2) 第二类冲突避免法（二次检测冲突避免法、二次判定法） 31

4.4 以太网

4.4.3 10 Mb/s以太网与IEEE 802.3

10Mbps以太网又称为标准以太网，遵循IEEE 802.3标准。

（1）10Base－5 使用粗同轴电缆(50Ω)，最大网段长度为500m，基带传输方法； （2） 10Base－2 使用细同轴电缆(50Ω)，最大网段长度为185m，基带传输方法； （3） 10Base－T 使用双绞线电缆（星形拓扑），最大网段长度为100m；

（4） 1Base－5 使用双绞线电缆，最大网段长度为500m，传输速度为1Mbps； （5） 10Broad－36 使用同轴电缆（RG－59／U CATV），最大网段长度为 3600m，是一种宽带传输方式；

（6） 10Base－F 使用光纤传输介质，传输速率为10Mbps； 32

4.4 以太网 33

4.4 以太网

IEEE802.3标准的帧结构

① 前导字段：7字节，内容：10101010 ，该字段经过曼彻斯特编码会产生10MHz、持 续5.6us的方波。

② 帧起始定界符：1个字节，内容：10101011 ，表示帧本身的开始；

③ 源地址和目的地址：2或6字节，可能是一个普通地址、组地址或者广播地址； ④ 数据字段：0～1500字节，表示帧内容；

⑤ 填充字段：大于等于0字节，铜过该字段填充保证帧的数据部分少于64个字节； ⑥ 帧检验序列：4字节，32位的循环冗余码，由除了帧前导、起始定界符和帧检验序 列外的所有字段产生。 34

4.4 以太网

4.4.4 高速以太网 1．高速以太网的发展 2．100BASE-T的物理层 三种传输介质选项

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/qmb2.html