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第 5 章 IEEE 802 模型与局域网

第 5 章 IEEE 802 模型与局域网. IEEE （ Institute of Electrical and Electronic Engineers ，美国电子与电气工程师协会）于 1980 年 2 月成立了局域网标准委员会，简称 IEEE 802 委员会，专门从事局域网的标准化工作，该委员会为局域网制定了一系列标准，统称为 IEEE 802 标准。. 局域网概 述. 地理范围有限，故早期不需考虑和其它局域网相连的问题。所以 在其内部只需考虑通过何种通信手段完成有效传递信息即可

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第 5 章 IEEE 802 模型与局域网

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  1. 第5章 IEEE 802模型与局域网 • IEEE（Institute of Electrical and Electronic Engineers，美国电子与电气工程师协会）于1980年2月成立了局域网标准委员会，简称IEEE 802委员会，专门从事局域网的标准化工作，该委员会为局域网制定了一系列标准，统称为IEEE 802标准。

  2. 局域网概 述 • 地理范围有限，故早期不需考虑和其它局域网相连的问题。所以 在其内部只需考虑通过何种通信手段完成有效传递信息即可 • 拓扑结构简单，早期的局域网参考模型和OSI七层模型相比，它只包含物理层和数据链路层两层 ★ 物 理 层：完成通信的物理连接及传输媒质上的比特传送 ★ 数据链路层：对信息帧进行传送和控制 • 随着局域网应用的不断深入以及和广域网相连要求的不断增加， 再加上虚拟局域网的出现等原因，使局域网参考模型发生了变 化，网络层的功能随之出现

  3. 局域网技术 • 决定局域网的主要技术要素： —网络拓扑、传输介质、介质访问控制方法　 • 介质访问控制方法： —如何控制多个结点利用公共传输介质发送和接收数据的方法 • 介质访问控制方法需解决的问题： 。哪个结点有权发送数据? 。发送数据时是否出现冲突? 。出现冲突怎么办?

  4. 信道共享技术 静态分配 WDM CDM TDM FDM STDM ATDM 随机访问 受控访问 动态分配 CSMA CSMA/CD 集中控制 分散控制 轮询 令牌 以太网 令牌环网 介质访问控制方法

  5. 5.1局域网模型 5.2 令牌网 5.3 以太网 5.4 交换式局域网 5.5 无线局域网WLAN

  6. 5.1局域网模型 5.1.1 IEEE 802模型 5.1.2 IEEE 802协议标准 5.1.3 信道的多点共享访问控制

  7. 5.1.1 IEEE 802模型 IEEE 802模型的特点: • 介质访问控制MAC 子层来进行传输介质访问控制，逻辑链路控制LLC子层处理逻辑上的链路。 • LLC子层与具体局域网使用的介质访问方式无关，主要为高层协议与局域网介质访问控制MAC子层之间提供统一的接口。 • 拓扑结构比较简单,只具备OSI/RM低两层

  8. IEEE 802 OSI 高层 由TCP/IP和NOS实现 网络层 逻辑链路控制 LLC 数据链路层 介质访问控制 MAC 物理层 物理层PHY IEEE 802模型及其与OSI/RM的比较

  9. MAC子层的主要功能 • 将上层交下来的数据封装成帧进行发送 • 按MAC地址（即帧地址）寻址 • 进行差错检测 • MAC层的维护和管理

  10. LLC子层的主要功能 • 提供与高层的接口 • 实现数据链路层的差错控制 • 给帧加上序号 • 为高层提供数据链路层逻辑连接的建立和释放服务

  11. 5.1.2 IEEE 802协议标准 IEEE 802是一个标准系列，经不断增加新的标准， 现有的标准有: • IEEE 802.1A，概述和体系结构; IEEE 802.1B，寻址、网际互联及网络管理. • IEEE 802.2，LLC协议; • IEEE 802.3，CSMA/CD访问方法及物理层规范；IEEE 802.3i，10 BASE-T标准；IEEE 802.3u，100 BASE-T标准; • IEEE 802.4，令牌传送总线访问方法及物理层规范；

  12. IEEE 802.5，令牌传送环访问方法及物理层规范； • IEEE 802.6，城域网（MAN）标准； • IEEE 802.7，宽带局域网标准； • IEEE 802.8，光纤局域网标准； • IEEE 802.9，综合数据/语音网络标准； • IEEE 802.10，网络安全与保密标准； • IEEE 802.11，无线局域网标准； • IEEE 802.12，100BASE-VG标准； • …… • IEEE 802.14，有线电视网（CATV Broadband）标准； • IEEE 802.15，无线个人网络（WPAN）标准； • IEEE 802.16，无线宽带局域网（BBWA）标准；

  13. IEEE802标准之间关系

  14. 5.1.3 信道的多点共享访问控制 多点共享技术是在某一时刻只允许传送一个用户数据的情况下，为解决多个用户争使用引起的信道冲突而采用的介质访问控制方案。 • 无竞争（受控）方式，各个节点必须在某一控制原则下接入，形成一种无冲突的访问控制方式。 • 竞争方式，各节点以竞争方式来取得介质的使用权。

  15. 5.2 令牌网 令牌传递是一种受控访问控制方法，按照网络拓扑结构可以分为令牌环和令牌总线两种方法。 5.2.1 令牌环网与IEEE802.5标准 5.2.2 令牌总线网与IEEE 802.4标准

  16. 5.2.1 令牌环网与IEEE802.5标准 • 令牌环的工作原理 • IEEE 802.5的MAC帧

  17. 令牌环的工作原理 • 令牌有“闲”和“忙”两个状态，开始时为闲（如将状态寄存器置“1”）。 • 一个节点有数据要发送，必须等空闲令牌到来；检测到空闲令牌到来，便将之截获下来，置令牌的状态为“忙” ，并把要传送的数据等字段加上去，令其继续往前传送； • 每到一个站点，该站点的转发器便将帧内的目的地与本站的地址进行比较，如果两地址复合，则复制该帧，并在帧中置入“已收到”标志，然后让帧继续传送； • 当传送回源站点时，若没有检查到“已收到”标志则继续发送当前帧，若检查到“已收到”的标志时就停止传送，撤消所发送的数据帧并立即生成一个新的令牌发送到环上。

  18. IEEE 802.5的MAC帧 • IEEE 802.5是令牌环网的访问方法和物理层的标准，它定义了令牌环网MAC子层的两个基本帧：令牌帧和非令牌帧。 • 起始字段和结束字段中，各有两对“JK”的特殊比特，用于起始和结束的识别标志。

  19. 1 2 3 4 5 6 7 8 0~任意 J K 0 J K 0 0 0 比特 1 4 1 字节 2或6 2或6 4 1 1 起始 访问控制 帧控制 目的地址 源地址 帧校验序列 结束 帧状态 非令牌帧 数据 字节 起始 访问控制 结束 令牌帧 F F Z Z Z Z Z Z J K 0 J K I I E A C r r A C r r 1 2 3 4 5 6 7 8 比特 P P P T M R R R （a）令牌帧结构 （b）非令牌帧结构 令牌环的帧结构

  20. 访问控制字段 • 优先级比特PPP（占3位），将优先级分为8级，使优先级高的站点可以通过预约取得下一次的发送权。 • 预约比特RRR（占3位），用于按优先权预约下次发送权。一个站要发送数据时，可以在经过本站点的数据帧的RRR字段中进行预约，以取得下一次的发送权，当然，必须是本站的优先权高于当前数据帧中RRR字段的优先权。 • 令牌比特T（占1位），用于表示令牌的“闲”和“忙”。 • 监督比特M（占1位），为防止忙令牌的无限循环而设置。

  21. 帧控制字段 帧控制字段中前2位FF表示帧的类型，根据FF的取值，帧字段分以下三种类型： • FF=00，为MAC控制帧，无数据字段 • FF=01，为一般信息帧，只发送数据给地址字段指定的目的站点 • FF=11或FF=10未定义。 • 对于数据帧来说，在结束字段中，要用1位I作为后继比特，当I=1时，表示还有数据要发送，I=0表示最后一帧数据。 • 用1位E作为差错比特，开始时发送站将E置0，环上所有的经过站点都要对经过的帧进行校验，检测到错误，即将E置1。

  22. 5.2.2 令牌总线网与IEEE 802.4标准 令牌总线网（Token Bus）的物理拓扑为总 线，其基本原理是：让令牌一站接着一站 地在总线上传递，到最后一个站点时反绕 到第一个站点，形成逻辑上的环。

  23. 令牌总线网的物理和逻辑结构

  24. 5.3 以太网 5.3.1 CSMA/CD协议 5.3.2 IEEE 802.3与10Mbps以太网 5.3.3 100Mbps以太网 5.3.4 IEEE 802.3z与千兆位以太网

  25. 5.3.1 CSMA/CD协议 • 以最初的10Mbps速率的以太网为基础探讨其工作原理. • 传统以太网采用的媒体接入协调方法是CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access /Collision Detection） 载波监听 多点接入 碰撞检测

  26. 载波侦听 • 载波侦听CS是欲发送数据的节点进行的第一件工作，即在数据发送之前先要检测线路上有无信号正在传送。 • 坚持与不坚持算法 当监听到信道上有信号时，可以有坚持和不坚持两种算法进行处理，具体又演化为如下三种CSMA方法。

  27. 1_坚持型CSMA（节约信道空闲时间） 。信道空闲发送：忙则继续侦听，直到发现空闲则立即发送 。如信道有冲突，等待并继续侦听，空闲立即发送 P_坚持型CSMA 。信道闲,以P的概率发送，以1-P的概率推迟一个时隙； 。信道忙,则等待一个时隙后重发，若冲突，则随机延迟一 段时间后重复上述过程 非坚持型CSMA（减少冲突） 。信道空闲,立即发送；信道忙,随机延迟,时间一到,立即发送 。虽降低了冲突概率，但随机延迟降低了信道的利用率

  28. 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，由信号电压摆动值的大小来判断是否发生了碰撞。 1）比较法 — 利用波形叠加方式对接收信号波形与发送信号波形进行比较 2）编码违例判决法 — 通过检测从总线上接收到的信号波形是否符合规定的编码来判定是否有冲突现象发生

  29. 冲突产生的情形 为什么会发生碰撞？ 每个站点都是在监听到信道“空闲”时才发送数据的，为什么还会发生碰撞？ 有如下两种： • 两个以上节点都准备发送信号，并同时进行载波侦听又在侦听到线路空闲后都把信号发送到线路上，因而造成冲突。 • 一个节点先检测到线路空闲后发送了信号，但由于信号传输延迟，另一个节点没有检测到并发送了数据因而造成冲突。

  30. 碰 撞 第二种情形的根本原因是因为电磁波在媒体上的传播速度总是有限的。 假设局域网两端的站A和站B相距1km（电磁波在1km电缆上的传播时延约为5μs），单程传播时延记为τ。 t = 0 A发送数据 A B t = τ－δ B检测到信道空闲发送数据 B A t = τ－δ/2 发生碰撞 A B t = τ B检测到碰撞停止发送 B A t = 2τ－δ A检测到 发生碰撞 A B A和B发送数据均失败，它们都要推迟一段时间后再重新发送

  31. 争用期 • 最先发送数据帧的站点，在发送数据帧后至多经过2 τ就可以知道该帧是否发生了碰撞。 • 以太网的端到端往返时延2 τ称为争用期，又称为碰撞窗口或时间槽。 • 一个站点开始发送后，若在时间槽内没有检测到冲突，则本次发送不会再发生冲突

  32. 检 测 条 件 • 要使冲突的两端都能检测出，就应当使两端都满足发送时间大于传输延迟时间的条件，并且越大传输效果越好。 • 为了考虑传输延迟的影响，倾听时间要考虑两个因素：一是信号在线路上最远两点间来回传输所需的时间，二是以太网时隙时间（Slot Time）——512位（以太帧格式所规定的最小帧长度）的发送时间。

  33. 后退等待 • 一旦检测出冲突，应立即停止发送，同时发出一个干扰信号（Jamming Signal），清除（丢弃）已发出帧，并通知所有站点“冲突已经发生” 。这个等待停滞称为退让（Backoff），其中发出的干扰信号是一串32~48位的“1”。 • 最常用的后退算法是截断二进制后退算法

  34. 退避算法 • 1. 令基本退避时间T=2τ（即时间槽长度）； • 2. k=min（重传次数，10）； • 3. r=在 [0, 1, …, (2k-1)] 中随机取一个数； • 4. 退避时间=rT。 • 限定最大重传次数＝16，若发送16次仍不成功，则发送失败。

  35. 接收处理 接收处理主要有两项工作：接收校验和本 地处理。接收校验包括碎片校验、目的地 址校验和完整性校验： • 碎片校验，长度小于512位的帧是冲突碎片。 • 目的地址校验用于判断是否是本地地址。 • 完整性校验包括校验是否是畸形帧（长度>1518字节）、CRC校验和定界符（长度必须是8位的整数倍）。

  36. 5.3.2 IEEE 802.3与10Mbps以太网 • 以太网与802 .3 • 以太网的组成 • 10Mb/s以太网的物理层标准 • IEEE 802.3 以太网体系结构

  37. 以太网历史 • 1968年 夏威夷大学的Norman Abramson研制了一个名为ALOHA系统的无线电网络。系统将位于Oahu岛上校园内的IBM360主机与分布在其它岛上和海洋船舶上的读卡机和终端连接起来。 • 1972年，施乐的帕洛阿尔托研究中心(PARC)的计算机科学实验室的网络专家Metcalfe设计了一套网络，该网络是以ALOHA系统为基础，世界上第一个个人计算机局域网络，该网络名为以太网(Ethernet)，其灵感来自于“电磁辐射是可以通过发光的以太来传播的这一想法”。最初的实验型PARC以太网以2.94Mbps(每秒兆位)的速度运行。 • 1977年底，多点传输系统被称为 CSMA／CD(载波监听多路存取/冲突检测)。1979年，DEC、Intel和施乐共同将此网络标准化。 • 在上个世纪70年代末，涌现出数十种局域网技术。除了以太网外，还有：MCA、Hyperchannel、ARCnet和Omninet。使以太网最终坐上局域网宝座的不是技术优势和速度，而是Metcalfe版本的以太网已成为产业标准。

  38. 以太网和802.3 • 1980年9月30日，DEC、Intel和施乐公布了第三稿的 “以太网规范，”，这就是著名的以太网蓝皮书，也称为DIX版以太网1．0规范。 • 在DIX开展以太网标准化工作的同时，IEEE组成一个定义与促进工业LAN标准的委员会，并以办公室环境为主要目标，该委员会名叫802工程。在1981年6月，IEEE802工程决定组成802.3分委员会，以产生基于DIX工作成果的公认标准，针对整个CSMA/CD网络。 • 今天的以太网是TCP/IP采用的主要局域网技术，以太网一词更多的被用来指各种采用CSMA/CD技术的局域网。以太网和802.3可以认为是同义词。但是两者在帧格式上存在一定区别。

  39. 7 1 2/6 2/6 2 46-1500 4 字节 IEEE 802.3 DA SA LEN PR SFD FCS Pad LLC-PDU 校验区间 64-1518 字节 7 1 6 6 2 46-1500 4字节 Ethernet DA FCS SA Type Pad PR SFD Data 帧结构上差别 • 802.3帧数据字段的数据是LLC子层的协议数据单元,而以太帧的数据 字段是网络层的分组 • 802.3采用“填充”字符来保证最小46字节数据长度； 以太由上层软件来保证 • 802.3使用“长度”字段来表明 数据字节数目； 以太用“类型”来 指明数据协议类型

  40. 以太网帧结构 802.3 MAC子层帧的结构。 • 前同步码由7字节的前导码（1010…10）,1字节的同步码SFD（1010101）组成，用于接收站点进行帧同步。 • 源地址是指发送站的网卡地址；目的地址是指接收以太网帧的网卡地址。 • 类型：以太网封装的消息协议类型。 • 长度：帧的长度。 • CRC：帧的循环冗余校验序列。

  41. IEEE 802 .3的特点 IEEE 802.3标准规定了CSMA/CD访问方法和 物理层技术规范。该规范的特点是： • 采用1坚持CSMA/CD协议 • 规定MAC帧的长度范围为64~1518字节 • 任何站点发送数据时都要遵循CSMA/CD协议 • 每个站点都可以接收到所有来自其他站点的数据 • 只有地址与帧的目的地址相同的站点才接收数据 • 目的站点将复制该帧，其他站点则忽略该帧

  42. 以太网的组成 • 传输介质 • 收发器 • 网卡

  43. 10Mb/s以太网的物理层标准 10Mb/s以太网可以有多种物理层标准。目前有5种: • 10 Base-5标准，也称标准以太网（原始的IEEE802.3）或粗缆以太网，采用粗同轴电缆总线连接 • 10 Base-2标准——IEEE802.3a，也称便宜以太网或细缆以太网，采用细同轴电缆总线连接 • 10 Base-T标准——IEEE802.3i，也称双绞线以太网，采用无屏蔽双绞线、星型方式连接 • 10 Base-F标准——IEEE802.3i，也称光缆以太网，星型方式连接 • 10 Broad36标准，宽带传输以太网。

  44. Vampire tap 粗缆 最大段长度 500m 每段最多站点数 100 收发器 AUI 电缆 NIC 终端匹配器 ≥2.5m 网络最多5个段 网络最大跨度 2.5km 同轴电缆以太网 粗缆以太网（10BASE5） • 粗同轴电缆，可靠性好，抗干扰能力强 • 收发器 : 发送/接收, 冲突检测, 电气隔离 • 总线型拓扑

  45. 细缆 BNC接头 NIC • 细缆以太网（ 10Base2） • 细同轴电缆，可靠性稍差 • 无外置收发器 • 轻便、灵活、成本较低 • 总线型拓扑 每段最大长度 185m 每段最多站点数 30 ≥0.5 m 网络最多5个段 终端匹配器 网络最大跨度925 m

  46. 收发器 收发器具有如下功能： • 接收或发送数据 • 检测在总线上发生的数据帧的冲突 • 在总线和总线接口的电子设备间进行电气隔离

  47. 网卡 网卡是实现工作站之间通信的关键部件。 网卡主要实现下列功能： • 数据的封装和解封 • 链路管理：实现CSMA/CD协议 • 编码和解码：对送到收发器上的信号进行曼彻斯特编码，对从收发器收到的信号进行曼彻斯特解码。

  48. 10Base-T标准 Ethernet • 传输介质为非屏蔽双纹线UTP，传输速率为10 Mb/s • 以集线器(HUB)为中心的星状结构,利用RJ45接插件和非屏蔽 双纹线与站点网卡连接 1．基本硬件配置 。集线器（分独立式和可叠加式两类） 。带有RJ-45接口的以太网卡 。3类/5类非屏蔽双绞线 2、说 明 。集线器是以太的中心连接设备，起 转发器的作用（不提供帧过滤和存储） 。介质访问控制方法仍采用CSMA/CD 。是对“共亨介质”总线网结构的一种“变革”，构成物理上的“星 状”，逻辑上的“总线状”

  49. IEEE 802.3 以太网体系结构 为了便于物理层功能的实现，802.3 进一 步将物理层分为两个子层： • PLS子层 • PMA子层

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