第5章 介质访问控制子层和局域网,5.1 局域网参考模型 5.2 逻辑链路控制（LLC）子层协议 5.3 介质访问控制（MAC）子层协议,5.4 CSMA/CD介质访问控制方法 5.5 局域网协议标准 5.6 虚拟局域望（VLAN）,5.1 局域网参考模型,图5.1 局域网参考模型与OSI参考模型对应关系,5.2 逻辑链路控制（LLC）子层协议,图5.2 LLC子层的帧格式,5.3 介质访问控制（MAC）子层协议,计算机网络的通信方式可以分为点对点和点对多点通信。,图5.3 同轴电缆总线局域网,1静态分配 所谓静态分配方法，也是传统的分配方法，其采用频分多路复用或时分多路复用的方法将多个单信道静态地分配给不同用户。,频分多路复用的问题是不能公平合理地分配信道：当用户站数较多或使用信道的站数在不断变化，或者通信量的变化具有突发性时，静态频分多路复用分配方法的性能较差。,2动态分配 所谓动态分配就是用动态的方法为每个用户站点分配信道使用权。 争用技术就是所有用户站点竞争使用介质 使用争用方法必须明确以下基本问题。,（1）每个站点都是独立的 （2）单信道。 （3）冲突检测。,图5.4 冲突造成的信号变形,（4）载波侦听。 （5）传输是双向的。,5.4 CSMA/CD介质访问控制方法,5.4.1 CSMA/CD方法的工作原理 1CSMA/CD方法的具体过程 （1）任何站点不发送就静止，需要发送就侦听； （2）侦听到链路忙，则继续侦听，直到链路空闲就等待一个时隙即开始发送；,（3）边发送边侦听，若没有检测到冲突发生就继续发送，发送完毕则静止； （4）若检测到冲突发生，则立即停止发送，并发出4B6B的拥塞信号加强冲突，通知各站点冲突已发生，以避免其他站点贸然发送而浪费信道容量；,（5）发送拥塞信号后，等待一段随机时间，再重新竞争发送； （6）如果发现超过16次冲突就证明是链路出现故障，则放弃竞争重发，报告高层处理。图5.5所示为CSMA/CD方法的具体过程。,图5.5 CSMA/CD方法的具体过程,图5.6 冲突处理时间2t 示意图,2CSMA/CD协议的实现,图5.7 EDLC功能示意图,（1）将来自PC的数据成帧，存入发送缓冲器中，发送前首先发出64位前导码，目的是使网络进入稳定状态，并作为接收方的同步序列码。 （2）把帧放入先进先出（FIFO）缓冲器中，接着进行串/并转换，然后进行侦听，若获知链路空闲则经过TxD 发送，即载波侦听。,（3）由RxD边发边听，若发现冲突立即发出6B的“55555555”阻塞码加强冲突，此时EDLC向主机返回TxRET信号，请求主机停止发送，TxRET信号封闭了主机的DMA电路，然后主机执行后退算法，等待一个随机时间，重新竞争发送，重试计数器用来累计冲突次数，若冲突次数大于16则认为是设备故障，报告上层处理。,（4）如果发送成功，则由主机向EDLC发出RxTxEOF信号，启动CRC生成器产生32位校验码；帧格式中的填充段用来把数据长度填充为4B的倍数。,3CSMA/CD协议的后退算法 如果出现多个发送站发生冲突，各站都后退相同的随机时间，则会立刻再次发生冲突， （1）规定基本后退时间为2t。 （2）设一个小于10的参数n，n随着冲突次数变化，冲突次数多一次则n1，但是n初值最大取值为10。,（3）在离散数集合0，1，2，2n1中随机选择一个数值x，若n4，则离散数为015，若n8，则离散数为0255，在其中选择一个数值x。 （4）x乘以2t 就是某个站的后退时间，可能是4t、6t、8t、100t、。这样可以避免发生没完没了的冲突。,（5）若冲突次数大于16，则说明不是竞争的主机过多，就是设备或线路出现故障，报告高层处理。,4CSMA/CD协议的信道利用率,图5.8 发送一帧的时间,信道利用率为ST0/T，再设任何站竞争成功的平均概率为A，则 ANp(1p)N1 由图5.8可知：T2tX1T0+t 令a t/T，a 就是前面已经讲过的以帧为单位的链路长度，于是信道利用律为,由于j是某站点竞争失败的次数，则平均竞争失败的次数X1为,由此可见愈小则利用率愈高，这意味着数据帧愈长则利用率愈高；A即竞争成功概率愈大则利用率愈高。 现在将公式S对p求极大值，当p1/N时可以达到Amax,这说明当N可能使平均竞争成功率最大，即Amax1/e0.368 实际上当N为2030时Amax就接近0.368了。,我们再来看看，也就是数据帧愈长则愈小，则信道利用率愈高，若LAN的网络直径是1km，则t为5ms，设数据传输速率为5Mbit/s，则信道利用率与竞争站点数的关系如图5.9所示。,图5.9 信道利用率与站点数的关系,当数据帧长为128B时，信道利用率可达0.9以上，当竞争站点数达到30个以上时，信道利用率基本稳定，并不是想像的那么低。,5.4.2 MAC子层的帧格式 MAC子层有两种近似的帧格式，DIX V2和IEEE 802格式，如图5.10所示。 1前导码,图5.10 CSMA/CD MAC帧格式,2目的地址和源地址 目的地址和源地址是收发两方的MAC地址或称物理地址。 MAC地址的后3B由生产厂商自己分配，这样总共有70亿个MAC地址可供分配，于是每块网卡和其他需要MAC地址的设备，都能获得全球惟一的MAC地址。, 第一种记法，使每个字节的高位在左低位在右，如把AB记为“10101011”发送时也是先发高位后发低位，这种记法应用于802.5和802.6 协议。, 第二种记法，使每个字节的高位在右低位在左，如把AB记为“11010101”发送时则是先发低位后发高位，这种记法应用于802.3和802.4协议，由于记法不同就使得I/G的位置发生了变化。,3类型段 来指明MAC帧的上层是什么协议类型 4数据段和填充段 类型段标记为数据段的实际长度 5帧校验字段,5.5 局域网协议标准,5.5.1 IEEE 802协议标准,图5.11 IEEE 802局域网标准一览图,5.5.2 IEEE 802.3以太网标准 110M以太网802.3标准,表5.1 10M以太网802.3标准内容,图5.12 10BASE-2以太网,图5.13 10BASE-T连接示意图,2百兆以太网IEEE 802.3u标准,图5.14 百兆以太网连接示意图,3吉比特（千兆）以太网IEEE 802.3z标准 载波扩展： 帧突发技术（Packet Bursting）,图5.15 吉比特以太网的功能元素,吉比特以太网标准内容,备注：S短距离；L长距离；H远距离,图5.16 吉比特以太网,410吉比特（万兆）以太网IEEE 802.3ae标准 设置了两个物理层，对以太帧格式做了修改，以及LAN与WAN的速率适配策略。 （1）10吉比特以太网设置了两个物理层,图5.17 10吉比特以太网层次结构图,（2）以太网帧格式的修改,图5.18 修改后的MAC帧格式,（3）LAN与WAN的速率适配,10吉比特以太网的连接方式,5.6 虚拟局域网（VLAN）,5.6.1 VLAN的作用 VLAN的优势。 （1）有效地抑制广播。,图5.19 VLAN有效抑制广播,（2）可以减少网络成员物理位置移动而付出的费用和工作量。 （3）可以方便地将不同位置上的有共同爱好或需求的成员组成一个VLAN，享受共同的乐趣或进行共同的研究。 （4）增加安全性。,5.6.2 VLAN的连接和划分 1访问连接 （1）基于端口的VLAN（Port Based VLAN）,图5.20 基于端口的VLAN,（2）基于MAC地址的VLAN,图5.21 基于MAC地址的VLAN,（3）基于子网的VLAN（Subnet Based VLAN）,图5.22 基于子网的VLAN,（4）基于用户的VLAN （5）基于组播（Multicast）的VLAN,2汇聚连接,图5.23 汇聚连接VLAN,5.6.3 VLAN的标准802.1Q和802.1P 1802.1Q协议,图5.24 802.1Q帧头,2802.1P协议,5.6.4 VLAN之间的通信 1通过路由器实现VLAN之间的连接,图5.25 通过路由器实现VLAN之间的连接,（1）在同一VLAN内通信时 （2）在不同VLAN之间通信时,2通过三层交换机实现VLAN之间的连接 （1）当与同一VLAN中的网站通信时，只需交换机查表，按目标MAC转发即可，不必通过路由模块。,图5.26 通过三层交换机实现VLAN连接,（2）VLAN间的通信,