局域网（

LAN）概述

§ LAN的特点

• 覆盖范围小

§ 房间、建筑物、园区范围

• 高传输速率

§ 10Mb/s～1000Mb/s

• 低误码率

§ 10-8 ～ 10-11

• 拓扑：总线型、星形、环形

• 介质：UTP、Fiber、COAX

• 私有性：自建、自管、自用

体系结构只包含了两个层次：数据链路层、物理层

n 数据链路层又分为逻辑链路控制和介质访问控制两个子层

局域网的物理层

o 功能：

n 位流的传输与接收；

n 同步前序码的产生与识别；

n 确定与传输媒体接口的特性；

n 信号编码和译码。

o IEEE802定义了多种物理层，以适应不同的网络介质和不同的介质访问控制方法。

局域网的数据链路层

o 按功能划分为两个子层：LLC和MAC

o 功能分解的目的：

n 将功能中与硬件相关的部分和与硬件无关的部分分开，以适应不同的传输介质。

n 解决共享信道(如总线)的介质访问控制问题，使帧的传输独立于传输介质和介质访问控制方法。

o LLC： 与介质、拓扑无关；

o MAC：与介质、拓扑相关。

 

LLC子层的功能

o 遵循IEEE802.2标准

o 向高层提供统一的链路访问形式

o 成帧/拆帧

o 建立/释放逻辑连接

o 差错控制

o 帧序号处理

o 提供网络层接口

n 不同的LAN标准，LLC子层都是一样的

n 区别在于MAC子层和物理层

MAC子层的功能

 

 

介质访问控制方法

§ 广播信道：多个站点共享同一信道。

• 各站点如何访问共享信道？

• 如何解决同时访问造成的冲突（信道争用）？

à 介质（媒体）访问控制(MAC)

§ 信道共享技术：

• 静态分配（

FDM、WDM、TDM、CDM）

§ 不适用于LAN

§ 动态分配（随机接入、受控接入）

§ CSMA/CD、预约、集中控制（如轮询、传递令牌）

§ 动态分配常见的有两种：

§ 随机接入方式，采用随机访问技术的竞争型介质访问控制方法

§ 不预先规定发送时间和发送顺序，各站点都是随机和平等的

§ ALOHA、CSMA、CSMA/CD

•受控接入方式，采用受控访问技术的分散控制型介质访问控制方法

§ 需要服从一定的控制

§ Token Ring、Token Bus、FDDI

以太网

CSMA/CD 协议

o 载波监听多点接入/冲突检测协议

o 传统以太网(10Mbps)：总线拓扑，广播通信

 以太网的广播方式发送

Ø 总线上每一个工作站点（计算机）都能检测到 B发送的数据信号

Ø 帧头包含目的地址，只有 D 的地址与帧头目的地址一致，因此 D 接收这个数据帧

Ø 其他站点（A、C 和 E）都检测到不是发送给自己的数据帧，就丢弃该帧（置之不理）

Ø 在具有广播特性的总线上实现了一对一通信

协议要点：CSMA

o 多个站点如何安全地使用共享信道？

n 载波监听：发送前先检测一下其它站点是否正在发送（即信道是否忙）

o 若信道空闲，是否可以立即发送？

n 立即发送（1坚持的CSMA）

o 若信道忙，如何处理？

n 继续监听，等到信道空闲后立即发送

协议要点：CD

o 一旦出现两个站点同时发送的情况，如何处

理？

o 冲突检测：边发送边检测是否有冲突

n 若不冲突，持续发送，直到发完

n 若冲突，停止发送

总结：CSMA/CD协议

o用于IEEE802.3以太网

o工作原理：

Ø发送前先监听信道，若空闲则立即发送；

Ø如果信道忙，则继续监听，一旦空闲就立即发送；

Ø在发送过程中，监听是否冲突。若冲突，则立即停止发送数据，并发送冲突强化信号Jam

• 目的是使所有的站点都能检测到冲突

Ø等待一段随机时间（退避）以后，再重新尝试

• 总结：发前先听，空闲即发送，边发边听，冲突时退避

载波监听多点接入/冲突检测 CSMA/CD

ü “多点接入”表示许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上。

ü

“载波监听”是指每一个站在发送数据之前先要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据，如果有，则暂时不要发送数据，以免发生冲突。

ü “冲突检测”就是计算机边发送数据边检测信道上的信号电压大小。当信号电压摆动值超过一定的门限值时，认为总线上至少有两个站同时在发送数据，产生了冲突。立即停止发送，然后等待一段随机时间后再次发送

CSMA/CD 协议争用期

p 发送数据帧的站点，在发送后最多经过 2t (端到端的往返传播时延) 可以知道是否有冲突

p 以太网的争用期（冲突窗口）：2T

p 经过争用期之后还没有检测到冲突，即没有冲突

p 以太网的最短帧长：64字节

u 传统10Mbps以太网的争用期为51.2μs，这段时间可发送512 bit，即 64 字节

u 如果帧长小于64字节，则争用期内已经发送完毕，发送站点可能检测不到冲突

u 因此规定最短有效帧长为 64 字节，长度小于 64字节的帧都是由于冲突而异常中止的无效帧

截断二进制指数退避算法

p 发生冲突的站点在停止发送后，要推迟(退避)一个随机时间才能再发送数据，减小再次发生冲突的概率

(1) 基本退避时间，一般取 2T 

(2) 从整数集合[0,1,…, (2k -1)]中随机地取出一个数r，重传需退避的时间= r × 2其中 k = Min[重传次数, 10]

(3) 重传 16 次仍失败，则丢弃该帧，向高层报告

 

Ø数据字段的正式名称是 MAC 客户数据字段

最小长度64字节-18 字节的首部和尾部 = 数据字段的最小长度

Ø当数据字段的长度小于 46 字节时，应在数据字段的后面加入整数字节的填充字段，以保证以太网的MAC 帧长不小于 64 字节。

无线局域网的组成

o 1、有固定基础设施的无线局域网

o 预先建立起来的、能够覆盖一定范围的一批固定基站

o 2. 移动自组网络，又称自组网络(ad hoc network)

n 没有固定基础设施(没有 AP)的无线局域网。

n 由一些处于平等状态的移动站之间相互通信组成的临时网络。

局域网的MAC 层协议

n “冲突避免”采用了三种机制

Ø 预约信道：发送站点向其他站点通告本站点将要占用信道的时间，其他站点将设置为“信道忙”

Ø ACK：接收站点的确认

Ø 握手：RTS/CTS，解决隐蔽站问题

冲突避免措施：帧间间隔 IFS

o 为避免冲突，站点在完成发送后，必须再等待一段很短的时间(持续监听)才能发送下一帧à帧间间隔 IFS (InterFrame Space)

o 帧间间隔长度取决于帧的优先级

n 高优先级帧IFS较短，优先发送

n 低优先级帧IFS较长；且在发送之前若其他站的高优先级帧已到达，则信道变为忙，低优先级帧只能再推迟发送

 

冲突避免措施：虚拟载波监听

o 目的：发送站预约信道，以减少冲突，

o 原理：源站将要占用信道的时间(包括目的站发回确认帧所需的时间)通知给所有其他站，以使其他所有站在这一段时间都停止发送

o 方法：源站在 MAC 帧头中的 “持续时间”字段中填入发送之后要占用信道的时间(μs)

o “虚拟载波监听” ：站点并没有监听信道，而是由于收到“源站的通知”才不发送数据

o NAV(Network Allocation Vector)：网络分配

向量

n 站点根据收到的 MAC 帧头的“持续时间”字段来调整自己的NAV

n NAV 指出了信道持续忙的时间（即经过多少时间才能完成数据帧的这次传输，然后信道才能转为空闲）

在物理层扩展LAN

Ø 功能：扩展LAN的地理覆盖范围

Ø 设备：中继器、集线器（HUB）

Ø 特点：复制信号，再生放大，转发到所有端口；属于一个LAN，一个冲突域（共享以太网）

在数据链路层扩展局域网：网桥

p 网桥(bridge)根据 MAC 帧的目的地址对收到的帧进行转发

p 网桥具有过滤帧的功能：网桥收到一个帧时，不是向所有端口转发，而是先检查此帧的目的MAC 地址，然后再根据站表确定将该帧转发到哪一个端口，或者过滤

网桥的优点

p 过滤通信量，增大吞吐量；分隔冲突域；扩大了物理范围；提高了可靠性

p LAN互连：可互连不同物理层、不同MAC 子层和不同速率(10 Mbps ,100 Mbps )的LAN

网桥的不足

p 增加处理时延：存储、查找站表（转发表）、执行CSMA/CD算法

p 在MAC 子层没有流量控制功能，缓存不足会产生帧丢失

p 对于目的地址为全1的广播帧，网桥将进行洪泛转发，会因传播过多的广播信息而产生网络拥塞à 广播风暴