本課程主要教學內容

第1章通信網概論第2章網絡協議的體系結構

第3章局域網協議與技術

第4章因特網協議與技術

第5章IP廣域網的路由與QoS控制

第6章網絡新技術及其發(fā)展第3章局域網協議與技術

3.1

局域網協議與參考模型

3.2常規(guī)局域網組網技術

3.3

高速局域網組網技術

3.4無線局域網協議與組網

3.1局域網技術與參考模型

3.1.1局域網技術特征3.1.2局域網/城域網參考模型和標準3.1.3介質訪問及其控制方法1.局域網的基本特征

⑴

覆蓋的地理范圍可以在一幢辦公樓、一個校園的區(qū)域，其距離一般0.1～10km；從技術上來說，已可延伸到城區(qū)（MAN）的范圍。⑵傳輸時延小，傳輸速率高，如10Mbit/s、100Mbit/s、1000Mbit/s的以太網已得到了廣泛的應用，正在推出10Gbit/s（萬兆）的以太網。⑶誤碼率很低，大致為10-8～10-11，通常小于10-8.⑷可使用多種傳輸介質,如粗纜、細纜、雙絞線、光纖3.1局域網技術與參考模型

3.1.1局域網技術特征局域網拓撲結構3.1.1局域網技術特征2.局域網的基本技術⑴總線型拓撲總線型拓撲是局域網最基本的拓撲結構之一，如下圖。

決定局域網特性的主要技術因素有網絡拓撲結構、傳輸介質和介質訪問控制方法?？偩€型局域網拓撲結構的特點是：①所有的節(jié)點都通過相應的硬件接口直接連接到一條作為公共傳輸介質的總線上。②總線通常采用同軸電纜作為傳輸介質。③所有結點都可以通過總線傳輸介質發(fā)送或接收數據，但一段時間內只允許一個結點利用總線發(fā)送數據。該節(jié)點利用總線傳輸介質以“廣播”方式發(fā)送數據，其他節(jié)點用“收聽”方式接收數據。

④由于總線作為公共傳輸介質為多個結點共享，就有可能出現同一時刻有兩個或兩個以上節(jié)點利用總線發(fā)送數據，因此會出現“沖突”(collision)，造成傳輸失敗。⑤

在“共享介質”方式的總線型局域網實現技術中，必須解決多節(jié)點訪問總線的“介質訪問控制(MediumAccessControl，MAC)方法”問題。⑴總線型拓撲-2如右圖，節(jié)點H1～H5通過相應的環(huán)接口，使用點-點鏈路，構成閉合的環(huán)形。環(huán)型網絡的環(huán)接口的輸入、輸出端分別有一個接收電路(Receiver，R)與一個發(fā)送電路(Transmitter，T)組成。由于每個節(jié)點從網絡環(huán)接口的接收電路接收上一站傳送來的數據，再通過接收-轉發(fā)方式，通過它的發(fā)送電路T，經過點-點鏈路向下一站傳送，因此環(huán)中數據傳送方向是單一的。環(huán)中數據沿著一個方向繞環(huán)逐站傳輸。環(huán)型拓撲也屬于共享介質方式的局域網。⑵環(huán)型拓撲圖5-2環(huán)型局域網拓撲星型拓撲是目前在局域網中應用得最為普遍的一種，在企業(yè)網絡中幾乎都是采用這一方式。星型網絡幾乎是Ethernet(以太網)專用的拓撲結構，它是因網絡中的各工作站結點設備通過一個網絡集中設備(如集線器或者交換機)連接在一起，各結點呈星形狀分布而得名。這類網絡目前用的最多的傳輸介質是雙絞線，如常見的五類線、超五類雙絞線等。星型局域網拓撲如下圖所示。⑵星型拓撲需要注意的一點是，根據星型拓撲的定義，星型拓撲中存在著中心節(jié)點，每個節(jié)點通過點-點鏈路與中心節(jié)點連接，任何兩節(jié)點之間的通信都要通過中心節(jié)點連接。按照這種定義，在共享介質方式的局域網中不存在星型拓撲。以集線器為中心的局域網系統(tǒng)只能以歸為物理結構上的星型局域網拓撲。只有在出現交換局域網(SwitchingLAN)之后，才真正出現了物理結構與邏輯結構統(tǒng)一的星型拓撲結構。交換局域網的中心節(jié)點是一種交換式集線器（交換機）。典型的交換局域網中結點可以通過點-點鏈路與交換式集線器連接。交換式集線器可以在多對通信節(jié)點之間建立并發(fā)的邏輯連接。⑵星型拓撲-22.局域網的基本技術所謂介質訪問控制方法,是指控制多個節(jié)點利用公共傳輸介質發(fā)送和接收數據的方法。介質訪問控制方法要解決以下幾個問題：①該哪個節(jié)點發(fā)送數據？②發(fā)送時會不會出現沖突？③出現了沖突怎么處理？由此可見，介質訪問控制方法是所有“共享介質”類型局域網都必須解決的共性問題。局域網的介質訪問控制方法局域網的介質訪問控制方法主要有以下三種：①帶有沖突檢測的載波偵聽多路訪問(CSMA/CD)方法；②令牌總線(TokenBus)方法；③令牌環(huán)(TokenRing)方法。3.1.2

局域網/城域網參考模型和標準1.

IEEE802局域網/城域網體系結構IEEE802委員會于1980年初成立，專門從事局域網標準化方面的工作，目的是推動局域網技術的應用和規(guī)范局域網產品的開發(fā)。IEEE802委員會分成三個分會：⑴通信介質(或稱媒體)分會。該分會的研究領域對應于ISO的OSI參考模型的物理層。該層主要涉及局域網通信的物理傳輸特性以及標準的物理介質與鏈路接口的性質。

⑵

信號存取控制分會。該分會的研究領域對應于ISO的OSI參考模型的數據鏈路層。該層主要涉及邏輯鏈路控制協議和介質訪問控制協議，以及與物理層(在其下面)和網絡層(在其上面)的接口。

⑶高層接口分會。該分會負責檢查局域網對ISO的OSI參考模型高層(即從網絡層到應用層)的影響。實際應用當中，不同的網絡技術，通常側重于不同層的協議。盡管局域網是計算機網絡系統(tǒng)中的一種，但局域網并沒有完全采用OSI參考模型，由IEEE802工作組制定的LAN/MAN體系結構只有OSI/RM的最低兩層，即物理層和數據鏈路層。1.

IEEE802局域網/城域網體系結構-2IEEE802委員會在IEEE802.1標準中定義了關于局域網的參考模型，右圖為LAN/MAN的參考模型以及與OSI/RM的映像關系。圖

IEEE802局域網/城域網參考模型可見局域網的參考模型分為物理層和數據鏈路層兩個層次。各層的主要功能如下：1.

IEEE802局域網/城域網體系結構-3

⑴

物理層。主要處理物理鏈路上發(fā)送、傳遞和接收非結構化的比特流，包括對帶寬的頻道分配和對基帶的信號調制，建立、維持、撤消物理鏈路等，并要實現電氣、機械、功能和規(guī)程四大特性的匹配。該層規(guī)定了所使用的信號、編碼、傳輸媒體、拓撲結構和傳輸速率。

⑵

數據鏈路層。它最主要的作用是通過一些數據鏈路層協議，在不太可靠的傳輸信道上實現可靠的數據傳輸，負責幀的傳送和控制用。同時局域網的數據鏈路層進一步被劃分為兩個子層：①介質訪問控制MAC(MediumAccessControl)子層；②邏輯鏈路控制LLC(LogicalLinkControl)子層。1.

IEEE802局域網/城域網體系結構-4

LLC子層的主要功能

邏輯鏈路控制LLC子層集中了與介質接入無關的部分。

LLC向高層提供一個或多個邏輯接口（或稱為服務訪問點SAP），它具有幀接收和發(fā)送功能。此外：

LLC子層還包括多種網絡層功能，如數據報、虛電路和多路復用。

建立和釋放數據鏈路層的邏輯連接；LLC子層提供兩種鏈路服務：一是無連接LLC，二是面向連接LLC。

在任何信息幀交換前，在一對LLC實體間必須建立邏輯鏈路，在數據傳輸過程中，信息幀依次發(fā)送，并提供差錯恢復和流量控制功能。

MAC子層的主要功能1.

IEEE802局域網/城域網體系結構-5介質訪問控制MAC子層集中了與各種介質接入有關的部分。其主要功能是控制對傳輸媒體的訪問，同時負責在物理層的基礎上進行無差錯通信，有管理多個源鏈路與多個目的鏈路的功能。具體功能有：

(1)發(fā)送信息時負責把LLC幀組裝成帶有地址和差錯校驗段的MAC幀，接收數據時對MAC幀進行抽取，執(zhí)行地址識別和差錯校驗；

(2)實現和維護MAC協議。IEEE802標準制定了幾種媒體訪問控制方法，同一個LLC子層能與其中任何一種媒體訪問方法接口。MAC實現對不同拓撲結構、不同傳輸媒體的訪問控制。IEEE802.3、802.4、802.5等系列標準就是針對不同類型的局域網而制定的，以實現不同媒體、不同拓撲結構訪問控制的細節(jié)處理。

MAC幀與LLC幀的封裝1.

IEEE802局域網/城域網體系結構-6由局域網的參考模型可知，局域網中數據鏈路層的功能是由MAC子層和LLC子層共同完成的，與之相應的就有兩種不同的幀：MAC幀和LLC幀。高層的PDU包傳到LLC子層，LLC子層就把高層的PDU包封裝成LLC幀。LLC幀再向下傳輸給MAC子層，MAC子層將LLC幀封裝成MAC幀。MAC幀再向下傳遞給物理層進行比特流傳輸，

如下圖所示。高層PDULLC幀MAC幀局域網中的各站共享一條公共信道，而在一個站點可能有多個進程在運行。這些進程還可能同時與其他一個或多個站的進程進行通信，那么它們是如何實現進程通信的呢？換句話說，一個站點的進程發(fā)出連接請求時，怎樣才能找到對方的進程呢？若假設站點A要與工作站點B進行進程通信，那么就要求點站A在發(fā)出MAC幀中加上站點A在網絡中的地址(即源地址)和對方站點（站點B）在網絡中的地址(即目的地址)。因此，在局域網中要實現進程通信，必須有兩種地址：LLC地址和MAC地址局域網的地址

1.

IEEE802局域網/城域網體系結構-7

LLC地址：即是與進程相對應的LLC子層上面的服務訪問點SAP地址（邏輯地址）,

由LLC幀傳送；MAC地址：DTE站點在網絡中的地址，用物理地址表示，由MAC幀負責傳送。在進程通信過程中局域網絡的尋址分為兩步：①用MAC地址找到網絡中的某個站點(DTE),剝去MAC幀的首尾并上交給LLC子層。②用LLC幀地址尋找該站的某個服務訪問點SAP

(即進程地址)。局域網的地址-21.

IEEE802局域網/城域網體系結構-82.

IEEE802標準IEEE802局域網標準是一個系列標準，并不斷地增加新的標準,下圖給出了IEEE802系列標準中各個子標準之間的關系.

圖IEEE802系列標準這些標準在物理層和介質訪問控制MAC子層有區(qū)別，但各種局域網的邏輯鏈路控制LLC子層是相同的。事實上,

LLC子層是高級協議與任何一種MAC子層之間的標準接口。2.

IEEE802標準-2IEEE802委員會公布的11條基本標準是：802.1—概述、體系結構和網絡互連，以及網絡管理和性能測量等標準。802.2—LLC子層協議。802.3—總線型局域網MAC子層和物理層技術規(guī)范。802.4—令牌總線局域網MAC子層和物理層技術規(guī)范。802.5—令牌環(huán)局域網MAC子層和物理層技術規(guī)范。802.6—城域網(MAN)MAC子層和物理層技術規(guī)范。802.7—寬帶局域網訪問控制方法與物理層規(guī)范。802.8—光纖局域網訪問控制方法與物理層規(guī)范。802.9—話音數據綜合局域網標準。802.10—可互操作的局域網的安全與保密規(guī)范。802.11—無線局域網標準。一種MAC子層技術規(guī)范與一種介質控制方法相對應。2.

IEEE802標準-2IEEE802委員會隨著局域網的發(fā)展過程新增加的標準：802.1Q—虛擬局域網(VLAN)標準。IEEE802.3i:10BASE-T的MAC子層和物理層技術規(guī)范

IEEE802.3u:100BASE-T的MAC子層和物理層技術規(guī)范IEEE802.3ab:千兆位以太網MAC子層和物理層技術規(guī)范

(半雙工)。

IEEE802.3z:千兆位以太網MAC子層和物理層技術規(guī)范

(全雙工)。IEEE802.3ae:萬兆位以太網MAC子層和物理層技術規(guī)范。IEEE802.12:需求優(yōu)先訪問控制方法和物理層技術規(guī)范。

IEEE802.14:電纜電視(Cable-TV)訪問方法和物理層技術規(guī)范IEEE802.15:無線個人局域網(WPAN)的MAC子層和物理層技術規(guī)范。

IEEE802.16:固定寬帶無線接入系統(tǒng)的空中接口規(guī)范。3.LLC協議LLC層為所有的局域網提供公共的服務，而每一種局域網都定義了各自的MAC層和物理層。換句話說，LLC層協議獨立于各種局域網的MAC層和物理層協議。因此應該首先了解LLC層協議，然后再分別了解不同局域網的MAC層協議、物理層協議以及組網技術。⑴LLC幀格式LLC協議定義了LLC層之間通信的幀格式。LLC幀由4個字段組成：目的服務訪問點DSAP字段、源服務訪問點SSAP字段、控制字段和數據字段。下圖給出了LLC幀及前3個字段的具體結構。3.LLC協議-2圖LLC幀及前3個字段的具體結構(可變)⑴地址字段：地址字段由目的服務訪問點DSAP字段和源服務訪問點SSAP字段組成，兩個字段各占一個字節(jié)。①DSAP字段：該定義了兩種目的地址—單地址和成組地址。單地址只能識別鏈路的一個站，成組地址是一個多目標尋址，可由多個站響應的地址，用于廣播和組播。這兩種地址由DSAP字段的第一個比特“I/G”的值決定。當I/G=0時，DSAP的后面7個位表示單個目的服務訪問點地址；當I/G=1時，DSAP的后面7個位表示成組目的的服務訪問點地址。

3.LLC協議-2LLC幀格式中各個字段的含義如下：

②

SSAP字段：它的第一個比特“C/R”用于區(qū)分LLC幀是命令幀還是響應幀。當C/R=0時，表示發(fā)送的LLC幀為命令幀；當C/R=1時，表示發(fā)送的LLC幀為響應幀。SSAP的后面7個位表示源服務訪問點。⑵控制字段：占一個或兩個字節(jié)，是最復雜的字段,

LLC

的許多重要功能都靠控制字段來實現。根據該字段前兩個位的取值，可將控制字段分為信息幀I、監(jiān)督幀S和無編號幀U。信息幀和監(jiān)督幀長度為16位,無編號幀的長度為8位。下面簡要說明這三種幀。3.LLC協議-3

a.信息幀：控制字段的第1比特為0為信息幀。第2~8比特為發(fā)送序號N(S)，而第10~16比特為接收序號N(R)，即發(fā)送序號和接收序號均按模128進行編號。控制字段的第5個比特是探詢／終止(Poll/Final)比特，簡稱P/F比特.主站發(fā)出的命令幀中若將P比特置為1則表示要求對方立即發(fā)送響應。在對方確認的幀中若將F比特置為1則表示要發(fā)送的數據已經發(fā)送完畢。

b.監(jiān)督幀：若控制字段的第1~2比特為10，則對應的幀即為監(jiān)督幀S。監(jiān)督幀共有四種，取決于第3~4比特的值(見前面LLC幀結構圖的監(jiān)督幀中標有“S”的2個比特)。

所有的監(jiān)督幀都不包含要傳送的數據信息，因此它只有32比特長。顯然，監(jiān)督幀不需要有發(fā)送序號N(S)，但仍需要有接收序號N(R)。

c.無編號幀：若控制字段的第1~2比特都是1時，這個幀就是無編號幀U。無編號幀本身不帶編號，即無N(S)和N(R)字段，而是用5bit(見前面LLC幀結構圖的無編號中標有“M”的第3，4，6，7，8比特)來表示不同功能的無編號幀。無編號幀主要起控制作用，可在需要時隨時發(fā)出。

⑶數據字段：數據字段的長度M可變且沒有限制，但應是整數個字節(jié)。實際中由于MAC幀的長度受限，因此LLC幀的長度也被受限。3.LLC協議-4⑵

LLC服務3.LLC協議-5LLC子層向上層實體提供三種不同類型的服務，即不確認的無連接服務、面向連接服務、帶確認的無連接服務。相應地LLC子層定義了三種操作類型。①操作類型1(LLC1)：支持不確認無連接服務，是一種數據報服務。其特點是：由于局域網的差錯率很低，因此即使在數據鏈路層不確認問題也不會太大。該方式在局域網中使用最為廣泛，適合點到點通信、廣播通信和組播通信。②操作類型2(LLC2)：支持面向連接服務，是一種虛電路服務。端到端的控制由LLC子層提供，并且還要提供數據鏈路層的定序、流控和錯誤恢復等功能。該方式特別適合于在一定期間內向同一目的地連續(xù)發(fā)送許多或傳送很長的數據文件的情況。

⑵

LLC服務3.LLC協議-6③操作類型3(LLC3)：支持帶確認的無連接服務，是一種可靠的數據報服務。帶確認的無連接服務不需先建立連接而直接發(fā)送數據，接收方每收到一個數據單元便立即發(fā)出確認信息。發(fā)送方每次只發(fā)送一個數據單元，在得到這個數據單元的接收確認之后，再發(fā)送下一個數據單元。這種服務適合于傳輸某些非常重要且時間性很強的信息，它只在令牌總線網中使用。由于所有LAN與MAN中的網絡設備通過訪問共享介質來發(fā)送和接收信息，因而必須提供相應的機制來控制對傳輸介質的訪問，其目的是使之更加有序和有效。這就是MAC協議提供的功能。在IEEE802系列標準中，對于不同的局域網，其MAC子層是不相同的。4.MAC協議目前在所有介質訪問控制技術中，最關鍵的參數是在何地控制和如何控制。何地控制是指采用集中式還是分布式；如何控制是指怎樣控制對共享介質的訪問。在IEEE802中的局域網介質訪問控制方式主要有三種：

⑴競爭：對突發(fā)性的數據傳輸，爭用是最常用的機制，通過競爭來獲得對傳輸介質的訪問權。采用此技術的IEEE802標準有IEEE802.3和IEEE802.11。⑴介質訪問控制技術⑵輪詢(Polling)：在網絡以有序的方式詢問各站點是否有數據需要發(fā)送。這個詢問以信息的形式出現送給每個站點，由它賦予各站點傳輸數據的權利。當某站點放棄傳輸機會或者完成傳輸后,該詢問信息被繼續(xù)傳遞給下一個邏輯站點。采用此技術的IEEE802標準有IEEE802.4、IEEE802.11、IEEE802.5和IEEE802.12。⑶預約：媒體訪問時間被分為一些時槽，一個站點在傳輸數據時，可以為即將到來的傳輸預約一些時槽。采用此技術的IEEE802標準有IEEE802.6。4.MAC協議-2以上三種方式都屬于信道的動態(tài)分配方法，即動態(tài)地為每個用戶站點分配信道使用權。⑵MAC幀格式

MAC層從LLC層接收一塊數據，并進行相應的介質訪問控制，然后把數據傳輸出去，MAC層組裝一個MAC協議數據單元(PDU)，這個PDU稱之為MAC幀。MAC幀的通用格式如下圖所示，MAC幀含有5個區(qū)域：4.MAC協議-3LLC幀FCS①MAC控制字段：

包括所有實現介質訪問控制和必需的協議控制信息（PCI）；②目的MAC地址；③源MAC地址；④LLC幀：來自于LLC層的PDU；⑤幀校驗序列：采用CRC循環(huán)冗余碼進行差錯控制。帶有沖突檢測的載波偵聽多路訪問(CSMA/CD)3.1.3介質訪問及其控制方法典型的介質訪問控制方法：每個站點都能獨立決定發(fā)送幀，若兩個或多個站同時發(fā)送，即產生沖突。每個站都能判斷是否有沖突發(fā)生，如沖突發(fā)生,則等待隨機時間間隔后重發(fā)，以避免再次發(fā)生沖突。CSMA/CD的工作原理可概括成四句話，即先聽后發(fā)，邊發(fā)邊聽，沖突停止，隨機延遲后重發(fā)。令牌總線(tokenbus)訪問控制令牌環(huán)(tokenring)訪問控制令牌環(huán)介質訪問控制方法，是通過在環(huán)形網上傳輸令牌的方式來實現對介質的訪問控制。只有當令牌傳輸至環(huán)中某站點時，它才能利用環(huán)路發(fā)送或接收信息。3.1.3介質訪問及其控制方法典型的介質訪問控制方法（續(xù)）：令牌總線(tokenbus)訪問控制令牌總線訪問控制是在物理總線上建立一個邏輯環(huán)，令牌在邏輯環(huán)路中依次傳遞，其操作原理與令牌環(huán)相同。它同時具有上述兩種方法的優(yōu)點，是一種簡單、公平、性能良好的介質訪問控制方法。1.CSMA/CD介質訪問控制協議CSMA/CD是一種爭